Линии связи на основе радиоканала

ЛЕКЦИЯ 2

Существующие типы линий связи (ЛС) в зависимости от используемой среды распространения сигналов принято делить на проводные и линии в атмосфере (радиолинии). Начинают использоваться и беспроводные оптические линии связи.

К линиям связи предъявляются следующие основные требования:

· осуществление связи на требуемые расстояния;

· широкополосность и пригодность для передачи различных видов сообщений;

· защищенность цепей от взаимных влияний и внешних помех, а также от физических воздействий (атмосферных явлений, коррозии и пр.);

· стабильность параметров линии, устойчивость и надежность связи;

· экономичность системы связи в целом.

Рассмотрим особенности распространения электромагнитных колебаний различных диапазонов радиоволн.

Электромагнитные колебания, применяемые для целей связи без проводов подразделяются на радиоволны и оптические волны, характеризуются частотой колебаний и длиной волны и делятся на 9 диапазонов радиоволн и 3 диапазона оптических волн.

Радиоволны, излучаемые передающей антенной, прежде чем попасть в приемную антенну, проходят в общем случае сложный путь. На величину напряженности поля в точке приема оказывает влияние множество факторов. Основные из них:

• отражение электромагнитных волн от поверхности Земли;
• преломление (отражение) в ионизированных слоях атмосферы (ионосфере);
• рассеяние на диэлектрических неоднородностях нижних слоев атмосферы (тропосфере);
• дифракция на сферической выпуклости Земли.

Кроме того напряженность поля в точке приема зависит от длины волны, освещенности земной атмосферы Солнцем и ряда других факторов.

Классификация и способы распространения радиоволн приведены в табл. 2.1 и табл. 2. 2. Деление радиоволн на диапазоны установлено Международным регламентом радиосвязи МСЭ-Р.

Таблица 2.1 – Классификация диапазонов радиоволн

Таблица 2 .2 - Способы распространения радиоволн

Частота колебаний связана с длиной волны соотношением:

f = c /λ , где f - частота, Гц; c = 3·10 8 м/с - скорость распространения электромагнитных волн в свободном пространстве; λ - длина волны, м.

Из таблицы 2.1 видно, что длина волны в 5 диапазоне (длинные волны) исчисляется километрами, в 10-11 диапазонах (диапазоны СВЧ) - сантиметрами и миллиметрами. В оптических диапазонах длины волн исчисляются микрометрами.

Длина волны определяет специфику распространения электромагнитной энергии в условиях Земли. Вспомним, что дифракция радиоволн, явления, возникающие при встрече радиоволн с препятствиями. Радиоволна, встречая при распространении в однородной среде препятствие, изменяется по амплитуде и фазе и проникает в область тени, отклоняясь от прямолинейного пути. В реальных случаях распространения радиоволн препятствия могут иметь произвольную форму и быть как непрозрачными, так и полупрозрачными для радиоволн.

Волны каждого из диапазонов имеют свои особенности распространения, но на границах диапазонов не существует резких изменений этих особенностей.

В свободном пространстве радиоволны распространяются прямолинейно и не испытывают поглощения. Потери при распространении электромагнитных колебаний в свободном пространстве объясняются уменьшением плотности мощности излучения при увеличении расстояния и могут быть найдены по следующей формуле

L 0 = 20 lg (4.189 ·10 4 R 0 · f ) , дБ,

где R 0 - расстояние, км, f - частота, ГГц.

В радиолиниях связи (радиоканалах) средой распространения электромагнитных волн в подавляющем большинстве случаев (за исключением случая связи между космическими аппаратами) является атмосфера Земли. На рис. 2.1 приведено упрощенное строение атмосферы Земли. Реально строение атмосферы более сложно и приведенное деление на тропосферу, стратосферу и ионосферу достаточно условно. Высота слоев приведена приблизительно и различна для разных географических точек Земли. В тропосфере сосредоточено около 80% массы атмосферы и около 20% - в стратосфере. Плотность атмосферы в ионосфере крайне мала, граница между ионосферой и космическим пространством является условным понятием, так как следы атмосферы встречаются даже на высотах более 400 км. Считается, что плотные слои атмосферы заканчиваются на высоте около 120 км.

Влияние среды на распространение электромагнитных волн проявляется в изменении (большей частью уменьшении) амплитуды поля волны, изменении скорости и направления распространения волны, в повороте плоскости поляризации и в искажении передаваемых сигналов.

Радиоволны, распространяющиеся в непосредственной близости (в масштабе длины волны) от поверхности Земли, будем называть земными, поверхностными радиоволнами (рис. 2.2).

Рисунок 2.1 - Строение атмосферы Земли

Условия распространения радиоволн по естественным трассам вблизи Земли определяются многими факторами: влиянием земной поверхности и различных препятствий, наличием атмосферы, поглощением электромагнитной энергии в гидрометеорах (дожде, снеге, тумане, смоге и пр.). Земная поверхность оказывает существенное влияние на распространение радиоволн, являясь полупроводящей средой, поглощающей энергию.

Рисунок 2.2 - Земные, поверхностные радиоволны

В окружающей земной шар атмосфере различают две области, оказывающие влияние на распространение радиоволн: тропосферу и ионосферу.

Тропосфера неоднородна как в вертикальном направлении, так и вдоль земной поверхности, кроме того, ее электрические параметры меняются при изменении метеорологических условий.

Распространение тропосферных волн связано с рефракцией (искривлением траектории волны) в неоднородной среде, а также с рассеянием и отражением радиоволн от различных неоднородностей.

В ионосфере плотность газа весьма мала и газ ионизирован, т. е. имеется большое число свободных электронов. Присутствие свободных электронов существенно влияет на электрические свойства газа и обусловливает возможность отражения радиоволн от ионосферы. Путем последовательного отражения от ионосферы и поверхности Земли радиоволны распространяются на очень большие расстояния (например, короткие волны могут несколько раз огибать земной шар). Ионосфера является неоднородной средой, и радиоволны рассеиваются в ней, что также обусловливает возможность распространения радиоволн на большие расстояния. Радиоволны, распространяющиеся путем отражения от ионосферы или рассеяния в ней, будем называть ионосферными, пространственными волнами.

За пределами ионосферы плотность газа и электронная плотность уменьшаются и на расстоянии, равном 3-4,5 радиусам земного шара, атмосфера Земли переходит в космическое пространство, где газ полностью ионизирован, плотность протонов равна плотности электронов и составляет всего 2-20 эл/см 3 . Условия распространения радиоволн в космосе близки к условиям распространения в свободном пространстве. Таким образом, оказывается возможным рассматривать раздельно влияние на распространение радиоволн земной поверхности, тропосферы, ионосферы и космического пространства.

Кривизна земной поверхности, неровности рельефа местности и различные искусственные преграды также сильно влияют на распространение электромагнитных волн. В случае соизмеримости длины волны и размеров препятствий волны могут огибать их. К примеру, радиоволны 4 - 5 диапазонов (длинные и сверхдлинные волны) обладают способностью огибать поверхность Земли и могут распространяться на расстояния в несколько тысяч километров поверхностными лучами (рис. 2.3).

Качество связи мало зависит от сезонов или времени суток. Однако каналы связи в этих диапазонах обладают очень узкой полосой пропускания и могут обеспечивать передачу ограниченного объема радиовещательных, телефонных, телеграфных и фототелеграфных сообщений.

Длинные и особенно сверхдлинные волны мало поглощаются при прохождении в толще суши или моря. Так, волны длиной 20-30 км могут проникать в глубину моря на несколько десятков метров и, следовательно, могут использоваться для связи с погруженными подводными лодками, а также для подземной радиосвязи.

Рисунок 2.3 – Сверхдлинные и длинные волны, огибающие поверхность Земли

В 6 диапазоне (средние волны) поверхностный луч претерпевает более сильные поглощения и может распространяться на расстояние 500-1500 километров. Однако, при увеличении плотности ионосферы (в ночные часы) в диапазоне средних волн возможно распространение сигналов пространственным лучом, который может обеспечить связь на расстояние в несколько тысяч километров (рис. 2.4).

Рисунок 2.4 – Распространение гектометровых, средних волн (6 диапазон)

Радиоволны 7 диапазона (короткие волны) поверхностными лучами распространяются на небольшие расстояния из-за поглощения энергии поверхностью Земли (рис. 2.5). Однако пространственные волны могут многократно отражаться от ионосферы и земной поверхности проходить очень значительные расстояния, вплоть до глобальных, обеспечивая передачу сигналов радиовещания, радиотелефонии и радиотелеграфии.

Рисунок 2.5 – Распространение коротких волн

Распространение волн таким способом довольно неустойчиво и подвержено сильным замираниям как медленным (в течение года, сезона, времени суток и пр.), так и быстрым, с периодом в доли и единицы секунд. Медленные замирания объясняются изменениями состояния ионосферы, а быстрые - взаимодействием множества лучей, которые могут попадать в точки приема.

В общем случае короткие волны лучше распространяются ночью и, иногда, способны, последовательно отражаясь от ионосферы и поверхности земли, огибать земной шар.

Радиоволны 8-12 диапазонов (рис. 2.6) позволяют передавать значительно более объемную информацию, включая телевизионные сигналы, сигналы многоканальной телефонии, высокоскоростные цифровые потоки.

Однако пространственные волны этих диапазонов проходят через ионосферу в космическое пространство и для целей наземной связи почти не пригодны, а поверхностные волны распространяются почти прямолинейно, практически не огибая земную поверхность.

Рисунок 2.6 – Распространение сверхкоротких волн

Поэтому они устойчиво проходят только на расстояние прямой видимости между антеннами передающего и приемного оборудования. Это расстояние составляет десятки километров (при реальной высоте подвеса антенн в несколько десятков метров) и для передачи сигналов на большие расстояния приходиться строить цепочки ретрансляторов, образующих радиорелейные линии (РРЛ).

Важным способом передачи сигналов этих диапазонов на большие расстояния является использование для ретрансляции связных спутников. Спутниковые системы позволяют передавать информацию на десятки тысяч километров и перекрывать большие площади на поверхности Земли, вплоть до организации глобальных систем связи.

Возможна также передача сигналов 8 - 9 диапазонов на большие расстояния (значительно превышающие прямую видимость) за счет рассеяния электромагнитной энергии в неоднородностях тропосферы. Этот принцип используется в тропосферных радиолиниях связи (ТРЛ).

С увеличением частоты (больше 10 ГГц) радиоволны ослабляются в газах атмосферы и, особенно сильно - в дожде, снеге, граде. Поэтому в этих диапазонах устойчивое распространение электромагнитных волн возможно на расстоянии меньшем, чем расстояние прямой видимости.

В оптических диапазонах волн можно передавать гигантские объемы информации. В основном для целей связи применяется 3 диапазон оптических волн (инфракрасные волны). При распространении в открытом пространстве они подвержены большим ослаблениям в атмосфере и, практически, обеспечивают связь на расстояние до 4-5 км, однако при использовании таких систем связи нет необходимости получать какие-либо разрешения от инспекций по электросвязи.

Полное ослабление света в атмосфере обусловлено несколькими факторами. Различают ослабление света в атмосфере, свободной от облаков и тумана, и ослабление света в тумане. Первый вид ослабления складывается из рассеяния света на молекулах газа и водяного пара и селективного поглощения. Селективное поглощение в газах и водяных парах атмосферы объясняется взаимодействием их электронной, колебательной и вращательной энергий с электромагнитными колебаниями определенной частоты. Основное поглощающее действие оказывает водяной пар, поскольку его содержание намного превышает содержание углекислого газа и озона. Прозрачность атмосферы для инфракрасных лучей сильно зависит от влажности атмосферы. Измерения показали, что сравнительно хорошей прозрачностью для инфракрасных волн атмосфера обладает на следующих диапазонах: 0,95-1,05; 1,2-1,3; 1,5-1,8; 2,1-2,4; 3,3-4,0; 8,0-11,0 мкм.

Для передачи на большие расстояния применяются закрытые оптические системы , в которых свет распространяется по стеклянным волокнам. К достоинствам волоконно-оптических систем связи (ВОЛС) можно отнести возможность передачи чрезвычайно больших объемов информации, не достижимых для других структур. Достигнуты скорости передачи цифровых сигналов в волоконно-оптических системах связи более 1 терабита в секунду!

Излучение и прием электромагнитных волн осуществляется при помощи антенн. Антенны характеризуются многими параметрами, главными из которых являются рабочие частоты, их ширина и направленные свойства излучения и приема. Более подробно об антенных системах мы поговорим на практических занятиях.

Направленные свойства или способность антенны принимать или передавать сигналы в заданном направлении зависят от соотношения между длиной волны и геометрическими размерами элементов антенн. Чем больше размеры антенны по сравнению с длиной волны электромагнитных колебаний, тем лучше направленные свойства антенны.

Одна из простых антенн - симметричный вибратор, который эффективно работает при условии, что его длина равна половине длины волны λ / 2. Для улучшения направленных свойств антенн применяются дополнительные структуры, образующие антенну под названием «волновой канал», получившую широкое распространение для приема телевизионных сигналов.

В диапазонах 9-12, в основном, применяются различные модификации параболических антенн.

Антенны оптических диапазонов представляют собой линзовые и зеркальные системы.

Радиолинии используют в тех случаях, когда возникают трудности прокладки проводных линий связи . Принципиальное отличие радиосистем передачи информации заключается в том, что условия распространения радиоволн в радиолинии нестационарны, т.е. подвержены непрерывным случайным изменениям, зависящим от времени и частоты. Однако передача с помощью радиоволн в некоторых случаях является единственным методом связи (например, связь с подвижными объектами). При этом применяются различные системы радиосвязи: радиорелейные прямой видимости и тропосферные, спутниковые, на декаметровых волнах, ионосферные и пр.

Типичный вид построения радиолинии (радиоканала) показан на рис. 2.7.

Рисунок 2.7 - Типичный вид радиолинии

Для обеспечения односторонней радиосвязи (рис.2. 8) в пункте, из которого ведется передача сигналов, размещают радиопередающее устройство, содержащее радиопередатчик РПер и передающую антенну А ПЕР, а в пункте, в котором ведется прием сигналов - радиоприемное устройство, содержащее приемную антенну А ПР и радиоприемник РПр. Антенны подключаются к приемопередающему оборудованию при помощи фидерных трактов Ф. Для двухстороннего обмена сигналами нужно иметь два комплекта такого оборудования. Двухсторонняя радиосвязь может быть симплексной или дуплексной. При симплексной радиосвязи передача и прием ведутся поочередно. Радиопередатчики в конечных пунктах в этом случае могут работать на одинаковой частоте, на эту же частоту настроены и радиоприемники. Радиопередатчик включается только на время передачи.

Рисунок 2.8 - Структура системы радиосвязи

При дуплексной радиосвязи передача осуществляется одновременно с приемом. Для такой связи должны быть выделены две разные частоты для передачи в разных направлениях. Радиопередатчики и радиоприемники абонентов включены в течение всего сеанса связи.

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По профессиональному модулю ПМ01

Междисциплинарный курс: МДК 01.01. Технология монтажа систем мобильной связи

Тема: «Проектирование сети сотовой связи с равномерным распределением абонентов в заданной зоне»

Специальность: 210705 Средства связи с подвижными объектами

Выполнил студент(ка) группы 3ССПО9-5(у): ___________

Проверил преподаватель: Ручко В.М. ___________

Москва 2015 г.

ГБПОУ КОЛЛЕДЖ СВЯЗИ №54

Согласовано

Председатель модульной

комиссии

Н.Г.Лобанова

«____»_______2015 г

На курсовое проектирование по профессиональному модулю ПМ 01

Междисциплинарный курс : МДК 01.01 Технология монтажа систем мобильной связи

Специальность: 210705, Средства связи с подвижными объектами

Студенту гр. 3ССПО9-5(у): __________________________

Тема: «Проектирование сети сотовой связи с равномерным распределением абонентов в заданной зоне»

Вариант:_____

Спроектировать сети сотовой связи с равномерным распределением абонентов в заданной зоне при следующих исходных данных:

1.Тип территории в зоне обслуживания__________________________

2.Испрользуемый стандарт сотовой связи________________________

3.Число абонентов зоне обслуживания (М сети, тыс. чел.)____________

4.Плошадь зоны обслуживания (S сети, км 2)________________________

5.Вероятность отказа абоненту в предоставлении канала в час наибольшей нагрузки(ЧНН) p от к.=0.02

6.Допустимый трафик в соте в соответствие с числом каналов A сот____

7.Средний трафик одного абонента в ЧНН, А 1 =0,015-0,025Эрл.

При выполнении курсовой работы:

1.Произвести оптимальный выбор частотных каналов

3.Найти максимальное удаление в соте абонентской станции от базовой станции

4.Определить мощность передатчика базовой станции

8.Нарисовать трассу прохождения сигнала от БС к АС

9.Нарисовать конфигурацию сети (по вариантам)

Преподаватель Ручко В.М.

Введение………………………………………………………… 4

1.Выбор частотных каналов…………………………………..

2.Расчет числа сот в сети………………………………………

3.Расчет удаления АС от БС………………………………….

4.Расчет баланса мощностей………………………………….

5.Расчет потерь на трассе…………………………………….

6.Расчет электропитания базовой станции………………….

7.Рассчет надежности сети сотовой связи…………………..

8.Литература……………………………………………………

Приложение 1…………………………………………………..

Трасса прохождения сигнала от БС к АС

Приложение 2………………………………………………….

Модель Эрланга В (система с отказами)

Приложение 3…………………………………………………..

Конфигурация сети

Введение

Проектирование – один из наиболее сложных и ответственных этапов развертывания систем сотовой связи (ССС), поскольку он должен обеспечить возможно более близкое к оптимальному построение сети по критерию эффективность-стоимость. При проектировании необходимо определить места установки БС и распределить имеющиеся частотные каналы между ячейками (составить территориально-частотный план в соответствии с принципом повторного использования частот) таким образом, чтобы обеспечить обслуживание сотовой связью заданной территории с требуемым качеством при минимальном числе БС, т.е. при минимальной стоимости инфраструктуры сети. Фактически эта задача очень сложна. С одной стороны чрезмерно частая расстановка БС невыгодна. Так как влечет за собой неоправданные затраты. С другой стороны, слишком редкое расположение БС может привести к появлению необслуживаемых участков территории, что недоступно. Задача дополнительно осложняется трудностью аналитической оценки характеристики расположения сигналов и расчета напряженности поля, а также необходимостью учета неравномерности трафика в пределах обслуживаемой территории.

В проектируемой сети обязательно производиться экспериментальные измерения характеристик электромагнитного поля, и по результатам измерений схема сети также корректируется. Необходимый объем экспериментальных измерений, и частота их повторения определяется на основании опыта проектировщиков. Окончательно качество проекта оценивается уже на этапе эксплуатации сети, где также неизбежны его корректировка и доработка, особенно в самом начале работы, когда производятся настройка и оптимизация сети. Этот этап работы фактически оказывается наиболее трудоемким. Доработки проекта требуются по мере развития и совершенствования сети, для повышения ее качества.

Качество услуг, предоставляемых ССС, во многом определяется характеристиками ее подсистемы БС. В процессе планирования сети БС решаются следующие задачи: обеспечения радиопокрытия территории, на которой должны предоставляться услуги связи; построение сети, емкости которой будет достаточно для обслуживания создаваемого абонентами трафика с допустимым уровнем перегрузок; оптимизация решения указанных выше задач (с использованием минимального числа сетевых подсистем и элементов) на протяжении всего цикла сети.

Без решения перечисленных задач нельзя обеспечить высокое качество предоставляемых услуг. Согласно определению Международного союза электросвязи (МСЭ), под качеством обслуживания понимают – совокупный эффект от предоставления услуг, который определяет степень удовлетворения ими абонента. Кроме технических аспектов качества работы сети в это определение включены и аспекты, связанные с предоставлением дополнительных услуг (например, таких, как передача коротких сообщений), стоимостью обслуживания, ценой и качеством работы мобильных терминалов и т.д.

На протяжении всего жизненного цикла сети число ее абонентов, объем трафика и его распределение по обслуживаемой территории постоянно изменяются. Кроме того, существуют сезонные (периодические) изменения объема трафика и его территориального распределения. Конфигурация сети БС должна адаптироваться к происходящим изменениям, поэтому ее планирование – это непрерывный процесс. В нем можно выделить несколько этапов: планирования радиопокрытия; планирование емкости; частотное планирование; анализ работы и оптимизация сети.

Такое поэтапное деление в значительной степени условно, так как все этапы тесно взаимосвязаны между собой. Последовательность этапов планирования сети БС показана на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1. Этапы планирования сети БС

На этапе планирования радиопокрытия определяется минимально необходимое число БС (сот), их оптимальное расположение на местности и радиотехнические параметры для обеспечения радиопокрытия заданной территории с требуемым уровнем мощности радиосигнала, принимаемым мобильным терминалом.

Модели распространения радиоволн

Условия распространения радиоволн включают 5 моделей:

• статическая модель (STATIC);
• для сельской местности (Rax);
• для холмистой местности (НТх);
• для типичной городской застройки (Tux);
• для плотной городской застройки (Bux).

В моделях с динамическими (Rax, HTx, Tux, Вuх) оговорены два варианта изменения пара­метров, которые соответствуют условиям движения автомобиля в городе со скоростью 50 км/ч и в сельской местности - 200 км/ч. Например, изменение радиосигнала на входе приемника авто­мобильной радиостанции, движущийся со скоростью 200 км/ч в условиях холмистой местности, описывается моделью НТ200.

Дополнительно предусмотрена модель для тестирования эквалайзера (Eqx).

Статическая модель характеризуется отсутствием амплитудных и фазовых искажений сигнала.

Модель распространения сигнала в сельской местности описывает флуктуации сигнала рас­пределением Райса и имитирует постоянный доплеровский сдвиг частоты.

Условия распространения сигнала над холмистой местностью предполагают отсутствие пря­мой радиовидимости между приемником и передатчиком, а также наличие достаточно удаленных переотражающих объектов. Такие условия описываются двулучевой моделью со средним соотношением уровня лучей минус 8,6 дБ и средней задержкой сигнала во втором луче на четверть символа. Флуктуации сигнала на входе приемника описываются законом Релея.

Модели распространения сигнала в городских условиях предполагают отсутствие прямой ра­диовидимости между приемником и передатчиком, и наличие большого количества переотра­жающих объектов. Данный случай также описывается двулучевой моделью, но с другими амплитудными и временными соотношениями. Например, задержка между лучами составляет при­близительно 1/10 символа, то есть сигнал на входе приемника практически не испытывает меж­символьных искажений.

Модель для тестирования эквалайзера применяется только для тестирования аппаратуры класса Е. В данной модели флуктуации сигнала на входе приемника имитируются релеевскими замираниями по четырем лучам с задержкой сигнала в лучах до двух символов.

Для отражения волны необходимо, чтобы рабочая частота была не слишком высокой, а электронная плотность ионосферного слоя достаточной для отражения этой волны в соответствии с (3-44). Из этого условия выбирается максимальная применимая частота (МПЧ), являющаяся верхней границей рабочего диапазона.

Второе условие ограничивает рабочий диапазон снизу: чем ниже рабочая частота (в пределах коротковолнового диапазона), тем сильнее поглощение волны в ионосфере (см. рис. 5). Наименьшая применимая частота (НПЧ) определяется из условия, что при данной мощности передатчика напряженность электромагнитного поля должна быть достаточной для приема.

Электронная плотность ионосферы меняется в течение суток и в течение года. Значит, изменяются и границы рабочего диапазона, что приводит к необходимости изменения рабочей длины волны в течение суток:

Днем работают на волнах 10-25 м, а ночью на волнах 35-100 м.

Необходимость правильного выбора длины волны для сеансов связи в различное время усложняет конструкцию станции и работу оператора.

Зоной молчания KB называют кольцевую область, существующую на некотором расстоянии от передающей станции, в пределах которой невозможен прием радиоволн. Появление зоны молчания объясняется тем, что земная волна затухает и не достигает этой области (точка 6 на рис. 3-39, а), а для ионосферных волн, падающих под малыми углами на ионосферу, не выполняются условия отражения (3-44). Пределы зоны молчания (ВС) расширяются при укорочении длины волны и снижении электронной плотности.

Замирания в диапазоне KB более глубоки, чем в диапазоне СВ. Основной причиной замираний является интерференция лучей, распространяющихся путем одного и двух отражений от ионосферы (рис. 3-39, о). Помимо этого замирания вызываются рассеянием радиоволн на неоднородностях ионосферы и интерференцией рассеянных волн (рис. 3-39,6), а также интерференцией обыкновенной и необыкновенной составляющих магниторасщепленной волны (рис. 3-39,в). Обработка измерений за короткие.интервалы времени (до 5 мин) показала, что ф-ции распределения амплитуд близки к распределению Рэлея (3-54). В течение больших интервалов времени наблюдений распределение ближе к логарифмически нормальному со среднеквадратичным отклонением 6±1,25 дБ. В обоих случаях разность между уровнями напряженности поля сигнала, превышаемыми в течение 10 и 90% времени, составляет 16±3,2 дБ.

Скорость замирания (§ 3-6) лежит в пределах 6 - 16 замираний в минуту. На линиях протяженностью 3000 км скорость замираний в 2 - 6 раза меньше, чем на линии протяженностью 6000 км. Интервал времени корреляции колеблется в пределах?о = 4,5 - 1,5 с. Масштаб пространственной корреляции зависит от протяженности линии радиосвязи, рабочей частоты, характера неоднородностей ионосферы и лежит в пределах rо==210-560 м (10 - 25?). Для борьбы с замираниями применяется прием па разнесенные антенны. Направление разноса рекомендуется выбирать перпендикулярным к направлению трассы, расстояние разноса берут порядка масштаба корреляции 10?. Сигналы, принятые на разнесенные антенны, складывают после детектирования. Эффективным является разнесение по поляризации - прием на две антенны, имеющие взаимно перпендикулярную поляризацию. Используются также приемные антенны с
узкой диаграммой направленности, ориентированной на прием только одного из лучей.

При благоприятных условиях распространения KB могут огибать земной шар один и несколько раз. Тогда помимо основного сигнала может быть принят второй сигнал, запаздывающий примерно на 0,1 с и называемый радиоэхо. Радиоэхо оказывает мешающее действие, на линиях меридионального направления.

Радиоволны являются одним из диапазонов электромагнитных волн, поэтому распространение радиоволн подчиняется общим законам распространения электромагнитных колебаний (так же, как и световых волн). Распространение радиоволн в условиях Земли имеет некоторые существенные отличия от распространения радиоволн в свободном пространстве. Поверхностные слои Земли и околоземного пространства представляют собой среды с разными характеристиками для распространения электромагнитного поля. Так же, как и для оптических волн, на границе сред с различными электрическими характеристиками (например, земля - околоземное пространство) возможно отражение и преломление радиоволн. В то же время и сама поверхность Земли и околоземное пространство представляют собой неоднородные среды с различными электрическими параметрами (электропроводностью, диэлектрической проницаемостью и т.д.). Поэтому при распространении электромагнитных волн в неоднородных средах могут изменяться как направление, так и скорость распространения электромагнитной энергии (рефракция). Дополнительное поглощение энергии радиоволн наблюдается при их распространении в средах с потерями.

Существенной особенностью распространения радиоволн в земных условиях является зависимость характеристик распространения от длины волны. Распространение радиоволн вдоль земной поверхности зависит от ее рельефа и физических свойств. Наиболее важными электрическими параметрами почвы являются ее электропроводность и диэлектрическая проницаемость. Эти характеристики определяют параметры отраженных и преломленных волн на границе раздела двух сред. Электропроводность почвы определяет также потери энергии при распространении волн. Потери энергии при распространении радиоволн отсутствуют, если поверхность Земли можно считать идеальным проводником либо идеальным диэлектриком. В реальных условиях распространяющиеся над поверхностью земли электромагнитные колебания наводят в почве индукционные токи. При протекании этих токов в почве выделяется тепло. В конечном итоге это вызывает безвозвратные потери распространяющейся электромагнитной волны. Эти потери растут с ростом частоты.

Не менее важное влияние на распространение радиоволн в околоземном пространстве играет земная атмосфера (газообразная оболочка Земли). По комплексу физических признаков атмосферу принято делить на три характерных слоя: тропосферу, стратосферу и ионосферу.

Тропосфера представляет собой нижний слой атмосферы, расположенный от поверхности Земли до высот порядка 10 - 20 км. Свойства тропосферы определяются смесью газов (азот, кислород и т.д.) и водяных паров. С высотой температура и давление воздуха, а также содержание водяных паров в тропосфере понижается. Таким образом, тропосфера неоднородна по своим электрическим свойствам. Кроме того, изменение метеоусловий приводит к образованию воздушных течений, вызывающих интенсивные перемешивания слоев тропосферы.

Стратосфера - слой атмосферы, лежащий над тропосферой, простирается до высот порядка 60 - 80 км. Признаком перехода к тропосфере является прекращение понижения ее температуры с высотой (в верхних слоях тропосферы температура опускается до - (50…60)°С). Плотность газов в стратосфере значительно меньше, чем в тропосфере. Электрические свойства тропосферы практически не изменяются, и радиоволны распространяются в ней прямолинейно и почти без потерь.

Ионосферой называется верхний слой ионизированной атмосферы, окружающей Землю (до высот порядка нескольких тысяч километров). Под воздействием космического излучения и ультрафиолетовых лучей солнца из атомов газа, составляющих атмосферу, выбиваются электроны, в результате чего образуются положительные ионы газа и свободные электроны. При встрече свободного электрона с ионизированным атомом происходит их объединение (рекомбинация). На больших высотах плотность атмосферы низка, поэтому вероятность встречи свободного электрона с ионом газа мала, и значительная часть газа оказывается ионизированной. Ионизированный газ обладает электропроводностью и способен изменить характеристики распространения электромагнитных колебаний. Чем больше концентрация свободных электронов, тем сильнее они влияют на распространение радиоволн. Степень ионизации газа определяется многими факторами.

Во-первых, поскольку основной причиной ионизации является излучение Солнца, то понятно, что процессы ионизации активнее происходят на участках земной атмосферы, обращенной к Солнцу. Соответственно, в дневное время в процессе ионизации возникает большее количество свободных электронов и ионизированных молекул, чем в ночные часы. Кроме того, рост интенсивности солнечного излучения в дневное время приводит к ионизации слоев атмосферы, расположенных ближе к поверхности Земли, т.е. к снижению высоты ионизированных газов.

Во-вторых, на высоте в сотни километров от поверхности Земли газовый состав атмосферы перестает быть однородным. На этих высотах наблюдается расслоение газов, составляющих воздух: более тяжелые газы занимают преимущественно нижнюю часть этого диапазона высот, более легкие газы способны подниматься и до более высоких отметок.

Описанные выше процессы приводят к тому, что концентрация заряженных частиц (ионов и электронов) и по географическим координатам, и по высоте оказывается величиной непостоянной. В зависимости концентрации ионизированного газа от высоты наблюдается ряд экстремумов. Появляются слои атмосферы, в которых количество заряженных частиц оказывается больше, чем на соседних высотах. Участки с повышенной концентрацией объединяют в слои, расположенные на разных высотах. Эти слои имеют специальные названия.

Ионизированные слои атмосферы Земли условно показаны на рисунке 6.1. На высотах 60…80 км от поверхности Земли располагается слой D, существующий только днем, когда велика интенсивность ионизирующего излучения Солнца. На высотах 100…120 км над поверхностью Земли располагается слой Е. Поскольку концентрация свободных электронов зависит от времени года и суток и определяется влиянием излучения Солнца: днем слой Е опускается ниже, ночью поднимается выше. Участки с наибольшей концентрацией свободных электронов образуют слой F, расположенный ночью на высотах 250…350 км. Днем этот слой распадается на два подслоя: F1 и F2, располагающихся на высотах от 180 до 450 км от поверхности Земли.

Рис.6.1 Ионизированные слои атмосферы Земли

Представление ионосферы в виде слоев достаточно условно. В реальных условиях нет четких границ между ионизированными и неионизированными областями верхних слоев атмосферы. В любом месте атмосферы можно обнаружить заряженные частицы, но их концентрация на разной высоте будет различной. И переходы от слоя к слою имеют конечную (ненулевую) протяженность. Но все же такая упрощенная картина ионосферы помогает понять процессы распространения радиоволн в верхних слоях атмосферы. Наличие «оболочки» из ионизированного газа вокруг Земли определяет особенности распространения электромагнитных волн. Поскольку с изменением времени и координат изменяются электрофизические свойства атмосферы, то меняются и условия распространения электромагнитных колебаний.

В наибольшей степени это касается изменения направления распространения радиоволн. Отклонение направления распространения радиоволн от прямолинейного имеет ту же природу, что и преломление световых волн при прохождении светом оптических сред с различными показателями преломления.

Искривление направления распространения радиоволн обусловлено изменением параметров среды распространения (в ионосфере - это изменение концентрации ионизированного газа) и зависит, в том числе, от высоты над поверхностью Земли. Показатели преломления ионосферы изменяются с высотой таким образом, что направление распространения радиоволн искривляется в сторону Земли. Такое явление называется нормальной рефракцией. Нередко это искривление становится настолько значительным, что излученные с поверхности Земли радиоволны возвращаются обратно на Землю.
Характеристики искривления направления радиоволн в существенной степени зависят от длины распространяемой волны. Чем короче длина волны, тем меньше степень преломления направления радиоволн. С ростом частоты преломление радиоволн сказывается все в меньшей степени, очень короткие волны проходят сквозь атмосферу и продолжают распространяться в космическом пространстве. Диапазон радиоволн, способных преодолевать ионосферу, используется в системах космической и спутниковой связи. На рисунке 6.2 приведены траектории распространения радиоволн, используемых для космической связи с частотой f1 и наземной связи с частотой f2.

Рис. 6.2 Преломление радиоволн при разных длинах волн

Величина изменения направления распространения радиоволн зависит также от угла падения радиоволн на ионизированный слой. Чем меньше угол падения радиоволн на ионизированный слой, тем меньше он испытывает изменение направления распространения волны в этом слое. На рисунке 6.3 приведены траектории лучей 1 с углом падения на ионизирующий слой, равным γ1, луча 2 с углом падения на ионизирующий слой, равным γ2. Луч 1 с меньшим углом падения получает небольшое искривление направления распространения, а траектория луча 2 искривляется настолько, что луч снова вернется на землю.

Рис. 6.3 Преломление радиоволн при разных углах падения

В ионизированных слоях атмосферы радиоволны затухают гораздо сильнее, чем при распространении в тропосфере, причем ослабление радиоволн растет с уменьшением частоты.

Таким образом, распространение радиоволн зависит от многих факторов. В первую очередь, условия распространения электромагнитных колебаний изменяются с уменьшением длины волны (увеличением частоты колебаний). Рассмотрим особенности распространения радиоволн в зависимости от длины волны электромагнитного излучения.

5.3. Среды распространения сигнала

Для систем авиационной электросвязи средами распространения сигнала в проводных линиях являются (воздушная линия, кабель, волновод, оптоволокно), а в радиолиниях – атмосфера и космическое пространство.

В воздушных линиях средой распространения сигнала являются один или два проводника, подвешенные на столбах. Диапазон рабочих частот сигналов воздушных линий равен 0…10 5 Гц.

В кабельных линиях средой распространения сигнала являются радиокабели. Радиокабели подразделяются на симметричные и коаксиальные.

Симметричный радиокабель представляет собой два параллельно расположенных изолированных проводника, помещенных в диэлектрическую среду. Диапазон рабочих частот сигналов симметричных кабельных линий равен 0…10 6 Гц.

Коаксиальный радиокабель представляет собой два концентрически расположенных изолированных проводника, помещенных в диэлектрическую среду. Диапазон рабочих частот сигналов коаксиальных кабельных линий равен 0…10 8 Гц.

В волноводных линиях средой распространения сигнала является пространство, ограниченное стенками волновода. По волноводу распространяется электромагнитная волна. Диапазон рабочих частот электромагнитных волн в волноводных линиях равен (3…10)10 10 Гц.

В оптоволоконных линиях средой распространения сигнала является опти́ческое волокно́, представляющее собой нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса световых волн внутри себя посредством полного внутреннего отражения. Диапазон рабочих частот световых волн в оптоволоконных линиях равен 10 14 . ...10 15 Гц.

В радиолиниях передача информации осуществляется посредством радиоволню

Классификация диапазонов радиоволн и радиочастот приведена в Таблице 1.1. Длина радиоволны λ и частота f связаны соотношением λf = 3×10 8 м/с. Тогда: λ [м] = 300/ f [МГц] .

Атмосфера подразделяется на три основные области:тропосфера, стратосфера и ионосфера.

Тропосфера (нижняя атмосфера) располагается от поверхности Земли и до высот 15…18 км и характеризуется наличием тропосферных неоднородностей: паров воды, облаков. Тропосферные неоднородности способны отражать падающие на них радиоволны.

Стратосфера простирается примерно до 60…80 км.

Ионосфера начинается с высот 60…80 км и простирается до высоты 1500 км и имеет слоистый характер неоднородностей, определяемый размещением газов в атмосфере: в нижней части ионосферы располагаются тяжелые газы, а выше – более легкие газы.

Падающее на ионосферу излучение Солнца вызывает ионизацию газа. Поскольку плот­ность газа на больших высотах мала, то вероятность рекомбинации невелика. По этой причине значи­тельная часть газа остается ионизированной, т. е. представляет собой плазму. Ионизированный газ обладает электропроводно­стью. Концентрация свободных электронов определяется интен­сивностью ионизирующего излучения Солнца и зависит от высоты, времени суток и сезона года. На очень больших высотах плотность газа мала, соответственно уменьшается и количество ионов, а в итоге и их влияние на прохождение радиоволн. По этой причине существенное влияние на распространение радиоволн оказы­вает только часть ионосферы до высот около 500 км. Плотность свободных электронов в ионосфере составляет 10 3 …10 6 эл/см 3 .

Полная картина физических процессов при прохождении волн через ионосферу очень сложна. Одна из главных причин этой сложности состоит в том, что фактически ионосфера не представ­ляет собой один слой, а состоит из ряда слоев, обладающих не­одинаковыми свойствами (рис. 5.3).

250-500 км F 2

200-230 км F 1

100-130 км E

молчания

Рис. 5.3. Структура ионосферы

На относительно небольших высотах 60...80 км располага­ется слой, обозначаемый D , в котором концентрация свободных электронов невелика. Выше на высотах 100…130 км располагается слойЕ , далее на высотах 200…230 км располагается слойF 1 и на высо­тах 250…500 км – слойF 2, для которого характерна наибольшая концентрация электронов. Состояние этих слоев сильно зависят от времени года и суток, а также от текущего состояния солнечной активности, которая изменяется с периодом 11 лет. Например, слоиD иF 1 существуют только в дневное время, а электронная концентрация слоевЕ иF 2 в ночное время уменьшается.

Волны разной длины могут отражаться в разных слоях, либо вовсе не отражаться. Отсутствие отражений наблюдается при из­лучении волн под большим углом по отношению к поверхности Земли и при относительно высоких частотах. В этом случае радиоволны «пронзают» ионосферу и уходят в мировое пространство.

Несмотря на изменчивость свойств ионосферы, относительная регулярность этих изме­нений делает возможным использовать ее на постоянно действующих радиолиниях.

В атмосфере наблюдаются и иные менее регулярные неоднородности (например, следы метеоров, искусственные неоднородности), которые также учи­тываются в построении ряда радиолиний.

На основе проведенного анализа свойств тропосферы и ионосферы можно сделать вывод, что р адиоволны могут распространяться :

Вдоль земной поверхности (земные или поверхностные волны);

С отражением от неоднородностей, находящихся в среде РРВ (пространственные волны);

В свободном пространстве (когда электрические параметры Земли не влияют на свойства РРВ) – на дальность прямой видимости.

Для некоторых радиолиний можно определить радиоволны, которые, кроме того, могут распространяться в каких-либо геологических слоях Земли, строительных материалах и в воде.

Особенности РРВ зависят от частоты радиоволны:

С ростом частоты (с уменьшением длины волны) поглощение энергии радиоволны в земле возрастает, а в ионосфере – уменьшается;

С уменьшением частоты (с увеличением длины волны) возрастает дифракционная и рефракционная способность распространения радиоволн, т.е. способность огибать земную поверхность и преломляться в неоднородной среде;

С уменьшением частоты радиоволны и с увеличением угла падения волны на ионосферу возрастает отражающая способность ионосферных слоев.

Особенности распространения радиоволн ОНЧ и НЧ диапазонов.

Радиоволны с длинами от 1 до 100 км, соответствующие диапазонам НЧ и ОНЧ, превышают размеры большей части неровностей почвы и препятствий, поэтому при их распространении заметно проявляется дифракция. Благодаря ди­фракции волны огибают земную поверхность, холмы и даже гор­ные хребты. Однако, обогнув высокое препятствие, волны далее распространяются в свободном пространстве прямо­линейно, поэтому возможно образование "мертвой зоны", в пределах кото­рой прием сигналов затруднен или невозможен (рис. 5.4).

Поверхностные волны индуцируют в почве ЭДС, в результате чего часть энергии радиоволны поглощается. По этой причине волны диапазо­нов НЧ и ОНЧ способны распространяться на расстояния в тысячи кило­метров.

Пространственные волны этих же диапазонов, если они рас­пространяются в направлении ионосферы, отражаются ею, позволяя

Рис. 5.4. Поверхностное распространение радиоволн

ОНЧ и НЧ диапазонов

передавать информацию на столь же большие расстояния. Отражаясь вторично, они достигают еще более отдаленной зоны. Возможны и последующие подобные отражения. Это дает возможность передавать информацию практически в любую точку Земли.

Если в место приема сигнала од­новременно приходят поверхностные и пространственные волны, то происходит сложение волн – интерференция . При взаимном наложении интерферирую­щих волн амплитуда суммарных колебаний зависит от разности их фаз, определяемой разными длинами трасс РРВ, и от значений их напряженностей поля в месте приема.

Явление ослабления уровня радиосигналов вследствие различных процессов при распространении волн называется замиранием .

Распространение радиоволн по разным путям на­зывается многолучевым . Замирания, вызванные интерференцией при многолучевом распространении, называютсяинтерференци­оными замираниями.

В НЧ- и ОНЧ- диапазонах глубокие интерференционные замирания сравнительно редки.

Для радиоволн ОНЧ-диапазона наблюдается не только поверхностное и пространственное, но и волноводное распространение в сферическом волноводе «Земля – нижняя граница ионосферы» .

Волны диапазона ОНЧ обладают способностью проникать на сравнительно большую глубину в поверхностный слой земли и да­же в морскую воду. Это делает возможной связь в диапазоне ОНЧ с подземными и подводными объектами.

Особенности распространения радиоволн СЧ диапазона

В диапазо­не СЧ дальность РРВ с помощью поверхностных волн обычно не превышает 1500 км, так как потери в почве возрастают с повышением частоты.

Про­странственные волны этого диапазона в дневное время сильно поглощаются в слое D ионосферы. Ночью поглощение меньше и пространственное РРВ СЧ диапазона возможно на расстояния до 2…3 тыс. км. Однако в силу одинакового порядка значений напряженности поля поверхностной и пространственной волн, ночью возможны глубокие ин­терференционные замирания радиосигнала СЧ диапазона.

Особенности распространения радиоволн ВЧ диапазона

Поверхностные волны ВЧ диапазона сильно ослабляются из-за значительных потерь энергии радиоволн в почве, поэтому с их помощью дальность передачи информации невелика (не более 100 км).

Пространственное распространение радиоволн ВЧ диапазона с по­вышением частоты улучшается благодаря уменьшению потерь в ионосфере.

Радиоволны разной длины могут отражаться от разных слоев ионосферы, либо вовсе не отражаться. Для количественной оценки этого явления введено понятие критической частоты f кр радиосигнала , как максимальной частоты радиосигнала, который при вертикальном излучении (α = 90°) отражается от ионосферы и возвращается на Землю (рис. 5.5). Для каждого ионосферного слоя существует своя критическая частота, зависящая от степени ионизации ионосферы. Радиоволны с частотамиf > f кр пронзают ионосферу и уходят в космическое пространство.