Особенности построения тропосферных радиорелейных линий

Как отмечалось в предыдущей лекции, радиорелейные линии, использующие эффект дальнего тропосферного распространения ультракоротких волн (УКВ), называются тропосферными радиоре­лейными линиями (ТРРЛ). Соседние станции ТРРЛ обычно распо­лагаются на расстоянии 300...400 км, а в отдельных случаях (при благоприятных условиях распространения УКВ) и 600...800 км. Возможность перекрывать такие большие расстояния является основным преимуществом ТРРЛ. Для нашей страны с ее огромной территорией ТРРЛ представляют особый интерес, поскольку позво­ляют обеспечить современными средствами связи отдаленные и труднодоступные районы Севера и Дальнего Востока.

Затухание сигнала на участке ТРЛЛ велико - 200 дБ и более, сиг­нал в месте приема имеет многолучевой характер и подвержен слу­чайным флуктуациям - замираниям. Поэтому на ТРРЛ применяются передатчики большой мощности - от нескольких сотен ватт до десят­ков киловатт, остронаправленные антенны с раскрывом в несколько десятков метров и коэффициентом усиления 45...50 дБ.

Все же и этого оказывается недостаточно, так как средний уровень сигнала на входе приемника оказывается малым. Поэтому на ТРРЛ широко применяются малошумящие усилители СВЧ, пороговые понижающие устройства, а также используется техника разнесенного приема и другие методы борьбы с быстрыми интерференционными замираниями.

Пропускная способность ТРРЛ обычно составляет 12...60 каналов тональной частоты. Максимальная емкость радиоствола ТРРЛ в некоторых случаях может достигать 120 каналов.

Особенности построения станций ТРРЛ следующие:

- для повышения качества, устойчивости и надежности связи на всех станциях линии передачи обязательно используется разнесен­ный прием: сдвоенный, счетверенный или большей кратности;

- поскольку на ТРРЛ, как правило, соседние станции удалены друг от друга на значительные расстояния, то почти на каждой промежуточной станции производится демодуляция и повторная модуляция сигнала для выделения некоторого числа каналов тональной частоты.

На ТРРЛ, так же как и на РРЛ прямой видимости, применяются три типа станций; оконечная, промежуточная и узловая (или стан­ция с ответвлениями).

Обобщенная структурная схема передатчика ТРРЛ. Передат­чик состоит из (рисунок 9) возбудителя и мощного усилителя, основой, которых является пролетный клистрон.

Модулирующее напряжение от каналообразующей аппаратуры поступает на генератор частотно-модулированных колебаний ЧМГ, который работает на промежуточной частоте (обычно 70 МГц). Полученные колебания через ограничитель амплитуд. OA подаются на УПЧ, где усиливаются и поступают на смеситель высокого уровня См.

На этот же смеситель подаются колебания высокой частоты, получающиеся с помощью умножения частоты кварцевого генератора КГ в умножителе частоты. Для получения высокой стабильности частоты передающего устройства в ЧМГ принимаются специальные меры по стабилизации средней частоты и точности ее установки. Относительная точность установки частоты ЧМГ не хуже 5·10^-7.

Рисунок 9. Типовая структурная схема передатчика ТРРЛ

Так как для раскачки мощного усилительного клистрона требуется сравнительно большая мощность, то полученные после смесителя колебания высокой частоты усиливаются в УВЧ. Затем через фильтр боковой полосы Ф, который выделяет нижнюю или верхнюю боковую полосу, ферритовый вентиль ФВ, необходимый для согласования выхода УВЧ и входного резонатора клистрона, и направленный ответвитель НО, предназначенный для измерительных целей, колебания подаются на мощный клистронный усилитель МУ.

С выхода клистронного усилителя через мощный ферритовый вентиль ФВ, необходимый для согласования выхода клистронного усилителя с антенно-фидерным трактом, и фильтр гармоник ФГ, защищающий другие радиосредства от помех со стороны данного передатчика, высокочастотная энергия по волноводу поступает в антенну. Направленный ответвитель НО и здесь служит для измерения полезной мощности, а также для организации защиты клистрона. При нарушении согласования в фидере может произойти СВЧ пробой. В результате возникает дуга на выходе клистрона, что может привести к его отказу. В этом случае срабатывает система защиты, действующая от отраженной волны. Эта система снимает высокое напряжение с клистрона, предотвращая его разрушение.

Разнесенный прием.Разнесенный прием является основным способом борьбы с замираниями на ТРРЛ. Разнесенный прием основан на том, что сигнал на выходе приемного устройства образуется комбинацией нескольких входных сигналов, несущих одну и ту же информацию, но по-разному пораженных замираниями. При этом комбинирование осуществляется так, чтобы выходной сигнал флуктуировал значительно меньше, чем входные.

На ТРРЛ могут быть применены следующие методы разнесения:

- пространственное разнесение антенн (обычно перпендикулярно трассе) на расстояние D >>100 λ, где λ - длина волны радиосигнала;

- частотное разнесение, использующее независимость замирания сигна­ла на частотах, разнесенных на величину, превышающую радиус частотной корреляции;

- разнесение по углу прихода луча, при котором используются одна при­емная антенна и несколько облучателей, каждый из которых создает свою диаграмму направленности, сдвинутую относительно соседних по азимуту либо по углу места;

- комбинированное разнесение, например, при счетверенном приеме раз­несения пар сигналов по частоте и в пространстве или по частоте и углу.

На ТРРЛ чаще всего используется разнесение сигналов по частоте и пространству, реже - по углу прихода сигналов из области рассеяния. Наиболее распространен счетверенный прием с разнесением двух антенн по пространству и двух передатчиков по частоте.

Системы разнесенного приема делят на две группы: системы фильтрового приема и системы автокорреляционного приема.

При фильтровом приеме сигналы от различных антенн сначала выделяются фильтрами, а затем комбинируются. Такие системы обеспечивают обычно кратность не более 4, так как дальнейшее увеличение кратности потребовало бы увеличения числа дорогостоящих антенн и передатчиков.

Автокорреляционный прием используется исключительно при наличии сигналов с эквидистантным частотным разнесением, т.е. сигналов, равноотстоящих друг от друга по частоте. Несколько таких сигналов образует так называемый параллельный составной сигнал, который затем подвергается автокорреляционной обработке, в результате чего суммируются его парциальные составляющие. (Автокорреляция статистическая взаимосвязь между случайными величинами из одного ряда, но взятых со сдвигом, например, для случайного процесса - со сдвигом по времени).

Сочетание автокорреляционного и фильтрового методов приема от двух антенн и двух передатчиков позволяет получить значительную кратность разнесения - до 20, что очень важно для ТРРЛ с длинными интервалами.

На ТРРЛ в основном нашло применение сложение разнесенных сигналов с тем или иным весом. Используются два способа сложения: до детектора, т.е. в тракте высокой или промежуточной частоты, и после детектора, т.е. в групповом тракте.

При сложении сигналов до детектора требуется предвари­тельная фазировка складываемых сигналов, так как их фазы изменяются случайным образом. Это делает до детекторное сложение, в принципе, более сложным. Однако при приеме сигналов с ЧМ до детекторное сложение все-таки предпочтительнее, поскольку здесь порог ЧМ определяется суммарным сигналом и всегда ниже, чем при сложении после детектора, где возникновение порогового эффекта уже нельзя ликвидировать простым сложением в групповом тракте. На ТРРЛ используют два основных способа сложения.

Линейное сложение. В этом случае все N разнесенных сигна­лов складываются с одинаковыми весовыми коэффициентами. Это означает, что усиление всех разнесенных приемников должно быть одинаковым: Это, в принципе, легко обеспечивается применением, автоматической регулировки усиления (АРУ) во всех УПЧ. В резуль­тате усиление всех трактов сохраняется одинаковым и определяет­ся, в основном, самым сильным из сигналов.

Оптимальное сложение. При способе разнесенного приема этом усиление в каждом из трактов разнесенного приема должно поддерживаться пропорциональным отношению напряжения сигна­ла к среднеквадратическому значению, т.е. усиление в каждом из трактов должно регулироваться так, чтобы в любой момент времени оно было пропорционально напряжению сигнала и обратно пропор­ционально мощности шума в этом тракте. Структурная схема системы линейного до детекторного сло­жения сигналов, принятых на две различных антенны, изображена на рисунке 10.

Принятые двумя антеннами (приемная антенна 1-го тракта и приемная антенна 2-го тракта) сигналы, одной частоты но с раз­ными фазами поступают на входы УСВЧ-1 и УСВЧ-2.

Рисунок 10. Структурная схема системы линейного сложения на

промежуточной частоте

После обыч­ного преобразования в смесителях См-1 и См-2 усиливаются УПЧ-1 и УПЧ-2 и складываются в специальном каскаде сложения Σ. На­пряжение гетеродина вырабатывается кварцевым генератором Г. Так как генератор общий, то сигналы промежуточной частоты могут отличаться только по фазе, автоподстройка которой осуществляет­ся фазовращателем ФВ. Сигналы после УПЧ подаются на фазовый детектор ФД, в котором вырабатывается сигнал ошибки, воздейст­вующий на фазовращатель ФВ. Схемными решениями достижимая точность фазирования не зависит от стабильности частоты общего гетеродина Г.

Линейность режима сложения обеспечивается применением па­раллельной автоматической регулировки усиления (ПАРУ) обоих УПЧ, благодаря чему суммируемые сигналы находятся в таком же соотношении, как и входные.

Рассмотренная схема с некоторыми добавлениями нашла широ­кое применение в аппаратуре ТРРЛ в силу сравнительной простоты и устойчивости в работе. В процессе эксплуатации она практически не требует дополнительных регулировок.

Структурная схема сложения сигналов после детектора для сдвоенного приема изображена на рисунке 11. Такая схема применяет­ся для объединения сигналов, разнесенных по пространству или по частоте.

Сигналы от двух антенн поступают на свои приемники Пр₁ и Пр₂, где происходит их преобразование в промежуточную частоту. С выхода приемников сигналы промежуточной частоты поступают на частотные демодуляторы ЧД₁ и ЧД₂ и далее на каскад сложения Сл. Шумы, частоты которых лежат выше полосы сигнала, отфильт­ровываются полосовыми фильтрами ФШ₁ и ФШ₂, включенными на выходе демодуляторов каждого из трактов приема.

Шумы усилива­ются в УШ₁ и УШ₂, детектируются. Дет₁ и Дет₂ и используются для регулирования степени усиления сигналов. Сигналы складываются с весом, пропорциональным отношению сигнал-шум на выходах демодуляторов. Для получения линейного режима сложения усилители шума охвачены ПАРУ.

Структурная схема системы счетверенного приема с разне­сенным по пространству и частоте, нашедшая широкое применение в аппаратуре ТРРЛ, приведена на рисунке 12.

Рисунок 11. Структурная схема сложения сигналов после детектора

В схеме применяется комбинация двух вышерассмотренных спо­собов сложения, причем сначала производят попарно сложение сигналов одной частоты, принятых из разных антенн (отделяемых режекторными фильтрами РФ₁, и РФ₂) в системе сложения до детек­тора (см. рисунок 10), а затем попарно сложенные по промежуточной частоте сигналы объединяются в системе линейного сложения после детектора (см. рисунок 11).

Рисунок 12. Структурная схема системы счетверенного приема

Недостаток этой системы состоит в том, что второе попарное сложение осуществляется после детектора со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Структурная схема приемного устройства с оптимальным сложением после детектора представлена на рисунке 13.

Радиосигналы, от соответствующих антенн поступают в прием­ники Пр₁ и Пр₂, где происходит их преобразование в сигналы про­межуточной частоты. Далее эти сигналы поступают на частотные детекторы ЧД₁ и ЧД₂, с выхода, которых они одновременно поступа­ют на регулируемые усилители РУ₁, и РУ₂ и фильтры шумов ФШ₁ и ФШ₂.

Рисунок 13. Структурная схема приемного устройства с оптимальным

сложением

Полоса пропускания фильтров располагается выше верхней частоты передаваемого полезного сигнала. Шумы детектируются в детекторах Дет₁ и Дет₂ и подаются на устройство сравнения УС, которое управляет уровнем складываемых сигналов и изменяет усиление РУ_1,2 таким образом, чтобы оно было пропорционально напряжению сигнала и обратно пропорционально мощности шума в этом тракте.

Потенциальные возможности разнесенного приема ограничены, поскольку увеличение кратности разнесения связано почти с пропор­циональным ростом объема оборудования. Поэтому дальнейшее улучшение качества и надежности ТРРЛ потребовало разработки новых методов борьбы с замираниями с использованием оптимально­го приема широкополосных сигналов и методов адаптивного приема.

Передача сигналов телевизионного вещания по радиорелейным линиям. Сигналами телевизионного вещания (ТВ) являются сигнал изо­бражения и сигнал звукового сопровождения. В радиорелей­ных системах передачи эти сигналы передаются в одном телевизионном стволе.

Передача сигналов звукового сопровождения (иногда и сигналов звукового вещания) осуществляется с помощью частотной модуляции поднесущих частот F_н1 и F_н2. Промодулированные сигналы поднесу­щих складываются с сигналом изображения, и полученный таким образом ТВ сигнал из аппаратной телецентра по кабелю или вспомо­гательной РРЛ подается на ОРС. Структурная схема передающей аппаратуры ТВ ствола РРЛ представлена на рисунке 14. ТВ сигнал U_meподается на фильтр нижних частот (ФНЧ)1 с граничной частотой 6,5 МГц. Затем ТВ сигнал поступает на блок 2, в котором осуществ­ляется коррекция группового времени запаздывания ТВ сигнала и предыскажения АЧХ с целью уменьшения уровня низкочастотных составляющих спектра, и на сумматор 3. Сигналы звукового сопрово­ждения U_3C и звукового вещания U_3в, уровень которых, после соедини­тельных линий устанавливается входными регуляторами 9, 17 посту­пают на частотные модуляторы поднесущих F_н1 и F_н2 10, 18.Затем после ограничителей 11, 19 и ФНЧ 12, 20поднесущие, модулирован­ные по частоте сигналами U_3C, U_3в, подаются на сумматор 3.

Сюда же поступает напряжение пилот-сигнала U_пc, формируемое гетеродином 13. После сумматора 3групповой сигнал усиливается усилителем 4 и поступает на групповой ЧМ модулятор, осуществ­ляющий частотную модуляцию промежуточной частоты f_np = 70 МГц. При этом девиация частоты ТВ сигналом должна быть не более ± 4 МГц. Для обеспечения высокой линейности модуляционной харак­теристики частотно-модулируемого генератора (ЧМГ) в области частот 70 ± 4 МГц последний строится по схеме вычитания частот f_г1 и f_г2 двух ЧМГ 7 и 21, работающих на частотах F_H1и F_h2 в диапазоне 300...400 МГц. В этом случае каждый из гетеродинов модулируется путем изменения емкости варикапов 6, 14. Модулирующий сигнал U(t)через развязывающее устройство 5 подается на варикапы в противофазе.

Кор­ректирующие цепи 8, 22 повышают линейность модуляционных характеристик ЧМГ. На выходе смесителя 15 образуется сигнал промежуточной частоты:

который усиливается усилителем 16.

Демодуляция группового сигнала ТВ канала производится в устройстве, структурная схема которого представлена на рисунке 15.

Рисунок 14. Структурная схема передающей аппаратуры ТВ ствола РРЛ

Демодулятор содержит усилитель промежуточной частоты 1 с полосой пропускания ∆F_ЧM ≈ 27 МГц, усилитель-ограничитель 2, групповой, частотный детектор 3, ФНЧ 4, усилитель-корректор ТВ сигнала 5, полосовые разделительные фильтры 6, 7, усилитель-ограничитель 8 и частотный детектор сигнала звукового сопровож­дения 9.

Рисунок 15. Структурная схема демодулятора группового сигнала

В данном случае полоса пропускания тракта промежуточной час­тоты ∆F_ЧМ определяется исходя из следующего соотношения:

где - предельно допустимая девиация, промежуточной частоты; ≈ 8,5 МГц - максимальное значение группового сигнала ТВ ствола. ФНЧ 4 выделяет из группового сигнала ТВ сигнал, который затем усиливается и корректируется устройством 5 и подается на вход ТВ передатчика или ретранслятора. Туда же поступает и сигнал звукового сопровождения, который выделяется полосовым фильтром 6 из группового сигнала и демодулируется с помощью устройств 8, 9. Аналогичным способом осуществляется выделение сигналов звукового вещания.

Звуковые сигналы по РРЛ передаются с использованием двой­ной ЧМ. К достоинствам такого способа передачи следует отнести высокую помехоустойчивость звуковых сигналов и простоту схемно­го выполнения аппаратуры.

Контрольные вопросы:

1. Назовите основные элементы передатчика и приемника радио­ствола и укажите их назначение.

2. Назовите основные элементы типового тракта промежуточной час­тоты радиорелейной линии и укажите их назначение.

3. Классификация и принципы построения приемопередающей аппа­ратуры промежуточных станций радиорелейных линий передачи.

4. Назовите основные элементы цифровой радиорелейной системы передачи оконечной станции и укажите их назначение.

5. Назовите основные элементы цифровой радиорелейной системы передачи промежуточной, станции и укажите их назначение.

6. Укажите особенности построения станций тропосферных радиоре­лейных линий и область их применения.

7. Назовите основные элементы схемы передающей аппаратуры тро­посферной радиорелейной линии передачи и укажите их назначение.

8. Сущность техники разнесенного приема и способы его организации для тропосферных радиорелейных линий передачи.

9. Назовите способы сложения разнесенных сигналов и дайте их сравнительный анализ.

10. Поясните физическую сущность счетверенного приема.

11. Укажите назначение основных элементов структурной схемы пере­дающей аппаратуры телевизионного ствола радиорелейной линии передачи.