Микроволновая передача
Микроволновая передача — это передача информации электромагнитными волнами с длинами волн в диапазоне микроволновых частот от 300 МГц до 300 ГГц (длина волны 1 м — 1 мм) электромагнитного спектра . Микроволновые сигналы обычно ограничены прямой видимостью , поэтому передача на большие расстояния с использованием этих сигналов требует ряда ретрансляторов, образующих сеть микроволновой ретрансляции . Можно использовать микроволновые сигналы в загоризонтной связи с использованием тропосферного рассеяния , но такие системы дороги и обычно используются только в специализированных целях.
Хотя экспериментальная микроволновая телекоммуникационная линия длиной 40 миль (64 км) через Ла-Манш была продемонстрирована в 1931 году, развитие радаров во время Второй мировой войны предоставило технологию для практического использования микроволновой связи. Во время войны британская армия представила беспроводной комплект № 10, который использовал микроволновые реле для мультиплексирования восьми телефонных каналов на большие расстояния. Связь через Ла-Манш позволяла генералу Бернарду Монтгомери поддерживать постоянную связь со штабом своей группы в Лондоне.
В послевоенное время развитие микроволновой техники было быстрым, что привело к строительству нескольких трансконтинентальных систем микроволновой ретрансляции в Северной Америке и Европе. Помимо одновременной передачи тысяч телефонных звонков, эти сети также использовались для отправки телевизионных сигналов для трансляции по всей стране, а затем и компьютерных данных. Спутники связи захватили рынок телевизионного вещания в 1970-х и 80-х годах, а внедрение оптоволоконных систем дальней связи в 1980-х и особенно 90-х годах привело к быстрому выходу из строя ретрансляционных сетей, большая часть которых заброшена.
В последние годы наблюдается взрывной рост использования микроволнового спектра новыми телекоммуникационными технологиями, такими как беспроводные сети и спутники прямого вещания , которые транслируют телевидение и радио непосредственно в дома потребителей. Более крупные каналы прямой видимости снова стали популярны для организации соединений между вышками мобильной телефонной связи, хотя они обычно не организованы в длинные ретрансляционные цепи.
Использование
[ редактировать ]Микроволновые волны широко используются для «точка-точка», связи поскольку их небольшая длина волны удобного размера позволяет антеннам направлять их узкими лучами, которые можно направить прямо на приемную антенну. Такое использование плотно сфокусированных прямых лучей позволяет микроволновым передатчикам в одной и той же области использовать одни и те же частоты, не мешая друг другу, как это делали бы более низкочастотные радиоволны. Такое повторное использование частот сохраняет ограниченную полосу радиочастотного спектра. Еще одним преимуществом является то, что высокая частота микроволн придает микроволновому диапазону очень большую пропускную способность информации; микроволновый диапазон имеет ширину полосы в 30 раз больше, чем весь остальной радиоспектр ниже него. Недостатком является то, что микроволны распространяются только в пределах прямой видимости ; они не могут проходить вокруг холмов или гор, как это могут делать низкочастотные радиоволны.
Микроволновая радиопередача обычно используется в «точка-точка» системах связи на поверхности Земли, в спутниковой связи и в радиосвязи в дальнем космосе . Остальные части диапазона микроволнового радио используются для радаров , радионавигационных систем, сенсорных систем и радиоастрономии .
Следующий более высокий диапазон частот радиоспектра , между 30 ГГц и 300 ГГц, называется « миллиметровыми волнами », поскольку их длины волн варьируются от 10 до 1 мм. Радиоволны миллиметрового диапазона сильно ослабляются газами атмосферы , что ограничивает практическое расстояние их передачи несколькими километрами, чего недостаточно для связи на большие расстояния. Электронные технологии, необходимые для работы в миллиметровом диапазоне волн, также находятся на более ранней стадии развития, чем технологии в микроволновом диапазоне.
- Беспроводная передача информации
- Односторонняя и двусторонняя связь с использованием спутника связи.
- Наземные микроволновые ретрансляционные линии в телекоммуникационных сетях, включая магистральные или транспортные операторы связи в сотовых сетях
Совсем недавно микроволны стали использоваться для беспроводной передачи энергии .
Микроволновое радиореле
[ редактировать ]
Микроволновая радиорелейная связь — это технология, широко использовавшаяся в 1950-х и 1960-х годах для передачи информации, такой как междугородние телефонные звонки и телевизионные программы, между двумя наземными точками по узкому лучу микроволн. В микроволновой радиореле микроволновый передатчик и направленная антенна передают узкий луч микроволн, переносящий множество каналов информации по тракту прямой видимости на другую ретрансляционную станцию, где она принимается направленной антенной и приемником, образуя фиксированную радиосвязь между два пункта. Связь часто была двунаправленной: на каждом конце использовались передатчик и приемник для передачи данных в обоих направлениях. Требование прямой видимости ограничивает расстояние между станциями до визуального горизонта примерно от 30 до 50 миль (от 48 до 80 км). На больших расстояниях принимающая станция может функционировать как ретранслятор, ретранслируя полученную информацию на другую станцию по пути следования. Цепи микроволновых ретрансляционных станций использовались для передачи телекоммуникационных сигналов на трансконтинентальные расстояния. Ретрансляционные микроволновые станции часто располагались на высоких зданиях и вершинах гор, а их антенны располагались на башнях для обеспечения максимальной дальности действия.
Начиная с 1950-х годов сети микроволновой ретрансляции, такие как система AT&T Long Lines в США, обеспечивали междугородние телефонные звонки и телевизионные программы между городами. [1] Первая система, получившая название TDX и построенная AT&T, соединила Нью-Йорк и Бостон в 1947 году серией из восьми радиорелейных станций. [1] В течение 1950-х годов они развернули в США сеть немного улучшенной версии, известную как TD2 . В их число входили длинные звенья , соединенные в гирлянды , которые пересекали горные хребты и охватывали континенты. Запуск спутников связи в 1970-х годах стал более дешевой альтернативой. Большая часть трансконтинентального трафика сейчас передается через спутники и оптические волокна , но микроволновая ретрансляция остается важной для более коротких расстояний.
Планирование
[ редактировать ]
 |
Поскольку при микроволновой передаче волны распространяются узкими лучами, ограниченными прямой видимостью от одной антенны к другой, они не мешают другому микроволновому оборудованию, поэтому близлежащие микроволновые каналы могут использовать одни и те же частоты. Поэтому антенны должны быть узконаправленными ( с высоким коэффициентом усиления ) и устанавливаться на возвышенностях, например, на больших радиовышках, чтобы иметь возможность избегать препятствий ближе к земле и осуществлять передачу на большие расстояния. Типичными типами антенн, используемых в установках радиорелейной связи, являются параболические антенны , диэлектрические линзы и рупорные рефлекторные антенны диаметром до 4 м (13 футов). Антенны с высокой направленностью позволяют экономно использовать доступный частотный спектр, несмотря на большие расстояния передачи.
Из-за используемых высоких частот прямая видимость требуется между станциями. Кроме того, чтобы избежать затухания луча, область вокруг луча, называемая первой зоной Френеля, должна быть свободна от препятствий. Препятствия в поле сигнала вызывают нежелательное затухание . Высокие горные вершины или хребты часто являются идеальными местами для установки антенн.
Помимо использования обычных ретрансляторов с параллельными радиопередатчиками, передающими на разных частотах, препятствия в микроволновых трактах также можно устранить с помощью пассивного ретранслятора или ретрансляторов на одной частоте.
Препятствия, кривизна Земли, география местности и проблемы приема, возникающие в результате использования близлежащих земель (например, в промышленности и лесном хозяйстве), являются важными вопросами, которые следует учитывать при планировании радиосвязи. В процессе планирования важно создать «профили пути», которые предоставляют информацию о местности и зонах Френеля, влияющих на путь передачи. Также необходимо учитывать наличие водной поверхности, например озера или реки, вдоль трассы, поскольку она может отражать луч, а прямой и отраженный луч могут создавать помехи друг другу на приемной антенне, вызывая многолучевое замирание. Многолучевые замирания обычно бывают глубокими только в небольшом пятне и узкой полосе частот, поэтому схемы пространственного и/или частотного разнесения для смягчения этих эффектов можно применять .
Эффекты атмосферной стратификации заставляют радиотрассу изгибаться вниз в типичной ситуации, поэтому возможно преодоление большого расстояния, поскольку эквивалентная кривизна Земли увеличивается с 6370 км (3960 миль) до примерно 8500 км (5300 миль) (эквивалентный радиус 4/3). эффект). Редкие изменения температуры, влажности и давления в зависимости от высоты могут привести к большим отклонениям и искажениям распространения и повлиять на качество передачи. Интенсивный дождь и снег, вызывающие затухание дождя, также следует рассматривать как фактор ухудшения, особенно на частотах выше 10 ГГц. Все вредные факторы, упомянутые в этом разделе, известные под общим названием « потери на трассе» , заставляют рассчитывать подходящие запасы мощности, чтобы поддерживать соединение в рабочем состоянии в течение большого процента времени, например, стандартные 99,99% или 99,999%, используемые в ' услуги операторского класса большинства операторов связи.
Самое длинное известное микроволновое радиореле пересекает Красное море , совершая перелет длиной 360 км (220 миль) между Джебель-Эрбой (2170 м (7120 футов) над уровнем моря, 20 ° 44'46,17 "N 36 ° 50'24,65" E / 20,7461583 ° N 36,8401806 ° E , Судан) и Джебель-Дакка (2572 м (8438 футов) над уровнем моря, 21 ° 5'36,89 "N 40 ° 17'29,80" E / 21,0935806 ° N 40,2916111 ° E , Саудовская Аравия). Линия была построена в 1979 году компанией Telettra для передачи 300 телефонных каналов и одного телевизионного сигнала в диапазоне частот 2 ГГц. (Расстояние перехода — это расстояние между двумя микроволновыми станциями). [2] [ ненадежный источник? ]
Предыдущие соображения представляют собой типичные проблемы, характеризующие наземные радиолинии, использующие микроволновое излучение для так называемых магистральных сетей: пролеты длиной в несколько десятков километров (обычно от 10 до 60 км (от 6,2 до 37,3 миль)) широко использовались до 1990-х годов. Полосы частот ниже 10 ГГц и, прежде всего, передаваемая информация представляли собой поток, содержащий блок фиксированной емкости. Целью было обеспечить запрошенную доступность для всего блока ( плезиохронная цифровая иерархия , PDH или синхронная цифровая иерархия , SDH). Замирание и/или многолучевое распространение, влияющее на канал в течение короткого периода времени в течение дня, должно было противодействовать архитектуре разнесения. В 1990-е годы микроволновая радиосвязь начала широко использоваться для городских линий сотовой связи . Требования к расстоянию линии изменились на более короткие переходы (менее 10 км (6,2 мили), обычно от 3 до 5 км (1,9–3,1 мили)), а частота увеличилась до диапазонов от 11 до 43 ГГц, а в последнее время - до 86 ГГц ( E-диапазон). Кроме того, планирование линий связи больше связано с интенсивными дождями, а не с многолучевым распространением, поэтому схемы разнесения стали использоваться реже. Еще одним большим изменением, произошедшим за последнее десятилетие, стала эволюция в сторону пакетная радиопередача . Поэтому новые контрмеры, такие как адаптивная модуляция были приняты .
Излучаемая мощность регулируется для сотовых и микроволновых систем. В этих микроволновых передачах используется излучаемая мощность обычно от 0,03 до 0,30 Вт, излучаемая параболической антенной в узком луче, расходящемся на несколько градусов (от 1 до 3-4). Расположение микроволновых каналов регулируется Международным союзом электросвязи ( ITU-R ) и местными правилами ( ETSI , FCC ). За последнее десятилетие выделенный спектр для каждого микроволнового диапазона стал чрезвычайно переполнен, что мотивирует использование методов увеличения пропускной способности, таких как повторное использование частот, мультиплексирование с поляризационным разделением каналов , XPIC , MIMO .
История
[ редактировать ]
История радиорелейной связи началась в 1898 году с публикации Иоганна Маттауша в австрийском журнале Zeitschrift für Elektrotechnik. [3] [4] Но его предложение было примитивным и непригодным для практического использования. Первые эксперименты с радиоретрансляционными станциями для передачи радиосигналов были проведены в 1899 году Эмилем Гуарини-Форезио. [3] Однако низкочастотные и среднечастотные радиоволны, использовавшиеся в течение первых 40 лет радиосвязи, оказались способны преодолевать большие расстояния за счет распространения земных и небесных волн . [ нужна ссылка ]
В 1931 году англо-французский консорциум, возглавляемый Андре К. Клавье, продемонстрировал экспериментальную микроволновую ретрансляционную линию через Ла-Манш с использованием 10-футовых (3-метровых) антенн. [5] Телефонные, телеграфные и факсимильные данные передавались по двунаправленным лучам 1,7 ГГц на расстояние 40 миль (64 км) между Дувром , Великобритания, и Кале , Франция. Излучаемая мощность, создаваемая миниатюрной трубкой Баркгаузена-Курца, расположенной в фокусе антенны, составляла полватта. За военной микроволновой линией 1933 года между аэропортами Сент-Инглеверт, Франция, и Лимпном, Великобритания, на расстоянии 56 км (35 миль), в 1935 году последовала телекоммуникационная линия на частоте 300 МГц, первая коммерческая микроволновая ретрансляционная система. [6]
Развитие радаров во время Второй мировой войны обеспечило большую часть микроволновых технологий, которые сделали возможными практические линии микроволновой связи, в частности клистронный генератор и методы проектирования параболических антенн. Хотя это и не широко известно, британская армия использовала беспроводной комплект номер 10 в этой роли во время Второй мировой войны. [ нужна ссылка ] Потребность в радиореле возникла только в 1940-х годах, когда начали использовать микроволны , которые распространялись по прямой видимости и поэтому были ограничены расстоянием распространения около 40 миль (64 км) по визуальному горизонту. [ нужна ссылка ]
После войны телефонные компании использовали эту технологию для создания крупных сетей микроволновой радиорелейной связи для осуществления междугородных телефонных звонков. В 1950-х годах подразделение американского телефонного оператора AT&T Long Lines построило трансконтинентальную систему микроволновых ретрансляционных линий по всей территории США, которая выросла для передачи большей части междугороднего телефонного трафика в США, а также сигналов телевизионных сетей . [7] Основной мотивацией использования микроволнового радио вместо кабеля в 1946 году было то, что большую мощность можно было установить быстро и с меньшими затратами. [ нужна ссылка ] В то время ожидалось, что годовые эксплуатационные расходы на микроволновую радиосвязь будут выше, чем на кабельную. Существовали две основные причины, по которым пришлось внезапно ввести большую пропускную способность: неудовлетворенный спрос на междугородную телефонную связь из-за перерыва в годы войны и новое средство телевидения - телевидение, которому требовалась большая полоса пропускания, чем радио. [ нужна ссылка ] Прототип назывался TDX и тестировался на маршруте между Нью-Йорком и Мюррей-Хилл, где находится лаборатория Bell, в 1946 году. [ нужна ссылка ] Система TDX была установлена между Нью-Йорком и Бостоном в 1947 году. TDX была модернизирована до системы TD2, в которой в передатчиках использовалась трубка Мортона, 416B и более поздняя 416C, произведенная Western Electric, а затем до TD3, которая использовал твердотельную электронику . [ нужна ссылка ]
Примечательными были микроволновые ретрансляционные линии связи с Западным Берлином во время холодной войны , которые нужно было построить и эксплуатировать из-за большого расстояния между Западной Германией и Берлином, которое было на грани технической осуществимости. Помимо телефонной сети, существуют также радиорелейные линии связи для распространения теле- и радиопередач. Это включало подключение студий к системам вещания, распределенным по всей стране, а также между радиостанциями, например, для обмена программами. [ нужна ссылка ]
Военные микроволновые ретрансляционные системы продолжали использоваться до 1960-х годов, когда многие из этих систем были заменены системами тропосферного рассеяния или спутниковыми системами связи . Когда было сформировано военное подразделение НАТО , большая часть имевшегося оборудования была передана группам связи. Типичные системы связи, используемые НАТО в тот период, состояли из технологий, которые были разработаны для использования операторами телефонной связи в принимающих странах. Одним из примеров из США является микроволновая релейная система RCA CW-20A 1–2 ГГц, в которой использовался гибкий кабель УВЧ, а не жесткий волновод, необходимый для более высокочастотных систем, что делает ее идеальной для тактических применений. Типичная установка микроволнового реле или портативный фургон имели две радиосистемы (плюс резервную), соединяющие две точки прямой видимости . Эти радиостанции часто передавали 24 телефонных канала с частотным разделением каналов на микроволновой несущей (например, Lenkurt 33C FDM). Любой канал может быть назначен для передачи до 18 вместо этого телетайпная связь. Подобные системы также использовались в Германии и других странах-членах. [ нужна ссылка ]
Сети микроволновой ретрансляции на большие расстояния строились во многих странах до 1980-х годов, когда эта технология уступила свою долю фиксированной работы в пользу более новых технологий, таких как оптоволоконный кабель и спутники связи , которые предлагают более низкую стоимость за бит. [ нужна ссылка ]
Сообщается, что во время холодной войны спецслужбы США, такие как Агентство национальной безопасности (АНБ), могли перехватывать советский микроволновый трафик с помощью таких спутников, как Rhyolite/Aquacade . [8] Большая часть луча микроволновой линии проходит через приемную антенну и излучается к горизонту, в космос. [ нужна ссылка ] Поместив геосинхронный спутник на пути луча, можно принять микроволновый луч.
На рубеже веков, [ который? ] микроволновые радиорелейные системы все чаще использовались в портативных радиостанциях. Эта технология особенно подходит для этого применения из-за более низких эксплуатационных расходов, более эффективной инфраструктуры и обеспечения прямого аппаратного доступа к оператору портативной радиостанции. [ нужна ссылка ]
Микроволновая связь
[ редактировать ]Микроволновая линия связи — это система связи, которая использует луч радиоволн в микроволновом диапазоне частот для передачи видео , аудио или данных между двумя точками, которые могут находиться на расстоянии от нескольких футов или метров до нескольких миль или километров друг от друга. Микроволновые каналы обычно используются телевизионными вещателями, например, для передачи программ по всей стране или из внешнего вещания обратно в студию.
На мобильные устройства можно устанавливать камеры, что позволяет камерам свободно перемещаться без прокладки кабелей. Их часто можно увидеть на боковых линиях спортивных площадок в Steadicam системах .
Свойства микроволновой связи
[ редактировать ]- Используйте технологию связи прямой видимости (LOS).
- Сильно зависит от экологических ограничений, включая выцветание под дождем.
- Имеют очень ограниченные возможности проникновения через препятствия, такие как холмы, здания и деревья.
- Чувствителен к большому количеству пыльцы. [ нужна ссылка ]
- Сигналы могут ухудшиться во время солнечных протонных событий [9]
- Задержки распространения ниже, чем в оптоволоконных сетях, поскольку скорость света в воздухе выше, чем в оптическом кабеле. [10]
Использование микроволновой связи
[ редактировать ]- В связи между спутниками и базовыми станциями
- В качестве магистральных операторов сотовой связи
- Для внутренней связи ближнего действия
- Соединение удаленных и региональных телефонных станций с более крупными (основными) телефонными станциями без необходимости использования медных/оптоволоконных линий.
- Измерение интенсивности дождя между двумя точками
- Дать финансовое преимущество высокочастотным трейдерам на одной фондовой бирже за счет более быстрого получения информации об изменениях цен на удаленной бирже. [10]
Тропорассеяние
[ редактировать ]Наземные радиорелейные линии связи ограничены по расстоянию до визуального горизонта — несколькими десятками миль или километров в зависимости от высоты башни. Тропосферное рассеяние («тропосферное рассеяние» или «рассеивание») — это технология, разработанная в 1950-х годах, позволяющая обеспечить связь микроволновой связи за горизонтом на расстояние до нескольких сотен километров. Передатчик излучает луч микроволн в небо под небольшим углом над горизонтом в сторону приемника. Когда луч проходит через тропосферу, небольшая часть микроволновой энергии рассеивается обратно к земле водяным паром и пылью в воздухе. Чувствительный приемник за горизонтом улавливает этот отраженный сигнал. Четкость сигнала, получаемая этим методом, зависит от погоды и других факторов, в результате чего создание надежной загоризонтной радиорелейной линии сопряжено с высоким уровнем технической сложности. Поэтому линии тропосферного рассеяния используются только в особых обстоятельствах, когда нельзя полагаться на спутники и другие каналы связи на большие расстояния, например, в военной связи.
См. также
[ редактировать ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Пруд, Норман Х (2008). Ребята из трубки . Расс Кокран. п. 170. ИСБН 9-780-9816-9230-2 .
- ^ Умберто Казираги (21 мая 2010 г.). «Старинный документ: Справочник Radio Link Telettra на Красном море, 360 км и мировой рекорд» . Телеттра . Проверено 2 октября 2012 г. - через Facebook .
- ^ Jump up to: а б Слюсарь, Вадим. (2015). Первые антенны для ретрансляционных станций (PDF) . Международная конференция по теории и технике антенн, 21–24 апреля 2015 г., Харьков, Украина. стр. 254–255.
- ^ Маттауш, Дж. (16 января 1898 г.). «Телеграф без провода. Этюд» [Телеграф без провода. Исследование] (PDF) . Журнал по электротехнике (на немецком языке). XVI (3). Электротехническое объединение в Вене: 35–36 – через www.slyusar.kiev.ua.
- ^ Свободен, Э.Э. (август 1931 г.). «Радио-прожектор с новыми волнами 7 дюймов» (PDF) . Радио Новости . Том. 8, нет. 2. Нью-Йорк: Радионаучные публикации. стр. 107–109 . Проверено 24 марта 2015 г.
- ^ «Микроволны охватывают Ла-Манш» (PDF) . Коротковолновое ремесло . Том. 6, нет. 5. Нью-Йорк: Popular Book Co., сентябрь 1935 г., стр. 262, 310 . Проверено 24 марта 2015 г.
- ^ «Антенны-сахарные черпаки улавливают микроволны» . Популярная механика . Журналы Херста. Февраль 1985 г. с. 87.
- ^ Бэмфорд, Джеймс (2008). Фабрика Теней . Даблдэй. п. 176 . ISBN 978-0-385-52132-1 .
- ^ Кинкейд, Шерил-Аннетт (май 2007 г.). Анализ микроволновых спектров, собранных локатором всплесков солнечного радио (MSc). Дентон, Техас: Университет Северного Техаса . Проверено 2 октября 2012 г. - из цифровой библиотеки UNT.
- ^ Jump up to: а б Лафлин, Грегори; Агирре, Энтони; Грундфест, Джозеф (май 2014 г.). «Передача информации между финансовыми рынками Чикаго и Нью-Йорка» . Финансовый обзор . 49 (2): 283–312. arXiv : 1302.5966 . дои : 10.1111/fire.12036 . ISSN 0732-8516 .
- Руководство по проектированию микроволновой радиопередачи , Тревор Мэннинг, Artech House, 1999 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]
- Радиочастотный/микроволновой дизайн в Оксфордском университете
- Микроволновая радиореле Skyway компании AT&T, представленная в 1951 году.
- Реклама микроволновых радиорелейных систем в журнале Bell System 1951 года.
- Реклама в винтажном журнале RCA микроволнового радиорелейного оборудования, используемого Western Union Telegraph Co.
- AT&T вспомнила о микроволновых башнях Long Lines
- Длинные линии AT&T
- Сеть глобальной истории IEEE Сети микроволновой связи
Радиоспектр (МСЭ) |
|---|
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
