Лекция 11. Энергетический расчет спутниковой лини связи

Цель лекции: Изучить методику расчета спутниковой лини связи.

Задача энергетического расчета – определение основных энергетических параметров, обеспечивающих требуемое качество передачи сигналов по спутниковой линии связи.

Выбираем общую структуру системы, в результате чего определяем диапазоны частот, методы многостанционного доступа и использование полосы частот, режим работы ретранслятора, используемые виды и параметры модуляции, зоны обслуживания и т. п.

Энергетическими параметрами линии связи являются мощность передатчика, коэффициенты усиления передающей и приемной антенн, эквивалентная шумовая температура приемного устройства в целом.

Рассмотрим один участок спутниковой линии, состоящей из передающего и приемного устройства, антенного тракта и тракта распространения, как это показано на рисунке 11.1.

Пропускная способность спутниковой линии ограничивается, с одной стороны, шириной полосы пропускания, а с другой – энергетикой участка «вниз».

Эквивалентная изотропно излучаемая мощность (ЭИИМ) передающей станции

                                                                                (11.1)

где Р_ПЕР – эффективная мощность на выходе передатчика;

η_ПЕР – коэффициент передачи по мощности волноводного тракта;

G_ПЕР – коэффициент усиления передающей антенны относительно изотропного излучателя.

Затухание энергии сигнала в свободном пространстве – уменьшение плотности потока мощности при удалении от излучателя

                                                                                (11.2)

где λ- длина волны;

d – наклонная дальность (расстояние между передающей и приемной антеннами).

 

Рисунок 11.1 – Структурная схема и диаграмма уровней одного участка линии спутниковой связи

Полное значение потерь на трассе

                                              .                                        (11.3) 

При согласовании волновых сопротивлений антенны, элементов тракта и приемника мощность сигнала на входе приемника

                .      (11.4)

Если S_ПР – эффективная площадь апертуры антенны, то ее коэффициент усиления имеет вид

                                                                          (11.5)

то

                     .               (11.6)

Формула позволяет определить необходимую мощность передатчика по заданному значению мощности сигнала на входе приемника.

Если заданы не мощность сигала на входе приемника, а отношение сигнал-шум на входе приемника , то в формулу  необходимо подставить , где суммарная мощность шума выражается формулой

                                          ,                                      (11.7)

где K – постоянная Больцмана;

Т_Σ – эквивалентная шумовая температура всей приемной системы с учетом внутренних и внешних шумов;

Δf – эквивалентная шумовая полоса приемника.

Иногда при расчете энергетики спутниковых линий необходимо знать напряженность электромагнитного поля, создаваемого излучением ИСЗ на поверхности Земли А₀, или плотность потока мощности излучения ИСЗ у поверхности Земли W

;         (11.8, 11.9)

где r₀=120π – волновое сопротивление свободного пространства, А₀ измеряется в милливатт на метр (мВ/м);

W – в ватт на квадратный метр (Вт/м²).

Следовательно

                                   .                           (11.10)

Качество связи оценивается для цифровых методов передачи частостью ошибок, приходящихся на 1 бит. При этом для различных случаев частость ошибок составляет 10^-6, 10^-4, 10^-3. При правильных методах измерений она близка к вероятности ошибочного приема

    .      (11.11)

Е_Э/N₀ выбирается из таблиц [c. 111] для различных видов модуляции.

В роли критерия качества при передаче ТФ сообщений аналоговым методом используют мощность шума на выходе канала, при передаче ТВ сообщений – отношение сигнал-шум на выходе канала, а при использовании цифровых методов – часть ошибок, которая определяется отношением мощности сигнала к мощности шума на входе приемника.

На практике лучше использовать более общий критерий – отношение средней мощности модулированного сигнала на входе демодулятора к средней мощности шума, называемый отношение несущая-шум и и определяемый по формуле

                              (11.12)        

где Р_С – средняя мощность модулированного сигнала в полосе П_Ш на входе демодулятора, Вт;

П_Ш – ширина полосы пропускания тракта, предшествующего демодулятору (шумовая полоса), Гц;

Т_Σ – эквивалентная эффективная шумовая температура приемника ЗС, включающая в себя шумовую температуру антенны и приемника, К;

k=1,38·10²³ Вт/(Гц·К) – постоянная Больцмана.

Во многих случаях удобно использовать отношение средней мощности модулированного сигнала к спектральной плотности мощности шума, Гц или дБ·Гц.

Например, при передаче ТВ с помощью ЧМ параметры качества на входе демодулятора и выходе канала связаны следующим образом

           (11.13)

где [С/Ш] – отношение мощности сигнала, соответствующей квадрату напряжения сигнала изображения (без синхроимпульсов), к визометрически взвешенной мощности шума, дБ;

F_2ТВ – верхняя граничная частота спектра ТВ сообщения, которая должна быть принята равной 5 МГц при использовании унифицированного взвешивающего фильтра (УВФ);

ΔfТВ=Δf_р/0,7 – полный размах девиации частоты ( с учетом синхроимпульсов);

Δf_р – размах девиации частоты, соответствующий сигналу изображения (без синхроимпульсов);

κ_Σ=κ_ПИ+κ_ТВ – результирующий выигрыш, обусловленный введением предыскажений и использованием взвешивающего визометрического фильтра, учитывающего особенности спектральной чувствительности человека.

При κ_Σ=13,2 дБ(УВФ) получим

                       .             (11.14)

Учитываем наличие порогового уровня.