Области применения радио- и оптических каналов. Лекция 1

1. Лекция 1

Области применения радио- и оптических каналов
1. Осуществление различных видов связи.
2. Обнаружение и определение местоположения различных объектов.
3. Управление различными системами на расстоянии.
4. Определение направления на радиоизлучающую станцию.
5. Измерение расстояний.
6. Зондирование канала, лазерное зондирование трасс.
Задача практического использования радио- и лазерного излучения –
обеспечение надежной связи между объектами.

2. Три составных элемента канала связи:

передающий и приемный элементы;
среда, в которой распространяются волны.
Каналы передачи информации, включающие естественные среды.
Простейшие схемы канала (моностатическая и бистатическая).

3. Условия обеспечения надежной работы радиолиний

1. Правильный выбор рабочей частоты, передающих и приемных антенн.
2. Учет условий распространения радиоволн
Воздействие среды на сигнал:
Даже при условии качественной работы приемо-передающих систем следует
учитывать:
ослабление за счет поглощения, естественного рассеяния и дифракции на
препятствиях (включая аэрозоли);
среда как источник случайных искажений передаваемого сигнала.
В диапазон радиоволн включают волны от 0,03 Гц до 3 ТГц, что соответствует длине
волны от 10 млн километров до 0,1миллиметра.
На практике под низкочастотным диапазоном подразумевается звуковой
диапазон, а под высокочастотным — весь радиодиапазон, выше 30 кГц,
в том числе сверхвысокочастотный (свыше 300 МГц).

4.

5. Строение и состав земной атмосферы

До высот 100 км – хорошая перемешанность, - слой постоянного состава.
Большие высоты – расслоение, более тяжелые газы располагаются внизу
(слои молекулярного азота и кислорода, область озона, слои О2, N2, О1 и N1 ).
Плотность атмосферы выразим через число молекул в 1 см3 воздуха на
высоте h над уровнем моря. Она будет пропорциональна давлению
расположенного выше столба воздуха, - нахождение закона распределения
плотности воздуха по высоте сводится к определению
закона
распределения атмосферного давления.
Однородная по составу атмосфера, - барометрическая зависимость:
ph p0 e
M0g
h
RT
М0=29 – средний молекулярный вес газов, входящих в состав атмосферы, g –
ускорение силы тяжести, R=8,31.107 эрг.градус/моль - универсальная
газовая постоянная, Т- абсолютная температура.
M0g
RT
=Н - приведенная высота атмосферы. Имеет размерность
длины. По физическому смыслу это высота атмосферы постоянной
плотности, создающей то же давление, что и действительно наблюдаемое.

6. Строение и состав земной атмосферы-2

Тогда
ph p 0 e
h
h0
Температура меняется с высотой, - для определения давления воздуха в области
постоянного состава атмосферы используют более сложное соотношение:
ph p 0 e
M 0 g h dh
R 0 T (h)
Для тропосферы характерно равномерное уменьшение Т с высотой с градиентом 5-6
оС/км. Верхняя граница тропосферы определяется по прекращению падения
температуры. На границе тропосферы температура составляет примерно 220оК
(- 50оС). Такое значение сохраняется вплоть до высот порядка 25 км, после чего
температура начинает возрастать и на высоте 50 – 60 км достигает максимума в
350оК (-77 оС). На высоте порядка 80 км наблюдается следующий минимум
температуры, - примерно 230оК, - после чего она снова начинает расти. На больших
высотах наблюдаемые значения составляют примерно 600оК и выше.

7. Строение земной атмосферы

8.

Задача любого канала связи передача информации на требуемое расстояние.
Для этого необходимо:
1. рассчитать напряженность поля в точке приема при известных параметрах
радиопередающего устройства и определить условия, обеспечивающие
получение наибольшей напряженности поля;
2. изучить возникающие в процессе распространения искажения сигнала и
разработать подходы, позволяющие свести
искажения сигнала при
передаче к минимуму.

9. Лекция 1

Распространение радиоволн в свободном пространстве
E FEcв
Свободное пространство – безграничная однородная среда
с показателем преломления n =1.
Определение поля в реальных условиях сводится к определению функции
ослабления F.
Для расчета напряженности поля в свободном пространстве необходимо
знание:
1. излучаемой передающей антенной мощности;
2. расстояния от передатчика до приемника;
3. характеристик направленности приемной и
передающей антенн.

10.

Пусть источником радиоволн служит изотропный излучатель, точечный излучатель, равномерно излучающий волны во всех
направлениях.
Излучаемая мощность
4
P
Srd
2
0
E 120 H
E2
S EH
.
120
Для расчетов требуется учет функции направленности антенны - f ( , )

11. Учет направленных свойств антенны

E
E
f , F
f
(,
0
с
в
,
углы в направлении
максимума излучения
в полярной системе координат;
E0 напряженность поля в направлении
максимума
излучения
0 .
Д
л
ял
ю
б
о
йа
н
т
е
н
н
ы
2
E
0
S
f2
,
1
2
0
E02
Sизотр S 0
120
при условии, что изотропный излучатель создает
такую же напряженность поля, как реальная
антенна в направлении максимума
излучения

12.

S S 0 f 2 ,
Суммарная мощность излучения
изотропной антенны:
P0 S 0 4 r 2
D P0
P коэффициент
действия
направленного
антенны
E02
E02 r 2
2
P D P0
4 r
120
30
30 P D
в
E
f ,
r
м
поскольку E E0 f ( , )
E
173
P квт D
r км
мв
м

13. Некоторые полезные соотношения

Действующая площадь антенны – это площадь, с которой антенна собирает
энергию:
2
Ag ~
4
Дальность действия радиолинии в одном направлении:
P
r
D
D
,
f
,
1
2 f
1
2
P
4
r
Дальность действия моностатической схемы:
2
rmax 4 rодностор
. D1 D2
эфф
4
эфф - эффективная площадь рассеяния. Рассчитана для листа:
листа
4 s 2
2
(s – площадь листа)
и уголкового отражателя:

14.

4 a 4
уголка
3 2
Уголковый отражатель – отражающее устройство в форме тетраэдра. В широком
диапазоне углов падения дает отраженный луч в сторону излучателя. Широко
применяется в радиолокационной технике. Его использование позволило
определить точное расстояние от Земли до Луны (в оптическом диапазоне).

15.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВЛИЯНИИ КАНАЛА НА ПЕРЕДАЧУ
ИНФОРМАЦИИ
Характеристики
канала
оцениваются
количеством
информации, которое можно по этому каналу передать, и
расстоянием, на которое эта информация может быть
передана без промежуточных ретрансляторов.
Для этого необходимо:
1. знание характера передаваемой информации;
2. наличие способа ее количественного определения.

16.

Виды передаваемой информации:
1.Информация характеризуется физическими параметрами,
непрерывно меняющимися во времени и такими, что
могут занимать любой непрерывный диапазон возможных
значений.
2.Информация дискретна.
3.Информация,
оставаясь
дискретной
по
форме,
непрерывно меняется во времени.
4.Дискретизированный сигнал, который может иметь любое
значение в непрерывном интервале, но только в
дискретные моменты времени.
Число бит, необходимое для восстановления информации в
первоначальный вид, будет мерой передаваемой или
обрабатываемой информации.

17.

1. Дискретизация сигнала во времени.
Частота дискретизации. Теорема
Котельникова.
1
fs
2
fmax
T
Ширина
спектра
исходного
сигна
fmax
f
fs
2
f
2. Квантование сигнала по уровню. m- число
уровней квантования.
Амплитуда может принимать любое значение из
непрерывного интервала изменений
дискретизируемого сигнала. Возникающий
системный шум не позволяет обнаружить
разность между двумя значениями уровня
сигнала, если она соизмерима со
среднеквадратичным значением флуктуаций.

18.

Лекция 1
3. Тогда каждый отсчет потребует для своего кодирования двоичных цифр
N log
2m
При декодировании полученного цифрового сигнала и восстановлении
исходного возникают ошибки квантования. Шум квантования сравним
по величине или меньше исходного шума квантуемого сигнала при
условии
12
A
m
1
S A
2
N
Для представления в цифровом виде исходного аналогового
сигнала, занимающего полосу f и имеющего динамический
диапазон A A , потребуется минимум В двоичных цифр в
S
N
секунду:
f
log
1
A
A
B
2
f
log
1
A
2
SA
1
2
2
N
2
Формула носит название формулы Шеннона.
S
2
N

19.

• Необходимость установления оптимальных характеристик приемопередающих устройств для данных условий распространения
• Всемерное повышение удельной содержательности сигнала,
распространяющегося в атмосферном канале. Хаотические колебания
сигнала в точке приема.
• Влияние неоднородностей канала учтем как влияние помехи на
количество передаваемой по каналу информации.
Пусть объем сигнала
Q TFΠ
(T – длительность импульса, F – ширина спектра) . Величина П – так
называемое превышение сигнала над помехой, определяемое как
отношение средней мощности сигнала к средней мощности помехи
.
Π lg P Pп
Удельная содержательность сигнала при передаче количества информации I
I Q
lg aP Pп
lg P Pп