- •Раздел 1 Принципы построения систем спутниковой связи и вещания. Методы передачи сигналов. Построение и функции систем спутниковой связи.
- •1.1 Состав и назначение спутниковых систем связи
- •Основные показатели земных и космических станций
- •1.2 Основные показатели спутниковых систем связи
- •1.3. Орбиты исз и зоны обслуживания
- •1.3 Пз. Эффект Доплера и запаздывание сигналов
- •1.4 Качественные показатели каналов спутниковых линий связи
- •1.4.1 Качественные показатели каналов телевидения
- •1.4.2 Качественные показатели каналов звукового вещания и звукового сопровождения тв
- •1.4.2 Качественные показатели каналов тч и групповых трактов
- •Раздел 2 Многостанционный доступ и методы разделения сигналов
- •2.1 Принципы и особенности многостанционного доступа.
- •Нелинейные эффекты при частотном разделении
- •2.2 Многостанционный доступ с временным разделением
- •Оценка помехоустойчивости систем с мдвр
- •Влияние характеристик тракта на помехоустойчивость систем с мдвр
- •Методы манипуляции и эффективность использования полосы рабочих частот в ссс.
- •Раздел 3 Энергетика спутниковых линий связи
- •3.1 Особенности энергетики спутниковых линий связи.
- •3.1.1 Уравнения связи для спутниковых линий.
- •3.1.2 Поглощение энергии сигнала в атмосфере
- •3.1.2 Потери из-за рефракции и неточности наведения антенн.
- •3.1.3 Фазовые эффекты в атмосфере.
- •3.2 Шумы атмосферы, планет и приемных систем.
- •Раздел 4 Системы телеуправления и контроля спутников связи
- •4.1 Задачи и способы телеуправления и контроля спутников связи
- •4.2 Командно – измерительные системы. Основные требования, предъявляемые к кис
- •Обобщенная функциональная схема кис, принцип работы
- •Раздел 5 Бортовые ретрансляционные комплексы бртк спутников связи
- •5.1 Типовые структурные схемы бртк
- •5.1.1 Общие сведения.
- •5.1.2 Конструктивные особенности бртр
- •5.1.3 Особенности структурных схем бртк.
- •5.1.4 Бртр с однократным преобразованием частоты
- •5.1.4 Бртр гетеродинного типа
- •5.1.4 Бртр с демодуляцией (обработкой) сигнала на борту
- •5.2 Бортовые радиопередающие и радиоприемные устройства и их параметры
- •5.2.1 Бортовые радиопередающие устройства
- •5.2.2 Бортовые приемные устройства бртр
- •5.2.3 Структурная схема и параметры «Галс - р»
- •1 Бортовой ретрансляционный комплекс спутника непосредственного тв вещания «Галс», общие сведения и основные технические данные.
- •2. Бортовой ретрансляционный комплекс спутника непосредственного тв вещания «Галс - р», общие сведения и основные технические данные.
- •Раздел 6 Земные станции магистральной спутниковой связи
- •6.1 Структурные схемы и состав оборудования зс.
- •6.1.1Основные показатели для всех зс:
- •6.1.2 Структурные схемы и параметры приемных устройств зс
- •6.1.3 Изучение структурных схем и параметров передающих устройств зс Общие сведения
- •Передающее устройство «Набор-1,3»
- •Передающее устройство «Нептун»
- •6.2 Станции vsat – малые станции для телефонии и передачи данных.
- •6.2.1 Классы земных станций и типы сетей.
- •6.2.2 Структура сети vsat для телефонии.
- •6.2.3 Структура сети vsat для передачи данных.
- •6.3 Приемные станции спутникового телевидения.
- •6.3.1 Приемные станции «Орбита-2» и «Москва»
- •6.3.2 Приемные установки системы «Экран»
- •Структурная схема и технические параметры приемных установок диапазона 11–12 гГц
- •Раздел 7 Системы спутниковой связи
- •7.1 Спутниковые системы связи международных организаций.
- •7.1.1 Развитие ссс в некоторых странах и регионах.
- •7.1.2 Национальные системы спутниковой связи сша
- •7.1.2 Национальные ссс других зарубежных стран
- •7.2 Системы отечественной спутниковой связи
- •7.2.1 Система «Горизонт»
- •7.2.2 Система «Экспресс»
- •7.2.3 Система «Галс»
- •7.3 Особенности систем подвижной спутниковой связи
- •7.3.1 Отечественные системы ппс
- •7.3.2 Международные системы ппс
- •7.4 Системы персональной подвижной спутниковой службы
- •7.4.1 Системы персональной ппс международных систем
- •7.4.2 Система отечественной персональной вязи «Гонец»
- •7.4.3 Структурная схема базового абонентского терминала «Гонец»
3.1.3 Фазовые эффекты в атмосфере.
С влиянием атмосферы связаны эффект Фарадея и вытекающее из него следствие – фазовая дисперсия сигналов. Эффект Фарадея обусловлен тем, что при распространении линейно поляризованной волны через атмосферу под действием магнитного поля Земли эта волна расщепляется на две составляющие, которые распространяются в ионосфере с различными скоростями. Следовательно, между ними появляется фазовый сдвиг, который приводит к повороту плоскости поляризации суммарной волны.
Угол поворота плоскости поляризации:
, (3.26)
где β – угол места.
Из результатов расчетов по этой формуле следует, что эффект Фарадея приводит к заметному изменению направления вектора поляризации на частотах ниже 5 ГГц; на частотах выше 10 ГГц с этим явлением можно не считаться.
Влияние этого эффекта сказывается в том, что при использовании для связи сигналов с линейной поляризацией будут возникать потери сигнала между коллинеарными антеннами (передающей и приемной) LΨ = 201g(cosΨ). Во избежание этого, на частотах ниже 10 ГГц, в спутниковых системах используется исключительно круговая поляризация, а в более высокочастотных диапазонах фазовые эффекты не препятствуют применению линейной поляризации.
Фазовые эффекты в атмосфере, точнее их частотно-зависимые характеры, приводят к фазовой дисперсии компонент передаваемых сигналов и, следовательно, к их искажению при приеме. Подобно фарадевскому вращению, степень влияния этих эффектов обратно пропорциональна квадрату частоты. Полный сдвиг фазы сигнала определяется выражением:
, (3.27)
где n – показатель преломления атмосферы, с – скорость света.
При этом групповое время запаздывания сигнала:
(3.28)
Приближенное значение разности группового времени запаздывания Δτ для крайних составляющих широкополосного сигнала с полосой Δf должно быть таким, чтобы не было искажений передаваемых сигналов Δτ·Δf <<1. Для количественной оценки широкополосности атмосферы примем Δτ·Δf = 0,1. Тогда . Из результатов расчетов по этой формулы следует, что наибольшая полоса сигнала, который может быть передан через атмосферу без фазовых искажений, составляет примерно 25 МГц в диапазоне 1 ГГц и возрастает до 270 МГц в диапазоне 4 – 6 ГГц. Указанные ограничения следует иметь в виду при проектировании широкополосных ТВ и ТЛФ линий, в особенности в диапазонах частот ниже 4 ГГц.
3.2 Шумы атмосферы, планет и приемных систем.
При расчете спутниковых радиолиний важно определить полную мощность шумов, создаваемых на входе приемного устройства спутника и ЗС различными источниками. мощность шума на входе приемника определяется по формуле (3.6):
дадим количественную оценку входящих в нее величин:
Эквивалентная (энергетическая) шумовая полоса приемника:
, (3.29)
где – частотная характеристика ПЧ тракта приемника.
Она обычно несколько шире полосы частот тракта ПЧ. Если принять Δfш = γ·Δf0,7, то значения коэффициентов γ для п одноконтурных (γ1) и двухконтурных (γ2) каскадов УПЧ будут изменяться 1,1–1,002, причем для многокаскадных УПЧ это показатель наименьший.
Полная эквивалентная шумовая температура приемной системы, состоящей из антенны, волноводного тракта и собственно приемника, пересчитанная ко входу приемника:
, (3.30)
где ТА – эквивалентная шумовая температура антенны;
Т0 – абсолютная температура среды (290 К);
Tпр – эквивалентная шумовая температура собственно приемника, обусловленная его внутренними шумами;
ηВ – коэффициент передачи волноводного тракта.
Общей задачей является количественное определение составляющих в (3.30) для вычисления мощности шума (3.6), входящей в уравнения связи.
Эквивалентная шумовая температура антенны может быть представлена в виде составляющих:
(3.31)
Эти составляющие обусловлены различными факторами:
- Тк – приемом космического радиоизлучения;
- Та – излучением атмосферы с учетом гидрометеоров;
- Т3 – излучением темной поверхности, принимаемым через боковые лепестки антенны;
- Таз – приемом излучения атмосферы, отраженного от Земли;
- Тш.а – собственными шумами антенны;
- Тоб – влиянием обтекателя антенны, если он имеется.
Общая методика определения этих составляющих основана на том, что антенна, находящаяся в бесконечном объеме поглощающей среды с однородной кинетической температурой, при термодинамическом равновесии поглощает и переизлучает мощность, равную мощности излучения. В этом случае:
, (3.32)
где – яркостная температура излучения в направлении β(Ψ) в сферической системе координат;
– усиление антенны (относительно изотропного излучателя) в том же направлении.
Яркостная температура характеризует источники излучения и определяется как температура абсолютно черного тела, имеющего на данной частоте и в данном направлении такую же яркость, как рассматриваемый источник.
Для характеристики источников излучения с неравномерным распределением яркостной температуры используется понятие усредненной или эффективной температуры излучения:
, (3.33)
Ωи - телесный угол источника излучения.
Если угловые размеры источника излучения больше ширины главного лепестка диаграммы антенны Ωα, то Тср = Тя..
Основу составляет радиоизлучение Галактики и точечных радиоисточников (Солнца, Луны, планет и некоторых звезд).
Излучение Галактики имеет сплошной спектр и слабо поляризовано, поэтому при приеме его на поляризованную антенну (с любым видом поляризации) можно с достаточной степенью точности считать, что принимается 1/2 всей мощности излучения, попадающей в раскрыв антенны.
Солнце самый мощный источник радиоизлучения, которое может полностью нарушить связь, попав в главный лепесток диаграммы направленности антенны. Однако вероятность такого попадания мала, и в первом приближении р = 0,6·10-4. Для геостационарных орбит от р = 2·10-4 до р = 5·10-4 в зависимости от долготы ИСЗ.
Следующий по мощности радиоисточник – Луна – практически уже не может нарушить связи, так как ее яркостная температура не более 220 К. Остальные источники (планеты и радиозвезды) играют существенно меньшую роль, а вероятность встречи луча антенн с этими источниками меньше, чем с Солнцем, так как угловые размеры их малы.
Радиоизлучение земной атмосферы имеет тепловой характер и в полной мере обусловлено поглощением сигналов в атмосфере. В силу термодинамического равновесия среда (атмосфера) излучает такое же количество энергии на данной частоте, которое поглощает:
(3.34)
Средняя термодинамическая температура стандартной атмосферы для углов места β >5° в рассматриваемых диапазонах частот:
(3.35)
Яркостная температура излучения атмосферы, отраженного от Земли:
, (3.36)
где Ф – коэффициент отражения Земной поверхности.
Так как на частотах выше 10 ГГц , то следует:
Отражение от Земли компонентов атмосферных шумов дополняет термодинамическое излучение и в сумме они дают излучение с яркостной температурой, близкой к 290 К.
Все ранее сказанное позволяет выполнить расчет спутниковой радиолинии. Будем считать, что заданы основные постоянные величины, входящие в уравнение связи: диапазоны частот, высота и тип орбиты ИСЗ, коэффициенты усиления земных и бортовых антенн, а так же КПД волноводных трактов; заданными будем считать также вид, число и параметры передаваемых сигналов. Задача состоит в определении переменных величин, входящих в уравнения связи (потерь энергии сигнала под влиянием перечисленных факторов и шумов различного происхождения), и вычислении отношения сигнал/шум на конце линии связи (при заданных значениях мощностей земного и бортового передатчиков) либо мощностей этих передатчиков по требуемым отношениям сигнал/шум.
Обычно предварительный расчет проводится для односигнального режима (например, для передачи ТВ сигнала); при этом определяются параметры ВЧ ствола бортового ретранслятора. Затем при необходимости передачи ТЛФ сообщений производится расчет пропускной способности этого ствола применительно к выбранному методу многостанционного доступа и уточняются параметры земного приемопередающего оборудования. При передаче многоканальных телефонных сообщений методом ЧМ появляются дополнительные источники шумов, обусловленные взаимодействием передаваемых сигналов; соответственно число составляющих шума в ТЧ канале существенно больше, чем при передаче телевидения.
Общее уравнение, связывающее суммарный уровень шумов в телефонном канале с отдельными составляющими помех, можно записать в виде:
, (3.37)
где Рш.т – мощность тепловых шумов; Рш.н – мощность шумов, обусловленных нелинейностью амплитудных характеристик; Ρш.φ – мощность шумов, обусловленных нелинейностью фазовых характеристик; Рш АМ/ФМ – мощность шумов вследствие АМ-ФМ перехода; Рп – мощность помех со стороны соседних стволов, спутников и систем, а также РРЛ, работающих в совмещенных диапазонах частот; Рш.ок. – мощность шумов, вносимых оконечной аппаратурой.
Рассмотрим лишь одну составляющую формулы (3.37) – мощности тепловых шумов в канале Рш.т.
При нормировании ТЧ каналов спутниковых систем на долю составляющих Рп и Рш.ок отводят 4000 пВт: остальные 6000 пВт (из общей нормы 10000 пВт) распределяются между тепловыми и нелинейными шумами различного происхождения примерно поровну. Таким образом, на долю Ршт приходится примерно 3000 пВт.
При передаче телефонных сигналов аналоговыми методами, например с использованием ЧМ, мощность теплового шума в телефонном канале ТЧ в точке нулевого относительного уровня можно определить:
, (3.38)
Втф(ЧМ) – выигрыш в отношении сигнал/тепловой шум, обеспечиваемый ЧМ приемником; кп – псофометрический коэффициент: α – выигрыш но тепловым шумам от введения линейных предыскажений.
Если телефонные сигналы передаются в групповом спектре (т.е. стандартными многоканальными группами), то:
(3.39)
При передаче методом ОКН (один канал на несущую) с использованием частотного разделения одноканальных ЧМ радиосигналов:
, (3.40)
где fк – средняя частота телефонного канала в групповом спектре; fд.к – пиковая девиация несущей частоты, приходящаяся на один ТЛФ канал; ΔFκ – полоса частот телефонного канала; FK – высшая частота телефонного канала.
Параметры модулированного ЧМ сигнала (fд.к, fк, ΔFκ) при передаче групповых спектров принимаются примерно такими же, как в наземных РРЛ. При этом выигрыш от введения линейных предыскажений, а рассчитывается по стандартным формулам. При передаче методом ОКН значение пиковой девиации частоты fд к выбирается в области порога помехоустойчивости (как при передаче ТВ), а линейные предыскажения оптимизируются с целью получения максимального выигрыша по тепловым шумам. В этом случае при реализации оптимальных предыскажений совместный выигрыш от введения предыскажений и псофометрического взвешивания в телефонном канале с треугольным спектром шума Кп·α = 10 (10 дБ).
Чтобы установить количественную связь между вероятностью ошибки при передаче двоичных сигналов и отношением сигнал/шум на входе демодулятора, удобно воспользоваться следующим известным соотношением:
, (3.41)
где Ε – энергия каждого из передаваемых двоичных сигналов (1 или 0); Nq – спектральная плотность шума на входе демодулятора; RK – коэффициент взаимной корреляции передаваемых двоичных сигналов (1 и 0).
При частотной модуляции (при достаточно большом разносе частот посылок) Rк = 0 и поэтому:
, (3.42)
где Ф – интеграл вероятности превышения плотности шума выше допустимого.