Системотехника. Проектирование радиотехнических систем

С-диапазон – адаптивная приемная ФАР на 64 несущих с 24 (или 48)

ветвями пространс-твенного разнесения на каждой несущей (КНД«37 дБ, или 40 дБ

для каждого луча на своей несущей);

Ku-диапазон – адаптивная приемная ФАР на 24 несущих с 24 (или 96)

ветвями пространс-твенного разнесения на каждой несущей (КНД«37 дБ, или 43 дБ для каждого луча на своей несущей).

Приемные комплексы различных диапазонов построены по схожему принципу и имеют в своем составе специальный процессор адаптивного сложения и усиления разнесенных сигналов на базе так называемых «когераторов» [4], в таблице 4.9

отображена информация о составе реализации БРТК.

Таблица 4.9 – Состав реализаций БРТК

Структурная схема приемного комплекса на примере С-диапазона приведена на рисунке 2.5. Организовано 64 частотных ствола шириной по 8 МГц с шагом через 10

МГц, входящих в 16 групп по четыре ствола каждая, занимающих полосы по 40 МГц с шагом через 50 МГц (всего 800 МГц). Земной сегмент ССС включает центр управления полетом (ЦУП), контрольно-измерительный комплекс (КИК), наземный комплекс технического обеспечения КА, центр управления связью (ЦУС) и ЗС различного назначения.

Рис. 4.28. Структурная схема приемного комплекса С-диапазона

201

Подсистема теле- и радиовещания предназначена для организации непосредственного многопрограммного цифрового теле- и радиовещания (в том числе интерактивного) преимущественно на большие стационарные и подвижные объекты.

Два основных сегмента рынка:

теле- и радиовещатели (СМИ) и распространители теле- и радиопрограмм

(государственные и частные);

телезрители и радиослушатели, расположенные на стационарных объектах (городские жилые дома, отели, коттеджные поселки), подвижных объектах (пассажирские авиалайнеры, пассажирские морские и речные суда,

пассажирские железнодорожные поезда и т. п.).

Краткие характеристики подсистемы приведены в таблице 4.9.

Таблица 4.9 – Краткие характеристики подсистемы теле- и радиовещания

В качестве абонентских ЗС используются малогабаритные, необслуживаемые,

приемные ЗС, установленные на стационарных (жилые дома в районах РФ со сложным рельефом местности) или подвижных объектах (туристические автобусы, ж/д поезда,

корабли, авиалайнеры). Приемные ЗС в диапазоне 4 ГГц имеют следующие характеристики:

небольшой размер аппаратуры и относительно низкая стоимость;

низкое электропотребление;

радиочастотная часть на базе специализированных БИС;

блок обработки приемных сиг-налов со спутника (MF-TDM/ QPSK) на базе специализированных БИС.

Три типа антенных систем для различных объектов установки:

202

зеркальная антенна с размером раскрыва 0,5x2,0 м без системы слежения за КА на ВЭО – для стационарных объектов;

зеркальная антенна с диаметром 1,2 м (программно-механически перенацеливаемая) – для подвижных объектов (поезд, морское или речное судно);

плоская ФАР размером 60x480 см (для самолетов) или 130x130 см (для автобусов, речных и морских судов) с электронным наведением и слежением луча за КА на ВЭО (или по программе, или по принимаемому от КА сигналу).

Подсистема будет являться российским аналогом уже действующих сейчас систем

Sirius, WorldSpace (КА AsiaStar, AfriStar и AmeriStar) [2].

Подсистема высокоскоростного доступа в Интернет предназначена для обслуживания пользователей, расположенных на стационарных и подвижных объектах связи, которым такие услуги не могут быть предоставлены традиционными методами.

Два основных сегмента рынка: глобальные и локальные интернет-провайдеры;

индивидуальные и коллективные пользователи сети Интернет, расположенные на стационарных объектах (офисы, промышленные предприятия, городские жилые дома,

отели, коттеджные поселки), подвижных объектах (пассажирские авиалайнеры, пасса-

жирские морские и речные суда, пассажирские железнодорожные поезда и т. п.).

Краткие характеристики подсистемы приведены в таблице 4.10.

Таблица 4.11 – Краткие характеристики подсистемы высокоскоростного доступа в Интернет

В составе абонентских ЗС используется четыре типа антенных систем для различных объектов установки:

203

зеркальная приемопередающая антенна размером 0,5x2,0 м без системы слежения за ИСЗ – для стационарных объектов;

зеркальная приемопередающая антенна диаметром 1,2 м, с программным наведением луча на КА механически перенацеливаемая – для стационарных и некоторых видов подвижных объектов (поезда, речные и морские суда,

междугородные автобусы);

раздельные на прием и передачу ФАР размером (60x480 см или 130x130

см на прием в диапазоне 4 ГГц) и (40x40 см на передачу в диапазоне 1,6 ГГц) с

электронным наведением и слежением луча за КА на ВЭО по программе – для подвижных объектов (в основном для самолетов).

Подсистема корпоративных мультисервисных сетей для стационарных и подвижных пользователей предназначена для обслуживания пользователей на той части объектов, на которых не может быть предоставлена комплексная услуга (голос +

данные + телематика + видеоконференцсвязь) традиционными методами или через спутники на ГСО.

Основные сегменты рынка: глобальные и локальные операторы связи,

предоставляющие мультимедийные услуги; глобальные и локальные корпоративные пользователи мультимедийных услуг, расположенные на стационарных объектах

(офисы, промышленные предприятия, туристические фирмы, отели и т. д.), подвижных объектах (пассажирские авиалайнеры, пассажирские морские и речные суда,

пассажирские железнодорожные поезда и т. п.).

Краткие характеристики подсистемы приведены в таблице 4.12.

Таблица 4.12 – Краткие характеристики подсистемы корпоративных мультисервисных сетей для стационарных и подвижных пользователей

204

Абонентские ЗС аналогичны ЗС подсистемы доступа в Интернет.

Подсистема корпоративных мультисервисных сетей для VIP-пользователей на подвижных объектах предназначена для организации закрытых корпоративных мультисервисных сетей в интересах VIP-пользователей на подвижных объектах с предоставлением всего набора телекоммуникационных услуг (закрытые телефония,

данные, видеоконференцсвязь, телематика) сравнительно небольшому количеству этих пользователей, находящихся во всей зоне действия подсистемы.

В число обслуживаемых данной подсистемой VIP-объектов могут быть также включены малогабаритные перевозимые узлы связи, оперативно развертываемые в местах стихийных бедствий (МЧС), в местах отдыъа VIP-пользователей, когда они расположены в отдаленных и трудодоступных районах РФ.

Подсистема обмена теле- и радиовещательными программами предназначена для обеспечения информационного взаимодействия между центрами подачи программ в реальном масштабе времени или по запросу территориально разнесенных региональных ТВ и/или РВ студий, продюсерских центров, формирователей медийного контента.

Ku-диапазон, количество одновременно транслируемых программ – 100 ТВ и 100

РВ. Используются стандартные приемопередающие ЗС.

Уникальность проекта «НордМедиаСтар» состоит в следующем:

1.Связь на всей без исключения территории России, включая самые западные и восточные регионы и Арктическую зону и районы РФ со сложным рельефом местности.

2.Предоставление услуг связи в движении.

3.Обеспечение массового доступа к услугам системы за счет использования недорогих портативных мобильных абонентских терминалов.

4.Предоставление простого доступа к мультимедийному контенту.

5.Высокая пропускная способность системы за счет использования перспективных технологий.

Всоставе абонентских ЗС используются раздельные на прием и на передачу антенны (на передачу – ФАР 40x40 см, скомпонованная из 16 элементов и управляемая по программе; на прием - адаптивная ФАР 40x40 см, скомпонованная из 16 элементов и управляемая по программе) или дуплексная ФАР.

ВССС «НордМедиаСтар» внедрены следующие ключевые технологии:

высокие наклонные эллиптические орбиты с периодом обращения 12

часов (орбита типа «Молния»), что позволяет обеспечить высокие углы видимости

КА с ЗС (>60° на большей части территории РФ);

205

в составе КА БРТК – большое количество простых в изготовлении и имеющих малые габариты и массу плоских синфазных ФАР, применяемых для компоновки на КА антенных систем с большой эффективной площадью;

в приемных трактах ФАР - устройства когерентного с весом сложения на большое количество ветвей пространственного разнесения, что обеспечивает резкое повышение энергетического потенциала радиолиний и устраняет

«межлучевые» провалы, имеющиеся у обычных МЛА;

в антеннах на ЗС и КА – плоские приемные и излучающие элементы, что позволяет реа-лизовать новый и более рациональный принцип компоновки КА и ЗС.

При необходимости ССС «НордМедиаСтар» может быть использована и силовыми ведомствами РФ (как в обычный, так и в особый период). В особый период будут особо востребованы адаптивные ФАР на КА, а также используемые в ССС сигналы и методы многостанционного доступа для повышения помехозащищенности линий связи, в том числе:

формирование «нулей» диаграммы направленности бортовых антенн КА на источники организованных помех;

организация режимов ППРЧ (псевдослучайная перестройка рабочей частоты) и ШПС (шумоподобные сигналы).

4.4.Система связи для сети наноспутников CubeSat 3u на базе стандарта IEEE 802.16m с использованием технологии ПЛИС

CubeSat — формат малых искусственных спутников Земли для исследования космоса, имеющих малый вес и размеры. Наноспутники имеют массу от 1 до 10 кг.

Рис. 4.29 – CubeSat 1U

206

Система межспутниковой связи для "роя" CubeSat построена на базе стандарта

IEEE 802.16m (Mesh-сети). Стандарт IEEE 802.16m обеспечивает передачу данных со скоростью от 150 Мбит/сек до 600 Мбит/сек, на частотах от 1,5 до 11 ГГц, на расстояние 200-350 км.

Для реализации CubeSat на WiMAX 2 нужно учитывать размеры передатчика и наноспутника. Спутник имеет размеры 10x10x30 (3U) и массой до 6 кг. Условие открытого космоса, то есть перепады температуры (-50.+50 °С) и условие излучения.

Использование ПЛИС для спутников представляет интерес, поскольку с их применением, можно реализовывать сложные схемы обработки данных. Спутник построен на основе множества программируемых интегральных схем, каждая из которых отвечает за ряд своих задач: процессорная плата, навигационная плата, плата радиолинии, плата питания, плата управления полезной нагрузки ( например фотокамера) и плата для взаимодействий всех плат друг с другом, что можно увидеть на рисунке 4.50.

Платы обеспечивают работу электроники, обработку данных с различных датчиков, хранение и передачу данных, с их привязкой к системе координат и времени.

Основу каждого модуля составляет микроконтроллер с установленной операционной системой, взаимодействие между модулями осуществляется по интерфейсу CAN [1].

Рис. 4.50. Компановка CubeSat 1U

207

Структурная схема модема для реализации на ПЛИС представлена на рисунке 3, на котором приемная и передающая часть рассматривается отдельно.

Рис. 4.51. Структурная схема модема для реализации на ПЛИС В передатчике входные данные в виде непрерывного битового потока поступают в

формирователь кадра, где к каждому кадру добавляется служебная информация, в том числе циклически избыточный код (CRC) для последующего контроля целостности принятых данных. После чего кадр передается в блок скремблера, предназначенный для обеспечения защиты информации от несанкционированного доступа. Далее информация поступает в блок сверточного кодирования с изменяемой скоростью кода в зависимости от помеховой обстановки. Битовый перемежитель переставляет биты по псевдослучайному закону для борьбы с пакетированием ошибок при импульсных помехах и замираниях в канале связи. В блоке модулятора ФМ/КАМ формируются символы квадратурной фазовой манипуляции (QPSK) или 16-позиционной квадратурной амплитудной манипуляции (QAM-16). Информационные символы дополняются пилотными и нулевыми символами для последующей оценки канала и расчета доплеровского смещения на приемной стороне. В блоке ОБПФ производится обратное БПФ для переноса сигнала во временную область. Конец символа OFDM

записывается в его начало для создания защитного циклического префикса (ЦП). Далее производится мультиплексирование данных и перенос на несущую частоту.

Сформированные данные передаются на последовательно включенные цифро-

208

аналоговый преобразователь (ЦАП), усилитель мощности и антенну (на рисунке не отображены) [2].

Предложенная в работе система связи для CubeSat позволит создать Mesh-сеть для

"роя" наноспутников как между спутниками на расстоянии 200 км, так и связи наноспутников с Землей на удалении от Земли до 350 км обеспечит передачу данных со скоростью от 150 Мбит/сек до 600 Мбит/сек.

209

5. КОМПЬЮТЕРНЫЙ И ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

ПО СИСТЕМОТЕХНИКЕ

5.1. Проектирование защищенной системы мобильной связи стандарта GSM

GSM относится к сетям второго поколения (2 Generation) (1G — аналоговая сотовая связь, 2G — цифровая сотовая связь, 3G — широкополосная цифровая сотовая связь, коммутируемая многоцелевыми компьютерными сетями, в том числе Интернет).

Мобильные телефоны выпускаются с поддержкой 4 частот: 850 МГц, 900 МГц, 1800 МГц, 1900 МГц.

В зависимости от количества диапазонов, телефоны подразделяются на классы и вариацию частот в зависимости от региона использования.

Однодиапазонные — телефон может работать в одной полосе частот. В

настоящее время не выпускаются, но существует возможность ручного выбора определённого диапазона частот в некоторых моделях телефонов, например Motorola C115, или с помощью инженерного меню телефона.

Двухдиапазонные (Dual Band) — для Европы, Азии, Африки, Австралии

900/1800 и 850/1900 для Америки и Канады.

Трёхдиапазонные (Tri Band) — для Европы, Азии, Африки, Австралии

900/1800/1900 и 850/1800/1900 для Америки и Канады.

Четырехдиапазонные (Quad Band) — поддерживают все диапазоны

850/900/1800/1900.

В стандарте GSM применяется GMSK-модуляция с величиной нормированной полосы ВТ — 0,3, где В — ширина полосы фильтра по уровню минус 3 дБ, Т — длительность одного бита цифрового сообщения.

GSM на сегодняшний день является наиболее распространённым стандартом связи.

По данным ассоциации GSM (GSMA) на данный стандарт приходится 82 % мирового рынка мобильной связи, 29 % населения земного шара использует глобальные технологии GSM. В GSMA в настоящее время входят операторы более чем 210 стран и территорий.

История развития

GSM сначала означало Groupe Spécial Mobile, по названию группы анализа, которая создавала стандарт. Теперь он известен как Global System for Mobile Communications (Глобальная Система для Мобильной Связи), хотя слово «Связь» не включается в сокращение. Разработка GSM началась в 1982 году группой из 26

Европейских национальных телефонных компаний. Европейская конференция почтовых и телекоммуникационных администраций (CEPT), стремилась построить единую для всех европейских стран сотовую систему диапазона 900 MГц. Достижения

210