4. Техническое построение земных и космических станций
4.1. Устройство земных станций.
Рассмотрим простейшую земную станцию, предназначенную только для приема однонаправленной (циркулярной) информации (см. рис. 1.4), — одноствольную приемную ЗС (для приема сигналов от одного ствола бортового ретранслятора ИСЗ).
Сигналы, излучаемые ИСЗ, принимаются (рис. 4.1,а) антенной 1 ЗС (чаще зеркального типа, иногда типа волновой канал), перехватывающей электромагнитное излучение и преобразующей его в электрическое напряжение. Далее принятый сигнал усиливается малошумящим входным устройством 2, содержащим малошумящий (например, параметрический) усилитель, смеситель, предварительный усилитель промежуточной частоты. Необходимые для преобразования частоты колебания формируются гетеродинным трактом 3.
Рис. 4.1. Упрощенные структурные схемы одноствольной ЗС, принимающей циркулярную информацию (a) и многоствольной ЗС (б).
Основное усиление сигнала осуществляется на промежуточной частоте (или нескольких промежуточных частотах при многократном преобразовании) в УПЧ 4, в состав которого входит фильтр (или фильтры), формирующий полосу пропускания, оптимальную для приема сигнала (полоса либо близка к полосе ствола, если принимаемый сигнал занимает весь ствол — при приеме программ телевидения, многоканальных телефонных сообщений с временным многостанционным доступом и т. п., либо составляет лишь часть полосы ствола, например при приеме телефонных сигналов с частотным многостанционным доступом). За усилителем следуют демодулятор 5, выделяющий передаваемое сообщение, и оконечное каналоформирующее оборудование 6. Например, в случае приема программ телевидения в этом оборудовании 6 могут осуществляться регенерация синхросмеси, выделение канала звукового сопровождения и т. п. Принятая информация поступает по наземной соединительной линии 7 к потребителю программы.
Комплекс 8 служит для наведения антенны на ИСЗ — в него входят привод, перемещающий антенну, и аппаратура наведения, управляющая его движением.
Более сложные земные станции для дуплексной связи, работающие в нескольких стволах ИСЗ, строятся по более общей схеме рис. 4.1,б, где 1– антенна с комплексом наведения, используемая обычно одновременно для приема и передачи; 2 – фильтр разделения приема и передачи; 8 – малошумящий усилитель; 4 – устройство сложения (фильтр сложения) передатчиков различных стволов; 5 – устройство разделения (фильтр разделения) принимаемых сигналов различных стволов; 6 – передающее устройство ствола; 7 – приемное устройство ствола; 8 – каналообразующая аппаратура ствола; 9 – аппаратура соединительной линии.
4.2. Устройство космических станций.
Рассмотрим основные элементы радиотехнического комплекса космической станции, входящего в систему спутниковой связи. Этот комплекс состоит из двух основных компонентов — антенн и бортового ретранслятора.
В отличие от земных станций, которые имеют в своем составе одну антенну, на борту современных связных ИСЗ обычно устанавливается несколько приемных и передающих антенн. Это объясняется необходимостью сформировать различные зоны обслуживания, привести в соответствие излучение антенн с размещением земных станций на поверхности Земли, чтобы не рассеивать энергию бесполезно на те районы, где она не используется. Высокая направленность приемных и передающих антенн ИСЗ способствует также уменьшению взаимных помех с другими системами связи — спутниковыми и наземными, повышает эффективность использования геостационарной орбиты.
Сигнал, принятый антенной космической станции, поступает на входное малошумящее устройство 1 (рис. 4.2), в качестве которого на ИСЗ применяются смесители, усилители на малошумящих ЛБВ или транзисторах и лишь изредка — неохлаждаемые параметрические усилители.
Рис. 4.2. Упрощенные структурные схемы одноствольного
бортового ретранслятора КС.
Дальнейшее усиление принятого сигнала осуществляется на частоте приема, промежуточной частоте и частоте передачи. В некоторых случаях осуществляется не двукратное, а однократное преобразование частоты со входной на выходную, а усилитель ПЧ при этом отсутствует.
В схеме могут применяться устройства разделения, коммутации, объединения сигналов (коммутатор на рис. 4.2), цель которых — подать сигналы, адресованные тем или иным ЗС, на передающие антенны с соответствующей зоной обслуживания. Коммутация сигналов может осуществляться как в пределах одного ствола, так и в нескольких стволах. Перспективны системы с быстродействующей переориентацией узкого луча антенны (с коммутацией луча), что позволяет осуществлять связь со многими ЗС через остронаправленные антенны, не увеличивая числа антенн на борту ИСЗ.
На схеме рис. 4.2 не показаны резервные элементы и устройства переключения на резерв; эти схемы обычно достаточно сложны, поскольку степень резервирования различна для разных элементов тракта в зависимости от их надежности, важности для жизнеспособности ИСЗ, необходимого срока службы, достигающего 7 лет и более.
В некоторых случаях на космической станции осуществляется более сложная обработка сигналов, например преобразование вида модуляции, регенерация сигналов, передаваемых в дискретной форме.
Функциональная схема многоствольного ретранслятора КА. На рис.4.3 представлена типовая функциональная схема многоствольного ретранслятора КА с так называемой прямой ретрансляцией сигналов, когда в стволах ретранслятора не производится демодуляция принимаемых сигналов от наземных станций. Многоствольные ретрансляторы, как правило, используются в системах фиксированной спутниковой службы и теле-, радиовещания. Для систем мобильной связи чаще используются одноствольные ретрансляторы.
Типовой частотный план многоствольного ретранслятора для частот приема (или передачи) показан на рис. 4.4. Для частотного плана ретранслятора на передачу частота f0 есть средняя частота полосы частот на передачу, лежащая, например, в диапазоне 4 ГГц системы диапазона частот 4/6 ГГц. На частоте f0 излучается пилот-сигнал, служащий для наведения антенн земных станций на КА. Рисунок 4.4 также дает частотный план
Рис.4.3. Функциональная схема ретранслятора КА с прямой
ретрансляцией сигналов
ретранслятора на прием. В этом случае частота f0 будет лежать в диапазоне 6 ГГц. Полоса пропускания УПЧ ретранслятора (см. рис. 4.3) равна полосе ствола (36 МГц в соответствии с рис. 4.4). При типовой полосе ствола 36МГц разнос частот между стволами равен 40 МГц. В общей полосе частот 500 МГц размещается 12 стволов одной поляризации и 12 стволов противоположной поляризации радиосигналов. Таким образом, емкость ретранслятора в полосе частот 500 МГц может достигать 24 стволов для одного антенного луча ретранслятора.
Рис. 4.4. Частотный план ретранслятора.
Диплексер служит для разделения (развязки) сигналов передачи и приема при работе на общую антенну. Диплексер содержит поляризационный селектор, разделяющий сигналы передачи и приема, имеющие разную поляризацию, а также дополнительно фильтры частот приема и передачи для развязки цепей передачи и приема сигналов.
Технические характеристики транспондеров спутника Ямал-200
Частотный план спутника Ямал-200 (орбитальная позиция 90º в.д., С-диапазон)
Частотный план спутника Ямал-200 (орбитальная позиция 90º в.д., Ku-диапазон)
Функциональная схема ретранслятора с многолучевой антенной.
Ретрансляторы с многолучевой антенной обычно применяются в системах связи, использующих малогабаритные земные терминалы, например, в подвижной спутниковой службе или спутниковых системах персональной связи со стационарными ультрамалыми терминалами USAT (см. раздел 6). Такие терминалы имеют антенны с низким коэффициентом усиления, поэтому для обеспечения необходимой энергетики на линии связи ретранслятор должен обладать высокой ЭИИМ. Одним из способов повышения ЭИИМ является увеличение коэффициента усиления антенны путём сужения диаграммы направленности. В этом случае зону обслуживания КА разбивают на соты, каждую из которых обслуживает узкий луч с высокой ЭИИМ - рис. 4.5.
Рис.4.5. Разбиение зоны обслуживания КА на соты.
На ретрансляторе используют многолучевую антенну с числом лучей т = 100200, которые создаются, например, с помощью т специальных облучателей, смещенных относительно фокуса крупноапертурного отражателя, или с помощью фазированной антенной решетки.
Многолучевая антенна спутника INMARSAT
Узкий луч ретранслятора накрывает и соседние соты, поэтому для устранения взаимных помех сигналы в соседних сотах или лучах должны разделяться по частоте, времени или кодам.
Наиболее простым, а потому и часто встречающимся, является частотное разделение. В этом случае группы соседних лучей, отличающихся частотами, объединяют в кластер, который может содержать 3, 4 или 7 лучей – рис.4.6. Далее эти кластеры повторяются, заполняя всю зону обслуживания. Повторяющиеся кластеры лучей используют одни и те же полосы частот, что позволяет значительно увеличить пропускную способность
Рис. 4.6. Кластеры: а – из трёх лучей; б – из четырёх лучей;
в – из семи лучей.
спутниковой системы связи при ограниченной общей полосе частот, выделенной системе связи. Например, если kкл — число лучей в кластере; f — полоса частот, выделяемая для заданной зоны обслуживания КА; т — число лучей в зоне обслуживания (см. рис. 4.5.), то f/kкл — полоса частот, отводимая для работы в одном луче, и тf/kкл — результирующая полоса частот, используемая для передачи информации в многолучевой системе и получаемая за счет повторного использования частот в повторяющихся кластерах лучей.
Таким образом, в спутниковой системе связи с т-лучевой приемопередающей антенной ретранслятора по сравнению со случаем широкой однолучевой антенны ретранслятора обеспечивается выигрыш:
• по энергетике радиолиний примерно в т раз, что позволяет использовать земные терминалы с меньшими размерами антенн;
• по используемой полосе частот в т/kкл раз, что позволяет в такое же число раз повысить пропускную способность спутниковой системы связи.
Минимальное значение kкл = 3 предъявляет наиболее жесткие требования к уровню боковых лепестков спутниковой многолучевой антенны.
В простейшем варианте построения спутниковой сотовой системы связи с многолучевой антенной ретранслятора в каждом узком луче имеются одна базовая станция и малогабаритные терминалы, которые по спутниковым каналам связи связываются с базовой станцией (см. рис.1.4,г). Все базовые станции в разных лучах связаны между собой высокоскоростными каналами связи и имеют выход в наземную телекоммуникационную сеть общего пользования.
Функциональная схема ретранслятора с многолучевой антенной при прямой ретрансляции сигналов приведена на рис. 4.7.
Рис.4.7. Функциональная схема ретранслятора с многолучевой
антенной для абонентских радиолиний
Ретранслятор имеет, как минимум, две антенны. Антенна фидерной линии связи (фидерными линиями связи называются радиолинии "Базовая станция - КА" и "КА - базовая станция") имеет один зоновый приемопередающий луч, который покрывает всю зону обслуживания, в которой находятся стационарные базовые станции системы и координирующая станция, управляющая трафиком сети связи. Абонентские линии связи ("Терминал - КА" и "КА - терминал") используют многолучевую антенну.
Абонентские радиолинии работают в полосах частот, выделенных для спутниковой мобильной связи (дециметровый диапазон волн) или USAT (20/30 ГГц). Фидерные линии связи используют полосы частот фиксированной спутниковой службы в диапазонах 4/6, 7/8, 11/14 ГГц и др.
Приемник ретранслятора фидерной линии содержит т фильтров с полосой каждого фильтра f1, где f1 - полоса частот, используемая в узком луче абонентской линии связи. Если число лучей в кластере есть kкл, то общая полоса частот, занимаемая абонентскими линиями связи в эфире, f= kкл f1, а полоса частот, занимаемая фидерной линией, fфид = mf1.
Для того чтобы сигнал базовой станции был направлен в узкий луч ретранслятора номер i, синтезатор частот базовой станции должен установить частоту несущей, которая попадает в фильтр Фi приемника ретранслятора, а приемник базовой станции должен быть настроен на частоту несущей, которая проходит фильтр Фni ретранслятора на передачу по фидерной линии.
Изложенный выше принцип организации многостанционного доступа с использованием многолучевой антенны называется многостанционным доступом с частотной адресацией лучей. Набор фильтров Фi...Фn и Фn1... Фnm на борту ретранслятора образует маршрутизатор сигналов, использующий частотный признак сигналов для их маршрутизации.
Ретрансляторы с многолучевой антенной относятся к многоствольным ретрансляторам. Здесь стволом можно считать один луч.
