книги / Основы построения телекоммуникационных систем и сетей
..pdfпередачи трассы In it =£/1пА , есть сумма большого числа случай-
/
ных величин и, согласно центральной предельной теореме теории вероятности, будет иметь нормальное распределение вероятностей.
Пусть U —амплитуда сигнала на входе оптического приемни ка, пропорциональная величине к. Обозначим х = In U; эта величи на пропорциональна In к. Тогда плотность распределения вероят ностей х есть
(х-х)2
ж(х) = 7^Ге 2а*
где а* — дисперсия натурального логарифма флюктуаций ампли туды оптического сигнала. Величина Х=стх [11]. Окончательно, заменив х = In U,d%= dU/U, получим
2,2
(In и+а})
2ai
W(U) = '----- е yl2%Ucx
Из этого распределения получим: для среднего значения (J = е~°х/2
для дисперсии ф - ф ) 2 = 1 - е-а *.
Определим эффективное значение глубины флюктуаций ам плитуды оптического сигнала как
Татарский [11] показал, что для распространения плоской вол ны и модели турбулентности Колмогорова-Обухова
а 2 = 0 , 5 6 ^ ) ' JC„2(x) x 5/6dx, i o » ( U ) 1/2» / 0,
где L —длина трассы распространения; х —текущее расстояние по трассе, измеряемое от приемника.
Для горизонтальной трассы Ci(x) = С~„ = const получим:
|
2 л |
ч7/б |
|
а 2 = 0,31C2 |
•11/6 |
Z o » ( u y / 2» / 0. |
|
|
|
~ )
При распространении сигнала в зенит через всю толщ у атмо сферы было экспериментально найдено, что трассу распростране-
Рис. 3.53. Среднеквадратическое значе- |
Рис. 3.54. Пространственная корреля- |
ние флюктуаций логарифма амплитуды |
ционная функция флюктуаций лога- |
оптического сигнала в турбулентной |
рифма амплитуды |
атмосфере |
|
ния можно заменить горизонтальной трассой с эквивалентной длиной трассы Ьъ= 150 м. Тогда для трассы распространения через всю толщу атмосферы под углом места а получим:
|
|
L = Ьъ!sin а . |
|
Выражение |
для |
стх справедливо до |
значений а х< 0,8 . При |
а х> 0 ,8 наблюдается |
эффект насыщения |
амплитудных флюкту |
|
аций. |
|
|
|
На рис. 3.53 |
показано поведение величины а х в зависимости |
||
от длины трассы для средней силы турбулентности атмосферы с Ci= 5 -КГ14 м~2/3
Рассмотрим пространственную корреляционную функцию амплитудных флюктуаций оптического сигнала в плоскости при емной антенны. Нормированная пространственная корреляцион ная функция логарифма амплитуды, полученная эксперименталь но, показана на рис. 3.54 для случая слабых флюктуаций (а х < 0,8). Показано [11], что для слабых флюктуаций нуль корреляционной функции соответствует расстоянию между двумя точками на апер туре приемной антенны, равному (XL/2 ) '2; при насыщении флюк туаций это расстояние увеличивается до (XL) 12
Корреляционная функция флюктуаций мощности оптического сигнала в месте приема при о х < 0,8 совпадает с Кх(г). Определим радиус пространственной корреляции логарифма амплитудных флюктуаций как такое значение г = р, при котором нормированная
функция корреляции Кх(г)= Кх(р) = 0,5. Из рис. 3.54 |
найдем, что |
р = 0,27(АХ) . При насыщении флюктуаций примем |
ориентиро |
вочно, что р = 0,27(2XL)m .
Вычисленные значения радиуса пространственной корреля ции флюктуаций мощности оптического сигнала по апертуре при емной антенны представлены в табл. 3.6 для горизонтальной трас-
Длина пути распространения оптического сигнала L
150 м
1 км
5 км
Радиус пространственной корреляции р, см
X = 0,53 мкм |
Х = 1,2 мкм |
Х = 10,6 мкм |
||||
0,24 (стт< 0,8) |
0,3 |
(ох < 0,8) |
1,1 |
(а, .< 0,8) |
||
00 00 o' |
00 сГ II |
|
/"—ч |
II о 00 |
2,8 |
(<ух< 0,8) |
to о /—*ч |
>?00оII |
2,5 |
К |
= 0,8) |
6,2 |
(ах< 0,8) |
сы. Для наклонной трассы, проходящей всю толщу атмосферы под углом места а , длина эквивалентной горизонтальной трассы равна L = Z 3/sin а , где Ьэ = 150 м.
Если апертура приемной оптической антенны d больше 2р, то в приемнике с прямым детектированием сигнала происходит ус реднение флюктуаций мощности оптического сигнала. Апертуру приемной антенны можно разбить на некоторое число т кругов диаметром 2р и считать, что в соседних кругах мощности оптиче ских сигналов флюктуируют независимо, и мы имеем пространст венно-разнесенный прием сигналов на Q антенн, каждая диамет ром 2р. Кратность разнесенного приема равна приблизительно Q = (dl2р)2. При Q> 4 флюктуации тока фотодетектора, обуслов ленные турбулентностью атмосферы, значительно уменьшаются.
Ф лю ктуации ф азы оптического си гн ала. При гетеродинном методе приема оптических сигналов фазы оптических сигналов на всех частях апертуры приемной антенны должны быть одинаковы. В этом случае парциальные оптические сигналы со всех элемен тарных площадок приемной апертуры будут суммироваться на входе фотосмесителя когерентно. За счет прохождения турбулент ной атмосферы парциальные оптические сигналы на элементарных площадках приемной апертуры получают случайные фазовые сдвиги. Если эти случайные фазовые сдвиги становятся достаточ но велики, то сигнал на входе фотосмесителя будет суммой сигна лов со случайными фазами, что приводит к значительным флюк туациям амплитуды сигнала на выходе фотосмесителя и, как след ствие, к значительной потере помехоустойчивости принимаемого сигнала.
Рассмотрим бесконечно тонкий луч света, проходящий сквозь турбулентную атмосферу. При прохождении неоднородности ди электрической проницаемости атмосферы луч света из-за измене ния скорости своего распространения испытывает некоторую слу чайную задержку и, следовательно, получает случайный фазовый сдвиг по отношению к лучу света, проходящего через однородную среду. При прохождении большого числа неоднородностей атмо сферы суммарный случайный сдвиг фазы оптического сигнала бу-
дет определяться суммой большого числа отдельных случайных сдвигов в отдельных неоднородностях и, следовательно, будет иметь нормальную плотность распределения случайной фазы.
Следует отметить, что более крупные неоднородности атмо сферы создают больший случайный сдвиг по фазе. Поэтому ос новную роль в создании случайного сдвига по фазе играют круп номасштабные неоднородности вдоль пути распространения сиг нала в отличие от амплитудных флюктуаций сигнала, которые создаются неоднородностями наименьшего масштаба. По этой причине амплитудные и фазовые флюктуации оптического сигна ла являются независимыми друг от друга случайными процессами.
Пусть теперь мы имеем два оптических параллельных пути на расстоянии г » / 0 друг от друга. Разобьем путь оптического сигнала длиной L на U r сегментов. Если оптическое колебание проходит отрезок длиной г в каждом из двух параллельных путей, то разность фаз оптических сигналов в этих путях будет пропорциональна
А(Р/ ~ |
Аи(г), |
|
А. |
где Ап(г) — флюктуационное изменение показателя преломления неоднородностей атмосферы на участке длиной г. Величина Ап(г)
имеет дисперсию [Ди(г)]2 = С 2г 2у,э Среднее значение квадрата раз ности фаз после прохождения сигнала всех U r сегментов будет равно
|
|
\2 |
( |
(Д<р)2 = - ( Д Ф/)2 ~ - |
^ |
г 2с у 3 = “ ] c h r ^ |
|
Г |
r \ |
X ; |
V |
|
|
|
|
Полученное выражение соответствует, как говорят, прибли жению геометрической оптики. Татарским [11] получено строгое
выражение для (Д ф )2=Т)ф(/-) - структурной функции фазы мето дами электродинамики:
£ ф(г) = 2,91г5/3( ^ ) \ c n2 {x)xdx, 4 > г > ( и ) '/ 2
При распространении света вдоль горизонтальной трассы по лучим
£>„(/-) = 2,91 г5/3(InIXfLC i, L0> r> ( Щ т
Для трассы распространения через всю толщу атмосферы под углом места а , как и ранее, L =Z,,/sin а , где L3= 150 м.
В точке приема в плоскости, перпендикулярной линии "пере датчик-приемник", выделим круг радиусом рф, внутри которого ко герентность оптического сигнала сохраняется в допустимых преде-
Длина пути |
Допустимый диаметр апертуры |
|||
приемной антенны 2рф, см |
||||
распространения |
||||
оптического сигнала L |
X = 0,53 мкм |
X = 1,2 мкм |
X = 10,6 мкм |
|
150 м |
1,6 |
4,3 |
59 |
|
1 км |
0,52 |
1,38 |
19 |
|
5 км |
0,2 |
0,52 |
7,1 |
|
лах. Это определяет допустимое значение структурной функции фазы Цр(г) = A/p,,,). Тогда из выражения для Д >(г) получим
-3/5
Р« = 2,91 r I n '1 LC i
^<р(Рф)
Среднее значение дисперсии разности фаз в круге при усред нении по отрезку рф есть
Рф |
л |
= I ^ > ф (о ^ = - ^ ф ( р Ф)-
о8
Эта величина для Стф приблизительно сохраняется и при ус реднении по площади всего круга радиуса рф. В табл. 3.7 представ лены допустимые значения диаметра апертуры 2рф приемной ан тенны гетеродинного приемника для стф = 0,6 рад (Д р(рф) = 1) и С^= 5 -КГ14 м -2/3 Как указывалось ранее, на длинах волн 1,2 мкм и выше отсутствуют лавинные фотодиоды и для повышения чувст вительности приемника возможно применение гетеродинного при емника. Данные для волны X = 0,53 мкм приведены для того, что бы показать бесперспективность гетеродинного приемника в ви димом и ближнем инфракрасном диапазонах волн в атмосферных оптических линиях связи.
Зная дисперсию разности фаз в двух параллельных оптиче ских путях, разделенных расстоянием г, можно найти разброс за держек по времени в двух параллельных оптических путях. Раз ность фаз ср двух оптических путей и разность задержек Ат сигналов
в этих путях связаны соотношением ф = 2n fАх = — Ат, где с - X
скорость света. Отсюда для структурной функции разброса задер жек в двух точках апертуры оптической антенны имеем выражение
^ A t W = h r - ApW -
\2ncJ
Расчеты £>Д1(г) показывают, что разброс задержек оптического сигнала в приемнике весьма мал.
У гловы е ф лю ктуации лазерного л уча в атмосфере. На уча стке атмосферы, на котором диаметр оптического луча меньше типового размера неоднородности коэффициента преломления атмосферы, оптический луч отклоняется от прямолинейного на правления как единое целое. В плоскости приемника пятно опти ческого луча совершает двумерное случайное блуждание, и это пятно может уйти из апертуры приемной оптической антенны.
Под углом прихода волны понимается угол между нормалью к плоскости приемной апертуры и нормалью к фронту волны в рассматриваемой точке. Рассмотрим две точки на расстоянии г в плоскости, перпендикулярной линии "передатчик-приемник". Раз ность фаз оптической волны Д(р в этих точках и наклон фронта волны 0 связаны между собой соотношением
. 2я . а 2я а Дф = — rsinG « — /-0,
X X
где под фронтом волны понимается прямая, соединяющая точки одинаковой фазы волны. Отсюда следует, что
0 = ^ _
(2п/Х)г
и дисперсия угла прихода равна
2 _ |
(А ф) |
_ А р (О |
сте --------- |
Y T |
---------ГГ- |
|
(2л/Х)2г |
(2п/Х) г |
Для дисперсии угла прихода в точке окончательно получим
eg = lim V r>
/■->0 (2л/Х)2 г2
Для нахождения сте необходимо найти структурную функцию фазы при г—>0 или г <SC/0. Выражение Д ,(г) при r<SC/0 найдено в [11] и имеет вид
£>„(/•) = \J2lomr2(2n/X fL C i г « : /0.
В итоге получим
а \ = \,12С1Щш
Среднеквадратическое угловое отклонение луча от линии, со единяющей передатчик и приемник, очевидно, равно ае/2. В табл. 3.8 представлены значения ст0/2 для средней (С ,= 5-1(Г14 м~2/3) и сильной (С^= 5 10'13 м"2/3) турбулентности атмосферы и значе ния внутреннего масштаба турбулентности /0 = 3 мм.
|
Среднеквадратическое угловое отклонение |
|
Длина пути |
луча Сте/2, мкрад |
|
распространения |
Средняя |
Сильная |
оптического сигнала L |
||
|
турбулентность |
турбулентность |
150 м |
9,5 |
30 |
1 км |
24,4 |
77 |
5 км |
54,6 |
173 |
Для того чтобы луч лазерного передатчика все время освещал антенну приемника, необходимо либо непрерывно корректировать угол нацеливания луча передатчика, либо обеспечить расходи мость луча передатчика, в несколько раз превышающую величину <7 е. Если луч передатчика будет все время освещать антенну при емника, угловые флюктуации фронта волны на апертуре приемни ка будут случайным образом смещать точку фокуса на поверхно сти фотодетектора. В этом случае необходимо увеличить размер фоточувствительной площадки фотодетектора с тем, чтобы обес печить угол зрения приемной антенны, в несколько раз больший величины <7е.
Поведение флюктуаций оптического сигнала во времени.
Татарский [11] обосновал справедливость модели замороженных неоднородностей, согласно которой время жизни неоднородностей атмосферы больше времени полной смены неоднородностей на пути распространения сигнала, которые под действием ветра пе ремещаются в направлении, перпендикулярном линии "передат чик-приемник". Если поперечная скорость движения неоднород ностей есть v, то можно найти время корреляции т амплитудных, фазовых и угловых флюктуаций заменой г = vr в выражениях для пространственных корреляционных функций.
Г п а в а 4
РАДИОРЕЛЕЙНЫЕ СИСТЕМЫ СВЯЗИ
4.1. Принципы построения радиорелейных систем связи. Функциональная схема радиорелейной станции
Радиорелейные системы связи предназначены для создания наземных высокоскоростных линий и сетей связи на базе стацио нарных наземных радиорелейных станций. Спутниковые линии связи с использованием ИСЗ ретрансляторов также являются ра диорелейными линиями связи, но ввиду их специфики рассматри ваются как отдельный вид линий связи.
По архитектуре (структуре) построения радиорелейные сис темы связи разделяются на следующие группы:
•радиорелейные линии (РРЛ) связи "точка-точка";
•радиорелейные сети связи;
•радиорелейные системы "последней мили" типа "точка-мно готочка".
По условиям распространения радиосигналов радиорелейные системы связи классифицируются как:
•РРЛ прямой видимости;
•тропосферные РРЛ;
•радиорелейные системы связи с использованием рестрансляторов на стратосферных платформах и летно-подъемных средствах.
На рис. 4.1 схематически показаны виды радиорелейных сис тем связи, отличающиеся механизмом распространения радиоволн.
Радиорелейные системы связи используют диапазоны волн: дециметровый, сантиметровый, миллиметровый, оптический и ха рактеризуются использованием высоконаправленных антенн на радиорелейных станциях.
РРЛ "точка-точка" конкурируют и дополняют системы с ис пользованием волоконно-оптических линий связи. Считается, что
до скорости передачи информации 155 Мбит/с РРЛ дешевле ВОЛС. РРЛ широко используются для создания магистральных линий связи, а также высокоскоростных линий связи в городах, горных и труднодоступных местностях.
РРЛ являются основой полевой сети связи вооруженных сил государств. Радиорелейные станции располагаются на автомоби
лях и работают на стоянке. |
|
1 2 -3 |
- 1 7 7 - |
а —прямой видимости; б —тропосферная; в —стратосферная
Тропосферная связь широко используется в военных сетях связи. В гражданском секторе тропосферная связь как вид дальней связи полностью вытеснена спутниковой связью.
Радиорелейные системы "последней мили" быстро развивают ся в последнее время, обеспечивая высокоскоростной доступ пер сональных стационарных терминалов к узлам высокоскоростных интегральных телекоммуникационных систем.
4.1.1. Частотные планы радиорелейных систем связи
Диапазоны частот от 400 М Гц до 1,5 ГГц включительно отво дятся для так называемых малоканальных РРЛ со скоростями пе редачи информации на одной несущей частоте не более 2,048 Мбит/с. Диапазон частот, в котором работает РРЛ, разбива ется на отдельные полосы-стволы. Для каждого ствола выделяется свой приемопередатчик. Малоканальные РРЛ являются одно ствольными и широко используются в технологических РРЛ вдоль трубо- и газопроводов, железных дорог и др.
Частотные планы РРЛ диапазонов от 2 ГГц и выше регламен тируются документами МСЭ.
РРЛ со скоростями передачи информации в каждом стволе до 10 М бит/с, а именно со скоростями 2(2,048), 4(2x2), 8(8,448), 4x2 М бит/с, относятся к системам малой емкости.
РРЛ со скоростями передачи информации в стволе от 10 до 100 Мбит/с, а именно 2x8 и 34 (34,368) М бит/с, относятся к систе мам средней емкости.
РРЛ со скоростями передачи информации в стволе более 100 Мбит/с, а именно 140 (139,264), 2x140 Мбит/с, относятся к сис темам большой емкости.
В настоящее время созданы и эксплуатируются РРЛ в диапазо нах частот от 400 МГц до 95 ГГц и в оптическом диапазоне частот.
Для магистральных многоствольных РРЛ большой емкости, для которых необходимы максимальные пролеты между РРЛ, ис пользуются наиболее благоприятные для них диапазоны частот 4,
6 и 8 ГГц, |
а также в отдельных случаях диапазоны частот 11 и |
13 ГГц. В |
более высоких диапазонах частот из-за значительного |
поглощения радиосигнала в дожде существенно сокращаются про леты между РРЛ.
Для магистральных РРЛ средней емкости используются диа пазоны частот от 2 до 15 ГГц.
РРЛ в диапазонах частот 15 ГГц и выше используются для создания линий связи на небольших расстояниях (10-20 км), на пример линий привязки к информационным магистралям, радио мостов для компьютерных сетей, соединительных линий телеви зионных студий и др.
Для организации "последней мили" "точка-многоточка" выделе ны диапазоны частот 1,5; 2; 5,0 ГГц, а также более высокие частоты.
Рассмотрим типовые частотные планы РРЛ. На рис. 4.2 пред ставлен частотный план РРЛ диапазона 2 ГГц в соответствии с ре комендациями МСЭ [18]. В максимальной комплектации в магист ральной РРЛ, например, на передачу могут использоваться стволы № 1, 3, 5, подключенные к облучателю антенны с горизонтальной поляризацией радиосигнала, а также стволы № 2, 4, 6, подключен ные к облучателю антенны с вертикальной поляризацией. Соот ветственно приемные стволы Г, 3', 5' подключены к облучателю антенны с вертикальной поляризацией, а стволы 2', 4', 6' подклю чены к облучателю антенны с горизонтальной поляризацией. Вы шеуказанный выбор поляризаций радиосигнала в стволах значи тельно уменьшает влияние передающих трактов РРЛ на приемные тракты за счет поляризационной развязки стволов.
100 МГц 100 МГц
К |
|
1 |
2 |
5 4 |
5 |
6 49 М д 1' |
2' 3' |
4 5' б' |
|
I |
ПВ) |
П |
, |
Г |
п |
г р " П |
п |
п |
|
|
|
1 |
|||||||
§.В(Г) |
|
L J |
^4иМГц |
ш |
/ • ш |
и |
и |
||
ос |
|
|
|
|
|
||||
О |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Передача |
|
|
|
Прием |
|
|
|
|
|
(прием) |
|
|
(передача) |
||
Рис. 4.2. Частотный план РРЛ диапазона частот 2 ГГц (1700-2700 МГц)
12* |
-179 - |