Расчет характеристик телекоммуникационных систем передачи информации

РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК

ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ

СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

Учебно-методическое пособие 

Йошкар-Ола

2023

УДК 621.382.322 (075.8)
ББК 32.849я73

Р 24

Рецензенты:
Загайнов К. А., директор центра эксплуатации филиала в Республике 

Марий Эл ПАО «Ростелеком»;

Григорьевых Е. А., канд. техн. наук, доцент кафедры радиотехнических и 

медико-биологических систем ФГБОУ ВО «Поволжский государственный технологический 
университет»

Печатается по решению

редакционно-издательского совета ПГТУ

Р 24
Расчет характеристик телекоммуникационных систем пере-

дачи информации: учебно-методическое пособие / М. И. Бастракова, 
А. В. Зуев, А. А. Кислицын, В. В. Павлов. – Йошкар-Ола: Поволжский 
государственный технологический университет, 2023. – 76 с.
ISBN 978-5-8158-2361-7

Кратко представлены необходимые теоретические сведения о работе

тропосферных, радиорелейных, спутниковых и волоконно-оптических систем 
передачи информации. По каждому разделу приведены методики и 
порядок расчета основных энергетических и технических характеристик 
телекоммуникационных систем, а также варианты заданий для расчета 
систем передачи информации.

Для студентов направлений подготовки 11.03.02 и 11.04.02 «Инфо-

коммуникационные технологии и системы связи»

УДК 621.382.322 (075.8)

ББК 32.849я73

ISBN 978-5-8158-2361-7
© Бастракова М. И., Зуев А. В.,
Кислицын А. А., Павлов В. В., 2023
© Поволжский государственный 
технологический университет, 2023

ОГЛАВЛЕНИЕ

Список основных сокращений..........................................................5
Введение..............................................................................................6
1. РАСЧЕТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО РЕЖИМА ЛИНИИ 
ДАЛЬНЕГО ТРОПОСФЕРНОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ.............8

1.1. Краткие теоретические сведения..........................................8
1.2. Порядок выполнения задания .............................................12

2. РАСЧЕТ РЕЖИМА РАБОТЫ ПРОЛЕТА
РАДИОРЕЛЕЙНОЙ ЛИНИИ ПРЯМОЙ ВИДИМОСТИ...............16

2.1. Краткие теоретические сведения........................................16
2.2. Порядок выполнения задания .............................................24

3. РАСЧЕТ СТАТИСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК 
МНОЖИТЕЛЯ ОСЛАБЛЕНИЯ НА ИНТЕРВАЛЕ 
РАДИОРЕЛЕЙНОЙ ЛИНИИ ПРЯМОЙ ВИДИМОСТИ................26

3.1. Краткие теоретические сведения........................................26
3.2. Порядок выполнения задания .............................................30

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МИНИМАЛЬНО ДОПУСТИМОГО 
МНОЖИТЕЛЯ ОСЛАБЛЕНИЯ РАДИОРЕЛЕЙНОЙ ЛИНИИ 
ПРЯМОЙ ВИДИМОСТИ .................................................................32

4.1. Краткие теоретические сведения........................................32
4.2. Порядок выполнения задания .............................................35

5. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМ 
СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ................................................................37

5.1. Краткие теоретические сведения........................................37
5.2. Перечень вопросов для подготовки
к практическому занятию...........................................................40

6. АНАЛИЗ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК 
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ ЛИНИИ СВЯЗИ .........................42

6.1. Краткие теоретические сведения........................................42
6.2. Порядок выполнения задания .............................................44

7. РАСЧЕТ ЗОНЫ ПОКРЫТИЯ РАДИОТЕЛЕВИЗИОННОЙ 
ПЕРЕДАЮЩЕЙ СТАНЦИИ...........................................................46

7.1. Краткие теоретические сведения........................................46

7.1.1. Структурная схема узловой
радиорелейной станции.......................................................46
7.1.2. План частот РРЛ. Оценка требуемой
полосы частот для ЧМ-сигналов.........................................48
7.1.3. Распространение радиоволн метрового 
и дециметрового диапазонов в городских условиях.........51

7.2. Порядок выполнения задания .............................................54

Контрольные вопросы......................................................................58
Терминологический словарь ...........................................................61
Библиографический список.............................................................74

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АМ – амплитудная модуляция
АФТ – антенно-фидерный тракт
АХ – амплитудная характеристика
АЧХ – амплитудно-частотная характеристика
ВОС – взаимодействие открытых систем
ВОСС – волоконно-оптические системы связи
ДМВ – дециметровые волны
ДТР – дальнее тропосферное распространение
ИКМ – импульсно-кодовая модуляция
ИСЗ – искусственный спутник Земли
МВ – метровые волны
МТС – междугородная телефонная станция
ОГ – орбитальная группировка
ОП – оптический передатчик
ОСС – оптическая система связи
РПФ – разделительно-полосовой фильтр
РРЛ – радиорелейная линия
СВЧ – сверхвысокие частоты
ТК – телефонный канал
УО – устройство объединения
УРС – узловая радиорелейная станция
ФИМ – фазо-импульсная модуляция
ЧМ – частотная модуляция
ЧРК – частотное разделение каналов
ШИМ – широтно-импульсная модуляция

ВВЕДЕНИЕ

Настоящее учебно-методическое пособие предназначено для

студентов, изучающих дисциплины «Современные инфокомму-
никационные технологии и системы связи», «Радиоприемные 
устройства», «Радиопередающие устройства», а также будет полезно 
при выполнении выпускной квалификационной работы.

При подготовке данного издания авторами учтены требова-

ния Федерального государственного стандарта по направлению 
11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи»
в части формирования у обучающихся необходимых навыков и 
умений, а также приобретения профессиональных компетенций в 
рамках указанных дисциплин.

Основные вопросы изучаемого курса, изложенные на лекциях, 

закрепленные на практических занятиях при выполнении индивидуальных 
заданий с использованием рекомендованной литературы, 
а также теоретическое введение, представленное в данном издании 
для каждой темы, помогут студентам достаточно полно 
освоить программу.

Организация самостоятельной работы обучающихся при 

изучении теоретических основ каждого раздела позволяет усилить 
эффективность и интенсивность работы на практических 
занятиях. Этому призваны способствовать включенный в пособие 
понятийный словарь, содержащий разъяснение содержания важнейших 
специальных терминов и определений, а также достаточно 
обширный перечень контрольных вопросов. Студенты приобретут 
необходимые знания о принципах построения и функционирования 
современных телекоммуникационных систем передачи 
информации, а также практические навыки расчета их энергетических 
и технических характеристик.

Тематика представленных здесь расчетно-практических зада-

ний соответствует содержанию изучаемой дисциплины.

В первом задании студентам предлагается выполнить расчет 

энергетического режима линии дальнего тропосферного распространения, 
во втором – расчет режима работы пролета радиорелейной 
линии прямой видимости. Выполняя третье задание, обучающиеся 
должны научиться рассчитывать статистические характеристики 
множителя ослабления на интервале радиорелейной линии прямой 
видимости. Четвертое задание посвящено определению минимально 
допустимого множителя ослабления радиорелейной линии прямой 
видимости. Содержание пятого практического занятия связано с 
основными принципами построения и функционирования современных 
систем спутниковой связи. В ходе выполнения шестого задания 
студентам необходимо осуществить анализ энергетических характеристик 
волоконно-оптической линии связи. Седьмое практическое 
задание посвящено расчету зоны покрытия радиотелевизионной передающей 
станции. Здесь рассматриваются структурная схема узловой 
радиорелейной станции, план частот РРЛ и оценка требуемой 
полосы частот для ЧМ-сигналов, а также распространение радиоволн 
метрового и дециметрового диапазонов в городских условиях.

Итак, цель выполнения расчетно-практических заданий –

углубление знаний о современных системах связи, овладение методикой 
расчета основных технических показателей радиорелейных, 
космических и оптических линий связи.

Выбор варианта задания производится по последней n и 

предпоследней m цифрам зачетной книжки.

Заканчивается выполнение расчетно-практического задания 

составлением отчета, который должен содержать:

•
исходные данные для расчета;

•
характеристики вида трассы или линии связи;

•
методику расчета;

•
промежуточные и итоговые результаты.

В конце отчета приводятся выводы по проделанной работе 

и рекомендации по практическому применению полученных
результатов.

РАСЧЕТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО РЕЖИМА

ЛИНИИ ДАЛЬНЕГО ТРОПОСФЕРНОГО

РАСПРОСТРАНЕНИЯ

1.1. Краткие теоретические сведения

Применение линий дальнего тропосферного распространения 

(ДТР) основано на использовании отражения и рассеяния радиоволн 
турбулентными и слоистыми неоднородностями тропосферы. 
В этом случае протяженность трассы значительно превосходит расстояние 
прямой видимости.

Практически возможно при использовании передатчиков с 

мощностью в десятки киловатт, передающих и приемных антенн с 
коэффициентом усиления 30...40 дБ и высокочувствительных приемников 
установить радиосвязь на расстоянии до 1000 км. Механизм 
ДТР обеспечивает в точке приема уровень сигнала на десятки, 
а иногда и сотни децибел выше по сравнению с дифракционным 
распространением [1, 2].

Геометрия трассы изображена на рисунке 1.1, где использо-

ваны следующие обозначения:

L – протяженность трассы;
h1, h2 – высоты передающей А и приемной В антенн соответ-

ственно;

L1, L2 – расстояния до препятствий высотой H1 и Н2 соответ-

ственно;

VЭ – эффективный объем рассеивания;
A’A’’, B’B’’ – касательные к условному нулевому уровню 

земной поверхности в точках А и В;

β1 и β2 – углы закрытия для передающей и приемной антенн.

1 

Рис. 1.1 – Геометрия трассы проектируемой линии ДТР

Кроме геометрических параметров трассы для определения 

энергетического режима необходимо знать следующие параметры:

λ – рабочая длина волны;
Ga – коэффициент усиления передающей антенны;
Gb – коэффициент усиления приемной антенны;
Nш – шум-фактор (зависит от внешних условий);
Ш – коэффициент шума приемника;
Рс/Pш – требуемое отношение мощности сигнала к мощности 

шума на входе приемника;

ḡ – среднее значение вертикального градиента коэффициента 

преломления тропосферы;

N0 – приземное значение приведенного коэффициента пре-

ломления.

Для расчета необходимой мощности передатчика следует 

определить множитель ослабления у, который в децибелах рассчитывается 
по формуле

VдБ = Vст + ΔG + Vмет + Vр,
(1.1)

где Vст – стандартный множитель ослабления;

ΔG – величина уменьшения суммарного коэффициента уси-

ления антенн передатчика и приемника;

Vмет – множитель ослабления, обусловленный конкретной 

метеообстановкой на трассе;

VP – множитель ослабления, обусловленный рельефом зем-

ной поверхности заданной трассы.

Методика расчета стандартного множителя ослабления зави-

сит от протяженности трассы ДТР. Для протяженности трассы 
L = (100...400) км расчет производится по следующей формуле [2]:

𝑉ст = −54 + 10 log 𝜆 − 5 ∙ 10−5𝐿, дБ,

а для протяженности трассы более 400 км – по формуле

𝑉ст = −49,8 − 6,4 ∙ 10−5𝐿 − (4,3 log 𝜆 − 4,3 ∙ 10−5𝐿 +

+1,5) log 𝜆, дБ.

Для оценки величины уменьшения суммарного значения ко-

эффициентов усиления антенн передатчика и приемника ΔG
необходимо использовать данные таблицы 1.1.

Таблица 1.1 – Величина уменьшения суммарного коэффициента

усиления антенн передатчика и приемника

Gb+Gb, дБ
60
70
80
90
100

ΔG, дБ
0
-4
-7
-10
-13

Множитель ослабления, обусловленный конкретной метео-

обстановкой на трассе, в зависимости от протяженности трассы 
определяется по различным формулам.

Для протяженностей трассы (100...400) км расчет необходи-

мо проводить по следующей формуле [2]:

𝑉мет = (0,93 − 1,63 ∙ 10−6𝐿)(𝑁0 − 310), дБ,

а для протяженностей трассы свыше 400 км – по формуле

𝑉мет = (0,5 − 0,4 ∙ 10−6𝐿)(𝑁0 − 310), дБ.

Для расчета множителя ослабления, обусловленного релье-

фом земной поверхности, необходимо рассчитать углы закрытия
β1 и β2 для передающей и приемной антенн (см. рис. 1.1), используя 
следующие формулы:

𝛽1 =

𝐻1−ℎ1

𝐿1
−

𝐿1
2𝑎э ; 𝛽2 =

𝐻2−ℎ2

𝐿2
−

𝐿2
2𝑎э ; 𝑎э =

𝑅З

1+ḡ𝑅З,
(1.2)

где αэ – эквивалентный радиус Земли;

RЗ≈ 6370 км – радиус Земли.
При выполнении расчетов углов закрытия все исходные данные 

следует подставлять в формулы (1.2), выраженные в метрах. При 
этом результаты расчета для β1 и β2 будут получены в радианах.

Множитель ослабления, обусловленный рельефом трассы, 

рассчитывается по формуле

𝑉Р = −401g {1 +

1,5∙105(𝛽1+𝛽2)

1,5∙105(𝛽1+𝛽2)+𝐿 [1 +

3∙105(𝛽1+𝛽2)

𝐿
]},

где β1, β2 – углы закрытия, выраженные в градусах.

Мощность сигнала в точке приема для свободного простран-

ства определяется по формуле

𝑃b св = 𝑃𝑎𝐺𝑎𝐺𝑏 (

𝜆

4𝜋𝐿)

2
,

где Рa – мощность передатчика.

Тогда мощность сигнала в точке приема реальной трассы 

ДТР определяется выражением

𝑃𝑏 = 𝑃𝑏 св𝑉2,

где V – множитель ослабления, выраженный в относительных 
единицах.

Перевод множителя ослабления, рассчитанного по форму-

ле (1.1), в относительные единицы следует выполнять с помощью 
выражения

𝑉 = 10

𝑉дБ
20 .

Для выполнения задания необходимо рассчитать минималь-

но допустимую мощность на входе приемного устройства линии 
ДТР, используя выражение [1]:

𝑃мин =

𝑃с
𝑃ш 𝑁шШ𝑘𝑇𝛥𝑓𝑁к,

где k = 1,38∙10-23 Дж / град – постоянная Больцмана;

Т – абсолютная температура входных цепей приемника;
Δf – полоса частот одного канала связи, составляющая в те-

леграфии 400 Гц, в телефонии 4 кГц, а для телевизионного сигнала 
8 МГц;

Nк – число используемых каналов связи.
Однако для обеспечения необходимого качества передачи со-

общений мощность сигнала в точке приема должна быть больше 
минимально допустимой мощности на входе приемного устройства

𝑃𝑏 ≥ 𝑃мин.

Поэтому мощность передатчика Ра должна выбираться исхо-

дя из неравенства

𝑃𝑎 >

𝑃мин.

𝐺𝑎𝐺𝑏( 𝜆

4𝜋𝐿)

2

𝑉2.

1.2. Порядок выполнения задания

Для выполнения задания необходимо предварительно изу-

чить материалы,
приведенные в
литературных источниках:

[1, с. 167-184] либо [3, с. 62-66].