Системы связи, работающие в диапазонах низких, средних и высоких частот
| Вид материала | Документы |
- Перескок частот, 98.53kb.
- Заглушённая камера, 606.72kb.
- План проведения электива для клинических ординаторов "Применение высоких и низких температур, 84.57kb.
- Выголов Сергей Севастопольский национальный технический университет, 78.35kb.
- Решение от 16 сентября 2000 г. N 21/2, 40.59kb.
- Правила закаливания детей Закаливание детей необходимо для того, чтобы повысить, 52.49kb.
- Лекция час, 92.4kb.
- Лекция час, 93.19kb.
- 1. Радиоприемник, 845.17kb.
- И. О. Шинский, к т. н., В. С. Дорошенко, к т. н., О. И. Шинский, д т. н., И. Т. Соловко,, 327.56kb.
Этапы и перспективы развития систем радиосвязи, работающих в диапазонах НЧ, СЧ и ВЧ
Многие принципы построения систем радиосвязи, которые позже широко использовались при создании современных систем радиорелейной, спутниковой и подвижной радиосвязи, были установлены при проведении разработок систем ВЧ связи. Системы ВЧ связи в течение нескольких десятилетий были единственным средством создания линий дальней радиосвязи, и поэтому они нашли широчайшее применение во всем мире. Это вызвало чрезмерную загрузку ВЧ диапазона и серьезно обострило проблему помех между различными системами связи, работающими в этом диапазоне частот. Основные этапы развития таких систем состоят в следующем.
Первые двадцать лет XX столетия - в этот период закладываются основные принципы построения передающих, приемных и антенных радиотехнических устройств.
20-30-е годы - создаются радиолинии с применением буквопечатающей телеграфной многоканальной аппаратуры с ВУ и ЧУ, разрабатываются системы разнесенного приема, существенно повышающие надежность радиосвязи, осваивается диапазон ВЧ и внедряются многоканальные системы с ОБП, по которым передаются сигналы телефонии, фототелеграфии и телеграфии.
40-е годы - создаются системы передачи цифровых сигналов с применением ЧМн и ДЧТ.
50-е годы - создаются системы радиосвязи с повышенной помехоустойчивостью и надежностью: системы ВЧ связи с автозапросом информационных блоков, в которых на приеме были обнаружены ошибки (ARQ), системы ионосферного и метеорного рассеяния, система "Рейк", использующая широкополосные сигналы для разделения отдельных лучей в многолучевом канале (последние три вида систем широкого практического применения в ВЧ связи не получили).
60-70-е годы - создаются системы типа "Линкомпекс", в которых для повышения качества приема сигналов телефонии применяется глубокая компрессия речевого сигнала и передача его огибающей с помощью ЧМ на поднесущей; в ВЧ связи начинается применение вокодеров; разрабатываются системы типа "Кинеплекс" и системы с адаптивной коррекцией межсимвольной интерференции; создается система "Пиколо", в которой применялись многопозиционные сигналы.
80-е годы - создаются цифровые системы ВЧ связи, обеспечивающие аппаратными средствами, встроенными в приемопередающую аппаратуру, возможность автоматически регулировать (в соответствии с изменениями состояния ионосферы) рабочую частоту и настройку антенн; в этих системах применяются высокоскоростные модемы с адаптивной коррекцией переходной характеристики многолучевого канала связи и осуществляется адаптация к уровню радиопомех в канале связи. В будущем, по-видимому, диапазон ВЧ станет использоваться только для звукового вещания, а также, в некоторых случаях, для организации подвижной связи в регионах с низкой плотностью населения. Потребности в линиях связи, работающих в диапазонах частот ниже 50-60 МГц, значительно уменьшатся из-за развития современных средств радиосвязи, обладающих гораздо более высокой надежностью и пропускной способностью, - радиорелейных и особенно спутниковых систем абонентского доступа.
Радиорелейные линии связи
Принцип релейной связи, позволяющий организовать передачу сообщений на значительные расстояния путем ее переприема в промежуточных пунктах, известен с глубокой древности. Релейная линия связи состоит из цепочки последовательно соединенных однопролетных соединительных линий, в которой на промежуточных пунктах может происходить выделение передаваемых по линии сообщений, их ретрансляция или введение новых сообщений. Первая государственная сеть релейных станций подобного рода - оптический телеграф Шаппа - была создана во Франции еще в XVIII веке. После изобретения радио в 20-х годах XX века инженеры начали предлагать создание систем радиорелейной связи.
По-видимому, первый патент на систему радиорелейной связи был получен в СССР в 1921 году В. И. Коваленковым. В 1923 году в США компанией RCA создается первая двухпролетная радиорелейная линия (РРЛ), работающая на частоте 182 кГц. В ней применялась ОБП, и она служила для передачи сигналов телеграфии. В 1929 году М. А. Бонч-Бруевичем был разработан проект радиорелейной линии связи для передачи радиотелефонных сообщений на ВЧ. Однако серьезное развитие радиорелейная связь получает только с освоением диапазона метровых волн.
В 1931 году в диапазоне метровых волн создается первая однопролетная линия прямой видимости (РРЛ) через пролив Па-де-Кале. В СССР в 1932-1934 годах также была разработана приемопередающая аппаратура, работающая на метровых волнах, и созданы опытные линии связи Москва - Кашира и Москва - Ногинск. В США в 1934 году была построена РРЛ для передачи ТВ сигналов, полоса которых составляла 250 кГц. Эта РРЛ работала на частоте 100 МГц.
С 1939 года для передачи как сигналов ТВ, так и сигналов телефонии начали создаваться РРЛ с ЧМ. Для передачи многоканальной телефонии в таких системах применялось частотное уплотнение. В 1940 году была создана семиканальная РРЛ между Миланом и Кампо-дель-Фиоре (Италия), работающая на частоте 500 Мгц. В 40-х годах в США, Великобритании, Франции и Германии были развернуты работы по созданию РРЛ с ЧМ, по которым можно было передать до десяти телефонных (ТФ) каналов.
Наряду с разработкой радиорелейных многоканальных систем, использующих непрерывные виды модуляции, выдвигаются идеи применения в радиорелейной связи импульсных видов модуляции (ИМ) и временного разделения каналов. Интересно отметить, что эти идеи появляются еще задолго до того, как становится возможной и актуальной их реализация. Достоинством систем с ИМ является простота оборудования для объединения и разделения отдельных каналов.
Одна из первых идей о применении ИМ для передачи непрерывных сообщений была высказана еще в 1919 году И. Г. Фрейманом, предложившим использовать для осуществления такого преобразования катодно-лучевую трубку. Академик А. Л. Минц в 1930 году получил авторское свидетельство на импульсную систему радиотелефонной связи с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Экспериментальная система многоканальной связи с амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ) испытывалась в СССР в 1937 году.
С середины 40-х годов начинают применяться многоканальные РРЛ с импульсными видами модуляции (РРЛ-ИМ). Первая подобная восьмиканальная система, работающая в диапазоне 5 ГГц, была создана фирмой Вестерн-Электрик в 1944 году.
Разработка и внедрение РРЛ-ИМ в СССР начались с 1945 года. Значительную роль в этом сыграли работы В. И. Сифорова, Н. М. Изюмова, Я. Д. Ширмана, Ф. П. Липсмана, Г. В. Длугача, С. В. Бородича, Г. А. Малолепшего и других. В СССР выпускались РРЛ-ИМ с импульсно-фазовой модуляцией с числом ТФ каналов от одного до двадцати четырех. Эти РРЛ работали в диапазонах частот от 70 до 2000 МГц.
Оборудование РРЛ, предназначенных для передачи сигналов ТВ и большого числа ТФ каналов, создавалось на основе применения ЧМ и ЧУ. Первое отечественное оборудование "Краб" в метровом диапазоне, разработанное в 1953-1954 годах, было использовано для создания РРЛ Красноводск - Баку. Позже была создана двенадцатиканальная аппаратура "Стрела-П", использующая полосу частот 1600-2000 МГц. В 1958 году была разработана первая отечественная РРЛ с ЧМ - Р60/120, работавшая в диапазоне 2 ГГц и позволявшая передавать до 120 ТФ каналов или один канал телевидения. В создании отечественных РРЛ значительную роль сыграли ведущие специалисты Научно-исследовательского института радио: В. А. Смирнов, Е. С. Штырен, С. В. Бородич, В. П. Минашин, А. В. Соколов, Н. Н. Каменский и другие. Аналоговые РРЛ с ЧМ получили весьма широкое распространение во всем мире и постепенно осваивали диапазоны 4, 6, 8 и 11 ГГц.
В начале 50-х годов была открыта возможность создания систем связи, использующих механизм распространения радиоволн путем тропосферного рассеяния. Эти системы давали возможность создания тропосферных РРЛ (ТРРЛ), в которых расстояние между соседними станциями значительно превосходило расстояние между соседними станциями РРЛ прямой видимости и доходило до 800 километров. Это позволяло развертывать такие линии в малонаселенных и труднопроходимых регионах, в которых создание РРЛ прямой видимости оказывалось невозможным либо очень дорогостоящим.
В ТРРЛ протяженность одного пролета составляла 200-600 километров, применялись антенны с большим коэффициентом усиления (до 40 дБ), мощные передатчики (до 10 кВт) и разнесенный прием. Эти системы создавались в диапазоне частот 800-4000 МГц. Их пропускная способность доходила до ста пятидесяти телефонных каналов. В 1957 году была созданы ТРРЛ между Испанией и Италией, США и Канадой, а также в других странах.
В СССР первую отечественную аппаратуру ТРРЛ создали в 1963 году. На этом оборудовании была построена сеть ТРРЛ "Север" протяженностью 14 000 километров. Ее пропускная способность составляла 60 ТФ каналов. Эта сеть постоянно модернизировалась, и в 1981 году ее пропускная способность возросла до ста двадцати ТФ каналов. Инициатором и руководителем первых работ по созданию отечественных ТРРЛ был С. В. Бородин. В этих разработках активно участвовали И. А. Гусятинский, А. С. Немировский, И. С. Цирлин, В. В. Плеханов, Г. М. Холодилин и другие. С развитием систем спутниковой связи значение ТРРЛ для организации связи в отдаленных районах уменьшилось.
Во второй половине XX столетия начинают разрабатываться и внедряться системы связи, в которых применяются цифровые методы передачи сигналов. В России на основе изобретения Л. А. Коробкова в 1947 году создается цифровая двенадцатиканальная однопролетная цифровая линия связи Москва - Раменское протяженностью 30 километров, в которой применялась дельта-модуляция. Этот год можно считать началом создания цифровых систем многоканальной радиосвязи, которые в конце XX века начали интенсивно внедряться во все сферы электросвязи. В 1948 году фирма "Белл" создала первую экспериментальную многоканальную цифровую систему связи с ИКМ.
Начиная с середины 70-х годов начинают создаваться цифровые РРЛ, позволяющие в одном стволе передавать цифровые потоки со скоростью 2, 8, 32 Мбит/с.
На первом этапе для внедрения цифровых методов передачи использовались существующие аналоговые РРЛ с ЧМ, для которых разрабатывались специальные модемы, позволяющие с использованием двухполярной либо четырехуровневой модуляции со скремблированием передать один либо два цифровых потока со скоростью передачи 8 Мбит/с в нижней части группового спектра РРЛ. Были разработаны также модемы, с помощью которых, одновременно с аналоговыми сигналами многоканальной телефонии или ТВ, на поднесущей, расположенной выше спектра аналогового сигнала, цифровые сигналы передавались методом ОФМ со скоростью передачи 2 Мбит/с.
В США первая цифровая РРЛ с ИКМ была создана в 1962 году. В СССР первые цифровые РРЛ с ИКМ в диапазоне частот выше 10 ГГц начали создаваться в 1978 году. В цифровых РРЛ первого поколения для передачи сигналов применялись простые методы модуляции: ЧМн, ОФМ либо ДОФМ.
На современном этапе развития систем фиксированной радиосвязи быстрыми темпами происходит внедрение цифровых методов передачи сообщений. Такие радиосистемы в ряде случаев оказываются экономически существенно эффективнее по сравнению с кабельными и оптоволоконными системами.
Имеются четыре вида основных применений РРЛ, для которых в последние двадцать лет в ряде стран был налажен выпуск оборудования.
Создание достаточно протяженных магистральных систем высокоскоростной связи со скоростью передачи вплоть до 622 Мбит/с. В современных магистральных РРЛ широко применяется КАМ и РКМ, обладающие весьма высокой помехоустойчивостью. Для увеличения спектральной эффективности таких систем в них начиная с 80-х годов, применяются адаптивные компенсаторы межсимвольных помех. Кроме того, в этих системах используется уплотнение имеющихся частотных каналов по поляризации и для устранения возникающих при этом кросс-поляризационных помех применяются адаптивные компенсаторы. Такие РРЛ обычно используют диапазоны частот 1-14 ГГц.
Создание линий связи для поддержки определенной инфраструктуры (например, для подключения базовых станций сотовых сетей связи к мобильному коммутатору, подачи ТВ программ на головные станции систем кабельного ТВ, соединения широкополосными радиолиниями большого числа терминалов, расположенных внутри здания на ограниченной площади, и т. п.). Такие линии обычно создаются в диапазонах частот 14-38 ГГц.
Создание сетей абонентского доступа, предназначенных для непосредственного подключения абонентов к сети телефонной связи общего пользования (ТФОП). Подобные РРЛ создаются в диапазонах частот 14-60 ГГц. В сельских районах с низкой плотностью населения, когда эта сеть должна охватывать значительный регион, для ее создания могут использоваться полосы частот в диапазоне ниже 1 ГГц. Для создания сетей абонентского доступа используются сотовые РРЛ и системы связи типа пункт - много пунктов (П-МП).
В сотовых РРЛ применяется МДВР, и их базовые станции (БС) разворачиваются в отдельных населенных пунктах на обширных территориях в регионах с низкой плотностью населения. Расстояния между БС может составлять несколько десятков километров. В этих сетях в зонах обслуживания БС предусмотрена возможность беспроводного доступа групп абонентов к отдельным каналам каждого из радиостволов РРЛ. В этих зонах устанавливаются и ретрансляционные станции, с помощью которых осуществляется объединение БС в единую сеть, подключенную к сети ТФОП. С помощью подобных систем возможно подключение к районным автоматическим телефонным станциям (АТС) до 60 тысяч абонентов, проживающих на территории 20-30 тысяч квадратных километров. Данные системы нашли широкое применение для организации связи в сельских районах с низкой плотностью населения во многих странах.
Системы связи типа П-МП могут использоваться как для создания сетей широкополосного абонентского доступа к автоматическим телефонным станциям, так и для подключения территориально распределенных компьютерных сетей к центральному серверу и т. п. Подобные системы находят применение как в городах, так и в сельских районах.
К системам типа П-МП относятся и системы распределения ТВ программ центральной станции как непосредственно к абонентам, так и к головным станциям кабельного ТВ. Такие системы были разработаны в диапазонах 2. 5 и 29 ГГц. Первая из них - MMDS (Multichannel Multipoint Distribution Systems) - имеет радиус зоны обслуживания до 40 километров, и в ней используется AM. Она является аналоговой и имеет 33 канала шириной 6 МГц. Вторая - LMDS (Local Multipoint Distribution Systems) -имеет радиус зоны обслуживания до 6 километров, и в ней используется ЧМ. Она занимает полосу частот 2 ГГц и имеет значительно большую емкость по сравнению с системой MMDS.
В Европе в диапазоне 40 ГГц была разработана весьма перспективная система MVDS (Multipoint Video Distribution Systems), аналогичная системе LMDS. В этой системе в зоне обслуживания одной базовой станции для каждого абонента можно организовать передачу 24 широкополосных (40 МГц) каналов.
В настоящее время системы MMDS, LMDS и MVDS усовершенствованы, и в них появилась возможность организации обратного канала связи от абонентов к центральной станции, что значительно расширяет возможности этих систем, так как появляется возможность их использования для подключения абонентов к ТФОП, к сети Интернет, предоставления интерактивных услуг и т. п.
Организация локальных соединительных сетей связи внутри помещений. Такие системы позволяют заменять кабельные линии связи, при необходимости устанавливать множественные широкополосные соединения между разными видами оборудования, расположенного на небольших (до 500 м) расстояниях друг от друга. В Европейском институте телекоммуникационных стандартов (ETSI) в диапазоне 5 и 17 ГГц в 1998 году разработана система Hiperlan (High Perfomance Radio Local Area Network). В ней возможна передача данных на больших скоростях: 10, 25 Мбит/с и выше. В данной системе возможна организация связи подвижных терминалов между собой без использования базовых станций или какой-либо другой фиксированной инфраструктуры. Это весьма ценно при установлении временных соединений или в случаях, когда невозможно установить фиксированное оборудование. Аналогичные системы, работающие в диапазонах 2. 4 и 5 ГГц, разработаны в США.
Хронология
| 1921 год | Изобретение радиотрансляций для передачи сигналов на большие расстояния (СССР - В. И. Коваленков). |
| 1923 год | Создание первой в мире двухпролетной РРЛ с AM для передачи сигналов телеграфии (США). |
| 1929 год | Разработка технического проекта радиорелейной системы связи на ВЧ (СССР - специалисты Нижегородской радиолаборатории под руководством М. А. Бонч-Бруевича). |
| 1931 год | Создание первой однопролетной РРЛ прямой видимости для передачи сигналов телефонии через пролив Па-де-Кале (Франция - Великобритания). |
| 1934 год | Создание РРЛ для передачи ТВ сигналов (США). |
| 1937 год | Создание экспериментальной системы многоканальной связи с АИМ (СССР - С. Н. Кокурин). |
| 1939 год | Создание многоканальной РРЛ с ЧМ для передачи сигналов ТВ и телефонии (США). |
| 1940 год | Создание семиканальной РРЛ между Миланом и Кампо-дель-Фиоре, работающей на частоте 500 Мгц (Италия). |
| 1944 год | Создание в диапазоне 5 ГГц восьмиканальной РРЛ с ФИМ (США - фирма "Вестерн-Электрик"), |
| 1947 год | Создание первой в мире двенадцатиканальной цифровой РРЛ с дельта-модуляцией и ВУ (СССР - Л. А. Коробков). |
| 1948 год | Создание экспериментальной многоканальной системы передачи сигналов с ИКМ и ВУ по кабельным линиям связи (США). |
| 1950 год | Исследования помехоустойчивости многоканальной системы связи с временной частотно-импульсной модуляцией (СССР - Е. Ф. Тищенко). |
| 1952 год | Исследования помехоустойчивости многоканальной системы передачи сообщений с ФИМ (СССР - Г. В. Длугач). |
| 1954 год | Разработка многоканальной системы с ФИМ-ЧМ (США - С. Метзгер). |
| 1955 год | Создание первой системы связи, использующей механизм рассеяния радиоволн в тропосфере (США). |
| 1958 год | Исследования помехоустойчивости многоканальной системы передачи сообщений с ФИМ-ЧМ (СССР - Г. А. Малолепший). |
| 1962 год | Создание цифровой РРЛ с ИКМ (США, Германия). |
| 1963 год | Создание сети ТРРЛ "Север" (СССР). |
| 1975 год | Разработка модемов для передачи цифровых сигналов по аналоговым РРЛ с ЧМ (США, Канада, Япония, Китай, Франция, Германия, Италия; СССР - В. М. Минкин). |
| 1976 год | Разработка системы MMDS для распределения ТВ программ (США). |
| 1978 год | Разработка и начало внедрения систем фиксированной связи, предназначенных для организации сетей абонентского доступа (США, Франция, Япония). |
| 1978 год | Начало создания в СССР цифровых РРЛ с ИКМ. |
| 1981-1984 годы | Разработка для цифровых высокоскоростных радиорелейных систем адаптивных корректоров межсимвольных помех (США). |
| 1982 год | Разработка и начало внедрения систем фиксированной связи, предназначенных для связи одного пункта с многими пунктами (США, Франция, Япония). |
| 1982 год | Разработка адаптивных компенсаторов кросс-поляризационных помех для РРЛ (США). |
| 1983 год | Разработка цифровых высокоскоростных радиорелейных систем с использованием КАМ (США, Япония). |
| 1984 год | Разработка системы LMDS для распределения ТВ программ (Великобритания). |
| 1989 год | Разработка цифровых высокоскоростных радиорелейных систем с использованием решетчатой кодовой модуляции (РКМ) (США, Япония, Италия). |
| 1989 год | Разработка системы MVDS для распределения ТВ программ (Великобритания). |
| 1997 год | Выделение на ВРК-97 полосы частот 47.2-47.5 ГГц для организации сети РРЛ высокой плотности с помощью стратосферной системы связи (США, Португалия, Италия, Франция). |
| 1998 год | Разработка в диапазонах 5. 3 и 17 ГГц системы Hiperlan (ETSI). |