Запаздывание сигнала.

Большая протяженность линии связи между земными станциями и ретранслятором, находящимся на борту ИСЗ, приводит к запаздыванию сигналов. Это определяется тем, что для прохождения расстояния , м, сигналу требуется время:

, (9.1)

где – протяженность линии связи от ЗС, находящейся в точке "а", через ИЗС до ЗС, находящейся в точке "б" (рисунок 4.1.2); с = 3·10⁸ м/с – скорость света; Н – расстояние от спутника до поверхности Земли. Отсюда следует, что при Н = 36000 км (то есть в случае геостационарного спутника) величина запаздывания составит приблизительно 250 мс. Запаздывание сигнала при передаче дуплексных телефонных разговоров приводит к появлению вынужденных пауз в разговоре, потери "контакта" между абонентами, то есть ограничивает естественность беседы [1].

Эхосигналы.

Запаздывание сигналов приводит к появлению заметных для абонентов эхосигналов, возникающих при переходе с четырехпроводных цепей связи на двухпроводные из-за неидеальности дифференциальных систем. Эхо сигналы проявляются в виде прослушивания абонентом своего разговора, задержанного на время, равное удвоенному времени распространения сигнала между абонентами. С учетом (9.1)

. (9.2)

Особенно заметны эхосигналы при больших значениях t_эха. Для систем связи, использующих спутники, движущиеся по орбитам с км (то есть для геостационарных спутников) t_эха ≈ 500 мс. В этих случаях следует обеспечить затухание эхосигналов до величины, равной примерно 60 дБ относительно уровня полезного сигнала. Необходимое затухание эхосигналов осуществляется с помощью эхозаградителей.

Эффект Доплера.

Одной из особенностей систем связи через ИСЗ является возникновение эффекта Доплера, вызываемого движение спутника относительно ЗС. Обозначим через ν_r ту компоненту скорости движения ИСЗ, которая совпадает с линией радиосвязи ИСЗ – ЗС и условимся считать величину ν_r отрицательной в случае уменьшения расстояния между ИСЗ и ЗС и положительной при увеличении этого расстояния [16].

Известно, что при движении источника сигнала со скоростью ± ν_r частота принимаемых колебаний f связана с частотой излучаемых колебаний f₀ соотношением

. (9.3)

Здесь с – скорость света.

Обычно всегда выполняется условие ν_r/c << 1, поэтому при движении источника сигнала в сторону приемника . Отсюда изменение частоты, вызванное эффектом Доплера

. (9.4)

Наиболее сильно эффект Доплера будет проявляться в системах связи, использующих не геостационарные орбиты (в системе "Молния" на рабочем участке орбиты ). В системах связи с геостационарными ИСЗ эффект Доплера может иметь место при коррекции положения спутника на орбите.

Отметим, что в соответствии с (9.4) эффект приводит не только к изменению частоты излучаемых колебаний, а следовательно, и несущей частоты, но и вызывает деформацию спектра передаваемого сообщения. Так, если модуляция осуществлялась колебанием с частотой F, принятое колебание на выходе детектора с учетом эффекта Доплера будет иметь частоту . Поэтому при модуляции колебаниями с частотами F₁=1 кГц и F₂ = 10⁴ кГц на выходе детектора при получим соответственно частоты Гц и Гц. Отсюда следует, во-первых, что верхние частоты в спектре сообщения будут изменяться на большую величину, а во-вторых, что ширина спектра принятого колебания будет отличаться от ширины спектра модулирующих колебаний (в приведенном примере почти на 100 Гц).

Диапазоны рабочих частот систем связи через ИСЗ [12]. Выбор полос частот, выделяемых для работы систем связи через ИСЗ, определяется следующими основными условиями:

• особенностями распространения электромагнитных колебаний через атмосферу;
• интенсивностью шумов, вызванных радиоизлучениями различных внешних источников (Солнце, Луны, планет, атмосферы Земли и других);
• возможностью работы систем связи через ИСЗ в выделяемых полосах частот совместно с другими радиослужбами при допустимых значениях радиопомех.

Согласно регламента радиосвязи [2], для района 1 (Европа, РФ, МНР, Африка) фиксированной спутниковой службе, к которой относятся системы связи через ИСЗ, отводятся следующие полосы частот (в диапазоне до 40 ГГц):

• для передачи сообщений на участке сообщений Земля–ИСЗ 5.725…7.075; 7.9…8.4; 12.5…13.25; 14.0…14.8; 27.5…31.0 ГГц;
• для передачи сообщений на участке сообщений ИСЗ– Земля 3.4…4.2; 4.5…4.8; 7.25…7.75; 10.7…11.7; 12.5…12.75; 17.7…21.2; 37.5…40.5 ГГц.

Следует отметить, что наилучшими полосами частот для систем связи через ИСЗ являются частоты в диапазоне 2…8 ГГц.

Сигнал на входе приемных устройств. Мощность сигнала на входе приемника может быть определена по формуле:

. (9.5)

Здесь А_∑ – суммарное ослабление сигнала на участке между антеннами; V(t) – множитель ослабления не превышаемый в течение t (%) времени; А_п и А_пр – характеризуют соответственно затухание (ослабление) сигнала в фильтрах, стоящих между выходом передатчика и антенной, и выходом приемника и антенной; K_пол – величина поляризационных потерь, обусловленных как не идентичностью поляризационных характеристик антенн, так и изменением плоскости поляризации, вызванным эффектом Фарадея.

Практикум.

Найти мощность сигнала на входе приемника наземной станции при: Р_пер=15 Вт; G_пер=25 дб; G_пр=47дб; f_пер=30 ГГц. Потери энергии в тропосфере А=190 дб, поляризационные потери К_пол=7 дб. Спутник геостационарный.

Для решения подобных задач используйте формулу (9.5), при условии, что V=1, потери Ап и Апр отсутствуют. Все величины подставляются в формулу в единицах.

Величина А_∑ определяется ослаблениями сигнала в свободном пространстве А_св0 и поглощением в атмосфере при угле возвышения β в случае отсутствия осадков А_а (β). аким образом,

. (9.6)

Величина А_а (β) ηависит от длины пути радиоволн в атмосфере, которую можно характеризовать углом возвышения β. Путь, а следовательно, и поглощения будут минимальными при β = 90º, когда радиоволны пересекают атмосферу под прямым углом, и максимальными при β → 0. При определении затухания некоторую роль играет и высота станции над уровнем моря, так как характеризует длину пути луча в атмосфере.

Для расчета А_а (β) μогут быть использованы кривые, приведенные на рисунке 9.8, где по оси абсцисс отложена величина ослабления а_а (β), δБ, то есть а_а = 10·lg А_а(β).

Рисунок 9.8. Частотные характеристики затухания в атмосфере

Множитель ослабления в системах связи через ИСЗ.

Множитель ослабления V² (t) определяется только поглощением электромагнитной энергии в осадках (дожде, облаках и туманах):

. (9.7)

Здесь а_g – погонное ослабление сигнала, дБ, на трассе протяженностью 1 км; R_g – протяженность трассы, км, на которой наблюдаются осадки. Величина а_g для дождей разной интенсивности определяется по графикам.

Величина R_g, входящая в (9.7), определяет длину трассы, на которой коэффициент ослабления а_g примерно постоянен. Для вертикальных трасс (β=90º) ìожно считать величину R_g = 3…4 км, для горизонтальных (β=0º) – âеличина R_g зависит от интенсивности осадков. При интенсивности осадков 1<10 мм/ч величина R_g может доходить до нескольких сотен километров; при I=10 мм/ч R_g=45…55 км; при I=25…30 мм/ч R_g=30…35 км; в случае I ≥ 100 мм/ч R_g=8…12 км.

На частотах ниже 8 ГГц величина а_д будет мала, поэтому в соответствии с (9.7) получим V²(t) =1. Таким образом, в системах связи через ИСЗ на частотах ниже 8 ГГц замирания сигнала можно не учитывать. Это является важным преимуществом этих систем связи по сравнению с системами РРЛ и ТРЛ.

Величина К_пол, входящая в (9.5), будет определятся только несовпадением поляризационных характеристик приемной и передающей антенн. Для предотвращения резкого уменьшения величины К_пол в системах связи через ИСЗ часто используются антенны с круговой поляризацией, которая при неточном изготовлении антенн может перейти в эллиптическую. При использовании на передаче и приеме антенн с одинаковой поляризацией (линейной или круговой) можно получить величину К_пол = 1. В случае, если обе антенны имеют линейную поляризацию во взаимно ортогональных плоскостях, то есть если одна антенна рассчитана на колебания с горизонтальной поляризацией, а другая – с вертикальной, величина К_пол = 0, то есть связь между антеннами отсутствует. Если одна из антенн имеет круговую поляризацию, а другая – линейную, величина К_пол = 0.5, что соответствует уменьшению принимаемой мощности в 2 раза.

Шумы на входе приемных устройств.

В спутниковых системах связи в отличие от РРЛ прямой видимости используются приемные устройства со значительно меньшими собственными шумами. Поэтому суммарная мощность шумов, отнесенных ко входу приемного устройства, определяется как величиной собственных тепловых шумов приемника Р_т.вх, так и интенсивностью шумов различных источников и цепей, внешних по отношению к приемнику. К внешним источникам шумов могут быть отнесены: радиоизлучение атмосферы, шумы Земли и антенны, а также тепловые шумы, создаваемые различными цепями, подключенными ко входу приемника (фидерами, фильтрами и так далее). Кроме того, значительный уровень шумов на входе приемника может создаваться внеземными источниками – радиоизлучениями Солнца, Луны, планет и космическими источниками радиоизлучения [1]. Таким образом, суммарная мощность шумов, отнесенная ко входу приемников,

. (9.8)

Здесь Р_т.вх – мощность собственных шумов приемника; Р_Ф – мощность шумов, создаваемых фидером и другими цепями, отнесенная ко входу приемника; Р_А – мощность шумов антенны с учетом тепловых шумов атмосферы и шумов Земли, отнесенная ко входу антенны; Р_к – мощность шумов, создаваемых радиоизлучением Солнца, Луны, планет и космическими источниками, отнесенных ко входу антенны; η – КПД фидера и фильтров; находящихся между входом антенны и входом приемника.

Учитывая, что мощность шумов связана с эквивалентной шумовой температурой Т_э зависимостью

Р_ш = kТ_э·П_э, (9.9)

Где k – постоянная Больцмана, а П_э – ширина полосы пропускания приемника, выражение (4.2.8) может быть переписано в виде

. (9.10)

Рассмотрим определение величин, входящих в (9.10). Собственные шумы приемника, отнесенные к его входу, принято характеризовать коэффициентом шума Ш или эквивалентной шумовой температурой Т_э.пр. Эти параметры связаны соотношением

Т_э.пр = Т₀(Ш-1),

где Т₀ = 290 К.

Величины Т_э.пр и Ш определяются в основном параметрами первых каскадов приемника [2]. Приемные устройства с малошумящими входными усилителями оказываются сложными в изготовлении и эксплуатации. Поэтому выбору приемного устройства, например, с квантово механическим входным усилителем должно предшествовать тщательное технико-экономическое сопоставление этого варианта построения приемного устройства с другими возможными вариантами. Наряду с этим, выбор схемы входного устройства приемника должен определяться выигрышем в величине суммарных шумов. Так сравнение квантовых и параметрических усилителей показывает безусловное превосходство первых по шумовым характеристикам. Однако квантовые усилители требуют наличия более дорогих криогенных установок с жидким гелием; кроме того, они конструктивно сложнее из-за необходимости создания постоянного магнитного поля. По усилению и ширине полосы частот оба усилителя примерно равноценны. В случае если фидер (или дополнительный элемент), находящийся при температуре Т_ф = 290º К, обладает затуханием 0.1 дБ (η=0.977), эквивалентная шумовая температура, отнесенная к его выходу (то есть ко входу приемника), Т_э.ф = 6.7 К. Таким образом, каждая десятая часть децибела затухания фидера (дополнительного элемента) будет приводить к увеличению суммарной температуры, отнесенной ко входу приемника, примерно на 7 К. Отсюда вытекает целесообразность сокращения длины фидера между облучателем антенны и приемником, то есть установка входных малошумящих усилителей приемника непосредственно вблизи облучателей антенны.

Эквивалентная шумовая температура антенны определяется воздействием на нее теплового излучения Земли, теплового излучения атмосферы и собственными шумами антенны, вызванными потерями в ее элементах. Обычно эти потери очень малы и поэтому собственные шумы антенны можно не учитывать. Следовательно, эквивалентная температура антенны, пересчитанная к ее входу,

, (9.11)

β – угол возвышения; Т_э.з, Т_э.а – соответственно эквивалентные температуры Земли и атмосферы, отнесенные ко входу антенны.

На рисунке 9.9 показаны кривые, которые определяют зависимость эквивалентной температуры атмосферы, приведенной к антенне Т_э.а от частоты f и угла возвышения β. На этом же графике показаны примерные приделы изменения эквивалентной температуры космических шумов .

Рисунок 9.9. Зависимость эквивалентной шумовой температуры космических источников и атмосферы от частоты и угла возвышения.

Рассмотрение кривых рисунка 9.9 показывает, что при уменьшении β величина Т_э.а растет настолько быстро, что использование величины β<5º нецелесообразно. Следует отметить, что при малых β увеличивается вероятность от наземных радиотехнических средств и промышленных объектов. Максимумы на частотах 22.23 и 60 ГГц объясняются поглощением в водяных парах и кислороде атмосферы соответственно.

Кривые (рисунок 9.9) относятся к нормальному состоянию атмосферы при отсутствии осадков; в случае осадков Т_э.а увеличивается. На рисунке 9.10 приведены результаты экспериментов на частоте 6 ГГц при различной интенсивности осадков. Кривая 2 совпадает с зависимостью Т_э.а от угла β, показанной на рисунке 9.9 для 6 ГГц.

Рисунок 9.10 – Шумовая температура атмосферы: 1 – дождь 6.35 мм/г; 2 – дождевые облака, дождя нет; водяные пары 5г/см³

Рассмотрим определение эквивалентной температуры Земли, отнесенной ко входу антенны Т_э.з. В системах связи через ИСЗ используются наземные антенны с большим коэффициентом усиления, имеющие ширину диаграммы направленности около одного градуса или меньше. Такие антенны, как следует из рисунка 9.9, для уменьшения эквивалентной температуры шумов атмосферы используются при β > 5…7º. поэтому можно считать, радиоизлучение Земли (шумы Земли) будут приниматься только через боковые лепестки диаграммы направленности наземной антенны. Это может быть пояснено с помощью кривых рисунка 9.10. На рисунке показана зависимость шумовой температуры антенны на частоте 2 ГГц от угла возвышения при двух вариантах облучения зеркала (отражателя) антенны и приведены относительные величины шумов, приходящихся на главный лепесток диаграммы и боковые лепестки передней и задней полусфер. Наибольший "вес" имеют шумы, приходящие по боковым лепесткам, и именно эти шумы определяют уровень собственных шумов антенны [8]. Эти шумы в значительной мере зависят от метода облучения зеркала антенны: при более резком спадании облучения к краям антенны боковые лепестки получаются меньше и, как следствие, уменьшается шумовая температура. Следует отметить, что одновременно с этим ухудшается использование поверхности антенны, что приводит к снижению коэффициента усиления при неизменных размерах зеркала антенны.

Поскольку на практике спадание облучения к краям зеркала обычно соответствует 10 дБ, в соответствии с рисунком 9.11 можно приближенно считать, что за счет боковых лепестков эквивалентная температура Земли (К), отнесенная ко входу земной антенны,

. (9.12)

Здесь β определяет угол возвышения в градусах.

Рисунок 9.11. Зависимость шумовой температуры антенны от угла возвышения при спадании облучения к краям антенны на 10 дБ (кривые 1, 2, 3, 4) и на 6 дБ (кривые 1', 2' , 3', 4') при f = 2 ГГц; кривые 1 и 1' – суммарная шумовая температура, 2 и 2' – доля боковых лепестков; 3 и 3' – доля главного лепестка; 4 и 4' – доля задних лепестков

Рисунок 9.12. Средняя яркостная температура планет

Таким образом, согласно формулам (9.11) и (9.12) для приемной антенны земной станции

, (9.13)

где Т_э.а(β) определяется по кривым на рисунке 9.9 для заданного значения β и частоты f.

Для бортовых антенн спутников связи, ориентированных на Землю, можно считать, что Ω_А> Ω_з, а Т_з>Т; здесь Ω_А телесный угол главного лепестка диаграммы направленности бортовой антенны (стерад); Ω_з –телесный угол Земли, "наблюдаемой" с борта спутника (стерад); Т_з = 290º – эквивалентная температура Земли; Т – эквивалентная температура среды и ближайших предметов, окружающих бортовую антенну. Учитывая, что, кроме излучения Земли, на бортовую антенну будет воздействовать излучение атмосферы, которая окружает Землю, получим

. (9.14)

Здесь величина Т_э.а(90º) определяется по кривой рисунок 9.9 для значения β=90º и частоты f.

Для характеристики радиоизлучений космических источников обычно использоваться понятие яркостной температуры Т_я источника, которая определяется как температура абсолютно черного тела (К), имеющего на данной частоте и в данном направлении такую же яркость, как рассматриваемый источник.

В том случае, когда температура окружающей среды в различных направлениях от антенны неодинакова и характеризуется яркостной температурой Т_я (β₀,ψ₀), где β₀,ψ₀ – координаты в сферической системе, для определения Т_э.к необходимо умножить величину Т_я(β₀,ψ₀) на усиление антенны в соответствующих направлениях G(β₀,ψ₀) и усреднить по всей сфере. Таким образом, на практике часто встречаются следующие два случая:

1. Величина Т_я(β₀,ψ₀) постоянна или мало изменяется в пределах главного лепестка диаграммы направленности антенны, а излучением, принимаемым боковыми лепестками, можно пренебречь. Это относится к случаю, когда Ω_и>Ω_A, где Ω_A – ширина диаграммы направленности антенны. В этом случае Т_эк =Т_я.

2. Угловой размер источников излучения Ω_и мал по сравнению с шириной диаграммы направленности антенны Ω_A (то есть Ω_и< Ω_з). При этом можно считать, что в пределах Ω_и усиление G (β₀,ψ₀) = G_max и потому

. (9.15)

Зависимость Т_ср для Солнца и различных планет от длины волны приведена на рисунке 9.12

Величина углового диаметра Солнца для "земного" наблюдателя составляет , а угловой диаметр Луны в перигее и апогее – соответственно и , поэтому вероятность направления приемной антенны точно на ту или иную планету оказывается малой, тем не менее с этим, а также с возможностью приема излучения боковыми лепестками диаграммы направленности антенн, следует считаться.

Усредненная яркостная температура фонового излучения космоса, отнесенная ко входу антенны , приведена в виде двух штриховых линий на рисунке 9.9. Верхняя прямая характеризует максимальное, а нижняя – минимальное значение температуры.

Из изложенного следует, сто расчет величины Т_эк, входящей в выражение (4.2.10), выполняется в соответствии с выражениями (9.15), и графиками, характеризующими , приведенными на рисунке 9.9. В том случае, когда приемная антенна не направлена на Солнце, Луну, планеты и дискретные космические источники, величина

Т_эк = , (9.16)

причем определяется в соответствии с рисунком 9.9.