Разработка приемо-передающего радиокомплекса

Lfs = 20 log [(4000 π D) / λ] , дБ                     (6)

где π = 3,14159      D – длина пути, км;      λ  - 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 - σ) ТC + σ 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;

        σ  - 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;

α – переходные потери, дБ, создаваемые компонентами волновода (потери равны отрицательному усилению);

TSYS – 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;

α – переходные потери, создаваемы компонентами волновода (потери равны отрицательному усилению), дБ;

β – 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%);

      λ  - 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 λ           1034,27878 / 10

     d = -------    √    ----------------------   = 0,0799 * 6,68134 = 0,534 м

             π                      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: