1.3 Пз. Эффект Доплера и запаздывание сигналов
Эффект Доплера – это физическое явление, заключающееся в изменении частоты принятых колебаний при взаимном перемещении передатчика и приемника этих колебаний. Этот эффект может возникнуть при движении ИСЗ на орбите.
Рисунок 1.5 Диаграмма для расчета эффекта Доплера
Если передатчик неподвижен относительно приемника, то длина волны в системах отсчета, связанных с приемником либо передатчиком, равна:
(1.2)
где с — скорость света; f0 - частота колебаний.
Если же передатчик движется относительно приемника со скоростью υ, направленной под углом φ к направлению линии связи, то в системе отсчета, связанной с приемником ЗС, длина волны изменится на величину, равную изменению расстояния за время Τ =1/f0 одного периода излучаемого колебания:
(1.3)
Длина волны колебания равна:
(1.4)
Частота приемника равна:
(1.5)
Эффект Доплера (относительное изменение частоты у приемника) наибольший, если движение передатчика относительно приемника происходит вдоль линии связи: (ψ = 0 или φ = π), тогда Δf равно:
(1.6)
При сближении передатчика и приемника частота колебаний возрастает пропорционально v/с, при удалении уменьшается, по тому же закону.
На линии связи через строго геостационарный спутник доплеровский сдвиг не возникает, в случае реальных геостационарных ИСЗ – малосуществен, а при сильно вытянутых эллиптических или низких круговых орбитах – может быть значительным. Расчет эффекта Доплера сводится к расчету отношения:
(v×cos ψ)/с (1.7)
для некоторой траектории движения исз.
При этом в линии спутниковой связи необходимо учитывать сложное движение и ИСЗ, и расположенной на поверхности Земли ЗС; при этом следует принимать во внимание как участок ЗС – ИСЗ, так и участок ИСЗ – ЗС, причем на этих участках доплеровский сдвиг может быть различным по модулю и даже по знаку.
Суммарный доплеровский сдвиг максимален для линий связи между близко расположенными ЗС, когда на обоих участках (Земля – спутник и спутник – Земля) сдвиг примерно одинаков и потому на всей линии удваивается.
Влияние доплеровского сдвига на работу линии связи:
1. Доплеровский сдвиг проявляется как частотная fнес обильность несущей частоты ретранслируемых спутником колебаний, добавляющаяся к аппаратурной нестабильности частоты, возникающей в бортовом ретрансляторе и ЗС. Эта нестабильность может существенно осложнять прием сигналов, особенно узкополосных, приводя к снижению помехоустойчивости приема.
2. Несколько изменяется частота fмод. Действительно, если частота несущей f0 сдвигается на Δf, то частота верхней боковой составляющей составит (f0 + F)(1+v/с) = f0 + f0 v/c + F+ Fv/c, нижней боковой – соответственно f0 + f0 v/c – F – Fv/c. Таким образом, разность частот боковых и несущей, равная частоте колебания, образующегося после демодуляции, составляет F(1 + ν/c).
Это сжатие (или расширение) спектра передаваемого процесса практически невозможно компенсировать аппаратурными методами, так что если сдвиг частоты превысит допустимые пределы, то канал оказывается неприемлемым. К счастью, возникающая на практике нестабильность обычно меньше допустимых пределов.
Эффект Доплера объясняется изменением расстояния во времени и на свойства каналов связи существенно влияет и само запаздывание радиосигнала, а не только его изменение. Это постоянное запаздывание не приводит к каким-либо искажениям передаваемого сообщения. Для геостационарного ИСЗ запаздывание достигает заметного значения – 300 мс. При передаче однонаправленных сообщений запаздывание потребителем не ощущается, но при дуплексной связи запаздывание ответа на 600 мс уже заметно. Для дуплексной связи применяют двухпроводные абонентские линии и четырехпроводные линии между узлами коммутации. В точках перехода с четырехпроводной цепи на двухпроводную всегда возникает некоторая несогласованность и следовательно, образуются отражения (эхосигналы), распространяющиеся по линии связи в обратном направлении и достигающие уха говорящего абонента через интервал времени, равный двойному времени распространения сигнала по лилии связи. Когда это запаздывание невелико, эхосигналы воспринимаются как некоторое послезвучание. Если же запаздывание велико, то они воспринимаются раздельно, как четкое эхо, и создают серьёзную помеху разговору. поэтому в каждом канале на линиях спутниковой связи обязательно применяют специальные устройства - эхозаградители или компенсаторы.