Расчёт основных проектных параметров спутниковых систем связи
Курсовая
работа
по дисциплине
ССРС и СИЗ
«Расчёт
основных проектных параметров спутниковых систем связи»
Оглавление
Введение
. Задание
. Исходные данные
. Выбор типа модуляции
. Определение необходимой
полосы частот
. Кодирование
. Выбор конкретной полосы
частот
. Расчёт затухания в
антенно-фидерных устройствах
. Расчёт потерь в атмосфере
при минимальном угле места
. Расчёт суммарных потерь в
тракте передачи
. Расчёт мощности шумов на
входе приёмной системы
. Расчёт коэффициента
усиления антенны, дальности связи
. Расчёт отношения сигнал/шум
. Выбор оптимального варианта
построения радиосистемы
Заключение
Список литературы
Введение
Любая система связи, в конечном счете, зависит от некоторых основных
системных параметров, которые и определяют качество связи.
Так, для систем спутниковой связи это тип орбиты её космического сегмента
и характеристики орбиты. B целом любая спутниковая система связи состоит из
трёх сегментов: космического (или космической группировки), наземного (наземные
станции обслуживания, станции сопряжения), и пользовательского сегмента
(непосредственно терминалы, находящиеся у потребителя).
По типу используемых орбит спутниковые системы связи делятся на два
класса:
Системы со спутником на геостанционной орбите (GЕО) (высота 36 000 км;
количество спутников для GEO-группировки - 3, один спутник покрывает 34% земной
поверхности, задержка при передачи речи для глобальной связи - 600 мс) и
негеостанционные.
Негеостанционные спутниковые системы в свою очередь подразделяются на:
средневысотные MЕО (высота 5000-15000 км; количество космических аппаратов
8-12; зона покрытия одним спутником 25-28%; задержка при передаче речи 250-400
мс) и низкоорбитальные LЕО (высота - 300-2000 км; количество космических
аппаратов - 48-66; зона покрытия одним спутником- 3-7%; задержка при передачи
речи для глобальной связи 170-300 мс).
Большинство существующих спутниковых систем связи имеют геостанционные
группировки спутниковых группировки, что легко объяснимо: небольшое количество
спутников, охват всей земной поверхности. Однако большая задержка сигнала
делает их применимыми, как правило, только для радио- и телевещания. Для систем
радиотелефонной связи большая задержка сигнала крайне не желательна, так как
приводит к плохому качеству связи и повышению стоимости пользовательского
сегмента. Поэтому первоначально большинство спутниковых систем связи
обеспечивали в основном фиксированную спутниковую связь (связь между
стационарными объектами), и лишь с внедрением цифровых методов связи и запуском
негеостанционных космических аппаратов широкое развитие получила подвижная
спутниковая связь. Современные системы подвижной спутниковой связи совместимы с
традиционными наземными системами подвижной связи (в первую очередь - с
цифровыми сотовыми), и взаимодействие сетей подвижной спутниковой радиосвязи с
телефонной сетью общего пользования возможна на любом уровне (местном,
внутризоновом, междугородном).
Рисунок 1. Схема спутниковой системы связи
данной пояснительной записке к проектированию приведён пример
энергетического расчёта спутниковой линии связи, расчёт основных проектных
параметров системы передачи информации с космического аппарата (КA) на наземный
пункт, с характеристиками в соответствии с индивидуальным заданием. Основной
особенностью спутниковых линий является наличие больших потерь сигнала,
обусловленных затуханием его энергии на трассах большой физической
протяжённости.
Помимо этого основного затухания в пространстве, сигнал в линиях
спутниковой связи подвержен влиянию большого числа других факторов, таких как
поглощение в атмосфере, рефракция и т.д. С другой стороны на приёмное
устройство КА и наземной станции кроме собственных флуктуакционных шумов
воздействуют разного рода помехи в виде излучения из космоса, планет. Поэтому
необходим учёт различных факторов, который позволяет осуществить оптимальное
проектирование радиосистемы, обеспечить её уверенную работу и, в тоже время
исключить излишние энергетические запасы, приводящие к неоправданному
увеличению сложности земной и бортовой аппаратуры.
Основной целью проектирования является закрепление и углубление знаний,
полученных при изучении сетей и систем радиосвязи, решение конкретной задачи
проектирования системы.
1. Задание
В проекте требуется рассчитать основные параметры системы передачи
информации с космического аппарата на сеть наземных станций. Для чего
необходимо:
Выбрать и обосновать тип модуляции.
Определить необходимую полосу частот с учётом скорости передачи и типа
модуляции.
В соответствии с регламентом связи выбрать конкретную полосу частот, при
этом указать в каком диапазоне она находится, дать описание диапазона.
Рассчитать затухание в антенно-фидерных устройствах с учётом длины фидера
и частотного диапазона.
Определить потери в атмосфере для частотного диапазона при минимальном
угле места.
Определить суммарные потери во всём тракте передачи.
Найти мощность шумов на входе приёмной системы
Рассчитать коэффициенты усиления антенны (передающей и приёмной).
Решить уравнение связи и выбрать оптимальный вариант построения системы.
2. Исходные данные
скорость передачи информации5 Мбит/с;
средняя вероятность ошибки на битне более 10-6;
орбита - круговая, высота300 км;
диаграмма направленности передающей антенны должна обеспечивать равную
плотность потока мощности сигнала в каждой точке подспутниковой зоны (зоны
радиовидимости);
диапазон частот7-8 ГГц (выбрать по РС);
длина фидерного тракта (борт)1,5 м;
длина фидерного тракта (земля)4,5 м;
рабочие углы места системыболее 10о;
эквивалентная шумовая температура приемного тракта - определить
самостоятельно;
Выбрать и обосновать тип модуляции, необходимость применения, вид и
эффективность кодирования.
3. Выбор типа модуляции
Как известно, значение параметра h2 зависит от расстояния
между сигналами или кодовыми комбинациями ансамбля, избыточности и основания
кода. При этом повышение избыточности и основания кода приводят к выигрышу по h2,
но сопровождаются увеличением полосы частот, занимаемой сигналами.
Для системы с ограниченной мощностью, где имеется достаточная полоса
пропускания, но есть дефицит мощности (например, системы космической связи)
возможны следующие компромиссы: 1) уменьшение Рв за счёт полосы
пропускания при фиксированном Еb/N0; 2) снижение Еb/N0
за счёт полосы пропускания при фиксированной Рв.
Исходя из того что проектная скорость не велика (5 Мб/с), и необходимое
значение отношения сигнал/шум может достигаться при относительно малых
значениях мощности передатчика. Проведя сравнение двух типов модуляций:
квадратурно-амплитудного и квадратурно-фазовой-выбор остановился на последней,
ввиду того что при одних и тех же вероятностях ошибки данный тип модуляции
требует меньшие показатели отношения сигнал/шум. Частотная модуляция не
рассматривалась ввиду того, что при её использовании увеличивается требуемая
полоса частот.
Рисунок 2. Сравнение квадратурно-амплитудной и квадратурно-фазовой
модуляции
Дальнейшее сравнение видов квадратурно-фазовых модуляций показало, что
самым оптимальным видом является дифференциальная квадратурная фазовая
модуляция с шагом π/4 (π/4-DQPSK), так как занимаемая им
полоса минимальна (Ткс=2Тс) и равна 5 МГц и требуемые
показатели сигнал/шум также являются минимальными. Исходя из всего этого, можно
сделать вывод, что необходимое значение отношения сигнал/шум для передачи
информации с заданным качеством равно 11дБ.
Рисунок 3. Сравнение
видов квадратурно-фазовых модуляций
Рисунок 4. Дифференциальная квадратурная фазовая модуляция
4. Определение необходимой полосы частот
Необходимая ширина полосы частот (НШП) - это ширина полосы частот,
которая достаточна при данном классе излучения для обеспечения передачи
сообщений с необходимой скоростью и качеством при определённых условиях.
Полоса частот по Найквисту, необходимая для передачи сигнала при
отсутствии межсимвольной интерференции равна:
где Т- длительность канального импульса (Ткс).
Так как в нашем случае при π/4-DQPSK модуляции Ткс=2Тс,
то необходимая ширина полосы частот равна 5 Мгц.
модуляция
радиосистема кодирование наземный
5. Кодирование
Так как требуемая проектная скорость не велика, и выбранный вид модуляции
способен обеспечить заданное качество передачи информации, то от кодирования
решено было отказаться в виду усложнения, и, следовательно, удорожания проекта
при его применении.
6. Выбор конкретной полосы частот
В соответствии с Регламентом Связи выберем диапазон частот, в котором
будет работать проектируемая система. По заданию этот диапазон должен
находиться в пределах 7-8 ГГц. Возьмём диапазон в который укладывается
рассчитанная НШП, равный 7,25-7,30 ГГц. Этот диапазон предназначен для
фиксированной, фиксированной спутниковой (космос - Земля) и подвижной связи.
В соответствии с Регламентом Связи данное излучение будет иметь
обозначение: 5М00G1DDN
Пятый символ - тип модуляции. G - фазовая модуляция.
Шестой символ - характер сигнала модулирующего основную несущую, 1 - Один
канал, содержащий квантованную или цифровую информацию без использования
модулирующей поднесущей.
Седьмой символ - тип передаваемой информации, D - Передача данных,
телеметрия, телеуправление
Восьмой символ - подробная информация о сигнале, D -
Четырехпозиционный код, в котором каждая позиция представляет элемент сигнала
(из одного или нескольких бит)
Девятый символ - характер уплотнения, N - без
уплотнения.
7. Расчёт затухания в антенно-фидерных устройствах
Затухание в АФУ определим, пользуясь справочником. В
качестве фидеров будем использовать прямоугольный волновод. Так как сигналы
будут передаваться в диапазоне 7,25-7,30ГГц, то интервал рабочих длин волн
будет 4,11-4,14 см. Данный волновод имеет размеры 2,85х1,25 см. Коэффициент полного
затухания такого волновода равен: а=0,073 дБ/м.
В соответствии с исходными данными длины фидерных
линий lз=4,5м (для земной приёмной антенны) и lб=1,5м
(для бортовой передающей антенны). С учетом этого затухание в АФУ:
8. Расчёт потерь в атмосфере при минимальном угле места
В диапазоне частот, выделенных для спутниковых систем
связи влияние атмосферы проявляется в виде ослабления (поглощения) радиоволн в
тропосфере и ионосфере, искривления траектории луча в результате рефракции
изменения формы и вращения плоскости поляризации радиоволн и появления помех,
обусловленных тепловым излучением атмосферы и шумами поглощения.
Установлено, что в диапазонах частот свыше 500 МГц
основное поглощение осуществляется тропосферой, а точнее, газами тропосферы:
кислородом, водяными парами, а также дождём и прочими гидрометеорами.
Поглощение в спокойной (невозмущённой) атмосфере без
гидрометеоров определяется величиной Lа. Данное поглощение
представляет собой как бы постоянную составляющую потерь, имеющих место в
течение 100% времени. Для разных диапазонов частот, минимальных углов места
значение этого параметра будет разным.
Рисунок 5. Частотная зависимость поглощения радиоволн
в спокойной атмосфере
Рисунок 6. Зависимость поглощающей способности земной
атмосферы от длины волны
Воспользуемся приведёнными графиками зависимости
поглощения радио волн в спокойной атмосфере от частоты при различных углах
места антенны земной станции, определим величину Lа. Для диапазона 7
ГГц и угла места приёмной антенны 10о получим Lа=3 дБ.
Оценка затухания в гидрометеорах оказывается задачей
более сложной, чем в спокойной атмосфере, поскольку величина поглощения Lд
зависит от вида гидрометеоров (дождь, снег туман), интенсивности осадков,
размеров зоны их выпадения и распределения интенсивности по зоне. Наибольшее
ослабление вносят жидкие гидрометеоры (дождь, туман, мокрый снег), ослабление в
твёрдых структурах (град, сухой снег) значительно меньше. Наличие взвешенных
частиц - аэрозолей, практически не влияет на поглощение сигнала и в обычных
условиях не учитываются. На основании изложенной методики можно определить
затухание радиоволн в дожде не превышаемое в течение заданного процента времени
года или наихудшего месяца.
Рисунок 7. Зависимость поглощения радиоволн в тумане и
дожде от частоты
Из приведённого графика зависимости затухания в дожде
Lд от частоты при вероятности Тд=0.1% определим значение
Lд для диапазона 7ГГц. Lд=0.4дБ.
Потери из-за неточности наведения антенны Lн
так же, как и Lд носят случайный характер.
Данные потери определяются угловыми отклонениями оси
главного лепестка диаграммы направленности от истинного направления на ИСЗ, а
также шириной и формой этого лепестка.
Примем, что погрешность направления диаграммы
направленности не превышает ширины её диаграммы направленности по уровню
половинной мощности, следовательно, потери не будут превышать 3дБ, т.е. Lн=3дБ.
Дополнительные потери в атмосфере, обусловленные
влиянием рассмотренных выше факторов, определим как:
Lдоп= Lа + Lд + Lн, дБ,
Таким образом, получим величину дополнительных потерь, равную:доп
= 3+0,4+3 = 6,4дБ.
9. Расчёт суммарных потерь в тракте передачи
Суммарные потери во всём тракте передачи информации исключают потери,
связанные со свободным распространением радиоволн в вакууме, и включают в себя
потери в АФТ и дополнительные потери в атмосфере:
Рассчитанные по данной формуле суммарные потери будут равны:
Округлим получившееся значение до 7дБ и переведём дБ в разы, учитывая,
что эти потери являются отрицательными:
10. Расчёт мощности шумов на входе приёмной системы
В диапазонах частот, где работают спутниковые системы шумы, создаваемые
различными источниками, имеют аддивный характер, поэтому суммарная мощность
достаточно полно выражается формулой:
Где k - постоянная Больцмана, k=1.38∙10-23 Дж/К;
Т - эквивалентная шумовая температура внутренних и внешних шумов;
Δf - эквивалентная шумовая полоса
приёмника.
Дадим количественную характеристику величин, входящих в эту формулу.
Эквивалентная шумовая полоса приёмника - это и есть наша рабочая полоса частот,
т.е. НШП, рассчитанная в пункте 4. Таким образом: Δf =5,0МГц.
Полная эквивалентная шумовая температура приёмной системы, состоящей из
антенны, волнового тракта, и собственно приёмника, пересчитанная к входу МШУ
(малошумящего усилителя) примем равной 273 К.
Исходя из этого, определим мощность шумов на входе приёмной системы:
Рш =1,38∙10-23∙273∙106 =3,76∙10-15
11. Расчёт коэффициента усиления антенны, дальности связи
Коэффициентом усиления антенны называется отношение квадрата
напряжённости электрического поля, создаваемой в данном направлении к квадрату
напряжённости поля, создаваемого воображаемым абсолютно ненаправленным
излучателем.
Коэффициент усиления передаточной антенны показывает во сколько раз
квадрат направленности поля, создаваемый антенной в данной точке приёма,
превышает квадрат напряжённости поля, создаваемый в той же точке эталонной
антенной с КПД=1.
В нашей системе необходимо применить такое бортовое передающее антенное
устройство, которое бы обеспечило равную плотность потока мощности в любой
точке подспутниковой зоны связи в пределах радиовидимости. Для расчёта
максимальной дальности связи воспользуемся формулой:
,
где R=6371км (радиус Земли), Н=300 км (высота круговой орбиты), α=10о (минимальный рабочий
угол места). RCB=2537 км.
Т.к. плотность потока мощности у поверхности Земли определяется
выражением:
Коэффициент усиления антенны должен быть пропорционален квадрату
дальности для любой подспутниковой точки. Такая диаграмма направленности
называется воронкообразной.
Запишем известное выражение коэффициента направленного действия антенны:
- Величина отклонения оси от надира; φ - азимут.
При этом диаграмма направленности описывается выражением:
Перемножив D и DDD, получим выражение для коэффициента усиления антенны в
зависимости от угла α
=D∙DDD
получаем G = 1,25
Для дальнейших расчётов нам потребуется значение Эффективной площади приёмной
антенны, т.е. площадь, которая максимально используется при приёме антенной
потока мощности.
прм- диаметр приёмной антенны, v - коэффициент
использования поверхности антенны.
Коэффициент использования
поверхности антенны равен 0,4, диаметр приёмной антенны возьмём 0,5м, тогда: Sэф=0,246
12. Расчёт отношения сигнал/шум
Для решения задачи, связанной с оптимизацией спутниковых систем, будем
пользоваться основным уравнением радиосвязи для одного участка передачи:
где Р - мощность передающего устройства, G - коэффициент усиления
передающей антенны, R - максимальная дальность связи.
Все величины, входящие в состав данного выражения мы вычислили в
предыдущих пунктах курсового проекта. Мощность передающего устройства примем
равной 20Вт.
Переведём в дБ:
h2 =15,856 дБ.
Значение данного соотношения сигнал/шум удовлетворяет теоретическому
условию (11дБ), при котором осуществляется передача информации с заданным
уровнем качества, следовательно, система с такими параметрами будет
жизнеспособна.
13. Выбор оптимального варианта построения радиосистемы
Расчёт энергетического потенциала системы достаточность требуемого уровня
отношения сигнал/шум для заданной вероятности ошибочного приёма в канале, что
позволяет обойтись без помехоустойчивого кодирования. В целях более
экономичного использования системы радиосвязи подберём наиболее оптимальный
вариант реализации, который позволит работать при той же вероятности ошибки.
Рассмотренные варианты сведём в таблицу.
Таблица 1.
Параметр
|
Вариант 1
|
Вариант 2
|
Вариант 3
|
Вариант 4
|
Вариант 5
|
Диаметр приёмной антенны, м
|
0,5
|
0,5
|
0,25
|
0,75
|
1
|
Излучаемая мощность передающей антенны, Вт
|
20
|
10
|
30
|
5
|
2
|
Отношение сигнал/шум
|
38,515
|
19,257
|
14,443
|
21,665
|
15,406
|
Отношение сигнал/шум, дБ
|
15,856
|
12,846
|
11,579
|
13,357
|
11,877
|
Запас по мощности
|
3,059
|
1,53
|
1,147
|
1,721
|
1,224
|
Запас по мощности, дБ
|
4,856
|
1,846
|
0,597
|
2,357
|
0,877
|
Выбор варианта зависит от параметра, за счёт которого решено производить
оптимизацию. Если необходимо максимально уменьшить диаметр приёмной антенны, то
целесообразно использовать систему с параметрами Варианта №3, если необходимо
добиться минимальной мощности передатчика - то Вариант №5. Но самым оптимальным
вариантом является Вариант №2, так как здесь максимальные показатели запаса
мощности достигаются при минимальных значениях параметров самой системы.
Заключение
В процессе выполнения данного проекта был произведён расчёт основных
проектных параметров системы передачи, выбран оптимальный метод модуляции. Решено
уравнение связи с учётом возможных потерь. Также была проведена оптимизация
рассматриваемой системы.
Список литературы
1. Спутниковая
связь и вещание: Справочник - под редакцией Кантора Л.Я. - Москва, 2008г.
. Справочник
по элементам волноводной техники - Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р., Смирнов В.П. -
Москва, 2012г.
. Антенно-фидерные
устройства: Учебник - под редакцией Кочержевского Г.Н. - Москва, 2012г.
. Регламент
радиосвязи РФ - Москва, 2009г.
. Цифровая
связь. Теоретические основы и практическое применение: Учебник - Бернард Скляр
- Москва, 2013г.