Некоммерческое акционерное общество

АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра телекоммуникационных систем

 

 

СПУТНИКОВЫЕ И РАДИОРЕЛЕЙНЫЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ

Конспект лекций

 

для студентов всех форм обучения специальности

050719- Радиотехника, электроника и телекоммуникации

  

 

 

Алматы 2007

 

СОСТАВИТЕЛИ: Клочковская Л. П., Сарженко Л. И. Спутниковые и радиорелейные системы передачи. Конспект лекций для студентов всех форм обучения специальности 050719 – Радиотехника,

электроника и телекоммуникации. –  Алматы: АИЭС, 2007. –57с.

 

 Конспект лекций представляет собой базовый курс по радиорелейным и спутниковым системам передачи, предназначен для студентов дневного и заочного факультетов специальности 050719 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации. В нем рассмотрены основные принципы построения радиорелейных и спутниковых систем, приведены технические характеристики систем и методики расчета основных показателей этих систем. Рассмотрены вопросы электромагнитной совместимости.

Ил.31 , табл.10 , библиогр. – 16 назв.

 

Рецензент: канд. техн. наук, доц. С. В. Коньшин.

Печатается по плану издания некоммерческого акционерного общества «Алматинский институт энергетики и связи» на 2007 год.

                   © НАО «Алматинский институт энергетики и связи», 2007г.

 

Содержание

Введение………………………………………………………………..............4

1 Лекция 1. Классификация систем радиосвязи……………………..............5

2 Лекция 2. Каналы для передачи первичных сигналов…………………….8

3 Лекция 3. Общие принципы построения РРЛ…………………………….13

4 Лекция 4. Организация аналоговых стволов: ТФ и ТВ.

                    Структурные схемы оконечных устройств…………………….18

5 Лекция 5. Определение высот антенных опор, расчет

                     энергетического запаса аппаратуры……………………………21

6 Лекция 6. Расчет устойчивости связи РРЛ………………………...............26

7 Лекция 7. Радиорелейные линии с цифровыми методами

                    передачи; особенности проектирования цифровых РРЛ………28

8 Лекция 8. Системы спутниковой связи; основные принципы

                     построения; параметры орбиты; виды орбит…………………..33

9 Лекция 9. Геостационарная орбита; выбор диапазона частот....................39

10 Лекция 10. ЭИИМ передающей станции; добротность

                        приемной станции; типовые значения энергетических

                        параметров ЗС и КС...................................................................41

11 Лекция 11. Энергетический расчет спутниковой лини связи……...........46

12 Лекция 12. Технические параметры  существующих и

                        перспективных ССС……………………………………...........49 

13 Лекция 13. Электромагнитная совместимость……………………............52

Список литературы……………………………………………………………..56

 Введение

При сравнении методов использования радиорелейных (РРЛ) и волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) очевидны преимущества беспроводных технологий, которые, с одной стороны, требуют гораздо меньших затрат и времени на развертывание, чем ВОЛС, а с другой – могут быть проложены оперативно в сложных географических условиях. Радиорелейные линии наиболее эффективны при развертывании разветвленных цифровых сетей в больших городах и индустриальных зонах, где прокладка ВОЛС слишком дорога или вовсе невозможна, а качество передачи информации по современным РРЛ практически не уступает передаче по линиям ВОЛС. В мире большинство междугородних каналов связи образовано на таких системах (в США – 60-70%, в странах Западной Европы свыше 50%, в Японии порядка 50%).

23 апреля 1965 года был запущен на высокую эллиптическую орбиту спутник связи "Молния-1", с которого началась спутниковая радиосвязь в бывшем СССР. Почти одновременно в США был запущен на геостационарную орбиту первый спутник коммерческой связи Intelsat-1.

Это позволило обеспечить одновременную радиовидимость расположенных в разных точках обширной территории радиостанций. Преимуществами систем спутниковой связи (ССС) являются большая пропускная способность, глобальность действия и высокое качество связи.

Казахстан активно использует построенные РРЛ, цифровизует их, строит новые, а также включился в построение собственной системы спутниковой связи на базе собственного ИСЗ.

В этом плане в конспекте охвачены некоторые актуальные вопросы по проектрованию РРЛ и систем спутниковой связи.

 

1 Лекция 1.   Классификация систем радиосвязи 

Цель лекции: рассмотреть системы радиосвязи и признаки их классификации.

Системы радиосвязи могут быть классифицированы по различным признакам: по типу передаваемых сообщений; по занимаемому спектру радиочастот; по характеру передаваемых сигналов; по виду математического описания, отражающего искажения передаваемых сигналов, в тракте распространения; по пропускной способности и т. д.

По типу передаваемых сообщений системы радиосвязи могут быть разделены так, как это показано в таблице 1.1.

Т а б л и ц а  1.1

Классификация условна, поскольку все виды радиосвязи объединяются в единую интегральную систему на основе цифровых методов передачи и коммутации для передачи всех видов сообщений.

 Международные  соглашения в области распределения радиочастот.

Деление радиоволн на диапазоны установлено Международным регламентом радиосвязи МСЭ-Р – смотри таблицу 1.2. [Телекоммуникационный сектор стандартизации Международного союза электросвязи (МСЭ-Т) (Telecommunication Standardization Sector of International Telecommunication Union - ITU-T) – специализированный орган ООН, с 1993 года преемник Международного Консультативного Комитета по Телеграфии и Телефонии (МККТТ) (Comite Consultatif International Telegraphique et Telephonique - CCITT) - международная организация, разрабатывающая стандарты в области связи. Кроме МСЭ-Т в состав МСЭ входят Сектор радиосвязи МСЭ-Р (Radiocommunication Sector - ITU-R) и Сектор развития электросвязи (Telecommunication Development Sector - ITU-D). Стандарты ITU-T охватывают практически всю область телекоммуникаций.

 

Т а б л и ц а  1.2

В радиолиниях связи средой распространения электромагнитных волн в подавляющем большинстве случаев (за исключением случая связи между космическими аппаратами) является атмосфера Земли. На рисунке 1.1 приведено упрощенное строение атмосферы Земли, а в таблице 1.3 приведены основные способы распространения радиоволн.

           Рисунок 1.1 –  Строение атмосферы Земли

  

Т а б л и ц а  1.3

Вид радиоволн	Основные способы распространения радиоволн	Дальность связи
Мириаметровые и километровые (сверхдлинные и длинные)	Дифракция Отражение от Земли и ионосферы	До тысячи км Тысячи км
Гектометровые (средние)	Дифракция Преломление в ионосфере	Сотни км Тысячи км
Декаметровые (короткие)	Преломление в ионосфере и отражение от Земли	Тысячи км
Метровые и более короткие	Свободное распространение и отражение от Земли Рассеяние в тропосфере	Десятки км   Сотни км

 Первичные электрические сигналы и их характеристики

По характеру передаваемых сигналов различают системы передачи непрерывных (аналоговых)  и дискретных (по времени и ансамблю) сигналов. Аналоговые сигналы характеризуются полосой пропускания и динамическим диапазоном и пр., дискретные (цифровые) – скоростью передачи (биты в секунду).

 Основными первичными сигналами электросвязи являются: телефонный, звукового вещания, факсимильный, телевизионный, телеграфный, передачи данных.

Телефонный (речевой) сигнал.

Частота импульсов основного тона f₀ лежит в пределах от 50..250 Гц. При разговоре f₀ меняется значительно.

Среднюю мощность телефонного сигнала (с учетом коэффициента активности и наличия управляющих сигналов) принимают равной 32 мкВт, т.е. средний уровень телефонного сигнала составляет p_СР = 10 lg (32 мкВт/1мВт) = - 15 дБм0.

Коэффициент активности, определяемый как отношение времени, в течение которого по каналу передается сообщение, к общему времени работы канала в системе,  составляет 0,25..0,35.

Динамический диапазон определяется выраженным в децибелах отношением максимальной и минимальной мощностей сигнала =35...40 дБ.

Пик-фактор сигнала =14 дБ.

Энергетический спектр речевого сигнала (рисунок 1.2 ) – область частот, в которой сосредоточена основная энергия сигнала , где  – спектральная плотность среднего квадрата звукового давления;  – порог слышимости (минимальное звуковое давление, которое начинает ощущаться человеком с нормальным слухом на частотах 600..800 Гц); Df = 1 Гц. Из рисунка 2 видно, что речь – широкополосный процесс, частотный спектр которого простирается от 50..100 Гц до 8000..10000 Гц.

МСЭ-Т в качестве границ эффективного спектра речи приняты частоты 300..3400 Гц. При указанной полосе частот слоговая разборчивость составляет около 90%, разборчивость фраз – более 99% и сохраняется удовлетворительная натуральность звучания.

 

Рисунок 2 – Энергетический спектр речевого сигнала

 

Телевизионный сигнал формируется методом построчной развертки. Анализ показывает, что энергетический спектр телевизионного сигнала сосредоточен в полосе частот 0..6 МГц. Динамический диапазон D_С » 40 дБ, пик-фактор 4,8 дБ.

По аналогии определяются параметры остальных сигналов.

Аналогичные параметры определяются и для каналов связи. Параметры каналов связи должны быть не меньше соответствующих параметров сигналов.

Свести параметры аналоговых сигналов к единому параметру (скорости передачи) позволяет преобразование этих сигналов в цифровые.

 

2 Лекция 2. Каналы для передачи первичных сигналов

 

Цель лекции: ознакомиться с видами каналов и методами оценки их качества.

Система электросвязи – совокупность технических средств и среды распространения, обеспечивающая передачу сообщений.

Канал связи – совокупность технических устройств (преобразователей) и среды распространения, обеспечивающих передачу сигналов на расстояние.

Для исследования влияния распространения радиоволн на передаваемые сигналы каналы связи (рассматриваются как линейные четырехполюсники) классифицируются следующим образом.

Однолучевые каналы с постоянным коэффициентом передачи К. В отдельные короткие моменты времени участок РРЛ прямой видимости и канал спутниковой связи с линейным ретранслятором на стационарной орбите может быть принят однолучевым с постоянным .

 Сигнал на выходе канала 

                                                    (2.1)

где x(t) – сигнал на входе;

n(t) – помеха в виде аддитивного шума;

τ – постоянная задержка.

Однолучевые каналы со случайным неселективным поглощением. имеет некоторый закон распределения вероятностей. 

Сигнал на выходе канала 

.                                             (2.2)

Изменяющаяся во времени τ(t) характерна для передатчика и приемника, находящихся в относительном движении. (В частотной области это вызывает эффект Доплера – физическое явление, заключающееся в изменении частоты принятых колебаний при взаимном перемещении передатчика и приемника этих колебаний.) Таким каналом является канал связи через движущийся ИСЗ, при работе в линейном режиме.

Двухлучевой канал с переменным поглощением в каждом луче (или в одном из них). Это высокочастотный (ВЧ) канал или участок радиорелейной линии (РРЛ) прямой видимости в те моменты времени, когда кроме прямого луча имеется луч, отраженный от Земли.

Сигнал на выходе канала 

.              (2.3)

Многолучевые каналы – наиболее общая модель любого канала.

Сигнал на выходе канала 

                                        (2.4)

где m – число лучей.

Многолучевыми являются каналы тропосферных РРЛ и ионосферных систем. Возникающие флуктуации сигналов подразделяют на три типа: быстрые флуктуации мгновенных значений сигнала, вызванные интерференцией двух или большего числа сигналов. Интервал стационарности быстрых флуктуаций исчисляется минутами, а наивысший период изменения – десятыми долями секунды. Мера борьбы с быстрыми флуктуациями – разнесенный прием.

Медленные флуктуации с интервалом стационарности часы или сутки. Эти замирания определяются изменениями физического состояния среды на участке распространения радиоволн. Эффективных методов борьбы не существует – система должна быть спроектирована с учетом максимально возможного замирания. Еще более медленные – сезонные флуктуации, вызванные изменением общих условий в тракте распространения  радиоволн.

Методы оценки качества каналов

Допустимое качество связи на аналоговой  РРЛ определяется минимально допустимым отношением мощностей сигнала  и шума на выходе канала (P_с/P_ш)<(P_с/P_ш)_min или (U_рс/U_ш)²<(U_рс/U_ш)²_min (для ТФ ствола 10lg(Р_с/Р_ш)_min=44 дБ, для ТВ ствола 10lg(U_рс/U_ш)²_min=49 дБ) , а также допустимым процентом времени, в течение которого выполняются эти неравенства (99,9% времени любого месяца для эталонной РРЛ длиной 2500 км).

Качество цифровых каналов оценивают в соответствии с рекомендациями МСЭ-Т. Нормы, по рекомендации МСЭ-Т G. 821, состоят из двух основных компонент: показатели неготовности и показатели качества по ошибкам.

Неготовность аппаратуры – такое состояние участка цифровой радиорелейной линии (ЦРРЛ), при котором в течение десяти секундных интервалов, следующих подряд, имеет место хотя бы одно из событий:  пропадание      сигнала      (потеря    синхронизации);     вероятность     ошибок

BER = N_ош / N > 10^-3, где N – число переданных символов, N_ош - число ошибочно принятых символов.

Показатели качества по ошибкам системы связи  относятся к тем промежуткам времени, в течение которых система находится в состоянии готовности. Различаются следующие параметры и вероятности ошибок BER:       сильно пораженные секунды (SES) – BER = 10^-3 за 1 секунду;   деградирующие минуты (DM) – BER= 10^-6  за 1 минуту; секунды с ошибками (ES) –  BER= 10^-6  за 1 секунду; остаточная вероятность ошибок (RBER).

Система считается неготовой, если BER превышает величину 10^-3 за 10 последовательных секунд и более.

Построение радио каналов телефонного, звуко­вого и  телевизионного  вещания

В настоящее время применяют принципы построения сетей, изображенных на рисунках 2.1 – 2.3.

 

Рисунок 2.1 –  Принципы построения сетей: а) топология сети "каждый с каждым". Сеть надежна, отличается оперативностью и высоким качеством передачи сообщений. На практике применяется при небольшом числе абонентов;

б) радиальный ("звезда"), используется при ограниченном числе абонентских пунктов, расположенных на небольшой территории

 

                               

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.2 –  Радиально-узловая топология сети

Такую структуру имеют городские телефонные сети, если емкость сети не превышает 80...90 тысяч абонентов.

 

Рисунок 2.3  –  Топология радиально-узловой сети с узловыми районами

Такая топология используется  при построении телефонных сетей крупных городов.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                       

Важнейшими сетями передачи массовых сообщений являются сети вещания. Вещание – процесс одновременной передачи различных сообщений общего назначения широкому кругу абонентов с помощью технических средств связи.

Вещательная программа – последовательность передачи во времени различных сообщений. Организация вещания включает в себя две задачи: подготовка вещательных программ и доведение программ до абонентов.

Основными требованиями к сетям вещания являются: охват вещанием всего населения страны, высокое качество передаваемых программ, надежность и экономичность.

Сеть звукового вещания. Распределение программ производится по каналам связи, разветвление – на специальных узлах. Сеть каналов звукового вещания строится по радиально-узловому принципу.

По способу доведения различают радиовещание и проводное вещание (по специальным проводным линиям или линиям телефонной связи).

Сеть телевизионного вещания. Распределение программ производится по каналам связи, разветвление – на специальных узлах. Сеть ТВ вещания строится по радиально-узловому принципу.

Используется два способа доведения ТВ программ: радиовещание с помощью радиотелевизионных передающих станций (РТПС, эфирное ТВ) и проводное вещание (кабельное ТВ). Современной разновидностью эфирного ТВ является спутниковое телевизионное вещание с непосредственным приемом на установки, расположенные у абонентов.

 

3 Лекция 3. Общие принципы построения РРЛ

 

Цель лекции: Изучить вид станций РРЛ, частотные планы.

Виды станций РРЛ, сдвиг по частоте, многоствольная работа, пролет и участок

Радиорелейные линии занимают диапазоны ОВЧ и СВЧ, причем граница между аналоговыми и цифровыми радиорелейными системами (РРС) лежит вблизи частоты 11 ГГц.

Аналоговые РРС предназначены в основном для передачи многоканальных телефонных сигналов в аналоговой форме и сигналов данных с низкой и средней скоростью по каналам тональной частоты (ТЧ), а также сигналов телевидения. Цифровые РРС используются для организации цифровых трактов со скоростями от 2 до 140 Мбит/с.

Радиорелейные линии связи основываются на принципах многократной ретрансляции сигнала (упрощенная структурная схема показана на рисунке 3.1). Различаются оконечные, промежуточные и узловые станции.

Станции располагают зигзагообразно – это позволяет исключить помехи от станций, расположенных через три – пять пролетов при существующих планах распределения радиочастот.

Оконечные станции устанавливаются в крайних пунктах линии связи и содержат модуляторы и передатчики в направлении передачи сигналов и приемники с демодуляторами в направлении приема –  смотри рисунок  3.2. Для приема и передачи применяется одна антенна, соединенная с трактами приема и передачи при помощи антенного разветвителя (дуплексера).

Рисунок 3.1 –  Принцип радиорелейной связи

Модуляция и демодуляция сигналов проводится на одной из стандартных промежуточных частот (70 - 1000 МГц). Модемы могут работать с приемопередатчиками, использующими различные частотные диапазоны. Передатчики предназначены для преобразования сигналов промежуточной частоты в рабочий диапазон СВЧ, а приемники –  для обратного преобразования и усиления сигналов промежуточной частоты.

Рисунок 3.2 –  Структурная схема оконечной станции

 Промежуточные станции располагаются на расстоянии прямой видимости и предназначаются для приема сигналов, усиления их и дальнейшей передаче по линии связи. Прием и передача сигналов на промежуточных станциях должна проводиться на разных частотах для устранения паразитных связей в приемопередатчиках. Разница между частотами приема и передачи называется частотой сдвига (f_сдв).

                                        .                                      (3.1)

 На рисунке 3.3 показана структурная схема промежуточной станции.

Рисунок 3.3 –  Структурная схема промежуточной станции

Узловые станции (рисунок  3.4) выполняют как функции промежуточных станций, так и функции ввода и вывода информации. Поэтому они устанавливаются  в крупных населенных пунктах или в точках пересечения (ответвления)  линий связи.

Промежуток между ближайшими станциями называется пролетом РРЛ. Это расстояние между соседними РРС можно определить по приближенной формуле для случая гладкой сферической земной поверхности

                       (3.2)

где h₁ и h₂ – высоты подвеса антенн в метрах.

Типичные расстояния R₀ –  40 - 50 км.

Наиболее распространенные значения h –  20…80м.

Промежуток между оконечной станцией и ближайшей узловой или между узловыми станциями называется участком или секцией РРЛ, а совокупность приемопередающего оборудования образует  ствол РРЛ.

Рисунок 3.4 –  Структурная схема узловой станции

Различаются однонаправленные стволы и двунаправленные (для дуплексной связи).

Планы частот для РРЛ

При передачи сигналов в прямом и обратном направлениях применяются 2-частотные и 4-частотные системы.

 

Рисунок  3.5                                           Рисунок  3.6

2-частотная система (рисунок 3.5) экономична с точки зрения использования полосы частот, но требует применения антенн с хорошими защитными свойствами (на частотах выше 10 ГГц применяются параболические антенны с дополнительными экранами – воротниками).

При этом, если станция принимает сигнал на частоте f₁ и передает на частоте f₂, то соседние с ней станции принимают на частоте f₂, а передают на частоте f₁. Эта пара частот, соответствующая двухчастотному плану частот МСЭ-Р, образует радиочастотный ствол.

4-частотная система (рисунок  3.6) допускает более простые и дешевые антенны, но используется редко, при очень сложной электромагнитной обстановке.

Для повышения экономической эффективности и пропускной способности радиорелейные системы часто делают многоствольными, в которых на каждой станции работают с различными частотами несколько приемопередатчиков через общие антенно-фидерные устройства.

Приведем пример списка несущих частот для стволов РРЛ в соответствии с Рекомендацией ITU-R, например, в диапазоне 7 ГГц – таблица 3.1.

ITU-R Recommendation F385

- дуплексный разнос  частот (Tx-Rx)                      161МГц;

- разнос между стволами                                              7МГц.

Т а б л и ц а  3.1

Ствол	f н, МГц	f в, МГц
1	7428	7589
2	7435	7596
3	7442	7603
4	7449	7610
5	7456	7617
…	…	…
19	7554	7715
20	7561	7722

      

    Каждый ствол станции имеет стандартное обозначение, например:  2ВН, где 2- номер ствола, В- означает прием на верхней частоте, Н- передача (излучение) на нижней частоте. Комплект оборудования на другой стороне пролета будет иметь соответственно обозначение 2НВ.

На рисунке 3.7 показан пример плана  распределения рабочих частот для системы РРЛ, работающей в диапазоне 11 ГГц в соответствии с Рекомендациями 387-2 МСЭ-Р.

Рисунок 3.7 – Пример плана распределения рабочих частот

В более высокочастотных диапазонах волн применяются гибкие частотные планы. Разнос частотных каналов в таких случаях определяется пропускной способностью (скоростью работы ЦРРЛ) и видом модуляции. Чаще всего применяется шаг разноса рабочих частот равный 3.5 МГц. Тогда, к примеру, при скорости работы  4 Мбит/с и 4-уровневой модуляции разнос частот можно выбрать равным шагу разноса, а при кратном увеличении скорости  разнос  также кратно увеличивается и может равняться
 7, 14 или 28 МГц.

В последние годы разработаны новые частотные планы с использованием двойной поляризации радиоволн, позволяющие существенно повысить эффективность использования частотного спектра.
     Для работы РРЛ в соответствии с рекомендациями ITU-R серии F выделены полосы частот в диапазонах: 1,4; 2; 4; 5; 6; 7; 8; 10; 11; 12; 13; 14; 15; 18; 23; 27; 31; 38; 55 ГГц.

 С целью увеличения надежности работы линии связи  применяются различные способы резервирования. В диапазонах частот выше 10 ГГц в ЦРРЛ наибольшее распространение получают системы резервирования 1 + 1, когда на один рабочий ствол приходится один резервный. В сложных условиях распространения радиоволн, оба ствола могут быть использованы для организации разнесенного приема, существенно улучшающего устойчивость работы системы связи. Зачастую строятся простые одноствольные системы связи без резервирования, учитывая высокую надежность современной аппаратуры. К примеру, время наработки на отказ аппаратуры ЦРРЛ типа  MINI - LINK E шведской фирмы ERICSSON достигает (согласно рекламе) 20 - 30 лет.

Современная аппаратура радиорелейных систем для диапазонов частот выше 10 ГГц имеет определенные  особенности в конструктивном выполнении, по сравнению с более низкочастотной аппаратурой.       Она имеет небольшие габариты и располагается на вершине антенной опоры, объединенная в единый блок с антенной.

 На рисунке 3.8 показано радиорелейное оборудование Mini-Link (Ericsson). Здесь параболическая  антенна имеет диаметр 30 см и соединяется с приемопередающим блоком непосредственно без волновода. Элементы для крепления всего модуля к антенной опоре располагаются на антенном блоке и имеют устройства для юстировки  в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Приемопередающий блок можно легко отсоединить от антенного блока для замены, настройки и профилактики. В таком исполнении вес блока составляет 11-12 кг. Аппаратура позволяет использовать антенны и большего диаметра (0.6 и 1.2 м).

Рисунок 3.8 – Радиорелейное оборудование Mini-Link производства корпорации Ericsson

Пример расположения модулей аппаратуры  на антенной опоре показан на рисунке 3.9.

 

Рисунок 3.9 – Расположение модулей аппаратуры на антенной опоре

 

Компактная аппаратура с небольшими габаритами и весом, которая применяется в диапазонах частот выше 10 ГГц, допускает использование облегченных антенных мачт, выполненных в виде ферм треугольного сечения или трубчатых конструкций, которые можно установить на высоких зданиях, дымовых трубах или возвышенных местах. Приемопередающие блоки соединяются коаксиальными кабелями с модемным оборудованием, располагающимся в помещении. Современное модемное оборудование – это легко трансформирующийся комплекс, функционирующий под управлением центрального или местного компьютера.

 

4 Лекция 4. Организация аналоговых стволов: ТФ и ТВ. Структурные схемы оконечных устройств

 

Цель лекции: рассмотреть структурные схемы аналоговых РРС.

Приемопередающее оборудование РРЛ большой и средней емкостей одинаково пригодно как для передачи сигналов многоканальной телефонии, так и передачи сигналов телевидения. Различно лишь оконечное оборудование телефонных и телевизионных стволов.

Рассмотрим структурную схему аналоговой ОРС, показанную на рисунке 4.1. Принятые обозначения:

-                   ТЦ – телецентр;

-                   МТС – междугородняя телефонная станция;

-                   МД – модулятор;

-                   ДМ – демодулятор;

-                   ПРД – передатчик;

-                   ПРМ – приемник;

-                   АР – аппаратура резервирования;

-                   ФСл – фильтр сложения мощностей;

-                   РФ – разделительный фильтр;

-                   АФТ – антенно-фидерный тракт;

-                   УС – устройство селекции.

 

Рисунок 4.1 – Структурная схема аналоговой РРС

Здесь приведена схема станции 3-ствольной РРЛ (стволы телефонный, телевизионный и резервный). Групповой сигнал, поступающий с МТС, в МД модулирует сигнал промежуточной частоты, который в соответствии с Рекомендацией МККР может быть 35; 70; 140 МГц. Во втором МД аналогичную операцию осуществляет видеосигнал, поступающий из ТЦ.

 Рассмотрим организацию телефонного ствола РРЛ, в который  кроме узлов (МД-ДМ, ПРД-ПРМ, АФТ), входит также оконечное устройство.

Структурная схема оконечного оборудования телефонного ствола приведена на рисунке 4.2. Многоканальный сигнал, поступающий от междугородной телефонной станции (МТС), по соединительной линии поступает на установочный аттенюатор (АТ), усилитель (УС), предыскажающий контур (ПК) и суммирующее устройство (СУ), осуществляющего сложение многоканального сигнала, пилот-сигнала (ПС) и вспомогательных служебных сигналов, когда они передаются по телефонному стволу. Пилот-сигнал необходим для контроля работы стволов и работы системы поучасткового резервирования.

Рисунок 4.2 – Структурная схема оконечного оборудования телефонного ствола

На приемной стороне производится разделение сигналов многоканальной телефонии и сигналов служебной связи в устройстве разделения (УР), сигнал многоканальной телефонии проходит через восстанавливающий контур (ВК), фильтр нижних частот (ФНЧ), подавляющий пилот-сигнал, и через установочный аттенюатор (АТ) поступает в соединительную линию к МТС.

       В состав оконечного оборудования на передающей стороне входит предискажающий контур (ПК), на приемной (ВК) – восстанавливающий. Назначение ПК– повысить помехозащищенность верхних каналов ТЧ, где больше уровень шумов, ВК – восстановить спектр принимаемых сигналов.

Пример спектра группового сигнала телефонного ствола приведен на рисунке 4.3.

Рисунок 4.3 – Линейный спектр  группового сигнала телефонного ствола:

  1 – CC (сигналы служебной связи, в нижней части группового спектра отдельный узкополосный канал);

  2 – МТфС (многоканальное телефонное сообщение);

  3 – СЗВ1 (сигналы звукового вещания 1);

  4 – СЗВ2 (сигналы звукового вещания 2);

  5 – ПС (пилот-сигнал);

  f – частота 

Линейный спектр  телевизионных стволов с несколькими поднесущими частотами (что позволяет передавать также и сигналы звукового вещания) показан на рисунке 4.4.

Рисунок 4.4 – Линейный спектр группового сигнала телевизионного ствола

В структурной схеме оконечного оборудования телевизионного ствола на суммирующее устройство кроме видео и пилот-сигнала поступают сигналы поднесущих частот: звуковой телевизионный и звукового вещания.   На приемной стороне происходит разделение сигналов и демодуляция сигналов поднесущих частот так, как это показано на рисунке 4.5.

Рисунок 4.5 – Структурная схема оконечного оборудования телевизионного ствола

 

Определение высот антенных опор, моделирование режимов работы РРЛ. Расчет устойчивости связи РРЛ.

 

5 Лекция 5. Определение высот антенных опор, расчет энергетического запаса аппаратуры

 

Цель лекции: научиться рассчитывать основные параметры РРЛ.

Строительство РРЛ прямой видимости (аналоговых РРЛ) включает в себя три основных задачи:

- расчет высот подвеса антенн;

- расчет мощности сигнала на входе приемника каждого пролета и ожидаемой мощности шума;

- расчет устойчивости связи.

Расчет высот подвеса антенн

Явление рефракции оказывает существенное влияние на распространение радиоволн в пределах прямой видимости антенн РРЛ. Cлучайные изменения вертикального градиента диэлектрической проницаемости атмосферы (g) приводят к искривлению траектории  радиолуча, который в некоторых случаях может касаться земной поверхности и при этом возникают эффекты дифракции, снижающие уровень принимаемого сигнала. Из-за наземного препятствия возможна даже полная потеря взаимной видимости антенн (отсутствие связи).

Поэтому при проектировании РРЛ важно обеспечить достаточный просвет трассы путем выбора высот подвеса антенн.

Все пространство, окружающее точки передачи и приема разделено зонами Френеля, как это показано на рисунке 5.1.

 

Рисунок 5.1 – Эллипсы, соответствующие зонам Френеля на плоскости

Основная часть энергии передатчика распространяется в сторону приемной антенны внутри минимальной зоны Френеля (области DOD₁), представляющей эллипсоид вращения с фокусами в точках передающей А и приемной В антенн.

 Радиус минимальной зоны Френеля в любой точке пролета, изображенного на рисунке 5.2 можно определить по формуле

                                                            (5.1)

                                          .                                                (5.2)

где  R₀ – длина пролета;

k_j = R_j/R₀ – относительная координата точки препятствия;

R_j – расстояние до точки препятствия.

Пролет относится к пересеченным, если высоты неровности земной поверхности Δh_j ≥ 2H₀.

Рисунок 5.2 – Профиль пролета РРЛ (вертикальный разрез местности, проходящий через места установки антенн)

 При этом были приняты следующие обозначения:

 A1,A2 – приемо-передающие антенны РРЛ;

 h1,h2 – высоты подвеса антенн;

 CD, MO, ZY – высоты местности;

 M –критическая точка (вершина препятствия);

 Z_j = ON – реальная кривизна Земли, которую можно определить по приближенной формуле

                           м                            (5.3)

где R₀  в км;

а=6370км – радиус Земли;

H(0) – просвет на пролете при отсутствии рефракции;

ΔH(ĝ+σ) – среднее значение изменения просвета за счет рефракции, существующее в течение 80% времени (ĝ , σ –соответственно среднее значение и стандартное отклонение вертикального градиента диэлектрической проницаемости тропосферы);

H(ĝ +σ) – просвет на пролете, существующий в течение 80% времени, который, как правило, берут равным H0.

                            ,                     (5.4)

                            .                            (5.5)

 Итак, после предварительного выбора радиотрассы и мест расположения площадок (в нашем случае точки С и Z), построения профиля пролета с помощью равновысотных контурных карт (по рекомендации ITU масштаб должен быть по крайней мере 1/50000) и учета путем осмотра местности, высоты растительности и зданий можно приступить к определению высот подвеса антенн. Порядок следующий:

    - определяют H0 ;

    - определяют ;

    - определяют H(0);

    - на профиле пролета от критической точки М откладывают в масштабе величину H(0);

    - через верхнюю точку отрезка H(0) проводят луч, соединяющий антенны;

    - высоты подвеса антенн определяют с помощью формул

                            h1 = ON+OM+H(0) – CD,                                     (5.6)

                                 h2 = ON+OM+H(0) – ZY.                                     (5.7)

Расчет мощности сигнала на входе приемника каждого пролета и ожидаемой мощности шума

Расчет высот подвеса антенн и ряд других немногих исключений являются общими как для аналоговых, так и цифровых РРЛ. Для РРЛ прямой видимости определены критерии качества связи в соответствии с нормами ITU-R. Задачи проектирования – проверить соответствие параметров проектируемой РРЛ этим критериям. Рассмотрим аналоговую РРЛ.

Расчет устойчивости связи

Если высоты подвеса антенн выбраны, то устойчивость связи оценивается выполнением неравенства

                                                                                        (5.8)

 – суммарная вероятность (процент времени) ухудшения качества связи из-за глубоких замираний сигнала на одном из пролетов,

 – допустимая вероятность ухудшения качества связи на данной РРЛ в соответствии с нормами. Рассматриваем данный вопрос для одного пролета, так как для РРЛ, состоящей из n пролетов вероятность ухудшения качества связи определится соответственно .

 

Л.

Рисунок 5.3 – Упрощенная структурная схема одного пролета РРЛ (а); диаграмма уровней сигнала на пролете РРЛ (б)

Рассмотрим диаграмму уровней сигнала на одном из пролетов, изображенную на рисунке 5.3 б). Суммарное ослабление сигнала с выхода передатчика до входа приемника

                                                                       (5.9)

или в децибелах

                              .                        (5.10)

Здесь  –  суммарное ослабление сигнала в передающем и приемном фидерных трактах;  – суммарный коэффициент усиления передающей и приемной антенн; L_P – ослабление сигнала в тракте распространения радиоволн.

Ослабление сигнала в фидерном тракте можно определить в дБ

                                           .                                        (5.11)

Здесь  – ослабление в сосредоточенных элементах фидерного тракта (разделительных фильтрах, гермовставках и пр.);

 – ослабление в волноводе; (α – в дБ/м; l_Г – в м; l_В – в м – погонное ослабление  и длина соответственно горизонтального и вертикального участков волноводов).

Ослабление сигнала в тракте распространения радиоволн в дБ

                                                                                 (5.12)

где

                                                                         (5.13)

– ослабление сигнала при распространении радиоволн в свободном пространстве; L_ДОП – дополнительное ослабление сигнала за счет неоднородностей реальной среды распространения, зависящее от множителя ослабления поля свободного пространства (V) соотношением

                                               ,                                          (5.14)

                                                                                      (5.15)

E_Р и E_СВ – напряженность поля на входе приемной антенны в случае распространения радиоволн соответственно в реальных условиях и в свободном пространстве (т. е. без учета влияния атмосферы и рельефа местности).

Множитель ослабления и, следовательно, дополнительные потери меняются во времени по случайному закону, также меняется по случайному закону и мощность сигнала на входе приемника, определяемая основным уравнением передачи

                                                                                  (5.16)

где Р_П – мощность передатчика или в децибелах по отношению к 1 Вт

                                   .                                    (5.17)

Отношение сигнал-шум на выходе канала связи, зависящее от мощности сигнала на входе приемника, также будет меняться во времени по случайному закону. В точке относительного нулевого уровня (ТОНУ), где мощность сигнала 1 мВт, мощность шума будет меняться во времени по случайному закону.

В расчетах принимают, что одновременно на всех пролетах РРЛ мощность сигналов на входах приемников в течение 80% времени любого месяца  не должна падать ниже значения соответствующей суммарной псофометрической мощности шумов на входе ТФ канала, равной (для гипотетической эталонной цепи – ГЭЦ  в 2500 км) 75  пВт. Такой мощности сигнала на входе приемника соответствует множитель ослабления V(20). При глубоких замираниях сигнала на одном из пролетов РРЛ мощность входного сигнала может снизиться настолько, что мощность шума на выходе канала превысит максимально допустимое значение 47500 пВт, т. е.   на выходе канала возникает «всплеск» шума, вызванный замиранием сигнала на одном из пролетов. Общая продолжительность таких «всплесков» для ГЭЦ не должна превышать 0,1% времени любого месяца. Момент, когда шум в ТФ канале превысит 47500 пВт (или отношение сигнал-шум на выходе канала яркости ТВ ствола окажется меньше 49 дБ), принято считать моментом ухудшения качества связи из-за глубоких замираний.  В этот момент мощность сигнала на входе приемника равна минимально допустимому значению, которому соответствует минимально допустимое значение множителя ослабления V_min. По рисунку видно, что энергетический запас аппаратуры, после которого начинаются замирания (запас на замирания) можно в дБ рассчитать как

                           .                 (5.18)

При этом

                                      (5.19)

 

Для РРЛ произвольной протяженности l_РРЛ допустимый процент времени Т_ДОП, в течение которого может быть ухудшено качество связи, определяется по формуле:

Т_ДОП=0,1% l_РРЛ/2500.

 

6 Лекция 6. Расчет устойчивости связи РРЛ

 

Цель лекции: продолжить изучение методики расчета аналоговых РРЛ.

Запас на замирание Z – это величина, обратная минимально допустимому множителю ослабления V_min.

 Суммарная вероятность ухудшения качества связи на РРЛ из-за глубоких замираний сигнала на одном из пролетов обуславливается тремя причинами: экранировкой препятствиями минимальной зоны Френеля Т₀(V_min), интерференцией в точке приема прямого луча и лучей, отраженных от слоистых неоднородностей тропосферы Т_ИНТ(V_min), ослаблением сигнала из-за дождей Т_Д(V_min)

                        .          (6.1)

 

Каждое из слагаемых в формуле определяется на основе соответствующих статистических данных, характерных для данного климатического района (эти данные в технической литературе приводятся, как правило, в виде графиков).

Расчет V_min может быть произведен с помощью коэффициента системы, для определения которого следует записать систему из двух уравнений передачи

                                               Р_{С. ВХ}=Р_ПL_Σ,                                     (6.2)

                                                                               (6.3)   

где d – выигрыш в отношении сигнал-шум, обусловленный применением частотной модуляции; этот выигрыш при известных параметрах аппаратуры также можно считать известным.

Если значение Р_{С. ВХ} из первого уравнения подставить во второе, то получим

                                                                             (6.4)  

Умножив правую и левую части этого выражения на отношение Р_П/Р_Ш.ВХ, получаем два равных отношения для коэффициента системы

                                                         (6.5)

С помощью первого соотношения по известным параметрам аппаратуры Р_П, Р_{Ш. ВХ}, d может быть рассчитан коэффициент системы в децибелах:

для ТФ ствола

                     (6.6)

для ТВ ствола

                                                   (6.7)

где 10lgР_П – в децибеловаттах;

n_Ш – коэффициент шума приемника;

F_В – верхняя частота группового спектра многоканального телефонного сообщения;

Δf_К – девиация часты на канал.

С учетом (1.2) выражение (1.18) можно переписать в виде

                                                            (6.8)

где величина (Р_С /Р_Ш)_{ВЫХ min} определяется выражениями (1.11), (1,12).

Тогда минимально допустимый  множитель ослабления для телефонного (V_{min ТФ}) и телевизионного (V_{min ТВ}) стволов будет определяться (в децибелах) по формулам

                             ,                      (6.9)

                                .                     (6.10)  

При этом

                               ,                               (6.11)       

не зависящее от времени ослабления сигнала на пролете.

Расчет проводят по обоим выражениям и сравнивают V_min между собой. Дальнейшие расчеты проводят для худшего случая, т. е. для большей величины V_min (меньшей в дБ по абсолютной величине).

 Затем рассчитывается Т₀(V_min), Т_ИНТ(V_min) и Т_Д(V_min) [7] и, наконец, Т_ПР(V_min)

7 Лекция 7. Радиорелейные линии с цифровыми методами передачи; особенности проектирования цифровых РРЛ

Цель лекции: изучить методику расчета ЦРРЛ.

Высокие технические характеристики современной аппаратуры позволяют применить упрощенную практическую методику для расчетов основных параметров ЦРРЛ. Основу методики расчета составляют рекомендации МСЭ-Р и предложения ряда отечественных и зарубежных фирм. При этом определяются высоты подвеса антенн в пунктах расположения станций ЦРРЛ и выбираются основные параметры оборудования для получения качественных показателей линии связи, удовлетворяющих нормам. Кроме того, проводится расчет влияния как внешних помех (например, от спутниковых систем связи), так и коррелированных и некоррелированных помех, создаваемых различными станциями  или стволами линии связи.

Основные принципы расчета ЦРРЛ такие же, как и аналоговых, но имеется ряд особенностей, обусловленных построением аппаратуры ЦРРЛ и видом передаваемых сигналов.

Структурная схема ОРС цифровой РРЛ приведена на рисунке 7.1.

 

Рисунок 7.1 – Структурная схема ОРС цифровой РРЛ

Аппаратура станции состоит из двух основных частей: Аппаратуры разделения каналов (АРК) и радиорелейной аппаратуры, которая соединена с АРК соединительным кабелем.

Передающая часть АРК включает в себя:

- устройство дискретизации сигналов многоканальных ТФ сообщений с помощью амплитудно-импульсной модуляции (АИМ);

- кодер (К), с помощью которого каждый из отсчетов сигнала АИМ преобразуется в кодовое слово двоичного цифрового сигнала;

- преобразователь кода (ПК1), на выходе которого образуется линейный цифровой сигнал (ЛЦС) в виде разнополярных импульсов.

Приемная часть АРК осуществляет обратные операции и содержит:

- преобразователь кода (ПК3);

- Декодер (ДК);

- Демодулятор (АИМ).

ПК1 и ПК3 согласовывают спектральные характеристики сигнала с частотной характеристикой соединительного кабеля.

В передающую часть РРС входят:

- регенератор РЕГ 1, служащий для восстановления формы, длительности и амплитуды каждого из символов ЛЦС ( РЕГ 2 устанавливают для исправления искажений, вносимых кабелем, если протяженность кабеля, соединяющего АРК и РРС превышает 1,5 км);

 -преобразователь кода ПК 2, который превращает входной ЛЦС в «телеграфный» сигнал – последовательность разнополярных импульсов без постоянной составляющей с длительностью импульса, равной тактовому интервалу (ПК 4 выполняет обратное преобразование);

-скремблер СКР, в котором осуществляется преобразование сигнала таким образом, чтобы обеспечивалась одинаковая вероятность передачи символов «0» и «1» (дескремблер ДСКР выполняет обратное преобразование;  восстанавливает исходное соотношение между символами «0» и «1» в цифровом сигнале);

- модулятор М, в котором осуществляется процесс модуляции несущей цифровым сигналом, перед тем, как он попадет на СВЧ передатчик П (в СВЧ приемнике Пр и демодуляторе Д происходит обратный процесс).

При этом используются такие виды модуляции бинарным цифровым сигналом: амплитудная импульсно-кодовая модуляция (ИКМ-АМ), ИКМ-ЧМ, ИКМ-ФМ, ИКМ-ОФМ.

Основные параметры цифровых РРЛ.

В качестве исходных данных для расчета ЦРРЛ в числе прочих входят параметры ЛЦС на входе модулятора (и выходе демодулятора) системы. Одним их основных параметров ЛЦС является скорость передачи, определяемая числом двоичных единиц (бит), передаваемых в единицу времени. В соответствии с нормами для ТФ канала период дискретизации Т_Д=125 мкс, каждый временной отсчет передается восьмиразрядным бинарным кодом (n=8). Каждому ТФ каналу соответствует цифровой канал со скоростью передачи B_k=n/T_Д=64*10³ бит/с. Для передачи сигналов многоканальных ТФ сообщений в первичной сети предусмотрен ряд типовых цифровых трактов.

Вторым важным параметром ЛЦС является его спектр. ЛЦС – случайная последовательность импульсов, обычно для него рассчитывают энергетический спектр, определяемый принятым кодом. При формировании ЛЦС применяют бинарные и троичные коды. Выбор кода ЛЦС определяется особенностями передачи его по соединительным линиям, в качестве которых используют симметричные или коаксиальные кабели.

Методика расчета основных параметров ЦРРЛ, приводится в [7].

Расчет устойчивости связи ЦРРЛ (проводится в соответствии с методикой, изложенной для аналоговых РРЛ).

Минимально допустимый множитель ослабления для ЦРРЛ (в дБ)

                                                                    (7.1)

где  – минимально-допустимый уровень мощности сигнала на входе приемника (чувствительность приемника – задается для различной аппаратуры), при котором вероятность ошибки приема цифрового сигнала не превышает допустимого значения ( в течение 0,05% времени любого месяца);

  –  уровень при распространении радиоволн в свободном пространстве без учета L_ДОП, т. е. ).

При других допустимых значениях вероятности ошибки

                                      .                              (7.2)

Здесь Р_Ш – уровень мощности теплового шума, приведенного ко входу приемника;

                                     ;                                 (7.3)

Ш – шум-фактор приемника, КТ=4*10^-21Вт/Гц;

П_Ш – шумовая полоса приемника, Гц;

h_ВХ.min –  минимально допустимое отношение сигнал-шум на входе приемника, определяемое из выражений, связывающих отношение сигнал-шум на входе приемника при различных способах модуляции сигнала (см. таблицу 3.1).

Т а б л и ц а  3.1

 

При h_ВХ>4 имеем .

Таким образом

                           .               (7.3)

Оценка ожидаемой надежности передачи цифровой информации

Оценивается не только общий процент времени ухудшения связи из-за замираний , необходимо также знать распределение длительности и количество замираний за короткие интервалы времени.

В случае одинарного приема сигналов на РРЛ методика расчета [7] ожидаемой надежности передачи цифровой информации следующая.

1 Рассчитать статистические характеристики длительности замираний (медианное значение длительности замираний).

2 Рассчитать общее число замираний, ожидаемое за летний месяц.

3 Определить число сеансов связи с глубокими замираниями.

4 Определить максимальное число замираний за сеанс длительности t_c.

5 Рассчитать максимальное число сеансов связи за летний месяц.

6 Рассчитать относительное число сеансов с возможным снижением качества связи из-за глубоких замираний сигнала за время сеанса (без учета замираний из-за дождей).

7 Рассчитать надежность передачи информации в процентах.

8 Рассчитать надежность передачи информации с учетом дождей.

Расчет суммарной мощности шумов в ТФ каналах ЦРРЛ

Мощность шумов на выходе ТФ канала ЦРРЛ определяется по формуле

                                                               (7.5)

где n – число пролетов ЦРРЛ; Р_КВ – мощность шумов квантования;

Р_Ш – мощность шумов, возникающая из-за ошибочного приема символов.

                                                                            (7.6)

где m_C  – число разрядов в двоичном коде ИКМ (m_C=7 – 8).

Для системы ИКМ-ЧР

                       (7.7)

где F_В – верхняя частота группового спектра;

ΔF_К – 3,1 кГц;

Р_СР – средний уровень многоканального ТФ сообщения в дБ по отношению к 1 мВт;

Р_ОШ – вероятность ошибки;

μ – коэффициент, показывающий во сколько раз частота дискретизации больше 2F_В (для F_Д=8 кГц; μ=1,8).

Для случая передачи МТС с числом каналов 60 (в дБпВт)

                                .                              (7.8)

Общий алгоритм расчетов [15], который заключается в последовательном подборе параметров аппаратуры и трассы для достижения заданных качественных показателей, показан на рисунке 7.2.

Рисунок 7.2. – Общий алгоритм расчета ЦРРЛ

 

8 Лекция 8. Системы спутниковой связи;

основные принципы построения; параметры орбиты; виды орбит

Цель лекции: ознакомиться с принципами построения систем спутниковой связи.

Принцип организации спутниковой системы связи и вещания достаточно прост: с помощью ракеты-носителя на заданную орбиту вокруг Земли запускается искусственный спутник (ИСЗ), на борту которого размещается приемо-передающее устройство (радиоретранслятор), на Земле устанавливаются земные станции (ЗС) с параболическими антеннами и с устройствами для постоянного наведения на антенну ИСЗ. Сигналы на фиксированных частотах, посылаемые с земной станции, принимаются и усиливаются радиоретранслятором ИСЗ и после преобразования на другие частоты излучаются антенной ИСЗ в сторону земных станций- корреспондентов, где они принимаются, усиливаются и преобразуются до выделения сообщения.

Конфигурация систем СС зависит от типа искусственного спутника Земли, вида связи и параметров земных станций. Для построения систем СС используются в основном три разновидности ИСЗ, показанные на рисунке 8.1: на высокой эллиптической орбите (ВЭО), геостационарной орбите (ГСО) и низковысотной орбите (НВО). Используются также спутники на средневысотной орбите (СВО). Каждый тип ИСЗ имеет свои преимущества и недостатки

 

 

 

Рисунок 8.1 – Виды орбит ИСЗ

Примером ИСЗ с ВЭО могут служить спутники типа "Молния" с периодом обращения 12 часов, наклонением 63° , высотой апогея над северным полушарием 40 тысяч км, перигея –  500 км . Движение ИСЗ в области апогея замедляется, при этом длительность радиовидимости составляет 6…8 ч. Преимуществом данного типа ИСЗ является большой размер зоны обслуживания при охвате высокоширотных абонентов. Недостатком ВЭО является необходимость слежения антенн за медленно дрейфующим спутником и их переориентирования с заходящего спутника на восходящий, кроме того достаточно сильно проявляется эффект Доплера.

Уникальной орбитой является ГСО – круговая орбита с периодом обращения ИСЗ 24 часа, лежащая в плоскости экватора, с высотой 35875 км от поверхности Земли. Орбита синхронна с вращением Земли, поэтому спутник оказывается неподвижным относительно земной поверхности. Достоинства ГСО: зона обслуживания составляет около трети земной поверхности, трех спутников достаточно для почти глобальной связи, практически отсутствует эффект Доплера, антенны земных станций практически не требуют систем слежения. Однако в северных широтах спутник виден под малыми углами к горизонту и вовсе не виден в приполярных областях, из-за большой протяженности трассы эхо-сигналы, возникающие при несогласованности в точках перехода от 4-х проводной цепи к 2-х проводной, могут создать серьезную помеху разговору (требуется применять эхо-заградители) .

Характеристики ряда орбит приведены в таблице 8.1.

Т а б л и ц а  8.1

 

"Низколеты" запускаются на круговые орбиты, плоскость которых наклонена к плоскости экватора (полярные и квазиполярные орбиты) с высотой порядка 200..2000 км над поверхностью Земли. Запуск легкого ИСЗ на низкую орбиту может быть осуществлен с помощью недорогих пусковых установок. Однако скорость перемещения ИСЗ относительно поверхности Земли достаточно велика, в результате длительность сеанса от восхода спутника до его захода не превышает несколько десятков минут.

Диапазоны рабочих частот систем СС регламентированы МСЭ-Р, различны для участков Земля-ИСЗ и ИСЗ-Земля и лежат в пределах 2..40 ГГц.

Для систем СС существуют некоторые особенности передачи сигналов:

- запаздывание сигналов – для геостационарной орбиты около 250 мс в одном направлении. Является одной из причин появления эхо-сигналов при телефонных переговорах;

- эффект Доплера – изменение частоты сигнала, принимаемого с движущегося источника. Для скоростей много меньших скорости света v_r/c<<1 изменение частоты составляет f=f₀/(1± v_r/c). Наиболее сильно эффект Доплера проявляется для ИСЗ, использующих негеостационарные орбиты.

В зависимости от назначения системы СС и типа земных станций регламентом МСЭ различаются следующие службы:

 - фиксированная спутниковая служба для связи между станциями, расположенными в определенных фиксированных пунктах, а также распределения телевизионных программ;

 - подвижная спутниковая служба для связи между подвижными станциями, размещаемыми на транспортных средствах (самолетах, морских судах, автомобилях и пр.);

- радиовещательная спутниковая служба для непосредственной передачи радио и телевизионных программ на терминалы, находящиеся у абонентов.

Фиксированная спутниковая служба (ФСС). На начальном этапе развития ФСС развивалась в направлении создания систем магистральной связи с применением крупных земных станций с диаметрами зеркала антенн порядка 12..30 м. В настоящее время функционирует около 50 систем ФСС. В качестве примеров можно отметить системы СС "Молния-3", "Радуга", "Горизонт" и международные системы Intelsat и Eutelsat. Развитие ФСС идет по направлениям увеличения срока службы ИСЗ, повышения точности удержания ИСЗ на орбите, разработки и совершенствования многолучевых антенн, а также возможности работы на антенны земных станций малого диаметра (1,2..2,4 м) (системы VSAT).

Подвижная спутниковая служба (ПСС). В силу международного характера работы транспорта для его управления создаются международные системы глобальной спутниковой связи, например, система морской спутниковой связи Inmarsat, которая введена в действие в 1982 году. Функционально она содержит геостационарные спутники, расположенные над Атлантическим, Индийским и Тихим океанами; береговые станции, установленные на различных континентах, и разветвленную сеть судовых станций различных стандартов. В настоящее время системой Inmarsat пользуется около 15 тысяч судов. В рамках организации Inmarsat решается проблема создания системы авиационной спутниковой связи.

Успехи в космических технологиях последних лет, а также достижения в микроэлектронике, появление эффективных алгоритмов параметрического компандирования речевых сигналов, разработка лазерных линий межспутниковой связи вызвали большой интерес к использованию легких низколетящих ИСЗ для ПСС. Поддержание большой (десятки аппаратов) группировки ИСЗ на НВО для обеспечения непрерывности связи оказывается экономически целесообразно ввиду относительно малой стоимости вывода спутника на НВО и возможностью создания систем с малогабаритными абонентскими станциями, имеющими изотропные антенны.

Различают два типа СС с НВО. В наиболее простых из них пакеты информации передаются через ИСЗ-ретранслятор непосредственно или с задержкой на время пролета по трассе. Второй тип систем обеспечивает непрерывную связь. Зоны радиовидимости отдельных ИСЗ объединяются в единое информационное пространство.

Примером такой системы служит международный проект Iridium, возглавляемый фирмой Motorola. Система базируется на 66 легких (масса 689 кг) ИСЗ, равномерно размещенных на 6 полярных орбитах (по 11 ИСЗ на каждой орбите) высотой 780 км, плоскости которых разнесены на 30° , но совпадают по фазам движения. Каждый ИСЗ связан с четырьмя соседними. Ретранслятор работает на многолучевую антенну с числом лучей 48, что позволяет организовать в системе 2100 активных лучей одновременно, т.е. создать сотовую зону обслуживания на всей поверхности Земли.

В системе принят многостанционный доступ с частотно-временным разделением каналов, для межспутниковых линий и станций сопряжения предусматривается диапазон частот "K" 19..29 ГГц, для абонентских линий "Земля-ИСЗ" и "ИСЗ-Земля" – использование двух полос в диапазоне частот "L" 1610..1626,5 МГц. Система Iridium сможет охватить связью до 1,5 млн. абонентов. Применяются двухрежимные абонентские терминалы: режим Iridium и режим одного из стандартов сотовой подвижной связи (например, GSM). При нахождении абонента в зоне обслуживания системы сотовой связи, он обслуживается данной системой. Когда абонент покидает зону обслуживания системы сотовой связи, автоматически происходит его переключение на обслуживание системой СС Iridium.

Радиовещательная спутниковая служба (РСС). РСС реализует одно из основных направлений развития телекоммуникаций – персонализацию, т.е. телевизионные программы принимаются непосредственно на индивидуальные приемники абонентов. МСЭ утвердил международный план спутникового ТВ вещания в диапазоне 12 ГГц (НТВ-12). В планах зафиксированы точки стояния ИСЗ на ГСО, номера частотных каналов, параметры бортовой передающей аппаратуры. Для спутников бывшего СССР выделены пять точек стояния: 23° , 44° , 74° , 110° и 140° восточной долготы. Следует отметить, что из-за исторически сложившегося развития технических средств, для непосредственного телевидения применяется также диапазон 11 ГГц, выделенный для ФСС.

К 1992 году для НТВ-12 в мире использовалось более 80 спутников, среди которых TV-SAT-1, TV-SAT-2, TDF-1, TDF-2, TELE-X и др.

Для широкого внедрения НТВ необходимы многопрограммные спутники с нескольким десятком программ с тем, чтобы с приобретением сравнительно дорогого приемного оборудования абонент (зритель) смог бы резко увеличить свой телевизионный выбор. В этой связи являются актуальными работы в области цифрового сжатия телевизионных изображений, позволяющего передавать в одном частотном стволе до 6..10 программ одновременно.

 

 

Рисунок 8.2 – Орбитальные высоты для спутниковых созвездий

 

На рисунке 8.2 приведены орбиты: ГО, CВО, НКО, а также орбиты ИСЗ спутниковых радионавигационных систем: GPS (6 круговых орбит высотой примерно 20 тысяч км, наклонением 55°, с периодом обращения 12 час 24-ти спутников) и ГЛОНАСС (3 круговых орбиты высотой 19100 км, наклонением 64,8°, с периодом обращения 11час 15мин 44сек также 24 спутников).

Затемненным цветом на рисунке отмечены радиационные пояса Земли, здесь орбиты не располагаются, поскольку пояса  неблагоприятно сказываются на работоспособности солнечных батарей ИСЗ.

9 Лекция 9. Геостационарная орбита; выбор диапазона частот

Цель лекции: Научиться рассчитывать азимут и угол места для геостационарного спутника, ознакомиться с диапазонами частот для ССС.

При проектировании ССС и ССВ необходимо знать геометрические соотношения, определяющие взаимное расположение ЗС и ИСЗ – угол места β и азимут А – рисунок 1.3.3.

Рисунок 9.1– Определение азимута А и угла места β для геостационарного спутника

 

Точка пересечения с поверхностью Земли радиуса-вектора, проведенного в точку размещения спутника из центра Земли, называется подспутниковой.

Угол места  (угол возвышения) β – угол между направлением на спутник и проекцией этого направления на плоскость, касательную к поверхности Земли в точке размещения ЗС.

Азимут А – угол между направлением на север и проекцией направления ИСЗ на касательную плоскость.

Исходные данные для расчета угла места и азимута для геостационарного спутника:

широта ЗС –  φ_N, ◦;

долгота ЗС –  λ_N, ◦ ;

широта ИСЗ – φ_ИСЗ, ◦=0;

долгота подспутниковой точки – λ₀, ◦ ;

γ₀=R_З/(R_З+Н) =0,15;

δ=| λ_N –  λ₀|

cosψ=cos φ_Ncosδ.

В результате

β =arctg[(cosψ – 0,15)/sinψ],

A=arcos(tg φ_N/tgψ).

                                                         (9.1)

При этом d будет достигать максимального значения d_макс=42250км при ψ =75◦ северной широты.

Использование различных частот для систем радиосвязи и вещания, включая спутниковые, строго регламентируется международными организациями. Это необходимо для достижения совместимости различных систем, а также для предотвращения взаимных помех при работе различных служб. В 1977 году состоялась Всемирная административная радиоконференция (WARC-77) по планированию вещательной спутниковой службы, на которой был принят ныне действующий Регламент радиосвязи. В соответствии с ним вся территория Земли разделена на три района, для вещания в каждом из которых выделены свои полосы частот.
          Район 1 включает Африку, Европу, Россию, Монголию и страны СНГ.
          Район 2 охватывает территорию Северной и Южной Америки.
          Район 3 - это территории Южной и Юго-Восточной Азии, Австралия и островные государства Тихо-Океанского региона.

В соответствии с этим регламентом для систем спутниковой связи выделено несколько диапазонов частот, указанных в таблице 1.3.2, каждый из которых получил условное обозначение буквой латинского алфавита.

Т а б л и ц а  9.1

Наименование диапазона	Полоса частот в ГГц
L -диапазон	1,452-1,550 и 1,610-1,710
S - диапазон	1,93 - 2,70
C - диапазон	3,40 -5,25 и 5,725 - 7,075
X - диапазон	7,25 - 8,40
Ku - диапазон	10,70 - 12,75 и 12,75 - 14,80
Ka - диапазон	15,40 - 26,50 и 27,00 - 30,20
K - диапазон	84,0 - 86,0

 

При этом направление Земля – Спутник обозначается «», направление Спутник – Земля – «», а отсутствие стрелки означает невозможность использования данной полосы частот в указанном районе. Выделенные полосы частот обозначают по округленным значениям, например 6/4.

Большинство действующих систем спутниковой связи на базе геостационарных спутников работают в диапазонах С (6/4 ГГц) и Ku (14/11 ГГц). Эффективность приемных зеркальных антенн ("тарелок") пропорциональна числу длин волн, укладывающихся в ее поперечнике. А длина волны с увеличением частоты уменьшается. Следовательно, при одинаковой эффективности размеры антенн уменьшаются с увеличением частоты. Если для приема в диапазоне С требуется антенна 2,4 - 4,5 м, то для диапазона Ku ее размер уменьшится до 0,6 - 1,5 м, для диапазона Ка он может быть уже 30 - 90 см, а для К- диапазона - всего 10 - 15 см.

При одинаковых размерах антенна в диапазоне Ku имеет коэффициент усиления примерно на 9,5 дБ больше, чем в диапазоне C. Обычно, ЭИИМ – эквивалентная изотропно-излучаемая мощность спутников в диапазоне C не превышает 40-42 дБ, тогда как в диапазоне Ku нередки уровни ЭИИМ 50-54 дБ для систем фиксированной спутниковой связи, и даже 60-62 дБ для спутников систем НТВ. По тем же причинам, коэффициент усиления приемных антенн на спутниках-ретрансляторах в диапазоне Ku выше, чем в диапазоне C. В результате, размеры антенн и мощность передающих устройств земных станций в диапазоне Ku в большинстве случаев меньше, чем в диапазоне C. Например, для работы со спутником "Горизонт" в диапазоне C требуются земные станции с антеннами не менее 3,5 м и передатчиком около 20 Вт. В то же время, земные станции с такой же пропускной способностью для работы со спутником "Интелсат" (Intelsat) в диапазоне Ku могут оснащаться антеннами диаметром 1,2 м и передатчиком 1 Вт. Стоимость первой станции примерно в два раза выше, чем второй при одинаковых пользовательских характеристиках.

Для работы систем спутниковой связи выделяются определенные полосы частот, в рамках которых возможно размещение большого числа каналов. При используемых в настоящее время методах модуляции полоса частот одного симплексного (однонаправленного) канала, выраженная в килогерцах (кГц), примерно равна скорости передачи, выраженной в килобитах в секунду (кбит/с). Таким образом, для передачи данных в одном направлении со скоростью 64 кбит/с требуется полоса около 65 кГц, а для канала Е1 (2048 кбит/с) необходима полоса частот около 2 МГц. Для двухсторонней (дуплексной) связи требуемую полосу необходимо удвоить. Следовательно, для организации дуплексного канала со скоростью передачи 2 Мбит/с потребуется полоса частот около 4 МГц. Это соотношение выполняется и для большинства других радиоканалов, а не только спутниковых.

Для стандартного спутникового ствола с полосой 36 МГц максимальная скорость передачи составляет около 36 Мбит/с. Но большинству пользователей такие высокие скорости не нужны и они используют лишь часть этой полосы. Поэтому в одном стволе спутника могут работать десятки пользователей и необходимо предпринимать меры по разделению сигналов различных пользователей.

10 Лекция 10. ЭИИМ передающей станции; добротность приемной станции; типовые значения энергетических параметров ЗС и КС

Цель лекции: ознакомиться с основными энергетическими параметрами ССС.

Рассмотрим один участок спутниковой линии связи, состоящей из передающего и приемного устройств, передающей и приемной антенны и тракта распространения.

Энергетический потенциал передающей станции оценивается эквивалентной изотропно-излучаемой мощностью (ЭИИМ в дБВт).

ЭИИМ ЗС задается частотным планом и не должна превышать максимальное для данного класса ЗС значение.

Максимальная ЭИИМ ЗС складывается из мощности излучения всех подключенных к антенне передатчиков, увеличенной на коэффициент усиления антенны. Величина максимальной ЭИИМ вычисляется по формуле

ЭИИМ = 10 * lg[ Р₁ + Р₂ + : + Р_N ] – L_АВТ + G_П=Е

где: Р₁, Р₂, Р_N –  максимальные мощности передатчиков, Вт, на входе антенно-волноводного тракта (АВТ);
         L_АВТ –  затухание антенно-волноводного тракта , дБ;
         G_П  – усиление антенны на передачу, дБ.

Неточность поддержания ЭИИМ, не выше точки снижения коэффициента усиления на 1 дБ, на выходе передающего устройства, при любых возмущающих воздействиях, кроме изменений условий распространения в свободном пространстве должна быть не более +2 дБ в течение 24 ч.

Энергетический потенциал приемной  станции достаточно полно характеризует добротность приемной станции (в дБ/К).

Значение энергетической добротности приемной системы земной станции нормируется во всем диапазоне рабочих частот для условий чистого неба. Величина добротности, дБ/К, определяется по формуле

                                  G/Т = G_ПР – 10 * lg[T_Σ]                                  (10.1)

где G_ПР – усиление антенны на прием пересчитанное к входу МШУ, дБ;
         Т_Σ – суммарная эквивалентная шумовая температура антенны и малошумящего усилителя (МШУ), пересчитанная к входу МШУ, град. Кельвина.

Для практических расчетов все составляющие суммарной шумовой температуры удобно пересчитать к облучателю приемной антенны

                                 Т_Σ=Т_А+Т₀(1/η_ПР – 1)+Т_ПР/ η_ПР                          (10.2)

где Т_А – результирующая шумовая температура антенны, К;

Т₀=290 К – физическая температура окружающей среды;

η_ПР – коэффициент передачи (по мощности) волноводного тракта приемной станции от облучателя антенны до входа приемника;

Т_ПР – собственная шумовая температура приемника, К.

Шумовая температура приемных антенн ЗС и ИСЗ зависят от шумовой температуры атмосферы, Т_А, шумовой температуры, обусловленной тепловым излучением Земли, Т_З, и шумовой температуры, обусловленной шумами космического происхождения Т_КОСМ.

Шумовая температура приемника обусловлена его собственными тепловыми шумами, зависит от типа приемника,  и, в основном, определяется шумовой температурой входного МШУ, зависящей также от частоты. Наиболее рациональным является МШУ, шумовая температура которого близка к результирующей шумовой температуре антенны.

Антенная система, включая антенно-волноводный тракт ЗС, должна обеспечить передачу и прием сигналов соответствующих по полосе частот и поляризации параметрам космического аппарата.

Минимальное значение коэффициента усиления антенны земной станции нормируется во всем диапазоне рабочих частот. Величина коэффициента усиления антенны на передачу (и прием), дБ, определяется по формуле

                                         Gа = 10 * lg[K * (πD/λ)² ]                           (10.3)

где D и λ – диаметр антенны и длина волны, выраженные в одних единицах;
          К = 0,5 – 0,7 – коэффициент использования поверхности раскрыва антенны.

Уровень первого бокового лепестка ДН антенны на передачу (и прием) не должен превышать минус 14 дБ относительно уровня главного лепестка.

Типовая ЗС (рисунок 10.1) системы фиксированной спутниковой связи (ФСС) состоит из следующих основных узлов:
          - станция космической связи (СКС);
          - каналообразующая аппаратура (КОА);
          - оконечное оборудование;
          - аппаратура соединительных линий.

Станция космической связи обеспечивает прием и передачу информации по спутниковому каналу. Она включает в себя антенную систему, приемо-передающее оборудование и преобразователи частоты. Размеры антенны и мощность передатчика определяются ЭИИМ спутника и качеством его приемных антенн, а также частотной полосой передаваемого сигнала.

Каналообразующая аппаратура формирует и обрабатывает модулирующий сигнал, обеспечивает процедуру многостанционного доступа (мультиплексирование / демультиплексирование сигналов), кодирование и декодирование сигналов, их модуляцию-демодуляцию. Связь каналообразующей аппаратуры с СКС осуществляется на промежуточной частоте, обычно 70 МГц, иногда - 140 МГц.

Состав оконечного оборудования зависит от назначения земной станции и вида передаваемой информации. Для сетей передачи данных это могут быть сборщики/разборщики пакетов, пакетные коммутаторы и т.д. В системах телефонной связи сюда входят модемы, кодеры и декодеры, коммутаторы и АТС.

Рисунок 10.1 –  Структурная схема земной станции

 

Аппаратура соединительных линий предназначена для сопряжения земных станций с наземными линиями связи и аппаратурой пользователей.)

Структурная схема ЗС «Москва» приведена в [1].

Под КС обычно понимаются спутники-ретрансляторы. Они состоят из двух основных узлов: космической платформы и бортового ретранслятора – рисунок 10.2.

Бортовой ретранслятор (рисунок 10.3) принимает сигналы земных станций, усиливает их и передает на землю. С помощью бортовых антенн, передаваемый спутником сигнал фокусируется в один или несколько лучей, чем обеспечивается формирование необходимой зоны обслуживания.

Основными характеристиками спутников связи являются количество радиочастотных каналов (ретрансляторов) или стволов, мощность передатчиков в каждом стволе (обычно представляемая как эквивалентная изотропно излучаемая мощность или ЭИИМ), количество и размеры зон обслуживания. Для уменьшения взаимных помех передача сигнала со спутника (Downlink) ведется на частоте, отличной от частоты передачи сигнала с земли на спутник (Uplink). Поэтому ретрансляторы спутника имеют в своем составе преобразователи частоты. Обычно частота Downlink ниже, чем линии Uplink.

Космическая платформа предназначена для поддержания работы спутника связи. Основными функциями космической платформы являются обеспечение бортового ретранслятора электропитанием и удержание спутника на заданной орбите. Электропитание бортовой аппаратуры осуществляется обычно от солнечных батарей и резервных аккумуляторов.

 

 

Рисунок 10.2 –  Схема узлов спутника

Количество, размеры и формы зон обслуживания определяются конструкцией антенн.

 

Рисунок 10.3 – Упрощенная схема бортового ретранслятора (3 ствола)

 

Под влиянием гравитационных сил спутник отклоняется от заданной орбиты, из-за чего необходимо периодически проводить ее коррекцию, используя специальные реактивные двигатели, установленные на спутнике. Поэтому значительную долю веса геостационарных спутников составляет вес двигательной установки и горючего для корректирующих двигателей. Запас горючего для коррекции орбиты, наряду с надежностью и долговечностью бортовой аппаратуры, определяет срок активного существования спутников связи.

Оперативное управление бортовыми системами и их контроль осуществляется бортовой вычислительной машиной. Кроме того, вся телеметрическая информация о состоянии систем спутника передается на землю. Наземный комплекс управления (НКУ) по результатам телеметрического контроля и измерения параметров орбиты спутника передает на него команды по коррекции орбиты и управлению бортовой аппаратурой.

В зависимости от диаграммы направленности бортовых антенн ИСЗ характеризуется зоной покрытия – частью поверхности земного шара, в пределах которой обеспечивается уровень сигналов от ИСЗ, необходимый для приема с заданным качеством на ЗС.

В связи с нестабильностью водится понятие гарантированной зоны обслуживания, в которой обеспечивается сохранение указанных ранее условий приема и передачи при любых сочетаниях отклонений ИСЗ и антенны ИСЗ от среднего положения.

Типовые структурные схемы бортовых ретрансляционных комплексов описаны в [1].

 

11 Лекция 11. Энергетический расчет спутниковой лини связи

 

Цель лекции: Изучить методику расчета спутниковой лини связи.

Задача энергетического расчета – определение основных энергетических параметров, обеспечивающих требуемое качество передачи сигналов по спутниковой линии связи.

Выбираем общую структуру системы, в результате чего определяем диапазоны частот, методы многостанционного доступа и использование полосы частот, режим работы ретранслятора, используемые виды и параметры модуляции, зоны обслуживания и т. п.

Энергетическими параметрами линии связи являются мощность передатчика, коэффициенты усиления передающей и приемной антенн, эквивалентная шумовая температура приемного устройства в целом.

Рассмотрим один участок спутниковой линии, состоящей из передающего и приемного устройства, антенного тракта и тракта распространения, как это показано на рисунке 11.1.

Пропускная способность спутниковой линии ограничивается, с одной стороны, шириной полосы пропускания, а с другой – энергетикой участка «вниз».

Эквивалентная изотропно излучаемая мощность (ЭИИМ) передающей станции

                                                                              (11.1)

где Р_ПЕР – эффективная мощность на выходе передатчика;

η_ПЕР – коэффициент передачи по мощности волноводного тракта;

G_ПЕР – коэффициент усиления передающей антенны относительно изотропного излучателя.

Затухание энергии сигнала в свободном пространстве – уменьшение плотности потока мощности при удалении от излучателя

                                                                               (11.2)

где λ- длина волны;

d – наклонная дальность (расстояние между передающей и приемной антеннами).

 

Рисунок 11.1 – Структурная схема и диаграмма уровней одного участка линии спутниковой связи

Полное значение потерь на трассе

                                             .                                       (11.3) 

При согласовании волновых сопротивлений антенны, элементов тракта и приемника мощность сигнала на входе приемника

                .      (11.4)

Если S_ПР – эффективная площадь апертуры антенны, то ее коэффициент усиления имеет вид

                                                                          (11.5)

то

                     .              (11.6)

Формула позволяет определить необходимую мощность передатчика по заданному значению мощности сигнала на входе приемника.

Если заданы не мощность сигала на входе приемника, а отношение сигнал-шум на входе приемника , то в формулу  необходимо подставить , где суммарная мощность шума выражается формулой

                                          ,                                     (11.7)

где K – постоянная Больцмана;

Т_Σ – эквивалентная шумовая температура всей приемной системы с учетом внутренних и внешних шумов;

Δf – эквивалентная шумовая полоса приемника.

Иногда при расчете энергетики спутниковых линий необходимо знать напряженность электромагнитного поля, создаваемого излучением ИСЗ на поверхности Земли А₀, или плотность потока мощности излучения ИСЗ у поверхности Земли W

;         (11.8, 11.9)

где r₀=120π – волновое сопротивление свободного пространства, А₀ измеряется в милливатт на метр (мВ/м);

W – в ватт на квадратный метр (Вт/м²).

Следовательно

                                   .                          (11.10)

Качество связи оценивается для цифровых методов передачи частостью ошибок, приходящихся на 1 бит. При этом для различных случаев частость ошибок составляет 10^-6, 10^-4, 10^-3. При правильных методах измерений она близка к вероятности ошибочного приема

    .     (11.11)

Е_Э/N₀ выбирается из таблиц [c. 111] для различных видов модуляции.

В роли критерия качества при передаче ТФ сообщений аналоговым методом используют мощность шума на выходе канала, при передаче ТВ сообщений – отношение сигнал-шум на выходе канала, а при использовании цифровых методов – часть ошибок, которая определяется отношением мощности сигнала к мощности шума на входе приемника.

На практике лучше использовать более общий критерий – отношение средней мощности модулированного сигнала на входе демодулятора к средней мощности шума, называемый отношение несущая-шум и и определяемый по формуле

                             (11.12)        

где Р_С – средняя мощность модулированного сигнала в полосе П_Ш на входе демодулятора, Вт;

П_Ш – ширина полосы пропускания тракта, предшествующего демодулятору (шумовая полоса), Гц;

Т_Σ – эквивалентная эффективная шумовая температура приемника ЗС, включающая в себя шумовую температуру антенны и приемника, К;

k=1,38·10²³ Вт/(Гц·К) – постоянная Больцмана.

Во многих случаях удобно использовать отношение средней мощности модулированного сигнала к спектральной плотности мощности шума, Гц или дБ·Гц.

Например, при передаче ТВ с помощью ЧМ параметры качества на входе демодулятора и выходе канала связаны следующим образом

           (11.13)

где [С/Ш] – отношение мощности сигнала, соответствующей квадрату напряжения сигнала изображения (без синхроимпульсов), к визометрически взвешенной мощности шума, дБ;

F_2ТВ – верхняя граничная частота спектра ТВ сообщения, которая должна быть принята равной 5 МГц при использовании унифицированного взвешивающего фильтра (УВФ);

ΔfТВ=Δf_р/0,7 – полный размах девиации частоты ( с учетом синхроимпульсов);

Δf_р – размах девиации частоты, соответствующий сигналу изображения (без синхроимпульсов);

κ_Σ=κ_ПИ+κ_ТВ – результирующий выигрыш, обусловленный введением предыскажений и использованием взвешивающего визометрического фильтра, учитывающего особенности спектральной чувствительности человека.

При κ_Σ=13,2 дБ(УВФ) получим

                       .            (11.14)

Учитываем наличие порогового уровня.

 

12 Лекция 12. Технические параметры  существующих и перспективных ССС 

Цель лекции: ознакомиться с техническими параметрами ССС «Горизонт».

В зависимости от видов передаваемой информации спутниковые системы подразделяют на многофункциональные (универсальные) и специализированные.

По охватываемой территории, размещению и принадлежности ССС различают следующие спутниковые системы (организации): международные глобальные (консорциум «Интелсат» – самая крупная организация, образована в 1964 г.; в 1995г. его членами являлись 135 государств, в том числе и Казахстан); международные региональные («Arabsat», «Thuraya»); национальные («Экран»).

Через спутники системы Intelsat, размещенные группами над Атлантическим, Индийским и Тихим океанами, передается примерно 2/3 международного телефонного трафика и осуществляется почти весь ТВ обмен, часть стволов сдается в аренду более чем 30 странам для организации национальных ССС.

Международная организация космической связи «Интерспутник» образована в 1971 г. В системе функционирует около 50 ЗС, ее услугами пользуются более 100 государств и частных компаний многих стран мира.

Международная система ПСС Inmarsat была создана для обеспечения связью морских судов, находящихся в любой точке Мирового океана. Затем был разработан ряд АС и ЗС, обеспечивающих автоматической связью сухопутные и авиационные подвижные средства. В настоящее время использует специализированные ИСЗ Inmarsat.

Технические параметры некоторых существующих и перспективных ССС приведены в таблице 12.1.

Т а б л и ц а  12.1

Параметры спутниковых систем	Intelsat	«Интерспутник»		Inmarsat
Статус	Глобальная	Глобальная		Глобальная
ИСЗ	Intelsat VII (VII А)	«Экспресс»	«Галс»	Inmarsat IIF1 – IIF4
Позиция на ГО	1º, 18º, 50º, 53º з. д.; 66 º, 174 º, 177 º в. д.	80 º в. д.	36 º в. д.	64,5 º, 178 º в, д.; 15,5 º, 54,5 º з. д.
Год запуска	1994, 1996, 1995, 1995, 1995, 1993, 1994	1996	1994	1990, 1991, 1991, 1992
Расчетный срок существования, лет	14	3/5	5 – 7	10
Масса ИСЗ, кг	1473	2500	2500	824
Мощность источника питания, Вт	4000 (5300)	2400	2400	1142
Диапазон, ГГц	6/4; 14/11	6/4; 14/11	17/22	1,6/1,5; 6/4
Число стволов на ИСЗ	26+10 (14)	5+1	3	–
Зона обслуживания	ГЛ; 2*ПГЛ; 4*ЗЛ; УЛ; 3*УЛ (14/11)	ГЛ; ПГЛ;  УЛ (14/11)	2*УЛ	ГЛ

П р о д о л ж е н и е  т а б л и ц ы  12.1

Мощность на ствол, Вт	20/30 (ГЛ; УЛ); 10/16 (ПГЛ; ЗЛ); 35/50 (14/11)	15	2*80 1*50	–
ЭИИМ. дБВт	26/29 (ГЛ); 33 (ПГЛ; ЗЛ); 33/36 (УЛ); 47/45 (УЛ 14/11)	25,6 (ГЛ);  28 (ПГЛ); 326,8 (14/11)	53	24 (6/4); 39 (1,6/1,5)
Полоса частот ствола, МГц	10*36; 22*72; 4*112 (8*112)	36	27	–
Добротность ИСЗ, дБ/К	-12 (ГЛ);  -8,5 (ПГЛ)	-17 (ГЛ; ПГЛ); -10 (14/11)	0	–
Пропускная способность, каналы	–	–	3 ТВ	250/125
ГЛ – глобальный луч; ПГЛ – полуглобальный луч; ЗЛ – зоновый луч; УЛ – узкий луч; ШЛ – широкий луч.

Система «Горизонт» – основная  сеть спутниковой связи России, работает на базе одноименных спутников. Универсальные спутники предназначены для передачи различных видов информации: телевидения, телефонии, данных радиовещания и пр.

Технические характеристики серии «Горизонт» и ее транспондеров (направленные передатчики спутника)  приведены в таблицах 12.2, 12.3.

Т а б л и ц а  12.2

Назначение	передача данных, телевидение, телефония, Интернет, радиовещание, видеоконференцсвязь, и др.
Орбита	геостационарная
Точность удержания на орбите	±0,5° (в направлении запад-восток) ±2° (в направлении север-юг)
Срок службы	3 года
Стабилизация	трехосная
Мощность, потребляемая ретранслятором	1200 Вт
Вес	2300±25 кг
Мощность источников питания	1700 Вт
Антенны	2 приемных 17°х17°, глобальная 1 приемная 6°х12°, зоновая 1 приемная 5°х5°, зоновая 2 передающих 17°х17°, глобальная 1 передающая 9°х18°, полуглобальная 1 передающая 6°х12°, зоновая 1 передающая 5°х5°, зоновая

Т а б л и ц а  12.3

Параметры	C-диапазон	Ku-диапазон
Количество транспондеров	6	1
Ширина полосы частот, МГц	34/40	34
Центральные частоты (передача/прием) МГц	№6 - 6000/3675 №7 - 6050/3725 №8 - 6100/3775 №9 - 6150/3825 №10 - 6200/3875 №11 - 6250/3925	№12 - 14325/11525
Выходная мощность, Вт	10.5 (5 транспондеров) 65 (1 транспондер)	15 (1 транспондер)
Поляризация сигнала	круговая	круговая
передача	левого вращения	левого вращения
прием	правого вращения	правого вращения
ЭИИМ в центре луча, дБВт	28,5 - 47,5	39,5
Добротность в центре луча, дБ/К	-13,0 (3 транспондера) -8,0 (3 транспондера)	-5,0 (1 транспондер)

Типичная загрузка стволов: 6-й и 10-й используются для организации ТВ вещания на сеть станций «Москва» и «Орбита», 8-й ствол используется для организации малоканальной  связи с частотным многостанционным доступом. Остальные стволы используются в основном для организации многоканальной связи методом временного или частотного многостанционного доступа.

Конструкция ретранслятора позволяет подключать группы стволов к различным приемным и передающим бортовым антеннам. Так, все нечетные стволы могут подключаться либо к глобальной антенне с раскрывом 17*17°, либо к Зоновой антенне с раскрывом 6*12°. 

-й ствол при использовании в ТВ системе «Москва» подключается к узконаправленной антенне с раскрывом 5*5°, а при использовании в ТВ системе «Москва – Глобальная» – к глобальной антенне. При этом узконаправленная антенна имеет возможность перенацеливания в несколько фиксированных точек на поверхности Земли.

Земная сеть состоит из ЗС различной сложности и пропускной способности с антеннами диаметром 12 и 25м и являются центрами спутниковой связи соответствующих регионов.

Периферийные станции, создаваемые на базе станций «Орбита», имеют антенны диаметром 12 м и обеспечивают дуплексную связь между собой и центральными станциями.

В системе «Горизонт» работают ряд независимых сетей: «Интерспутник», «Орбита», «Москва – Глобальная», «Жарык» и другие.

13 Лекция 13. Электромагнитная совместимость

 

 Цель лекции: Ознакомиться с основными видами мешающих воздействий, методикой из расчета и методами снижения взаимных помех

Согласно Регламенту Радиосвязи (основному документу МСЭ) и соответственно “Таблице распределения полос частот между радиослужбами Республики Казахстан” РРЛ прямой видимости, входящие в состав фиксированной службы, могут работать на первичной основе в совмещенных полосах частот как со спутниковыми системами связи, так и с другими наземными системами связи. Ясно, что при такой работе существует вероятность возникновения взаимных помех.

Взаимные помехи, возникающие при совместном использовании общих участков полос частот, можно разделить на внутрисистемные и внешние. В РРЛ внутрисистемные помехи создаются мешающими сигналами от соседних стволов, сигналами, принимаемыми с обратного  направления за счет задних лепестков диаграммы направленности антенны, сигналами от станций, отстоящих на три интервала и т. д. Источниками внешних помех являются соседние РРЛ, ССС, ССВ, сигналы радиолокационных станций, использующих общие полосы частот.

В ССС основной причиной внутрисистемных помех является недостаточная развязка между сигналами различных ЗС, находящихся в зоне обслуживания и использующих общий ретранслятор.

 C целью уменьшить помехи со стороны РРЛ на оборудование других систем связи на параметры РРЛ накладываются определенные ограничения:

-                          (Р_ПРД×η_ПРД)_МАКС ≤ 13дБВт при f=1 – 10ГГц;

-                          (Р_ПРД×η_ПРД)_МАКС ≤ 10дБВт при f>10 ГГц;

-                          (Р_ПРД×η_ПРД)_МАКС ≤55дБВт при f> 1 ГГц.

Совместное использование общих полос частот обеспечивается двумя основными методами: с помощью международной координации характеристик и параметров новых систем с существующими системами и на плановой основе, с помощью согласованных в международном масштабе планов.

При проектировании ССС в соответствии с  утвержденным в международном масштабе планом (ВАКР-77) необходимость в анализе ЭМС практически отпадает.

Для оценки взаимных помех между геостационарными спутниковыми сетями, совместно использующими общие полосы частот, в Регламенте радиосвязи приводится установленная методика расчета. Она основана на представлении, что при воздействии мешающих сигналов увеличивается шумовая температура системы, подвергающейся помехам. При этом отпадает необходимость в большом количестве подробных сведений о параметрах взаимодействующих систем, что существенно упрощает расчет. Вычисляется кажущееся относительное увеличение шумовой температуры существующей спутниковой линии, обусловленное воздействием мешающих сигналов, создаваемых проектируемой системой.

                               .                               (13.1)

Здесь  – эквивалентное приращение шумовой температуры приемного устройства на спутнике ССС1, вызванное воздействием на него мешающего сигнала от передатчика ЗС2, работающего в составе ССС2 (приращение на участке «вверх»);

 – эквивалентное приращение шумовой температуры приемного устройства ЗС1, вызванное воздействием на него мешающего сигнала от передатчика ССС2 (приращение на участке «вниз»); γ – коэффициент передачи по мощности участка спутниковой линии ССС1 от выхода приемной антенны ретранслятора до выхода приемной антенны ЗС1, обычно меньше 1;

Y – безразмерный коэффициент, учитывающий дополнительное ослабление мешающего сигнала за счет несовпадения его поляризации с поляризацией полезного сигнала. При круговой поляризации на обеих ССС с противоположными направлениями вращения Y=4.

При этом

                        ,                 (13.2)

                                        (13.3)

где  – максимальные значения спектральной плотности мощностей, подводимых к передающим антеннам соответственно ЗС2 и спутника ССС2, создающего помехи дя ССС1,Вт/Гц;

– коэффициент усиления передающей антенны ЗС2 в направлении на спутник ССС1;

 – коэффициент усиления приемной антенны на спутнике ССС1 в направлении на ЗС2;

 – коэффициент усиления передающей антенны на спутнике ССС2 в направлении на ЗС1;

 –  коэффициент усиления приемной антенны ЗС1 в направлении на спутник ССС2;

θ_t – отсчитываемый с поверхности Земли угол между спутниками ССС1 и ССС2;

k – постоянная Больцмана;

 – суммарные потери энергии радиоволн в тракте распространения на участках «вверх» и «вниз».

Полученное значение сравнивается  с допустимым, которое составляет 4% суммарной температуры соответствующей спутниковой линии. В случае превышения допустимого значения между проектируемой и существующей системами требуется координация, предусматривающая анализ ЭМС и более точный расчет взаимных помех.

Помехи со стороны передатчиков фиксированной спутниковой службы, размещенных на космических аппаратах, оказываются приемлемыми. Это обеспечивается наложением ограничений на плотность потока мощности, создаваемой у поверхности Земли.

Типовой помеховый сценарий между РЭС беспроводного доступа и ЗС ФСС предполагает наличие базовой станции с всенаправленной или секторной антенной, абонентских станций, размещенных в произвольных точках зоны обслуживания сети, с направленными антеннами, строго ориентированными на свои базовые станции, и собственно земной станции, работающей с КА на геостационарной орбите, как это показано на рисунке  13.1.

Условие ЭМС между сетью беспроводного доступа и ЗС ФСС считается выполненным, если будет одновременно обеспечена электромагнитная совместимость каждой станции сети беспроводного доступа, рассматриваемой как потенциальный источник помех, и земной станции, рассматриваемой как приемник помех.

В ходе проведения оценки ЭМС следует учитывать, что помимо основных и побочных каналов проникновения мешающих сигналов на вход приемника ЗС ФСС, в ряде случае достаточно опасным является эффект блокировки элементов высокочастотного тракта. Это связано, главным образом, с тем, что современные малошумящие усилители ЗС ФСС имеют достаточно широкую полосу пропускания, которая составляет 1100-1500 МГц.

На практике производится расчет взаимных помех, которые зависят от ряда факторов, включающих мощности передатчиков, тип модуляции, усиление антенн в направлении мешающих сигналов, допустимые уровни помех на входе приемников, механизмы распространения радиоволн, радиоклиматические условия, расстояние между станциями и профиль окружающей местности.

Рисунок 3.1 – Типовой помеховый сценарий между РЭС

 

Для спутниковых станций строятся координационные зоны и в том случае если станции РРЛ оказываются за пределами этих зон, расчеты взаимных помех можно не проводить.

Для снижения взаимных помех могут быть изменены взаимное расположение спутников, параметры сигналов и антенн, мощности передатчиков, а также использованы компенсаторы помех или специальные сигналы дисперсии несущей.

Среди методов уменьшения помех, рекомендованных комиссиями МСЭ-Р для обеспечения ЭМС в полосе частот 3400-3600 МГц, следует выделить применение искусственных и естественных экранов. Они могут обеспечить дополнительное затухание мешающего сигнала до 15 дБ. Более эффективными являются естественные экраны больших размеров (дом, гора, лес, группа деревьев и т.д.). По имеющимся оценкам развязка в этом случае может достигать 40-50 дБ [5].

Другим методом уменьшения помех является применение секторных антенн. При выборе соответствующего правила распределения частот между секторами сети беспроводного доступа (чтобы частоты не совпадали в соседних секторах), можно всегда спланировать работу ЗС так, чтобы ее рабочий номинал не совпадал с номиналом рабочей частоты сектора. Дополнительная развязка по пространству может составить в этом случае до 20-25 дБ.

Традиционным методом уменьшения помех является введение частотной расстройки между радиосигналами затронутого и мешающего РЭС.

 

Список литературы

1. Спутниковая связь и вещание:  Справочник.  Под ред. Л.Я.Канто­ра.- М.: Радио и связь, 1997. - 344 с.

2. Цифровые и аналоговые системы передачи: Учебник для ВУЗов. Под ред. В.И.Иванова.-2-е изд. -М.: Горячая линия-Телеком, 2003. –232 с.

3 Невдяев Л.М.,Смирнов А.А.   Персональная спутниковая связь. -М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 1998.-216c.

4 Мамаев Н.С. Спутниковое телевизионное вещание. Приемные устройства. -М.: Радио и связь, 2000.

5 Тяпичев Г.А. Спутники и цифровая радиосвязь. -М.: Тех Бук, 2004.-288с.

6  Горностаев Ю.М. и др.   Перспективные спутниковые системы связи/ Горностаев Ю.М.,Соколов В.В., Невдяев Л.М. -М.:Горячая линия-Телеком, 2000.-132c.

7. Мордухович Л.Г.,  Степанов А.П.  Системы радиосвязи. Курсовое проектирование. -М.: Радио и связь, 1987.- 192 с.

8 Бадалов А.Л., Михаилов А.С. Нормы на параметры электромагнит­ной совместимости РЭС:  Справочник.  -М.: Радио и связь, 1990.

9. Феер К.   Беспроводная цифровая связь:Методы модуляции и расширения спектра:Пер.с англ./Под ред.В.И.Журавлева.-М.:Радио и связь, 2000.-520с.

10. Машбиц Л.М.   Компьютерная картография и зоны спутниковой связи.-М.:Радио и связь, 2000. -256с.

11.   Немировский А. С.,Рыжков Е. В.Системы связи и радиорелейные линии.- М.: Связь, 1980. – 432с.

12. Справочник по радиорелейной связи. Под ред. С. В. Бородича. – М.: Радио и связь, 1981. – 415с.

13. Мордухович Л. Г. Радиорелейные линии связи. – М.: Радио и связь, 1989. – 160с.

14 Хенне И., Торвальдсен П. Проектирование радиорелейных линий прямой видимости. – Nera Telecommunication, 1994. – 1545с.

15 Учебное пособие Лобача В.С.   http://vlobatch.narod.ru

16 Кунегин С.В.  http://kunegin.narod.ru

 

Cводный план 2007 г., поз. 212     

 

Клочковская Лариса Павловна

Сарженко Людмила Ивановна