Разработка приемо-передающего радиокомплекса

На данный момент диапазон 47.2-48.2 ГГц миллиметровых длин волн является практически неосвоенным из-за сложности разработок. И в то же время, выделяемый в этом диапазоне канал в 300 МГц даёт возможность использования широкополосного сигнала, благодаря чему увеличивается пропускная способность канала и скорость передачи данных.

Этап 1. Расчет потерь на линий 20-30 км.

Изотропный излучатель определяется как излучающий равномерно по всем направлениям. Используя отражатель, изотопный излучатель может концентрировать всю свою энергию в виде узкого луча, который кажется некоторому отдалённому наблюдателю, находящемуся на другом конце луча, изотропным источником со значительно большей выходной мощностью. Таким образом, понятие эффективной изотропно излучаемой мощности (ЭИИМ) используется в качестве меры напряжённости (силы) сигнала, который передаётся спутником на Землю. ЭИИМ измеряется в децибелах относительно одно ватта (дБВт) и достигает наивысшего значения в центре луча. Данная величина уменьшается логарифмически по мере удаления от центра луча. Значение ЭИИМ для любого спутника можно получить из соответствующих карт зоны обслуживания, где указаны контуры с равными значениями ЭИИМ.

Номинальное значение ЭИИМ для спутников средней мощности системы полу-СНВ, таки как системы Astra, составляет 52 дБВт. Спутники высокой мощности системы СНВ (DBS) имеют значение ЭИИМ, превышающее 60 дБВт.

ЭИИМ стратосферной высотной платформы примем равной - 10 дБВт.

Следовательно можно рассчитать такое значение ЭИИМ в ватах каким его «видит» антенна. (его нужно найти) ЭИИМ = 10 log (эффективной мощности) эффективная мощность = 10(ЭИИМ / 10) = 1049 / 10 = 79432,823 Вт = 79,4 кВт

Этап 2. Протяженность линии связи 20-28,284 км.

Протяженность линий связи (см. рис. 3,4 ) составлят:

,

где h - высота ВСП, а r - радиус зоны обслуживания. Оба эти параметры равны 20 км.

l = 28,284 км.

Таким образом, для дальнейших расчетов примем максимальную протяженность равной 30 км. Минимальная = 20 км.

Этап 3. Длина волны

Во многих выражениях для упрощения вычислений вместо частоты чаще используется величина длины волны. Преобразование частоты в длину волны осуществляется следующим образом:

л = с / f ,

где с - скорость света (2,998 х 108 м/c);

f - частота, Гц.

Центральная частота нисходящей линий f_н = 47,35 ГГц , а восходящей f_в = 48,05 ГГц

л_н= 2,998 * 10 ⁸ / 47,35 * 10 ⁹ = 0,00633 м = 6,33 мм

л_в= 2,998 * 10 ⁸ / 48,05 * 10⁹ = 0,00624 м = 6,24 мм

Этап 4. Потери при прохождении сигнала в свободном пространстве

Потери при прохождении сигнала в свободном пространстве LFS, или потери на трассе распространения, выражают ослабление микроволновых сигналов по мере их продвижения к Земле и происходят из-за расходимости луча. Потери на трассе распространения возрастают с увеличением частоты и становятся тем больше, чем ниже угол возвышения антенны (угол места). Выражение для вычисления величины потерь:

Lfs = 20 log [(4000 р D) / л] , дБ (6)

где р = 3,14159 D - длина пути, км; л - длина волны, м.

В центре зоны обслуживания D= 20 км:

Lfs _н= 20 log [(4000 * 3,14 * 20) / 0,00633] = 151,97 дБ

Lfs _в= 20 log [(4000 * 3,14 * 20) / 0,00624] = 152,1 дБ

На краю зоны обслуживания D= 30 км:

Lfs _н= 20 log [(4000 * 3,14 * 30) / 0,00633] = 195,5 дБ

Lfs _в= 20 log [(4000 * 3,14 * 30) / 0,00624] = 195,6 дБ

Этап 5. Определение шумовой температуры приемной системы

Основным выражением, применяемым для определения общей шумовой температуры приёмной системы, является

Тsys = ТLNB + (1 - у) ТC + у ТA (7)

или его эквивалентное выражение, использующее величину затухания:

Тsys = ТLNB + (1 - 10-0,1Аfeed) ТC + 10-0,1Аfeed ТA (8)

где Тsys - общая шумовая температура приемной системы, К;

ТA - эквивалентная шумовая температура антенны либо при условиях ясного неба, либо для заданного процента времени, К;

ТLNB - эквивалентная шумовая температура блока LNB, К;

ТC - физическая температура переходных (волноводных) компонентов, К;

у - частичная проницаемость;

Аfeed - ослабление в облучателе или коэффициент внесенных потерь.

Эквивалентная шумовая температура LNB

Первая составляющая ТLNB в выражениях (7), (8) представляет собой общий фактор шума LNB в виде эквивалентной шумовой температуры, который является главной составляющей в общей шумовой температуре приёмной системы. Если фактор шума выразить как отношение мощностей в децибелах, то он становиться коэффициентом шума. Шумовая характеристика LNB может выражаться как эквивалентная шумовая температура в градусах Кельвина, или чаще как коэффициент шума - в децибелах. В последнем случае для вычисления общей шумовой температуры приемной системы необходимо преобразовать коэффициент шума в эквивалентную шумовую температуру при помощи выражения:

ТLNB = 290 (10(NF / 10) - 1) (9)

где ТLNB - шумовая температура, К; NF - коэффициент шума LNB, дБ.

Как правило, чем выше частота, тем труднее достигнуть низких значений коэффициента шума. Для Ku - диапазона значения коэффициента шума недорогих блоков LNB составляют 1,2 - 1,5 дБ. Низкие значения коэффициентов шума можно получить в случае применения приборов на транзисторах с высокой подвижностью электронов (НЕМТ). Номинальные значения коэффициентов шума в Ku - диапазоне для таких приборов составляют 0,8 - 1,0 дБ.

NF = 0,5 дБ

FLNB = 10 0,7 / 10 = 1,1749

TLNB = 290 * (FLNB - 1) = 290 * 0,1749 = 50,721 К

Эквивалентная шумовая температура антенны

Рассмотрим более подробно эквивалентную шумовую температуру антенны ТА. Она определяется многими факторами - размером антенны, углом возвышения (места), внешними источниками шумов и условиями распространения сигнала в атмосфере. В условиях ясного неба основной шумовой составляющей являются фоновые шумы, поскольку без учета атмосферного влияния на распространение сигнала (дождь и т.п.) эти шумы фактически представляют собой все шумы, поступающие на вход антенны производители часто приводят в виде таблицы для диапазона значений углов места. Он может также включать также относительно небольшую составляющую, вносимую галактическими фоновыми шумами. Существует три главных составляющих общих шумов антенны.

Шумовая температура антенны, обусловлена фоновым шумом (ТANT) - чем меньше диаметр антенны, тем шире её диаграмма направленности и больше разброс боковых лепестков, улавливающих шума теплой земли, и, следовательно, тем больше фонового шума собирается антенной. Кроме того, при более низких значения угла места боковые лепестки (особенно первый боковой лепесток) антенны с меньшими размерами будут улавливать больше фонового шума, чем лепестки антенны с большими размерами. Поэтому при установке для заданного значения угла места антенна с меньшим диаметром будет представляет собой более «шумное» устройство. Поступление фонового шума можно уменьшить, правда за счет уменьшения коэффициента усиления антенны, путём неполного (недостаточного) облучения антенного зеркала. Таким образом, Данный фактор определяет эффективность антенны. Значение фонового шума, детектируемого прямофокусной антенной, будет большим по сравнению с детектируемым офсетной антенной (при условии разных размеров). Это объясняется тем, что головка облучателя, установленная в прямофокусной антенне непосредственно на пути прохождения сигнала, «видит» при температуре, равной температуре Земли, и будет вносить дополнительные шумы.

Поскольку шумовая температура антенны зависит от множества изменяющихся факторов, при отсутствии в документации изготовитея значений необходимых параметров лучше полагаться на их вычисление. Для расчета приближенного значения шумов антенны в условиях ясного неба можно воспользоваться выражением (10), которое учитывает угол места и диаметр антенны.

ТANT = 15 + 30 / D + 180 / EL , К (10)

где D -диаметр антенны, м; EL - угол места антенны, градусы.

Составляющая космических, или галактических шумов, представляет собой фоновый космический шум, величина которого определяется в основном уровнем остаточного излучения от «большого взрыва». Она имеет небольшое значение шумовой температуры (около 2,7 К). Данная составляющая относительно не велика по сравнению с погрешностью вычисления составляющих фонового шума, и может быть опущена при практических расчетах. В любом случае, в зависимости от того, так шумы антенны определяется в документации изготовителя, она может быть введена.

Составляющие условий распространения сигнала в атмосфере - два главных влияния условий распространения сигнала на линии связи вниз. Во-первых, атмосферное газообразное поглощение сигнала водяными парами и кислородом, которое в основном происходит при ясном небе. Величина поглощения зависит от абсолютной влажности или плотности водяных паров, измеряемой в граммах на квадратный метр, от угла места антенны и используемой частоты сигнала. На частотах ниже 7,5 ГГц данная величина имеет относительно небольшое значение. Номинальные значения атмосферного поглощения для Европа приведены на рис. 6.

Рис 6. Ослабление сигнала в воздухе за счет атмосферного кислорода и воды (согласно рекомендации ITU-R P.676-5)

При частоте около 48.5 ГГц затухание составить 0,05 дб/км. Затухание на 20 км составить 1 дб, ра 30 км. составить 1.5 дб.

Конкретные значения для любого задания наклона пути прохождения сигнала и частоты для различных районов Земли можно легко рассчитать при помощи соответствующего программного обеспечения.

Вторая составляющая влияния условий распространения - это затухание сигнала в осадках. При распространении сигнала по линии связи вверх приемник на борту спутника будет «видеть» вполне постоянную, но высокую шумовую температуру, исходящую от теплой Земли. Её величина составляет около 290 К, поэтому дополнительное излучение тепловой энергии от дождя будет оказывать незначительное влияние. При распространении сигнала по линии связи вниз приёмник направлен в небо, имеющее относительно невысокую шумовую температуру. Поэтому дополнительная тепловая шумовая составляющая вносимая дождем уже не будет незначительной в общих шумах приёмной системы, особенно если приемник (LNB) является малошумящим прибором, работающим в Ku- и Ka- диапазоне. В S- и C- диапазонах влияние дождя и поглощения в атмосфере незначительно.

Осадки не только непосредственно ослабляют сигнал (данное явление называется замиранием сигнала в дожде), но и приводят к возрастанию шумовой температуры приемной системы, поскольку температура промежуточной среды приближается к температуре Земли. Важно, чтобы указанное возрастание шумов приемной системы было учтено, причем не только ослабление, вызываемое замиранием в дожде. Сочетание этих двух составляющих называется снижением эффективности линии связи вниз (DND).

Влияние условий распространения сигнала значительным на частотах выше 8 ГГц. Дождь, снег, туман, или облачность ослабляют и рассеивают микроволновый сигнал. Величина ослабления зависит больше от размера водных капель (в кубических единицах по отношению к длине волны), чем от интенсивности осадков. При более сильном дожде капли становятся крупнее, поэтому эти факторы обычно оказываются связанными. Как правило, температура физической среды при всех формах выпадения осадков принимается равной 260 К. В условиях облачности и при ясном небе используется значение 280 К. Конкретные значение для любого заданного пути прохождения сигнала в земном пространстве и доступности сигнала можно вычислить с помощью соответствующей программы. Номинальные значения для Европы при доступности сигнала 99,7% для среднего года (99% для наихудшего месяца) приведены на рис №6.

Рис 7. Уровень затухания сигнала при осадках

При осадках 5 мм/ч. что является средней по республике м частоте связи 48.2 ГГц затухание равняется около 2 дб/км. Затухание на 20 км составить 40 дб, а на 30 км - 60 дб.

Вычисление общей температуры приёмной системы:

TANT = 15 + 30 / D + 180 / EL = 15 + 30 / 0,9 + 180 / (- 15,907) = 15 + 33,33 - 11,315 = 37,015 К

TTOT = TLNB + TANT = 50,721 + 37,015 = 87,736 К

Этап 6. Вычисление полосы частот шумов

NB = 10 log (BW), дБГц

BW - полоса пропускания приемника, Гц.

BW = 30 - 0,5 = 29,5 МГц = 0,0295 * 109 ГГц.

NB = 10 log (0,0295 * 109) = 10 * 7,4698 = 74,698 дБ

Этап 7. Номинальный коэффициент добротности

G / T представляет собой отношение полного коэффициента усиления антенны к общей шумовой температуре приемной системы. Номинальный коэффициент добротности G / Tnom - это максимальный коэффициент, который можно получить для заданного значения угла места. Он содержит полный коэффициент усиления антенны (усиления антенны минус переходные потери), деленный на фактор шумовой температуры антенны, который получен из составляющих эквивалентной шумовой температуры приемника (то есть LNB), переходных шумов встроенных поляризаторов и компонентов волновода (таких, как разделитель поляризации ОМТ) и приведенной шумовой температуры антенны в условиях ясного неба. Математически это выражается с помощью формулы (11). Сюда включены рабочие запасы: запасы на потери антенны из-за рассогласования, старения, возрастания шумов антенны в условиях дождя для заданного процента времени. Это самая высокая величина отношения G / T, дающая возможность качественного сопоставления различных внешних устройств. Чем выше данное отношение, тем лучше будет функционировать приёмная система. По сути G / T - это коэффициент, который оказывает наибольшее влияние на окончательную величину отношения G / N на входе приемника. Как будет видно далее, все другие соответствующие факторы относительно постоянны.

, дБ / К (11)

где G - коэффициент усиления антенны, дБ;

б - переходные потери, дБ, создаваемые компонентами волновода (потери равны отрицательному усилению);

T_SYS - шумовая температура приемной системы в условиях ясного неба, исключая влияние условий распространения сигнала.

Используемый коэффициент добротности

Необходимым для подробного расчета линии связи параметром G / T является используемый (пониженный или минимальный) коэффициент добротности G / Tusable. Он учитывает последующие потери при работе системы из-за ошибок наведения антенны, влияния поляризации, возрастания шумов приёмной системы в условиях осадков для заданного процента времени. Данный коэффициент представляет собой полный коэффициент усиления антенны (усиление антенны минус переходные потери и минус потери при работе системы), делённый на общую шумовую температуру приемной системы. Таким образом, данное отношение G / T характеризует эффективность системы в процессе работы, и именно оно используется при подробном расчете линии связи. Чтобы учесть возрастание шумов приемной системы из-за выпадения осадков для определённого заданного процента времени, к шумовой температуре приемной системы TSYS добавляется дополнительная составляющая шумовой температуры. Математически это выражается следующим образом:

, дБ / К (12)

где G - коэффициент усиления антенны, дБ;

б - переходные потери, создаваемы компонентами волновода (потери равны отрицательному усилению), дБ;

в - потери из-за ошибок поляризации и старения (потери равны отрицательному усилению), дБ;

Tsysrain - приведённая общая шумовая температур приемной системы, которая включает возрастание шумовой температуры в условиях дождя для заданного процента времени, К.

Отношение несущая / шум

Для диапазонов частот Ku и Ka отношение несущая / шум (C / N) на входе приёмной системы определяется следующим образом:

, дБ (13)

где EIRP - эффективная изотропно-излучаемая мощность со спутника в направлении места расположения приемной системы, дБВт;

LFS - потери при распространении сигнала в свободном пространственна участке от Земли до спутника связи, дБ;

G / Tusable - минимально пониженная величина коэффициента добротности приёмной системы, дБ / К;

k - постоянная Больцмана (1,38 х 10-23 Дж / К);

В - полоса пропускания приемника до детектирования промежуточной частоты ПЧ, Гц;

Aatm - ослабление сигнала за счет поглощения в атмосфере, дБ;

Arain - затухание сигнала в осадках для заданного процентного отношения времени, дБ.

Из приведенных выражений можно вывести выражение для G / T, не учитывая ослабления сигнала за счет поглощения, а в атмосфере и не учитывая затухания сигнала в осадках для заданного процентного соотношения.

G / T = C / N - EIRP (ЭИИМ) + BC + NB + Lfs

Где BC = 10 log (постоянная Больцмана) = - 228,6 дБДж / К

G / T = 11 - 49 - 228,6 + 74,698 + 206,75 = 14,848 дБ

Этап 8. Коэффициент усиления антенны

Коэффициент усиления антенны (Ga) возрастает с увеличением действующего размера антенны, который учитывает её эффективность (р) и выражается следующей формулой:

, дБ (14)

где d - диаметр антенны, м;

р - процент (обычно 60 - 80%);

л - длина волны, м;

Ga = 10 log [10GT/10 * TTOT] , дБ

Ga = 10 log (1014,848 /10 * 87,736) = 34,27978 дБ

Этап 8. Вычисление диаметра антенны

Диаметр антенны выведем из формулы коэффициента усиления антенны.

, дБ (15)

(16)

10 л 1034,27878 / 10

d = 0,0799 * 6,68134 = 0,534 м

р 65

Отношение сигнал / шум

В системе DVB (стандарт вещания цифрового телевидения) применяется фазовая модуляция, которая по своим свойствам близка к ЧМ. Поэтому параметры, которые относятся к аналоговым ЧМ сигналам, действительны и для расчетов линии связи цифровых систем за одним исключением. Точно так же, как отношение S / N служит показателем качества принимаемого в аналоговых ЧМ сигналах, отношение Eb / N0, при котором достигается определённая величина BER, является эквивалентом отношения S / N для цифровых систем. Соотношение между C / N и Eb / N0, выраженное в дБ, определяется следующей формулой:

Eb / N0 = C / N + 10 log (1 / R) + 10 log B, дБ (17)

Где Eb / N0,- отношение количества энергии в бите, Дж, к плотности потока мощности шумов, Вт / Гц.

R - скорость передачи информации бит / c

В - передаваемая полоса частот, Гц

С/N - отношение несущая / шум в полосе частот B, дБ.

Характерной чертой практических цифровых систем является следующее: для данного отношения скорости передачи бита информации к полосе пропускания канала существует отношение сигнал / шум (Eb / N0), выше которого возможен прием сигнала без ошибок и ниже которого прием не возможен. В отличие от аналоговых сигналов, которые постепенно ухудшаются под воздействием шумов, цифровые системы относительно не подвержены влиянию шумов вплоть до того момента, когда система коррекции ошибок уже не может действовать эффективно. В результате происходит резкое ухудшение или «крушение» системы. Это свойство цифровых систем устраняет необходимость градаций качества принимаемого изображения. Качество изображения относительно не пострадает, если суммарный ухудшенный уровень отношения Eb / N0 выше, чем некоторый требуемый уровень, соответствующий приемлемой «внутренней» вероятности появления ошибочных битов (Р) или определённой величине BER. BER - это отношение числа битов информации принятых ошибочно к общему числу битов, переданных в секунду.

Взаимоотношение между P и Eb / N0 зависит от конкретных особенностей выбранного метода цифровой модуляции, поэтому операторы спутниковой связи обычно определяют минимальный требуемый уровень отношения Eb / N0. Значения, составляющие около 8 дБ, являются типичными для большинства телепрограмм DVB.

Таблица № 3 Сравнение методов цифровой модуляции для BER, равной 10-10

Eb / N0 = C / N + 10 log (1 / R) + 10 log B = 11 + 10 log(1 / 27500000) + 10 log 36 * 106 = 11 - 74,39 + 75,56 = 12,17 дБ

Дополнительно необходимо измерить, чтобы уровень выходного сигнала LNB составлял не менее 78,5 дБмкВ.

Поглощение сигнала в атмосфере = 0,14 дБ

Затухание сигнала в осадках = 0,9 дБ

Возрастание шумов из-за дождя = 1,13 дБ

Снижение эффективности линии связи вниз = 2,04 дБ

Этап 9. Возрастание шумов из-за выпадения осадков и поглощения в атмосфере

В условиях ясного неба единственной причиной ослабления сигнала на линии связи между спутником и земной станцией остаётся поглощение сигнала в атмосфере (Аatm) кислородом и парами воды. В условиях дождя ослабление сигнала будет определяться сочетанием двух факторов - поглощением газами атмосферы Аatm и затуханием в дожде Аrain (выраженном в децибелах). Общим следствием этого является возрастание эквивалентной шумовой температуры антенны Та при работе на частотах выше 8 ГГц. Для S- и C- диапазонов при расчетах нет необходимости учитывать данные факторы, поскольку их влияние существенно возрастает, особенно принимая во внимание получаемые в настоящее время низкие значения шумовой температуры приемных систем. Даже при условии ясного неба к эквивалентной шумовой температуре антенны Та следует добавить поправку на увеличение температуры из-за поглощения в атмосфере. Для вычисления данной величины можно воспользоваться выражением (6). В условиях дождя величина дополнительного возрастания шумовой температуры может быть вычислена при помощи выражения (7), которое учитывает влияние статических значений интенсивности выпадения осадков. Значения Аatm и Аrain для Европа можно получить, используя рис. №5 и №6. Для вычисления более точных значений стоит воспользоваться соответствующими программами.

, К (18)

,К (19)

где,

Тm - физическая температура среды (260 К для условий дождя, 280 К для ясного неба или облачности);

Тg - космическая, или галактическая шумовая температура (номинальное значение 2,7 К на частотах ? 4 ГГц);

Аatm - ослабление сигнала из-за поглощения глазами атмосферы, дБ;

Аrian - затухание сигнала в осадках для заданного процента времени, дБ.

Добавление либо Тclear sky , либо Тrain к эквивалентной шумовой температуре антенны ТА и её пересечет с использованием выражения (10) даст в результате приведённую величину общей шумовой температуры приёмной системы Тsys , которая учитывает ослабление сигнала газами атмосферы и (или) осадками.

Для вычисления возрастания шумов в соответствии с заданной величиной замираний сигнала в дожде, выраженной как отношение мощности в децибелах, следует воспользоваться следующей формулой:

Возрастание шумов (из-за дождя) = , дБ (20)

где - TSYSrain - шумовая температура приемной системы в условиях дождя для определённого процента времени среднего года, К;

TSYS clear sky - шумовая температура приёмной системы, рассчитанная для условий ясного неба с учётом поглощения сигнала газами атмосферы, К.

Снижение эффективности линии связи вниз, которое происходит при заданном замирании сигнала в дожде, выражается следующей формулой:

, дБ (21)

Возрастание шумов в соответствии с величиной замираний сигнала в дожде 0,83 дБ вычисляется во формуле (18) или по второй формуле (19). Оно равно 0,74 дБ Необходимо отметить, что, хотя величина замираний сигнала в дожде составляет 0,83 дБ, соответствующее снижение эффективности на линии связи вниз значительно выше из-за возрастающего детектирования шумов.

Этап 10. Эффективная площадь антенны

АЕ = 10 log (р (D / 2)2 h ) , дБ м2

АЕ = 10 log (3,14 * (0,534 / 2)2 * 0,7) = - 8,0495 дБ

Где h = p / 100

Этап 11. Вычисление мощности сигнала несущей

С = С / N - Ls + АЕ + GLNB - Аrain - Аatm - б - в дБВт

С = С / N - Ls + АЕ + GLNB - Аrain - Аatm - б - в = 49 - 163,76 - 8,0495 +

55 - 0,14 - 0,2 - 0,3 = - 68,45 дБ

Этап 12. Вычисление уровня выходного блока LNB

V = v ( 100,1C * R)

R - входное сопротивление системы = 75 Ом

V = v ( 100,1C * R) = 10,716 * 10-3 В

Этап 13. Вычисление уровня выходного сигнала

Уровень сигнала = 20 log (V / 10-6) = 80,6 дБмкВ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящее время во многих странах мира наблюдается интенсивное использование радиосвязи СВЧ диапазона в различных целях. Данный диапазон используется для передачи спутниковой информации, а именно спутникового телевидения и интернета.

Интенсивное использование радиосредств СВЧ диапазона обусловлено следующими его преимуществами:

- оперативность установления прямой связи на большие расстояния;

- простоту организации радиосвязи с подвижными объектами;

- возможность обеспечения связи через большие труднодоступные пространства;

- высокую мобильность;

- низкую стоимость оборудования;

- простоту и оперативность развертывания поста;

Но кроме достоинств данный диапазон обладает следующими, характерными ему недостатками:

- резкое изменение уровня сигнала при неблагоприятных условиях (при дожде и снеге);

- при мобильном использовании поста - трудность настройки на сигнал;

Таким образом, средства связи СВЧ диапазона являются достаточно мобильными и дешевыми по сравнению с другими. Однако каналы связи являются общедоступными и обеспечение связи в этом диапазоне с заданной надежностью очень зависит от погодных явлений, что приводит к необходимости перенастройки на сигнал, а в некоторых случаях прекращение связи. Формирование сигналов, передаваемых в СВЧ диапазоне, производится по алгоритмам, заложенным аппаратно, либо программно, в применяемые радиосредства.



Рис. Расчет потерь в свободном пространстве.

На рис. приведены расчеты потерь в ближней зоне при дальности связи от 20 до 30 км. Эти расчеты показывают что выделенная частота в 47 ГГц для стратосферной связи имеют большие потери по сравнению с существующими системами связи даже на расстояниях ближней зоны в несколько десятков км. Поэтому в данном рисунке приведены расчеты существующих систем связи от 450 МГц до 5.8 ГГц.

Анализ показывает что для связи на стратосферных дирижаблях для ближней зоны наиболее подходящим является частота в 900 МГц. Во - первых дальность связи составляет около 35 км и во -вторых отработанны технологии 4G.

Ниже в таблице приведены окончательные результаты расчетов на частоте 900 МГц. Восходящий канал - 890-915 МГц и нисходящий канал 935-960

Таблица 13-13 - Энергетический потенциал каналов связи стратосферной высотной платформы

Параметр	Обозначение	Единица измерения	Источник значения параметра	Линия «вверх»	Линия «вниз»
Несущая частота	f	МГц	Исходные данные для проектирования	915	960
Выходная мощность передатчика	P	Вт	Исходные данные для проектирования	1	100
Выходная мощность передатчика	P	дБВт	10 lg (P)	0.0	20.0
Потери мощности в линии от передатчика до антенны	L l	дБ	Исходные данные для проектирования	-1	-1
Ширина диаграммы направленности передающей антенны	t	градус	Исходные данные для проектирования	140.0	90.0
Максимальный коэффициент усиления передающей антенны	G pt	дБ		6	42
Диаметр передающей антенны	D t	м	Уравнение 13-17	0,05	6
Коэффициент усиления передающей антенны	G t	дБ	G pt + L pt	6	42
Эквивалентная изотропно излучаемая мощность	EIRP	дБВт	P + L l + G t
Длина трассы распространения радиосигнала	S	м	Исходные данные для проектирования	30000	30000
Потери мощности в космическом пространстве	L s	дБ	Уравнение 13-21	122	122
Потери мощности на трассе распространения сигнала и поляризационные потери	L а	дБ	Рисунок 13-10	-0.5	-0.5
Диаметр приемной антенны	D r	м	Исходные данные для проектирования	6	0,05
Максимальный коэффициент усиления приемной антенны	G rp	дБ	Уравнение 13-16
Ширина диаграммы направленности приемной антенны	r	градус	Уравнение 13-17	150.0	1.8
Коэффициент усиления приемной антенны	G r	дБ	G rp + L pr	-1.9	39.0
Шумовая температура приемной подсистемы канала связи	T s	К	Таблица 13-9
Энергетический запас канала связи	-	дБ	(1) - (2) + (3)	27.7	6.0

Выбор мощности бортового передатчика космического аппарата, исходя из характеристик аппарата и возможностей по выделению потребляемой мощности для бортовой подсистемы связи.

Оценка потерь высокочастотной мощности в линиях между передатчиком и бортовыми антеннами космического аппарата (обычно эти потери составляют от _1 дБ до -3 дБ).

Определение, в соответствии с рекомендациями, приведенными в Главе 7, требуемой ширины диаграммы направленности бортовой передающей антенны космического аппарата, исходя из параметров его орбиты, точности стабилизации и размеров зоны обслуживания на поверхности Земли.

Оценка максимального угла между осью диаграммы направленности передающей антенны и линией визирования приемника, исходя из углового размера зоны обслуживания, погрешностей стабилизации космического аппарата и точности поддержания параметров его рабочей орбиты.

Расчет коэффициента усиления бортовой передающей антенны космического аппарата в направлении наземной станции с использованием уравнений 13-18 и 13-19. На данном этапе мы можем также проверить диаметр бортовой передающей антенны, используя для этого уравнение 13-17, чтобы убедиться, может ли такая антенна быть размещена на борту космического аппарата.

Расчет потерь мощности в космическом пространстве, используя уравнение 13_21. Величина указанных потерь определяется параметрами орбиты космического аппарата и местом расположения наземной станции.

Оценка потерь мощности на трассе распространения сигнала, связанных с поглощением радиоволн в атмосфере. Для этого используется уравнение 13-10, а зенитное ослабление сигнала делится на синус минимально угла возвышения линии визирования космического аппарата с наземной станции над плоскостью местного горизонта (обычно этот угол принимается равным 10 градусам). Потери на поглощение радиоволн в дожде учитываются позднее. Мы также можем добавить 0.3 дБ для учета несогласованности поляризации. Использование защитного обтекателя антенны наземной станции увеличивает потери мощности на трассе распространения сигнала, связанных с поглощением радиоволн в атмосфере, еще на 1 дБ.

Выбор диаметра антенны наземной станции и оценка погрешности ее наведения на космический аппарат. Если используется режим автосопровождения, погрешность наведения можно принять равной 10% от ширины диаграммы направленности антенны наземной станции, которая вычисляется в соответствии с уравнением 13-17.

Расчет коэффициента усиления приемной антенны наземной станции в направлении на космический аппарат. Для космического аппарата FireSat мы будем использовать коэффициент полезного действия антенны, , равный 0.55.

Оценка шумовой температуры приемной системы наземной станции для условий ясной погоды в соответствии с данными таблицы 13-10.

Расчет величины отношения принятой энергии сигнала, приходящейся на один бит данных, к спектральной плотности шума, E_b /N_o, для заданной скорости передачи данных. Для этого нужно воспользоваться уравнением 13-12.

Расчет величины отношения принятой энергии сигнала, приходящейся на один бит данных, к спектральной плотности шума, для достижения заданной скорости передачи данных с учетом выбранного вида модуляции и технологии кодирования сигнала. Для этого нужно воспользоваться рисунком 13-9. Для космического аппарата FireSat мы будем использовать двухпозиционную фазовую манипуляцию на линии «вниз» и сочетание двухпозиционной фазовой манипуляции поднесущей с фазовой модуляцией несущей частоты на линии «вверх» - см. таблицу 13-11.

Добавление 1 дБ или 2 дБ к теоретическому значению величины отношения принятой энергии сигнала, приходящейся на один бит данных, к спектральной плотности шума для учета потерь на аппаратурную реализацию канала связи.

Расчет энергетического запаса канала связи как разности между ожидаемым и требуемым значением величины отношения принятой энергии сигнала, приходящейся на один бит данных плюс величина потерь на аппаратурную реализацию канала связи.

Оценка уменьшения определенного выше энергетического запаса канала связи, обусловленного потерями на затухание радиоволн в дожде, используя рисунок 13-11 и уравнение 13-25.

Корректировка и согласование исходных данных для проектирования и повторное проведение расчета энергетического запаса канала связи. Итерации необходимо повторять до тех пор, пока запас не будет, по крайней мере, на 3 дБ больше, чем ожидаемые потери на затухание радиоволн в дожде, в зависимости от степени нашей уверенности в оценках параметров запаса.

Выбор мощности бортового передатчика космического аппарата, исходя из характеристик аппарата и возможностей по выделению потребляемой мощности для бортовой подсистемы связи.

Оценка потерь высокочастотной мощности в линиях между передатчиком и бортовыми антеннами космического аппарата (обычно эти потери составляют от _1 дБ до -3 дБ).

Определение, в соответствии с рекомендациями, приведенными в Главе 7, требуемой ширины диаграммы направленности бортовой передающей антенны космического аппарата, исходя из параметров его орбиты, точности стабилизации и размеров зоны обслуживания на поверхности Земли.

Оценка максимального угла между осью диаграммы направленности передающей антенны и линией визирования приемника, исходя из углового размера зоны обслуживания, погрешностей стабилизации космического аппарата и точности поддержания параметров его рабочей орбиты.

Расчет коэффициента усиления бортовой передающей антенны космического аппарата в направлении наземной станции с использованием уравнений 13-18 и 13-19. На данном этапе мы можем также проверить диаметр бортовой передающей антенны, используя для этого уравнение 13-17, чтобы убедиться, может ли такая антенна быть размещена на борту космического аппарата.

Расчет потерь мощности в космическом пространстве, используя уравнение 13_21. Величина указанных потерь определяется параметрами орбиты космического аппарата и местом расположения наземной станции.

Оценка потерь мощности на трассе распространения сигнала, связанных с поглощением радиоволн в атмосфере. Для этого используется уравнение 13-10, а зенитное ослабление сигнала делится на синус минимально угла возвышения линии визирования космического аппарата с наземной станции над плоскостью местного горизонта (обычно этот угол принимается равным 10 градусам). Потери на поглощение радиоволн в дожде учитываются позднее. Мы также можем добавить 0.3 дБ для учета несогласованности поляризации. Использование защитного обтекателя антенны наземной станции увеличивает потери мощности на трассе распространения сигнала, связанных с поглощением радиоволн в атмосфере, еще на 1 дБ.

Выбор диаметра антенны наземной станции и оценка погрешности ее наведения на космический аппарат. Если используется режим автосопровождения, погрешность наведения можно принять равной 10% от ширины диаграммы направленности антенны наземной станции, которая вычисляется в соответствии с уравнением 13-17.

Расчет коэффициента усиления приемной антенны наземной станции в направлении на космический аппарат. Для космического аппарата FireSat мы будем использовать коэффициент полезного действия антенны, , равный 0.55.

Оценка шумовой температуры приемной системы наземной станции для условий ясной погоды в соответствии с данными таблицы 13-10.

Расчет величины отношения принятой энергии сигнала, приходящейся на один бит данных, к спектральной плотности шума, E_b /N_o, для заданной скорости передачи данных. Для этого нужно воспользоваться уравнением 13-12.

Расчет величины отношения принятой энергии сигнала, приходящейся на один бит данных, к спектральной плотности шума, для достижения заданной скорости передачи данных с учетом выбранного вида модуляции и технологии кодирования сигнала. Для этого нужно воспользоваться рисунком 13-9. Для космического аппарата FireSat мы будем использовать двухпозиционную фазовую манипуляцию на линии «вниз» и сочетание двухпозиционной фазовой манипуляции поднесущей с фазовой модуляцией несущей частоты на линии «вверх» - см. таблицу 13-11.

Добавление 1 дБ или 2 дБ к теоретическому значению величины отношения принятой энергии сигнала, приходящейся на один бит данных, к спектральной плотности шума для учета потерь на аппаратурную реализацию канала связи.

Расчет энергетического запаса канала связи как разности между ожидаемым и требуемым значением величины отношения принятой энергии сигнала, приходящейся на один бит данных плюс величина потерь на аппаратурную реализацию канала связи.

Оценка уменьшения определенного выше энергетического запаса канала связи, обусловленного потерями на затухание радиоволн в дожде, используя рисунок 13-11 и уравнение 13-25.

Корректировка и согласование исходных данных для проектирования и повторное проведение расчета энергетического запаса канала связи. Итерации необходимо повторять до тех пор, пока запас не будет, по крайней мере, на 3 дБ больше, чем ожидаемые потери на затухание радиоволн в дожде, в зависимости от степени нашей уверенности в оценках параметров запаса.

1.3. СВЧ тракт высотной стратосферной платформы

Структура СВЧ тракта

Принятый спутниковой антенной сигнал фокусируется в одну точку. Эту точку называют фокусной точкой или фокусом параболической антенны. Именно в нее и устанавливают приемник сигнала - принимающую головку.

В зависимости от типа крепления принимающие головки делятся на три группы:

· для прямофокусных антенн - головки с прямофокусным облучателем (рис. 1.7);

· для офсетных антенн - головки с офсетным облучателем (рис. 1.8);

· фланцевые головки, к которым присоединяется отдельный облучатель под любой тип антенн (рис. 1.9).

В приемном тракте между приемной антенной и кабелем снижения существуют три основных звена, объединенных в принимающую головку (рис. 1.10): облучатель; поляризатор; конвертер. В ряде случаев в эту цепочку включается деполяризатор. Рассмотрим их последовательно.

Комбинированный вариант, как правило, встречается с офсетным облучателем. Это связано с тем, что подобные конструкции ориентированы на использование в индивидуальных системах с небольшими офсетными антеннами.

Конвертеры ранее выпускались как отдельно (заканчивается прямоугольным фланцем), так и со встроенным поляризатором (заканчивается круглым фланцем).

Но сейчас эти устройства монтируются с конвертером в единую конструкцию (заканчивается облучателем) и размещаются в фокусе антенны. В этом случае получается принимающая головка.

1.4. Облучатель

Устройство и принцип действия

Облучатель - слабонаправленная антенна, которая установлена в фокусе параболического отражателя, призванная передать принятую антенной энергию по волноводу к конвертеру.

Облучатель устанавливается до конвертера для более полного использования поверхности зеркала и реализации максимального коэффициента усиления антенны (рис. 1.11). Пример упрощенного облучателя С-диапазона приведен на рис. 1.12.

Рассмотрим принцип действия облучателя. Отраженный параболической антенной сигнал идет на облучатель. В его конструкции предусмотрены три металлических кольца для лучшей фокусировки электромагнитных волн и обеспечения более узкой диаграммы направленности антенны.

Облучателями параболических антенн служат слабонаправленные антенны:

· рупоры;

· щелевые антенны;

· спирали;

· диэлектрические антенны и др.

К облучателю предъявляются определенные требования:

· диаграмма направленности должна быть симметричной относительно оси и без боковых лепестков;

· облучатель не должен сильно затенять параболическую антенну, так как это приводит к искажению ее диаграммы направленности и к снижению коэффициента использования поверхности параболоида вращения.

Наиболее простыми являются облучатели в виде открытого конца волновода прямоугольного или круглого сечения (рис. 1.11).

Волновод круглого сечения в большей степени удовлетворяет требованиям, предъявляемым к облучателям антенных систем, - диаграмма направленности симметрична относительно оси, в отличие от пирамидального (прямоугольного).

Существуют головки, принимающие оба диапазона (рис. 1.14). Благодаря оригинальной конструкции совмещенного облучателя C- и Ku-диапазонов появляется возможность установки двух конвертеров С-диапазона (3.4-4.2 ГГц) и двух конвертеров Ku-диапазона.

Обратите внимание на оригинальное исполнение узла совмещенного приема C- и Ku-диапазонов (рис. 1.15.). Кроме типового волновода С-диапазона производитель установил внутрь данного конвертера полую трубку, заканчивающуюся конусообразным окончанием.

Главная особенность данного конуса - усиленное преломление сигналов Ku-диапазона. Благодаря такому инженерному решению улучшается качество приема сигналов Ku-диапазона.

Подобное решение также встречается и в других типах приемных конвертеров (рис. 1.16).

В зависимости от типа антенн принимающие головки делятся на три группы:

· для прямофокусных антенн - конвертеры с интегрированным прямофокусным облучателем;

· для офсетных антенн - конвертеры с интегрированным офсетным облучателем;

· фланцевые конвертеры, к которым присоединяется отдельный облучатель под любой тип антенн).

Соотношение фокусного расстояния к диаметру антенны

Важен не только тип антенны - офсетная или прямофокусная, но и такой параметр, как соотношение фокусного расстояния к диаметру антенны (F/D):

· у офсетных антенн параметр F/D составляет 0.6-0.8, для них выпускаются два типа облучателей с соотношением F/D 0.6-0.7 и 0.7-0.8;

· у прямофокусных антенн параметр F/D составляет 0.3-0.5, для них выпускаются облучатели, подстраиваемые под конкретное соотношение F/D.

Разница между конвертерами «для офсета» и «для прямофокуса» кроется в облучателе. Для офсетной антенны он имеет, как правило, форму ступенчатого рупора (рис. 1.17), а для «прямофокуса», чаще встречается т. н. «блин с кольцами» (рис. 1.18). Могут быть совмещенные облучатели для двух диапазонов (рис. 1.19). Последний предоставляет возможность установки двух конвертеров С-диапазона (3.4-4.2 ГГц) и двух конвертеров Ku-диапазона. Производятся компанией LANS.

Для понимания влияния значений F/D на геометрические размеры приемной антенны необходимо дать следующие расчеты:

· при размере рефлектора антенны 100 см;

· при F/D=1 фокусное расстояние также будет равно 100 см!

Также необходимо учитывать, что максимальное качество приема можно достичь лишь при совпадении фокуса антенны и угла раскрытия облучателя. При несовпадении типов спутниковой антенны и конвертера возможно ухудшение приема сигнала вплоть до полного прекращения (рис. 1.20).

Это накладывает определенные требования на монтаж и эксплуатацию всей конструкции в целом. Следовательно, при уменьшении значения F/D фокусное расстояние также уменьшается.

Параболические антенны

Апертура - это часть плоскости, ограниченная кромкой параболоида вращения.

Выбор параметра параболы определяет глубину параболоида, т. е. расстояние между вершиной и фокусом. При одинаковом диаметре апертуры короткофокусные параболоиды обладают большой глубиной, что делает крайне неудобным установку облучателя в фокусе. Кроме того, в короткофокусных параболоидах расстояние от облучателя до вершины зеркала значительно меньше, чем до его краев, что приводит к неравномерности амплитуд у облучателя для волн, отразившихся от кромки параболоида и от зоны, близкой к вершине.

Длиннофокусные параболоиды имеют меньшую глубину, установка облучателя является более удобной и амплитудное распределение становится более равномерным. Так, при диаметре апертуры 1,2 м и параметре 200 мм глубина параболоида равна 900 мм, а при параметре 750 мм - всего 240 мм. Если параметр превышает радиус апертуры, фокус, в котором должен находиться облучатель, располагается вне объема, ограниченного параболоидом и апертурой. Оптимальным считается вариант, когда параметр несколько больше, чем радиус апертуры.

Антенна - единственный усиливающий элемент приемной системы, который не вносит собственных шумов и не ухудшает сигнал, а следовательно, и изображение. Антенны с зеркалом в виде параболоида вращения делятся на два основных класса: симметричный параболический рефлектор и асимметричный (рис. 6.4, 6.5). Первый тип антенн принято называть прямофокусными, второй - офсетными.

Для антенн особое значение имеют характеристики направленности. Благодаря возможности использовать антенны с высокой пространственной избирательностью осуществляется прием спутникового телевидения. Важнейшими характеристиками антенн являются коэффициент усиления и диаграмма направленности.

Коэффициент усиления параболической антенны зависит от диаметра параболоида: чем больше диаметр зеркала, тем выше коэффициент усиления.

Зависимость коэффициента усиления параболической антенны от диаметра приведена ниже.

Таким образом, антенный параболоид, строго говоря, не является антенной в ее понимании преобразования напряженности электромагнитного поля в напряжение сигнала. Параболоид - это лишь отражатель радиоволн, концентрирующий их в фокусе, куда и должна быть помешена активная антенна (облучатель).

Диаграмма направленности антенны (рис. 6.8) характеризует зависимость амплитуды напряженности электрического поля Е, создаваемого в некоторой точке, от направления на эту точку. При этом расстояние от антенны до данной точки остается постоянным.

Увеличение коэффициента усиления антенны влечет за собой сужение главного лепестка диаграммы направленности, а сужение его до величины менее 1° приводит к необходимости снабжать антенну системой слежения, так как геостационарные спутники совершают колебания вокруг своего стационарного положения на орбите. Увеличение ширины диаграммы направленности приводит к снижению коэффициента усиления, а значит, и к уменьшению мощности сигнала на входе приемника. Исходя из этого, оптимальной шириной главного лепестка диаграммы направленности яв-

ляется ширина в 1...2° при условии, что передающая антенна спутника удерживается на орбите с точностью ±0,1°.

Наличие боковых лепестков в диаграмме направленности также снижает коэффициент усиления антенны и повышает возможность приема помех. Во многом ширина и конфигурация диаграммы направленности зависят от формы и диаметра зеркала принимающей антенны.

	l	d	L в дб
1	0,00633	20	151,972
2	0,00633	21	152,396
3	0,00633	22	152,800
4	0,00633	23	153,186
5	0,00633	24	153,556
6	0,00633	25	153,911
7	0,00633	26	154,251
8	0,00633	27	154,579
9	0,00633	28	154,895
10	0,00633	29	155,200
11	0,00633	30	155,494
12	0,00624	20	152,097
13	0,00624	21	152,520
14	0,00624	22	152,925
15	0,00624	23	153,311
16	0,00624	24	153,680
17	0,00624	25	154,035
18	0,00624	26	154,376
19	0,00624	27	154,703
20	0,00624	28	155,019
21	0,00624	29	155,324
22	0,00624	30	155,619
	Lfs = 20 log [(4000 р D) / л] , дБ (6)

Исходные данные:

- С-диапазон принимаемых частот;

- ширина полосы частот потока данных: МГц;

- диаметр приёмной антенны земной станции м;

Необходимо:

а) определить величину мощности сигнала на входе приёмника земной станции;

б) определить коэффициент шума приёмника;

в) определить чувствительность приёмника.

Определим значений плотности потока мощности ЭМВ, создаваемой у поверхности Земли:

где - ЭИИМ, выраженная в Вт;

Вт

- расстояние между земной станцией и ИСЗ, м.

Плотность энергии ЭМВ у поверхности Земли составит:

Мощность сигнала на входе приёмного тракта (выходе антенны) составляет:

где - эффективная площадь приёмной антенны, м² ;

- геометрическая площадь раскрыва антенны, м²;

- коэффициент использования поверхности. Обычно = 0,5…0,75. Зададим =0,7.

Геометрическая площадь раскрыва антенны диаметром м составит:

; м²

Эффективная площадь приёмной антенны земной станции будет равна:

м²

Таким образом, мощность сигнала на входе приёмного тракта составит:

пВт или дБВт.

Задача 1. Расчет нисходяшего канала

Задано:

Чувствительность приемника на земле - 94 дБВт

Площадь антенны - 10 см² = 1*10^-3 м ²

Расстояние - 20-30км = 2*10⁴ - 3* 10⁴ м.

W= 3,98*10^-11 Вт /0,0006 =6,6355*10^-8Вт/м*м

=0,001*0,6=0,0006

=6,6355*10^-8*12,56*400000000*1,5=500 Вт

=3,325*10^-9*12,56*900000000*1,5=1125 Вт

Задача 2. Расчет восходящего канала

1. Мощность передатчика - 2 Вт.

2. Чувствительность приемника дирижабля - 104 дБВт = 3,98*10^-11 Вт

3. Расстояние - 20-30км = 2*10⁴ - 3* 10⁴ м.

=2/(12,56*400000000*1,5)=2,65*10^-10 Вт/м*м

=2,65*10^-10*60=1,6*10^-8 Вт= - 155,96 дБ

= 3,98*10^-11 Вт/2,65*10^-10 Вт/м*м=

Размещено на Аllbest.ru