Тропосфералық шағылысу арқылы қашықтықтан байланыс
Tropospheric scatter
Тропосфералық шағылысу – ұзақ қашықтыққа микротолқынды радиосигналдарды жіберу әдісі. Бұл технология сигналды атмосфера арқылы таратуға мүмкіндік береді.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Микротолқынды радиосигналдармен үлкен қашықтықтарға байланыс жасау әдісі
Method of communicating with microwave radio signals over considerable distances
Тропосфералық шашырау, сондай-ақ тропоскаттер деп те аталады, микротолқынды радиосигналдармен үлкен қашықтықтарға байланыс жасау әдісі болып табылады – көбінесе, операциялық жиілікке, жабдықтың түріне, жер бедеріне және климаттық факторларға байланысты, тіпті одан да артық қашықтықтарға. Бұл таралу әдісі тропосфералық шашырау құбылысын пайдаланады, онда УВЧ және СВЧ жиіліктеріндегі радиотолқындар тропосфераның жоғарғы қабаттарынан өтетін кезде кездейсоқ шашырайды. Радиосигналдар қабылдағыш станцияға қарай көкжиектің үстінен тар сәуле түрінде жіберіледі. Сигналдар тропосфера арқылы өтетін кезде, энергияның бір бөлігі Жерге қарай шашылып, қабылдағыш станцияға сигналды қабылдауға мүмкіндік береді. Әдетте, микротолқынды жиілік диапазонындағы сигналдар тура сызықтармен жүреді, сондықтан олар көру шегіндегі қолданулармен шектеледі, онда қабылдағыш жіберушіні "көре алады". Байланыс қашықтығы көру шегімен шектеледі, ал тропоскаттер көру шегінен тыс микротолқынды байланыс жасауға мүмкіндік береді. Бұл әдіс 1950 жылдары әзірленген және 1970 жылдары байланыс спутниктері оны кеңінен алмастырғанға дейін әскери байланыс үшін қолданылған. Тропосфера турбулентті және ылғалдың жоғары мөлшеріне ие болғандықтан, тропосфералық шашырау радиосигналдары сындырылады, нәтижесінде қабылдағыш антенналар жіберілген радиоэнергияның өте аз бөлігін ғана жинай алады. Тропосфералық шашырау жүйелері үшін шамамен жиіліктерде тарату жиіліктері ең қолайлы, өйткені осы жиілікте сигналдың толқын ұзындығы тропосфераның ылғалды, турбулентті аймақтарымен жақсы өзара әрекеттеседі, бұл сигнал мен шу арақатынасын жақсартады.
Tropospheric scatter, also known as troposcatter, is a method of communicating with microwave radio signals over considerable distances – often up to and further depending on frequency of operation, equipment type, terrain, and climate factors. This method of propagation uses the tropospheric scatter phenomenon, where radio waves at UHF and SHF frequencies are randomly scattered as they pass through the upper layers of the troposphere. Radio signals are transmitted in a narrow beam aimed just above the horizon in the direction of the receiver station. As the signals pass through the troposphere, some of the energy is scattered back toward the Earth, allowing the receiver station to pick up the signal. Normally, signals in the microwave frequency range travel in straight lines, and so are limited to line of sight applications, in which the receiver can be 'seen' by the transmitter. Communication distances are limited by the visual horizon to around Troposcatter allows microwave communication beyond the horizon. It was developed in the 1950s and used for military communications until communications satellites largely replaced it in the 1970s. Because the troposphere is turbulent and has a high proportion of moisture, the tropospheric scatter radio signals are refracted and consequently only a tiny proportion of the transmitted radio energy is collected by the receiving antennas. Frequencies of transmission around are best suited for tropospheric scatter systems as at this frequency the wavelength of the signal interacts well with the moist, turbulent areas of the troposphere, improving signal to noise ratios.
Ашылу
Екінші дүниежүзілік соғысқа дейін, радиофизика теориясы жиілік пен дифракция арасындағы байланысты болжады, соған сәйкес радиосигналдар Жердің қисығымен ілесіп жүретіні, бірақ әсердің күші тез төмендеп, әсіресе жоғары жиіліктерде айтарлықтай азаяды делінді. Осы кең таралған сенімге қарамастан, соғыс жылдарында жоғары жиілікті радар сигналдары теориялық есептеулерден әлдеқайда артық қашықтықтағы нысаналарды анықтауға қабілетті болды. Осындай аномальды қашықтықтардың көптеген мысалдарына қарамастан, бұл мәселе жанды зерттелген жоқ. Соғыстан кейін АҚШ-та теледидар құрылысына қойылған шектеу алынып тасталды және миллиондаған теледидар сатылды. Бұл жаңа телеарналардың қарқынды өсуіне әкелді. Соғыс кезінде қолданылған есептеулерге сүйене отырып, Федералды байланыс комиссиясы (FCC) жаңа VHF және UHF арналары үшін жиіліктерді бөліп, станциялар арасындағы кедергілерді болдырмауға тырысты. Бірақ, барлығының таңғалысына, кедергілер жиі кездесті, тіпті қашық жерде орналасқан станциялар арасында да. Осының салдарынан, 1948 жылы "теледидар тоңуы" деп аталған жағдайда, жаңа станцияларға лицензия беру тоқтатылды. Bell Labs осы құбылысты зерттеуді бастаған көптеген ұйымдардың бірі болды және оның тропопаузадан бұрын белгісіз жаңа типтегі шағылыс екенін анықтады. Бұл әсер жоғары жиіліктерде, UHF және микротолқынды диапазондарда байқалды, сондықтан соғысқа дейін, бұл жиіліктердегі электрондық құралдардың жетілмегендігіне байланысты көрінбеді. Сигналдың көп бөлігі тропосфера арқылы ғарышқа өтіп кетсе де, шағылысқан шағын бөлігі, қуатты хабар таратушылар мен жоғары сезімтал қабылдағыштармен біріктірілгенде пайдалы болды. 1952 жылы Bell, MIT-ге қатысты Lincoln Labs-пен бірлесіп эксперименттер жүргізе бастады. Lincoln-ның қуатты микротолқынды таратушыларын және Bell-дің сезімтал қабылдағыштарын пайдаланып, олар әртүрлі жиіліктер мен ауа райының әсерін тексеру үшін бірнеше тәжірибелік жүйелер құрды. Bell Canada осы жүйе туралы естігенде, оның Лабрадордағы жаңа байланыс желісі үшін пайдалы болуы мүмкін екенін түсінді және суық ауа райында сынау үшін жүйенің бірін сол жерге алып кетті. 1954 жылы екі сынақ сериясының нәтижелері аяқталды және Лабрадор жағалауындағы Pinetree Line радиолокациялық жүйелерін байланыстыратын Pole Vault тропоскаттер жүйесінің құрылысы басталды. Тропоскаттерді пайдалану 50 микротолқынды релелердің санын 10-ға дейін азайтты, олардың барлығы радиолокациялық станцияларда орналасқан. Бірлік құны жоғары болғанымен, жаңа желі ретрансляциялық жүйеге қарағанда екі есе арзанға түсті. Pole Vault-қа White Alice, Mid Canada Line және DEW Line желілеріндегі релелер сияқты ұқсас жүйелер, сондай-ақ 1960 жылдары Атлант мұхиты мен Еуропа арқылы НАТО-ның ACE High жүйесінің бөлігі ретінде ілесіп келді.
Prior to World War II, prevailing radio physics theory predicted a relationship between frequency and diffraction that suggested radio signals would follow the curvature of the Earth, but that the strength of the effect would fall off rapidly and especially at higher frequencies. In spite of this widespread belief, during the war there were numerous incidents in which high frequency radar signals were able to detect targets at ranges far beyond the theoretical calculations. In spite of these repeated instances of anomalous range, the matter was never seriously studied. In the immediate post war era, the limitation on television construction was lifted in the United States and millions of sets were sold. This drove an equally rapid expansion of new television stations. Based on the same calculations used during the war, the Federal Communications Commission (FCC) arranged frequency allocations for the new VHF and UHF channels to avoid interference between stations. To everyone's surprise, interference was common, even between widely separated stations. As a result, licenses for new stations were put on hold in what is known as the "television freeze" of 1948. Bell Labs was among the many organizations that began studying this effect, and concluded it was a previously unknown type of reflection off the tropopause. This was limited to higher frequencies, in the UHF and microwave bands, which is why it had not been seen prior to the war when these frequencies were beyond the ability of existing electronics. Although the vast majority of the signal went through the troposphere and on to space, the tiny amount that was reflected was useful if combined with powerful transmitters and very sensitive receivers. In 1952, Bell began experiments with Lincoln Labs, the MIT affiliated radar research lab. Using Lincoln's powerful microwave transmitters and Bell's sensitive receivers, they built several experimental systems to test a variety of frequencies and weather effects. When Bell Canada heard of the system they felt it might be useful for a new communications network in Labrador and took one of the systems there for cold weather testing. In 1954 the results from both test series were complete and construction began on the first troposcatter system, the Pole Vault system that linked Pinetree Line radar systems along the coast of Labrador. Using troposcatter reduced the number of stations from 50 microwave relays scattered through the wilderness to only 10, all located at the radar stations. In spite of their higher unit costs, the new network cost half as much to build as a relay system. Pole Vault was quickly followed by similar systems like White Alice, relays on the Mid Canada Line and the DEW Line, and during the 1960s, across the Atlantic Ocean and Europe as part of NATO's ACE High system.
Қолдану
Таралу шығыны өте жоғары; қабылдағышта тек бір триллиондықтың бір бөлігі ғана қол жетімді. Бұл өте үлкен антенналық пайдаға ие антенналарды пайдалануды талап етеді. Бастапқы Pole Vault жүйесі үлкен параболалық рефлекторлы тарелка антенналарын қолданған, бірақ олар көп ұзамай жарнамалық антенналармен ауыстырылды, олар әлдеқайда берік болды, бұл маңызды қасиет, өйткені бұл жүйелер жиі қиын жағдайларда орналастырылды. Олар үшін 1 мен 50 аралығындағы антенналар мен күшейткіштер қажет болды. Бұл бірнеше дауыстық арналарды беруге қабілетті аналогты жүйелер болды. Тропосфералық таралу жүйелері жылдар бойы дамыды. Ұзақ қашықтыққа байланыс үшін спутниктік байланыс пайдаланылатындықтан, қазіргі тропосфералық таралу жүйелері бұрынғы жүйелерге қарағанда қысқа қашықтықтарда қолданылады, кішірек антенналар мен күшейткіштерді пайдаланады және жолақтығы әлдеқайда жоғары. Типикалық қашықтықтар 1 мен 2 аралығында, бірақ климатқа, жер бедеріне және қажетті деректер беру жылдамдығына байланысты үлкен қашықтықтарға қол жеткізуге болады. Типикалық антенна өлшемдері 10-нан 2-ге дейін, ал күшейткіш өлшемдері 10-нан 2-ге дейін. Қазіргі технологиямен 20 жылдамдыққа дейін деректерді беруге болады. Тропосфералық шашырау – бұл сенімді тарату әдісі, өйткені тарелканың дұрыс бағытталуы маңызды, бұл сигналдарды ұстауды, әсіресе ашық суда жіберілген жағдайда, өте қиын етеді, сондықтан олар әскери қолданушылар үшін тартымды. Әскери жүйелер көбінесе «жұқа сызықты» тропосфералық жүйелер болып табылады, себебі тропосфералық жүйеде тек тар жолақты «ақпараттық» арна ғана қолданылады; әдетте 32 аналогты (жолақты) арнаға дейін. Қазіргі заманғы әскери жүйелер «кең жолақты», өйткені олар 4-тен 16 Мбит/с дейінгі цифрлық деректер арналарын пайдаланады. Британдық Телеком (BT) Солтүстік теңіз мұнай байланыс желісі сияқты азаматтық тропосфералық таралу жүйелері спутниктік технология қол жетімді болғанға дейін HF (жоғары жиілікті) радио сигналдарын пайдаланудан гөрі жоғары сыйымдылықтағы «ақпараттық» арналарды қажет етті. Шетланд аралдарындағы Скоусбург, Абердинширдегі Мормонд Хилл және Скарбороға жақын Роу Броу орналасқан BT жүйелері, жиілік бөлу мультиплексін (FDMX) қолдана отырып, Солтүстік теңіздегі мұнай платформаларына 156 аналогты (жолақты) деректер мен телефон арналарын жіберуге және қабылдауға қабілетті болды. Тропосферадағы турбуленттіліктің сипатына байланысты, қызметтің 99,98% сенімділігін қамтамасыз ету үшін төрт есе әртүрлілік тарату жолдары қолданылды, бұл айына таралудың тоқтауына байланысты шамамен 3 минуттық үзіліске тең. Төрт есе кеңістік және поляризациялық әртүрлілік жүйелеріне екі бөлек тарелка антеннасы (бірнеше метр арақашықтықта) және екі түрлі поляризацияланған қоректендіру мүйіздері қажет болды – біреуі тік, екіншісі көлденең поляризацияны қолданды. Бұл кез келген уақытта кем дегенде бір сигнал жолының ашық болуын қамтамасыз етті. Төрт түрлі жолдан келген сигналдар қабылдағышта қайта біріктірілді, онда фазалық түзетуші әрбір сигналдың фазалық айырмашылығын жойды. Фазалық айырмашылықтар әрбір сигналдың таратушыдан қабылдағышқа дейінгі жолдың әртүрлі ұзындығынан туындады. Фазалық түзетуден кейін төрт сигналды қосуға болады.
The propagation losses are very high; only about one trillionth of the transmit power is available at the receiver. This demands the use of antennas with extremely large antenna gain. The original Pole Vault system used large parabolic reflector dish antennas, but these were soon replaced by billboard antennas which were somewhat more robust, an important quality given that these systems were often found in harsh locales. Paths were established at distances over They required antennas ranging from and amplifiers ranging from 1 to 50. These were analogue systems which were capable of transmitting a few voice channels. Troposcatter systems have evolved over the years. With communication satellites used for long distance communication links, current troposcatter systems are employed over shorter distances than previous systems, use smaller antennas and amplifiers, and have much higher bandwidth capabilities. Typical distances are between , though greater distances can be achieved depending on the climate, terrain, and data rate required. Typical antenna sizes range from while typical amplifier sizes range from 10 to 2. Data rates over 20 can be achieved with today's technology. Tropospheric scatter is a fairly secure method of propagation as dish alignment is critical, making it extremely difficult to intercept the signals, especially if transmitted across open water, making them highly attractive to military users. Military systems have tended to be ‘thin line’ tropo – so called because only a narrow bandwidth ‘information’ channel was carried on the tropo system; generally up to 32 analogue ( bandwidth) channels. Modern military systems are "wideband" as they operate 4 16 Mbit/s digital data channels. Civilian troposcatter systems, such as the British Telecom (BT) North Sea oil communications network, required higher capacity ‘information’ channels than were available using HF (high frequency – to ) radio signals, before satellite technology was available. The BT systems, based at Scousburgh in the Shetland Islands, Mormond Hill in Aberdeenshire and Row Brow near Scarborough, were capable of transmitting and receiving 156 analogue ( bandwidth) channels of data and telephony to / from North Sea oil production platforms, using frequency division multiplexing (FDMX) to combine the channels. Because of the nature of the turbulence in the troposphere, quadruple diversity propagation paths were used to ensure 99.98 reliability of the service, equating to about 3 minutes of downtime due to propagation drop out per month. The quadruple space and polarisation diversity systems needed two separate dish antennas (spaced several metres apart) and two differently polarised feed horns – one using vertical polarisation, the other using horizontal polarisation. This ensured that at least one signal path was open at any one time. The signals from the four different paths were recombined in the receiver where a phase corrector removed the phase differences of each signal. Phase differences were caused by the different path lengths of each signal from transmitter to receiver. Once phase corrected, the four signals could be combined additively.