Некоммерческое акционерное общество
Алматинский университет энергетики и связи
Кафедра телекоммуникационных систем

 

ОРГАНИЗАЦИЯ И ТЕХНОЛОГИИ ОКАЗАНИЯ СПУТНИКОВЫХ
И РАДИОРЕЛЕЙНЫХ УСЛУГ  ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ КОМПАНИЙ

Методические указания к выполнению расчетно-графических работ
для магистрантов специальности
6М071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации

 

Алматы 2013

Составители: Клочковская Л.П., Самоделкина С.В. Организация и технологии оказания спутниковых и радиорелейных услуг  телекоммуникационных компаний. Методические указания к выполнению расчетно-графических работ для магистрантов специальности 6М071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации. – Алматы: АУЭС, 2013г., - 31с

Представлены задачи, методические указания к их расчету и оформлению. Приведены примеры  и необходимая справочная информация для решения задач.  Ил. 8, табл 8, библиогр. – 14.

Рецензент: доцент Башкиров М.В.

Печатается по плану издания некоммерческого акционерного общества «Алматинский университет энергетики и связи» на 2013г.

© НАО «Алматинский университет энергетики и связи», 2013 г.

Введение

Основной целью расчетно-графических работ по дисциплине «Организация и технологии оказания спутниковых и радиорелейных услуг  телекоммуникационных компаний» является изучение методов расчета параметров спутниковых и радиорелейных линий связи  различных телекоммуникационных систем.

Расчетно-графические работы позволяют освоить специфику теории распространения радиоволн в спутниковых и радиорелейных линиях связи и особенности параметров аппаратуры космического и наземного сегментов.

Методические указания состоят из трех расчетно-графических работ.

В первой работе необходимо произвести расчет вероятности нарушения связи из-за многолучевого распространения радиоволн на пролете РРЛ.

Во второй работе нужно рассчитать энергетические характеристики цифрового канала связи с M-QAM модуляцией, произвести расчет вероятности ошибки от отношения несущая/шум (C/N) или ее цифрового нормированного значения E b /N o .

В третьей работе требуется рассчитать энергетический выигрыш в низкоорбитальных спутниковых системах в зависимости от высоты орбиты.

1 Расчет вероятности нарушения связи из-за многолучевого распространения радиоволн на пролете РРЛ

 

Цель: научить магистрантов методам расчета плоских и селективных замираний на пролетах РРЛ и делать соответствующие выводы об устойчивости связи.

1.1 Постановка задачи

Диэлектрическая проницаемость пространства, разделяющего передатчик и приёмник, влияет на прохождение сигнала в тропосфере. При определенном состоянии пространства радиолучи преломляются и поступают в приемную антенну, где суммируются с прямым лучом. В зависимости от амплитудно-фазовых соотношений между этими сигналами определяется результирующий сигнал на входе приёмника. Характер изменения амплитуды и фазы суммируемых сигналов определяет два вида замираний сигнала.

Если все компоненты полезного сигнала уменьшаются в равной степени, то  такие замирания называются «плоские» [1].

А когда подавляются отдельные компоненты спектра, вызывая его искажения,  то замирания – «селективные». Причины появления этих замираний  разные.

Необходимо произвести расчет плоских и селективных замираний на пролете радиорелейной линии.

Сделать вывод об устойчивости связи.

1.2 Варианты заданий

Таблица1. 1 – Исходные данные (последняя цифра зачетной книжки)

 

Варианты

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

Длина пролета РРЛ, км

25

32

22

42

24

31

30

36

45

47

Таблица 1.2 – Данные для построения профиля

Вариант 1

 

Отметка Земли, м

680

670

710

730

710

f, ГГц

Расстояние, км

0

0,3·R0

0,6·R0

0,8·R0

R0

15

Вариант 2

 

Отметка Земли, м

590

600

620

640

650

f, ГГц

Расстояние, км

0

0,3·R0

0,6·R0

0,8·R0

R0

12

Вариант 3

 

Отметка Земли, м

420

490

480

480

470

f, ГГц

Расстояние, км

0

0,2·R0

0,4·R0

0,6·R0

R0

25

Вариант 4

 

Отметка Земли, м

480

460

480

420

490

f, ГГц

Расстояние, км

0

0,2·R0

0,4·R0

0,6·R0

R0

6

Вариант 5

 

Отметка Земли, м

400

490

480

540

520

f, ГГц

Расстояние, км

0

0,2·R0

0,4·R0

0,7·R0

R0

20

Вариант 6

 

Отметка Земли, м

600

650

710

730

750

f, ГГц

Расстояние, км

0

0,3·R0

0,6·R0

0,8·R0

R0

15

Вариант 7

 

Отметка Земли, м

350

430

410

420

380

f, ГГц

Расстояние, км

0

0,2·R0

0,5·R0

0,7·R0

R0

12

Вариант 8

 

Отметка Земли, м

580

600

650

670

640

f, ГГц

Расстояние, км

0

0,3·R0

0,6·R0

0,8·R0

R0

10

Вариант 9

 

Отметка Земли, м

480

450

480

540

520

f, ГГц

Расстояние, км

0

0,2·R0

0,4·R0

0,7·R0

R0

8

Вариант 0

 

Отметка Земли, м

300

330

350

280

290

f, ГГц

Расстояние, км

0

0,11·R0

0,44·R0

0,88·R0

R0

7

Примечание: вариант выбирается по сумме двух последних цифр зачетной книжки. Например, №04Б768, значит вариант = 6 + 8 = 14, т.е. вариант 4.

Таблица 1.3 – Исходные данные

Параметры

Варианты

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

Коэффициенты усиления передающей антенны, GПРД дБ

45,5

46

47

45

46,5

47,5

44

44,5

46,5

45

Коэффициент усиления приемной антенны, GПРМ, дБ

42

43

41

39

44

41

40

39

42

41

Коэффициент системы,  Sc, дБ

115

110

120

117

116

118

121

114

119

113

Коэффициент полезного действия антенно-фидерного тракта, дБ

4

5

5,5

3,5

4

5

5,5

3,5

4

5

Примечание: вариант выбирается по сумме двух последних цифр зачетной книжки. Например, №04Б768, значит вариант = 6 + 8 = 14, т.е. вариант 4.

1.3 Методические указания к выполнению расчетно-графической работы 1

1.3.1 Расчет плоских замираний.

Рассмотрим причины и расчет плоских замираний.  

Причинами плоских замираний являются в основном ослабление сигнала на пролете РРЛ и равномерное уменьшение амплитуды спектральных составляющих сигнала в случае преломления в тропосфере.

Для определения плоских замираний необходимо произвести предварительный расчет пролета РРЛ [2, 3].

Радиус кривизны Земли на пролете:

,

где R0 – длина пролета, в км.

Минимальный радиус зоны Френеля определяется по формуле:

,

где  – длина волны, м;

 – относительное расстояние до препятствия.

Просвет в отсутствии рефракции радиоволн определяется по формуле:

,

где  и  – соответственно среднее значение и стандартное отклонение вертикального градиента проницаемости (см. таблицу 1.4).

Таблица 1.4 – Среднее значение и стандартное отклонение вертикального градиента проницаемости

Район

Районы прикаспийской низменности

– 13

10

Пустынные районы Южного Казахстана

– 6

10

Степная полоса Казахстана

– 7

9

При длине пролета меньше 50 км стандартное отклонение должно определяться по формуле:

,

где  – значение стандартного отклонения, м-1;

y – находится по рисунку 1.1.

Рисунок 1.1 – К определению параметра «y»

Высоты подвеса антенн можно определить по формулам:

h1=xmax+H(0)+MN–CD,   h2=xmax+H(0)+MN–YZ,

где MN – максимальная высотная отметка в критической точке профиля;

CD, YZ – высотная отметка в начале и конце профиля соответственно.

Расчет запаса на замирание производится по формуле:

,

где  – коэффициент системы, дБ;

 – коэффициенты усиления передающей и приемной антенн, дБ;

 – коэффициент полезного действия антенно-фидерного тракта;

 – затухание радиоволн в свободном пространстве, дБ:

,

где f – частота передачи, МГц;

d=R0 – расстояние между передающей и приемной антеннами (длина пролета), км.

Рассчитаем время ухудшения связи, вызванного субрефракцией радиоволн.

Стандартная атмосфера имеет наибольшую плотность у поверхности Земли, поэтому радиолучи изгибаются к низу. В результате просвет на пролете, определяемый по минимальному радиусу зоны Френеля, не имеет постоянной величины, т.к. плотность атмосферы изменяется и зависит от времени суток и состояния атмосферы [2, 3].

Среднее значение просвета на пролете:

.

Относительный просвет:

На чертеже профиля пролета проводим прямую параллельно радиолучу на расстоянии  от вершины препятствия и находим ширину препятствия r.

Относительная длина препятствия:

.

Параметр , характеризующий аппроксимирующую среду:

,

где (при остром препятствии) или (при спокойном профиле).

Значение относительного просвета р(g0), при котором наступает глубокое замирание сигнала, вызванное экранировкой препятствием минимальной зоны Френеля:

,

где V0 – множитель ослабления при H(0)=0, определяемый из рисунка 1.2 по значению .

минимальный допустимый множитель ослабления определяется по формуле:

.

Параметр  определяется по формуле:

,

.

 

Рисунок11

Рисунок 1.2 – Зависимость множителя ослабления от аппроксимирующего параметра μ

 

Процент времени ухудшения связи, вызванного субрефракцией радиоволн,  определяется по рисунку 1.3.

 

Рисунок11

 

Рисунок 1.3 – К расчету времени ухудшения связи, вызванного субрефракцией радиоволн

 

Вероятность нарушения связи из-за плоских замираний определяется по формуле:

 %,

где  – запас на замирание, дБм;

*    – вероятность появления замирания, %, которая находится по следующей формуле:

 

%,

 

где  – наклон пролёта (миллирадиан):

 мрад,

где  – абсолютные высоты подвеса антенн, м;

R0 – в км;

*    – геоклиматический коэффициент, учитывающий влияние климата и рельефа местности рассчитывается по формуле:

 

.

 

Для Казахстана РL=5, для слабопересеченной местности M=1.

                                                                                   

1.3.2 Расчет селективных замираний.

Характеристики радиорелейных линий прямой видимости могут быть серьёзно ухудшены селективными замираниями из-за амплитудных и фазовых искажений в полосе сигнала. Эти многолучевые (или селективные) замирания могут появиться в результате отражений от поверхности или аномалий в атмосфере, например, большого градиента в атмосферном волноводе [1].

При неизменной во времени горизонтально расслоенной атмосфере вертикальный градиент преломления в атмосфере вызывает появление нескольких лучей распространения между передатчиком и приёмником на линии прямой видимости.

Если через τ обозначить относительное время задержки между двумя путями распространения радиоволн, то относительная фаза между двумя сигналами будет равна , являясь функцией частоты f. Таким образом, амплитуда и фаза принятого сигнала изменяется с частотой. Такое изменение сигнала на радиолинии в зависимости от частоты называется селективным замиранием.

Влияние селективного замирания на цифровую радиорелейную линию можно кратко описать следующим образом:

-      уменьшается отношение сигнал/шум и, следовательно, увеличивается вероятность ошибки (BER);

-      искажается форма импульса, увеличивая межсимвольную интерференцию и вероятность ошибки;

-      увеличиваются взаимные помехи между ортогональными несущими, потоками I и Q, следовательно, увеличивается BER.

 

Вероятность появления селективного замирания равна:

 %,

 

где  – коэффициент сигнатуры оборудования;

*     – типовое значение задержки отражённого сигнала на пролёте, нс, определяется по следующей формуле:

 

;

 

 – время задержки отражённого сигнала во время измерения кривых сигнатуры;  6,3 нс;

 – коэффициент активности замирания, находится по следующей формуле:

.

Общая вероятность нарушения радиосвязи, вызванная многолучевым замиранием, равна сумме вероятностей нарушений, вызванных плоским и селективным замиранием:

 

 %.

 

Связь на пролете будет устойчивой, если:

 

РПЛОС<, а   РСЕЛ <.

 

1.4 Пример расчета

 

Данные для построения профиля:

 R0=27 км.

 

            Аппаратура Pasolink NEO

Отметка Земли, м

200

230

250

250

240

f, ГГц

Расстояние, км

0

0,11·R0

0,44·R0

0,88·R0

R0

7,5

 

Строим профиль согласно таблице 1.4.

 

Таблица 1.4 – Данные для построения профиля

Расстояние, км

0

3

12

24

27

Отметка Земли, м

200

230

250

250

240

 

Рисунок 1.4 – Профиль пролета РРЛ

Радиус кривизны Земли (R0 = 27 км):

.

Координата критической точки:

.

Минимальный радиус зоны Френеля

,

где  – длина волны передачи;

f – частота излучения.

.

Для Казахстана  σ = 9·10–8  м–1 и  g = –7·10–8 м–1.

Просвет в отсутствии рефракции:

 

 

Высоты подвеса антенн:

 

 

Проводим луч, соединяя точки подвеса антенн.

 

Расчет запаса на замирание:

 

 дБ,                                                                   (1.8.)

 

где  - коэффициент системы, дБ;

 - коэффициенты усиления передающей и приемной антенн;

дБ - коэффициент полезного действия антенно-фидерного тракта;

 - затухание радиоволн в свободном пространстве.

 

                                                                (1.9)

 

где d=Ro – длина пролета, км.

 

 

 

 

 

Среднее значение просвета на пролете:

 

,                                            (1.10)

 

 

Относительный просвет

 

                                                                                                                  (1.11)

 

.

 

Относительная длина препятствия

 

.                                                                                        (1.12)

 

Параметр μ, характеризующий аппроксимирующую среду

 

,                                                                       (1.13)

 

где α = 0,5 или α = 1.

Принимаем α = 1.

 

                

 

Vo=-8,5 дБ (см. рисунок 1.2).

 

                       

 

Значение относительного просвета P(go), при котором наступает глубокое замирание сигнала, вызванное экранировкой, препятствием минимальной зоны Френеля:

 

;  

 

.

 

Параметр

.                                                                                      (1.14)

 

,

 

 

По графику (см. рисунок 1.3) определяем .

.

Т(VMIN)=T0.

 

Рассчитаем вероятность нарушения связи из-за плоских замираний определяется по формуле:

 

 %.

 

где  – запас на замирание, дБм;

Р0 – вероятность появления замирания, %, которая находится по следующей формуле:

%,

 

где Еh  – наклон пролёта (миллирадиан):

 

 мрад,

 

,

 

где  – абсолютные высоты подвеса антенн, м;

R0 – в км;

* – геоклиматический коэффициент, учитывающий влияние климата и рельефа местности рассчитывается по формуле:

 

.

 

Для Казахстана РL=5, для слабопересеченной местности M=1,

 

,

,

 

.

 

Вероятность появления селективного замирания равна:

 %,

 

где  – коэффициент сигнатуры оборудования;

τm– типовое значение задержки отражённого сигнала на пролёте, нс, определяется по следующей формуле:

 

,

 

,

 

τ06,3 нс.

 

Коэффициент активности замирания, находится по следующей формуле:

 

,

 

,

 

.

Общая вероятность нарушения радиосвязи, вызванная многолучевым замиранием, равна сумме вероятностей нарушений, вызванных плоским и селективным замиранием:

 

 %,

 

.

 

Проверка устойчивости связи на пролете:

 

РПЛОС<, а   РСЕЛ <,

 

%;  %.

 

По результатам расчета делаем вывод – связь устойчива

 

2 Расчет энергетических характеристик цифровых каналов связи спутниковых и радиорелейных систем передачи

 

Цель: научить магистрантов производить технический анализ энергетических параметров цифровых каналов связи в зависимости от типа модуляции и делать выводы о качестве сигнала.

 

2.1 Постановка задачи

 

В расчетно-графической работе необходимо рассчитать энергетические

характеристики цифрового канала связи с M-QAM модуляцией, произвести расчет вероятности ошибки от отношения несущая/шум (C/N) или ее цифрового нормированного значения E b /N o .

Расчетно-графическая работа состоит из трех задач. В первой необходимо определить отношение сигнал/шум на выходе приемника цифрового канала телевещания. Во второй задаче определить вероятность ошибки при приеме цифровых сигналов с различными видами модуляции. Третья задача посвящена определению уровня сигнала на выходе передатчика при известном формате модуляции в спутниковой или радиорелейной системе передачи.

 

Задача 2.1  

Определить отношение сигнал/шум на выходе приемника с учетом коэффициента скругления спектра α при различных стандартах цифрового сигнала телевещания DVB-C и DVB-S.

 

Таблица 2.1 – Исходные данные

Параметры

Варианты (Последняя цифра зачетной книжки)

1, 9

2, 8

3, 7

4, 6

5, 0

Стандарт DVB

С

S

С

S

С

Коэффициент скругления, α

0,15

0,35

0,15

0,35

0,15

Модуляция

64-QAM

16-QAM

256-QAM

64-QAM

16-QAM

Скорость fs, МГц

6,875

6,5

6

6,25

6,375

Мощность сигнала, С,  дБмВт

-28

-25

-36

-22

-30

Требуемое отношение сигнал/шум, C/N, дБ

25

20

26

25

20

 

Задача 2.2

Рассчитать вероятность ошибки при приеме цифровых сигналов с учетом количества уровневых отсчетов и гауссова интеграла ошибок.

 

Таблица 2.2 – Исходные данные

Параметры

Варианты (Последняя цифра зачетной книжки)

1, 9

2, 8

3, 7

4, 6

5, 0

Модуляция

64-QAM

16-QAM

256-QAM

64-QAM

16-QAM

Формат модуляции М

64

16

256

64

16

Отношение сигнал/шум, C/N, дБ

22

18

29

20

18

Скорость кодирования RC

0,75

0,5

0,5

0,6

0,65

Аргумент гауссова интеграла, х

5,5

5

5

3,5

4,5

 

Задача 2.3

Определить уровень сигнала на выходе передатчика при известном формате модуляции, коэффициенте скругления спектра α и при заданном минимальном значении BER

 

Таблица 2.3 – Исходные данные

Параметры

Варианты (Последняя цифра зачетной книжки)

1, 9

2, 8

3, 7

4, 6

5, 0

Формат модуляции М

64

16

256

64

16

Коэффициент скругления, α

0,15

0,35

0,15

0,35

0,15

Символьная скорость fs, МГц

6,956

6,5

6,956

6,5

6,956

Минимальное значение BER,  BER ∙10-8

2,5

3

5

10

10

Шумовая температура источника , С ̊   

5,5

5

5

3,5

4,5

 

2.2 Методические указания к выполнению расчетно-графической работы 2

 

Существуют две основные причины снижения достоверности передачи [5]: снижение отношения сигнал/шум (S/N — Signal to Noise, или SNR — Signal Noise Ratio), искажение сигнала, которое в цифровых системах связи  является следствием межсимвольной интерференции. Определим, из чего складывается понятие нормированная версия S/N, обозначаемая как Eb/N0 , где Eb — энергия бита, равная произведению мощности сигнала S на время передачи бита информации Tb; а N0 — это спектральная плотность мощности шума, и ее можно выразить как мощность шума N, деленную на ширину полосы W.

Из теории передачи аналоговых сигналов известно, что одним из критериев качества сигнала является S/N, определяемое как отношение средней

мощности сигнала (S) к средней мощности шума (N). В цифровых системах связи чаще используется нормированная версия S/N, обозначаемая как Eb/N0, где

Eb — энергия бита. Ее можно описать как мощность сигнала S, умноженную на

время передачи бита информации Tb. N0 — это спектральная плотность мощности шума, и ее можно выразить как мощность шума N, деленную на ширину полосы W. Поскольку время передачи бита и скорость передачи битов взаимно обратны, Tb можно заменить на 1/R: (где R — это битовая скорость).

 

                                                                                            (2.1)

 

Перепишем выражение (2.1) так, чтобы было явно видно: отношение Eb/N0 представляет собой отношение S/N, нормированное на ширину полосы и скорость передачи битов:

 

                                                                                                    (2.2)

 

Одной из важнейших метрик качества в системах цифровой связи является график зависимости вероятности появления ошибочного бита РВ (BEP — Bit Error Probability) от Eb/N0. Безразмерное отношение Eb/N0 — это стандартная качественная мера производительности систем цифровой связи. Следовательно, необходимое отношение Eb/N0 можно рассматривать как метрику, позволяющую сравнивать качество различных систем: чем меньше требуемое отношение Eb/N0, тем эффективнее процесс детектирования при данной вероятности ошибки.

В ряде случаев можно воспользоваться следующей формулой:

                                                                                         (2.3)

 

где α — коэффициент скругления спектра (фактор roll-off ), физический смысл которого понятен из рисунка 2.1.

Выражение (2.3) записано в предположении, что реальная шумовая полоса для идеальной QPSK/QAM системы занимает полосу частот W = (1+a) · fS (что в большинстве случаях и наблюдается на практике), а С = Eb·log 2 (M) · fS

Рисунок 2.1 – Зависимость формы импульса от коэффициента скругления спектра

 

2.3 Пример расчета задачи 2.1

 

Исходные данные для расчета.

Используется QAM-система со следующими параметрами:

-    символьная скорость: fS = 6,875 МГц,

-    коэффициент скругления спектра: a = 0,15 (DVB-C),

-    шумовая полоса приемной системы (IRD) W =8 МГц;

-    констелляционный размер М = 64;

-    мощность несущей составляет -25 дБмВт (83,75 дБмкВ).

Требуемое отношение — C/N = 23 дБ.

Формулы пересчета из дБмВт в дБмкВ:

 

U (дБмкВ) =108,75 +D (дБмВт)                                                                   (14)

 

Для удобства будем приводить численные значения в той и другой системе отсчета.

1)    Энергия на бит информации:

 

Eb = C – 10lg[log 2(M) · f S] = -25-10 lg (log264∙6875000)=-25-76,15=

 = -101,15 дБмВт,            

               

Еb=108,75 -  101,15 = 7,6 дБмкВ.

 

2)    Шумовая мощность:

 

N = C – C/N = – 25 – 23 =  –48,00 дБмВт,

 

N = 108,75 – 48 = 60,75 дБмкВ.

 

3)    Спектральная плотность шумовой мощности:

 

N0 = N – 10lg (W) =– 48 – 10 lg 8000000= – 48 – 69 = –117 дБмВт

 

N0= 108,75 – 117 = –9,25 дБмкВ

 

4)    Нормированное отношение Eb/N0:

 

Eb/N= Eb– N0= 7,6 – (– 9,25) =  16,85.

 

5)             Реальная шумовая мощность на выходе косинусно-квадратичного фильтра рассчитывается по формуле:

 

N REC= N + 10lg (f S/W) = - 48+ 10lg(6875000/790000)= –48 – 0,6 =

= –48,6 дБмВт,

 

N REC= 108,75 – 48,6 = 60,15 дБмкВ.

 

6) Сигнал на выходе тюнера будет  рассчитываться по следующей формуле:

 

,

 

СREC= 108,75– 25,16 = 83,59дБмкВ

 

7) Энергия, приходящаяся на бит информации:

 

,

 

EbREC=108,75 –101,31 = 7,44 дБмкВ.

 

8) Отношение C/N в приемнике (IRD) может быть определено как:

 

,

 

.

 

9) Проверка правильности решения

 

 

.

 

Результаты показывают, что решение правильное.

 

2.4 Пример расчета задачи 2.2

 

Исходные данные.

Формат модуляции М=64.

Скорость кодировании CR=0,75.

Отношение сигнал/шум, С/N = 26 дБ.

Гауссов канал приема.

Вероятность появления битовой ошибки при модуляции M-QAM.

 

       

 

где   — количество уровневых отсчетов, представляет собой

гауссов интеграл ошибок.

 

             

 

где х аргумент гауссова интеграла, х = 5.

 

.

 

Отношение энергии бита Eb к спектральной плотность шума N0 определяется по следующей формуле

 

,

 

где m=log2M – коэффициент мапинга (число бит на символ информации),

M=64, m=6, CR=0,75.

 

Тогда:

 

 

Отсюда

 

 

Проверка результатов по графику зависимости битовой ошибки BER от Eb/N0 (см. рисунок 2.1.).

Для Eb/N0 = 19,46 дБ  BER ≈ 3∙10-8 для модуляции 64QAM.

Учитывая погрешность логарифмического масштаба BER, делаем вывод о правильности расчетов.

 

2.5 Пример расчета задачи 2.3

 

Исходные данные.

Формат модуляции М = 64, коэффициент скругления спектра α = 0,2,  символьная скорость fS = 6,666 МГц, шумовая температура источника С=200К, битовая ошибка BER=5∙10-7.

По графику (см. рисунок 2.2) для BER=5∙10-7 и модуляции 64QAM определяем отношение Eb/N0 = 19 дБ.

Отношение сигнал/шум С/N  определяется по формуле:

 

 

Шумовая температура источника шума определяется по формуле:

Т(К) = С̊ + 273̊ = 200 + 273 = 473 К.

Наибольшая мощность шума:

 

N = kTW = kTfS(1+α)= 1,38∙10-23∙473∙6,666∙106∙(1 + 0,2)=5,22∙10-14 Вт =   =5,22∙10-11 мВт = - 102,8 дБмВт = 108,75- 102,8 ≈ 6 дБмкВ.

 

Уровень сигнала на выходе передатчика:

 

С – N = 26 дБ; С = N +26 = 6 + 26 = 32 дБмкВ.

 

Рисунок 2.2 – Зависимость параметра BER от Eb/N0

 

3 Зависимость энергетических параметров негеостационарных спутников от высоты орбиты

 

Цель: научить магистрантов рассчитывать характеристики низкоорбитальных спутниковых систем и делать выводы о качестве непрерывности связи.

 

3.1 Постановка задачи

 

1) Рассчитать угол обзора зоны обслуживания со спутника.

2) Определить максимальную дальность связи и результирующий энергетический проигрыш и выигрыш.

3) Определить период обращения спутника по круговой орбите, скорость скольжения зоны обслуживания и длительность сеанса связи.

4) Рассчитать вероятность установления непрерывного соединения.

 

3.2 Варианты заданий

 

Таблица 3.1 – Исходные данные для расчета

Тип орбиты

Низкая

Средняя

Вариант - последняя цифра зачетной книжки

1,3,6

2,4,8

5,7,9

6,8,1

9,0,2

Высота орбиты,       h1,

                                  h2,  км

1100 550

1500

800

5000

2000

10000

4000

15000

6000

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

 

3.3 Методические указания для выполнения расчетно-графической работы 3

 

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

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

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

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

Оценим влияние высоты орбиты спутника — ретранслятора на требования к энергетическим характеристикам абонентских терминалов и ретрансляторов. Рассмотрим рисунок 3.1.

α — угловой размер зоны обслуживания, угол обзора зоны из центра Земли; r — наклонная дальность; h — высота орбиты; β — угол обзора зоны обслуживания со спутника.

 

Рисунок 3.1 –  Геометрические соотношения при оценке энергетических затрат

 

.                                                             (3.1)

 

 Максимальная дальность связи

 

          .                                                                                                  (3.2)

 

Рассмотрим две орбиты с высотами h1 и h2 (h1>h2) с соответствующими параметрами r1, β1 и r2,        β2. Относительный энергетический проигрыш более высокой орбиты за счёт увеличения дальности связи составит (r2/r1)2. С другой стороны, при увеличении высоты орбиты уменьшается угол обзора зоны обслуживания со спутника (β), что приводит к необходимости использования антенн с лучшими характеристиками направленности. Так как эффективная площадь приёмных антенн и коэффициент усиления передающих обратно пропорциональны квадрату ширины направленности, то величина относительного выигрыша равна (β12)2, а результирующий проигрыш составит:

 

        .                                                                                        (3.3)

3.4 Пример расчета

Исходные данные:α = 25о; h1 = 700 км; h2 =1200 км.

Угол обзора зоны обслуживания со спутника:

,.

..

Максимальная дальность связи:

км,

 км.

Результирующий проигрыш:

Относительный выигрыш:

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

Период обращения спутника по круговой орбите

мин для h=700 км.

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

км,

 мин   для h=1200 км,

 км.

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

(мин),

 мин   для h=700 км,

 мин   для h=1200 км.

Вероятность установления непрерывного соединения определяется по рисунку 3 для h=700, 1200 км и для угла возвышения (угол места) γ=10 о :

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

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

Рисунок 3.2 – Зависимость вероятности непрерывного соединения от  высоты орбиты

Список литературы

1.        Проектирование радиорелейных линий прямой видимости: Ингвар Хенне, Пер Торвальдсен – Берген: Nera Telecommunications, 2004 – 153с.

2.        Гладышева Н.Н., Клочковская Л.П.. Спутниковые и радиорелейные системы передачи. Методические указания к выполнению курсовой работы для студентов всех форм обучения специальности 050719 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации. – Алматы: АИЭС, 2008. – 16 с.

3.        Клочковская Л.П., Самоделкина С.В. Спутниковые и радиорелейные системы передачи. Сборник задач для бакалавров  специальности 5В071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации. – Алматы: АУЭС, 2011 – 37с.

4.        ГОСТ Р 53363 – 2009 Цифровые радиорелейные линии. Показатели качества. Методы расчета.

5.        Скляр Б.В. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Издательский дом «Вильямс», 2011 – 1104 с.

6.        Зубарев Ю.Б., Кривошеев М.И., Красносельский И.Н.. Цифровое телевизионное вещание. Основы, методы, системы. НИИР, 2008 – 568 с.

7.        ETSI TR 101 290 v1.2.1 (2011-05). Digital Video Broadcasting (DVB); Measurement guidelines for DVB systems.

8.        Камнев В.Е., Черкассов В.В., Чечин Г.В. Спутниковые сети связи. – М., 2009.

9.        Справочник по спутниковой и  радиорелейной связи / Под ред. С.В. Бородича. -М.: Радио и связь, 2011.

10.    Лобач В.С Короткий Г.Г Космические и наземные системы радиосвязи и телерадиовещания – СПб., 2012.

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

12.    Гаврилова И.И., Лобач В.С. «Радиорелейные линии и спутниковые системы передачи» - СПб., 2012.

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

14.    Клочковская Л.П., Закижан З.З. Организация и технологии оказания спутниковых и радиорелейных услуг в телекоммуникационных компаниях. Методические указания к выполнению практических работ, АИЭС, 2010.

Содержание

Введение

3

1 Расчет вероятности нарушения связи из-за многолучевого распространения радиоволн на пролете РРЛ

4

1.1 Постановка задачи

4

1.2 Варианты заданий

4

1.3 Методические указания к выполнению расчетно-графической работы 1

6

1.4 Пример расчета

11

2 Расчет энергетических характеристик цифровых каналов связи спутниковых и радиорелейных систем передачи

17

2.1 Постановка задачи

17

2.2 Методические указания к выполнению расчетно-графической работы 2

18

2.3 Пример расчета задачи 2.1

20

2.4 Пример расчета задачи 2.2

21

2.5 Пример расчета задачи 2.3

23

3 Зависимость энергетических параметров негеостационарных спутников от высоты орбиты

3.1 Постановка задачи

24

 

24

3.2 Варианты заданий

24

3.3 Методические указания для выполнения расчетно-графической работы 3

3.4 Пример расчета

Список литературы

24

 

26

29

 

Св. план 2013., поз.135

 

Клочковская Лариса Павловна
Самоделкина Светлана Викторовна

 

ОРГАНИЗАЦИЯ И ТЕХНОЛОГИИ ОКАЗАНИЯ СПУТНИКОВЫХ И
РАДИОРЕЛЕЙНЫХ УСЛУГ  ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ КОМПАНИЙ
Методические указания к выполнению расчетно-графических работ
для магистрантов специальности
6М071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации

 

Редактор Сластихина Л.А.
Специалист по стандартизации Молдабекова Н.К.

Подписано в печать
Формат  60×84 1/16
Тираж  50 экз.
Бумага типографская №1
Объем 1,9 уч.изд.л.
Заказ №___Цена 190 тг.

Копировально-множительное  бюро
Некоммерческого акционерного общества
«Алматинский университет энергетики и связи»
050013, Алматы, ул. Байтурсынова,126