Mikrovlnný přenos

Antény s rohovým reflektorem pro pásmo C na střeše telefonní ústředny v Seattlu ve státě Washington, část USA. Mikrovlnná reléová síť AT&T Long Lines

Desítky mikrovlnných antén na Heinrich-Hertz-Turm v Hamburku, Německo

Mikrovlnný radioreléový přenos je technologie široce používaná v 50. a 60. letech 20. století pro přenos informací, například dálkových telefonních hovorů a televizních programů, mezi dvěma pozemními body na úzkém svazku mikrovln. Při mikrovlnném radioreléovém přenosu vysílá mikrovlnný vysílač a směrová anténa úzký svazek mikrovln nesoucí mnoho informačních kanálů na přímou viditelnost do jiné reléové stanice, kde je přijímán směrovou anténou a přijímačem, čímž vzniká pevné rádiové spojení mezi oběma body. Spojení bylo často obousměrné, používalo vysílač a přijímač na každém konci pro přenos dat v obou směrech. Požadavek přímé viditelnosti omezuje vzdálenost mezi stanicemi na vizuální horizont, přibližně 30 až 50 mil (48 až 80 km). Na delší vzdálenosti může přijímací stanice fungovat jako relé a přeposílat přijaté informace jiné stanici na své cestě. K přenosu telekomunikačních signálů na transkontinentální vzdálenosti se používaly řetězce mikrovlnných retranslačních stanic. Mikrovlnné reléové stanice byly často umístěny na vysokých budovách a vrcholcích hor a jejich antény byly umístěny na věžích, aby měly maximální dosah.

Začátkem 50. let 20. století přenášely sítě mikrovlnných reléových spojů, jako například systém AT&T Long Lines v USA, dálkové telefonní hovory a televizní programy mezi městy. První systém, nazvaný TD-2 a vybudovaný společností AT&T, spojil v roce 1947 New York a Boston pomocí řady osmi radioreléových stanic. Ty zahrnovaly dlouhé řetězové řady takových spojů, které překonávaly horská pásma a překlenovaly kontinenty. Vypuštění komunikačních satelitů v 70. letech 20. století umožnilo zlevnit Velkou část transkontinentálního provozu nyní přenášejí satelity a optická vlákna, ale mikrovlnné relé zůstává důležité pro kratší vzdálenosti.

PlanningEdit

Komunikační věž na hoře Frazier v jižní Kalifornii s mikrovlnnými reléovými anténami

Protože se rádiové vlny šíří v úzkých paprscích omezených na přímou viditelnost z jedné antény na druhou, neruší jiná mikrovlnná zařízení, takže blízké mikrovlnné spoje mohou používat stejné frekvence. Antény musí být vysoce směrové (s vysokým ziskem); tyto antény se instalují na vyvýšených místech, jako jsou velké rádiové věže, aby mohly vysílat na velké vzdálenosti. Typickými typy antén používaných v instalacích radioreléových spojů jsou parabolické antény, dielektrické čočkové antény a antény s rohovým reflektorem, které mají průměr až 4 metry. Vysoce direktivní antény umožňují hospodárné využití dostupného kmitočtového spektra i přes velké přenosové vzdálenosti.

Dánský vojenský radioreléový uzel

Vzhledem k používaným vysokým kmitočtům je mezi stanicemi vyžadována přímá viditelnost. Navíc, aby nedocházelo k útlumu paprsku, musí být oblast kolem paprsku zvaná první Fresnelova zóna bez překážek. Překážky v signálním poli způsobují nežádoucí útlum. Ideální jsou často polohy na vysokých horských vrcholech nebo hřebenech.

Produkční vůz používaný pro dálkové vysílání televizním zpravodajstvím má mikrovlnnou anténu na výsuvném teleskopickém stožáru pro přenos živého obrazu zpět do studia.

Překážky, zakřivení Země, geografie oblasti a problémy s příjmem vyplývající z využití okolních pozemků (např. ve výrobě a lesnictví) jsou důležité otázky, které je třeba vzít v úvahu při plánování rádiových spojů. V procesu plánování je nezbytné, aby byly vytvořeny „profily trasy“, které poskytují informace o terénu a Fresnelových zónách ovlivňujících přenosovou trasu. Rovněž je třeba vzít v úvahu přítomnost vodní plochy, jako je jezero nebo řeka, podél trasy, protože může odrážet paprsek a přímý a odražený paprsek se mohou na přijímací anténě rušit, což způsobuje vícecestný útlum. Vícecestné slábnutí je obvykle hluboké pouze v malém místě a úzkém kmitočtovém pásmu, takže ke zmírnění těchto účinků lze použít schémata prostorové a/nebo kmitočtové diverzity.

Účinky rozvrstvení atmosféry způsobují, že se rádiová cesta v typické situaci ohýbá směrem dolů, takže je možné dosáhnout velké vzdálenosti, protože ekvivalentní zakřivení Země se zvyšuje z 6370 km na přibližně 8500 km (účinek ekvivalentního poloměru 4/3). Vzácné události teplotního, vlhkostního a tlakového profilu v závislosti na výšce mohou způsobit velké odchylky a zkreslení šíření a ovlivnit kvalitu přenosu. Jako zhoršující faktor je třeba brát v úvahu také déšť vysoké intenzity a sníh způsobující slábnutí deště, zejména na frekvencích nad 10 GHz. Všechny předchozí faktory, souhrnně označované jako ztráty na trase, vyžadují výpočet vhodných výkonových rezerv, aby bylo možné udržet spojení funkční po vysoké procento času, jako je standardních 99,99 % nebo 99,999 % používaných ve službách „carrier class“ většiny telekomunikačních operátorů.

Nejdelší dosud známé mikrovlnné radioreléové spojení překračuje Rudé moře s přeskokem 360 km (200 mil) mezi Jebel Erba (2170 m n. m.), 20°44′46.17″N 36°50′24.65″E / 20.7461583°N 36.8401806°E, Súdán) a Jebel Dakka (2572 m n. m., 21°5′36.89″N 40°17′29.80″E / 21.0935806°N 40.2916111°E, Saúdská Arábie). Spojení bylo vybudováno v roce 1979 společností Telettra pro přenos 300 telefonních kanálů a jednoho televizního signálu ve frekvenčním pásmu 2 GHz. (Délka skoku je vzdálenost mezi dvěma mikrovlnnými stanicemi).

Předchozí úvahy představují typické problémy charakterizující pozemní rádiové spoje využívající mikrovlny pro tzv. páteřní sítě: do 90. let 20. století se ve velké míře používaly délky skoků v řádu několika desítek kilometrů (obvykle 10 až 60 km). Frekvenční pásma pod 10 GHz a především přenášené informace představovaly proud obsahující blok s pevnou kapacitou. Cílem bylo zajistit požadovanou dostupnost pro celý blok (Plesiochronní digitální hierarchie, PDH, nebo Synchronní digitální hierarchie, SDH). Fading a/nebo multipath ovlivňující spojení na krátký časový úsek během dne musely být potlačeny diverzitní architekturou. V 90. letech 20. století se mikrovlnné rádiové spoje začaly hojně využívat pro městské spoje v celulární síti. Požadavky na vzdálenost spoje se změnily na kratší skoky (méně než 10 km, obvykle 3 až 5 km) a frekvence se zvýšila na pásma mezi 11 a 43 GHz a v poslední době až na 86 GHz (pásmo E). Plánování spojení se navíc více zabývá intenzivními srážkami a méně vícecestností, takže se začala méně používat schémata diverzity. Další velkou změnou, ke které došlo v posledním desetiletí, byl vývoj směrem k paketovému rádiovému přenosu. Proto byla přijata nová protiopatření, například adaptivní modulace.

Vysílaný výkon je u mobilních a mikrovlnných systémů regulován. Tyto mikrovlnné přenosy používají vyzařovaný výkon obvykle od 0,03 do 0,30 W, který je vyzařován parabolickou anténou na úzkém svazku rozbíhajícím se o několik stupňů (1 až 3-4). Uspořádání mikrovlnných kanálů je regulováno Mezinárodní telekomunikační unií (ITU-R) a místními předpisy (ETSI, FCC). V posledním desetiletí se vyhrazené spektrum pro každé mikrovlnné pásmo stalo extrémně přeplněným, což motivuje k používání technik pro zvýšení přenosové kapacity, jako je opakované použití kmitočtu, multiplexování s polarizačním dělením, XPIC, MIMO.

HistorieEdit

Antény experimentálního mikrovlnného reléového spoje přes kanál La Manche o frekvenci 1,7 GHz z roku 1931. Přijímací anténa (v pozadí vpravo) byla umístěna za vysílací anténou, aby nedocházelo k rušení.

Přenosná mikrovlnná reléová stanice US Army Signal Corps, 1945. Mikrovlnné reléové systémy byly poprvé vyvinuty za druhé světové války pro bezpečnou vojenskou komunikaci.

Historie radioreléové komunikace začala v roce 1898 od publikace Johanna Mattausche v rakouském časopise Zeitschrift für Electrotechnik. Jeho návrh byl však primitivní a pro praktické použití nevhodný. První pokusy s radiovými opakovacími stanicemi pro přenos rádiových signálů provedl v roce 1899 Emile Guarini-Foresio. Ukázalo se však, že nízkofrekvenční a středněfrekvenční rádiové vlny používané během prvních 40 let rozhlasu jsou schopny šířit se na velké vzdálenosti pomocí pozemních a nebeských vln. Potřeba radioreléového přenosu začala být skutečně potřebná až ve 40. letech 20. století, kdy se začaly využívat mikrovlny, které se šířily přímou viditelností, a jejich šíření tak bylo omezeno vizuálním horizontem na vzdálenost přibližně 40 mil (64 km).

V roce 1931 předvedlo anglo-francouzské konsorcium v čele s Andre C. Clavierem experimentální mikrovlnné reléové spojení přes kanál La Manche pomocí 10stopých (3m) antén. Telefonní, telegrafní a faxová data byla přenášena obousměrnými paprsky o frekvenci 1,7 GHz na vzdálenost 40 mil (64 km) mezi Doverem ve Velké Británii a Calais ve Francii. Vyzářený výkon, produkovaný miniaturní Barkhausenovou-Kurzovou trubicí umístěnou v ohnisku antény, činil půl wattu. Po vojenském mikrovlnném spoji mezi letišti v Saint Inglevert ve Francii a Lympne ve Velké Británii (vzdálenost 56 km) z roku 1933 následoval v roce 1935 telekomunikační spoj o frekvenci 300 MHz, první komerční mikrovlnný reléový systém.

Vývoj radaru během druhé světové války poskytl velkou část mikrovlnné technologie, která umožnila praktické mikrovlnné komunikační spoje, zejména klystronový oscilátor a techniky konstrukce parabolických antén. Ačkoli to není všeobecně známo, americká armáda používala během druhé světové války v evropském divadle přenosné i stacionární mikrovlnné komunikace.

Po válce využily telefonní společnosti tuto technologii k vybudování rozsáhlých mikrovlnných radioreléových sítí pro přenos dálkových telefonních hovorů. V 50. letech 20. století vybudovala jednotka amerického telefonního operátora AT&T Long Lines transkontinentální systém mikrovlnných reléových spojů napříč USA, který se rozrostl a přenášel většinu amerického dálkového telefonního provozu a také signály televizních sítí. Hlavní motivací pro použití mikrovlnného rádia namísto kabelů byla v roce 1946 skutečnost, že velkou kapacitu bylo možné instalovat rychle a s nižšími náklady. V té době se očekávalo, že roční provozní náklady na mikrovlnný rozhlas budou vyšší než na kabel. Existovaly dva hlavní důvody, proč musela být velká kapacita zavedena náhle: a nové médium televize, které potřebovalo větší šířku pásma než rádio. Prototyp byl nazván TDX a v roce 1946 byl testován na spojení mezi New Yorkem a Murray Hillem, kde sídlily Bellovy laboratoře. V roce 1947 byl systém TDX zřízen mezi New Yorkem a Bostonem. TDX byl modernizován na systém TD2, který používal ve vysílačích, a později na TD3, který používal polovodičovou elektroniku.

Pozoruhodné byly mikrovlnné reléové spoje do Západního Berlína v době studené války, které musely být vybudovány a provozovány kvůli velké vzdálenosti mezi Západním Německem a Berlínem na hranici technických možností. Kromě telefonní sítě také mikrovlnné reléové spoje pro distribuci televizního a rozhlasového vysílání. Jednalo se o spojení ze studií do vysílacích systémů rozmístěných po celé zemi a také mezi rozhlasovými stanicemi, například pro výměnu programů.

Vojenské mikrovlnné reléové systémy se používaly i v 60. letech 20. století, kdy byly mnohé z nich nahrazeny troposférickým rozptylem nebo komunikačními satelitními systémy. Když vznikla vojenská složka NATO, byla velká část tohoto stávajícího vybavení převedena na komunikační skupiny. Typické komunikační systémy používané NATO v tomto období se skládaly z technologií, které byly vyvinuty pro použití subjekty telefonních operátorů v hostitelských zemích. Jedním z příkladů z USA je mikrovlnný reléový systém RCA CW-20A 1-2 GHz, který využíval flexibilní kabel UHF namísto pevného vlnovodu vyžadovaného u systémů vyšších frekvencí, což jej činilo ideálním pro taktické aplikace. Typická mikrovlnná reléová instalace nebo přenosná dodávka měla dva rádiové systémy (plus záložní) spojující dvě místa s přímou viditelností. Tyto radiostanice často přenášely 24 telefonních kanálů s frekvenčním dělením multiplexu na mikrovlnné nosné (tj. Lenkurt 33C FDM). Kterýkoli kanál mohl být místo toho určen k přenosu až 18 dálnopisných komunikací. Podobné systémy z Německa a dalších členských zemí se rovněž používaly.

Dálkové mikrovlnné reléové sítě byly budovány v mnoha zemích až do 80. let 20. století, kdy tato technologie ztratila svůj podíl na pevném provozu ve prospěch novějších technologií, jako jsou optické kabely a komunikační družice, které nabízejí nižší náklady na bit.

Mikrovlnná špionáž

Během studené války byly americké zpravodajské služby, například Národní bezpečnostní agentura (NSA), údajně schopny zachytit sovětský mikrovlnný provoz pomocí satelitů, jako je Rhyolite. Velká část paprsku mikrovlnného spojení prochází přijímací anténou a vyzařuje směrem k horizontu, do vesmíru. Umístěním geosynchronní družice do dráhy paprsku lze mikrovlnný paprsek přijímat.

Na přelomu století se mikrovlnné radioreléové systémy stále více používají v přenosných rádiových aplikacích. Tato technologie je pro tyto aplikace zvláště vhodná díky nižším provozním nákladům, efektivnější infrastruktuře a poskytování přímého hardwarového přístupu operátorovi přenosného rádia.

Mikrovlnný spojEdit

Mikrovlnný spoj je komunikační systém, který využívá svazek rádiových vln v mikrovlnném frekvenčním rozsahu k přenosu obrazu, zvuku nebo dat mezi dvěma místy, která mohou být od sebe vzdálena jen několik stop nebo metrů až po několik mil nebo kilometrů. Mikrovlnné spoje běžně používají televizní stanice například k přenosu pořadů přes celou zemi nebo z venkovního vysílání zpět do studia.

Mobilní jednotky mohou být namontovány na kamery, což umožňuje volný pohyb kamer bez vlečených kabelů. Často jsou k vidění na postranních čarách sportovních hřišť na systémech Steadicam.

Vlastnosti mikrovlnných spojůEdit

  • Obsahují komunikační technologii přímé viditelnosti (LOS)
  • Významně ovlivněny omezeními prostředí, včetně slábnutí deště
  • Mají velmi omezené možnosti průniku přes překážky, jako jsou kopce, budovy a stromy
  • Citlivé na vysoké množství pylu
  • Signály mohou být degradovány během slunečních protonů

Použití mikrovlnných spojůEdit

  • V komunikaci mezi satelity a základnovými stanicemi
  • Jako páteřní nosiče pro celulární systémy
  • V krátkém dosahukomunikaci uvnitř budov
  • Propojení vzdálených a regionálních telefonních ústředen s většími (hlavními) ústřednami bez potřeby měděných/optických optických vedení
  • Měření intenzity deště mezi dvěma místy

.

Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna.