Спутниковые и радиорелейные системы передачи

A_0,01=γ∙d.     (2.12)

 

Время, в течение которого ослабление сигнала больше, чем запас  на замирание

, (2.13)

 

при А_0,01/F_t<0,155 принимаем А_0,01/F_t=0,155.

Для f=19,7 ГГц

 

γ_г=0,0751∙22^1,099 = 2,244 дБ/км;

 

γ_v=0,0691∙22^1,065 = 1,858 дБ/км.

 

Примечание: так как величины очень малы, мы выбираем тип поляризации  в соответствии с приведенным  ранее частотным планом.

Горизонтальная поляризация: d₀=35∙e^-0,015∙22=25,16 км,

 

, .

, ,

T_g=1,397∙10^-3%.

 

5. Расчет времени ухудшения связи, вызванного субрефракцией радиоволн

Стандартная атмосфера имеет  наибольшую плотность у поверхности  Земли, поэтому радиолучи изгибаются к низу. В результате просвет на пролете, определяемый по минимальному радиусу зоны Френеля, не имеет постоянной величины, т.к. плотность атмосферы  изменяется и зависит от времени  суток и состояния атмосферы.

Среднее значение просвета на пролете

 

. (2.14)

Относительный просвет

 

. (2.15)

 

На чертеже профиля  пролета проводим прямую параллельно  радиолучу на расстоянии Δy=H₀ от вершины препятствия и находим ширину препятствия r (см. рисунок 1).

Относительная длина препятствия

 

1=r/R₀. (2.16)

 

Параметр μ, характеризующий аппроксимирующую среду

 

, (2.17)

 

где α=0,5 или σ=1.

 

Значение относительного просвета р(g₀), при котором наступает глубокое замирание сигнала, вызванное экранировкой препятствием минимальной зоны Френеля

, (2.18)

 

где V₀ – множитель ослабления при H(0)=0, определяемый из рисунка В.1 приложения В по значению μ;

V_min – минимальный допустимый множитель ослабления

 

. (2.19)

 

Параметр  определяется по формуле

 

ψ=2,31∙A[p(ḡ)-p(g₀)], (2.20)

 

где .

 

Процент времени ухудшения  связи, вызванного субрефракцией радиоволн, T₀(V_min) определяется по рисунку В.2 Приложения В.

 

Решение. r = 4 км,

 

,

 

, , .

 

Принимаем α=1, тогда

 

.

 

, , .

 

,

 

ψ=2,31∙0,67∙[1,8-(-2,3)]=5,2,

 

T₀(V_min)=0,00002%.

 

Оптимизация высот подвеса  антенн проводится, если T₀(V_min)≥0,003%, при этом необходимо увеличить H(ḡ), пересчитать p(ḡ), ψ, T₀(V_min) и соответственно на эту величину увеличить h₁ и h₂ на пролете.

 

6.  Проверка норм на неготовность

Характеристики неготовности для ГЭЦТ (гипотетический эталонный  цифровой тракт) установлены в рекомендации 557МСЭ-Р.

ГЦЭТ считается неготовой, если в течение 10 последовательных секунд возникли следующие условия  или одно из них:

• передача цифрового сигнала прервана;
• в каждой секунде BER хуже 10^-3.

Неготовность аппаратуры уплотнения исключается. Характеристики неготовности делятся на неготовность оборудования и неготовность, вызванную  условиями распространения радиоволн, например, величина неготовности, вызванной  дождем, составляет 30-50%.

Характеристики готовности ГЭЦТ протяженностью 2500 км определяются величиной 99,7%, причем эти проценты определяются в течение достаточно большого интервала времени. Этот интервал должен составлять более года, характеристики неготовности определяются, таким образом, величиной 0,3%.

Норма на неготовность

 

, (2.21)

 

где R₀ – длина пролета, км;

2500 – длина эталонной  гипотетической линии.

 

Решение. .

 

T₀+T_g=0,00005+8,033∙10^-7=1,402∙10^-3%.

 

3∙10^-3>1,402∙10^-3, условие (2.21) выполняется.

 

7. Расчет времени ухудшения радиосвязи из-за многолучевого распространения

При моделировании радиолиний протяженностью более чем несколько  километров должны учитываться четыре механизма замирания в чистой атмосфере, обусловленные чрезвычайно  преломляющими слоями:

• расширение луча;
• развязка в антенне;
• поверхностное многолучевое распространение;
• атмосферное многолучевое распространение.

Большинство этих механизмов возникают сами по себе или в комбинации с другими механизмами. Сильные  частотно-избирательные затухания  возникают, когда расфокусировка прямого луча сочетается с отражением сигнала от поверхности, что вызывает замирание вследствие многолучевого распространения. Мерцающие замирания, вызванные небольшими турбулентными возмущениями в атмосфере, всегда имеют место при этих механизмах, но на частотах ниже 400 ГГц их влияние на общее распределение замираний не существенно. На больших глубинах замирания процент времени Тинт, в течение которого в узкополосных системах не превышается уровень принимаемого сигнала в средний худший месяц, может быть определен с помощью следующего приближенного асимптотического выражения

 

T_инт=K∙Q∙f^B∙d^C∙10^-A/10,    (2.22)

 

где – A=F_t – запас на замирание, дБ;

d – длина пролета, км;

f – частота, ГГц;

K – коэффициент, учитывающий влияние климата и рельефа местности;

Q – коэффициент, учитывающий другие параметры трассы;

В=0,89; С=3,6 – коэффициенты, учитывающие региональные эффекты.

Коэффициент, учитывающий  влияние климата и рельефа  местности

 

, (2.23)

 

где P_L=5%=0,05 – процент времени с вертикальным градиентом рефракции;

C_LAT=C_LON=0 для Казахстана.

Коэффициент, учитывающий  другие параметры трассы

 

Q=(1+|E_p|)^-1,4,    (2.24)

где – наклон радиотрассы, мрад (здесь h₁, h₂ в м; d в км).

Решение. K=0,05^1,5∙10^-6,5=3∙10^-9, ,

Q=(1+1,2)^-1,4=0,334,

T_инт=3,5∙10^-9∙0,334∙19,7^0,89∙25^3,6∙10^-54,5/10=6,35%.

 

8. Проверка норм на допустимое время ухудшения связи из-за многолучевого распространения радиоволн

Норма на допустимое время  ухудшения связи для высшего  качества связи

 

. (2.25)

 

Решение. .

5,4∙10^-4>6,35∙10^-9, условие выполняется.

 

9.  Выводы о результатах расчета

В данной работе была смоделирована  и рассчитана радиорелейная линия  прямой видимости с передачей  цифровых сообщений.

При выборе мест расположения станций были учтены три важных фактора: наличие подъездных дорог, наличие  электропитания в районе, осуществление  связи между населенными пунктами.

По полученным результатам  можно сделать вывод, что все  нормы на неготовность выполняются  даже на самых протяженных пролетах. Замирания в дожде были снижены  за счет правильного выбора поляризации, из-за субрефракции радиоволн – за счет выбора оптимального уровня подвеса антенн. 

2 Задание №2

 

Произвести энергетический расчет линий «вниз» и «вверх»  для спутниковой системы связи:

• определить значения мощностей передатчика и приемника на линиях «вниз» и «вверх», при которых спутниковый канал надежно работает в условиях помех и не содержит излишних энергетических запасов;
• построить диаграмму уровней сигнала на линиях «вверх» и «вниз» для заданной спутниковой системы.

В расчетах необходимо учесть дополнительное ослабление энергии  радиоволн на участках: поглощение в осадках – 0,8 дБ, поляризационные  потери – 0,9 дБ, потери за счет рефракции  – 0,2 дБ.

Коэффициент запаса для линии  «вверх» а=6 дБ.

Коэффициент запаса для линии  «вниз» b=1,2 дБ.

 

Т а б л и ц а 4 – Варианты заданий к задачам №2 и №3

Вариант		Последняя цифра зач. кн.
		6
Предпосл. цифра зач. кн.	6	B→D

 

Т а б л и ц а 5 – Параметры бортовых ретрансляторов КС

Система		B
Координаты		101°в.д.
Диапазон f, ГГц		14/11
Коэффициент усиления антенны  G, дБ	Прием	35
	Передача	30
Спектральная плотность  мощности S, дБВт/Гц		-53
Коэффициент шума приемника  КШ		7,5
Шумовая температура антенны  ТА, К		50
КПД АФТ		0,90
Шумовая температура СЛ ТΣЛ, К		95

 

 

 

 

 

 

Т а б л и ц а 6 – Параметры приемных ЗС

Система	D
Координаты	52° в.д. 47° с.ш.
Диапазон f, ГГц	14/11
Диаметр антенны DA, м	10
Эффективная полоса частот Dfш, МГц	33
Коэффициент шума приемника КШ	5
Шумовая температура антенны  ТА, К	80
КПД АФТ	0,90

 

Линии спутниковой связи  состоят из двух участков: Земля-спутник  и спутник-Земля. В энергетическом смысле оба участка оказываются  напряженными, первый – из-за стремления к уменьшению мощности передатчиков и упрощению земных станций (в  особенности в системах с большим  числом малых приемопередающих земных станций, работающих в необслуживаемом  режиме), второй – из-за ограничений  на массу, габаритные размеры и энергопотребление  бортового ретранслятора, лимитирующих его мощность.

Основная особенность  спутниковых линий – наличие  больших потерь сигнала, обусловленных  затуханием (ослаблением и рассеянием) его энергии на трассах большой  физической протяженности. Так, при  высоте орбиты ИСЗ 36 тыс. км затухание  сигнала на трассе может достигать 200 дБ. Помимо этого основного затухания  в пространстве сигнал в линиях спутниковой  связи подвержен влиянию большого числа других факторов, таких как  поглощение в атмосфере, фарадеевское вращение плоскости поляризации, рефракция, деполяризация и т.д. С другой стороны, на приемное устройство спутника и земной станции кроме собственных флуктуационных шумов воздействуют разного рода помехи в виде излучения Космоса, Солнца и планет. В этих условиях правильный и точный учет влияния всех факторов позволяет осуществить оптимальное проектирование системы, обеспечить ее уверенную работу и в то же время исключить излишние энергетические запасы, приводящие к неоправданному увеличению сложности земной и бортовой аппаратуры.

 

1. Энергетический расчет линии «вниз»

Исходные данные: диапазон частот 14_↑/11_↓ ГГц.

Параметры передающей космической  станции: координата 101⁰ в. д.; коэффициент усиления антенны 35 дБ; КПД_{АФТ КС} 0,95.

Параметры передающей земной станции: координаты 52⁰ в. д. 47⁰ с. ш.; диаметр антенны 10 м; коэффициент шума приемника 5 дБ; эффективная полоса частот 33 МГц; КПД_{АФТ ЗС} 0,90; шумовая температура антенны 80 К.

 

1. Расстояние между передающей (КС) и приемной (ЗС) антеннами

, (2.26)

 

где cos(ψ)=cos(ξ_ЗС)∙cos(β);

x_ЗС – широта земной станции;

β= β_КС- β_ЗС – разность долгот земной и космической станциями.

 

Решение. β=52^о-101^о=-49^о, cos(ψ)=cos(47^о)∙cos(-49^о)=0,447.

Тогда км.

 

2. Ослабление сигнала

, (2.27)

где d – расстояние между КС и ЗС;

 – длина волны.

 

,

 

.

 

3. Дополнительное ослабление на трассе

В дополнительных потерях  сигнала учитываются поглощение в атмосфере (осадки) L_A, потери из-за несогласованности поляризации антенн L_Пи потери из-за рефракции L_Р