Условия распространения ЭПИ разных частот

На передачу ЭПИ в точке приема оказывают влияние 3 фундаментальных физических процесса:

- отражение электромагнитного поля (от Земли, зданий и т.п.);

- преломление его лучей в ионизированных слоях атмосферы;

- явление дифракции.

Ионизированный слой в атмосфере создается в основном ультрафиолетовым излучением солнца и меняет свои свойства в течение суток и в разные времена года.

В ионосфере происходит:

· преломление лучей, при этом чем короче волна, то есть чем больше частота, тем меньше преломление при прочих равных условиях, поэтому для связи с космическими объектами используются высокочастотные радиоволны;

· поглощение энергии.

Дифракция – явление огибания препятствий, приводящее к ослаблению поля: чем больше расстояние и чем больше частота, тем слабее явление дифракции и больше ослабление поля в точке приема.

При выборе длины волны (частоты передачи) для беспроводной передачи необходимо принимать во внимание условия распространения радиоволн, зависящие от:

· трех выше рассмотренных факторов (поглощение, отражение, дифракция);

· интенсивности помех;

· скорости передачи и др.

Диапазоны радиоволн. Свойства радиоволн разных диапазонов. Наземная радиосвязь. Радиорелейные линии связи. Спутниковые системы связи. Общие сведения. Классификация спутниковых систем по типу орбиты. Геостационарная орбита. Высокоэлиптическая орбита. Низкоорбитальные ССС. Беспроводные сети на ИК-лучах.

Диапазоны радиоволн

В радиовещательных приёмниках радиоволны условно разделены на следующие диапазоны:

· длинные (2000 – 600 м или 150 – 500 кГц);

· средние (600 – 200 м или 500 – 1500 кГц);

· короткие (100 – 10 м или 3 – 30 МГц);

· ультракороткие (менее 10 м или более 30 МГц).

Более научно обоснованным и узаконенным Госстандартом является деление волн на:

· километровые (частота < 300 кГц);

· гектометровые (300 – 3000 кГц);

· декаметровые (3 – 30 МГц);

· метровые (30 – 300 МГц);

· дециметровые (300 – 3000 МГц);

· сантиметровые (3 – 30 ГГц);

· миллиметровые и субмиллиметровые (> 30 ГГц).

Свойства радиоволн разных диапазонов

Использование радиоволн разных диапазонов в тех или иных областях определяется их свойствами, которые кратко рассматриваются ниже.

Километровые волны:

· Диапазон длин волн (частот): более 1 000 м (менее 300 кГц).

· Недостаток: плохая излучательная способность антенн (низкий к.п.д. антенны).

· Используются для создания систем устойчивого радиовещания и связи на большие расстояния, для связи под водой, куда не проникают волны более высоких частот.

Гектометровые волны:

· Диапазон длин волн (частот): 1000 – 100 м (300 – 3000 кГц).

· Имеет место эффект замирания поля (фединг) из-за:

- изменения плотности ионосферы;

- взаимодействия "пространственных" и "земного" лучей, пришедших в одну точку (рис.2.48).

· Используется для радиовещания и связи на флоте и в авиации.

Декаметровые волны:

· Диапазон длин волн (частот): 100 – 10 м (3 – 30 МГц).

· Явление дифракции несущественно из-за резкого возрастания потерь энергии при отражении от Земли.

· Поле в точке приема создается в основном за счет преломления волн в ионизированном слое атмосферы.

· Имеет место замирание поля и пропадание связи из-за преломления волн в ионосфере и взаимодействия лучей.

· На создание поля влияют солнечные вспышки, рассеяние волн на мелких неоднородностях ионосферы, "расщепление" (разделение) лучей из-за наличия магнитного поля Земли.

· Применяются при создании протяженных (магистральных) линий радиосвязи и для любительской связи.

Метровые волны:

· Диапазон длин волн (частот): 10 – 1 м (30 – 300 МГц).

· Практически отсутствует явление дифракции.

· Имеет место явление рефракции волн в атмосфере, когда волны распространяются не по прямым линиям, а по дугам.

· На волнах короче 4 м начинает существенно сказываться явление рассеяния радиоволн на малых неоднородностях атмосферы и ионосферы, в результате чего поле оказывается очень слабым, но по-прежнему устойчивым.

· При повышении мощностей передатчиков до нескольких киловатт можно осуществлять радиосвязь на расстояния до нескольких тысяч километров.

Дециметровые волны:

· Диапазон длин волн (частот): 1 – 0,1 м (300 – 3000 МГц).

· Ионосфера для дециметровых волн полностью прозрачна – поле ею не преломляется, поэтому возможна связь с космическими объектами.

· Энергия поля значительно уменьшается из-за поглощения в каплях дождя, тумана, в молекулах кислорода и других газов.

Сантиметровые волны:

· Диапазон длин волн (частот): 0,1 – 0,01 м (3 – 30 ГГц).

· Распространяются практически только в пределах прямой видимости.

· Используются специальные остронаправленные антенны: параболические, рупорные и др.

· Для волн короче 1,5 см начинают проявляться процессы молекулярного поглощения электромагнитного поля.

Миллиметровые и субмиллиметровые волны:

· Диапазоны длин волн (частот): 0,01 – 0,001 м (30 – 300 ГГц) – миллиметровые волны и менее 0,001 м (более 300 ГГц) – волны субмиллиметровые.

· Ослабление поля из-за поглощения в тумане и дожде возрастает до 30-100 дБ/км.

· В настоящее время диапазон волн, используемых в беспроводной связи, простирается до:

- инфракрасных: 100–0,75 мкм (3–400 ТГц);

- видимых, генерируемых лазерами: 0,75–0,4 мкм (400–750 ТГц).

· Поглощение в тумане и дожде инфрокрасных и видимых волн может достигать сотен дБ/км, что означает их практическую неприменимость в открытом пространстве – их использование целесообразно в закрытых системах: волноводах и световодах.

Метровые и дециметровые волны используются в телевидении, радиовещании, для местной связи и навигации на аэродромах, для связи с подвижными объектами в городах.

На сантиметровых волнах работают: радиорелейные линии, радиолокационные системы, системы связи с космическими объектами.

Наземная радиосвязь

К техническим средствам наземной радиосвязи относятся:

· радиостанции КВ- и УКВ-диапазонов;

· терминальные сетевые контроллеры – радиомодемы.

Радиомодем (РМ) предназначен для управления обмена данными по радиоканалу и включается между ЭВМ и радиостанцией (РС).

РМ обычно предоставляет следующие возможности:

· выбор скорости передачи;

· установка адреса получателя;

· регулировка чувствительности, предотвращающая прием фонового сигнала в отсутствие информативного.

Для предотвращения приема фонового сигнала в отсутствие информативного в радиомодем встраивается регулятор чувствительности, который задает пороговое значение входного сигнала, при котором радиомодем включается на прием.

Чувствительность – пороговое значение входного сигнала, при котором РМ включается на прием.

Конструктивно РМ и РС обычно выполняются в виде одного устройства.

Достоинства использования наземной радиосвязи:

· сравнительно невысокая стоимость передачи данных, поскольку, несмотря на значительные начальные вложения по сравнению с телефонной связью, арендная плата за один радиоканал значительно ниже арендной платы за выделенный телефонный канал;

· возможность работы на одном радиоканале нескольких абонентов;

· возможность организации мобильной связи.

Радиорелейные линии связи

Радиорелейные линии связи (РРЛС) представляют собой цепочку приемно-передающих станций, антенны которых отстоят друг от друга на расстоянии прямой видимости. РРЛС использует принцип ретрансляции, когда каждая станция, входящая в РРЛС, принимает, усиливает и излучает сигнал в направлении соседней станции. Для работы РРЛС выделяются частоты в области от 1 до 30 ГГц.

Достоинства этих диапазонов:

1) высокая пропускная способность;

2) высокая помехоустойчивость и надежность.

Для увеличения пропускной способности РРЛС на каждой станции обычно устанавливается несколько комплектов приемно-передающей аппаратуры, подключаемых к одной общей антенне и использующих разные несущие (рабочие) частоты. Цепочка станций с одним комплектом однотипной высокочастотной приемно-передающей аппаратуры, установленной на каждой станции (без модуляторов и демодуляторов), образуют так называемый высокочастотный (ВЧ) ствол РРЛС или радиоствол.

Цифровые радиорелейные линии связи (ЦРРЛС) предназначены для передачи высокоскоростных потоков цифровых данных, которые характеризуются широким спектром частот и требуют широких полос пропускания приемно-передающей аппаратуры. ЦРРЛС работают на частотах более 10 ГГц и в миллиметровом диапазоне волн с частотой от 30 ГГц до 300 ГГц. ЦРРЛС используются в многоканальных цифровых сетях связи и характеризуются высокой скоростью передачи данных.

Спутниковые системы связи

В общем случае, под спутниковой связью понимают связь между земными станциями (ЗС) через космические станции (КС), представляющие собой пассивные искусственные спутники Земли (ИСЗ), реализующие функции ретранслятора.

Организационно-техническая совокупность ЗС связи различного базирования, КС (спутники-ретрансляторы) и автоматизированной системы управления образуют спутниковую систему связи (ССС).

Спутники могут обеспечивать прямые каналы между двумя точками в сетях связи, разделяя пропускную способность канала посредством частотного или временного уплотнения. Однако более эффективным является способ организации, при котором каждому пользователю для передачи данных предоставляется вся полоса пропускания. При этом на одной частоте f 1 формируется канал от земных станций к принимающей спутниковой станции, а на другой частоте f 2 ¹ f 1 – широковещательный канал к земным станциям от спутника, который ретранслирует пакеты, используя также всю полосу пропускания. Эти пакеты принимаются всеми земными станциями, находящимися в радиусе действия антенны спутника. Анализируя адрес, содержащийся в заголовке пакета, земная станция принимает те пакеты, которые предназначены непосредственно ей, и игнорирует остальные.

Самое большое различие между спутниковыми и наземными радиосистемами состоит во времени распространения передаваемых сигналов.

В спутниковой системе не нужен механизм подтверждения правильности принятых данных с помощью квитанций, поскольку все земные станции принимают пакеты от КС. Если станция-источник принимает свой пакет в том же виде, в каком он был передан космической станции, то это с высокой степенью вероятности свидетельствует о том, что пакет правильно принят станцией назначения. В то же время, правильный прием пакета станцией-источником показывает, что столкновения пакетов в канале коллективного доступа не произошло. Конечно, ошибка может возникнуть в самой станции назначения. В этом случае она может запросить повторную передачу пакета.

Спутники-ретрансляторы могут быть пассивными и активными. Все современные спутники-ретрансляторы являются активными, которые в отличие от пассивных, представляющих собой простой отражатель радиосигнала, оборудованы аппаратурой для приема, обработки, усиления и ретрансляции сигнала.

Активные спутники могут быть нерегенеративными и регенеративными.

Нерегенеративный спутник, приняв сигнал от одной земной станции, переносит его на другую частоту, усиливает и передает другой земной станции.

Регенеративный спутник производит демодуляцию принятого сигнала и заново модулирует его. Благодаря этому исправление ошибок производится дважды: на спутнике и на принимающей земной станции.

Недостаток этого метода – сложность и, следовательно, более высокая стоимость, а также увеличенная задержка сигнала.

Один и тот же спутник связи может использоваться несколькими системами связи, имеющими свои комплексы ЗС.

Основные достоинства ССС:

· высокая пропускная способность;

· возможность перекрытия больших расстояний:

· возможность обеспечения связью труднодоступных районов;

· независимость стоимости и качества спутниковых каналов от их протяженности.