3.4 Выбор несущей частоты передатчика

Выбор диапазона частот при связи наземных пунктов с летательными аппаратами ограничивается частотно-избирательными свойствами атмосферы. В диапазоне частот от 100 МГц до (6…10) ГГц существует "радиоокно", в пределах которого и целесообразно выбрать рабочую частоты командных радиолиний .

Для связи с аппаратом, летящим на небольших высотах используется сантиметровый диапазон длин волн. Для удобства расчёта выберем =3 см. Рабочая частота при этом равна:

F₀ = с / = 10ГГц

3.5Спектр сигнала

Сигнал КИМ-ЧИМ-ФМ является одним из наиболее часто применяемых сигналов при организации цифровой связи по радиоканалам большой длительности. Символы сигнала КИМ заполняются прямоугольными колебаниями (меандром) разной частоты для нулей и единиц. Сигналом КИМ-ЧИМ модулируется по фазе несущее колебание.

Аналитическая запись сигнала КИМ-ЧИМ-ФМ имеет вид:

где:

колебания прямоугольной формы (меандр) с частотами 1 и 2, используемыми на второй ступени модуляции сигнала; Пс(t) – последовательность положительных и отрицательных прямоугольных импульсов, т.е. сигнал КИМ.

Общий вид спектра сигнала изображён на рис.3.

И нтенсивность непрерывной части спектра на частотах 01 и 02, т.е. величина А равна:

где  - девиация фазы на последней ступени модуляции; Р(1) – вероятность появления единиц в сигнале КИМ; 0 – длительность элементарного символа.

Спектр сигнала изображён для случая, когда Р(1)=Р(0). В том случае, когда Р(1)Р(0), форма спектра на частотах 01 и 02изменится.

Характерной особенностью спектра сигнала КИМ-ЧИМ-ФМ является отсутствие спектральных составляющих на чётных гармониках частот 1 и 2 .

Максимальная ширина отдельных частотных полос спектра поднесущих колебаний определяется соотношением:

получаем:

При выборе ширины полосы пропускания разделительных фильтров (FРФ) необходимо учитывать возможную расстройку между частотой поднесущего колебания Fпн и резонансной частотой фильтра FРФ. Поэтому применяется следующая формула:

где -коэффициент относительной среднеквадратической нестабильности настройки фильтров.

Для ослабления переходных помех, значения частот поднесущих колебаний FПН1 и FПН2 выбирают с таким расчётом, чтобы комбинационные составляющие и гармоники не попадали в полосу пропускания разделительных фильтров. При выборе минимального значения FПН обычно используют выражение:

Выберем FПН1=115 кГц.

Воспользуясь выражением (*), получим:

П оскольку реальные фильтры обладают конечной селективностью, значения частот поднесущих колебаний должны отстоять друг от друга на определённую величину F0, которая выбирается из условия отсутствия взаимных помех:

Где з=1,31,5 – коэффициент запаса.

В ыберем з=1.5, получим:

Значение FПН2 определяется следующим образом:

Ш ирину спектра излучаемого сигнала определим выражением:

3.6 Расчет энергетического потенциала радиолинии

В космических радиолиниях независимо от того, в каком участке диапазона они работают, всегда присутствуют принятые антенной естественные шумы и собственные шумы приёмных устройств. Эти шумы аддитивные по отношению к сигналу на входе приёмника, имеют гауссовское распределение и практически равномерный спектр в пределах полосы пропускания приёмника. При расчётах, учитывающих действие таких шумов, удобно использовать понятие энергетического потенциала.

Энергетическим потенциалом радиолинии называется отношение средней мощности сигнала к спектральной плотности шума, пересчитанное ко входу приемника.

Энергетический потенциал определяет возможности командных радиолиний в части обеспечения точности измерения параметров движения, пропускной способности и вероятности ошибки при приёме информации.

Найдём мощность сигнала на входе приёмника:

Р_с=q*P_ш;

Ширина спектра при КИМ-ЧИМ-ФМ:

f=278,5кГц

Отсюда можно найти мощность шума:

Мощность шума:

Р_ш=N₀∆F,

N₀- спектральная плотность флюктуационных шумов на входе приемника:

N₀ = k*T_экв =1,38*10^-20,

гдеk = 1,38*10^-23 Дж/К - постоянная Больцмана

Эквивалентная шумавая температура Т_экв равна температуре согласованного сопротивления (эквивалента антенны), при которой мощность его теплового шума равна мощности шумов данного устройства. Отношение Т_экв/Т_о, где (T_o — 290⁰ К) называется относительной шумовой температурой или шумовым числом.

Понятием шумовая температура пользуются в радиотехнике для оценки шумов электровакуумных и полупроводниковых приборов, предназначенных для усиления и преобразования электрических сигналов; в радиоастрономии при описании источников космического радиоизлучения; для определения шумового вклада, вносимого радиоприёмным устройством в полезный сигнал в процессе его обработки. В последнем случае пользуются также шумовым коэффициентом F, связанным с Тш соотношением: Т_экв = (F — 1) То. Из графика зависимости шумовой температуры от коэффициента шума найдем эквивалентную шумовую температуру.

Т_экв = (F — 1) Т_о=(3-1)*290=580К, но мы возьмем с запасом, чтобы избежать флюктуационные выбросы шума, т.еТ_экв = 1000 К - эквивалентная шумовая температура входа[4]

Из графика зависимости вероятности ошибки от отношения сигнал/шум при различных видах модуляции находим величину

Для ФМи вероятности перепутывания символов Р_ош=10^-6 .Следовательно q=h₀²=9.

Т.к. в реальных условиях в точке приёма и частота и фаза принимаемого сигнала известна не точно, кроме того, сигнал испытывает различные возмущения, его огибающая будет являться случайным процессом с произвольной статистической структурой, модель шума не будет соответствовать реальному шуму, действующему в системе, то оптимальный приёмник будет функционировать в необычной для него ситуации, и его характеристики изменяться в худшую сторону. Поэтому не практике предпочтительнее строить квазиоптимальный приёмник. Вследствие этого отношение с/ш необходимо увеличивать на (3050)%. Поэтому получаем:

q`=q+0.5q=13.5(раз)

Найдём мощность сигнала на входе приёмника:

Р_с=13.5*3.8*10^-15=5.18*10^-14 Вт;

Мощность передатчика можно найти по формуле:

Где Р_прд – мощность передающего устройства; D_прд – коэффициент усиления передающей антенны; S_пм – эффективная площадь приёмной антенны; r – расстояние между передающей и приёмной антеннами.

В качестве наземной передающей антенны возьмем антенну параболического типа диаметром зеркала 1м и рассчитаем коэффициент усиления этой передающей антенны – D_прд:

,где - длина рабочей волны.

S – эффективная площадь передающей антенны и для параболической антенны она будет рассчитываться:

Тогда:

По своему назначению командные радиолинии должны функционировать во всех условиях полёта, в том числе и в аварийных состояниях, связанных с потерей летательным аппаратом ориентации. Поэтому для этих систем на борту управляемого объекта обязательна установка всенаправленных антенн. Габариты приёмной антенны должны обеспечивать возможность установки её на борт летательного аппарата. В качестве бортовой антенны будем использовать излучатель в виде открытого конца волновода, который широко применяется в сантиметровом диапазоне благодаря простому способу возбуждения питающей линии, относительной широкополосностью. Такая антенна обладает широкой диаграммой направленности и коэффициентом усиления D_пм=2 (3дБ). Площадь приемной антенны будет равна:

В задании курсового проектирования задана линия с расстоянием между приемником и передатчиком R = 150 км.

Дополнительные потери в других узлах будут примерно равны L=10.

Теперь можно рассчитать мощность передатчика:

P_прд=P_c*4πr²*L/Dпрд*Sпрм=0.31 Вт

В реальных условиях параметры канала могут случайно меняться. Эффективное использование параметров сигнала на приёме в этих условиях затрудняется, и помехоустойчивость ухудшается. При распространении сигнал подвергается различным возмущениям. Излучаемая антенной мощность поглощается и рассеивается слоями атмосферы, происходит сильное ослабление сигнала в облаке дождя или снега, переотражения от пассивных помех.

Всё это может приводить к замираниям сигнала. Для избежания срыва управления увеличим мощность передатчика на 20 дБ (в 100 раз), получим

Р_прд=0.31*100=31 Вт

Т еперь можно рассчитать энергетический потенциал радиолинии исходя из определения описанного ранее: