147

КОСМИЧЕСКИЕ И НАЗЕМНЫЕ СИСТЕМЫ РАДИОСВЯЗИ И СЕТИ

ТЕЛЕРАДИОВЕЩАНИЯ И.М. Орощук

2 часа

Лекция 5: ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ СВЯЗИ МНОГОСТАНЦИОННОГО ДОСТУПА

План занятия:

Время	№ п/п	Содержание раскрываемого вопроса:
15 мин.	1	Общие требования к системам многостанционного доступа
35 мин.	2	Метод частотного разделения каналов
40 мин.	3	Метод временного разделения каналов

1. Общие требования к системам многостанционного доступа

Основной целью создания ССС и современных наземных систем мобильной связи является возможность обеспечения многостанционного доступа корреспондентам земных станций космической и, соответственно наземной связи. С целью обеспечения максимальной эффективности использования средств связи (в особенности при связи через ИСЗ) разработаны специальные способы уплотнения сигналов разных станций. Тем самым обеспечивается возможность обслуживания большого числа корреспондентов с одной станции, общим оборудованием, что позволяет сэкономить энергетические и материальные ресурсы. Опять же это в большей мере актуально для спутниковой связи, где все вышеуказанные ресурсы всегда ограничены.

В случае использования ССС и РРЛ в системах уплотнения используется такое понятие как ствол связи, под которым понимают совокупность однотипных каналов передачи нескольких земных станций для ССС или группы каналов между РРЛ станциями, объединенных по виду связи (тлф, факс, передача данных, тв и др. виды).

В системах спутниковой связи одна земная станция образует подствол, который может содержать несколько каналов связи.

Для объединения множества сигналов в групповой сигнала, сосредоточенный в одной частотной полосе, используется уплотнение. Причем следует отметить, что групповой сигнал может быть одно- или многоадресным, а также смешанным.

В современных системах многостанционного доступа применяются три основных способа уплотнения: частотный, временной и кодовый. Эти способы основаны на разделении сигналов по частоте, времени и форме сигнала.

При ретрансляции групповой сигнал подвергается взаимным помехам, что в свою очередь ограничивает пропускную способность системы связи. В данном случае для обеспечения требуемого качества необходимо выбрать ансамбль ортогональных сигналов, для которых были бы затрачены минимальные энергетические затраты при наименьших взаимных помехах и максимальной пропускной способности ствола связи.

В общем случает для обеспечения эффективного использования многостанционного доступа (МД) необходимо обеспечить высокую пропускную способность, неограниченность доступа, приспосабливаемость системы к увеличению потока сообщений (трафика) и расширению сети с учетом экономических факторов, применимость к международным системам связи (роуминг).

2. Частотное разделение каналов

Метод МД с частотным разделением каналов основан на принципе, при котором для каждой станции выделяется отдельный участок f полосы частот группового спектра (рис. 15.1). Внутри каждой полосы частот сигнал может быть образован различными видами модуляции (ЧМ, ИКМ-ДОФМ и др.). Для обеспечения минимальных переходных помех необходимо обеспечить защитные участки f_защ, позволяющие разделить сигналы на приемной стороне. Таким образом, в общем стволе с полосой частот F_гр уплотняется n сигналов, в каждом из которых по N* сообщений.

Рис. 15.1. Групповой спектр при частотном разделении каналов

Достоинством данного способа разделения каналов является относительная простота создания таких устройств, возможность передачи любых видов информации в каждом из каналов, а также неограниченный доступ к системе связи.

Такая особенность построения системы МД, за счет наличия защитных участков, снижает пропускная способность и, соответственно, эффективность использования энергетического потенциала станции.

Недостатки данного способа МД возникаю также из-за: возникновения интермодуляционных помех, сильной чувствительности к узкополосным помехам, снижения выходной мощности из-за ограниченности линейного участка усилителя мощности РПДУ, необходимости регулирования мощности сигналов от различных станций, находящихся на различных расстояниях, так как при увеличении амплитуды сигнала в одном из каналов, автоматически приводит к снижению уровня сигналов во всех других.

Вышеназванные недостатки объясняются нелинейностью передаточных характеристик усилительных каскадов на бортовой станции ИСЗ. В большей степени вносит нелинейность оконечный каскад усилителя мощности передатчика, который, как правило, для мощных СВЧ каскадов собран на лампе бегущей волны (ЛБВ). Данный каскад имеет ограниченный участок линейной передаточной характеристики (рис. 15.2).

Рис. 15.2. Передаточная характеристика ЛБВ

Из-за нелинейности при росте числа уплотняемых каналов, крутизна передаточной характеристики усилителя на ЛБВ снижается. Это объясняется ростом нелинейных составляющих с увеличением числа каналов:

(15.1)

где j – число уплотняемых каналов (станций);

– соответствующие им напряжения на входе каскада.

Учитывая, что в эфир передается только полезные составляющие первых гармоник, которые выделяются выходным фильтром (рис. 15.3), полезная мощность будет равна разности:

, (15.2)

где – полная выходная мощность каскада;

– нелинейная составляющая выходной мощности.

Рис. 15.3. Функциональная схема выходного тракта РПДУ ИСЗ

Из-за этой зависимости от нелинейности проявляется эффект подавления слабых сигналов – сильным. Согласно выражению (15.1 и 15.2), на примере, из двух сигналов можно заметить, что нелинейная составляющая также будет возрастать при неравных сигналах :

при ,

при .

Из данных выражений можно заметить, что при переходе на неравные уровни напряжений, нелинейная составляющая растет:

. (15.3)

Откуда, например, при , , а при .

То есть происходит как бы снижение усиления («подавление») для малых сигналов, и чем больше разница сигналов, тем сильнее «подавляется» слабый сигнала.

С целью повышения качества каналов при частотном разделении сигналов выходной каскад вынуждены использовать только на линейном участке, что, соответственно снижает эффективность использования энергии ИСЗ, что можно отнести к крупному недостатку этого метода. Для борьбы с этим, спутниковая система строится на принципе автоматического контроля и управления уровнем РПДУ земных станций (ЗС), с целью поддержания равных уровней для всех ЗС.

3. Метод временного разделения каналов

Следует сразу заметить, что принцип временного разделения применим только для цифровых сигналов. С освоением технологий АЦП и ЦАП, сегодня, в принципе, любой аналоговый сигнал может быть преобразован в цифровой и обратно, в связи с чем такой метод становится универсальным.

Хотелось бы заметить, что при использовании временного разделения каналов решается проблема эффективности использования энергии ИСЗ, так как в этом случае для каждого канала используется вся полоса и полная мощность сигнала в определенные интервалы времени.

Временное разделение каналов основано на принципе выделения для каждой станции отдельного временного пакета в кадре, объединяющем все пакеты (рис. 15.4).

Рис. 15.4. К пояснению принципа временного разделения каналов в системах МД

Каждый пакет представляет собой набор двоичных импульсов в течение заданного интервала времени. Длина пакета может быть постоянной, и переменной (в границах кадра). Длина кадра, как правило, постоянна.

Как и в случае с частотным разделением каналов, в данном методе для развязки каналов между пакетами устанавливаются временные защитные участки. Они необходимы для борьбы с наложением из-за эффекта Доплера, например, вызванного нестабильностью геостационарных орбит и неточностью работы системы синхронизации.

В системах МД с временных разделением каналов наличие защитных участков снижает эффективность использования системы на 10%.

В связи с вышеназванными особенностями, системы связи МД с ВР имеют недостатки, связанные со сложностью построения схем синхронизации, как по несущей частоте, так и по низкочастотному сигналу. Для чего дополнительную часть времени в кадре занимает служебная информация для синхронизации каждой станции МД (см. рис. 15.4).

В данном случае, как и для МД ЧР, в данной системе приемлемо применение статистического уплотнения, причем следует заметить, что исполнить такие устройства для цифровых сигналов гораздо легче, и их работа более устойчива.

Следует отметить дополнительный недостаток свойственный для всех систем многостанционного доступа, заключающийся в том, что среднее время использование каналов составляет не более 75%, в связи с чем при данном способе уплотнения 25% времени каналы не используются. Для решения этой проблемы используется метод коммутации каналов, который основан на автоматическом выборе свободного канала. Средняя активность телефонного канала составляет 30%, в связи с чем можно таким образом повысить пропускную способность ствола в три раза. Метод коммутации применяется в цифровых системах связи, где используется так называемая пакетная радиосвязь.

Лекция: (4 часа) «Принципы построения систем многостанционного доступа»