reforef.ru 1




Содержание:

Введение………………………………………………………………………..3

1. Бюджет канала связи………………………………………………………4

2. Спутниковый канал связи…………………………………………………6

3. Мощность принятого сигнала и шума…………………………………..14

4. Анализ бюджет канала связи…………………………………………….18

5. Коэффициент шума и шумовая температура системы…………………22

6. Определение диаграмм направленности параболической антенны и

различных облучателей…………………………………………………..27

7. Анализ канала связи наземный терминал-спутник…………………….50

8. Спутниковые ретрансляторы…………………………………………….54

Заключение………………………………………………………………........69

Литература……………………………………………………………….........70

Введение

Роль спутниковой связи в развитии средств связи определяется, во-первых, способностью охватить огромные территории. При этом для создания новых направлений связи необходимо лишь сооружение земных станций. Это особенно выгодно при передаче циркулярной информации (телевидения, радиовещания, газет) на большие расстояния от центра, а также при организации связи с удаленными, труднодоступными районами, подвижными объектами (кораблями, самолетами и т. д.).

Во-вторых, маневренностью системы, т. е. возможностью пере­распределения потоков информации, идущих через ИСЗ. Хорошо известно, что потребность в телефонных каналах и программах телевидения в течение суток чрезвычайно неравномерна. Например, телефонные каналы, перегруженные в часы наибольшей нагрузки (ЧНН) (6—8 ч в сутки), в остальное время используются на 20—30%. Общий коэффициент использования каналов связи не превышает 30%. Следовательно, проектировать наземные системы связи на максимальную емкость невыгодно, а при проектировании на емкость среднесуточной загрузки возникают более чем трехкратные перегрузки. Для снятия этих перегрузок можно эффективно использовать системы связи через ИСЗ, особенно с учетом того, что ЧНН в различных часовых поясах сдвинуты во времени. Перераспределение каналов также может потребоваться для восстановления связи в случае аварий на наземных трассах.


Наконец, в-третьих, роль спутниковой связи определяется тем, что стоимость ее каналов не зависит от расстояния между земными станциями. Спутниковая связь тем экономичнее (по сравнению с земными каналами), чем удаленнее друг от друга находятся корреспонденты, чем более разветвлена сеть земных станций и чем выше пропускная способность ИСЗ.



  1. Бюджет канала связи

Когда говорим о канале связи, какую часть системы мы подразумеваем? Это физический канал или область между передатчиком и приемником? Нет, это нечто большее. Канал представляет собой тракт связи, который начинается с информационного источника, проходит через все этапы кодирования и модуляции, передатчик, физический канал, приемник (со всеми его этапами обработки) и завершается на получателе информации.

Что такое анализ канала связи? Какова его роль при разработке системы связи? Анализ канала связи и его результат, бюджет канала, состоят из вычисления и табулирования полезной мощности сигнала и паразитной мощности шума в приемнике. Бюджет канала — это расчет баланса потерь и прибыли; он определяет подробное соотношение между ресурсами передачи и приема, источниками шума, поглотителями сигнала и результатами процессов, выполняемых в канале. Некоторые параметры бюджета являются статистическими (например, скидка на замирание сигнала). Бюджет — это метод оценки, позволяющий определить достоверность передачи системы связи. После того как выбрана схема модуляции, требования к определенной вероятности ошибки диктуют выбор рабочей точки на кривой зависимости; другими словами, требуемая достоверность передачи определяет значение Еb/No, которое должно быть доступным в приемнике для получения этой достоверности. Основная задача анализа канала связи — это определить действительную рабочую точку системы на графике, изображенном на рис. 1.1, и установить, что вероятность ошибки, связанная с этой точкой, меньше (или равна), требуемой. Из множества спецификаций, анализов и табличных представлений, используемых для разработки системы связи, бюджет канала занимает особое место, поскольку обеспечивает обзор системы в целом.




рис. 1.1

Изучая бюджет канала, можно многое узнать об общей структуре и производительности системы. Например, из энергетического резерва канала связи можно узнать, как система удовлетворяет многочисленным требованиям — идеально, с натяжкой или вообще не удовлетворяет. Бюджет канала связи может показывать, существуют ли какие-либо аппаратные ограничения и можно ли их компенсировать за счет других частей канала. Вообще, бюджет канала часто используется для расчета компромиссов системы и изменения конфигурации; кроме того, он способствует пониманию различных аспектов и взаимозависимостей на уровне подсистем. Краткое изучение бюджета канала и сопровождающей его документации позволяет судить о том, был ли анализ выполнен точно или представляет грубую оценку. Вместе с другими методами моделирования бюджет канала помогает предсказать вес и размер оборудования, первоначальные энергетические требования, технические риски и стоимость системы. Бюджет канала — это один из самых важных документов управляющего системой; он представляет "итоговый отчет" по поиску оптимальной про­изводительности системы.

2. Спутниковый канал связи

Среда распространения, или электромагнитный тракт связи, соединяющий передатчик и приемник, называется каналом. Вообще, каналы связи могут состоять из проводников, коаксиальных и оптоволоконных кабелей, а также (в случае передачи в радиодиапазоне частот) волноводов, атмосферы или открытого пространства. Для большинства наземных каналов связи пространство канала проходит через атмосферу. Для спутниковых каналов связи канал, в основном, проходит через открытое пространство. Понятие открытого пространства подразумевает канал, свободный от любых помех рас­пространению в диапазоне радиочастот, таких как поглощение, отражение, преломление иди дифракции. Если часть канала приходится на атмосферу, эта часть должна быть одно­родной и удовлетворять всем указанным условиям. Предполагается, что земля находится бесконечно далеко (или что ее коэффициент отражения пренебрежимо мал). Предполага­ется также, что энергия, передаваемая на радиочастотах, является функцией только рас­стояния от передатчика (и, как в оптике, подчиняется закону обратных квадратов). Каналы открытого пространства описывают идеальный тракт распространения радиочастот; на практике распространение через атмосферу и возле поверхности земли подвержено по­глощению, отражению, дифракции и рассеиванию, что корректирует передачу в открытом пространстве. Следует напомнить, что хотя некоторые атмосферные явления происходят на высоте до 100 км, основная часть ат­мосферы лежит все же ниже 20 км. Следовательно, на атмосферу приходится только не­большая часть (0.05%) обшей длины (35 800 км) тракта связи.


Источники возникновения шумов и ослабления сигнала

На рис. 2.1 представлена блок-схема спутникового канала связи с источниками возникновения шумов и ослабления сигнала. На рисунке механизмы ослабления (или по­терь) сигнала показаны затененными, а источники шума — штрихованными прямоуголь­никами. Источники, ослабляющие сигнал и вносящие шум, представлены сетчатыми пря­моугольниками. Ниже приводится перечень источников (21 наименование) ухудшения качества передачи, в котором описаны важнейшие "вкладчики" в ухудшение отношения 5ЫК. Нумерация списка соответствует нумерации, приведенной на рис. 2.1



Рис. 2.1

1. Потери, связанные с ограничением полосы. Все системы используют в передатчике фильтры для передачи энергии в ограниченной или выделенной полосе. Это позволяет исключить интерференцию с сигналами других каналов или пользователей, а также удовлетворить требования органов государственного регулирования. Подобная фильтрация уменьшает общее количество передаваемой энергии; ре­зультат — ослабление сигнала.

2. Межсимвольная интерференция. Как показывалось в главе 3, фильтрация в систе­ме — передатчике, канале и приемнике — может привести к межсимвольной ин­терференции. Принятые импульсы перекрываются; хвост одного импульса "размывается" на соседние символьные интервалы, что мешает процессу детек­тирования. Даже при отсутствии теплового шума, неидеальная фильтрация, ог­раничение полосы системы и замирание в каналах приводят к возникновению межсимвольной интерференции.

3. Фазовый шум гетеродина. При использовании в процессе смешения сигналов ге­теродина, случайное смешение фазы добавляет к сигналу фазовый шум. При ис­пользовании в корреляционном приемнике опорного сигнала случайное смеше­ние фазы может привести к уменьшению возможностей детектора, а следова­тельно, к ослаблению сигнала. В передатчике случайное смешение фазы может привести к размыванию полосы выходного сигнала, которая затем будет ограни­чена выходным фильтром, что приведет к ослаблению сигнала.


4. Преобразование амплитудной модуляции в фазовую. Данное преобразование — это явление фазового шума, проявляющееся в нелинейных устройствах, таких как лампа бегущей волны. Флуктуации амплитуды сигнала (амплитудная модуляция) порождают колебания фазы, вносящие фазовый шум в сигналы, которые выделяются с помощью коге­рентного детектирования. Преобразование амплитудной модуляции в фазовую также может приводить к возникновению дополнительных боковых полос, что вызывает ослабление сигнала.

5. Усиление или ослабление на ограничителе. Ограничитель с резким порогом может усилить более мощный из двух сигналов и подавить более слабый; это может привести как к усилению, так и к ослаблению сигнала .

6. Интермодуляционные составляющие, возникающие в результате взаимодействия нескольких несущих. Когда несколько сигналов, которые передаются на разных не­сущих частотах, одновременно присутствуют в нелинейном устройстве, таком, на­пример, как ЛБВ, может возникнуть мультипликативное взаимодействие между частотами несущих, что может привести к возникновению комбинационных сиг­налов суммарных и разностных частот. Перераспределение энергии между этими паразитными сигналами (интермодуляционные, или IМ-составляюшие) представ­ляет потерю энергии сигнала. Кроме того, если эти IМ-составляющие появляются в частотной области того или другого полезного сигнала, это приводит к увеличе­нию уровня шума для соответствующего сигнала.

7.
Модуляционные потери. Бюджет канала связи — это расчет принятой полезной мощности (или энергии). Полезной считается только та мощность, которая свя­зана с сигналами, переносящими информацию. Достоверность передачи является функцией удельной энергии, приходящейся на один символ. Любая мощность, используемая для передачи несущей, отличной от той, что модулирует сигнал (символы), представляет потери модуляции. (Стоит, правда, отметить, что энер­гия несущей может использоваться для обеспечения синхронизации.)


8. Эффективность антенны. Антенны — это преобразователи, превращающие электронные сигналы в электромагнитные поля и наоборот. Кроме того, они используются для фокусировки электромагнитной энергии в заданном направлении. Чем больше апертура (поверхность) антенны, тем выше результирующая плот­ность мощности сигнала в заданном направлении. Эффективность антенны опи­сывается отношением ее эффективной апертуры к физической. Механизмы, приводящие к снижению эффективности (уменьшению интенсивности сигнала), называются убыванием амплитуды, затенением апертуры, рассеиванием, переизлучением, приемом паразитных сигналов, дифракцией по краям и потерями вследствие диссипации. Типичная эффективность, получаемая при суммар­ном, воздействии всех названных механизмов, равна порядка 50-80%.

9. Ослабление и шум на обтекателе. Обтекатель — это специальная оболочка, применяемая для некоторых антенн в целях защиты от погодных воздействий. Обте­катель, находящийся на пути сигнала, будет рассеивать и поглощать некоторую энергию сигнала, что приведет к ослаблению сигнала. Основной закон физики утверждает, что тело, способное поглощать энергию, также излучает энергию (при температуре свыше 0 К). Часть этой энергии приходится па полосу приемника и вносит посторонний шум.

10. Потеря наведения. Если передающая либо принимающая антенна направлена неидеально, существует возможность потери сигнала.

11. Поляризационные потери. Поляризация электромагнитного поля определяется как направление в пространстве, вдоль которого лежат силовые линии поля, а поляризация антенны описывается поляризацией ее поля излучения. При неверном согласовании передающей и принимающей антенн сигнал может ослабляться.

12. Атмосферные помехи и шум атмосферы. Атмосфера отвечает за ослабление сигнала, а также вносит нежелательные помехи. Основная часть атмосферы лежит ниже высоты 20 км; но даже в пределах этого относительно короткого пути работают важные механизмы потерь и шумов. На рис.2.2 приведены теоретические графики одностороннего поглощения по направленно к зениту. Зависимости приведены для нескольких высот (начиная с уровня моря — 0 км) для составляющих водяного пара с плотностью 7.5 г/м* возле земной поверхности. Величина ослабления сигнала вследст­вие поглощения кислородом и водяными парами показана как функция несу­щей частоты. Локальные максимумы поглощения расположены в окрестности 22 ГГц (водяной пар), 60 и 120 ГГц. Также стоит отметить, что атмосфера вносит в ка­нал энергию шумов. Как и в случае обтекателя, молекулы, поглощающие энергию, также излучают энергию. Молекулы кислорода и водяного пара излучают шум по всему спектру радиочастот. Часть этого шума, приходящаяся на полосу данной системы связи, ухудшает ее отношение сигнал/шум. Ливень является основной атмосферной причиной ослабления сигнала и основным фактором, вносящим шум. Чем он интенсивнее, тем большую энергию сигнала он поглотит. Кроме того, в дождливый день через луч антенны, направленный на приемник, проходит больше атмосферных шумов, чем в ясный день. Вообще, атмосферные помехи — это об­ширная тема.




1 2 5 10 20 50 100 200 400

Частота (ГГц)

Рис.2.2

13. Пространственные потери. Интенсивность электрического поля, а следовательно, и интенсивность сигнала (плотности мощности или плотности потока мощности) уменьшаются с расстоянием. Для канала спутниковой связи пространствен­ные потери — это наибольшие потери, вызванные одним фактором, приводящим к ослаблению в системе (данный фактор отнесен к ослаблению сигнала, потому что не вся излучаемая энергия фокусируется па целевой принимающей антенне).

14. Помехи соседнего канала. Эта интерференция характеризуется нежелательными сигналами, которые поступают из других частотных каналов, или энергией, привносимой в интересующий нас канал. Возможность такого "заползания" соседнего сигнала определяется модуляционным спектральным сглаживанием, а также шириной и формой основного спектрального лепестка сигналов.

15. Соканальная интерференция. Данной интерференцией называется ухудшение качества, вызванное интерферирующими сигналами, которые появляются в пределах полосы частот сигнала. Она может вноситься по-разному, например, посредством случайных передач, недостаточного разграничения вертикальной и горизонтальной поляризации или приема паразитных сигналов боковым лепестком антенны (низкоэнергетическим лучом, окружающим основной луч антенны). Кроме того, соканальная интерферен­ция может вноситься другими пользователями данного спектра

16. Комбинационные помехи. Интермодуляционные составляющие, описанные в п. 6, происходят от сигналов с многочисленными несущими, взаимодействующими в нелинейном устройстве. Подобные составляющие иногда называются активной взаимной модуляцией', как говорилось в п. 6, они могут либо приводить к потере энергии сигнала, либо быть причиной внесения в канал шума. В данном пункте мы имеем дело с пассивной взаимной модуляцией; это явление вызывается взаимо­действием сигналов с многочисленными несущими, имеющими нелинейные компоненты на выходе передатчика. Эти нелинейности обычно появляются на стыке волноводов, корродированных поверхностях и поверхностях с плохим электрическим контактом. Электромагнитные поля значительной мощности, имеющие диодоподобную характеристику (рабочий потенциал), порождают мультипликативные составляющие, а следовательно, — помехи. Если подобные помехи будут излучаться на близлежащую принимающую антенну, они могут серьезно ухудшить качество функционирования приемника.


17. Галактический или космический шум, звездный шум и шум побережья. Все небес­ные тела, такие как звезды и планеты, излучают энергию. Подобная энергия шума, поступающая в зону обзора антенны, отрицательно сказывается на отно­шении сигнал/шум.

18. Потери в фидере. Уровень принятого сигнала может быть крайне мал; следовательно, он может быть особенно чувствителен к воздействию шума. По этой причине в начале приемника находится область, где прилагаются значитель­ные усилия, чтобы максимально снизить уровень шума, пока сигнал не будет в достаточной степени усилен. Волновод или кабель (фидер) между принимающей антенной и собственно приемником не только приводит к поглощению сигнала, но и вно­сит тепловой шум.

19. (Собственный) шум приемника. Это тепловой шум, порождаемый приемником.

20. Потери аппаратной реализации. Эти потери представляют собой разность между теоретической эффективностью детектирования и реальной, определяемой несо­вершенством системы: ошибками синхронизации, уходом частоты, конечными временами нарастания и спада сигналов и конечнозначной арифметикой

21. Неидеальная синхронизация. Если фаза несущей, фаза поднесушей и синхрониза­ция символов организованы идеально, вероятность ошибки представляет собой однозначную функцию отношения Еb/N0. К сожалению, названные величины реализуются не идеально, что приводит к потерям.

3. Мощность принятого сигнала и шума

3.1. Дистанционное уравнение

Основная задача бюджета канала — доказать, что система связи будет работать со­гласно плану; т.е. качество сообщений (достоверность передачи) будет удовлетворять заданным требованиям. Бюджет канала отслеживает "потери" и "прибыли" (усиление и ослабление) передаваемого сигнала от начала его формирования в передатчике до полного получения в приемнике. Вычисления показывают, чему равно отношение Eb/No в приемнике и какой запас прочности существует. Процесс вычисления бюджета канала начинается с дистанционного уравнения, связывающего принятую мощность с расстоянием между передатчиком и приемником.


В системах радиосвязи несущая распространяется от передатчика с помощью пере­дающей антенны. Передающая антенна — это устройство, преобразовывающее электрические сигналы в электромагнитные поля. В приемнике принимающая антенна выполняет обратное преобразование; она превращает электромагнитные поля в электрические сигналы. Вывод уравнения, связывающего приемник и передатчик, обычно начинается с рассмотрения ненаправленного источника радиоизлучения, равномерно передающего в 4я стерадиан. На рис. 2.3 показан идеальный источник, называемый изотропным излучателем.





(3.1)

Для d, значительно превышающего длину распространяющейся волны (дальняя зона), мощность, извлеченную на принимающей антенне, равна:

(3.2)

Здесь параметр Аer — это сечение захвата (эффективная площадь) принимающей антенны, определяемое следующим образом:

(3.3)

Если рассматриваемая антенна является передающей, сс эффективная площадь обозначается как Аer. Если не указано, выполняет ли антенна принимающую или передающую функцию, эффективная площадь обозначается через Ае

Эффективная площадь антенны Ае, и ее физическая площадь поверхности Аp связа­ны коэффициентом эффективности :

(3.4)

Это говорит о том, что не вся падающая мощность была извлечена; вследствие различных механизмов происходят потери. Номинальное значение  для параболиче­ской антенны составляет 0,55, а для рупорной — 0.75.


коэффициент направленного действия (КНД) - параметр антенны, который связывает выходную (или входную) мощность с мощностью изотропного излучателя:

(3.5)

При отсутствии любых диссипативных потерь или потерь вследствие несогласованно­сти импендансов коэффициент направленного действия антенны (в направлении макси­мальной интенсивности излучения) определяется из формулы (3.5). В то же время, если существует некоторая диссипация или несогласованность, коэффициент направленного действия антенны уменьшается на множитель, соответствующий этим потерям. Мы будем предполагать, что диссипативные потери равны нулю, а импендансы согласованы идеально. Таким образом, формула (3.5) описывает максимальный коэффициент направленного действия антенны, как показано на рис. 3.1, его можно рассматривать как результат концентрации изотропного излучения в некоторой ограниченной области, меньшей 4л стерадиан. Теперь мы можем определить эффективную излученную мощность относительно изотропного излучателя как произведение переданной мощности Р, и коэффициента направленного действия передающей антенны G;

(3.6)



Если антенна передатчика имеет некоторый коэффициент направленного действия относительно изотропной антенны, используем выражение:

(3.7)

(3.8)

Мощность принятого сигнала как функция частоты

(3.9)

4. Анализ бюджета канала связи


При расчете бюджета наибольший интерес представляет такой параметр, как отношение сигнал/шум (SNR) принимающей системы, который иногда именуется отношением мощности несущей к шуму C/N, где N=KTW, к — постоянная Больцмана, T — температура в Кельвинах, W- ширина полосы. В расчете бюджетов спутниковых линий связи постоянно присутствует C/N. Это происходит потому, что спутниковые сигналы - это обычно сигналы с подавленной несущей, в которых несущая может выглядеть как модулированная (трансформированная в информационный боковой лепесток). S/N с информационным поведением, обозначаемый Р/N или С/N, является параметром, представляющим интерес для определения Еb/No. При передаче сигналов с подавленной несущей Р/N и С/N имеют одинаковые значения, следовательно, следующие выражения иногда являются взаимозаменяемыми.

(4.1)

Выражение для P/N можно получить, разделив обе части уравнения (5.11) на мощность шума N

(4.2)

Формула применима к любому одностороннему радиочастотному каналу. При использовании аналоговых приемников ширина полосы шума (обычно называемая эффективной или эквивалентной полосой шума), видимая демодулятором, обычно превышает ширину полосы сигнала, и отношение P/N — это основной параметр при определении возможности детектирования сигнала и качества работы системы связи. В цифровых приемниках обычно реализуются корреляторы или согласованные фильтры, и ширина полосы сигнала обычно принимается равной ширине полосы шума. Как правило, мощность шума на входе не рассматривают, а обычной формулировкой отношения SNR для цифровых каналов связи является замещение мощности шума спектральной плотностью мощности шума.


(4.3)

Здесь эффективная температура системы T — это функция шума, излучаемого на антенну, и теплового шума, генерируемого приемни­ком. Отметим, что КНД принимающей антенны G, и системную температуру T можно объединить в один параметр G/T°, иногда именуемый добротностью при­емника (receiver figure-of-merit).

Следует обратить внимание на то, что эффективная температура системы Т° — это параметр, моделирующий все шумы принимающей системы; В формуле (4.3) был введен множитель описывающий все факторы ослабления и ухудшения, которые не учтены остальными членами уравне­ния (4.2). Множитель включает большой набор различных источников ослабления и ухудшения, перечисленных ранее. Итак, в уравнении (4.3) связываются ключевые параметры любого анализа канала связи: отношение спектральной плотности мощности принятого сигнала к шуму P/No, эффективная переданная мощность (ЕIRР), доброт­ность приемника (G/T°), и потери (Ls,Lo).

Предполагая, что вся принятая мощность Р, находится в модулирующем (переносящем информацию) сигнале, мы можем связать Еb/Nо и SNR и записать следующее:

(4.4)

R — скорость передачи битов. Если часть принятой мощности — это мощность несущей (т.е. имеем потерю мощности сигнала), мы по-прежнему можем использовать уравнение (5.20), за исключением того, что мощность несущей даст вклад в множитель потерь Lo в формуле (5.19). Полученная в уравнении (5.20) фундаментальная связь между Еb/No и P/No весьма пригодится при проектировании и оценке систем.


Бюджет канала обычно вычисляется в децибелах

(4.5)

Выражение энергетического резерва линии связи, содержит все параметры, влияющие на достоверность передачи по каналу связи. Поскольку анализ бюджета канала обычно рассчитывается в децибелах, уравнение (4.5) можно переписать следующим образом:

(4.6)

Мощность переданного сигнала ЕIRР выражается в децибел-ваттах (дБВт); спектральная плотность мощности шума Nо — в децибел-ваттах на герц (дБВт/Гц); усиле­ние антенны G, — в децибелах относительно изотропного усиления (дБ[i]); скорость передачи данных R — в децибелах относительно величины 1 бит/с (дБбит/с); все ос­тальные члены выражаются в децибелах (дБ). Численные значения параметров, фигу­рирующих в уравнении (4.6), составляют бюджет канала связи, полезное средство распределения ресурсов связи. Для поддержания положительного баланса нужно найти приемлемое соотношение между всеми параметрами; можно снизить мощность передатчика путем предоставления избыточного резерва или увеличить скорость передачи данных путем снижения (Еb/No)треб, (посредством выбора лучших схем модуляции и кодирования). Любой децибел в уравнении (4.6). независимо от параметра, не лучше и не хуже любого другого децибела — децибел есть децибел. Система передачи "не знает и знать не хочет", откуда приходят децибелы. Пока в приемнике обеспечивается надлежащее отношение Eb/Nо, система имеет необходимую достоверность передачи. Впрочем, есть еще два условия, которые необходимо будет удовлетворить при получении заданной вероятности ошибки, — должна поддерживаться синхронизация и должно минимизироваться или компенсироваться искажение, вызванное межсимвольной интерференцией.

5. Коэффициент шума, шумовая температура системы

5.1. Коэффициент шума

Коэффициент шума F (или шум-фактор) (noise figure) связывает значение параметра SNR на входе сети со значением на выходе. Таким образом шум-фактор измеряет ухудшение SNR, вызванное прохождением через сеть. Пример сказанного приведен на рис. 5.1. На рис. 5.1, а показано значение параметра SNR на входе усилителя (обозначено как (SNR)in в зависимости от частоты. Максимальное значение на 40 дБ превышает минимальный уровень шума. На рис. 4.1, 6 значение параметра SNR показано на выходе усилителя (обозначено как (SNR)out. За счет усиления на усилителе мощность сигнала возросла на 20 дБ, но при этом усилитель добавил к сигналу собственный шум. Максимальное значение сигнала на выходе всего на 30 дБ превышает минимальный уровень шума. Получаем, что ухудшение SNR на пути от входа до выхода составляет 10 дБ; это равносильно утверждению, что коэффициент шума усилителя равен 10 дБ.



Коэффициент шума — это параметр, выражающий шумовые свойства двух-портовой сети или некоторого устройства, такого как усилитель, относительно эталонного источника шума в входном порту. Записать шум-фактор можно следующим образом:

(5.7)

где

S — мощность сигнала во входном порту усилителя

Ni — мощность шума во входном порту усилителя

Nai — шум усилителя относительно входного порта

G — коэффициент усиления усилителя

Рис. Уровни шума и сигнала усилителя как функция частоты: а) вход усилителя; 6) выход усилителя

5.2 Сравнение шум-фактора и шумовой температуры

Поскольку и шум-фактор F и эффективная шумовая температура T° характеризуют шумовые характеристики устройств, некоторые инженеры вынуждены выбирать одну из этих мер. В то же время оба параметра имеет четко определенную "сферу деятельности''. Для наземных приложений практически универсальным является шум-фактор F; здесь понятие ухудшения параметра SNR для источника с температурой 290 К имеет смысл, поскольку температура наземных источников обычно близка к 290 К. Значения наземных шум-факторов обычно принадлежат диапазону 1—10 дБ.


Для космических приложений более удобным критерием качества является параметр T°. Диапазон температур для коммерческих систем обычно находится между 30 и 150 К. Недостатком использования шум-факторов для подобных малошумящих сетей является то, что все получаемые значения близки к единице (0.5-1.5 дБ), что создаeт определенные затруднения при сравнении устройств. Для малошумящих приложений F (в децибелах) необходимо выражать с точностью до двух знаков после запятой, чтобы оно давало разрешение или точность, сравнимую с точностью, которую даст Т. Для приложений космической связи эталонная температура в 290 К не является настолько подходящей, как для наземных приложений. Если же использовать эффективную температуру, то для описания ухудшения никакой эталонной температуры не требуется (разве что абсолютный нуль К). Эффективная входная шумовая температура просто сравнивается с эффективной шумовой температурой источника. Вообще, приложения, в которых фигурируют малошумящие устройства, лучше описывать с помощью Эффективной температуры, а не шум-фактора.

5.3. Эффективная температура системы

На рис, 5.2 представлена упрощенная схема принимающей системы, причем указаны те области (антенна, линия связи и предварительный усилитель), которые играют основную роль в ухудшении параметра SNR. Влияние предварительного усилителя уже обсуждалось ранее — оно заключается во введении в линию дополнительного шума. Также рассматривались потери в линии — сигнал поглощается при фиксированном уровне шума (если температура линии меньше (или равна) температуре источника). Оставшиеся источники ухудшения качества сигнала могут быть как естественными, так и искусственными. Естественные источники — это молнии, небесные источники радиоизлучения, атмосферные источники и тепловое излучение от земли и других физических структур. Искусственные — это излучение от автомобильных; систем зажигания и других электрических приборов, а также радиопередача от других пользователей, использующих ту же полосу, что и приемник. Общий объем шума, вносимого перечисленными внешними источниками, можно описать как кТantW, где Таnt, является температурой антенны. Антенна подобна линзе: вносимый ею шум определяется тем, "на что смотрит антенна". Если антенна нацелена на прохладную область неба, вво­дится крайне малый объем теплового шума. Температура антенны — это мера эффективной температуры, проинтегрированной по всей поверхности антенны.




Можно определить температуру системы ТS°, сложив все вклады в шум системы (выраженные через эффективную температуру). Суммарное выражение выглядит следующим образом:

(5.8)

Здесь ТA° — температура антенны, а Тобщ° — общая температура линии и предварительного усилителя. В уравнении (5.8) указаны два основных источника шума и ин­терференции, вызывающие ухудшение качества работы приемника. Один источник, описываемый слагаемым ТА°, представляет ухудшение работоспособности, навязывае­мое "внешним миром", проходящим через антенну. Второй источник, описываемый слагаемым Тобщ°, — это тепловой шум, вызванный движением электронов во всех про­водниках. Поскольку температура системы ТS° — это новая суммарная температура, включающая ТA° и суммарную эффективную температуру линии и предварительного усилителя, может возникнуть вопрос: почему уравнение (5.8) не содержит тех же множителей последовательного уменьшения, что и в уравнении (5.41)? Предпо­лагается, что антенна не имеет диссипативных частей, ее коэффициент усиления, в от­личие от усилителя или аттенюатора, может рассматриваться как коэффициент рас­ширения спектра сигнала. Какая бы эффективная температура не вводилась при про­ходе через антенну, это не зависит от самой антенны; антенна представляет шум источника (или температуру источника) на входе линии.

Используя уравнение (5.9), мы можем модифицировать уравнение (5.10) следую­щим образом:

(5.9) (5.10)

Если LF выражено в децибелах, мы должны вначале изменить его размерность, и ТS° приобретет следующий вид:


(5.11)

Уравнении (5.8), (5,9) и (5.10)-(5.11) описывают мощность приемника Р, и тем­пературу системы Т„ соответственно. Оба параметра касаются выхода принимающей антенны, являются популярными и предпочитаются разработчиками системы и ан­тенны, а также работающими на передающем конце линии связи. Разработчиками приемников часто используются другие параметры, которые представлены принятой мощностью Рr1 и температурой системы ТS', касающихся входа приемника. Если учесть, что антенна и приемник связаны линией с потерями, то отношение Рr, и Рr1 (также, как и ТS и ТS') равно шум-фактору линии L. Т.е. Тs = LТs1 и Рr = LРr'. Отметим, что отношение мощности приемника к температуре системы, параметр сигнал/шум конструкции приемник-система, является одинаковым для обеих пар параметров. Это так, поскольку Рr/Ts= LPr1 / LТS1.


6. Диаграммы направленности антенн

6.1. Наземный терминал-спутник
6.1. Несущая частота f=18,2 GHz и f=29,7 GHz

Зная несущую частоту f,можно определить длину волны по формуле:





Облучатель – диэлектрическая антенна.



Рис. 1. Максимальный и минимальный диаметры стержня диэлектрической антенны.

В качестве материала для изготовления диэлектрического стержня выбираем полистироловый текстолит ( ).

Максимальный диаметр стержня:





Минимальный диаметр стержня:





Так как средний диаметр равен






, а отношение


vf1/ c=0.99
то согласно рис. 2 фазовая скорость в стержне равна;




Рис. 2



Этой скорости соответствует коэффициент замедления

Находим длину стержня по формуле:





Определяем затухание, обусловленное тепловыми потерями в диэлектрическом стержне:


Имеющийся в формуле коэффициент R определяется по кривым, изображенным на рис.3, согласно относительной диэлектрической



проницаемости материала стержня ?=7 и отношения



Рис. 3

Этот коэффициент равен R = 0,09. Следовательно,





Отсюда находим к.п.д. антенны:





Коэффициент усиления антенны:




Диаграмму направленности антенны рассчитываем по уравнению, которое для вертикальной плоскости (плоскости Е) записывается следующим образом:


где — угол между данным направлением и осью стержня.

Для горизонтальной плоскости (плоскости Н) уравнением диаграммы направленности является:



В уравнениях и множители А' и А" выражают направленные свойства элементарного излучателя.






Рисунок 6. Диаграммы направленности диэлектрической антенны для ? = 18,2

Согласно приведенным выше формулам рассчитываются диаграммы направленности диэлектрической антенны, направлении наземный терминал – спутник для второй длины волны.











vf2/ c=0.99


























Рисунок 6. Диаграммы направленности диэлектрической антенны для ? = 29.7
Облучатель - цилиндрическая спиральная антенна



Рис.1.
В процессе расчета необходимо определить длину и число витков спирали, шаг намотки, коэффициент усиления и входное сопротивление антенны; построить диаграмму направленности антенны и определить ее ширину.

Длину витка спирали принимаем равной длине волны, так как антенна должна иметь максимум излучения вдоль оси спирали,





Определяем шаг намотки:




.

При вычислении длины спирали, измеренной по ее оси, исходим из того, что наиболее выгодное значение коэффициента замедления волны по этой оси на минимальной длине волны должно быть равным .

Отсюда:





что соответствует:





Число витков спирали:






Уточняем осевую длину спирали:





Вычисляем коэффициент усиления антенны на длине волны:





Ширина диаграммы направленности равна:








Диаграмма направленности строится по уравнению:




где соответствует средней длине волны .




Рисунок 6. Диаграмма направленности спиральной цилиндрической антенны для ?=18,2.

Согласно приведенным выше формулам рассчитываются диаграммы направленности спиральной цилиндрической антенны, направлении наземный терминал – спутник для второй длины волны.






























Рисунок 6. Диаграмма направленности спиральной цилиндрической антенны для ?=29.7.
Облучатель – конический рупор


Рис.1.

Определяем длину конического рупора по формуле:






Определяем диаметр конического рупора:





Определяем коэффициент усиления конического рупора:









Ширину диаграммы направленность можно определить по формулам:





















Параболоидная антенна (наземный терминал)


Рис.1.

Рис.2.

Для параболической антенны расчет ведется в двух направлениях: в направлении передачи и приема.

Определяем геометрическую площадь раскрыва рефлектора:








Диаметр параболоида будет:







Определяем фокусное расстояние, пользуясь формулой:



Расстояние между вибратором и контррефлектором:



Определяем диаметр контррефлектора:




Рис.3.



Рассчитываем нормированные диаграммы направленности антенны для плоскостей Е и Н. При этом пользуемся графиками, приведенными на рис. 3. Каждому графику соответствует постоянная величина, равная отношению радиуса раскрыва параболоида d/2 к фокусному расстоянию f. В данном случае:






Рассчитываем ширину диаграммы направленности


























Аргументом функций, изображенных на рис. 3, является пере­менная величина , где — угол относительно оси параболоида. Графиками, приведенными на рис. 3, можно пользо­ваться при расчете параболических антенн с любым облучателем, диаграмма направленности которого близка диаграмме направлен­ности элементарного вибратора в соответствующей плоскости. Ре­зультаты расчета диаграмм направленности приведены в табл. 1.


Таблица №1































Для ?=29.7






































































2. Спутник – наземный терминал
Несущая частота f=10,8 GHz и f=20,1 GHz

Зная несущую частоту f, можно определить длину волны по формуле:







Расчеты данного пункта ведутся по формулам из пункта 6.2 для каждого типа антенн.




Облучатель – диэлектрическая антенна.










































































Облучатель – спиральная цилиндрическая антенна.

























































Облучатель – конический рупор.








































Облучатель – параболическая антенна.



















































































































































7. Анализ канала связи терминал-спутник

В данном разделе мы используем эти соотношения для расчета простого бюджета канала, показанного в табл. 1. Данная таблица может показаться "страшным" перечнем терминов; может создаться впечатление, что бюджет канала представляет сложный процесс обработки имеющейся информации. На самом деле это не так, и для подтверждения этого мы приведем рис. 1.1 На этом рисунке набор пунктов из таблицы сведен к нескольким ключевым параметрам. Вообще, цель анализа канала связи — определить, достигается ли требуемая достоверность передачи. Для этого отношение Еb/No в реально принятом сигнале сравнивается с тем, которое необходимо для удовлетворения спецификации системы. При этом необходимыми являются следующие параметры: EIRP (какая эффективная мощность была передана), добротность G/T (насколько приемник способен вобрать эту мощность), Ls (наибольшие отдельные потери, потери в свободном пространстве) и Lo (другие вклады в потери и ослабления сигнала).




































Таблица 1.1 Расчет бюджета канала

Параметры


?=18,2

?=18,2

?=29,7

?=29,7




Относительные единицы измерения

Абсолютные единицы измерения

Относительные единицы измерения

Абсолютные единицы измерения

Переданная мощность

1400

25,78

1400

25,78

Потери в передатчике

1,86

2,7

1,86

2,7

КНД передающей антенны

7,94*105

53

7,94*105

53

Диаметр параболической антенны

0,038


-14,37

0,022

-14,37

ЕIRP терминала

2,*10-9

81.48

2,39*10-9

81.48

Потери в тракте

798,628

29,02

804,83

29,05

Скидка на замирание

2.81

4.5

2.81

4.5

Другие потери

3.71

5.7

3.71

5.7

Принятая изотропная мощность

4,89*10-15

-143,1

4,89*10-15

-143,1

КНД принимающей антенны

794.32

29

794.32

29

Диаметр параболической антенны


0,085

-10.7

0,049

-10,7

Потери на границе охвата

1,58

2,0

1,58

2,0

Мощность принятого сигнала

1*10-14

-140,5

1*10-14

-140,5

Шум-фактор приемника в порту антенны

14,125

11,5

14,125

11,5

Температура приемника

2760

34,75

2760

34,75

Температура принимающей антенны

305

25

305

25

Температура системы

32,77

35,15

3277


35,15

GIT системы

6,53

8,15

6,53

8,15

Постоянная Больцмана

7,24*10-22

-228,6

7,24*10-22

-228,6

Спектральная плотность шума

6,3*10-22

-193,45

6,3*10-22

-193,45

Принятое Рr/No

1,25*108

88,1

1,25*108

88,1

Скорость передачи данных

7*2048

43,9

7*2048

43,9

Принятое Еb/No

2,63*104

44,2

2,63*104


44,2

Потери реализации

2,3

1,7

2,3

1,7

Требуемое Еb/No

31,62

15

31,62

15

Резерв

831,76

29,2

831,76

29,2




Рис. 7.1 Ключевые параметры анализа канала связи
Пример бюджета канала, приведенный в табл. 1.1, состоит из пяти столбцов чисел. Вычисления проводятся согласно уравнению (5.24) (ниже оно приводится повторно, только в этот раз параметры Gr и To собраны вместе в Gr/ To):

M (дБ) = EIRP (дБВт) + (дБ/К) - (дБ) - R(дБбит/с) –

- к(дБВт/кГц) - Ls(дБ) – Lo(дБ).

Рассмотрим пункты из табл. 1.1 подробнее.
  1. Мощность передатчика равна 100 Вт (20 дБВт).


  2. Потери в канале между передатчиком и антенной равны 2 дБ.

  3. КНД передающей антенны равен 51,6 дБ[i].

  4. Суммарный вклад пп. 1-3 дает EIRP = 81.48 дБВт.

5.Потери в тракте вычисляются для указанного в заголовке таблицы диапазона, соответствующего углу возвышения 10° над наземной оконечной станцией.

6, 7. Скидка на погодное поглощение сигнала и некоторые другие, не указанные, потери.

  1. Принятая изотропная мощность — это мощность, которую бы приняла антенна (-143,1 дБВт), если бы была изотропной.

  2. Максимальный КНД принимающей антенны равен 35,1 дБ[i].

  3. Потери на границе охвата, вызванные внеосевым усилением антенны (по сравне­нию с максимальным усилением) и увеличенным диапазоном для пользователей на краях зоны обслуживания (здесь указаны номинальные потери, равные 2 дБ).

  4. Мощность, подаваемая на вход приемника (сумма пп. 8-10), равна -ПО дБВт.

  5. Температура системы находится с помощью уравнения (5.46). Впрочем, в дан­ном примере мы предполагали, что линия от антенны приемника до входного каскада является линией без потерь, так что коэффициент потерь в линии L ра­вен 1, а температура системы, вычисленная в столбце 3, равна Ts° = ТА + TR.

  6. Добротность приемника G/To определяется при объединении КНД принимающей антенны Gr (см. п. 9) с температурой системы Ts. Как интересующий нас параметр, данное отношение помещается не в центральный столбец, а в левый G/To в центральный столбец, это приведет к двойному табулированию указанных величин.
  7. Константа Больцмана равна -228,6 дБВт/КГц.


  8. Сложение константы Больцмана (в децибелах, п. 14) и температуры системы (в децибелах, п. 12) дает спектральную плотность мощности шума.

  9. Мы можем записать спектральную плотность отношения принятого сигнала к шуму 82,5 дБГц, вычтя спектральную плотность шума в децибелах (п. 15) из мощности принятого сигнала в децибелах (п. 11).

  10. Скорость передачи данных указана в дБбит/с.

  11. Поскольку Eb/N0 = (1/R) (Pr /No), мы должны вычесть R в децибелах (п.16), что дает (Eb/N0) r = 19,5 дБ.

  12. Потери реализации (здесь 1,5 дБ) учитывают отличия теоретически предсказан­ной достоверности детектирования и работы реального детектора.

  13. Это и есть требуемое Eb/N0, результат выбора модуляции и кодирования и зада­ния вероятности ошибки.

Разность принятого и требуемого Eb/N0 в децибелах (здесь учтены потери реализации) дает окончательный энергетический резерв.