2 Лекция 2. Основные показатели земных станций

 

Цель: изучение основных показателей земных космических станций, систем спутниковой связи.

Содержание: рассматриваются основные характеристики земных и космических станций, систем спутниковой связи.

Диапазоны частот на прием и передачу, на работу в которых рассчитано оборудование станции - антенна, приемная и передающая аппаратура; большинство ЗС ФСС работает в диапазонах 4 или 11 ГГц на прием и 6 или 14 ГГц на передачу.

Добротность станции на прием G/T - отношение усиления антенны (в децибелах на частоте приема) к суммарной шумовой температуре станции (в децибелах относительно 1 К); достигает 42 дБ/К для самых больших применяемых на практике антенн (диаметром: 32 м) и составляет 20…31,7 дБ/К для ЗС большинства национальных и региональных систем.

Эквивалентная изотропно излучаемая мощность (ЭИИМ) -произведение мощности передатчика на усиление антенны (в полюсе передачи) относительно изотропной антенны; обычно находится в пределах 50...95 дБВт. Для упрощенного расчета помех, создаваемых другим сетям связи, часто указывают максимальную спектральную плотность излучаемой ЗС ЭИИМ (Вт/Гц), хотя точный расчет перекрестных помех требует знания структуры применяемых в системе сигналов.

Диаметр антенны оказывает решающее влияние на размеры и стоимость 3С; он определяет добротность и ЭИИМ станции, а также ее пространственную избирательность; если в системе используется разделение сигналов по поляризации, необходимо указывать, с какой поляризацией станция работает на передачу и на прием. На ЗС телефонного обмена применяют антенны диаметром от 1,5...2,5 м до12 М, иногда до 32 м, на ЗС приема циркулярной информации от 0.45 до 2,5...4 м.

Антенна характеризуется показателями опорно-поворотного устройства и всей системы наведения антенны на ИСЗ. Различают антенны полноповоротные, способные направляться в любую точку небосвода, и неполноповоротные имеющие ограниченную область оперативного наведения на источник сигнала. Системы наведения антенн характеризуются также возможной скоростью и ускорением углового перемещения.

 

Основные показатели космических станций

Космическая станция характеризуется теми же показателями, что и ЗС: рабочим диапазоном частот, добротностью, ЭИИМ каждого передатчика, поляризацией излучаемых и принимаемых сигналов. Но значения ряда параметров существенно отличаются от указанных для ЗС. Например, добротность приемного тракта КС обычно составляет -10...+6 дБ/К (что вызвано не только меньшими размерами антенны, но и применением более простого и обладающего большей шумовой температурой входного малошумящего усилителя), ЭИИМ, как правило, не превышает 23...45 дБВт, достигая 52...58 дБВт на спутниках непосредственного телевизионного вещания.

Важной характеристикой бортового ретранслятора космической станции является число стволов.

Стволом ретранслятора или ЗС, или стволом спутниковой связи, будем называть приемопередающий тракт, в котором радиосигналы проходят через общие усилительные элементы (общий пере­датчик) в некоторой выделенной стволу общей полосе частот. Весь диапазон частот, в котором работает спутник связи, принято делить на некоторые полосы (шириной 27...36, 72...120 МГц), в которых усиление сигналов осуществляется отдельным трактом - стволом. Несколько стволов могут иметь общие элементы - антенну, волноводный тракт, малошумящий входной усилитель. С другой стороны, на ЗС полоса одного ствола может разделяться фильтрами для выделения и последующего детектирования сигналов от различных земных станций, проходящих через общий ствол ИСЗ (при частотном многостанционном доступе).

Вместо термина «ствол» часто применяется английский термин «транспондер».

Число стволов, одновременно действующих на ИСЗ, может составлять 6-12, достигая 27-48 на наиболее мощных ИСЗ. Сигналы этих стволов разделяются по частоте, пространству, поляризации. Числом стволов, их полосой пропускания и ЭИИМ определяется в основном важнейший суммарный показатель ИСЗ - его пропускная способность, т.е. число телефонных и телевизионных каналов, либо в более общем виде число двоичных единиц в секунду, которое можно передать через данный ИСЗ. Разумеется, о пропускной способности ИСЗ можно говорить лишь условно, поскольку она зависит от добротности применяемых в системе земных станций, а также от вида применяемых радиосигналов; пропускная способность, по существу,

- характеристика системы, а не ИСЗ. Тем не менее, в литературе часто используется понятие пропускной способности (емкости) ИС3.

         Пропускная способность ствола ИСЗ зависит в некоторой степени не только от основных показателей - полосы пропускания и ЭИИМ, но и от других параметров, определяющих искажения передаваемых сигналов: неравномерности амплитудной характеристики, коэффициента АМ-ФМ преобразования, неравномерности ГВЗ в полосе ВЧ ствола и др. Эти параметры влияют на взаимные помехи между сигналами различных ЗС, на достоверность приема сигналов и тем самым на энергетические потери, обусловленные прохождением сигналов через неидеальный тракт бортового ре­транслятора ИСЗ.

В зависимости от ширины диаграммы направленности бортовых антенн ИСЗ (или его отдельный ствол, если на борту несколько антенн и они различны) характеризуется зоной покрытия - частью по­верхности земного шара, в пределах которой обеспечивается уровень сигналов от ИСЗ, необходимый для их приема с заданным качеством на ЗС определенной добротности, а также гарантируется способность принять на входе ИС3 сигналы от ЗС, обладающих определенной ЭИИМ. Очевидно, что зона покрытия ИСЗ характеризует систему спутниковой связи, а не только собственно ИСЗ.

Зона покрытия определяется шириной диаграммы направленности антенны ИСЗ и рассчитывается как пересечение поверхности Земли конусом луча антенны. Форма этого сечения зависит от точки размещения ИСЗ, «точки прицеливания!» - точки пересечения оси главного лепестка антенны ИСЗ с земной поверхностью, а также от нестабuлъносmи положения ИСЗ и ориентации его антенн. В связи с нестабильностью вводится понятие гарантированной зоны обслуживания, в которой обеспечивается сохранение указанных ранее условий приема и передачи при любых сочетаниях отклонений ИСЗ и антенны ИСЗ от среднего положения.

Точка размещения ИСЗ на орбите, точка прицеливания его антенны, нестабильности этих параметров существенны не только для расчета зон обслуживания, но и для расчета взаимных помех между  ССС. Для упрощенного расчета взаимных помех частот также указывается максимальная спектральная плотность излучаемого ИСЗ потока мощности  

Важнейшим показателем ИСЗ, определяющим не только надежность и бесперебойность связи, но прежде всего экономические характеристики всей системы связи, является срок службы ИСЗ время наработки до отказа спутника целиком либо допустимого числа стволов космической станции, определяемое с высокой вероятностью - обычно 0,9 и более. В современных ИСЗ достигнут срок службы 10...12 лет и более благодаря высокой надежности элементов. гибкой и разветвленной схеме резервирования.

Основные показатели систем спутниковой связи

Зона обслуживания системы - это совокупность (объединение) зон обслуживания отдельных ИСЗ, входящих в систему, зона обслуживания отдельного ИСЗ это та часть поверхности Земли, на которой необходимо обеспечить нормальную работу земных станций.

Зоны отдельных ИСЗ обычно перекрываются между собой и поэтому общая зона оказывается по площади меньше суммы площадей отдельных зон.

Пропускная способность системы­  есть объединение пропускных способностей входящих в систему ИС3. В данном случае слову «объединение» (а не «сумма») придается тот же смысл. Пропускная способность системы оказывается меньше суммы пропускных способностей отдельных ИС3, поскольку для связи между собой станций, работающих через разные ИС3, часть каналов транслируется двумя КС последовательно - с помощью двухскачковых линий (3емля-ИС3-3емля-ИС3-3емля) или прямых межспутниковых соединений(3емля-ИС3- ИС3-3емля).

Если в ССС используется только один ИСЗ, зона обслуживания и пропускная способность системы и ИСЗ совпадают.

Пропускная способность системы зависит в некоторой степени от воздействия помех, создаваемых другими ССС; роль этих помех возрастает по мере увеличения числа спутников на орбите.

Далее, система спутниковой связи характеризуется числом и размещением ЗС, числом ИСЗ и типом их орбиты, точкой размещения на геостационарной орбите. Характеристикой системы являются также число стволов на ИСЗ, их полоса пропускания, полосы частот стволов на участках Земля-спутник и спутник-Земля.

Одной из важнейших характеристик системы является метод многостанционного доступа – метод совмещения сигналов, излучаемых различными ЗС, для их прохождения через общий ствол бортового ретранслятора космической станции. Многостанционный доступ (МД) применяют потому, что обычно оказывается неэкономич­ным создавать число стволов на ИСЗ, равное числу ЗС в системе. Применяют МД с разделением сигналов по частоте, форме и времени. Всякий способ МД приводит к потере пропускной способности ствола до 3...6 дБ, хотя в наиболее совершенных системах (с временным разделением - МДВР) эти потери могут не превышать 0,5...2 дБ.

      На энергетические характеристики системы связи, необходимую полосу частот, ее электромагнитную совместимость с другими системами существенно влияют применяемый метод модуляции; наиболее распространены частотная модуляция (ЧМ) при передаче сообщений в аналоговой форме и фазовая модуляция (ФМ) при передаче сообщений в дискретной форме. Метод модуляции и параметры модулированного сигнала должны быть согласованы с полосой пропускания и энергетикой стволов системы связи.

Важнейшей характеристикой системы является качество организуемых в ней каналов передачи сообщений - телевизионных, телефонных и др. В ССС качество каналов используется для создания международных либо междугородных каналов связи большой протяженности, и качество этих каналов соответствует требованиям. В системах телевизионного вещания с приемом сигналов простым и коллективными и особенно индивидуальными установками часто допускается пониженное отношение сигнал-шум. Причиной снижения отношения сигнал-шум является не только желание уменьшить стоимость приемной станции, но и возможность сохранить при этом достаточно высокое качество приема у абонента. Приемная станция такой системы приближенная  к абоненту,  упрощается либо вовсе исключается наземный телевизионный передающий центр.

Иногда и в телефонных каналах устанавливают несколько сниженное отношение сигнал-шум или сокращенную полосу пропускания. В таких специализированных (фирменных) системах упрощенные станции приближены к абоненту, и качество канала для абонента остается приемлемо высоким.

В некоторых ССС, построенных на основе частотного многостанционного доступа и передачи каждого канала на отдельной несущей, применяют шумоподавители (компандеры). Компандеры позволяют уменьшить заметность шумов на10...20 дБ и соответственно выиграть в энергетике.

 

     3 Лекция 3. Состав земных и космических станций

 

Цель: изучение структуры построения различных земных станций и бортового ретранслятора.

Содержание: рассматриваются структурные схемы и особенности построения ЗС и КС.

Рассмотрим простейшую земную станцию, предназначенную для приема однонаправленной информации – одноствольную приемную ЗС. Сигналы, излучаемые ИСЗ, принимаются (рисунок 2, а) антенной 1 ЗС, перехватывающей электромагнитное излучение и преобразующей его в электрическое напряжение. Далее принятый сигнал усиливается малошумящим входным устройством 2, содержащим малошумящий усилитель, смеситель, предварительный усилитель промежуточной частоты. Необходимые для преобразования частоты колебания формируются гетеродинным трактом 3. Основное усиление сигнала осуществляется в усилителе промежуточной частоты УПЧ 4, в состав которого входит фильтр (или фильтры), формирующий полосу пропускания, оптимальную для приема сигнала (полоса либо близка к полосе ствола, если принимаемый сигнал занимает весь ствол, как при приеме программ телевидения, многоканальных телефонных сообщений с временным многостанционным доступом и т.п., либо составляет лишь часть полосы ствола, например, при приеме телефонных сигналов в системе с частотным многостанционным доступом). За усилителем следуют демодулятор 5, выделяющий передаваемое сообщение, и оконечное каналоформирующее оборудование 6. Например, при приеме программ телевидения в устройстве 6 могут осуществляться регенерация синхросмеси, выделение канала звукового сопровождения, рассекречивание сигналов и т.п. Принятая информация поступает по наземной соединительной линии 7 к потребителю программ (или на телевизор, если это станция индивидуального приема). В современных приемных устройствах часто применяют двукратное преобразование частоты.

Комплекс 8 служит для наведения антенн на ИСЗ; в него входят привод, перемещающий антенну, и аппаратура наведения, управляющая его движением. В простых приемных станциях антенна обычно неподвижна (имеется лишь механизм неоперативной первоначальной ориентации) или имеет механизм установки в несколько фиксированных положений (позиционер).

Более сложные земные станции, предназначенные для дуплексной связи и работающие в нескольких стволах ИСЗ, строятся по более общей схеме (рисунок 2,б), где 1 - антенна с комплексом наведения, используемая обычно одновременно для приема и передачи; 2-фильтр разделения приема и передачи; 3- малошумящий усилитель; 4 - устройство сложения (фильтр сложения) сигналов пе­редатчиков различных стволов; 5 - устройство разделения (фильтр разделения) принимаемых сигналов различных стволов; 6 - передающее устройство ствола; 7 - приемное устройство ствола; 8 - каналообразующая аппаратура ствола; 9 - аппаратура соединительной линии, На схеме не показаны резервные комплекты и переключатели на резервные комплекты, обычно имеющиеся ЗС.

Рассмотрим основные элементы радиотехнического комплекса космической станции, входящего в систему спутниковой связи. Этот комплекс состоит из двух основных частей – антенн и бортового ретранслятора.

На борту современных связных ИСЗ обычно устанавливают несколько приемных и передающих антенн. Это объясняется необходимостью сформировать различные зоны обслуживания с целью привести в соответствие излучение антенн с размещением земных станций на поверхности Земли, чтобы не рассеивать энергию бесполезно на те районы, где она используется. Высокая направленность приемных и передающих антенн ИСЗ способствует также уменьшению взаимных помех с другими системами связи - спутниковыми и на­земными, повышает эффективность использования геостационарной орбиты.

Сигнал, принятый антенной КС, поступает на входное малошумящее устройство 1 (рисунок 2, б), В качестве которого на ИСЗ применяют смесители, усилители на малошумящих ЛБВ или транзисторах.

Принятый сигнал усиливается на частоте приема, промежуточной частоте и частоте передачи. В современных ИСЗ часто осуществляется не двух-, а однократное преобразование частоты, непосредственно с входной в выходную, при этом усилитель ПЧ отсутствует.

В схеме могут применяться устройства разделения, коммутации, объединения сигналов (коммутатор на рисунке 2,б), цель которых подать сигналы, адресованные тем или иным ЗС, на передающие антенны с соответствующей зоной обслуживания. Перспективны системы с быстродействующей переориентацией узкого луча антенны (коммутацией луча), что позволяет осуществлять связь со многими 3С через остронаправленные антенны, не увеличивая числа антенна борту ИСЗ, многократно использовать полосу частот.

На рисунке 2,б не показаны резервные элементы и устройства переключения на резерв; эти схемы обычно достаточно сложны, поскольку степень резервирования различна для разных элементов трактов зависимости от их надежности, важности для жизнеспособности ИСЗ, срока службы.    

В некоторых случаях, на космической станции выполняется более сложная обработка сигналов, например, преобразование вида модуляции, регенерация сигналов, передаваемых в дискретной форме.