Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Системы авиационной радиосвязи: Учебное пособие

Голосов: 7

Рассматриваются принципы организации авиационной электросвязи в гражданской авиации Российской Федерации. Приводятся типовые схемы организации авиационной связи в центрах управления воздушным движением. Формулируются требования к средствам авиационной радиосвязи, анализируются условия работы средств связи ГА и критерии оценки их характеристик. Приводятся основы теории систем передачи речевых сообщений и принципы построения авиационных радиостанций, рассматриваются системы передачи данных (телекодовая связь) и авиационно-космические системы радиосвязи. Учебное пособие предназначено для студентов, проходящих подготовку по специальности "Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования", изучающих дисциплины "Системы и устройства связи", "Системы и устройства связи летательных аппаратов", "Техническая эксплуатация средств связи аэропортов".

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
       Таким образом, на вход канала связи передаваемое сообщение мо-
жет поступать в виде аналогового, импульсного или цифрового пер-
вичного сигнала. В передающем устройстве с помощью модуляции или
манипуляции первичный сигнал преобразуется в радиосигнал, исполь-
зуемый для передачи сообщения по линии связи. Классификация сооб-
щений и сигналов [6] приведена на рис. 2.2.
   По виду радиосигналов все системы радиосвязи делятся на три груп-
пы: системы передачи аналоговых сигналов (аналоговые системы ра-
диосвязи); системы передачи цифровых сигналов (цифровые системы
радиосвязи); системы передачи импульсных сигналов (импульсные сис-
темы радиосвязи). Авиационные радиостанции обеспечивают возмож-
ность передачи и приема нескольких видов сообщений: речевых, теле-
графных и различных данных.
                  2.3. Классификация излучений
   Для сигналов с различными видами модуляции и манипуляции,
используемыми в системах авиационной радиосвязи, Международ-
ным Союзом Электросвязи предусматривается классификация излу-
чений [2, 3].
   Класс излучения – это совокупность характеристик излучения, обо-
значаемая установленными условными обозначениями. Нормируемыми
характеристиками излучений являются тип модуляции несущей, обо-
значаемой буквами латинского алфавита (первый знак условного обо-
значения класса излучения), характер модулирующего сигнала, отобра-
жаемый арабскими цифрами (второй знак) и тип передаваемой
информации, указываемый латинскими буквами (третий знак). Обозна-
чения классов излучения приведены в табл. 2.1.
   Так, например, амплитудно-модулированный сигнал обозначается
буквой А, однополосно-модулированное излучение с подавленной не-
сущей – буквой J, частотно- и фазомодулированные сигналы обозна-
чаются, соответственно, буквами F и G.
   Одноканальная передача цифровой информации без поднесущей обо-
значается цифрой 1, с поднесущей – цифрой 2, одноканальная передача
аналоговой информации – цифрой 3 и т. д.




                                                                  31


                                                             Таблица 2.1

     Обозначение класса        Вид модуляции, соответствующий классу
         излучения                          излучения
            A0            Немодулированная несущая
            А1            Амплитудная манипуляция
            А2            Амплитудная тональная манипуляция
            А3            Амплитудная модуляция
           А3А            Однополосная модуляция с ослабленной несущей
           А3Н            Однополосная модуляция с полной несущей
            А3J           Однополосная модуляция с полной несущей
             F1           Частотная манипуляция
             F2           Частотная тональная манипуляция
             F3           Частотная модуляция
          F6(2F1)         Двойная частотная манипуляция
             F9           Относительная фазовая манипуляция
             Р0           Импульсы с ВЧ заполнением
           Р3D            Амплитудно-импульсная модуляция
           Р3Е            Широтно-импульсная модуляция
            Р3F           Фазоимпульсная модуляция
           Р3G            Импульсно-кодовая модуляция

   Третий знак условного обозначения класса излучения указывает на
тип передаваемой информации: телефония обозначается буквой Е, те-
леграфия для приема на слух – буквой А, передача данных – буквой D.
Например, излучение однополосных телефонных сигналов относится к
классу J3E, излучение амплитудно-модулированных речевых сигналов-
к классу А3Е.
                     2.4. Радиолинии систем связи
   В зависимости от вида используемых радиолиний различают систе-
мы радиосвязи прямой видимости, тропосферные, ионосферные, кос-
мические, а также системы радиорелейной связи. Линии связи класси-
фицируют по протяженности, по диапазону частот, по используемому
механизму распространения радиоволн [6, 10, 12].
   По протяженности радиолинии делятся на линии глобальной, даль-
ней, средней дальности и ближней связи. Линии глобальной связи по-
32


зволяют обеспечить связь с объектами в пределах земного шара. Ли-
нии, протяженностью от 3000 до 10000 км называются линиями даль-
ней связи. Линии средней дальности обеспечивают связь в пределах от
400…500 км до 3000 км. Линии ближней связи имеют протяженность
до 400…500 км.
   По используемому механизму распространения радиоволн линии связи
можно разделить на линии, использующие: процесс огибания поверх-
ности Земли электромагнитными волнами; распространение волн в пре-
делах прямой видимости; отражение от ионосферы; ионосферное рас-
сеяние; отражение от метеорных следов; тропосферное рассеяние;
ретрансляцию с помощью искусственных спутников Земли (ИСЗ).
   Классификация электромагнитных колебаний в зависимости от диа-
пазона радиоволн приведена в табл. 2.2, которая охватывает участок
частот от 3 кГц до 3000 ГГц (радиочастоты).
   Глобальные линии создаются на сверхдлинных волнах (табл. 2.2)
или на коротких волнах при помощи ИСЗ. Линии дальней связи реа-
лизуются на КВ, отражающихся неоднократно от ионосферы или при
помощи ИСЗ.
   Линии средней протяженности создаются на коротких волнах за счет
их отражения от ионосферы. Линии ближней связи реализуются, как
правило, в УКВ диапазоне.
   В коротковолновых, средневолновых и длинноволновых радиолини-
ях используются поверхностные земные и пространственные волны
[10]. Поверхностные волны распространяются параллельно земной по-
верхности по дуге большого радиуса, постепенно затухая. Скорость за-
тухания зависит от длины волны и мала на длинных и сверхдлинных
волнах [12].
   Пространственные волны падают на ионосферу и отражаются от нее.
Они наблюдаются на коротких волнах и ночью на средних волнах.
   В настоящее время системы ближней и дальней авиационной радио-
связи используют, как правило, гектометровый, метровый, дециметро-
вый и сантиметровый диапазоны волн [8, 10]. Средства радиосвязи в
указанных диапазонах волн обеспечивают необходимую дальность свя-
зи, высокую пропускную способность и работают в условиях сравни-
тельно малого уровня помех [8]. Наибольшую практическую роль в си-
стемах связи гражданской авиации играют КВ и УКВ диапазоны,
использование которых обеспечивает необходимую дальность и надеж-
ность радиосвязи.
                                                                  33


34
                                                                                                                   Таблица 2.2


     Номер        Наименование диапазона           Границы диапазона                        Способ распространения
     диапа-     радиоволн      радиочастот     радиоволн     радиочастот       на близкие            на большие расстояния
      зона                                                                     расстояния           днем              ночью
              Мериаметровые    Очень низкие    100…10 км     3…10 кГц        Земные и ионос- Ионосферные         Ионосферные
       4       сверхдлинные       (ОНЧ)                                       ферные волны      волны               волны
                   (СДВ)
              Километровые      Низкие (НЧ)     10…1 км     30…300 кГц           То же             То же             То же
       5
               длинные (ДВ)
              Гектометровые    Средние (СЧ)    1км…100 м     0,3…3 МГц       Земные волны      Земные волны           –"–
       6
               средние (СВ)
              Декаметровые     Высокие (ВЧ)    100…10 м      3…30 МГц            То же         Ионосферные           –"–
       7
              короткие (КВ)                                                                       волны
              Ультракороткие   Очень высокие    10…1 м      30…300 МГц            –"–         Тропосферные и Тропосферные и
       8
              метровые (МВ)        (ОВЧ)                                                       ионосферные      ионосферные
               Дециметровые    Ультравысокие   1 м…1 дм    300…3000 МГц           –"–         Прямые и тропос- Прямые и тропос-
       9
                    (ДЦВ)          (УВЧ)                                                       ферные волны     ферные волны
               Сантиметровые   Сверхвысокие     10…1 см      3…30 ГГц             –"–             То же            То же
      10
                   (СМВ)           (СВЧ)
              Миллиметровые       Крайне       10…1 мм      30…300 ГГц       Прямые волны      Прямые волны     Прямые волны
       11
                  (ММВ)           высокие
               Децимиллимет-   Гипервысокие    1…0,1 мм    (0,3…3)·103 ГГц       То же             То же              –"–
      12
               ровые (ДЦМВ)        (ГВЧ)


   Под дальностью связи понимают наибольшее расстояние между око-
нечными радиостанциями линии связи, на котором осуществляется ус-
тойчивая двухсторонняя связь. Основным средством в гражданской авиа-
ции являются радиостанции УКВ диапазона, которые работают в
симплексном режиме и используют вертикальную поляризацию. Связь
в этом диапазоне устойчива во времени, уровень помех мал и не зави-
сит от времени года и суток, атмосферные осадки и промышленные
помехи оказывают незначительное влияние на их работу. Основным не-
достатком связи на УКВ является малая дальность связи, которая опре-
деляется по формуле [12]

                 R = (3,57 ÷ 4,1) ×   (           )
                                          h1 + h2 , км ,      (2.1)
где h1, и h2 – и высоты подъема антенн, м.
   Дальняя связь с воздушными судами осуществляется на КВ с длина-
ми волн от 10 до 200 м (30…1,5 МГц). В КВ диапазоне существуют
поверхностные земные и пространственные волны.
   При распространении вдоль поверхности Земли поверхностные зем-
ные волны в КВ диапазоне быстро затухают. Так например, напря-
женность поля, создаваемая передатчиком мощностью 1 кВт падает
до 1 мкв/м над сушей на расстоянии около 100 км, а над морем – на
расстоянии около 300…500 км [8]. Поэтому радиосвязь с помощью
земных волн можно осуществить только на близких расстояниях (де-
сятки километров).
    Дальняя связь осуществляется посредством пространственных волн,
которые приходят к воздушному судну либо путем однократного отра-
жения от верхних слоев ионосферы, либо путем многократного отраже-
ния от ионосферы и от поверхности Земли. Дальность связи определя-
ется средой распространения КВ. Околоземное пространство, в котором
распространяются эти волны, подразделяется по высоте на четыре слоя:
тропосфера (8…12 км), стратосфера (12…40 км), мезосфера (40…60 км)
и ионосфера (60…1000 км).
   На распространение КВ главным образом влияет ионосфера, имею-
щая слои D (60…80 км), E (100…120 км), F1 (180…200 км) и F 2
(250…400 км). Слои D и E существуют в дневное время и поглощают
радиоволны при их распространении к более высоким слоям. Измене-
ние характеристик слоев D, E и F1 связано с ионизацией, возникаю-
щей из-за поглощения ультрафиолетового излучения Солнца и скорос-
                                                                  35


тью рекомбинации ионов. Слой F2 играет важную роль для связи на
КВ. Плотность электронов в этом слое достигает максимума днем и
минимума ночью и зависит от магнитного поля Земли. Поэтому ионос-
фера обладает преломляющими и отражающими свойствами, завися-
щими от частоты.
   Максимальная частота радиоволны, выше которой при вертикаль-
ном излучении она не отражается, падая на слой, а проходит сквозь
него, называется критической и определяется по формуле [10, 12]

                       f кр = 80,8 × N , кГц,                  (2.2)
где N, эл/см3 – концентрация электронов в единице объема ионосферы.
При всех частотах, меньших критической, волна отражается от слоя.
   Максимально применимой частотой (МПЧ) сигналов, используемых
для связи на КВ, называют наибольшую частоту волны, при которой
она способна отразиться от ионосферного слоя и быть принята в точке,
соответствующей заданной дальности связи.Максимально применимая
частота определяется соотношением [10, 12]
                                       2
                   f кр = f МПЧ × 
                                     R 
                                       + 1 , кГц,            (2.3)
                                   2H 
где R – расстояние между передатчиком и приемником (км); H – высота
ионосферного слоя (км). Данная дальность связи носит название "даль-
ности скачка" и является минимальным расстоянием, на котором сиг-
нал может быть принят за счет преломления.
   Поскольку условия распространения КВ не остаются неизменными,
то для обеспечения устойчивой связи в качестве рабочей частоты вы-
бирается частота, меньшая МПЧ, так называемая оптимальная рабочая
частота (ОРЧ). На основании экспериментальных данных считают, что
ОРЧ = 0,85 МПЧ [10], при которой обеспечивается по условиям отра-
жения связь в течении 90% времени за месяц. Наименьшая частота, при
которой надежность работы радиолинии соответствует минимально до-
пустимой, называется наименьшей применимой частотой (НПЧ). В те-
чение суток при изменении свойств ионосферы изменяется МПЧ, по-
этому международные правила предусматривают использование для
каждой радиолинии нескольких рабочих частот данного диапазона волн.
Для каждой линии составляется волновое расписание на частоты, кото-
рые следует использовать для круглосуточной связи. Системы связи дан-

36


ного диапазона меняют рабочие частоты при работе днем и ночью [10].
Связь днем осуществляется на более коротких "дневных" волнах в диа-
пазоне 12…30 МГЦ (10…25 м), а ночью используют так называемые
"ночные" волны от 35 до 100 м (8,6…3 МГц).
   2.5. Критерии оценки качества работы систем радиосвязи
   В приемном устройстве системы радиосвязи формируется оценка
переданного сообщения по принятой смеси сигналов и помех. При
этом выполняются операции, обратные операциям, выполняемым в пе-
редающем тракте: усиление и фильтрация, демодуляция и декодирова-
ние. В результате фильтрации максимизируется отношение сигнал/шум
на входе демодулятора.
   В системах передачи непрерывных сообщений на выходе демодуля-
тора выделяется первичный сигнал, искаженный вследствие действия
помех, который затем преобразуется в оценку переданного сообщения.
   При передаче дискретных сообщений сигнал с выхода демодулятора
подается на декодер, в котором производится обнаружение, исправле-
ние ошибок и формирование оценки первичного дискретного сигнала.
Последняя преобразуется в оценку переданного сообщения. Операции
демодуляции и декодирования при приеме дискретных сообщений мож-
но реализовать в одном устройстве, которое принимаемую последова-
тельность элементов радиосигнала сразу преобразует в оценку после-
довательности передаваемого первичного дискретного сигнала, или в
оценку передаваемого сообщения. Данный метод приема называется
"приемом в целом". При приеме в целом анализируется целый отрезок
сигнала, соответствующий кодовой комбинации и на основании исполь-
зуемого правила решения осуществляется оценка передаваемого сооб-
щения. Вторым распространенным методом является метод "поэлемен-
тного приема", при котором анализируются отдельные элементы сигнала,
соответствующие кодовым символам и последовательно строится оцен-
ка кодовой комбинации, которая декодируется в оценку переданного
сообщения.
   Степень соответствия принятого сообщения переданному характе-
ризуется показателем верности. В силу существенных отличий в по-
следствиях воздействия помех в системах передачи непрерывных и дис-
кретных сообщений используются различные показатели верности
принятых сообщений. При анализе систем передачи непрерывных со-
общений в качестве критерия верности используются показатели вер-
                                                                  37


ности в точке и показатели верности на интервале как для отдельных
реализаций, так и осредненные по ансамблю [10]. В технике связи для
оценки верности воспроизводимых сообщений используются и другие
критерии, например, критерий выигрыша системы, разборчивость речи
при приеме телефонных сообщений и т.д.
   При приеме дискретных сообщений элементы дискретного сообще-
ния резко различимы и не имеют промежуточных значений, поэтому
ошибки, возникающие из-за действия помех в канале связи, являются
аномальными. В качестве показателя верности воспроизведения диск-
ретных сообщений cлужит вероятность ошибочного приема (вероятность
ошибки) [10]. Используют вероятность P0 (ai ) ошибочного приема от-
дельного символа

                             {
                P0 ( ai ) = Р a j / ai
                              ˆ          }   j ≠ i , (i, j = 1, ..., M )              (2.4)

и среднюю вероятность P0 ( A) ошибочного приема одного символа ан-
самбля A = {ai , i = 1, ..., M }
                                     M
                         P0 ( A) =   ∑ PA (ai ) P0 (ai ) ,                            (2.5)
                                     i =1

где PA (ai ) – условная вероятность ошибочного приема символа ai из
ансамбля А; P0 (ai ) – априорная вероятность передачи символа ai ; ai –
                                                                   ˆ
оценка ai.
   Передачу на интервале времени (0, Т) последовательности из N не-
зависимых символов, выбираемых случайным образом из М возможных
символов алфавита источника, можно рассматривать как однократную
передачу одного сообщения, выбираемого из множества MN возможных
сообщений. Тогда в качестве показателя верности оценки дискретной пос-
ледовательности можно использовать вероятность P0 ( Ar )                   (r = 1, ..., M N )
ошибочного приема отдельной реализации Ar дискретной случайной пос-
ледовательности A = {Ar , r = 1, …, N }

                                         (
                        P0 ( Ar ) = P A ≠ Ar / A = Ar ,
                                      ˆ                      )                        (2.6)

38


среднюю вероятность P0 ( A ) ошибочного приема последовательности A

                                  MN
                     P0 ( A) =    ∑ PA ( Ar ) × P0 ( Ar ) ,        (2.7)
                                  i =1

или среднюю вероятность P0N ( A) ошибочного приема элемента диск-
ретной последовательности
                               P0 N ( A) = P0 ( A) / N .
   Качество приема зависит от помехоустойчивости системы связи. Для
количественной оценки качества приема можно использовать критерий
среднего риска

                   R=∫         ∫ˆ G (a, a ) W (a, a ) dada ,
                                        ˆ         ˆ      ˆ         (2.8)
                          A A
где G (a, a ) – функция потерь; W (a, a ) – совместное распределение слу-
          ˆ                           ˆ
чайного сообщения a и его оценки a .
                                 ˆ
   Для систем передачи дискретных сообщений выражение для средне-
го риска имеет вид

                                  (         ) (       )
                 R = ∑ ∑ G a j , ai P a j / ai P (ai ) ,
                           ˆ          ˆ                            (2.9)
                      i    j

где aj и a j – переданное случайное дискретное сообщение и оценка
         ˆ
принятого сообщения; P ( ai ) – априорная вероятность передачи ai;
  (ˆ    )
P a j / ai – условная вероятность формирования оценки a j при переда-
                                                      ˆ
че сообщения ai.
   При анализе помехоустойчивости системы связи часто используется
критерий "выигрыша системы", который определяется в виде
                                           g вых
                                      B=         ,                (2.10)
                                           g вх
где gвых = Pс.вых Pш.вых и gвх = Pс.вх Pш.вх – отношение сигнал/шум на
выходе и входе приемника соответственно; Pс.вых , Pс.вх , Pш.вых и Pш.вх –
мощности сигнала и шума соответственно на выходе и входе приемника.
                                                                       39


"Выигрыш системы" показывает, насколько изменяется отношение сиг-
нал/шум на выходе по отношению ко входу приемника. Для исключения
влияния различий в полосах пропускания тракта приемника при срав-
нении помехоустойчивости систем связи используют критерий "обоб-
щенного выигрыша", который показывает степень изменения прием-
ным устройством отношения мощности сигнала к спектральной
плотности мощности помехи

                                         ′
                                       g вых ,
                                B1 =                                       (2.11)
                                          ′
                                       g вх
      ′       Рс.вых         Р
где g вых =              ′
                     , g вх = с.вх .
              N 0вых         N 0вх
   Здесь N0вх и N0вых – спектральная плотность мощности помехи на
входе и выходе приемника.
   Качество работы системы радиосвязи характеризуется целым рядом
других показателей, в том числе скоростью передачи информации R и
пропускной способностью C [3–5,10].
   Скорость передачи информации R определяется средним количеством
информации, передаваемым по каналу за единицу времени.
   Пропускная способность канала C – это максимально возможная для
данного канала скорость передачи информации R.
   Из теории информации известно, что пропускная способность не-
прерывного канала с шириной полосы частот ∆f э с белым гауссовым
шумом со спектральной плотностью N0 и ограниченной средней мощ-
ностью сигнала Pc определяется выражением

                                      Pс                        Pс 
      max R = C = ∆f э log 2  1 +             = ∆f э log 2  1 +    ,   (2.12)
                                  ∆f э × N 0                    Pш 

где Pш – мощность шума в полосе ∆f э .
   Пропускная способность системы связи всегда меньше или рав-
на пропускной способности канала связи. Для реальных систем свя-
зи R < C и при передаче происходит искажение информации. Про-
пускная способность канала передачи дискретной информации не
превышает пропускную способность непрерывного канала.


40



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика