|
|
реферат. Реферат по дисциплине Информатика Выполнила студентка Нмколаев Сергей Никифорович Подпись Дата
Поверхностные волны на КВ имеют малое значение, поскольку рефракция выражена слабо (поле волны быстро затухает); рассеяние КВ в нижних участках тропосферы также заметно не проявляется.
Основными для КВ являются пространственные волны, отражаемые слоем F (R = 14 - 380 км). Потери энергии КВ в ионосфере невелики, если правильно выбрать рабочую частоту. Поэтому здесь можно добиться уверенной связи практически на любые расстояния. Такие связи можно поддерживать с помощью сравнительно маломощных передатчиков.
В дневные часы (при больших R) применяют волны от 10 до 25 м (при максимальной ионизации в слое F), в ночные от 35 до 65 - 70 м (отсутствие поглощения в нижних слоях ионосферы (до h = 60 - 90 км - слой Д, исчезающий ночью), ионизация же верхних слоев ночью для этих длин волн достаточна).
Волны с l = 25 - 35 м применяются в сумеречное время, такое деление - явно условно и зависит от времени года, солнечной активности, географического положения лини радиосвязи (границы между данными поддиапазонами могут претерпевать изменения).
Для обеспечения космической связи выбирают диапазон волн, не поглощаемый в тропосфере и свободно проникающий через ионосферу.
Со стороны НЧ этот диапазон ограничен значениями максимально применимой частоты для наземных станций. Среднее значение нижней границы диапазона при радиосвязях с ИСЗ составляет около 10 МГц, которое в период повышенной солнечной активности может достигать 80 - 100 МГц для средней полосы и снижается до 2 МГц для полярных районов в период полярных ночей.
Со стороны ВЧ-диапазона - волны не короче 3 см, чтобы избежать потерь в тропосфере. Однако имеются окна прозрачности и в оптическом диапазоне, потому и этот диапазон представляется перспективным.
При радиосвязи с орбитальными ИСЗ обычно используют КВ (20 МГц), метровые (
14 - 150 МГц), далее дециметровые и сантиметровые, вплоть до 5 см.
При прохождении через ионосферу происходит вращение плоскости поляризации радиоволн. При использовании на передающей и приемной сторонах антенн для плоско-поляризованных волн из-за этого явления возникают дополнительные потери энергии. Для борьбы с ними на частотах до 7 000 МГц применяют антенны с круговой поляризацией на обеих сторонах лини связи. Выше этой частоты с такими потерями можно не считаться.
При осуществлении радиосвязи между космическими аппаратами наиболее приемлемы миллиметровые и оптические диапазоны длин волн.
Оптические ретрансляторы
В оптических системах, как и в РРЛ, ретрансляция обеспечивает усиление сигнала и дополнительно (при цифровой передаче) может восстанавливать форму импульсов, уменьшать уровень шумов и устранять ошибки (такой ретранслятор называется регенеpaтopoм).
По методу усиления оптического сигнала ретрансляторы подразделяются на повторители и оптические усилители.
Ретрансляторы детектируют оптические сигналы, преобразуют их в электронные сигналы, отделяют от них шумы и вновь ретранслируют в виде оптических сигналов, обычно с использованием электронных устройств.
Повторителизанимают некоторое промежуточное положение между оптическими усилителями и регенераторами. С приходом полностью оптических усилителей использование повторителей в оптических сетях перестало быть повсеместным.
Электронно-оптический повторитель сначала преобразует оптический сигнал в электрическую форму, усиливает, корректирует, а затем преобразует обратно в оптический сигнал.
Можно представить повторитель как последовательно соединен-ные приемный и передающий оптические модули. Аналоговый повторитель, в основном, выполняет функцию усиления сигнала и вместе с полезным сигналом усиливает входной шум. При цифровой передаче повторитель вместе с функцией усиления выполняет функцию регенерации сигнала, поэтому блок регенерации содержит цепь принятия решения и таймер.
В блоке регенерации восстанавливается прямоугольная форма импульсов, устраняется шум, ресинхронизируется передача так, чтобы выходные импульсы попадали в соответствующие тайм-слоты.
В локальных волоконно-оптических системах связи (ВОСС) повторители (в качестве ретрансляторов) распространены больше, чем оптические усилители, хотя при построении оптических магистралей оптические усилители незаменимы.
Традиционные ВОСС используют повторители-регенераторы, повышающие мощность сигнала (рис. 4). Хотя такие системы работают хорошо, они являются весьма дорогими и не позволяют наращивать пропускную способность линии.
Рис. 4
Потери мощности в линии чаще компенсируются оптическим усилением на активном волокне, так называемые эрбиевы усилители (Erbium-Doped Fiber Amplifier - EDFA). Такое «прозрачное» усиление не привязано к битовой скорости сигнала, что позволяет передавать информацию на более высоких скоростях и наращивать пропускную способность до тех пор, пока не начнут влиять хроматическая и поляризационная модовая дисперсии. Усилители EDFA также способны усиливать многоканальный сигнал, добавляя еще одно измерение в пропускную емкость. Оптический усилитель этого типа наиболее широко распространен и является основным элементом в технологии полностью оптических сетей, поскольку он позволяет усиливать сигнал в широком спектральном диапазоне.
На рис. 5 приведена схема такого усилителя, в которой слабый входной оптический сигнал (1) проходит через оптический изолятор (2), пропускающий свет в прямом направлении (слева направо), но не пропускающий рассеянный свет в обратном направлении, далее проходит через блок фильтров (3), которые блокируют световой поток на длине волны накачки, но прозрачны к длине волны сигнала. Затем сигнал попадает в катушку с волокном, легированным примесью из редкоземельных элементов (4). Длина такого участка волокна составляет несколько метров. Этот участок волокна подвергается сильному непрерывному излучению полупроводникового лазера (5), установленного с противоположной стороны, с более короткой длиной волны накачки. Свет от лазера накачки - волна накачки (6) - возбуждает атомы примесей.
Рис. 5
Возбужденные состояния имеют большое время релаксации, чтобы спонтанно перейти в основное состояние. Однако при наличии слабого сигнала происходит индуцированный переход атомов примесей из возбужденного состояния в основное с излучением света на той же длине волны и с той же самой фазой, что и повлекший это сигнал. Селективный разветвитель (7) перенаправляет усиленный полезный сигнал (8) в выходное ОВ (9). Дополнительный оптический изолятор на выходе (10) предотвращает попадание обратного рассеянного сигнала из выходного сегмента в активную область EDFA.
Активной средой EDFA является одномодовое волокно, сердцевина которого легируется примесями редкоземельных элементов с целью создания трехуровневой атомной системы.
Хотя оптический сигнал, генерируемый исходным лазерным передатчиком, имеет вполне определенную поляризацию, все остальные узлы на пути следования оптического сигнала, включая оптический приемник, должны проявлять слабую зависимость своих параметров от направления поляризации.
В этом смысле оптические усилители EDFA, характеризуясь слабой поляризационной зависимостью коэффициента усиления, имеют ощутимое преимущество перед полупроводниковыми усилителями.
Различают три типа усилителей, в зависимости от участков сети, на которых они располагаются. Для усиления сигнала перед тем, как он поступит в сеть, непосредственно за передатчиком устанавливаются постусилители. Для компенсации ослабления сигналов через каждые 80 - 100 км ВОЛС устанавливаются линейные усилители. Предусилители, назначением которых является усиление сигнала до уровня мощности в пределах чувствительности приемного устройства, размещаются непосредственно перед приемником (рис. 32).
Рис. 6
Линейные усилителиустанавливаются в промежуточных точках протяженных линий связи между регенераторами или на выходе оптических разветвителей с целью компенсации ослабления сигнала, которое происходит из-за затухания в оптическом волокне или из-за разветвления в оптических разветвителях, ответвителях, мультиплексорах. Линейные усилители заменяют оптоэлектронные повторители и регенераторы в тех случаях, когда нет необходимости в точном восстановлении формы сигнала.
Усилители мощности(бустеры) устанавливаются непосредственно после лазерных передатчиков и предназначены для дополнительного усиления сигнала до уровня, который не может быть достигнут на основе лазерного диода. Бустеры могут также устанавливаться перед оптическим разветвителем, например, при передаче нисходящего трафика в гибридных волоконно-коаксиальных системах кабельного телевидения.
В отличие от регенераторов, оптические усилители вносят дополнительный шум, который необходимо учитывать. Поэтому, наряду с коэффициентом усиления, одним из важных параметров EDFA является коэффициент шума.
Лучший способ получения устройства с низкошумящими характеристиками, как и в случае радиочастотных усилителей, состоит в использовании низкошумящего усилителя с большим усилением в первом каскаде и шумящего усилителя высокой мощности во втором каскаде. Первый каскад определяет также шумовую характеристику многокаскадного усилителя.
Предварительные усилители(предусилители) устанавливаются непосредственно перед приемником регенератора и способствуют увеличению отношения сигнал/шум на выходе электронного каскада усиления в оптоэлектронном приемнике. Оптические предусилители часто используются в качестве замены сложных и обычно дорогих когерентных оптических приемников.
Особенности лазерных атмосферных систем связи
В отличие от ВОСС лазерные атмосферные системы связи имеют значительное и труднопрогнозируемое затухание информационного сигнала на трассе, которое складывается из двух основных составляющих:
затухания за счет рассогласования источника излучения и его приемника;
затухания за счет поглощения и рассеивания оптического излучения в атмосфере.
Отметим их некоторые особенности.
Основным процессом, сопровождающим распространение инфракрасного (ИК) оптического излучения в атмосфере, является его селективное поглощение парами воды, углекислым газом, а также рассеяние мельчайшими частицами, находящимися во взвешенном состоянии в атмосфере. В диапазоне длин волн свыше 1 мкм и на высотах до 12 км наибольшее значение имеет селективное поглощение оптического излучения молекулами водяных паров и углекислого газа.
Концентрация водяных паров в атмосфере является переменной, зависящей от географического положения, высоты, времени года и т.п. С увеличением высоты содержание водяного пара в атмосфере резко уменьшается и на высоте свыше 12 км оно фактически равно нулю.
Сильные полосы поглощения ИК-излучения соответствуют примерно следующим длинам волн: 0,51; 0,7; 0,9; 1,16; 1,3 мкм и т.д. (более дальний оптический диапазон сегодня не используется). Соответственно «окна прозрачности» (где коэффициент пропускания атмосферы τпр = τпр(λ)/τпр.max максимален и составляет 0,6…0,9) располагаются на длинах волн: 0,95; 1,15; 1,5…1,8 мкм.
Для расчета поглощения излучения водяным паром введено понятие «количество осажденной воды», измеряемое толщиной слоя воды (мм), которое получится, если осадить всю воду из оптической трассы с заданной толщиной слоя атмосферы по длине канала.
Кроме поглощения поток ИК-излучения рассеивается молекулами воздуха (молекулярное рассеяние) и различными частицами, взвешенными в воздухе: пыль, кристаллы солей, остатки продуктов сгорания, капли воды и кристаллы льда (аэрозольные рассеяния).
В то время как коэффициенты пропускания атмосферой монохроматического потока ИК-излучения с учетом молекулярного рассеяния могут быть рассчитаны достаточно точно, расчет коэффициента пропускания потока с учетом аэрозольного рассеяния с необходимой для практики точностью невозможен, так как для этого необходимо знать количество, размеры, форму и состав вещества аэрозольных частиц, на которых происходит рассеяние ИК-излучения. Кроме того, так как в качестве излучателя атмосферного передатчика могут использоваться некогерентные излучающие диоды, то, соответственно, и поток ИК-излучения не является в чистом виде монохроматическим.
Учитывая сказанное выше, рассеяние ИК-излучения в «окнах прозрачности» уточняют на основании экспериментальных исследований. Следует отметить, что в соответствии с теорией взаимодействия лучистого потока с частицами, взвешенными в воздухе, он обтекает частицы (т.е. не происходит рассеяния), если длина волны потока больше диаметра частицы. Другими словами, чем длиннее волна лучистого потока, тем меньше аэрозольное рассеяние. При расчетах коэффициента рассеяния τрас вводится понятие метеорологической дальности видимости Iмет, которая характеризует замутненность атмосферы и представляет собой наибольшую дальность видимости для темных предметов с угловыми размерами, большими 4, проектирующихся на фоне неба у горизонта. Значения коэффициента τрас при различных длинах волн и Iмет можно определить из справочников.
Туман и облака сильно рассеивают ИК-излучение; имеющиеся экспериментальные данные по прохождению ИК-излучения через туман и облака относятся к ИК-технике ночного видения, тепловидения и т.п. С другой стороны, при работе лазерных атмосферных систем связи затухание в облаках можно не учитывать, а туман (особенно в городских условиях) - явление эпизодическое. В условиях же дождя, снега, аэрозольной пыли (при правильно выбранной оптической мощности передатчика и чувствительности оптоэлектронного приемника) такие системы должны работать безотказно.
Космические системы радиосвязи
Успешная эксплуатация систем передачи информации «Земля-Земля» через активные спутники-ретрансляторы («Молния», «Экран», «Стационар» и др.) показала их высокую эффективность. Как и в наземных РРЛ, при ретрансляции сигнала через ИСЗ теоретически возможны два основных метода ретрансляции: пассивный и активный.
Пассивный космический ретранслятор представляет собой металлическое зеркало, отражающее передающие на него радиоволны. Однако доля отраженной энергии ничтожно мала и применимость таких систем реальна лишь при низких орбитах и для узкополосных сигналов.
Активные ретрансляторы на ИСЗ подобны рассмотренным выше и позволяют осуществлять телевизионные мосты между континентами, обеспечивать прием ТВ-программ в любом уголке страны.
РРС на ИСЗ работают в условиях, которые невозможны для наземных РРС: вибрации, удары и ускорение при запуске; отсутствие обслуживающего персонала в течение всего времени эксплуатации; ограничение габаритов, веса и мощности; наличие ионосферы; воздействие интенсивной радиации (при прохождении через радиационные полосы Земли); отсутствие воздуха, влаги, большие перепады температур.
Одним из первых ИСЗ является «Молния-1» (апогей - 40 000 км в Северном полушарии; перигей - 500 км в Южном; наклон орбиты 65О, период обращения 12 час). При первом обороте (с юга на север пересечение на 60О восточной долготы и 120О западной долготы) апогей над центром Красноярского края обеспечивал одновременную связь Москва - Дальний Восток в течение примерно 9 часов, а при втором - на севере Гудзонова залива. Первая ТВ-связь Москва - Владивосток через ИСЗ «Молния-1» проведена 21.04.65 г.; передача велась методом временного уплотнения.
В США - первая трансляция ТВ через ИСЗ «Тельстар» осуществлена в 1962 г. (параметры орбиты - 5 645 км на 951 км), мощность Р = =2 Вт, полоса Df = 4,6 МГц, длительность сеанса с Европой - 20 минут за оборот.
Ретрансляторы выполняются по супергетеродинной схеме с усилителем мощности на ЛБВ. Мощность выходного каскада при передаче ТВ-программы 40 Вт. Кроме работающего на ИСЗ установлены два резервных ретранслятора, а аппаратура станции размещена в цилиндрическом герметизированном корпусе с коническими днищами, внутри которого поддерживается необходимые давление и температура.
На ИСЗ установлено две одинаковых параболических антенны: основная и резервная. Угол направленности антенн несколько превышает телесный угол, под которым видна Земля со спутника. В ходе сеанса связи основная антенна непрерывно ориентируется на центр Земли при помощи специального устройства слежения. Кроме указанной аппаратуры на ИСЗ имеются: командно-измерительный комплекс; системы ориентации и корректировки; корректировочная двигательная установка; программно-временное устройство; система коммутации; терморегуляторы и системы дозиметрии (рис. 7).
Рис. 7
В табл. 2 приведены существующие и прогнозируемые мощности передатчиков РРС на ЛБВ и транзисторах для перспективных малошумящих усилителей (для транзисторов применяется их параллельное включение 10 - 16 штук на общую нагрузку, увеличение их количества далее, эффекта не дает).
Таблица 2
Gпер
|
Допустимая мощность ИСЗ-ретранслятора (Вт), при Df, Гц
|
|
103
|
104
|
105
|
106
|
107
|
108
|
100
|
0,1
|
0,25
|
2,5
|
25
|
250
|
2 500
|
1 000
|
0,01
|
0,025
|
0,25
|
2,5
|
25
|
250
|
Контроль состояния и работы всех систем спутника ведется специальной телеметрической аппаратурой. С помощью бортового и наземного командно-измерительных комплексов определяются траектория полета и параметры спутника. Этой же аппаратурой передаются команды, управляющие работой отдельных систем, что осуществляется бортовым программно-вычислительным устройством.
Надежность работы приемника-передатчика достигается использованием системы автоматического резервирования.
Усиленный сигнал идет в устройство разделения каналов по временному или частотному принципу. Далее связные каналы через устройство объединения каналов поступают непосредственно на бортовой передатчик, работающий в режиме ЧМ.
Команды управления после разделительного устройства декодируются и управляют работой соответствующих бортовых систем. Одна из команд включает бортовой передатчик для проведения сеанса связи или передачи телевизионной программы.
Аппаратура собственно ретранслятора, включаемого в канал связи, представляет собой ретранслятор (гетеродинного типа) без демодуляции приходящих сигналов. Ретранслятор рассчитан на работу в двух режимах: дуплексном (телефонном) и симплексном (телевидение).
|
|
|
Скачать 144.92 Kb.