Некоммерческое акционерное общество
АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ
Кафедра телекоммуникационных систем
ОРГАНИЗАЦИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ОКАЗАНИЯ СПУТНИКОВЫХ
И РАДИОРЕЛЕЙНЫХ УСЛУГ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ КОМПАНИЙ
Методические указания к выполнению расчетно-графических работ
для магистрантов специальности 6N0719 –
Радиотехника, электроника и телекоммуникации
СОСТАВИТЕЛЬ: Клочковская Л.П. Организация и технология оказания спутниковых и радиорелейных услуг телекоммуникационных компаний. Методические указания к выполнению расчетно-графических работ для магистрантов специальности 6N0719 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации. – Алматы: АИЭС, 2009. – 29 с.
Представлены методические указания к расчету и оформлению расчетно-графических работ. Приведены варианты заданий и необходимая справочная информация для выполнения РГР.
Введение
Основной задачей расчета расчетно-графических работ является определение параметров спутниковой, радиорелейной системы связи.
В первой задаче необходимо выполнить проектирование спутниковой линии «вниз» с определением зоны видимости выбранного спутника.
Вторая задача посвящена расчету мощности и напряжения сигнала на входе приемника радиорелейной станции.
Третья задача дает представление об электромагнитной совместимости спутникового и наземного ТВ.
1 Задание к выполнению расчетно-графических работ
Задача № 1
Первая половина группы – рабочий диапазон частот 6/4 ГГц.
Вторая половина группы – рабочий диапазон частот 14/11 ГГц.
Приемную ЗС выбирают в Республике Казахстан, название начинается с буквы начала фамилии, например: Алиев – г.Аркалык.
Задача № 2
Рассчитать среднюю мощность и напряжение сигнала на входе приемника аппаратуры NERA на интервале, РРЛ профиль которого построить по заданным отметкам земли.
Таблица 1
№ |
R0, км |
H1/R1, м/км |
H2/R2, м/км |
H3/R3, м/км |
H4/R4, м/км |
H5/R5, м/км |
Диапазон частот, ГГц |
у |
Pпд, дБм |
G, дБм |
1 |
48 |
130/0 |
100/15 |
130/25 |
140/35 |
140/48 |
7,125-7,725 |
0,99 |
28,0 |
46,0 |
2 |
45 |
230/0 |
200/10 |
250/15 |
230/30 |
230/45 |
8,200-8,500 |
0,98 |
28,0 |
37,4 |
3 |
40 |
150/0 |
170/10 |
150/25 |
140/35 |
140/40 |
8,200-8,500 |
0,96 |
28,0 |
37,4 |
4 |
35 |
330/0 |
350/20 |
320/25 |
320/30 |
320/35 |
7,900-8,400 |
0,93 |
27,6 |
41,6 |
5 |
25 |
150/0 |
150/5 |
150/15 |
150/20 |
150/25 |
12,750-13,250 |
0,80 |
24,0 |
42,4 |
6 |
30 |
200/0 |
210/10 |
230/15 |
240/20 |
240/30 |
7,900-8,400 |
0,87 |
27,6 |
41,6 |
7 |
15 |
250/0 |
270/5 |
280/10 |
270/12 |
210/15 |
14,500-15,150 |
0,70 |
21,0 |
43,7 |
8 |
12 |
180/0 |
180/2 |
210/6 |
200/8 |
200/12 |
17,700-19,700 |
0,65 |
18,0 |
39,5 |
9 |
18 |
180/0 |
160/5 |
190/10 |
180/15 |
180/18 |
14,500-15,350 |
0,73 |
19,0 |
43,7 |
0 |
20 |
250/0 |
270/5 |
230/12 |
210/14 |
210/20 |
17,700-19,700 |
0,75 |
18,0 |
39,5 |
Примечание: вариант 2-й и 3-й задачи выбирается по последней цифре зачетной книжки. РРЛ расположена в центральном Казахстане ; .
Задача № 3
Рассчитать плотность потока мощности спутникового ТВ вещания у поверхности земли и сравнить с допустимым значением в зависимости от диапазона ССС и угла места ЗС (см. задачу 1). Для уменьшения помех в наземных системах излучений от спутника максимальная плотность потока мощности, развиваемая у поверхности земли должна удовлетворять условиям:
, (1.1)
где – угол места;
для 3,440…7,750 ГГц;
для 10,700…11,700 ГГц;
для 12,200…12,750 ГГц.
Таблица 2
№ |
Dv, МГц |
Диапазон ТВ – средняя частота, МГц |
Коэффициент шума приемника, дБ |
Коэффициент усиления антенны, дБ |
Коэффициент передачи АФТ, дБ |
Качество изображения, баллы |
1 |
12,0 |
1 – 57 |
10,0 |
4,0 |
-1,0 |
4,50 |
2 |
11,0 |
2 – 88 |
9,0 |
4,5 |
-1,4 |
3,90 |
3 |
15,0 |
3 – 202 |
8,5 |
8,0 |
-2,2 |
3,80 |
4 |
13,0 |
4 – 526 |
7,5 |
10,0 |
-4,2 |
4,40 |
5 |
14,0 |
5 – 686 |
10,0 |
10,0 |
-5,0 |
4,00 |
6 |
15,0 |
1 – 57 |
9,0 |
4,2 |
-1,0 |
3,90 |
7 |
12,0 |
2 – 88 |
8,5 |
4,7 |
-1,4 |
3,85 |
8 |
11,5 |
3 – 202 |
8,0 |
8,5 |
-2,3 |
4,20 |
9 |
11,0 |
4 – 526 |
7,5 |
9,0 |
-4,1 |
4,00 |
0 |
16,0 |
5 – 686 |
10,0 |
10,0 |
-4,9 |
3,90 |
Примечание: вариант выбирается по последней цифре; девиация частоты Dv и качество изображения – по предпоследней цифре зачетной книжки.
2 Методические указания к решению задачи № 1
2.1 Выбор орбиты ИСЗ
Для создания систем связи и вещания обычно используют геостационарный спутник, следует проверить размещается ли заданная зона обслуживания в пределах зоны видимости ИСЗ с указаниями точек расположения станций.
2.2 Выбор точки стояния ИСЗ
Точка стояния ИСЗ на ГО выбирается примерно в середине (по долготе) зоны обслуживания, что обеспечивает максимальное значение углов места для ЗС системы. Иногда эту точку смещают к западу от центра зоны, чтобы затенение ИСЗ происходило после наступления полуночи, когда каналы вещания могут быть выключены. Спутник выбирается согласно приложению А.
Зона видимости определяется по диаграмме (Приложение Б) в зависимости от угла места и географических данных земной станции и спутника.
Например, угол места φ=10°; координата спутника 66°в.д.; координаты земной станции 42°с.ш., 73°в.д. Определяем разность по долготе между земной станцией и спутником: Δλ=73°-66°=7°.
На диаграмме в пересечении Δλ и φ определяем широту края зоны видимости 60° (по горизонтальной линии, проведенной через точку пересечения Δλ и φ). Далее определяем координаты зоны видимости:
долгота: 66°-60°=6°в.д.; 66°+60°=126°в.д.;
широта: 72° с.ш.; 72° ю.ш.
2.3 Расчет параметров бортовой системы ИСЗ
2.3.1 Выбор мощности передатчика ствола бортового ретранслятора ИСЗ, подводимой к передающей антенне спутника.
Выбираем спутник согласно Приложения А и определяем его параметры: тип луча, угловые размеры луча и мощность на ствол.
Пример. Выбран спутник Intelsat 7 с узким лучом 5°×5°. Мощность передатчика (17 дБВт).
2.3.2 Определение коэффициента усиления антенны бортового ретранслятора.
Определяем необходимые параметры луча антенны: точку прицеливания (земная станция), угловые размеры луча Ф0, Ф1.
, (2.1)
где Ф0 , Ф1 – углы раскрыва антенны ИСЗ.
Пример. Используем узкий луч, угловые размеры которого Ф0=Ф1=5°.
.
2.3.3 Расчет эквивалентной изотропно-излучаемой мощности.
, (2.2)
где Рб – мощность передатчика ИСЗ, дБВт;
ηб=0,8 (–0,97 дБ) – КПД АФТ;
Gб – коэффициент усиления антенны ИСЗ, дБ.
Пример.
2.3.4 Определение плотности потока мощности (дБВт/м2), создаваемой у поверхности Земли [1], стр. 499.
, (2.3)
где , [1], стр. 150-165;
– ослабление сигнала на линии ИСЗ-ЗС из-за сферического расхождения радиоволн (частота f в МГц, наклонная дальность d в км);
Lдоп – дополнительные потери.
, (2.4)
где f – частота, МГц;
d – наклонная дальность, км.
Наклонная дальность определяется по формуле
, (2.5)
где cosψ=cosξ·cosΔλ;
ξ – широта приемной станции;
Δλ – разность по долготе между ЗС и КС.
Дополнительные потери
Lдоп=La·Lg·Lн·Lп, (2.6)
где La – поглощение в спокойной атмосфере (Приложение В);
Lg – потери в гидрометеорах (Приложения Г, Д);
Lн – потери из-за наведения антенны;
Lп – потери из-за несогласования поляризации антенн (Приложение Е). Здесь l1 и l2 – коэффициенты эллиптичности (отношение малой полуоси эллипса к большой) передающей и приемной антенн соответственно.
Потери в гидрометеорах
Lg=L’g·lэ, (2.7)
где L’g – определяется по приложению Г;
lэ – эквивалентная длина пути, определяемая по приложению Д.
Потери из-за наведения антенны
, (2.8)
где θ – угол измеренный относительно максимального излучения;
θ0,5 – ширина диаграммы направленности по уровню половинной мощности.
, (2.9)
где g = 0,5…0,6 – коэффициент использования поверхности антенны.
Пример. Широта приемной станции ξ=42°, разность по долготе между ЗС и КС Δλ=7°; используется диапазон частот 14/11 ГГц. Тогда
.
Для частоты f=11 ГГц и угла места φ=10° поглощение в спокойной атмосфере La=0,8 дБ.
При интенсивности дождя для Казахстана ε=22 мм/час L’g=0,2 дБ, lэ=16 км. Тогда потери в гидрометеорах составят Lg=0,2·16=3,2 дБ.
Коэффициент использования поверхности антенны примем равным g=0,6; угол q – равным 0,1°. Тогда ширина диаграммы направленности по уровню половинной мощности равна , а потери из-за наведения антенны
Потери из-за несогласования поляризации антенн Lп определяем по приложению Е. Для этого сначала определим коэффициенты эллиптичности в зависимости от углов раскрыва передающей и приемной антенн. Примем углы раскрыва передающей и приемной антенн одинаковыми. Тогда коэффициенты эллиптичности: , . Для найденных коэффициентов согласно Приложения Е Lп=0,2 дБ.
Таким образом, дополнительные потери равны Lдоп=0,8+3,2+1,015+0,2=5,2 дБ (3,31 раза), суммарные потери составят .
Плотность потока мощности, создаваемой у поверхности Земли .
2.4 Расчет параметров приемника ЗС
2.4.1 Определение мощности шумов на входе приемника ЗС.
, (2.10)
где k = 1,38.10-23 – постоянная Больцмана;
– суммарная шумовая температура, К;
Δfств – эффективная полоса частот ствола.
Суммарная шумовая температура:
. (2.11)
где ТА – шумовая температура антенны ЗС;
Т0 = 290 К,
h – КПД АВТ ЗС;
;
– коэффициент шума приемника ЗС.
Для учета помех от других систем связи увеличиваем на 20%.
Пример. Для шумовой температуры антенны ЗС ТА=40К; h=0,8; коэффициента шума суммарная шумовая температура равна , а мощность шумов .
Для учета помех от других систем связи увеличиваем на 20% и получаем .
2.4.2 Определение мощности сигнала на входе приемника ЗС.
Для спутниковых систем связи: . Тогда
. (2.12)
Пример. Примем отношение . Тогда мощность входного сигнала .
2.4.3 Определение коэффициента усиления антенны ЗС.
Уравнение спутниковой линии:
(2.13)
Отсюда
Пример.
2.4.4 Определение диаметра антенны ЗС.
, (2.14)
где , м – длина волны.
Диаметр антенны выбираем согласно приложения И для определенного стандарта системы спутниковой связи.
Пример. Частоте f=11 ГГц соответствует длина волны Тогда необходимый диаметр антенны равен .
Согласно приложения И, DA=10 м для стандарта Е3.
2.4.5 Определение предельно допустимой пропускной способности ствола.
. (2.15)
Существует несколько стандартов цифрового телевидения:
4:4:4 – 324 Мбит/сек;
4:2:2 – 216 Мбит/сек;
4:1:1 – 162 Мбит/сек.
Стандарт цифрового телевещания выбираем по величине пропускной способности ствола.
Пример. . По пропускной способности подходит стандарт цифрового телевидения 4:2:2. При этом объединяются потоки сигнала яркости – 108 Мбит/сек и двух цветоразностных сигналов R-Y и B-Y=108 Мбит/сек.
2.5 Проверка методом построения диаграммы уровней
Рисунок 1 – Диаграмма уровней
Вывод: расчетная величина мощности сигнала на входе приемника ЗС равна мощности, определенной по диаграмме уровней.
3 Методические указания к решению задачи № 2
Исходные данные:
Средняя длина волны λ, м; протяженность интервала R0, км; расстояние до критической точки профиля Ri, км; КПД АВТ η.
3.1 Построение продольного профиля интервала РРЛ
Продольный профиль интервала представляет собой вычерченный в определенном масштабе вертикальный разрез местности по линии, соединяющей две соседние радиорелейные станции.
Построение продольных, профилей производится в прямоугольной системе координат с применением разных масштабов по горизонтали и вертикали. Высоты откладываются на профиле по вертикали (по оси ординат), и отсчет их ведется не от горизонтальной линии профиля, а от линии кривизны земной поверхности, принимаемой за линию уровня моря или за условный нулевой уровень, имеющий вид параболы:
(3.1)
где x(R) – текущая координата дуги нулевого уровня, м;
R0 – протяженность интервала, км;
R – расстояние от левого конца интервала, км, до точки, в которой определяется величина х;
RЗ =6370 км – радиус Земли.
Максимальная высота препятствия, создаваемого выпуклостью земной поверхности, для любой протяженности интервала R0 при R=R0/2 с достаточной для практических расчетов степенью точности можно принять равной
. (3.2)
Пример. Для R0=46 км .
3.2 Выбор оптимальных высот подвеса антенн
Из-за неравномерности вертикального градиента диэлектрической проницаемости атмосферы радиолуч получает искривление, что приводит к ухудшению радиосвязи. Если он встречается с естественным препятствием, то связь нарушается. Поэтому, необходимо правильно определить просвет трассы путем правильного выбора высот подвеса антенн.
3.2.1 Радиолуч перемещается внутри зоны Френеля, которая представляет собой эллипсоид вращения в точке приема и передачи. Минимальный радиус зоны Френеля определяется по формуле
, (3.3)
где – относительное расстояние до препятствия.
Пример. Для Ri=R(Hmax)=34,5 км относительное расстояние до препятствия . Минимальный радиус зоны Френеля для длины волны λ=0,082 м .
3.2.2 Среднее значение изменения просвета за счет рефракции, существующее в течение 80% времени, вычисляется по формуле
, (3.4)
где и – соответственно среднее значение, и стандартное отклонение вертикального градиента проницаемости.
При длине пролета меньше 50км стандартное отклонение должно определяться по формуле
. (3.5)
Пример. Так как длина пролета меньше 50 км, то стандартное отклонение равно и Среднее значение изменения просвета за счет рефракции .
3.2.3 Просвет в отсутствии рефракции радиоволн (при g=0) рассчитывается по формуле
. (3.6)
Пример. .
3.2.4 Высоты подвеса антенн определим из рисунка 2. Для этого от критической точки профиля откладывается расстояние Н(0) и через данную точку проводится луч, соединяющий антенны.
Численно высоты подвеса антенн можно определить по формулам
h1=xmax+H(0)+MN–CD, (3.7 а)
h2=xmax+H(0)+MN–YZ, (3.7 б)
где MN – максимальная высота профиля относительно УНУ;
CD, YZ – высота профиля соответственно в начале и в конце тракта в зависимости от типа антенны – передающей или приемной.
Рисунок 2 – Построение продольного профиля пролета РРЛ и расчет оптимальный высот антенн для данного профиля
Пример. h1=41,47+17,4+60–20=99 м; h2=41,47+17,4+60–60=59 м.
3.2.5 Среднее значение просвета на пролете
. (3.8)
Пример.
3.2.6 Относительный просвет
. (3.9)
Пример.
3.2.7 Далее находят ширину препятствия r: на чертеже профиля пролета проводят прямую параллельно радиолучу на расстоянии Н0 от вершины препятствия (см. рисунок 2). Относительная длина препятствия определяется по формуле
. (3.10)
Пример.
3.2.8 Параметр µ, характеризующий аппроксимирующую сферу
, (3.11)
где =1.
Пример. .
3.2.9 Значение множителя ослабления для известных величин и определяют по рисунку Ж.1 приложения Ж.
Пример. Для и множитель ослабления равен.
3.3 Определение мощности входного сигнала
3.3.1 Определяем мощность сигнала на входе приемника при распространении радиоволн в свободном пространстве
, (3.12)
где РПД – мощность передатчика, Вт;
G – коэффициент усиления антенны, разы.
Пример. Для РПД=200 Вт, G=39,5 дБ (8900 раз) .
3.3.2 Средняя мощность сигнала на входе приемника определяется по формуле
. (3.13)
Пример. .
3.3.3 Среднее напряжение сигнала на входе приемника при согласовании его входного сопротивления с волновым сопротивлением фидера W=75 Ом
. (3.14)
Пример. .
4 Методические указания к решению задачи № 3
4.1 Определение защитного отношения.
, (4.1)
где А0υ – защитное отношение при значении девиации частоты, дБ;
Dυ0 – опорная девиация, МГц, определяется по рисунку К.1 приложения К для заданного качества изображения k и девиации ЧМ сигнала Dυ, МГц.
Пример. Для А0υ=46 дБ, Dυ0=16 МГц защитное отношение равно
4.2 Согласно приложения Л определяем отношение сигнал/шум по известному А0, [3], стр. 75.
Пример. Для А0=48,25 дБ отношение сигнал/шум равно Vc/Vш=49,2 дБ.
4.3 Эффективное значение напряжения шумов на входе приемника, [3], стр. 75:
, (4.2)
где k=1,38·10-23 Дж/К – постоянная Больцмана;
Т0=290К;
Та–эффективная температура шумов антенны;
∆f=5 МГц – ширина эффективной полосы шумов приемника для цветного изображения;
R=75 Ом – входное сопротивление приемника;
N – коэффициент шума приемника;
f, МГц – частота диапазона ТВ;
ηф – коэффициент передачи АФТ.
Пример. По рисунку М.1 приложения М определяем зависимость Ta/Т0 от частоты для типовой приемной ТВ антенны: Ta/Т0=1,6 дБ (1,45 раза). Коэффициент шума приемника N=10, частота диапазона f=200 МГц, коэффициент передачи ηф=-1дБ (0,8). Тогда значение напряжения шумов равно .
4.4 Уровень сигнала на входе приемника, при котором обеспечивается заданный класс качества k,
Vc=Vc ∕ Vш+Vш. (4.3)
Пример. При отношении Vc/Vш=49,2 дБ и напряжения шумов Vш=–108 дБ уровень (напряжение) сигнала равно Vc=49,2+(–108)= – 58,8 дБ.
4.5 Напряженность поля
Е=Vc–G–ηф+20lg(2πf/c), (4.4)
где G – коэффициент усиления антенны, дБ.
Пример. Е=–58,8–8–1+20lg(2π·200·106/3·108)=–53,3 дБ.
4.6 Для обеспечения ЭМС наземного и спутникового ТВ вещания нормируют значение максимально допустимой плотности потока мощности последнего у поверхности Земли, [3], стр. 73-74:
, (4.5)
где Fк – значение плотности потока мощности сигнала, при котором обеспечивается заданное качество приема;
Dd – коэффициент, учитывающий разницу усилении приемной антенной полезного и мешающего сигналов;
Dp – коэффициент, учитывающий поляризационную защиту;
Mr – коэффициент, учитывающий влияние отражений от земной поверхности;
Mi – коэффициент, учитывающий возможность приема мешающих сигналов от нескольких спутников одновременно.
Выбор перечисленных коэффициентов [3], стр. 74.
Минимальное значение напряженности поля сигнала для наземной ТВ службы с АМ-ОБП установлены МККР. Плотность потока мощности:
, (4.6)
где Е – напряженность поля, дБ.
Пример. Плотность потока мощности для заданного качества приема Допустимая плотность потока мощности для Dd=0, Dр=3 дБ, Мr=3 дБ, Мi=0 равна
Сравним рассчитанное значение ППМ с допустимым, рассчитанным по (1.1): больше, чем . Это значит, что спутник оказывает мешающее влияние приему наземного ТВ.
Список литературы
1 Бартенев В.А., Болотов В.Г., Быков В.Л. и др. Спутниковая связь и вещание. Справочник. Под редакцией Л.Я.Кантора. – М.: Радио и связь, 1997. – 527 с.
2 Тимищенко М.Г. Проектирование радиорелейных линий. – М.: Радио и связь, 1986. – 240 с.
3 Локшин М., Шур А.А. и др. Сети телевизионного и звукового ОВЧ ЧМ вещания. Справочник. – М.: Радио и связь, 1988. – 144 с.
4 Клочковская Л.П. Спутниковые системы радиосвязи и телевещания. Методические указания к выполнению курсовой работы. – Алматы, АИЭС, 2007. – 18 с.
ПРИЛОЖЕНИЕ А
Таблица А.1 – Параметры спутниковых систем
1 ГЛ – глобальный луч; ПГЛ – полуглобальный луч; ЗЛ – зоновый луч; УЛ – узкий луч; ШЛ – широкий луч; ЮВА – Юго-Восточная Азия.
Продолжение таблицы А.1
Продолжение таблицы А.1
Продолжение таблицы А.1
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
Диаграмма для определения зоны видимости геостационарного ИСЗ
Рисунок Б.1 – Диаграмма для определения зоны видимости геостационарного ИСЗ
ПРИЛОЖЕНИЕ В
Частотная зависимость поглощения радиоволн в спокойной атмосфере (без дождя) при различных углах места
Рисунок В.1 – Частотная зависимость поглощения радиоволн в спокойной атмосфере (без дождя) при различных углах места
ПРИЛОЖЕНИЕ Г
Частотная зависимость коэффициента поглощения в дожде различной интенсивности
Рисунок Г.1 – Частотная зависимость коэффициента поглощения в дожде различной интенсивности
ПРИЛОЖЕНИЕ Д
Зависимость эквивалентной длины пути сигнала в дожде различной интенсивности от угла места антенны земной станции
Рисунок Д.1 – Зависимость эквивалентной длины пути сигнала в дожде различной интенсивности от угла места антенны земной станции
ПРИЛОЖЕНИЕ Е
Зависимость потерь из-за несогласованности поляризации передающей и приемной антенн от эллиптичности поляризации
Рисунок Е.1 – Зависимость потерь из-за несогласованности поляризации передающей и приемной антенн от эллиптичности поляризации
ПРИЛОЖЕНИЕ Ж
Зависимость множителя ослабления V от параметров и
Рисунок Ж.1 – Зависимость множителя ослабления V от параметров и
ПРИЛОЖЕНИЕ И
Таблица И.1 – Стандарты системы Intelsat
ПРИЛОЖЕНИЕ К
Зависимость качества изображения от защитного отношения при мешающем ЧМ ТВ сигнале с разной пиковой девиацией частоты для АМ-ОБП телевидения
Рисунок К.1 – Зависимость качества изображения от защитного отношения при мешающем ЧМ ТВ сигнале с разной пиковой девиацией частоты для АМ-ОБП телевидения
ПРИЛОЖЕНИЕ Л
Зависимость порога заметности ЧМ ТВ сигнала на ТВ изображении от уровня шумов
Рисунок Л.1 – Зависимость порога заметности ЧМ ТВ сигнала на ТВ изображении от уровня шумов
ПРИЛОЖЕНИЕ М
Зависимость отношения от частоты для типовой приемной ТВ антенны
Рисунок М.1 – Зависимость отношения от частоты
для типовой приемной ТВ антенны
Содержание
1.. Задание к выполнению расчетно-графических работ
2.. Методические указания к решению задачи № 1
3.. Методические указания к решению задачи № 2