Выпускная квалификационная работа «Расчет радиорелейной трассы между удаленными объектами» (стр. 3 )

Телеграфная связь – это передача сообщений в виде телеграмм и криптограмм с использованием телеграфных аппартов по линиям и каналам электросвязи.

Обмен данными – это передача сообщений между ЭВМ в информационных, вычислительных системах и автоматизированных системах управления.

Современные системы передачи информации используют множества различных технологий, количество которых стремительно увеличивается. Возрастаемые требования к объемам передачи информации и удаленное расположение учреждений от магистральных линий связи накладывают определенные особенности к организации линий связи. Наиболее подходящими для реализации требований, предъявляемым к каналам связи и системе связи в целом применительно кудаленным учреждениями ФСИН являются радиорелейные линии связи.

Радиорелейная связь применяется при отсутствии или малой пропускной способности проводных линий связи между территориальными органами и учреждениями УИС, производственными объектами, а также для дистанционного управления радиосредствами и создания соединительных линий между АТС и узлами связи.

Радиорелейная связь осуществляется непосредственно или через промежуточные (ретрансляционные) радиорелейные станции. Промежуточные РРС устанавливаются в тех случаях, когда непосредственная связь не обеспечивается из-за значительного расстояния между оконечными станциями или при неблагоприятных условиях рельефа местности, а также при необходимости выделения каналов связи. Каналы радиорелейной связи выделяются на оконечных или промежуточных станциях и передаются на коммутаторы (узлы связи) или отдельным абонентам.

1.4.1 Общие сведения, принципы и свойства радиосвязи

Мысль о радио как о средстве связи без проводов была впервые была высказана русским ученым весной 1889 г. Выступая в Кронштадтском морском собрании, он говорил: «Человеческий организм не имеет еще такого органа чувств, которой замечал бы электромагнитные волны в эфире. Если бы изобрести такой прибор, который заменил ба нам электромагнитные чувства, то его можно было бы применить к передаче сигналов на расстояние».

Первые опыты по осуществлению беспроводной связи с использованием электромагнитных волн были начаты в 1895 г. А уже с февраля по апрель 1900 г. действовала первая линия радиосвязи, обеспечивающая обмен сообщениями в Финском заливе между городом Коткой (Финляндия) и островом Гогланд. По линии протяженностью 46 км было передано 440 радиограмм, содержавших 6300 слов. Это позволило решить практическую задачу спасения броненосца береговой обороны, севшего на камни.

С этого момента популярность радиосвязи начала быстро расти во всем мире. Увеличение числа работающих радиостанций, а также проявившиеся особенности распространения радиоволн вызвала необходимость международного регулирования использования радиосвязи. В 1903 г. в Берлине была созвана первая Международная радиотелеграфия конференция, в которой приняли участие большинство европейских стран, а также Россия и США. На второй конференции, состоявшейся в 1906 г., был принят свод правил ведения радиообмена, названный Служебным регламентом.

В настоящее время радиосвязь получила широкое распространение, в том числе как средство управления в различных организационных структурах современного общества. Она в определенных условиях не имеет конкурентов. Спектр задач, выполняемых ФСИН, и условия их решения требуют широкого применения радиосредств в целях управления, особенно мобильными подразделениями. Поэтому сотрудники должны хорошо знать возможности радиосвязи, а также способы применения для успешного решения конкретных задач.

Радиосвязь – это обмен информацией с помощь радиоволн. Радиоволнами называются электромагнитное излучение с частотами 3∙1012 Гц и длиной волны не менее 1∙10-4 м, распространяющееся в среде без искусственных направляющих линий.

Из этого следует, что переносчиками информации в радиосвязи являются электромагнитные волны высокой частоты, способные распространяться в окружающем Землю пространстве (так называемом эфире).

Для передачи сообщений посредством радиоволн необходимо иметь:

а) источник сообщений;

б) модулятор, обеспечивающий наложение электрического сигнала, содержащего сообщение, на электрические колебания высокой частоты;

в) радиопередатчик, генерирующий электрические колебания высокой частоты;

г) передающею антенну, преобразующую электрические колебания высокой частоты в электромагнитные волны, излучаемые в пространство;

д) приемную антенну, преобразующую энергию электромагнитных волн в электрическое напряжение высокой частоты;

е) радиоприемник, обеспечивающий: выделения напряжения с частотой радиопередатчика из совокупности напряжений разных частот, наводимых в приемной антенне; усиление напряжения высокой частоты, подводимого от антенны; выделение полезного сигнала из высокочастотных колебаний;

ж) источник электропитания, обеспечивающий работу радиопередатчика и радиоприемника;

з) оконечное устройство.

Электромагнитные волны характеризуются параметрами: скорость распространения, частотой колебаний и длиной волны.

Скорость распространения электромагнитных волн в околоземном пространстве c равна примерно 3·108м/с.

Частота электромагнитных волн f определяется числом полных колебаний энергии волн за 1 с. Единица измерения частоты является Герц.

Длина волны λ измеряемая в метрах, равна расстоянию, которое волна проходит за время одного полного колебания, называемого периодом колебания.

Перечисленные параметры связаны между собой соотношениями:

Совокупность электромагнитных волн, используемых для радиосвязи, носит название радиочастотного ресурса или радиочастотного спектра. Радиочастотный спектр обладает определенными свойствами.

1. Неисчерпаемостью данного ресурса. Потребитель для обеспечения связи занимает определенную совокупность частот, которая после освобождения может использоваться без всякого восполнения другим потребителем;

2. Глобальная доступность. В распределении и использовании радиочастотного ресурса учитываются международные интересы. Периодически созываются Всемирные административные конференции по радиосвязи, функционируют специальные международные службы, разрабатываются и принимаются к исполнению документы, регламентирующие использование ресурса, один из них – Международный регламент радиосвязи. Государства – пользователи ресурса в соответствии с международными рекомендациями и правилами разрабатывают собственные нормативные документы. В Росси одним из таких документов является Федеральный закон от 01.01.2001 «О связи».

В статье 12 Закона закреплено исключительное право государства на регулирование использования радиочастотного спектра. Закон предусматривает обязательную регистрацию в порядке, устанавливаемом Правительством Российской Федерации, всех технических средств, являющихся источниками электромагнитного излучения, в том числе средств связи;

3. Наличием радиопомех естественного и искусственного происхождения: от грозовых разрядов, электротранспорта, промышленных и бытовых электроустановок, радиостанций, работающих на одних частотах;

4. Различие механизма распространения в пространстве электромагнитных волн разной длины. По этому признаку весь радиочастотный ресурс условно разбит на ряд частотных диапазонов (диапазонов волн).

Таблица 1.1. – Диапазоны радиоволн их диазоны волн и частот

Диапазон радиоволн	Граница диапазона волн	Граница диапазона частот	области применения
Сверхдлинные	10-100 км	30-3 кГц	Радионавигация, радиосвязь
Длинные	1-10 км	300-30 кГц	Радиосвязь, радиовещание
Средние	м	3-0,3 МГц	Радиовещание, радиосвязь
Короткие	10-100 м	30-3 МГц	Радиосвязь, радиовещание
Метровые	1-10 м	300-30 МГц	Радиосвязь, телевидение
Дециметровые	1-10 дм	3-0,3 ГГц	Радиолокация, радиорелейная связь, радионавигация, телевидение
Сантиметровые	1-10 см	30-3 ГГц	Радиолокация, радиорелейная связь
Миллиметровые	1-10мм	300-30 ГГц	Специальные применения
Децимиллиметровые	Меньше 1 мм	Больше 300 ГГц	для специальных применений

В соответствии с международными и федеральными нормативами документами некоторые участки диапазонов частот используются в интересах радиовещания (148,5,5 кГц в диапазоне ДВ; 526,5...1606,5 кГц в диапазоне СВ; 2,3…22 МГц в диапазоне КВ; 65,8…108 МГц в диапазоне УКВ), наземного телевидения (471,25…888,25 МГц в диапазоне УВЧ), спутниковой радиосвязи и телевидения (1,5 и 0,8 ГГц; 2,55 и 2,45 ГГц; 6,0 и 4,0 ГГц; 14,0 и 11,0 ГГц; 30,0 и 20,0 ГГц), также для других целей.

Региональные управления ФСИН выполняют возложенные на них задачи, как правило, на ограничительных территориях протяженностью от нескольких километров до нескольких десятков километров. При управлении подразделениями, в условиях быстрой смены обстановки, важное значение приобретает оперативность доведения команд до подразделений и получения от них информации об обстановке. Наиболее просто это достигается с помощью радиотелефонной связи. Для обеспечения радиотелефонной связи на относительно небольшие расстояния широко используются диапазоны ОВЧ и УВЧ, что объясняется следующими преимуществами: относительно небольшим уровнем помех в этих диапазонах, возможностью размещения необходимого количества частотных каналов радиотелефонной связи в выделенных участках диапазонов, возможностью использования для обеспечения связи на требуемые дальности маломощных радиостанций с приемлемыми массогабаритными характеристиками ( в том числе носимых).

Организация радиосвязи и практическое использование радиосредств в диапазонах ОВЧ и УВЧ во многом определяются также особенностями распространения радиоволн этих диапазонов.

К ним относятся:

- прямолинейное распространение радиоволн по всем направлениям от излучателя (при использовании в направлении на направленного излучателя);

- проникновение, огибание и отражение радиоволн при встрече с препятствиями;

- ослабление энергии радиоволн при распространении в окружающем воздухе и значительные потери энергии при проникновении через препятствия.

Особенности распространения радиоволн ОВЧ и УВЧ в земных условиях приводят к появлению теневых зон, в которых сигнал передатчика корреспондента настолько слаб, что не принимается адресатом. Эти особенности определяют дальность связи в рассматриваемых диапазонах.

Над ровной земной поверхностью и над водными пространствами дальность прямой видимости, которая зависит от кривизны Земли и высоты (поднятия) антенн радиостанций корреспондентов (рисунок 1.1.).

где Д – дальность связи, км;

h1, h2-высоты антенны радиостанций над уровнем Земли, м.

Рисунок 1.1 – Дальность прямой видимости

На пересеченной местности и в населенных дальность связи уменьшается и зависит от ряда факторов:

- мощности радиопередатчиков корреспондентов;

- чувствительности радиоприемников;

- высоты антенн;

- уровня помех;

- количества и характера препятствий на пути распространения радиоволн.

1.4.2 Особенности распространения радиоволн СВЧ-диапазона

Частоты СВЧ, УВЧ широко применяются в наземных системах связи и вещания. Большинство таких систем работает на земной волне. Исключения составляют лишь линии связи, работающие на волнах, рассеянных в тропосфере и ионосфере.

В рассматриваемых частотных диапазонах устойчивая работа на земной волне ограничена расстоянием прямой видимости. В то же время широко распространены магистральные линии протяженностью до нескольких тысяч километров, использующие дециметровые и сантиметровые волны. Эти линии представляют цепочку приемопередающих радиорелейных станций (РРС). Соседние РРС отстоят друг от друга на расстояние, превышающее «радиовидимость» между передающей и приемной антеннами в условиях средней рефракции. На каждой промежуточной РРС принимаемый сигнал усиливается и передается на следующую станцию. Участок линии между соседними станциями называется ретрансляционным интервалом. Линии, построенные по такому принципу, называются радиорелейными линиями (РРЛ) с интервалами в пределах прямой видимости.

Существующие РРЛ, работающие в диапазонах СВЧ и УВЧ, предназначены для передачи многоканальной телефонии и телевидения в аналоговой (непрерывной) форме. Цифровые РРЛ должны иметь настолько широкие полосы пропускания, что они будут работать в основном на частотах выше 10 ГГц (волны короче 3 см).

Системы телевизионного и звукового вещания работают на волнах метрового диапазона. Для телевизионного вещания выделены также полосы в дециметровом диапазоне. Устойчивый радиус действия вещательных передатчиков в этих диапазонах ограничивается также расстоянием порядка прямой видимости. Для увеличения радиуса действия станций стараются поднимать антенну на передаче по возможности выше как за счет естественного рельефа, так и за счет башни, на которой устанавливается антенна.

Широкое распространение радиосвязи обусловлено следующими эксплуатационными преимуществами:

- возможностью обмена информацией между стационарными объектами, стационарными и подвижными, а также между подвижными объектами на земле, в воздухе, космосе и на акваториях в любых природных условиях;

- доступностью связи с объектами, местонахождение которых неизвестно;

- возможностью обмена информацией через неосвоенные территории;

- возможностью одновременного доведения информации до большого количества корреспондентов (циркулярная передача);

- простой организации и развертывания сетей радиосвязи;

- мобильностью, т. е. возможностью быстрой перестройки состава и структуры сетей радиосвязи.

В то же время радиосвязь имеет и ряд недостатков, которые необходимо учитывать при её использовании:

- наличие во всех диапазонах частот непреднамеренных помех различного происхождения (космическое излучение, атмосферное электричество, промышленные и транспортные электроустановки, взаимные помехи радиостанций и др.), ведущих к снижению дальности и качества связи;

- влияние на дальность и качество связи в некоторых диапазонах естественного и искусственного рельефа местности;

- вероятность перехвата сообщений, передаваемых по радиоканалам, особенно при использовании ненаправленных излучателей;

- возможность ввода ложных сообщений в радиоканалы под маской одного из корреспондентов;

- реальность постановки преднамеренных помех с целью недопущения передачи сообщений по радиоканалу;

- возможность определения местоположения радиостанций работающих корреспондентов путем пеленгования с использованием специальной аппаратуры;

Указанные недостатки могут быть частично компенсированы реализацией организационных, организационно-технических и технических мероприятий в процессе развертывания радиосвязи и ведения радиообмена.

1.4.3 Диапазоны СВЧ радиолиний, используемые для радиосвязи

Диапазон 7 ГГц (7.25-7.55 ГГц) освоен в настоящее время достаточно хорошо [15]. В нем работает большое количество радиорелейных систем средней емкости (порядка 300-700 ТЛФ каналов в стволе для аналоговых систем и до 55 Мбит/с - для цифровых). Существует и аппаратура большой емкости, предназначенная для передачи потоков STM-1. В этом диапазоне на распространение сигнала начинают оказывать влияние гидрометеоры (дождь, снег, туман и пр.). Кроме того, влияет атмосферная рефракция, приводящая к закрытию трассы или к интерференции волн.

Средняя протяженность пролета РРЛ составляет 30-40 км. Антенны имеют высокий коэффициент усиления при диаметрах порядка 1.5 – 2.5 м.

Число радиосредств в России, использующих этот диапазон, пока относительно невелико, и, следовательно, электромагнитная обстановка благополучна. Однако необходимо учитывать помехи от соседних радиорелейных линий, работающих в данном диапазоне частот.

Диапазоны 11 и 13 ГГц (10.7-11.7, 12.7-13.2 ГГц) перспективны с точки зрения эффективности систем РРЛ [15]. При протяженности пролета 15-30 км, высокоэффективные антенны имеют небольшие габариты и вес, что обеспечивает относительную дешевизну антенных опор.

Доля влияния атмосферной рефракции на устойчивость работы систем уменьшается, но увеличивается влияние гидрометеоров. В этих диапазонах, в основном, строятся цифровые радиорелейные системы связи на скорости до 55 Мбит/с, хотя, есть примеры передачи цифровых потоков со скоростями до 155 Мбит/с.

Но эти диапазоны используют большое количество радиосредств. Спутниковые системы связи, различные радиолокаторы и пеленгаторы, охранные системы создают неблагоприятную электромагнитную обстановку, что затрудняет работу в данных диапазонах.

Интенсивное развитие систем связи привело к бурному освоению диапазонов частот 15 и 18 ГГц (14.5-15.35, 17.7-19.7 ГГц) [15]. Средняя протяженность пролетов достигает 20 км для зон с умеренным климатом. Аппаратура выполняется в виде моноблока. Типовые параболические антенны имеют диаметры 0.6, 1.2 или 1.8 м при коэффициентах усиления от 38 до 46 дБ. В ряде регионов России диапазон 15 ГГц уже перегружен радиосредствами. Диапазон 18 ГГц пока более свободен.

На распространение сигналов сильное влияние оказывают гидрометеоры и интерференция прямых и отраженных волн. Ослабление в дожде может составлять 1-12 дБ/км (при интенсивности дождей 20-160 мм/час). Некоторое влияние оказывает и сама атмосфера (атомы кислорода и молекулы воды), ослабление в которой достигает 0.1 дБ/км.

Согласно рекомендациям МСЭ-Р в диапазоне 23 ГГц (21.2-23.6 ГГц) разрешено строить системы аналоговой и цифровой связи любой емкости. Средняя протяженность пролетов меньше 20 км, так как на распространение сигналов сильное влияние оказывают гидрометеоры и ослабления в атмосфере. Желательно использовать вертикальную поляризацию радиоволн, хотя разрешено использование любой поляризации. Типовые параболические антенны имеют диаметры 0.3, 0.6 и 1.2 м.