Тоискин В.С., Петренко В.И., Бибарсов М.Р., Мишин Д.Ю. Системы радиосвязи

Подождите немного. Документ загружается.

Различные системы радиосвязи в зависимости от их назначения стро-

ятся по одному из указанных способов, однако, возможна их комбинация.

Как отмечалось выше в радиосвязи (и в связи вообще) переносчиком

сообщений является электрический сигнал, способный распространяться в

определенных средах. Из этого следует, что для передачи на расстояние со-

общение, создаваемое источником, должно

быть преобразовано в электриче-

ский сигнал, который будет преодолевать пространство. На месте приема по-

лученный сигнал необходимо преобразовать в сообщение, подаваемое полу-

чателю. Чтобы выполнить все операции, необходимы соответствующие тех-

нические устройства, которые в совокупности со средой распространения

образуют систему радиосвязи.

На рисунке 1.2 изображена обобщенная структурная схема системы

военной радиосвязи.

Она связывает источник сообщения (ИС) с получателем

сообщений (ПС) посредством преобразователя сообщения в сигнал (ПСС

радиопередающего устройства (РПУ), передающей антенны (Ант.), среды

распространения (СР), приемной антенны (Ант.), радиоприемного устройства

(РПрУ), преобразователя сигнала в сообщение (ПСС

РрПУ

РПУ Источники помех

Среда

распространения

ИС ПСС

АПД ШАС Мод

ВЧ

ген

Апп.

адапт.

ПС ПСС

АПД ШАС Дем

ВЧ

Ум

Ант

КИ

РЭР

Естеств

Др. РЭС

ЭПД

Рисунок 1.2 – Структурная схема военной системы радиосвязи

Источником и получателем сообщений, как правило, являются люди,

но их роль могут выполнять также различные датчики, автоматические уст-

ройства, ЭВМ и др. Сообщения, сформированные ИС, преобразуются в пер-

вичный аналоговый или дискретный сигнал в ПСС, в качестве которого мо-

жет выступать микрофон, телеграфный аппарат и др. Сформированный пер-

вичный сигнал поступает

в передатчике, в котором осуществляется модуля-

ция несущего колебания первичным сигналом по тому или иному параметру

(по амплитуде, частоте, фазе или их комбинации). Полученный радиосигнал

в передатчике усиливается и поступает в передающую антенну, посредством

которой формируется электромагнитное поле. Электромагнитная волна рас-

пространяется в свободном пространстве, достигает приемной антенны, пре-

образуется в антенне в электрический радиосигнал, который поступает на

вход приемника. В приемнике происходит выделение радиосигнала по часто-

те несущей (селекция), усиление, преобразование в первичный сигнал (демо-

дуляция). Последний устройством ПСС

преобразуется в сообщение, которое

поступает к получателю информации.

Совокупность технических устройств и среды распространения (ис-

ключая ИС и ПС) образуют канал радиосвязи.

1.1.3 Особенности систем радиосвязи и их классификация

Особенности систем радиосвязи (СРС) заключаются в следующем.

− наличие аппаратуры повышения достоверности (АПД), предназна-

ченной для помехоустойчивой обработки первичных сигналов;

− наличие

шифровальной аппаратуры связи (ШАС), осуществляющей

изменение структуры сигнала с целью затруднения раскрытия средствами

противника смыслового содержания передачи;

− источники помех (ИП), представляют собой совокупность источни-

ков естественных помех, помех, создаваемых другими радиоэлектронными

средствами (РЭС) и помех, создаваемых средствами электронного подавле-

ния противника (ЭПД);

− система военной радиосвязи подвергается радиоэлектронной раз-

ведке (РЭР) со стороны противника;

− с целью контроля технических параметров СРС и правил ведения

радиообмена организуется контроль излучения (КИ);

− военная СРС работает в быстроизменяющихся условиях, для обес-

печения устойчивого функционирования в СРС включается аппаратура адап-

тации.

Системы радиосвязи классифицируются следующим образом.

1. По назначению:

− коммерческие;

− специальные.

По области применения:

− телефонные;

− телеграфные;

− передача данных;

− факсимильные;

− телевизионные.

3. По диапазону рабочих частот: (границы определяются соотношени-

ем 0,3·10

№

..3·10

№

(№ − номер диапазона, см. таблицу 1.1).

4. По виду службы связи;

− стационарные:

− подвижные.

5. По числу каналов:

− одноканальные;

− многоканальные.

6. По принципу уплотнения и разделения каналов:

− с частотным разделением каналов

− с временным разделением каналов

− с кодовым разделением.

7. По типу среды распространения радиоволн (см. роды связи).

8. По способу организации связи:

− односторонние;

− двусторонние.

9. По

способу обмена информацией: (только для двусторонних)

− симплексные

− дуплексные.

10. По форме представления сообщений:

− дискретные;

− непрерывные;

− смешанные:

− дискретно-аналоговые;

− цифровые.

11. По изменяемому параметру сигнала:

− с частотной модуляцией (ЧМ);

− с амплитудной модуляцией (АМ);

− с однополосной модуляцией (ОМ);

− с фазовой модуляцией (ФМ).

Приведенная классификация не является полной (есть адаптивные и

неадаптивные СРС, с автономным питанием и питанием от сети и т.п.).

1.1.4 Основные характеристики и отличительные особенности

систем радиосвязи

СРС являются составной частью Взаимоувязанной сети связи (ВСС)

страны, они зачастую сопрягаются с другими системами связи. Кроме того

СРС должны находиться в состоянии постоянной готовности к немедленной

передаче и надежному приему информации. Для этого при разработке СРС к

ним предъявляют ряд требований, называемых тактико-техническими требо-

ваниями (ТТТ). Эксплуатируемые СРС характеризуются соответствующими

тактико-техническими характеристиками (ТТХ).

Все ТТХ можно подразделить на три группы:

1 – оперативно-тактические (ОТХ);

2 – информационно-

технические (ИТХ);

3 – конструктивно-эксплуатационные (КЭХ).

К ОТХ относятся характеристики, определяющие назначение и воз-

можности применения СРС. Соответствующие им оперативно-тактические

требования (ОТТ) предъявляются заказчиком при постановке задачи на раз-

работку системы. ОТХ включают такие характеристики как дальность радио-

связи, виды связи, достоверность, скрытность, оперативность, устойчивость,

безопасность и др.

1. Дальность радиосвязи характеризуется максимальным расстоянием

связи при

гарантируемом обеспечении качества передачи информации. Она

изменяется в широких пределах (от сотен метров до десяти тысяч километ-

ров) и существенно влияет на ИТХ СРС.

2. Виды связи характеризуют возможность передачи различной ин-

формации. В то же время виды связи относятся и к ИТХ. Для определения

видов связи применяется международная классификация, в

которой приняты

следующие обозначения: А1 – сигналы телеграфии с амплитудным телегра-

фированием (АТ) незатухающими колебаниями; А2 – сигналы телеграфии с

АТ тональномодулированными колебаниями; А3 – сигналы телефонии с ам-

плитудной модуляцией (АМ); А3НА1 (или В1) сигналы телефонии с однопо-

лосной модуляцией (ОМ) с полной несущей и одной боковой полосой (А1 –

верхней, В1 – нижней

); АЗА – сигналы телефонии с ОМ и ослабленной не-

сущей; АЗJ – сигналы телефонии с ОМ и подавленной несущей; АЗВ – двух-

канальная телефонная с ОМ и ослабленной или подавленной несущей; А4 –

сигналы фототелеграфии с АМ; F1 - - сигналы телеграфии с частотной теле-

графией (ЧТ); F3 – сигналы телефонии с частотной модуляцией (ЧМ); F6 –

сигналы телеграфии с двойной

частотной модуляцией (ДЧТ); F9 – сигналы

телеграфии с относительной фазовой телеграфией (ОФТ).

Для военных СРС более удобным является обозначение вида радио-

связи с указанием всех ступеней преобразования сигнала, например: ТЛФ-

ИКМ-ЧТ; ТЛГ-ЧТ-ВРК-ЧМ и т.п.

3. Достоверность связи – способность СРС обеспечивать воспроизве-

дение передаваемых сообщений в пунктах приема с

заданной точностью.

4. Скрытность связи – способность СРС противостоять раскрытию

противником содержания передаваемой информации, факта, места передачи

и принадлежности объекта передачи.

5. Оперативность связи – способность СРС обеспечивать передачу за-

данного объема информации в установленные сроки.

6. Мобильность СРС – возможность приведения СРС в рабочее со-

стояние за заданное время.

7. Устойчивость СРС – способность системы сохранять

свою работо-

способность при всех воздействующих факторах. Устойчивость определяется

живучестью, помехоустойчивостью и надежностью.

8. Живучесть СРС – свойство системы выполнять поставленные зада-

чи в условиях воздействия всех средств поражения, используемых противни-

ком.

9. Помехоустойчивость СРС – свойство системы выполнять постав-

ленные задачи в условиях воздействия всех видов помех.

10. Надежность СРС – свойство системы выполнять поставленные за-

дачи, сохраняя во времени эксплуатационные показатели в заданных преде-

лах, соответствующие заданным режимам и условиям использования, техни-

ческого обслуживания.

ИТХ определяются в процессе разработки СРС, исходя из заданных

ОТХ

и КЭХ. К ИТХ относятся следующие.

1. Вид радиосвязи.

2. Мощность передатчика.

3. Чувствительность приемника.

4. Полоса частот, занимаемая каналом связи.

5. Скорость передачи сигналов V

, измеряется в Бодах и опреде-

ляет требуемую полосу частот.

6. Скорость передачи информации V

, характеризующая количе-

ство информации, передаваемой в единицу времени, измеряется в бит/сек. В

общем случае V

≠ V

7. Пропускная способность СРС С – потенциальная возможность

СРС по передаче информации в единицу времени: С= V

и мах.

8. Характеристики антенно-фидерных устройств (АФУ) – коэф-

фициент усиления, коэффициент направленного действия, коэффициент по-

лезного действия.

Выбор ИТХ должен производиться с точки зрения системного подхо-

да.

При проектировании СРС необходимо обеспечить оптимальное рас-

пределение ИТХ между элементами системы, опираясь на современный уро-

вень науки и техники с учетом перспектив ее развития.

Третья

группа характеристик (КЭХ) играет роль ограничивающих

факторов. КЭХ определяется назначением СРС и условиями ее функциони-

рования.

К КЭХ относятся:

1. Объем аппаратуры V

апп.

Для сравнения различных СРС можно поль-

зоваться коэффициентом γ

ои

объемной информативности

ои

= V

апп,

Бит/сек⋅дм

ои

характеризуется числом двоичных единиц информации, переданной за 1

секунду, приходящимся на единицу объема аппаратуры.

2. Вес аппаратуры W

апп

. Аналогично γ

ои

вводится коэффициент удель-

ной информативности веса аппаратуры

ви

= V

/ W

апп,

Бит/сек⋅кг.

2. Энергоемкость СРС, характеризуется энергетическим коэффи-

циентом полезного действия

вн

= Р

/Р

где Р

- излучаемая мощность передатчика;

- потребляемая мощность.

4. Экономическая стоимость S

ст

. Для сравнения различных СРС мож-

но использовать коэффициент удельной стоимости информации

γ = S

ст

/ R

⋅

определяющий стоимость передачи 1 бита информации в секунду на 1 км

протяженности трассы.

5. Эксплуатационная надежность. Эта характеристика наиболее часто

оценивается вероятностью безотказной работы в течение заданного времени

при данных условиях эксплуатации.

Следует заметить, что ряд основных характеристик СРС являются

противоречивыми, например, помехоустойчивость – дальность связи, поме-

хоустойчивость – скрытность, достоверность – оперативность. Это суть од

ного из основных философских законов борьбы и единства противоположно-

стей.

Отличительными особенностями систем радиосвязи являются сле-

дующие.

1. Большое ослабление сигнала в радиолинии:

дБ160140K

(

раз

АА lg10

дБ

⋅=

, следовательно, ослабление достигает величины

Вт 1010

1311 −−

). Для надежной работы регистрирующей аппаратуры требу-

ется мощность от десятых долей до единиц ватт. Следовательно, РПрУ

должно усиливать сигнал в 10

...10

раз по мощности. В принципе обеспе-

чение такое усиление не представляет особых трудностей. Но при этом су-

щественна следующая особенность.

2. Так как РПрУ функционирует в условиях помех, и, кроме того, в

приемнике имеют место собственные флюктуационные шумы, то сигнал по

мощности оказывается соизмерим с шумом и отделить сигнал от

шума -

труднейшая задача. Следовательно, одной из основных проблем радиосвязи

является прием сигналов в условиях шумов.

3. Уровень сигнала на входе приемника обратно пропорционален

квадрату дальности связи и может меняться в широких пределах

(1000...120дБ). Это создает свои трудности - обеспечение постоянства вы-

ходного уровня сигнала для нормального функционирования регистрирую-

щей аппаратуры.

Уровень сигнала на входе РПрУ изменяется вследствие флуктуа-

ции параметров среды и многолучевого распространения радиоволн (РРВ). В

связи с этим возникает необходимость решения проблемы обеспечения за-

данного качества связи в нестационарных каналах, в каналах с замираниями.

5. СРС и другие РЭС используют общую среду РРВ. Возникают вза-

имные помехи. Следовательно, необходимо

решать проблему электромаг-

нитной совместимости (ЭМС).

6. СРС более экономична и гибка по сравнению с проводными сис-

темами с точки зрения организации связи между различными пунктами, а в

ряде случаев применение СРС является единственной возможностью.

7. Принимаемый сигнал может искажаться за счет неидеальности ха-

рактеристик различных элементов линии радиосвязи.

1.1.5 Основные особенности военных систем радиосвязи

Основными особенностями

военных систем радиосвязи являются сле-

дующие.

1. Использование большого количества режимов работ в радиолини-

ях.

2. Обеспечение беспоисковой и бесподстроечной работы.

3. Обеспечение работы в широком диапазоне волн, использование

большого количества рабочих частот.

4. Обеспечение возможности изменения энергетических показателей

радиостанций.

5. Применение большого числа разнообразных антенн.

6. Использование устройств автоматического управления

и контроля.

7. Обеспечение возможности дистанционного управления элемента-

ми СРС, территориально удаленными друг от друга, и всей системой в целом

из одного пункта управления.

8. Обеспечение высокой надежности аппаратуры, особенно в услови-

ях ионизирующего излучения.

Элементы СРС используются, как правило, в составе стационарных

или подвижных узлов связи. В некоторых случаях

связные радиостанции

применяются самостоятельно.

При наличии в составе узлов связи (УС) нескольких СРС в нем выде-

ляются передающие (ПДРЦ) и приемные радиоцентры (ПРЦ) или радио-

пункты (ПДРП), (ПРП).

1.1.6 Диапазоны радиочастот

Как известно, в пространстве образуется движущееся электромагнит-

ное поле с периодическим повторением во времени значений напряженности

электрического и магнитного полей

в фиксированной точке пространства. На

определенном расстоянии

, называемом длиной волны, фазы колебаний по-

ля одинаковы. С длиной волны связана частота электромагнитных колеба-

ний: f = c/

, где с - скорость света в среде распространения электромагнитной

волны.

Используемый в настоящее время в электросвязи диапазон частот то-

ков, с помощью которых создаются распространяющиеся электромагнитные

волны, простирается от 10

до 10

Гц. Эти частоты называются радиочасто-

тами; электромагнитные волны с такими частотами называют радиоволнами.

Диапазоны радиочастот, их названия, названия диапазонов радиоволн и их

границы приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 – Диапазоны радиочастот

Диапазон радиочастот

Границы

диапазона

Диапазон радиоволн

Границы

диапазона

1 крайне низкие частоты (КНЧ) 3...30 Гц декамегаметровые 100...10 Мм

2 сверхнизкие частоты (СНЧ) 30...300 Гц мегаметровые 10...1 Мм

3 инфранизкие частоты (ИНЧ) 0,3...3 кГц декакилометровые 1000...100 км

4 очень низкие частоты (ОНЧ) 3...30 кГц мириаметровые 100...10 км

5 низкие частоты (НЧ) 30...300 кГц километровые 10...1 км

6 средние частоты (СЧ) 0,3...3 МГц гектометровые 1...0,1 км

7 высокие частоты (ВЧ) 3...30 МГц декаметровые 100...10 м

8 очень высокие (ОВЧ) 30...300 МГц метровые 10...1 м

9 ультравысокие (УВЧ) 0,3...3 ГГц дециметровые 1...0,1 м

10 сверхвысокие (СВЧ) 3...30 ГГц сантиметровые 10...1 см

11 крайне высокие (КВЧ) 30...300 ГГц миллиметровые 10...1 мм

12 гипервысокие (ГВЧ) 0,3...3 ТГц децимиллиметровые 1...0,1 мм

Напомним, что основной единицей измерения частоты является

герц (Гц), 1 килогерц (кГц) = 1000 Гц; 1 мегагерц (МГц) = 1000 кГц; 1 тера-

герц (ТГц) = 1000 МГц.

По характеру распространения радиоволн радиолинии могут быть

классифицированы следующим образом (таблица 1.2).

Таблица 1.2 – Классификация диапазонов радиоволн по характеру распространения

Диапазон

радиоволн

Механизм распространения радиоволн

Мириаметровый

Километровый

Гектометровый

Электромагнитная волна (ЭМВ) распространяется вдоль земной поверхно-

сти, огибая ее, за пределы прямой видимости (радиосвязь земной волной)

Гектометровый (частично)

Декаметровый

ЭМВ распространяется путем отражения от слоев ионосферы

Метровый ЭМВ распространяется в пределах прямой видимости, имеет место час-

тичное огибание земной поверхности; ионосферное рассеяние; рассеяние и

отражение на метеорных следах

Дециметровый,

Сантиметровый

ЭМВ распространяется в пределах прямой видимости; тропосферное рас-

сеяние

Сантиметровый,

Миллиметровый

Распространение в пределах прямой видимости

В соответствии с механизмами распространения радиоволн различают

системы (линии) радиосвязи земной волной (как частный случай - радиоли-

нии прямой видимости), радиолинии на основе ионосферного отражения (де-

каметровые), тропосферные, ионосферные, метеорные радиолинии, космиче-

ские радиолинии, использующие дециметровый, сантиметровый диапазоны,

оптические радиолинии, использующие децимиллиметровый диапазон.

Таким образом, в данном разделе рассмотрены принципы организации

систем

радиосвязи, классификация радиоволн и радиолиний, обобщенная

схема системы радиосвязи и назначение ее элементов; получено представле-

ние о разновидностях, основных характеристиках и особенностях военных

систем радиосвязи.

1.2 Электрические колебания и электромагнитные волны

Система радиосвязи в общем случае, как мы узнали из предыдущего

раздела, состоит из передающего устройства, приемного устройства и среды

распространения радиоволн.

Среда распространения - это пространство, в котором проявляются

волновые особенности электромагнитного поля (ЭМП). ЭМП может распро-

страняться в следующих средах:

1. В свободном пространстве, характеризуемом

диэлектрической и

магнитной проницаемостью.

2. В идеальном диэлектрике (диэлектрическая среда без потерь), ха-

рактеризуемом относительной диэлектрической и магнитной проницаемо-

стью.

3. В средах с потерями, обусловленными наличием проводимости.

4. В средах с большой проводимостью.

При свободном распространении радиоволн средой служит земная

поверхность и окружающая ее атмосфера. Среда является тем звеном в

цепи

радиосвязи, которое практически не поддаётся управлению. Среда влияет на

распространяющиеся в ней радиоволны следующим образом:

− ослабляет радиоволны, иногда искажает передаваемые сигналы, в

частности, за счет помех;

− изменяет скорость распространения и направление прихода сигна-

лов.

В связи с этим перед исследователями РРВ возникают следующие ос-

новные задачи:

− определение напряженности электрического поля при заданных па-

раметрах передающего устройства и заданной длине волны, или определение

оптимальной рабочей волны при заданных условиях распространения и за-

данных параметрах передающего и приемного устройств;

− изучение возможных искажений передаваемого сигнала и разработ-

ка мер по их устранению;

− определение истинной скорости и истинного

направления прихода

сигналов.

Для решения этих задач необходимо знать электрические свойства

земной поверхности и атмосферы, а также физические процессы, происхо-

дящие при распространении радиоволн.

Для понимания процессов, происходящих в радиолинии, рассмотрим

отдельно функционирование РПУ, РПрУ, антенн и процессы распростране-

ния электромагнитных волн. Приведем лишь некоторые сведения об элек-

тромагнитных волнах, являющиеся

наиболее важным для получения общего

представления о сущности и возможностях передачи сообщений с помощью

электромагнитных волн.

Процесс возникновения и распространения в пространстве электро-

магнитного поля излучения относится к наиболее сложным явлениям приро-

ды. Общее, хотя и упрощенное представление о теории поля можно получить

на основании известных из средней школы понятий электрического и маг-

нитного полей и явлений индукции.

Вспомним закон индукции: при взаимном движении со скоростью

проводника длиной l и магнитного поля напряженностью H в проводнике

возникает электродвижущая сила индукции (ЭДС индукции)

Э =

(1.1)

где

- магнитная проницаемость среды.

Направление ЭДС и вызываемого ею тока определяется по известно-

му правилу правой руки. Наведенная и появившаяся ЭДС создает в провод-

нике электрическое поле напряженностью

Е = Э/l =

(1.2)

Действительно, перемещая некоторый заряд q, ЭДС Э совершает ра-

боту А = q

Э = q

. Так как работа в то же время есть произведение си-

лы (действующей со стороны электрического поля на заряд) на путь, а сила,

действующая на единичный заряд, есть напряженность электрического поля

E, получаем соотношение (1.2).

Его можно толковать так:

движение магнитного поля в направлении, нормальном его силовым

линиям, вызывает появление электрического поля,

нормального направле-

нию вектора

→

и направлению движения (рисунок 1.3).

Мнемоническое правило таково: при вращении вектора

→

к вектору

→

против часовой стрелки вектор скорости

направлен по движению пра-

воходового винта.

Согласно другому основному закону электротехники движущиеся за-

ряды, т.е. по существу электрический ток, вызывает появление магнитного

поля. Так, если прямолинейный проводник с зарядом

q, на единицу длины

движется со скоростью (что эквивалентно протеканию тока), то вокруг про-

водника создается магнитное поле с концентрическими силовыми линиями

напряженностью

⋅⋅

⋅

(1.3)

где r - расстояние до рассматриваемой точки от оси проводника. Но одно-

временно с зарядом q

, связано электрическое поле напряженностью

()

επ

⋅⋅⋅

(1.4)

где

- диэлектрическая проницаемость среды. Вектор

→

направлен нор-

мально оси проводника.

Из (1.3) и (1.4) получаем: