Использование в качестве среды передачи радиолиний

Тема 1. Направляющие среды в телекоммуникациях: общие представления и свойства

Учебные вопросы:

1 Виды направляющих систем электросвязи и их основные свойства.

2 Направляющие среды передачи информации.

3 Основные требования, предъявляемые к направляющим системам элек-тросвязи.

4 Разновидности передаваемых сигналов.

5 Представление сигналов в виде рядов Фурье. Понятие о спектрах сигналов.

Вопрос 1. Виды направляющих систем электросвязи и их основные свойства

Электросвязь – разновидность связи, в основе которой лежит передача информации с помощью электромагнитных сигналов, например, посредством прохождения электрического тока по металлическим кабелям, излучения в оптическом диапазоне (в атмосфере или по волоконно-оптическому кабелю), излучения в радиодиапазоне.

Различают два основных типа направляющих сред передачи в элестросвязи: линии в атмосфере (радиолинии — РЛ) и направляющие системы передачи (линии связи).

Использование в качестве среды передачи радиолиний

Особенностью радиолиний является распространение электромагнитных сигналов в свободном (естественном) пространстве (космос, воздух, земля, вода и т.д.). Дальность РЛ может простираться от нескольких сотен метров, как, например, при первой радиопередаче, осуществленной великим русским ученым А.С. Поповым в 1895 г., до сотен миллионов километров — расстояния между автоматическими космическими аппаратами и земными станциями.

Особенностью направляющих систем электросвязи является то, что распространение сигналов в них от одного абонента (станции, устройства, элемента схемы и т.д.) к другому осуществляется только по специально созданным цепям и трактам, образующим направляющие системы, предназначенные для передачи электромагнитных сигналов в заданном направлении с должными качеством и надежностью.

Вышеуказанные особенности РЛ и НСЭ определяют их основные свойства и области применения. Так, РЛ используются для осуществления связи на различные расстояния, часто между абонентами, находящимися в движущемся относительно друг друга состоянии.

Электромагнитная волна – это распространяющееся в пространстве возмущение (изменение состояния) электромагнитного поля. При этом магнитная составляющая и электрическая изменяются по синусоидальному закону в о взаимно-перпендикулярных направлениях (рисунок 1).

Рисунок 1 – Представление электромагнитной волны

Вокруг нас сложный мир электромагнитных волн различных частот: излучения мониторов компьютеров, сотовых телефонов, микроволновых печей, телевизоров и др. В настоящее время все электромагнитные волны разделены по длинам волн на шесть основных диапазонов (рисунок 2).

Рисунок 2 – Электромагнитный спектр

Радиоволны - это электромагнитные волны (с длиной волны от 10000 м до 0,005 м), служащие для передачи сигналов (информации) на расстояние без проводов. В радиосвязи радиоволны создаются высокочастотными токами, текущими в антенне.

Электромагнитные излучения с длиной волны, от 0,005 м до 1 мкм, т.е. лежащие между диапазоном радиоволн и диапазоном видимого света, называются инфракрасным излучением. Инфракрасное излучение испускают любые нагретые тела. Источником инфракрасного излучения служат печи, батареи, электрические лампы накаливания. С помощью специальных приборов инфракрасное излучение можно преобразовать в видимый свет и получать изображения нагретых предметов в полной темноте.

К видимому свету относят излучения с длиной волны примерно 770 нм до 380 нм, от красного до фиолетового цвета. Значение этого участка спектра электромагнитных излучений в жизни человека исключительно велико, так как почти все сведения об окружающем мире человек получает с помощью зрения.

Невидимое глазом электромагнитное излучение с длиной волны меньше, чем у фиолетового цвета, называют ультрафиолетовым излучением. Оно способно убивать болезнетворные бактерии.

Рентгеновское излучение невидимо глазом. Оно проходит без существенного поглощения через значительные слои вещества, непрозрачного для видимого света, что используют для диагностики заболеваний внутренних органов.

Гамма-излучением называют электромагнитное излучение, испускаемое возбужденными ядрами и возникающее при взаимодействии элементарных частиц.

Характер распространения электромагнитных сигналов в различных средах, в первую очередь, зависит от частоты радиосигнала (несущей частоты).

B соответствии с этим различают следующие типовые диапазоны длин волн и радиочастот.

В зависимости от длины волны (частоты) сигналы по радиолиниям распространяются следующим путем (рисунок 1): ДВ и СВ — поверхностным лучом (1), KB — пространственным лучом (2), УКВ и ОВ — в пределах прямой видимости (3).

Рисунок 3 – Распространение различных типов радиоволн

Кроме указанных выше достоинств радиолиний, определяемых возможностью установления связи на огромные расстояния с подвижными объектами, отметим еще высокую скорость установления связи, а также возможность обеспечения передачи массовым средствам информации (радиовещание и телевидение) с неограниченным числом слушателей и зрителей.

Основные недостатки РЛ (радиосвязи) следующие:

1) зависимость качества связи от состояния среды передачи и сторонних электромагнитных полей;

2) недостаточно высокая электромагнитная совместимость в диапазоне метровых волн и выше;

3) сложность аппаратуры передатчика и приемника.

С целью уменьшения этих недостатков в ходе развития радиосвязи интенсивно осваивались более высокие частоты (сантиметровые, оптические диапазоны), что позволило резко повысить пропускную способность радиоканалов, создать узконаправленные системы радиосвязи на базе использования направленных антенн и лазерных устройств и привело к резкому уменьшению уровня помех и повышению степени электромагнитной совместимости. Например, линии радиосвязи, работающие на ДВ, СВ, КВ, позволяют осуществлять связь на большие расстояния, но имеют небольшую пропускную способность и подвержены помехам. Поэтому эти РЛ занимают малый удельный вес в общем объеме электросвязи и используются главным образом для радиофикации и связи с труднодоступными районами.

Рисунок 4 – Принцип работы радиорелейных линий

Радиорелейные линии (РРЛ) работают на дециметровых - миллиметровых волнах в пределах прямой видимости. Они представляют собой цепочку ретрансляторов, устанавливаемых примерно через каждые 50 км (высота мачты 50...70 м) (рисунок 4). При большей высоте антенной мачты ретрансляционные участки могут быть увеличены до 70...100 км. Радиорелейные линии позволяют получать большее число каналов (300...1920) на большие расстояния (до 12500 км); они получили широкое применение для телевидения, радиофикации и связи. Эти линии в меньшей степени подвержены помехам, обеспечивают достаточно устойчивую и качественную связь, хотя степень защищенности передачи по ним недостаточна.

Спутниковые линии связи (СЛ) используют, как и РРЛ, сантиметровый диапазон волн. Спутниковые линии действуют на принципе ретрансляции сигналов, осуществляемой аппаратурой, расположенной на искусственном спутнике Земли (ИСЗ). Фактически ИСЗ — это ретранслятор радиорелейной линии, поднятый на большую высоту (рисунок 5).

Рисунок 5 – Космическая связь с помощью ИСЗ

Спутниковые линии позволяют осуществлять многоканальную связь на очень большие расстояния. На геостационарной орбите высотой 36000 км спутник вращается со скоростью вращения Земли (один оборот за 24 часа). B этом случае можно с помощью трех спутников, расположенных под углом 120°, обеспечить связь на территории всего земного шара.

Спутниковые линии применяются в первую очередь для передачи программ вещания, телевидения и полос газет в труднодоступные районы Сибири, Крайнего Севера и Дальнего Востока. Достоинством СЛ является большая зона действия и передачи информации на значительные расстояния, к недостаткам относятся высокая стоимость запуска спутника и сложность организации дуплексной телефонной связи.

Достоинства НСЭ систем состоят в обеспечении требуемого качества передачи сигналов, высокой скорости передачи, большой защищенности от влияния сторонних полей, заданной степени электромагнитной совместимости, относительной простоты оконечных устройств. Недостатки НСЭ определяются высокой стоимостью капитальных и эксплуатационных расходов, а также относительно большими сроками их строительства.

Сравнивая НСЭ и РЛ, следует отметить, что они не противопоставляются, а дополняют друг друга, способствуя решению глобальной задачи создания, развития и совершенствования сети связи России. Примером этого единства, в частности, является то обстоятельство, что во всех радиопередающих и радиоприемных устройствах используются проводные линии связи, с помощью которых осуществляется передача электромагнитных сигналов между элементами и блоками этих устройств.

В настоящее время по НСЭ передаются сигналы от постоянного тока до оптического диапазона частот, а рабочий диапазон длин волн простирается от 0,85 мкм до сотен километров.