Вы нашли то, что искали?
Главная Разделы

Добавить страницу в закладки ->
Обязательно посмотрите энциклопедию:

Радиоэлектроника, Схемы радиолюбителям


5.7.1. Нерегенеративные ретрансляторы. Теоретические основы цифровой связи

Лекции по Теоретическим основам цифровой связи   

5. Анализ канала связи

5.7.1. Нерегенеративные ретрансляторы

Анализ канала связи для нерегенеративного ретранслятора — это анализ полного "оборота" сигнала (передача на спутник и ретрансляция на наземное оконечное устройст­во). Нерегенеративный ретранслятор имеет несколько уникальных особенностей — это за­висимость общего отношения SNR от SNR канала "земля-спутник" и совместное исполь­зование мощности канала "спутник-земля" каждым сигналом и шумом канала "земля-спутник". С этого момента при обращении к ретранслятору или транспондеру будем под­разумевать нерегенеративный ретранслятор, и для простоты будем предполагать, что транс-пондер работает в собственном линейном диапазоне.

Возможности спутникового транспондера ограничены мощностью канала "спутник-земля", мощностью наземного оконечного устройства, которая подается в канал "земля-спутник", шумом спутника и наземной оконечной станции, а также шириной полосы канала. Как правило, основные ограничения накладывает один из этих параметров; до­вольно часто — это мощность канала "спутник-земля" или ширина полосы канала. Важнейшие параметры линейного спутникового канала связи показаны на рис. 5.24. Ретранслятор передает все сигналы канала "земля-спутник" (или шум, при отсутствии сигнала) без какой-либо обработки, за исключением усиления и трансляции по частоте. Предположим, что в пределах полосы приемника W существуют множественные каналы "земля-спутник" (используемые одновременно) и их разделение производится с помо­щью метода, известного как множественный доступ с частотным разделением (frequency-division multiple access — FDMA). Технология FDMA — это метод совместного исполь­зования ресурсов связи посредством распределения между пользователями раздельных участков полосы транспондера; подробно технология FDMA рассмотрена в главе 11. Эффективная мощность канала "спутник-земля" EIRPs является константой, и посколь­ку мы предполагаем использование линейного транспондера, EIRPs разделена между множественными сигналами (и шумами) канала "земля-спутник" пропорционально со­ответствующим уровням входного напряжения.

Рис. 5.24. Нерегенеративный спутниковый ретранслятор

Передача начинается с наземной станции (ширина полосы < W), скажем терминала i, причем EIRP терминала EIRPti = PtiGti. Одновременно на спутник передаются другие сигналы (с других терминалов). Мощность EIRP с k-го терминала будем далее обозначать просто Pk. На спутнике мощность общего принятого сигнала равна РT = описывает потери распространения в канале "земля-спутник" и усиление спутниковой антенны для k канала. NSWэто мощность шума в канале "земля-спутник", a NSобщая спектральная плотность мощности шума, возникаю­щего в спутниковом приемнике и излучающей спутниковой антенне. Общую мощность EIRP канала "спутник-земля" EIRPS =PSGts где Рsмощность на выходе спут­никового транспондера, а Сts— коэффициент усиления передающей антенны спутни­ка, можно выразить следующим образом [14].

                   (5.56)

Обе части формулы (5.56) выражают общую мощность EIRP спутника. Выражение  в правой части является дробным пропорциональным распре­делением EIRPs между различными пользователями и шумом канала, так что суммар­ное значение этого выражения равно 1. Полезность приведенного равенства вскоре станет очевидной. Общее усиление мощности в транспондере можно выразить как . Поскольку Ps фиксированы, а входящие сигналы могут быть различными,  — это значение коэффициента автоматической регулировки усиления (automatic gain control — AGC). Общую мощность сигнала, принятого из канала "земля-спутник", Рт, можно записать как , разделив, таким образом, мощность i-го сигнала и мощность остальных сигналов в транспондере. Общую мощ­ность, принятую jназемным терминалом с шириной полосы W, можно записать следующим образом.

                (5.57)

Здесь  учитывает потери в канале "спутник-земля" и усиление принимающей антенны для j-го наземного терминала. EIRPsγj представляет часть мощности EIRPs, принятой j-м наземным терминалом, a Ngэто спектральная плотность мощ­ности шума, созданного и внесенного оборудованием приемной станции. Уравне­ние (5.57) описывает саму суть пропорционального разделения в ретрансляторе мощ­ности канала "спутник-земля" между различными пользователями и шумом. Пере­пишем уравнение (5.57), заменив β его эквивалентом  1/(РТ + NSW).

        (5.58)

Для облегчения дальнейших рассуждений запишем уравнение (5.58) словами.

Здесь S — мощность сигнала, N — мощность шума, a (UL) — канал "земля-спутник" (uplink).

Можно ли из уравнения (5.58) определить важную связь, которая должна сущест­вовать между пользователями, совместно использующими нерегенеративный транспондер? Пользователи должны взаимодействовать, не превышая договорные уровни мощности передачи. Из уравнения (5.58) видно, что часть мощности EIRP канала "спутник-земля", выделенной определенному пользователю (или относящейся к шуму канала), определяется отношением мощности этого пользователя к общей мощности суммарного сигнала плюс мощность шума. Следовательно, если один из пользовате­лей, совместно использующих канал, решит "смошенничать" путем увеличения мощ­ности своего сигнала, результатом будет улучшение уровня сигнала этого пользователя за счет сигналов других пользователей. Заметим также из уравнения (5.58), что шум канала "земля-спутник" использует ресурс канала "спутник-земля" наравне с другими пользователями. Такое включение шума канала "земля-спутник" в канал "спутник-земля" является отличительной особенностью нерегенеративных ретрансляторов.

Из уравнения (5.58) отношение Pr/N сигнала, переданного i-м передатчиком и принятого j-м терминалом, равно следующему.

                      (5.59)

Общее отношение Pr/N0 сигнала, переданного i-м передатчиком и принятого j-м тер­миналом, равно следующему [14].

                              (5.60)

Уравнения (5.58)-(5.60) показывают, что шум ретранслятора уменьшает общее значе­ние параметра SNR двумя способами — он "крадет" мощность EIRP канала "спутник-земля" и вносит вклад в общий шум системы. Если спутниковый шум кана­ла "земля-спутник" доминирует, т.е. при РТ<<NSW, говорят, что передана ограничена каналом "спутник-земля", и большая часть мощности EIRPs канала "спутник-земля" бесполезно выделяется мощности шума канала "земля-спутник". В этом случае и если EIRPsγj>>NtW, уравнение (5.60) можно переписать следующим образом.

                     (5.61)

Уравнение (5.61) показывает, что при передаче, ограниченной каналом "земля-спутник", общее отношение Pr/N0 практически совпадает с SNR канала "земля-спутник". Более распространенной является передача, ограниченная каналом "спутник-земля", когда РТ>>NSW и мощность EIRP спутника ограничена. В этом случае уравне­ние (5.60) можно переписать следующим образом.

                                   (5.62)

Затем мощность транспондера распределяется между различными сигналами канала "земля-спутник"; небольшой шум канала "земля-спутник" передается по каналу "спутник-земля". Производительность ретранслятора в этом случае ограничена пара­метрами канала "спутник-земля".

Пример анализа канала связи для нерегенеративного ретранслятора ("полный обо­рот") приведен в табл. 5.3. Часть "земля-спутник" сама по себе не завершает бюджета канала, поскольку передача не демодулируется на спутнике. Без демодуляции битов не существует, а следовательно, не существует возможности измерения вероятности появления битовой ошибки. После полного оборота сигнал демодулируется на назем­ном терминале; и только после этого определяется окончательный резерв канала свя­зи. Пример, приведенный в табл. 5.3, представляет одновременное обслуживание спутниковым транспондером 10 пользователей (частота канала "земля-спутник" — 375 МГц, частота канала "спутник-земля" — 275МГц, расстояние - 22 000 морских миль или 40 779 км). В блоке "А" показано отношение Pr/(PT+NsW), описывающее пропорциональное разделение мощности EIRP канала "спутник-земля" для интере­сующего нас сигнала. В данном примере, где все пользователи осуществляют передачу с равными уровнями мощности, каждому сигналу выделяется 9,8% EIRP канала "спутник-земля". В блоке "В" мы видим пропорциональное разделение EIRP канала "спутник-земля". Общая мощность равна 1514,7 Вт; интересующий нас пользователь получает 148,5 Вт; другие пользователи получают в сумме 1336,1; шум канала "земля-спутник" получает мощность 30,1 Вт.

Таблица 5.3. Бюджет канала связи для нерегенеративного спутникового ретранслятора с 10 пользователями

                                                                     Канал "земля-    Канал "спутник-

                                                                            спутник"            земля"

 


Переданная мощность (дБВт)                       27,0   (500,0 Вт)     13,0  (20,0 Вт)

Потери в передатчике (дБ)                              1,0                           1,0

Усиление антенны передатчика                    19,0                         19,8

(максимум дБ[1])

Диаметр параболической антенны   10,00                          15,00

(футы)

Ширина луча половинной                19,16                          17,42

31,8(1514,7Вт)

173,4

21,7(148,5 Вт)

31,3(1336,1 Вт)

14,8  (30,1 Вт)

 
мощности (градусы)

EIRP (дБВт)                                                 45,0                                  

Потери в тракте                                          176,1                              

Мощность переданного                                                        В        

сигнала (дБВт)

Мощность других переданных                              

сигналов (дБВт)

Мощность шума, переданногопо

каналу "земля-спутник" (дБВт)

Другие потери (дБ)                                        2,0                             2,0

Изотропная мощность принятого              -133,1                        -153,7

сигнала (дБВт)

Изотропная мощность принятого                                               -160,6

шума (дБВт)

Усиление антенны приемника                      22,5                          16,3

(максимум дБ[1])

Диаметр параболической антенны   15,00                       10,00

(футы)

Ширина луча половинной                 12,77                       26,13

мощности (градусы)

Мощность принятого сигнала                    -110,6                        -137,4

(дБВт)

Мощность принятого шума                                                          -144,3

(ДБВт)

Температура антенны приемника                24,6   (290 К)             20,0  (100 К)

(ДБК)

Шум-фактор приемника в порте                  10,8                            2,0

антенны (дБ)

Температура приемника (дБК)                     35,1  (3197 К)           22,3 (170 К)

Температура системы (дБК)                         35,4   (3487 К)          24,3 (270 К)

G/T0 системы (дБ/К)                                     -12,9                          -8,0

Константа Больцмана (дБВт/КГц)             -228,6                      -228,6

Спектральная плотность шума                  -193,2                      -204,3

(дБВт/Гц)

Ширина полосы системы (дБГц)                 75,6 (36,0 МГц)     75,6 (36,0 МГц)

Мощность шума (дБВт)                               -117,6                     -128,7

Мощность шума канала "земля-                                                 -128,6

спутник" + мощность шума

канала "спутник-земля" (дБВт)

Одновременный доступ                   10

Мощность других принятых                        -101,1

сигналов (дБВт)

-10,1             (0,098)

 
Другие сигналы + шум (дБВт)                      -101,0

Pr/(PT+Ns/W)  (дБ)                             А       

Pr/N (ДБ)                                                              7,0                      -8,7

Общее Pr/N (дБ)                                                                             -8,8

Pr/N0 (ДБ)                                                            82,6                     66,9

Общее Pr/N0 (дБГц)                                                                        66,8

Скорость передачи данных                                                           50,0    (100 000

(дБбит/с)                                                                                                бит/с)

Доступное Eb/N0 (дБ)                                                                       16,8

Требуемое Еь/No (дБ)                                                                     10,0

Подпись: 6,8Резерв                                                                                              

 


Оценить производительность, описанную в уравнении (5.60), можно, использовав значения Eb/N0 (или Pr/N0) каналов "земля-спутник" и "спутник-земля", объединен­ные следующим образом (при отсутствии комбинационных помех) [15].

                                 (5.63)

Здесь индексы общ, u и d  обозначают, соответственно, общее значение Eb/N0, a также знамения в канале "земля-спутник'' (uplink) "спутник-<земля" (downlink).

Большинство коммерческих спутниковых транспондеров являются нерегенеративными. Однако очевидно, что в будущем коммерческие системы будут требовать встро­енной обработки; коммутации или выборочной адресации сообщений и будут исполь­зовать регенеративную ретрансляцию для преобразования принятых сигналов в биты сообщений. Помимо возможности внедрения сложной обработки данных, одной из важных особенностей регенеративных ретранслятору», по сравнению с нерегенбративными, является то, что каналы "земля-спутник" и "спутник-земля" разделяются, так что шум из первого - не переходит во второй. Использование регенеративных спутниковых ретрансляторов позволяет значительно улучшить значения Eb/N0, которые не­обходима в обоих каналах, относительно значений, требуемых современными нерегенеративными ретрансляторами. В канале "земля-спутник" наблюдалось [16] увеличе­ние Еb/N0 порядка 3 дБ, а в канале “спутник-земля” - 6,8 дБ  (использовалась когерентная модуляция QPSK с PB=10-4).







© Банк лекций Siblec.ru
Электронная техника, радиотехника и связь. Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки. Карта сайта

Новосибирск, Екатеринбург, Москва, Санкт-Петербург, Нижний Новгород, Ростов-на-Дону, Чебоксары.

E-mail: formyneeds@yandex.ru