704_Mikushin_A.V._Skhemotekhnika_mobil'nykh_radiostantsij_

как правило, имеют возможность связываться лишь с абонентами внутри своей рабочей группы, а также посылать экстренные вызовы диспетчеру. Впрочем, этого вполне достаточно для большинства потребителей услуг связи транкинговых систем.

Выпускаются и полудуплексные радиостанции с широким набором функций и цифровой клавиатурой, но они, будучи несколько дороже, предназначены для более узкого привилегированного круга абонентов. В транкинговых системах, особенно рассчитанных на коммерческое использование, применяются также дуплексные радиостанции, скорее напоминающие сотовые телефоны, но обладающие значительно большей функциональностью по сравнению с последними.

Дуплексные радиостанции транкинговых систем обеспечивают пользователям полноценное соединение с ТФОП. Что же касается групповой работы в радиосети, то она производится в полудуплексном режиме. В корпоративных транкинговых сетях дуплексные радиостанции применяются в первую очередь для персонала высшего звена управления. Как полудуплексные, так и дуплексные транкинговые радиостанции выпускаются не только в портативном, но и в автомобильном исполнении. Как правило, выходная мощность передатчиков автомобильных радиостанций в 3-5 раз выше, чем у портативных радиостанций.

Наиболее распространенными видами аналоговых систем транкинговой связи в России являются SmarTrunc-II и MPT-1327.

1.3.2. Цифровые системы транкинговой связи

TETRA (Terrestrial TRunked Radio – наземная система подвижной связи с автоматическим выделением каналов) – это открытый стандарт цифровых ведомственных сетей подвижной связи, т.е. предполагается, что оборудование различных производителей будет совместимо между собой.

Стандарт TETRA разработан Европейским институтом стандартов связи (ETSI) в расчете на удовлетворение потребностей наиболее требовательных пользователей, динамично развивающихся ведомственных сетей PMR, представляет собой новейший пример разработок стандартов ETSI и соответствует тенденциям развития, установленным стандартом GSM (общий стандарт подвижной связи) – стандартом, разработанным в Европе, но получившим распространение во всем мире.

Деятельность правоохранительных органов и служб общественной безопасности сегодня невозможно представить без использования систем подвижной радиосвязи, среди которых в последнее время наибольшую популярность приобретают транкинговые системы. Эти системы позволяют строить разветвленные ведомственные сети связи с высоким уровнем предоставляемых услуг на больших территориях, сохраняя при этом возможности организации группового соединения абонентов, которое является основным режимом связи подразделений правоохранительных органов. Повышенные требования служб общественной безопасности и правоохранительных органов к оперативности,

51

надежности и безопасности связи, наличию специальных услуг заставляют их обращать особое внимание на системы цифровой транкинговой радиосвязи, имеющие существенные преимущества перед аналоговыми. Доступ к спецификациям TETRA свободен для всех заинтересованных сторон, вступивших в ассоциацию “Меморандум о взаимопонимании и содействии стандарту TETRA” (MoU TETRA) [3]. Ассоциация объединяет разработчиков, производителей, испытательные лаборатории и пользователей различных стран.

Сотовая связь

В настоящее время ведется интенсивное внедрение сотовых сетей связи общего пользования. Такие сети предназначены для обеспечения подвижных и стационарных объектов телефонной связью и передачей данных. В сотовых сетях подвижными объектами являются либо наземные транспортные средства, либо непосредственно человек, находящийся в движении и имеющий портативную абонентскую станцию (подвижный абонент). Возможность передачи данных подвижному абоненту резко расширяет его возможности, поскольку кроме телефонных сообщений он может принимать телексные и факсимильные сообщения, различного рода графическую информацию (планы местности, графики движения и т. п.), медицинскую информацию и многое другое. Особое значение сотовые системы связи приобретают в связи с активным внедрением во все сферы человеческой деятельности персональных компьютеров, разнообразных баз данных, сетей ЭВМ. Доступ к ним через сотовую сеть позволит подвижному абоненту оперативно и надежно получить необходимую информацию. Соответственно возрастет и роль систем связи, повысятся требования к качеству передачи информации, пропускной способности, надежности работы. Увеличение объема информации потребует сокращения времени доставки и получения абонентом необходимой информации. Именно поэтому уже сейчас наблюдается устойчивый рост мобильных средств радиосвязи (автомобильных и портативных радиотелефонов), которые дают возможность сотруднику той или иной службы вне рабочего места оперативно решать производственные вопросы. Радиотелефон перестал быть символом престижа и стал рабочим инструментом, который позволяет более эффективно использовать рабочее время, оперативно управлять производством и постоянно контролировать ход технологических процессов, что обеспечивает дополнительные доходы при использовании радиотелефона в производстве.

Внедрение сотовых сетей во многие отрасли народного хозяйства позволит резко повысить производительность труда на подвижных объектах, добиться экономии материально-трудовых ресурсов, обеспечить автоматизированный контроль технологических процессов, создать надежную систему управления транспортными средствами или мобильными роботами, распределенными на большой территории и входящими в состав гибких автоматизированных систем управления.

Свое название сотовые сети получили в соответствии с сотовым принципом организации связи, согласно которому зона обслуживания (территория города или региона) делится на большое число малых рабочих зон или сот в виде

52

шестиугольников. В центре каждой рабочей зоны расположена базовая станция, осуществляющая связь по радиоканалам со многими абонентскими станциями, установленными на подвижных объектах, находящихся в ее рабочей зоне. Базовые станции соединены проводными телефонными линиями связи с центральной станцией данного региона, которая обеспечивает соединение подвижных абонентов с любыми абонентами телефонной сети общего пользования с помощью коммутационных устройств. При перемещении подвижного абонента из одной зоны в другую производится автоматическое переключение канала радиосвязи на новую базовую станцию, тем самым осуществляется эстафетная передача подвижного абонента от передающей к последующей (соседней) базовой станции. Управление и контроль за работой базовых и абонентских станций осуществляется центральной станцией, в памяти ЭВМ которой, сосредоточены как статические, так и динамические данные о подвижных объектах и состоянии сети в целом.

В отличие от транкинговых систем в сотовых сетях подвижной связи радиосвязь базовой станции с абонентской станцией осуществляется в пределах малой рабочей зоны, что позволяет многократно использовать одни и те же частоты в зоне обслуживания. Число абонентов в сотовой сети определяется пропускной способностью и числом базовых станций, равным числу рабочих зон, которое возрастает по квадратическому закону с уменьшением радиуса рабочей зоны при постоянном радиусе зоны обслуживания. Если десять лет назад радиус рабочей зоны в сотовой телефонии был приблизительно равен 5-15 км, то в настоящее время в среднем он равен 200 м. Так уменьшение радиуса рабочей зоны с 30 до 0,5 км позволит увеличить в 3600 раз число подвижных абонентов, оснащенных радиосвязью и имеющих возможность выхода на телефонную сеть общего пользования. Следовательно, эффективность использования спектра радиочастот в сотовых сетях во много раз выше, чем в транкинговых системах, что позволит в перспективе обеспечить управление большим числом наземных подвижных объектов.

С уменьшением радиуса рабочей зоны появляется возможность уменьшить мощность передатчиков и чувствительность приемников, что значительно улучшит электромагнитную совместимость абонентов в сотовых сетях и электромагнитную совместимость между сотовыми сетями и другими системами, использующими определенные спектры радиочастот, а также позволит снизить стоимость и габаритные размеры абонентской станции, обеспечить доступ к базам данных и ЭВМ. Отмеченные преимущества позволяют уже в настоящее время повысить оперативность управления и контроля в работе подведомственных предприятий и организаций, улучшить качество технологических процессов в системах с большим числом транспортных средств.

Стремительный рост объемов передаваемой информации требует значительного сокращения времени доставки и обработки абонентом необходимой информации. Это одна из причин быстрого роста мобильных средств связи на базе сотовых сетей.

Внедрение сотовых сетей означает появление принципиально нового вида связи - массовой радиотелесвязи, т. е. нового вида услуг. Уже сейчас абонент-

53

ский терминал сотовой сети – сотовый радиотелефон - признается многими зарубежными экспертами первичным терминалом, которым абонент пользуется как в стационарном состоянии (дома, на службе), так и в движении. Широкое внедрение портативных Сотовых Радио Телефонов в перспективе позволит обеспечить каждого человека персональным телефоном со своим индивидуальным номером. Создание систем массовой радиотелесвязи с большим числом подвижных абонентов, большой пропускной способностью и высоким качеством приема сообщений возможно только при использовании сотового принципа построения системы связи. Этим и объясняется повышенный интерес к сотовым сетям.

Использование сотовой связи широким кругом потребителей в отраслях транспорта, связи, энергетики, строительства, сферы обслуживания, ремонта и др. приносит существенный экономический эффект.Система сотовой связи строится в виде совокупности ячеек (сот), покрывающих обслуживаемую территорию. Ячейки обычно схематически изображают в виде правильных шестиугольников. В центре каждой ячейки находится базовая станция (БС), обслуживающая все подвижные станции (ПС) в пределах своей ячейки. При перемещении абонента из одной ячейки в другую происходит передача его обслуживания от одной БС к другой. Все БС соединены с центром коммутации (ЦК) подвижной связи по выделенным проводным или радиорелейным каналам связи. С центра коммутации имеется выход на ТфОП. На рисунке приведена упрощенная функциональная схема, соответствующая описанной структуре системы.

54

2.СХЕМОТЕХНИКА ПРИЁМНИКОВ

ИПЕРЕДАТЧИКОВ РАДИОСВЯЗИ

Радиоприемники можно классифицировать по ряду признаков из которых основными являются:

1.Тип схемы;

2.Вид принимаемых сигналов;

3.Назначение приемника;

4.Диапазон частот;

5.Вид активных элементов, применяемых в приемнике;

6.Тип конструкции приемника.

По типу схемы различают приемники детекторные, прямого усиления, сверхрегенеративные и супергетеродинные приемники, обладающие существенными преимуществами перед приемниками других типов и широко применяемые на всех диапазонах частот.

По назначению различают радиоприемники связные, радиовещательные, телевизионные, радиорелейные, телеметрические и др. Радиовещательные приемники в настоящее время предназначены в основном для приема частотномодулированных сигналов в УКВ диапазоне. Приемники радиорелейных станций предназначены для приема и разделения многоканальных сигналов с частотным или временным уплотнением. Современные связные приемники систем мобильной связи во многом повторяют структуру радиорелейных приемников.

В качестве активных элементов каскадов приемников сейчас используются полупроводниковые приборы (транзисторы и диоды) и интегральные микросхемы. Именно эти элементы обеспечивают основные качественные параметры радиоприемников. Они же являются основными источниками искажений и помех в радиоприемных устройствах средств подвижной радиосвязи.

2.1. Параметры радиоприемников

Параметры радиоприемников в значительной мере изменяются в зависимости от их назначения и диапазона частот. Эти параметры описываются в соответствующих ГОСТах. Например, требования к приемопередатчикам мобильной радиосвязи определяются документом ГОСТ 12252-86. Требования к аппаратуре базовых станций и мобильных терминалов сотовой радиосвязи системы CDMA определяются документом CWTS-TSD-25.101-3c0. Параметры радиоприемников существенно влияют на их принципиальную схему и конструкцию, поэтому знание этих параметров очень важно для правильного проектирования схемы и конструкции радиоприемного устройства. Рассмотрим подробнее основные параметры радиоприемных устройств. Основной упор при этом будем делать на приемники, применяемые в системах мобильной радиосвязи.

2.1.1. Диапазон принимаемых частот

Очень важной характеристикой радиоприемного устройства является диапазон принимаемых частот. В зависимости от значения принимаемой частоты

55

схемные и конструктивные решения радиоприемников могут значительно различаться. Понятие диапазона принимаемых частот радиоприемного устройства поясняется рисунком 2.1.

шаг настройки	АЧХ перестраива-
приемника	емого фильтра
	fкан

АЧХ фильтра с фиксированными характеристиками

fмин

fмакс

f

Рисунок 2.1. Диапазон принимаемых частот

Коэффициент перестройки радиоприемного устройства определяется отношением максимальной принимаемой частоты к минимальной:

kпер fmax . (2.1)

fmin

При построении радиоприемников со значительным отношением центральной частоты верхнего принимаемого канала к центральной частоте нижнего принимаемого канала может потребоваться разбиение принимаемого диапазона частот на несколько поддиапазонов. От этого же отношения может зависеть будут ли входные цепи приемника перестраиваемыми или можно применить фильтры с фиксированными характеристиками. Отличие требований к АЧХ перестраиваемого фильтра и АЧХ фильтра с фиксированными параметрами показано на рисунке 2.1.

Известно, что фильтры с фиксированными характеристиками можно выполнить с лучшими частотными характеристиками по сравнению с перестраиваемыми фильтрами. В ряде случаев возможно применение кварцевых фильтров или фильтров на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Именно по этой причине при разработке стандартов современных систем мобильной связи, помимо дефицита частотного ресурса, был выбран достаточно узкий диапазон рабочих частот ( kпер 1.1 ... 1.3).

Например, для стандарта сотовой связи GSM 900 диапазон принимаемых частот для мобильных аппаратов составляет 935 … 960 МГц. (В настоящее

время этот	диапазон	расширен до	921 … 960 МГц) Для	базовых станций
GSM 900	диапазон	принимаемых	частот составляет	890 … 915 МГц

(876 … 915 МГц). Для стандарта GSM 1800 диапазон принимаемых частот для мобильных аппаратов составляет 1805 … 1880 МГц. Для базовых станций диа-

56

пазон принимаемых частот составляет 1710 … 1785 МГц. Диапазоны принимаемых частот системы связи GSM показаны на рисунке 2.2.

GSM 900				GSM 1800
вверх		вниз		вверх		вниз
876 … 915		921 … 960		1710 … 1785		1805 … 1880		f(МГц)
Дуплексный				Дуплексный
разнос				разнос
(45 МГц)				(95 МГц)

Рисунок 2.2. Диапазоны принимаемых частот в системе сотовой связи GSM

Аналогичная ситуация сохраняется в стандартах CDMA. Диапазон принимаемых частот для мобильных аппаратов составляет 869 … 893 МГц. Для базовых станций диапазон принимаемых частот составляет 824 … 848 МГц.

Во всех диапазонах частот, выделенных для сотовой связи, максимальная частота принимаемого сигнала отличается от минимальной частоты принимаемого сигнала менее чем на три процента. Это позволяет в системах сотовой связи применять во входных цепях фильтры с фиксированными параметрами.

2.1.2. Чувствительность приемника

Одним из важнейших показателей качества тракта приема является его чувствительность. Этот параметр характеризует способность приемника принимать слабые сигналы. Чувствительность определяется как минимальный уровень входного сигнала устройства, необходимый для обеспечения требуемого качества полученной информации. Если чувствительность ограничивается внутренними шумами приемника, то ее можно оценить реальной или предельной чувствительностью, коэффициентом шума или шумовой температурой.

Чувствительность приемника с небольшим усилением, на выходе которого шумы практически отсутствуют, определяется э. д. с, (или номинальной мощностью) сигнала в антенне (или ее эквиваленте), при которой обеспечивается заданное напряжение (мощность) сигнала на выходе приемника.

Чувствительность приемного устройства определяется коэффициентом его усиления КУС. Приемник должен обеспечивать усиление даже самых слабых входных сигналов до выходного уровня, необходимого для нормального функционирования устройства, однако, на входе приемника действуют помехи и шумы, которые также усиливаются в приемнике и могут ухудшать качество его функционирования. Кроме того, на выходе приемника появляются его усиленные внутренние шумы. Чем меньше внутренние шумы, тем лучше качество приемника, тем выше его чувствительность.

Реальная чувствительность равна э. д. с. (или номинальной мощности) сигнала в антенне, при которой напряжение (мощность) сигнала на выходе приемника превышает напряжение (мощность) помех в заданное число раз. Э. д. с.

57

приемников может быть выражена в микровольтах, однако для задания чувствительности приемников сотовой связи чаще применяется мощность сигнала, выраженная в единицах дБм.

Такой параметр позволяет не зависеть от входного сопротивления приемников. Термин

Предельная чувствительность равна э. д. с. или номинальной мощности РАП сигнала в антенне, при которой на выходе его линейной части (т. е. на входе детектора), мощность сигнала равна мощности внутреннего шума.

При задании чувствительности приемника в виде э.д.с., чувствительность приемника измеряется в микровольтах. Современные приемники мобильной связи обладают чувствительностью на уровне десятых долей микровольта. Способ задания чувствительности приемника в виде э.д.с. приводит к тому, что при различном входном сопротивлении приемника мы будем получать различное значение э.д.с. Поэтому, несмотря на то, что все современные приемники систем мобильной связи имеют входное сопротивление 50 Ом, чувствительность приемников задается в терминах мощности сигнала на входе приемника. Чувствительность определяется как отношение мощности на входе приемника к уровню мощности 1мВт и выражается в логарифмическом масштабе в дБм:

	S 10 lg	PАП	(дБм).	(2.2)
		1мВт

Предельную чувствительность можно также характеризовать коэффициентом шума N0, равным отношению мощности шумов, создаваемых на выходе линейной части приемника эквивалентом антенны (при комнатной температуре T0 = 290 К) и линейной частью, к мощности шумов, создаваемых только эквивалентом антенны. Очевидно,

PАП N0kT0 Пш ,

(2.3)

где k = 1,38 • 10–23 Дж/град – постоянная Больцмана; Пш – шумовая полоса линейной части приемника, Гц; РАП – мощность сигнала, Вт.

Из выражения (В.1) видно, что мощность сигнала, соответствующую его предельной чувствительности и отнесенную к единице полосы частот, можно выразить в единицах kT0:

PАП	N kT .		(2.4)
Пш	0	0

Предельную чувствительность можно также характеризовать шумовой температурой приемника Тпр, на которую надо дополнительно нагреть эквивалент антенны, чтобы на выходе линейной части приемника мощность создаваемых им шумов равнялась мощности шумов линейной части. Очевидно,

58

k(T0 Tпр )Пш N0kT0 Пш ,

откуда

Tпр T0 (N0 1)	.	(2.5)

На реальную антенну воздействуют внешние шумы, номинальная мощность которых kTAПш kTAП0 , где ТA – шумовая температура антенны. Поэтому на выходе линейной части

k(T T )П	ш	kT П	ш	(N	0	1	TA	)
0 пр		0					T0 .		(2.6)

Для получения равенства мощностей сигнала и шумов необходима мощность

P kT П		ш	(N	0	1	TA	) P
A	0						АП
						T0		.	(2.7)

2.1.3. Избирательность приемника

Избирательность приемного устройства – это совокупность параметров, характеризующая его способность выделить полезный сигнал из всех сигналов, присутствующих на его входе, и ослаблять мешающее действие сигналов, действующих по дополнительным (побочным) каналам приема.

Для супергетеродинных приемников можно выделить три группы параметров, используемых для оценки избирательности:

—параметры, определяемые характеристиками тракта приема (избирательность по соседнему каналу);

—параметры, определяемые наличием побочных каналов приема;

—параметры, определяемые совместным воздействием на вход приемника полезного сигнала и мощной помехи (интермодуляция, блокирование, перекрестные искажения).

Избирательность приемника по соседнему каналу

Избирательность по соседнему каналу – это способность приемника принимать полезный сигнал на заданной частоте канала с заданной вероятностью ошибки в присутствии мешающего сигнала по соседнему каналу. Обычно для задания избирательности по соседнему каналу предъявляются требования к глубине подавления частоты первого и второго соседних каналов. График, иллюстрирующий требования к приемнику по подавлению соседнего канала приведен на рисунке 2.3.

59

A(дБ)

f2ск

fск

fрк

fск

f2ск

f

Рисунок 2.3. Избирательность приемника по соседнему каналу

Подавление мешающего сигнала соседнего канала в этом случае определяется как отношение коэффициента передачи главного тракта приемника на рабочем канале к его коэффициенту передачи на соседнем канале:

	Aск	(дБ) 20lg	Kрк
			Kск .		(2.8)

Иногда кроме требований по подавлению мешающего сигнала соседнего канала к приемнику предъявляются требования по подавлению мешающего сигнала второго соседнего канала f2ск и более дальних каналов:

	A2ск	(дБ) 20lg	Kрк
			K2ск .		(2.9)

Обычно требования к радиоприемному устройству по избирательности по соседнему каналу выполняются фильтром основной избирательности главного тракта приема. Часто требования к подавлению первого соседнего канала и к подавлению удаленных каналов различаются. В этом случае избирательность радиоприемного устройства задается маской, пример которой приведен на рисунке 2.4.

A(дБ)

f2ск

fск

fрк

fск

f2ск

f

Рисунок 2.4. Маска избирательности приемника

60