2. Определение мощности сигнала на входе приемника лаборатории кафедры

Цель: изучение приборного арсенала лабораторий кафедры и основных факторов, определяющих энергетику радиолиний.

Линии спутниковой связи и вещания состоят из двух участков: передающая земная станция (ЗС) – ретранслятор на искусственном спутнике Земли (ИСЗ) и ретранслятор ИСЗ – приемная ЗС. Мощность сигнала на входе приемника ЗС может быть определена из формулы, которая применяется для расчета любых радиолиний прямой видимости:

, (2.1)

где P_прд – мощность на выходе передатчика ретранслятора ИСЗ,

γ_прд и γ_прм – коэффициенты передачи трактов, связывающих соответственно выход передатчика с передающей антенной на ИСЗ и выход приемной антенны с приемником ЗС,

G_прд и G_прм - коэффициенты усиления передающей и приемной антенн соответственно,

L_o и L_доп – основные и дополнительные потери энергии сигнала в пространстве между ИСЗ и ЗС.

Основные потери L_o обусловлены рассеянием энергии в свободном пространстве при удалении от излучателя

, (2.2)

где λ – длина электромагнитной волны

, (2.3)

f – частота сигнала передатчика, c ≈ 3∙10⁸ м/сек – скорость распространения электромагнитных волн,

d – расстояние между ИСЗ и ЗС.

Расстояние d между ИСЗ и ЗС зависит от высоты H орбиты спутника, которая определяет размеры зоны видимости ИСЗ.

Зоной видимости ИСЗ называют часть поверхности Земли, с которой спутник виден в течение заданной длительности сеанса связи под углом места не менее некоторого заданного угла .

Мгновенной зоной видимости ИСЗ называется зона видимости в определенный момент времени, т.е. при нулевой длительности сеанса связи. При движении ИСЗ мгновенная зона видимости перемещается, поэтому зона видимости в течение сеанса связи всегда меньше мгновенной. Размер мгновенной зоны видимости может быть оценен длиной дуги или угламии(рис.2.1).

Рис. 2.1

Угол представляет собой угловое расстояние границы зоны от подспутниковой точки(относительно центра Земли), а уголравен половине максимального углового размера зоны видимости относительно спутника, находящегося в точке. Точкиинаходятся на границе зоны видимости и удалены от спутника на расстояние, называемоемаксимальной наклонной дальностью связи.

Для треугольника ∆справедливы соотношения:

, (2.4)

, (2.5)

где R_З=6400 км – радиус Земли.

Дополнительные потери L_доп обусловлены атмосферой, осадками и другими причинами.

Коэффициенты усиления антенн при использовании параболических зеркальных антенн с диаметром зеркала D определяется из выражения:

. (2.6)

Задание 1. Рассчитать по формуле (2.6) коэффициенты усиления параболических антенн кафедры.

Задание 2. Используя формулы (2.1) – (2.6) определить мощность сигнала на входе приемника ЗС, находящейся на границе зоны видимости. Исходные данные для расчета приведены в табл.2.1. Вариант задания определяется преподавателем.

Таблица 2.1

Вариант	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	12
f, ГГц	11	11	4	1,7	12	19	4	4	11	2	4
Рпрд, Вт	30	20	40	50	25	10	80	60	5	20	50
γпрд	0,8	0,8	0,9	0,7	0,75	0,8	0,85	0,7	0,9	0,8	0,8
γпрм	0,85	0,9	0,8	0,95	0,85	0,8	0,8	0,9	0,8	0,9	0,7
Н, тыс.км	36	36	36	36	36	36	42	42	1,5	10	36
βмин, град	17	25	7	8	20	35	15	10	12	10	8
Lдоп	2	2	1,8	1,5	2	2,2	2	2	1,5	1,25	2
Dпрд, м	0,5	0,4	1	1,2	0,4	0,3	0,8	0,9	0,4	0,6	1
Dпрм, м	1,5	1	2,5	3	0.8	0,6	3,5	3	0,3	1	1,8

Порядок расчета.

1. Рассчитать по формуле (2.3) длину волны λ.

2. Рассчитать по формуле (2.6) коэффициенты усиления антенн.

3. Пользуясь выражениями (2.4) – (2.5) определить расстояние d между ИСЗ и ЗС.

4. Рассчитать по формуле (2.2) величину L_o.

5. Подставить необходимые данные в выражение (2.1).

Задание 3. Определить мощность сигнала на входе приемника ЗС, находящейся в подспутниковой точке S (рис.2.1). Исходные данные и порядок расчета те же, что и для задания 2.

Сравнить полученные в задании 2 и задании 3 результаты.

Отчет должен содержать характеристики и описание антенн кафедры, а также результаты расчетов по заданиям 1-3.

3. РАБОТА В ЛАБОРАТОРИИ КОМПЬЮТЕРНОГО

МОДЕЛИРОВАНИЯ

Цель работы студентов – приобретение навыков программирования в среде MatLab.

Для входа в среду MatLab указатель мыши подводится к логотипу программной системы и производится двойной щелчок левой клавишей мыши (ЛКМ).

Задание. Построение Simulink-модели стенда.

Переход к пакету Simulink может быть осуществлён двумя способами:

• после входа в среду MatLab в командной строке окна управления напротив указателя набирается команда simulink;

• с помощью мыши – один щелчок ЛКМ по сине-красно-чёрному символу, содержащему стрелку.

После этих действий раскроется окно библиотеки (Library:Simulink) и ещё не названное (untitled) окно поля, на котором будет собрана модель. В седьмой версии MatLab для создания такого поля после входа в Simulink необходимо щёлкнуть ЛКМ в символ чистого листа.

Сначала студенты должны познакомиться с разделами библиотеки Simulink: Sources – источники; Sinks – нагрузки, а также самостоятельно найти разделы, содержащие блоки Abs, F cn, Relational Operator, Mux и др.

Блоки, необходимые для сборки структурной схемы, перетаскиваются мышью из разделов библиотеки при нажатой ЛКМ.

Модели собираемых стендов показаны на рис.3.1. На рис.3.1а изображена модель, содержащая два формирователя гармонического сигнала. Аргумент синусоидальных функций формирует блок Ramp.

а)

б)

в)

Рис. 3.1

Для установки параметров этого и других блоков блок сначала выделяется щелчком ЛКМ, а затем двойным щелчком раскрывается окно, в которое вводятся соответствующие параметры. Параметр Slope источника Ramp устанавливается равным pi /50 (на языке MatLab константа записывается какpi).

Благодаря применению блока Mux осциллограф Scope становится двухлучевым. Параметры моделей осциллографов студенты выбирают самостоятельно. Установить время имитации (Stop time) равным 100: Simulation – щелчок ЛКМ, Parameters – щелчок ЛКМ, запись времени в графе Stop time.

Запуск программы на выполнение осуществляется также с помощью мыши: Simulation – щелчок ЛКМ, Start – щелчок ЛКМ. Можно также запустить программу на выполнение, щёлкнув ЛКМ в значок с изображением треугольника.

Необходимо зарисовать (распечатать) структурные схемы моделей и наблюдаемые осциллограммы.

На рис.3.1б представлена модель компаратора – устройства, генерирующего единичный сигнал при выполнении условия, указанного на блоке устройства сравнения - Relational Operator.

Выделив собранную модель и применив команду Create Subsystem в режиме редактирования (Edit), можно модель компаратора сделать блоком Subsystem. Такой блок показан на рис.3.1в, где изображена модель устройства сравнения уровней сигналов источников Sine Wave и Constant. В этом имитационном эксперименте амплитуда гармонического колебания равна 1, угловая частота – 0,1 при времени имитации – 100.

Зарисовать (распечатать) схему модели и осциллограммы.

Индивидуальные задания приведены в табл.3.1. Структурная схема моделей для всех вариантов одна и та же. Она получается из структурной схемы, изображённой на рис.3.1а, если из последней исключить блок Fcn 2 и блок Mux. Таким образом, к входу блока Fcn 1 подключается выход блока Ramp, а вход

осциллографа Scope соединяется с выходом блока Fcn 1.

Время имитации для всех вариантов равно 100.

Отчёт по данному разделу должен содержать:

• структурные схемы исследованных Simulink-моделей;

• осциллограммы;

• выводы.

Таблица 3.1

№ варианта	Сигнал, формируемый блокомFcn	Значение параметра	Параметры блока Ramp: Slope; Initial output
1		4	pi/100; -pi/2
2		4
3		1	pi/20; 0
4		3	pi/100; -pi/2
5		3
6		0,75	pi/20; 0
7		2	pi/100; -pi/2
8		2
9		0,5	pi/20; 0
10		1	pi/100; -pi/2
11		1
12		0,25	pi/20; 0