Образовательный портал о технологиях мобильной связи


Основные принципы построения телевизионных систем. .


Принципы построения TV систем .
     Ввиду униполярности ТВ сигнала возможны два варианта АМ радиосигнала: негативная и позитивная в зависимости от полярности модулирующего ТВ сигнала. В большинстве стран мира, в том числе и в нашей стране, принята негативная полярность модуляции, при которой максимальному уровню несущей изображения соответствует передача величины СИ, а минимальному значению - уровень белого ТВ сигнала. При такой полярности модуляции по сравнению с позитивной импульсные помехи проявляются на ТВ изображении в большинстве случаев в виде темных точек, а не белых, поэтому они визуально менее заметны. Повышается помехоустойчивость тракта синхронизации ТВ системы по всем видам помех, кроме импульсных. так как при передаче СИ ТВ радиопередатчик излучает максимальную, т.е пиковую мощность. При негативной полярности модуляции в телевизорах легче осуществлять автоматическую регулировку усиления (АРУ), так как в излучаемом радиосигнале, независимо от содержания ТВ изображения, СИ соответствует максимальной и постоянной величине излучаемой мощности. Кроме того, облегчается конструирование радиопередатчиков, так как средняя излучаемая мощность значительно меньше максимальной, поскольку на ТВ изображениях больше преобладают белые детали. Основной недостаток негативной полярности модуляции заключается в относительно большем влиянии импульсных помех на устойчивость синхронизации в ТВ приемниках.
Способ установки элементов передающей ТВ антенны ориентирует электрический и магнитный векторы электромагнитной волны, т.е. определяет плоскость поляризации электромагнитного излучения. Согласно ГОСТ 7845-92 допускается использовать как горизонтальную (вектор электрического поля Е расположен в горизонтальной плоскости), так и вертикальную поляризацию волн, излучаемых ТВ радиопередатчиком В свободном пространстве горизонтальная и вертикальная поляризации электромагнитных волн не имеют друг перед другом каких-либо преимуществ. Однако в реальных условиях, особенно в городах с большим количеством вертикально отражающих объектов, например домов, при горизонтальной поляризации обеспечивается меньший уровень отраженных интерферирующих волн, которые вызывают замирание сигнала и помехи на ТВ изображении в виде дополнительных контуров. Кроме того, при горизонтальной поляризации наблюдается меньшее воздействие промышленных помех, в частности помех от систем зажигания автотранспорта, которые имеют вертикально поляризованную составляющую.
Наконец, конструкции ТВ антенн с узкими диаграммами направленности для приема горизонтально поляризованных электромагнитных волн оказываются более простыми, их легче устанавливать на металлических опорах. Поэтому при организации ТВ вещания в большинстве стран мира предпочтение было отдано горизонтальной поляризации электромагнитного излучения.
Спутниковая связь
Искусственные спутники Земли (ИСЗ) связного назначения широко используются для передачи различных сообщений, организации ТВ, телефонных, телеграфных и других каналов связи.
Основной принцип создания спутниковых систем связи заключается в размещении ретрансляторов на ИСЗ. Следовательно, спутниковая система связи представляет собой РРЛ (радио-релейные линии) с одной промежуточной станцией, размещенной на ИСЗ. При построении спутниковых систем связи используются идеи и принципы, реализуемые в РРЛ.
По способу ретрансляции сигнала спутниковые системы делят на системы с пассивной и активной ретрансляцией. Система, которая работает без бортовой аппаратуры, называется системой связи с пассивным спутником, или системой с пассивной ретрансляцией. В этом случае сигналы, посланные с Земли, отражаются поверхностью ИСЗ обратно без предварительного усиления. В качестве пассивных спутников могут использоваться как специальные отражатели различной формы (в виде сферических баллонов, объемных многогранников и др.), так и естественный спутник Земли – Луна. При достаточном усилении земных антенн и высокой чувствительности приемника земной станции (ЗС)этот метод радиосвязи может найти применение в системах с малой пропускной способностью. Пропускная способность подобных систем связи при современном уровне техники не превышает двух – трех телефонных сообщений.
Система радиосвязи при наличии бортовой аппаратуры называется системой с активной ретрансляцией сигнала, или системой с активным спутником. При этом энергоснабжение бортового ретранслятора осуществляется от солнечных батарей, находящихся на ИСЗ. Активная ретрансляция является основной в современных системах передачи.
В настоящее время под спутниковым ТВ и радиовешанием понимается как передача ТВ сигналов (со звуковым сопровождением), так и радиовещательных звуковых сигналов от одного или нескольких земных передатчиков, связанных с центрами формирования ТВ и радиопрограмм, через ИСЗ на сеть земных приемных установок и распределение этих программ с целью доведения их до абонентов (телезрителей или радиослушателей) с помощью наземных средств связи (ретрансляторов различной мощности, СКТВ, средств коллективного и индивидуального приема). Как правило, в зоне обслуживания связным ИСЗ располагается сеть приемных ЗС различных типов. Для обеспечения высокого качества принимаемых ТВ и звуковых сигналов в спутниковых системах связи из-за очень больших расстояний между ЗС и ИСЗ принимают следующие меры :
1) увеличивают мощность передатчика ЗС до 5… 10 кВт;
2) усложняют приемопередающие антенны ЗС;
3) используют малошумящие усилители (смесители на входе приемников)
4) повышают эффективность приема с ЧМ за счет увеличения девиации частоты.
В зависимости от типа ЗС и назначения системы спутниковой связи различают следующие службы радиосвязи:
– фиксированная спутниковая служба (ФСС) – служба радиосвязи между ЗС, расположенными в определенных фиксированных пунктах, при использовании одного или нескольких спутников;
– подвижная спутниковая служба – между подвижными ЗС с участием одного или нескольких ИСЗ;
– радиовещательная спутниковая служба (РВСС) – служба радиосвязи, в которой сигналы спутниковых ретрансляторов предназначены для непосредственного приема населением. При этом непосредственным считается как индивидуальный, так и коллективный прием на сравнительно простые и недорогие установки с абонентским качеством.
Радиорелейные линии - необходимость в теле и радиовещании
Радиорелейные линии (РРЛ) представляют собой цепочку приемопередающих радиостанций (оконечных, промежуточных, узловых), которые осуществляют последовательную многократную ретрансляцию (прием, преобразование, усиление и передачу) передаваемых сигналов.
В зависимости от используемого вида распространения радиовопн РРЛ можно разделить на две группы: прямой видимости и тропосферные.
РРЛ прямой видимости являются одним из основных наземных средств передачи сигналов телефонной связи, программ звукового и ТВ вещания, цифровых данных и других сообщений на большие расстояния. Ширина полосы частот сигналов многоканальной телефонии и ТВ составляет несколько десятков мегагерц, поэтому для их передачи практически могут быть использованы диапазоны только дециметровых и сантиметровых волн, общая ширина спектра которых составляет 30 ГГц. Кроме того, в этих диапазонах почти полностью отсутствуют атмосферные и промышленные помехи. Расстояние между соседними станциями (протяженность пролета) зависит от рельефа местности и высоты подъема антенн. Обычно его выбирают близким или равным расстоянию прямой видимости. Комплекс приемопередающей аппаратуры РРЛ для передачи информации на одной несущей частоте (или на двух несущих частотах при организации дуплексных связей) образует широкополосный канал, называемый стволом (радиостволом). Оборудование, предназначенное для передачи телефонных сообщений и включающее в себя кроме радиоствола модемы и аппаратуру объединения и разъединения каналов, называют телефонным стволом. Соответствующий комплекс аппаратуры для передачи полных ТВ сигналов (вместе с сигналами звукового сопровождения, а часто и звукового вещания) называют ТВ стволом. Большинство современных РРЛ являются многоствольными. При этом, кроме рабочих стволов, могут быть один или два резервных ствола, а иногда и отдельный ствол служебной связи С увеличением числа стволов возрастает соответственно и объем оборудования (число передатчиков и приемников) на станциях РРЛ.
Разновидности РРЛ
РРЛ прямой видимости можно классифицировать по различным признакам и характеристикам. Рассмотрим классификацию РРЛ по наиболее важным из них:
1. По назначению различают: междугородные, магистральные, внутризоновые, местные РРЛ.
2. По диапазону рабочих (несущих) частот РРЛ подразделяются на линии дециметрового и сантиметрового диапазонов. В этих диапазонах в соответствии с Регламентом радиосвязи для организации РРЛ выделены полосы частот, расположенные в области 2, 4. 6. 8. 11 и 13 ГГц. В настоящее время ведется исследование условий создания радиорелейной связи на частотах порядка 18 ГГц и выше. Переход на более высокие частоты позволил бы увеличить пропускную способность систем передачи. Однако использование столь высоких частот затруднено из-за сильного ослабления энергии радиоволн во время атмосферных осадков.
3 По способу уплотнения каналов и виду модуляции несущей можно выделить : а) РРЛ с частотным уплотнением (разделением) каналов (ЧРК) и ЧМ гармонической несущей; б) РРЛ с временным уплотнением (разделением) каналов (ВРК) и аналоговой модуляцией импульсов, которые затем модулируют несущую; в) цифровые РРЛ, в которых отсчеты сообщений квантуются по уровням и кодируются.
4. По принятой в настоящее время классификации РРЛ разделяют на системы большой, средней и малой емкости.
К РРЛ большой емкости принято относить системы, позволяющие организовать в одном стволе 600 и более каналов тональной частоты (ТЧ), что соответствует пропускной способности более 100 Мбит/с. Если РРЛ позволяет организовать 60-600 или менее 60 каналов ТЧ то эти системы относятся к линиям связи средней и малой емкости. Пропускная способность таких РРЛ равна соответственно 10-100 и менее 10 Мбит/с.
Принципы организации радиосвязи
Может возникнуть вопрос, нельзя ли для того чтобы передать с помощью радиоволн человеческую речь или музыку, звуковые колебания превратить в электрические, а последние с помощью антенны преобразовать в электромагнитные волны, чтобы затем в приемном пункте эпектромагнитные вопны снова превратить в звуковые ?
Звуковые колебания, воспринимаемые человеческим слухом, лежат обычно в полосе частот от 20 до 20 000 Гц, т.е. такие колебания создадут волны длиной от 15 000 до 15 км. Антенны же могут эффективно излучать электромагнитные колебания только тогда, когда их размеры соизмеримы с длиной волны. Однако сами по себе колебания высокой частоты информацию не несут. Посылать их по линии связи бесполезно. Так же бесполезно, как посылать телеграмму с адресом, но без текста: она дойдет сравнительно быстро, но ее получатель сведений не получит. Таким образом, в нашем распоряжении есть сообщение, содержащее информацию, но не способное дойти до получателя. Есть и высокочастотное колебание, которое найдет своего получателя, но не принесет ему информацию. Как соединить вместе необходимые качества сообщения и безынфюрмативного колебания?
Единственный способ – попытаться наложить на высокочастотное колебание отпечаток сообщения, т.е использовать высокочастотное колебание лишь в роли переносчика сообщения, содержащего информацию. С этой целью нужно изменять один или несколько признаков (параметров) несущего колебания в соответствии с изменениями сообщения. Тогда мы получим высокочастотное колебание с меняющимися во времени параметрами по закону передаваемого сообщения. Рассмотренный процесс называется модуляцией.
Связь по проводам - проблемы и решения
Составной частью системы передачи является линия передачи, по которой распространяются электромагнитные сигналы. В зависимости от конкретных условий, в которых организуется связь, для передачи сигналов используют проводные или радиолинии. По проводным линиям электромагнитное поле распространяется вдоль непрерывной направляющей среды. К ним относятся воздушные и кабельные линии, волновые, световоды. По радиолиниям сообщения передаются посредством распространения электромагнитных волн в свободном пространстве. Исторически первыми возникли и применяются до настоящего времени воздушные линии (цепи). Воздушная цепь представляет собой пару изолированных металлических проводов, закрепленных на некотором расстоянии друг от друга, в результате чего роль изолятора между проводами выполняет воздух. Подвешиваются провода на деревянных или железобетонных опорах. Недостатками воздушных цепей – значительное влияние климатических условий на устойчивость работы системы связи, высокий уровень помех (от высоковольтных линий, контактной сети электрифицированных железных дорог, радиостанций), малый диапазон частот. Кабель связи представляет собой некоторое количество проводников, изолированных друг от друга. В качестве изоляции используются кабельная бумага или различные разновидности пластмасс. Для предохранения от проникновения влаги проводники заключаются в герметическую оболочку. Сверху накладывают защитные покровы, предохраняющие кабель от механических повреждений. Пара проводников образует электрическую цепь, по которой передается сигнал. Переход от воздушной цепи к кабельной позволил существенно уменьшить влияние климатических условий на работу систем связи, снизить уровень помех, расширить рабочий диапазон частот. Кабели подразделяются на подземные, подводные и подвесные.
Старейшие среди современных кабелей связи – городские телефонные кабели. Да и самой разветвленной кабельной сетью является городская телефонная сеть (не секрет, что большая часть телефонов находится у жителей городов).
Городские телефонные кабели бывают разные. Они могут содержать от 10 (такие кабели заводят в подъезды домов и подключают к распределительным коробкам, откуда телефонные провода тянутся в каждую квартиру) до 500, 1000 и даже 3000 пар проводов (а такие кабели используют для того, чтобы собрать воедино тянущиеся от жилых массивов к АТС более мелкие кабели). Каждая жила кабеля изолируется кабельной бумагой или бумажной массой, получаемой из целлюлозы. Жилы скручиваются определенным образом вместе и помещаются в прочную свинцовую оболочку. В последние годы, благодаря успехам химии, на смену бумажной изоляции жил и свинцовой оболочке пришли различные пластмассы (полиэтилен, поливинилхлорид, фторопласт). Прокладываются городские телефонные кабели в подземной канализации в асбесто-цементных трубах.
Для связи между городами выпускаются специальные междугородные кабели – симметричные и коаксиальные. В отличие от городских кабелей они содержат намного меньше пар проводов: не более одного-двух десятков Лежат эти кабели прямо в земле. Для повышения механической прочности междугородные кабели –"одевают" в броневые покровы (обычно это стальные бронеленты). Когда по проводнику протекает синусоидальный ток, вокруг движущихся в металле электронов возникают электрическое и магнитное поля. Чтобы убедиться в существовании электрического поля, достаточно поместить вблизи проводника пробный электрический заряд (например, заряженный листок или бусинку). Если поле есть, то заряд сдвинется с места. Обнаружить магнитное поле можно с помощью пробной магнитной стрелки: она будет поворачиваться. Электрическое и магнитное поля часто рассматриваются вместе как единое электромагнитное поле.
В городских телефонных кабелях под одной «крышей» – оболочкой – собрано большое число пар проводов. Представим себе, что цифровые сигналы (импульсы) передаются только по одной паре проводов, по одной цепи (а по другим парам в это время ничего не передается). Тем не менее и в остальных «нерабочих» парах можно зафиксировать те же самые сигналы. Правда, очень слабые. И чем дальше «нерабочая» пара расположена от «рабочей», тем слабее в ней сигналы. Однако чем выше скорость передачи импульсов, тем увереннее мы будем регистрировать в «нерабочих» парах эти импульсы. Виной тому увеличивающееся на высоких частотах электромагнитное излучение. При большой скорости передачи влияние одной цепи на другую может быть столь велико, что когда по второй цепи будут передаваться «свои» сигналы, их будет очень трудно отделить от «чужих». Вот эти-то взаимные влияния между цепями и не дают возможности беспредельно увеличивать скорость передачи импульсов по городским телефонным кабелям. Практически она 2 Мбит/с. Отсюда вывод: такие кабели не позволяют обмениваться видеопрограммами, ведь при передачи подвижного изображения биты «мчатся» со скоростью в 50 раз большей.
Иное депо междугородный коаксиальный кабель! Один проводник коаксиальной пары – обычный сплошной провод, а другой (по которому ток «возвращается» обратно) – полый медный цилиндр. Сплошной проводник помещен внутрь полого. Отсюда и название –коаксиальная пара, что означает имеющая общую ось (соахis – соосный). Чтобы строго выдержать соосность проводников, пространство между ними заполняют изолирующим материалом (сплошным полиэтиленом, попиэтипеновыми шайбами и т.п.). Придумал такую конструкцию пары проводников еще в 1912 г. профессор Петербургского электротехнического института П.Д. Войнаровский (1886-1913). а использовать ее в кабелях связи предложил в 1934 г. американский изобретатель С.А. Щелкунов.
Коаксиальная пара – это поистине замечательное изобретение! Она не излучает электромагнитную энергию в пространство, а следовательно, не будет влиять на соседние цепи связи. Это имеет принципиально важное значение, поскольку позволяет повысить скорость передачи цифр.
Ток во внутреннем проводнике с ростом частоты также вытесняется на его поверхность. Этот процесс не отличается от описанного выше. Магнитное поле внутреннего проводника наводит в металлической толще внешнего проводника вихревые токи. На наружной стороне полого проводника эти вихревые токи направлены против основного тока (срабатывает знакомое из школьного курса правило буравчика) и тем самым уменьшают, ослабляют его. Таким образом, ток в полом цилиндре вытесняется не наружу, а внутрь коаксиальной пары. Этот эфект ученые назвали эффектом близости. Он-то и является причиной, по которой электромагнитное поле концентрируется внутри коаксиальной пары и не излучается вне ее.
С ростом частоты действие эффекта близости увеличивается и поле все сильнее и сильнее концентрируется между внутренним и внешним проводниками. Именно поэтому по коаксиальным парам потоки информации могут «нестись» с колоссальной скоростью, превышающей сотни миллионов бит в секунду.