Радиоканалы

В зоновых сетях и сетях доступа широко используется передача информации с помощью беспроводных технологий (радиоканалы и оптическая связь). Рассмотрим здесь основные принципы, достоинства и недостатки радиосвязи. Структурная схема радиоканала приведена на рисунке 5.19. Здесь входной цифровой сигнал модулирует несущую частоту передатчика. Высокочастотный сигнал с помощью передающей антенны излучается в свободное пространство. Электромагнитные волны распространяются либо в одном направлении (направленная передача), либо по всем направлениям (широковещательная передача). Приемная антенна выделяет полезный сигнал, далее он усиливается, выделяется из шумов, преобразуется в цифровой код.

Рассмотрим основные достоинства такого способа передачи:

1. Беспроводной режим передачи. В этом случае не требуется прокладка каких-либо кабелей. Поэтому радиоканалы могут применятся в труднодоступных местностях, в условиях горной местности, на море, в условиях городской застройки, когда прокладка кабеля затруднена и т.д.).

2. Связь с подвижными объектами.

3. Покрытие большой территории с помощью одного передающего центра (телевидение, радиовещание, радиодоступ в интернет).

4. Многообразие параметров радиосигналов и электромагнитных волн, позволяющих переносить информацию (амплитуда, фаза, частота радиосигнала, поляризация и направление распространения электромагнитной волны и комбинации этих параметров).

К недостаткам радиоканалов следует отнести:

1. Влияние различных шумов и помех, которые в радиодиапазоне проявляются больше в силу открытости канала передачи.

2. Влияние условий распространения радиоволн (осадки, рефракция, многолучевое распространение и т.д.).

3. Ограниченность частотного ресурса.

4. Ограниченная дальность действия.

Ниже в качестве примера рассмотрим радиорелейные линии связи.

Под радиорелейной связью понимают радиосвязь, основанную на ретрансляции радиосигналов дециметровых и более коротких волн станциями, расположенными на поверхности Земли. Сово­купность технических средств и среды распространения радиоволн для обеспечения радиорелейной связи образует радиорелейнуюлинию связи. Используемые в ней радиоволны имеют два механиз­ма распространения: один — за счет земной радиоволны, второй — за счет тропосферной.

Земнойназывают радиоволну, распространяющуюся вблизи земной поверхности. Земные радиоволны короче 100 см хорошо распространяются, как правило, только в пределах прямой види­мости. Поэтому радиорелейную линию связи на большие расстоя­ния строят в виде цепочки приемо-передающих радиорелейных станций (РРС), в которой соседние РРС размещают на расстоя­нии, обеспечивающем радиосвязь прямой видимости, и называют ее радиорелейной линией прямой видимости (РРЛ).

На любой РРС устанавливают антенны, приемно-передающую аппаратуру и вспомогательные устройства (аппаратуру телеобслу­живания, служебной связи, гарантированного электропитания и др.). Комплекс аппаратуры, обеспечивающий нормальную ра­боту РРЛ, называют радиорелейной системой. Для РРЛ разработан ряд типовых радиорелейных систем.

Используемые на РРЛ диапазоны радиочастот облада­ют рядом достоинств. В каждом из этих диапазо­нов можно передавать много широкополосных сигналов. В этих диапазонах антенны с большими коэффициентами усиления имеют сравнительно небольшие размеры. Применение таких антенн по­зволяет получить устойчивую связь при малой мощности передат­чика. Спектр внешних помех атмосферного и промышленного происхождения лежит в низкочастотной области. Поэтому в диапазонах применения РРЛ и более высокочастотных таких по­мех практически нет.

Радиорелейную линию связи строят в виде цепочки приемопе­редающих РРС. На РРЛ устанавливают передатчики мощностью 0,1...10 Вт, приемники с коэффициентом шума около 10 дБ, ан­тенны с коэффициентом усиления около 40 дБ (площадь раскрыва около 10 м²). На такой РРЛ между антеннами соседних РРС должна быть прямая видимость. Для этого антенны устанавлива­ют на опорах, чаще всего на высоте 40...100 м. Расстояние между соседними РРС магистральных РРЛ обычно около 50 км.

Основные типы РРС: оконечная (ОРС), узло­вая (УРС) и промежуточная (ПРС). На ОРС и УРС устанавли­вают радиопередатчики и радиоприемники (рис. 5.19). В составе радиопередатчика — модулятор Мд и передатчик СВЧ сигнала П, в составе радиоприемника — приемник СВЧ сигналов Пр и демо­дулятор Дм.

Рисунок 5.19 – Структурная схема РРЛ

На ОРС, располагаемых на концах РРЛ, происходит ввод и выделение передаваемых сигналов.

На ПРС происходит ретрансляция радиосигнала: прием, уси­ление, сдвиг по частоте и передача в направлении следующей РРС.

Часть радио­релейной линии связи между соседними РРС, включающую аппа­ратуру и среду распространения радиосигнала, называют радио­релейным пролетом.

Разность уровней сигналов на выходе и вхо­де приемопередатчика ПРС превышает 100 дБ. Чтобы предотвра­тить самовозбуждение этого устройства, радиосигналы одного направления связи на ПРС (УРС) принимают и передают на разных частотах f₁ и f₂. Частотным сдвигом (частотный разнос) называют величину f_сдв= |fа —f₁|. Обычно на магистральных РРЛ f_сдв=266 МГц.

Кроме частотного разноса для устранения самовозбуждения применяют поляризационную развязку. В этом случае антенна передатчика излучает электромагнитную волну с горизонтальной поляризацией, а приемная антенна настроена на волну с вертикальной поляризацией.

В практике РРЛ возможны ситуации, когда сигнал, излучаемый одной станцией (частота f₁), будет приниматься не только соседней станцией, но и следующей за ней. Приемник этой станции настроен так же на частоту f₁.Что бы избежать этой ситуации, применяют так называемый угловой разнос, когда все станции располагаются не по одной прямой, а в виде зигзагообразной ломаной линии.

Достоинства РРЛ во многом определяются направленностью антенн (дальность действия) и высокой пропускной способностью при ограниченной полосе пропускания. Рассмотрим эти характеристики подробней.

Зеркальные антенны. Это направленные антенны, содержащие первичный излучатель и отражатель антенны в виде металлической поверхности. Первичным излучателем (или облучателем) называют излучающий элемент антенны, связанный с фидером. На РРЛ используют следующие зеркальные антенны: параболические, рупорно-параболические, двухзеркальные и др.

Принцип формирования направленного излучения рассмотрим на примере передающей параболической антенны (рисунок 5.20а). Поверхность отражателя 1 является вырезкой из параболоида вращения и представляет собой металлическое зеркало. С фокусом зеркала F совмещен центр облучателя 2. Фокусное расстояние обозначено F*. Широко распространены рупорные облучатели, питаемые от волновода 3.

Рупор излучает сферическую волну, которая, отражаясь от отражателя, превращается в плоскую в раскрыве антенны. Ход лучей показан на рисунке 5.20 а и в тонкими линиями со стрелками. Раскрывом называют плоскость S, перпендикулярную фокальной оси MN и ограниченную кромкой зеркала (рисунок 5.20 а) либо проекцией на нее этой кромки (рисунок 5.20 в).

Рисунок 5.20 – Схемы параболических антенн:

а – осесимметричной; б – осесимметричной улучшенной;

в – неосесимметричной (1 – отражатель; 2 – облучатель; 3 – фидер).

В плоскости раскрыва все лучи должны быть параллельны, т.е. иметь одинаковую фазу. Кроме того, амплитуды лучей также должны быть одинаковы. За счет этого мощность излучения концентрируется в направлении, перпендикулярном плоскости раскрыва. Чем больше S, тем уже главный лепесток ДН антенны и больше коэффициент усиления G. На практике амплитуда поля в раскрыве S обычно спадает к краям. Следовательно, в создании направленного излучения участвует не вся апертура S, а ее часть, называемая эффективной площадью антенны.

С целью увеличения пропускной способности РРЛ широкое применение находит квадратурная амплитудная манипуляция (КАМ). Этот вид манипуляции, по существу, представляет собой сочетание АМ и ФМ, в связи с чем его еще называют амплитудно-фазовой манипуляцией (АФМ). В случае КАМ изменяется и фаза и амплитуда несущей. Применяются КАМ четвертого уровня и выше (КАМ-4, КАМ-16 (рисунок 5.21), КАМ-64 и т.д.), причем КАМ-4 совпадает с ОФМ четвертого уровня.

Рисунок 5.21– КАМ-16 с примерами сигнальных точек квадрибитов 1110, 1000, 0111, 0001

На рисунке 5.21 в качестве примера приведены только некоторые точки на амплитудно-фазовой плоскости. Всего этих точек будет 16. В соответствии с теоремой Шеннона при заданной длительности импульса скорость передачи информации увеличится в 4 раза.

Вид модуляции одновременно определяет и ширину излучаемого спектра, а, следовательно, требуемую ширину полосы приемопередатчика, и пороговое отношение сигнал/шум в демодуляторе. В настоящее время в РРЛ используются следующие виды модуляции:

Для высокоскоростных РРС (от 155 Мбит/с и выше) – квадратурная амплитудная модуляция с уровнем квантования 64 и выше (64 QAM и выше) либо более сложные методы модуляции, объединяющие модуляцию и кодирование, в частности, решетчатая кодовая модуляция (ТСМ) и блоковая кодовая модуляция (ВСМ);

Для среднескоростных РРС – 16 QAM, 32 QAM;

Для низкоскоростных РРС (ниже 34 Мбит/с) – наиболее распространена модуляция QPSK (КАМ-4).