2. Ретрансляционные радиолинии

При организации систем наземной связи в качестве активных или пассивных ретрансляторов используются ИСЗ. При этом возможны два различных способа осуществления ретрансляции через ИСЗ:

1. немедленная ретрансляция без задержки передаваемой инфор­мации (обычная радиорелейная связь);

2. ретрансляция передаваемых сообщений с задержкой (запомина­нием) информации на борту ИСЗ.

В первом случае ИСЗ может быть как активным, так и пассивным ретранслятором. При этом осуществление связи между наземными стан­циями возможно лишь в течение времени одновременной видимости ИСЗ с обеих наземных станций.

Во втором случае ИСЗ может использоваться только в качестве ак­тивного ретранслятора, поскольку в момент пролета ИСЗ в зоне види­мости передающего пункта передаваемое сообщение должно быть при­нято и записано в бортовом запоминающем устройстве. При пролете спутника в зоне прямой видимости приемного пункта накопленная ин­формация передается на Землю.

Расчет энергетических характеристик при активной ретрансляции сигналов выполняют отдельно для участков «Земля — ИСЗ» и «ИСЗ — Земля». В этом случае пользуются уравнениями для односторонних радиолиний.

В случае использования ИСЗ в качестве пассивного ретранслято­ра (отражателя) уравнение радиолинии может быть получено из рас­смотрения ее схематического изображения и соотношения мощностей, показанных на рис. 57.

Плотность потока мощности в точке расположения пассивного от­ражателя:

(118)

где — расстояние от передающей антенны до отражателя; — потери энергии сигнала в атмосфере и ионосфере Земли на участке «Земля — ИСЗ».

Если попадающая на отражатель мощность рассеивается равно­мерно во всех направлениях, то плотность потока мощности в точке расположения приемной антенны:

(119)

где — эффективная площадь рассеяния отражателя в направлении на приемную антенну; — расстояние от отражателя (ИСЗ) до прием­ной станции; — потери энергии сигнала в ионосфере и тропосфере Земли, поляризационные потери на участке «ИСЗ — Земля» и потери в элементах антенно-фидерного тракта.

Рис. 57. Схематическое изображение радиолинии

Используя выражения (118) и (119), получаем формулу для рас­чета мощности сигнала, принимаемого приемной антенной:

(120)

где — полные потери энергии сигнала на участках «Земля – ИСЗ» и «ИСЗ — Земля».

Уравнение радиолинии с пассивным ретранслятором (отражателем) может быть записано следующим образом:

(121)

Из выражений (117), (121) следует, что для расчета энергетиче­ских характеристик космических радиолиний необходимо определить следующие параметры:

• пороговое отношение мощности сигнала к мощности шумов на входе приемного устройства,

• полные потери энергии сигнала в радиолинии,

• эффективную шумовую температуру приемной системы, ширину полосы пропускания приемного устройства.

11. Принцип радиорелейной связи

Радиорелейные линии обеспечивают радиосвязь в диапазоне ультракоротких волн на расстояния до нескольких тысяч километров и используются, в основном, для передачи широкополос­ных сигналов, таких, как телевизионные и многоканальные теле­фонные сигналы. Ширина спектра этих сигналов составляет не­сколько мегагерц, и их передача возможна только в диапазоне УКВ. Действительно, общая ширина диапазона длинных, средних и коротких волн, используемых в радиосвязи, составляет всего около 30 Мгц. Естественно, что здесь нельзя расположить значи­тельное количество радиоканалов для передачи сигналов с шири­ной спектра в несколько мегагерц. Кроме того, даже в диапа­зоне коротких волн, т. е. при центральной частоте порядка 10 Мгц, очень сложно обеспечить ширину полосы пропускания приёмо-передающего тракта в несколько мегагерц.

Совсем по-другому обстоит дело с диапазоном УКВ. Этот диа­пазон включает в себя метровые, дециметровые и сантиметровые волны, и общая ширина его составляет около 30 000 Мгц. Следо­вательно, в диапазоне УКВ возможна одновременная работа боль­шого числа передатчиков с шириной спектра излучаемых сигналов до нескольких десятков мегагерц. Соответственно при централь­ной частоте передачи в несколько тысяч мегагерц не представ­ляет большого труда обеспечить ширину полосы пропускания приёмо-передающего тракта в несколько десятков мегагерц. Всё это даёт возможность не только передавать в диапазоне УКВ широкополосные сообщения, но и использовать различные виды модуляции, требующие широкой полосы пропускания, зато обладающие высокой помехозащищённостью, — частотную модуляцию (ЧМ), импульсную модуляцию (ИМ) и т. п.

Радиосвязь в диапазоне УКВ имеет ещё ряд дополнительных преимуществ: в этом диапазоне почти полностью отсутствуют атмосферные и промышленные помехи; здесь легко создать антен­ные системы с высокой направленностью для излучения узких пучков радиоволн, что даёт возможность использовать передат­чики небольшой мощности; наконец, в диапазоне УКВ можно рас­положить в одной местности ряд передатчиков, работающих на одной частоте; благодаря большой направленности антенн эти пе­редатчики не будут создавать взаимных помех.

Однако при всех своих преимуществах радиосвязь в диапа­зоне УКВ имеет одно существенное ограничение — устойчивое рас­пространение УКВ ограничено пределами прямой видимости1); за горизонтом, вне пределов прямой видимости уровень сигнала бы­стро падает с увеличением расстояния. Поэтому радиосвязь в диа­пазоне УКВ возможна только при ретрансляции сигналов.

Из этих соображений и возникла идея создания радиорелей­ных линий связи, т. е. цепочки приёмо-передающих ретрансляци­онных станций. Эти станции располагаются друг от друга на расстоянии 40—50 км, причём приёмные и передающие антенны устанавливаются на опорах высотой 50—70 м так, чтобы между антеннами была прямая видимость. На каждой промежуточной станции принимаемые сигналы усиливаются и передаются дальше по линии. Такая цепочка приёмо-передающих станций радиоре­лейной линии показана на рис. 58.

Рис. 58. Цепочка приёмопередающих станций радиорелейной линии

Приёмо-передающая аппаратура и устройства электропитания на станциях радиорелейной линии устанавливаются обычно у подножия антенных мачт, а для передачи электромагнитной энер­гии к антеннам используются коаксиальные или волноводные фидерные линии. Иногда для сокращения длины этих линий приёмо-передающая аппаратура устанавливается в специальной кабине на вершине мачты; при этом уменьшаются искажения из-за отражений в фидерах, а также потери передачи.

На оконечных станциях радиорелейных линий и на узловых станциях, где имеется разветвление передачи на ряд направлений, часто используются антенные опоры в виде башен. В нижних этажах этой башни располагаются устройства электропитания и жилые помещения для обслуживающего персонала; в верхних этажах устанавливается приёмо-передающая аппаратура, а на крыше башни — антенны.

Большинство промежуточных станций радиорелейных линий могут работать без обслуживающего персонала. Для контроля за состоянием аппаратуры с этих станций передаются сигналы теле­сигнализации, которые поступают на несколько обслуживаемых станций (так называемых главных станций). В случае выхода из строя аппаратуры на необслуживаемой станции автоматически включаются резервные комплекты. Такое переключение на ре­зервный комплект может производиться и дистанционно с главной станции с помощью сигналов телеуправления.

Для работы радиорелейных линий обычно используются диа­пазоны дециметровых и сантиметровых волн. Диапазон метровых волн используется значительно реже, так как в этом диапазоне, т. е.: на частотах в несколько десятков мегагерц, ещё не ощуща­ются полностью преимущества УКВ радиосвязи (широкополосность, высокая направленность антенн и т. п.). Волны короче при­мерно 2,3 см (частоты выше 13 000 Мгц) также не используются для радиорелейной связи), так как эти волны существенно погло­щаются атмосферными осадками.

Преимущества радиосвязи в диапазоне УКВ были очевидны уже давно. Однако длительное время практическое осуществление радиосвязи на УКВ наталкивалось на трудности генерации и уси­ления сверхвысоких частот. Первые линии радиосвязи на УКВ, созданные в 30-е годы, работали, в основном, на метровых вол­нах и не были радиорелейными, так как осуществляли связь толь­ко между двумя пунктами. В 1935 г. между Нью-Йорком и Фи­ладельфией (США) была построена первая радиорелейная линия из шести пунктов; эта линия также работала в диапазоне метро­вых волн и обеспечивала всего пять телеграфных и два фототеле­графных канала.

Настоящее развитие радиорелейной связи стало возможным в результате успехов, достигнутых в технике сверхвысоких частот, причём видная роль здесь принадлежит советским специалистам. Новые конструкции триодов для генерирования и усиления волн дециметрового диапазона, разработанные Н. Д. Девятковым, от­ражательный клистрон, изобретённый В. Р. Коваленко, теорети­ческие и практические работы М. С. Неймана по исследованию объёмных резонаторов — все эти работы способствовали развитию техники радиорелейной связи. Важное значение имели также ра­боты В. А. Котельникова и В. И. Сифорова по исследованию по­мехоустойчивых видов модуляции, которые обычно применяются на радиорелейных линиях, а также работы Б. А. Введенского и А. Г. Аренберга в области распространения УКВ.

Быстрое развитие радиорелейной связи началось после второй мировой войны. В этот период в СССР были созданы первые ра­диорелейные системы, однако пропускная способность их была невелика — не более 24 телефонных каналов. Успешное освоение техники радиорелейной связи началось в нашей стране после исторического XX съезда КПСС, когда партия поставила задачу в короткий срок обеспечить развитие этого нового вида связи.

За годы, прошедшие после XX съезда, в СССР созданы ра­диорелейные системы, предназначенные для использования на ма­гистральных линиях с числом телефонных каналов до нескольких сот, а также для передачи телевизионных программ; созданы так­же малоканальные системы для обеспечения местной связи, а так­же для связи на железнодорожном транспорте, газопроводах и т. п.

В настоящее время радиорелейные линии связывают между собой многие города нашей страны и совместно с линиями коак­сиального кабеля обеспечивают междугороднюю магистральную связь, а также обмен телевизионными программами между раз­личными телецентрами. Радиорелейные линии используются так­же для международного обмена телевизионными программами в сети Интервидение, которая связывает телецентры СССР и социа­листических стран Восточной Европы.

Исследования в области распространения УКВ, проведённые в последние годы, показали, что можно создавать радиорелейные линии связи с расстоянием между станциями, сильно превышаю­щим прямую видимость, до 300—400 км.

Распространение УКВ далеко за пределами прямой видимости изучено ещё недостаточно — исследования показывают, что здесь имеет место целый ряд факторов: отражение электромагнитной энергии от турбулентных и слоистых неоднородностей диэлектри­ческой проницаемости воздуха (некогерентное рассеяние), а так­же нелинейная зависимость индекса преломления в воздухе от высоты (когерентное рассеяние). Во всяком случае такое дальнее распространение связано со структурой тропосферы и поэтому его обычно называют дальним тропосферным распространением УКВ, а радиорелейные линии с большими расстояниями между стан­циями — тропосферными. Тропосферная радиорелейная линия схе­матически показана на рис. 59.

Доля излученной энергии, которая благодаря тропосферному распространению УКВ попадает в точку приёма, очень невелика и поэтому на тропосферных линиях приходится сильно увеличивать мощность передатчика — до нескольких десятков киловатт и размеры антенн — до 20x20 и даже 30x30 м; на обычных линиях, станции которых расположены в пределах прямой видимости, мощность передатчиков составляет всего несколько ватт, а раз­меры антенн — не более 2—3 м в диаметре. Кроме того, для борь­бы с замираниями на тропосферных линиях обычно используется разнесённый приём, что усложняет конструкцию приёмного устройства.

Однако следует учитывать, что на тропосферной линии при той же протяжённости требуется в пять-шесть раз меньше станций, а расстояние между станциями может достигать 300—400 км. По этим причинам строительство таких линий особенно целесообразно в районах, где создание обычных радиорелейных линий с расстояниями между станциями 40—50 км или затруднено, или вообще невозможно. К таким труднодоступным районам относятся большие таёжные или горные массивы, пустыни, водные преграды и т. п.

Рис. 59. Радиорелейная связь с использованием дальнего тропо­сферного распространения УКВ

В последние годы появился новый вид радиорелейной связи — радиорелейная связь с использованием искусственных спутников Земли (ИСЗ. На такой радиорелейной линии проме­жуточная ретрансляционная станция устанавливается на борту искусственного спутника, что обеспечивает связь между наземны­ми пунктами, удалёнными друг от друга на расстояние до несколь­ких тысяч километров. В апреле 1965 г. в СССР был успешно осуществлён запуск искусственного спутника «Молния-1», пред­назначенного для телевизионной и многоканальной телефонной связи между Москвой и Владивостоком.