Введение

Спутниковая связь и вещание до сих пор остаются одним из немногих практических применений космической технологии. Такие преимущества спутниковой связи, как небольшие затраты энергии на поддержание ИСЗ в заданной точке геостационарной орбиты (ГО), возможность использования сигнала неограниченным числом произвольно расположенных (в пределах зоны обслуживания) земных станций, независимость затрат на земную станцию от расстояния до источника сигнала, незначительное влияние атмосферы и географических особенностей окружающей местности на устойчивость связи, обусловили широкое развитие спутниковых средств связи и особенно телевизионного вещания во всем мире. Достаточно сказать, что в Европе более половины семей смотрят ТВ программы из космоса, непосредственно или посредством кабельных сетей. Остается один шаг до использования этой инфраструктуры для широкого распространения мультимедийной информации.

Следующим заметным шагом в применении спутников стало использование спутниковых каналов в глобальной информационной сети Интернет. Широкому распространению спутниковых каналов на магистральных участках сети мешает сравнительно большая временная задержка сигнала на трассе через геостационарный спутник (суммарно более 250 мс), нарушающая работу многих сетевых протоколов. Однако на низовых участках (линии к местным Интернет-провайдерам и индивидуальным абонентам) удается обойти это затруднение, несколько ограничивая скорость передачи информации к каждому отдельному абоненту.

Вторая половина прошлого года и начало этого прошли под флагом банкротства проектов Iridium и ICO. Закончилось все тем, что в начале этого года система Iridium прекратила свою работу. Эксперты обсудили в прессе создавшееся положение и пришли к выводу, что этот финал был закономерен, потому что пользователю не нужна простая голосовая связь, ему нужна связь широкополосная. Пользователь не намерен платить деньги за возможность поговорить по телефону, но будет платить за возможность получить быстрый и качественный доступ в Интернет.

1.Описание принципа работы проектируемой системы

Традиционная схема спутниковой связи, как она зародилась в 60-е годы на базе тогда еще несовершенных и маломощных ИСЗ, предполагает наличие двух или нескольких земных приемо-передающих станций с антеннами диаметром 12…30 м (рис. 1), обменивающихся большими потоками информации (магистральная связь). Наибольшего развития это направление достигло в 70-х и начале 80-х годов, когда доля спутникового трафика составляла 10% от общего объема дальней трансконтинентальной связи и более 30% трансатлантического трафика.

С развитием волоконно-оптической техники, появлением недорогих оптических кабелей с предельно малым затуханием, обладающих к тому же пропускной способностью, в десятки раз превышающей показатели самых мощных спутников, сфера использования последних переместилась на уровень зоновой и ведомственной связи -- систем связи со сравнительно небольшим трафиком и большим числом абонентов, произвольным образом распределенных на значительной территории, когда строительство наземных линий оказывается неэффективным. Примером такого использования служат сети радиальной или смешанной структуры с одной центральной и большим числом малых земных станций (VSAT -- Very Small Aperture Terminal) (рис. 2). В мире функционирует, по некоторым оценкам, более 500 тысяч таких станций. В сетях VSAT осуществляется обмен информацией разного рода (телефония, передача данных, телеконференцсвязь) на скоростях от 32 кбит/с до 1,5…2 Мбит/с, широко применяются системы с динамическим перераспределением ресурса (предоставление каналов по требованию, подавление несущей в паузе речи и т.д.), благодаря чему они эффективно используют спутниковые емкости и оказываются экономически окупаемыми.

В области телевизионного вещания центр тяжести использования спутников также постепенно переместился с обмена телевизионными программами между вещательными организациями (Евровидение, мировая сеть обмена через спутники "Интелсат") к распределению программ на головные станции кабельных сетей и далее, к непосредственному телевизионному вещанию с приемом программ абонентами из космоса на небольшие антенны диаметром 60…80 см. Современные вещательные спутники обладают энергетическим потенциалом в 10 и более киловатт и обеспечивают одновременную трансляцию в цифровой форме более 100 телевизионных программ. Размещение в одной орбитальной позиции на ГО нескольких спутников, работающих в соседних участках спектра, позволило довести число одновременно передаваемых программ до 500 (группировки Hot Bird в точке 13о в.д., ASTRA в точке 19,2о в.д.).

Следующим заметным шагом в применении спутников стало использование спутниковых каналов в глобальной информационной сети Интернет. Широкому распространению спутниковых каналов на магистральных участках сети мешает сравнительно большая временная задержка сигнала на трассе через геостационарный спутник (суммарно более 250 мс), нарушающая работу многих сетевых протоколов. Однако на низовых участках (линии к местным Интернет-провайдерам и индивидуальным абонентам) удается обойти это затруднение, несколько ограничивая скорость передачи информации к каждому отдельному абоненту.

C развитием волоконно-оптической техники, появлением недорогих оптических кабелей с предельно малым затуханием, обладающих к тому же пропускной способностью, в десятки раз превышающей показатели самых мощных спутников, сфера использования последних переместилась на уровень зоновой и ведомственной связи -- систем связи со сравнительно небольшим трафиком и большим числом абонентов, произвольным образом распределенных на значительной территории, когда строительство наземных линий оказывается неэффективным. Примером такого использования служат сети радиальной или смешанной структуры с одной центральной и большим числом малых земных станций (VSAT -- Very Small Aperture Terminal) (рис. 2). В мире функционирует, по некоторым оценкам, более 500 тысяч таких станций. В сетях VSAT осуществляется обмен информацией разного рода (телефония, передача данных, телеконференцсвязь) на скоростях от 32 кбит/с до 1,5…2 Мбит/с, широко применяются системы с динамическим перераспределением ресурса (предоставление каналов по требованию, подавление несущей в паузе речи и т.д.), благодаря чему они эффективно используют спутниковые емкости и оказываются экономически окупаемыми.

В области телевизионного вещания центр тяжести использования спутников также постепенно переместился с обмена телевизионными программами между вещательными организациями (Евровидение, мировая сеть обмена через спутники "Интелсат") к распределению программ на головные станции кабельных сетей и далее, к непосредственному телевизионному вещанию с приемом программ абонентами из космоса на небольшие антенны диаметром 60…80 см. Современные вещательные спутники обладают энергетическим потенциалом в 10 и более киловатт и обеспечивают одновременную трансляцию в цифровой форме более 100 телевизионных программ. Размещение в одной орбитальной позиции на ГО нескольких спутников, работающих в соседних участках спектра, позволило довести число одновременно передаваемых программ до 500 (группировки Hot Bird в точке 13о в.д., ASTRA в точке 19,2о в.д.).

Следующим заметным шагом в применении спутников стало использование спутниковых каналов в глобальной информационной сети Интернет. Широкому распространению спутниковых каналов на магистральных участках сети мешает сравнительно большая временная задержка сигнала на трассе через геостационарный спутник (суммарно более 250 мс), нарушающая работу многих сетевых протоколов. Однако на низовых участках (линии к местным Интернет-провайдерам и индивидуальным абонентам) удается обойти это затруднение, несколько ограничивая скорость передачи информации к каждому отдельному абоненту.

Первоначальная идея спутникового Интернет базировалась на несимметричности трафика - по статистике для индивидуального абонента трафик запросного канала "Абонент -- Сеть" составляет лишь 10…15% от трафика информационного канала "Сеть -- Абонент", поэтому посылка запроса по обычным низкоскоростным наземным каналам (телефонная сеть общего пользования, сети передачи данных, ISDN) не занимает много времени, в то время как пересылка больших массивов данных к абоненту осуществляется по спутниковой радиолинии со скоростями значительно большими, чем удается достичь в наземных каналах. Сказанное иллюстрируется рис. 3.

Одним из первых реализованных проектов спутникового Интернет стал разработанный компанией Hughes Network Systems проект DirecPC, предоставлявший услуги по высокоскоростной передаче сигналов Интернет (Turbo Internet). Приобретя дополнительную приемную карту для персонального компьютера и подключив ее к антенне, направленной на спутник DBS1 в точке 101о з.д., абонент из США и Канады получает возможность, посылая запрос в Интернет с помощью модема со скоростью до 56 кбит/с, принимать затребованную информацию со спутника со скоростью до 400 кбит/с. В более поздних версиях практикуются также службы Package Delivery -- доставка клиентам по заказу больших массивов информации (базы данных, каталоги, программное обеспечение) и Internet Broadcasting -- вещание специального отобранного из Сети контента. Последняя услуга становится весьма популярной во многих системах как первый шаг к освоению Интернет абонентами, не имеющими персональных компьютеров. С помощью недорогих приставок передаваемые графические изображения могут быть выведены на экран ТВ приемника, при этом не нужен запросный канал и для трансляции пригодны обычные вещательные спутники. В упомянутом выше варианте DirecPC в информационном канале используется не очень эффективный метод передачи сигналов на отдельных несущих в стволе спутникового ретранслятора, во всех более поздних системах (AstroNet, ZakNet,……) применяется технология передачи многих сигналов на одной несущей. Гибкость широко используемого стандарта цифровой компрессии ТВ сигналов MPEG-2 позволяет передавать данные Интернет в общем цифровом потоке со сжатыми ТВ сигналами, динамически перераспределяя при необходимости емкость транспондера между двумя службами.

Описанный метод комбинированного доступа в Интернет через спутники и наземную сеть оправдывает себя в случаях несимметричного трафика и хороших наземных каналов. Однако уже в случае корпоративного пользователя (например, локальной сети в офисе крупной компании) несимметричность трафика оказывается не столь значительной, и возникает потребность в высокоскоростной передаче информации в направлении "Абонент -- Сеть". Выравниванию трафика способствует также определившаяся тенденция к развитию интерактивных служб, в первую очередь мультимедиа-приложений, базирующихся на более активном вмешательстве получателя информации в процесс ее создания. Особенно актуальной задача построения высокоскоростного запросного канала становится в странах и на территориях, где наземная инфраструктура связи отсутствует или слабо развита (сюда можно отнести и некоторые регионы России восточнее Урала). Возможный путь решения -- организация запросных каналов через спутник, для этого используются элементы хорошо разработанной технологии VSAT. В стандартной схеме (рис. 4) абонент принимает информацию с вещательного спутника ИС З1 на антенну А1, а передает на связной спутник (спутник фиксированной спутниковой службы) ИС З2, размещенный в общем случае в другой точке ГО и потому требующий отдельной антенны А2. По такой схеме, например, работает американская система DirecPC -- Duo, причем функции А1 и А2 выполняет антенна с двумя облучателями. Число абонентов сети DirecPC -- Duo невелико, так как станция VSAT все-таки пока довольно дорога для индивидуальных абонентов и доступна скорее корпоративным абонентам. Экономическая эффективность сети может быть существенно повышена, если несколько близкорасположенных абонентов будут использовать общую передающую станцию, передавая к ней свои сигналы по наземным соединительным линиям.

Более экономичное с точки зрения объема оборудования абонентской станции решение получается при использовании емкости на двух разных спутниках -- вещательном и связном, размещенных в одной точке ГО. Для приема и передачи информации абонент может использовать одну антенну (рис. 5). Благодаря небольшому размеру приемо-передающей антенны в ее диаграмму направленности попадают оба спутника, хотя их угловой разнос может достигать 0,1…0,3о. Для России подходящей является точка 36о в.д., где одновременно работают вещательный ИСЗ "Бонум-1" и спутники фиксированной службы международной организации Eutelsat (скоро к ним должен присоединиться совместный российско-западноевропейский SESAT).

Как вариант, можно рассматривать организацию запросных каналов в свободном стволе того же вещательного спутника, который служит для доставки основной части информации. Будучи переведен в линейный режим снижением выходной мощности на 3…4 дБ, такой ствол по основным техническим характеристикам мало отличается от ствола на связном спутнике, но примерно вдвое дороже. Наиболее серьезное отличие -- используемые диапазоны частот на линии вверх: 14,0…14,5 ГГц для спутников фиксированной спутниковой службы и 17,3…18,1 ГГц для спутников радиовещательной службы. Если в нижнем поддиапазоне для создания абонентского терминала могут использоваться хорошо освоенные и выпускаемые серийно трансиверы, диплексеры и антенны станций VSAT, то для верхнего поддиапазона выпускаются только единичные экземпляры сравнительно дорогих передатчиков для стационарных передающих станций спутникового вещания. Оценки показывают, что стоимость абонентского спутникового терминала диапазона 14 ГГц при заказе достаточно большой партии может составить 3…4 тыс. долларов США, в то время как терминал диапазона 17 ГГц обойдется сегодня в 12…15 тыс. долларов. Ситуация может меняться по мере освоения для передачи диапазона 17 ГГц.

Укажем еще на одно обстоятельство, существенно затрудняющее развертывание в России сетей с малыми приемо-передающими станциями, в том числе и для Интернет. Речь идет о получении разрешений и регистрации станции в Госсвязьнадзоре. Действующая процедура регистрации чрезвычайно сложна, многоступенчата (более 20 этапов), дорогостояща и занимает длительное время. Парадоксальность ситуации еще и в том, что регистрация многоствольной передающей станции с антенной 9 м и передатчиком мощностью 500 Вт осуществляется почти по той же процедуре, что и одноканальной VSAT с метровой антенной и передатчиком 0,5 Вт. В результате затраты на регистрацию могут превысить стоимость самой станции в 2…4 раза. Если не будет принято соответствующее решение на самом высоком уровне, мы еще много лет не сможем эффективно использовать спутниковые обратные каналы. Определенные надежды появились после принятия недавнего постановления правительства об упрощении порядка пользования мобильными телефонами. Хотелось бы, чтобы движение в этом направлении было продолжено.

Большую пропускную способность -- до 2 Мбит/с для индивидуального абонента -- обещают своим будущим клиентам создатели высокоскоростной системы передачи данных Teledesic, базирующейся на 288 низкоорбитальных спутниках. Здесь ограничение по скорости снимается благодаря малой задержке сигнала. Однако ряд очевидных недостатков систем с низколетящими спутниками (большое требуемое число спутников, их быстрое угловое перемещение, ограниченность частотно-орбитального ресурса и т.п.), известные финансовые неудачи первых проектов заставили нас ограничить проведенное рассмотрение геостационарными ИСЗ.

Интересное техническое решение по созданию спутникового запросного канала для интерактивных систем предложили специалисты компании SES. Они разработали многофункциональный спутник ASTRA-1K с несколькими полезными нагрузками (запуск его в точку 19.2о в.д. намечен на 2000 год), предназначенными для расширения вещания на европейскую территорию, резервирования действующих спутников и других задач. Одна из полезных нагрузок работает в Ka-диапазоне (27…31 ГГц на линии вверх) и предназначена для организации запросных каналов Интернет с абонентских станций. Диаграмма направленности приемной антенны спутника сформирована в виде 16 узких лучей, в совокупности охватывающих территорию Европы (рис. 6). Достигаемая благодаря узким лучам высокая энергетическая добротность спутника позволит передавать цифровой сигнал с абонентской земной станции со скоростью 256 кбит/с при антенне диаметром 75 см и мощности передатчика всего 0,5 Вт. Два транспондера с шириной полосы 500 МГц ретранслируют сигналы в сторону приемной антенны, расположенной в техническом центре SES в Бетцдорфе, Люксембург. Абоненту достаточно иметь одну антенну, направленную на этот спутник, чтобы принимать информацию в диапазоне 12 ГГц и посылать запросы в диапазоне 27 ГГц (рис. 7). Передающее оборудование Ka-диапазона пока не выпускается массовыми тиражами и потому относительно дорого, но начинающийся бум освоения этого диапазона для сетей VSAT позволит в короткие сроки добиться существенного снижения стоимости трансивера и других СВЧ устройств.

Создание специализированного спутника типа ASTRA-1K экономически оправданно только при наличии большого числа абонентов и достаточно насыщенном суммарном трафике. На начальных этапах лучшие коммерческие результаты дают различные комбинации стволов вещательных и связных спутников, описанные выше. Тем не менее универсальный спутник, показанный на рис. 7, решает оптимальным образом задачи двухстороннего обмена информацией в наиболее распространенной схеме типа "звезда" и представляется наиболее перспективным для решения мультимедийных задач.

2.Технические характеристики системы

2.1 Таблицы частот интернет-каналов

Таблица 1

Спутник: Sirius 2/3 5.2° в.д.
Пакет	Частота, GHz	Поляр.	Тип сигнала	Кодирование	Скорость потока (SR)	FEC	Телетекст
Viasat	11.996	H	MPEG-2		27500	3/4
Каналы:
@ Tele2 Internet via Satellite/Goal Show Sverige/Goal Show Norge/Goal Show Danmark/

Таблица 2

Спутник: Sirius 2/3 5.2° в.д.
Пакет	Частота, GHz	Поляр.	Тип сигнала	Кодирование	Скорость потока (SR)	FEC	Телетекст
NSAB	12.245	V	MPEG-2	Cnx	27500	7/8
Каналы:
@ Tele2 Internet via Satellite/TV 8 Sweden/History Channel/Bloomberg TV UK/SVT 1/SVT Europe/SVT 24/SVT 2/

3.Определение параметров перестройки и наведения антенны на ИСЗ

Большинство современных систем индивидуального и коллективного приёма программ спутникового вещания оснащены опорно-поворотным устройством (ОПУ) для оперативного наведения антенны на заданный ИСЗ. Наиболее простым механизмом перестройки антенны является опорно-поворотное устройство с полярной подвеской, у которого ось вращения антенны направлена на Полярную Звезду (ПЗ) и находится в плоскости Север-Юг. Для перестройки антенны по азимуту и углу места в этом ОПУ используется только один силовой привод (актуатор), работающий под управлением сигналов с позиционера. Недостатком такого типа ОПУ является то, что с увеличением диапазона азимутальной перестройки антенны при малых углах мест возрастает погрешность её наведения на требуемый ИСЗ. Для минимизации ошибки наведения антенны корректируют угол наклона оси ее вращения путем смещения оси в направлении на спутник.

В соответствии с представленной методикой расчета определяются: максимальный угол обзора дуги ГО; значения крайних позиций ИСЗ на видимом участке дуги ГО; координаты наведения антенны на заданный спутник, а так же основные характеристики механизма перестройки ОПУ с учётом коррекции угла наклона оси вращения антенны.

Расчет проводится для открытых условий приёма и состоит в следующем.

Для известной географической широты точки приёма определение максимального угла обзора дуги геостационарной орбиты, в пределах которого спутники видны под углами мест

?т.м = 2· arccos (0,153·tg ?)

?т.м = 2· arccos (0,153·tg 52?) = 157,413?

Определение максимального углового разнесения между предельно удалёнными спутниками, находящимися на видимой части дуги геостационарной орбиты

?г.м = 2? arccos (A / cos ? ),

A = Rз / (Rз + H) = 0,151 ,

?г.м = 2· arccos (0,151/cos 52?) = 151,605?

где = 6370 км - радиус Земли; Н = 35786 км - высота геостационарной орбиты

На рис.13 представлены зависимости максимальных углов обзора дуги ГО и разнесения спутников от географической широты точки приёма. На широте =81,3⁰ эти углы равны нулю.

3. Определение углового диапазона азимутальной перестройки антенны, в пределах которого возможен приём сигналов со спутников, находящихся под углами мест

?т = 2· arccos(tg ?/tg ? 1) ,

? 1 = 90?- [? min + arcsin(A·cos ? min )] ,

? 1 = 90?- [6?+ arcsin(A·cos 6?)] = 75,317?

?т = 2· arccos(tg 52?/tg 75,317?) = 140,81?

где -минимальный угол места, ниже которого приём сигналов с ИСЗ нецелесообразен или невозможен из-за особенностей рельефа местности; ₁ - угол относительного центра Земли между направлениями на ЗС и ИСЗ для случая =_min.

В расчётах можно принять = 5…8_.

4. Определение на видимой части дуги ГО значений позиций западного ИСЗ1 и восточного ИСЗ2 спутников, находящихся для заданных географических координат точки приёма под углами мест

?с.в = ?з + ?г/2,

?с.з = ?з - ?г/2,

?г = 2·arccos(cos ?1/cos ?),

?г = 2·arccos(cos 75,317?/cos 52?) = 131,378?

?с.в = 24? + 131,378?/2 = 89,689? в.д

?с.з = 24? - 131,378?/2 = 41,689? з.д

где _с.в, _с.з - позиции (долгота) на ГО крайнего восточного и западного спутников для углов мест =_min ;

- угловое разнесение между позициями западного ИСЗ1 и восточного ИСЗ2 спутников .

Для спутников западного полушария значение _с имеет знак “минус”, а для восточного полушария - знак “плюс”

5. Для рассчитанного диапазона азимутальной перестройки антенны определение требуемого диапазона её угломестной перестройки

?? = ?м - ? min,

?м = arctg[(-A + cos ?)/sin ?] ,

?м = arctg[(-0,151 + cos 52?)/sin 52?] = 30,526?

?? = 30,526? - 6? = 24,526?

где -максимальный угол места при направлении антенны на вершинный спутник с позицией (рис.15).

Зависимость максимального угла места от географической широты точек приёма приведена на рис.13 Там же штриховой линией показана приближённая зависимость, определяемая формулой

6. Определение координат наведения антенны на требуемые вещательные спутники (один или несколько), с которых необходим приём программ.

6.1 Угла места, под которым виден заданный i-й вещательный спутник с позицией

?i = arctg[(-A + cos ?i)/sin ?i],

?i = arccos[(cos ? · cos|?ci - ?з|],

?i = arccos[(cos 52? · cos|5,2? - 24?|] = 54,351?

?i = arctg[(-0,151 + cos 54,351?)/sin 54,351?] = 27,986?

7.2 Азимута наведения антенны на заданный i-й ИСЗ

?i = ? + ??i,

??i = arctg(tg|?ci - ?з|/sin ?),

??i = arctg(tg|5,2? - 24?|/sin 52?) = 23,365?

?i = ? + 23,365? = 203,274?

где знак "плюс" берётся, если ИСЗ западнее точки приёма и знак "минус", если ИСЗ восточнее; i - номер i-го спутника.

- азимутальный угол поворота антенны на заданный i-й ИСЗ относительно направления на юг.

7. При использовании ОПУ с полярной подвеской антенны определение для заданной точки приёма угловой ошибки в наведении антенны на крайние ИСЗ, находящиеся на дуге ГО под углами мест =_min (рис.15)

? = ?т · (? - ?)/360?,

? = arctg[A·sin ?/(1- A·cos ?)],

? = arctg[A·sin ?/(1+ A·cos ?)],

? = arctg[0,151·sin 52?/(1- 0,151·cos 52?)] = 7,474?

? = arctg[0,151·sin 52?/(1+ 0,151·cos 52?)] = 6,213?

? = 141,81? · (? - ?)/360? = 0,493?

где углы и указаны на рис. 16

8. Определение углового смещения оси вращения перестраиваемой антенны , относительно направления на Полярную звезду, при котором компенсируется угловая ошибка наведения антенны на спутники в диапазоне азимутальной перестройки

?? = (? - ?)/2,

?? = (7,474? - 6,213? )/2 = 0,63?

В соответствии с зависимостями, представленными на рис.17, угловая ошибка и угловое смещение оси вращения антенны имеют максимальные значения на широтах около 40⁰ с.ш.

9. Определение требуемого угла наклона оси вращения антенны (рис.18) относительно горизонтальной плоскости

?н = ? + ??,

52? + 0,63 = 52,63?

10. Определение угла склонения (деклинации) между осью вращения антенны и перпендикуляром к направлению на вершинный ИСЗ , находящийся под максимальным углом места

?c = (? + ?)/2,

?c = (7,474? + 6,213? )/2 = 6,84?

Из приведенной на рис.17 зависимости , следует что при изменении географической широты от 0 до 81,3⁰ значение изменяется от 0 до 8,7⁰.

11. Проверка выполнения условия

?н + ?с + ?м = 90?,

52,63?+ 6,84?+ 30,526? = 90?

4. Расчет энергетических параметров на спутниковой радиолинии

При распространении сигнала от ИСЗ к антенне приёмной установки (ПУ) возникают существенные энергетические потери мощности сигнала, вызванные следующими основными причинами: рассеянием мощности сигнала в свободном пространстве, поглощением энергии сигнала в спокойной атмосфере, тумане, дождях и мокром снеге, неточностью наведения антенны ПУ на ИСЗ и несоответствием плоскостей поляризации антенны ИСЗ и ПУ. Чем меньше угол прихода радиолуча с ИСЗ, тем больше длина пути сигнала в слоях атмосферы и тем выше его энергетические потери и величина эквивалентной шумовой температуры (ЭШТ) антенны. С ростом рабочей частоты энергетические потери сигнала так же увеличиваются. Потери энергии сигнала в осадках зависят от вида осадков, интенсивности, размера зоны их выпадения, распределения интенсивности осадков по зоне и определяются на основании статистических данных [1]. Чем меньше допускается процент времени (Т %) снижения качества изображения, тем выше требуется энергетический запас на уровень сигнала, что связано с ростом вероятности осадков большой интенсивности в малом проценте времени.

Порядок расчета энергетических параметров на спутниковой радиолинии следующий.

Определение наклонной дальности между заданным ИСЗ и приемной антенной

r = 42644? v 1- 0,295 • cos ? = 42644? v 1-0,295 ? cos 52? = 38577,62 км

Наклонная дальность изменяется от 35786 км при =0 до 41870 км при =81,3⁰ .

2. Определение энергетических потерь сигнала при его распространении от ИСЗ к ПУ из-за рассеяния мощности в свободном пространстве

a 0 = 92,4 + 20lg f0 + 20lg r,

a 0 = 92,4 + 20lg 12,68 + 20lg 38577,62 = 206,19 дБ

где r - наклонная дальность, км; - верхняя частота рабочего диапазона принимаемых сигналов, ГГц.

3. Определение энергетических потерь мощности сигнала в спокойной атмосфере, обусловленные её поглощением в кислороде и водяных парах

a атм = 2,5? [0,7 + e ],

a атм = 2,5? [0,7+ e ] = 0,301 дБ

где (град) - угол места, под которым виден требуемый ИСЗ.

Формула справедлива для диапазона частот от 3,5 до 18 ГГц и углов мест от 3 до 70⁰; - ГГц

4. Определение для допустимого процента времени ухудшения качества изображения (Т%) потерь мощности сигнала из-за её поглощения в осадках

a д (т = 0,1%) = ((f0 - 18)/((? +3)? 1,8)) + 0,1 ,

a д (т = 0,1%) = ((12,68 - 18)/((27,986? +3)? 1,8)) + 0,1 = 2,56 дБ

где - потери мощности сигнала в осадках, которые могут превышаться не более 0,1 процента времени наихудшего месяца года.

Формулы справедливы для районов с умеренным климатом в диапазоне частот от 3,5 до 30 ГГц и углов мест от 3 до 70⁰. ; - ГГц

5. Определение потерь мощности сигнала из-за неточности наведения приёмной антенны на ИСЗ

a н = 10lg [1 + (2?? / ? 0,5) ] ,

a н = 10lg [1 + 0,3 ] = 0,374 дБ

где - угловое отклонение оси главного лепестка диаграммы направленности (ДН) антенны от истинного направления на спутник (рис 5.1.а) из-за неточности механизма наведения антенны, нестабильности положения ИСЗ на орбите и др.;

- ширина главного лепестка ДН антенны по уровню -3дБ.

При использовании перестраиваемой антенны с полярной подвеской отношение может составлять 0,15…0,55. При использовании фиксированной антенны индивидуального пользования диапазон значений этого отношения зависит от стабильности положения ИСЗ на орбите и составляет от 0,1 до 0,4. Для антенн, оснащённых системой автослежения за положением ИСЗ на орбите, отношение находится в переделах 0,05..0,35.

6. Определение энергетических потерь сигнала с линейной поляризацией, вследствии несоответствия плоскостей поляризации антенн ИСЗ и ПУ

a п = 10lg [ 2 / (1+ cos 2? п)] ,

a п = 10lg [ 2 / (1+ cos 2? 0,314)] = 0,435 дБ

где _п - угловое расхождение между плоскостями поляризации антенны ИСЗ и ПУ (рис5.1.б).

Для ПУ с перестраиваемой антенной без корректора поляризации сигналов значение _п может составлять 10…20⁰. При наличии корректора поляризации или при использовании фиксированной антенны, ориентированной на один ИСЗ, значение _п < 10⁰. При приёме сигналов с круговой поляризацией на оборудование для приёма сигналов с линейной поляризацией =3 дБ .

7. Определить суммарные потери мощности сигнала на спутниковой радиолинии

a ? = a 0 + a атм + a д + a н + a п ,

a ? = 206,19 + 0,301 + 2,56 + 0,374 + 0,435 = 209,86 дБ

8. По картам зон обслуживания спутниковым вещанием определяем в направлении точки приёма значения эквивалентной изотропно-излучаемой мощности (ЭИИМ) ретрансляторов информационных ИСЗ. Значения ЭИИМ определяем по всем лучам ретрансляторов ИСЗ (широкий, узкий, полуглобальный и др.), по которым предполагается вести приём программ.

Э бр = 47,5 дБВт

9 . Определение эффективной шумовой температуры (ЭШТ) антенны, обусловленной приёмом поглощённой в атмосфере и дождях энергии сигнала (Тпог), теплового излучения Земли (Тз) , космического радиоизлучения (Ткос) , а также тепловой мощности шумов из-за собственных потерь в элементах антенны (Тсоб)

Т а = T пог + T з + T кос + T cоб ,

T пог = Т ср ? [ 1-10 ] ,

T з = с ? Т 0 ,

T кос = 0,5 ? Т г ,

T соб = в ? Т 0 ? [ 1-10 ] ,

T кос = 0,5 ? 0,0608 = 0,0304 K

T пог = 260 ? [ 1-10 ] = 125,454 K

T з = 0,2 ? 290 = 58 K

T соб = 0,25 ? 290 ? [ 1-10 ] = 1,487 K

Т а = 125,454 + 58 + 0,0304 + 1,487 = 184,972 K

где Т_ср=260 К - средняя термодинамическая температура атмосферы для сухой и ясной погоды;

с - коэффициент, характеризующий долю попадания теплового излучения земной поверхности в раскрыв антенны через её боковые лепестки;

Тг - усредненная шумовая температура космического пространства, обусловленная радиоизлучением Галактики;

- коэффициент, характеризующий долю попадания мощности тепловых шумов на облучатель из-за собственных потерь в зеркале антенны и равный 0,2..0,3;

а_соб- собственные потери энергии сигнала в зеркале антенны;

К - кинетическая температура земной поверхности.

Величина коэффициента с, входящего в Тз , зависит от параметров антенны, угла места и способа её размещения. Обычно он составляет 0,12…0,25 для однозеркальных и 0,05…0,15 для двухзеркальных антенн.

Шумовая температура , обусловленная радиоизлучением Галлактики, определяется по формуле:

Т г = 27 / f 0 = 0,608 K

В металлических зеркалах антенн потери а_соб зависят от неровности («шероховатости») поверхности зеркала и составляют

, дБ,

где - усреднённая относительная высота неровностей поверхности зеркала антенны, равная 0,02…0,05 для серийно выпускаемых антенн.

5.Рассчет параметров приемного оборудования спутникового телевидения

Приём аналоговых и цифровых ТВ - программ спутникового вещания с требуемым качеством возможен только при правильном выборе системных параметров приёмного оборудования.

На рис.20 приведена упрощенная структурная схема приемного оборудования для приема цифро-аналоговых программ спутникового телевидения. Там - же даны основные показатели, относящиеся к исходным и расчетным данным.

Порядок расчёта параметров приемного оборудования следующий:

1. Определяем допустимое значение потерь между конвертором и тюнером, наличие которых не приводит к заметному ухудшению ЭШТ на входе конвертора

aк-т <= 10lg ? + 10lg (10 - 1) + Kк - nт ,

aк-т <= 10lg 0,04 + 10lg (10 - 1) + 55 - 10 = 24,08 дБ

где =T/T_К - допустимое относительное изменение ЭШТ на входе конвертора

n_к - коэффициент шума конвертора, дБ;

Kк- усиление конвертора, дБ;

- коэффициент шума тюнера, дБ;

ЭШТ конвертора:

Тк = T0 · (10 - 1) ,

Тк = 290 · (10 - 1) = 58,657 K

T₀- допустимая величина изменения ЭШТ на входе конвертора из-за потерь между конвертором и тюнером.

Относительное изменение ЭШТ конвертора можно принять в пределах значений 0,03…0,05, что соответствует изменению его ЭШТ на 3…5% относительно номинального значения.

2. Выбираем тип соединительного кабеля и определяем в нем затухание сигнала на верхней частоте первой ПЧ (f_пч=0,95…2,15ГГц) :

a каб = ? каб · L каб · v f в / f и ,

a каб = 0,15 · 40 · 1 = 6 дБ

где - погонное затухание кабеля, дБ/м; - частота измерений потерь в кабеле; - длина кабеля.

3. Определить эквивалентную шумовую температуру приемника (на входе конвертора) :

Tпр = T0[10 - 1 + 10 ] ,

Tпр = 290 • [10 - 1 + 10 ] = 58,693 K

В формуле третье слагаемое характеризует приращение коэффициента шума конвертора из-за шумов, вносимых последующими за ним устройствами.

4. Определить полную эквивалентную шумовую температуру приемного оборудования (на входе облучателя антенны) :

Tc = Ta + T0 • (Aвт - 1) + Aвт • Tпр ,

Tc = 184,972 + 290 • (1,047 - 1) + 1,047 • 58,963 = 260,098 K

где - потери мощности сигнала в волноводном тракте от облучателя до конвертора.

При использовании полнодиапазонного конвертора с встроенным в него поляризационным селектором (ПС) потери составляют 0,05…0,15 дБ. При использовании внешнего ПС, например, на эффекте Фарадея составляет около 0,2...0,3дБ.

5. При организации приема спутниковых программ в цифровом формате MPEG-2/DVD-S расчету подлежат следующие параметры.

5.1 Полоса пропускания ВЧ - тракта тюнера.

?Fвч = (1+ b)? Bc ,

?Fвч = (1+ 0,17)? 27500 = 32200 Гц

где b- коэффициент расширения полосы тракта, равный 0,15...0,2;

B_c -- символьная скорость фазоманипулированного радиосигнала, выбираемая из технических данных на спутниковую систему (берется максимальное значение ).

5.2 Относительная скорость помехоустойчивого кодирования.

Rk = Rpc ? Rck ,

Rk = 188 / (204 ? 2) = 0,461

где R_pc -- относительная скорость кода Рида-Соломона, равная 188/204;

R_ck -- относительная скорость сверточного кодирования (FEC), соответствующая выбранной символьной скорости ( 1/2; 2/3; 3/4; 5/6 или 7/8).

5.3 Информационная скорость транспортного потока

B0 = Bc ? Rk ? log2 M ,

B0 = 27500 ? 0,461 ? log2 4 = 25300 бит/с

где М=4 - число дискретных значений фазы в модуляторе QPSK.

5.4 Отношение несущая -шум на выходе приемного оборудования (на облучателе антенны), при котором обеспечивается требуемый коэффициент ошибок Р_ош в транспортном потоке

? вх.ц. = 0,6 + 10lg ? ((-2- lg Pош)/(1,1- Rск)) ,

? вх.ц. = 0,6 + 10lg ? ((-2- lg 10 )/(1,1- 0,5)) = 12,36

Значение Р_ош устанавливается в соответствии с назначением приемного оборудования. При индивидуальном приеме 10^-5…10^-6, при коллективном приеме10^-7…10^-8, при профессиональном приеме 10^-8…10^-11, при приеме данных и при необходимости демодуляции-модуляции цифровых сигналов 10^-10 … 10^-11.

5.5 Усиление приемной антенны цифрового вещания

gпр = ? вх.ц. + a? + 10lg Tc + 10lg ?Fвч - Эбр - 228,6 + ?gпр ,

gпр = 12,36 + 209,86 + 10lg 260,098 + 10lg 32200 - 47 - 228,6 + 0,5 = -11,1 дБ

где g_пр -- эксплуатационный запас в усилении антенны, равный 0,3...0,5 дБ

5.6 Диаметр антенны для приема цифровых программ, транслируемых по выбранному радиолучу заданного ИСЗ в требуемом диапазоне частот

dц1 = 10 / (fp? v kи ____ ) ,

dц1 = 10 / (12,65 ? v 0,65 ) = 0,931 м

где k_и -- КИП антенны; f_р -- средняя частота диапазона принимаемых сигналов, ГГц.

5.7 Ширина главного лепестка диаграммы направленности выбраной антенны для приема программ цифрового спутникового вещания

? 0,5 = 21 / (fp? dц) ,

? 0,5 = 21 / (12,6? 0,931) = 1,79 град

где d_ц - диаметр антенны , м f_р - ГГц.

6. Определение уровня мощности сигнала на входе приемной установки с рассчитанным диаметром антенны

? вх.пр. = Эбр + 20lg d + 10lg kи - a? + 20lg f0 + 20,4 ,

? вх.пр. = 47 + 20lg 0,931 + 10lg 0,65 - 209,86 + 20lg 12,68 + 20,4 = -122,9 дБ

где d - диаметр антенны ; k_u -- КИП антенны; ₀ - ГГц; Э_БР - значение ЭИИМ бортового ретранслятора , для которого окончательно определен диаметр приемной антенны.

7. Определение уровня мощности сигнала на входе тюнера

? вх.т. = ? вх.пр. + Кк - ак-т - авт ,

? вх.т. = -122,9 + 55 - 24,08 - 0,2 = -92,169 дБВт

8. Определение уровня напряжения сигнала на входе тюнера

= -92,169 + 10lg 75 +120 = 46,58 дБмкВ,

где R_вх - входное сопротивление тюнера, равное для большинства тюнеров 75 Ом.

Заключение

В ходе работы над данным курсовым проектом мы приобрели основные практические навыки, необходимые при расчетах подобных систем. Кроме этого мы основательно закрепили и значительно расширили запас знаний по этой тематике, которые могут пригодиться нам в будущем, учитывая быстрые темпы роста технического прогресса и возрастающую роль телекоммуникаций, и в частности спутниковой связи

Литература

Основы технического проектирования систем связи через ИСЗ / Аксинази Г.Б. , Быков В.Л. и др.: под ред. А.Д. Фортушенко. М.:Связь,1970

Интернет-сайт журнала “ Телеспутник “: telesputnik.ru

Интернет-сайт журнала “ Телемультимедиа “: telemultimedia.ru