Некоммерческое
акционерное общество
Алматинский
университет энергетики и связи
Кафедра
телекоммуникационных систем
ОРГАНИЗАЦИЯ
И ТЕХНОЛОГИИ ОКАЗАНИЯ СПУТНИКОВЫХ
И РАДИОРЕЛЕЙНЫХ УСЛУГ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ
КОМПАНИЙ
Методические
указания к выполнению расчетно-графических работ
для магистрантов специальности
6М071900 –
Радиотехника, электроника и телекоммуникации
Алматы 2013
Составители: Клочковская Л.П., Самоделкина С.В. Организация и технологии оказания спутниковых и радиорелейных услуг телекоммуникационных компаний. Методические указания к выполнению расчетно-графических работ для магистрантов специальности 6М071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации. – Алматы: АУЭС, 2013г., - 31с
Представлены задачи, методические указания к их расчету и оформлению. Приведены примеры и необходимая справочная информация для решения задач. Ил. 8, табл 8, библиогр. – 14.
Рецензент: доцент Башкиров М.В.
Печатается по плану издания некоммерческого акционерного общества «Алматинский университет энергетики и связи» на 2013г.
© НАО «Алматинский университет энергетики и связи», 2013 г.
Введение
Основной целью расчетно-графических работ по дисциплине «Организация и технологии оказания спутниковых и радиорелейных услуг телекоммуникационных компаний» является изучение методов расчета параметров спутниковых и радиорелейных линий связи различных телекоммуникационных систем.
Расчетно-графические работы позволяют освоить специфику теории распространения радиоволн в спутниковых и радиорелейных линиях связи и особенности параметров аппаратуры космического и наземного сегментов.
Методические указания состоят из трех расчетно-графических работ.
В первой работе необходимо произвести расчет вероятности нарушения связи из-за многолучевого распространения радиоволн на пролете РРЛ.
Во второй работе нужно рассчитать энергетические характеристики цифрового канала связи с M-QAM модуляцией, произвести расчет вероятности ошибки от отношения несущая/шум (C/N) или ее цифрового нормированного значения E b /N o .
В третьей работе требуется рассчитать энергетический выигрыш в низкоорбитальных спутниковых системах в зависимости от высоты орбиты.
1 Расчет вероятности нарушения связи из-за многолучевого распространения радиоволн на пролете РРЛ
Цель: научить магистрантов методам расчета плоских и селективных замираний на пролетах РРЛ и делать соответствующие выводы об устойчивости связи.
1.1 Постановка задачи
Диэлектрическая проницаемость пространства, разделяющего передатчик и приёмник, влияет на прохождение сигнала в тропосфере. При определенном состоянии пространства радиолучи преломляются и поступают в приемную антенну, где суммируются с прямым лучом. В зависимости от амплитудно-фазовых соотношений между этими сигналами определяется результирующий сигнал на входе приёмника. Характер изменения амплитуды и фазы суммируемых сигналов определяет два вида замираний сигнала.
Если все компоненты полезного сигнала уменьшаются в равной степени, то такие замирания называются «плоские» [1].
А когда подавляются отдельные компоненты спектра, вызывая его искажения, то замирания – «селективные». Причины появления этих замираний разные.
Необходимо произвести расчет плоских и селективных замираний на пролете радиорелейной линии.
Сделать вывод об устойчивости связи.
1.2 Варианты заданий
Таблица1. 1 – Исходные данные (последняя цифра зачетной книжки)
|
Варианты |
|||||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
0 |
|
Длина пролета РРЛ, км |
25 |
32 |
22 |
42 |
24 |
31 |
30 |
36 |
45 |
47 |
Таблица 1.2 – Данные для построения профиля
Вариант 1 |
|
|||||
Отметка Земли, м |
680 |
670 |
710 |
730 |
710 |
f, ГГц |
Расстояние, км |
0 |
0,3·R0 |
0,6·R0 |
0,8·R0 |
R0 |
15 |
Вариант 2 |
|
|||||
Отметка Земли, м |
590 |
600 |
620 |
640 |
650 |
f, ГГц |
Расстояние, км |
0 |
0,3·R0 |
0,6·R0 |
0,8·R0 |
R0 |
12 |
Вариант 3 |
|
|||||
Отметка Земли, м |
420 |
490 |
480 |
480 |
470 |
f, ГГц |
Расстояние, км |
0 |
0,2·R0 |
0,4·R0 |
0,6·R0 |
R0 |
25 |
Вариант 4 |
|
|||||
Отметка Земли, м |
480 |
460 |
480 |
420 |
490 |
f, ГГц |
Расстояние, км |
0 |
0,2·R0 |
0,4·R0 |
0,6·R0 |
R0 |
6 |
Вариант 5 |
|
|||||
Отметка Земли, м |
400 |
490 |
480 |
540 |
520 |
f, ГГц |
Расстояние, км |
0 |
0,2·R0 |
0,4·R0 |
0,7·R0 |
R0 |
20 |
Вариант 6 |
|
|||||
Отметка Земли, м |
600 |
650 |
710 |
730 |
750 |
f, ГГц |
Расстояние, км |
0 |
0,3·R0 |
0,6·R0 |
0,8·R0 |
R0 |
15 |
Вариант 7 |
|
|||||
Отметка Земли, м |
350 |
430 |
410 |
420 |
380 |
f, ГГц |
Расстояние, км |
0 |
0,2·R0 |
0,5·R0 |
0,7·R0 |
R0 |
12 |
Вариант 8 |
|
|||||
Отметка Земли, м |
580 |
600 |
650 |
670 |
640 |
f, ГГц |
Расстояние, км |
0 |
0,3·R0 |
0,6·R0 |
0,8·R0 |
R0 |
10 |
Вариант 9 |
|
|||||
Отметка Земли, м |
480 |
450 |
480 |
540 |
520 |
f, ГГц |
Расстояние, км |
0 |
0,2·R0 |
0,4·R0 |
0,7·R0 |
R0 |
8 |
Вариант 0 |
|
|||||
Отметка Земли, м |
300 |
330 |
350 |
280 |
290 |
f, ГГц |
Расстояние, км |
0 |
0,11·R0 |
0,44·R0 |
0,88·R0 |
R0 |
7 |
Примечание: вариант выбирается по сумме двух последних цифр зачетной книжки. Например, №04Б768, значит вариант = 6 + 8 = 14, т.е. вариант 4.
Таблица 1.3 – Исходные данные
Параметры |
Варианты |
|||||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
0 |
|
Коэффициенты усиления передающей антенны, GПРД дБ |
45,5 |
46 |
47 |
45 |
46,5 |
47,5 |
44 |
44,5 |
46,5 |
45 |
Коэффициент усиления приемной антенны, GПРМ, дБ |
42 |
43 |
41 |
39 |
44 |
41 |
40 |
39 |
42 |
41 |
Коэффициент системы, Sc, дБ |
115 |
110 |
120 |
117 |
116 |
118 |
121 |
114 |
119 |
113 |
Коэффициент полезного действия антенно-фидерного тракта, дБ |
4 |
5 |
5,5 |
3,5 |
4 |
5 |
5,5 |
3,5 |
4 |
5 |
Примечание: вариант выбирается по сумме двух последних цифр зачетной книжки. Например, №04Б768, значит вариант = 6 + 8 = 14, т.е. вариант 4.
1.3 Методические указания к выполнению расчетно-графической работы 1
1.3.1 Расчет плоских замираний.
Рассмотрим причины и расчет плоских замираний.
Причинами плоских замираний являются в основном ослабление сигнала на пролете РРЛ и равномерное уменьшение амплитуды спектральных составляющих сигнала в случае преломления в тропосфере.
Для определения плоских замираний необходимо произвести предварительный расчет пролета РРЛ [2, 3].
Радиус кривизны Земли на пролете:
,
где R0 – длина пролета, в км.
Минимальный радиус зоны Френеля определяется по формуле:
,
где – длина волны, м;
– относительное расстояние до препятствия.
Просвет в отсутствии рефракции радиоволн определяется по формуле:
,
где и – соответственно среднее значение и стандартное отклонение вертикального градиента проницаемости (см. таблицу 1.4).
Таблица 1.4 – 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 |
При длине пролета меньше 50 км стандартное отклонение должно определяться по формуле:
,
где – значение стандартного отклонения, м-1;
y – находится по рисунку 1.1.
Рисунок 1.1 – К определению параметра «y»
Высоты подвеса антенн можно определить по формулам:
h1=xmax+H(0)+MN–CD, h2=xmax+H(0)+MN–YZ,
где MN – максимальная высотная отметка в критической точке профиля;
CD, YZ – высотная отметка в начале и конце профиля соответственно.
Расчет запаса на замирание производится по формуле:
,
где – коэффициент системы, дБ;
– коэффициенты усиления передающей и приемной антенн, дБ;
– коэффициент полезного действия антенно-фидерного тракта;
– затухание радиоволн в свободном пространстве, дБ:
,
где f – частота передачи, МГц;
d=R0 – расстояние между передающей и приемной антеннами (длина пролета), км.
Рассчитаем время ухудшения связи, вызванного субрефракцией радиоволн.
Стандартная атмосфера имеет наибольшую плотность у поверхности Земли, поэтому радиолучи изгибаются к низу. В результате просвет на пролете, определяемый по минимальному радиусу зоны Френеля, не имеет постоянной величины, т.к. плотность атмосферы изменяется и зависит от времени суток и состояния атмосферы [2, 3].
Среднее значение просвета на пролете:
.
Относительный просвет:
На чертеже профиля пролета проводим прямую параллельно радиолучу на расстоянии от вершины препятствия и находим ширину препятствия r.
Относительная длина препятствия:
.
Параметр , характеризующий аппроксимирующую среду:
,
где (при остром препятствии) или (при спокойном профиле).
Значение относительного просвета р(g0), при котором наступает глубокое замирание сигнала, вызванное экранировкой препятствием минимальной зоны Френеля:
,
где V0 – множитель ослабления при H(0)=0, определяемый из рисунка 1.2 по значению .
минимальный допустимый множитель ослабления определяется по формуле:
.
Параметр определяется по формуле:
,
.
Рисунок 1.2 – Зависимость множителя ослабления от аппроксимирующего параметра μ
Процент времени ухудшения связи, вызванного субрефракцией радиоволн, определяется по рисунку 1.3.
Рисунок 1.3 – К расчету времени ухудшения связи, вызванного субрефракцией радиоволн
Вероятность нарушения связи из-за плоских замираний определяется по формуле:
%,
где – запас на замирание, дБм;
– вероятность появления замирания, %, которая находится по следующей формуле:
%,
где – наклон пролёта (миллирадиан):
мрад,
где – абсолютные высоты подвеса антенн, м;
R0 – в км;
– геоклиматический коэффициент, учитывающий влияние климата и рельефа местности рассчитывается по формуле:
.
Для Казахстана РL=5, для слабопересеченной местности M=1.
1.3.2 Расчет селективных замираний.
Характеристики радиорелейных линий прямой видимости могут быть серьёзно ухудшены селективными замираниями из-за амплитудных и фазовых искажений в полосе сигнала. Эти многолучевые (или селективные) замирания могут появиться в результате отражений от поверхности или аномалий в атмосфере, например, большого градиента в атмосферном волноводе [1].
При неизменной во времени горизонтально расслоенной атмосфере вертикальный градиент преломления в атмосфере вызывает появление нескольких лучей распространения между передатчиком и приёмником на линии прямой видимости.
Если через τ обозначить относительное время задержки между двумя путями распространения радиоволн, то относительная фаза между двумя сигналами будет равна 2πfτ, являясь функцией частоты f. Таким образом, амплитуда и фаза принятого сигнала изменяется с частотой. Такое изменение сигнала на радиолинии в зависимости от частоты называется селективным замиранием.
Влияние селективного замирания на цифровую радиорелейную линию можно кратко описать следующим образом:
- уменьшается отношение сигнал/шум и, следовательно, увеличивается вероятность ошибки (BER);
- искажается форма импульса, увеличивая межсимвольную интерференцию и вероятность ошибки;
- увеличиваются взаимные помехи между ортогональными несущими, потоками I и Q, следовательно, увеличивается BER.
Вероятность появления селективного замирания равна:
%,
где – коэффициент сигнатуры оборудования;
– типовое значение задержки отражённого сигнала на пролёте, нс, определяется по следующей формуле:
;
– время задержки отражённого сигнала во время измерения кривых сигнатуры; 6,3 нс;
– коэффициент активности замирания, находится по следующей формуле:
.
Общая вероятность нарушения радиосвязи, вызванная многолучевым замиранием, равна сумме вероятностей нарушений, вызванных плоским и селективным замиранием:
%.
Связь на пролете будет устойчивой, если:
РПЛОС<, а РСЕЛ <.
1.4 Пример расчета
Данные для построения профиля:
R0=27 км.
|
Аппаратура Pasolink NEO |
|||||
Отметка Земли, м |
200 |
230 |
250 |
250 |
240 |
f, ГГц |
Расстояние, км |
0 |
0,11·R0 |
0,44·R0 |
0,88·R0 |
R0 |
7,5 |
Строим профиль согласно таблице 1.4.
Таблица 1.4 – Данные для построения профиля
Расстояние, км |
0 |
3 |
12 |
24 |
27 |
Отметка Земли, м |
200 |
230 |
250 |
250 |
240 |
Рисунок 1.4 – Профиль пролета РРЛ
Радиус кривизны Земли (R0 = 27 км):
.
Координата критической точки:
.
Минимальный радиус зоны Френеля
,
где – длина волны передачи;
f – частота излучения.
.
Для Казахстана σ = 9·10–8 м–1 и g = –7·10–8 м–1.
Просвет в отсутствии рефракции:
Высоты подвеса антенн:
Проводим луч, соединяя точки подвеса антенн.
Расчет запаса на замирание:
дБ, (1.8.)
где - коэффициент системы, дБ;
- коэффициенты усиления передающей и приемной антенн;
дБ - коэффициент полезного действия антенно-фидерного тракта;
- затухание радиоволн в свободном пространстве.
(1.9)
где d=Ro – длина пролета, км.
Среднее значение просвета на пролете:
, (1.10)
Относительный просвет
(1.11)
.
Относительная длина препятствия
. (1.12)
Параметр μ, характеризующий аппроксимирующую среду
, (1.13)
где α = 0,5 или α = 1.
Принимаем α = 1.
Vo=-8,5 дБ (см. рисунок 1.2).
Значение относительного просвета P(go), при котором наступает глубокое замирание сигнала, вызванное экранировкой, препятствием минимальной зоны Френеля:
;
.
Параметр
. (1.14)
,
По графику (см. рисунок 1.3) определяем .
.
Т(VMIN)=T0.
Рассчитаем вероятность нарушения связи из-за плоских замираний определяется по формуле:
%.
где – запас на замирание, дБм;
Р0 – вероятность появления замирания, %, которая находится по следующей формуле:
%,
где Еh – наклон пролёта (миллирадиан):
мрад,
,
где – абсолютные высоты подвеса антенн, м;
R0 – в км;
– геоклиматический коэффициент, учитывающий влияние климата и рельефа местности рассчитывается по формуле:
.
Для Казахстана РL=5, для слабопересеченной местности M=1,
,
,
.
Вероятность появления селективного замирания равна:
%,
где – коэффициент сигнатуры оборудования;
τm– типовое значение задержки отражённого сигнала на пролёте, нс, определяется по следующей формуле:
,
,
τ0 = 6,3 нс.
Коэффициент активности замирания, находится по следующей формуле:
,
,
.
Общая вероятность нарушения радиосвязи, вызванная многолучевым замиранием, равна сумме вероятностей нарушений, вызванных плоским и селективным замиранием:
%,
.
Проверка устойчивости связи на пролете:
РПЛОС<, а РСЕЛ <,
%; %.
По результатам расчета делаем вывод – связь устойчива
2 Расчет энергетических характеристик цифровых каналов связи спутниковых и радиорелейных систем передачи
Цель: научить магистрантов производить технический анализ энергетических параметров цифровых каналов связи в зависимости от типа модуляции и делать выводы о качестве сигнала.
2.1 Постановка задачи
В расчетно-графической работе необходимо рассчитать энергетические
характеристики цифрового канала связи с M-QAM модуляцией, произвести расчет вероятности ошибки от отношения несущая/шум (C/N) или ее цифрового нормированного значения E b /N o .
Расчетно-графическая работа состоит из трех задач. В первой необходимо определить отношение сигнал/шум на выходе приемника цифрового канала телевещания. Во второй задаче определить вероятность ошибки при приеме цифровых сигналов с различными видами модуляции. Третья задача посвящена определению уровня сигнала на выходе передатчика при известном формате модуляции в спутниковой или радиорелейной системе передачи.
Задача 2.1
Определить отношение сигнал/шум на выходе приемника с учетом коэффициента скругления спектра α при различных стандартах цифрового сигнала телевещания DVB-C и DVB-S.
Таблица 2.1 – Исходные данные
Параметры |
Варианты (Последняя цифра зачетной книжки) |
||||
1, 9 |
2, 8 |
3, 7 |
4, 6 |
5, 0 |
|
Стандарт DVB |
С |
S |
С |
S |
С |
Коэффициент скругления, α |
0,15 |
0,35 |
0,15 |
0,35 |
0,15 |
Модуляция |
64-QAM |
16-QAM |
256-QAM |
64-QAM |
16-QAM |
Скорость fs, МГц |
6,875 |
6,5 |
6 |
6,25 |
6,375 |
Мощность сигнала, С, дБмВт |
-28 |
-25 |
-36 |
-22 |
-30 |
Требуемое отношение сигнал/шум, C/N, дБ |
25 |
20 |
26 |
25 |
20 |
Задача 2.2
Рассчитать вероятность ошибки при приеме цифровых сигналов с учетом количества уровневых отсчетов и гауссова интеграла ошибок.
Таблица 2.2 – Исходные данные
Параметры |
Варианты (Последняя цифра зачетной книжки) |
||||
1, 9 |
2, 8 |
3, 7 |
4, 6 |
5, 0 |
|
Модуляция |
64-QAM |
16-QAM |
256-QAM |
64-QAM |
16-QAM |
Формат модуляции М |
64 |
16 |
256 |
64 |
16 |
Отношение сигнал/шум, C/N, дБ |
22 |
18 |
29 |
20 |
18 |
Скорость кодирования RC |
0,75 |
0,5 |
0,5 |
0,6 |
0,65 |
Аргумент гауссова интеграла, х |
5,5 |
5 |
5 |
3,5 |
4,5 |
Задача 2.3
Определить уровень сигнала на выходе передатчика при известном формате модуляции, коэффициенте скругления спектра α и при заданном минимальном значении BER
Таблица 2.3 – Исходные данные
Параметры |
Варианты (Последняя цифра зачетной книжки) |
||||
1, 9 |
2, 8 |
3, 7 |
4, 6 |
5, 0 |
|
Формат модуляции М |
64 |
16 |
256 |
64 |
16 |
Коэффициент скругления, α |
0,15 |
0,35 |
0,15 |
0,35 |
0,15 |
Символьная скорость fs, МГц |
6,956 |
6,5 |
6,956 |
6,5 |
6,956 |
Минимальное значение BER, BER ∙10-8 |
2,5 |
3 |
5 |
10 |
10 |
Шумовая температура источника , С ̊ |
5,5 |
5 |
5 |
3,5 |
4,5 |
2.2 Методические указания к выполнению расчетно-графической работы 2
Существуют две основные причины снижения достоверности передачи [5]: снижение отношения сигнал/шум (S/N — Signal to Noise, или SNR — Signal Noise Ratio), искажение сигнала, которое в цифровых системах связи является следствием межсимвольной интерференции. Определим, из чего складывается понятие нормированная версия S/N, обозначаемая как Eb/N0 , где Eb — энергия бита, равная произведению мощности сигнала S на время передачи бита информации Tb; а N0 — это спектральная плотность мощности шума, и ее можно выразить как мощность шума N, деленную на ширину полосы W.
Из теории передачи аналоговых сигналов известно, что одним из критериев качества сигнала является S/N, определяемое как отношение средней
мощности сигнала (S) к средней мощности шума (N). В цифровых системах связи чаще используется нормированная версия S/N, обозначаемая как Eb/N0, где
Eb — энергия бита. Ее можно описать как мощность сигнала S, умноженную на
время передачи бита информации Tb. N0 — это спектральная плотность мощности шума, и ее можно выразить как мощность шума N, деленную на ширину полосы W. Поскольку время передачи бита и скорость передачи битов взаимно обратны, Tb можно заменить на 1/R: (где R — это битовая скорость).
(2.1)
Перепишем выражение (2.1) так, чтобы было явно видно: отношение Eb/N0 представляет собой отношение S/N, нормированное на ширину полосы и скорость передачи битов:
(2.2)
Одной из важнейших метрик качества в системах цифровой связи является график зависимости вероятности появления ошибочного бита РВ (BEP — Bit Error Probability) от Eb/N0. Безразмерное отношение Eb/N0 — это стандартная качественная мера производительности систем цифровой связи. Следовательно, необходимое отношение Eb/N0 можно рассматривать как метрику, позволяющую сравнивать качество различных систем: чем меньше требуемое отношение Eb/N0, тем эффективнее процесс детектирования при данной вероятности ошибки.
В ряде случаев можно воспользоваться следующей формулой:
(2.3)
где α — коэффициент скругления спектра (фактор roll-off ), физический смысл которого понятен из рисунка 2.1.
Выражение (2.3) записано в предположении, что реальная шумовая полоса для идеальной QPSK/QAM системы занимает полосу частот W = (1+a) · fS (что в большинстве случаях и наблюдается на практике), а С = Eb·log 2 (M) · fS
Рисунок 2.1 – Зависимость формы импульса от коэффициента скругления спектра
2.3 Пример расчета задачи 2.1
Исходные данные для расчета.
Используется QAM-система со следующими параметрами:
- символьная скорость: fS = 6,875 МГц,
- коэффициент скругления спектра: a = 0,15 (DVB-C),
- шумовая полоса приемной системы (IRD) W =8 МГц;
- констелляционный размер М = 64;
- мощность несущей составляет -25 дБмВт (83,75 дБмкВ).
Требуемое отношение — C/N = 23 дБ.
Формулы пересчета из дБмВт в дБмкВ:
U (дБмкВ) =108,75 +D (дБмВт) (14)
Для удобства будем приводить численные значения в той и другой системе отсчета.
1) Энергия на бит информации:
Eb = C – 10lg[log 2(M) · f S] = -25-10 lg (log264∙6875000)=-25-76,15=
= -101,15 дБмВт,
Еb=108,75 - 101,15 = 7,6 дБмкВ.
2) Шумовая мощность:
N = C – C/N = – 25 – 23 = –48,00 дБмВт,
N = 108,75 – 48 = 60,75 дБмкВ.
3) Спектральная плотность шумовой мощности:
N0 = N – 10lg (W) =– 48 – 10 lg 8000000= – 48 – 69 = –117 дБмВт
N0= 108,75 – 117 = –9,25 дБмкВ
4) Нормированное отношение Eb/N0:
Eb/N0 = Eb– N0= 7,6 – (– 9,25) = 16,85.
5) Реальная шумовая мощность на выходе косинусно-квадратичного фильтра рассчитывается по формуле:
N REC= N + 10lg (f S/W) = - 48+ 10lg(6875000/790000)= –48 – 0,6 =
= –48,6 дБмВт,
N REC= 108,75 – 48,6 = 60,15 дБмкВ.
6) Сигнал на выходе тюнера будет рассчитываться по следующей формуле:
,
СREC= 108,75– 25,16 = 83,59дБмкВ
7) Энергия, приходящаяся на бит информации:
,
EbREC=108,75 –101,31 = 7,44 дБмкВ.
8) Отношение C/N в приемнике (IRD) может быть определено как:
,
.
9) Проверка правильности решения
.
Результаты показывают, что решение правильное.
2.4 Пример расчета задачи 2.2
Исходные данные.
Формат модуляции М=64.
Скорость кодировании CR=0,75.
Отношение сигнал/шум, С/N = 26 дБ.
Гауссов канал приема.
Вероятность появления битовой ошибки при модуляции M-QAM.
где — количество уровневых отсчетов, представляет собой
гауссов интеграл ошибок.
где х аргумент гауссова интеграла, х = 5.
.
Отношение энергии бита Eb к спектральной плотность шума N0 определяется по следующей формуле
,
где m=log2M – коэффициент мапинга (число бит на символ информации),
M=64, m=6, CR=0,75.
Тогда:
Отсюда
Проверка результатов по графику зависимости битовой ошибки BER от Eb/N0 (см. рисунок 2.1.).
Для Eb/N0 = 19,46 дБ BER ≈ 3∙10-8 для модуляции 64QAM.
Учитывая погрешность логарифмического масштаба BER, делаем вывод о правильности расчетов.
2.5 Пример расчета задачи 2.3
Исходные данные.
Формат модуляции М = 64, коэффициент скругления спектра α = 0,2, символьная скорость fS = 6,666 МГц, шумовая температура источника С=200К, битовая ошибка BER=5∙10-7.
По графику (см. рисунок 2.2) для BER=5∙10-7 и модуляции 64QAM определяем отношение Eb/N0 = 19 дБ.
Отношение сигнал/шум С/N определяется по формуле:
Шумовая температура источника шума определяется по формуле:
Т(К) = С̊ + 273̊ = 200 + 273 = 473 К.
Наибольшая мощность шума:
N = k∙T∙W = k∙T∙fS(1+α)= 1,38∙10-23∙473∙6,666∙106∙(1 + 0,2)=5,22∙10-14 Вт = =5,22∙10-11 мВт = - 102,8 дБмВт = 108,75- 102,8 ≈ 6 дБмкВ.
Уровень сигнала на выходе передатчика:
С – N = 26 дБ; С = N +26 = 6 + 26 = 32 дБмкВ.
Рисунок 2.2 – Зависимость параметра BER от Eb/N0
3 Зависимость энергетических параметров негеостационарных спутников от высоты орбиты
Цель: научить магистрантов рассчитывать характеристики низкоорбитальных спутниковых систем и делать выводы о качестве непрерывности связи.
3.1 Постановка задачи
1) Рассчитать угол обзора зоны обслуживания со спутника.
2) Определить максимальную дальность связи и результирующий энергетический проигрыш и выигрыш.
3) Определить период обращения спутника по круговой орбите, скорость скольжения зоны обслуживания и длительность сеанса связи.
4) Рассчитать вероятность установления непрерывного соединения.
3.2 Варианты заданий
Таблица 3.1 – Исходные данные для расчета
Тип орбиты |
Низкая |
Средняя |
|||
Вариант - последняя цифра зачетной книжки |
1,3,6 |
2,4,8 |
5,7,9 |
6,8,1 |
9,0,2 |
Высота орбиты, h1, h2, км |
1100 550 |
1500 800 |
5000 2000 |
10000 4000 |
15000 6000 |
Примечание: расчеты проводить для двух значений углового размера зоны обслуживания α = 20о , 4 о, h1 – минимальная высота орбиты, h2 – максимальная высота орбиты.
3.3 Методические указания для выполнения расчетно-графической работы 3
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:
1) Относительно небольшая дальность связи позволяет существенно снизить требования к энергетическим характеристикам аппаратуры пользователей и ретрансляторов.
2) 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).
3) 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 3.1.
α — угловой размер зоны обслуживания, угол обзора зоны из центра Земли; r — наклонная дальность; h — высота орбиты; β — угол обзора зоны обслуживания со спутника.
Рисунок 3.1 – Геометрические соотношения при оценке энергетических затрат
. (3.1)
Максимальная дальность связи
. (3.2)
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:
. (3.3)
3.4 Пример расчета
Исходные данные:α = 25о; h1 = 700 км; h2 =1200 км.
Угол обзора зоны обслуживания со спутника:
,.
..
Максимальная дальность связи:
км,
км.
Результирующий проигрыш:
Относительный выигрыш:
то есть 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.
Период обращения спутника по круговой орбите
мин для h=700 км.
Скорость перемещения подспутниковой точки по земной поверхности (скорость скольжения зоны обслуживания):
км,
мин для h=1200 км,
км.
Максимальное время пребывания абонента в зоне обслуживания (длительность сеанса связи):
(мин),
мин для h=700 км,
мин для h=1200 км.
Вероятность установления непрерывного соединения определяется по рисунку 3 для h=700, 1200 км и для угла возвышения (угол места) γ=10 о :
Рс = 0,73 (h=700км); Рс = 0,8 (h=1200 км).
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.
Рисунок 3.2 – Зависимость вероятности непрерывного соединения от высоты орбиты
1. Проектирование радиорелейных линий прямой видимости: Ингвар Хенне, Пер Торвальдсен – Берген: Nera Telecommunications, 2004 – 153с.
2. Гладышева Н.Н., Клочковская Л.П.. Спутниковые и радиорелейные системы передачи. Методические указания к выполнению курсовой работы для студентов всех форм обучения специальности 050719 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации. – Алматы: АИЭС, 2008. – 16 с.
3. Клочковская Л.П., Самоделкина С.В. Спутниковые и радиорелейные системы передачи. Сборник задач для бакалавров специальности 5В071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации. – Алматы: АУЭС, 2011 – 37с.
4. ГОСТ Р 53363 – 2009 Цифровые радиорелейные линии. Показатели качества. Методы расчета.
5. Скляр Б.В. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Издательский дом «Вильямс», 2011 – 1104 с.
6. Зубарев Ю.Б., Кривошеев М.И., Красносельский И.Н.. Цифровое телевизионное вещание. Основы, методы, системы. НИИР, 2008 – 568 с.
7. ETSI TR 101 290 v1.2.1 (2011-05). Digital Video Broadcasting (DVB); Measurement guidelines for DVB systems.
8. Камнев В.Е., Черкассов В.В., Чечин Г.В. Спутниковые сети связи. – М., 2009.
9. Справочник по спутниковой и радиорелейной связи / Под ред. С.В. Бородича. -М.: Радио и связь, 2011.
10. Лобач В.С Короткий Г.Г Космические и наземные системы радиосвязи и телерадиовещания – СПб., 2012.
11. Лобач В.С. Спутниковые и радиорелейные системы передачи, – СПб., 2003.
12. Гаврилова И.И., Лобач В.С. «Радиорелейные линии и спутниковые системы передачи» - СПб., 2012.
13. Клочковская Л.П. Спутниковые системы телерадиовещания. Методические указания к выполнению курсового проекта, АИЭС, 2007.
14. Клочковская Л.П., Закижан З.З. Организация и технологии оказания спутниковых и радиорелейных услуг в телекоммуникационных компаниях. Методические указания к выполнению практических работ, АИЭС, 2010.
Содержание
Введение |
3 |
1 Расчет вероятности нарушения связи из-за многолучевого распространения радиоволн на пролете РРЛ |
4 |
1.1 Постановка задачи |
4 |
1.2 Варианты заданий |
4 |
1.3 Методические указания к выполнению расчетно-графической работы 1 |
6 |
1.4 Пример расчета |
11 |
2 Расчет энергетических характеристик цифровых каналов связи спутниковых и радиорелейных систем передачи |
17 |
2.1 Постановка задачи |
17 |
2.2 Методические указания к выполнению расчетно-графической работы 2 |
18 |
2.3 Пример расчета задачи 2.1 |
20 |
2.4 Пример расчета задачи 2.2 |
21 |
2.5 Пример расчета задачи 2.3 |
23 |
3 Зависимость энергетических параметров негеостационарных спутников от высоты орбиты 3.1 Постановка задачи |
24
24 |
3.2 Варианты заданий |
24 |
3.3 Методические указания для выполнения расчетно-графической работы 3 3.4 Пример расчета Список литературы |
24
26 29 |
Св. план 2013., поз.135
Клочковская
Лариса Павловна
Самоделкина
Светлана Викторовна
ОРГАНИЗАЦИЯ
И ТЕХНОЛОГИИ ОКАЗАНИЯ СПУТНИКОВЫХ И
РАДИОРЕЛЕЙНЫХ
УСЛУГ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ КОМПАНИЙ
Методические
указания к выполнению расчетно-графических работ
для магистрантов
специальности
6М071900 –
Радиотехника, электроника и телекоммуникации
Редактор Сластихина Л.А.
Специалист по стандартизации Молдабекова
Н.К.
Подписано в печать
Формат 60×84 1/16
Тираж 50 экз.
Бумага типографская №1
Объем 1,9 уч.изд.л.
Заказ №___Цена 190 тг.
Копировально-множительное
бюро
Некоммерческого
акционерного общества
«Алматинский
университет энергетики и связи»
050013, Алматы,
ул. Байтурсынова,126