Тема 2 Сети подвижной связи Занятие 2 1 Основы

Скачать презентацию Тема 2 Сети подвижной связи Занятие 2 1 Основы

Л. 2-1 Основы радиосвязи.ppt

Количество слайдов: 61

Тема 2 Сети подвижной связи Занятие 2/1 Основы радиосвязи Учебные вопросы 1. Классификация радиоволн. 2. Распространение радиоволн различных диапазонов.

Литература 1. Крухмалев В. И. и др. Основы построения телекоммуникационных систем и сетей. Учебник. Горячая линия. Телеком, М. : 2008. 2000 у. 2. Моторкин В. А. и др. Практические основы радиосвязи. Учебное пособие. Химки, ФГОУ ВПО АГЗ МЧС России, 2011. 2476 к. 3. Папков С. В. и др. Термины и определения связи в МЧС России. – Новогорск: АГЗ. 2011. 2871 к. 4. Моторкин В. А. и др. Курс лекций по дисциплине (специальность – защита в ЧС) «Системы связи и оповещения» (учебное пособие) – Химки: АГЗ МЧС России - 2011. 2673 к. • Головин О. В. и др. Радиосвязь – М. : Горячая линия – Телеком, 2003. С. 47 -60. • Носов М. В. Системы радиосвязи – Н. : АГЗ, 1997. • Папков С. В. , Алексеенко М. В. Основы организации радиосвязи в РСЧС – Н. : АГЗ, 2003. С. 3 -10. 2/1/2018 2

1 -й учебный вопрос Классификация радиоволн 2/1/2018 3

Диапазон волн - Диапазон частот ЭМ волны промышленной частоты Радиодиапазон: Сверхдлинные (СДВ) – Сверхнизкие (СНЧ) Длинные (ДВ) – Низкие (НЧ) Средние (СВ) – Средние (СЧ) Короткие (КВ) – Высокие (ВЧ) Ультракороткие (УКВ): Очень высокие (ОВЧ), Ультравысокие (УВЧ), Сверхвысокие (СВЧ) Миллиметровые (ММВ) Децимиллиметровые (ДММВ) Оптический диапазон: Инфракрасные лучи Видимый свет Ультрафиолетовые лучи Длина волны (м) -105 Частота (МГц) (0 -3)· 10 -3 105 -104 104 -103 103 -102 102 -101 101 -100 100 -10 -1 -10 -2 -10 -3 -10 -4 (3 -30)· 10 -3 (3 -30)· 10 -2 (3 -30)-1 (3 -30)0 (3 -30)1 (3 -30)· 102 (3 -30)· 103 (3 -30)· 104 (3 -30)· 105 3, 5· 10 -4 -7, 5· 10 -7 -4· 10 -7 -5· 10 -9 8, 6· 106 -4· 108 -7, 5· 108 -6· 1010 Рентгеновские лучи 10 -8 -10 -12 3· 1010 -3· 1012 - лучи 10 -12 -10 -22 3· 1012 -3· 1024 2/1/2018 6

Вид радиоволн Тип радиоволн Диапазон радиоволн (длина волны) Мириаметровые Сверхдлинные (СДВ) 10. . . 100 км 4 3. . . 30 к. Гц Очень низкие (ОНЧ) Километровые Длинные (ДВ) 1. . . 10 км 5 30. . . 300 к. Гц Низкие (НЧ) Гектометровые Средние (СВ) 100… 1000 м 6 300. . . 3000 к. Гц Средние (СЧ) Декаметровые Короткие (КВ) 10. . . 100 м 7 3. . . 30 МГц Высокие (ВЧ) Метровые 1. . . 10 м 8 30. . . 300 МГц Очень высокие (ОВЧ) Дециметровые 10. . . 100 см 9 300. . . 3000 МГц Ультравысокие (УВЧ) 1. . . 10 см 10 3. . . 30 ГГц Сверх высокие (СВЧ) Миллиметровые 1. . . 10 мм 11 30. . . 300 ГГц Крайне высокие (КВЧ) Децимиллиметровы е 0, 1. . . 1 мм 12 300. . . 3000 ГГц Гипервысокие (ГВЧ) Сантиметровые Ультракороткие (УКВ) № диапазо на Диапазон частот Вид радиочастот

2 -й учебный вопрос Распространение радиоволн различных диапазонов 2/1/2018 8

Виды распространения радиоволн: • вдоль земной поверхности; • с излучением в верхние слои атмосферы и из них обратно к поверхности Земли; • с приемом с Земли и обратной передачей на Землю посредством космических ретрансляторов. 2/1/2018 Рис. Идеальное распространение радиоволны 9

2/1/2018 10

Рис. Пути распространения радиоволн

Вид радиоволн Основные способы распространения радиоволн Дальность связи, км Мириаметровые и километровые (сверхдлинные и длинные) Дифракция. Отражение от Земли и ионосферы До тысячи. Тысячи Гектометровые (средние) Дифракция. Преломление в ионосфере Сотни. Тысячи Декаметровые (короткие) Преломление в ионосфере и отражение от Земли Тысячи Метровые и более короткие Свободное распространение и отражение от Земли. Рассеяние в тропосфере Десятки. Сотни

Особенности распространения волн диапазонов СЧ, НЧ и ОНЧ Волны с длинами от 1 до 10 км, диапазон НЧ, и ещё более длинные, превышают размеры неровностей почвы и препятствий, и при их распространении заметно проявляется дифракция (огибание земной поверхности, и тд). Волны далее распространяются в свободном пространстве прямолинейно, возможно образование «мертвой зоны» . При понижении частоты потери энергии волн при поглощении почвой уменьшаются. По этому НЧ и ОНЧ при одинаковой мощности излучения распространяются на большие расстояния, чем короткие. При мощности в десятки к. Вт напряжённость поля поверхностных волн достаточна для приема сигналов на расстояниях в тысячи километров. Пространственные волны этих диапазонов, при распространении в направлении ионосферы, отражаются и возвращаются к Земле. Здесь происходит отражение от земной поверхности и тд. Такое распространение называется многоскачковым. Дальнее ионосферное распространение волн имет для радиосвязи негативные последствия, если в зону приема одновременно приходят поверхностные и пространственные волны - многолучевость. В пункте В происходит сложение волн – интерференция. Волны диапазона ОНЧ обладают способностью проникать на большую глубину в поверхностный слой земли и даже в морскую воду. Это делает 2/1/2018 возможной связь в диапазоне ОНЧ с подземными и подводными объектами. 14

Потери в почве возрастают с повышением частоты, дальность радиосвязи с помощью поверхностных волн в СЧ меньше, чем на НЧ (1500 км). Пространственные волны днем сильно поглощаются в ионосфере, Ночью радиоприем на расстояниях 2 -3 тыс. км. Между зоной радиоприема поверхностных волн, и более отдаленной зоной приема пространственных волн располагается территория, на которой интенсивность тех и других волн имеют одинаковый порядок величины. Поэтому возможны глубокие интерференционные замирания и радиосвязь оказывается неустойчивой. Распространение волн диапазона ВЧ Из-за значительных потерь энергии в почве дальняя связь поверхностными волнами в диапазоне ВЧ редко превышает 100 км. Ионосферное распространение волн, с повышением частоты улучшается благодаря уменьшению потерь. Отражение волн от гладкой поверхности получается зеркальным: угол падения равен углу отражения. Ионосфера неоднородна и неровна, поэтому волны отражаются в разных направлениях, т. е. имеет место рассеянное отражение. На Рис. показано это свойство отраженных волн, образующих сравнительно широкий луч 1. Между зоной распространения поверхностной волны и территорией, в которую приходят пространственные волны, образуется «мертвая зона» Часть энергии волн может вообще не отразиться к Земле, а распространяется в слое как в проводнике (траектория обозначена 2). Если волны испытывают в ионизированном слое недостаточное преломление, то они уходят в 2/1/2018 17 заатмосферное пространство; этому случаю соответствует траектория 3.

Рис. Путь радиоволн в ионосфере 2/1/2018 19 Рис. Сложение радиоволн вследствие многолучевого распространения

Вид радиоволн Основные способы распространения радиоволн Дальность связи, км Мириаметровые и километровые (сверхдлинные и длинные) Дифракция. Отражение от Земли и ионосферы До тысячи. Тысячи Гектометровые (средние) Дифракция. Преломление в ионосфере Сотни. Тысячи Декаметровые (короткие) Преломление в ионосфере и отражение от Земли Тысячи Метровые и более короткие Свободное распространение и отражение от Земли. Поглощение. Рассеяние в тропосфере Десятки. Сотни

Распространение волн диапазонов ОВЧ, УВЧ и СВЧ Волны микроволновых диапазонов распространяются подобно свету прямолинейно. Дифракция в этих диапазонах слаба. Волны, излученные под углом к земной поверхности, уходят в заатмосферное пространство практически без изменения траектории, это свойство позволило успешно применить микроволны для спутниковой связи. Неспособность волн этих диапазонов огибать поверхность требует для радиосвязи обеспечения геометрической видимости между передающей и приемной антеннами (Рис. а, б). Поскольку волны отражаются от земной поверхности, в месте приема возможна интерференция лучей (Рис. в); и возникают интерференционные замирания и искажения передаваемых сообщений. При сравнительно высокой мощности дальность связи значительно превышает обычную. Неровности земной поверхности и различие почв, растительного покрова, наличие рек и водоемов, поселков, инженерных сооружений и пр. влияют на нижние слои воздуха, ведут к образованию в атмосфере зон с различной температурой и влажностью, локальных потоков воздуха и т. п. В этих зонах, на высотах до нескольких километров, происходит рассеяние волн, как это схематически показано на Рис. г. В этом случае часть энергии волн достигает пунктов, отстоящих от передающей антенны на расстояние, в 5 -10 раз превосходящее дальность геометрической видимости. 21 2/1/2018

Рис. Особенности распространения радиоволн УКВ диапазона 2/1/2018 Рис. Дальнее распространение с помощью «атмосферного волновода» 22

Неоднородности существуют и в ионосфере (неравномерность концентрации свободных электронов), где тоже происходит ионосферное рассеяние волн. При большой мощности рассеяние обеспечивает связь на расстояниях 1 -2 тыс. км. Другие виды дальнего распространения УВЧ и СВЧ проявляются при образовании в атмосфере протяженных и четко выраженных неоднородностей в виде слоя. Волны распространяются внутри слоя, отражаясь от его границ, либо между поверхностью земли и нижней границей слоя. Эти два случая схематически изображены на Рис. д. Еще один вид дальнего распространения отражение от следов метеоров. По причине изменчивости процесса метеорное распространение применяется только в специальных системах радиосвязи. Помимо принимаемого радиосигнала на приемник действуют посторонние колебания различного происхождения – радиопомехи, могут вызвать искажения принимаемых сообщений: при радиотелефонной связи (в виде щелчков, треска и шума, ухудшающих разборчивость речевых сообщений); телеграфный аппарат печатает неверные знаки; на бланке факсимильного аппарата получаются лишние линии, портящие изображение: Посторонние радиосигналы. Побочные излучения радиопередающих устройств. Атмосферные помехи. Индустриальные помехи. Внутренние шумы радиоприемника (флуктуационные шумы). 2/1/2018 23 Космические шумы.

Принципы радиосвязи

Электромагнитные волны распространяются на огромные расстояния, поэтому их используют для передачи звука (радиоволн) и изображения (телевидение). Условие возникновения электромагнитной волны это наличие ускорения у движущихся зарядов! Радиосвязь - это передача информации с помощью электромагнитных волн.

Принципы радиосвязи Микрофон преобразует механические колебания в электромагнитные колебания звуковой частоты.

Модуляция После модуляции волна готова к передаче. Обладая высокой частотой она может передаваться в пространстве. И несет в себе информацию звуковой частоты.

Детектирование В приемнике необходимо выделить из высокочастотных модулированных колебаний сигнал звуковой частоты, т. е. провести детектирование

Громкоговоритель Преобразует электромагнитные колебания в механические колебания звуковой частоты

Джеймс Максвелл Англ. физик Джеймс Клерк Максвелл разработал теорию электромагнитного поля и предсказал существование электромагнитных волн.

Генрих Герц В 1887 году Г. Герц впервые получил электромагнитные волны и исследовал их свойства. Он измерил длины этих волн и определил скорость их распространения.

Для получения электромагнитных волн Генрих Герц использовал простейшее устройство, называемое вибратором Герца. Это устройство представляет собой открытый колебательный контур.

Электромагнитные волны регистрировались с помощью приемного резонатора, в котором возбуждаются колебания тока.

Александр Степанович Попов А. С. Попов применил электромагнитные волны для радиосвязи. Использовав когерер, реле, электрический звонок Попов создал прибор для обнаружения и регистрации электрических колебаний - радиоприемник.

Схема приемника Попова,

Принцип радиосвязи заключается в том, что созданный электрический ток высокой частоты, созданный в передающей антенне, вызывает в окружающем пространстве быстроменяющееся электромагнитное поле, которое распространяется в виде электромагнитной волны.

Колебания высокой частоты НЕСУЩАЯ частота График колебаний звуковой частоты, т. е. МОДУЛИРУЮЩИХ колебаний График МОДУЛИРОВАННЫХ по амплитуде колебаний

Детектирование.

Принцип радиосвязи: В передающей антенне создается переменный электрический ток высокой частоты, который вызывает в окружающем пространстве быстроменяющееся электромагнитное поле, распространяющееся в виде электромагнитной волны. Достигая приемной антенны, электромагнитная волна вызывает в ней переменный ток той же частоты, на которой работает передатчик.

Для осуществления радиосвязи используют колебания высокой частоты, интенсивно излучаемые антенной (вырабатываются генератором). Для передачи звука эти высокочастотные колебания изменяют – модулируют с помощью электрических колебаний низкой частоты. МОДУЛЯЦИЯ – изменение амплитуды высокочастотных колебаний в соответствии со звуковой частотой.

В приемнике из модулированных колебаний высокой частоты выделяются низкочастотные колебания. Такой процесс называется детектированием. ДЕТЕКТИРОВАНИЕ – процесс преобразования высокочастотного сигнала в сигнал низкой частоты. Полученный после детектирования сигнал соответствует тому звуковому сигналу, который действовал на микрофон передатчика. После усиления колебания низкой частоты могут быть превращены в звук.

Устройство радиоприёмника Основным элементом радиоприёмника Попова служил когерер – трубка с электродами и металлическими опилками. Изобрёл Эдуард Бранли в 1891 г.

Простейший радиоприемник

Схема передающего устройства

Схема приемного устройства

Применение радиоволн • радиоволны, • телевидение, • космическая связь, • радиолокация.

Радиоволны

Телевидение

Космическая связь

Радиолокация Обнаружение и определение местоположения различных объектов с помощью радиоволн.

Радиолокация (от латинских слов «radio» излучаю и «lokatio» – расположение) Радиолокация – обнаружение и точное определение положения объектов с помощью радиоволн.

История развития радиолокации А. С. Попов в 1897 году во время опытов по радиосвязи между кораблями обнаружил явление отражения радиоволн от борта корабля. Радиопередатчик был установлен на верхнем мостике транспорта «Европа» , стоявшем на якоре, а радиоприемник — на крейсере «Африка» . Во время опытов, когда между кораблями попадал крейсер «Лейтенант Ильин» , взаимодействие приборов прекращалось, пока суда не сходили с одной прямой линии В сентябре 1922 г. в США, Х. Тейлор и Л. Янг проводили опыты по радиосвязи на декаметровых волнах (3 -30 МГц) через реку Потомак. В это время по реке прошел корабль, и связь прервалась - что натолкнуло их тоже на мысль о применении радиоволн для обнаружения движущихся объектов. В 1930 году Янг и его коллега Хайленд обнаружили отражение радиоволн от самолета. Вскоре после этих наблюдений они разработали метод использования радиоэха для обнаружения самолета.

История создания радара (RADAR — аббревиатура Radio Detection And Ranging, т. е. радиообнаружение и измерение дальности) Роберт Уотсон-Уатт (1892 - 1973 гг. ) Шотландский физик Роберт Уотсон-Уатт первый в 1935 г. построил радарную установку, способную обнаружить самолеты на расстоянии 64 км. Эта система сыграла огромную роль в защите Англиии от налетов немецкой авиации во время второй мировой войны. В СССР первые опыты по радиообнаружению самолётов были проведены в 1934. Промышленный выпуск первых РЛС, принятых на вооружение, был начат в 1939 г. (Ю. Б. Кобзарев).

Радиолокация основана на явлении отражения радиоволн от различных объектов. Заметное отражение возможно от объектов в том случае, если их линейные размеры превышают длину электромагнитной волны. Поэтому радары работают в диапазоне СВЧ (108 -1011 Гц). А так же мощность излучаемого сигнала ~ω4.

Антенна радиолокатора Для радиолокации используются антенны в виде параболических металлических зеркал, в фокусе которых расположен излучающий диполь. За счет интерференции волн получается остронаправленное излучение. Она может вращаться и изменять угол наклона, посылая радиоволны в различных направлениях. Одна и та же антенна попеременно автоматически с частотой импульсов подключается то к передатчику, то к приёмнику.

• Работа радиолокатора Передатчик вырабатывает короткие импульсы переменного тока СВЧ (длительность импульсов 10 -6 с, промежуток между ними в 1000 раз больше), которые через антенный переключатель поступают на антенну и излучаются. • В промежутках между излучениями антенна принимает отраженный от объекта сигнал, подключаясь при этом ко входу приемника. Приёмник выполняет усиление и обработку принятого сигнала. В самом простом случае результирующий сигнал подаётся на лучевую трубку (экран), которая показывает изображение, синхронизированное с движением антенны. Современный радар включает в себя компьютер, который обрабатывает принятые антенной сигналы и отображает их на экране в виде цифровой и текстовой информации.

Определение расстояния до объекта S – расстояние до объекта, t – время распространения радиоимпульса к объекту и обратно Зная ориентацию антенны во время обнаружения цели, определяют её координаты. По изменению этих координат с течением времени определяют скорость цели и рассчитывают её траекторию.

Глубина разведки радиолокатора Минимальное расстояние, на котором можно обнаружить цель ( время распространения сигнала туда и обратно должно быть больше или равно длительности импульса) -длительность импульса Максимальное расстояние, на котором можно обнаружить цель ( время распространения сигнала туда и обратно не должно быть больше периода следования импульсов) Т-период следования импульсов

Применение радиолокации Авиация По сигналам на экранах радиолокаторов диспетчеры аэропортов контролируют движение самолётов по воздушным трассам, а пилоты точно определяют высоту полёта и очертания местности, могут ориентироваться ночью и в сложных метеоусловиях.

Основное применение радиолокации – это ПВО. Главная задача наблюдать за воздушным пространством, обнаружить и вести цель, в случае необходимости навести на нее ПВО и авиацию.

Крылатая ракета (беспилотный летательный аппарат однократного запуска) Управление ракетой в полете полностью автономное. Принцип работы её системы навигации основан на сопоставлении рельефа местности конкретного района нахождения ракеты с эталонными картами рельефа местности по маршруту ее полета, предварительно заложенными в память бортовой системы управления. Радиовысотомер обеспечивает полет по заранее заложенному маршруту в режиме огибания рельефа за счет точного выдерживания высоты полета: над морем не более 20 м, над сушей - от 50 до 150 м (при подходе к цели - снижение до 20 м). Коррекция траектории полета ракеты на маршевом участке осуществляется по данным подсистемы спутниковой навигации и подсистемы коррекции по рельефу местности.

Самолёт - невидимка «Стелс» -технология уменьшает вероятность того, что самолет будет запеленгован противником. Поверхность самолёта собрана из нескольких тысяч плоских треугольников, выполненных из материала, хорошо поглощающего радиоволны. Луч локатора, падающий на нее, рассеивается, т. е. отражённый сигнал не везвращается в точку, откуда он пришёл (к радиолокационной станции противника).

Радар для измерения скорости движения транспорта Одним из важных методов снижения аварийности является контроль скоростного режима движения автотранспорта на дорогах. Первыми гражданскими радарами для измерения скорости движения транспорта американские полицейские пользовались уже в конце Второй мировой войны. Сейчас они применяются во всех развитых станах.

Метеорологические радиолокаторы для прогнозирования погоды. Объектами радиолокационного обнаружения могут быть облака, осадки, грозовые очаги. Можно прогнозировать град, ливни, шквал.

Применение в космосе В космических исследованиях радиолокаторы применяются для управления полётом и слежения за спутниками, межпланетными станциями, при стыковке кораблей. Радиолокация планет позволила уточнить их параметры (например расстояние от Земли и скорость вращения), состояние атмосферы, осуществить картографирование поверхности.