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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Ondas milimétricas em sistemas de comunicação. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Comunicações de rádio civis Em nosso tempo, há um rápido processo de desenvolvimento de sistemas e meios de comunicação, o desenvolvimento de bandas de ondas de rádio tradicionais e não tradicionais, incluindo frequências de microondas, incluindo ondas milimétricas (MMW). E embora essa faixa seja relativamente jovem em comparação com outras que foram dominadas há muito tempo, agora é geralmente reconhecido que a faixa de frequência ocupada pelo MMW excede em muito aquelas que até agora estiveram à disposição da humanidade. Por muito tempo, os IMFs foram considerados inadequados para uso prático, uma vez que não havia meios tecnicamente avançados de gerar, receber, canalizar oscilações de micro-ondas, não havia base de elemento necessária e as leis de propagação do IMF na atmosfera não homogênea da Terra não eram boas estudado. Além disso, é de interesse indiscutível considerar a tendência no desenvolvimento e aplicação de sistemas de comunicação milimétrica para diversos fins, que se refletiu em inúmeras publicações nacionais e estrangeiras. A criação de sistemas de comunicação na faixa de ondas milimétricas é baseada em pesquisas científicas sobre a propagação dessas ondas e no desenvolvimento de princípios e meios para gerar e receber sinais de micro-ondas em frequências acima de 30 GHz. Cientistas e especialistas proeminentes de muitos países do mundo, incluindo a Rússia, fizeram uma contribuição significativa para a pesquisa teórica e experimental no campo da propagação de MMW. E ainda hoje, a teoria e a prática revelam cada vez mais novas vantagens da utilização do MMW, em particular nos sistemas de comunicação. Estes, em primeiro lugar, incluem um aumento no volume e na velocidade de transmissão de informações, a propagação dessas ondas em um estado desfavorável do ambiente, alto ganho de antena com pequena abertura e maior imunidade a ruídos. No entanto, quando o IMW se propaga, o sinal é enfraquecido em gases atmosféricos e hidrometeoros, bem como a despolarização da radiação, mudanças de amplitude e fase. Além disso, a atenuação do sinal na atmosfera tende a aumentar com o aumento da frequência e depende das condições climáticas. Na atmosfera também existem faixas constantes de intensa absorção de ondas de rádio devido à presença de oxigênio e vapor d'água. Esses fenômenos são observados em 22,2 GHz (H2O), 60 GHz (O2), 118,8 GHz (O2) e 180 GHz (H2O). Sob condições de umidade moderada da atmosfera (~7,5 g/m3 próximo à superfície da Terra), pode-se observar atenuação completa das ondas de rádio em certas partes do espectro (mesmo ultrapassando 200 dB) durante sua propagação vertical única. De interesse prático para a comunicação são as "janelas de transparência" identificadas pela ciência em frequências de cerca de 35, 94, 140 e 220 GHz, nas quais há atenuação mínima em comparação com as seções IMW vizinhas. Em latitudes médias com umidade e temperatura moderadas próximas à superfície terrestre (20°C) nas "janelas de transparência" a atenuação total é pequena e com uma única propagação vertical pela atmosfera, por exemplo, nas frequências de 94 GHz, é 1,3 dB. Notamos que, até recentemente, não havia estatísticas de vários níveis de absorção em estudos experimentais de absorção molecular. A acumulação destas estatísticas é uma tarefa muito trabalhosa devido à forte variabilidade dos valores de humidade e à sua dependência das condições climatéricas. Devido à absorção relativamente grande na atmosfera, os SMWs são referidos como ondas de curto alcance. Atualmente, o problema da propagação de IMW tem sido amplamente estudado, e os resultados de estudos e cálculos teóricos de absorção molecular em hidrometeoros atmosféricos concordam de forma bastante satisfatória. A tendência emergente para o uso da gama MMW para resolver vários problemas aplicados adquiriu agora um caráter estável. A possibilidade de sua aplicação em sistemas de comunicação por satélite, linhas de retransmissão de rádio, comunicação microcelular, linhas de comunicação a bordo e sistemas de controle automatizados, bem como em equipamentos de medição, foi aberta. Isso se deve ao sucesso no desenvolvimento da base de elementos MMW e à criação de dispositivos tecnicamente avançados baseados nela, a necessidade de transmitir grandes quantidades de informações, onde se manifestam especialmente as vantagens das ondas de rádio dessa faixa. MMV em comunicações via satélite. Os sistemas de comunicação por satélite estão se desenvolvendo em um ritmo muito rápido. Por exemplo, em 1982, nas comunicações por satélite dos EUA, havia cerca de 150 troncos repetidores com largura de banda de 36 MHz cada e, no início dos anos 90, a taxa de lançamento de satélites aumentou tanto que as bandas de frequência alocadas para comunicação eram 6/4 e 14/12 GHz estavam quase completamente ocupadas. Portanto, a tarefa de dominar o alcance do MMW para comunicações via satélite é muito urgente. Isso explica porque na última década apenas os Estados Unidos lançaram 15 IC3s com equipamentos operando na faixa de frequência 16...40 GHz. Seus repetidores de bordo confirmaram amplamente todas as vantagens do uso do MMW para comunicações por satélite. Os padrões de radiação estreitos das antenas MMW contribuíram para o sigilo da comunicação e o enfraquecimento da interferência de interferência, e o grande ganho levou a uma diminuição na potência dos transmissores e reduziu as características de peso e tamanho do equipamento de satélite. Mas isso não é tudo. O uso de antenas de bordo multifeixe estreitamente direcionadas possibilitou a comutação de feixes para expandir as áreas de cobertura, bem como aumentar a confiabilidade da comunicação em condições climáticas adversas devido à recepção de diversidade. Entre os IC3 de maior prioridade, cujos repetidores foram desenvolvidos no exterior no final dos anos 80 e início dos anos 90 para operar em frequências acima de 20 GHz, estão os seguintes. O satélite L-SAT/OL YMPUS (Europa Ocidental) tem uma largura de banda de frequência operacional total nas bandas 14/11 e 30/20 GHz de cerca de 6,8 GHz. A largura de banda do tronco é de 240 MHz, o que permite a transmissão de informações a uma velocidade de 360 Mbps, suficiente para organizar 5500 canais telefônicos. Satélite MILSTART (EUA) com transponder de banda larga na faixa de frequência 44/20 GHz. O uso de sinais semelhantes a ruído, ajuste de frequência pseudoaleatório na banda de 2 GHz e comutação de sinal a bordo são fornecidos. A comunicação entre satélites no sistema MILSTART é realizada na faixa de frequência de 60 GHz, na qual uma grande atenuação na atmosfera torna praticamente impossível criar interferência de rádio intencional ativa da Terra para a operação de equipamentos de bordo. Satélites ECS-2 e ACTS-E (Japão). O equipamento opera nas faixas de frequência de 30/20 e 50/40 GHz com largura de banda de 250 MHz, com taxa de transferência de dados de no mínimo 400 Mbps. Para este tipo de satélite, a NTT desenvolveu sistemas de ultra-alta capacidade (não inferior a 7920 Gbps por IC3). Acredita-se que a inclusão de 15 grandes IC3 de comunicação no sistema futuro permitirá obter uma taxa de transferência total dos sistemas de comunicação via satélite de até 119 Gbit / s. Segundo especialistas japoneses, a experiência acumulada durante os experimentos permite iniciar a criação de links de comunicação entre satélites operando na faixa MMW. Uma das possíveis aplicações de tais links inter-satélites são as comunicações internacionais. Ao mesmo tempo, a presença de uma conexão direta entre dois IC3 elimina a necessidade do uso de estações terrenas intermediárias. Com a ajuda de links entre satélites, também é possível se comunicar entre vários IS3 localizados a uma distância de várias dezenas de quilômetros um do outro em qualquer região do espaço sideral. Existem vários sistemas domésticos de comunicação por satélite com espaçonaves em órbitas geoestacionárias, elípticas e circulares baixas, semelhantes aos sistemas estrangeiros. Até agora, as frequências de rádio na faixa de 0,3 ... 0,4 GHz foram alocadas para sistemas de órbita baixa. Mas como vários serviços radioeletrônicos operam aqui em caráter primário, dificilmente é possível obter bandas para novas redes de comunicação via satélite no futuro. Portanto, nos repetidores de IC3 de baixa órbita, deve-se usar sinais pseudo-aleatórios de banda larga, que permitem evitar interferências de outros transmissores e, por sua vez, não interferem em seu trabalho. Com este método de transmissão, a velocidade no canal parcial pode ser de 4,8 kbps e, considerando a codificação de correção de ruído - 2,4 kbps. A aplicação da faixa MMW em tais sistemas é considerada. Assim, a necessidade de aumentar o rendimento e a eficiência geral dos sistemas de comunicação foi uma das razões para o desenvolvimento da faixa de frequência acima de 30 GHz. As capacidades potenciais dos sistemas na faixa de frequência especificada são estimadas em 10 mil canais de comunicação com uma taxa mínima de transferência de informações em cada canal de pelo menos 2 Mbps. Presume-se que em 2000 a rede de comunicações por satélite da Intelsat fornecerá operação para cerca de 750 canais telefônicos, o que é 15 vezes maior do que as capacidades do sistema nas bandas 6...4 e 14...12 GHz. Os problemas técnicos do uso da faixa MMW nas comunicações via satélite incluem o estudo de métodos para organizar a recepção de diversidade em estações terrestres ao transmitir informações digitais a uma taxa de 1 Gbit / s, o desenvolvimento de comutadores de ferrite confiáveis e matrizes de comutação para repetidores de bordo, como bem como a criação de antenas multifeixe aprimoradas com maior precisão na fabricação de projetos de elementos. A solução desses problemas permitirá alcançar alta eficiência de sistemas de satélite ao operar na faixa de 50...40 GHz e na organização de comunicações entre satélites também na faixa de frequência de até 60 GHz. No futuro, é possível usar partes de frequência ainda mais altas do espectro. De considerável interesse são os links de rádio a bordo para comunicação e transmissão de informações, projetados para operar na faixa milimétrica. No futuro, eles fornecerão uma largura de banda de 3...5 Gbps, alta confiabilidade (cerca de 0,99998). Assim, para um link de rádio inclinado com largura de banda de 3 Gbit / s, alcance de 20 km, com dimensões de antenas parabólicas a bordo de uma aeronave de 0,2 ... 0,5 me na Terra em um ponto de recepção de 1 m, com uma figura de ruído de um receptor de solo ~15 dB, pequeno peso e volume do equipamento de bordo, a potência do transmissor de bordo estará na faixa de 0,1...100 W. Indicadores de energia, requisitos para o equipamento de tal link de rádio, com o estado atual da tecnologia MMW, são bastante realizáveis. O uso de MMW em redes celulares. Nos últimos anos, nos países desenvolvidos do mundo, houve um progresso significativo na criação e aplicação de sistemas de comunicação móvel em áreas urbanas e rurais. Um crescimento sem precedentes no volume, velocidade e qualidade da transferência de várias informações foi alcançado em uma escala não apenas de um único país, mas também de países localizados em diferentes continentes. Isso se tornou possível devido ao desenvolvimento da eletrônica de estado sólido, microeletrônica, fotônica, acustoeletrônica e sistemas de comunicação via satélite. No entanto, o uso massivo de ondas de rádio decimétricas e ainda mais métricas em sistemas de comunicação urbana cria uma série de dificuldades no projeto de sistemas de transceptores e guias de ondas de antenas, aumenta o nível de interferência eletromagnética mútua e limita a largura de banda das frequências transmitidas, o que leva a um aumento na distorção durante a transmissão de informações. A expansão adicional da implantação de redes de comunicação celular nas cidades é obviamente impossível sem o uso de ondas milimétricas. A conveniência de mudar para MMW em sistemas celulares é confirmada pelos resultados de estudos realizados nos laboratórios do Instituto de Engenharia de Rádio e Eletrônica da Academia Russa de Ciências. A sistematização e análise dos resultados da pesquisa levam a uma conclusão otimista de que em condições urbanas difíceis é possível prever as características mais importantes do campo eletromagnético a distâncias de várias centenas de metros a dezenas de quilômetros da fonte de radiação. Essa previsão pode ser realizada por métodos estatísticos em um mapa topográfico da cidade com base em dados de densidades de construção, alturas e dimensões horizontais de edifícios, materiais de construção com os quais as paredes são feitas, bem como levando em consideração o layout das áreas urbanas , terreno e localização de sistemas de antenas. Também foram desenvolvidas técnicas para calcular características de campo ao projetar linhas de comunicação em condições urbanas usando bancos de dados de computador. Eles permitem calcular características de energia, distribuições de parâmetros de polarização do campo, bem como classificar as características estatísticas de interferência de rádio em canais de comunicação móveis urbanos. Em particular, assumindo que a potência do transmissor (Rizl) é de 5 ... 10 mW, a sensibilidade do receptor é de ~ 10 W em uma banda de 1 MHz, o ganho da antena é de cerca de 15 dB em uma onda de 5 mm e assumindo um sinal -para-ruído de ~ 10, é possível estimar o alcance mínimo do efeito da ligação no MMW, levando em consideração os centros de absorção ressonante em vapores de água e oxigênio (Fig. 1). Mesmo nas piores condições de propagação, o comprimento desse link é sempre superior a 0,5 km, o que atende aos requisitos desses sistemas de comunicação.
Levando em consideração o nível atual de desenvolvimento da tecnologia de semicondutores e o estado de desenvolvimento dos circuitos microeletrônicos, existe uma oportunidade real de usar vários transceptores domésticos, bem como sistemas de guia de onda de antena para linhas curtas de transmissão de informações em áreas urbanas. Eles podem se tornar componentes confiáveis de sistemas de comunicação celular com estações base em certas regiões. Com a produção em massa, o custo de tais sistemas no MMW pode ser bastante comparável aos existentes em ondas decimétricas e métricas. Além disso, nas condições da cidade, eles resolverão completamente o problema de superlotação no ar e criarão uma oportunidade real de aumentar o volume de mensagens transmitidas, pelo menos em uma ordem de grandeza ou mais. Trata-se, por exemplo, da utilização das mesmas frequências para retransmissão de mensagens através dos chamados sistemas microcelulares e picocelulares em áreas urbanas e suburbanas. Estudos têm mostrado outra importante vantagem do uso de MMW. Eles não têm efeito prejudicial sobre uma pessoa nas instalações onde os transceptores estão instalados, como é observado durante a operação do equipamento de ondas decimétricas e métricas. Na fig. 2 mostra uma aplicação de sistemas de comunicação microcelular e picocelular em áreas urbanas e suburbanas. A estação base A se comunica via redes macrocelulares B, C, D, D, E, que fornecem troca de informações com objetos de comunicação móvel. Ao mesmo tempo, as microcélulas b e c disponíveis na cidade destinam-se à comunicação com objetos estacionários, e os pixots 1, 2, 3 ... 9 no prédio industrial G funcionam em seus andares separados.
Os transceptores laboratoriais e industriais e o estado da base do elemento inspiram confiança na possibilidade de uso prático do MMW nos sistemas celulares considerados na cidade. Linhas de extensão única de retransmissão de rádio em MMV. Recentemente, houve a necessidade de organizar linhas de comunicação de extensão única altamente confiáveis, projetadas para a transmissão de telefonia multicanal, bem como para troca de dados entre computadores e dispositivos periféricos. Para esses fins, as linhas de retransmissão de rádio da faixa MMW são as mais adequadas. Eles têm alta imunidade a ruídos, tamanho e peso pequenos, alta largura de banda e baixo consumo de energia. Esses sistemas incluem uma estação transceptora duplex (PPS) operando na banda de 42,5 ... 43,5 GHz e projetada para organizar linhas de retransmissão de rádio digital de extensão única de até 5 km com uma taxa de transferência de informações de 8,448 Mbps (129 canais telefônicos). Para transmitir informações, a modulação de frequência com um índice de modulação igual a um é selecionada. O espaçamento de frequência entre os canais de recepção e transmissão, bem como o valor da frequência intermediária, é de 480 MHz, o que permite, por um lado, fornecer o isolamento necessário entre os canais e, por outro, organizar automaticamente ajuste de frequência em relação ao oscilador local estabilizado do receptor. Com uma atenuação total de 170 dB em um link de rádio de 5 km de extensão, a estação funcionará normalmente se o ganho da antena do transceptor for de pelo menos 40 dB, a potência do transmissor for de 30 ... 50 mW, a figura de ruído do receptor não for superior a 13 dB. O diagrama de blocos de tal PPS é mostrado na fig. 3. É composto pelas seguintes unidades funcionais: uma antena parabólica de dois espelhos 1 com diâmetro de 300 mm; passa-banda de guia de onda recebendo 2 e transmitindo 4 filtros de micro-ondas; separador de polarização 3 (horizontal E e vertical H); misturadores do canal 5 de recepção e canal 6 do AFC em diodos com barreira Schottky, operando no quarto harmônico do oscilador local; Gerador de microondas baseado no diodo Gunn 7 com ajuste de frequência varakora; IF preliminar em transistores bipolares de silício 8; gerador de micro-ondas transistorizado 9, estabilizado por um ressonador dielétrico; canal detector de frequência AFC 10; transmissor modulador amplificador de vídeo 11 e módulo detector de frequência 12. Este módulo é feito em uma única placa de circuito impresso de fibra de vidro e consiste em um IF principal com controle automático de ganho 13, um detector de frequência em circuitos dessintonizados 14 e um amplificador de vídeo 15. A potência secundária a alimentação 16 fornece uma conversão de tensão DC de +60 V em tensões estabilizadas de +12 V, -12 V e +5 V, necessárias para alimentar as unidades funcionais da estação.
Antena parabólica, transceptores e fonte de alimentação secundária são colocados estruturalmente em um recipiente cilíndrico selado com diâmetro de 300 mm e comprimento de 250 mm. As características de pequeno peso e tamanho do PPS permitem, na maioria dos casos, abandonar a construção de estruturas de mastro especiais. Esses exemplos de uso de MMW em sistemas de comunicação não esgotam o problema de seu uso prático. Eles certamente têm um grande futuro no campo de comunicações e aplicações de banda larga, em estações terrestres para comunicações com IC3 e em sistemas de comunicações inter-satélites e aéreos, bem como para organizar comunicações de banda larga em cidades e vilas, incluindo dados de pico-célula linhas de transmissão. Autores: R.Bystrov, Doutor em Engenharia. ciências, prof., A.Sokolov, doutor em tecnologia. ciências, prof., Moscou
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