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

41

(см. выше). Иногда в (22) вместо слагаемого 10lg ВN используют шумовую полосу пропускания приемника, которая может быть подсчитана по формуле (21).

Мощность бортового ретранслятора (или передатчика ЗС на линии

«вверх») определяется из условия обеспечения энергетического баланса между мощностью полезной (излучаемой передатчиком с учетом характеристик передающей антенны и добротности приемной установки) и суммарной мощностью потерь – при условии обеспечения заданного качества приема на аналоговом выходе:

В этой формуле все величины выражены в децибелах; kб = 1,38 10-23

Вт/(Гц К) = – 228,6 дБ Вт/(Гц К) - постоянная Больцмана; Lо, Lд, Lавт , Lв – энергетические потери: при распространении сигнала в свободном пространстве, допол-

нительные, в антенно-волноводных трактах ретранслятора и приемной установки, за счет влияния шумов в линии «вверх» (последняя составляющая учитывается только при расчете линии «вниз»). Кроме kб и Lв, все остальные величины в той или иной степени зависят от используемого диапазона частот. Например, в диапазоне 12 ГГц (Ku) порядок величин таков: Gпд = 37…40 дБ, Gпм/T = 3…16 дБ/К (для

антенн с диаметром от 40 до 150 см соответственно), Lо = 206 дБ, Lд = LАФТ = 2 дБ. В случае, если добротность приемной станции не известна, то следует рас-

считать эквивалентную шумовую температуру приемника T по известным методикам [10,15, 16]. Кратко это можно представить следующим образом: расчет эквивалентной шумовой температуры приемного устройства производится по фор-

муле [15]:

T = TА пр + T0 (1- пр) + Tпр,

где TА - эквивалентная шумовая температура антенны, T0 = 290 К - абсолютная температура среды, пр - коэффициент передачи АФТ приемника, Tпр - эквивалентная шумовая температура собственно приемника, обусловленная его внутренними шумами. Эквивалентная шумовая температура антенны может быть представлена в виде составляющих TА = Tк + Tа + c Tз, которые обусловлены различными факторами: Tк - приемом космического радиоизлучения, Tа - излучением атмосферы с учетом дождя, Tз- излучением земной поверхности; коэффициент c = 0,05...0,4 для направленных антенн и c = 1 для ненаправленных антенн.

Завершающим этапом энергетического расчета спутниковой радиолинии является построение диаграммы уровней (см. например [9,10]). Для еѐ построения необходимо выполнить расчет линий «вверх» и «вниз». Расчет ведется последовательно для следующих точек тракта: участок «вверх» - выход передатчика ЗС, вход передающей антенны ЗС, выход передающей антенны ЗС, вход приемной антенны КС, выход приемной антенны КС, вход приемника КС; участок «вниз» - выход передатчика КС, вход передающей антенны КС, выход передающей антенны КС, вход приемной антенны ЗС, выход приемной антенны ЗС, вход приемника ЗС.

42

Пример диаграммы приведен на рис.16.

Рис. 16. Пример построения диаграммы уровней.

7. Особенности проектирования спутниковых систем связи на основе технологии VSAT

Особенностью проектирования ССС VSAT с МДЧР является пересчет энер-

гетических ресурсов системы на одну несущую. Технические параметры ретранс-

лятора приводятся в справочной литературе и такие из них, как коэффициент усиления приемной антенны, диапазон частот конкретного ствола, его полоса частот и мощность передатчика на ствол при проектировании, как правило, не меняют. В то же время необходимая полоса частот, занимаемая модулированным сигналом, зависит от скорости передачи. Поэтому энергетический расчет начинают с определения количества информации, приходящейся на одну несущую.

Необходимая полоса частот. На передающем конце СЛС (т.е. на передающей ЗС) и на приемном конце (на приемной ЗС) происходит преобразование скорости цифрового сигнала в блоках системы передачи в соответствии с моделью на рис.1. Используя данные разделов 3 и 4, запишем расчетные соотношения для определения скорости цифрового потока Вхх в различных точках тракта передачи. Согласно (10), в двоичном канале ширина спектра модулированного радиосигнала численно равна результирующей скорости передачи с учетом коэффициента скругления спектра

43

Для систем VSAT коэффициент обычно изменяется в пределах 0,2...0,3. В Q - ичном канале, когда кратность манипуляции фазы Q = log2M, где М – число позиций модулируемого параметра, имеем

Согласно рис.1, здесь Ввх = Вцс + Всс.

Итак, с учетом необходимых при МДЧР защитных частотных интервалов

Отношение несущая/шум для одной несущей. В соответствии с заданием далее рассчитывают отношение несущая/шум для заданных коэффициентов ошибки, например, для Кош = 10-7 и Кош = 10-3. Заметим, что первое из приведенных значений коэффициента ошибки соответствует условиям отсутствия осадков («ясное небо») и является достоверным в период готовности в течение более 10% любого месяца, а значение Кош = 10-3 соответствует условиям наличия осадков («ухудшение погоды») и является достоверным в период готовности в течение более 0,03% любого месяца [18].

При расчетах энергетики ССС полагают, что СПМ N0 распределена равномерно в рабочей полосе частот. В связи с этим в зависимости от исходных данных отношение несущая/шум может быть определено различными способами:

отношение несущая/шум в полосе частот модулированного радиосигнала Пс

ОСШ на входе демодулятора приемной ЗС hном определяется из табл. 6 (или аналитически по формулам (16-19) или по графикам на рис.13 и 14) для требуемого вида модуляции, типа демодулятора и способа принятия решения - в зависимости от кодовой скорости R и требуемого коэффициента ошибок Кош цифрового сигнала на выходе декодера: hном = 10 lg Eб /N0 + hэвк + 10 lg Q, дБ.

При проектировании следует иметь в виду, что на входе приѐмной ЗС помимо полезного сигнала и теплового шума могут присутствовать также мешающие сигналы от других систем связи и интермодуляционные шумы, возникающие в передатчиках КС и ЗС, работающих в многосигнальном режиме. В первом приближении эти дополнительные помехи могут быть учтены коэффициентом запаса

Требуемое отношение qfт в конце СЛС, состоящей из двух участков - участ-

этому коэффициент энергетического запаса a на этом участке выбирают из диапа-

и затем распределяют требуемое отношение qf :

Распределение ресурсов ретранслятора. Ресурсами ретранслятора, разде-

ляемыми между ЗС при многостанционном доступе, являются полоса пропускания ствола Пств, максимальная мощность передатчика в односигнальном режиме Рп.кс (она обычно указывается в технических данных КС) и время работы. В результате проектирования определяются полоса частот П1 и мощность Р1.кс, отводимые каждой ретранслируемой несущей (при МДЧР) или разрабатывается структура кадра (при МДВР). Обязательными условиями являются:

где p.вых коэффициент недоиспользования выходной мощности ретранслятора в

Если все несущие одинаковы, их максимальное количество в одном стволе равно nнес = [Пств/П1] (квадратные скобки означают взятие целой части результата)

иp.1i. = nнес. Если в проектируемой системе используется один ствол ретрансля-

тора, то должно выполняться неравенство:

где nпот – количество потоков, передаваемых с каждой ЗС; Nзс - количество ЗС в разрабатываемой системе (зависит от выбора конфигурации сети).

45

В случае выбора конфигурации с ЦЗС еѐ размещают (основываясь на исходных данных, расчете nнес и конфигурации сети связи) в самом крупном городе ЗО и по возможности ближе к центру и выполняют дальнейшие расчеты для СЛС: ЦЗС → КС → ХЗС. Если выбрана конфигурация без ЦЗС, то выполняют расчеты для двух наиболее отдаленных друг от друга ЗС для СЛС: ЛЗС → КС → ХЗС.

Энергетический расчёт в значительной степени аналогичен приведенному в предыдущем разделе, но начинают его с определения ослабления сигналов на участках "вверх" и "вниз" как в условиях «ясного неба» (отсутствия дождя), так и при дожде заданной интенсивности. Обычно расчѐты проводят для «худшей» ЗС (ХЗС), находящейся на краю ЗО, и выполняют для одной несущей.

Определение обобщенных энергетических параметров ЗС и КС начина-

ется с уточнения параметров КС. Если КС выбирается из числа реально существующих, то должны быть известны параметры ретранслятора: pэ.кс - ЭИИМ в режиме насыщения в дБВт, [G/T]кс - добротность в дБ/K, ws - плотность потока

мощности (ППМ) насыщения на входе приѐмной антенны в дБВт/м2, p.э ( [G/T]) - разность в дБ между ЭИИМ (добротностью) в центре ЗО и в направлении на

ХЗС, определяемая по карте ЗО. ППМ насыщения зависит от коэффициента усиления ретранслятора и может регулироваться отдельно для каждого ствола по командам с Земли в некоторых пределах (обычно 10 дБ относительно своего среднего значения). В соответствии с (36) ЭИИМ одной несущей, излучаемой КС в направлении на ХЗС, равна:

Здесь p.вх, дБ - коэффициент недоиспользования ретранслятора в многосигнальном режиме по входу. Из-за нелинейности амплитудной характеристики ретранс-

Для компенсации дополнительных потерь в дожде в оборудовании ЗС обычно предусматривается адаптивная регулировка мощности передатчика по сигналу «маяка» КС. Поэтому ЗС должна также иметь запас по ЭИИМ на величину Lд:

в которой f - частота линии «вверх» в ГГц.

46

Результат сравнивают с допустимым значением qfт (табл.7) для Кош = 10-7. Если рассчитанное значение qfтпревышает или равно допустимому - расчѐт ЭИИМ ЗС закончен, если меньше - в зависимости от условий задания на проект требуется скорректировать: либо коэффициенты a и b в (33,34), либо скорость кода R, либо параметр ws ретранслятора, либо и то и другое и повторить расчѐт.

В случае, когда по условиям задания имеется некоторая свобода в выборе параметров КС, рекомендуется следующий порядок расчѐтов ЭИИМ ЗС:

1.Коэффициенты усиления передающей gпд.кс и приѐмной gпм.кс антенн КС зависят от ширины луча (ДН считаются одинаковыми) и находятся из (3).

2.Определяются ЭИИМ и добротность КС:

Здесь Т - суммарная шумовая температура КС, приведенная к облучателю приемной антенны:

Т= Та.кс + Т0 . (100,1аф.пм.кс - 1) + Тпм.кс . 100,1аф.пм.кс , К. (45)

Здесь Та.кс - результирующая шумовая температура антенны КС, аф.пм.кс (аф.пд.кс)- ослабление сигнала в антенно-фидерном тракте КС на приѐм (передачу). При вы-

ратура (ЭШТ) приемника КС, которая обусловлена собственными тепловыми шумами малошумящего усилителя (МШУ) приемника; зависит от типа МШУ и определяется заданием.

Требуемое значение добротности ХЗС рассчитывается из условия обеспе-

чения на линии "вниз" необходимых отношений qfт при "ясном небе" и дожде

(см. табл.7):

Затем определяется суммарная шумовая температура ХЗС, приведенная к облучателю приемной антенны:

47

где Тпм.хзс - ЭШТ приемника ХЗС, К. Определяется заданием на проект. Если не задана, то может быть выбрана в пределах 35 ... 50 K для диапазона C, 60 ... 80оK

для диапазона Ku и 180 .. 250оK для диапазона Ka; аф.пм.хзс (обычно не более 0,5 дБ) - ослабление сигнала в антенно-фидерном тракте ХЗС на приѐм; Т0 = 290оK;

Та.хзс - шумовая температура антенны ХЗС, определяемая по формуле:

Здесь Тк – ЭШТ космического излучения. В диапазонах частот 4 ГГц и выше этим видом шумов можно пренебречь (за исключением шумов Солнца, которые могут "засвечивать" приѐмную антенну ЗС и вызывать кратковременные, заранее прогнозируемые перерывы связи); c = 0,2...0,4 - коэффициент, учитывающий интегральный уровень боковых лепестков приѐмной антенны ЗС; Татм (β) - ЭШТ атмосферы. Определяется по формуле:

Диаметр антенны ХЗС и мощность передатчика определяются исходя из условий обеспечения рассчитанных выше значений ЭИИМ (pэ.1.хзс и pэ.1.хзс.д) и добротности ([G/T]хзс.ян и [G/T]хзс.д), требующихся как в условиях "ясного неба", так и дождя. Рассчитываются два значения коэффициента усиления антенны - для "ясного неба" - gпм.хзс.ян и дождя - gпм.хзс.д:

где частота линии "вниз" fвыражается в ГГц. Эта же антенна на передачу на частоте f , ГГц будет иметь коэффициент усиления:

Ослабление сигнала в антенно-фидерном тракте ХЗС аф.пд.хзс выбирают из диапазона значений 0,5 ... 2 дБ - в зависимости от схемы построения станции и удалѐнности передатчика от антенны.

В случае если ЗС излучает n несущих, мощность насыщения передатчика должна быть не менее, чем

48

где 7 дБ - запас, необходимый для работы передатчика в линейном режиме.

Построение диаграммы уровней. Для ССС VSAT диаграмму уровней мож-

но строить для одной несущей или для n несущих, передаваемых с каждой ЗС. В первом случае берутся рассчитанные выше параметры для одной несущей, т.е. с индексом 1. Также следует учесть в построениях различия в расчетах потерь для случая «ясное небо» и «дождь». В любом случае на участке ―вверх‖ определяется уровень мощности сигнала на входе приемника КС:

определяют отношение несущая/шум как разность уровней сигнала и шума:

Аналогичным образом рассчитывается отношение несущая/шум для участка ―вниз‖:

После этого можно строить диаграмму уровней сигнала в дБВт (рис.17), а на входе приемников КС и ЗС следует указать рассчитанное значение уровня шумов рш.вх.кс и рш.вх.зс соответственно. Далее рассчитывают результирующее отношение несущая / шум. С этой целью сначала полученные значения отношения несущая / шум на участках ―вверх‖ и ―вниз‖ пересчитывают из децибел в разы:

а затем берут обратные величины и находят результирующее отношение несущая/ шум в разах: 1/Q вх. = 1/ Q вх.кс + 1/Q вх.пзс , а затем в децибелах: q вх = 10lg(Q вх ), дБ.

Пример построения диаграммы уровней (ДУ) для одной несущей и «ясного неба» приведен на рис. 17. На диаграмме показаны:

для участка «вверх» - Точки: 1 – р1.хзс, дБВт; 2 – р1.хзс – аф пд.хзс , дБВт; 3 –

р1.хзс – аф пд.хзс + gф.пд.хзс = рэ.1.хзс , дБВт; 4 – р1.хзс – аф пд.хзс + gф.пд.хзс – Lр↑ , дБВт; 5 – р1.хзс – аф пд.хзс + gф.пд.хзс – Lр↑ + gпм.кс , дБВт; 6 – р1.хзс – аф пд.хзс + gф.пд.хзс - – Lр↑ + gпм.кс

– аф.пм.кс = Рс.вх.кс, дБВт.

для участка «вниз» - Точки: 7 – p1.кс , дБВт; 8 – p1.кс – аф пд.кс , дБВт; 9 – p1.кс –

аф пд.кс + gпд.кс = pэ1.кс, дБВт; 10 – p1.кс – аф пд.кс + gпд.кс – Lр↓, дБВт; 11 – p1.кс – аф пд.кс + gпд.кс – Lр↓ + gпм.зс, дБВт; 12 – p1.кс – аф пд.кс + gпд.кс – Lр↓ + gпм.зс – аф.пм.зс = Рс.вх.зс,

дБВт.

50

Рекомендуемая литература

1.Аболиц А.И. Системы спутниковой связи. Основы структурно-параметрической теории и эффективность. – М.: ИТИС, 2004. – 426 с.

2.Банкет В.Л., Дорофеев В.М. Цифровые методы в спутниковой связи. - М.: Радио и связь, 1988. - 240 с.

3.Ермилов В.Т. Международное регулирование применения земных станций спутниковой связи типа VSAT.- М.: Радио и связь, Горячая линия - Телеком, 1999г.

4.Журавлев В.И. Методы модуляции-демодуляции радиосигналов при передаче цифровых сообщений. Учебное пособие. – Сургут: Изд-во СурГУ, 2005. – 123 с.

5.Кантор Л.Я. Спутниковая связь сегодня // Электросвязь, 2003, № 11, с.36-39.

6.Кларк Дж., Кейн Дж. Кодирование с исправлением ошибок в системах цифровой связи. Пер. с англ.- М.: Радио и связь, 1987. – 392 с.

7.Маковеева М.М. Земные станции спутниковой связи. Учебное пособие. – М., МТУСИ, 1996, 25 с.

8. Маковеева М.М., Сорокин А.С. Проектирование систем спутниковой связи и спутникового вещания. Учебное пособие. – М., МТУСИ, 1991, 44 с.

9.Маковеева М.М., Шинаков Ю.С. Системы связи с подвижными объектами: Учеб. пособие для вузов. – М.: Радио и связь, 2002. – 440 с.

10.Мордухович Л.Г., Степанов А.П. Системы радиосвязи. Курсовое проектирование: Учебное пособие для вузов. – М.: Радио и связь, 1987. – 192 с.

11.Прокис Дж. Цифровая связь. Пер. с англ./ Под ред. Д.Д. Кловского. – М.: Радио

исвязь. 2000. – 800 с.

12.Рихтер С.Г. Цифровое радиовещание. - М.: Горячая линия - Телеком, 2004. - 336 с.

13.Рихтер С.Г. Передача программ звукового вещания по спутниковым линиям связи: Учебное пособие. Ч.II. Цифровые методы передачи. – М., МТУСИ, 1995, 38 с.

14.Скляр Бернард. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е. Пер. с англ. – М.: Издат. дом «Вильямс», 2003. – 1104 с.

15.Системы спутниковой связи. Под ред. Л.Я. Кантора. Учеб. пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1992.- 224 с.

16.Спутниковая связь и вещание: Справочник. - 3-е изд., перераб. и доп. Под ред. Л.Я. Кантора. - М.: Радио и связь, 1997. – 528 с.

17.Тарасов С.С. Спутниковые мультисервисные системы и ЦРРЛ. Учебное пособие. – М., МТУСИ, 1999, 40с.

18.Rec. ITU-R S.614-3; Р.618-5; Р.838; PN.837-1