Разработка приемо-передающего радиокомплекса

Eb / N0 = C / N + 10 log (1 / R) + 10 log B, дБ             (17)

Где Eb / N0,- отношение количества энергии в бите, Дж, к плотности потока мощности шумов, Вт / Гц.

R – скорость передачи  информации бит / c

В – передаваемая полоса частот, Гц

С/N – отношение несущая / шум в полосе частот B, дБ.

Характерной чертой практических цифровых систем является следующее: для данного отношения скорости передачи бита информации к полосе пропускания канала существует отношение сигнал / шум (Eb / N0), выше которого возможен прием сигнала без ошибок и ниже которого прием не возможен. В отличие от аналоговых сигналов, которые постепенно ухудшаются под воздействием шумов, цифровые системы относительно не подвержены влиянию шумов вплоть до того момента, когда система коррекции ошибок уже не может действовать эффективно. В результате происходит резкое ухудшение или «крушение» системы. Это свойство цифровых систем устраняет необходимость градаций качества принимаемого изображения. Качество изображения относительно не пострадает, если суммарный ухудшенный уровень отношения Eb / N0 выше, чем некоторый требуемый уровень, соответствующий приемлемой «внутренней» вероятности появления ошибочных битов (Р) или определённой величине BER. BER – это отношение числа битов информации принятых ошибочно к общему числу битов, переданных в секунду.

          Взаимоотношение между P и Eb / N0 зависит от конкретных особенностей выбранного метода цифровой модуляции, поэтому операторы спутниковой связи обычно определяют минимальный требуемый уровень отношения Eb / N0. Значения, составляющие около 8 дБ, являются типичными для большинства телепрограмм DVB.

 

Таблица № 3  Сравнение методов цифровой модуляции для BER, равной 10-10

 

Eb / N0 = C / N + 10 log (1 / R) + 10 log B = 11 + 10 log(1 / 27500000) + 10 log 36 * 106 = 11 – 74,39 + 75,56 = 12,17 дБ

Дополнительно необходимо измерить, чтобы уровень выходного сигнала LNB  составлял не менее 78,5 дБмкВ.

          Поглощение сигнала в атмосфере = 0,14 дБ

          Затухание сигнала в осадках = 0,9 дБ

          Возрастание шумов из-за дождя = 1,13 дБ 

          Снижение эффективности линии  связи вниз = 2,04 дБ 

Этап 9. Возрастание шумов из-за выпадения осадков и поглощения в атмосфере

В условиях ясного неба единственной причиной ослабления сигнала на линии связи между спутником и земной станцией остаётся поглощение сигнала в атмосфере (Аatm) кислородом и парами воды. В условиях дождя ослабление сигнала будет определяться сочетанием двух факторов – поглощением газами атмосферы Аatm и затуханием в дожде Аrain (выраженном в децибелах). Общим следствием этого является возрастание эквивалентной шумовой температуры антенны Та при работе на частотах выше 8 ГГц. Для S- и C- диапазонов при расчетах нет необходимости учитывать данные факторы, поскольку их влияние существенно возрастает, особенно принимая во внимание получаемые в настоящее время низкие значения шумовой температуры приемных систем. Даже при условии ясного неба к эквивалентной шумовой температуре антенны Та следует добавить поправку на увеличение температуры из-за поглощения в атмосфере. Для вычисления данной величины можно воспользоваться выражением (6). В условиях дождя величина дополнительного возрастания шумовой температуры может быть вычислена при помощи выражения (7), которое учитывает влияние статических значений интенсивности выпадения осадков. Значения Аatm и Аrain для Европа можно получить, используя рис. №5 и №6. Для вычисления более точных значений стоит воспользоваться соответствующими  программами.

         , К                (18)

 

      ,К    (19)

где,

 Тm – физическая температура  среды (260 К для условий дождя, 280 К для ясного неба или  облачности);

Тg  - космическая, или галактическая шумовая температура (номинальное значение 2,7 К на частотах ≥ 4 ГГц);

Аatm – ослабление сигнала из-за поглощения глазами атмосферы, дБ;

Аrian  – затухание сигнала в осадках для заданного процента времени, дБ.

Добавление либо Тclear sky , либо Тrain  к эквивалентной шумовой температуре антенны ТА и её пересечет с использованием выражения (10) даст в результате приведённую величину общей шумовой температуры приёмной системы Тsys  , которая учитывает ослабление сигнала газами атмосферы и (или) осадками.

Для вычисления возрастания шумов в соответствии с заданной величиной замираний сигнала в дожде, выраженной как отношение мощности в децибелах, следует воспользоваться следующей формулой:

Возрастание шумов (из-за дождя)     =             , дБ    (20)

  где - TSYSrain – шумовая температура приемной системы в условиях дождя для определённого процента времени среднего года, К;

    TSYS clear sky – шумовая  температура приёмной системы, рассчитанная  для условий ясного неба с  учётом поглощения сигнала газами  атмосферы, К.

Снижение эффективности линии связи вниз, которое происходит при заданном замирании сигнала в дожде, выражается следующей формулой:  

     ,   дБ        (21)

Возрастание шумов в соответствии с величиной замираний сигнала в дожде 0,83 дБ вычисляется во формуле (18) или по второй формуле (19). Оно равно 0,74 дБ Необходимо отметить, что, хотя величина замираний сигнала в дожде составляет 0,83 дБ, соответствующее снижение эффективности на линии связи вниз значительно выше из-за возрастающего детектирования шумов.

 

Этап 10. Эффективная площадь антенны

АЕ = 10 log (π (D / 2)2 h ) , дБ м2

 

АЕ = 10 log (3,14 * (0,534 / 2)2 * 0,7) = - 8,0495 дБ

 

Где h = p / 100

 

  Этап 11. Вычисление мощности сигнала несущей

С = С / N – Ls + АЕ + GLNB - Аrain – Аatm – α – β дБВт

 

С = С / N – Ls + АЕ + GLNB - Аrain – Аatm – α – β = 49 – 163,76 – 8,0495 +

 

55 – 0,14 – 0,2 – 0,3 = - 68,45 дБ 

 

Этап 12. Вычисление уровня выходного блока LNB

V = √ ( 100,1C * R)

 

R – входное сопротивление  системы = 75 Ом 

 

V = √ ( 100,1C * R) = 10,716 * 10-3 В 

 

Этап 13. Вычисление уровня выходного сигнала

Уровень сигнала = 20 log (V / 10-6) = 80,6 дБмкВ

 

  Этап 14. Вывод

 Полученное значение  больше намеченной величины 78,24 дБмкВ, поэтому его следует признать  адекватным для распределения сигнала ПЧ.  

Заключение

В настоящее время во многих странах мира наблюдается интенсивное использование радиосвязи СВЧ диапазона в различных целях. Данный диапазон используется для передачи спутниковой информации, а именно спутникового телевидения и интернета.  

Интенсивное использование радиосредств СВЧ диапазона обусловлено следующими его преимуществами:

-   оперативность установления  прямой связи на большие расстояния;

-   простоту организации  радиосвязи с подвижными объектами;

- возможность обеспечения связи через большие труднодоступные  пространства;

- высокую мобильность;

- низкую стоимость оборудования;

- простоту и оперативность  развертывания поста;

Но кроме достоинств данный диапазон обладает следующими, характерными ему недостатками:

- резкое изменение уровня  сигнала при неблагоприятных  условиях (при дожде и снеге);

- при мобильном использовании  поста – трудность настройки  на сигнал;

Таким образом, средства связи СВЧ диапазона являются достаточно  мобильными и дешевыми по сравнению с другими. Однако каналы связи являются общедоступными и обеспечение связи в этом диапазоне с заданной надежностью очень зависит от погодных явлений, что приводит к необходимости перенастройки на сигнал, а в некоторых случаях прекращение связи. Формирование сигналов, передаваемых в СВЧ  диапазоне, производится по алгоритмам, заложенным аппаратно, либо программно, в применяемые радиосредства.

 

Рис.     Расчет потерь в свободном пространстве.

На рис.  приведены расчеты потерь  в ближней зоне при дальности связи от 20 до 30 км. Эти расчеты показывают  что выделенная частота в 47 ГГц для стратосферной связи  имеют большие потери по сравнению с существующими системами связи даже на расстояниях ближней зоны в несколько десятков км. Поэтому в данном рисунке приведены расчеты существующих систем связи от 450 МГц до 5.8 ГГц.

Анализ показывает что для связи на стратосферных дирижаблях для ближней зоны наиболее подходящим является частота в 900 МГц. Во - первых дальность связи составляет около 35 км  и во -вторых отработанны технологии 4G.

Ниже в таблице приведены окончательные результаты расчетов на частоте 900 МГц. Восходящий канал - 890-915 МГц и нисходящий канал 935-960

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Таблица 13-13

Энергетический потенциал каналов связи стратосферной высотной платформы

Параметр	Обозначение	Единица измерения	Источник значения параметра	Линия «вверх»	Линия «вниз»
Несущая частота	f	МГц	Исходные данные для проектирования	915	960
Выходная мощность передатчика	P	Вт	Исходные данные для проектирования	1	100
Выходная мощность передатчика	P	дБ×Вт	10 lg (P)	0.0	20.0
Потери мощности в линии от передатчика до антенны	L l	дБ	Исходные данные для проектирования	-1	-1
Ширина диаграммы направленности передающей антенны	q t	градус	Исходные данные для проектирования	140.0	90.0
Максимальный коэффициент усиления передающей антенны	G pt	дБ		6	42
Диаметр передающей антенны	D t	м	Уравнение 13-17	0,05	6
Коэффициент усиления передающей антенны	G t	дБ	G pt + L pt	6	42
Эквивалентная изотропно излучаемая мощность	EIRP	дБ×Вт	P + L l + G t
Длина трассы распространения радиосигнала	S	м	Исходные данные для проектирования	30000	30000
Потери мощности в космическом пространстве	L s	дБ	Уравнение 13-21	122	122
Потери мощности на трассе распространения сигнала и поляризационные потери	L а	дБ	Рисунок 13-10	-0.5	-0.5
Диаметр приемной антенны	D r	м	Исходные данные для проектирования	6	0,05
Максимальный коэффициент усиления приемной антенны	G rp	дБ	Уравнение 13-16
Ширина диаграммы направленности приемной антенны	q r	градус	Уравнение 13-17	150.0	1.8
Коэффициент усиления приемной антенны	G r	дБ	G rp + L pr	-1.9	39.0
Шумовая температура приемной подсистемы канала связи	T s	К	Таблица 13-9
Энергетический запас канала связи	–	дБ	(1) – (2) + (3)	27.7	6.0

 

1. Выбор мощности бортового передатчика космического аппарата, исходя из характеристик аппарата и возможностей по выделению потребляемой мощности для бортовой подсистемы связи.
2. Оценка потерь высокочастотной мощности в линиях между передатчиком и бортовыми антеннами космического аппарата (обычно эти потери составляют от -1 дБ до -3 дБ).
3. Определение, в соответствии с рекомендациями, приведенными в Главе 7, требуемой ширины диаграммы направленности бортовой передающей антенны космического аппарата, исходя из параметров его орбиты, точности стабилизации и размеров зоны обслуживания на поверхности Земли.
4. Оценка максимального угла между осью диаграммы направленности передающей антенны и линией визирования приемника, исходя из углового размера зоны обслуживания, погрешностей стабилизации космического аппарата и точности поддержания параметров его рабочей орбиты.
5. Расчет коэффициента усиления бортовой передающей антенны космического аппарата в направлении наземной станции с использованием уравнений 13-18 и 13-19. На данном этапе мы можем также проверить диаметр бортовой передающей антенны, используя для этого уравнение 13-17, чтобы убедиться, может ли такая антенна быть размещена на борту космического аппарата.
6. Расчет потерь мощности в космическом пространстве, используя уравнение 13-21. Величина указанных потерь определяется параметрами орбиты космического аппарата и местом расположения наземной станции.
7. Оценка потерь мощности на трассе распространения сигнала, связанных с поглощением радиоволн в атмосфере. Для этого используется уравнение 13-10, а зенитное ослабление сигнала делится на синус минимально угла возвышения линии визирования космического аппарата с наземной станции над плоскостью местного горизонта (обычно этот угол принимается равным 10 градусам). Потери на поглощение радиоволн в дожде учитываются позднее. Мы также можем добавить 0.3 дБ для учета несогласованности поляризации. Использование защитного обтекателя антенны наземной станции увеличивает потери мощности на трассе распространения сигнала, связанных с поглощением радиоволн в атмосфере, еще на 1 дБ.
8. Выбор диаметра антенны наземной станции и оценка погрешности ее наведения на космический аппарат. Если используется режим автосопровождения, погрешность наведения можно принять равной 10% от ширины диаграммы направленности антенны наземной станции, которая вычисляется в соответствии с уравнением 13-17.
9. Расчет коэффициента усиления приемной антенны наземной станции в направлении на космический аппарат. Для космического аппарата FireSat мы будем использовать коэффициент полезного действия антенны, h, равный 0.55.
10. Оценка шумовой температуры приемной системы наземной станции для условий ясной погоды в соответствии с данными таблицы 13-10.
11. Расчет величины отношения принятой энергии сигнала, приходящейся на один бит данных, к спектральной плотности шума, Eb /No, для заданной скорости передачи данных. Для этого нужно воспользоваться уравнением 13-12.
12. Расчет величины отношения принятой энергии сигнала, приходящейся на один бит данных, к спектральной плотности шума, для достижения заданной скорости передачи данных с учетом выбранного вида модуляции и технологии кодирования сигнала. Для этого нужно воспользоваться рисунком 13-9. Для космического аппарата FireSat мы будем использовать двухпозиционную фазовую манипуляцию на линии «вниз» и сочетание двухпозиционной фазовой манипуляции поднесущей с фазовой модуляцией несущей частоты на линии «вверх» – см. таблицу 13-11.
13. Добавление 1 дБ или 2 дБ к теоретическому значению величины отношения принятой энергии сигнала, приходящейся на один бит данных, к спектральной плотности шума для учета потерь на аппаратурную реализацию канала связи.
14. Расчет энергетического запаса канала связи как разности между ожидаемым и требуемым значением величины отношения принятой энергии сигнала, приходящейся на один бит данных плюс величина потерь на аппаратурную реализацию канала связи.
15. Оценка уменьшения определенного выше энергетического запаса канала связи, обусловленного потерями на затухание радиоволн в дожде, используя рисунок 13-11 и уравнение 13-25.
16. Корректировка и согласование исходных данных для проектирования и повторное проведение расчета энергетического запаса канала связи. Итерации необходимо повторять до тех пор, пока запас не будет, по крайней мере, на 3 дБ больше, чем ожидаемые потери на затухание радиоволн в дожде, в зависимости от степени нашей уверенности в оценках параметров запаса.
17. Выбор мощности бортового передатчика космического аппарата, исходя из характеристик аппарата и возможностей по выделению потребляемой мощности для бортовой подсистемы связи.
18. Оценка потерь высокочастотной мощности в линиях между передатчиком и бортовыми антеннами космического аппарата (обычно эти потери составляют от -1 дБ до -3 дБ).
19. Определение, в соответствии с рекомендациями, приведенными в Главе 7, требуемой ширины диаграммы направленности бортовой передающей антенны космического аппарата, исходя из параметров его орбиты, точности стабилизации и размеров зоны обслуживания на поверхности Земли.
20. Оценка максимального угла между осью диаграммы направленности передающей антенны и линией визирования приемника, исходя из углового размера зоны обслуживания, погрешностей стабилизации космического аппарата и точности поддержания параметров его рабочей орбиты.
21. Расчет коэффициента усиления бортовой передающей антенны космического аппарата в направлении наземной станции с использованием уравнений 13-18 и 13-19. На данном этапе мы можем также проверить диаметр бортовой передающей антенны, используя для этого уравнение 13-17, чтобы убедиться, может ли такая антенна быть размещена на борту космического аппарата.
22. Расчет потерь мощности в космическом пространстве, используя уравнение 13-21. Величина указанных потерь определяется параметрами орбиты космического аппарата и местом расположения наземной станции.
23. Оценка потерь мощности на трассе распространения сигнала, связанных с поглощением радиоволн в атмосфере. Для этого используется уравнение 13-10, а зенитное ослабление сигнала делится на синус минимально угла возвышения линии визирования космического аппарата с наземной станции над плоскостью местного горизонта (обычно этот угол принимается равным 10 градусам). Потери на поглощение радиоволн в дожде учитываются позднее. Мы также можем добавить 0.3 дБ для учета несогласованности поляризации. Использование защитного обтекателя антенны наземной станции увеличивает потери мощности на трассе распространения сигнала, связанных с поглощением радиоволн в атмосфере, еще на 1 дБ.
24. Выбор диаметра антенны наземной станции и оценка погрешности ее наведения на космический аппарат. Если используется режим автосопровождения, погрешность наведения можно принять равной 10% от ширины диаграммы направленности антенны наземной станции, которая вычисляется в соответствии с уравнением 13-17.
25. Расчет коэффициента усиления приемной антенны наземной станции в направлении на космический аппарат. Для космического аппарата FireSat мы будем использовать коэффициент полезного действия антенны, h, равный 0.55.
26. Оценка шумовой температуры приемной системы наземной станции для условий ясной погоды в соответствии с данными таблицы 13-10.
27. Расчет величины отношения принятой энергии сигнала, приходящейся на один бит данных, к спектральной плотности шума, Eb /No, для заданной скорости передачи данных. Для этого нужно воспользоваться уравнением 13-12.
28. Расчет величины отношения принятой энергии сигнала, приходящейся на один бит данных, к спектральной плотности шума, для достижения заданной скорости передачи данных с учетом выбранного вида модуляции и технологии кодирования сигнала. Для этого нужно воспользоваться рисунком 13-9. Для космического аппарата FireSat мы будем использовать двухпозиционную фазовую манипуляцию на линии «вниз» и сочетание двухпозиционной фазовой манипуляции поднесущей с фазовой модуляцией несущей частоты на линии «вверх» – см. таблицу 13-11.
29. Добавление 1 дБ или 2 дБ к теоретическому значению величины отношения принятой энергии сигнала, приходящейся на один бит данных, к спектральной плотности шума для учета потерь на аппаратурную реализацию канала связи.
30. Расчет энергетического запаса канала связи как разности между ожидаемым и требуемым значением величины отношения принятой энергии сигнала, приходящейся на один бит данных плюс величина потерь на аппаратурную реализацию канала связи.
31. Оценка уменьшения определенного выше энергетического запаса канала связи, обусловленного потерями на затухание радиоволн в дожде, используя рисунок 13-11 и уравнение 13-25.
32. Корректировка и согласование исходных данных для проектирования и повторное проведение расчета энергетического запаса канала связи. Итерации необходимо повторять до тех пор, пока запас не будет, по крайней мере, на 3 дБ больше, чем ожидаемые потери на затухание радиоволн в дожде, в зависимости от степени нашей уверенности в оценках параметров запаса.

 

 

 

 

 

1.3. СВЧ тракт высотной стратосферной платформы

Структура СВЧ тракта

Принятый спутниковой антенной сигнал фокусируется в одну точку. Эту точку называют фокусной точкой или фокусом параболической антенны. Именно в нее и устанавливают приемник сигнала – принимающую головку.

В зависимости от типа крепления принимающие головки делятся на три группы:

• для прямофокусных антенн – головки с прямофокусным облучателем (рис. 1.7);
• для офсетных антенн – головки с офсетным облучателем (рис. 1.8);
• фланцевые головки, к которым присоединяется отдельный облучатель под любой тип антенн (рис. 1.9).

В приемном тракте между приемной антенной и кабелем снижения существуют три основных звена, объединенных в принимающую головку (рис. 1.10): облучатель; поляризатор; конвертер. В ряде случаев в эту цепочку включается деполяризатор. Рассмотрим их последовательно.

а)
б)
Рис. 1.10.	Приемный тракт антенны :  а – структурная схема; б – внешний вид

Комбинированный вариант, как правило, встречается с офсетным облучателем. Это связано с тем, что подобные конструкции ориентированы на использование в индивидуальных системах с небольшими офсетными антеннами.

Конвертеры ранее выпускались как отдельно (заканчивается прямоугольным фланцем), так и со встроенным поляризатором (заканчивается круглым фланцем). 
Но сейчас эти устройства монтируются с конвертером в единую конструкцию (заканчивается облучателем) и размещаются в фокусе антенны. В этом случае получается принимающая головка.

1.4. Облучатель

Устройство и принцип действия

Облучатель – слабонаправленная антенна, которая установлена в фокусе параболического отражателя, призванная передать принятую антенной энергию по волноводу к конвертеру.

Облучатель устанавливается до конвертера для более полного использования поверхности зеркала и реализации максимального коэффициента усиления антенны (рис. 1.11). Пример упрощенного облучателя С-диапазона приведен на рис. 1.12.

		
Рис. 1.11.	Принцип действия облучателя	Рис. 1.12.	Упрощенное представление облучателя С-диапазона

Рассмотрим принцип действия облучателя. Отраженный параболической антенной сигнал идет на облучатель. В его конструкции предусмотрены три металлических кольца для лучшей фокусировки электромагнитных волн и обеспечения более узкой диаграммы направленности антенны.