Разработка приемо-передающего радиокомплекса

Разработка приемо-передающего радиокомплекса

Введение   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  . . . . . . . . . . . . . . . .     5

1. Приемо-передающие радиокомплексы  (ППР)   . . . . . . . . . . . . . .    6

    1.1. Назначение  и основные функции ППР    . . . . . . . . . . . . . . . . .   7

     1.2. Структура  ППР   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   10

      1.3. Основное  оборудование ППР  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .    15

             1.3.1. Приемники    . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .      17

             1.3.2. Передатчики  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .       19

              1.3.3. Антенны   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .         21

            1.3.4. Основные требования к ППР   . . . . . . . . . . . . . . . . . .      25

2. Технологическая часть    . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .     28

        2.1. Технология  стратосферной связи  на СВЧ   . . . . . . . . . . . .      30

       2.2.  Частотное  планирование ближней зоны     . . . . . . . . . . . . .      34

      2.3.  Методы  модуляций для ближней зоны  . . . . . . . . . . . . . . . .      38

3. Расчетная часть    . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .     40

      3.1.   Расчет  нисходящего канала связи на  частоте 47,5 ГГц . . . . . .  41

      3.2.  Расчет  восходящего канала связи на  частоте 48,2 ГГц    . . . . .  44

      3.3. Расчет  и выбор антенн   для высотной  платформы    . . . . . . . . .  47

      3.4. Расчет  и выбор антенн для стационарного  абонента  . . . . . . . . .  51

      3.5. Структура  ППР     . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   53

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

В данной работе рассматривается вопрос разработки приемо-передающего радиокомплекса для стратосферной высотной платформы, который представляет собой огромный ретранслятор, по сравнению с которым возможности ИСЗ существенно скромнее. На дирижабле предусматривается размещение, кроме другого оборудования, мощных коммутаторов АТМ для организации IP- речевого видеотрафика. Рассматривается также возможность организации мобильной видеосвязи.  

Один дирижабль способен обслуживать территорию диаметром свыше 500 км.    Мобильным абонентам будет доступна передача цифровой телефонии, факсимильных сообщений и электронной почты со скоростью 64 кбит/с. Причем число одновременно пользующихся оборудованием связи одного дирижабля составит 400 тысяч!  

Фиксированные пользователи получат еще и такие услуги, как видеоконференцсвязь со скоростью 256 кбит/c, доступ в Интернет со скоростями 1...12 Мбит/с. Информация к абонентам, подключенным к станциям сопряжения, будет поступать со скоростью 45 Мбит/с или 155 Мбит/c. Разумеется, разные виды информации будут передаваться по радиоканалам различной информационной емкости. Подобные показатели сегодня характерны для мощных волоконно-оптических линий связи.

Преимущества и спутниковых, и наземных систем очевидны, так же как очевидны их недостатки. Например, геостационарные спутники (GEO) имеют важное свойство "стояния" в одной и той же точке небосклона. Но дается это ценой высокой орбиты и, как следствие, затуханием и задержками распространения сигнала. В этом плане более привлекательны низкоорбитальные спутники (LEO), но здесь приходится создавать в космосе что-то вроде сотовой сети - целой группировки из спутников.

И все-таки при всех своих минусах (стоимость, сложность и т. д.) спутниковые системы связи имеют важное преимущество перед наземными: большой угол места и, соответственно, зону прямой видимости абонентов. А это очень важно, поскольку абоненты по большей части находятся в современных городских фьордах, а для связи (вследствие их большей информационной емкости) все шире используются сверхвысокие частоты (единицы и десятки гигагерц).

В настоящее время появились несколько проектов одним из которых является так называемые стратосферные концентраторы - специализированные летательных аппараты, летающих в стратосфере и служащих аналогом спутниковой связи. Их главный козырь в игре со спутниками - быстрота развертывания и относительно небольшая рабочая высота. Это проект   Sky Station International.

Основой системы Sky Station является стратостат, подвешиваемый над зоной обслуживания (например, над мегаполисом) на высоте около 21 км. Общая эффективно покрываемая связью площадь составляет примерно 19 тыс. квадратных километров. Размеры "сигары" весьма внушительны - 157 метров в длину и 62 метра в диаметре. Питание оборудования осуществляется от солнечных батарей, при этом потребляемая электрическая мощность составляет около мегаватта. Управляет положением стратостата ионный двигатель, использующий в качестве рабочего тела воздух. Планируемый срок службы - 10-12 лет.

Типовой канал связи обеспечит скорость передачи от 64 кбит/с до 2,048 Мбит/c для мобильных и до 155 Мбит/c для стационарных пользователей. При этом задержка сигнала составит не более 0,5 мс (против 250 мс для геостационарных спутников), что важно, например, для услуг реального времени (обычной и IP-телефонии, видеоконференций). Сигнал будет передаваться на частоте около 47 ГГц в полосе шириной 600 МГц. Если быть более точным, то диапазон 47,2-47,5 ГГц будет использоваться для каналов "стратостат-земля", а 47,9-48,2 ГГц - для каналов "земля-стратостат". Именно такие диапазоны были закреплены за стратосферной связью решением Всемирной конференции по радиочастотам (WRC-97) в октябре 1997 года. Решение авторитетной организации, ведающей международной политикой в вопросах использовании радиоресурсов, повторяет и вердикт Федеральной комиссии по связи США (FCC), также принятый недавно.

Каналы Sky Station могут быть использованы для всех известных сегодня телекоммуникационных сервисов: телефонная и видеосвязь, доступ в Интернет, телевидение (в том числе интерактивное) и т. д. При этом, по расчетам SSI, стоимость одной минуты однопользовательского мобильного канала составит всего несколько центов.

В качестве эксперимента для стратосферной связи выделены частоты 47,2-47,5 ГГц (нисходящая линия связи), 47,9-48,2 ГГц (восходящая линия связи) . Поэтому в данной дипломной работе проведены соответствующие расчеты дальности связи для определения основных параметров приемо-передающего комплекса (ППР). Основной особенностью данной разработки является использование миллиметровых волн пока не освоенных в системах связи.

 

 

 

Рис.3. Свободные участки спектра в диапазоне 60 ГГц в различных регионах мира

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 1. Приемо-передающие радиокомплексы.

Приемо-передающие радиокомплексы (ППР) широко распространены и применятся во всех областях беспроводной связи. Разделяются  ППР по используемой частоте: КВ, СВ, УКВ и на широкополосные на сверхвысоких частотах, а также по назначению:  для радио и телевещания, для РРЛ, для спутниковой связи и т.д.

 В настоящее время  верхняя частота освоенная промышленностью  приближается к 45 ГГц.

Как известно чем выше частота связи тем шире полоса частот, но сокращается дальность связи при одних и тех же мощностях передатчика. Для увеличения дальности связи требуется либо увеличить мощность передатчика,  либо использовать остронаправленные передающие и принимающие антенны.

Таким образом, для разработки ППР необходимо учитывать и решать взаимоисключающие требования к системам радиосвязи, а также использовать ту технологию связи которое подходить к конкретному назначению аппаратуры приема и передачи данных.

Приемо-передающие радиокомплексы (ППР) состоит обычно из двух частей: приемного тракта и передающего тракта.

Приемный тракт начинается из приемной антенны, затем малошумящего входного  усилителя и усилителя промежуточной частоты для преобразования сверхвысокой частоты (47,2 -48,2 Ггц) на пониженную частоту в 950-1750 МГц для снижения потер на линии связи с приемной аппаратурой.

Передающий тракт состоит из передающей аппаратуры, усилителя промежуточной частоты, усилителя мощности и передающей антенны.

В некоторых системах радиосвязи приемный тракт и передающий тракт имеют одну антенну для приема и передачи с разделением каналов не только по частоте и по поляризации.

Одним из основных устройств ППР является модулятор и демодулятор сигналов, принцип работы которых зависит от используемой технологии связи, полосы частот и способов кодирования и декодирования сигналов.

Еще один из важных устройств ППР является поляризатор при использовании одной приемо-передающей антенны. Необходимо учесть, что данный вариант обеспечивает снижение веса аппаратуры, но требует четкой работы поляризатора и более точного разноса частот восходящего и нисходящего каналов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Назначение и основные функции ППР

    Основное назначение  ППР это организация каналов  связи с помощью радиопередающего  и радиоприемного устройств, каждый  из которых представляют комплекс  состоящей из антенн, фидерных линий и усилителя мощности с передатчиком и малошумящего приемного усилителя с приемным устройством.

Если рассматривать структуру приемо-передающего тракта то его полная структурная схема приведена на рис. 1. 

 

       Рис. 1. Функциональная схема типичной системы цифровой связи

 

       Левая  часть блок схем представляет  все процессы происходящие в  передатчике поэтапно, а правая  часть - в приемнике. Этапы обработки  сигнала, имеющие место в передатчике, являются преимущественно обратными к этапам обработки сигналов приемника.  Выделенные блоки являются обязательными  для приемо-передающей системы. А остальные блоки зависит от сложности приемо-передающего комплекса и зависят как от технологий связи, так  и области использования.Исходная информация преобразуется в двоичные цифры (биты), после чего биты группируются в цифровые сообщения или символы сообщений. Каждый такой символ (mi , где i=1,....,  M) можно рассматривать как элемент конечного алфавита, содержащего M элементов. Следовательно, для М=2 символ сообщений является бинарным. Для систем использующих канальное кодирование (коды коррекции ошибок) последовательность символов сообщений преобразуется в последовательность канальных символов (кодовых символов), каждый канальный символ обозначается ui . Поскольку символы сообщений или канальные символы могут состоять из одного или группы битов, то последовательность подобных символов называется потоком битов. 

На рис. 1 показаны основные функции обработки сигналов (которые можно рассматривать как преобразование сигнала), разбитые на девять групп.

1. Форматирование и кодирование  источника

2. Передача видеосигналов

3. Передача полосовых  сигналов

4. Выравнивание

5. Канальное кодирование

6. Уплотнение и множественный  доступ

7. Расширение спектра

8. Шифрование

 

Основные требованиями предъявляемые к ППР является эффективное использование выделенных частот и организация надежной, качественной связи, которое зависит от способов кодировки, модуляции и технологии связи.

         

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Структура ППР

 

Как было сказано в начале основными устройствами  ППР является передающий и приемные радиокомплексы (см. Рис.3 а). Передающий радиокомплекс состоит из усилителя мощности и передающей антенны. Приемный радиокомплекс состоит из приемной антенны и малошумящего усилителя.

 

 

 

                             Рис. Упрощенная структура приемника

 

На рис. 2 б приведена структура  ППР где одна антенна служит и для приема и для передачи.

Рис. 4.  Структурная схема приемо-передающего радиокомплекса

Структурная схема такой ППР приведена на рис. 4. В ее состав входят следующие функциональные узлы:

      1 -параболическая двухзеркальная антенна  диаметром 300 мм;   

      2 -волноводные полосовые приемные;

      3 - разделитель поляризаций  (горизонтальной Е и вертикальной Н);

      4 - передающие  СВЧ фильтры;

      5 - смеситель приемного канала ;

      6 - смеситель канала АПЧ  на диодах с барьером Шоттки, работающие

          на четвертой гармонике гетеродина;

       7 - СВЧ генератор на диоде Ганна  с варакторной перестройкой

            частоты;

      8 - предварительный УПЧ на кремниевых биполярных транзисторах;

     9 - транзисторный СВЧ генератор, стабилизированный

          диэлектрическим   резонатором;

    10 - частотный детектор канала АПЧ;

    11- видеоусилитель модулятора передатчика ;

    12- модуль частотного детектора 

 

Этот модуль выполнен на единой стеклотекстолитовой печатной плате и состоит из главного УПЧ с автоматической регулировкой усиления 13, частотного детектора на расстроенных контурах 14 и видеоусилителя 15. Источник вторичного электропитания 16 обеспечивает преобразование постоянного напряжения +60 В в стабилизированные напряжения +12 В, -12 В и +5 В, необходимые для питания функциональных узлов станции.    

  Параболическая антенна, приемопередающие устройства и источник вторичного питания конструктивно размещены в герметическом цилиндрическом контейнере диаметром 300 мм и длиной 250 мм. Малые массогабаритные характеристики ППС дают возможность в большинстве случаев отказаться от строительства специальных мачтовых сооружений.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Оборудования  ППР

Основными элемента ППР является: антенны, приемник и передатчик.

Линия передачи соединяет радиопередатчик, имеющий радиочастотный (РЧ) усилитель мощности (УМ), с передающей антенной. В приемнике антенна соединяется с входом малошумящим усилителем (МШУ). Усиленный принятый сигнал поступает на преобразователь частоты вниз и демодулируется (Рис. 2).