20

Введение

Цель методических указаний – помочь студентам при подготовке к выполнению лабораторных работ. Описан порядок выполнения работы, изложен теоретический минимум и определены учебные цели. По итогам курса студент должен освоить не только лекционный материал, но и приобрести навыки компьютерного моделирования (с использованием САПР MathCAD). В первой работе при моделировании используются простейшие математические операторы, во второй – графические возможности, в третьей – интерполяция и расчет интегралов в MathCAD. Предполагается, что студент уже имеет опыт работы на персональном компьютере и имеет представление о MathCAD, например из курса «Основы автоматизации проектирования». В противном случае следует изучить соответствующую литературу из библиографического списка или аналогичную.

Необходимый для осмысленного выполнения работ минимум радиотехнических знаний изложен в этих методических указаниях, но для сдачи зачета и экзамена необходимо посещение лекций. Только лекции гарантируют студенту получение информации соответствующей современному уровню развития науки и техники.

Библиографический список

1. Каганов В.И. Радиотехника + компьютер + MathCAD. – М.: Горячая линия – Телеком, 2001. – 416 с.:ил.

2. Кирьянов Д. Самоучитель MathCAD 2001. – СПБ.: БХВ – Петербург, 2001 – 544с.:ил.

3. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов. – 4-е изд. – М.: Радио и связь,1986. – 512с:.ил.

4. Финкельштейн М.И. Основы радиолокации. – М.: Советское радио, 1973. – 496с.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

Расчёт линии радиосвязи «наземный пункт – космический аппарат»

1. Цель работы

1) Изучение методики расчета бюджета мощности космической линии радиосвязи.

2) Знакомство с простыми вычислениями в MathCAD.

2. Основные определения и формулы

1. Зависимость мощности принимаемого сигнала от расстояния до передатчика

Радиоволна, излученная не направленной антенной передатчика, распространяется во все стороны пространства и имеет сферический фронт. При этом энергия волны равномерно распределяется по площади поверхности сферы и, следовательно, плотность энергии волны убывает с расстоянием прямо пропорционально увеличению площади поверхности сферы (S_сферы=4πR², где R – радиус сферы). Мощность, заключённая в некотором секторе сферического фронта определяется по формуле:

, [Вт] или , [дБ Вт],

где P_прд – мощность передатчика в Вт, S_апрм – площадь сектора (эффективная площадь приемной антенны в метрах), R- протяженность радиолинии в метрах.

График зависимости мощности принимаемого сигнала от расстояния показан на рис.1.1.

Динамический диапазон – отношение максимального уровня сигнала к минимальному – важный параметр, характеризующий возможности приёмного устройства. При полёте, например к Луне (расстояние от Земли 384 000 км), для поддержания постоянной радиосвязи с момента выхода на орбиту Земли высотой 500 км, динамический диапазон приёмника должен быть порядка 80 дБ.

2. Влияние атмосферы

При распространении электромагнитных волн в среде происходит их рассеяние и затухание. Космическое пространство, с достаточной для радиосвязи точностью, можно считать вакуумом и учитывать только потери в атмосфере.

В общем случае потери в атмосфере зависят от маршрута распространения радиоволны (длинны пути), от состояния атмосферы (погодных условий) и от частоты радиосвязи. Для количественного учёта атмосферных потерь вводят соответствующий коэффициент (β), определяемый экспериментально или по эмпирическим формулам и равный отношению мощности радиосигнала прошедшего через атмосферу к мощности сигнала излученной антенной:

, [раз] или , [дБ].

3. Коэффициент усиления антенны

Антенна, как пассивный элемент электрической цепи, не способна усиливать сигнал.

Из пункта 1 видно, что излучать мощность передатчика во все стороны очень невыгодно. Поэтому целесообразно использовать направленные антенны, передающие сигнал точно на приёмник.

Коэффициентом усиления антенны (другое название коэффициент направленного действия) называется величина, характеризующая направленные свойства антенны и показывающая во сколько раз данная антенна имеет более узкую диаграмму направленности чем абсолютно не направленная антенна (диаграмма направленности 360^о).

Рассчитать коэффициент усиления антенны (в разах) можно по формулам:

или ,

где θ – ширина диаграммы направленности в градусах, S_a – эффективная площадь антенны в м², λ – рабочая длинна волны, м. Видно, что использование более высокой частоты радиосвязи позволяет уменьшить площадь антенны, а значит уменьшить её массу и габариты, что очень важно на космическом аппарате.

Взяв десять логарифмов десятичных от коэффициента усиления антенны, выраженного в разах, получим коэффициент усиления антенны в децибелах.

4. Отношение сигнал/шум

Работа оконечного оборудования возможна при определённом отношении сигнал/шум на выходе радиоприёмника. Минимальный уровень сигнала на входе приёмника, при котором обеспечивается требуемое отношение сигнал/шум на его выходе, называется чувствительностью приемника.

О факторах, влияющих на мощность полезного сигнала, мы говорили выше. Шум имеет две составляющие: шум линии связи и собственные шумы радиоприёмника. Шумы линии связи – это радиоволны излучаемые радиопередатчиками других систем (связи, радионавигации, постановки помех), шумы индустриального и естественного происхождения. Собственные шумы приёмника обусловлены схемотехникой и применяемыми радиоэлементами.

Для количественной оценки шумов обычно задаётся эквивалентная шумовая температура – температура, в градусах Кельвина, до которой следует нагреть эквивалентное сопротивление источника шума, чтобы спектральная плотность мощности шума (g_ш) на его выходе совпадала с рассчитанной по формуле:

g_ш=k∙T_ш, [Вт/Гц],

где k=1,38∙10^-23 Вт/К∙Гц – постоянная Больцмана, Т_ш – эквивалентная шумовая температура, К.

Мощность шумов прямо пропорциональна полосе пропускания приемника (Δf) :

Р_шпрм= g_ш∙Δf, [Вт].

Полоса пропускания, в свою очередь, должна быть чуть больше (с некоторым запасом на расстройку и нестабильность) ширины спектра полезного сигнала.

Зная требуемое отношение сигнал/шум (С_тр) и эквивалентную мощность шумов пересчитанную ко входу приёмника (Р_шпрм) можно определить чувствительность приёмника:

Р_прм= С_тр∙ Р_шпрм , [Вт], Р_прм= 10∙log(С_тр∙k∙T_ш∙Δf), [дБ Вт].

3. Задание

1. Рассчитать динамический диапазон сигнала при связи из наземного пункта с космическим аппаратом в зоне прямой видимости (рис.1.2) на круговой орбите с высотой R (табл.1.1). Потерями в атмосфере пренебречь.

2. Определить мощность передатчика для связи из наземного пункта с космическим аппаратом на геостационарной орбите (36000 км). Полоса пропускания приёмника Δf, шумовая температура линии связи Т_шлс, шумовая температура приёмника Т_шпрм, требуемое отношение сигнал/шум С_тр, потери в атмосфере β, коэффициент усиления передающей антенны К_а и площадь приёмной антенны S_апрм заданы в табл.1.1.

Таблица 1.1

Вариант	R, км	Δf, кГц	Тшлс, оК	Тшпрм, оК	Стр	β, дБ	Ка	Sапрм, м2
1	1600	40	700	500	10	3	10	0,1
2	3000	50	700	450	15	4	15	0,2
3	1000	60	700	400	10	5	20	0,3
4	15000	30	600	300	20	6	30	0,1
5	25000	40	800	300	15	7	30	0,1