что такое радиорелейная станция
Что такое радиорелейные линии (РРЛ) — структурная схема
Радиорелейные линии (РРЛ) представляют собой цепь приемо-передающих станций, удаленных друг от друга на расстоянии 40-50 км.
Радиоволны различных частотных диапазонов имеют свои особенности распространения. Если длинные, сверхдлинные волны распространяются за счет огибания земной поверхности. Волны коротковолнового (КВ) диапазона распространяются за счет отражения от ионосферы. Волны метровых и более коротких диапазонов распространяются прямым лучом, т.е. только прямо, там, конечно присутствуют эффекты отражения и рассеяния, но это не является основным способом распространения ВЧ электромагнитных колебаний.
Связь в диапазонах УКВ и выше возможна только там, где существует прямой луч распространения электромагнитной энергии. С одной стороны это ограничивает возможности систем связи в высокочастотных (ВЧ) диапазонах. Если КВ связь возможна на расстоянии в несколько тысяч километров, то в диапазоне УКВ нет.
Допустим, старая аналоговая телевизионная передача, которая на грани исчезновения, это только та зона, где антенно-приемник видит антенно-передачу.
Это одна из причин по которой пытались строить телевизионные вышки, чем выше тем лучше. Когда вышку поднимают высоко, то увеличивается зона охвата. ВЧ колебания только в области прямой видимости, с одной стороны это плохо, с другой стороны появляется плюс, можно одну и ту же несущую частоту использовать в разных местах.
Например, в городе N раньше был один канал на ТВ, частота несущей 56 МГц. В другом городе неподалеку, стоял точно такой же передатчик на 56 МГц, эти два передатчика друг другу не мешали. Потому что зона прямой видимости ограничена. И можно было использовать частоты повторно, как сейчас в мобильной связи применяют повторное использование частот.
Радиорелейная связь
Когда системы связи стали развиваться, придумали радиорелейные линии (РРЛ), которые используют ВЧ колебания для организации многоканальной связи, причем связь организуется таким образом, что приемники и передатчики находятся в зоне прямой видимости. Грубо говоря антенна передатчика смотрит в антенну приемника, но для этого на трассе организуется сеть приемо-передающих станций на таком расстоянии, чтобы они находились в зоне прямой видимости и такие РРЛ в 50-х в начале 60-х годов стали развиваться.
Для построения РРЛ на трассе организуется набор приемо-передающих станций. Ставится мачта определенной высоты, на этой мачте монтируется передающая антенна, которая смотрит на приемную антенну. Оптимально расстояние между приемо-передающими станциями порядка 50 километров. На картинке ниже нарисована организация РРЛ. По такой структуре можно организовать достаточно широкую сеть.
Приемо-передающие станции ставятся так, чтобы антенны друг друга видели прямым лучом. ОРС — оконечная радиостанция. Есть промежуточная станция (ПРС) — она должна принять сигнал, оттранслировать его дальше. ПРС находятся в тех местах, где нет потребителей услуг связи.В точках, где трафик должен разделяться ставятся узловые радиостанции (УРС). Там где нужно снять информацию и ввести новую.
Достоинства РРЛ
Как раньше обычные люди связывались например с Москвой? По телефонной линии.
Затем появились РРЛ, провода тянуть не нужно, надо поставить вышки. Например от Омска до Москвы, расстояние 2500 км, через каждые 50 км ставим вышки, понадобится 50 штук. Вот и все основные вложения в инфраструктуру. Раз в несколько лет нужно будет обновлять оборудование, поэтому говорят экономично, но когда вы ее уже построили, а первоначальные вложения должны быть.
Поскольку антенны узконаправленные и они друг друга видят, то мощность передатчиков не должна быть большой.
Помехи это погодные условия. Поскольку это высокие частоты и используются гигагерцы, то погода будет влиять серьезно, но эти задачи решаются увеличением мощности.
Формула которая позволяет оценить расстояние между станциями в зависимости от высоты антенны. Расстояние между станциями r [км] выбирается из условия:
где h1 и h2 — высота передающей и приемной антенн [м]. Если приподнять высоту антенны в 2 раза, то получим рост не в 2 раза, а в 1,5 раза.
Классы РРЛ
Несколько стволов могут работать на общую антенну. Приемопередатчики генерируют свою несущую частоту и если используется широкополосная антенна, то ставится суммирующее устройство и все несущие частоты будут излучаться одной антенной.
Часть стволов магистральной РРЛ используются для многоканальной передачи телеграфных сообщений, часть для передачи телевизионных каналов. Другая часть стволов находится в резерве на случай выхода из строя рабочих стволов. Применяется аппаратура с частотным разделением каналов с использованием частотной модуляции.
Магистральные линии прокладываются там, где велика потребность в услугах связи. Протяженность магистральных РРЛ тысячи километров.
Используются на ответвлениях от магистральных линий. В точке с меньшей потребностью в телекоммуникационных услугах, например города с численностью населения 200-300 тысяч человек.
Количество каналов N 60-300 каналов. Применяется аппаратура с частотным разделением каналов и с частотной модуляцией. Протяженность РРЛ средней емкости до сотен километров.
Применяется в сетях зоновой связи, на ЖД транспорте, в системах нефте и газопроводов и тд.
N меньше 48 каналов. Аппаратура с частотным и временным разделением каналов. Частотное и временное разделение каналов имеют примерно одинаковую эффективность использования спектра, т.е. сколько Вы можете нарезать частотных каналов, столько можно нарезать и временных. Но на практике оказалось, что за счет неидеальности всех процессов, система с временным разделением каналов имеет худший показатель использования спектра.
Допустим, с частотным разделением можно нарезать 100 качественных каналов, а с временным меньше 80. Системы с временным разделением каналов аппаратно прочны, потому что системы с частотным разделением каналов это набор полосовых фильтров, они не технологичны. Системы с временным разделением каналов используют цифровые методы и их можно загнать в микросхему.
Структурная схема РРЛ
Ниже будет рассказано о структурной схеме РРЛ, состоящей из нескольких станций.
Оконечная станция 1
Есть N количество потребителей. На первое место ставим телефонный канал или каналы тональной частоты (ТЧ). Например, Вы хотите связаться с товарищем, который находится в Москве. Нужно передать НЧ колебание в диапазоне от 300 Гц до 3,4 кГц. Организуем 1000 каналов, со сдвигом несущих частот, если у нас частотное разделение каналов, то выделяется каждому каналу своя поднесущая и поднесущая сдвигается одна к другой на 4 кГц. Используя однополосную модуляцию расставляем эти каналы.
Сформировали суммарный телефонный сигнал. К суммарному сигналу, на свою поднесущую добавляем телевизионный сигнал и выделяем полосу побольше. Потому что аналоговый телевизионный сигнал 56 МГц + несущая звука 6,5 МГц итого 62,5 МГц. Получается спектр, который нужно передать от 56 МГц до 62,5 МГц это 6,5 МГц. И вся смесь, телефонные каналы, телевизионный сигнал она подается на передатчик у которого для ствола одна несущая частота. В передатчике с помощью группового сигнала формируется тот сигнал, который нужно будет передавать в РРЛ. Передающая антенна, частота первого передатчика несущая f1, она закладывается в аппаратуру.
Система дуплексная слева направо передали, справа налево приняли. Система многочастотная. Есть приемная антенна f3, приемник, на выходе приемника снимается телевизионный сигнал из группового сигнала. В передатчике стоит групповой модулятор, а в приемнике групповой демодулятор. На выходе группового демодулятора, так как у нас частотное разделение каналов, стоит набор полосовых фильтров (ПФ). Первый ПФ выделяет ТВ сигнал и отправляет его дальше.
Узловая станция
Сигнал пришел, узловая станция, как правило крупный центр, в котором есть потребители услуг. Аппаратура уплотнения часть телефонных каналов забирает. Каналы тональной частоты (ТЧ), которые дошли до своего абонента забираются, поднесущие освобождаются. Происходит съем части информации и ее заполнение. На выходе передатчика будет частота несущая, та которая отличается от частоты f1. Это сделано чтобы уменьшить возможные помехи.
Передатчик узловой станции будет работать на несущей частоте f3, которая будет отличаться от частоты f4, чтобы защитить следующий пролет от влияния частоты f4. Поскольку f1 и f2 от f3 и f4 отличаются, то и перекрестные помехи уменьшаются.
Промежуточная станция
Промежуточная станция просто стоит где-то в чистом поле. И никому там не нужно ТВ, телефонные разговоры, людей там нет. Происходит перенос с частоты f2 на частоту f1. Дальше эти частоты будут повторяться. Считается, что когда прошли два пролета, сигнал с частотой f1 воздействовать на следующую приемную антенну уже не может за счет кривизны Земли частота f1 не попадет в ту антенну.
И в обратную сторону тоже все проходит, выполняется одно преобразование. В приемнике принимается сигнал на частоте несущей f2 и выделяем групповой сигнал, происходит демодуляция первой ступени. Выделяем групповой сигнал и переносим его на частоту f1. Промежуточная станция это автоматическое устройство.
Оконечная станция 2
Пришел сигнал f1, стоит приемник, выделили телевизионный сигнал фильтрующей системой, на аппаратуре уплотнения будет разделение, телефонные каналы сняли, свои телефонные каналы сформировали, свой телевизионный сигнал на передатчике f3.
Рассмотрели стандартную структура РРЛ, которая состоит из набора станций. В зависимости, где станции находятся, она либо узловая, промежуточная или оконечная.
Радиорелейная связь
Определение радиорелейной связи противопоставляют прямой радиосвязи. Сообщение абонента многократно передаётся промежуточными звеньями цепи, образующими радиорелейную линию (РРЛ). Название заложено англичанами: relay — смена. Физические особенности распространения заставили инженеров применять ультракороткие волны (УКВ): дециметровые, сантиметровые, реже, метровые. Потому что длинные самостоятельно способны обогнуть Земной шар. Причина применения радиорелейных линий объясняется необходимостью заложить большой объем информации, невозможный на низких частотах. Ограничения объясняет теорема Котельникова.
Примечание. Тропосферную связь считают подвидом радиорелейной.
Достоинства метода
Указанные преимущества уже в начале второй половины XX века позволяли экономистам сопоставлять экономическую эффективность цепочки с кабелем. Допускалась возможность передачи аналоговых телевизионных каналов. Оборудование вышек значительно сложнее регенераторов. Однако кабелю восполнять сигнал приходится каждые 6 км. Вышки обычно разделены дистанциями 50-150 км, расстояние (км) ограничено величиной, равной квадратному корню из высоты вышки (м), умноженному на 7,2. Наконец, вечная мерзлота сильно усложняет прокладку кабельных линий, лепту вносят болота, скалы, реки.
Эксперты отмечают простоту развёртывания системы, экономию цветных металлов:
Отмечается малая эффективность автономных вышек. Неизбежно требуется обслуживающий персонал. Необходимо людей расквартировать, назначить несение вахты.
Принцип действия
Линия обычно реализует дуплексный (двунаправленный) режим передачи информации. Чаще применяли частотное деление каналов. Первыми европейскими соглашениями установили участки спектра:
Метровые волны способны огибать препятствия, допускается использование ввиду отсутствия непосредственной видимости. Частоты выше 10 ГГц невыгодны, поскольку превосходно поглощаются осадками. Послевоенные конструкции компании Белла (11 ГГц) оказались неконкурентоспособными. Участок спектра чаще выбирают сообразно получению необходимого числа каналов.
История
Цифровой набор предложили раньше импульсного. Однако реализация идеи запоздала на 60 лет. Судьбу антибиотиков повторяет радиорелейная связь.
Изобретение идеи
Историки единогласно отдают приоритет открытия Иоганну Маттаушу, написавшему (1898) в журнале Заметки электротехника (том 16, 35-36) соответствующую публикацию. Критики отмечают несостоятельность теоретической части, предлагавшей создать телеграфные ретрансляторы. Однако год спустя Эмилем Гуарини-Форестио построен первый работоспособный экземпляр. Уроженец итальянской общины Фазано (Апулия), будучи студентом, 27 мая 1899 года запатентовал в бельгийском подразделении радио-репитер. Дату считают официальным днём рождения радиорелейной связи.
Устройство представлено комбинацией приёмопередающей аппаратуры. Конструкция производила демодуляцию принятого сигнала, последующее формирование, излучение ненаправленной антенной, формируя широковещательный канал. Фильтр защищал приёмный тракт от мощного излучения передатчика.
Ощущая недостатки представленной конструкции, Гуарини-Форезио (декабрь 1899) патентует (Швейцария, №21413) конструкцию направленной спиральной антенны (круговая поляризация), снабжённой металлическим рефлектором. Устройство исключало взаимный перехват вышками чужих сообщений. Дальнейшее усовершенствование произведено тесным сотрудничеством с Фернандо Понтселе. Вместе изобретатели провели попытку установить связь меж Брюсселем и Антверпеном, используя Малины промежуточным пунктом, местом базирования ретранслятора.
Конструкцию снабдили цилиндрическими антеннами диаметром 50 см, снабдив аппаратурой высотное здание. Отталкиваясь от результатов, полученных жарким июнем 1901 года, началась подготовка линии Париж – Брюссель дальностью 275 км. Шаг установки ретрансляторов составил 27 км. Декабрь принёс задумке успех, обеспечив время задержки сообщения 3..5 секунд.
Завидя радужные перспективы, Гуарини витал в облаках, предвкушая коммерческий успех (эквивалентный прибылям компании Белла) радиорелейной связи, устраняющей проблемы дальности. Реальность внесла коррективы. Потребовался широкий ассортимент решений:
Лишь 30 лет спустя изобретение подходящих электронных высокочастотных ламп позволило идее выплыть на поверхность. Изобретатель удостоился ордена Короны Италии.
Ламповые конструкции покоряют Ла-Манш
В 1931 году англо-французский консорциум (Компания международного телефона и телеграфа, Англия; Лаборатория телефонного оборудования, Франция), возглавляемый Андрэ Клавиром, покорил Ла-Манш (Дувр-Кале). Событие осветил журнал Radio News (август, 1931 г, стр. 107). Напомним суть проблемы: прокладка подводного кабеля обходится дорого, разрыв линии означает необходимость тратить значительные средства на ремонт. Инженеры двух стран решили преодолеть водное пространство (40 км) семидюймовыми (18 см) волнами. Экспериментаторы передали:
Система параболических антенн диаметром 10 футов (19-20 длин волн) давала два параллельных луча, конфигурация автоматически блокировала явление интерференции. Мощность потребления передатчика составила 25 Вт, КПД – 50%. Положительные результаты заставили предполагать возможность генерации более высоких частот, включая оптические. Сегодня очевидна нецелесообразность подобных замашек. Технические характеристики используемых вакуумных ламп замалчивались организаторами, упоминался лишь общий принцип действия, изобретённый Хайнрихом Баркхаузеном (Университет Дрездена), усовершенствованный французским экспериментатором Пирье. Затейники выражали благодарность учёным-предшественникам:
Ключом стала идея Баркхаузена получать колебания прямо внутри лампы (принцип действия современных магнетронов). Наблюдатели сразу отметили возможность закладки множества каналов. Дециметровое вещание тогда полностью отсутствовало. Диапазон на четыре порядка шире волн, широко используемых тогда телевидением. Резкий рост числа каналов вещания становился настоящей проблемой. Открываемые дециметровым спектром возможности явно превышали потребности.
Уже тогда заметка предполагала использование атомных переходов для генерации волн высокой частоты. Обсуждалось рентгеновское излучение. Журналисты окончили всеобщим призывом инженеров осваивать открывающиеся перспективы.
Дубль два
Несколькими годами позже опыты возобновились. Линия длиной 56 км соединила берега пролива:
Создатели линии рассчитывали серьёзно устроиться, поставив две стальные вышки, украшенные параболическими антеннами диаметром 9,75 фута. Генератор спрятался позади рефлектора, тонкое жало волновода пробивало тарелку, облучатель сформирован шаровидным зеркалом. Оператору построили наземный пункт управления, оборудовав необходимыми панелями, включая регулятор напряжения. Функциональный набор предполагал использование азбуки Морзе, факса, телерадиовещания.
Супергетеродинный приёмник с кварцевой стабилизацией понижал входной сигнал до 300 кГц, декодируя амплитудную модуляцию. Согласно заявлениям организаторов, оснастка призвана заменить морские телефонные, телеграфные кабели. Американская компания Белла построила аналогичную систему, форсировав залив Кейп-Код.
Технологии радаров Второй мировой
Начавшаяся Вторая мировая война подстегнула развитие микроволновых генераторов. Помогли начинаниям американские (Стэнфорд) изобретатели клистрона (1937) Рассел и Зигмунд Варианы. Новые лампы помогли создать усилители, генераторы СВЧ диапазона. Ранее повально применяли трубки Баркхаузена-Курца, магнетроны с расщепленным анодом, выдающие слишком малую мощность. Демонстрация прототипа успешно прошла 30 августа 1937 года. Западные разработчики немедля занялись построением станций воздушного обзора.
Братья создали организацию, занимающуюся коммерциализацией изобретения. Линейный ускоритель протонов помогал медикам лечить некоторые заболевания (рак). Принцип действия использует концепцию модуляции скорости (1935) Оскара Хайля и его жены. Хотя эксперты предполагают полную неосведомлённость Варианов относительно существования сего научного труда.
Работы американского физика Хансена (1939) по ускорению частиц могли быть использованы с целью замедления электронов, передающих энергию выходному тракту радиочастоты. Резонатор Хансена иногда называют румбатроном. Клистроны использовались преимущественно фашистами, станции союзников начинялись магнетронами. Армия США построила мобильные системы связи на базе грузовых машин, переплывшие океан помогать союзникам. Армейцам понравилась идея быстро налаживать связь на дальние дистанции. После войны компания AT&T применяла 4-ваттные клистроны, создавая радиорелейную сеть, покрывающую Северную Америку. Собственную инфраструктуру, благодаря 2К25, построил Вестерн Юнион.
Главным двигателем бурного прогресса считают идею резкого расширения объёма каналов, покупаемого низкой стоимость возведения вышек. Релейные сети (РРЛС) окутали три линии обороны Северной Америки времён Холодной войны. Прототип TDX разработали (1946) Лаборатории Белла. Система быстро совершенствовалась, обновляя вакуумные лампы:
Послевоенные попытки организовать связь наталкивались на необходимость выбора элементной базы. Эксперты всерьёз обсуждали конструкции ламп, клистронов, жаловались на влияние дождя. Типичные проблемы незащищённой аналоговой связи. Первые линии (включая оборонные сети ПВО США) питались дизельным топливом. Башня непременно вмещала нижний этаж-хранилище горюче-смазочных материалов, чаще ядовитых.
Угасание технологии
Переход на сантиметровый диапазон требует упразднить металлокерамические, маячковые триоды. Взамен вводят клистроны, лампы бегущей волны. Антенные устройства, наоборот, выходят миниатюрнее. Сантиметровый диапазон сильно увеличивает потери родных спектру ДМВ коаксиальных соединений. Взамен решили ставить волноводы. Третье поколение TDX перешло на твердотельную электронику. Мобильные варианты передавали 24 канала с частотным делением. Каждый вмещал 18 телетайпных линий. Аналогичные системы разрабатывались повсеместно. Лишь в 1980-е пользу технологии подвергли сомнению, ввиду внедрения спутниковой связи. Оптический кабель перекрыл возможности радиолиний.
Это интересно! Группа спутников Риолит занималась перехватом советской радиорелейной связи.
Современное состояние
Ныне идея повсеместно применяется мобильными сетями наземного базирования. Учёные чаще рассматривают возможность переноса энергии. Источником идеи следует считать Николу Теслу, задумавшего ещё в начале XX века покрыть территорию США сетью передатчиков. Изобретатель демонстрировал полную безопасность высокочастотных разрядов. Сегодня эксперты подразумевают перенос действа в открытый космос.
Передача энергии
Открытие электромагнетизма заставило учёных ломать голову, осмысливая способы передачи энергии. Первым реализованным методом назовём тороидальный трансформатор Майка Фарадея (1831). Рассмотрев уравнения Максвела, Джон Генри Пойнтинг создал теорему (1884), описывающую процесс переноса мощности электромагнитной волной. Четыре года спустя Хайнрих Рудольф Герц подтвердил теорию практикой, наблюдая искровой разряд приёмного вибратора. Проблемой занимались Вильям Генри Вэрд (1871), Махлон Лумис (1872), оба желали использовать потенциал атмосферы Земли.
«Секретные» книги полны проектами Теслы победить фашистскую авиацию беспроводными излучателями. Факты упоминают посмертное тотальное изъятие бумаг изобретателя американскими спецслужбами. Катушки Теслы шутя позволяли получить высокочастотные разряды молнии. Башня Ворденклиф (1899) серьёзно пугала округу, производителей меди наводнила ужасом мысль беспроводной передачи. Тесла дистанционно поджигал трубки Гисслера (1891), лампочки накала.
Сербский изобретатель распространил методику генерации колебаний резонансными контурами LC. Методика гениального Теслы предусматривала запуск воздушных шаров на высоты 9,1 км. Пониженное давление облегчало передачу мегавольтных напряжений. Второй идеей изобретатель задумал заставить электрический потенциал Земного шара вибрировать, снабжая станции планеты энергией. Задуманная Мировая Беспроводная система могла также передавать информацию. Неудивителен испуг инвесторов, набивавших карман производством меди.
Метод питания поездов напряжением частотой 3 кГц запатентован Морисом Хатином и Морисом Лебланком (1892). В 1964 году Вильям Браун создал модель игрушечного вертолёта, питаемого энергией электромагнитной волны. Технологии RFID (например, ключ домофона) изобретены в середине 70-х:
Позже появились карты доступа. Сегодня технологию заездили мобильные гаджеты, подзаряжающиеся беспроводным путём. Аналогичная технология используется индукционными варочными панелями, плавильными печами. Инженеры активно реализуют идеи компьютерных игр начала второго тысячелетия, планируя создать орбитальные солнечные электростанции, обороняемые боевыми дронами, питаемыми энергией электромагнитных волн. Большинству известен лазерный скальпель, использующий принцип передачи мощности коже пациента.
Это интересно! Концепцию беспроводных дронов (1959) выдвинула фирма Радеон, выполняя проект Министерства обороны. Канадский Исследовательский центр связи (1987) создал первый прототип, месяцами исполнявший возложенные функции.
Консорциум беспроводной передачи энергии
17 декабря 2008 года сформирована организация, призванная рекламировать стандарт беспроводной зарядки устройств Qi. Свыше 250 мировых компаний поддержали идею. Позже проект одобрили Нокиа, Хуавей, Вистеон. Заранее стали известны планы оснастить технологией мобильные устройства. В октябре 2016 обнародовали намерение создать зарядные точки доступа.
24 компании составили «стальной стержень» группы лоббистов. 2017 год пополнил список маркетинговыми менеджерами Apple. Касательно безопасности методики мнения учёных разделились. Эксперты сошлись в одном: вскорости методика индуктивной подзарядки станет общепринятой.
Связь с релейными системами
Подобно тому, как первые экспериментаторы преодолели Ла-Манш, ранние орбитальные солнечные электростанции станут питать спутники, продляя кардинально срок службы оборудования. Затем передача энергии станет глобальной, охватив все человеческие устройства. Технологию проще всего именовать релейной. Энергия станет приниматься, усиливаться, передаваться далее.
Это интересно! Питер Гласер первым (1968) предложил фармить энергию Солнца орбитальными заводами, передавая луч наземным станциям.
Лазерный луч эффективно переносит энергию. Мощность 475 Вт настигла мишень, преодолев многие мили свободного пространства. Система показала КПД 54%. Лаборатории НАСА передали 30 кВт, применив частоту 2,38 ГГц (спектр микроволновой печи) тарелкой диаметром 26 метров. Итоговый КПД достиг 80%. Япония (1983) затеяла исследования передачи энергии слоем ионосферы, полной свободных носителей заряда.
Прототип создан командой Марина Соляшича (Массачусетский технологический университет). Резонансный передатчик отправил 60 Вт энергии на частоте 10 МГц, преодолев дистанцию 2 метра, достигнув КПД 40%. Год спустя группа Грега Лея и Майка Кеннана (Невада), используя частоту 60 кГц, покорила дальность 12 метров. Полагаем, новейшие разработки быстро засекретят.
Обнародованную историю завершает создание НАСА летательного аппарата (2003), питаемого излучением лазера. Анонсированный 12 марта 2015 года проект JAXA призван реализовать идеи Николы Тесла.