Безжично пренасяне на сигнали .

РАДИОЛИНИИ

Радиолиниите са вид комуникационни линии, в които направляващата средата за разпространение е атмосферата.

В тях сигналите се разпространяват във вид на електромагнитни вълни.

Атмосферата представлява газообразната обвивка около Земята, простираща се на височина до 1000 км, състояща се от три основни слоя:

1. Тропосфера – явява се приземният слой на атмосферата. Най горния слой на тропосферата лежи на височина 10–14 км;

2. Стратосфера – слой, простиращ се от 15–80 км;

3. Йоносфера–представлява йонизиран въздушен слой с ниска плътност простиращ се на разстояние от 80–500 км надземната повърхност.

Радиовълните представляват електромагнитен колебателен процес с честота до 3x10¹² Hz, разпространяващи се в свободното пространството без изкуствени направляващи системи.

Линията за радиовръзка (радиолиния) в най общия случай се състои от две крайни радиостанции, няколко междинни /ретранслаторни/ и определен брой възлови станции

Фиг.1. Структура на линия за радиовръзка (радиолиния)

Крайните радиостанции ( КРС ) се разполагат в началото и края на радиолинията

Междинните радиостанции ( МС ) са предназначени за ретранслация на сигналите.

Възловите радиостанции ( ВС )служат за разклонение на предаваните сигнали в различни направления.

Табл.1 Класификация на радиовълните съгласно ITU-R

            Разпространение на мириаметровите и километрови радиовълни 

Мириаметровите ( Свръх Дълги Вълни  ) и километровите вълни ( Дълги Вълни ) се разпространяват с приземни вълни на разстояние до 3000 км. Използват се:

1. За изграждане на мрежи за световна глобална радиовръзка;

2. В системите за радионавигация;

3. За подводна радиовръзка;

4. За предаване на сигнали за точно време и др.

Радиорелейните системи представляват радиосистеми за комуникация, в които сигналите за електро връзка се предават с електромагнитни вълни на голямо разстояние с помощта на междинни и възлови

ретранслаторни станции.

Видове радиорелейни системи:

1. РРС пряка видимост

2. Тропосферни РРС

3. Йоносферни РРС

4. Спътникови РРС и др.

На фиг. 3е показана радиорелейна линия за пряка видимост изградена от 5 верижно свързани  наземни радиорелейни станции: две крайни релейни станции (КРС), две междинни (ретранслаторни) станции (МРС), и една възлова релейна станция (ВРС).

Фиг.3. Структура на радиорелейна линия за предаване

Съоръженията на РРС са съставени от каналообразуващи апаратури, радиопредаватели (РП), радиоприемници (РПр), антенно-фидерни устройства (АФУ).

За нуждите на радиорелейната връзка, Международния консултативен комитет за радио(МККР)е отделил в дециметровия, сантиметровия и милиметровия диапазон ограничени честотни ленти: на

2 GHz(1.7 ... 2.1 GHz); 4 GHz(3.4…. 3.9 GHz); 6 GHz(5.6 ... 6.2 GHz); 8 GHz(7.9 ... 8.4 GHz); 11 GHz(10.7 ... 11.7 GHz); 13 GHz(12.7 ... 13.2GHz).

Разстоянието между радиорелейните станции зависи от структурата на земната повърхност и височината на антената над нея и варира средно от 30 .... 70 км

Радиорелейните системи основно се използват за връзка между автоматични телефонни централи, осъществяват предаването на радио и телепрограми между студия на радио и телевизионните центрове.

В зависимост от пропускателната способност РРС биват: с голям капацитет над 100 Mbit/s; среден капацитет от 10 .....100 Mbit/s и с малък капацитет, под 10 Mbit/s.

Разпространение на метровите ( УКВ ) вълни

Радио вълните, с дължина под 10 м се отнасят към УКВ. Регулярна връзка на ултракъси вълни е възможна само в границите на пряката видимост между предавателя и приемника, тъй като УКВ  не  притежават дифракция и не се отразяват от йоносферата.

Далечината на връзката при достатъчна мощност на предавателя основно се определя от височината на антените и се определя с формулата:

D= 3,6 (h1 + h2) км,

където: – h1 и h2 височини на предавателната и приемна антена съответно. 

Ако антените се издигнат на височина 50 м, то далечината на връзката е 36 км.

Разпространение на дециметровите и сантиметрови (УКВ) вълни.

Този тип радиовълни основно се разпространяват с приземна вълна в условия на пряка видимост, но

е възможно и пространствено разпространение чрез отражение от тропосферата.

Достойнствата на УКВ диапазон са: голяма честотна вместимост /капацитет/ и възможност за ползване на широка честотна лента без селективни замирания на сигнала.

УКВ обхватът се използва за организиране на голям брой телевизионни и радиопрограми, хиляди телефонни канали, канали за предаване на данни и др.

Използва се и за нуждите на радиолокацията и навигацията, за връзка със сателитни спътници, в радиоастрономията, за връзка между подвижни обекти и др.

 Фиг. 4. Радиорелейни станции

Каналообразуващите съоръжения радиопредавателите и радиоприемниците са аналогични на вече разгледаните. Антенните системи на РРС (фиг.4) обикновено работят в режим на предаване и приемане за едновременно предаване в противоположни направления с използването на две честоти.

Спътниковите комуникационни системи 

(СКС) представляват системи за наземна радиовръзка с помощта на ретранслатори, разположени на сателитни спътници

Преимуществата на СКС се явяват възможността за глобално покритие, високата пропускателна способност и високото качество на радиовръзката.

За изграждането на СКС се използват три вида ИСЗ:

1. На висока елиптична орбита (ВЕО);

2. Геостационарна орбита (ГСО);

3. Ниско височинна орбита (НВО);

ИСЗ с ВЕО се характеризира с голям размер на обслужваната зона при обхващане на северното или южното полукълбо. Продължителността на радио видимостта на един такъв спътник е от 6 до 8 часа

Уникална орбита се явява геостационарната (ГСО)  – кръгова орбита с период на въртене на ИСЗ – 24 часа, разположена в плоскостта на екватора на височина 35875 км. Орбитата на спътника се явява синхронна и синфазна с въртенето на земята, вследствие на което спътникът стои неподвижно относно земната повърхност.

Ниско височинните ИСЗ се пускат на кръгова орбита, с височина от 200 до 2000 км. Скоростта на движение на този вид ИСЗ е висока, поради което радио видимостта е от порядъка на 8–12 мин.

В състава на спътниковите системи за предаване влизат минимум две наземни станции и  една междинна ретранслаторна станция разположена на борда на ИСЗ, наричан транспордер.

Честотният диапазон в който работят СКС е различен за всеки конкретен случай и се намира в границите 2...40 GHz.

Особености на СКС

1. Закъснение на сигнала(за геостационарна орбита около250 мкс) и появата на ехо-сигнал при водене на телефонни разговори;

2. Доплерово изменение на честотата на сигнала, приеман от движещ се спътник (негеостационарни орбити).

Услуги (сервиз) осигуряван от СКС:

1. Услуги за фиксирана радио връзка между наземни станции, разположени на фиксирани пунктове;

2. Мобилни спътникови услуги за връзка между подвижни обекти (автомобили, летателни апарати, морски съдове и др.);

3. Предаване на радио и телевизионни програми непосредствено към терминалите на отделните абонати. МККТР за тази цел е разрешил използването на 12 GHz обхват.

Структура на СКС:

1. Космичен сегмент, състоящ се от няколко сателитни ретранслатора;

2. Наземен сегмент, (център за управление на орбиталните спътници, шлюзове и станции);

3. Абонатен (потребителски) сегмент-абонатни терминали;

4. Интерфейси за връзка на шлюзовите станции с наземните мрежи за връзка;

Работните честоти на сателитните ретранслатори са регламентирани от Международния консултативен комитет по радио и регистрация на честотите и в зависимост от вида на връзката

е показан в Таблица на Честотни диапазони на СКС:

Честотен диапазон  Честотна лента , GHz

L (Наземна станция – СА)                                      1.452  –  1.5 ; 1.61  –  1.71

S (СА – мобилни системи за връзка)                     1.93  –  2.7

C (СА – шлюзови станции)                                   3.4  – 5.25 ; 5.725 – 7.075

Ku (връзка между СА)                                            10.70  – 12.75 ; 12.75 – 14.8

Ka (СА–командно измерителна апаратура)         14.40 – 26.50 ; 27, 00 – 50,20

Фиг.7. Структура на система за спътникова връзка

       Космическият сегмент включва спътниковата групировка, състояща се от няколко сателитни ретранслатора, равномерно разположени на орбитата.

Земният сегмент включва:

1. център за управление на системата;

2. център за пускане на КА;

3. център за управление на връзката;

4. шлюзови станции за връзка с други мрежи и системи.

РАДИОРЕЛЕЙНА ЛИНИЯ (РРЛ) – представлява радиовръзка, която се осъществява чрез насочено предаване на радиосигнали. Тя се състои от отдел и участъци (трасета), които са така определени, че съществува пряка видимост между радиорелейните станции. При проектирането на такава система е необходимо: да се изчисли нивото на сигнала, необходимо за получаване на качествена връзка; да се определи профила на терена, за да се осигури радио видимост между отделните станции; да се изчислят височините на антените в предавателния и приемния пункт. Освен това трябва да се определи и приемния шум, който се внася в цялата линия, и съобразно с него – дължината на отделните участъци. Въз основа на получените резултати се определят чувствителността на приемниците, мощността на предавателите и коефициента на усилване на антените. В много случаи се задава и обратната задача: при зададена конкретна апаратура, усилване на антените, мощност на предавателите и чувствителност на приемниците да се провери дали се осигурява необходимото качество на връзката в най-неблагоприятния участък от линията.

РРЛ се използват за осъществяване на радиовръзка на големи разстояния чрез ретранслация (препредаване) на радиосигналите, пренасящи голям обем информация, например телефонни и служебни съобщения, радио и телевизионни програми, цифрови данни и т.н. За тях е характерно това, че между предавателя и приемника има разположени междинни станции (ретранслатори), които приемат сигналите и след усилване и преобразуване на честотата на носещото им трептение ги предават по-нататък по линията (активна ретранслация) или само отразяват излъчените към тях сигнали по посока на приемника (пасивна ретранслация). Активна ретранслация на сигналите се използва в земните и спътниковите РРЛ, а пасивна ретранслация – в тропосферните РРЛ.

Радиорелейно трасе

РРЛ се състои от определен брой приемно предавателни радиостанции разположени една спрямо друга, на разстояние, при което се осигурява пряка видимост между антените.

Най-голямо приложение понастоящем имат съоръженията, работещи в ултракъсия обхват (УКВ или СВЧ), в които предаването на радиосигналите става чрез приземни вълни, разсеяни от тропосферата и йоносферата и свободно разпространяващи се вълни. Предимства на тези системи пред по дълговълновите са тяхната широко лента и възможността за поместване в обхвата на голям брой различни системи, малкото ниво на промишлени и атмосферни смущения в сравнение на вътрешните флуктоационни шумове на системата, използването на сравнително малки по размери антени с тясна диаграма на насочено действие, осигуряващи нормална работа на системата при по-малка мощност на предавателя и съществено потискане на смущенията от други радиосистеми и др.

Честотният диапазон (честотна лента) и означението на под обхватите на УКВ (СВЧ) е изобразен в таблицата

Честотен диапазон
Обхват	Дължина на вълната	Пълно название на честотите	Съкратено название	Честоти (GHz)
Метрови	10 м до 1 м	Много високи	VHF	0,03 до 0,3
Дециметрови	1 м до 0,1 м	Ултра високи	UHF	0,3 до 3
Сантиметрови	0,1 м до 0,01 м	Свръхвисоки	SHF	3 до 30
Милиметрови	10 до 1 мм	Свръхвисоки	SHF	30 до 300

Предимства и недостатъци на УКВ диапазона

Предимства

1. Като първо предимство може да се отбележи твърде широката честотна лента, която им съответства. Тя е от 30 до 30 000 MHz. Тя е около 1000 пъти по-широка от честотната лента, която съответства на всички останали вълни.

2. Честотната лента на пропускане на предавателната и приемната апаратура може да бъде твърде широка.

3. В тази област на радиовълните не се получават смущаващи сигнали от атмосферен и промишлен произход. Следователно устроената връзка с УКВ се характеризира с висока стабилност и надеждност.

4. В УКВ могат да се използват антени с голяма насочености малки размери. По този начин може да се осигури надеждна и с малко паразитни смущения връзка при малка мощност на предавателя. Коефициент на усилване на антената може да стигне до 40 dB т.е. 10 000 пъти по мощност.

Недостатъци

1. УКВ се разпространява само по права линия и могат да се използват само при пряка видимост между станциите.

2. С УКВ не могат да се устройват връзки на големи разстояния, както с късите вълни, защото те не се отразяват от йоносферата. Поради тази причина за преодоляване на големи разстояния с УКВ трябва да се предвидят междинни станции т.е. трябва да се използват РРЛ.

3. Трудно се конструират генератори и усилватели за дециметровия и сантиметровия обхвати, особено когато предаваният сигнал е широколентов и се изискват големи мощности.

Поради много широката честотна лента за УКВ, физичните свойства на електромагнитните вълни не са еднакви. За различните под обхвати са характерни известни особености.

Така например вълните с различни дължини имат различен характер на разпространение:

1. Вълните от 10 до 3 м все още имат способност да се отразяват от йоносферата (както късите вълни);

2. Значителна част от енергията на вълните под 0,02 м се поглъща от молекулите на въздуха и хидрометеорите.

За увеличаване на разстоянието в системите за предаване на радиосигнали на големи разстояния в тях се включват ретранслатори. Радиорелейните линии, в които сигналите се предават чрез ретранслиране на приземната радиовълна с помощта на междинни приемо-предавателни станции, наречени още РРЛ с пряка видимост, работят в дециметровия и сантиметровия обхвати, като за тях са предвидени честотни ленти в областта на 2, 4, 6, 8, 11 и 13 GHz.

Усвояват се и по-високи обхвати, тъй като те позволяват да се разшири информационната честотна лента, а оттам и пропускателната способност на системата. Едновременно с това трябва да се отчита обстоятелството, че в условия на интензивни валежи при такива високи честоти нарастват съществено загубите на сигнална мощност. Цифровите РРЛ използват по-високочестотните обхвати, което се налага от по-голямата широчина на спектъра на цифровите сигнали в сравнение с този на аналоговите. Тъй като радиорелейните линии с пряка видимост работят с малка мощност на предавателите (няколко вата), за осигуряване на надеждна радиовръзка в тях се използват остро насочени антени (с коефициенти на усилване 30...40 dB, a понякога и повече).

Радио комуникационните системи, в които предаването на радиосигналите на големи разстояния става чрез тропосферна вълна, работят в честотната област от 0,3 до 5 GHz. Принципът на работа на радио комуникационната система се свежда до преизлъчване на радиосигнала от обем от тропосферата, образуван при пресичането на диаграмите на насочено действие на предавателната и приемната антени, който изпълнява функциите на пасивен ретранслатор.

Последният се характеризира с ниска ефективност, тъй като само част от разсеяната енергия на радиосигнала попада в приемната точка, и със значителни изменения на своите параметри в пространството и времето, предизвикващи замирания на сигнала. Това налага в тропосферните радио комуникационни системи да се използват мощни (няколко KW) предаватели, големи антени (с коефициенти на усилване от 50 до 55 dB) и приемници с нисък шум (с еквивалентна шумова температура от порядъка на 50 – 70 К), а тяхното изграждане да става на базата на разнесено в пространството и по честота приемане. Честотните замирания на сигналите в тропосферната радиолиния са причина за ограничаване на ефективно използваната честотна лента на тези системи до няколко MHz. Разстоянието, на което могат да се предадат сигналите чрез еднократна ретранслация от тропосферата, е в границите от 200 до 400 km. За неговото увеличаване в системата се включват няколко приемо-предавателни станции, отстоящи помежду си на 150... 300 km (в зоната на радио сянка), като по този начин се създава тропосферна радиорелейна линия.

Тропосферните радиолинии се използват основно за предаване на телефонни и телеграфни съобщения в труднодостъпни и малко населени райони (пустинни, планински и полярни райони), а също така в райони с големи водни препятствия, където изграждането на радиорелейна линия с пряка видимост е невъзможно или икономически неизгодно.

Подобни на тропосферните радио комуникационни системи са системите, изградени на принципа на разсейване на радиосигналите от нееднородни в ниските слоеве на йоносферата (на височина от 75 до 95 km). Те работят в честотната област от 30 до 60 MHz, като широчината на предаваната честотна лента не превишава няколко kHz, и чрез тях се осигурява по-голяма далечина на радиовръзката (от 900 до 2000 km). Използването на честоти над 60 MHz води до рязко намаляване на ефективността на разсейване на сигналите, а по-ниски от 30 MHz – до усилване на ефекта на много лъчево разпространение и дълбоки замирания на сигналите. На разстояния по-малки от 900 km радиовръзката за сметка на йоносферното разсейване е практически невъзможна.

Йоносферните радио комуникационни системи подобно на тропосферните имат висок енергиен потенциал (работят с мощни предаватели, малошумящи приемници и антени с голямо усилване) и в тях се използва разнесено приемане, като пропускателната им способност се ограничава от изкривяванията в тракта за разпространение на вълната до няколко телеграфни канала (възможна е и едноканална телефонна връзка, но с относително ниско качество).

Скъпото и сложно оборудване на йоносферните радио комуникационни системи ограничават тяхното приложение основно в полярните райони, където йоносферните бури често нарушават радиовръзката на къси вълни, а прокарването на проводникови линии и използването на тропосферни системи е икономически нецелесъобразно.