Системы коротковолновой радиосвязи.

Распространение декаметровых (коротких) радиоволн (100-10 м или 3-30 МГц) в околоземном пространстве характерно тем, что при определенном выборе рабочих частот и углов возвышения главного лепестка передающей антенны излученные короткие волны могут достигнуть весьма удаленных пунктов, отражаясь с малой потерей энергии от ионизированного слоя с высокой электронной плотностью (слой F₂) и поверхности Земли. Основную роль при дальнем распространении коротких волн (ДКВ) играет ионосферный слой F₂ как слой отражающий. Ионосферные слои D и Е являются поглощающими.

Наибольшая протяженность радиосвязи с одним отражением от ионосферы составляет 2,5-3,5 тыс. км. На линиях радиосвязи большей протяженности имеют место два, три и более отражений. Благодаря этому, обеспечивается связь практически на любые земные расстояния. При этом создание и эксплуатация КВ систем связи оказывается значительно экономичнее других систем дальней связи (тропосферных, метеоритных, радиорелейных и т.п.) Коротковолновые радиостанции еще долго будут оставаться основным средством дальней радиосвязи.

Особенностью распространения ДКВ является прежде всего то, что интенсивность отражения и поглощения в ионосфере существенно зависит от времени суток и года, а также от рабочей частоты и протяженности трассы. Для осуществления радиосвязи в этом диапазоне волн должны одновременно выполняться следующие условия: используемая частота должна быть меньше максимально применимой частоты (МПЧ) для заданной трассы и состояния отражающего слоя; используемая частота должна быть такой, чтобы поглощение радиоволн в областях D и Е не было чрезмерно большим.

Рис. 7. Концентрация электронов в ионосфере.

1 условие ограничивает диапазон используемых частот сверху для данной линии и определенного времени суток и года. Оно является критическим, так как при невыполнении его радиоволны вообще не будут отражаться от слоя F₂.

2 условие ограничивает диапазон используемых частот снизу, так как с уменьшением частоты поглощение в ионосфере возрастает. Это условие не является критическим, поскольку потери при распространении могут быть компенсированы увеличением мощности передатчика.

Рис. 8. Пути распространения радиоволн.

Поэтому очень важным при связи в ДКВ диапазоне является выбор оптимальных частот с учетом резкой зависимости состояния ионосферы от времени суток и года, а также фазы 11-летнего периода солнечной активности. Эта задача дополнительно усложняется тем, что на протяженных трассах (более 4000 км) имеет место неоднократное отражение от участков ионосферы, расположенных в различных земных широтах с различными условиями освещенности. Особенно это относится к протяженным трассам, проходящим вдоль земных параллелей.

Методика определения рабочих частот (ОРЧ) в общем виде сводится к следующему. С помощью ионосферных карт составляется суточный график МПЧ для заданной трассы, а также аналогичный график изменения ОРЧ с учетом того, что последняя составляет обычно 0,7...0,8 от МПЧ. Суточный график ОРЧ имеет вид, подобный изображенному на рис. 9.

ОРЧ

f₃

f₂

f₁

t₁t₂t₃t₄

4 8 12 16 20 24 t

Рис. 9. К определению суточного набора рабочих частот.

Рис. 10. Путь радиоволн в ионосфере.

Практически сложно производить непрерывную перестройку приемника и передатчика системы радиосвязи в строгом соответствии с изменением ОРЧ. Поэтому для поддержания круглосуточной связи рекомендуется использовать лишь несколько рабочих частот, которые совпадают с ОРЧ только в определенные моменты времени. Для определения указанных частот на графике (рис. 9) плавную кривую суточного изменения ОРЧ заменяют ломаной линией такой конфигурации, при которой заштрихованная область будет обладать наименьшей площадью. В приведенном на рисунке примере суточный набор составляет три частоты (f₁,f₂,f₃). Выбранные таким образом частоты будут наиболее близки к оптимальным. Рекомендуемое время перехода с одной частоты на другую в течение суток определяется абсциссами ступенек (t₁,t₂,t₃,t₄) ломаной линии.

На простых линиях связи с однократным отражением от ионосферы или на протяженных трассах, проходящих вдоль географического меридиана, суточный набор из двух-трех частот обычно обеспечивает круглосуточную связь, так как вершины отражений от ионосферы находятся практически в одинаковых условиях освещенности. На трассах большой протяженности, ориентированных вдоль параллелей, суточный набор составляет четыре и более частот. В этом случае рабочая частота будет определяться наименьшим значением МПЧ из всех ее значений в точках отражений от ионосферы на трассе. На определенных участках линии связи будут иметь место значительные затухания электромагнитных волн, поскольку рабочая частота будет существенно ниже ОРЧ, соответствующих этим участкам в данный момент времени.

Существует условное деление волн на дневное (от 10 до 25 м), ночное (от 35 до 100 м) и промежуточное (от 25 до 35 м), хотя эти границы существенно зависят от времени года, солнечной активности, географического положения линии радиосвязи и т.д.

Особенность связи на ДКВ состоит также в том, что может иметь место зона молчания - некоторая кольцевая область вокруг работающего передатчика, в которой отсутствует прием сигналов. Существование зоны молчания объясняется тем, что с одной стороны, короткие волны как земные сильно поглощаются в почве; с другой стороны, пространственные лучи отражаются от ионосферы только в том случае, если они падают на нее под углами, превышающими некоторый критический угол.

Следующей особенностью работы систем КВ связи является то, что этот диапазон сильно перегружен большим количеством действующих радиостанций. Так, по данным Международного комитета регистрации частот (МКРЧ), число зарегистрированных рабочих частот в ДКВ диапазоне по всем странам мира доходит до 750 тысяч. В это число не входят многочисленные частоты, используемые военными и специальными службами. Такое количество радиостанций в несколько раз превышает общее количество каналов в этом диапазоне (5400 каналов с полосой 5 кГц). На каждую работающую КВ радиостанцию приходится участок диапазона 20...30 Гц, что значительно меньше реально необходимой полосы частот и приводит к перекрытию полос, занимающих действующими радиостанциями. Вследствие этого очень часто на одной и той же частоте работает несколько радиостанций в разных частях земного шара. Нередко рабочие частоты используются двумя – тремя передатчиками даже на территории одной страны. При работе передатчиков в режиме АМ, ЧМ или ФМ без дополнительного ограничения занимаемых полос частот излучаемых сигналов действительные полосы оказываются заметно шире 5 кГц; поэтому часть энергии передаваемых сигналов попадает в частотные полосы соседних по частоте радиоканалов и проявляется там в виде помех.

Заметное влияние на работу радиосетей в КВ диапазоне оказывают помехи дальних и ближних гроз, а также шумовые помехи электрических явлений, вызывающих северные сияния. В ряде случаев приходится учитывать помехи, возникающие при работе различных электрических устройств (индустриальные помехи). Влияние последних резко ослабляется, если прием производится на выделенных приемных пунктах, организованных в местностях с низким уровнем индустриальных помех (за чертой больших городов).

К особой группе помех следует отнести помехи, возникающие в передатчиках (шумы, фон, линейные и нелинейные помехи) и в приемниках (тепловые шумы антенн и входных каскадов приемников, линейные и нелинейные шумы). Перечисленные помехи называются аддитивными.

Средние уровни аддитивных помех в КВ диапазоне не одинаковы для различных географических пунктов, разных частей КВ диапазона и сильно меняются в течение суток. Например, результаты измерений этих помех в полосе 1 кГц на антенну ВГ проведенных в Европейской части России, показывают, что средний уровень помех относительно 1 мкВ в диапазоне 3-8 МГц составляет 15-20 дБ днем и 35 - 40 дБ ночью. В диапазоне 8 - 12 МГц средние уровни помех на 5-15 дБ ниже. Характерной особенностью КВ систем связи является то, что они в значительной степени подвержены вредному действию мультипликативной помехи, которая возникает в процессе распространения радиоволн в ионосфере и проявляются в виде флюктуаций амплитуды и фазы принимаемого сигнала. Наблюдаются быстрые и медленные замирания. Степень влияния этих помех, называемых мультипликативными, определяется характеристиками КВ канала, и в отличие от аддитивных помех, совершенно не зависит от мощности используемых передатчиков.

Быстрые замирания объясняются преимущественно интерференцией множества лучей, приходящих в точку приема, фаза которых вследствие непостоянства ионизированных слоев непрерывно и случайным образом изменяется. Амплитуда сигнала при этом изменяется в десятки и даже в сотни раз. Период замираний колеблется от десятых долей секунд до нескольких секунд.

Медленные замирания сигнала с периодом в несколько минут и более связаны с изменением поглощения радиоволн в среде распространения, изменением неоднородностей ионосферы, а также обусловлены интерференцией обыкновенного и необыкновенного компонентов сигнала. Медленные изменения уровней сигнала могут превышать соответствующие флюктуации при быстрых замираниях. Часовые, суточные, сезонные периоды изменений сигнала чаще всего зависят от изменения освещенности ионосферы и поглощения в среде распространения.

Наличие в КВ каналах связи замираний, которые принято называть мультипликативной помехой, существенно снижает достоверность передачи информации в связи со следующими обстоятельствами.

1. В моменты сильного ослабления сигнала качество связи получается недопустимо низким вследствие малого отношения сигнал-шум. При этом увеличение мощности передатчика не дает заметного эффекта, поскольку отдельные лучи в точке приема практически полностью подавляют друг друга, энергетические потери доходят до 20...30 дБ.

2. При фиксированных параметрах системы связи, включающей канал с мультипликативной помехой, желаемая достоверность передачи может быть достигнута с определенной вероятностью

3. В КВ каналах действие мультипликативной помехи приводит к интенсивному группированию ошибок. Это обстоятельство снижает эффективность применения корректирующих кодов, если предварительно не производится декорреляция символов в передаваемой последовательности.

4. Случайные изменения начальной фазы передаваемого сигнала практически затрудняют применение в КВ системах фазовой модуляции, а также когерентных способов обработки принимаемых сигналов.

5. Многолучевость распространения сигналов ограничивает скорость передачи цифровых сигналов. Особенно это проявляется в каналах связи со значительными задержками лучей относительно друг друга. Если эти запаздывания соизмеримы с длительностью рабочего импульса, то последний в точке приема превращается либо в серию отдельных импульсов при дискретной многолучевости, либо в растянутый по времени импульс - при диффузной многолучевости. Скорость передачи цифровых сигналов в КВ линиях связи в этих условиях практически не превышает 500...750 бит/с.

Известно сравнительно много методов снижения влияния мультипликативной помехи на качество работы систем КВ радиосвязи, начиная от применения традиционных схем автоматической регулировки усиления в приемных устройствах и кончая реализацией весьма сложных алгоритмов адаптивной передачи и обработки сигналов.

Эффективным средством повышения помехоустойчивости КВ каналов с замираниями является разнесенный прием. Наибольшее распространение в практике наземной радиосвязи получил прием на разнесенные в пространстве антенны. Частотное разнесение по ряду причин в КВ системах связи широкого распространения не получило. В этом случае каждая ветвь разнесения представляет собой отдельный канал связи, оборудованный полным комплектом приемо-передающей аппаратуры. Кроме того, увеличивается расход частот, который в КВ связи строго лимитирован.

Наибольшее практическое использование получили следующие способы сложения сигналов при разнесенном приеме: автовыбор наибольшего сигнала, линейное сложение, оптимальное сложение.

1. Автовыбор заключается в том, что в любой момент приема из всех поступающих сигналов используется наибольший. Основная идея, положенная в основу такой обработки сигналов, заключается в том, что при замираниях наиболее правильное решение может быть получено в той ветви, в которой коэффициент передачи линии связи будет в данное время наибольшим. Поскольку определить этот параметр сложно, то измеряется эффективное напряжение или мощность принимаемых колебаний ξ (t).

Принцип реализации автовыбора показан на рис. 11. В устройстве сравнения производится оценка интенсивности поступившего по каждой ветви колебания и сравнение принятых оценок. В результате этого вырабатывается сигнал управления, который подключает ветвь с наибольшим сигналом к основному каналу приема. При пространственном разнесении устройство выбора ветви может коммутировать, например, выходы разнесенных антенн (если используется общий приемник) или выходы приемников (если в каждой ветви используется свой приемник). Алгоритм работы этой схемы весьма простой.

2. Линейное сложение осуществляется по правилу, в котором весовые коэффициенты принимаются одинаковыми, а сигналы - когерентными. В отличие от автовыбора в принятии решения вносят вклад все сигналы, и помехоустойчивость такой системы, как показывает анализ, мало отличается от потенциальной.

3. Оптимальное сложение сигналов так же, как и линейное сложение, предполагает когерентное суммирование принимаемых по разным ветвям разнесения колебаний ξ (t).

x ₁ (t)

x ₂ (t)

В тракт приема

x ₃(t)

Рис. 11. Принцип автовыбора при разнесенном приеме.

Однако весовые коэффициенты c₁ выбираются так, чтобы они были пропорциональны эффективному значению сигнала и обратно пропорциональны среднеквадратическому значению помехи в данной ветви разнесения. Схема оптимального сложения отличается от схемы линейного сложения тем, что в каждой ветви содержатся специальные устройства непрерывного измерения отношения сигнал-шум, а также использованием АРУ в каждом канале.

1 3 5 7 9 n

Рис. 12. Зависимость энергетического выигрыша от кратности разнесения:

АВ – автовыбор; ЛС – линейное сложение; ОС- оптимальное сложение.

Коэффициенты усиления в каждом канале изменяются пропорционально изменениям отношения сигнал-шум. Кроме того, схема линейного сложения реализуется существенно легче. Поэтому из этих двух способов наибольшее применение на практике получил способ линейного сложения сигналов. разнесенных каналов.

Поскольку на практике в основном применяется двукратное, реже трехкратное разнесение, то предпочтение отдается применению схеме автовыбора как наиболее просто реализуемой.