Bezpłatna biblioteka techniczna ENCYKLOPEDIA RADIOELEKTRONIKI I INŻYNIERII ELEKTRYCZNEJ Fale milimetrowe w systemach komunikacyjnych. Encyklopedia elektroniki radiowej i elektrotechniki Encyklopedia radioelektroniki i elektrotechniki / Cywilna łączność radiowa W naszych czasach następuje szybki proces rozwoju systemów i środków komunikacji, rozwój tradycyjnych i nietradycyjnych pasm fal radiowych, w tym częstotliwości mikrofalowych, w tym fal milimetrowych (MMW). I chociaż ten zakres jest stosunkowo młody w porównaniu z innymi, które zostały opanowane od dawna, obecnie powszechnie uznaje się, że pasmo częstotliwości zajmowane przez MMW znacznie przekracza te, które dotychczas były do dyspozycji ludzkości. Przez długi czas MFW uważano za nieodpowiednie do praktycznego zastosowania, ponieważ nie było zaawansowanych technicznie środków generowania, odbierania, odprowadzania oscylacji mikrofalowych, nie było niezbędnej bazy pierwiastków, a prawa propagacji MFW w niejednorodnej atmosferze ziemskiej nie były dobrze badane. Ponadto niewątpliwie interesujące jest rozważenie trendu w rozwoju i zastosowaniu milimetrowych systemów komunikacyjnych do różnych celów, które znalazły odzwierciedlenie w wielu publikacjach krajowych i zagranicznych. Tworzenie systemów łączności w zakresie fal milimetrowych opiera się na badaniach naukowych dotyczących propagacji tych fal oraz opracowaniu zasad i środków do generowania i odbioru sygnałów mikrofalowych o częstotliwościach powyżej 30 GHz. Znaczący wkład w badania teoretyczne i eksperymentalne w zakresie propagacji MMW wnieśli wybitni naukowcy i specjaliści z wielu krajów świata, w tym z Rosji. I nawet dzisiaj teoria i praktyka ujawniają coraz to nowe zalety stosowania MMW, w szczególności w systemach komunikacyjnych. Należą do nich przede wszystkim zwiększenie wolumenu i szybkości transmisji informacji, propagacja tych fal w niesprzyjającym stanie środowiska, duży zysk anteny przy małej aperturze oraz zwiększona odporność na zakłócenia. Jednak gdy IMW się rozchodzi, sygnał jest osłabiany przez gazy atmosferyczne i hydrometeory, a także depolaryzację promieniowania, zmiany amplitudy i fazy. Ponadto tłumienie sygnału w atmosferze ma tendencję do zwiększania się wraz ze wzrostem częstotliwości i zależy od warunków pogodowych. W atmosferze występują również stałe pasma intensywnej absorpcji fal radiowych z powodu obecności tlenu i pary wodnej. Zjawiska te obserwuje się przy 22,2 GHz (H2O), 60 GHz (O2), 118,8 GHz (O2) i 180 GHz (H2O). W warunkach umiarkowanej wilgotności atmosfery (~7,5 g/m3 przy powierzchni Ziemi) można zaobserwować całkowite tłumienie fal radiowych w niektórych częściach widma (nawet przekraczające 200 dB) podczas ich pojedynczej propagacji pionowej. Praktyczne znaczenie dla komunikacji mają „okna przezroczystości” zidentyfikowane przez naukę przy częstotliwościach około 35, 94, 140 i 220 GHz, w których tłumienie jest minimalne w porównaniu z sąsiednimi sekcjami IMW. Na średnich szerokościach geograficznych z umiarkowaną wilgotnością i temperaturą blisko powierzchni ziemi (20°C), w „oknach przezroczystości” całkowite tłumienie jest niewielkie i przy pojedynczej propagacji pionowej przez atmosferę, np. wynosi 94 dB. Zauważmy, że do niedawna w eksperymentalnych badaniach absorpcji molekularnej nie było statystyk dotyczących różnych poziomów absorpcji. Gromadzenie tych statystyk jest zadaniem bardzo pracochłonnym ze względu na dużą zmienność wartości wilgotności i jej zależność od warunków klimatycznych. Ze względu na stosunkowo dużą absorpcję w atmosferze, SMW określane są jako fale krótkiego zasięgu. Obecnie problem propagacji IMW jest szeroko badany, a wyniki badań i obliczeń teoretycznych absorpcji molekularnej w hydrometeorach atmosferycznych są dość zadowalające. Pojawiająca się tendencja do wykorzystania asortymentu MMW do rozwiązywania różnych problemów aplikacyjnych nabrała obecnie stabilnego charakteru. Otworzyły się możliwości ich zastosowania w systemach łączności satelitarnej, radiowych liniach przekaźnikowych, komunikacji mikrokomórkowej, pokładowych liniach komunikacyjnych i zautomatyzowanych systemach sterowania, a także w aparaturze pomiarowej. Wynika to z sukcesów w rozwoju bazy elementów MMW i tworzenia opartych na niej zaawansowanych technicznie urządzeń, konieczności przesyłania dużych ilości informacji, gdzie szczególnie manifestują się zalety fal radiowych tego zakresu. MMV w komunikacji satelitarnej. Systemy łączności satelitarnej rozwijają się w bardzo szybkim tempie. Na przykład w 1982 roku w łączności satelitarnej w USA istniało około 150 łączy transmisyjnych o szerokości pasma 36 MHz każda, a do początku lat 90. 6/4 i 14/12 GHz były prawie całkowicie zajęte. Dlatego zadanie opanowania zasięgu MMW do komunikacji satelitarnej jest bardzo pilne. To wyjaśnia, dlaczego w ostatniej dekadzie tylko Stany Zjednoczone uruchomiły 15 IC3 ze sprzętem pracującym w zakresie częstotliwości 16...40 GHz. Ich przemienniki pokładowe w dużej mierze potwierdziły wszystkie zalety wykorzystania MMW do komunikacji satelitarnej. Wąskie charakterystyki promieniowania anten MMW przyczyniły się do zachowania tajemnicy łączności i osłabienia zakłóceń zakłócających, a duży zysk doprowadził do zmniejszenia mocy nadajników i zmniejszenia charakterystyki wagowej i gabarytowej sprzętu satelitarnego. Ale to nie wszystko. Zastosowanie wielowiązkowych anten pokładowych o wąskim ukierunkowaniu umożliwiło przełączanie wiązek w celu rozszerzenia zasięgu, a także zwiększenie niezawodności komunikacji w złych warunkach pogodowych dzięki zróżnicowaniu odbioru. Wśród układów IC3 o najwyższym priorytecie, których przemienniki zostały opracowane za granicą pod koniec lat 80. i na początku lat 90. do pracy na częstotliwościach powyżej 20 GHz, są następujące. Satelita L-SAT/OL YMPUS (Europa Zachodnia) ma łączną szerokość pasma częstotliwości roboczej w pasmach 14/11 i 30/20 GHz wynoszącą około 6,8 GHz. Przepustowość łącza wynosi 240 MHz, co zapewnia transmisję informacji z prędkością 360 Mb/s, wystarczającą do zorganizowania 5500 kanałów telefonicznych. Satelita MILSTART (USA) z transponderem szerokopasmowym w zakresie częstotliwości 44/20 GHz. Zapewniono wykorzystanie sygnałów szumowych, pseudolosowe dostrajanie częstotliwości w paśmie 2 GHz oraz przełączanie sygnału na pokładzie. Komunikacja międzysatelitarna w systemie MILSTART prowadzona jest w paśmie częstotliwości 60 GHz, w którym duże tłumienie w atmosferze praktycznie uniemożliwia tworzenie aktywnych celowych zakłóceń radiowych z Ziemi dla pracy urządzeń pokładowych. Satelity ECS-2 i ACTS-E (Japonia). Sprzęt pracuje w pasmach częstotliwości 30/20 i 50/40 GHz o szerokości pasma 250 MHz, z szybkością transmisji danych co najmniej 400 Mb/s. Dla tego typu satelitów NTT opracowało systemy o ultrawysokiej przepustowości (nie mniej niż 7920 Gb/s na IC3). Uważa się, że włączenie do przyszłego systemu 15 dużych układów komunikacyjnych IC3 umożliwi uzyskanie łącznej przepustowości systemów łączności satelitarnej do 119 Gbit/s. Zdaniem japońskich ekspertów, doświadczenie zdobyte w trakcie eksperymentów pozwala na rozpoczęcie tworzenia międzysatelitarnych łączy komunikacyjnych działających w zakresie MMW. Jednym z możliwych zastosowań takich łączy międzysatelitarnych jest łączność międzynarodowa. Jednocześnie obecność bezpośredniego połączenia między dwoma układami IC3 eliminuje potrzebę stosowania pośrednich stacji naziemnych. Za pomocą łączy międzysatelitarnych możliwa jest również komunikacja między kilkoma IS3 oddalonymi od siebie o kilkadziesiąt kilometrów w dowolnym rejonie przestrzeni kosmicznej. Istnieje wiele krajowych systemów komunikacji satelitarnej ze statkami kosmicznymi na orbitach geostacjonarnych, eliptycznych i niskich kołowych, podobnych do systemów zagranicznych. Do tej pory częstotliwości radiowe z zakresu 0,3...0,4 GHz były przeznaczone dla systemów niskoorbitalnych. Ponieważ jednak różne służby radioelektroniczne działają tu na zasadzie pierwszej ważności, pozyskiwanie w przyszłości pasm dla nowych sieci łączności satelitarnej jest raczej niemożliwe. Dlatego w repeaterach niskoorbitowego IC3 ma być stosowany szerokopasmowy sygnał pseudolosowy, który pozwala uniknąć zakłóceń ze strony innych nadajników, a co za tym idzie nie zakłócać ich pracy. Przy tej metodzie transmisji prędkość w kanale cząstkowym może wynosić 4,8 kb/s, a uwzględniając kodowanie z korekcją szumów - 2,4 kb/s. Rozważane jest zastosowanie gamy MMW w takich systemach. Zatem potrzeba zwiększenia przepustowości i ogólnej wydajności systemów łączności była jedną z przyczyn rozwoju zakresu częstotliwości powyżej 30 GHz. Potencjalne możliwości systemów w podanym zakresie częstotliwości szacuje się na 10 tys. kanałów komunikacyjnych przy minimalnej szybkości przesyłania informacji w każdym kanale na poziomie co najmniej 2 Mb/s. Zakłada się, że w 2000 r. sama sieć łączności satelitarnej Intelsat zapewni pracę dla około 750 tys. kanałów telefonicznych, czyli 15 razy więcej niż możliwości systemu w pasmach 6...4 i 14...12 GHz. Problemy techniczne wykorzystania zasięgu MMW w łączności satelitarnej obejmują badanie metod organizacji odbioru różnorodności na stacjach naziemnych podczas przesyłania informacji cyfrowych z szybkością 1 Gbit / s, opracowanie niezawodnych przełączników ferrytowych i matryc przełączających dla przemienników pokładowych, jak a także tworzenie ulepszonych anten wielowiązkowych o zwiększonej dokładności w produkcji elementów.konstrukcji. Rozwiązanie tych problemów pozwoli na osiągnięcie wysokiej wydajności systemów satelitarnych podczas pracy w zakresie 50...40 GHz, aw organizacji łączności międzysatelitarnej również w zakresie częstotliwości do 60 GHz. W przyszłości możliwe jest wykorzystanie jeszcze wyższych częstotliwości części widma. Dużym zainteresowaniem cieszą się pokładowe łącza radiowe do łączności i transmisji informacji, przeznaczone do pracy w zakresie milimetrowym. W przyszłości zapewnią przepustowość 3...5 Gb/s, wysoką niezawodność (ok. 0,99998). Tak więc dla nachylonego łącza radiowego o przepustowości 3 Gbit / s, zasięgu 20 km, o wymiarach anten parabolicznych na pokładzie samolotu 0,2 ... 0,5 mi na Ziemi w punkcie odbioru 1 m, przy współczynniku szumów odbiornika naziemnego ~15 dB, małej masie i objętości sprzętu pokładowego, moc nadajnika pokładowego będzie mieścić się w przedziale 0,1...100 W. Wskaźniki energii, wymagania dotyczące wyposażenia takiego łącza radiowego, przy obecnym stanie technologii MMW, są całkiem możliwe do zrealizowania. Wykorzystanie MMW w sieciach komórkowych. W ostatnich latach w rozwiniętych krajach świata nastąpił znaczny postęp w tworzeniu i stosowaniu systemów komunikacji mobilnej na terenach miejskich i wiejskich. Osiągnięto bezprecedensowy wzrost wolumenu, szybkości i jakości przesyłania różnorodnych informacji w skali nie tylko jednego kraju, ale także krajów położonych na różnych kontynentach. Stało się to możliwe dzięki rozwojowi elektroniki półprzewodnikowej, mikroelektroniki, fotoniki, akustoelektroniki i systemów komunikacji satelitarnej. Jednak masowe stosowanie decymetrowych, a tym bardziej metrowych fal radiowych w systemach komunikacji miejskiej stwarza szereg trudności w projektowaniu systemów nadawczo-odbiorczych i antenowo-falowych, zwiększa poziom wzajemnych zakłóceń elektromagnetycznych oraz ogranicza pasmo transmitowanych częstotliwości, co prowadzi do wzrost zniekształceń podczas transmisji informacji. Dalsza ekspansja rozmieszczenia komórkowych sieci komunikacyjnych w miastach jest oczywiście niemożliwa bez wykorzystania fal milimetrowych. Celowość przejścia na MMW w systemach komórkowych potwierdzają wyniki badań przeprowadzonych w laboratoriach Instytutu Inżynierii Radiowej i Elektroniki Rosyjskiej Akademii Nauk. Usystematyzowanie i analiza wyników badań prowadzi do optymistycznego wniosku, że w trudnych warunkach miejskich możliwe jest przewidywanie najważniejszych charakterystyk pola elektromagnetycznego w odległościach od kilkuset metrów do kilkudziesięciu kilometrów od źródła promieniowania. Prognozę taką można wykonać metodami statystycznymi na mapie topograficznej miasta na podstawie danych o gęstości zabudowy, wysokościach i wymiarach poziomych zabudowy, materiałach budowlanych, z których wykonane są mury, a także uwzględniając rozplanowanie obszarów miejskich , terenu i lokalizacji systemów antenowych. Opracowano również techniki obliczania charakterystyk polowych przy projektowaniu ciągów komunikacyjnych w warunkach miejskich z wykorzystaniem komputerowych baz danych. Umożliwiają obliczenie charakterystyk energetycznych, rozkładów parametrów polaryzacji pola, a także klasyfikację statystycznych charakterystyk zakłóceń radiowych w miejskich kanałach telefonii ruchomej. W szczególności zakładając, że moc nadajnika (Rizl) wynosi 5...10 mW, czułość odbiornika ~10 W w paśmie 1 MHz, zysk anteny wynosi około 15 dB przy fali 5 mm, oraz przyjmując sygnał stosunek szumu do szumu wynosi ~10, można oszacować minimalny zasięg oddziaływania wiązania na MMW, biorąc pod uwagę centra pochłaniania rezonansowego w wodzie i parach tlenu (rys. 1). Nawet w najgorszych warunkach propagacyjnych długość takiego łącza zawsze przekracza 0,5 km, co spełnia wymagania stawiane takim systemom łączności. Biorąc pod uwagę obecny poziom rozwoju technologii półprzewodnikowej i stan rozwoju układów mikroelektronicznych, istnieje realna możliwość wykorzystania różnych domowych nadajników-odbiorników, a także systemów antenowo-falowodowych do krótkich linii przesyłu informacji w obszarach miejskich. Mogą stać się niezawodnymi elementami systemów komunikacji komórkowej ze stacjami bazowymi w określonych regionach. Przy masowej produkcji koszt takich systemów na MMW mógłby być dość porównywalny z tymi istniejącymi na falach decymetrowych i metrowych. Ponadto w warunkach miejskich całkowicie rozwiążą problem przepełnienia na antenie i stworzą realną szansę na zwiększenie wolumenu nadawanych wiadomości, co najmniej o rząd wielkości lub więcej. Jest to na przykład wykorzystanie tych samych częstotliwości do przekazywania wiadomości przez tzw. systemy mikrokomórkowe i pikokomórkowe na obszarach miejskich i podmiejskich. Badania wykazały jeszcze jedną ważną zaletę stosowania MMW. Nie mają szkodliwego wpływu na osobę przebywającą w pomieszczeniach, w których zainstalowane są nadajniki-odbiorniki, co obserwuje się podczas działania urządzeń decymetrowych i metrowych. na ryc. 2 przedstawia zastosowanie systemów komunikacji mikrokomórkowej i pikokomórkowej na obszarach miejskich i podmiejskich. Stacja bazowa A komunikuje się poprzez sieci makrokomórkowe B, C, D, D, E, które zapewniają wymianę informacji z ruchomymi obiektami komunikacyjnymi. Jednocześnie dostępne w mieście mikrokomórki b i c przeznaczone są do komunikacji z obiektami stacjonarnymi, a pixoty 1, 2, 3...9 w budynku przemysłowym G funkcjonują na jego wydzielonych kondygnacjach. Laboratoryjne i przemysłowe nadajniki-odbiorniki oraz stan bazy pierwiastków budzą zaufanie do możliwości praktycznego wykorzystania MMW w rozważanych systemach komórkowych w mieście. Linie jednoprzęsłowe przekaźnika radiowego na MMV. W ostatnim czasie pojawiła się potrzeba zorganizowania wysoce niezawodnych jednoprzęsłowych łączy komunikacyjnych przeznaczonych do transmisji telefonii wielokanałowej oraz wymiany danych pomiędzy komputerami a urządzeniami peryferyjnymi. Do tych celów najbardziej odpowiednie są radiowe linie przekaźnikowe z zakresu MMW. Charakteryzują się wysoką odpornością na zakłócenia, niewielkimi rozmiarami i wagą, dużą przepustowością oraz niskim poborem mocy. Takie systemy obejmują dupleksową stację nadawczo-odbiorczą (PPS) działającą w paśmie 42,5 ... 43,5 GHz i przeznaczoną do organizowania jednoprzęsłowych cyfrowych radiowych linii przekaźnikowych o długości do 5 km z szybkością przesyłania informacji 8,448 Mb / s (129 kanałów telefonicznych). Aby przesłać informacje, wybiera się modulację częstotliwości z indeksem modulacji równym jeden. Odstęp częstotliwości między kanałami odbiorczym i nadawczym oraz wartość częstotliwości pośredniej wynosi 480 MHz, co pozwala z jednej strony na zapewnienie niezbędnej izolacji między kanałami, a z drugiej na zorganizowanie automatycznej regulacja częstotliwości względem stabilizowanego lokalnego oscylatora odbiornika. Przy całkowitym tłumieniu 170 dB na łączu radiowym o długości 5 km stacja będzie działać normalnie, jeśli zysk anteny nadawczo-odbiorczej wynosi co najmniej 40 dB, moc nadajnika wynosi 30 ... 50 mW, współczynnik szumów odbiornika nie jest ponad 13dB. Schemat blokowy takiego PPS pokazano na ryc. 3. Składa się z następujących jednostek funkcjonalnych: anteny parabolicznej z dwoma zwierciadłami 1 o średnicy 300 mm; falowód pasmowoprzepustowy odbierający 2 i nadawczy 4 filtry mikrofalowe; separator polaryzacji 3 (pozioma E i pionowa H); miksery kanału odbiorczego 5 i kanału AFC 6 na diodach z barierą Schottky'ego, pracujące na czwartej harmonicznej lokalnego oscylatora; Generator mikrofal oparty na diodzie Gunn 7 z dostrajaniem częstotliwości varakora; wstępny IF na krzemowych tranzystorach bipolarnych 8; tranzystorowy generator mikrofal 9, stabilizowany rezonatorem dielektrycznym; kanał detektora częstotliwości AFC 10; modulator nadajnika wzmacniacz wideo 11 i moduł detektora częstotliwości 12. Moduł ten jest wykonany na pojedynczej płytce drukowanej z włókna szklanego i składa się z głównego IF z automatyczną regulacją wzmocnienia 13, detektora częstotliwości w obwodach rozstrojonych 14 i wzmacniacza wideo 15. Zasilanie wtórne zasilanie 16 zapewnia konwersję napięcia stałego +60 V na napięcia stabilizowane +12 V, -12 V i +5 V, niezbędne do zasilania jednostek funkcjonalnych stacji. Antena paraboliczna, nadajniki-odbiorniki i dodatkowe źródło zasilania są konstrukcyjnie umieszczone w szczelnym cylindrycznym pojemniku o średnicy 300 mm i długości 250 mm. Niewielka waga i gabaryty PPS umożliwiają w większości przypadków rezygnację z budowy specjalnych konstrukcji masztowych. Te przykłady wykorzystania MMW w systemach komunikacyjnych nie wyczerpują problemu ich praktycznego wykorzystania. Z pewnością mają przed sobą wielką przyszłość w dziedzinie łączności i zastosowań szerokopasmowych, na stacjach naziemnych do komunikacji z IC3 oraz w systemach łączności międzysatelitarnej i lotniczej, a także do organizowania łączności szerokopasmowej w miastach i miasteczkach, w tym danych pikokomórkowych linie przesyłowe. Autorzy: R.Bystrov, doktor inżynierii. nauk ścisłych, prof. A.Sokołow, doktor nauk technicznych. nauki, prof., Moskwa Zobacz inne artykuły Sekcja Cywilna łączność radiowa. Czytaj i pisz przydatne komentarze do tego artykułu. Najnowsze wiadomości o nauce i technologii, nowa elektronika: Pułapka powietrzna na owady
01.05.2024 Zagrożenie śmieciami kosmicznymi dla ziemskiego pola magnetycznego
01.05.2024 Zestalanie substancji sypkich
30.04.2024
Inne ciekawe wiadomości: ▪ Rośliny mają odpowiednik układu nerwowego ▪ Palmy i baobaby rosły kiedyś na Antarktydzie ▪ Nowy typ wzmacniacza mocy RF do telefonów komórkowych ▪ Wyhodowano pierwsze biologiczne komórki rozrusznika Wiadomości o nauce i technologii, nowa elektronika
Ciekawe materiały z bezpłatnej biblioteki technicznej: ▪ Dział serwisu Materiały elektrotechniczne. Wybór artykułów ▪ Artykuł Hamleta. Popularne wyrażenie ▪ artykuł Ekonomista Logistyki. Opis pracy ▪ artykuł Klej do klejenia gumy do metalu i drewna. Proste przepisy i porady
Zostaw swój komentarz do tego artykułu: Wszystkie języki tej strony Strona główna | biblioteka | Artykuły | Mapa stony | Recenzje witryn www.diagram.com.ua |