Глава 13. Особенности проблем эмс в системах спутниковой связи и вещания

13.1 Особенности спутниковых систем связи с точки зрения теории эмс

При изложении данного раздела предполагается, что читатель уже получил определенные знания по тематике “Основы построения систем спутниковой связи”, включая основные геометрические пространственные соотношения и основы энергетических расчетов в этих системах. Поэтому ниже все формулы, определяющие расстояния и углы между различными элементами систем спутниковой связи, приводятся в готовом виде с минимальными пояснениями. Достаточно полная и разносторонняя информация о проблемах ЭМС спутниковых систем радиосвязи и вещания и их решениях дана в [9]. В связи с отмеченными обстоятельствами все содержание данной главы посвящено исключительно рассмотрению особенностей ЭМС спутниковых систем связи как между собой, и c другими видами систем радиосвязи.

На рис. 13.1 в качестве примера графически представлена схема очень важного случая помехового взаимодействия двух геостационарных космических систем, в которой использованы следующие обозначения [ 10 ]:

Рис. 13.1. Помеховое взаимодействие двух геостационарных космических систем

Обозначения на рис. 13.1:

КС – космическая станция; ЗС – земная станция; МС – мешающий сигнал; θt - топоцентрический угловой разнос между спутниками с учетом допусков на удержание спутников по долготе; η – угол, определяющий направление прихода МС от мешающей КС на ЗС, подверженную помехам; δ - угол, определяющий направление прихода МС от мешающей ЗС на КС, подверженную помехам.

Проблемы обеспечения ЭМС спутниковых систем радиосвязи и радиовещания (ССС) существенно отличаются от аналогичных проблем наземных систем. Основные причины этого связаны с очень большими размерами земной поверхности, наблюдаемой с космических станций (КC), расположенных на искусственных спутниках связи (далее – ИСЗ) и называемой зоной видимости. Максимальная площадь зоны видимости составляет около одной трети поверхности Земли. При этом для “электромагнитного глаза” КС не существует государственных и иных границ на поверхности Земли. Излучения передающих антенн КС в разной степени достигают различных участков зоны видимости и могут являться источниками помех для приемников наземных радиосиcтем. Соответственно в приемные антенны КС могут попадать излучения передающих антенн, расположенных в любой точке зоны видимости. Кроме помеховых взаимодействий с наземными радиосистемами на участках Земля-Космос и Космос-Земля ССС обмениваются помехами и на поверхности Земли: излучения передающих антенн земных станций ССС могут создавать помехи приемникам наземных радиосистем, а излучения передающих антенн наземных радиосистем -- приемникам ЗС. Наконец, возможны взаимные помехи между КС разных ССС.

Все возможные варианты (сценарии) возникновения помех при работе ССС перечислены и обозначены ниже и графически представлены на рис. 13.2 [9].

Рис. 13.2 студенту дать – в обозначениях Рис 3.1 Кантора!

Возможные сценарии возникновения помех при работе ССС таковы:

-- передача наземной станции создает помеху земной станции (A1);

-- передача земной станции создает помеху приему земной станции (A2);

-- передача КС спутника одной системы создает помеху земной станции другой системы (В1);

-- передача земной станции одной системы создает помеху приему КС спутника другой системы (В2);

-- передача наземной станции создает помеху приему станции (С1);

-- передача КС спутника создает помеху приему земной станции (С2);

-- передача КС спутника одной системы создает помеху приему спутника другой системы(Е);

-- передача земной станции одной системы создает помеху приему земной станции другой системы(F).

Для обеспечения ЭМС спутниковых систем связи между собой и с РЭC наземных систем необходимо обеспечить такое взаимное расположение космических, земных и наземных станций этих систем (КС, PC и НС, соответственно) и такие диаграммы направленности их антенн, при которых выполняется выбранный критерий ЭМС для известного сценария при заданных параметрах передающих и приемных устройств, включая значения несущих частот взаимодействующих радиосигналов. Практически это сводится к ограничению допустимыми рамками следующих видов МС:

a/ от передатчиков КС одной ССС приемникам КС, земных и наземных станций других систем (КС-КС, КС-ЗС, КС-НС);

в/ от передатчиков ЗС одной ССС приемникам КС, земных и наземных станций других систем (ЗС-КС, ЗС-ЗС; ЗС-НС);

с/ от передатчиков наземных станций НС приемникам КС и ЗС рассматриваемой ССС (НС-КС, НС-ЗС); (my)

Для всех сценариев возникновения помехи в CCC расчет мощности мешающего сигнала I (t) на выходе фидерного тракта приемника (my), , которая превышается в течение не более t процентов времени, производится по формуле:

(Пр. 3.1 ЛЯ) I (t), дБ = + ( φ) – + (θ) - - - - (t) (13.1)

где:

I(t),дБ – уровень мощности МС на входе приемника - рецептора помех, превышаемый в течение не более t процентов времени; (φ) -- усиление антенны мешающего передатчика в направлении на рецептор МС; φ – угол между направлением максимального излучения МС и направлением на рецептор помехи; (θ) -- усиление антенны рецептора в направлении на источник МС; θ -- угол между направлением максимума диаграммы направленности антенны рецептора и направлением на источник МС; , потери в антенно-фидерных трактах передатчика МС и приемника ПС, соответственно; -- ослабление МС при распространении в свободном пространстве; -- t) -- течение t процентов времени.

Как отмечалось выше, мощность МС на входе демодулятора рецептора следует определять с учетом фильтрующих свойств высокочастотного тракта рецептора. Различным критериям обеспечения ЭМС соответствуют различные максимально допустимые значения уровня МС на входе приемника (t). Рассмотрим используемые в спутниковой связи варианты критериев обеспечения ЭМС.

1/ В случае использования критерия защитного отношения {З.О., см. ф-лу (12.1)} отношение мощностей ПС и МС на входе рецептора (или разность их уровней) может быть меньше 3.O., обозначаемого в документах МСЭ как “R” (Ratio), лишь в течение заданного малого процента времени t : З.О.(дБ) = 10 lg = C(t)-- Imaх (t) = R t , (13.2) где C(t) – минимально допустимый уровень мощности ПС на входе приемника, который может превышаться лишь в течение не более t процентов времени. Соответственно, выражение для Imaх (t) имеет вид:

Imaх (t) = C(t) – R t (13.3)

Принятое международное краткое обозначение критерия защитного отношения (С/I)* подчеркивает ориентацию на выполнение требований по отношению мощностей ПС и МС на входе рецептора помехи (“Сarrier/Interference”).

2/ В ряде случаев при анализе ЭМС ССС используют отношение мощностей помехи на входе приемника и суммы тепловых шумов различного происхождения, т.е. P МС вх./ N или (I/N) [9].

Мощность теплового шума любого приемника, приведенная к его входу (N), определяется широко известным выражением:

N = k Tэ Пэф (13.4)

где: k – постоянная Больцмана; Пэф – эффективная ширина полосы пропускания высокочастотного тракта приемника; Тэ – эквивалентная шумовая температура приемника, определяемая суммой:

Тэ. = Тэ пр + Тэ фид + (Тэ ант + Тэ косм) ŋ , где: (13.5)

Тэ пр = эквивалентная шумовая температура собственных шумов приемника;

Тэ фид -- эквивалентная шумовая температура приемного фидера рецептора;

Тэ ант -- эквивалентная шумовая температура приемной антенны за счет попадания в ее створ тепловых шумов атмосферы и Земли;

Тэ косм – мощность шумов, создаваемых радиоизлучением Солнца, Луны, планет и других космических источников, отнесенных ко входу антенны;

ŋ -- кпд фидера и фильтров, находящихся между входом антенны и входом приемника;

Критерии (C/I) и (I/N) связаны очевидным соотношением:

(C/I) = (C/N) / (I/N) , (13.6)

где (C/N) – отношение мощностей ПС и собственного шума полезной линии связи в отсутствие МС. Таким образом, зная (C/N) и (I/N) , легко находим (C/I) по формуле (13.6).

Расчет значения мощности МС на входе рецептора I производится по формуле (13.1).

Пример 1: определив по (13.1) при известных значениях ’(φ), b’(t), (θ), (t) величину I(t) -- мощность МС, которая может превышаться лишь в течение заданного процента времени t – и сравнив ее с допустимым значением Iмах(t) = С(t) – R(t), можно проверить выполнение критерия ЭМС в данной электромагнитной обстановке.

Пример 2: определив по (13.1) при прочих известных параметрах величину (θ), можно найти необходимый угловой разнос спутников θ.