Радиорелейная связь

2.3 Частотный диапазон

Выбор частоты для передачи данных от земной станции к спутнику и от спутника к земной станции  не является произвольным. От частоты  зависит, например, поглощение радиоволн в атмосфере, а также необходимые размеры передающей и приемной антенн. Частоты, на которых происходит передача от земной станции к спутнику, отличаются от частот, используемых для передачи от спутника к земной станции (как правило, первые выше).

Частоты, используемые в  спутниковой связи, разделяют на диапазоны, обозначаемые буквами. К  сожалению, в различной литературе точные границы диапазонов могут  не совпадать. Ориентировочные значения даны в рекомендации ITU-R V.431-6:

 

Т а б л и ц а 3

 

Название диапазона	Частоты (согласно ITU-R V.431-6)	Применение
L	1,5 ГГц	Подвижная спутниковая связь
S	2,5 ГГц	Подвижная спутниковая связь
С	4 ГГц, 6 ГГц	Фиксированная спутниковая  связь
X	Для спутниковой связи  рекомендациями ITU-R частоты не определены. Для приложений радиолокации указан диапазон 8-12 ГГц.	Фиксированная спутниковая  связь (для военных целей)
Ku	11 ГГц, 12 ГГц, 14 ГГц	Фиксированная спутниковая  связь, спутниковое вещание
K	20 ГГц	Фиксированная спутниковая  связь, спутниковое вещание
Ka	30 ГГц	Фиксированная спутниковая  связь, межспутник. связь

       

Используются и более  высокие частоты, но повышение их затруднено высоким поглощением  радиоволн этих частот атмосферой.  

Ku-диапазон позволяет производить прием сравнительно небольшими антеннами, и поэтому используется в спутниковом телевидении (DVB), несмотря на то, что в этом диапазоне погодные условия оказывают существенное влияние на качество передачи.

Для передачи данных крупными пользователями (организациями) часто  применяется C-диапазон. Это обеспечивает более высокое качество приема, но требует довольно больших размеров антенны.

 

2.4 Модуляция и помехоустойчивое кодирование

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-S2применяются QPSK, 8-PSK, 16-APSK и 32-APSK.

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. Для этого  применяются различные схемы помехоустойчивого кодирования, чаще всего различные варианты свёрточных кодов (иногда в сочетании с кодами Рида-Соломона), а также турбо-коды и LDPC-коды.

 

2.5 Множественный доступ

Для обеспечения возможности  одновременного использования спутникового ретранслятора несколькими пользователями применяют системы множественного доступа:

• множественный доступ с частотным разделением — при этом каждому пользователю предоставляется отдельный диапазон частот.
• множественный доступ с временным разделением — каждому пользователю предоставляется определенный временной интервал (таймслот), в течение которого он производит передачу и прием данных.
• множественный доступ с кодовым разделением — при этом каждому пользователю выдается кодовая последовательность, ортогональная кодовым последовательностям других пользователей. Данные пользователя накладываются на кодовую последовательность таким образом, что передаваемые сигналы различных пользователей не мешают друг другу, хотя и передаются на одних и тех же частотах.

Кроме того, многим пользователям  не требуется постоянный доступ к  спутниковой связи. Этим пользователям  канал связи (таймслот) выделяется по требованию с помощью технологии DAMA (Demand Assigned Multiple Access — множественный доступ с предоставлением каналов по требованию).

 

2.6 Магистральная спутниковая связь

Изначально возникновение  спутниковой связи было продиктовано потребностями передачи больших  объёмов информации. Первой системой спутниковой связи стала система Intelsat, затем были созданы аналогичные региональные организации (Eutelsat, Arabsat и другие). С течением времени доля передачи речи в общем объёме магистрального трафика постоянно снижалась, уступая место передаче данных.

С развитием волоконно-оптических сетей последние начали вытеснять  спутниковую связь с рынка  магистральной связи.

 

2.7 Системы подвижной спутниковой связи

Особенностью большинства  систем подвижной спутниковой связи  является маленький размер антенны  терминала, что затрудняет прием  сигнала. Для того, чтобы мощность сигнала, достигающего приемника, была достаточной, применяют одно из двух решений:

• Спутники располагаются на геостационарной орбите. Поскольку эта орбита удалена от Земли на расстояние 35786 км, на спутник требуется установить мощный передатчик. Этот подход используется системой Inmarsat (основной задачей которой является предоставление услуг связи морским судам) и некоторыми региональными операторами персональной спутниковой связи (например, Thuraya).
• Большинство спутников располагаются на наклонных или полярных орбитах. При этом требуемая мощность передатчика не так высока, и стоимость вывода спутника на орбиту ниже. Однако такой подход требует не только большого числа спутников, но и разветвленной сети наземных коммутаторов. Подобный метод используется операторами Iridium и Globalstar.

С операторами персональной спутниковой связи конкурируют  операторы сотовой связи. Характерно, что как Globalstar, так и Iridium испытывали серьёзные финансовые затруднения, которые довели Iridium до реорганизационного банкротства в 1999 г.

В декабре 2006 года был запущен  экспериментальный геостационарный  спутник Кику-8 с рекордно большой площадью антенны, который предполагается использовать для отработки технологии работы спутниковой связи с мобильными устройствами, не превышающими по размерам сотовые телефоны.

 

2.8 Недостатки спутниковой связи

Слабая помехозащищённость. Огромные расстояния между земными станциями и спутником являются причиной того, что отношение сигнал/шум на приемнике очень невелико (гораздо меньше, чем для большинства радиорелейных линий связи). Для того, чтобы в этих условиях обеспечить приемлемую вероятность ошибки, приходится использовать большие антенны, малошумящие элементы и сложные помехоустойчивые коды. Особенно остро эта проблема стоит в системах подвижной связи, так как в них есть ограничение на размер антенны и, как правило, на мощность передатчика.

Влияние атмосферы. На качество спутниковой связи оказывают сильное влияние эффекты в тропосфере и ионосфере.

Поглощение в  тропосфере. Поглощение сигнала атмосферой находится в зависимости от его частоты. Максимумы поглощения приходятся на 22,3 ГГц (резонанс водяных паров) и 60 ГГц (резонанс кислорода). В целом, поглощение существенно сказывается на распространении сигналов с частотой выше 10 ГГц (то есть, начиная с Ku-диапазона). Кроме поглощения, при распространении радиоволн в атмосфере присутствует эффект замирания, причиной которому является разница в коэффициентах преломления различных слоев атмосферы.

Все эти эффекты ослабляются  с увеличением частоты. Для сигналов с частотами, большими 10 ГГц, их влияние  невелико.

 

Т а б л и ц а 4

 

Эффект	100 МГц	300 МГц	1 ГГц	3 ГГц	10 ГГц
Вращение плоскости поляризации	30оборотов	3,3оборота	108°	12°	1,1°
Дополнительная задержка сигнала	25мс	2,8мс	0,25мс	28нс	2,5нс
Поглощение в ионосфере (на полюсе)	5дБ	1,1дБ	0,05дБ	0,006дБ	0,0005дБ
Поглощение в ионосфере	<1дБ	0,1дБ	<0,01дБ	<0,001дБ	<0,0001дБ

Сигналы с относительно низкой частотой (L-диапазон и частично C-диапазон) страдают от ионосферного мерцания, возникающего из-за неоднородностей в ионосфере. Результатом этого мерцания является постоянно меняющаяся мощность сигнала.

Задержка распространения  сигнала. Проблема задержки распространения сигнала так или иначе затрагивает все спутниковые системы связи. Наибольшей задержкой обладают системы, использующие спутниковый ретранслятор на геостационарной орбите. В этом случае задержка, обусловленная конечностью скорости распространения радиоволн, составляет примерно 250 мс, а с учетом мультиплексирования, коммутации и задержек обработки сигнала общая задержка может составлять до 400 мс.

Задержка распространения  наиболее нежелательна в приложениях  реального времени, например, в телефонной связи. При этом, если время распространения сигнала по спутниковому каналу связи составляет 250 мс, разница во времени между репликами абонентов не может быть меньше 500 мс.

 

Рисунок 5 – Структурная схема радиопередатчика спутниковой связи

Передатчик содержит следующие  многокаскадные узлы (тракты):

1. Тракт умножения, который включает в себя кварцевый автогенератор (АГ) с частотой  fкв и тракт умножения частоты (УЧ1), обеспечивающие в основном заданную стабильность частоты передатчика. Обеспечивает наиболее подходящую частоту nfкв несущего колебания для стабильной работы фазового модулятора.
2. Модулирующее устройство, по требованию ТЗ - фазовый модулятор (ФМ), и устройство ввода передаваемой информации (УВ). На фазовый модулятор будет поступать сигнал изображения и звука и сигнал генератора, усиленный по частоте.
3. В состав БУ будет входить умножители частоты, т.к. сигнал после ФМ имеет достаточно низкую частоту, а необходимо на выходе передающего устройства сформировать сигнал с частотой 6 ГГц, и каскады усиления, с последующей цепью согласования и антенной (А), так как нам необходимо усилить наш сигнал по мощности требуемой в ТЗ.
4. Схема контроля, защиты и управления.
5. Блок питания.

Заключение

Казахстан также может  похвастать успехами в спутниковой  и релейной связи.

В январе 2004 года был подписан контракт на изготовление и запуск первого казахского геостационарного космического аппарата KazSAT. Спутник был построен на основе платформы «Яхта» и оснащён 12-ю транспондерами Ku-диапазона. 8 из которых планировалось использовать для обеспечения фиксированной спутниковой связи (Интернет, телефония, правительственная связь и т. д.), а остальные 4 транспондера отводились под телевидение. Всего в создании спутника участвовали более 15 зарубежных и российских фирм, в том числе ведущие производители бортового телекоммуникационного оборудования — Boeing, Alcatel Alenia Spazio Italia, ComDev. Первоначально запуск аппарата с помощью ракеты-носителя «Протон-К» и разгонного блока ДМ-3 планировалось произвести в декабре 2005. Однако после возникновения проблем с управлением спутником «Монитор-Э» (также разработанным в Центре имени Хруничева на основе платформы «Яхта») было принято решение о проведении цикла дополнительных проверок.

Аппарат был доставлен на космодром Байконур 28 апреля 2006, а запуск его был произведён 18 июня 2006 в 2:44 по московскому времени. За запуском первого казахского спутника на космодроме наблюдали президенты Казахстана Нурсултан Назарбаев и России Владимир Путин.