Расчёт основных проектных параметров спутниковых систем связи

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Задание на курсовой проект и исходные данные

Рассчитать основные проектные параметры системы передачи информации с космического аппарата на сеть наземных станций. Передача информации должна осуществляться одновременно на все наземные станции в подспутниковой зоне видимости. Система должна обладать следующими техническими характеристиками:

· скорость передачи информации - 10 Мбит/с;

· средняя вероятность ошибки на бит - не более ;

· орбита - круговая, высота - 300 км;

· диаграмма направленности передающей антенны должна обеспечивать равную плотность потока мощности сигнала в каждой точке подспутниковой зоны (зоны радиовидимости);

· диапазон частот - 7-8 ГГц (выбрать по PC);

· длина фидерного тракта (борт) - 1,5 м;

· длина фидерного тракта (земля) - 4,5 м;

· рабочие углы места системы - более ;

· эквивалентная шумовая температура приемного тракта - определить самостоятельно;

Выбрать и обосновать модуляции, необходимость применения, вид и эффективность кодирования.

2. Выбор модуляции

Особенностью спутниковых систем связи является необходимость работать в условиях сравнительно низкого отношения сигнал/шум, вызванного несколькими факторами:

· Значительной удаленностью приемника от передатчика;

· Ограниченной мощностью спутника (невозможностью вести передачу на большой мощности).

В связи с этим спутниковая связь плохо подходит для передачи аналоговых сигналов. Поэтому для передачи речи её предварительно оцифровывают, используя, например, импульсно-кодовую модуляцию (ИКМ). Для передачи цифровых данных по спутниковому каналу связи они должны быть сначала преобразованы в радиосигнал, занимающий определенный частотный диапазон.

Для этого применяется модуляция (цифровая модуляция называется также манипуляцией). Наиболее распространенными видами цифровой модуляции для приложений спутниковой связи являются фазовая манипуляция и квадратурная амплитудная модуляция.

Например, в системах стандарта DVB-S2 применяются QPSK, 8-PSK, 16-PSK

Модуляция производится на земной станции. Модулированный сигнал усиливается, переносится на нужную частоту и поступает на передающую антенну. Спутник принимает сигнал, усиливает, иногда регенерирует, переносит на другую частоту и с помощью определённой передающей антенны транслирует на землю. Из-за низкой мощности сигнала возникает необходимость в системах исправления ошибок.

Произведем сравнение QPSK (квадратурно-фазовой модуляции), 8-PSK (восьмипозиционной фазовой модуляции) и 16-APSK на вероятность битовой ошибки от отношения сигнал/шум.



Рис. 1. Зависимость вероятности битовой ошибки от Eb/N0

Сравнение данных видов модуляции показало, что самым оптимальным видом является простая квадратурно-фазовая модуляция (QPSK), так как занимаемая ей полоса минимальна (Ткс=2Тс) и требуемые показатели сигнал/шум также являются минимальными. Исходя из всего этого, можно сделать вывод, что для коэффициента побитовых ошибок 10-6 при модуляции типа QPSK отношение сигнал/шум примерно равно 10,5 дБ.

При пересчете в разы получим:

Рис. 2. Отображение возможных положений фазы сигнала на комплексной плоскости при QPSK модуляции.

3. Определение необходимой полосы частот

Необходимая ширина полосы частот (НШП) - это ширина полосы частот, которая достаточна при данном классе излучения для обеспечения передачи сообщений с необходимой скоростью и качеством при определённых условиях. Полоса частот по Найквисту, необходимая для передачи сигнала при отсутствии межсимвольной интерференции равна:

;

Где - длительность канального импульса

Так как в нашем случае при QPSK модуляции Ткс=2Тс, то необходимая ширина полосы частот равна:

Таким образом, получили, что НШП равна скорости передачи информации.

4. Выбор конкретной полосы частот

В соответствии с Регламентом Связи выберем диапазон частот, в котором будет работать проектируемая система. По заданию этот диапазон должен находиться в пределах 7-8 ГГц. Возьмём диапазон, в который укладывается рассчитанная НШП, равный 8,200 - 8,300 ГГц. Этот диапазон предназначен для метеорологической спутниковой («космос - Земля»), фиксированной, фиксированной спутниковой (Земля-космос) и подвижной связи.

Данное излучение имеет обозначение: 10M0GODDN

Где 10M0 соответствуют НШП, т.е. 10,00 МГц.

G - тип модуляции основной несущей: излучение при котором основная несущая имеет угловую фазовую модуляцию, O - характер сигнала(ов), модулирующего основную несущую: отсутствие модулирующего сигнала, D - тип передаваемой информации: передача данных, телеметрия, телеуправление, D - подробные данные о сигнале: четырехпозиционный код, в котором каждая позиция представляет элемент сигнала (из одного или нескольких бит), N - характер уплотнения: без уплотнения.

Выбранные частоты 8,200 - 8,300 ГГц входят в диапазон X. X диапазон - диапазон частот сантиметровых длин волн, используемых для наземной и спутниковой радиосвязи.

5. Расчет затухания в антенно-фидерных устройствах

Затухание в АФУ определим, пользуясь справочником.

В качестве фидеров будем использовать прямоугольный волновод.

Так как сигналы будут передаваться в диапазоне 8,200 - 8,300 ГГц, то нам подходит прямоугольный волновод, имеющий размеры 2,85х1,26 см. Коэффициент затухания для такого волновода равен .

В соответствии с исходными данными длины фидерных линий lз=4,5 м (для земной приёмной антенны) и lб=1,5 м (для бортовой передающей антенны). С учетом этого затухание в АФУ:

6. Расчёт потерь в атмосфере при минимальном угле места

В диапазонах частот, выделенных для спутниковых систем, влияние атмосферы проявляется в виде ослабления (поглощения) радиоволн в тропосфере и ионосфере, искривления траектории радиолуча в результате рефракции, изменения формы и вращения плоскости поляризации радиоволн и появления помех, обусловленных тепловым излучением атмосферы и шумами поглощения.

Установлено, что в диапазонах частот выше 500 МГц основное поглощение определяется тропосферой, точнее, газами тропосферы - кислородом и водяными парами, а также дождем и прочими гидрометеорами (ионосфера и остальные газы тропосферы, например, двуокись углерода или азот, играют малую роль).

Поглощение в спокойной (невозмущённой) атмосфере без гидрометеоров определяется величиной Lа. Данное поглощение представляет собой как бы постоянную составляющую потерь, имеющих место в течение 100% времени. Для разных диапазонов частот, минимальных углов места значение этого параметра будет разным. Для определения Lа по заданному варианту (f=7-8ГГц, в =10°) воспользуемся рисунком 3. Из него мы видим, что поглощение Lа=0,5 дБ.



Рис. 3. Частотная зависимость поглощения радиоволн в спокойной атмосфере

Оценка затухания в гидрометеорах оказывается задачей более сложной, чем в спокойной атмосфере, поскольку величина поглощения Lд зависит от вида гидрометеоров (дождь, снег туман), интенсивности осадков, размеров зоны их выпадения и распределения интенсивности по зоне. Наибольшее ослабление вносят жидкие гидрометеоры (дождь, туман, мокрый снег), ослабление в твёрдых структурах (град, сухой снег) значительно меньше. Наличие взвешенных частиц - аэрозолей, практически не влияет на поглощение сигнала и в обычных условиях не учитываются. На основании изложенной методики можно определить затухание радиоволн в дожде не превышаемое в течение заданного процента времени года или наихудшего месяца. Для этого воспользуемся рисунком 4. Из приведённого графика зависимости затухания в дожде Lд от частоты при вероятности Тд=0,1% определим значение Lд для диапазона 7-8 ГГц. Оно будет равно Lд=1,5 дБ.



Рис. 4. Частотная зависимость поглощения сигнала в дожде

Поглощение, вызываемое мокрым снегом, примерно такое же, как и в дожде равной интенсивности, но в отдельных случаях при выпадении крупных хлопьев мокрого снега оно может оказаться в 4…6 раз большим, чем для дождя. Эксперименты показывают, что это явление достаточно редко и при расчётах для наихудшего месяца следует практически учитывать лишь поглощение в дожде.

Ионосфера тоже оказывает влияние на условия прохождения радиоволн, но поглощение в ней на частотах выше 1 ГГц чрезвычайно мало даже при низких углах места приёмной антенны.

Потери из-за неточности наведения антенны Lн так же, как и Lд носят случайный характер. Данные потери определяются угловыми отклонениями оси главного лепестка диаграммы направленности от истинного направления на ИСЗ, а также шириной и формой этого лепестка.

Примем, что погрешность направления диаграммы направленности не превышает ширины её диаграммы направленности по уровню половинной мощности, следовательно, потери не будут превышать 3дБ, т.е. Lн=3дБ.

Дополнительные потери в атмосфере, обусловленные влиянием рассмотренных выше факторов, определим как:

Таким образом, получим величину дополнительных потерь, равную:

7. Расчет суммарных потерь в тракте передачи

Суммарные потери во всём тракте передачи информации исключают потери, связанные со свободным распространением радиоволн в вакууме, и включают в себя потери в АФУ и дополнительные потери в атмосфере:

Переведём дБ в разы, учитывая, что эти потери являются отрицательными, возьмём их со знаком “ - ”:

8. Расчет мощности шумов на входе приёмной антенны

В диапазонах частот, где работают спутниковые системы шумы, создаваемые различными источниками можно рассчитать по формуле:

Где, - постоянная Больцмана, ;

- полная эквивалентная шумовая температура всей приёмной системы с учётом внутренних и внешних шумов;

- эквивалентная шумовая полоса приёмника.

Согласно расчетам выше, ширина полосы частот получилась равна 10 МГц, соответственно:

Полная эквивалентная шумовая температура приёмной системы, состоящей из антенны, волноводного тракта и собственно приёмника, пересчитанная ко входу МШУ (малошумящего усилителя), будет равна:

,

Где - эквивалентная шумовая температура антенны, К;

- абсолютная температура среды (290К);

- коэффициент полезного действия волнового тракта.

В свою очередь, эквивалентная шумовая температура антенны может быть представлена в виде следующих составляющих:

,

Где , - температура приёма космического радиоизлучения;

- температура излучения атмосферы с учётом гидрометеоров;

- температура излучения земной поверхности, принимаемое через боковые лепестки;

- температура приёма излучения атмосферы, отражённого от Земли;

- температура шумов антенны из-за наличия потерь в её элементах.

Т. К. величины ,, пренебрежимо малы и их можно принять равными нулю, то формула для расчёта эквивалентной шумовой температуры антенны будет иметь вид:

.

Для стандартной атмосферы, средняя термодинамическая температура атмосферы для углов места более 50 в данном диапазоне частот приблизительно равна 260 К.

обусловлена омическими потерями в антенне. Современные металлические зеркальные антенны имеют весьма низкие потери, поэтому и значение данной величины весьма мало. Для нашего диапазона частот 7-8 ГГц значение = 0,08 К.

Таким образом, эквивалентная шумовая температура антенны будет равна:

КПД волнового тракта близок к единице из-за малой длины фидерной линии. Возьмём значение КПД, равное:

.

С помощью найденных величин рассчитаем эквивалентную шумовую температуру приёмной системы.

.

Исходя из всего выше рассчитанного, определим мощность шумов на входе приёмной системы:

8. Расчёт коэффициента усиления антенны, дальности связи, эффективной площади приёмной антенны

Коэффициентом усиления антенны называется отношение квадрата напряженности электрического поля, создаваемого антенной в данном направлении, к квадрату напряженности поля, создаваемого воображаемым абсолютно ненаправленным излучателем.

Коэффициент усиления передающей антенны показывает, во сколько раз квадрат напряженности поля, создаваемого антенной в данной точке приема, превышает квадрат напряженности поля, создаваемый в той же точке эталонной антенной с КПД=1.

Для определения коэффициента усиления передающей антенны воспользуемся формулой:

где G - коэффициент направленного действия антенны,

- коэффициент полезного действия антенны.

КНД характеризует способность антенны концентрировать излученное антенной электромагнитное поле в каком-либо направлении.

КНД антенны называется отношение квадрата напряженности поля, излучаемого антенной в данном направлении, к усредненному по всем направлениям значению квадрата напряженности поля.

Точка, в которой определяется направление, характеризуется углом места И и азимутом г.

КПД антенны называется отношение излучаемой мощности к мощности, подводимой к антенне.

Применительно к нашей системе радиосвязи мы будем рассчитывать КНД в сторону максимального излучения антенны, так как диаграмма направленности должна обеспечивать равную плотность потока мощности сигнала в каждой точке подспутниковой зоны. Значит, достаточно будет рассчитать КНД в сторону максимального излучения, то есть в сторону максимальной дальности связи.

Для расчёта максимальной дальности связи воспользуемся формулой:

где R=6371км (радиус Земли),

Н=300 км (высота круговой орбиты),

б=рад (минимальный рабочий угол места).

а) Рассчитаем коэффициент усиления для передающей антенны.

КНД антенны рассчитаем по формуле:

межсимвольный интерференция частотный радиоволна

где ,

- ширина диаграммы направленности.

Расчет производится при максимальном раскрыве диаграммы направленности , то есть при минимальном угле места. Пределы интегрирования выбираются от 0 до максимального угла .

В данной формуле производится нормирование выражения для дальности связи путем его деления на значение дальности связи при минимальном угле места. В результате расчета получаем КНД, равный:

Из графика видно, что максимальный КНД достигается при угле

Рис. 5. Зависимость КПД от частоты

Используя полученные значения, рассчитаем коэффициент усиления передающей антенны:

Из рисунка 5 видно, что КПД антенны при частоте 8ГГц .

б) Рассчитаем коэффициент усиления для приемной антенны.

Для этого определим эффективную площадь приемной антенны, то есть площадь, которая максимально используется при приеме антенной потока мощности.



где - диаметр приемной антенны,

- коэффициент использования поверхности антенны.

Коэффициент использования поверхности антенны имеет величину в пределах от 0,25 до 0,6. Примем . Диаметр приемной антенны примем равным 1,5 м.

Таким образом, получим:

Расчет коэффициента усиления будем проводить на средней длине волны :

Для определения коэффициента усиления, воспользуемся формулой:

Расчёт отношения сигнал/шум.

Для решения задачи, связанной с оптимизацией спутниковых систем, будем пользоваться основным уравнением радиосвязи:

где Р - мощность передающего устройства,

G - коэффициент усиления передающей антенны,

R -дальность связи,

- суммарные потери в радиоканале,

- эффективная площадь приёмной антенны,

- мощность шумов.

Все величины, входящие в состав данного выражения были вычислены в предыдущих пунктах курсового проекта. Мощность передающего устройства 10 Вт.

Воспользовавшись рассчитанными значениями, получим величину отношения сигнал/шум:

Можно увидеть, что значение данного соотношения сигнал/шум не удовлетворяет теоретическому условию (10,5дБ), при котором осуществляется передача информации с заданным уровнем качества, следовательно, систему можно оптимизировать за счет изменения параметров приемной антенны.

Выбор оптимального варианта построения радиосистемы.

Расчет энергетического потенциала системы показал достаточность требуемого уровня отношения сигнал/шум для заданной вероятности ошибочного приема в канале, что позволяет обойтись без помехоустойчивого кодирования. В целях более экономичного использования системы радиосвязи подберем более оптимальный вариант реализации, который позволит работать при той же вероятности ошибки.

Табл. 1

Обозначение параметра	Наименование	Вариант 1	Вариант 2	Вариант 3
	Диаметр приемной антенны	1,5	1	0,5
	Излучаемая мощность передающей антенны	10	5	5
	Отношение сигнал/шум	209,5	46,5	11,6

Самым оптимальным является 3 вариант, который позволяет максимально приблизиться к значению 10,5 дБ.

Заключение

В процессе выполнения данного курсового проекта был произведён расчёт основных проектных параметров спутниковой системы передачи с космического аппарата на сеть земных станций, решено уравнение связи с учётом возможных потерь. Спроектировав радиосистему с учетом различных факторов, влияющих на нее, пришли к выводу, что для ее оптимальной работы необходимо исключить излишние энергетические запасы за счет уменьшения диаметра приемной антенны и излучающей мощности передающей антенны (, ).

Литература

1. Антенно-фидерные устройства: Учебник - под ред. Кочержевского Г.Н. - М., 1972 г.

2. Спутниковая связь и вещание. Справочник. - под ред. Кантора Л.Я. - М., 1988 г.

3. Справочник по элементам волноводной техники - Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р., Смирнов В.П. - М., 1999 г.

4. Регламент радиосвязи РФ - М., 1999 г.

5. Бернард Скляр. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение: Учебник - М., 2003 г.

Размещено на Allbest.ru