Построения радиорелейной линии передачи через спутниковые системы

  • Вид работы:
    Магистерская работа
  • Предмет:
    Информатика, ВТ, телекоммуникации
  • Язык:
    Русский
    ,
    Формат файла:
    MS Word
    2,94 Мб
  • Опубликовано:
    2015-07-10
Вы можете узнать стоимость помощи в написании студенческой работы.
Помощь в написании работы, которую точно примут!

Построения радиорелейной линии передачи через спутниковые системы


ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКЦИОНЕРНАЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНАЯ КОМПАНИЯ «УЗБЕКИСТОН ТЕМИР ЙУЛЛАРИ»

МИНИСТЕРСТВА ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО

СПЕЦИАЛЬНОГООБРАЗОВАНИЯ

ТАШКЕНТСКИЙ ИНСТИТУТ ИНЖЕНЕРОВЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГОТРАНСПОРТА

На правах рукописи

УДК 39.27 А36

Джалалов Азиз Комилжонович

Построения радиорелейной линии передачи через спутниковые системы связи

А311301- «Системы и устройства передачи информации»

Диссертация

на соискание академической степени

магистра

Научный руководитель

д.т.н., проф Арифджанов М.К.





Ташкент 2013

АННОТАЦИЯ

Ушбу ишда параболик антеннани геостационар спутникга, 11 ва 12 ГГц диапозондаги телевизион эшиттириш учун , аник йуналтиришни таъминлаш учун, индикатор 0,95...1,7 ГГц оралик частотада ишлайдиган , кириш сигнали 0,1…0,5 мв ни ташкил этади. Ер сунъий йулдоши сигналини кучайтириш коэффиценти 30…36 ДБ . Кириш каршилиги 75 Ом. Кучланиш манбаи 9…20 В . Ток 50 мА дан ортик эмас. ТВ ер сунъий йулдошига аввалдан йуналишини созлаш учун микроколькулятор учун дастур тузилган.

Диссертация ишининг тузилиши ва таркиби қуйидагилардан иборат: кириш қисми, уч бўлим, хулоса ва таклифлар, шу билан бирга фойдаланилган адабиётлар рўйхатидан иборат. Асосий қисм 90 бет ва 25 та расмдан иборат. Фойдаланилган адабиётлар 11 та ташкил этилди.

Илмий раҳбар _______ Арифджанов М.К

Магистратура талабаси ______ Джалалов А.К.

REPUBLIC OF UZBEKISTAN“UZBEK RAILWAYS”JOINT-STOCK RAILWAY COMPANYOF HIGHER AND SPECIAL EDUCATIONINSTITUTE OF RAILWAY ENGINEERING

: RTO and TL Graduate student: Djalalov A.K: EC and R Supervisor: Aripdjanov M.Kyear: 2011 - 2013 y Occupation: 5А311301 -Systems and devices of information transfers

ANNOTATION

work the device providing exact guidance of the parabolic antenna on geostationary satellites of a television broadcasting of ranges of 11 and 12 GHz is offered. The indicator works in the range of intermediate frequencies 0,95... 1,7 GHz at level of an entrance signal 0,1... 0,5 mV. Coefficient of strengthening of a signal of the microwave oven - 30... 36 dB. Entrance resistance - 75 Ohms. Supply voltage - +9... 20 Century. Consumed current - no more than 50 мА. The program to the microcalculator - for calculation of data of preliminary guidance of the reception antenna on TV the satellite is made.structure and scope of the thesis. Master's thesis consists of an introduction, three chapters, conclusions, applications and bibliography. The main text is presented on 90 typewritten pages and contains 25 figures. Bibliography includes 11 references.

Scientific Supervisor of ____________ Aripdjanov M.Kstudent of masters degree _______ Djalalov A.K

ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКЦИОНЕРНАЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНАЯ КОМПАНИЯ «ЎЗБЕКИСТОН ТЕМИР ЙЎЛЛАРИ»

МИНИСТЕРСТВА ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО

СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ТАШКЕНТСКИЙ ИНСТИТУТ ИНЖЕНЕРОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Факультет: ОП и ТЛ Студент магистратуры: Джалалов А.К.

Кафедра: Эл.связь и Радио Научный руководител: Арифджанов М.К

Учебный год: 2011- 2013 г.г.

Специальность: 5А311301-Системы и устройства передачи информации

АННОТАЦИЯ

В работе предложено устройство, обеспечивающее точное наведение параболической антенны на геостационарные спутники телевизионного вещания диапазонов 11 и 12 ГГц. Индикатор работает в интервале промежуточных частот 0,95...1,7 ГГц при уровне входного сигнала 0,1...0,5 мВ. Коэффициент усиления сигнала СВЧ - 30...36 дБ. Входное сопротивление - 75 Ом. Напряжение питания - +9...20 В. Потребляемый ток- не более 50 мА. Составлена программа к микрокалькулятору - для вычисления данных предварительного наведения приемной антенны на ТВ спутник.

Структура и объем диссертации. Магистерская диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и библиографического списка. Основной текст изложен на 90 машинописных страницах и содержит 25 рисунка. Библиографический список включает 11 наименований.

Научный руководитель __________ Арифджанов М.К

Студент магистратуры ___________ Джалалов А.К.

ВВЕДЕНИЕ

Сети связи представляют собой комплексы технических средств, которые обеспечивают обмен информацией по каналам связи между совокупностью территориально распределенных объектов и являются обобщением систем связи на случай большого количества отправителей и получателей информации. В настоящее время в мире создаются сети связи со сложной структурой, зависящей как от назначения и требуемых характеристик сети, так и от технических возможностей средств, используемых при их реализации. В общем случае сеть связи включает в себя узлы (абонентские и концентрации, коммутации, маршрутизации и ретрансляции информационных потоков) и каналы связи различного типа. В основе построения сетей связи лежит принцип пространственной коммутации каналов, сообщений или пакетов. В сетях, построенных по принципу коммутации каналов, отправитель предварительно посылает вызов, который, пройдя ряд коммутационных узлов, устанавливает сквозной канал (цепочку каналов связи и промежуточных узлов сети) между отправителем и получателем. Эта скоммутированная цепочка остается неизменной на все время соединения (сеанса связи). При коммутации сообщений каждое из них передается поэтапно от одного узла сети к другому по направлению к получателю, занимая каналы по маршруту следования поочередно на время прохождения этого сообщения. Узлы такой сети для промежуточного хранения данных должны иметь в своем составе буферные накопители, выполняющие роль согласующих по скорости поступления информационных потоков и скорости передачи информации по каналу связи устройств. При коммутации пакетов осуществляется передача по сети пакетов фиксированного объема, на которые предварительно фрагментируется каждое сообщение, а переданное сообщение регенерируется из принятых пакетов в узле-получателе.

История коммерческих спутниковых сетей связи (ССС) началась в апреле 1965 г. с выводом на орбиту впервые в мире гражданского спутника связи INTELSAT-1 (другое название EARLY BIRD), ставшего первым спутником- ретранслятором (СР) международной организации Intelsat (International Telecommunications Satellite Organization), учрежденной в августе 1964 г. [1].

Концепция спутниковой связи проста и заключается в том, что промежуточный ретранслятор радиосети связи устанавливается на борту искусственного спутника Земли (ИСЗ), который движется по орбите почти без затрат энергии на это движение. На практике незначительные энергозатраты обычно необходимы лишь для коррекции параметров орбиты СР, которые могут меняться под влиянием различных дестабилизирующих факторов. Энергообеспечение бортового ретрансляционного комплекса (БРТК) осуществляется от солнечных батарей (СБ) и подзаряжаемых от СБ аккумуляторов, которые питают бортовую аппаратуру в периоды затенения Солнца Землей. Срок службы современных СР составляет 5-15 лет. Находясь на достаточно высокой орбите, единственный СР способен предоставить информационные услуги пользователям, размещенным на огромной территории диаметром от 1,5-2 тыс. км до примерно 16 тыс. км. Под областью обслуживания ССС будем понимать часть земной поверхности и околоземного пространства между любой парой точек, которой возможна передача информации с заданной скоростью и качеством. «Геометрия» области обслуживания определяется не только параметрами орбиты ретранслятора и характеристиками БРТК, но и характеристиками используемых земных станций (ЗС), а также требованиями к пропускной способности каналов связи и качеству передачи информации. Если необходимые размеры области обслуживания велики настолько, что не могут быть покрыты одним ретранслятором, то используют орбитальную группировку, состоящую из нескольких ретрансляторов, каждый из которых обслуживает часть (зону) области обслуживания.

Актуальность темы: Концепция спутниковой связи проста и заключается в том, что промежуточный ретранслятор радиосети связи устанавливается на борту искусственного спутника Земли (ИСЗ), который движется по орбите почти без затрат энергии на это движение. На практике незначительные энергозатраты обычно необходимы лишь для коррекции параметров орбиты СР, которые могут меняться под влиянием различных дестабилизирующих факторов. Энергообеспечение бортового ретрансляционного комплекса (БРТК) осуществляется от солнечных батарей (СБ) и подзаряжаемых от СБ аккумуляторов, которые питают бортовую аппаратуру в периоды затенения Солнца Землей. Срок службы современных СР составляет 5-15 лет. Находясь на достаточно высокой орбите, единственный СР способен предоставить информационные услуги пользователям, размещенным на огромной территории диаметром от 1,5-2 тыс. км до примерно 16 тыс. км. Поэтому, построение радиорелейних и спутниковых линий передачи являются актуальными.

Цели, задачи и степень разработанности проблемы: Целью работы является составление программы к микрокалькулятору - для вычисления данных предварительного наведения приемной антенны на ТВ спутник:

Для этого предлагается воспользоваться микрокалькулятором типа Электроника МК.61». В ряде случаев вполне подойдет и «Электроника МК52». Так как, программа для обоих относительно проста. Она содержит всего-навсего 48 шагов.

Предложено устройство, обеспечивающее точное наведение параболической антенны на геостационарные спутники телевизионного вещания диапазонов 11 и 12 ГГц. Индикатор работает в интервале промежуточных частот 0,95...1,7 ГГц при уровне входного сигнала 0,1...0,5 мВ. Коэффициент усиления сигнала СВЧ - 30...36 дБ. Входное сопротивление - 75 Ом. Напряжение питания - +9...20 В. Потребляемый ток- не более 50 мА.

Объект исследования: Индикатор наведения на частоту промежуточных частот 0,95...1,7 ГГц, ССС.

Научная новизна: Научной новизной является быстрота расчета и точность. Для этого составлена нами программа к микрокалькулятору - для вычисления данных предварительного наведения приемной антенны на ТВ спутник.

Практическая значимость: Низкие характеристики ретрансляторов приходилось компенсировать высокими характеристиками земных станций. В результате ЗС оказывались чрезвычайно громоздкими и дорогими сооружениями. Возможность спутникового радиоканала обеспечивать связь между точками земной поверхности, удаленными друг от друга на огромные расстояния, без прокладки между этими точками специальной физической среды для распространения сигналов предопределила основные направления практического использования.

Краткое содержание глав: В данной магистерской диссертационной работе в первой главе рассмотрены вопросы обзора и анализ радиорелейных спутниковых систем связи.

Во второй главе рассмотрены вопросы шумов и помехи, элементы проектирования РРЛ.

В третьей главе рассмотрены симплексные, каскадные и турбокоды применяемые в ССС.

Вклад автора в исследование проблемы: Вкладом автора работы является увеличение скорости и обеспечивающее точное наведение параболической антенны на геостационарные спутники телевизионного вещания диапазонов 11 и 12 ГГц. Разработанный индикатор работает в интервале промежуточных частот 0,95...1,7 ГГц при уровне входного сигнала 0,1...0,5 мВ. Коэффициент усиления сигнала СВЧ - 30...36 дБ.

Публикации и апробация работы: В ходе работы над диссертацией опубликованы следующие работы, после обсуждения на конференциях:

. Джалалов А.К. Установка азимута и угла для предварительного наведения приемной антенны на геостационарный спутник. «Диссертация устида иш якунлари бўйича магистратура талабаларининг илмий - амалий конференцияси материаллари» © Тошкент темир йўл муҳандислари институти (ТошТЙМИ), 2012 й.

. Джалалов А.К. Разработка индикатора наведения антенны на спутник. “Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте”. © Ташкентский институт инженеров железнодорожного транспорта (ТашИИТ), 2012.

. Джалалов А.К. “Махсус фанларни ўқитиш методикаси” ўқув фанининг мақсад ва вазифалари. «Илмий - педагогик ишларининг долзарб магистратура талабалари, стажер-тадқиқотчи-изланувчиларнинг институтлараро тўққизинчи илмий-услубий конференцияси материаллари». © Тошкент темир йўл муҳандислари институти (ТошТЙМИ), 2012 й.

4. Джалалов А.К. Дискремблер кодированных спутниковых телеканалов.

1. ОБЗОР И АНАЛИЗ РАДИОРЕЛЕЙНЫХ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ

1.1 Обзор и анализ спутниковых систем связи

ССС различного назначения могут отличаться друг от друга по целому ряду классификационных признаков, основными из которых являются:

•              характеристики области обслуживания;

•              преобладающее направление информационных потоков в сети;

•              тип орбитальной группировки ретрансляторов;

•              диапазоны используемых частот;

•              назначение ССС и тип используемых станций.

По охватываемой территории, административной структуре управления и принадлежности космического и наземного сегментов сети связи можно выделить:

•              глобальные ССС, обеспечивающие полный охват территории Земли и развивающиеся под управлением и при координации международных организаций, объединяющих большинство стран мира;

•              интернациональные ССС, являющиеся объектом совместной деятельности нескольких десятков стран, в том числе региональные ССС, совместно используемые странами, расположенными в относительном соседстве друг с другом и принадлежащими одному географическому региону;

•              национальные ССС, наземный сегмент которых сосредоточен в пределах одной страны;

•              корпоративные (ведомственные) ССС, наземный сегмент которых принадлежит одному ведомству, крупной частной компании и т.д., а назначение сетей состоит в обеспечении обмена деловой информацией и данными в интересах организации-владельца или арендатора сети. Корпоративные сети строятся преимущественно на основе ЗС типа VSAT (Very Small Aperture Terminal) и долговременной аренды части связных ресурсов коммерческих СР общего пользования.

По превалирующему направлению передачи информационных потоков в ССС различают:

•              сети сбора информации, в которых информация передается от многочисленных источников (датчиков) в один или несколько центров сбора и обработки информации;

•              сети распределения информации, для которых характерна передача трафика от небольшого числа центральных распределительных станций к многочисленным потребителям информации. В обратном направлении может передаваться лишь незначительный объем запросной информации. Для сетей распределения информации характерно наличие режимов многоадресной и широковещательной передачи;

•              сети обмена информацией характеризуются тем, что в них ЗС являются в примерно равной степени источниками и потребителями циркулирующих в сети информационных потоков.

В простейших предпосылках (Земля имеет форму идеального шара, а на ИСЗ действует только гравитационное поле Земли) движение спутника по околоземной орбите подчиняется законам Кеплера. Плоскость орбиты неподвижна во времени и проходит через центр Земли, а орбита имеет форму эллипса, в одном из фокусов которого расположена Земля. Точка пересечения линии, соединяющей ИСЗ и центр Земли, с поверхностью земного шара называется подспутниковой точкой. Высота эллиптической орбиты h (расстояние между ИСЗ и его подспутниковой точкой) меняется во времени с периодом, равным времени обращения спутника по орбите. Максимальное значение высоты орбиты называется высотой в точке апогея, а минимальное - высотой в точке перигея. Другими важными параметрами, характеризующими околоземную орбиту спутника связи, являются:

•              угол наклонения плоскости орбиты i - угол между плоскостью экватора Земли и плоскостью орбиты, отсчитываемый от плоскости экватора в направлении на север. По этому параметру различают экваториальные (i = 0), полярные (i = 90°) и наклонные (0 < i < 90°, 90° < i < 180°) орбиты. Если 0 < i < 90°, говорят, что спутник запущен в восточном направлении, если же 90° < i < 180° - в западном. Спутники связи запускаются исключительно в восточном направлении, поскольку их запуск в западном имеет только отрицательные стороны: возрастает скорость перемещения спутника относительно земной поверхности, а для вывода на орбиту требуется более мощный носитель;

•     долгота восходящего узла - долгота точки пересечения траектории подспутниковой точки с линией экватора при движении спутника с юга на север.

•     эксцентриситет орбиты, равный е = v 1 - b / а , где а и b соответственно большая и малая полуоси эллипса орбиты. Величина эксцентриситета может принимать значения в диапазоне 0 < е < 1. Чем больше эксцентриситет, тем более «узкой и вытянутой» является орбита спутника. При е = 0 эллиптическая орбита вырождается в круговую с постоянной высотой /г;

•              время обращения спутника по орбите (время вращения спутника) - интервал времени между соседними прохождениями спутником одной и той же точки орбиты.

При построении ССС могут быть использованы следующие типы орбит:

•     геостационарная орбита {GEO - Geostationary Earth Orbit};

•              низкие круговые орбиты {LEO - Low Earth Orbit};

•     средневысотные круговые орбиты {МЕО - Medium Earth Orbit};

•     эллиптические околоземные {ЕЕО - Elliptical Earth Orbit}.

Геостационарные СР выводятся в восточном направлении на круговую орбиту с нулевым наклонением (в экваториальную плоскость) и высотой над поверхностью Земли h = 35875 км. Эта орбита характеризуется тем, что угловая скорость спутника совпадает по величине и направлению с угловой скоростью вращения Земли и теоретически ГСР является неподвижным относительно точки экватора (подспутниковой точки), над которой размещается ретранслятор. Вследствие этого данная орбита получила специальное название - геостационарная орбита (ГО). Геостационарную орбиту часто называют орбитой Кларка в честь известного английского писателя-фантаста, впервые опубликовавшего идею об использовании трех ГСР, разнесенных на угол 120°, для создания глобальной сети связи еще в 1945 году. Единственным значащим параметром геостационарной орбиты является долгота подспутниковой точки ГСР.

Подавляющая часть существующих ССС использует для размещения СР геостационарную орбиту, основными достоинствами которой являются возможность непрерывной круглосуточной связи и практически полное отсутствие доплеровского сдвига частоты. Вследствие этого при достижимых на сегодняшний день точностях удержания СР в рабочей точке на орбите и систем ориентации бортовых антенн на ЗС нет необходимости использовать достаточно сложные и дорогие следящие системы наведения антенн. Это существенно снижает стоимость наземного сегмента ССС и затраты на его эксплуатацию.

Число спутников-ретрансляторов на геостационарной орбите ограничивается международными нормами. В частности, эти ограничения определяют величину минимального углового разноса ретрансляторов. Для обеспечения приемлемой электромагнитной совместимости разных ССС угловой разнос ГСР на орбите должен быть не меньше одного градуса. Геостационарная орбита близка к насыщению. В 2000-м году общее число действующих коммерческих ГСР превысило две сотни, а их результирующая полоса пропускания составила более 200 ГГц. В связи с этим наблюдается тенденция к переходу от количественного развития ГСР к качественному путем наращивания пропускной способности каждого ретранслятора с целью максимально эффективного использования выделенных позиций на геостационарной орбите.

Низкоорбитальные ретрансляторы размещаются на круговых орбитах высотой от 700 до 1500 км. Чем ниже орбита, тем меньше область обслуживания каждого СР. Поэтому для обслуживания достаточно больших территорий земной поверхности требуется много спутников - от нескольких десятков до нескольких сотен. Период обращения ретрансляторов на низких орбитах составляет 90-120 минут, а максимальное время видимости спутника из фиксированной точки земной поверхности не превышает 10-15 минут. Не слишком приятной особенностью низкоорбитальных группировок ретрансляторов является то, что они действуют по принципу «всё или ничего», в том смысле, что, если от них требуется обслуживание какой-либо области земной поверхности, они в состоянии также обслужить почти любую другую аналогичную область, если даже этого от них вовсе не требуется. Поэтому при построении региональных ССС связные ресурсы низкоорбитальных группировок используются неэффективно, а областью их применения являются глобальные (или почти глобальные) спутниковые сети связи.

Возможные трассы средневысотных спутников выбираются на высотах от 5 до 15 тыс. км. Область обслуживания каждого средневысотного СР существенно меньше, чем геостационарного, поэтому для охвата наиболее населенных районов суши и судоходных акваторий океанов необходимо создавать группировки из 8-12 спутников. Суммарная (в обе стороны) задержка сигнала при связи через средневысотные ретрансляторы не превышает 200 мс, что позволяет использовать их для качественной радиотелефонной связи. Продолжительность пребывания СР в зоне радиовидимости ЗС составляет 1,5-2 часа, а орбитальный ресурс средневысотных спутников лишь незначительно меньше, чем у геостационарных. Период обращения спутника вокруг Земли выбирается равным 6 часов (при высоте орбиты 10350 км). Это приводит к повторению траектории подспутниковой точки через каждые 4 витка орбиты, что значительно упрощает процесс информационного обслуживания пользователей.

Для спутников на эллиптической орбите характерно то, что в силу закона сохранения энергии их угловая скорость в апогее значительно меньше, чем в перигее. Поэтому СР будет находиться в зоне видимости определенного региона в течение более длительного времени, чем негеостационарный спутник, орбита которого является круговой. Например, спутник-ретранслятор, выведенный на орбиту типа «Молния» (апогей 40 тыс. км, перигей 460 км, наклонение 63,4 градуса), обеспечит сеансы связи с продолжительностью 8-10 часов. Орбитальная группировка всего из трех таких спутников позволяет обеспечить глобальную круглосуточную связь.

ССС работают в диапазоне частот от нескольких сотен МГц до нескольких десятков ГГц в специально выделенных Регламентом радиосвязи участках спектра. Применительно к ССС «прижились» и широко используются условные буквенные обозначения диапазонов частот, введенные из соображений секретности еще в годы Второй мировой войны: 1-диапазон (0,5-1,5 ГГц), 5-диа- пазон (1,5-2,5) ГГц, С-диапазон (4-8 ГГц), iCw-диапазон (12-18 ГГц), Ка- диапазон (20-40 ГГц) и Q/V-диапазон (40-74 ГГц). Изначально буквенное обозначение - if-диапазон было присвоено полосе частот 18-27 ГГц. Однако обнаружение значительного поглощения радиосигналов в атмосфере Земли на частоте 22,3 ГГц, обусловленного резонансными явлениями в молекулах водяного пара, исключило возможность использования частот вблизи этого резонанса. В результате были введены обозначения йг-диапазон (К - under; диапазон под диапазоном К) и /Ся-диапазон (К - above, диапазон над диапазоном К). Распространены также и цифровые обозначения используемых в ССС диапазонов частот, представляющие средние округленные значения частот приёма/передачи спутником-ретранслятором. Так, С-диапазону соответствует диапазон 6/4 ГГц (рабочая частота радиолиний «вверх» около 6 ГГц, а «вниз» - 4 ГГц), ^-диапазону - 14/12 ГГц, ifa-диапазону 30/20 ГГц, а Q/V-диапазону - 50/40 ГГц.

На начальной стадии развития ССС предпочтение отдавалось L-, S- и С-диапазонам, соответствующим «радиоокну прозрачности» земной атмосферы, расположенному ориентировочно в пределах от 1 ГГц до 10 ГГц. Однако L- и S-диапазоны уже были основательно заняты другими радиослужбами, поэтому для нужд спутниковой связи в этих диапазонах были выделены полосы частот, не превышающие в сумме нескольких десятков МГц, что не позволяло достичь необходимой пропускной способности ССС. Поэтому первым выбором стал С-диапазон, который достаточно широко используется и до настоящего времени. Недостатком диапазона 6/4 ГГц является возможность создания взаимных помех между ССС и наземными радиорелейными линиями связи. По этой причине, в частности, была достаточно жестко регламентирована плотность потока мощности радиосигналов СР у земной поверхности. По мере постепенного насыщения С-диапазона и прогресса в области производства СВЧ-компонентов радиоэлектронной аппаратуры началось освоение Кг/-диапазона. В этом диапазоне можно использовать антенны меньших размеров, лучше условия электромагнитной совместимости с другими радиослужбами, но проявляется, хотя и не в очень сильной степени, влияние состояния земной атмосферы на поглощение и рассеяние радиосигналов, что требует определенного энергетического запаса радиолиний связи. Тем не менее Ku-диапазон давно апробирован на практике, технология производства аппаратуры отработана и в настоящее время диапазон 14/12 ГГц используется большинством из действующих СР. В последние годы идет достаточно интенсивная подготовка к использованию Ка- и Q/V-диапазонов. В таблице 1 показана динамика изменения степени использования различных диапазонов частот коммерческими геостационарными спутниками связи (в процентном отношении).

Существует разделение спутниковых служб связи по назначению сети и типу земных станций, введенное Регламентом радиосвязи:

•        фиксированная спутниковая служба - ФСС {FSS - Fixed Satellite Service};

•        подвижная спутниковая служба - ПСС {MSS - Mobile Satellite Service};

Таблица 1. Динамика изменения степени использования диапазонов частот в ССС (в процентах)

Год Диапазон

1998

2001

2004 (прогноз)

С

40

35

30

Ки

59

64

53

Ка

1

1

17


•              широковещательная спутниковая служба - ШСС {BSS - Broadcast Satellite Service}.

Сети ФСС предназначены для обеспечения связи между стационарными станциями, организации магистральных каналов большой протяженности и региональной (зоновой) связи, построения корпоративных сетей. Услуги ФСС предоставляют пять крупных международных организаций и около 50 региональных и национальных компаний. К наиболее значительным коммерческим системам фиксированной службы относятся Intelsat, Intersputnik, Eutelsat, Arab- sat и AsiaSat. Наиболее мощной является международная система Intelsat, орбитальная группировка которой охватывает четыре основных региона обслуживания - Атлантический, Индийский, Азиатско-Тихоокеанский и Тихоокеанский. В настоящее время пропускная способность каждого из 25 СР этой системы составляет от 12 до 35 тыс. телефонных каналов, а наземный сегмент включает в себя около 800 крупных станций, размещенных в 170 странах мира .

Сети ПСС появились около 30 лет назад. В зависимости от типа станции они подразделяются на морскую - МПСС {MMSS - Maritime Mobile Satellite Service}, воздушную ВПСС {AMSS - Airborne Mobile Satellite Service} и сухопутную - СПСС {LMSS - Land Mobile Satellite Service}. Первая глобальная сеть мобильной радиотелефонной связи и геостационарный СР Marisat разработаны компанией Comsat в середине 70-х годов, то есть значительно позднее, чем системы ФСС. Это было связано с тем, что энерговооруженность подвижных объектов существенно ниже, чем стационарных, а также с более сложными условиями эксплуатации этих объектов.

Первоначально подвижные наземные станции разрабатывались для систем в основном военного назначения. Сети подвижной службы первого поколения строились с использованием геостационарных СР и имели низкую пропускную способность. Для передачи информации применялись аналоговые методы модуляции.

Широковещательная спутниковая служба предназначена для приема телевизионных и радиовещательных программ и является главной службой систем непосредственного телевизионного вещания (НТВ), спутникового телевизионного вещания и спутникового непосредственного радиовещания. Все системы телерадиовещания строятся на базе спутников на геостационарной орбите. В этой области телекоммуникаций, где основное требование к системе - сплошное покрытие обслуживаемых территорий, преимущества ГССС перед другими средствами связи проявляются в наибольшей степени.

Примеры ССС различных спутниковых служб приведены в таблице 2.

С позиций сегодняшнего дня ССС первых поколений были весьма далеки от совершенства. С использованием элементной и компонентной базы тех лет невозможно было создать мощные и надежные бортовые передатчики и чувствительные малошумящие приемники. К тому же скромные возможности средств доставки спутников связи на орбиту жестко ограничивали массогабаритные характеристики как ИСЗ в целом, так и бортовой ретрансляционной аппаратуры. Низкие характеристики ретрансляторов приходилось компенсировать высокими характеристиками земных станций. В результате ЗС оказывались чрезвычайно громоздкими и дорогими сооружениями. Возможность спутникового радиоканала обеспечивать связь между точками земной поверхности, удаленными друг от друга на огромные расстояния, без прокладки между этими точками специальной физической среды для распространения сигналов предопределила основные направления практического использования первых поколений ССС - распределение радио- и телевизионных программ и телефония.

Спутниковая сеть распределения телевизионных программ одной из первых в мире была развернута в бывшем СССР с его огромной территорией и жестко централизованной структурой телевещания. Несколько десятков приемных станций сети «Орбита» были оснащены следящими антенными системами диаметром около 12 метров, а для размещения приемного оборудования требовалось специально построенное здание. На первых фазах своего развития международная ССС Intelsat обеспечивала межконтинентальную и межрегиональную передачу международного телефонного трафика и обмен телевизионными программами. На более чем двухстах ЗС этой сети использовались антенны диаметром до 30 метров.

Очевидно, что с экономической точки зрения с учетом того, что практически в любой ССС число ЗС намного больше числа ретрансляторов, выгодно иметь в составе сети один или несколько мощных, чувствительных и, соответственно, дорогих СР и большое количество простых и дешевых ЗС. Эволюция ССС с момента начала их практического использования идет по пути улучшения характеристик ретрансляторов и одновременного упрощения ЗС.

Скорость движения в этом направлении во многом определяется прогрессом в областях науки, техники и технологии, способствующих развитию средств космической связи.

радиорелейный связь антенна спутник

1.2 Установка азимута и угла для предварительного наведения приёмной антенны на геостационарный спутник

Из литературы [1; 2] известно, что данные для наведения приемной антенны на геостационарный спутник - азимут и угол места (рис.1.1) можно определить по следующим формулам:

                                                     (1)

гдe: р - географическая долгота подспутниковой точки, то есть позиция спутника на геостационарной орбите;

r, r - географические долгота и, соответственно, широта точки приема.

Рис.1.1 Установка азимута и угла для предварительного наведения приемной антенны на ТВ спутник

Целью работы является ускорения расчетов и исключения ошибок. Для этого предлагаем воспользоваться микрокалькулятором типа Электроника МК.61». В ряде случаев вполне подойдет и «Электроника МК52». Тем более, что программа для обоих относительно проста. Она содержит всего-навсего 48 шагов и для удобства сведена в таблицу (см. таблицу 2).

Составленная нами программа к микрокалькулятору - для вычисления данных предварительного наведения приемной антенны на ТВ спутник:

Таблица 2

00 П→х1     13 П→х8      26 Fx2           39 П→хa

K+           14 FSin         27 x→ Пc     40 x

x→П       15 ÷               28 П→x8      41 1

П→x2     16Ftg-1          29 FCos         42 →

K+           17 K6            30 x→Пe      43 - 

x→П7     18 П→x5      31 Fx2              44 F√

П→x3     19 +              32 x→Пa       45 ÷

K+           20 С/П          33 П→хе      46 Ftg-1

х→ П8    21 П→х7      34 П→х9      47 К6

→х7        22 П→х6      35 х               48 С/П

П→х6     23 -               36 П→х4

-              24 FCos         37  -

Ftg          25 x→П9      39 П→хс

Перед вычислениями в регистры памяти микрокалькулятора необходимо ввести исходные данные:

1→λρ ; RG2→λr ; RG3→ψr ; RG4→0.1513; RG5→180.

Причем первые три величины должны быть выражены в градусах и минутах, а не долях градуса.

Кроме того, рекомендуется определять r и r с точностью не ниже 30'. В качестве примера приведем расчет установки антенны для приема телевизионных сигналов со спутника EUTELSAT II F1 (р = 13° в.д.) .

По топографической карте или из справочников находим широту и долготу: r = 50°30' и r = 30°30'. Введя все это в программу, осуществляем переход микрокалькулятора в режим вычисления, для чего нажимаем на клавиши В/О и С/П. Первым высвечивается значение азимута (202,13545), то есть примерно 202°14'. Затем вновь нажимаем клавишу С/П. На индикаторе высвечивается уже значение угла места (29,481648). Полученную величину округляем до 29°48'.Суммарное время выполнения программы - около 20 с.

Научной новизной является быстрота расчета и точность.

Практической значимостью данной работы является возможность широкого применения при предварительном наведении антенны на спутник.

Окончательную же юстировку рекомендуется проводить по качеству принимаемого сигнала.

Еще до работы с установкой для приема спутникового телевизионного вещания необходимо ее параболическую антенну точно ориентировать на спутник, юстировать и фокусировать. Чтобы облегчить эти процессы, нужен относительно простой прибор, который позволил бы это делать рядом с антенной. В дальнейшем прибор можно было бы использовать при работе с установкой для точного наведения антенны на спутники.

Предлагаемое для устройство обеспечивает точное наведение параболической антенны на геостационарные спутники телевизионного вещания диапазонов 11 и 12 ГГц.

Индикатор работает в интервале промежуточных частот 0,95...1,7 ГГц при уровне входного сигнала 0,1...0,5 мВ. Коэффициент усиления сигнала СВЧ - 30...36 дБ. Входное сопротивление - 75 Ом. Напряжение питания - +9...20 В. Потребляемый ток- не более 50 мА.

При использовании индикатора на работающей системе приема спутникового телевидения юстировки антенны при наведении ее на спутник и фокусировки добиваются по максимуму показаний стрелочного прибора.

1.3 Индикатор наведения антенны на спутник

До работы с установкой для приема спутникового телевизионного вещания необходимо ее параболическую антенну точно ориентировать на спутник, юстировать и фокусировать. Чтобы облегчить эти процессы, нужен относительно простой прибор, который позволил бы это делать рядом с антенной. В дальнейшем прибор можно было бы использовать при работе с установкой для точного наведения антенны на спутники. Ниже мы предлагаем описание такого разработанного прибора, который можно питать как от батареи элементов, или аккумуляторов, так и по кабелю, соединяющему конвертер СВЧ с тюнером.

Предлагаемое устройство обеспечивает точное наведение параболической антенны на геостационарные спутники телевизионного вещания диапазонов 11 и 12 ГГц. Индикатор работает в интервале промежуточных частот 0,95...1,7 ГГц при уровне входного сигнала 0,1...0,5 мВ. Коэффициент усиления сигнала СВЧ - 30...36 дБ. Входное сопротивление - 75 Ом. Напряжение питания - +9...20 В. Потребляемый ток- не более 50 мА.

Для ориентирования антенны на спутник индикатор, принципиальная схема которого изображена на рис.1.2., включают между конвертором СВЧ и тюнером. При этом на него и на конвертер поступает одно и то же напряжение питания с тюнера. Другой вариант предполагает подачу напряжения питания +12 В от аккумуляторной батареи или батареи элементов через дроссель индуктивностью 100 мкГн на разъем XW2. При этом к кабелю, по которому подводят напряжение питания, должен быть подключен через конденсатор емкостью 1000 пф резистор сопротивлением 75Ом. К коллектору транзистора VT6 подсоединен амплитудный детектор на диоде VD5 с фильтром R18 C17. Продетектированный сигнал усиливается усилителем постоянного тока на ОУ DA1. Его коэффициент усиления по напряжению равен 100. К выходу ОУ подключен стрелочный индикатор, показывающий уровень входного сигнала. Построечным резистором R26 балансируют ОУ так, чтобы компенсировать начальное напряжение смещения самого ОУ и шумы конвертера СВЧ. На микросхеме DD1. транзисторах VT4, VT5 и диодах VD3, VD4 собран преобразователь напряжения для питания ОУ. На элементах DD1.1, DD1.2 выполнен задающий генератор, вырабатывающий прямоугольные импульсы с частотой следования около 4 кГц. Транзисторы VT4 и VT5 обеспечивают усиление по мощности этих импульсов. На диодах VD1, VD4 и конденсаторах С13, С14 собран умножитель напряжения. В результате на конденсаторе С14 формируется отрицательное напряжение -12 В при напряжении питания конвертера +15 В. Напряжения питания ОУ стабилизированы на уровне 6,8 В стабилитронами VD2 и VD6.

Усилитель СВЧ выполнен навесным монтажом. В качестве точек монтажа использованы опорные конденсаторы С4, С5, С8-С10, С12, С15, С16. Линии L1-L4 представляют собой отрезки медного посеребренного провода длиной 13 и диаметром 0,6 мм, которые впаяны в боковую стенку латунного экрана и на высоте 2,5 мм над платой. Все дроссели - бескаркасные с внутренним диаметром 2 мм, намотаны проводом ПЭЛ 0,2. Отрезки провода для намотки имеют длину 80 мм. Входным разъемом XW1 служит кабельный (75 Ом) разъем С(Г). К выходу устройства подключен выходной разъем от неисправного конвертера СВЧ.

Рис.1.2 Принципиальная схема индикатора

В устройстве применены постоянные резисторы МЛТ и построечные СП5-1ВА, конденсаторы КД1 (С4, С5, С8-С10, С12, С15, С16) диаметром 5 мм с отпаянными выводами и КМ, КТ (остальные). Оксидные конденсаторы К53. Индикатор с током полного отклонения 0,5...1 мА - от любого магнитофона. Вместо транзисторов КТ3123АМ (VT1-VT3, VT6) могут быть применены КТ3123БМ, КТ3123ВМ или КТ3101АМ, КТ3115А-2, КТ391А-2. При замене транзисторов структуры p-n-р на транзисторы структуры n-p-n перемычка между выводом катода диода VD1 и конденсатором С5 (рис. 1.3) должна быть снята и на конденсатор С5 должно быть подано напряжение с минусового вывода конденсатора С14. Транзисторы VT4 и VT5 а этом случае должны быть КТ3102ВМ и КТ3107В соответственно, а сопротивления резисторов R12 и R14 уменьшены до 30 Ом.

Рис.1.3 Монтажная плата индикатора

Микросхему К561ЛА7 можно заменить на К176ЛА7 или К1561ЛА7, К553УД2 на К153УД2 или КР140УД6, КР140УД7.

Налаживание устройства начинают с проверки цепей питания. Временно отпаивают резисторы R9 и R21. После подачи положительного напряжения питания +12 В измеряют напряжение на конденсаторе С14, которое должно быть не менее - 10 В. В ином случае по осциллографу убеждаются а наличии переменного напряжения на выводах 4 и 10 (11) микросхемы DD1. Если напряжение отсутствует, убеждаются в исправности микросхемы и правильности монтажа. Если переменное напряжение присутствует, проверяют исправность транзисторов VT4, VT5, диодов VD3, VD4 и конденсаторов С13, С14. После налаживания преобразователя напряжения припаивают резисторы R9, R21 и проверяют напряжение на выходе ОУ и добиваются нуля подстройкой резистора R26. Значения напряжений на эмиттерах транзисторов усилителя СВЧ указаны на схеме, при необходимости подбирают резисторы базовых делителей. После этого на вход устройства подают сигнал напряжением 100 мкВ, частотой 1,25 ГГц с генератора СВЧ. Резистором R24 добиваются полного отклонения стрелки индикатора РА1.

Дискремблер кодированных спутниковых телеканалов.

Для реализации достаточно надежной зашиты от несанкционированного просмотра программ, используется многовариантная адресная система кодирования, разработанная в России и используемая многими коммерческими студиями телевидения. Визуально у кодированной программы отсутствует строчечная и кадровая синхронизация. При просмотре полного телевизионного сигнала при помощи осциллоскопа удалось обнаружить, что в кодированном сигнале отсутствуют кадровые синхроимпульсы, а вместо строчечных импульсов передаются импульсы синхронизации, показанные на рис.1.4.

Количество строк, в течение которых передаются сигналы рис.1.4.(а) и рис.1.4.(б), периодически изменяется и это является одним из вариантов кодирования. Меняется также и длительность импульсов высокого уровня (75% уровня белого), изображенных на рис.1 пунктирной линией. Адрес абонента и информация о способе кодирования передается в течение 1 мкс в конце каждой строки. Однако, разработчики описываемой системы кодирования телевизионных программ допустили некоторые оплошности, которые позволяют легко сделать дискремблер, способный преобразовывать кодированную программу в стандартный полный цветной телевизионный сигнал (ПЦТС) при использовании на передающей стороне любого из заложенных в системе способа кодирования. Изготовить такой дискремблер можно, используя то обстоятельство, что положение места перехода с импульсов низкого уровня (уровень ниже черного) на импульсы высокого уровня (рис.1.4) является постоянным во времени и совпадает с началом строчечных синхроимпульсов. Кадровые синхроимпульсы можно получить, ведя счет количества переданных строк.

А

Б

Рис.1.4 ТВ сигнал

Кадровая синхронизация осуществляется с помощью подсчета числа строк. Для этого удобно использовать напряжение накала кинескопа (ЭЛТ). (Практически во всех современных телевизорах напряжение накала на кинескоп подается с трансформатора строчечной развертки и содержит высшие гармонические составляющие, которые необходимы для работы дискремблера.) На транзисторе VT1 и колебательном контуре L1, C2 происходит выделение второй гармоники строчечной частоты. После инвертирования на элементе DD3.1 удвоенная частота строчечной развертки приходит на счетный вход микросхемы DD5.

Элементы DD3.2, DD3.3, DD3.4, DD4 служат для формирования импульсов кадровой синхронизации, которые появляются на выходе элемента DD4.2, и сброса счетчика DD5. Кнопка S1 предназначена для подстройки фазы импульсов кадровой синхронизации. Таким образом, на один из входов элемента DD2.3 приходят импульсы кадровой частоты длительностью 288 мкс (4,5 строки). Другой вход элемента DD2.3 подключен к конденсатору С10, который заряжается импульсами строчечной синхронизации, в случае приема кодированного сигнала. При приеме обычных телепрограмм напряжение на входе 9 элемента DD2.3 соответствует логическому нулю, и работа дискремблера автоматически прекращается. Итак, при приеме кодированных программ, после инвертирования транзистором VT6, импульсы кадровой синхронизации попадают на вход элемента DD2.4, который, совместно с элементами VD8, R25, C11 и DD1.6, выполняет функцию их "нарезки" (рис.1.5.).

Рис.1.5 "Нарезка" кадровых синхроимпульсов

"Нарезка" кадровых синхроимпульсов необходима для обеспечения строчечной синхронизации во время прохождения кадровых синхроимпульсов. После этого кадровые синхроимпульсы тем же способом, что и строчечные врезаются в ПЦТС. Внешний вид декодированного сигнала показан на рис.1.6.

Конструкция и детали. Все резисторы, использованные в дискремблере, рассчитаны на мощность 0.125 Вт. Исключением является R26, который должен обеспечивать рассеивание мощности порядка 0.5 вт. Отклонения номиналов элементов: С2, С6, С11, R12, R25 - ± 5%, остальные - ± 20%. Индуктивность L1 намотана на тороидальном магнитопроводе из феррита марки М200НН габаритными размерами 20х12х4 мм и содержит 110 витков повода ПЭВ 0.1. К добротности катушки L1 не предъявляется жестких требований, поэтому возможна ее намотка на любом другом магнитопроводе. Все транзисторы и диоды могут иметь любые буквенные индексы.

А

Б

Рис.1.6. Внешний вид декодированного сигнала

Вместо DD1 можно применить К533ТЛ2; вместо DD2 - К133ЛА3, К155ЛА3, К533ЛА3, К1533ЛА3; вместо DD3 - К564ЛА7, К176ЛА7. DD4 - К564ЛЕ10, К176ЛЕ10. Конденсаторы С12, С13 необходимо расположить в непосредственной близости от микросхем DD1, DD2.

1.4 Технология изготовления параболических антенн для Спутникового ТВ

Заинтересовавшись приемом СТВ, радиолюбители, как правило, приобретают для этого готовый комплект аппаратуры. В него обычно входит параболическая антенна (ПА) небольшого диаметра (0,9...1,2 м). Одним из первых шагов модернизации системы является приобретение антенны большего диаметра. Но антенны большого диаметра очень дороги, поэтому многие пытаются изготовить ПА в домашних условиях. В радиолюбительской литературе публиковались статьи об изготовлении ПА, например [1], но в них не учитывались некоторые факторы. Дело в том, что при конструировании антенн нужно учитывать параметры облучателя, входящего в состав конвертера. Данная работа направлена на систематизацию данных по конструированию ПА и применение их к имеющимся условиям.

Существует множество видов СВЧ-антенн - параболические, фазированные решетки, на основе линз Френеля и т.д. Применительно к условиям домашнего изготовления рекомендуются ПА, ввиду простоты их изготовления.

Возможны два варианта исполнения ПА:

путем выклейки на матрице;

пайкой из медной проволоки и сетки (т.н. сетчатые антенны). Каждая из антенн имеет свои достоинства и недостатки. К достоинствам первой относится простота контроля формы при изготовлении, ко второй - меньшие масса и парусность.

Прежде всего нужно определить, какой облучатель имеется в наличии у радиолюбителя. Обратимся к рис. 1 и определим, какие параметры характеризуют антенну. Во-первых, это ее диаметр d (как правило, им и задаются в начале расчета). Наикратчайшее расстояние от фокуса антенны (в фокусе располагается облучатель конвертера, либо второе зеркало в случае двух-рефлекторной системы) до рефлектора антенны называется фокусным расстоянием f. Глубина зеркала h - наибольшее расстояние от плоскости раскрыва рефлектора S до самого рефлектора антенны. Угол апертуры Ф - угол, под которым видна плоскость раскрыва зеркала антенны S из ее фокуса F. При этом они связаны следующими соотношениями. Отношение f/d определяет параметры вашего облучателя. Обычно f/d лежит в пределах 0,3...0,5.

Чем больше это отношение, тем меньше h и тем меньше расход материалов на изготовление ПА (при некоторой потере коэффициента усиления Ку). Если вы имеете облучатель с f/d = 0,3 и хотите снизить расходы, то приобретите облучатель с f/d = 0,5, а лучше всего приобрести облучатель с изменяемым f/d.


Сначала по формуле (2) вычисляют зависимость у от х (принимающего значения от 0 до d/2) и составляют таблицу. Получившиеся значения переносят на миллиметровку и строят параболу. Далее ее наклеивают на лист стали толщиной 5 мм и выпиливают по линии параболы. Таким образом получается нож (необходимо строго соблюдать его форму, т.к. от этого в большой мере зависит конечный результат и качество ПА). Затем, в соответствии с рис. 2, следует подобрать стержень 2 и подшипник 1 подходящих размеров (3 - нож). При этом нож укорачивают на половину диаметра стержня 2 и приваривают к нему соосно. В соответствии с рис. 3 изготавливают каркас из стального прутка диаметром 8...10 мм (сваркой). При этом ребра 2 приблизительно выгибают по ножу. В вершину каркаса вваривают подшипник.

Рис. 1.7 Конструкция ПА

Устанавливают каркас на ровной площадке, при этом под подшипник 1 (рис. 3) необходимо вертикально установить трубу 4 с внутренним диаметром, большим чем диаметр подшипника 1. Все пространство под каркасом заполняется щебнем или битым кирпичом.

Установив на подшипник шайбу 4 (рис. 1.7.) диаметром, чуть большим чем диаметр подшипника, и высотой, равной толщине будущей ПА (например для ПА диаметром 2 м толщина равна 25 мм), вставляют в подшипник нож. Замешивают бетонный раствор цемент-песок до густой консистенции, накладывают его на каркас и выравнивают ножом. Высушивают полученную матрицу в течение 3...5 суток. На третьи сутки (при сухой погоде) затирают образовавшиеся трещины алебастром и зачищают наждачной бумагой, контролируя качество поверхности ножом. Следует заметить, что если вы планируете использовать матрицу неоднократно, поместите между ней и землей два-три слоя рубероида, чтобы она не разрушалась от влаги. Также не советую использовать рекомендацию из [2] по изготовлению матрицы из глины, т.к. этот материал при просушке дает много трещин, и полученная матрица недолговечна.

Далее приступают к выклейке антенны. Существует множество способов выполнения этого процесса. Приведем несколько советов. Во-первых, если вы выклеиваете антенну большого диаметра, то помните три недостатка, присущие ей - большой вес, сопротивление ветру и невысокую прочность. Для упрощения изготовления поделите антенну (точно) на 6...8 секторов (при этом учтите форму их соединения, скрепления). В этом случае матрицу также можно сделать в виде сектора, но все же предпочтительней изготовить ее полностью, т.к. на ней можно будет выклеивать офсетные антенны. Для прочности увеличьте толщину рефлектора и армируйте его радиальными ребрами из стальной проволоки.

В качестве материала для выклейки ПА обычно берут стеклоткань, нарезанную полосами, и эпоксидный клей. Можно воспользоваться методикой, описанной в [1], несколько упростив ее. Сначала на вымытую с мылом матрицу наносят разделительную смесь, в качестве которой используют автомобильное масло (лучший результат получается, если перед этим натереть матрицу ровным слоем мастики для паркета). В шайбу 4 (рис. 2) плотно вставляют трубу, на которую неплотно надевают другую шайбу из дюралюминия, высота которой равна толщине рефлектора. Далее наносят слой смолы (не повредив разделительную смесь) и накладывают куски стеклоткани, разглаживая их и убирая пузырьки воздуха. Конечно, желательно использовать металлизированную стеклоткань, но можно использовать и обыкновенную, ввиду малодоступности первой. В дальнейшем (после изготовления) необходимо оклеить рефлектор кусками алюминиевой фольги, вырезанными секторообразно. Все же первый вариант, с армированной стеклотканью, предпочтительней из-за лучшего качества поверхности. Другой вариант формирования токопроводящей поверхности состоит в нанесении на отражающую поверхность ПА красок, в состав которых входят металлопорошковые основания (серебрянка и т.п.).

Доведя толщину рефлектора до требуемых размеров, приформовывают гайки для его крепления. Можно также раму, к которой крепится рефлектор, приварить к радиальным ребрам жесткости, которыми крепится рефлектор. Рефлектор также можно крепить болтами через сквозные отверстия, просверленные в ПА после ее высыхания. Антенны небольшого диаметра можно изготавливать из папье-маше (идея была подсказана Р.К. Гайдиновым). В качестве наполнителя берутся газеты. Их замачивают в воде и пропускают через мясорубку. Добавляют в полученную массу обойный клей в качестве связующего материала. Полученную смесь наносят на матрицу (предварительно нанеся на нее разделительную смесь) и выравнивают ее шпателем, формируя нужную поверхность. После высыхания антенну снимают и покрывают токопроводящим слоем и несколькими слоями нитрокраски для защиты ПА от атмосферных осадков. Вместо газет можно использовать ткань, как описано в [2], формируя ПА как и в случае со стеклотканью, используя в качестве связывающего материала обойный клей.

Второй вариант ПА (сетчатый) описан в [3]. Для нее изготавливают шаблон (рис. 1.7.), параметры которого рассчитывают по формуле (2). По нему изгибают радиальные параболы из толстой медной проволоки. Толщина проволоки выбирается исходя из диаметра антенны. Например, для антенны диаметром 1,5 м берут проволоку диаметром 4...5 мм. Также необходимо изготовить круговые пояса. Диаметр поясов меняется с шагом 10...30 см.

Места пайки поясов к радиальным параболам вычисляются по формуле (1). После изготовления каркаса его обтягивают мелкоячеистой медной сеткой, которую припаивают к нему. Следует заметить, что чем больше диаметр ПА, тем толще провод, из которого ее изготавливают, и тем труднее его паять (при использовании провода диаметром больше 7 мм желательна контактная сварка). Следующий шаг - изготовление опорно-поворотного устройства (ОПУ). Все ОПУ делятся на два вида: азимутально-угломестные и полярные.

Для ориентирования антенны необходимо, чтобы плоскость, которой принадлежат полярная ось и ось рефлектора, лежала в плоскости азимутальной оси 1 и направления на юг, отмеченного в истинный полдень. Для определения направления вбивают в землю небольшой штырь, и каждые 20...30 минут отмечают положение тени, отбрасываемой штырем. Наикратчайшее расстояние от конца штыря, вбитого в землю, до линии, пройденной тенью конца штыря, и является направлением на юг.

Как можно заметить, в случае полярной подвески для перестройки со спутника на спутник используется только полярная ось (что и дало название этому типа ОПУ). Следовательно, упрощается перенастройка антенны. Диапазон перестройки лежит в пределах +40° относительно южного направления. Но за простоту в эксплуатации платят усложнением механизма ОПУ. Размеры указаны для ПА диаметром 2 м. К трубе 1 приваривается фланец 2. Сверху надевается фланец 3, который свободно вращается вокруг своей оси. В фланцах имеются отверстия 4 для их взаимной фиксации. К верхнему фланцу приваривают две трубы 5 диаметром 40 мм и длиной 60 см. К этим трубкам двумя болтами крепится труба 6 длиной 80 см. К трубе 6 приваривают две трубы 7 диаметром 40 мм.

Рис.1.10. Вариант полярной ОПУ

Первый тип проще в изготовлении, так как использует лишь две регулировочные оси (при перенастройке со спутника на спутник используются обе). Первая ось - азимутальная, и ее угол вычисляется по формуле

А=1800+arctg

Где  исз-местоположение ИСЗ на орбите в градусах

w-широта места в градусах.

Если вы направите антенну строго на юг, то для настройки на заданный спутник по азимуту вам необходимо от А отнять 180°. Если угол будет положительным, антенну смещают на величину этого угла в западную сторону; если отрицательный - в восточную.

Угол расположения угломестной оси 2 (рис.1.8.) вычисляется по формуле:

УМ =arctg

Конструкция подвески произвольная. Размеры ее зависят от диаметра антенны. Например, для антенны диаметром 1,2 м ОПУ изготавливают в соответствии с рис.1.9. Указанный тип ОПУ используется в основном с офсетными ПА и прямофокусными ПА малого диаметра. Так как антенны большого формата имеют больший вес, их неудобно перестраивать относительно двух осей. Поэтому для них используют другой тип ОПУ - полярный (рис. 7). В нем имеется четыре оси вращения - А (1), УМ (2), полярная (3) и корректирующая (4) труб диаметром 25...32 мм).

К трапеции посредством скоб 9, 10 (очень прочных) крепится рефлектор антенны, при этом в нижнюю трубу трапеции вставляют штифт с резьбой на концах, а скобу 10 крепят к верхней трубе трапеции посредством винтов 11, которыми регулируется корректирующий угол. Угломестная и полярная оси регулируются с помощью тальрепов (на рисунке не показаны для упрощения). Важно расположить их таким образом, чтобы они были доступны и не мешали доступу к конвертеру, имеющему обратноотражающий облучатель. Не советую приспосабливать всяческие позиционеры, актуаторы и другие средства дистанционной настройки, применение которых оправдано лишь в случаях использования малоформатных ПА. При изготовлении ПА необходимо обеспечить минимальный люфт всех соединений, т.к. болтанка антенны на ветру плохо сказывается на приеме, а также приводит к быстрому разрушению ОПУ.

Для крепления конвертера к антенне в соответствии с рис. 9 в рефлекторе сверлят три отверстия. Изготавливают из дюралюминия кольцо 1 с внутренним диаметром, равным диаметру шейки конвертера. Кольцо может состоять из двух частей, соединяемых между собой болтами. В кольце сверлят три отверстия 3 и нарезают в них резьбу. Из дюралюминия (трубок) изготавливают три штанги 2. Размер их подбирается так, чтобы кольцо 1 отстояло от точки фокуса F на 2...3 см. На концах штанг нарезают резьбу и ввинчивают их в кольцо 1, а затем их крепят к рефлектору 4.

Коэффициент усиления полученной антенны рассчитывается по формуле:

Ку=101g[()2*Q]

где Q - коэффициент использования поверхности (КИП), для большинства типов облучателей Q = 0,4...0,7 (обычно 0,6);

- длина принимаемой волны.

В таблице сведены данные Ку антенн трех диаметров на наиболее используемых диапазонах (Q=0,6).

Как мы видим, чем выше частота, тем больше Ку антенны. Но при существующем положении (спутники имеют приблизительно равную эффективную излучаемую мощность) при различном затухании сигналов на трассе спутник - Земля (на более высоких частотах затухание больше) результирующий сигнал на входе приемника на разных диапазонах приблизительно одинаков.

Интересен и тот факт, что в каталогах многих фирм, торгующих ПА, указаны явно завышенные Ку. Можете проверить самостоятельно, посчитав Ку по вышеприведенной формуле. Из таблицы 1.1. также видно, что на низких частотах применение ПА нецелесообразно из-за более низкого по сравнению с антенными фазированными решетками Ку.

Таблица 1.1

f0, ГГц

17,5

11,5

3,9

2,6

0,72

d,m\λ,m

0,017

0,026

0,077

0,115

0,417

0,6

38,7

35,0

25,5

22,1

10,9

2,0

49,1

45,4

36,0

32,5

21,3

5,0

57,1

43,9

43,9

30,5

29,3


Чем больше диаметр ПА, тем уже ее диаграмма направленности, поэтому рядом с большой антенной желательно установить антенну маленького диаметра и настроить ее на спутник, имеющий максимальный уровень сигнала в вашей местности. Затем, заметив приблизительное направление на спутник, направить в том же направлении большую антенну. Приняв сигнал, откорректировать положение облучателя в фокусе антенны по наилучшему приему изображения слабых каналов.

Можно еще больше упростить перенастройку большой антенны, укрепив маленькую на ее краю таким образом, чтобы оси вращения ПА 1, 2 (рис. 1.11) были параллельны. В схему крепления малой антенны необходимо ввести корректирующие винты, для предварительной установки параллельности осей антенны. Приняв сигнал маленькой антенной, переключаются на большую.

Рис.1.11. Оси вращения ПА 1, 2

Для точной настройки на спутник (даже имеющий очень малый сигнал) очень удобно применять специальные детекторы, схемы которых публиковались в радиолюбительской литературе. Также для этой цели можно использовать анализатор спектра (на диапазоне от 1 до 2 ГГц), подав сигнал от конвертера через разделительный конденсатор. При этом не следует забывать подать на конвертер напряжение питания +14 В.

Необходимо тщательно заземлять антенну и конвертер во избежание выхода из строя аппаратуры во время грозы (судя по статистике, это случается довольно часто). Для этого наматывают на разъем, соединяющий кабель с конвертером, 2...3 витка провода диаметром 1,5...2 мм и заземляют его. Таким же проводом заземляют (отдельно и параллельно на один контур) металлическую поверхность антенны и ОПУ.

Что чем больше диаметр антенны, тем больше ее сопротивление ветру, поэтому необходимо предусмотреть меры по защите антенны и ОПУ от ветровых нагрузок. Используйте для изготовления ОПУ качественный стальной прокат. К примеру, если для метровой ПА требуется несущая труба диаметром 32...40 мм, то для двухметровой - 120...150 мм. Если имеется возможность, установите антенну так, чтобы ее с тыльной стороны защищала стена. По возможности избегайте установки антенны на высоте.

Выводы к главе 1

1.      Из анализа существующих работ и литературного обзора выявлено: Подавляющая часть существующих ССС использует для размещения СР геостационарную орбиту, основными достоинствами которой являются возможность непрерывной круглосуточной связи и практически полное отсутствие доплеровского сдвига частоты. Вследствие этого при достижимых на сегодняшний день точностях удержания СР в рабочей точке на орбите и систем ориентации бортовых антенн на ЗС нет необходимости использовать достаточно сложные и дорогие следящие системы наведения антенн. Это существенно снижает стоимость наземного сегмента ССС и затраты на его эксплуатацию.

. Число спутников-ретрансляторов на геостационарной орбите ограничивается международными нормами.

.Составлена нами программа к микрокалькулятору - для вычисления данных предварительного наведения приемной антенны на ТВ спутник:

Для этого предлагается воспользоваться микрокалькулятором типа Электроника МК.61». В ряде случаев вполне подойдет и «Электроника МК52». Так как, программа для обоих относительно проста. Она содержит всего-навсего 48 шагов.

.Предложено устройство, обеспечивающее точное наведение параболической антенны на геостационарные спутники телевизионного вещания диапазонов 11 и 12 ГГц. Индикатор работает в интервале промежуточных частот 0,95...1,7 ГГц при уровне входного сигнала 0,1...0,5 мВ. Коэффициент усиления сигнала СВЧ - 30...36 дБ. Входное сопротивление - 75 Ом. Напряжение питания - +9...20 В. Потребляемый ток- не более 50 мА.

Из анализа работ по ССС обусловлено следующими их свойствами :

Обеспечение области обслуживания значительных размеров, вплоть до глобальной, полностью охватывающей поверхность Земли.

Возможность расширения интерфейса между пользователями и сетью, благодаря обслуживанию отдаленных, малонаселенных и труднодоступных территорий, где развертывание наземных сетей связи экономически не оправдано, либо просто невозможно. С этой точки зрения ССС могут играть дополняющую роль по отношению к наземным сетям.

Простота обеспечения широковещательного и многоадресного (циркулярного) режимов передачи.

Возможность гибкой поддержки различных информационных услуг и приложений, независимость технологии передачи и коммутации от технологии предоставления услуг.

2. ШУМЫ И ПОМЕХИ, ЭЛЕМЕНТЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РРЛ

2.1 Шумы и помехи в каналах радиорелейной связи

Шумы на выходе системы связи вызываются как внешними помехами, так и внутрисистемными. В диапазоне УКВ вещание атмосферные и промышленные помехи полностью отсутствуют. К внутрисистемным помехам относятся тепловые шумы приёмного устройства, а при передаче сигналов многоканальной телефонии переходные шумы. Переходные шумы возникают во всех элементах тракта РРЛ и ССС как при ЧМ, так и при импульсных методах модуляции, хотя механизм их появления различен.

Переходные шумы. Источниками переходных щумов в ВЧ тракте являются:

. Неравномерность АЧХ и нелинейность ФЧХ тракта;

. Неполное подавление паразитной АМ ограничителями;

. Преобразование АМ в ФМ в ограничителях и ЛБВ;

. Наличие сопутствующих потоков из-за отражений в антенных фидерах.

2.1.1 Общая характеристика спутниковых сетей, использующих геостационарных спутниковых ретрансляторов

Уникальной особенностью ГО является неподвижность (на практике - достаточно малая подвижность) ГСР относительно земной поверхности. Это позволяет:

•              во многих практических приложениях использовать на ЗС антенны с фиксированным наведением, что существенно удешевляет оборудование и позволяет отказаться от услуг высококвалифицированного обслуживающего персонала;

•              обеспечить непрерывность связи с использованием единственного ГСР;

•              минимизировать негативное влияние доплеровского сдвига частоты;

•              обеспечить почти непрерывное питание бортовой аппаратуры от первичного источника энергии («ночь» на ГО длится не более 72 минут).

Конфигурация типовой спутниковой сети связи, базирующейся на геостационарных спутниках-ретрансляторах (ГССС), приведена на рис.

В состав ГССС обычно входят:

1. Один или несколько ГСР, образующих космический сегмент сети.

2. Совокупность земных станций (ЗС), оборудованных приемо-передающей аппаратурой, являющихся по отношению к сети источниками и потребителями информации.

3. Одна или несколько центральных станций (ЦС), обеспечивающих управление процессами информационного обмена и функционирования сети.

. Командно-измерительная станция (КИС), обеспечивающая управление функционированием систем ГСР и коррекцию его движения по орбите.

Земные станции обмениваются между собой информацией через ГСР, который для этого должен, как минимум, принимать излучаемые передающими ЗС сверхвысокочастотные (СВЧ) сигналы, переносить частотный спектр принимаемых современных ГССС колеблются в широких пределах, начиная от портативных персональных терминалов типа «трубка в руке» с выходной мощностью в доли ватт и фиксированных малогабаритных станций с диаметром антенн 0,5-2 метра с выходной мощностью 1-20 Вт , до весьма громоздких конструкций с большими антеннами диаметром 25-30 метров и передатчиками мощностью до десятков кВт, оформленных в виде специально построенных зданий в специально выбранных местах.

Через ЦЗС центры управления сетью {NOC - Network Operation Center} координируют и протоколируют процесс функционирования сети. В частности, через ЦЗС осуществляется синхронизация всех ЗС.

Рис. 2.12 Конфигурация типовой ГССС: ЗС - земная станция П - пользователь ЦЗС - центральная земная станция КИС - командно-измерительная станция сети, обеспечивается процедура включения новых ЗС в сеть, распределяются между ЗС связные ресурсы сети, архивируются данные об использовании этих ресурсов каждым пользователем, осуществляется маршрутизация информационных потоков по каналам связи сети, выполняется тарификация

При помощи контрольно-измерительной станции сети центр управления полетом {FCC - Flight Control Center} получает и обрабатывает данные внешнетра- екторных измерений параметров орбиты ГСР и поступающую с него телеметрическую информацию. На основании анализа этих данных формируются соответствующие управляющие воздействия, обеспечивающие штатный режим работы бортовых систем ретранслятора, которые в виде цифровых команд передаются на ГСР.

Одним из важных достоинств геостационарной орбиты является возможность обеспечения значительной области обслуживания. Размеры области обслуживания ограничиваются следующими условиями: В пределах области обслуживания угол возвышения, или, что то же самое, угол места антенн земных станций у (угол между направлением на точку стояния ГСР и плоскостью местного горизонта) не должен быть менее некоторого порогового значения умин, определяемого назначением сети. Малые углы возвышения приводят к возможности затенения ГСР местными предметами, окружающими ЗС, к увеличению потерь полезного сигнала в атмосфере и шумов антенной системы ЗС, обусловленных радиошумовым излучением Земли. Для сетей фиксированной спутниковой службы, в которых затенение можно исключить путем выбора места установки ЗС, угол у ограничивается снизу величиной 10°-12°. Для сетей же персональной подвижной службы угол возвышения ГСР над горизонтом должен быть не менее 30°.

В любой точке области обслуживания при заданных параметрах ЗС на линии связи должны обеспечиваться энергетические соотношения не хуже заданных.

Область земной поверхности, удовлетворяющая условию 1, называется областью видимости ГСР, а условию 2 - областью покрытия. Область обслуживания определяется пересечением областей видимости и покрытия. граница области видимости ГСР определяется следующим уравнением:

Cos

Рис.2.13. Геометрия ГССС

Угол обзора р области видимости из точки стояния ГСР равен


В силу ряда причин минимальная величина угла возвышения антенны ЗС ограничивается значением ymin = 10°-12°. При, например, ymin=11.5°, получим: 1= 70°, р = 17°= 40500 км. Это соответствует диаметру области видимости около 15600 км и площади 190 млн. км2. На рис. 1.1.1.4 показаны области видимости геостационарного СР, построенные в соответствии с 1.1.1.3. При увеличении ymin размеры области видимости сокращаются. Так, например, при увеличении минимально допустимого угла возвышения от 11,5° до 30° диаметр области видимости уменьшается до 11300 км, а её площадь сокращается почти в два раза. Возможность обслуживания единственным ГСР огромных территорий является основным достоинством ГССС. В то же время проблематичность обслуживания высокоширотных областей является недостатком.

Границу области покрытия обычно определяют по пороговому минимально допустимому уровню мощности, излучаемой ретранслятором в её направлении. Часто в качестве указанного порогового значения выбирают уровень мощности, на 3 дБ меньший уровня в направлении максимального излучения. Контур области покрытия в основном определяется характеристиками бортовой передающей антенны и может быть сделан достаточно сложным. В качестве примера на рис.2.14. показаны области покрытия геостационарного спутника-ретранслятора ATLANTIC BIRD-2 с точкой стояния 8° з.д.


В большинстве случаев (за исключением глобальных ССС) требуемая область обслуживания оказывается меньше области видимости ГСР. При этом задачи выбора геометрических параметров ГССС могут быть сформулированы следующим образом. По заданному контуру области обслуживания:

•              определить точку стояния ГСР, максимизирующую минимальное значение угла возвышения антенн ЗС в пределах области обслуживания;

•              определить точку стояния ГСР, максимизирующую минимальное значение угла возвышения антенн ЗС в пределах области обслуживания;

•              при заданном значении ymin найти совокупность точек стояния (дугу ГО), в которых возможно размещение ГСР;

•              определить точку прицеливания луча передающей антенны ГСР (точку земной поверхности, в направлении которой излучается максимальная мощность), минимизирующую требуемое сечение луча;

•              выбрать форму сечения луча антенны ГСР (в большинстве практических случаев круглую или эллиптическую);

•              в случае эллиптической формы сечения луча выбрать оптимальные параметры эллипса (углы раскрыва по осям) и его ориентацию в системе координат ГСР, минимизирующую площадь сечения луча.

а) западные области покрытия      б) восточные области покрытия

Рис.2.15. Области покрытия ГСР ATLANTIC BIRD-2

Перечисленные задачи решаются с использованием известных соотношений аналитической геометрии в пространстве. При их решении необходимо учитывать погрешность ориентации антенных систем ГСР и его дрейф относительно точки стояния. Вопросы выбора геометрических параметров ГССС наиболее детально изложены в [2], где приведены необходимые расчетные соотношения и методики. Решение перечисленных задач обычно осуществляется путем итераций, и в настоящее время этот весьма трудоемкий процесс автоматизирован.

Характерные особенности радиоканалов связи через ГСР состоят в следующем:

1. Спутниковые каналы из-за их значительной протяженности (35875- 41000 км) задерживают сигналы на сравнительно большое время (задержка распространения) - 120-136 мс в одном направлении. При направленной передаче информации такая задержка несущественна, но при интерактивной связи (телефония, видеоконференцсвязь, мультимедийные приложения и т.д.) она может приводить к ощутимым неудобствам. Наличие задержки усложняет и снижает эффективность управления процессом информационного обмена в сети, которое применяется с целью более экономного использования связных ресурсов.

2. Спутниковые радиоканалы в значительной степени подвержены воздействию внешних источников шумов и помех естественного и искусственного происхождения.

3. Большая дальность связи приводит к значительному ослаблению сигналов в свободном пространстве (рассеянию энергии и поглощению мощности в различных слоях атмосферы), что в сочетании с большим уровнем внешних шумов требует для обеспечения заданной достоверности передачи информации весьма значительных энергозатрат. Стремление снизить эти затраты и повысить пропускную способность ГССС обуславливает необходимость использования оптимальных или близких к ним структур передаваемых радиосигналов и способов их обработки.

4. Спутниковые каналы связи являются каналами с переменными параметрами, что обусловлено неопределенностью положения ГСР в пространстве, его ориентации и, главным образом, разбросом параметров атмосферы Земли на трассе распространения радиосигналов. Коэффициент передачи по мощности канала изменяется во времени, причем характер этого изменения содержит регулярную и случайную составляющие.

ГСР, как космическая станция, включает в себя следующие основные системы:

1. Бортовой ретрансляционный комплекс (БРТК), являющийся полезной нагрузкой ГСР и выполняющий все необходимые сетевые функции космического сегмента.

2. Систему коррекции орбиты.

. Систему ориентации.

4. Систему энергообеспечения.

. Систему терморегулирования, поддерживающую температурный режим аппаратуры ГСР в пределах, обеспечивающих её нормальное функционирование.

6.Информационно-управляющую систему, обеспечивающую взаимодействие с командно-измерительной станцией, сбор и обработку измерительной информации, формирование, распределение и исполнение различных команд, обеспечивающих необходимые режимы работы систем ГСР.

Обычно системы энергообеспечения, терморегулирования, командно-измерительная, защитные экраны выполняются в виде единой космической платформы, на которой могут быть установлены БРТК различных типов и назначения. В последнее время все чаще используются бесконтейнерные негерметизированные конструкции, обеспечивающие лучшие массогабаритные характеристики.

Теоретически неподвижный относительно земной поверхности ГСР на практике дрейфует относительно своей номинальной точки стояния, что обусловлено неизбежным отличием параметров орбиты от номинальных и влиянием различных возмущающих воздействий. Смещение ГСР относительно рабочей позиции имеет периодическую и регулярную составляющие, возникающие по следующим причинам:

•              при отличии угла наклонения орбиты от нулевого спутник колеблется относительно рабочей точки в направлении север - юг с периодом 24 часа и амплитудой равной углу наклонения орбиты;

•              при отличии орбиты ретранслятора от круговой он совершает суточные колебательные смещения относительно точки стояния в направлении восток - запад, причем амплитуда смещения пропорциональна эксцентриситету орбиты;

•              если период вращения ГСР менее 24 часов, он «уходит» из рабочей точки в восточном направлении, а в противном случае - в западном;

•              переменность во времени вектора гравитационного притяжения в связи с изменением пространственного расположения Земли, Солнца и Луны, давление света, потоки космических частиц и другие дестабилизирующие факторы приводят к суточным, месячным и годовым циклическим, а также направленному смещениям ГСР относительно номинальной точки стояния.

На практике перечисленные факторы действуют одновременно и приводят к сложной траектории движения ГСР в пространстве, причем, если не приняты специальные меры, спутник постепенно увеличивает амплитуду своих колебаний и перестает выполнять свою целевую функцию.

Поскольку использование ГСР предусматривает обслуживание заданной области земной поверхности, необходимо ограничить перемещение спутника в пространстве таким образом, чтобы все ЗС сети постоянно находились в области его обслуживания. Кроме того, смещение ГСР по долготе для исключения взаимного влияния соседних спутников жестко регламентируется международными нормами. Стабилизация ГСР по широте и долготе обеспечивается с помощью бортовой системы коррекции орбиты, использующей в качестве исполнительных элементов различные типы маломощных ракетных двигателей, создающих в необходимых направлениях небольшие ускорения. Коррекция орбиты требует определенного расхода топлива для двигательных установок. Исходя из компромиссных соображений между ухудшением эксплуатационных свойств ГСР из-за его неопределенности в пространстве и требуемого запаса топлива, во многом определяющего срок службы ГСР, допустимую величину медленного смещения ретранслятора относительно точки стояния ограничивают величиной +/-(0,05-0,1)° по широте и долготе. Минимальный расход топлива обеспечивается при интервалах между коррекциями от недели до месяца. Коррекция суточного колебания ГСР в пространстве, составляющего примерно +/-0,05°, обычно не применяется из-за недопустимо большого расхода топлива. Таким образом, система коррекции орбиты обеспечивает погрешность удержания ГСР в рабочей точке +/-(0,1-0,15)° по широте и долготе. Масса сухой традиционной системы коррекции орбиты равна 60-80 кг, а расход топлива - 20-30 кг в год. Более экономичны ионные и плазменные двигатели, позволяющие увеличить частоту сеансов коррекции орбиты и довести точность удержания ГСР до +/-(0,05-0,1)°. Однако они характеризуются значительным энергопотреблением.

Рис. 2.16.                                    Рис.2.17

Отметим, что наведение антенн на ГСР на область обслуживания может осуществляться и автономно, например по сигналам наземных маяков. В этом случае требования к точности системы ориентации спутника могут быть ослаблены.

Первичными источниками электроэнергии для питания ГСР являются солнечные батареи, составленные из кремниевых полупроводниковых элементов. Коэффициент полезного действия преобразователей солнечной энергии в электрическую достигает 30%, что позволяет обеспечить энергоотдачу более 150 Вт на квадратный метр СБ. В результате бомбардировки космическими частицами и микрометеоритами энергоотдача СБ падает в 1,2-1,4 раза после семилетней эксплуатации и в 1,3-1,6 раз после 10 лет. В периоды затенения ГСР Землей СБ не работают и питание бортовой аппаратуры осуществляется от аккумуляторных батарей. Массогабаритные характеристики современных аккумуляторов весьма низкие. Энергоотдача применяемых никель-кадмиевых аккумуляторов составляет 20-25 Вт • час/кг. Несколько лучшими характеристиками обладают никель- водородные аккумуляторы. На ГСР, ориентированных вращением, элементы СБ монтируются непосредственно на корпусе спутника. Из-за вращения Солнце эффективно освещает лишь около четверти общей площади СБ. В этом случае для увеличения энергоотдачи площадь СБ увеличивают при помощи сдвигаемой на орбите внешней оболочки корпуса, также покрытой солнечными элементами (рис. 1.16). При трехосной ориентации СБ выполняют в виде раскрываемых на орбите плоских панелей, автоматически следящих за Солнцем. Размах панелей солнечных элементов современных мощных ГСР достигает нескольких десятков метров, а энергоотдача превышает 10 кВт. Это обстоятельство является определяющим выбор трехосной ориентации при создании больших и мощных ГСР с высокой пропускной способностью, оставляя ориентацию вращением, как более простую, для менее мощных ГСР.

Около 70% энергии, потребляемой от первичных источников питания, преобразуется бортовой аппаратурой в тепло. Проблема обеспечения приемлемых температурных режимов и отвода излишнего тепла стоит для ГСР весьма остро. Несмотря на космический холод окружающей среды, теплопередача с использованием теплопроводности или конвекции невозможна и все, что остается - отвод тепла излучением. Бортовая система терморегулирования строится с использованием тепловых труб, отводящих излишнее тепло изнутри СР на его внешние поверхности, и радиаторов. ГСР с трехосной ориентацией обычно имеет прямоугольную форму, что облегчает отвод тепла благодаря установке радиаторов и элементов аппаратуры со значительным энергопотреблением на северной и южной плоскостях поверхности ИСЗ, освещаемых Солнцем под небольшими углами.

Технология вывода ИСЗ на геостационарную орбиту предусматривает:

•              вывод при помощи мощного ракетоносителя (PH) на низкую наклонную круговую опорную орбиту высотой около 200 км;

•              пассивный полет по опорной орбите до выбранного в соответствии с точкой стояния восходящего узла, проведение необходимых маневров по ориентации и старт с опорной орбиты при помощи последней ступени PH или собственной двигательной установки и перевод спутника на переходную эллиптическую орбиту с высотой апогея близкой к высоте ГО;

•              повторное включение двигательной установки в апогее переходной орбиты с целью разворота плоскости и перевода ГСР на круговую рабочую орбиту.

В таблице 2.1. приведена масса, выводимая современными PH на ГО, и стоимость запусков [6].

ГССС имеет простую структуру, центральным узлом которой является ГСР, что предъявляет жесткие требования к надежности всех его систем. Из соображений экономической целесообразности срок службы ГСР (или срок активного существования) на орбите должен составлять 10-15 лет. Разработка высоконадежного ГСР с большим сроком службы при наличии массогабаритных ограничений, накладываемых средствами вывода ГСР на орбиту, и достаточно агрессивной космической окружающей среды является сложной научно-технической задачей, а стоимость разработки, производства и запуска ГСР оказывается весьма существенной и составляет около 200 млн. долларов.

Таблица 2.1 Масса, выводимая на ГО, и стоимость запуска

Тип носителя

Масса, выводимая на ГО, тонн

Стоимость вывода ГСР, млн. долларов США

LONG MARCH CZ-3

2,25

40-55

ПРОТОН

2,6

60-70

3EHHT-3SL

2,1-2,7

70-100

ATLAS-I IAS

3,1

70-80

ARIANE-4

3,0-3,7

90-120


Несмотря на столь значительные затраты, процесс создания ГССС идет очень активно, что обусловлено чрезвычайно высокой эффективностью спутниковых сетей связи.

2.2 Организация работы через ГСР

В подавляющем большинстве существующих ГССС используются ГСР с непосредственной ретрансляцией сигналов. Спутник принимает сигналы радиоканала ЗС-ГСР (радиолиния «вверх»), осуществляет сдвиг (перенос) спектра сигнала частот, линейную фильтрацию и переизлучает сигнал в радиолинию ГСР- ЗС (радиолиния «вниз»). В соответствии с эталонной моделью соединения открытых систем - СОС {OSI - Open System Interconnection} [11] ГСР с непосредственной ретрансляцией выполняет в сети лишь функции низшего физического уровня, а поддержка более высоких уровней возложена на ЗС (рис.2.16.а). БРТК спутников с непосредственной ретрансляцией могут использовать однократное или двойное преобразование частоты. Упрощенная структурная схема БРТК с однократным преобразованием частоты показана на рис. 2.18.а. После предварительного усиления и фильтрации спектр сигнала линии «вверх» смещается путем гетеродинирования в достаточно далеко отстоящую область более низких частот с центральной частотой/2. Разнос центральных частот радиолиний «вниз» и «вверх» должен быть не менее полосы ретранслируемых частот. Далее сигнал усиливается до уровня, необходимого для раскачки оконечного усилителя мощности (УМ) и излучается в направлении ЗС. Для поддержания необходимого уровня сигнала на входе УМ обычно используется автоматическая регулировка усиления, либо регулировка усиления по командной радиолинии. Стабильность преобразования спектра обычно обеспечивается синхронизацией высокочастотного гетеродина от высокостабильного эталона частоты при помощи петли фазовой автоподстройки частоты (ФАП).

При двойном преобразовании частоты спектр входного сигнала смещается в область промежуточных частот (ПЧ), на которых осуществляется основное усиление и фильтрация. Затем спектр переносится в область частот радиоканала «вниз». Использование достаточно низких ПЧ позволяет повысить стабильность усиления и улучшить подавление внеполосного шума по сравнению с однократным преобразованием. В наибольшей степени это преимущество двойного преобразования проявляется при передаче узкополосных сигналов.

На практике полоса пропускания ретранслятора, которая может составлять сотни мегагерц, разбивается на ряд более узких полос, каждая из которых преобразовывается, усиливается и фильтруется при помощи отдельных стволов (приемопередатчиков). Общими для стволов являются антенны, широкополосные предварительные усилители и генераторы эталонных частот. Многоствольность БРТК является следствием технологической сложности создания сверхшироко- полосных усилителей, имеющих приемлемые амплитудно- и фазочастотные характеристики. Типовые значения полосы пропускания стволов составляют 24, 36, 72 МГц и по мере совершенствования технологии имеют тенденцию к расширению. Традиционной схемой построения БРТК с непосредственной ретрансляцией является многоствольная схема с числом стволов до нескольких десятков и двойным преобразованием частоты в каждом стволе.

БВУ


БВУ

СУ


СУ

КУ


КУ

ФУ

ФУ

ФУ

а) непосредственная ретрансляция

БВУ


БВУ

СУ


СУ


СУ

КУ


КУ


КУ

ФУ


ФУ


ФУ

б) бортовая обработка

БВУ




БВУ

СУ


СУ


СУ

КУ


КУ


КУ

ФУ

ФУ

ФУ


ФУ

в) двухскачковая схема

Рис. 2.18. Организация работы через ГСР: ЗС - земная станция, ЦС - центральная станция, ФУ - физический уровень, КУ - канальный уровень, СУ - сетевой уровень, БВУ - более высокие уровни

Главным достоинством непосредственной ретрансляции является универсальность. БРТК практически инвариантен к структуре передаваемых сигналов (за исключением, естественно, того, что полоса частот полезного сигнала не должна превышать полосы пропускания ствола).

Функционирующий ретранслятор при необходимости может быть переориентирован на выполнение самых разнообразных задач. Важно и то, что относительная простота аппаратуры БРТК облегчает проблему обеспечения высокой надежности. С другой стороны, ГСР с непосредственной ретрансляцией имеет и серьезный недостаток - шумы и помехи из радиоканала «вверх», попадающие в полосу пропускания БРТК, усиливаются и переизлучаются наравне с полезным сигналом (происходит отбор мощности передатчика на излучение шумов), суммируясь с помехами в линии «вниз».

Альтернативой непосредственной ретрансляции является использование ретрансляторов с обработкой сигналов. С выхода линейной части приемника (преобразование частоты, усиление, линейная фильтрация) сигнал ПЧ поступает в демодулятор, где переводится в область видеочастот, декодируется и обрабатывается в процессоре видеосигналов. Обработанные видеосигналы кодируются, модулируют несущее колебание, усиливаются и излучаются. Бортовая обработка обеспечивает следующие преимущества:

•              исключается возможность непосредственного проникновения шумов радиоканала «вверх» в радиолинию «вниз»,

•              появляется возможность независимого выбора оптимальных структур сигналов в радиолиниях «вверх» и «вниз».

•              при использовании многолучевых бортовых передающих антенн появляется возможность коммутации информационных потоков между лучами, что позволяет существенно повысить пропускную способность сети.

С другой стороны, при бортовой обработке неизбежно теряется универсальность (ограничения, накладываемые выбранными методами модуляции и кодирования), а усложнение бортовой аппаратуры обостряет проблему обеспечения заданного уровня надежности.

Попыткой компромисса, сочетающего достоинства непосредственной ретрансляции и бортовой обработки является двухскачковая схема передачи, предусматривающая наличие центральной станции, которая осуществляет демодуляцию сигналов, извлекает необходимую маршрутную информацию и осуществляет целенаправленную коммутацию информационных потоков. Однако в этом случае наличие двух скачков сигналов при передаче удваивает задержку распространения сигналов, а необходимость дважды переизлучать одни и те же сигналы приводит к дополнительным затратам связных ресурсов ГСР: в два раза возрастает требуемая полоса пропускания и возрастают требования к его энерговооруженности.

Одним и важнейших отличительных признаков сетей связи является топология сети, характеризующая схему объединения узлов и каналов связи в единую структуру [2]. В отличие от наземных проводных и кабельных сетей, в которых канал связи между парой узлов представляет собой отдельную физическую линию, соединяющую только эту пару, в ССС на базе СР с непосредственной ретрансляцией физически присутствует в принципе доступный для любой

ЗС общий частотный ресурс, образующий общий моноканал (рис.2.19). На основе моноканала могут быть организованы различные виртуальные (логические) каналы связи, позволяющие реализовать разнообразные логические топологии ССС (рис. 2.20). Более того, для разных ЗС могут быть организованы подсети с разной топологией, а разным видам передаваемого трафика может быть поставлена в соответствие наиболее приемлемая логическая топология сети, свойства которой можно изменять в процессе функционирования ССС в зависимости от текущих решаемых задач.

Рассмотрим кратко основные свойства и особенности сетевых топологий, которые могут быть организованы в ССС:

1. Полносвязная топология (рис.2.19а) предусматривает наличие для любой пары узлов отдельного (выделенного) канала связи, соединяющего эти узлы непосредственно. Для организации полносвязной сети, содержащей п узлов, требуется п(п - 1)/2 каналов связи. Полносвязные наземные сети связи весьма дорогие из-за необходимости прокладки большого и избыточного числа физических каналов связи, пропускная способность которых может в случае неравномерного во времени трафика использоваться неэффективно. Применение данной топологии оправдано в наземных сетях с малым числом узлов, высокой пропускной способностью и равномерным трафиком, например, при объединении локальных сетей связи в городскую или районную сеть. Полносвязная наземная сеть обладает:

•              высокой надежностью, поскольку при отказе выделенного канала информация может передаваться по обходным путям через промежуточные (транзитные) узлы;

•              оперативностью, поскольку выделенные каналы не могут быть заняты под передачу информации от других узлов;

•              возможностью скрытной передачи, поскольку в штатном режиме работы разные информационные потоки передаются по разным каналам связи и через промежуточные узлы не проходит.

В ССС, базирующихся на ГСР с непосредственной ретрансляцией, полно- связность топологии является естественным результатом широковещательности спутниковых радиоканалов. На участке ГСР-ЗС все земные станции сети могут прослушивать передачу ретранслятора. На участке ЗС-ГСР возникает проблема организации бесконфликтного доступа многих пространственно разнесенных узлов к общему моноканалу. Эта проблема решается путем выделения в общем спутниковом физическом канале определенного количества логических каналов, отличающихся друг от друга оговоренными ранее признаками, и использования в каналах протоколов множественного доступа. Эти протоколы бывают распределенными, реализуемыми совместно всеми абонентскими узлами сети, или централизованными, поддерживаемыми одним специальным узлом сети - контроллером канала связи. Свойства полносвязной ССС отличаются от свойств наземных сетей с аналогичной топологией.

Рис.2.19. Физическая топология ССС на базе ГСР с непосредственной ретрансляцией

г) радиальная топология

Рис. 2.20. Сетевые топологии, реализуемые в ССС

Рис. 2.20.д. Организация полносвязной топологии в ССС, использующих ГСР с непосредственной ретрансляцией

Наличие виртуальных каналов связи, организованных на основе общего связного ресурса, и применение протоколов множественного доступа позволяют гибко перераспределять пропускную способность между каналами сети в соответствии с текущими потребностями, вплоть до отключения временно ненужных каналов. Это обеспечивает более эффективное использование дорогостоящих ресурсов спутниковой сети по сравнению с наземной. В то же время, полносвязность ССС не обеспечивает увеличение надежности сети по сравнению с другими топологиями и скрытность передачи. ГСР с непосредственной ретрансляцией не является сетевым узлом, а выполняет лишь функции последовательного звена в спутниковом моноканале.

Отказ ГСР приводит к одновременному разрыву всех логических каналов и полной деградации спутниковой сети вне зависимости от её логической топологии. Если не приняты специальные меры, скрытность передачи в ССС отсутствует, поскольку передача ГСР может быть прослушана любой ЗС, находящейся в пределах области обслуживания.

2. Древовидная топология (рис.2.20.б) характеризуется тем, что между любой парой узлов сети с такой топологией существует лишь один путь. Число каналов связи в «-узловой древовидной сети минимально и равно (п - 1). Надежность сети низкая, поскольку отказ даже одного из каналов может привести к расчленению сети на две изолированные подсети. Древовидная топология легко реализуема в ССС, но её практическое использование не имеет смысла, поскольку она не имеет никаких преимуществ по сравнению с полносвязной, а лишь приводит к дополнительным недостаткам, связанным с необходимостью осуществления многоскачковой передачи - росту задержек и снижению эффективности использования ресурсов ГСР.

3. Радиальная (звездообразная) топология (рис. 2.22.г) характеризуется тем, что каждый периферийный узел соединен непосредственно только с центральным узлом, а связь между периферийными узлами возможна только через центральную точку. Радиальная топология является частным случаем древовидной, но в отличие от общего случая широко используется в ССС. Поскольку периферийные узлы функционируют независимо друг от друга, сеть некритична к их отказам. Отказ же центрального узла приводит к полной деградации всей сети, поэтому необходимо принимать специальные меры для обеспечения высокой надежности этого узла путем резервирования его аппаратно-программных средств на различных уровнях. Радиальная сеть может быть расширена либо путем подключения дополнительных периферийных узлов к центральному, либо иерархическим многоуровневым образом путем подключения дополнительных узлов к периферийным узлам более высокого уровня. При этом узлы промежуточного уровня контролируют узлы более низкого уровня, подчинясь в тоже время узлу более высокого уровня.

Выводы к главе 2

Таким образом, для ССС, базирующихся на геостационарных ретрансляторах с непосредственной ретрансляцией, естественной в силу специфики спутниковых каналов связи является полно связная топология.

Радиальная топология при односкачковой схеме передачи может быть обеспечена только для сетей с однонаправленной передачей информации (сетей сбора или распределения), например, для спутниковых сетей телевизионного и радиовещания. В случае необходимости обеспечения при непосредственной ретрансляции радиальной топологии используют двух скачковую схему. Такой подход используется, например, при построении большой части корпоративных сетей VSAT. Для ССС, использующих ретрансляторы с бортовой обработкой и коммутацией сигналов, являющихся центральными сетевыми узлами, естественна и единственно возможна радиальная сетевая топология.

3. СИМПЛЕКСНЫЕ, КАСКАДНЫЕ И ТУРБОКОДЫ ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ССС

.1 Симплексные коды

Известно, что при оптимальном (корреляционном) различении / полностью известных сигналов на фоне АНБШ оптимальной системой сигналов, минимизирующей вероятность ошибочного приема, является система равноудаленных в пространстве на максимально возможное расстояние сигналов, имеющих попарно минимально возможный коэффициент взаимной корреляции, равный -1/(1 -1) - при / четном и -1/1 - при / нечетном. Известны ансамбли двоичных сигналов, удовлетворяющие приведенному условию, что позволяет конструировать двоичные коды, оптимальные по критерию минимума вероятности ошибочного приема кодовой комбинации при приеме в целом. В частности, существует система симплексных сигналов, формируемых на регистрах сдвига, охваченных соответствующим образом подобранными линейными обратными связями. В качестве примера на рис. 3.21. показан кодер симплексного кода (7,3) и приведен сам код. Легко убедиться, что расстояние между любой парой кодовых слов равно 4, а коэффициент корреляции -1/7, что удовлетворяет приведенному выше условию максимальной удаленности кодовых слов.

В общем случае симплексный код имеет следующие параметры: п = 2т-1, k = т, г = т/п} d = 2т~{ где т - 2, 3.... Вероятность ошибочного приема информационного символа при малых р определяется выражением:Кодовыми словами ортогонального кода (не обязательно линейного) являются строки матрицы Адамара с заменой +1 на 0, а -1 на 1. Ортогональный код имеет следующие параметры: п = 2m, k = т, г = т * 2~т, d = 2m_1, где т = 2, 3.... При Достаточно большой блоковой длине параметры и характеристики ортогональных и симплексных кодов практически совпадают.

В теории ортогональных функций строки матриц Адамара размерностью 2т называют функциями Уолша, поэтому и ортогональные коды на их основе часто называют кодами Уолша.

Если к кодовым словам ортогонального кода добавить их инверсии, то получим биортогональный код, в котором расстояние между парами слов будет разным (принимать два значения: п/2 либо п). Коды Боуза-Чоудхури-Хоквингема (БЧХ-коды) являются обобщением кодов Хэмминга на случай исправления нескольких ошибок. Коды БЧХ характеризуются следующими параметрами: п = 2т~\ к - любое,

т - 1 - k= 2tu + 1, tw >

где m - целое положительное число, tw - кратность

гарантированно исправляемой ошибки. При фиксированной кодовой длине возможно построение разных БЧХ кодов, отличающихся скоростью и кодовым расстоянием. В таблицах указано количество БЧХ кодов - К в зависимости от кодовой длины и перечислены основные параметры кодов при п = 127.

Таблица 3.1 Количество БЧХ кодов в зависимости от блоковой длины

N

7

15

31

63

127

255

511

1023

К

1

3

5

11

17

33

57

105










Рис. 3.21 Параметр г - d для БЧХ кодов

Таблица 3.2 Основные параметры БЧХ кодов при п = 127

Код

г

d

К

rd

(127,120)

0,945

3

1

2,83

(127,113)

0,890

5

2

4,45

(127,106)

0,835

7

3

5,84

(127,99)

0,779

9

4

7,02

(127,92)

0,724

11

5

7,97

(127,85)

0,669

13

6

8,7

(127,78)

0,614

15

7

9,21

(127,71)

0,559

19

9

10,62

(127,64)

0,503

21

10

10,58

(127,57)

0,449

23

11

10,32

(127,50)

0,394

27

13

10,62

(127,43)

0,339

29

14

9,82

(127,36)

0,283

31

15

8,79

(127,29)

0,228

43

21

9,82

(127,22)

0,173

47

23

8,14

(127,15)

0,118

55

27

6,5

(127,8)

0,063

63

31

3,97


Качественно о величине энергетического выигрыша помехоустойчивого кода можно судить по величине г • d. Обычно чем больше г • d, тем больше выигрыш. Зависимость r-d от скорости БЧХ кода для кодов различной длины приведена на рис. 3.21. При фиксированном п существует оптимальное значение г, максимизирующее r d и, соответственно, выигрыш кода. Вне зависимости от блоковой длины оптимальное значение г составляет величину около 0,5. При большой скорости уменьшается вероятность ошибочного приема кодовых символов, падает корректирующая способность кода, а при малой скорости - наоборот. Оптимум оказывается достаточно «размытым», и практически приемлемой можно считать скорость кода в диапазоне 0,5-0,8. На основании приведенных данных можно заключить следующее (для определенности конкретные числовые данные приведены дляр = 10-8):

Таблица 3.3 Основные характеристики БЧХ кодов при г ~ 0,75

Код

г

d

К

Г‘ d

hn [дБ]

Л [ДБ]

р

(63,45)

0,714

1

3

5,0

7,5

2,0

10 5






8,7

3,3

10“8

(127,99)

0,779

9

4

7,0

6,7

2,8

10 5






8,0

4,0

10~8

(255,191)

0,749

17

8

12,7

6,1

3,4

10 5






7,1

4,9

ю8

(511,385)

0,753

29

14

21,8

5,7

3,9

10“5






6,4

5,6

10~8

(1023,768)

0,751

53

26

39,8

5,4

4,2

10“5






5,9

^ 6,1

10“8


Таблица 3.4 Влияние скорости кода на пороговое отношение сигнал/шум

Код

г

10"5

10"8

1011

(63,45)

0,714

7,5

8,7

9,5

(63,36)

0,571

7,2

8,0

8,8

(63,16)

0,254

7,6

8,8

9,6

(255,191)

0,749

6,1

7,1

7,6

(255,131)

0,514

5,7

6,1

6,5

(255,63)

0,247

7,2

8,0

8,3

(1023,768)

0,751

5,4

5,9

6,4

(1023,513)

0,501

5,1

5,6

6,2

(1023,258)

0,252

6,3

6,7

7,0

Основные параметры БЧХ кодов при г =0,75 приведены в таблице 3.1. Таблица 3.2. показывает влияние скорости кода на энергетический выигрыш. Отсюда, в частности, следует, что увеличение скорости кода от 0,5 до 0,75 (сужение полосы частот в 1,5 раза) приводит к энергетическому проигрышу всего на (0,3-1) дБ. К росту Г| всего на 0,2 дБ, поэтому на практике используют короткие коды. Энергетический выигрыш кодов Хэмминга не превышает 2,5 дБ, поэтому в радиолиниях ССС эти коды не используются, совершенный код Голея имеет d= 7 и обеспечивает Г| = 2,5 дБ. Энергетическая эффективность кода Голея несколько выше, чем у кода Хэмминга примерно такой же длины (у кода Хэмминга (31,26) энергетический выигрыш примерно 2 дБ), что обусловлено в первую очередь более низкой скоростью Голея (г ~ 0,5). Незначительная блоковая длина этого кода приводит к весьма скромному (по современным меркам) энергетическому выигрышу, поэтому практическое использование кода Голея в каналах ССС крайне ограничено. Например, расширенный код Голея (24,12) используется в некоторых каналах сети Inmarsat; для симплексных и близких к ним ортогональных и биортогональных кодов характерен резкий рост кодового расстояния с увеличением блоковой длины с одновременным резким падением скорости кода. Энергетическая эффективность при использовании длинных кодов достаточно высока (при п = 1023 Г| = 5,6 дБ), однако полоса частот используется чрезвычайно неэффективно. Симплексные коды оптимальны по критерию минимума вероятности трансформации кодовой комбинации, и областью их применения могут быть технические приложения, в которых требуется максимально безошибочная передача информационных блоков при отсутствии ограничений на занимаемую полосу частот, например, низкоскоростные командные радиолинии для объектов дальнего космоса. В ССС симплексные и ортогональные коды не используются;

Коды БЧХ обладают высокой энергетической эффективностью при достаточно высокой скорости. Рассмотрим сравнительные характеристики БЧХ и симплексных кодов (гб/гс - выигрыш БЧХ кодов в полосе частот), представленные в таблице 3.5.:

Таблица 3.5 Сравнительные характеристики БЧХ и симплексных кодов

N

63

127

255

1023

БЧХ

Л

гб/гс

Л

Гб/Гс

Л

Гб/ГС

Л

Гб/Гс

Л

гб/гс


3,3

7,5

4,0

14

4,9

24

5,6

43

6,1

77

Симплексный

4,04


4,52


4,92


5,3


5,4



Энергетическая эффективность БЧХ кодов сопоставима с эффективностью симплексных (заметим, что данные приведены для приема симплексных кодов «в целом» и поэлементного приема кодов БЧХ, поэтому, вообще говоря, по критерию минимума эквивалентной вероятности ошибочного приема информационного двоичного символа коды БЧХ являются более мощными), а использование полосы частот - в десятки раз лучше. Двоичные БЧХ коды являются лучшими по энергетическому критерию известными двоичными кодами. Достоинством БЧХ кодов являются гибкость, позволяющая при заданной блоковой длине строить коды с необходимым сочетанием скорости и корректирующей способности. Благодаря этим свойствам БЧХ коды широко используются в радиоканалах современных ССС.

3.2 Сверточные коды

Сверточные коды относятся к классу непрерывных линейных кодов. Рассмотрим процедуру сверточного кодирования. Входная последовательность информационных символов разбивается на элементарные информационные блоки длиной k символов. Основу сверточного кодера составляет регистр сдвига длиной ООН двоичных элементов, кратной объему информационного блока . В состав кодера входит п многовходовых сумматоров по модулю 2, входы которых подключены к некоторым ячейкам регистра сдвига, причем каждая ячейка регистра сдвига может, вообще говоря, быть подключена к нескольким сумматорам.

Рис. 3.22 Кодер сверточного кода

При записи в регистр сдвига очередного информационного блока на выход кодера поступает последовательность символов кода, получаемая последовательным опросом всех сумматоров. Очевидно, что получаемая последовательность кодовых символов определяется не только текущим информационным блоком, но и (q - 1) предыдущими. Скорость сверточного кода равна k/n. Величина I • n/k = l/r называется длиной кодовых ограничений, которая во многом аналогична блоковой длине блочного кода. На рис. для примера показан кодер сверточного кода со следующими параметрами: /= 3, k = п = 2, г= ^/2.

На практике длина элементарного блока двоичных символов выбирается небольшой и часто k = 1. Длина регистра сдвига ограничивается сложностью процедуры декодирования и не превышает 10, типичным значением является 1=1. Скорость кода выбирается из следующего ряда: V3, У2, 2/3, 3Д и Неэффективность сверточного кода определяется не столько значениями перечисленных параметров, но и тем, каким образом соединены сумматоры с ячейками регистра сдвига. Задать сверточный код можно посредством таблицы коэффициентов его производящих многочленов. Например, для кода на рис. 3.22.можно записать:

=111 G2 =101

В общем случае количество строк в таблице равно числу используемых сумматоров п , число элементов в строке соответствует длине регистра сдвига. Единица в каждой строке символизирует, что данный сумматор подключен к данной ячейке сдвига регистра, а ноль - отсутствие соединения.

Параметром сверточного кода, характеризующим его помехоустойчивость, является минимальное свободное расстояние - dc, определяемое как минимальное расстояние по Хэммингу между последовательностями сверточного кода на длине кодовых ограничений. Посредством машинного моделирования выявлены структуры «хороших» сверточных кодов, которые приведены в виде таблиц в справочной литературе. Хорошие сверточные коды со скоростью {/2 показаны в таблице 3.6.. В последнем столбце таблицы приведены найденные теоретически максимально возможные значения минимального свободного расстояния (^с)шах- Данные таблицы свидетельствуют о том, что по выбранному критерию представленные коды являются эффективными.

Таблица 3.6 Структура эффективных сверточных кодов с г = 1/2

Длина регистра

Структура кода

dc

(^с)шах

3

111 101

5

5

4

1111 1101

6

6

5

11101 10011

7

8

6

111011 110001

8

9

7

1111001 1011011

10

10

8

11111001 10100111

10

10


Широкому использованию сверточных кодов длительное время препятствовало отсутствие технически реализуемых алгоритмов их декодирования. Рекуррентный алгоритм последовательного декодирования [2] весьма сложен, при этом его характеристики достаточно далеки от идеальных и не исчерпывают возможностей используемых кодов. Существенным недостатком алгоритма последовательного декодирования и его известных модификаций [6] является неправомерная вычислительная нагрузка на декодер, что приводит к ситуациям, когда он отказывается от декодирования, причем вероятность отказа существенно больше вероятности ошибочного приема символа.

Декодер Витерби обеспечивает характеристики, близкие к характеристикам декодера максимального правдоподобия. Возможность аппаратурной реализации декодера Витерби базируется на нескольких предложенных им эффективных приемах вычислений. Упрощение расчетных алгоритмов и использование достижений в области технологии позволило для небольших значений / реализовать декодер Витерби в корпусе одной микросхемы. Более того, появилась возможность обеспечить декодирование с мягкими решениями на входе.

Именно наличие декодера Витерби обеспечило возможность широкого использования сверточных кодов в каналах связи современных ССС. Энергетический выигрыш эффективных сверточных кодов со скоростью 1/2 при использовании декодера Витерби с «мягкими» решениями на входе приведен в таблице 3.7.

Таблица 3.7 Энергетический выигрыш [дБ] сверточных кодов (скорость кода г = 1/2, декодер Витерби)

р

3

4

5

6

7

8

10 2

1,9

2,1

2,2

2,3

2,4

2,5

10"3

2,9

3,1

3,3

3,5

3,7

3,9

10"5

3,7

4,1

4,5

4,9

5,3

5,7


Таблица 3.7. иллюстрирует влияние скорости кода на пороговое отношение сигнал/шум для кодов с /= 7 и декодером Витерби.

Таблица 3.8 Пороговое отношение сигнал/шум [дБ] для сверточных кодов с разной скоростью кода

N. Р Г

ю4

10 5

10'6

10“7

10~8

4,2

4,9

5,6

6,2

6,7

5,2

5,9

6,7

7,4

8,0

78

6,4

7,2

7,9

8,7

9,4


Сравнение с БЧХ кодами как лучшими двоичными блоковыми кодами показывает, что (для кодов с г= 3/4 и при р = 10“8) при блоковой длине БЧХ кода п = 127 энергетический выигрыш БЧХ и сверточного кода одинаков. При использовании БЧХ кодов большей блоковой длины может быть получен выигрыш до 2 дБ по сравнению со сверточным кодом. Это, конечно, не означает, что «тонкая структура» БЧХ кодов обеспечивает им преимущество перед сверточными кодами (скорее наоборот). Просто возможность практической реализации декодера Витерби только для сверточных кодов с небольшой длиной кодовых ограничений (при данном рассмотрении 1=7) приводит к тому, что хороший код с хорошим декодером («мягкие» решения на входе, близость к алгоритму максимального правдоподобия) проигрывает по эффективности возможно более плохому коду с более плохим декодером (БЧХ коды декодируются алгебраически), но имеющему настолько большую блоковую длину (что практически реализуемо), которая делает его настолько мощным, что все недостатки кодека маскируются. Поэтому с учетом возможности практического использования эффективность блоковых и сверточных кодов можно считать в первом приближении одинаковой.

При необходимости использования высокоскоростных сверточных кодов (г > У2) с точки зрения простоты технической реализации оказывается целесообразным строить их на основе кодеков кодов со скоростью х/2 путем выбрасывания по определенному правилу последовательности кодовых символов этого кода части символов. Такие сверточные коды называют перфорированными. Правило селекции (режекции) кодовых символов определяется матрицей перфораций, содержащей две строки, соответствующие двум сумматорам по модулю кодера кода с г = У2. Нули в матрице соответствуют позициям отбрасываемых символов. Рассмотрим в качестве примера кодер кода со скоростью 3/4 среднескоростных каналов ССС Intelsat. В качестве исходного взят код со следующими параметрами: 1=7, k= 1, п = 2, г-У2, G{ = 1011011, G2= 1111001.

Из данных таблицы 3.9. следует, что это эффективный код с минимальным свободным расстоянием, равным теоретически достижимому пределу. Последовательность кодовых символов с выходов сумматоров по модулю 2 поступает на перфоратор с матрицей перфорации 110/101, пропускающий на свой выход по 4 символа из каждых 6. Скорость кода на выходе перфоратора равна: (У2) • (бД) = 3Д- Поскольку в радиоканале используется 4-фазная ФМ, то нет необходимости мультиплексировать перфорированные последовательности символов с выходов сумматоров. Эти последовательности передаются независимо по синфазному и квадратурному каналам. На приемной стороне код со скоростью 3/4 трансформируется в код со скоростью У2 путем вставки на место перфорированных произвольных (для определенности нулевых) символов. Естественно, такая вставка никакой дополнительной информации не приносит, тем не менее она необходима для нормальной работы декодера, ориентированного на декодирование кода со скоростью У2. Перфорированные коды менее эффективны, чем неперфориро- ванные той же скорости. Однако при рационально выбранных элементах матрицы перфораций энергетический проигрыш невелик и составляет всего 0,1-0,2 дБ. Зато заметен выигрыш кодеков перфорированных кодов в простоте аппаратурной реализации и возможности унификации кодеков кодов разной скорости, которые отличаются лишь перфораторами-деперфораторами.

Эффективность перфорированных кодов зависит от структуры матрицы перфораций. Для лучших перфорированных сверточных кодов, полученных из рассмотренного кода Gt = 1011011, С2 = 1111001, матрицы перфораций имеют следующий вид

Таблица 3.9


Г = 3Л

г=75

г=5/6

г = 78


110

ни

11010

1111010


101

1000

10101

1000101


Код со скоростью х/2

©       loll loll ll ll loll |1 |1 |1 |1 ll loll lo loll I

©       lololi li lolo lo lolo ll loll li loli lo li li 10 I 1 I 1 11 I 0 11 11 11 I 1 I 0 I 0 I 0 I

(4)     I0I1I1I0I0I0I1I1I1I1I oTTI

©       lo ll loll ll lololi loll ll loll I 0 I 0 I 0 I 0 I 0 I

©       lolo ll ll lololo lolo ll loll ll lo ll lo lo ll I

Puc. 3.23. Кодер перфорированного кода

3.3 Каскадные коды

Как уже отмечалось, эффективность помехоустойчивых кодов повышается с ростом их длины. С другой стороны, при увеличении длины кода п экспоненциально растет сложность декодера. Частично разрешить возникающее противоречие позволяют каскадные коды [13]. При использовании каскадных кодов процедура кодирования осуществляется в несколько этапов. Кодовые символы, сформированные на предыдущем этапе, рассматриваются в качестве информационных для последующего этапа и вновь подвергаются процедуре избыточного кодирования. Декодирование осуществляется в последовательности, обратной кодированию. Основное достоинство каскадных кодов заключается в том, что кодирование-декодирование осуществляется последовательно несколькими независимыми устройствами. Это позволяет при большой эквивалентной длине кодов упростить Входные информационные символы реализацию кодеков по сравнению с однокаскадным кодированием.

Рис. 3.24 Двухкаскадное кодирование

Результирующая скорость каскадного кода равна произведению скоростей кодов отдельных каскадов.

Практическое применение нашли двухкаскадные коды (рис.3.24). Пере- межение-деперемежение символов между каскадами позволяет «разрушить» пакетную структуру ошибок, вносимых внешним кодеком и возможной неста- ционарностью помехи (например, из-за замираний сигнала на трассе распространения), чем обеспечиваются нормальные условия работы внутреннего кодека. В качестве внешних коорректирующих кодов обычно используются коды Рида-Соломона (PC-коды) и их модификации. Многоосновные РС-коды [14] характеризуются следующими параметрами: основание кода b = 2т, где ш - целое положительное число, n = 2m-l,k<n - произвольное целое число, d= п- k + 1. В соответствии с данным выше определением, PC-коды являются максимально разнесенными. Коды Рида-Соломона являются обобщением БЧХ кодов в том смысле, что двоичные коды БЧХ могут быть получены из РС кодов путем вычеркивания всех кодовых слов, содержащих символы, отличные от 0 и 1. Входящая последовательность информационных символов разбивается на k одинаковых блоков по т символов в каждом. Каждый из 2т возможных блоков интерпретируется как один из символов 2ш-основного кода. Символы кодируются (п, k) кодом РС, каждое кодовое слово которого содержит т двоичных символов. Энергетический выигрыш кода увеличивается с увеличением т и имеет вид кривой с насыщением (рис. 1.1.7.13). Одновременно растет сложность реализации декодера. Поэтому на практике ограничиваются небольшими т. Типичным значением т является т = 8 (Ь = 256). Важным достоинством РС кодов является возможность корректировать пакты ошибок длиной до т символов. Это позволяет в некоторых случаях обойтись без достаточно громоздкой процедуры деперемежения символов.

Рис. 3.25 Энергетический выигрыш РС кода в зависимости от параметра т

Рис.3.26 Пороговое отношение смгнал/шум для каскадных кодов 1 - Безызбыточный код, 2 - Сверточный - декодер Витерби с «мягкими» решениями на входе, / = 7, г= 7Д» 3 - Сверточный - декодер Витерби, г = 3/4, 4 - Сверточный - декодер Витерби, г= х/2, 5 - Каскадный код РС (225,205) + сверточный, г = У8, 6 - Каскадный код РС (225,205) + сверточный, г = 3Д» 7 - Каскадный код РС (225,205) + сверточный, г = V2

В качестве внутреннего кода можно использовать блоковые и непрерывные коды. Благодаря высокой эффективности и относительной простоте реализации наибольшее распространение получили сверточные коды с декодированием по алгоритму Витерби и «мягкими» решениями на выходе первой решающей схемы.

Рассмотрим в качестве типичного примера стандартный двухкаскадный код, используемый в среднескоростных каналах сети Intelsat [1.1.7.15]. На внешней ступени используются один из (126,112), (225,205), (219,201) или (194,178) модифицированных кодов РС с b = 28 = 256. Внутреннее кодирование осуществляется сверточным кодом с возможными скоростями г = У2, 3/4 или 7/8. Характеристики внутреннего и двухкаскадного кодов показаны на рис. 3.26. Кривые построены для случая декодирования сверточного кода с использованием алгоритма Витерби и «мягким» решением на входе декодера алгебраического декодирования внешнего кода.

.4 Турбокоды

Основная идея турбокодирования заключается в использовании итерационной процедуры декодирования при помощи декодеров с «мягкими» решениями на выходе. Укрупненная блок-схема кодека турбокода приведена на рис.3.27. Последовательность информационных символов на входе кодера разбивается на блоки фиксированной длины. Информационные символы поступают в кодер 1, формирующий последовательность проверочных символов П1. Одновременно этот же блок информационных символов через перемежитель поступает на второй кодер, формирующий последовательность проверочных символов П2. Проверочные символы П1 и П2 и соответствующий информационный блок мультиплексируются и передаются по каналу связи.

Сигнал на входе декодера при помощи схемы синхронизации разделяется на информационную и проверочную части и в виде чисел («мягкие» решения на входе) поступает на два декодера. Особенностью декодеров является «мягкое» решение на выходе. Это означает, что декодер не выносит окончательного решения о том, какая конкретно последовательность информационных символов была передана, а формирует последовательность чисел, каждое из которых пропорционально вероятности того, что соответствующий информационный символ Декодирован правильно. Процедура декодирования носит итерационный характер, причем при каждой итерации декодер 1 использует «мягкие» решения декодера 2 для коррекции своих собственных решений и наоборот. После выполнения заданного числа итераций выносится окончательное решение о содержании принятого информационного блока.

Поскольку алгебраические декодеры не допускают «мягких» решений на выходе, основными кандидатами для использования в описанной схеме кодирования-декодирования оказались сверточные коды. Алгоритм декодирования Витерби был модифицирован таким образом, чтобы обеспечить возможность получения «мягких» решений на выходе [16]. Несмотря на кажущиеся перспективы, турбокодирование сверточных кодов, названных параллельно-каскадированными сверточными кодами, не привело к ожидаемым результатам. Во-первых, сложность реализации алгоритма Витерби с «мягкими» решениями на выходе делает его широкое практическое использование весьма сомнительным.

а) кодер

б) декодер

Рис. 3.27. Кодек турбокода

Во-вторых, если при достаточно больших вероятностях ошибочного приема двоичного символа (порядка 10~5) коды показывали свою высокую эффективность - проигрыш потенциальному пределу Шеннона составил величину всего около 1 дБ, - то при более реальных меньших вероятностях ошибки экспоненциальные зависимости от отношения сигнал/шум изгибались вверх, словно демонстрируя стремление к некоторому ненулевому значению. Поэтому широкое распространенное каскадирование РС и сверточных кодов оставалось предпочтительным.

Рис. 3.28. Влияние числа итераций на эффективность турбокодека МТК [ТРС - Turbo Product Code], декодируются поблочно: сначала строки, а затем столбцы (или наоборот)

Мягкие решения относительно информационных символов, полученные в результате предыдущей итерации, используются в качестве входных величин для последующей, что напоминает разгадывание кроссворда. При увеличении числа итераций растет энергетический выигрыш кода, но увеличивается и задержка, вносимая декодером. Для примера на рис. 3.28. показано влияние числа итераций на эффективность кода (4096,3249), построенного на базе расширенного кода Хэмминга (64,57). Как следует из приведенных зависимостей, при числе итераций более 8 выигрыш кода увеличивается незначительно (так, увеличение числа итераций с 8 до 16 приводит к дополнительному выигрышу не более 0,1 дБ). Для кодов с большей блоковой длиной необходимое число итераций оказывается большим (до 20-30).

Характеристики некоторых МТК приведены в таблице [7]. В качестве составляющих для представленных в таблице кодов использованы расширенные коды Хэмминга с проверкой на четность.

Матричные турбокоды оказались эффективнее традиционных каскадных кодов. С учетом относительной простоты технической реализации процедуры кодирования-декодирования это позволяет говорить о том, что впервые за последние десятилетия достигнут реальный прогресс в области помехоустойчивого кодирования для каналов с аддитивным белым нормальным шумом.

Подкупающим достоинством МТК является также гибкость, обеспечивающая возможность выбора их основных параметров (скорости, блоковой длины) в широком диапазоне возможных значений, обеспечивая требования конкретных технических приложений, а также и то, что эти коды, являясь, в отличие от исполь зуемых каскадных, чисто блоковыми, идеально подходят для пакетной передачи информации.

Таблица 3.10 Характеристики некоторых МТК

Код

Структура

Скорость кода

Пороговое отношение hn2 [дБ] при р - 10~8

(4096,3249)

[(64,57) • (64,57)]

0,793

3,7

(4096,2028)

[(32,26) • (32,26) • (4,3)]

0,495

2,4

(4096,1331)

[(16,11) - (16,11) - (16,11)]

0,325

1,4

(16348,10140)

[(32,26) (32,26) (16,15)]

0,619

1,9

(16348,7436)

[(32,26) (32,26) (16,11)]

0,454

1,3


На рис.3.29 представлены зависимости вероятности ошибочного приема символа от отношения сигнал/шум для лучших из рассмотренных в настоящем разделе кодов при типовом значении скорости примерно 0,8. При р = 10“8 матричный турбокод обеспечивает выигрыш около 2 дБ по отношению к традиционно используемым каскадным кодам, причем проигрыш МТК потенциальному пределу менее 2 дБ. Столь высокие характеристики МТК удалось получить в первую очередь благодаря появившейся возможности увеличить блоковую длину кода при приемлемой сложности декодера и использованию итерационной процедуры декодирования с «мягкими» решениями на выходе.

Рис.3.29. Сравнительная эффективность различных кодов 1 - Безызбыточный код, 2 - Сверточный - декодер Витерби, г= 0,75, 3 - Каскадный код (РС - сверточный), г =0,789, 4 - Матричный турбокод, г =0,793, 5 - Теоретический предел Шеннона, г = 0,8

Выводы к главе 3

. Энергетическая эффективность при использовании длинных кодов достаточно высока (при п = 1023 Г| = 5,6 дБ), однако полоса частот используется чрезвычайно неэффективно. Симплексные коды оптимальны по критерию минимума вероятности трансформации кодовой комбинации, и областью их применения могут быть технические приложения, в которых требуется максимально безошибочная передача информационных блоков при отсутствии ограничений на занимаемую полосу частот, например, низкоскоростные командные радиолинии для объектов дальнего космоса.

. При достаточно больших вероятностях ошибочного приема двоичного символа (порядка 10~5) коды показывали свою высокую эффективность - проигрыш потенциальному пределу Шеннона составил величину всего около 1 дБ, - то при более реальных меньших вероятностях ошибки экспоненциальные зависимости от отношения сигнал/шум изгибались вверх, словно демонстрируя стремление к некоторому ненулевому значению. Поэтому широкое распространенное каскадирование РС и сверточных кодов оставалось предпочтительным.

. Столь высокие характеристики МТК удалось получить в первую очередь благодаря появившейся возможности увеличить блоковую длину кода при приемлемой сложности декодера и использованию итерационной процедуры декодирования с «мягкими» решениями на выходе.

Заключение

Таким образом, в магистерской диссертационной работе решены следующие задачи:

. Из анализа существующих работ и литературного обзора выявлено: Подавляющая часть существующих ССС использует для размещения СР геостационарную орбиту, основными достоинствами которой являются возможность непрерывной круглосуточной связи и практически полное отсутствие доплеровского сдвига частоты. Вследствие этого при достижимых на сегодняшний день точностях удержания СР в рабочей точке на орбите и систем ориентации бортовых антенн на ЗС нет необходимости использовать достаточно сложные и дорогие следящие системы наведения антенн. Это существенно снижает стоимость наземного сегмента ССС и затраты на его эксплуатацию.

. Число спутников-ретрансляторов на геостационарной орбите ограничивается международными нормами.

. Составлена нами программа к микрокалькулятору - для вычисления данных предварительного наведения приемной антенны на ТВ спутник:

Для этого предлагается воспользоваться микрокалькулятором типа Электроника МК.61». В ряде случаев вполне подойдет и «Электроника МК52». Так как, программа для обоих относительно проста. Она содержит всего-навсего 48 шагов.

. Предложено устройство, обеспечивающее точное наведение параболической антенны на геостационарные спутники телевизионного вещания диапазонов 11 и 12 ГГц. Индикатор работает в интервале промежуточных частот 0,95...1,7 ГГц при уровне входного сигнала 0,1...0,5 мВ. Коэффициент усиления сигнала СВЧ - 30...36 дБ. Входное сопротивление - 75 Ом. Напряжение питания - +9...20 В. Потребляемый ток- не более 50 мА.

. Энергетическая эффективность при использовании длинных кодов достаточно высока (при п = 1023 Г| = 5,6 дБ), однако полоса частот используется чрезвычайно неэффективно. Симплексные коды оптимальны по критерию минимума вероятности трансформации кодовой комбинации, и областью их применения могут быть технические приложения, в которых требуется максимально безошибочная передача информационных блоков при отсутствии ограничений на занимаемую полосу частот, например, низкоскоростные командные радиолинии для объектов дальнего космоса.

. При достаточно больших вероятностях ошибочного приема двоичного символа (порядка 10~5) коды показывали свою высокую эффективность - проигрыш потенциальному пределу Шеннона составил величину всего около 1 дБ, - то при более реальных меньших вероятностях ошибки экспоненциальные зависимости от отношения сигнал/шум изгибались вверх, словно демонстрируя стремление к некоторому ненулевому значению. Поэтому широкое распространенное каскадирование РС и сверточных кодов оставалось предпочтительным.

. Столь высокие характеристики МТК удалось получить в первую очередь благодаря появившейся возможности увеличить блоковую длину кода при приемлемой сложности декодера и использованию итерационной процедуры декодирования с «мягкими» решениями на выходе.

Литература

1. Цуриков Г. и др. Прием СТВ. Антенна для частот 11...12 ГГц. - Радио1990, N4, С.48-53, 88.

. Бедак Н. Приставка к ТВ для приема спутниковой программы. - Радио; 1998, N1, С.12...15.

. Родионов В.М. Линии передачи и антенны УКВ. - М.: Энергия, 1977.

. Живков А. «Наведение приемных антенн на геостационарные спутники». Радюаматор.- 1993, № 2.2. «Прием телевидения и радиовещания со спутников». Д. Ю. Бэм, М. Е. Ильченко, А. П. Живков.- Киев: Техника, 1992 - 176 с.

.Радиорелейные и спутниковые системы передачи. / Под.ред. НемировскогоА.С. М.:Радио и связь,1986.

.Системы радиосвязи. / Под ред. Калашникова Н.И. М.: Радио и связь,1988.

.М.М.Макеева. Радиорелейные линии связи. М.: Радио и связь, 1988.

. Спутниковая связь и вещание. / Под ред. Кантора Р.Я. М.: Радио и связь, 1997.

.Джалалов А.К. Установка азимута и угла для предварительного наведения приемной антенны на геостационарный спутник. «Диссертация устида иш якунлари бўйича магистратура талабаларининг илмий - амалий конференцияси материаллари» © Тошкент темир йўл муҳандислари институти (ТошТЙМИ), 2012 й.

. Джалалов А.К. Разработка индикатора наведения антенны на спутник.

. Джалалов А.К. Дискремблер кодированных спутниковых телеканалов.

Приложение

Установка азимута и угла для предварительного наведения приемной антенны на геостационарный спутник

Вопрос установки азимута и угли наведения приёмный антенны на геостоцанарный спутник является актуальной задачей. Так как от правильной и точной установки антенн завесить качество принимаемого сигнала. Из литературы [1;2] известно, что данные для наведения приемной антенны на геостационарный спутник - азимут и угол места (рис.1) можно определить по следующим формулам:


гдe: - географическая долгота подспутниковой точки, то есть позиция спутника на геостационарной орбите;

 - географические долгота и, соответственно, широта точки приема.

Рис.1. Установка азимута и угла для предварительного наведения приемной антенны на ТВ спутник

Целью работы является ускорения расчетов и исключения ошибок. Для этого предлагаем воспользоваться микрокалькулятором типа Электроника МК.61». В ряде случаев вполне подойдет и «Электроника МК52». Тем более, что программа для обоих относительно проста. Она содержит всего-навсего 48 шагов.

Задачей является составление программы к микрокалькулятору - для вычисления данных предварительного наведения приемной антенны на ТВ спутник.

Перед вычислениями в регистры памяти микрокалькулятора необходимо ввести исходные данные.

Причем первые три величины должны быть выражены в градусах и минутах, а не долях градуса.

Кроме того, рекомендуется определять r и r с точностью не ниже 30'. В качестве примера приведем расчет установки антенны для приема телевизионных сигналов со спутника EUTELSAT II F1 (р = 13° в.д.).

По топографической карте или из справочников находим широту и долготу: r = 50°30' и r = 30°30'. Введя все это в программу, осуществляем переход микрокалькулятора в режим вычисления, для чего нажимаем на клавиши В/О и С/П. Первым высвечивается значение азимута (202,13545), то есть примерно 202°14'. Затем вновь нажимаем клавишу С/П. На индикаторе высвечивается уже значение угла места (29,481648). Полученную величину округляем до 29°48'.Суммарное время выполнения программы - около 20 с.

Предлагаемое для повторения устройство обеспечивает точное наведение параболической антенны на геостационарные спутники телевизионного вещания диапазонов 11 и 12 ГГц.

Научной новизной является оптимальная быстрота расчета и точность, для наведения антенны на геостоцианарный спутник.

Практической значимостью данной работы является возможность широкого применения при предварительном наведении антенны на спутник.

Окончательную же юстировку рекомендуется проводить по качеству принимаемого сигнала.

Для реализации достаточно надежной зашиты от несанкционированного просмотра программ, используется многовариантная адресная система кодирования, разработанная в России и используемая многими коммерческими студиями телевидения. Визуально у кодированной программы отсутствует строчечная и кадровая синхронизация. При просмотре полного телевизионного сигнала при помощи осциллоскопа удалось обнаружить, что в кодированном сигнале отсутствуют кадровые синхроимпульсы, а вместо строчечных импульсов передаются импульсы синхронизации, показанные на рис.1.

A)

Б)

Рисунок 1. Импульсы синхронизации

Количество строк, в течение которых передаются сигналы рис.1(а) и рис.1(б), периодически изменяется и это является одним из вариантов кодирования. Меняется также и длительность импульсов высокого уровня (75% уровня белого), изображенных на рис.1 пунктирной линией. Адрес абонента и информация о способе кодирования передается в течение 1 мкс в конце каждой строки. Однако разработчики описываемой системы кодирования телевизионных программ допустили некоторые оплошности, которые позволяют легко сделать дискремблер, способный преобразовывать кодированную программу в стандартный полный цветной телевизионный сигнал (ПЦТС) при использовании на передающей стороне любого из заложенных в системе способа кодирования.

Изготовить такой дискремблер можно, используя то обстоятельство, что положение места перехода с импульсов низкого уровня (уровень ниже черного) на импульсы высокого уровня (рис.1) является постоянным во времени и совпадает с началом строчечных синхроимпульсов. Кадровые синхроимпульсы можно получить, ведя счет количества переданных строк.

Кадровая синхронизация осуществляется с помощью подсчета числа строк. Для этого удобно использовать напряжение накала кинескопа (ЭЛТ). (Практически во всех современных телевизорах напряжение накала на кинескоп подается с трансформатора строчечной развертки и содержит высшие гармонические составляющие, которые необходимы для работы дискремблера.) На транзисторе VT1 и колебательном контуре L1, C2 происходит выделение второй гармоники строчечной частоты. После инвертирования на элементе DD3.1 удвоенная частота строчечной развертки приходит на счетный вход микросхемы DD5.

Элементы DD3.2, DD3.3, DD3.4, DD4 служат для формирования импульсов кадровой синхронизации, которые появляются на выходе элемента DD4.2, и сброса счетчика DD5. Кнопка S1 предназначена для подстройки фазы импульсов кадровой синхронизации. Таким образом, на один из входов элемента DD2.3 приходят импульсы кадровой частоты длительностью 288 мкс (4,5 строки). Другой вход элемента DD2.3 подключен к конденсатору С10, который заряжается импульсами строчечной синхронизации, в случае приема кодированного сигнала. При приеме обычных телепрограмм напряжение на входе 9 элемента DD2.3 соответствует логическому нулю, и работа дискремблера автоматически прекращается. Итак, при приеме кодированных программ, после инвертирования транзистором VT6, импульсы кадровой синхронизации попадают на вход элемента DD2.4, который, совместно с элементами VD8, R25, C11 и DD1.6, выполняет функцию их "нарезки" (рис.2). "Нарезка" кадровых синхроимпульсов необходима для обеспечения строчечной синхронизации во время прохождения кадровых синхроимпульсов. После этого кадровые синхроимпульсы тем же способом, что и строчечные врезаются в ПЦТС. Внешний вид декодированного сигнала показан на рис.3.

Рисунок 2. Импульсы кадровой синхронизации

На транзисторе VT9 собран стабилизатор напряжения питания.

А)

Б)

Рисунок 3. Декодированный сигнал

Конструкция и детали

Все резисторы, использованные в дискремблере, рассчитаны на мощность 0.125 Вт. Исключением является R26, который должен обеспечивать рассеивание мощности порядка 0.5 вт. Отклонения номиналов элементов: С2, С6, С11, R12, R25 - ± 5%, остальные - ± 20%. Индуктивность L1 намотана на тороидальном магнитопроводе из феррита марки М200НН габаритными размерами 20х12х4 мм и содержит 110 витков повода ПЭВ 0.1. К добротности катушки L1 не предъявляется жестких требований, поэтому возможна ее намотка на любом другом магнитопроводе. Все транзисторы и диоды могут иметь любые буквенные индексы. Вместо DD1 можно применить К533ТЛ2; вместо DD2 - К133ЛА3, К155ЛА3, К533ЛА3, К1533ЛА3; вместо DD3 - К564ЛА7, К176ЛА7. DD4 - К564ЛЕ10, К176ЛЕ10. Конденсаторы С12, С13 необходимо расположить в непосредственной близости от микросхем DD1, DD2.

До работы с установкой для приема спутникового телевизионного вещания необходимо ее параболическую антенну точно ориентировать на спутник, юстировать и фокусировать. Чтобы облегчить эти процессы, нужен относительно простой прибор, который позволил бы это делать рядом с антенной. В дальнейшем прибор можно было бы использовать при работе с установкой для точного наведения антенны на спутники. Ниже мы предлагаем описание такого разработанного прибора, который можно питать как от батареи элементов, или аккумуляторов, так и по кабелю, соединяющему конвертер СВЧ с тюнером.

Целью работы является разработка индикатора наведения аннтенны на спутник с энергосбережения.

Предлагаемое устройство обеспечивает точное наведение параболической антенны на геостационарные спутники телевизионного вещания диапазонов 11 и 12 ГГц. Индикатор работает в интервале промежуточных частот 0,95...1,7 ГГц при уровне входного сигнала 0,1...0,5 мВ. Коэффициент усиления сигнала СВЧ - 30...36 дБ. Входное сопротивление - 75 Ом. Напряжение питания - +9...20 В. Потребляемый ток- не более 50 мА.

Рис.1. Принципиальная схема индикатора

Для ориентирования антенны на спутник индикатор, принципиальная схема которого изображена на рис. 1, включают между конвертором СВЧ и тюнером.

При этом на него и на конвертер поступает одно и то же напряжение питания с тюнера. Другой вариант предполагает подачу напряжения питания +12В от аккумуляторной батареи или батареи элементов через дроссель индуктивностью 100мкГн на разъем XW2. При этом к кабелю, по которому подводят напряжение питания, должен быть подключен через конденсатор емкостью 1000пф резистор сопротивлением 75Ом. К коллектору транзистора VT6 подсоединен амплитудный детектор на диоде VD5 с фильтром R18 C17. Про детектированный сигнал усиливается усилителем постоянного тока на ОУ DA1. Его коэффициент усиления по напряжению равен 100. К выходу ОУ подключен стрелочный индикатор, показывающий уровень входного сигнала. Построечным резистором R26 балансируют ОУ так, чтобы компенсировать начальное напряжение смещения самого ОУ и шумы конвертера СВЧ. На микросхеме DD1. транзисторах VT4, VT5 и диодах VD3, VD4 собран преобразователь напряжения для питания ОУ. На элементах DD1.1, DD1.2 выполнен задающий генератор, вырабатывающий прямоугольные импульсы с частотой следования около 4кГц. Транзисторы VT4 и VT5 обеспечивают усиление по мощности этих импульсов. На диодах VD1, VD4 и конденсаторах С13, С14 собран умножитель напряжения. В результате на конденсаторе С14 формируется отрицательное напряжение -12В при напряжении питания конвертера +15 В. Напряжения питания ОУ стабилизированы на уровне 6,8В стабилитронами VD2 и VD6.

Усилитель СВЧ выполнен навесным монтажом. В качестве точек монтажа использованы опорные конденсаторы С4, С5, С8-С10, С12, С15, С16. Линии L1-L4 представляют собой отрезки медного посеребренного провода длиной 13 и диаметром 0,6 мм, которые впаяны в боковую стенку латунного экрана и на высоте 2,5 мм над платой. Все дроссели - бескаркасные с внутренним диаметром 2 мм, намотаны проводом ПЭЛ 0,2. Отрезки провода для намотки имеют длину 80 мм. Входным разъемом XW1 служит кабельный (75 Ом) разъем С(Г). К выходу устройства подключен выходной разъем от неисправного конвертера СВЧ. В устройстве применены постоянные резисторы МЛТ и построечные СП5-1ВА, конденсаторы КД1 (С4, С5, С8-С10, С12, С15, С16) диаметром 5 мм с отпаянными выводами и КМ, КТ (остальные). Оксидные конденсаторы - К53. Индикатор с током полного отклонения 0,5...1 мА - от любого магнитофона. Вместо транзисторов КТ3123АМ (VT1-VT3, VT6) могут быть применены транзисторы КТ3123БМ, КТ3123ВМ или КТ3101АМ, КТ3115А-2, КТ391А-2. При замене транзисторов структуры p-n-р на транзисторы структуры n-p-n перемычка между выводом катода диода VD1 и конденсатором С5 (рис. 2) должна быть снята и на конденсатор С5 должно быть подано напряжение с минусового вывода конденсатора С14. Транзисторы VT4 и VT5, в этом случае должны быть КТ3102ВМ и КТ3107В соответственно, а сопротивления резисторов R12 и R14 уменьшены до 30 Ом.

Микросхему К561ЛА7 можно заменить на К176ЛА7 или К1561ЛА7, К553УД2 на К153УД2 или КР140УД6, КР140УД7.

Налаживание устройства начинают с проверки цепей питания. Временно отпаивают резисторы R9 и R21. После подачи положительного напряжения питания +12В измеряют напряжение на конденсаторе С14, которое должно быть не менее - 10В. В ином случае по осциллографу убеждаются а наличии переменного напряжения на выводах 4 и 10 (11) микросхемы DD1. Если напряжение отсутствует, убеждаются в исправности микросхемы и правильности монтажа. Если переменное напряжение присутствует, проверяют исправность транзисторов VT4, VT5, диодов VD3, VD4 и конденсаторов С13, С14. После налаживания преобразователя напряжения припаивают резисторы R9, R21 и проверяют напряжение на выходе ОУ и добиваются нуля подстройкой резистора R26. Значения напряжений на эмиттерах транзисторов усилителя СВЧ указаны на схеме, при необходимости подбирают резисторы базовых делителей. После этого на вход устройства подают сигнал напряжением 100 мкВ, частотой 1,25 ГГц с генератора СВЧ. Резистором R24 добиваются полного отклонения стрелки индикатора РА1.

Рис.2. Монтажная плата индикатора

Разработанный индикатор будет применён на железнодорожном транспорте для организации спутниковой связи с подвижными объектами составов поездов. Это обеспечивает точное наведение радиолокационных станции параболической антенной через спутниковой телевизионной передачи на диапазоне до 12Ггц, это устройство даёт возможность качественной радиосвязи между диспетчером поездной службы и машинистом.

Похожие работы на - Построения радиорелейной линии передачи через спутниковые системы

 

Не нашел материал для своей работы?
Поможем написать качественную работу
Без плагиата!