Проектирование цифровых спутниковых систем связи и вещания. Учебное пособие для дипломного проектирования

2

УДК 621.376.946.2 (031+075.8) ББК 32.947+32.848

Рихтер С.Г., Сухорукова И.Ю. Проектирование цифровых спутниковых систем связи и вещания / Учеб. пособие для дипл. проектир. – М., МТУСИ,

2006. – 50 с.

В пособии приведены сведения, которыми студенты могут руководствоваться при выполнении дипломных проектов, посвященных проектированию цифровых спутниковых систем связи и вещания. Выбор и обоснование системных параметров таких систем обсуждается на примере проектирования сети передачи данных на основе технологии VSAT и проектирования комбинированной системы цифрового радиовещания. Описание основных особенностей технологий VSAT и цифрового радиовещания дано в объеме, достаточном для осмысленного использования рекомендованной литературы в процессе выполнения дипломного проекта. Специальные разделы пособия посвящены принципиальным вопросам проектирования – расчету помехоустойчивости цифровых каналов и энергетическому расчету спутниковых линий связи.

Ил.17, табл.7, лит. 18 назв.

Рецензенты:

Профессор Венедиктов М.Д. (МТУСИ)

Профессор В.И. Журавлев (Институт криптографии, связи и информатики Академии ФСБ РФ)

Зав кафедрой ОПД, доцент, к.т.н. Ю.М.Туляков (Волго-Вятский филиал МТУСИ)

Основные обозначения

Пс - ширина спектра модулированного радиосигнала, Гц Пств – полоса пропускания ствола, Гц Пш – шумовая полоса приемника, Гц

П1 - полоса частот, требуемая для передачи одной несущей МДЧР, Гц В (или Вб) = 1 / Тб – скорость передачи данных в двоичном канале, бит/с

Вc = В /Q = 1 / Тс – скорость передачи данных в Q – ичном канале, символов/с. Вmax – максимальная скорость передачи данных (в радиоканале с полосой W ), бит/с Вцс – скорость передачи одного информационного потока, бит/с Ввх – скорость передачи входного потока, бит/с

Вк – скорость передачи цифрового потока на выходе помехоустойчивого кодера (с учетом скорости кодирования R), бит/с

Всс – скорость передачи сигналов служебной связи, бит/с Врк – результирующая скорость передачи в радиоканале с учетом модуляции, бит/с

Взв – скорость передачи аудиоданных на выходе кодера источника, бит/с В1 – скорость потока аудиоданных для передачи одной стереопрограммы, бит/с

ВN - скорость потока аудиоданных для передачи N стереопрограмм ЗВ, бит/с D – диаметр антенны, м

5

fд – частота дискретизации, Гц

G, g коэффициент усиления антенны (в децибелах на рабочей частоте) [G/T] - добротность КС (ЗС), дБ/K

h0, hб – отношение сигнал/шум (ОСШ) на входе демодулятора (Eб / N0); отношение энергии несущей, приходящейся на один бит, к СПМ шума, дБ

Кош – коэффициенте ошибок на выходе декодера

Kсж – коэффициентом сжатия аудиоданных при устранении избыточности kб = 1,38 10-23 Вт/(Гц К) = - 228,6 дБ Вт/(Гц К) - постоянная Больцмана

L – уровень энергетических потерь (L0 – в свободном пространстве), дБ М – число позиций модулируемого параметра

Nо – односторонняя спектральная плотность мощности (СПМ) белого шума, Вт/Гц Рош – вероятность битовой ошибки в цифровом канале

– максимальная мощность передатчика КС в односигнальном режиме, Вт РПд – мощность передатчика ЗС или КС (бортового ретранслятора), Вт;

p1 (P1) - уровень (мощность) одной несущей на выходе передатчика, дБВт (Вт) pэ.КС,ЗС – ЭИИМ передатчика КС, ЗС в режиме насыщения, дБВт

Q – кратность манипуляции фазы (log2M)

q - отношение несущая/шум в полосе частот модулированного радиосигнала, дБ qf – отношение несущая /СПМ шума, дБГц

R – кодовая скорость корректирующего кода

t - максимальное количество ошибок в кодовой комбинации, исправляемое корректирующим кодом с минимальным кодовым расстоянием d

Т – эквивалентная температура источника шума, оК Тб – длительность двоичного символа с энергией Еб, С

Тс – длительность сигнала – манипуляционного символа, состоящего из Q бит, С

T , Тпм – эквивалентная шумовая температура (ЭШТ) приемника (в децибелах относительно 1оК)

W – заданная полоса канала, Гц

α – коэффициент скругления спектра β – угол места, град.

а, b – ширине ДН в двух взаимно перпендикулярных плоскостях по уровню половинной мощности, град.

hэвк – энергетический выигрыш кодирования (ЭВК), дБ

hас - асимптотический выигрыш от кодирования (АЭВК), дБ - рабочая длина волны, м ЗС,КС – долгота ЗС,КС, град.

τ - задержка распространения радиоволн ( max = п - время памяти канала), мкс ЗС,КС - широта ЗС,КС, град.

Ws – плотность потока мощности (ППМ) насыщения на входе приѐмной антенны, дБВт/м2 .

6

1. Сведения общего характера

Приступая к выполнению дипломного проекта, дипломант должен располагать т.н. ―объемным заданием‖, представляющим собой официальный документ – Задание, который должен быть подписан руководителем (консультантом) и утвержден заведующим кафедрой.

Вслучае проектирования цифровых спутниковых систем связи (ССС) и вещания в рубрике «Исходные данные» Задания, как правило, указываются важнейшие системные характеристики, такие, например, как: диапазоны (или номиналы) частот линий «вниз» и «вверх»; отведенные для передачи полосы частот; объем услуги (объем передаваемой информации, т.е. скорость цифрового потока); зона обслуживания и количество земных станций (ЗС); вид (тип) интерфейса; требования к качественным характеристикам тракта передачи (или услуги у потребителя) и т.д. Могут быть также указаны характеристики трафика и специфические требования к наземной сети связи.

Вразделе «Содержание расчетно-пояснительной записки» – после Введе-

ния и Обзора по теме дипломного проекта – как правило, предусматривается ма-

териал по выбору и обоснованию системных характеристик, включая учет усло-

вий приема и выбор модели канала. Далее следует расчет помехоустойчивости цифровых спутниковых каналов, а затем их энергетический расчет. Завершаю-

щим этапом энергетического расчета спутниковых радиолиний, как правило, является построение диаграмм уровней. Основная часть расчетно-пояснительной записки завершается обычно разработкой структурной схемы какого-либо элемента проектируемой системы связи или вещания. В этой части работы нередко предусматривается также анализ электромагнитной совместимости…

Вкачестве лейтмотива Введения можно использовать следующие тезисы:

1.эффективное развитие экономики и поддерживающих ее инфраструктур требует первоочередного развития инфраструктуры телекоммуникаций. Неоценимую роль здесь могут сыграть беспроводные сети, дешевые и простые в развертывании, поскольку такие сети можно наращивать и по площади зоны обслуживания, и по увеличению плотности на уже охваченной территории;

2.говоря о преимуществах беспроводных сетей, выделяют три фактора:

фактор мобильности – невозможность подсоединения подвижных (мобильных) абонентов является принципиально непреодолимым ограничением чисто кабельных сетей (т.е. сетей, использующих кабели и на сетевых магистралях и для подсоединения абонентов). Это ограничение относится к любому виду коммуникаций, имея технологический, а не экономический характер;

фактор удаленности – имеет не технологический, а чисто экономический характер. В этом случае преимущество касается подсоединения к сети удаленных абонентов, когда протягивать кабель оказывается экономически нецелесообразно. Это могут быть либо абоненты, разбросанные по обширной малонаселенной (и, как правило, труднодоступной) территории, либо абоненты, сгруппированные в удаленном или труднодоступном пункте. В первом случае экономиче-

7

ски нецелесообразным оказывается прокладка или подвеска кабелей абонентского доступа, во втором – магистральных кабелей («опорной сети»). И дело тут не в уровне экономического развития страны, а в степени заселенности той или иной географической территории;

фактор срочности – надежные коммуникации нужны сейчас, а для прокладки кабельной сети требуются колоссальные инвестиции и длительное время. При этом, когда в какой-нибудь населенный пункт или городской район уже проложен хороший новый кабель (сейчас закладывается преимущественно оптоволокно), то он со временем может решить все проблемы мультимедийных услуг связи и, в гораздо более полной мере, чем это могут сейчас радиотехнологии. Но для этого надо еще довести кабельную разводку до каждой квартиры или учреждения (так называемая последняя миля), переоснастить АТС современными электронными коммутаторами и т.д.;

3. самые распространенные беспроводные сети Radio-Ethernet, Token Ring и

спутниковая связь.

Спутниковая связь обладает важнейшими достоинствами, необходимыми для построения крупномасштабных телекоммуникационных сетей, даже в самых географически труднодоступных местах. Во-первых, с ее помощью можно достаточно быстро сформировать сетевую инфраструктуру, охватывающую большую территорию и не зависящую от наличия или состояния наземных каналов связи. Во-вторых, использование современных технологий доступа к ресурсу спутниковых ретрансляторов и возможность доставки информации практически неограниченному числу потребителей одновременно значительно снижают затраты на эксплуатацию сети.

Эти достоинства спутниковой связи делают ее весьма привлекательной и высокоэффективной даже в регионах с хорошо развитыми наземными телекоммуникациями. Более того, в настоящее время многие компании с территориальнораспределенной структурой крайне заинтересованы в снижении затрат на оплату услуг связи и все чаще отказываются от услуг сети общего пользования, предпочитая создавать собственные экономичные спутниковые сети связи [1,5,12,14,16].

2. Модель цифрового канала связи

Основой любой цифровой системы связи, в каком диапазоне частот она бы ни работала, является двоичный канал связи, общая модель которого приведена на рис. 1. Канал связи представляет собой тракт, который начинается с информационного источника, проходит через все этапы кодирования и модуляции, передатчик, физический канал, приемник (со всеми его этапами обработки) и завершается на получателе информации [12].

Источники информации формируют подлежащие передаче сигналы. Если среди них есть аналоговый сигнал (например, речевой – с выхода микрофона), то он последовательно подвергается аналого-цифровому преобразованию и кодированию с устранением избыточности в кодере источника с целью сокращения объ-

8

ема информации, передаваемой по каналу. Выходной сигнал кодера источника поступает на один из входов цифрового интерфейса (мультиплексора), а на другие его входы подаются сигналы от цифрового источника информации и служебной связи.

Рис. 1. Модель цифрового канала связи

Обозначения на рис.1:

ИИ – источники информации (А – аналоговые; Ц – цифровые); АЦП – аналогоцифровой преобразователь; КИ – кодер источника; ЦИ – цифровой интерфейс; Скр – скремблер; КК – кодер канала; П – перемежитель; Мод – модулятор; Демод – демодулятор; ДП – деперемежитель; ДКК – декодер канала; Дескр – дескремблер; ДКИ – декодер источника; ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь; ПИ – получатели информации (А – аналоговой; Ц – цифровой); СС – служебная связь;

В – скорость передачи данных: Вцс – скорость передачи одного информационного потока; Ввх – скорость передачи входного потока; Вк – скорость цифрового потока на выходе помехоустойчивого кодера; Всс – скорость передачи сигналов служебной связи; Врк – результирующая скорость передачи данных в радиоканале с учетом модуляции.

На следующем этапе суммарный цифровой поток, сформированный в мультиплексоре, подвергается последовательно ряду преобразований, основное из которых – помехоустойчивое кодирование в кодере канала. Хотя различные схемы кодеров канала очень непохожи друг на друга и основаны на различных математических теориях, все они характеризуются использованием значительного объема дополнительных, или избыточных, символов, что приводит к определенному увеличению цифровой скорости передачи.

Кодирование канала, как правило, сопровождается двумя простыми, но весьма эффективными процедурами – скремблированием цифрового потока и перемежением символов. Скремблирование (рандомизация), предваряя кодирование канала, превращает цифровой сигнал в квазислучайный, а перемежение (перестановка во времени) символов, позволяет декоррелировать ошибки в канале, сведя, в первом приближении, канал с памятью к дискретному симметричному каналу (ДСК) [11-14].

9

Следующая, и последняя в рамках принятой модели на рис. 1, процедура преобразования информационных сигналов на передающей стороне двоичного канала связи – модуляция, а первая на приемной стороне – демодуляция. Модем, реализующий эти процедуры, является своеобразным интерфейсом, согласующим дискретный канал (сечение А-Г на рис.1) с непрерывным (сечение Б-В), пред-

ставленным на рисунке физическим (непрерывным) каналом.

Непрерывный канал включает в свой состав технические средства, расположенные между выходом модулятора и входом демодулятора. Проходя по непрерывному каналу связи, сигнал претерпевает изменения, которые сводятся к ос-

лаблению, искажению сигнала и наложению на него помех. В рамках настоящего пособия по проектированию спутниковых систем связи и вещания ограничимся моделью канала с аддитивным белым гауссовским шумом (АБГШ) [11-14].

В спутниковых системах канал связи, в основном, проходит через открытое пространство. Следует напомнить, что хотя некоторые атмосферные явления происходят на высоте до 100 км, основная часть атмосферы лежит все же ниже 20 км. Следовательно, на атмосферу приходится только небольшая часть (0,05%) общей длины (более 36000 км) тракта связи. Настоящее пособие представляет анализ канала связи в контексте подобной спутниковой связи.

Понятие открытого пространства подразумевает канал, свободный от любых помех распространению в диапазоне радиочастот. Предполагается, что Земля находится бесконечно далеко (или что ее коэффициент отражения пренебрежимо мал). Предполагается также, что энергия, передаваемая на радиочастотах, является функцией только расстояния от передатчика (и, как в оптике, подчиняется закону обратных квадратов). Каналы открытого пространства описывают идеальный тракт распространения радиочастот; на практике распространение через атмосферу и возле поверхности земли подвержено поглощению, отражению, дифракции и рассеиванию, что корректирует передачу в открытом пространстве. Атмосферное поглощение будет учтено при энергетическом расчете, а остальные эффекты играют важную роль в определении основных характеристик наземной связи, вследствие чего здесь рассматриваться не будут.

Существует две основные причины снижения достоверности передачи –

уменьшение отношения сигнал/шум и искажение сигнала, которое может быть вы-

звано межсимвольной интерференцией (МСИ). В настоящем пособии основное внимание уделено «бухгалтерии» усиления и рассеивания мощности сигнала, поскольку повышение мощности сигнала не всегда устраняет искажение, вызванное интерференцией. Учет МСИ необходим при оценке максимальной пропускной способности цифрового канала связи.

При проектировании систем связи и вещания, как правило, принимается также и ряд других допущений: приемное устройство считается неискажающим, то есть при отсутствии помех информация принимается безошибочно; система синхронизации в приемном устройстве работает идеально, позволяя точно устанавливать начало и конец элемента сигнала (посылки) в принятой последовательности.

10

3. Выбор и обоснование системных характеристик

Выбор и обоснование системных характеристик ЦССС существенно зависит от назначения проектируемой системы. Рассмотрим эти вопросы на примере проектирования сети передачи данных на основе технологии VSAT [16] и проектирования спутникового сегмента комбинированной системы цифрового радиовеща-

ния [12].

3.1. Технология VSAT

Вводные замечания. Технология VSAT предполагает использование ЗС спутниковой связи с антеннами малых апертур. К классу ЗС VSAT относятся станции спутниковой связи, технические характеристики которых удовлетворяют требованиям Рек. МСЭ-Р S.725 «Технические характеристики VSAT» [16,18]:

-станции устанавливаются непосредственно у пользователей, причем плотность размещения их на ограниченной территории может быть весьма высокой;

-станции обычно не имеют постоянного квалифицированного обслуживающего персонала;

-контроль и управление работой станции в сети осуществляется централизовано, но могут дополнительно использоваться и местные станционные системы контроля и управления;

-станции VSAT относятся к Фиксированной спутниковой службе и должны удовлетворять требованиям Регламента радиосвязи и Рекомендациям МСЭ-Р;

-станции VSAT обычно применяются в так называемых выделенных сетях (частных, деловых) для передачи данных и телефонии в цифровом виде в режимах работы только на прием (симплекс) или на прием/передачу (дуплекс);

-антенны VSAT обычно имеют диаметр 1,8…3,5 м, но в отдельных системах могут использоваться как меньшие (диаметром 0,9 м), так и большие антенны (диаметром до 6 м);

-в станции VSAT используется маломощный радиопередатчик (обычно до 20 Вт) с обязательным ограничением излучаемой мощности в целях безопасности.

Спутниковая система связи, построенная по технологии VSAT, может передавать в реальном масштабе времени различные объемы информации от различных технических средств. Для этого создаются цифровые каналы связи со скоростью передачи от 32 кбит/сек до 8 Мбит/сек. ССС такого типа идеально подходят для объединения крупных баз информации, когда требуется высокая готовность и надежность средств связи, например, в качестве резерва ВОЛС.

Развитию этой технологии в большинстве стран мира способствуют характерные особенности, присущие данному классу ЗС, и в частности: использование цифровых методов обработки и передачи информации; небольшой диаметр антенн ЗС (все более приближающий каналы связи к персональным); достаточно большая скорость передачи информации (можно передавать информацию самого широкого назначения); наличие необслуживаемых станций, упрощающих работу

иудешевляющих эксплуатацию; гарантированное отсутствие помех со стороны