">
Прикладные науки Технология
Информация о работе

Тема: Принципы построения радиорелейных систем связи.

Описание: Разделение сигналов ВЧ стволов ферритовыми циркуляторами. Уровень сигнала на входе приемника. Определение множителя ослабления для полуоткрытых и закрытых трасс. Влияния слоистых неоднородностей тропосферы. Ослабление сигнала за счет поглощения анергии в атмосфере.
Предмет: Прикладные науки.
Дисциплина: Технология.
Тип: Курсовая работа
Дата: 16.08.2012 г.
Язык: Русский
Скачиваний: 104
Поднять уникальность

Похожие работы:

«Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики»»

Курсовая работа на тему

Принципы построения радиорелейных систем связи.

2012г.

Введение

1.1 Общие сведения о системах связи

Развитие хозяйства, совершенствование методов управления производством, повышение темпа современной жизни немыслимы без разветвленных и технически совершенных систем связи.

Системы связи предназначены для передачи на расстояние информации Под информацией понимается совокупность сведений п каком-либо событии, о состоянии некоторой материальной системы. Форма представления информации называется сообщением. При передаче телеграмм сообщением является текст, состоящий m отдельных (т. е. дискретных) символов — букв и цифр. При передаче разговора сообщением является непрерывное изменение во времени звукового давления, отражающего не только смысл слов и фраз, но и интонацию, тембр и другие характеристики речи. Другими формами информации являются музыка, телевизионное изображение, данные на выходе вычислительной машины, фототелеграммы и др.

При передаче телеграмм каждый символ преобразуется телеграфным аппаратом в определенную последовательность электрических импульсов; при передаче речи или музыки микрофон преобразует изменения звукового давления в соответствующие изменения электрического тока или напряжения; при передаче телевизионного изображения с помощью передающей телевизионной трубки осуществляется преобразование элементов изображения в электрическое напряжение или ток.

Общую структурную схему любой системы связи можно представить в виде рис. В.1, где показано прохождение и сообщения от источника до получателя в одну сторону. Из рисунка следует, что посредством передатчика (П) сообщение u(t) преобразуется в сигнал ис(t), который затем передается по линии связи. Линией связи называется среда распространения электромагнитных волн, используемая для передачи сигналов от передатчика П к приемнику Пр. В радиосвязи этой средой является область пространства, в системах электрической связи это провода, кабели пли волноводы. На выходе линии связи из-за воздействия шумов, помех и искажений сигнал u*c(t) будет отличаться от передаваемого сигнала uc(t). Приемник преобразует u*c(t) в сообщение

u*(f), которое направляется к получателю. Вследствие шумов и помех, а также из-за неизбежных искажений при преобразовании принятое сообщение u*c(t) будет несколько отличаться от переданного ис(t).



Рис B.I. Общая структурная схема системы связи

Передатчик, линия связи и приемник образуют канал связи. При создании и совершенствовании каналов связи всегда стремятся выбрать такие параметры канала (мощность передатчика, вид модуляции, метод приема, обработку сигнала и др.), при которых u*(t) и u(t) будут иметь возможно меньшие отличия. Источник сообщений, П, линия связи, Пр и получатель образуют систему связи. Системы связи, предназначенные для передачи непрерывных сообщений (речи, музыки), называются аналоговыми, а для передачи дискретных сообщений (телеграмм, данных) —дискретными. Отметим, что иногда непрерывные сообщения преобразуются в дискретную форму и передаются дискретными методами; в этом случае можно говорить о смешанной системе передачи. Передачу в одном направлении большего числа независимых сообщений с технической и экономической стороны целесообразно осуществлять не посредством большого числа каналов, каждый иэ которых предназначен для передачи индивидуальных сообщений, а с помощью одного общего широкополосного канала, т. е. через общие для всех сообщений передатчик, приемник и линию связи. Для этого с помощью передающей части аппаратуры уплотнения (АУ), установленной на стороне передачи в точке 1, общий канал связи уплотняется индивидуальными каналами, рассчитанными на передачу индивидуальных сообщений. Этот же процесс можно описать и иначе: с помощью АУ индивидуальные сообщения, полученные от источников, преобразуются в многоканальное (или групповое) сообщение, которое поступает в канал связи — ко входу передатчика (см. рис. В.1). На выходе канала связи в точке 2 устанавливается аппаратура разделения каналов. Многоканальное (групповое) сообщение с выхода приемника поступает на аппаратуру разделения, которая является приемной частью АУ, где осуществляется преобразование, обратное тому, которое выполнялось в передающей части АУ. Многоканальное (групповое) сообщение преобразуется в индивидуальные сообщения, направляемые к соответствующим получателям. Отметим, что как приемная, так и передающая части АУ входят в единый комплекс оборудования, обычно называемый аппаратурой уплотнения (АУ).

Таким образом, при наличии АУ пропускная способность системы н канала связи увеличивается, система и канал связи становятся многоканальными, так как по одному широкополосному каналу связи осуществляется передача большого числа различных сообщений, получаемых от источников.

1.2 Классификация систем радиосвязи.

Системы радиосвязи можно классифицировать по различным признакам.

Во-первых, согласно Регламенту радиосвязи [В.2], который является основным международным документом, определяющим использование радиоспектра и условия работы различных радиосредств, системы радиосвязи можно подразделить по их принадлежности той или иной службе. Существует несколько служб: фиксированная (служба радиосвязи между отдельными фиксированными пунктами), подвижная (связь между движущимися и неподвижным объектами или между движущимися объектами), радиовещательная (служба радиосвязи, передачи которой предназначены для непосредственного приема населением), радиоопределения, к которой относятся радионавигационная и радиолокационные службы и др.

Во-вторых, системы радиосвязи можно классифицировать по спектру частот, в которых они работают. В соответствии с [В.2] радиоспектр подразделяется на девять диапазонов частот. Диапазон с номером N охватывает от 0,3*10N до 3*10N Гц. В табл. В.1 приведены диапазоны частот и их наименования.

Таблица В.1

Номер

диапазона Диапазон 
Диапазон

волн 

Наименование  4 3—30 кГц 100—10 км Мириаметровые волны  5 30—300 кГц 10—1 км Километровые волны  6 300—3000 кГц 1000—100 м Гектометровые волны  7 3—30 МГц 100—10 м Дека метровые волны  8 30—300 МГц 10—1 м Метровые волны  9 300—3000 МГц 100—10 см Дециметровые волны  10 3—30 ГГц 10—1 см Сантиметровые волны  11 30—300 ГГц 10—1 мм Миллиметровые волны  12 300—3000 ГГц 1—0,1 мм Децимиллиметровые     волны  

Отметим, что диапазоны 7, 8, 9 и 10 имеют соответственно следующие сокращенные обозначения: ВЧ, ОВЧ, УВЧ, СВЧ.

В-третьих, по виду физических процессов, используемых в среде распространения электромагнитных волн (в линии связи) от передатчика к приемнику (см. рис. В.1). В соответствии с этим системы связи подразделяют на однолучевые, в которых между приемной и передающей антеннами существует только один прямой луч; двух- и трехлучевые, когда наряду с прямым лучом приходится учитывать влияние одного или двух лучей, например, отраженных от поверхности Земли и неоднородностей тропосферы, и многолучевые.

В-четвертых, системы радиосвязи можно классифицировать по пропускной способности. Системы с малой пропускной способностью дозволяют осуществить передачу от одного-двух до 24 телефонных сообщений; со средней пропускной способностью — несколько десятков телефонных сообщений и, наконец, с большой пропускной способностью—передачу телевизионного сообщения или сотен телефонных. В настоящее время существуют и куда более производительные каналы связи.

В-пятых, системы радиосвязи, как уже отмечалось ранее, можно подразделить на аналоговые и дискретные.

В настоящее время системы связи продолжают совершенствоваться в различных направлениях: увеличиваются пропускная способность и помехоустойчивость, разрабатываются новые системы связи — радиорелейные линии в миллиметровом диапазоне волн, оптические и волноводные линии связи, обладающие огромной пропускной способностью.

2 Обзор радиорелейных линий связи

2.1 Определение

Радиорелейная линия представляет (РРЛ) собой цепочку приемо-передающих станций, антенны которых отстоят друг от друга на расстояние R прямой видимости. Для передачи сигналов на значительные расстояния используется принцип ретрансляции — каждая станция, входящая в РРЛ, принимает, усиливает и излучает сигнал в направлении соседней станция. Современные РРЛ позволяют осуществить высококачественную передачу различных сообщений на расстояния в несколько тысяч километров, т. е. значительно превышающие Расстояние R. Расстояние R, км, в случае гладкой поверхности Земли (равнина без леса или водная поверхность) может быть определено по приближенной формуле:

R = 4(Vh1 + Vh2),(2.1)

где h1и h2 — высоты установки соответственно передающей и приемной антенн соседних станций, м. Из (2.1) следует, что при h1= h2= 40 м R=50 км.

В зависимости от рельефа местности и особенности условий распространения радиоволн высота установки антенн изменяется от 10—20 до 70—100 м, а величина R — от 30 до 70 км.

Для передачи сигналов от одной радиорелейной станции (РРС) к другой применяются остронаправленные антенны с коэффициентом усиления 30—40 дБ (103—104 раз по мощности) н более. Большие коэффициенты усиления антенн позволяют применять на РРЛ передатчики сравнительно небольшой мощности (не более 10—20 Вт).

Для работы РРЛ выделяются полосы частот, расположенные в области 0,4; 2; 4; 6; 8 и 11 ГГц. Идет освоение более высокочастотного диапазона до 15 ГГц и выше. Выбор указанных диапазонов обусловлен, главным образом, тем, что в этом случае, во-первых, оказывается возможной передача большого объема информаций (обеспечивается большая пропускная способности), во-вторых, достаточно высокие помехоустойчивость и надежность связи. Малая ширина диаграммы направленности антенн дает возможность избежать взаимных помех между РРС, работающими на одинаковых частотах.

2.2 Типы станций РРЛ

Все станции РРЛ в зависимости от их мест расположения, назначения и комплектации подразделяются на промежуточные (ПРС), оконечные (ОРС) и узловые (УРС) станции (рис. 4.1).



Рис 4 1 Упрощенное изображение радиорелейной линии

Промежуточные радиорелейные станции предназначаются для приема от предыдущей станции модулированных СВЧ сигналов, усиления их и передачи на последующую станцию. Эти станции оборудуются автоматизированной аппаратурой и являются в основном необслуживаемыми. Управление и наблюдение за работой аппаратуры необслуживаемых ПРС производятся с ОРС или УРС автоматически или дистанционно с помощью специальной системы телеобслуживания.

Оконечные радиорелейные станции расположены на концах магистральной линии или на концах линий, ответвляемых от магистральной. На ОРС производятся введение и выделение сообщений, передаваемых по РРЛ. С помощью соединительных линий ОРС связываются с междугородными телефонными станциями (МТС), междугородными телевизионными аппаратными (МТА) и междугородными вещательными аппаратными (MBA), которые являются основными источниками сообщений, передаваемых по РРЛ. - На ОРС всегда имеется обслуживающий технический персонал, обеспечивающий исправность аппаратуры не только данной ОРС, но и подчиненных ей нескольких ПРС на участке резервирования.

Узловые радиорелейные станции, так же как и ОРС, имеют обслуживающий технический персонал. Устанавливаются УРС в тех пунктах трассы РРЛ, где требуется производить выделение и ввод телефонных сообщений, выделение или замену программ телевидения. Выделенные телефонные, телевизионные или другие сообщения далее подаются к соответствующим потребителям.

2.3 Структурная схема РРЛ.

Упрощенная структурная схема РРЛ представлена на рис. 2.2. Для обеспечения дуплексной связи на каждой ОРС устанавливаются приемник (Пр) и передатчик (П), а на ПРС и УРС — два приемника и два передатчика. Передача и прием радиосигналов производятся на разных радиочастотах, благодаря чему передатчик данной РРС не мешает работе ее приемника. В соответствии с рис. 2.2 в состав ОРС и УРС, кроме Пр и П входит аппаратура уплотнения (АУ). На ОРС групповое сообщение, снимаемое с выхода АУ, модулирует колебания передатчика П с несущей частотой f1. Затем сигнал через разделительно-полосовой фильтр (РПФ) подводится к антенне и излучается в сторону соседней ПРС. 



Рис 4.2 Упрощенная структурная схема радиорелейной линии

На соседней ПРС разделительный фильтр РПФ и Пр настроены на несущую частоту f1 приходящего сигнала Этот сигнал усиливается, преобразуется в передатчике П в сигнал с несущей частотой f2 и затем излучается в сторону следующей РРС, где осуществляются аналогичные процессы, в результате которых сигнал с несущей частотой f2 принимается, преобразуется в сигнал с несущей частотой fi и cнова излучается в сторону соседней ПРС. Таким образом, происходит передача между двумя ОРС, или двумя УРС, или между ОРС и УРС как в одном, так и в другом направлениях.

На ОРС и УРС принятые колебания после усиления демодулируются, в результате чего получают исходное групповое сообщение, которое подводится к приёмной части АУ, а затем разделяется по соответствующим каналам.

Рабочие частоты приемников и передатчиков РРЛ выбираются из общего диапазона частот, отведенного для ее работы с таким расчетом, чтобы разница между частотами приема и передачи каждой РРС была достаточна для подавления разделительно- полосовыми фильтрами РПФ как излучений от передатчиков, установленных на данной станции, так и помех, создаваемых вне станции.

Для увеличения пропускной способности РРЛ на каждой РРС обычно устанавливается несколько комплектов приемо-передающей аппаратуры, подключаемых к одной общей антенне через РПФ и устройства сложения и использующих разные несущие (рабочие) частоты. Цепочка РРС с одним комплектом однотипной высокочастотной приемо-передающей аппаратуры и РПФ, установленных на каждой станции (без модуляторов и демодуляторов), образуют так называемый высокочастотный (ВЧ) ствол РРЛ или радиоствол. Высокочастотный ствол, таким образом, представляет собой радиоканал, по которому можно передавать высокочастотный сигнал, модулированный передаваемым сообщением.

Так как основную часть стоимости РРЛ составляет не приемопередающая аппаратура, а затраты, связанные со строительством зданий, антенных опор, антенн, основного и резервного энергетического оборудования и т. д., строительство РРЛ с несколькими высокочастотными стволами является экономически целесообразным. Увеличение числа стволов позволяет значительно увеличить пропускную способность РРЛ. Поэтому современные магистральные РРЛ имеют до восьми радиостволов, часть которых (один-два ствола) используется для автоматического резервирования рабочих стволов при выходе их из строя.

При передаче по РРЛ телефонных сообщений, кроме оборудования, относящегося к радиостволу, приходится устанавливать соответствующие модуляторы, и демодуляторы, которые соединяются с АУ. В этом случае радиоствол вместе с модуляторами и демодуляторами и АУ образуют так называемый телефонный ствол.

При передаче по РРЛ телевизионных программ, кроме оборудования, относящегося к радиостволу, также устанавливаются соответствующие модуляторы, демодуляторы и АУ, формирующие групповое телевизионное сообщение. В этом случае радиоствол вместе с перечисленным оборудованием образует телевизионный ствол.

Аналогично образуются резервный ствол, ствол служебной связи и др. Рабочие и резервные радиостволы имеют однотипную приемо-передающую аппаратуру, но работают на разных несущих частотах. Ствол служебной связи, как правило, имеет упрощенную приемо-передающую аппаратуру.

Современные РРЛ позволяют осуществлять одновременную передачу по одному радиостволу до 2700 телефонных сообщений или передачу телевизионных программ с несколькими каналами звукового сопровождения и вещания. В стадии разработки и внедрения находятся РРЛ на 3600 и большее число телефонных каналов

2.4 Классификация РРЛ

Радиорелейные линии прямой видимости можно классифицировать следующим образом.

По пропускной способности:

- многоканальные РРЛ (с числом каналов свыше 300);

- РРЛ средней емкости (от 60 до 300 каналов);

- малоканальные РРЛ (менее 60 каналов).

По области применения:

- стационарные магистральные многоствольные РРЛ большой емкости и большой протяженности (до 10—12 тыс. км);

- зоновые стационарные РРЛ средней емкости областного и республиканского значения и РРЛ, используемые на ответвлениях от магистральных линий (протяженность таких РРЛ может составлять до 1000-км и более);

- РРЛ местного районного значения (в основном малоканальные РРЛ, которые могут быть как стационарными, так и подвижными, в том числе мобильными) .

3. По способу уплотнения каналов и типу модуляции СВЧ колебаний передатчиков:

- РРЛ с частотным уплотнением и частотной модуляцией СВЧ колебаний передатчиков (см, гл. 5);

- РРЛ с временным уплотнением и передачей сообщений в аналоговой форме (см. гл. 6);

- РРЛ, предназначенные для передачи сообщений в цифровой форме (см. гл. 7).

4. По диапазону используемых частот: РРЛ дециметрового, сантиметрового и миллиметрового диапазонов.

3 Принципы и методы построения РРЛ

3.1 Антенно-фидерный тракт

Одной из важнейших задач построения АФТ является одновременная независимая передача по одному общему АФТ сигналов нескольких ВЧ стволов. В состав АФТ входят антенны, фидерные линии (коаксиальные или волноводные), устройства для частотного разделения (полосовые фильтры СВЧ, ферритовые циркуляторы) и поляризационного разделения стволов (поляризационное селекторы, корректоры поляризации), а также герметизирующие вставки, ферритовые вентили, фильтры поглощения волн и др.

Построение АФТ различных РРЛ систем в зависимости от их назначения, числа стволов, емкости и диапазона рабочих частот РРЛ выполняется различно.

Для РРЛ малой и средней емкостей при малом числе стволов может применяться схема АФТ, приведенная на рис. 4.5.

 Схема содержит: антенны 1, каждая из которых работает либо только на передачу, либо только на прием; фидеры 2, представляющие собой коаксиальные кабели (при работе РРЛ в ДЦВ), или волноводы (при работе в сантиметровом диапазоне); приемные и передающие разделительные фильтры 3 с частотной селекцией совместно с полосовыми фильтрами 4, включенными на входе приемников, и фильтрами гармоник 5, включенными на выходе передатчиков. Каждая ячейка разделительного фильтра настроена на частоту соответствующего ВЧ ствола. Фильтры 3 и 4, а также 3 и 5 образуют РПФ.

Основным недостатком рассмотренной схемы АФТ является то, то для приема и передачи СВЧ сигналов используются обособленные антенны и фидерные тракты, что приводит к громоздкости и удорожанию системы.

Для РРЛ с большим числом каналов применяются более сложные схемы разделения стволов, которые позволяют использовать общую антенну и АФТ как для приема, так и для передачи. При этом число антенн и число фидерных линий на РРС уменьшаются вдвое.

Большое распространение во многих радиорелейных системах получила схема АФТ, в которой используются поляризационные селекторы. При этом применяется горизонтальная и вертикальная поляризация поля волн для принимаемого и излучаемого сигналов. Приемники и передатчики РРС одного направления связи через поляризационный селектор ПС соединяются с общей антенной, либо двумя волноводами прямоугольного сечения, в каждом из которых распространяются волны с одной поляризацией, либо одним волноводом круглого сечения, позволяющим одновременно передавать пo нему в разных направлениях две группы взаимно поляризованных волн. Наибольшее применение получила схема АФТ с волноводами круглого сечения (рис. 4.6). Схема состоит из антенны 1, переходного элемента от квадратного сечения рупора антенны к круглому сечению волновода 2, герметизирующей вставки 3, а также фильтров 4 н 5 для поглощения паразитных волн типа Н и типа Е. Все эти элементы АФТ находятся вместе с антенной наверху антенной мачты. От этих элементов идет волновод круглого сечения 6, соединяющий антенну с приемо-передающей аппаратурой, установленной в техническом зале РРС. В техническом зале волновод круглого сечения через фильтры поглощения 4 и 5 и корректор поляризации 7 присоединяются к поляризационному селектору 8. Заканчивается АФТ короткими отрезками волноводов прямоугольного (или эллиптического) сечения 10, соединяющими поляризационный селектор 8 с ферритовыми вентилями 9, герметизирующими вставками 3 и разделительными фильтрами ВЧ сигналов на приеме и передаче 11, а также полосовыми фильтрами 12 и фильтрами гармоник 13. Фильтры 11 и 12, а также И и 13 образуют РПФ.

Рассмотрим два метода разделения ВЧ сигналов, относящихся к приемникам различных стволов, при передаче их по общему фидерному тракту. Отметим, что эти методы полностью применимы и для случаев, когда требуется объединить (сложить) несколько ВЧ сигналов, идущих от передатчиков различных стволов, для передачи их по общему фидерному тракту к антенне.

3.1.1 Метод 1. Разделение сигналов ВЧ стволов полосовыми фильтрами.

В устройствах разделения (и сложения) сигналов ВЧ стволов с помощью полосовых фильтров (ПФ) широко используются волноводные мосты (двойные волноводные тройники) (рис. 4.7)



Характерной особенностью волноводного моста является то, что при полной симметрии н согласовании плеч моста сигнал, поданный в плечо В, делится поровну между плечами В и С (но противофазно), а в плечо H не поступает. Сигнал, поданный в плечо Н, также делится поровну между плечами В и С (но уже синфазно), а в плечо Е не поступает.

На основании свойств обратимости можно утверждать, что если из боковых плеч В и С приходят волны с равными амплитудами и фазами, то они складываются в плече Н, образуя удвоенную амплитуду волны, и взаимно компенсируются в плече Е. Если же волны из боковых плеч В и С приходят в противофазе, то в плече Н амплитуда волны будет равна нулю, а в плече Е — удвоенному значению.

Из приведенных свойств следует, что плечи Е и Н волноводного моста взаимно развязаны, г. е. энергия волн не может переходить из плеча Е в плечо Н и наоборот.

Структурная схема разделительного фильтра (РФ) РРЛ на четыре ВЧ ствола показана на рис. 4.8. Разделительный фильтр состоит из четырех последовательно включенных блоков. Каждый блок содержит два двойных волноводных моста 1 и 2, два полосовых фильтра 3, два фазовращателя 4 и 5 и одну балластную поглощающую нагрузку 6. Все элементы РФ выполняются из отрезков стандартных волноводов прямоугольного сечения.

Принцип действия РФ РРЛ заключается в следующем. Колебания с несколькими частотами f1, f2, f3, f4, и от АФТ поступают в плечо Е (см. рис. 4.8) первого волноводного моста 1 Энергия этих сигналов делится между плечами В и С поровну (но противофазно, поэтому в плечо Н не поступает) и направляется к полосовым фильтрам 3, установленным в каждой из этих ветвей. Полосовые фильтры первого блока настроены на частоту f1, поэтому они пропускают колебания только с частотой f1, которые поступают во второй волноводный мост 2 и далее в приемник. Сигналы с частотами f2, f3 и f4, отражаются полосовыми фильтрами и возвращаются обратно в первый волноводный мост 1 к плечам В и С. Для того чтобы энергия отраженных сигналов не попала в плечо Е моста 1, в одну из ветвей (В или С) между волноводным мостом и ПФ включается фазовращатель 4, обеспечивающий сдвиг фаз в 90°. В этом случае отраженные от ПФ волны, достигнув волноводного моста 1 , будут иметь одинаковые фазы, так как одна из этих волн, проходя дважды через фазовращатель 4 (туда и обратно), получает сдвиг фаз в 180°. Таким образом, отраженные сигналы с частотами f2, — f4, поступают не в плечо Е, а в плечо Н первого блока, которое подключено ко входу второго блока РФ, выделяющего ВЧ сигнал следующего ствола (f2,), и т. д.

Следует отметить, что из-за наличия фазовращателя 4 волны, поступающие во второй волноводный мост 2 из обеих ветвей В и С, оказываются дополнительно сдвинутыми по фазе друг относительно друга на 90°. Для того чтобы компенсировать этот сдвиг, необходимо включить между одним из ПФ и мостом 2 второй фазовращатель 5.

Разделительные фильтры передающего тракта построены аналогично разделительным фильтрам приемного тракта.

3.1.1 Метод 2. Разделение сигналов ВЧ стволов ферритовыми циркуляторами.

Ферритовый циркулятор (ФЦ) представляет собой волноводный тройник, в центре которого помещен ферритовый стержень, намагниченный .вдоль своей оси внешним постоянным магнитным полем. Если ферритовый стержень убрать, то волна, поступающая в любое плечо ФЦ (например, в плечо I) делится поровну между остальными двумя плечами II и III с одинаковыми амплитудами и синфазными полями. При наличии намагниченного ферритового стержня, являющегося своего рода переизлучателем СВЧ поля, можно так подобрать его параметры, при которых прямая и переизлученная стержнем волны в плече II будут синфазны и иметь одинаковые амплитуды, тогда как в плече III указанные прямая и переизлученная волны будут противофазны. При таких условиях энергия волны из плеча I полностью перейдет в плечо II и не пройдет в плечо III, То же самое можно сказать и о энергии волны, поступающей извне, например, в плечо II — она пройдет в плечо III и не пройдет в плечо I. Такая невзаимная связь между плечами ФЦ дает возможность применять их для разделения и сложения сигналов ВЧ стволов.

Одна ,из таких схем разделения сигналов четырех ВЧ стволов представлена на рис. 4.9.



Сигналы стволов с частотами f1, f2, f3, f4 подаются на вход первого циркулятора ФЦ1, которые поступают затем в плечо II (в плечо III они не попадают) и далее на выход к плечу I ФЦ2. ФЦ1 выполняет роль ферритового вентиля и предназначен для согласования антенно-фидерного тракта с устройством разделения сигналов ВЧ стволов. Если из-за неидеального согласования имеют место отражения от плеча I ФЦ2, то отраженные сигналы снова поступают в плечо II ФЦ1. Учитывая направление циркуляции энергии в циркуляторе, из плеча II ФЦ1 отраженные сигналы поступают в плечо III и поглощаются в балластной нагрузке БН.

Из рис. 4.9 видно, что плечи II всех циркуляторов, кроме первого, связаны с многозвенными полосовыми фильтрами ПФ1— ПФ4. Каждый полосовой фильтр пропускает к своему приемнику (Пр) сигнал лишь с той частотой, на которую этот фильтр настроен (например, f1). Сигналы с частотами других стволов (f2, f3 и f4) отражаются от ПФ1 и поступают снова в плечо II циркулятора ФЦ2. В результате благодаря свойству циркулятора поля основной и переизлученной волн в плече III ФЦ2 будут в фазе и поступят к следующему блоку с ферритовым циркулятором ФЦЗ. В следующих блоках выделение сигналов остальных стволов (f2, f3 и f4) происходит аналогичным образом.

3.2 Уровень сигнала на входе приемника. Множитель ослабления.

Основные соотношения. В точке, где установлена приемная антенна, напряженность электромагнитного поля сигнала

Е = Е0V(t).(4.7)

Здесь — напряженность электромагнитного поля при распространении в свободном пространстве; V(t) - множитель ослабления, величина которого в разные моменты времени может принимать значения от 1—2 до 10-2 и меньше. Из (4.7) следует, что множитель ослабления

V(t)=E/E0(4.8)

т. е. определяется отношением напряженности поля Е при распространении в реальных условиях к напряженности поля в той же точке при распространении в свободном пространстве.

Из курса распространения электромагнитных волy известно, что

E0 =  ; (4.9)

где Рп — мощность колебаний, подаваемых с выхода передатчика на вход фидера антенны; Gп — коэффициент усиления передающей антенны; R — расстояние между точками передачи и приема (длина интервала); ?— КПД фидера, включенного между передатчиком и антенной.

Мощность сигналя на выходе приемной антенны можно определить через ее эффективную площадь Sаэ:

Pпр = ;(4.10)

На основании (4.2)

=SKи = ; (4.11)

Для определения мощности сигнала на входе приемника P0вх подставим в (4.10) значения Е и Sае из (4.7), (4.9) и (4.11) и учтем потери в фидерном тракте, включенном между антенной и приемной аппаратурой. После соответствующих преобразований имеем

Pс вх = Pп Gп Gпр ?п ?пр2 V2(t) = V2(t)(4.12)

Здесь ?пр — КПД фидерного тракта на стороне приема; Gпр, — коэффициент усиления приемной антенны, а

Асв = 2 (4.13)

- ослабление сигнала в свободном пространстве.

Выражение (4.12) можно записать иначе:

Pс вх = P0 вх V2(t) (4.14)

Здесь

 (4.15) — мощность сигнала на входе приемника при распространении в свободном пространстве, где V(t) = 1

Множитель ослабления сигнала V(t) зависит от ряда причин:

1. Интерференции прямой волны и волн, отраженных от поверхности Земли и верхних слоев атмосферы. Вследствие случайного изменения температуры, давления и влажности воздуха вертикальный градиент диэлектрической проницаемости атмосферы изменяется, в результате чего изменяется траектория этих сигналов на пути от передающей антенны к приемной. В соответствии с этим происходит случайное изменение фазовых соотношений между сигналами в точке приема. В случае равенства амплитуд складываемых сигналов при фазовом сдвиге между ними, близком к 180°, возникают глубокие замирания, и прием практически становится невозможным.

2. Экранирующего действия поверхности Земли. Из-за случайных изменений траектории радиоволн электромагнитная энергия в большей или меньшей степени экранируется препятствиями на поверхности Земли, что приводит к изменению величины V(t).

Рис. 4.10. Профиль интервала в полярной системе координат

Рассеяния и поглощения радиоволн осадками, парами воды и кислородом атмосферы.

На условия распространения радиоволн существенное значение оказывает характер местности, над которой они проходят, и состояние атмосферы. Рассмотрим рис. 4.10, где изображен профиль некоторого интервала РРЛ, т. е. вертикальный разрез местности между двумя радиорелейными станциями с учетом леса, строений и особенностей рельефа. Прямая АБ, соединяющая центры антенн, показывает траекторию радиоволн при распространении в свободном пространстве, т. е. без учета искривления (рефракции) в атмосфере. При выбранных высотах подвеса антенн h1 и h2 между линией АБ и наивысшей точкой препятствия получается просвет H.

Для практических целей удобней пользоваться профилем, построенным в прямоугольной системе координат, а не в полярной, как это было сделано на рис. 4.10. Естественно, такой переход повлечет за собой изменение вида кривой, определяющей уровень моря (или любой другой условный нулевой уровень); При переходе к прямоугольной системе координат поверхность Земли с радиусом с достаточной степенью точности можно заменить параболой, описываемой уравнением

; (4.16)

Здесь R — длина интервала; Rx—расстояние от точки начала отсчета 0 (см. рис. 4.11).

После подстановки в (4.16) значения rЗ — 6370 км имеем ух, м:

;(4.17)

Построенная по формуле (4.17) кривая принимается за уровень моря или другой произвольно выбираемый условный нулевой уровень.



Начертив линию, изображающую условный нулевой уровень, откладывают от него высотные отметки профиля, определенные по топографическим картам. Полученные точки соединяются плавной линией. На профиле также помещаются в масштабе лес, строения и антенные опоры с высотами h1 и h2. На рис. 4.11 показан тот же профиль трассы, что и на рис. 4 10, но построенный в новой системе координат. Величина просвета Н на этих рисунках определена без учета влияния атмосферы на распространение радиоволн.

Из-за неоднородности атмосферы радиоволны распространяются по криволинейной траектории, что получило название атмосферной рефракции. При нормальном состоянии атмосферы температура с высотой уменьшается, давление падает, а относительная влажность сохраняет постоянное значение. Это приводит к уменьшению диэлектрической проницаемости воздуха е при увеличении высоты h. Вследствие этого увеличивается просвет (см. рис. 4.11).

Изменение ? с высотой принято оценивать вертикальным градиентом диэлектрической проницаемости воздуха

;(4.18)

Вдоль интервала РРЛ величина ?, а, следовательно, и g? изменяется. Поэтому вводят понятие «эффективного» градиента диэлектрической проницаемости воздуха g. Под величиной g понимают такое значение градиента, при котором напряженность поля в точке приема будет такой же, как и в случае реального изменения g? на интервале.

В зонах с умеренным климатом статистическое распределение g близко к нормальному закону. Так, например, для центральных районов Европейской территории СССР среднее значение градиента , а стандартное отклонение 

За счет рефракции происходит изменение просвета на трассе на величину ?H(g) (см. рис. 4.11):

,(4.19)

где kтр=R1/R — относительная координата препятствия на трассе. Суммарная величина просвета

(4.20)

При g<0 (положительная рефракция) величина просвета Н(g) увеличивается. При g>0 (субрефракция) величина H(g) уменьшается.

Введем относительный (нормированный) просвет

, (4.21)

где

(4.22)

- просвет, при котором множитель ослабления на интервале примерно равен единице.

Если p(g?1), т. е. H(g) ?H0, то трасса называется открытой. Когда 0?p(g) <1, т. е. 0?H(g),трасса полуоткрытая. При p(g)<0 или H(g)<0 трасса закрытая.

Рассмотрим расчет множителя ослабления при заданных параметрах трассы и атмосферы.

Расчет множителя ослабления для открытых трасс. Как известно из курса распространения радиоволн, множитель ослабления для открытых трасс

(4.23)

Здесь Ф — модуль коэффициента отражения; ?R — разность хода прямой и отраженной волн.

При отражении радиоволн от гладкой плоской поверхности и множитель ослабления будет изменяться от 2 до 0 или, переходя к децибелам, от +6 дБ до —?. При отражении радиоволн от выпуклой поверхности Земли коэффициент отражения

Ф = DФпл,(4.24)

где D — коэффициент расходимости радиоволн; Фпл — коэффициент отражения от плоской поверхности.

Величина Фпл зависит от характера поверхности. Например, для водной поверхности или солончаков; для равнины, лугов ; для среднепересеченной местности

и т. д.

Неровности рельефа, растительность, строения и т. д. могут заметно изменить картину распространения радиоволн. На условиях распространения сказывается состояние поверхности в зоне, расположенной вокруг геометрической точки отражения. Если высоты неровностей ?h в указанной зоне удовлетворяют критерию Рэлея, известному из курса распространения радиоволн,

:(4.25)

где п — номер интерференционного минимума, то отражение можно считать близким к зеркальному и . В тех случаях, когда ?h> ?hмакс, происходит диффузное отражение и . Значения коэффициента Фпл близки к нулю и при отражении волн короче 10 см от леса



Для последующих расчетов перейдем в формуле (4.23) от разности хода радиоволн ?R к нормированному просвету р(g). Согласно рис. 4.12, разность хода . Так как , то из геометрических соотношений можем записать

;(4.26)

Разделим числитель и знаменатель (4.26) на Н0, тогда с учетом (4.21) и (4.22) получим

(4.27)

В результате подстановки (4.27) в (4.23) окончательно получаем

(4.28)

Из (4.28) следует, что при любых значениях Ф максимальные и минимальные величины V получаются при выполнении условий:

;(4.29)

(4.30)

Здесь т и п — целые числа, равные 1, 2... .

3.3 Определение множителя ослабления для полуоткрытых и закрытых трасс.

На полуоткрытых и закрытых трассах распространение радиоволн происходит за счет огибания ими земной поверхности (дифракции). Напряженность электромагнитного поля за пределами прямой видимости уменьшается монотонно с увеличением расстояния. Множитель ослабления на таких трассах рассчитывается приближенно, с применением аппроксимации реального препятствия частью сферический поверхности, как показано на рис. 4.13. Если на трассе имеется несколько близко расположенных препятствий (рис. 4 14), их также можно заменить частью сферы.



Определение множителя ослабления, удобно производить по кривым рис. 4.15. На рисунке множитель ослабления V представлен как функция относительного просвета p(g). Значения V при p(g)? 1 были рассчитаны по (4.28), а при p(g)<1 — по дифракционным формулам, приведенным в курсе распространения радиоволн.

Множитель ослабления на полуоткрытых и закрытых трассах зависит от высоты и протяженности препятствий.



Рис. 4.15. Зависимость множителя ослабления от относительного просвета p(g)

Как видно из рис. 4.15, множитель ослабления с ростом ? увеличивается и достигает наибольшей величины, когда , что соответствует случаю клиновидного препятствия. Напротив, при плоской поверхности .

3.4 Учет влияния слоистых неоднородностей тропосферы.

Слоистые неоднородности (облака, метеорологические фронты, инверсионные слои и т.д.) имеют толщину 1—100 м и длину от 50 м до десятков километров. Отражения от слоистых неоднородностей порождают интерференцию радиоволн в точке приема. Если модуль коэффициента отражения от неоднородности близок к единице, а разность хода между прямой и отраженной волнами составляет около ?/2, то прием будет сопровождаться глубокими замираниями сигнала. Модуль коэффициента отражения от слоистых неоднородностей в тропосфере близок к единице, если величина скачка диэлектрической проницаемости ?? в слое удовлетворяет неравенству

?? ? — ?/R.(4.31)

Слои , с достаточно большими отрицательными значениями ?? существуют в тропосфере непостоянно. Величину множителя ослабления за счет влияния слоистых неоднородностей обычно не рассчитывают, а находят ожидаемый процент времени, в течение которого принимаемый сигнал опускается ниже допустимого уровня.

3.5 Ослабление сигнала за счет поглощения анергии в атмосфере.

При распространении радиоволн в атмосфере происходит ослабление поля за счет поглощения энергии газами и парами воды. На рис. 4.16 показаны частотные зависимости километрического ослабления в парах воды (?вод) и кислорода (?кисл). Для стандартного давления 760 мм рт. ст. при температуре 20°С и влагосодержании 10 г/м3.

На одном интервале РРЛ можно считать ?вод и ?кисл постоянными. Отсюда множитель ослабления сигнала парами воды и кислородом воздуха на интервале длиной R, дБ,

(4.32)

Ослабление сигнала в парах воды и кислороде при f<10 ГГц мало, и им обычно пренебрегают.

3.5 Ослабление сигнала в осадках.

Ослабление сигнала в дожде, граде, снеге и туманах обусловлено в основном рассеянием энергии и зависит от интенсивности осадков, соотношения между размерами частиц, составляющих осадки, и длиной волны, их температуры и агрегатного состояния. Исследования показывают, что наибольшее ослабление сигнала (при одинаковой интенсивности осадков по содержанию воды) получается при дожде.

На рис. 4.17 показана зависимость погонного ослабления сигнала ag от интенсивности дождя J и частоты. Величина множителя ослабления сигнала, дБ, на интервале РРЛ во Время дождя

 (4.33)

Здесь Rg — эффективная длина интервала, в котором интенсивность осадков считают постоянной и равной ?g:

,(4.34)

где kg — коэффициент, учитывающий пространственную неравномерность дождя.

1