Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Цель энергетического расчета радиолиний, входящих в сеть спутниковой связи, состоит в обоснованном выборе (расчете) энергетических параметров аппаратуры: мощности передатчика, коэффициента шума приемника, коэффициента усиления антенн и потерь в антенно-фидерном тракте, удовлетворяющих заданной достоверности и надежности работы сети. После энергетического расчета определяются структура станции и элементная база, уточняется структура линий и сети в целом, проводится ее технико-экономическое обоснование.

Основными техническими требованиями, предъявляемыми к линии, являются следующие: пропускная способность, достоверность передачи сообщений, помехозащищённость, надёжность и живучесть, электромагнитная совместимость с другими линиями, массогабаритные параметры, время развёртывания.

Линия спутниковой связи состоит из двух участков: , оба участка являются напряженными, т.к. стараются уменьшить мощность и стоимость ЗС, уменьшить массу, габариты и энергопотребление бортового ретранслятора.

На линии Земля Спутник большое затухание сигнала, порядка 200дБ. Кроме этого влияет рефракция, деполяризация, поглощение в атмосфере, излучения в космосе. Все это уменьшает плотность потока мощности на входе приемника спутника или ЗС. Величина сигнала также зависит от режима работы бортового ретранслятора: при односигнальном режиме (работа с 1 станцией) нет взаимных помех, а при многосигнальном режиме (работа с несколькими ЗС) - возникают взаимные помехи, которые учитываются при расчете энергетики ССС.

энергетический расчет радиолиния спутниковый

Задача 1

Произвести расчет пролета радиорелейной линии (РРЛ):

? по известным высотным отметкам земли H (м) и указанным расстояниям от начала пролета R (км) построить продольный профиль пролета;

? выбрать оптимальную высоту подвеса антенн; произвести коррекцию, если необходимо;

? рассчитать запас на замирание сигнала;

? рассчитать время ухудшения сигнала из-за дождя и вследствие субрефракции радиоволн;

? проверить нормы на неготовность;

? рассчитать время ухудшения сигнала за счет многолучевого распространения радиоволн, сравнить с нормами;

? сделать выводы о проделанных расчетах.

Таблица. 1 - Технические параметры пролета РРЛ

Вариант	УНУ м	Отметки земли Hi/Ri, м/км	R0, км	f, ГГц	Аппара тура
		1	2	3	4	5
3	180	220/0	250/5	200/10	220/15	230/25	40	8	NERA

Таблица. 2- Место расположения РРЛ

Вариант	Район
3, 6, 9	Степная полоса Казахстана

Таблица. 3 - Технические параметры аппаратуры NERA

Шифр РРС	Диапазон частот f, ГГЦ	Коэффициент системы SG, дБ	Диаметр антенны D, м	Коэффициент усиления антенны G, дБ
NL 245	7,9- 8,4	110 (Е3)	1,2	41.6

Так как коэффициент усиления антенны в дБ не указан, то его вычисляем по формуле:

где g=0,6 - коэффициент использования поверхности антенны;

D - диаметр антенны;

- длина волны.

Построение продольного профиля пролета

Продольный профиль интервала представляет собой вычерченный в определенном масштабе вертикальный разрез местности по линии, соединяющей две соседние радиорелейные станции. Продольные профили интервалов РРЛ полно и наглядно характеризуют рельеф местности на каждом интервале связи и являются основными рабочими документами, позволяющими выполнить расчет устойчивости работы радиорелейной линии при заданных нормах на ее качественные показатели.

Построение продольных профилей производится в прямоугольной системе координат с применением разных масштабов по горизонтали и вертикали. Высоты препятствий на поверхности Земли измеряются в метрах, а расстояния между ними радиорелейными станциями - в километрах. Таким образом, высоты откладываются на профиле не по линиям, проходящим через центр Земли (т.е. по радиусу Земли), а по вертикали (по оси ординат), и отсчет их ведется не от горизонтальной линии профиля, а от линии кривизны земной поверхности, принимаемой за линию уровня моря или за условный нулевой уровень. Расстояния же между станциями откладываются не по криволинейной поверхности, а по горизонтали (оси абсцисс). При таком построении профиля земная поверхность изображается не окружностью, а параболой. Построение дуги земной кривизны (параболы) производится после определения расстояний между станциями и максимальной разности высот на поверхности земли, так как в зависимости от расстояния меняется масштаб по вертикали. Расстояния между станциями, а также наиболее низкие (hmin) и наиболее высокие (hmax) точки профиля интервала РРЛ связи определяются по данным топографических карт, и затем вычисляется максимальная разность высот в метрах.

После выбора масштабов производится построение дуги земной кривизны.

Линия, изображающая на профиле уровень моря (дуга земной кривизны) или условный нулевой уровень (условный горизонт) и имеющая вид параболы, рассчитывается по формуле

, (1.2)

где x(R) - текущая координата дуги нулевого уровня, м;

R0 - протяженность интервала, км;

R - расстояние от левого конца интервала, км, до точки, в которой определяется величина x;

RЗ=6,37·106 м - радиус Земли.

Максимальная высота препятствия, создаваемого выпуклостью земной поверхности, для любой протяженности интервала R0 при R=R0/2 равна

. (1.2, а)

С достаточной для практических расчетов степенью точности при Rз=6370 км можно принять

(1.2, б)

где R0 выражено в км.

Для сокращения размеров чертежа высокие отметки отсчитываются от линии условного горизонта, которая выбирается в зависимости от рельефа местности. Полученная кривая характеризует профиль интервала данного участка связи.

Выбор оптимальных высот подвеса антенн

Из-за неравномерности вертикального градиента диэлектрической проницаемости атмосферы радиолуч получает искривление, что приводит к ухудшению радиосвязи. Если он встречается с естественным препятствием, то связь нарушается. Поэтому необходимо правильно определить просвет трассы путем правильного выбора высот подвеса антенн. Радиолуч перемещается внутри зоны Френеля, которая представляет собой эллипсоид вращения в точке приема и передачи. Минимальный радиус зоны Френеля определяется по формуле

, (1.3)

где - длина волны, м;

 - относительное расстояние до препятствия.

Среднее значение изменения просвета за счет рефракции, существующее в течение 80% времени, вычисляется по формуле

где и - соответственно среднее значение и стандартное отклонение вертикального градиента проницаемости.

Для степной полосы Казахстана: ,

При длине пролета меньше 50 км стандартное отклонение должно определяться по формуле

, (1.5)

где у - значение стандартного отклонения, м-1;

y = 0,95 при R0 = 40 км.

Просвет в отсутствии рефракции радиоволн (при g=0) рассчитывается по формуле

, (1.6)

Высоты подвеса антенн определим из рисунка 1(см. Приложения А), приведенный на миллиметровке. Для этого от критической точки профиля откладывается расстояние Н(0) и через данную точку проводится луч, соединяющий антенны.

Численно высоты подвеса антенн можно определить по формулам

h1=xmax+H(0)+MN-CD =21,36+10,74+35,5-0= 77 , (1.7 а)

h2=xmax+H(0)+MN-YZ =21,36+10,74+35,5-30,5= 47, (1.8 б)

где MN - максимальная высота профиля относительно УНУ;

CD, YZ - высота профиля соответственно в начале и в конце тракта в зависимости от типа антенны - передающей или приемной.

Расчет запаса на замирание

Расчет запаса на замирание производится по формуле

, (1.9)

где - коэффициент системы, дБ;

- коэффициенты усиления передающей и приемной антенн, дБ;

- коэффициент полезного действия антенно-фидерного тракта;

- затухание радиоволн в свободном пространстве, дБ

, (1.10)

где f - частота передачи, ГГц;

d=R0 - расстояние между передающей и приемной антеннами (длина пролета), км.

Расчет времени ухудшения связи из-за дождя

Чем выше частота радиоизлучения, тем сильнее влияет на ослабление сигнала размер капель и интенсивность дождя. Поэтому при расчете времени ослабления необходимо учитывать климатическую зону в зависимости от интенсивности дождя в течение 0,01% времени.

Территория СНГ разделена на 16 климатических зон. Казахстан относится к зоне Е, для которой интенсивность осадков =22 мм/час.

Коэффициенты регрессии для оценки затухания в зависимости от поляризации волны представлены в таблице Б.2 Приложения Б.

Так как интенсивность дождя неравномерно распределяется вдоль трассы, определяем эффективную длину пролета

,

где R0 - длина пролета, км;

- коэффициент уменьшения;

- опорное расстояние, км.

Удельное затухание в дожде в зависимости от поляризации волны (дБ)

.

определяется для горизонтальной и вертикальной поляризации и выбирается наибольшее из них

,

,

где - коэффициенты регрессии.

Затухание на трассе, превышающее 0,01% времени, определяется по формуле

.

Время, в течение которого ослабление сигнала больше, чем запас на замирание

, (1.15)

при принимаем .

Для f=8 ГГц

дБ/км;

дБ/км.

Примечание: так как величины очень малы, мы выбираем тип поляризации в соответствии с приведенным ранее частотным планом.

Горизонтальная поляризация: ,

, .

, ,

.

Расчет времени ухудшения связи, вызванного субрефракцией радиоволн

Стандартная атмосфера имеет наибольшую плотность у поверхности Земли, поэтому радиолучи изгибаются к низу. В результате просвет на пролете, определяемый по минимальному радиусу зоны Френеля, не имеет постоянной величины, т.к. плотность атмосферы изменяется и зависит от времени суток и состояния атмосферы.

Среднее значение просвета на пролете

.

Относительный просвет

.

На чертеже профиля пролета проводим прямую параллельно радиолучу на расстоянии от вершины препятствия и находим ширину препятствия r (см. рисунок 1).

Относительная длина препятствия

.

Параметр , характеризующий аппроксимирующую среду

,

где или .

Значение относительного просвета р(g0), при котором наступает глубокое замирание сигнала, вызванное экранировкой препятствием минимальной зоны Френеля

,

где V0 - множитель ослабления при H(0)=0, определяемый из рисунка В.1 приложения В по значению ;

минимальный допустимый множитель ослабления

.

Параметр определяется по формуле

,

где .

Процент времени ухудшения связи, вызванного субрефракцией радиоволн, определяется по рисунку В.2 Приложения В.

Решение. r=8 км,

,

,

,

.

Принимаем , тогда .

,

,

.

,

,

.

Оптимизация высот подвеса антенн проводится, если , при этом необходимо увеличить , пересчитать и соответственно на эту величину увеличить h1 и h2 на пролете.

Проверка норм на неготовность

Характеристики неготовности для ГЭЦТ (гипотетический эталонный цифровой тракт) установлены в рекомендации 557МСЭ-Р.

ГЦЭТ считается неготовой, если в течение 10 последовательных секунд возникли следующие условия или одно из них:

- передача цифрового сигнала прервана;

- в каждой секунде BER хуже 10-3.

Неготовность аппаратуры уплотнения исключается. Характеристики неготовности делятся на неготовность оборудования и неготовность, вызванную условиями распространения радиоволн, например, величина неготовности, вызванной дождем, составляет 30-50%.

Характеристики готовности ГЭЦТ протяженностью 2500 км определяются величиной 99,7%, причем эти проценты определяются в течение достаточно большого интервала времени. Этот интервал должен составлять более года, характеристики неготовности определяются, таким образом, величиной 0,3%.

Норма на неготовность

,

где R0 - длина пролета, км;

2500 - длина эталонной гипотетической линии.

Решение. .

.

, условие (2.21) выполняется.

Учитывая увеличение H(g) для получения , указываем оптимальные высоты. Опоры в основном предоставляют трубчатую мачту с основанием диаметра 2,5 м, которая может состоять из секций длиной 6,5 м и 11 м.

Для h1=77 м - семь секций по 11 м ; для h2=47 м: 4 секции по 11 м и 1 секция по 6,5м .

Расчет времени ухудшения радиосвязи из-за многолучевого распространения

При моделировании радиолиний протяженностью более чем несколько километров должны учитываться четыре механизма замирания в чистой атмосфере, обусловленные чрезвычайно преломляющими слоями:

- расширение луча;

- развязка в антенне;

- поверхностное многолучевое распространение;

- атмосферное многолучевое распространение.

Большинство этих механизмов возникают сами по себе или в комбинации с другими механизмами. Сильные частотно-избирательные затухания возникают, когда расфокусировка прямого луча сочетается с отражением сигнала от поверхности, что вызывает замирание вследствие многолучевого распространения. Мерцающие замирания, вызванные небольшими турбулентными возмущениями в атмосфере, всегда имеют место при этих механизмах, но на частотах ниже 400 ГГц их влияние на общее распределение замираний не существенно. На больших глубинах замирания процент времени Тинт, в течение которого в узкополосных системах не превышается уровень принимаемого сигнала в средний худший месяц, может быть определен с помощью следующего приближенного асимптотического выражения

где - A=Ft - запас на замирание, дБ;

d - длина пролета, км;

f - частота, ГГц;

K - коэффициент, учитывающий влияние климата и рельефа местности;

Q - коэффициент, учитывающий другие параметры трассы;

В=0,89; С=3,6 - коэффициенты, учитывающие региональные эффекты.

Коэффициент, учитывающий влияние климата и рельефа местности

где PL=5%=0,05 - процент времени с вертикальным градиентом рефракции;

CLAT=CLON=0 для Казахстана.

Коэффициент, учитывающий другие параметры трассы

,

где - наклон радиотрассы, мрад (здесь h1, h2 в м; d в км).

Решение. ,

,

,

.

Проверка норм на допустимое время ухудшения связи из-за многолучевого распространения радиоволн

Норма на допустимое время ухудшения связи для высшего качества связи

. (1.27)

Решение. .

, условие выполняется.

В данной работе была смоделирована и рассчитана радиорелейная линия прямой видимости с передачей цифровых сообщений.

При выборе мест расположения станций были учтены три важных фактора: наличие подъездных дорог, наличие электропитания в районе, осуществление связи между населенными пунктами.

По полученным результатам можно сделать вывод, что все нормы на неготовность выполняются даже на самых протяженных пролетах. Замирания в дожде были снижены за счет правильного выбора поляризации, из-за субрефракции радиоволн - за счет выбора оптимального уровня подвеса антенн.

Задание 2

Произвести энергетический расчет линий «вниз» для спутниковой системы связи:

- определить значения мощностей передатчика и приемника на линиях «вниз», при которой спутниковый канал надежно работает в условиях помех и не содержит излишних энергетических запасов;

- построить диаграмму уровней сигнала на линии «вниз» для заданной спутниковой системы.

В расчетах необходимо учесть дополнительное ослабление энергии радиоволн на участках: поглощение в осадках - 0,8 дБ, поляризационные потери - 0,9 дБ, потери за счет рефракции - 0,2 дБ.

Коэффициент запаса для линии «вниз» b=1,2 дБ.

Таблица. 1 - Параметры передающих ЗС

Система	B
Координаты	52° в.д. 47° с.ш.
Диапазон f, ГГц	14/11
Диаметр антенны DA, м	10
Эффективная полоса частот fш, МГц	33
Спектральная плотность мощности S, дБВт/Гц	-33
Отношение сигнал/шум Рс/Рш, дБ	16,5
КПД АФТ	0,90

Таблица.2 - Параметры бортовых ретрансляторов КС

Система	B
Координаты	101°в.д.
Диапазон f, ГГц	14/11
Коэффициент усиления антенны G, дБ	Прием	35
	Передача	30
Спектральная плотность мощности S, дБВт/Гц	-53
Коэффициент шума приемника КШ	7,5
Шумовая температура антенны ТА, К	50
КПД АФТ	0,90
Шумовая температура СЛ ТУЛ, К	95

Таблица.3 - Параметры приемных ЗС

Система	E
Координаты	78° в.д. 42° с.ш
Диапазон f, ГГц	14/11
Диаметр антенны DA, м	6
Эффективная полоса частот fш, МГц	36
Коэффициент шума приемника КШ	7,5
Шумовая температура антенны ТА, К	90
КПД АФТ	0,85

Энергетический расчет линии «вверх»

Исходные данные: диапазон частот 14^/11v ГГц.

Параметры передающей земной станции: координата диаметр антенны 10м коэффициент усиления антенны 16,5 дБ; КПДАФТ КС 0,9.

Параметры приемной космической станции: координаты ; коэффициент усиления антенны 35 дБ; коэффициент шума приемника 7,5 дБ; эффективная полоса частот 36 МГц; КПДАФТ ЗС 0,9; шумовая температура антенны 90 К.

Расстояние между передающей (КС) и приемной (ЗС) антеннами

, (1)

где ;

ЗС - широта земной станции;

- разность долгот земной и космической станциями.

Пример. , .

Тогда км.

Ослабление сигнала

, (2)

где d - расстояние между КС и ЗС;

- длина волны.

Пример. ,

.

Дополнительное ослабление на трассе

В дополнительных потерях сигнала учитываются поглощение в атмосфере (осадки) , потери из-за несогласованности поляризации антенн и потери из-за рефракции

, (3)

Пример. .

Суммарная шумовая температура приемного тракта

, (4)

где ТА - шумовая температура приемной антенны;

Т0290 К;

- собственная шумовая температура приемника.

Пример. К,

К.

Коэффициент усиления антенны ЗС

, (5)

где - коэффициент использования поверхности антенны (0,6…0,8);

- диаметр антенны ЗС.

Пример. .

Мощность передатчика КС

,

где fш. - шумовая полоса приемника;

а=6 дБ (3,9) - коэффициент запаса для линии «вверх».

Пример. Коэффициент усиления антенны передатчика (КС) равен 30 дБ (), КПДАФТ для приемной ЗС и КС равен 0,9 дБ (1,23 раз). Тогда подставив в формулу (6) данные, получим

Суммарная мощность шумов на входе приемника

.

Пример. .

Диаграмма уровней мощности сигнала на участках «вверх»

Рисунок 1 - Диаграмма уровней на участке «вверх»

Задача 3

Для определения необходимости координации с какой-либо системой проводится упрощенная оценка возможных взаимных помех между системами, заключающаяся в расчете кажущегося увеличения эквивалентной шумовой температуры спутниковой линии, вызванного помехами, и последующем сравнении полученного значения, выраженного в процентах, с пороговым значением, определенным Регламентом радиосвязи. Важно отметить, что анализируются помехи в обоих направлениях, т.е. помехи как создаваемые заявляемой системой, так и испытываемые ею. Превышения порогового значения приращения эквивалентной шумовой температуры линии в любой из анализируемых систем достаточно для заключения о необходимости координации.

При расчетах приращения эквивалентной шумовой температуры линии необходимо рассмотреть два возможных случая:

1) обе системы совместно используют одну или несколько полос частот, причем направления передачи в совпадающих полосах в обеих системах совпадают;

2) обе системы совместно используют одну или несколько полос частот, причем передача в совпадающих полосах ведется в системах в противоположных направлениях (реверсное использование частот).

Исходные данные: система В влияет на систему E (В>E), частотный диапазон 14^/11v ГГц.

Параметры земной станции В (передача): координаты 52° в.д., 47° с.ш.; диаметр антенны 10 м; спектральная плотность мощности -33 дБВт/Гц.

Параметры земной станции E (прием): координаты 78° в.д., 42° с.ш.; диаметр антенны 6 м.

Параметры космической станции В: координата 101° в.д.; коэффициент усиления антенны 30 дБ; спектральная плотность мощности -53 дБВт/Гц.

Параметры космической станции E: координата 66° в.д.; коэффициент усиления антенны 29 дБ.

Расстояние между земной и космической станциями определяется по формуле (2.1).

Наклонная дальность между ПдЗC В и КС В

.

Наклонная дальность между ПдЗC В и КС E

.

Наклонная дальность между КС E и ПЗС E

.

Наклонная дальность между КС В и ПЗС E

.

Рисунок 3 - Пояснение взаимодействия двух спутниковых систем

Топоцентрический угловой разнос между двумя КС в точке расположения ЗС

,

где d1 - расстояние между КС 1 и ЗС 1, км;

d2 - расстояние между ЗС 1 и КС 2, км;

иg=в1-в2- геоцентрический угловой разнос между спутниками, равный разнице долгот КС 1 и КС 2.

Решение. Топоцентрический угловой разнос между двумя КС в точке расположения ПдЗС B

Коэффициент усиления антенны земной станции в заданном направлении

Для антенн больших размеров при (максимальное усиление ):

,

где - угол между осью антенны и заданным направлением, град.

Для антенн малых размеров при ():

,

где D - диаметр антенны;

л - длина волны.

Для ПдЗС B параметр , угол - угол между направлением на КС B и КС С, т.е , тогда коэффициент усиления .

Увеличение шумовой температуры на выходе приемной антенны системы, подверженной влиянию

,

где S - спектральная плотность мощности, подводимая к передающей антенне мешающей станции;

- коэффициент усиления антенны ЗС в заданном направлении;

- коэффициент усиления антенны космической станции;

- ослабление сигнала на пути распространения (см. формулу 1.10).

Для определения увеличение шумовой температуры на выходе приемной антенны КС С: спектральная плотность мощности мешающей ПдЗС B равна -33 дБВт/Гц; коэффициент усиления антенны ПдЗС B в направлении на КС E равен -7,43 дБ; коэффициент усиления КС E равен 29 дБ:

Заключение

При выборе систем передачи для построения телекоммуникационных сетей пользователи все чаще отдают предпочтение радиорелейным линиям. Радиорелейные системы экономически выгодны, поскольку не требуют прокладки кабельных магистралей и их эксплуатации, быстро разворачиваются и вводятся в строй, обеспечивают надежность передачи информации и ее секретность (отсутствует возможность физического подключения к линии связи для прослушивания), предлагают дистанционный мониторинг и диагностику оборудования, оценку качества передачи.

В процессе выполнения второй части курсовой работы мною был произведен энергетический расчет для линии «вверх» спутниковой системы связи. Было определено расстояние между земной и космической станциями, которое не превышает предельного значения. В результате расчетов мы получили мощность передатчика космической станции. И в дополнении ко всему мы построили диаграмму уровней, т.е. определили уровень сигнала на каждом этапе его прохождения между космической станцией и земной.

Выполняя третью часть курсовой работы, перед нами стояла задача рассчитать необходимость координации двух спутниковых систем связи, работающими в одном частотном диапазоне с ИСЗ на геостационарной орбите. Вычислив относительное приращение эффективной шумовой температуры мы получили значение, не превышающее допустимый предел. Это означает что влияние не значительно, т.е. для нашей проектируемой системы не требуется координация.

Список использованной литературы

1.Радиорелейные и спутниковые системы передачи: Учебник для вузов. Под ред. А.С.Немировского. - М.: Радио и связь, 1986.

2.Спутниковая связь и вещание. Справочник / Под ред.Л.Я.Кантора. - М.: Радио и связь, 1997.

3.Л.Г.Мордухович. Радиорелейные линии связи. Курсовое и дипломное проектирование. - М.: Радио и связь, 1989.

4.Л.Г Мордухович. Системы радиосвязи. Курсовое проектирование.-М.: Радио и связь, 1987.

Размещено на Allbest.ru