Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Zivile Funkkommunikation

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Heutzutage findet ein rasanter Prozess der Entwicklung von Kommunikationssystemen und -mitteln statt, die Entwicklung traditioneller und nichttraditioneller Funkwellenbereiche, einschließlich ultrahoher Frequenzen, einschließlich Millimeterwellen (MMW). Und obwohl dieser Bereich im Vergleich zu anderen, die seit langem beherrscht werden, relativ jung ist, wird heute allgemein angenommen, dass das von IMV belegte Frequenzband viel höher ist als diejenigen, die der Menschheit bisher zur Verfügung standen.

MMWs galten lange Zeit als ungeeignet für den praktischen Einsatz, da es keine technisch ausgereiften Möglichkeiten zur Erzeugung, zum Empfang und zur Kanalisierung von Mikrowellenschwingungen gab, es keine notwendige Elementbasis gab und die Gesetze der MMW-Ausbreitung in der inhomogenen Erdatmosphäre nicht galten gut studiert. Darüber hinaus ist es zweifellos von Interesse, die Trends in der Entwicklung und Anwendung von Millimeterwellen-Kommunikationssystemen für verschiedene Zwecke zu berücksichtigen, die sich in zahlreichen in- und ausländischen Veröffentlichungen widerspiegeln.

Die Schaffung von Kommunikationssystemen im Millimeterwellenbereich basiert auf der wissenschaftlichen Erforschung der Ausbreitungseigenschaften dieser Wellen und der Entwicklung von Prinzipien und Mitteln zur Erzeugung und zum Empfang von Mikrowellensignalen bei Frequenzen über 30 GHz.

Prominente Wissenschaftler und Spezialisten aus vielen Ländern der Welt, darunter auch Russland, leisteten einen wesentlichen Beitrag zur theoretischen und experimentellen Forschung auf dem Gebiet der IMV-Vermehrung. Und auch heute zeigen Theorie und Praxis immer mehr Vorteile des Einsatzes von MMV, insbesondere in Kommunikationssystemen. Dazu gehören vor allem eine Erhöhung des Volumens und der Geschwindigkeit der Informationsübertragung, die Ausbreitung dieser Wellen unter ungünstigen Umgebungsbedingungen, ein hoher Antennengewinn bei kleiner Apertur und eine erhöhte Störfestigkeit.

Bei der Ausbreitung von IWM kommt es jedoch zu einer Signaldämpfung in atmosphärischen Gasen und Hydrometeoren sowie zu einer Depolarisation der Strahlung sowie zu Amplituden- und Phasenänderungen. Darüber hinaus nimmt die Dämpfung des Signals in der Atmosphäre tendenziell mit zunehmender Frequenz zu und hängt von den Wetterbedingungen ab. Aufgrund des Vorhandenseins von Sauerstoff und Wasserdampf gibt es in der Atmosphäre auch ständige Banden intensiver Absorption von Radiowellen. Diese Phänomene werden bei Frequenzen von 22,2 GHz (H2O), 60 GHz (O2), 118,8 GHz (O2) und 180 GHz (H2O) beobachtet. Unter Bedingungen mäßiger Luftfeuchtigkeit (~7,5 g/m3 an der Erdoberfläche) kann während ihrer einzelnen vertikalen Ausbreitung eine vollständige Dämpfung von Radiowellen in bestimmten Teilen des Spektrums (sogar über 200 dB) beobachtet werden.

Von praktischem Interesse für die Kommunikation sind die von der Wissenschaft identifizierten „Transparenzfenster“ bei Frequenzen von etwa 35, 94, 140 und 220 GHz, in denen im Vergleich zu benachbarten Abschnitten des IWF eine minimale Dämpfung beobachtet wird. In mittleren Breiten mit mäßiger Luftfeuchtigkeit und Temperatur an der Erdoberfläche (20° C) in den „Transparenzfenstern“ ist die Gesamtdämpfung gering und beträgt bei einer einzelnen vertikalen Ausbreitung durch die Atmosphäre beispielsweise bei Frequenzen von 94 GHz 1,3 dB.

Beachten Sie, dass es in experimentellen Studien zur molekularen Absorption bis vor kurzem keine Statistiken zu verschiedenen Absorptionsniveaus gab. Die Erstellung dieser Statistiken ist aufgrund der starken Variabilität der Luftfeuchtigkeitswerte und ihrer Abhängigkeit von den klimatischen Bedingungen eine sehr arbeitsintensive Aufgabe.

Aufgrund der relativ großen Absorption in der Atmosphäre werden IMFs als Kurzstreckenwellen klassifiziert.

Gegenwärtig ist das Problem der IWF-Ausbreitung weitgehend untersucht; die Forschungsergebnisse und theoretischen Berechnungen der molekularen Absorption in atmosphärischen Hydrometeoren stimmen recht zufriedenstellend überein. Der aufkommende Trend, das MMV-Sortiment zur Lösung verschiedener Anwendungsprobleme zu nutzen, hat sich mittlerweile als nachhaltig erwiesen. Die Möglichkeit ihres Einsatzes in Satellitenkommunikationssystemen, Richtfunkleitungen, mikrozellulärer Kommunikation, Bordkommunikationsleitungen und automatisierten Steuerungssystemen sowie in Messgeräten hat sich eröffnet. Dies erklärt sich durch Erfolge bei der Entwicklung der MMV-Elementbasis und der Schaffung technisch fortschrittlicher Geräte auf dieser Basis sowie durch die Notwendigkeit, große Informationsmengen zu übertragen, wobei die Vorteile von Radiowellen in diesem Bereich besonders deutlich zum Tragen kommen.

MMV in der Satellitenkommunikation. Satellitenkommunikationssysteme entwickeln sich rasant weiter. Beispielsweise verfügte die US-Satellitenkommunikation 1982 über etwa 150 Repeater-Trunks mit einer Bandbreite von jeweils 36 MHz, und Anfang der 90er Jahre hatte sich die Geschwindigkeit der Satellitenstarts so stark erhöht, dass die Frequenzbereiche 6/4 und 14/12 zugewiesen wurden Für die Kommunikation stellte sich heraus, dass GHz fast vollständig belegt war.

Daher ist die Beherrschung des MW-Bereichs für die Satellitenkommunikation sehr dringend. Dies erklärt, dass allein die Vereinigten Staaten im letzten Jahrzehnt 15 IS3 auf den Markt gebracht haben, an Bord mit Geräten, die im Frequenzbereich von 16 bis 40 GHz betrieben wurden. Ihre integrierten Repeater haben alle Vorteile der Verwendung von MMV für die Satellitenkommunikation weitgehend bestätigt. Die schmalen Strahlungsmuster der MMV-Antennen trugen zur Geheimhaltung der Kommunikation und zur Abschwächung von Interferenzstörungen bei, und der hohe Gewinn führte zu einer Verringerung der Leistung der Sender und verringerte das Gewicht und die Größeneigenschaften der Satellitenausrüstung.

Aber das ist nicht alles. Durch den Einsatz hochgerichteter Mehrstrahl-Bordantennen war es möglich, die Strahlen zu wechseln, um die Abdeckungsbereiche zu erweitern, und die Zuverlässigkeit der Kommunikation bei schlechten Wetterbedingungen aufgrund des Diversity-Empfangs zu erhöhen.

Zu den IS3 mit der höchsten Priorität, deren Repeater Ende der 80er und Anfang der 90er Jahre im Ausland für den Betrieb bei Frequenzen über 20 GHz entwickelt wurden, gehören die folgenden.

Der Satellit L-SAT/OL YMPUS (Westeuropa) verfügt über eine Gesamtbetriebsfrequenzbandbreite in den Bändern 14/11 und 30/20 GHz von etwa 6,8 GHz. Die Stammbandbreite beträgt 240 MHz, was eine Informationsübertragung mit einer Geschwindigkeit von 360 Mbit/s gewährleistet, was ausreicht, um 5500 Telefonkanäle zu organisieren.

Satellit MILSTART (USA) mit Breitband-Repeater im Frequenzbereich 44/20 GHz. Vorgesehen sind die Nutzung rauschähnlicher Signale, pseudozufälliges Frequenzspringen im 2-GHz-Band und On-Board-Signalumschaltung. Die Intersatellitenkommunikation im MILSTART-System erfolgt im 60-GHz-Frequenzbereich, in dem die hohe Dämpfung in der Atmosphäre es nahezu unmöglich macht, von der Erde aus aktive absichtliche Funkstörungen für den Betrieb von Bordgeräten zu erzeugen.

Satelliten ECS-2 und ACTS-E (Japan). Die Geräte arbeiten in den Frequenzbereichen 30/20 und 50/40 GHz mit einer Trunk-Bandbreite von 250 MHz und einer Datenübertragungsrate von mindestens 400 Mbit/s. Für diesen Satellitentyp hat NTT Systeme mit ultrahohem Durchsatz (mindestens 7920 Gbit/s pro IS3) entwickelt. Es wird angenommen, dass die Einbeziehung von 15 großen Kommunikations-IC3 in das vielversprechende System einen Gesamtdurchsatz von Satellitenkommunikationssystemen von bis zu 119 Gbit/s ermöglichen wird. Nach Angaben japanischer Experten können wir aufgrund der während der Experimente gesammelten Erfahrungen mit der Schaffung von Kommunikationsleitungen zwischen Satelliten beginnen, die im MW-Bereich arbeiten.

Ein möglicher Anwendungsbereich solcher Intersatellitenverbindungen ist die internationale Kommunikation. Darüber hinaus macht die direkte Kommunikation zwischen zwei IS3 den Einsatz zwischengeschalteter Erdstationen überflüssig. Mithilfe von Intersatellitenverbindungen ist es auch möglich, zwischen mehreren IS3 zu kommunizieren, die sich in einer beliebigen Region des Weltraums in einer Entfernung von mehreren zehn Kilometern voneinander befinden.

Es gibt eine Reihe inländischer Satellitenkommunikationssysteme mit Raumfahrzeugen auf geostationären, elliptischen und niedrigen kreisförmigen Umlaufbahnen, ähnlich wie bei ausländischen Systemen.

Bisher wurden für Low-Orbit-Systeme Funkfrequenzen im Bereich von 0,3...0,4 GHz vergeben. Da hier jedoch primär verschiedene funkelektronische Dienste betrieben werden, ist es in Zukunft kaum möglich, Bänder für neue Satellitenkommunikationsnetze zu erhalten. Daher wird in IC3-Repeatern mit niedriger Umlaufbahn vorgeschlagen, breitbandige pseudozufällige Signale zu verwenden, um Störungen durch andere Sender zu vermeiden und wiederum deren Betrieb nicht zu beeinträchtigen. Bei diesem Übertragungsverfahren kann die Geschwindigkeit im Teilkanal 4,8 kbit/s und unter Berücksichtigung der rauschresistenten Kodierung 2,4 kbit/s betragen. Die Verwendung des MMV-Bereichs in solchen Systemen wird in Betracht gezogen.

Daher war die Notwendigkeit, die Kapazität und Gesamteffizienz von Kommunikationssystemen zu steigern, einer der Gründe für die Entwicklung des Frequenzbereichs über 30 GHz. Die potenziellen Fähigkeiten von Systemen im angegebenen Frequenzbereich werden auf 10 Kommunikationskanäle mit einer minimalen Informationsübertragungsrate in jedem Kanal von mindestens 2 Mbit/s geschätzt. Es wird erwartet, dass im Jahr 2000 allein das Intelsat-Satellitenkommunikationsnetz etwa 750 Telefonkanäle bereitstellen wird, was 15-mal mehr ist als die Fähigkeiten des Systems in den Bändern 6...4 und 14...12 GHz.

Zu den technischen Problemen bei der Nutzung des MW-Bandes in der Satellitenkommunikation gehören die Untersuchung von Methoden zur Organisation des Diversity-Empfangs an Bodenstationen bei der Übertragung digitaler Informationen mit einer Geschwindigkeit von 1 Gbit/s, die Entwicklung zuverlässiger Ferritschalter und Schaltmatrizen für On-Board-Repeater, sowie die Schaffung verbesserter Mehrstrahlantennen mit erhöhter Präzision bei der Herstellung von Elementdesigns. Die Lösung dieser Probleme wird es ermöglichen, eine hohe Effizienz von Satellitensystemen beim Betrieb im Bereich von 50 bis 40 GHz und bei der Organisation der Kommunikation zwischen Satelliten auch im Frequenzbereich bis 60 GHz zu erreichen. Zukünftig ist es möglich, noch höherfrequente Teile des Spektrums zu nutzen.

Von großem Interesse sind Bordfunk- und Informationsübertragungsleitungen, die für den Betrieb im Millimeterbereich ausgelegt sind. Sie werden zukünftig einen Durchsatz von 3...5 Gbit/s und eine hohe Betriebssicherheit (ca. 0,99998) bieten. Somit ergibt sich für eine geneigte Funkverbindung mit einer Kapazität von 3 Gbit/s eine Reichweite von 20 km, wobei die Abmessungen der Parabolantennen an Bord des Flugzeugs 0,2...0,5 m und auf der Erde am Empfangspunkt 1 m betragen, Bei einer Rauschzahl des Bodenempfängers von ~15 dB, geringem Gewicht und Volumen der Bordausrüstung liegt die Leistung des Bordsendegeräts im Bereich von 0,1...100 W. Die Energieindikatoren und Anforderungen an die Ausrüstung einer solchen Funkverbindung sind angesichts des aktuellen Stands der MMV-Technologie durchaus machbar.

Die Verwendung von MMW in Mobilfunknetzen. In den letzten Jahren haben die entwickelten Länder der Welt erhebliche Fortschritte bei der Schaffung und Anwendung mobiler Kommunikationssysteme in städtischen und ländlichen Gebieten erzielt. Eine beispiellose Steigerung des Umfangs, der Geschwindigkeit und der Qualität der Übertragung verschiedener Informationen wurde nicht nur auf der Ebene eines einzelnen Landes, sondern auch in Ländern auf verschiedenen Kontinenten erreicht. Möglich wurde dies durch die Entwicklung von Festkörperelektronik, Mikroelektronik, Photonik, Akustoelektronik sowie Satellitenkommunikationssystemen.

Die weit verbreitete Verwendung von Dezimeter- und noch mehr Meter-Radiowellen in städtischen Kommunikationssystemen führt jedoch zu einer Reihe von Schwierigkeiten bei der Konstruktion von Transceiver- und Antennen-Wellenleiter-Systemen, erhöht den Grad der gegenseitigen elektromagnetischen Interferenz und begrenzt das Band der übertragenen Frequenzen, was führt zu einer Zunahme von Verzerrungen in der Informationsübertragung.

Ein weiterer Ausbau des Mobilfunknetzes in Städten ist ohne den Einsatz von Millimeterwellen offensichtlich nicht möglich. Die Machbarkeit der Umstellung auf MW in Mobilfunksystemen wird durch die Ergebnisse von Studien bestätigt, die in den Labors des Instituts für Funktechnik und Elektronik der Russischen Akademie der Wissenschaften durchgeführt wurden.

Die Systematisierung und Analyse der Forschungsergebnisse führt zu dem optimistischen Schluss, dass es unter schwierigen städtischen Bedingungen möglich ist, die wichtigsten Eigenschaften des elektromagnetischen Feldes in Entfernungen von mehreren hundert Metern bis zu mehreren zehn Kilometern von der Strahlungsquelle vorherzusagen. Eine solche Prognose kann mit statistischen Methoden unter Verwendung einer topografischen Karte der Stadt auf der Grundlage von Daten zu Bebauungsdichten, Höhen und horizontalen Abmessungen von Gebäuden, Baumaterialien, aus denen die Wände bestehen, sowie unter Berücksichtigung der Stadtplanung erstellt werden Gebiete, Gelände und Standort der Antennenanlagen. Es wurden auch Methoden zur Berechnung von Feldeigenschaften beim Entwurf von Kommunikationsleitungen unter städtischen Bedingungen mithilfe von Computerdatenbanken entwickelt. Sie ermöglichen die Berechnung von Energieeigenschaften und Verteilungen von Polarisationsfeldparametern sowie die Klassifizierung der statistischen Eigenschaften von Funkstörungen in städtischen Mobilkommunikationskanälen.

Insbesondere unter der Annahme, dass die Sendeleistung (Rizl) 5...10 mW beträgt, die Empfängerempfindlichkeit ~10 W im 1-MHz-Band beträgt, der Antennengewinn etwa 15 dB bei einer Welle von 5 mm beträgt und man die Signal- Bei einem Rauschverhältnis von ~10 können wir den minimalen Bereich der Wirkung der Bindung auf das Magnetfeld unter Berücksichtigung der Resonanzabsorptionszentren in Wasser und Sauerstoffdampf abschätzen (Abb. 1). Selbst unter schlechtesten Ausbreitungsbedingungen beträgt die Länge einer solchen Leitung immer mehr als 0,5 km, was den Anforderungen an solche Kommunikationssysteme entspricht.

Angesichts des aktuellen Entwicklungsstands der Halbleitertechnologie und des Entwicklungsstands mikroelektronischer Schaltkreise besteht eine echte Chance für den Einsatz verschiedener Haushalts-Transceiver sowie Antennen-Wellenleiter-Systeme für Kurzstrecken-Informationsübertragungsleitungen in städtischen Umgebungen.

Sie können in bestimmten Regionen zu zuverlässigen Bestandteilen zellularer Kommunikationssysteme mit Basisstationen werden. Bei Massenproduktion könnten die Kosten solcher Systeme auf MW durchaus mit denen vergleichbar sein, die auf UHF- und Meterwellen existieren.

Darüber hinaus werden sie unter städtischen Bedingungen das Problem der überfüllten Luft vollständig lösen und eine echte Chance schaffen, das Volumen der übertragenen Nachrichten zumindest um eine Größenordnung oder mehr zu erhöhen. Wir sprechen beispielsweise davon, dieselben Frequenzen für die Weiterleitung von Nachrichten über sogenannte Mikro- und Pikozellularsysteme in städtischen und vorstädtischen Gebieten zu nutzen. Untersuchungen haben einen weiteren wichtigen Vorteil der Verwendung von MMV gezeigt. Sie haben keine schädliche Wirkung auf Menschen in den Räumen, in denen Transceiver installiert sind, wie dies beim Betrieb von Dezimeter- und Meterwellengeräten der Fall ist.

In Abb. Abbildung 2 zeigt ein Beispiel für den Einsatz mikrozellulärer und pikozellulärer Kommunikationssysteme in städtischen und vorstädtischen Gebieten. Basisstation A kommuniziert über makrozelluläre Netzwerke B, C, D, D, E, die den Informationsaustausch mit mobilen Kommunikationsobjekten gewährleisten. Die in der Stadt vorhandenen Mikrozellen b und c dienen der Kommunikation mit ortsfesten Objekten, im Industriegebäude Z operieren die Mikrozellen 1, 2, 3...9 auf dessen einzelnen Etagen.

Labor- und Industrie-Transceivergeräte sowie der Zustand der Elementbasis wecken Vertrauen in die Möglichkeit des praktischen Einsatzes von MMV in den betrachteten Mobilfunksystemen unter städtischen Bedingungen.

Richtfunkstrecken auf MMV. In letzter Zeit besteht ein Bedarf an der Organisation hochzuverlässiger Single-Span-Kommunikationsleitungen, die für die Übertragung von Mehrkanaltelefonie sowie den Datenaustausch zwischen Computern und Peripheriegeräten ausgelegt sind. Für diese Zwecke sind Richtfunkleitungen der MMV-Reihe am besten geeignet. Sie zeichnen sich durch eine hohe Störfestigkeit, geringe Abmessungen und Gewicht, einen hohen Durchsatz und einen geringen Energieverbrauch aus. Zu diesen Systemen gehört eine Duplex-Transceiver-Station (TPS), die im Bereich von 42,5 bis 43,5 GHz arbeitet und für die Organisation einspuriger digitaler Richtfunkleitungen mit einer Länge von bis zu 5 km und einer Informationsübertragungsgeschwindigkeit von 8,448 Mbit/s (129) ausgelegt ist Telefonkanäle). Zur Informationsübertragung wird eine Frequenzmodulation mit einem Modulationsindex gleich Eins gewählt. Der Frequenzabstand zwischen Empfangs- und Sendekanal sowie der Wert der Zwischenfrequenz betragen 480 MHz, was es einerseits ermöglicht, die erforderliche Isolation zwischen den Kanälen bereitzustellen und andererseits zu organisieren automatische Frequenzanpassung relativ zum stabilisierten Lokaloszillator des Empfängers.

Bei einer Gesamtdämpfung von 170 dB auf einer 5 km langen Funkstrecke funktioniert die Station normal, wenn der Gewinn der Transceiverantenne nicht weniger als 40 dB beträgt, die Sendeleistung 30...50 mW beträgt und die Rauschzahl des Empfängers beträgt nicht mehr als 13 dB beträgt.

Das Blockschaltbild eines solchen Lehrpersonals ist in Abb. dargestellt. 3. Es umfasst folgende Funktionseinheiten: Parabol-Zweispiegelantenne 1 mit einem Durchmesser von 300 mm; Wellenleiterbandpass, der 2 Mikrowellenfilter empfängt und 4 sendet; Polarisationstrenner 3 (horizontal E und vertikal H); Mischer des Empfangskanals 5 und des AFC-Kanals 6 auf Dioden mit Schottky-Barriere, die mit der vierten Harmonischen des Lokaloszillators arbeiten; Mikrowellengenerator basierend auf Gunn-Diode 7 mit Varacore-Frequenzabstimmung; vorläufige ZF auf Silizium-Bipolartransistoren 8; Transistor-Mikrowellengenerator 9, stabilisiert durch einen dielektrischen Resonator; Frequenzdetektor des AFC-Kanals 10; Sendermodulator-Videoverstärker 11 und Frequenzdetektormodul 12. Dieses Modul ist auf einer einzigen Glasfaserleiterplatte hergestellt und besteht aus einem Hauptverstärker mit automatischer Verstärkungsregelung 13, einem Frequenzdetektor auf verstimmten Schaltkreisen 14 und einem Videoverstärker 15. Eine sekundäre Stromversorgung Versorgung 16 sorgt für die Umwandlung einer Gleichspannung von +60 V in stabilisierte Spannungen von +12 V, -12 V und +5 V, die zur Versorgung der Funktionseinheiten der Station erforderlich sind.

Die Parabolantenne, die Transceivergeräte und die sekundäre Stromquelle sind strukturell in einem versiegelten zylindrischen Behälter mit einem Durchmesser von 300 mm und einer Länge von 250 mm untergebracht. Aufgrund der geringen Gewichts- und Größeneigenschaften von PPS kann in den meisten Fällen auf den Bau spezieller Mastkonstruktionen verzichtet werden.

Die oben genannten Beispiele für den Einsatz von MMV in Kommunikationssystemen erschöpfen nicht das Problem ihrer praktischen Verwendung. Sie haben zweifellos eine große Zukunft im Bereich der Breitbandkommunikation und -anwendungen, an bodengestützten Punkten für die Kommunikation mit IS3 und in Intersatelliten- und Bordkommunikationssystemen sowie bei der Organisation der Breitbandkommunikation in Städten und Gemeinden, einschließlich Pikozelluläre Informationsübertragungsleitungen.

Autoren: R. Bystrov, Doktor der Ingenieurwissenschaften. Naturwissenschaften, Prof. A. Sokolov, Doktor der Ingenieurwissenschaften. Wissenschaften, Prof., Moskau

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