Основы радиосистем (Лаб_16_описание)

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Л.B. Когновицкий, А.Ю. Сизякова

ИССЛЕДОВАНИЕ СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ СВЯЗИ С НЕЛИНЕЙНЫМ РЕТРАНСЛЯТОРОМ

Лабораторная работа №16 Методическое пособие по курсу «Основы радиосистем»

1

УДК

621.39 К- 571

УДК: 621.391.22/23 (076.5)

Утверждено учебным управлением МЭИ Подготовлено на кафедре радиотехнических систем

Когновицкий Л.В., Сизякова А.Ю. Исследование спутниковой системы связи с нелинейным ретранслятором: Лабораторная работа №16. Метод. пособие. — М-.: Издательство МЭИ, 2002.- 15 с.

В пособии изучаются характеристики спутниковой системы связи, включающей нелинейный ретранслятор, находящийся на искусственном спутнике Земли. Лабораторная работа рассчитана на одно четырехчасовое занятие. Приведены контрольные вопросы и порядок выполнения лабораторной работы. Лабораторная работа выполняется на персональном компьютере.

Для студентов, обучающихся по направлению "Радиотехника".

© Московский энергетический институт, 2002

Учебное издание

Леонид Владимирович Когновицкий, Анна Юрьевна Сизякова

ИССЛЕДОВАНИЕ СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ СВЯЗИ С НЕЛИНЕЙНЫМ РЕТРАНСЛЯТОРОМ

Лабораторная работа № 16 Методическое пособие по курсу "Основы передачи информации "

для студентов, обучающихся по направлению "Радиотехника"

Редактор издательства Е.Н. Касьянова ЛР№ 020528 от 05.06.97

Издательство МЭИ, 111250, Москва,Красноказарменная ул.. д. 14

Отпечатано в типографии ЦНИИ"Электроника", 117415, Москва, просп. Вернадского, д. 39

2

ВВЕДЕНИЕ

В данной лабораторной работе изучается фрагмент спутниковой системы с частотным уплотнением или, как говорят, система с многостанционным доступом с частотным разделением сигналов наземных станций [1, 2].

Цель работы – провести количественный анализ влияния комплексной нелинейности ретранслятора, установленного на искусственном спутнике Земли, на показатели качества спутниковой системы связи.

Ретранслятор является центральным элементом в системе многостанционной связи (подробнее о многостанционном доступе написано в разделе 1). Считаем для определенности, что спутниковая система связи содержит N станций, в каждую из которых входят передатчик и приемник.

Нередко ретранслятор выполняется на уникальных образцах СВЧ техники. Под конкретный экземпляр СВЧ усилителя ретранслятора может проектироваться вся система связи. При этом усилитель задается своими характеристиками, снятыми в физическом эксперименте, а остальные элементы системы в явном виде не задаются: используются нормированные обобщенные характеристики и показатели. Такой подход позволяет уже на начальном этапе проектирования сформировать для заданного усилителя подмножество систем, нехудших по избранному показателю качества. При этом оптимальный режим работы усилителя часто оказывается существенно нелинейным. Это приводит к необходимости описания усилителя как устройства с комплексной нелинейностью [2] и к усложнению предварительных расчетов. В настоящей лабораторной работе изучение спутниковой системы связи основано на имитации некоторых элементов начального этапа проектирования систем.

Проработав рекомендуемую литературу, выполнив предложенные задания (разд. 2), можно получить необходимые сведения по спутниковым системам связи с нелинейным ретранслятором, а также представление о начальном этапе проектирования по формированию облика спутниковой системы связи при заданном усилительном элементе ретранслятора.

Данное методическое пособие включает общие сведения о многостанционном доступе в спутниковых системах связи, домашнюю подготовку, контрольные вопросы, порядок выполнения лабораторной работы и список литературы.

I.ПОНЯТИЕ И МЕТОДЫ МНОГОСТАНЦИОННОГО ДОСТУПА

Кнастоящему времени спутниковая связь используется в двух основных областях - передача циркулярной информации большому числу абонентов или широковещательная передача (ТВ- и звуковое вещание, передача газет) и организация магистральных линий связи большой протяженности. Все большее распространение находят новые услуги, под которыми подразумевают передачу по спутниковым каналам различной информации для всех потребителей или определенных их групп: конференц-связь с участием двух или большего числа абонентов, телефорумы, телетекст, передачи видеотеатра, пакетная передача цифровой информации, факсимиле, телекс, электронная почта, финансовая информация, объявления и пр. Рост общей пропускной способности, расширение услуг, ввод в эксплуатацию новых видов и типов каналов связи является характерным для развивающихся спутниковых систем связи.

В состав спутниковых систем входят космический и наземный сегменты [1]. Космический сегмент включает в себя несколько спутников-ретрансляторов, образующих космическую

3

группировку. На искусственных спутниках Земли (ИСЗ), как правило, устанавливается несколько независимых ретрансляторов. Каждый ствол ретранслятора имеет входной фильтр, который ограничивает прием сигналов заданной полосой частот. Распределение ресурсов каждого ретранслятора, т.е. формирование его независимых каналов, можно осуществить путем использования ортогональных структур сигналов.

Наземный сегмент состоит из центра управления системой, центра запуска, центра управления связью, наземных (шлюзовых) станций (ЗС) и абонентских терминалов отдельных пользователей. Организация дуплексной связи, передача факсимильных сообщений, передача большого объема данных – задачи шлюзовых станций и терминалов пользователей.

Чтобы сигналы различных наземных станций не влияли друг на друга, эти сигналы должны быть полностью разделяемыми. Используется разделение сигналов по частоте, по времени и по форме (кодовое). Одновременная передача сигналов ряда наземных станций через один, общий для всех ЗС ствол спутникового ретранслятора называется многостанционным

доступом.

В качестве упрощенного примера на рис. 1 показана система многостанционного доступа для четырех наземных станций, работающих по принципу "каждая с каждой". При этом космическая станция может иметь одну приемопередающую антенну для работы со всеми наземными станциями.

Системы спутниковой связи в настоящее время строятся на базе трех методов: с частотным (Inmarsat - М), временным (ICO, ASeS) и кодовым (GlobalStar) разделением каналов.

ИСЗ

Рис. 1. Система многостанционного доступа для четырех наземных станций, работающих по принципу "каждая с каждой"

Многостанционный доступ с частотным разделением каналов

Многостанционный доступ с частотным разделением каналов (МДЧР) является наиболее простым и распространенным методом, используемым в аналоговых и цифровых спутниковых системах связи.

При МДЧР каждая наземная станция передает свои сигналы в отведенном ей участке полосы пропускания ретранслятора. Полоса частот П ретранслятора делится между всеми наземными станциями (рис. 2). Между полосами, выделенными для соответствующих наземных станций, предусмотрены защитные частотные интервалы, обозначенные ЗЧИ на рис. 2, необходимые для уменьшения перекрестных помех между сигналами соседних наземных станций,

4

возникающие при одновременном прохождении сигналов через нелинейные устройства. Поскольку передаваемыми сигналами занята не вся полоса частот, пропускная способность ретранслятора уменьшается.

Рис. 2. Спектр группового сигнала при МДЧР

Таким образом, существенным недостатком систем космической связи с МДЧР является неэффективное использование полосы частот ретранслятора и его мощности [2]. Для систем с МДЧР характерно уменьшение пропускной способности по сравнению с односигнальным режимом, вызванное необходимостью снижения на 4...6 дБ мощности выходного усилителя ретранслятора из-за появления интермодуляционных помех. К тому же в подобных системах необходимо поддерживать по возможности одинаковые уровни мощности принимаемых сигналов на космической станции для избежания эффекта подавления слабого сигнала сильным в нелинейных устройствах ретранслятора.

Сигналы от разных наземных станций приходят на космический ретранслятор по разным путям, следовательно, условия распространения для них независимы. Поэтому на каждой станции измеряют ослабление сигнала на участке Земля - спутник для автоматической регулировки выходной мощности передатчика наземной станции.

С ростом числа несущих колебаний целесообразность передачи многоканальных сигналов на каждой из них уменьшается из-за уменьшения пропускной способности ретранслятора. При этом выгоднее каждому телефонному каналу предоставить свою частоту. Такой принцип передачи получил название ОКН – один канал на несущую. Однако метод ОКН применяют в основном в сети станций с небольшим числом каналов. Для повышения эффективности в системах с ОКН уменьшают загрузку ретранслятора подавлением излучения частоты несущей в передатчике наземной станции на время молчания абонента, пауз между словами, предложениями и т.п. При этом уменьшается мощность перекрестных помех между соседними каналами, что позволяет уменьшить защитные частотные интервалы и увеличить емкость ствола. Основное преимущество метода ОКН состоит в возможности реализации принципа предоставления каналов по требованию.

Метод МДЧР широко используется в системах связи "Интерспутник", Intelsat, национальных спутниковых системах связи многих стран.

Многостанционный доступ с временным разделением каналов

Метод многостанционного доступа с временным разделением каналов (МДВР) нашел применение в связи с реализацией цифровых методов модуляции несущей. В системах с МДВР цикл передачи Тц распределяется между всеми наземными станциями (рис. 3). При этом каждой ЗС для излучения сигналов выделяется определенный, периодически повторяющийся временной интервал. Интервалы излучения всех станций взаимно синхронизованы, в силу чего перекрытия

5

сигналов не происходит. В каждый момент времени через ретранслятор проходит сигнал только одной станции, при этом отсутствует нелинейное взаимодействие сигналов разных ЗС в усилителе ретранслятора.

В начале цикла выделяют время tс для передачи сигналов общесистемной синхронизации (синхропакета С). Интервалы времени t, обозначенные цифрами 1-4 на рис. 3 отведены для передачи сигналов с соответствующих земных станций (информационные пакеты). Пакеты отделены друг от друга защитными временными интервалами t3, чтобы избежать перекрытия пакетов при неидеальной синхронизации. Ведущая наземная станция вырабатывает синхропакет С и через космическую станцию передает его на все остальные (ведомые) наземные станции.

Рис. 3. Структура цикла при МДВР

По времени поступления синхропакета С наземная станция определяет время начала связи, при котором передаваемые ею сигналы поступают в ретранслятор точно в отведенное для нее время. Учитывается также время, затрачиваемое на прохождение синхропакета от космической станции, и время распространения информационного пакета до нее. Поскольку значения этих составляющих времени непрерывно изменяются при перемещении спутника по орбите, необходимо обеспечить высокую точность системы синхронизации.

Информационный пакет наземной станции (см. рис. 3) состоит из вводной части В и информационных символов С2 – С4, адресованных разным наземным станциям. Вводная часть включает в себя сигнал опознавания передающей наземной станции, сигналы служебной связи, сигналы восстановления несущей на приеме и тактовой синхронизации и др.

С увеличением числа наземных станций время, выделяемое для работы каждой из них, сокращается, а требования к точности общесистемной синхронизации возрастают. Именно сложность системы синхронизации определяет основной недостаток систем связи с МДВР. В то же время, в отличие от системы с МДЧР, в этих системах не требуется регулировка мощности передатчика земной станции, так как при МДВР сигналы проходят через ретранслятор поочередно; поэтому усилитель мощности на космической станции может работать в нелинейном режиме, что позволяет эффективно использовать его выходную мощность.

По мере развития цифровой техники системы МДВР получают все более широкое распространение. Наиболее перспективными считаются МДВР с коммутацией на борту. Принцип работы подобной системы связи можно пояснить на примере рис. 1 следующим образом. На спутнике установлены две четырехлучевые антенны – передающая и приемная, а также высокоскоростной бортовой коммутатор для автоматического выбора рабочих лучей антенн. На ка-

6

ждую из наземных станций приходят только адресованные ей информационные пакеты. Затем коммутатор переключается на прием сигнала от следующей станции и т.д.

Многостанционный доступ с кодовым разделением каналов

Метод кодового разделения каналов (МДКР) основан на одновременной передаче сигналов нескольких наземных станций в полосе частот ретранслятора, которые разделяются с помощью своего индивидуального кода, излучаемого каждой передающей станцией. В приемнике выделяются сигналы с кодами, предназначенными для данной станции. Индивидуальный код станции вырабатывается по определенным правилам датчиком псевдослучайных последовательностей. Надежное разделение достигается благодаря ортогональности кодовых сигналов отдельных наземных станций.

В системах с кодовым разделением используются шумоподобные сигналы (ШПС). Разделение сигналов разных наземных станций в приемнике обеспечивается с помощью техники корреляционного приема, т.е. путем умножения принятого сигнала на задержанную копию псевдослучайной последовательности.

Системы с МДКР обладают рядом важных свойств. Низкая спектральная плотность излучаемых сигналов улучшает условия электромагнитной совместимости. Они имеют высокую помехоустойчивость, особенно от узкополосных помех. В этих системах, благодаря кодированию, автоматически обеспечивается определенная степень закрытости передаваемой информации.

Основными помехами в системах с МДКР являются не тепловые шумы приемника, а излучения других станций сети, совмещенные с полезным сигналом как по частоте, так и по времени. Это обстоятельство ограничивает число станций в сети. Влияние бортового ретранслятора в системе с МДКР проявляется аналогично системе с МДЧР: имеет место подавление слабого сигнала сильным и появляются дополнительные (интермодуляционные) помехи из-за нелинейных явлений.

Примеры систем спутниковой связи

Система "Интелсат". Через спутники этой системы передается около 2/3 международного телефонного трафика и производится почти весь телевизионный (ТВ) обмен. Наземные станции системы "Интелсат" работают в диапазонах 6/4 ГГц и 14/11 ГГц. Один спутник "Интелсат IV А" обслуживает около 6000 дуплексных телефонных (ТЛФ) каналов и две телевизионные программы; "Интелсат V" – 12000 ТЛФ каналов и две телевизионные программы; "Интелсат VI" – 35000 каналов и три телевизионные программы. На спутнике "Интелсат IV" и "Интелсат IV А" используют только диапазон 6/4 ГГц, при этом на "Интелсат IV А" применяется повторное использование частот за счет пространственного разделения восточного и западного лучей антенной системы. На "Интелсат V" и "Интелсат VI" с целью увеличения его пропускной способности, кроме диапазона 6/4 ГТц, применен диапазон 14/11 ГГц, а также метод повторного использования частот за счет ортогональной поляризации.

К настоящему времени в системах типа "Интелсат" для передачи сигналов телефонии применяется МДЧР в двух вариантах: 1) передача на одной частотно-модулированной несущей группы стандартных разделенных по частоте телефонных каналов и 2) передача на одной несущей одного телефонного канала. (Этот метод называют один канал на несущую, сокращенно ОКН). При передаче телефонных сообщений методом ОКН используются аналого-цифровое

7

преобразование сигнала канала тональной частоты методом ИКМ и фазовая манипуляция несущей. В трех стволах организована работа в режиме МДВР со скоростью 120,832 Мбит/с, пропускная способность ствола при цифровой интерполяции речи – 1500 дуплексных телефонных каналов.

Российская система "Орбита-2". Эта система имеет следующие основные характеристики: частота несущего колебания на участке спутник – Земля 3875 МГц; спутники – "Мол- ния-З", геостационарные "Радуга" и "Горизонт"; плотность потока мощности сигнала, создаваемая спутником у поверхности Земли – не менее 2,5·10-14 Вт/м2 (–136 дБВт/м2).

Стволы спутников "Радуга" и "Горизонт" с указанной выше частотой работают на направленные антенны (диаграмма направленности 9° х 18°). Ствол спутника "Молния-3" работает на глобальную антенну (17° × 17°), но благодаря более высокой мощности бортового передатчика (40 Вт) создается необходимая для работы станций "Орбита" плотность потока мощности сигнала у поверхности Земли. Вид модуляции – частотная; пиковая девиация частоты несущей ±15 МГц. Передача звукового сигнала телевидения осуществляется на поднесущей частоте 7 МГц с девиацией частоты ±150 кГц, девиация несущей сигналом поднесущей примерно до +1,5 МГц. На частотах поднесущих 7,5 и 8,2 МГц передаются сигналы звукового вещания и изображения газетных полос.

Предусмотрена также возможность передачи сигнала звукового сопровождения ТВ передач или звукового вещания путем временного уплотнения видеосигнала. Качественные показатели ТВ канала, создаваемого системой "Орбита-2", в основном соответствуют рекомендациям МСЭ-Р для магистрального канала передачи ТВ программ.

Наземные приемные станции системы "Орбита-2" – крупные сооружения. Антенна станции типа ТНА-57 с параболическим отражателем диаметром 12 м выполнена по двухзеркальной схеме, она установлена на полноповоротном опорно-поворотном устройстве. Приемный модуль содержит на входе малошумящий охлаждаемый параметрический усилитель. Коэффициент усиления антенны G = 52 дБ. Имеются наземные станции с антеннами диаметром до 25 м.

ДОМАШНЯЯ ПОДГОТОВКА

1.Проработайте разд. 1 учебного пособия [2] и данное методическое пособие.

2.Запишите выражения для комплексных амплитуд U следующих видов комбинационных

компонентов 52, 53, 55, 56 Проверьте, отличаются ли по своей записи (структуре) выражения для 54 и 55.

3.Подготовьте ответы на контрольные вопросы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Каковы особенности спутниковой системы связи по сравнению с наземной системой связи? Что означает термин «многостанционный доступ»? Что называют стволом ретранслятора?

2.Что представляет собой спутниковая система связи, использующая многостанционный доступ с частотным разделением? Каковы особенности (достоинства и недостатки) спутниковой системы связи с МДЧР?

3.Что представляет собой спутниковая система связи, использующая многостанционный доступ с временным разделением? Каковы особенности (достоинства и недостатки) спутниковой системы связи с МДВР?

8

4.Что представляет собой спутниковая система связи, использующая многостанционный доступ с кодовым разделением? Каковы особенности (достоинства и недостатки) спутниковой системы связи с МДКР?

5.Можно ли сигнал на входе и выходе усилителя мощности (УМ) считать узкополосным? Обоснуйте свой ответ. Изобразите вид спектра сигнала на входе УМ спутникового ретранслятора и на его выходе. Изобразите амплитудную и фазочастотную характеристики УМ ствола ретранслятора, а также его амплитудную и фазоамплитудную характеристики. Какими должны быть эти характеристики в идеальном случае?

6.Какие причины порождают комбинационные компоненты на выходе УМ? Что представляют собой комбинационные компоненты на выходе УМ? Как вычисляется порядок комбинационного компонента? В каком случае комбинационные компоненты становятся интермодуляционными (перекрестными) искажениями? Как можно уменьшить мощность комбинационных компонент на выходе УМ ствола ретранслятора?

7.Что называют амплитудно-фазовой конверсией? К каким последствиям приводит наличие амплитудно-фазовой конверсии сигнала на выходе усилителя мощности ствола ретранслятора?

8.Что называют комплексной нелинейностью УМ? Запишите выражения для напряжения суммарного сигнала на входе и выходе УМ.

9.Запишите выражение для комплексной нелинейности УМ при аппроксимации ее рядом бесселевых функций первого порядка.

10.Запишите общее выражение для вычисления полезных и помеховых компонентов на выходе УМ при аппроксимации комплексной нелинейности рядом бесселевых функций первого порядка.

11.Запишите аналитические выражения для комплексной амплитуды компонентов 5-го

порядка вида 52, 53, 55, 56.

12.Что представляет собой идеализированная спутниковая система связи с МДЧР? Что означает понятие «пропускная способность системы связи с многостанционным доступом»? Почему пропускная способность реальной системы с МДЧР ниже, чем пропускная способность идеализированной системы с МДЧР?

13.Запишите аналитические выражения для проигрыша β в пропускной способности реальной спутниковой системы связи с МДЧР по сравнению с идеальной системой. Как определяются парциальные проигрыши β1и β2? Как парциальные проигрыши β1и β2 зависят от изменения средней мощности сигнала на входе УМ?

14.Какие виды сигналов целесообразно использовать в реальных спутниковых системах связи с МДЧР?

15.Перечислите основные этапы процесса разработки радиотехнических систем. Что относят к внешним и внутренним параметрам системы?

9

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

Подготовьте исходные данные для выбранного усилителя мощности по согласованию с преподавателем. Установите поисковый режим работы. Совокупность действий студента, выполняемых в процессе проектирования можно разделить на три группы.

1. Аппроксимация характеристик нелинейного ретранслятора. 1.1. Проведите один цикл поиска (главное меню - задача 1).

Поскольку начальные значения параметров аппроксимации не известны, воспользуйтесь теми значениями, которые предлагает ЭВМ по умолчанию. Вычисление по известной совокупности точек комплексных коэффициентов аппроксимации производится в соответствии с формулой [2]

=1

где 1( )- функция Бесселя 1-го порядка, - комплексные коэффициенты,- константа (определяется подбором), М- число членов ряда.

По таблице на экране дисплея «Результаты расчета аппроксиманты» зафиксируйте в отчете минимальные значения действительной FD и мнимой FM частей целевой функции.

1.2. Оцените качество аппроксимации амплитудной характеристики (АХ) и фазоамплитудной характеристики (ФАХ) по отличию между реальными характеристиками и аппроксимирующими их кривыми (задачи 2 и 3).

1.3.Для измененных параметров аппроксимации повторите п.п. 1.1. и 1.2. до достижения каждым из показателей FD и FM значения, не превышающего 0,02. Запишите оптимальное число слагаемых М аппроксимирующей функции (1).

1.4.Составьте протокол в виде таблицы, указав по каждому эксперименту параметры аппроксимации (NN, N, M, EPS, EST, FD, FM). Выпишите параметры bs оптимальной аппроксиманты.

Примечание: при визуальном анализе графиков пользуйтесь возможностями управляемого графического отображения – изменением масштаба, возможностями перекомпоновки и др.

2.Изучение многосигнального режима работы ретранслятора.

Используя найденные коэффициенты аппроксимации, проведите следующие эксперименты (главное меню – задача 7, подзадачи 1 – 6).

2.1. Изучите закономерности изменения выходной средней мощности УМ ретранслятора при односигнальном и многосигнальном (например, 8-сигнальном) режимах в зависимости от средней мощности сигнала на входе ретранслятора (задача 7, подзадачи 1 и 2, в краткой записи

7-1, 7-2).

2.2. Изучите соотношения между мощностями комбинационных компонентов 3-го порядка двух видов и мощностью одного полезного сигнала на выходе УМ ретранслятора (подзадачи 7-3, 7-4). В таблицах и на графиках на экране дисплея приняты следующие обозначения:

Pcот 31 - отношение мощности одного комбинационного компонента типа 31 к мощности одного полезного сигнала;

Pcот 32 – тоже для компонента 32;

10