Некоммерческое акционерное общество

АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра телекоммуникационных систем

 

 

 

ОРГАНИЗАЦИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ОКАЗАНИЯ СПУТНИКОВЫХ И РАДИОРЕЛЕЙНЫХ УСЛУГ В ТЕЛЕВИДЕНИИ И РАДИОВЕЩАНИИ

Сборник задач

для магистрантов по специальности

6М071900–«Радиотехника, электроника и телекоммуникации»

 

 

Алматы 2011 г.

 

СОСТАВИТЕЛИ: Н.Н. Гладышева, Л.П. Клочковская. Организация и технология оказания спутниковых и радиорелейных услуг в телевидении и радиовещании. Сборник задач для магистрантов по специальности 6М071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации. – Алматы: АУЭС, 2011 -  34 с.

 

Сборник задач предназначен для магистрантов специальности 6М071900 – «Радиотехника, электроника и телекоммуникации». В сборнике приведены задачи по расчету энергетического бюджета участков спутниковых линий, оценивается влияние высоты орбиты негеостационарного спутника на энергетические характеристики абонентских терминалов и ретрансляторов, определяется на соответствие норме вероятности сбоев из-за многолучевого распространения радиоволн на пролете РРЛ. Данное пособие можно применять для дипломного проектирования.  При выполнении задач студенты закрепляют знания, полученные на лекционных занятиях и при самостоятельной работе согласно программе дисциплины.

Сборник задач предназначен для магистрантов специальности 6М071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации.

Ил. 3,   табл. 10,   библиогр. – 5 назв.

 

Рецензент:  доцент каф. ТКС. к.э.н. Дарибаева Р.А.

 

Печатается по плану издания некоммерческого акционерного общества «Алматинский университет энергетики и связи» на 2011 г.

 

© НАО «Алматинский университет энергетики и связи», 2011 г.

 

                                                       Сводный план 2011 г.,  поз.179

В данном сборнике задач изложены методика расчета энергетического бюджета спутниковых линий, расчет влияния высоты орбиты негеостационарного спутника на энергетические характеристики аппаратуры 3С и КС, расчёт соответствии норме вероятности сбоев из-за интерференции радиоволн на пролёте РРЛ. Используя представленный материал по расчету условий распространения радиоволн, обучаемые смогут самостоятельно определить соответствие полученных и расчетных данных техническим характеристикам систем связи и сделать выводы об устойчивости и качестве связи.

 

Энергетический бюджет спутниковых линий связи

 

         При разработке ССС важной задачей является выбор рациональных способов модуляции и кодирования передаваемых цифровых сигналов.

      Известно, что при фиксированных скорости и качестве передачи информации в радиоканале связи существуют обменные соотношения между частотным и энергетическим ресурсами канала связи. На практике возникает задача выбора структуры передаваемых сигналов и способов их обработки таким образом, чтобы адаптироваться к стандартизованным параметрам стволов БТРВ ретранслятора для решения конкретных задач.

На ССС применяются следующие способы модуляции кодирования цифрового сигнала:

ФМ – Ч + СК – квадратурная фазовая манипуляция в сочетании со сверточным кодированием и декодированием по алфавиту Витерби.

ФМ – Ч + СК + КРС – квадратурная фазовая манипуляция в сочетании с каскадным кодированием.

ФМ – 8 + РК – восьмиуровневая квадратурная фазовая манипуляция в сочетании с решетчатым кодированием.

КАМ – 16 + СК – шестнадцатиуровневая квадратурная амплитудная манипуляция квадратурная в сочетании со сверточным кодированием.

 

Раздел 1. Энергетический бюджет каналов связи 3С-ГCP (земная станция – геостационарный спутниковый ретранслятор)

 

         Задача 1.  Определить коэффициент усиления антенны земной станции на передачу.

         Задача 2. Определить ширину диаграммы направленности антенны 3С.

         Задача 3. Определить коэффициент усиления антенны бортового ретранслятора на приём.

Задача 4.  Рассчитать потери на участке «вверх» ЗС-КС.

Задача 5.  Рассчитать мощность полезного сигнала на входе приёмника.

Задача 6. Определить мощность шума в полосе частот ствола ретранслятора.

Задача 7. Определить отношение сигнал-шум на входе приёмника ретранслятора.

Задача 8. Рассчитать отношение сигнал-шум на входе приёмника-ретранслятора при работе в дожде.

Задача 9. Рассчитать добротность приемной системы ретранслятора.

Задача 10. Определить энергетический потенциал приемной системы ретранслятора.

       Задача 11. Рассчитать пропускную способность канала связи ЗС-КС.

 

Т а б л и ц а 1 - Исходные данные для расчёта

Номер варианта

1

2

3

4

Тип ССС, площадь области обслуживания, млн.кв.км

Глобальная 140

Национальная 12

Национальная 12

Региональная 5

Угол обзора области обслуживания, град

16

6

6

2

Частотный диапазон, ГГц

6 (с)

14 (Кu)

14 (Кu)

6 (с)

Диаметр передающей антенны 3С, м

11

2,5

5,5

3

Коэффициент усиления передающей антенны, дБ

55,2

49,73

56,58

43,95

Выходная мощность передатчика 3С, Вт

500

5

2000

10

Потери сигнала на передающей стороне, дБ

1

1

1

1

ЭИИМ 3С, дБВт

81,2

55,1

88,6

52,95

Полоса частот, МГц

36

36

36

36

Потери наведения антенны, дБ

3,3

4,5

1,8

2

Потери сигнала в невозмущенной атмосфере, дБ

0,2

0,5

0,5

0,2

Полная шумовая температура приёмной системы ретранслятора, о К

1000

1000

1000

1000

Потери сигнала в приёмном тракте ретранслятора, дБ

1

1

1

1

Способ модуляции – кодирования

без кодирования

ФМ – Ч +СК

ФМ – 8 + РК

ФМ – Ч + СК + КРС

Пороговое отношение сигнал-шум  h 2n, дБ

27

13,4

9,8

4,1

Примеры расчёта

Исходные данные

Угол обзора зоны обслуживания из точки стояния геостационарного спутника β=16 о.

         Полоса пропускания ствола Δf=36 МГц.

         Диаметр антенны 3С  D=11 м.

         Мощность передатчика бортового ретранслятора на ствол Pпер= 20 Вт.

         Мощность передатчика 3С на ствол 500 Вт.

 Шумовая температура бортовой и  земной антенн  Кu =0,7.

Задача 1

 

1.1 Коэффициент усиления антенны 3С при работе на передачу

     G3=109,67· Кu ·D2·f2 =109,67· 0,7 ·121·36 = 334406 (55,2 дБ).

 

Задача 2

 

 2.1 Ширина диаграммы направленности антенны 3С

рад (15,5о).

 

Задача 3

 

3.1 Коэффициент усиления приёмной антенны бортового ретранслятора

                      (20 дБ).

 

Задача 4

 

4.1 Потери в свободном пространстве

Lо = 1,75·1015·d2·f2 ,

где: d – наклонная дальность между 3С и КС тыс. км;
        f – частота на передачу, ГГц.

 

Lо = 1,75·1015·412·62 = 1,06·1020 (200 дБ).

 

4.2 Дополнительные потери:

- Суммарные потери наведения LН = 3,3 дБ.

- Потери сигнала в невозмущенной атмосфере Lа = 0,2 дБ.

- Потери в приёмном тракте приёмника Lпр = 1 дБ.

Lдоп = 3,3+ 0,2 + 1 = 4,5 дБ.

 

 

Задача 5

 

5.1  Мощность полезного сигнала на входе приёмника

Рс=Рпер3С + G3 + Gб – Lо – Lдоп =26,99+55,2 +20 –200 – 4,5 = -102,3 дБ.

 

Задача 6

 

6.1 Мощность шума в полосе частот ствола ретранслятора

Рш = kTΔf = 1,38·10-23·150·36·106 = 7,45·10-14 Вт (-131 дБВт).

 

Задача 7

 

7.1 Отношение сигнал-шум на входе приёмника ретранслятора

дБ.

 

Задача 8

 

8.1 Определяем потери в дожде (Л6, стр. 58-60 рисунок 1.1.4.2 таблицы 1.1.4.2)

Рисунок 1.1.4.2. Карта климатических зон мира

 

Т а б л и ц а 1.1.4.2 - Исходные значения интенсивности дождя – I (мм/час) для различных климатических зон

Угол возвышения антенны 3С γ=10о, широта 3С 60о, высота над уровнем моря h3С=0о. Климатическая зона М, где интенсивность дождя I=4 мм/час. Допустимый коэффициент доступности канала связи Кд=0,99.

Примечание: ЗС берется в РК по начальной букве фамилии. Угол возвышения равен углу места ЗС:

,

 

где:   Н=42170 км – высота орбиты спутника над Землёй;

R=6371 км – радиус Земли;

- широта ЗС;

- разность по долготе между спутником и ЗС.

Высота нулевой изотермы (км)  

 

 

 где: hД = 7,8 – 0,1·60 = 1,8 км.

 

8.2 Эффективная высота дождевого слоя

 

 

         где:    hД = hи = 1,8 км, т.к. I = 4< 10 мм/час .

 

 

8.3 Длина пути сигнала в дождевом слое с учетом h3С=0о

км.

8.4 Потери в дожде Lд = a·Ib·l (дБ),

           где:  а и b - коэффициенты, зависящие от частоты:

           а = 4,21·10-5·f2,49  при f, 9 ≤ f ≤ 54 ГГц;

 

,

где:   а = 4,21·10-5·62,49 = 0,036;

b = 1,41·6-0,0779 = 1,2;

Lд = 0,036·41,2·10,37 = 0,2 дБ.

8.5 Отношение сигнал-шум на входе приёмника ретранслятора при работе в дожде, дБ

дБ.

 

Задача 9

 

9.1 Добротность приёмной системы ретранслятора

(-10 дБ),

       где: Тр=1000оК - полная шумовая температура приёмной системы ретранслятора

 

  Задача 10

10.1  Энергетический потенциал

,

где: No - эквивалентная спектральная плотность мощности шума, приведенная по входу приёмника;

No = k·Тр= 1,38·10-23·1000 = -199,86 дБ;

ЭП = -102,3-(-199,86) = 97,3 дБ.

 

Задача 11

11.1  Пропускная способность канала

 

  Типовые параметры спутникового канала без кодирования:

         В=2; h 2n  = 27 дБ;

         С1 = 97,3 -27 = 70,3 дБ (10,7·106 Бит/сек);

         С2 = 36·106 /2 = 18·106 Бит/с (72,55 дБ);

         С=С1 = 70,3 дБ (10,7·106 Бит/сек) - определяется энергетическими возможностями ретранслятора, а полоса пропускания используется лишь частично.

11.2       Коэффициент использования полосы частот

.

         В случае, если С=С2 пропускная способность канала ограничивается частотным ресурсом ствола, а избыток энергетики приводит к превышению порогового отношения сигнал-шум в ВС/ Δfcm раз.

 

Раздел 2. Энергетический бюджет каналов связи ГСР- 3С

 

Задача 12. Определить коэффициент усиления антенны земной станции на приём.

Задача 13. Определить ширину диаграммы направленности антенны 3С.

Задача 14. Рассчитать коэффициент усиления антенны бортового ретранслятора.

Задача 15. Определить потери в свободном пространстве и дополнительные потери.

Задача 16. Определить мощность полезного сигнала на входе приёмника 3С.

Задача 17. Определить мощность шума в полосе частот ствола 3С.

Задача 18. Вычислить отношение сигнал-шум на входе приёмника.

Задача 19. Определить потери в дожде.

Задача 20. Определить отношение сигнал-шум на входе приёмника ЗС при работе в  дожде.

Задача 21. Определить добротность приёмной системы ретранслятора.

Задача 22. Определить энергетический потенциал приемной системы ЗС.

Задача 23. Определить пропускную способность канала.

 

 

Т а б л и ц а 2 -  Исходные данные для расчета

Номер варианта

1

2

3

4

Частотный диапазон, ГГц

4 (с)

12 (Кu)

12 (Кu)

4 (с)

Коэффициент усиления передающей антенны ретранслятора, дБ

16

26,4

26,4

16

Выходная мощность ствола ретранслятора, Вт

20

50

100

80

Потери сигнала на передающей стороне, дБ

1

1

1

1

ЭИИМ ствола ретранслятора, дБ

28

42,4

45,4

34

Полоса частот ствола, МГц

36

36

36

36

Потери наведения антенны, дБ

2

4

4

2

Потери сигнала в спокойной атмосфере, дБ

0,1

0,4

0,4

0,2

Диаметр приёмной антенны 3С, м

11

2,5

4

3

Шумовая температура 3С,о К

150

250

200

180

Потери сигнала в приёмном тракте 3С, дБ

2,5

2,5

1

1,5

Способ модуляции - кодирования

без кодирования

ФМ – Ч +СК

ФМ – 8 + РК

ФМ – Ч + СК + КРС

Пороговое отношение сигнал-шум  h 2n,дБ

27

13,4

9,8

4,1

 

Примеры расчёта

 

Задача 12

 

12.1  Коэффициент усиления антенны 3С при работе на приём

G3С=109,67· Кu ·D2·f2 =109,67· 0,7 ·121·16 = 148624,784 (51,72 дБ).

Задача 13

13.1 Ширина диаграммы направленности антенны 3С

рад (23о).

Задача 14
 14.1 Коэффициент усиления антенны бортового ретранслятора

(16,72 дБ).

Задача 15

15.1 Потери в свободном пространстве

Lо = 1,75·1015·d2·f2 ,

где:   d – наклонная дальность между 3С и КС тыс. км;

         f – частота на передачу, ГГц;

          Lо = 1,75·1015·412·42 = 0,47·1020 (196,8 дБ).

15.2 Дополнительные потери:

         Суммарные потери наведения  LН = 2,5 дБ;

         Потери сигнала в невозмущенной атмосфере  Lа = 0,15 дБ;

         Потери сигнала в приёмном тракте 3C Lпр = 1 дБ;

Lдоп = LН + Lа + Lпр = 2,5 + 0,15 + 1 = 3,65 дБ.

Задача 16

16.1   Мощность полезного сигнала на входе приёмника 3С

Рс=Рпер б+G3С + Gб – Lо – Lдоп =13+51,72 +16 –196,8 – 3,65 = -119,73 дБВт.

Задача 17

17.1 Мощность шума в полосе частот ствола 3С

Рш = kTΔf = 1,38·10-23·150·36·106 = 7,45·10-14 Вт (-131 дБВт).

Задача 18

18.1 Отношение сигнал-шум на входе приёмника

дБ.

Задача 19

19.1  Определяем потери в дожде

Lд = a·Ib·l (дБ),

где:   I=22 мм/час - интенсивность выпадения осадков в зоне Е;

l - длина пути сигнала в дождевом слое;

a и b - вспомогательные коэффициенты;

                   а = 4,21·10-5· f 2,49  при 2,9 ≤ f ≤ 54 ГГц;

                   а =  4,21·10-5· 4 2,49  = 0,00132,

 

b = 1,41· f -0,0779 = 1,26,

                   , где hД – эффективная высота дождевого слоя;

                            γ =30 о – угол места 3С;

                            hзс =45о – широта 3С.

 

Высота нулевой изотермы (км)

 

 

hи = 7,8 – 0,1(36) = 4,2, 

hД = 4,2 + 10lg (22/10) = 7,62,

                            км,

                            Lд = 0,00132·221,26·12,96 = 0,84 дБ.

Задача 20

20.1 Отношение сигнал-шум на входе приёмника ЗС при работе в дожде, дБ

дБ.

Задача 21

 21.1 Добротность приёмной системы ретранслятора

(-5дБ),

          Тр – шумовая температура приёмного тракта 3С.

Задача 22

  22.1 Энергетический потенциал приемной системы ЗС

,

          где:   No — эквивалентная спектральная плотность мощности шума,        приведенная по входу приёмника

                   No = k·Тр= 1,38·10-23·150 = 2,07·10-21 (-206,8 дБ);

ЭП = -119,73 - (-206,8) = 87 дБ.

Задача 23

23.1 Пропускная способность канала

Типовые параметры спутникового канала без кодирования В=2; h 2n  = 27 дБ

         С1 = 87 -27 = 60 дБ,

         С2 = 36·106 /2 = 18·106  Бит/сек (72,55 дБ),

         С = С1 = 60 дБ (106 Бит/сек) - определяется энергетическими возможностями ретранслятора, а полоса пропускания используется лишь частично.

Коэффициент использования полосы частот

.

 

Раздел 3. Зависимость энергетических параметров негеостационарных спутников от высоты орбиты

 

         В сетях связи на базе негеостационарных спутников применяются круговые орбитальные группировки (ОГ) на низких и средних орбитах. По сравнению с геостационарными они имеют следующие преимущества:

-        Относительно небольшая дальность связи позволяет существенно снизить требования к энергетическим характеристикам аппаратуры пользователей и ретрансляторов.

-        Относительно небольшая дальность связи обеспечивает небольшие задержки распространения, что позволяет организовать интерактивный режим информационного обмена пользователей в масштабе времени, близком к реальному (при использовании геостационарных спутников задержка распространения составляет 250-270 нм).

-        Рассредоточенность негеостационарных спутников над поверхностью Земли позволяет обеспечить работу пользователей при больших углах возвышения ретрансляторов практически в любой точке земной поверхности. Область обслуживания ГСР при минимально допустимом угле возвышения 10о простирается по широте до ±70о, а при увеличении максимально допустимого угла возвышения до 30о сокращается до ±50о.

 

         Оценим влияние высоты орбиты спутника — ретранслятора на требования к энергетическим характеристикам абонентских терминалов и ретрансляторов. Рассмотрим Рисунок 1.

Рисунок 1. Геометрические соотношения при оценке энергетических затрат

 

         Α - угловой размер зоны обслуживания, угол обзора из центра Земли;

         r -  наклонная дальность;

         h - высота орбиты;

         β - угол обзора зоны обслуживания со спутника.

.

 Максимальная дальность связи

.

Рассмотрим две орбиты с высотами h1 и h2 (h1>h2) с соответствующими параметрами r1, β1 и r2, β2. Относительный энергетический проигрыш более высокой орбиты за счёт увеличения дальности связи составит (r2/r1)2. С другой стороны, при увеличении высоты орбиты уменьшается угол обзора зоны обслуживания со спутника (β), что приводит к необходимости использования антенн с лучшими характеристиками направленности. Так как эффективная площадь приёмных антенн и коэффициент усиления передающих обратно пропорциональны квадрату ширины направленности, то величина относительного выигрыша равна (β1/β2)2, а результирующий проигрыш составит: .

Примечание: расчеты проводить для 2х значений углового размера зоны обслуживания при α = 20о , 4 о, h1 – минимальная высота орбиты, h2 – максимальная высота орбиты.

Пример расчета α = 25о; h1 = 700 км; h2 =1200 км.

 

Задача 24.  Рассчитать угол обзора зоны обслуживания со спутника.

Задача 25.  Определить максимальную дальность связи и результирующий энергетический проигрыш и выигрыш.

Задача 26.  Определить период обращения спутника по круговой орбите. Задача 27. Определить скорость скольжения зоны обслуживания и длительность сеанса связи.

Задача 28. Определить максимальное время пребывания абонента в зоне обслуживания (длительность сеанса связи).

Задача 29. Определить вероятность установления непрерывного соединения.

 

Т а б л и ц а 3 - Исходные данные для расчета

Тип орбиты

Низкая

Средняя

Вариант

1,3,6

2,4,8

5,7,9

6,8,1

9,0,2

Высота орбиты макс, км

Высота орбиты мин, км

 

1100

650

 

1500

750

 

5000

1500

 

10000

5000

 

15000

7500

 

Примеры расчёта

 

Задача 24

24.1 Угол обзора зоны обслуживания со спутника для h1 =700 км

.

 24.2 Угол обзора зоны обслуживания со спутника для h2 =1200 км

 

.

 

Задача 25

25.1  Максимальная дальность связи

              .

Дальность связи при угле обзора =

          км.

Дальность связи при угле обзора =

 

            км.

25.2 Результирующий проигрыш

           .

25.3 Относительный выигрыш

            ,

т.е. увеличение высоты орбиты не только не сопровождается энергетическим проигрышем, но и обеспечивает незначительный выигрыш, величина которого растет по мере увеличения высоты орбиты и размеров зон обслуживания.

Задача 26

26.1 Период обращения спутника по круговой орбите

         ,

         мин для h=700км,

          мин для h=1200км.

 

Задача 27

 

27.1 Скорость перемещения подспутниковой точки по земной поверхности (скорость скольжения зоны обслуживания)

            км,

            км.

Задача 28

28.1 Максимальное время пребывания абонента в зоне обслуживания (длительность сеанса связи)

             (мин),

              мин   для h=700км,

              мин   для h=1200км.

Задача 29

29.1 Вероятность установления непрерывного соединения определяется (Л6, Рисунок 1.2.3.3 стр. 255) для h=700, 1200 км и для угла возвышения (угол места) γ=10 о

     

Рисунок 1.2.3.3 - Зависимость вероятности непрерывного соединения от высоты орбиты

 

Рс = 0,73 (h=700км); Рс = 0,8 (h=1200км).

В проектах сетей, использующих средние орбиты, предпочтение отдаётся синхронным 6-часовым орбитам (высота ≈ 10350 км), что даёт определённые преимущества, т.к. через каждые четыре витка спутник проходит над поверхностью Земли повторяющуюся траекторию. При этом максимальная длительность сеанса связи составляет около 116 мин при γ=10 о и 95 мин при γ=20 о, а вероятности установления непрерывного соединения (при tс = 1,5 мин) равны соответственно 0,98 и 0,97, что в значительной мере упрощает проблему реконфигурации каналов и снижает затраты сетевых ресурсов на её решение по сравнению с низкими орбитами. Поэтому с этой точки зрения средне-орбитальные группировки обладают преимуществом.

 

Раздел 4. Прогнозирование показателей качества ЦРРЛ

 

Задача 30. Определить геоклиматический коэффициент.

Задача 31. Рассчитать угол возвышения наклона трассы.

Задача 32. Определить потери сигнала в свободном пространстве.

Задача 33. Определить потери сигнала в атмосфере.

Задача 34. Определить энергетический запас на замирания ЦРРЛ.

Задача 35. Рассчитать вероятность сбоев из-за неселективной составляющей замираний.

Задача 36. Рассчитать вероятность сбоев из-за селективной составляющей замираний.

Задача 37. Рассчитать показатель качества по ошибкам.

 

Т а б л и ц а  4 -  Исходные данные для расчёта

Номер варианта

1

2

3

4

Рабочая частота, ГГц

8,4

12

18

27

Высота подвеса передающей антенны, м

70

90

50

40

Высота подвеса приёмной антенны, м

45

70

70

60

Длина пролёта, км

30

25

15

12

Мощность передатчика, дБ

20

25

22

19

Потери в АФТ на передаче и приёме, дБ

5

5,5

4,8

5,2

Мощность сигнала на входе РПУ, дБ

-90

-95

-100

-98

Коэффициент усиления антенны на передаче и приёме, дБ

45

39

46

50

 

 

Примеры расчёта

 

Задача 30

 

          30.1  Определение геоклиматического коэффициента.

Для прогнозирования неселективных сбоев вследствие многолучевого характера распространения радиоволн в соответствии с методиками Рекомендации МСЭ-Р.530 необходимо знать значение геоклиматического коэффициента К. Геоклиматический коэффициент оценивается для среднего наихудшего месяца по данным о замираниях радиоволн для конкретной географической области.

Если данные отсутствуют, то

К=10-4,2-0,00029·d·N,

где:   d – длина пролёта, км;

N – единиц/км.

Например, d=30 км; N=10, К=10-4,2-0,00029·d·N =10-4,2-0,00029·30·10 =10-4,2-0,87 =10-5,07.

Задача 31

31.1 Рассчитываем угол возвышения /наклона трассы РРЛ θ (рад)/ – угол между горизонталью и направлением максимума диаграммы направленности антенны.

,

где:   h2,h1 – высоты подвеса передающей и приёмных антенн;

d – км.

Принимаем h2 = 70 м, h1 = 50 м

(0,588 рад).

Задача 32

 

 Потери сигнала в свободном пространстве

Lf = -147,6 + 20lgf + 20lgd (дБ),

Где:   f – рабочая частота, Гц;

d – длина пролёта, м.

Lf = -147,6 + 20lg7,5·109 + 20lg30·103 , здесь f=7,5 ГГц,

Lf = -147,6 + 197,5 +89,54 = 139,44 дБ.

Задача 33

33.1 Потери сигнала в атмосфере (потери обусловлены поглощением в атмосферном кислороде и водяных парах)

Аа = γа· d (дБ),

где:   γа – погонное ослабление в атмосферных газах (дБ/км);

d – длина пролёта, км (см. Таблицу 4).

 

Т а б л и ц а 5 - Значение погонного ослабления 

f, ГГц

2

3

4

5

6

7

8

9

10

15

20

22

25

30

35

γа , дБ/км

0,007

0,0075

0,008

0,009

0,011

0,011

0,012

0,013

0,016

0,03

0,1

0,2

0,12

0,1

0,13

 

Аа = 0,011·30 = 0,33 дБ.

33.2 Дифракционные потери на открытых трассах отсутствуют

Аd = 0.

Задача 34

 

34.1 Определяем энергетический запас на замирания ЦРРЛ

          Am = Ptx + Gtx + Grx – Lftx – Lfrx – Lf – Aa – Ad – Prxo,

Где:   Aa – потери сигнала в атмосфере, дБ;

Ad – дифракционные потери;

Prxo – мощность сигнала на входе приёмника, соответствующая заданному значению коэффициента ошибочных бит BERo (дБВт);

Ptx – мощность сигнала на выходе передатчика (дБВт);

Lftx , Lfrx – потери в фидере передающей и приёмной антенн;

Gtx, Grx – коэффициенты усиления антенн, дБ.

Пусть Ptx = 20 дБВт, Prx = - 90 дБВт, Lftx + Lfrx = 5 дБ, Lf = 139,44 дБ,

Gtx + Grx = 80 дБ.

Am = 20 + 80 – 5 – 139,44 – 0,33 – 0 + 90 = 45,23 дБ.

Задача 35.  Расчёт вероятности сбоев из-за неселективной составляющей замираний Рш (%)

 

35.1 Вычисляем процент времени Ро (%) среднего наихудшего месяца, в течение которого превышается глубина неселективных замираний 0 дБ.

,

где:   θ (рад) – угол возвышения;

k – геоклиматический коэффициент;

d (м) – длина пролёте РРЛ;

f (Гц) – рабочая частота РРЛ;

ht (м) – высота подвеса более низкой антенны.

%.

35.2 Вычисляем глубину замираний, соответствующей границе между распределениями для глубокого и неглубокого замирания

          Аt = 25 + 1,2lg(Po) [дБ]

          Аt = 25 + 1,2 lg 1,7·10-4 = 25 + 1,2 (-4+0,23) = 20,476 дБ.

Если Am  ≥ Аt , то процент времени сбоев из-за неселективной составляющей замираний составит

; %.

Задача 36. Расчёт вероятности сбоев из-за селективной составляющей замираний РS

 

         Одна из основных причин искажений сигнала на линиях прямой видимости в диапазоне УВЧ и СВЧ – это зависимость амплитуды сигнала и групповой задержки многолучевого распространения в условиях ясного неба от частоты. В аналоговых системах можно увеличить запас на замирание, что улучшит характеристики системы, но в цифровых системах увеличение запаса на замирание не поможет, т.к. замирание является частотно избирательным

36.1 Определяем среднюю временную задержку

                   (нс), где d (м) – длина пролёте РРЛ.

                   .

36.2 Параметр многолучевой активности η

.

Здесь ,

        %,

.

36.3 Рассчитываем вероятность селективных сбоев

,

где:   WM  и WNM [ГГц] – ширина сигнатуры РРЛ, определенная при замирании соответственно с минимальной и неминимальной фазой;

BM и BNM (дБ) – глубина сигнатуры РРЛ, определенная с минимальной и неминимальной фазой.

         Принимаем ВМ =14дБ; BNM =10дБ.

τ r,M и τ r,NM (нс) – эталонное значение задержки, используемое при нахождении сигнатуры РРЛ при замирании соответственно с минимальной и неминимальной фазой

         Принимаем τ r,M =4,6нс; τ r,NM =6,3нс.

%.

         Цифровая система радиосвязи проектируется так как, если бы в решающее устройство приёмника поступали импульсы идеальной формы, без межсимвольных помех. При этом замирание отсутствует. При многолучевом распространении возникает замирание, которое описывает передаточная функция

F(ω) = – be – j(ω- ωo )τ ,

при этом b=0,9 что даёт глубину провала B = -20lgλ = 20 дБ,

         где: λ= 1-b=0,1.

         Замирания искажают цифровой модулированный сигнал, передаваемый по пролёту, и вызывает значительные межсимвольные помехи.

         Зависимость критических глубин провалов Вс от частоты называется сигнатурой оборудования. Сигнатура современных цифровых систем радиосвязи почти прямоугольная, их ширина W приблизительно равна скорости передачи символов. Высота сигнатуры зависит от формата модуляции, скорости передачи символов и наличие корректоров.

Задача 37

 

 37.1 Расчёт показателя качества по ошибкам Pt (вероятность сбоев в условиях ясного неба)

Pt = PШ + PS = 0,5·10-8 + 4,26·10-8 = 4,76·10-8 %.

 

Раздел 5. Исследование зависимости устойчивости  связи на пролете РРЛ от условий распространения радиоволн

 

Задача 38. Определить коэффициентов усиления антенн.

Задача 39. Определить ослабление сигнала в свободном пространстве для разных диапазонов частот.

Задача 40. Определить погонные потери радиосигнала в атомах кислорода lo и в водяных парах lн для разных частот по графику (приложение 2) и рассчитайте полные потери  в газах атмосферы.

Задача 41. Определить уровень сигналов  на входе приемника при отсутствии замираний и запас на замирания.

Задача 42. Определить минимальный радиус зоны Френеля и среднее значение изменения просвета за счет рефракции.

Задача 43. Определить  среднее значение изменения просвета за счет рефракции, существующее в течение 80% времени.

Задача 44. Определить просвет в отсутствии рефракции радиоволн (при g=0) .

Задача 45. Определить относительный просвет и относительную длину препятствия.   

 

Т а б л и ц а 6 – Исходные данные

Последние две цифры номера зач. книжки

V, Мбит/с

R0, км

k

r, км

у

Аппаратура

Рабочие частоты, ГГц

01, 21, 41, 61, 81

4

24

0,3

2

0,8

PASOLINK

13, 22, 38

02, 22, 42, 62, 82

8

18

0,5

9

0,74

PASOLINK

15, 23, 37

03, 23, 43, 63, 83

4

25

0,7

4

0,81

PASOLINK

14,5, 25, 39

04, 24, 44, 64, 84

2

40

0,3

10

0,95

MINI-LINK

14,5, 23, 37

05, 25, 45, 65, 85

4

30

0,65

3

0,87

MINI-LINK

15, 22, 38

06, 26, 46, 66, 86

8

15

0,8

5

0,7

MINI-LINK

18, 23, 39

07, 27, 47, 67, 87

2

22

0,15

2

0,76

МИК-РЛ

15, 19, 23

08, 28, 48, 68, 88

8

15

0,35

3

0.7

МИК-РЛ

14,5, 19,5, 23,5

09, 29, 49, 69, 89

34

12

0,75

1

0,65

МИК-РЛ

15,3, 19, 23

 

Окончание таблицы 6.

10, 30, 50, 70, 90

8

20

0,48

4

0,75

PASOLINK

18, 25, 39

11, 31, 51, 71, 91

4

24

0,4

2

0,8

PASOLINK

13, 22, 38

12, 32, 52, 72, 92

8

18

0,55

9

0,74

PASOLINK

15, 23, 37

13, 33, 53, 73, 93

4

25

0,6

4

0,81

PASOLINK

14,5, 25, 39

14, 34, 54, 74, 94

2

40

0,2

10

0,95

MINI-LINK

14,5, 23, 37

15, 35, 55, 75, 95

4

30

0,25

3

0,87

MINI-LINK

15, 22, 38

16, 36, 56, 76, 96

8

15

0,45

5

0,7

MINI-LINK

18, 23, 39

17, 37, 57, 77, 97

2

22

0,7

2

0,76

МИК-РЛ

15, 19, 23

18, 38, 58, 78, 98

8

15

0,82

3

0.7

МИК-РЛ

14,5, 19,5, 23,5

19, 39, 59, 79, 99

34

12

0,38

1

0,65

МИК-РЛ

15,3, 19, 23

20, 40, 60, 80, 00

8

20

0,58

4

0,75

PASOLINK

18, 25, 39


Т а б л и ц а 7 – Место расположения РРЛ

Вариант

Район

1, 4, 7

Районы прикаспийской низменности

2, 5, 8, 0

Пустынные районы Южного Казахстана

3, 6, 9

Степная полоса Казахстана

Примеры расчёта

Исходные данные: V = 16 Мбит/с;  R0 = 20 км; r  =18,75 км; k = 0,4;  у = 0,92.

 

Задача 38

 

38.1 Коэффициенты усиления антенн (типовые значения диаметров: 0,3, 0,5, 0,9 и 1,2 м)

G = 20 lg(D) + 20 lg(f) +17,5, дБ,

         где: D - диаметр антенны выбираем, D =1,2м.

         Выбираем оборудование ЦРРЛ Радиан-15.

         Диапазон частот (14,5–15,3)ГГц,

G = 20 lg1,2 + 20 lg14,5 +17,5= 1,58 + 23,22 + 17,5 = 42,3 дБ.

Так как G= 42,3 < 45, то диаметр антенны выбран правильно, так как обычно не применяются антенны, у которых коэффициент усиления больше 45 дБ.

Задача 39

 

39.1  Ослабление сигнала в свободном пространстве для разных диапазонов частот

L0 = 20 lg (4,189 104 R0 f), дБ,

         где:   R0 - протяженность интервала РРЛ, км,

L0 = 20 lg (4,189 104 f20∙14,5)=141,69 дБ.

 

Задача 40 

40.1  Погонные потери радиосигнала в атомах кислорода lo и в водяных парах lн для разных частот по графику (приложение 2) и полные потери  в газах атмосферы:

Lг = (go + gн) R0, дБ,

где  погонные потери радиосигнала в атомах кислорода

lo = go∙R0;  в водяных парах lн = gн∙R0  (go и gн определяются по приложению 2 в зависимости от рабочей частоты) и  полные потери  в газах атмосферы                Lг = lн + lo, или:

Lг = (0,006 +0,006) ∙ 20 = 0,24 дБ

  

 

                                                                          

Задача 41       

41.1 Уровень сигнала на входе приемника при отсутствии замираний

Рпр = Рпд + G1 + G2 - L0 - Lф1 - Lф2 - Lг - Lрф -Lдоп,

где:   Рпд  - уровень мощности передатчика, дБм;

Lф1, Lф2- ослабление сигнала в фидерных линиях, дБ. (так как в современной аппаратуре фидерные линии практически отсутствуют (приемопередатчики и антенны объединены в один блок), потери в Lф1 и Lф2 можно принять равными по 0,5 дБ);

Lрф - ослабление сигнала в разделительных фильтрах (принять 0 дБ);
Lдоп - дополнительные потери, складывающие из потерь в антенных обтекателях Lао и потерь от перепада высот приемной и передающей антенн Lпв. (Lдоп = 1 дБ);

G1 и G2, дБ – коэффициенты усиления приемной и передающей антенн;

Рпд = 20 дБ;

Lг =0,24 дБ.     

Рпр = 20 +2∙42,3 – 141,69 – 0,24 – 1 = - 38,33 дБ.

41.2 Запас на замирания

М = Pпр - Рпр пор(10-3),

где пороговый уровень сигнала на входе приемника Рпор(10-3)  = - 83 дБм

при коэффициенте ошибок koш = 10-3 (определяется из параметров аппаратуры).

М = Pпр - Рпр пор(10-3) = - 38,3 + 83 = 49,67 дБ.

 

Задача 42   

        

 42.1 Радиолуч перемещается внутри зоны Френеля, которая представляет собой эллипсоид вращения в точке приема и передачи. Минимальный радиус зоны Френеля определяется по формуле

,

где  – длина волны, м;

            – относительное расстояние до препятствия;

 -  (координата критической точки профиля),

где:   R=35 км-длина пролета;

R1=15 км-расстояние до препятствия.

Для Акмолинской области  и ,

   -  (координата критической точки профиля),

42.2 Стандартное отклонение диэлектрической проницаемости для пролета, длина которого меньше 50 км

            

              ,

где:   и  – соответственно среднее значение и стандартное отклонение вертикального градиента проницаемости (см. Таблицу Б.1 Приложения Б).   Для Акмолинской области (Приложение Б1)  и .

 

Задача 43

   

43.1 Среднее значение изменения просвета за счет рефракции, существующее в течение 80% времени

,

,

Отсюда минимальный просвет зоны Френеля

 r =18,75 км- минимальный радиус зоны Френеля.

 

Задача 44  

 

44.1 Просвет в отсутствии рефракции радиоволн (при g=0)

,

44.2  Среднее значение просвета на пролете

,

 

 

Задача 45

   

45.1 Относительный просвет

45.2  Относительная длина препятствия

  


Список литературы

 

1. Гаврилова И.И., Лобач В.С. «Радиорелейные линии и спутниковые системы передачи» - СПб, 2003.

2. Гомзин В.Н., Лобач В.С., Морозов В.А. Расчет параметров цифровых РРЛ, работающих в диапазонах частот выше 10 ГГц - СПб, 2005.

3.Клочковская Л.П. Спутниковые системы телерадиовещания. Методические указания к выполнению курсового проекта, АИЭС, 2007.

4. Клочковская Л.П. Организация и технологии оказания спутниковых и радиорелейных услуг в телекоммуникационных компаниях. Методические указания к выполнению расчетно-графических работ, Алматинский институт энергетики и связи, 2009.

5.Клочковская Л.П., Закижан З.З. Организация и технологии оказания спутниковых и радиорелейных услуг в телекоммуникационных компаниях. Методические указания к выполнению практических работ, Алматинский институт энергетики и связи, 2010.

6. Камнев В.Е., Черкассов В.В., Чечин Г.В. Спутниковые сети связи, М.: Альпина Паблишер, 2004.

7. Левченко В.Н. Спутниковое телевидение. - СПб: BHV, 2004.

8. Лобач В.С Короткий Г.Г Космические и наземные системы радиосвязи и телерадиовещания - СПб, 2004.

9. Лобач В.С. Спутниковые и радиорелейные системы передачи,  СПб, 2003.

10. Справочник по цифровым радиорелейным системам – Женева, 1996.

11. Системы и сети цифровой радиосвязи Листопад Н.И. и др. - Минск      «Издательство Гревцова», 2009.

12. Справочник по спутниковой и  радиорелейной связи / Под ред. С.В. Бородича. - М.: Радио и связь, 2001.

 

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Т а б л и ц а А.1 -  Некоторые типы аппаратуры цифровых РРЛ

Аппаратура

Фирма

f,
ГГц

Pпд,
дБм

Модуляция

Скорость, 
Мбит/с

Рпор (10-3),
дБм

МИК-РЛ15

Микран, Россия

14,4- 15,35

19,5

QPSK

2
8
34

- 90
- 86
- 81

МИК-РЛ18

Микран, Россия

17.7-19.7

25,5

QPSK

2
8
34

- 90
- 86
- 81

МИК-РЛ23Р

Микран, Россия

21,2-23,6

20, 23

QPSK

2
8
34

- 90
- 86
- 81

PASOLINK 13

NEC

Япония

12.7-13.3

23
23
20

20

QPSK
QPSK
16 QAM

16 QAM

4
8
8 x 2

16 x 2

-92.5
-89.5
- 83.5

- 80.5

MINI-LINK
15-C

Ericsson
Швеция

14.5-15.3

18 (25)

4FSK

2
8
16
34

-93
-87
-84
- 81

MINI-LINK
18-Е (Микро)

MINI-LINK
18-Е

Ericsson
Швеция

17.7-19.7

18 (23)

C-QPSK

2
4
8
16
34

-94
-91
-88
-85
- 82

PASOLINK
18

NEC
Япония

17.7-19.7

23
23
20
20

QPSK
QPSK
16 QAM
16 QAM

4
8
8 x 2
16 x 2

-93
-90
-84
- 81

 

Окончание таблицы А.1.

PASOLINK +
(18)

NEC

Япония

17.7-19.7

18
15
17
20
20

32 MLCM
128 QAM (RS)
32 QAM (RS)
16 QAM (RS)

16 QAM (RS)

STM-1
STM-1
STM-0
8 x 2
16 x 2

-80
-71.5
-80
-87
- 84

MINI-LINK
23-C

Ericsson
Швеция

21.2-23.6

20

4FSK

2
4
8
16

-92
 -86
 -83
 - 80

PASOLINK
23

NEC
Япония

21.2-23.6

23
23
20
20

QPSK
QPSK
16 QAM
16 QAM

4
8
8 x 2
16 x 2

-90.5
-87.5
-83
- 80

PASOLINK +
(23)

NEC

Япония

21.2-23.6

18
15
17
20
20

32 MLCM
128 QAM (RS)
32 QAM (RS)
16 QAM (RS)
16 QAM (RS)

STM-1
STM-1
STM-0
8 x 2
16 x 2

-80
-71.5
-80
-87
- 84

PASOLINK
26

NEC
Япония

24.3-26.5

20
20
19
19

QPSK
QPSK
16 QAM
16 QAM

4
8
8 x 2
16 x 2

- 90
- 87
-82
-79

MINI-LINK 38-Е (Микро)

MINI-LINK 38-Е

 

Ericsson
Швеция

37-39.5

15

C-QPSK

2
4
8
16
34

-88
-85
-82
-79
- 76

PASOLINK
38

NEC

Япония

37-39.5

16
16
15.5

15.5

QPSK
QPSK
16 QAM

16 QAM

4
8
8 x 2

16 x 2

-89
-86
-81

-78

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

Т а б л и ц а Б.1 – Среднее значение и стандартное отклонение вертикального градиента проницаемости

Район

Районы прикаспийской низменности

– 13

10

Пустынные районы Южного Казахстана

– 6

10

Степная полоса Казахстана

–7

9

 

Содержание 

Введение                                                                                                  3

Энергетический бюджет спутниковых линий связи                              3

Раздел 1. Энергетический бюджет каналов связи ЗС-ГСР (земная       3

станция-геостационарный спутниковый ретранслятор)

Раздел 2. Энергетический бюджет каналов связи ГСР-ЗС                    9

Раздел 3. Зависимость энергетических параметров

негеостационарных спутников от высоты орбиты                                13

Раздел 4. Прогнозирование показателей качества ЦРРЛ                       18

Раздел 5. Исследование зависимости устойчивости связи на пролете

РРЛ от условий распространения радиоволн                                        22

Список литературы                                                                                 29

Приложение А. Некоторые типы аппаратуры цифровых РРЛ                  30

Приложение Б. Среднее значение и стандартное отклонение

вертикального градиента проницаемости                                              32