Глава 6. Методы доступа к спутниковому ресурсу
Многостанционный доступ с частотным разделением каналов (МДЧР)
МДЧР является наиболее простым и распространенным методом, используемым как в аналоговых, так цифровых системах спутниковой связи. При МДЧР каждая ЗС передает свои сигналы в отведенном её участке полосы пропускания транспондера.
Основной недостаток МДЧР – уменьшение пропускной способности по сравнению с односигнальным режимом, вызванное необходимостью снижения на 3 … 6 дБ мощности выходного усилителя транспондера из-за появления интермодуляционных помех. Кроме того, необходимо обеспечение высокой стабильности мощности сигнала, излучаемого каждой ЗС.
В системах с МДЧР передача может осуществляться как многоканальными сигналами, так и одноканальными с использованием принципа передачи «один канал на несущей» (ОКН). Метод ОКН применяют в основном сети станций с небольшим числом каналов.
Метод МДЧР широко используется в системах «Интерспутник», «Intelsat», национальных системах спутниковой связи многих стран.
Многостанционный доступ с временным разделением каналов (МДВР)
Метод МДВР получил развитие в связи с реализацией цифровых методов передачи. При МДВР каждой ЗС для излучения сигналов выделяется определенный, периодически повторяемый временной интервал. Интервалы излучения всех станций взаимно синхронизированы, в силу чего перекрытия их не происходит. В каждый момент времени через ретранслятор проходит сигнал только одной станции и отсутствует нелинейное взаимодействие сигналов разных ЗС в усилителе ретранслятора.
Метод МДВР получает развитие для передачи данных большого числа абонентских станций, подключенных к сети цифровой телефонной связи и с помощью аппаратуры уплотнения каналов осуществляется организация передачи через главные ЗС. Для подключения большого числа автономных компьютерных абонентских станций и сетей ЭВМ с непосредственной связью со спутниковой станцией требуются значительные затраты при ограниченных возможностях по числу ЗС.
Глава 7. Расчет энергетических параметров
В данной работе будет произведен расчет энергетики линии спутниковой связи на двух участках, так называемые линия вверх и линия вниз (рис.7.1).
 рис.7.1
Основные обозначения, применяемые в расчете:
V - скорость передачи ;
Gа пер и Gа пр - коэффициент направленного действия антенны (коэффициент усиления антенны) на передаче и приеме соответственно;
Da пер и Da пр - диаметры антенн на передаче и приеме соответственно;
λпер и λпр - средняя длина волны передачи и приема соответственно;
G/ТЗС Ко и G/ТтрКо добротность приема земной станции (ЗС) и транспондера соответственно;
Рпер - мощность радиопередающего устройства;
N - число ЗС в сети ( в полосе транспондера);
Ум - угол места установки станции места расположения ЗС;
(Eb/No) Σ – суммарное отношение энергии сигнала на символ к спектральной плотности мощности шума с учетом (Eb/No)в на линии вверх, на линии вниз (Eb/No)н и влияния интермодуляционных продуктов 3-го порядка передатчика ЗС (IМЗзс) и транспондера (IМЗтр), обеспечивающее требуемую достоверность передачи сообщений при заданных видах модуляции и методах кодирования;
Езс - эквивалентная изотропно излучаемая мощность земной станции (ЭИИМЗС);
Етр- эквивалентная изотропно излучаемая мощность транспондера (ЭИИМтр) необходимая для обеспечения требуемого (Eb/No) Σ;
Етр макс – максимальная эквивалентная изотропно излучаемая мощность транспондера;
Δf - полоса частот, занимаемая сигналом;
Ωнас - плотность мощности потока насыщения транспондера в точке размещения КА;
Ω - плотность мощности потока в точке размещения КА от ЗС;
WΣ = Wсв + Wдоп - суммарное затухание радиосигнала на участке ЗС – транспондер (трансподер – ЗС), где Wсв – затухание в свободном пространстве; Wдоп – дополнительное затухание, включающее: Wпогл. - затухание, вызванное поглощением в чистом небе при заданном угле места (Ум) и Wосад - затухание, вызванное влиянием осадков для заданного процента года;
Wволн.зс - затухание, вносимое волноводным трактом ЗС;
dн – наклонная дальность орбиты КА;
F- частота сигнала;
Взап- запас уровня усилителя транспондера для обеспечения линейности характеристики усиления;
к= 1,38х10-23дж.Гц/град – постоянная Больцмана (10lgк = 228,6 дБ);
Методика расчета энергетики линии спутниковой связи расчета
Для расчета энергетики линии спутниковой связи применяют известные из теории связи уравнения передачи, включающие энергетику ЗС на передаче (Рпер, Gа пер, Wволн.зс, Езс) и приеме (G/ТЗС Ко), энергетику транспондера (G/ТтрКо, Етр, Ωнас, Ω, dн), параметры радиосигнала (λпер и λпр, V,) методы модуляции и кодирования), затухание радиосигнала в среде распространения для заданного процента времени, интермодуляционные продукты 3-го порядка передатчика ЗС (IМЗзс) и транспондера (IМЗтр).
Известны различные подходы при описании уравнений передачи. Рассмотрим некоторые из них.
В трудах и монографиях Государственного Университета телекоммуникаций им. проф. М.А.Бонч-Бруевича, Военной Академии связи и ( «Космическая связь», изд. ВАС) и «Справочник по «Спутниковой связи и вещанию» под редакцией Л.Я. Кантора, для расчета линий спутниковой связи применяются следующие уравнения передачи:
Вычисляется отношения плотностей несущая/шум на линии вверх:
(C/No)в = Езс - WΣ в + G/ТтрКо + 228,6 [7.1.1]
(в формуле10lgк = 228,6 дБ, где к = постоянная Больцмана
Вычисляется отношения плотностей несущая/шум на линии вниз:
(C/No) = Етр - WΣ н + G/Тзс Ко + 228,6 [7.1.2]
Вычисляется суммарное отношение плотности несущая/шум:
(C/No) Σ = -10lg(10-0,1(C/No)в + 10-0,1(C/No)н) [7.1.3]
Определяется отношение энергии на бит к суммарной спектральной плотности шума (без учета интермодуляционных помех 3-го порядка IМЗ):
(Eb/No) Σ = (C/No) Σ – 10lgV [7.1.4]
Производится расчет IМЗ и затем определяется Eb/No) Σ с учетом IМЗ
Методика расчета Етр и сети спутниковой связи будет описана ниже.
В НИИР (г. Москва) расчет производится по уравнениям передачи с парциальной ЭИИМ на линии вверх и линии вниз, т.е. с учетом полосы, занимаемой сигналом.
Уравнение для одного потока вверх имеет вид:
Езс = (Eb/No)в – 14 + 20lgdн/35,8 – G/Tтр + 20lgF + 10lg Δf + WΣ в [7.1.5]
Уравнение для одного потока вниз:
Етр = (Eb/No)н –14 + 20lgdн/35,8 - G/Tзс + 20lgF + 10lg Δf + WΣ н [7.1.6]
Суммарное отношения (Eb/No) Σ определяется:
Расчет 1/(Eb/Nо) Σ= 1/(Eb/Nо)в + 1/(Eb/Nо)н + 1/IМЗзс + 1/IМЗзс [7.1.7]
Легко заметить, что в этих уравнениях определяются непосредственно парциальные ЭИИМзс и ЭИИМтр, что создает удобство в составлении таблиц допустимых ЭИИМтр при расчете сети спутниковой связи. Однако эти приведенные выражения затрудняют начинающему в проведении расчетов энергетики линий, т.к. наличие в них таких цифр как 14 и 35,8 не дают полного представления при каких условиях они появились. Однако они правильные, это легко можно показать и ими можно пользоваться.
Поэтому в дальнейшем для расчета линий и сети в целом воспользуемся первыми уравнениями с использованием метода парциальной ЭИИМ, как это выполнено во вторых уравнениях.
Этапы расчета линии спутниковой связи.
Расчет энергетики линии спутниковой связи произведем в следующей последовательности:
Определяются потери радиосигнала на участке вверх (ЗС –транспондер) Wв и потери радиосигнала на участке вниз (транспондер – ЗС ) Wн;
Рассчитывается отношение (Eb/No)в
Рассчитывается плотность мощности потока в точке размещения КА Ω;
Рассчитывается отношение (Eb/No)в
Рассчитывается парциальная ЭИИМтр на выходе транспондера Етр (приходящая на данный сигнал)
Рассчитывается отношение (Eb/No)н
Рассчитывается отношение (Eb/No) Σ с учетом интермодуляционных помех 3-го порядка IM3;
Определяется суммарная ЭИИМтрΣ. =ЕтрΣ с учетом сигналов сети и делаются выводы по загрузке транспондера.
Расчет (Eb/Nо)в:
(Eb/Nо)в = Езс - Wсв в + G/Tтр – 10lg Δf – Wдоп.в – 10lgк =
= Езс - Wсв в + G/Tтр – 10lg Δf – Wдоп.в + 228,6 [7.2.1]
Рассмотрим получение этого уравнения:
Уровень сигнала на входе радиоприемного устройства транспондера (Рс тр.) равен:
Рс тр( дБ) = Рпер зс-Wволн. зс+Gа пер.зс- WΣ пер зс-тр+Gа пр. тр.-Wволн. тр. [7.2.2]
Учитывая, что ЭИИМзс= Рпер зс-Wволн. зс+Gа пер зс, [7.2.3]
Рс тр( дБ) =ЭИИМзс +Gа тр- Wволн. тр., [7.2.4]
где Рпер зс- мощность передатчика ЗС (дБВт);
Wволн. пер.зс –затухание волновода ЗС на передаче(дБ);
WΣ пер зс-тр- суммарное затухание сигнала на участке ЗС-ТР (дБ);
Gа пр.тр – коэффициент усиления (передачи) антенны транспондера на приеме (дБ);
Wволн. тр.- затухание волновода транспондера (дБ);
Спектральная плотность мощности шума на входе приемника транспондера в полосе сигнала равна:
No= nшкТ Δf, [7.2.5]
где nш – коэффициент шума приемника;
к – постоянная Больцмана (к= 1,38х10-23 дж.Гц/град.;
Т- температура по Кельвину;
Δf – полоса частот, занимаемая сигналом.
No (дБ) = 10lgn + 10lgк +10lgТ +10lg Δf [7.2.6]
Отношение энергии сигнала на символ к спектральной плотности мощности шума равно:
(Еb/ No)в (дБ) = Рпер зс-Wволн. зс+Gа пер.зс- WΣ пер зс-тр+Gа пр. тр.-Wволн. тр. +Gа тр- Wволн. тр.- 10lgnш - 10lgк -10lgТ -10lg Δf = Езс - Wсв в + G/Tтр – 10lg Δf – Wдоп.в – 10lgк =
= Езс - Wсв в + G/Tтр – 10lg Δf – Wдоп.в + 228,6
Здесь nш и Т вошли в добротность антенной системы
Аналогично можно рассмотреть получение уравнения передачи на участке транспондер – ЗС для (Eb/Nо)н
Расчет плотности мощности потока в точке размещения КА Ω:
Ω = 10lg 100,1х Езс/4πdн2 [7.2.7]
Расчет парциальной Етр:
Етр = Етр макс - Взап – ( Ωнас – Ω) [7.2.8]
Расчет (Eb/No)н
(Eb/Nо)н = Етр - Wсв в + G/Tзс- 10lg Δf – 10lgк = Етр - Wсв в + G/Tзс - 10lg Δf + 228,6 - Wдоп.н [7.2.9]
Расчет суммарного отношения (Eb/Nо) Σ
1/(Eb/Nо) Σ= 1/(Eb/Nо)в + 1/(Eb/Nо)н + 1/IМЗзс + 1/IМЗзс или
(Eb/No) Σ дБ = 10lg(1/100,1Е/Nв + 1/100,1Е/Nн +1/100,1IM3тр)-1 [7.2.10]
Расчет суммарной ЭИИМ транспондера Етр Σ :
1/ Етр Σ = 1/Tтр 1 + 1/Tтр 2 + 1/Tтр 3 + … + 1/Tтр N [7.2.11]
где Tтр 1, Tтр 2 , где ЭИИМ транспондера для 1-го сигнала, и т.д.;
Tтр N - ЭИИМ транспондера для N-го сигнала.
Если выполняется условие Етр Σ Етр доп., усилитель транспондера будет работать на линейном участке (перегрузки транспондера не будет), в противном случае необходимо уменьшать мощность передатчика ЗС.
Энергетические параметры станций сети «Транстелесат»
Gа пер
G/Tпр,
Wволн
Рс пр
Рпер
W волн
Рпер тр=35 Вт G/Tтр макс=2,7дБ/К
G/Tтр.мин в зоне обсл. = -3 дБ/К
 
Рис.7.2.1
На рис.7.2.1 приведены основные параметры и их место на линии, необходимые для расчета линий спутниковой связи, а в таблице 7.2.1 – основные параметры станций сети «Транстелесат».
Возможная конфигурация антенны для непосредственного приема сигнала со спутника в бытовых условиях, антенна Кассегрена (рис.7.2.2). Она редко используется из-за дополнительных расходов на вспомогательный гиперболический рефлектор, хотя и имеет определенные достоинства. Профиль антенны может быть уменьшен, поскольку вспомогательный рефлектор перехватывает отраженные волны до того, как они достигнут прямофокусной точки, и снова направляет их обратно к расположенной сзади головке облучателя. Главным недостатком такой конфигурации является блокировка вспомогательным рефлектором некоторой части приходящего сигнала, однако применение офсетной конструкции антенны может его устранить. Для эффективной работы антенны диаметр вспомогательного гиперболического рефлектора должен быть порядка 10 значений длины волны. Как правило, если диаметр главного рефлектора превышает 100 значений длины волны, антенна Кассегрена становится реальным конкурентом. Для антенн меньших размеров традиционная конструкция с расположением облучателя прямо в фокусе является более предпочтительной.
рис.7.2.2
Антенна Грегори (рис.7.2.3) отличается от антенны Кассегрена тем, что вспомогательный гиперболический рефлектор перемещен к эллиптической поверхности. Как и в предыдущем случае, антенна может быть прямофокусной или со смещенным фокусом. Данная конфигурация обладает высокой эффективностью, поскольку преимущества офсетной конструкции соединяются с преимуществами, получаемыми от расположения блока малошумящего конвертора (LNB) с обратной стороны антенны:
блок LNB защищен от погодных явлений и внесения дополнительных шумов, ослабляется влияние жарких солнечных лучей;
облучатель можно установить так, чтобы он «видел» вспомогательное зеркало с большей эффективностью – в качестве источника шумов неба, а не фоновых шумов, как это происходит в случае переоблучения;
вспомогательный рефлектор можно установить так, чтобы он «видел» края зеркала с большей эффективностью.
рис.7.2.3
На рис.7.2.4 изображены диаграммы направленности передающей и приемной антенн соответственно для антенны Кассегрена, для антенны Грегори диаграммы направленности будут идентичны.
рис.7.2.4
Таблица 7.2.1 -
Тип ССС
|
Рпер макс
Вт/дБ |
G/T
дБ/град Ко
|
Da
м
|
Ga пер
ДБ на
14,5
ГГц
|
Gа пр
ДБ на
11,95ГГц
|
fпер МГц λпер м
|
fпр МГц
λпр м
|
Wволн.
пер дБ
|
Wволн.
пр дБ
|
Мод. /R
декодир.
Витерби
|
ЦС
|
750/28,75
|
32,3
|
7,6
|
59,5
|
57,5
|
14500/ 0,0207
|
11,95/ 0,0251
|
0,5
|
0,5
| ФМ-4, ¾ |
УС
|
350/25,4
|
26,6
|
3,7
|
53,4
|
51,3
|
14500/ 0,0207
|
11,95/ 0,0251
|
0,5
|
0,5
|
ФМ-4, ¾
|
АС1
|
16/12
|
25,6
|
3,7
|
52,5
|
51,5
|
14500/ 0,0207
|
11,95/ 0,0251
|
0,5
|
0,5
|
ФМ-4, ¾
|
АС2
|
4/6
|
23,5
|
2,4
|
48,7
|
48,3
|
14500/ 0,0207
|
11,95/ 0,0251
|
0,5
|
0,5
|
ФМ-4, ¾
| |
