Характеристика и принцип работы систем радиорелейной связи

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Радиорелейная связь -- радиосвязь по линии (радиорелейная линия, РРЛ), образованной цепочкой приёмо-передающих (ретрансляционных) радиостанций. Наземная радиорелейная связь осуществляется обычно на деци- и сантиметровых волнах (от сотен мегагерц до десятков гигагерц).

По назначению радиорелейные системы связи делятся на три категории, каждой из которых на территории России выделены свои диапазоны частот:

· местные линии связи от 0,39 ГГц до 40,5 ГГц,

· внутризоновые линии от 1,85 ГГц до 15,35 ГГц,

· магистральные линии от 3,4 ГГц до 11,7 ГГц.

Данное деление связано с влиянием среды распространения на обеспечение надёжности радиорелейной связи. До частоты 12 ГГц атмосферные явления оказывают слабое влияние на качество радиосвязи, на частотах выше 15 ГГц это влияние становится заметным, а выше 40 ГГц определяющим, кроме того, на частотах выше 40 ГГц значительное влияние на качество связи оказывает затухание в газах, составляющих атмосферу Земли. Атмосферные потери, в основном, складываются из потерь в атомах кислорода и в молекулах воды. Практически полная непрозрачность атмосферы для радиоволн наблюдается на частоте 118.74 ГГц (резонансное поглощение в атомах кислорода), а на частотах больше 60 ГГц погонное затухание превышает 15 дБ/км. Ослабление в водяных парах атмосферы зависит от их концентрации и весьма велико во влажном теплом климате и доминирует на частотах ниже 45 ГГц. Также отрицательно на радиосвязь влияют гидрометеоры, к которым относятся капли дождя, снег, град, туман и пр. Влияние гидрометеоров заметно уже при частотах больше 6 ГГц, а в неблагоприятных экологических условиях (при наличии в атмосферных осадках металлизированной пыли, смога, кислот или щелочей) и на значительно более низких частотах. Антенны соседних станций располагают в пределах прямой видимости (за исключением тропосферных станций). Для увеличения длины интервала между станциями антенны устанавливают как можно выше -- на мачтах (башнях) высотой 10--100 м (радиус видимости -- 40-50 км) и на высоких зданиях. Станции могут быть как стационарными, так и подвижными (на автомобилях).

Принципиальным отличием радиорелейной станции от иных радиостанций является дуплексный режим работы, то есть приём и передача происходят одновременно (на разных несущих частотах).

1. Развитие радиорелейной связи

Важную роль в развитии автоматизированной сеть связи имеют средства радиосвязи: радиорелейные, тропосферные и спутниковые.

Изучение распространения ультракоротких (метровых) радиоволн в нашей стране началось в 1926 г. Первые линии связи на метровых волнах появились в 1932 - 1934 гг. В 1946 г. в Киргизии была организована радиорелейная линия протяженностью 250 км. Развитие многоканальной радиорелейной связи относится к началу 40-х годов, когда появляются первые 12-канальные радиолинии, использующие тот же, что и для кабельных линий, способ частотного разделения каналов и ту же каналообразующую аппаратуру, а также частотную модуляцию сигнала.

В начале 50-х годов появилось сразу несколько типов отечественной аппаратуры РРЛ (“Стрела”, Р-60/120, Р-600). В дальнейшем на сети связи страны появились радиорелейные системы прямой видимости РРСП “Рассвет”, “Восход”, КУРС (комплекс унифицированных радиорелейных систем), “Электроника-связь” и др. Освоение Дальнего Востока и Сибири потребовало резкого увеличения протяженности ретрансляционных участков РРЛ для обеспечения связью труднодоступных и отдаленных районов страны. Для создания линий связи, удовлетворяющих этим требованиям, был использован открытый в начале 50-х годов эффект дальнего тропосферного распространения ДТР дециметровых и сантиметровых радиоволн. Используя ДТР, удалось создать новый тип тропосферных радиорелейных систем передачи ТРСП с расстояниями между соседними станциями 150 ... 300, а в отдельных случаях и 600 ... 800 км. К 1965 г. в мире эксплуатировалось уже более 100 тысяч км. Тропосферных линий. В Советском Союзе было создано несколько типов ТРСП “Горизонт-М”, ТР-120/ДТР-12 и др. Построение системы передачи зависит от многих факторов, таких как вид сообщения, критерии качества передачи сигнала, стоимости и т.д. Обычно при проектировании системы передачи информации предполагается заданным вид сообщения, а также корреспондирующие пункты. Уже на первом этапе проектирования должен быть сделан выбор наиболее подходящей системы, удовлетворяющей требованиям к пропускной способности, качеству передачи и дальности связи и учитывающей соображения социально-экономического характера.

Основным критерием выбора системы передачи является экономическая эффективность, определяемая капитальными затратами и эксплуатационными расходами. При окончательном выборе учитывают и такие показатели, как надежность передачи информации по каналам, продолжительность действия и скорость внедрения системы, повышение производительности труда, расход электроэнергии (особенно при отсутствии централизованного энергоснабжения) и т.д. Так, для определения экономической эффективности затраты на строительство и эксплуатацию РРСП целесообразно сравнить с соответствующими затратами при использовании симметричного коаксиального кабелей. Для многоканальных систем необходимо учитывать также: как эти затраты уменьшаются с увеличением числа каналов.

Расчеты показывают, что удельные затраты с ростом числа каналов (свыше 60) убывают для радиорелейных систем быстрее, чем для кабельных. Это объясняется тем, что на кабельных линиях увеличение числа каналов связано с переходом от симметричного к более дорогому коаксиальному кабелю или с прокладкой дополнительных пар кабеля или сооружением усилительных устройств, т. е. с существенными дополнительными затратами. Увеличение числа каналов на РРСП приводит лишь к незначительному удорожанию аппаратуры. Кроме того, существенное увеличение числа каналов на РРСП можно получить, если увеличивать число рабочих стволов, при этом основные сооружения (технические здания, антенные опоры) остаются прежними, а удельные затраты на канало-километр резко сокращаются. Стоимость эксплуатации РРСП с числом каналов выше 60 ниже, чем кабельных, кроме того, меньше расход цветных металлов, строительство требует меньше времени. Это определяет широкое распространение таких РРСП при сооружении временных линий, линий связи с подвижными объектами. Все это, однако, не означает, что везде и во всех случаях должны использоваться радиорелейные, а не кабельные линии или другие, например спутниковые. Каждый вид линий связи имеет свои преимущества. Кабельные линии, например, проще в эксплуатации и обеспечивают относительную скрытность связи, линии дальнего тропосферного распространения волн позволяют значительно увеличить расстояние между соседними ретрансляционными станциями, что выгодно при сооружении систем связи в отдаленных и труднодоступных районах страны. Спутниковые системы передачи наиболее экономичны при создании распределительных сетей (передаче центрального радиовещания, телевидения, фотогазет) и при больших расстояниях между корреспондентами.

Радиосистема передачи, в которой сигналы электросвязи передаются с помощью наземных ретрансляционных станций, называется радиорелейной системой передачи РРСП. Цепочка радиорелейных станций образует радиорелейную линию связи РРЛС. Сигналы от первой станции принимаются второй, усиливаются и передаются далее к третьей станции, там вновь усиливаются и передаются к четвертой станции и т.д.

Станции, устанавливаемые на конечных пунктах РРЛС и предназначенные для введения и выделения передаваемых сигналов электросвязи называются оконечными радиорелейными станциями ОРС, станции ретрансляции называются промежуточными радиорелейными станциями ПРС. На отдельных станциях осуществляется ответвление части сигналов для передачи в другом направлении или частичное выделение сигналов для передачи потребителям. Такие станции называются узловыми радиорелейными станциями УРС.

Аппаратура РРСП состоит из каналообразующей аппаратуры КОА, радиопередатчиков, радиоприемников и антенно-фидерных трактов. Один приемопередающий комплекс обычно может пропустить несколько сотен, а в ряде случаев и тысяч телефонных сигналов, или один телевизионный. В тех случаях, когда РРСП предназначена для передачи большего числа сигналов, она образуется несколькими приемопередающими комплексами, работающими в одном направлении на различных частотах. Каждый из таких комплексов сверхвысокочастотных приемопередатчиков принято называть стволом.

На ОРС с помощью КОА формируется группой сигнал из нескольких исходных сигналов. Он является модулирующим для несущей частоты f1. Модулированный радиосигнал с выхода радиопередатчика через разделительно-полосовой фильтр РПФ подводится к антенне и излучается в сторону ближайшей РПС. Без РПФ обойтись нельзя, так как на одну антенну, как правило, работают одновременно несколько радиопередатчиков разных стволов.

Радиосигнал, принятый антенной ПРС, вновь поступает на РПФ, который теперь выполняет функцию распределения сигналов каждого радиопередатчика на вход “своего” радиоприемник. Радиосигнал, пройдя РПФ, усиливается в радиоприемнике и радиопередатчике. При этом осуществляется преобразование частоты радиосигнала f1 в частоту f2. После преобразования радиосигнал излучается антенной в направлении следующей станции. На УРС между радиоприемниками и радиопередатчиками включается КОА, позволяющая выделить или дополнительно ввести часть сигналов.

Процесс приема радиосигналов на ОРС не отличается от рассмотренного на ПРС или УРС. С выхода радиоприемника групповой сигнал поступает на вход каналообразующей аппаратуры, которая осуществляет разделение сигналов для соответствующих потребителей. Ими обычно являются междугородная телефонная станция, телецентр, междугородная вещательная аппаратная.

По пропускной способности различают следующие РРЛС: многоканальные, с числом каналов ТЧ свыше 300; средней емкости - от 60 до 300 каналов ТЧ; малоканальные - меньше 60 каналов ТЧ.

По области применения РРЛС делятся на магистральные, протяженностью 10 ... 12 тысяч км, зоновые - республиканского и областного значения, местные. Магистральные РРЛС являются многоканальными, зоновые имеют среднюю емкость, а местные - малоканальные.

По способу разделения каналов РРЛС могут быть с частотным и временным разделением каналов, а по диапазону используемых частот - дециметрового, сантиметрового и миллиметрового диапазонов.

Чтобы обеспечить радиорелейную связь в пределах прямой видимости, необходимо поднять антенны над уровнем земли на башнях или мачтах. Высоты антенных опор в зависимости от длины и профиля каждого пролета между соседними станциями могут достигать 100 ... 120 м. Когда станция расположена на естественной возвышенности, антенны могут быть установлены на крыше здания, в котором находится приемопередающая аппаратура.

Длина пролета между соседними РРС обычно 30 ... 70 км. В диапазонах частот выше 8 ГГц это значение может уменьшаться с повышением частоты. В отдельных случаях длина может быть уменьшена до 20 ... 30 км из-за необходимости размещения РРС в заданном пункте, а также когда на трассе РРЛ имеется препятствия.

Коэффициент усиления ретранслятора ПРС с учетом запаса на замирания сигнала составляет 160 ... 200 дБ (при коэффициенте усиления каждой из двух антенн 30 ...46 дБ). Мощность передатчика РРС 0,3 ... 10 Вт, коэффициент шума приемника 7 ...10 дБ (в варианте с малошумящим усилителем 3 ... 5 дБ). Наибольшее распространение получили магистральные РРСП в диапазонах частот 4 и 6 ГГц и внутризоновые в диапазонах 2 и 8 ГГц. Магистральные РРСП - многовольтные, число дуплексных радиостволов, организуемых на участке РРЛ, в одном диапазоне частот достигает восьми. Для автоматического резервирования стволов обычно используют несколько рабочих (2 ... 7) и один резервный стволы.

Радиорелейные системы передачи прямой видимости формируются с помощью комплексов оборудования, называемых радиорелейными станциями связи прямой видимости РРСС. В состав РРСС входят: антенно-фидерные устройства; приемопередающая аппаратура; оконечная аппаратура телефонных, телевизионных и цифровых радиостволов; аппаратура систем автоматического резервирования стволов; аппаратура служебной связи, телесигнализации и телеуправления; оборудование систем гарантированного электропитания и оборудование жизнеобеспечения РРС.

Радиорелейные системы передачи служат для создания типовых каналов и трактов между сетевыми станциями и узлами связи. Совокупность РРСП или линейных трактов, действующих на определенной трассе и использующих одни и те же антенные опоры, станционные сооружения, первичные источники электроэнергии и вспомогательные устройства, называется радиорелейной линией связи. На РРЛ действуют не только системы передачи, но и отдельные линейные тракты, связанных с особенностью передачи телефонных сигналов, для которых преобразовательная аппаратура должна располагаться на междугородной телефонной станции. Линейный тракт может быть чисто радиорелейным, когда он образован с помощью телефонного ствола и пассивных кабельных соединительных линий, либо комбинированным, когда кроме радиорелейного тракта включают кабельные линейные тракты большой протяженности.

В отличие от телефонного ствола, телевизионный ствол в совокупности с пассивными кабельными линиями образует систему передачи, включающую преобразовательную аппаратуру и линейный тракт.

Структурная схема РРСП прямой видимости не отличается от РСП других типов. С помощью РРСП обычно передают очень широкополосные сигналы, например телевизионные или большие группы телефонных сигналов. Качественная передача таких сигналов возможна только в диапазонах дециметровых и более коротких волн. Известно, что радиоволны этих диапазонов могут устойчиво распространяться лишь в пределах прямой видимости между пунктами передачи и приема. Если наземные станции размещаются одна относительно другой на расстоянии прямой видимости между антеннами этих станций, то такая система называется РРСП прямой видимости. При высоте антенны 40 ... 50 м расстояние между станциями обычно не превышает 40 ... 50 км.

Ограниченность расстояния прямой видимости не следует рассматривать как сугубо отрицательный фактор. Именно за счет невозможности свободного распространения радиоволн на большие расстояния устраняются взаимные помехи между РРСП внутри одной страны или разных стран.

Кроме того, следует подчеркнуть, что в указанных диапазонах практически отсутствуют атмосферные и промышленные помехи. Возможность создания антенн с очень узкой диаграммой направленности позволяет использовать в этих диапазонах радиопередатчики малой емкости.

Тропосфера - это нижняя часть атмосферы Земли. Ее верхняя граница находится на высоте примерно 10 ... 12 км. В тропосфере всегда есть локальные объемные неоднородности, вызванные различными физическими процессами, происходящими в ней. Радиоволны диапазона 0,3 ... 5 ГГц способны рассеивать этими неоднородностями. Учитывая, что неоднородности находятся на значительной высоте, нетрудно представить, что рассеянные ими радиоволны могут распространяться на сотни километров. Это дает возможность расположить станции на расстоянии 200 ... 400 км друг от друга, что значительно больше расстояния прямой видимости.

Тропосферной радиорелейной системой передачи ТРРСП называется такая РРСП, в которой используется рассеяние и отражение радиоволн в нижней области тропосферы при взаимном расположении станций за пределами прямой видимости. Линии связи, оборудованные ТРРСП, подобно РРЛС прямой видимости состоит из ряда станций ОРС, ПРС, УРС. Такие линии строятся, как правило, в труднодоступных и удаленных районах страны, где сложно и дорого строить РРЛС прямой видимости. Значительные расстояния между ПРС, безусловно, выгодны при организации протяженных линий, поскольку требуется меньшее число станций. Однако специфика образования электромагнитного излучения в точке приема такова, что приходится сталкиваться с рядом трудностей в процессе приема радиосигналов. Во-первых, в процессе распространения радиоволн возникают глубокие замирания радиосигнала, что объясняется неустойчивостью пространственно-временной структуры тропосферы и многолучевостью радиосигнала (в одну точку приема приходят лучи от многих неоднородностей). Во-вторых, радиосигнал в точке приема очень ослабленный - ведь антенна улавливает только ничтожную долю энергии, рассеянной на неоднородностях.

Ослабление сигнала компенсируется использованием мощных радиопередатчиков и радиоприемников с высокой чувствительностью. С глубокими замираниями бороться сложнее.

Наиболее часто применяемый способ это так называемый разнесенный прием. Различают пространственное и частотное разнесения. При пространственном разнесении прием ведется на две антенны, установленные на некотором расстоянии друг от друга. Антенны разносятся в направлении, перпендикулярном трассе линии. Частотное разнесение осуществляется за счет одновременной передачи сигналов электросвязи на двух частотах. Одновременная реализация пространственного и частотного разнесения получила название счетверенного приема. Характер замираний радиосигналов на разных частотах неодинаков. Другими словами, если на одной частоте наблюдаются замирания, то на другой их может и не быть.

Несмотря на применение столь сложной схемы приема, полностью избавиться от замираний и искажений передаваемых сигналов не удается. Особенно затруднена качественная передача широкополосных сигналов, например, телевизионных. Число телефонных каналов, образуемых по ТРРСП, не превышает 120.

Использование мощных радиопередатчиков, чувствительных радиоприемников в сочетании со сложной схемой разнесенного приема, в целом, повышает стоимость оборудования отдельных станций. Однако общая стоимость тропосферных РРЛС зачастую даже ниже по сравнению с РРЛС прямой видимости благодаря сокращению в 5-10 раз числа промежуточных станций. Наряду со счетверенным приемом для борьбы с замираниями в последнее время используют специальные комплексы по обработке сигналов.

2. Устройство и классификация цифровых радиорелейных станций

Современная цифровая РРС - сложный технический комплекс, в который входят приемопередатчик, модем, мультиплексор, приемопередающие антенны, система автоматического резервирования, система телеуправления и телесигнализации, контрольно-измерительная аппаратура, устройства служебной связи, система электропитания. Рассмотрим функции основных устройств: приемопередатчика, модема и мультиплексора.

Приемопередатчик РРС - устройство, которое выполняет функции приема и передачи модулированных электрических колебаний заданных частот. Приемник выделяет электрический сигнал заданной частоты из сигналов, принятых приемной антенной. С выхода приемника сигнал поступает на модулятор. Передатчик вырабатывает модулированный электрический сигнал заданной частоты для последующего его излучения передающей антенной. На вход передатчика сигнал поступает из модулятора.

Один комплект приемопередающей аппаратуры, установленный на РРС, образует ствол. Для увеличения пропускной способности аппаратуры - создают несколько стволов.

Модем РРС - оконечное устройство, служащее для модуляции/демодуляции сигнала.

Поступающий из мультиплексора дискретный сигнал модем преобразует в аналоговый (непрерывный) сигнал некоторой промежуточной частоты и передает его в приемопередатчик, а при приеме поступающий из приемопередатчика аналоговый сигнал преобразуется в дискретный. Таким образом, в составе цифрового радиорелейного тракта модем выполняет функции цифрового стыка, который должен соответствовать рекомендациям G.703 MKKTT.

Как правило, в модеме РРС дополнительно создаются:

* речевой канал, позволяющий организовывать служебную телефонную связь;

* канал RS-232 (9600 бит/с), который может быть использован и как дополнительный сервисный канал связи, и для дистанционного контроля параметров.

В многопролетных системах связи программное обеспечение позволяет осуществлять дистанционное управление и диагностику модемов.

Для преобразования сигнала в модемах РPС чаще всего применяются следующие методы модуляции:

* FSK (Frequency Shift Keying) - частотная модуляция (ЧМ), сущность которой заключается в том, что дискретные сигналы 0, 1 передаются гармоническими сигналами (синусоидами), имеющими различные частоты;

* PSK (Phase Shift Keying) - фазовая модуляция, при которой дискретные сигналы 1 и 0 передаются путем переключения двух несущих, сдвинутых на полпериода относительно друг друга. Другой вариант PSK - изменение фазы на 900 в каждом такте при передаче нуля и на 2700 при передаче единицы.

Мультиплексор РРС предназначен для асинхронного объединения нескольких цифровых потоков в один, например Е1 (2048 Мбит/с), E2 (8448 Мбит/с) в сигнал Е2 (8448 Мбит/с) или сигнал E3 (34368 Мбит/с) в соответствии с рекомендацией G.742 (G.751) МККТТ.

3. Цифровые радиорелейные линии

Радиорелейные линии на основе цифровых РРС стали важной составной частью цифровых сетей электросвязи - ведомственных, корпоративных, региональных, национальных и даже международных.

РРЛ классифицируют по следующим взаимосвязанным признакам:

* скороcть передачи от которой различают РРЛ:

- высокоскоростные (скорость передачи свыше 140 Мбит/с);

- среднескоростные (до 52 Мбит/с);

- низкоскоростные (до 8 Мбит/с);

* емкость радиорелейной линии (количество стволов и каналов в них), в зависимости от которой различают РРЛ:

- большой емкости;

- средней емкости;

- малоканальные.

* количество пролетов в радиорелейной линии, по которому различаются РРЛ:

- однопролетные;

- многопролетные.

Высокоскоростные большой емкости радиорелейные линии применяются в глобальных сетях передачи данных и называются магистральными. Среднескоростные средней емкости радиорелейные линии используются для создания региональных, зоновых сетей передачи данных и называются зоновыми. Наконец, малоканальные широко используются для организации связи на железнодорожном транспорте, газопроводах, нефтепроводах, линиях электропередачи и т.п. Малоканальные радиорелейные линии с подвижными РРС применяются в военных целях.

Полосы радиочастот РРЛ расположены в диапазоне от 2 до 50 ГГц и жестко регламентируются внутри каждой полосы как рекомендациями ITU (Международного союза электросвязи), так и Радиорегламентом Российской Федерации.

Заключение

дуплексный радиорелейный ретранслятор частотный

Многолетний опыт применения радиорелейных линий выявил ряд достоинств этого вида связи, которые значительно расширяли возможности отрасли в целом:

* быстрота и экономичность развертывания (по сравнению с проводной связью) линий связи;

* экономически выгодная, а в ряде случаев и единственно возможная организация многоканальной связи на территориях, имеющих сложный рельеф (лес, горы, болота и пр.), а также в тех местах, где прокладка кабеля нецелесообразна;

* возможность аварийного восстановления связи магистралей проводной связи путем замены ее поврежденных участков;

* качество связи, не уступающее проводной связи.

Особые свойства, которые отличают радиорелейную связь от традиционной проводной, делают ее все более привлекательной для использования в глобальных, региональных и местных сетях передачи данных. В тех случаях, когда требуется быстрое развертывание сетей передачи данных, обслуживающих подвижных абонентов, или в районах с неразвитой связной инфраструктурой, радиорелейной связи нет альтернативы.

Список литературы

1. Данилович О.С., Немировский А.С. Радиорелейные и спутниковые системы передач. - М.: радио и связь, 1986 - 390с.

2. Радиорелейные линии. Сборник переведенных статей под редакцией Калашникова Н.И.

3. Сборник статей под редакцией Смирнова.

Размещено на Allbest.ru