Раздел 3 Энергетика спутниковых линий связи

3.1 Особенности энергетики спутниковых линий связи.

Линии спутниковой связи состоят из двух участков: Земля – спутник и спутник – Земля. В энергетическом смысле оба участка оказываются напряженными, первый – из-за стремления к уменьшению мощности передатчиков и упрощению земных станций (в особенности в системах с большим числом малых приемопередающих ЗС, работающих в необслуживаемом режиме), второй – из-за ограничений на массу, габариты и энергопотребление бортового ретранслятора, лимитирующих его мощность.

Основная особенность СЛ – наличие больших потерь сигнала, обусловленных затуханием (ослаблением и рассеянием) его энергии на трассах большой физической протяженности. Так, при высоте орбиты ИСЗ 36 тыс. км затухание сигнала на трассе может достигать 200 дБ. Помимо этого основного затухания в пространстве сигнал в линиях спутниковой связи подвержен влиянию большого числа др. факторов (поглощение в атмосфере, фарадеевское вращение плоскости поляризации, рефракция, деполяризация и т.д.). С другой стороны, на приемное устройство спутника и ЗС кроме собственных флуктуационных шумов воздействуют разного рода помехи в виде излучения Космоса, Солнца и планет. В этих условиях правильный и точный учет влиянии всех факторов позволяет осуществить оптимальное проектирование системы, обеспечить ее уверенную работу и в то же время исключить излишние энергетические запасы, приводящие к неоправданному увеличению сложности земной и бортовой аппаратуры.

известно, что нормы на некоторые качественные показатели спутниковых каналов (в том числе на отношение сигнал/шум) имеют статистический характер. Это заставляет проводить количественную оценку возмущающих факторов также статистически (при расчетах вводить количественную меру воздействия того или иного фактора и вероятность его появления).

Необходимо учитывать характер и число передаваемых сигналов и характер их преобразования (обработки) в спутниковом ретрансляторе.

В простейшем случае, например при передаче программ телевидения, бортовой ретранслятор работает в односигнальном режиме, типичном для наземных радиорелейных линий, и лишь усиливает ретранслируемый сигнал. При передаче телефонных сигналов с многостанционным доступом через бортовой ретранслятор проходит несколько сигналов, разделенных по частоте, времени или форме, оказывающих взаимное влияние, которое должно учитываться при расчете энергетики спутниковых линий. При этом в зависимости от типа и назначения системы на борту может применяться та или иная обработка сигнала, в том числе его полная регенерация, уменьшающая накопление шумов и искажений, возникающих на участках трассы.

3.1.1 Уравнения связи для спутниковых линий.

Эквивалентная изотропно – излучаемая мощность (ЭИИМ) передающей станции: , (3.1)

где Р_пер – эффективная мощность на выходе передатчика;

Рисунок 3.1 Структурная схема и диаграмма уровней одного участка линии спутниковой связи.

ή_пер – коэффициент передачи (по мощности) волноводного тракта (КПД тракта);

G_пер – коэффициент усиления передающей антенны относительно изотропного излучателя.

Затухание энергии сигнала в свободном пространстве, определяемое уменьшением плотности потока мощности при удалении от излучателя:

, (3.2)

где λ – длина волны;

d – наклонная дальность (расстояние между перед. и пр. антеннами).

Кроме этих основных потерь на трассе присутствуют и другие дополнительные потери α_доп ; полное значение потерь на трассе:

α_∑ = α_0·α_доп. (3.3)

В точке приема установлена антенна с коэффициентом усиления G_пр, связанная с приемником волноводным трактом с коэффициентом передачи η_пр. При согласовании волновых сопротивлений антенны элементов тракта и приемника мощность сигнала на входе приемника:

(Вт) (3.4)

Полученное выражение пригодно для расчета любых радиолиний прямой видимости. Когда параметры антенны заданы в виде эффективной площади ее апертуры, связанной с коэффициентом усиления соотношением G_np = 4πS_пр/λ², предыдущее выражение может быть представлено в виде:

(Вт (3. 5)

Формула (3.5) позволяет определить необходимую мощность передатчика по заданному значению мощности сигнала на входе приемника.

При расчете линии часто оказывается заданной не мощность сигнала на входе приемника, а отношение сигнал/шум на входе приемника (Р_с/Р_ш)_вх тогда в (3.5) следует подставить: Р_пр = Р_т(Р_с/Ρ_ш)_вх,

где Р_щ - полная мощность шума на входе приемника.

Поскольку в диапазонах частот СВЧ, где работают спутниковые системы, шумы, создаваемые различными источниками, имеют аддитивный характер, их суммарная мощность достаточно полно выражается формулой:

, (3.6)

где к – 1,38 · 10^-23 Вт/Гц град – постоянная Больцмана;

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

Δf_ш – эквивалентная (энергетическая) шумовая полоса приемника.

В ряде случаев при расчете энергетики спутниковых линий необходимо знать напряженность электромагнитного поля, создаваемого излучением ИСЗ на поверхности Земли Е₀ или плотность потока мощности излучения ИСЗ у поверхности Земли W:

; , (3.7)

где r₀ = 120π = 377 Ом – волновое сопротивление свободного пространства: единицей величины Е₀ является милливатт на метр (мВ/м), а единицей величины W — ватт на квадратный метр (Вт/м²).

мощность сигнала ИСЗ, воспринимаемая земной приемной антенной с эффективной площадью апертуры S_np, может быть определена через плотность потока, и напряженность поля следующим образом:

(3.8)

Приведенные формулы устанавливают связь между основными параметрами линии и являются исходными соотношениями для вывода уравнений, описывающих энергетику спутниковых линий.

Структурная схема и диаграмма уровней сигналов линий спутниковой связи состоит из двух участков. Для этих участков справедливы следующие соотношения:

для участка Земля – спутник

, (3.9)

где

для участка спутник – Земля

, (3.10)

где

Установим связь между отношениями сигнал/шум на выходе линии и на каждом из участков. В отсутствие обработки сигнала на борту происходит сложение шумов каждого из участков; при этом суммарное отношение шум/сигнал на конце линии связи:

(3.11)

Отношение сигнал – шум на каждом из участков должно быть выше, чем на конце линии:

, (3.12)

где h и b – заданные превышения, при этом h>1 и b>1

Для участков имеем:

; (3.13)

Выражения (3.13) позволяют распределить заданное отношение по двум участкам линии связи. Например, задавшись превышением отношения сигнал/шум на участке спутник – Земля, равным 1 дБ (b = 1,26). найдем, что необходимое превышение на участке Земля – спутник должно составлять 7 дБ (h = 5). Приведенное распределение коэффициентов запаса, h и b предполагает, что шумовые полосы бортового ретранслятора и земного приемника равны; если f_ш.з < f_ш.б , то мощность шума на входе бортового приемника следует вычислять в полосе Δf_ш.з.

С учетом изложенного уравнения для линии спутниковой связи, состоящей из двух участков, имеют вид:

для участка Земля – спутник

(3.14)

для участка спутник – Земля

(3.15)