Лекції_РЕМ-Лекція. Типи та основні характеристики ліній зв’язку. Принципи побудови радіоелектронних систем зв’язку
Нагадаємо, що системи зв'язку (у тому числі і радіозв'язку) призначені для передачі повідомлень з однієї точки простору (місце розташування) в іншу через канал зв'язку. При цьому канал зв'язку повинен мати певні властивості — зокрема, пропускати лише задану смугу частот, мати одну або кілька несучих тощо. Системи зв'язку включають всі основні пристрої, що застосовуються в більшості радіотехнічних систем передачі інформації. Теоретично зв'язку прийнято таке визначення: системою зв'язку називається сукупність технічних засобів передачі повідомлень від джерела до споживача. Іноді поняття система зв'язку включають такі елементи, як джерело повідомлень і споживач.
Призначення систем зв'язку.
Розглянемо загальні засади побудови систем радіозв'язку (радіоканалу). Досить умовно всі існуючі системи радіозв'язку можна розділити на два великі класи: симплексні та дуплексні системи зв'язку.
Мал. 6. Структурна схема організації дуплексного зв'язку
Під симплексним зв'язком (simplex - односторонній; зв'язок «один-до-всім») розуміють зв'язок між двома пунктами, при якому в кожному з них передача та прийом повідомлень ведуться почергово на одній несучій частоті. Часто симплексний зв'язок використовують для передачі інформації тільки в одному напрямку, наприклад радіомовлення, телебачення, оповіщення і т. д. Дуплексний зв'язок (duplex - двосторонній; зв'язок "один на один") - двосторонній зв'язок між двома пунктами, при якій передача прийом повідомлень здійснюють одночасно на різних несучих частотах (рис. 6).
Зараз застосовують такий різновид симплексного радіозв'язку, як напівдуплексний (half-duplex) зв'язок абодвочастотний симплекс, коли система зв'язку забезпечує по черзі передачу та прийом інформації на двох різних несучих частотах з використанням ретрансляторів.
Зазначимо, що ретранслятор (від лат. Translator - переносник) - радіотехнічний пристрій, який використовується як проміжний пункт передачі лінії радіозв'язку. За кількістю використовуваних каналів розрізняють одноканальні та багатоканальні системи зв'язку (системи передачі). Про одноканальні системи зв'язку вже в принципі й йшлося. Система зв'язку називається багатоканальною, якщо вона здатна забезпечити передачу кількох повідомлень по одній спільній лінії зв'язку (каналу). Основне завдання багатоканальних систем зв'язку - одночасна передача повідомлень від багатьох джерел, тобто збільшення пропускної спроможності (часто використовується термін "ємність"). Підвищення ефективності використання каналу зв'язку досягається шляхом застосування різних методів ущільнення каналів зв'язку за рахунок скорочення надмірності повідомлень та організації так званого багатоканального та багатостанційного доступу абонентів. Для збільшення пропускної спроможності більшості систем зв'язку застосовують тимчасове і частотне ущільнення (multiplexing; від лат. multiplex - складний, багаторазовий) сигналів (рис. 7).
Рис.7. Структурні схеми модульаторів систем зв'язку з ущільненням:
а - тимчасовим; б - частотним
Амплітудна, частотна та фазова модуляція несучих коливань дозволяє будувати багатоканальні радіоелектронні системи з частотним ущільненням (розподілом) каналів (ЧРК), обумовленим використанням коливань, що несуть, з різними частотами. Перевагою системи з ЧРК є порівняльна простота і можливість передачі широкосмугових повідомлень, наприклад телевізійних.
Імпульсна модуляція несучогоколивання дає можливість розробляти багатоканальні радіотехнічні системи зв'язку з тимчасовим ущільненням (розподілом) каналів (ВРК), що мають помітні переваги перед системами зв'язку з ЧРК. До цих переваг відноситься висока точність передачі сигналів (краща перешкодозахищеність) і можливість передавати спільно повідомлення декількох каналів в одному частотному діапазоні, оскільки повідомленню кожного каналу буде відповідати своя послідовність імпульсів, що не перекривається з послідовністю імпульсів повідомлення іншого каналу. При тимчасовому ущільненні завдяки тому, що сигнали передають не безперервно, а тільки їх відліками (вибірками) в дуже короткі часові інтервали, на одній несучій частоті можна передавати ряд різних сигналів. Для цього різні сигнали U1(t), U2(t) …..Un(t), що відображають групу з повідомлень, що передаються, подають на аналоговий мультиплексор (селектор або аналоговий комутатор) (рис. 7, а). Сумарні сигнали аналогового мультиплексора UΣ(t) за допомогою імпульсного модулятора і генератора, що задає, переносять на частоту f0і через підсилювач потужності підводять до передавальної антени.
Традиційно в багатьох радіотехнічних системах передачі інформації широке застосування знаходить частотне ущільнення сигналів, що здійснюється попередньо (перед основною модуляцією) додатковою модуляцією на так званих частотах, що піднесуть (попередніх; від англ. - Subcarrier frequency) -f1, f2, ..... Fn (рис. 7, б). Піднесучі частоти значно перевищують частоту сигналу, що передається, але в багато разів менше несучої частоти.
При частотному ущільненні сигнали, що передаються попередньо надходять на модулятори піднесучих частот, де здійснюється амплітудна, частотна, фазова або інші види модуляції.
Необхідніелементи модульаторів піднесучих частот — смугові фільтри (на рис. 7, б не показані), налаштовані на частоти, що піднесуть, і пригнічують спектральні складові сусідніх каналів. Потім промодулированные сигнали з частотами, що піднесуть, подають на основний модулятор, що працює на основній несучій частоті f0, і у вигляді сумарного сигналу UΣ(t) через антену випромінюють в простір.
Види ліній зв'язку, якими передають інформацію від джерела до одержувача, численні і різноманітні. Розрізняють канали провідного зв'язку (провідні, кабельні, оптоволоконні та ін.) та канали радіозв'язку.
Кабельні лінії зв'язку є основою магістральних мереж телекомунікації; за ними здійснюється передача сигналів у діапазоні частот від десятків кілогерц до сотень мегагерц. Однією з найдосконаліших систем передачі є волоконно-оптичні лінії зв'язку (ВОЛЗ). Інформація такими каналами передається у вигляді світлових імпульсів, що посилаються лазерним випромінювачем. Вони дозволяють у діапазоні частот 600 . 900 ТГц (к = 0,5. 0,3 мкм) забезпечити надзвичайно велику пропускну здатність (приблизно 120 000 каналів по парі оптичних волокон) та створюють надійний та прихований зв'язок з високою якістю передачі інформації. Основними перевагами оптичних волокон (ОВ), або світловодів, як фізичного середовища поширення сигналів електрозв'язку та конструктивної основи оптичного кабелю (ОК) є:
• широка смуга пропускання, що дозволяє передавати сигнали електрозв'язку зі швидкістю (бітрейтом) до 2,0. 2,5 Тбіт/с та вище; наприклад, навіть за швидкості 50 Мбайт/с протягом 1 с передається обсяг інформації, приблизно рівний змісту 10 шкільних підручників.
• низький рівень втрат на поширення сигналів, що забезпечують їх передачу без регенераціївідстань до 150 . 175 км (і у перспективі до 350 км і більше);
• абсолютна нечутливість до електромагнітних перешкод;
• відсутність перехресних перешкод (перехресної модуляції) у ОК;
• мала маса та розміри ОК.
До інших переваг ОВ і ОК можна віднести такі, як досить висока захищеність від несанкціонованого перехоплення інформації, що передається, пожежобезпека, відносно невисока вартість ОК порівняно з мідними кабелями і практично необмежені запаси сировини для виробництва ОВ. Все це робить їх застосування в мережах та системах зв'язку ще більш привабливим та технічно та економічно виправданим. Тому ОК майже повністю витісняють нині інші види напрямних структур магістральних лініях цифрових первинних мереж зв'язку. Поряд із провідними лініями зв'язку широко використовують радіолінії різних діапазонів (від сотень кілогерц до десятків гігагерц). Ці лінії більш економічні та незамінні для зв'язку з рухомими об'єктами. Для багатоканальної системи радіозв'язку при передачі інформації на великі відстані широко використовуються радіорелейні лінії (РРЛ) зв'язку. Радіорелейний зв'язок (радіо і франц. relais - проміжна станція) - радіозв'язок, що складається з групи ретрансляційних станцій, розташованих на певній відстані один від одного, що забезпечує стійку роботу. Антени станцій лінії радіорелейного зв'язку встановлюють на щоглах (вежах) заввишки 70 . 100 м. Протяжність лінії радіорелейного зв'язку може становити до 10 000 км, ємність – до кількох тисяч каналів.
Залежно від методу поширення радіохвиль радіорелейні лінії зв'язку можна розділити на дві основні групи: прямий видимості і тропосферні.
Сучасні радіорелейні лінії зв'язку представляютьсобою ланцюжки досить потужних приймально-передаючих радіостанцій - ретрансляторів, що послідовно приймають, підсилюють, перетворюють (переносять) сигнали на інші частоти і передають далі сигнали від одного кінця лінії зв'язку до іншого (рис.8). На кожній з проміжних станцій відбувається відновлення та перенесення сигналу на іншу частоту, тобто заміна прийнятого слабкого сигналу новим сильним, що посилається на наступну станцію. Найбільш поширені радіорелейні лінії метрового, дециметрового та сантиметрового діапазонів на частотах від 60 МГц до 15 ГГц.
Мал. 8. Структурна схема радіорелейної лінії зв'язку
Все більшого застосування знаходять супутникові лінії зв'язку — РРЛ із ретранслятором на штучному супутнику Землі. У системах супутникового радіозв'язку використовуються радіохвилі НВЧ-діапазону (зазвичай у межах частот 1,5. 14 ГГц, найбільш використовуваний діапазон 4. 6 ГГц), що пронизують іоносферу з мінімальним згасанням. Передача інформації на велику відстань при одному ретрансляторі на ШСЗ, гнучкість та можливість організації глобального зв'язку – важлива перевага супутникових систем. Основною перевагою цифрових систем зв'язку перед аналоговими системами є їхня висока завадостійкість. Ця корисна якість найбільше сильно проявляється в системах передачі з багаторазовою ретрансляцією (переприйомом) сигналів. Типові системи подібного типу - радіорелейні, волоконно-оптичні та кабельні лінії великої протяжності. Вони сигнали передаються ланцюгом ретрансляторів, розташованих на таких відстанях один від одного, які забезпечують надійний зв'язок. У таких системах перешкоди та спотворення, що виникають в окремих ланках, як правило, накопичуються. Для простоти припустимо, що радіосигнал у кожному ретрансляторі лише посилюється.Тоді, якщо адитивні перешкоди у кожному ланці зв'язку статистично незалежні, їх потужність на вході останньої ланки дорівнює сумі потужностей перешкод всіх ланок. Якщо система передачі інформації складається з nоднакових ланок, для забезпечення заданої вірності зв'язку необхідно забезпечити на вході кожного ретранслятора відношення сигнал/перешкода в раз більше, ніж при передачі сигналу без ретрансляцій. У реальних системах число ретрансляцій може досягати кілька десятків, а іноді і сотень; накопичення перешкод уздовж тракту передачі стає основним фактором, що обмежує довжину лінії зв'язку. У цифрових системах передачі для ослаблення ефекту накопичення перешкод при передачі з ретрансляціями поряд з посиленням застосовують регенерацію імпульсів, тобто демодуляцію з відновленням переданих кодових символів та повторну модуляцію на пункті переприймання. При використанні регенерації адитивна перешкода з входу ретранслятора не надходить на вихід. Однак вона викликає помилки при демодуляції. Помилково прийняті в одному регенераторі символи в такому вигляді передаються і на наступні регенератори, так що помилки все ж таки накопичуються. При цифровій системі передачі безперервних повідомлень можна, крім того, підвищити вірність застосуванням стійкого до перешкод кодування. Висока стійкість до перешкод цифрових систем передачі дозволяє здійснити практично необмежену по дальності зв'язок при використанні каналів порівняно невисокої якості.