Сверхдальние тропосферные линии передачи

Исследования распространения волн дециметрового диапазона показали возможность увеличения расстояния между ретрансля­ционными станциями тропосферных линий до 800—1000 км. При этом объем рассеяния находится в стратосфере. Механизм распро­странения радиоволн на такие расстояния еще недостаточно изу­чен, однако эксперименты показали, что распределение амплитуды сигнала при быстрых замираниях также подчиняется закону Рэлея, распределение сигнала при медленных замираниях подчиняет­ся нормально логарифмическому закону, однако дисперсия распре­деления уменьшается до 2—2,5 дБ. Это означает, что диапазон мед­ленных флуктуаций сигнала значительно меньше, чем на обычных линиях ДТР; сезонный ход множителя ослабления также значительно меньше, чем на обычных линиях ДТР. Оказалось, что трассы, проходящие над морем, значительно лучше по условиям распространения, чем трассы такой же длины над сушей (сигнал выше на 10—20 дБ). Линии СТР приближаются по расстоянию между соседними участками к линиям ионосферного рассеяния, однако вследствие значительно большей широкополосности канала километр линии сверхдальнего тропосферного распростране­ния обходится примерно в 10 раз дешевле, чем на линиях ионо­сферного рассеяния.

Расчеты для линий СТР показывают, что три надежности свя­зи, равной 99,95%, можно получить мощность шумов в канале, не выходящую за пределы норм (с применением компан­деров, дающих 8—10 дБ выигрыша в средне минутной мощности шумов в телефонном канале). Дальнейшее повышение надежности линии может быть получено использованием слежения по частоте. Линия СТР должна иметь для слежения цепь обратной связи, по которой на передаю­щий конец подается информация о состоянии тракта. В соответ­ствии с этой информацией, частота передатчика плавно изменяется, оставаясь, все время на максимуме коэффициента передачи тропосферы. Приемное устройство непрерывно подстраивается. Выиг­рыш от применения такой системы слежения равен 9—10 дБ. Од­нако применение ее затруднено необходимостью использования очень широкой полосы.

Увеличение запаздывания между компонентами многолучевого сигнала при СТР резко увеличивает мультипликативные помехи и, следовательно, кроме ухудшения энергетики приема, вызывает увеличение переходных помех при многоканальной телефонии. При передаче дискретной информации «память» канала ограничивает скорость передачи, поскольку появляются межсимвольные искаже­ния. Однако пропускная способность многолучевого канала падает незначительно (на 17%); более того, она может быть восстановле­на оптимальными методами передачи информации. Все существую­щие методы борьбы с мультипликативной помехой могут быть, -в принципе, разделены на следующие группы:

1. Метод накопления, при котором образуются несколько ко­пий принимаемого сигнала, по-разному пораженного мультипли­кативной помехой. Эти копии комбинируются.

2. Метод адаптивного приема, при котором производится не­прерывное или периодическое измерение характеристик среды рас­пространения. Данные этих измерений используются для оптими­зации выбора сигналов на передаче путем использования инфор­мационной обратной связи и оптимальной обработки сигналов на приеме.

3. Метод использования исправляющих кодов и обратной свя­зи после решений (postdecision feedback).

Применение того или иного метода определяется, с одной сто­роны, характеристиками канала связи, а с другой—передаваемой информацией и допустимыми искажениями. На многоканальных тропосферных РРЛ наибольшее распространение нашел первый.

При передаче дискретной информации вместо методов разне­сения, применяются методы, основанные на возможности разделения лучей в месте приема. Следует отметить, что представление принимаемого сигнала в виде конечной суммы лучей с амплитудами Ui, фазами f_i и задержками t_i  полностью согласуется с физической природой распространения только на коротких волнах. В канале ДТР не представляется возможным вы­делить один сильный луч, однако, тем не менее, представление сиг­нала в виде конечной суммы лучей правомочно. Если, например, полоса передаваемого сигнала Df_c, то сигнал может быть пред­ставлен суперпозицией лучей с задержками друг относительно дру­га, равными  (по Котельникову); тогда число разделяемых лучей равно 2t_К Dfс. Используя сигналы с широкой базой и корре­ляционный прием или прием на согласованный фильтр, можно разделить лучи во времени прихода. При этом запаздывание в каж­дом луче будет значительно меньше t_К и, следовательно, уменьшатся искажения сигнала и мультипликативные помехи. При этом в зависимости от методов приема возможно либо выделение одного сильнейшего луча, либо использование нескольких лучей путем когерентного приема и суммирования всех лучей по напря­жению.

Разделимость лучей связана с наличием у широкобазного сиг­нала весьма быстро спадающей автокорреляционной функции. Если ширина пика автокорреляционной функции специально сконструи­рованного сигнала меньше минимального запаздывания между лу­чами и если каким-либо способом в точке приема был определен наиболее сильный луч (или группа лучей), то простой автокорре­ляционный приемник подавит все остальные лучи, как опережаю­щие, так и запаздывающие, в соответствии со значениями функции автокорреляции для времени, равного величине задержки этих лучей.

Выделение сильнейшего луча, а также и всех других, может быть осуществлено путем синхронизации местных сигналов каж­дым из лучей. После разделения лучей можно использовать всю энергию, сложив их. Основными недостатками таких систем яв­ляются значительное усложнение приемного оборудования и рас­ширение занимаемой полосы частот.

По методу приема сигналов с широкой базой различают кор­реляционный прием с помощью многоканального коррелятора с линией задержки с отводами и прием на согласованные фильтры. В первом случае в качестве опорного широкополос­ного сигнала используется бинарная псевдослучайная последова­тельность типа М-последовательности с последующей фильтрацией. Возможно применение также других псевдослучайных последова­тельностей (многофазные коды Фрэнка и др.). Основные их свойства — равномерность спектра в широкой полосе, острый пик автокорреляционной функции и малый пикфатор. Переход к М-позиционному кодированию позволяет в той же полосе увеличить ско­рость передачи в log₂M раз по сравнению с бинарным кодирова­нием. При этом аппаратура усложняется (в» М раз). В качестве опорных сигналов могут быть использованы разные М-последовательности, а также многочастотная и многофазная манипуляции. Для передачи аналоговой информации может быть использована относительно узкополосная частотная модуляция. При этом ЧМ сигнал на передаче (а затем и на приеме) перемножается с опорным псевдослучайным сигналом. Однако передача с помощью КИМ и D-модуляции считается более эффективной.

Серьезной проблемой считается синхронизация как тактовая, так и внутрибодная. Хотя сами широкополосные сигналы обла­дают хорошей разрешающей способностью по времени, но реали­зация этих свойств для разрешения многолучевости требует и соответствующей точности синхронизации. Имеются также большие трудности при конкретной реализации широкополосной линии задержки и схемы поиска при вхождении в связь.

При приеме на согласованные фильтры обычно используют внутриимпульсную линейную частотную модуляцию, например, с по­мощью дисперсионной ультразвуковой линии задержки. Используя линейную ЧМ с противоположным наклоном, можно переда­вать бинарные сигналы. На приеме согласованный фильтр предо­ставляет собой аналогичную передаче линию задержки.

Системы с широкобазными сигналами разрешают многолучевость на основе анализа импульсной реакции канала связи, т. е. используют эквивалентную модель канала, основанную на выбо­рочных значениях его импульсной реакции. Однако можно исполь­зовать эквивалентную модель канала, основанную на выборочных значениях передаточной функции канала (в таком случае удобно говорить не о многолучевости, а о селективных затираниях). Фор­мируя на передаче многочастотный сигнал, составленный из отрез­ков синусоид, и измеряя на приеме амплитуды и фазы этих частот, а затем, когерентно складывая их, получим оптимальную систему, производящую на приеме адаптацию или измерение и учет реаль­ных характеристик. Для измерения характеристик тракта распро­странения могут использоваться либо специальные сигналы, как, например, в системе с испытательным импульсом, либо ин­формационные сигналы. В качестве испытательного импульса удобно использовать импульс с ЛЧМ.

В целом оптимальный приемник оценивает состояние канала и оптимизирует свои характеристики (опорные сигналы). Такую оптимизацию возможно производить не только на приемном кон­це, но и на передающем, используя обратный канал. На многих линиях связи организовать такой канал несложно. Анализируя принимаемый сигнал, можно, например, просто изменять мощность передатчика в такт с федингом.

Выше уже говорилось, что при обратной связи, периодически исследуя большой диапазон частот и выбирая оптимальную часто­ту передачи, можно получить значительный выигрыш. Этот выиг­рыш зависит от полосы, занимаемой информационным сигналом, и от точности разрешения сигнала зондирования по частоте. Такой метод эквивалентен разнесению по частоте с автовыбором, однако порядок разнесения определяется как интервалом корреляции по частоте, так и точностью разрешения или числом исследуемых ча­стот в измерительном сигнале (следует, правда, отметить, что при автовыборе с увеличением порядка разнесения выигрыш растет мед­ленно, а кроме того, при увеличении полосы информационного со­общения выигрыш от работы на оптимальной частоте быстро па­дает). Основная трудность — обеспечить свипирование такой большом полосы частот. На участках СТР с большим запаздыванием лучей t_К, вероятно, окажется достаточным исследовать канал свя­зи в полосе частот 20 Мгц. При этом возможна одновременная передача измерительного и информационного сигналов, причем для. передачи информации можно использовать аналоговые мето­ды модуляции, например, частотную, а в качестве опорного шумоподобный сигнал с равномерным спектром в полосе 20 Мгц. В процессе работы на приемном -конце в результате обра­ботки измерительного сигнала оценивается состояние канала во всем диапазоне п выбирается оптимальная частота, значение кото­рой кодируется и передается по каналу обратной связи. В прин­ципе, разрешающая способность измерительного сигнала может быть сделана очень большой, однако выигрыш такого метода це­ликом зависит от статистических свойств канала СТР.

В системах с обратным каналом связи можно менять не только частоту передатчика, но и девиацию (в случае ЧМ), число кана­лов, мощность передатчика или все одновременно. Основная осо­бенность—возможность передачи аналоговой информации, в от­личие от предыдущих систем, 'передающих только дискретную информацию.

Применение дискретизации и квантования аналоговой инфор­мации, т. е. переход к дискретной информации, дает возможность согласовать скорость передачи информации с полосой пропускания тракта при использовании обычных узкополосных методов моду­ляции. Это возможно, например, путем разбиения канала с высо­кой скоростью на п параллельных каналов (с разнесением их по (Времени и частоте) со скоростью передачи, в п раз меньшей. Воз­можно использование и многопозиционного кодирования. Перспективно использовать многоканальную систему, где в субканалах ис­пользуются многопозиционные 1коды. При этом аппаратура обла­дает большой гибкостью, так как при плохих условиях распро­странения легко увеличить порядок разнесенного приема за счет уменьшения скорости передачи.