Радиоканалы мобильных систем связи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Радиоканалы мобильных систем связи

Содержание

1. Особенности радиоканалов мобильных систем радиосвязи

2. Основные способы распространения радиоволн

2.1 Рассеяние энергии волн

2.2 Отражение и преломление волн

2.3 Дифракция волн

2.4 Интерференция волн

3. Особенности распространение волн ОВЧ, УВЧ и СВЧ диапазонов

1. Особенности радиоканалов мобильных систем радиосвязи

мобильный связь радиоволна частота

В зависимости от типа и назначения мобильной системы каналы связи могут быть симплексными (односторонними) и дуплексными (двухсторонними).

При использовании симплексных каналов радиосвязь организуется на одной рабочей частоте, на которую настраивается радиоприемник и радиопередатчик мобильной станции. Сообщения передаются попеременно: то в одну, то в другую стороны. Системы, использующие симплексные радиоканалы, как правило, являются локальными (автономными).

Каналы симплексных систем не могут сопрягаться со стандартными каналами стационарных сетей общего использования (PSTN). Наиболее часто симплексный принцип обмена сообщениями применяется в транкинговых системах радиосвязи диапазона декаметровых волн.

Дуплексные радиоканалы используются в мобильных системах радиотелефонной связи общего пользования (сотовой и спутниковой мобильных системах связи), а также в радиоудлинителях. Радиосвязь между радиостанциями организуется на двух рабочих частотах частоте передачи и приема .

В качестве линии связи любого радиоканала используется естественная среда распространения радиоволн, т. е. пространство между передающими и приемными антеннами радиостанций. Поскольку местоположение мобильных терминалов в пространстве постоянно меняется, это приводит к неопределенности оценки направления радиосвязи и обуславливает преимущественное использование в мобильных терминалах малоэффективных антенн с круговой диаграммой направленности.

При формировании радиолиний в системах мобильной связи используется, как правило, диапазон ультракоротких волн (УКВ), включающий метровые волны (очень высокие частоты - ОВЧ), дециметровые волны (ультравысокие частоты - УВЧ) и сантиметровые волны (сверхвысокие частоты - СВЧ). Радиоволны этих диапазонов не имеют свойств ионосферного отражения. Механизмом передачи энергии сигналов является электромагнитное поле, распространяющееся прямолинейно. При связи между наземными объектами радиоволны распространяются вдоль поверхности земли (земные волны). При связи между наземной станцией и спутниковой станцией радиоволны распространяются в тропосфере и ионосфере. Ввиду непосредственного приближения антенн к земле в наземных терминалах средой распространения радиоволн служит нижняя часть атмосферы земли - тропосфера. Тропосфера в непосредственной близости от земли отличается постоянством параметров диэлектрической проницаемости и удельной проводимости , причем, в нижнем слое, непосредственно примыкающим к земле, приближается к диэлектрической проницаемости свободного пространства (вакуума) Ф/м. Это обуславливает постоянство коэффициента преломления радиоволн в тропосфере на протяжении трассы радиосвязи [25]:

(1)

т. о, приземный слой тропосферы практически не оказывает влияния на прямолинейность коротких траекторий трасс радиосвязи. В настоящее время наиболее широко в мобильной связи используется диапазон УКВ, важными достоинствами используемых радиочастотных спектров которого являются:

- большая частотная емкость, позволяющая создавать значительное количество каналов радиосвязи с достаточно широкими полосами частот:

(2)

где - количество рабочих частот (каналов связи); , - минимальная и максимальная несущие частоты используемого диапазона; - ширина полосы частот, выделяемый компанией-оператором или используемым стандартом на один канал радиосвязи.

- возможность применения стандартных помехоустойчивых видов работы (телефон, передача данных, телеметрия) с классами сигналов F3 (частотная модуляция), F1 (частотная манипуляция), F9 (относительная фазовая манипуляция), что позволяет передавать цифровые сообщения со скоростью 1200...3600 бит/с;

- отсутствие влияния атмосферных помех и аддитивных сосредоточенных помех дальних УКВ радиостанций. Вместе с тем используемым диапазонам свойственны следующие недостатки:

1) существенные затухания сигналов на трассах радиосвязи, достигающие 140...160 дБ;

2) значительные колебания уровней радиосигналов при движении объектов с глубиной замираний 100...120 дБ;

3) воздействие взаимных помех, создаваемых радиостанциями мобильной системы связи, при одновременной работе в ограниченном объеме пространства;

4) воздействие сосредоточенных помех других связных излучающих систем, работающих в ближней зоне электромагнитного взаимодействия (радиорелейные, радиолокационные, телевизионные станции), а также не связных излучающих объектов (рентгеновское оборудование, сварочные аппараты и т. п.).

Характерные особенности радиолиний обязательно должны учитываться при проектировании мобильных систем радиосвязи, а также при анализе физических процессов, протекающих в каналах этих систем[26].

2. Основные способы распространения радиоволн

2.1 Рассеяние энергии волн

Волны идут от антенны передатчика во все стороны, и по мере удаления их энергия распределяется на все большее пространство. Величина энергии в каждой части пространства становится все меньше (рассеивается).

Рассеяние - имеет место при распространении волны в среде с мелкими объектами (меньше длины волны) [28].

Единственным средством, снижающим рассеяние энергии, является направленное излучение, при котором радиоволны посылаются узким пучком подобно лучу прожектора. При этом увеличивается дальность действия и во многих случаях исключается возможность подслушивания. Направленное излучение волн используется в радиомаяках для авиации и морского транспорта, в радиолокации, позволяющей определять местонахождение различных объектов, и т. д. [27].

При прохождении радиоволн через различные вещества наблюдается поглощение энергии волн этими веществами. Оно отсутствует в безвоздушном пространстве. Очень мало поглощение в неионизированном воздухе. В твердых диэлектриках, полупроводниках и проводниках поглощение радиоволн значительно. Если радиоволна встречает какой-либо проводник, то большая часть ее энергии поглощается им. Объясняется это тем, что волна приводит в движение электроны проводника и создает в нем ток высокой частоты. На образование его и расходуется энергия волны. В частности, на этом основан прием радиоволн антенной. Если же волна движется вдоль проводника, то поглощение энергии гораздо меньше. Поэтому над проводящей поверхностью, например, над морем, вдоль рек, железных дорог и проводных линий, радиоволны распространяются дальше, чем над сухой почвой.

Диэлектрики также поглощают энергию волн. Поле волны создает в молекулах диэлектриков смещение электронов -- ток смещения. Он является током высокой частоты, т. е. представляет собой колебание электронов внутри молекул. Токи смещения вызывают нагревание диэлектрика, на что расходуется энергия. Полупроводники объединяют в себе свойства проводников и диэлектриков. В них возникают и токи проводимости, и токи смещения. Ионизированные слои атмосферы, являющиеся полупроводниками, заметно поглощают энергию проходящих волн. При движении радиоволн над земной поверхностью происходит поглощение их энергии самой почвой и различными местными предметами и препятствиями в виде гор, холмов, лесов, городских зданий, проводных линий и т.д. Особенно сильное поглощение создают металлические крыши, железобетонные сооружения, провода, горы с металлическими рудами или влажными пластами земли, сырые каменные дома, леса.

2.2 Отражение и преломление волн

В однородной среде волна распространяется прямолинейно, а в местах перехода волны из одной среды в другую наблюдаются отражение ее и преломление. Эти явления всегда возникают на границе двух сред, имеющих различные диэлектрические проницаемости и . Отражение заключается в том, что волна, дойдя до границы между средами, поворачивает под некоторым углом обратно (рис.8.1). [27]

Отражение - имеет место при падении волны на объекты с размерами значительно превосходящими длину волны. Наблюдаются, например, отражения от земли, стен зданий и т.п.

Рис. 1 Отражение радиоволн

Волна, пришедшая под прямым углом к плоской поверхности, отражается обратно также под прямым углом. Если к такой поверхности пришли волны параллельным пучком, то они после отражения пойдут также параллельно. В случае неровной поверхности отраженные волны пойдут в разных направлениях. Лучше всего радиоволны отражаются от проводников.

При переходе волн из одного диэлектрика в другой наблюдается их преломление (рефракция), т. е. изменение направления движения волны (рис. 2). Преломление волн объясняется тем, что в различных веществах скорость распространения волн различна. Чем больше разница между диэлектрическими проницаемостями и и чем длиннее волна, тем сильнее преломление.

Рис. 2 Преломление радиоволн

Таким образом, радиоволна, встречая проводник, частично поглощается и частично отражается. При встрече радиоволны с диэлектриком или полупроводником она поглощается, отражается и преломляется.

2.3 Дифракция волн

Дифракция - явление возникновения вторичных волн при падении радиоволны на препятствие с острыми кромками. Дифракцией обусловлено наличие поля за препятствиями в зоне геометрической тени. На высоких частотах дифракция, как и отражение, существенно зависит от геометрии объекта, а также амплитуды, фазы и поляризации поля[28].

Также этим термином называют огибание волнами препятствий. Например, радиоволны способны обогнуть гору, большое здание и т. д (рисунок 3).

Рис. 3 Огибание препятствия радиоволной

Чем длиннее волна, тем лучше она огибает препятствия Конечно, волна не может повернуть очень круто. Поэтому иногда за горами или металлическими сооружениями, сквозь которые радиоволны пройти не могут, образуются местные «зоны молчания». В них не слышны некоторые радиостанции, но несколько дальше, благодаря дифракции, слышимость снова восстанавливается [27].

2.4 Интерференция волн

Интерференция волн есть сложение в данном месте двух или нескольких волн. Интерферировать, т. е. складываться, могут волны различных передающих радиостанций. Тогда возникают помехи в виде писка, воя, свиста, гудения, хрипения. Если же интерференция наблюдается между волнами одной и той же станции, пришедшими к месту приема разными путями, то благодаря разнице в их фазах получается, либо усиление, либо ослабление волны [28].

3. Особенности распространение волн диапазонов ОВЧ, УВЧ и СВЧ

Волны микроволновых диапазонов распространяются подобно свету прямолинейно. Дифракция в этих диапазонах проявляется слабо. Волны, излученные под углом к земной поверхности, уходят в заатмосферное пространство практически без изменения траектории, это свойство позволило успешно применить микроволны для космической связи.

Неспособность волн этих диапазонов огибать земную поверхность требует для радиосвязи обеспечения геометрической видимости между передающей и приемной антеннами. Как видно из рисунка 4, а и 4, б для выполнения этого условия необходимы достаточно высокие антенны.

Поскольку волны отражаются от земной поверхности, в месте приема, как видно из рисунка 4, в, возможна интерференция лучей, как следствие возникают интерференционные замирания и искажения передаваемых сообщений. При сравнительно высокой мощности передатчиков дальность связи может значительно превышать показанную на рисунке 8.4,б.

Рис. 4 а Распространение волн ОВЧ, УВЧ и СВЧ диапазонов

Рис. 4 б Распространение волн ОВЧ, УВЧ и СВЧ диапазонов

Рис. 4 в Распространение волн ОВЧ, УВЧ и СВЧ диапазонов

Влияние неровностей земной поверхности и различия почв на нижние слои воздуха, различие и соответственно неодинаковое влияние растительного покрова на отдельных участках территории, над которой распространяются волны, приводит к образованию в атмосфере зон с различной температурой и влажностью. Наличие рек, водоемов, поселков и инженерных сооружений также приведет к образованию в атмосфере зон с различной температурой и влажностью, локальных потоков воздуха и т.п.

В этих зонах, возникающих на высотах до нескольких километров, происходит рассеяние волн, как это схематически показано на рисунке 4, г.

Рис. 4 г Распространение волн ОВЧ, УВЧ и СВЧ диапазонов

В этом случае часть энергии волн достигает пунктов, отстоящих от передающей антенны на расстояние, в несколько раз превосходящее дальность геометрической видимости.

При значительной мощности передатчика остронаправленных антеннах и приемнике с высокой чувствительностью рассеяние волн в тропосферных неоднородностях на высотах 2-3 км позволяет получить радиосвязь на расстояниях в сотни километров, что в 5-10 раз больше расстояния геометрической видимости.

Неоднородности существуют и на больших высотах в ионосфере, здесь они проявляются в неравномерности концентрации свободных электронов и в них тоже происходит рассеяние волн. При достаточно большой мощности передатчика ионосферное рассеяние волн позволяет получить устойчивую радиосвязь на расстояниях 1- 2 тысячи км.

Существуют и другие виды дальнего распространения волн преимущественно диапазонов УВЧ и СВЧ Они проявляются при образовании в атмосфере протяженных и сравнительно четко выраженных неоднородностей в виде слоя. Волны распространяются внутри подобного слоя, последовательно отражаясь от его границ либо между поверхностью земли и нижней границей слоя [27].

Литература

1. Мухин А.М. и др. Энциклопедия мобильной связи. В 2-х томах.

Том 1. Системы связи подвижной службы общего назначения. / СПб: Наука и техника, 2001.

2. Печаткин А.В. Системы мобильной связи. Часть 1. Принципы организации и частотного планирования систем мобильной связи. РГАТА. Рыбинск, 2008. 122 с.

3. Бушуй Л.А. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн: Методические указания по изучению теоретического курса раздела «Распространение радиоволн». Оренбург: ГОУ ОГУ, 2003. 41 с.

4. Шабунин С. Н., Лесная Н. Н. Распространение радиоволн в мобильной связи.// Методические указания по курсу «Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства в системах мобильной связи». Екатеринбург. УГТУ. 2000. 38 с.

Размещено на Allbest.ru