Сигнал на входе приемника. Спутниковая линия связи (рис. 10.5) содержит участок 1 (линия “вверх”) и участок 2 (линия “вниз”). При определении уровней входных сигналов должны быть известны энергетические параметры аппаратуры, указанные на рис. 10.5. Их удобно вычислить в децибелах, а мощности передатчиков — в децибелваттах. Обозначения параметров соответствуют принятым выше, причем параметры аппаратуры ЗС имеют индекс “з”, а КС— индекс “б” (бортовая аппаратура).

В ССС принято характеризовать передающие станции значениями ЭИИМ :

;

,

где р_И.З и р_П.Б — ЭИИМ ЗС и КС, выраженные в децибелваттах. Запишем для участков 1 и 2 основные уравнения передачи:

;

,

где р_с.в.хб и р_с.вх.з — уровни мощности сигнала на входах КС и ЗС соответственно: — суммарное ослабление сигнала на участках / и 2 (соответственно i=l и i=2); а_АТМ— потери, обусловленные поглощением радиоволн в спокойной атмосфере (без дождя); а_д — ослабление в дождях (гидрометеорах); а_П — потери, возникающие вследствие несовпадения плоскостей поляризации сигнала и антенны; а_др — потери из-за дополнительных факторов.

Значение а_св можно рассчитать, если положить, что R₀ = L, где L — расстояние между антеннами ЗС и КС (наклонная дальность).

В спокойной атмосфере кислород и водяные пары поглощают энергию радиоволн. На резонансных частотах кислорода (60 и 120 ГГц) и водяных паров (22 и 165 ГГц) наблюдаются максимумы поглощения. Значения потерь a_АTM зависят также от длины пути сигнала в атмосфере, которая в свою очередь определяется по углу места.

Ослабление сигнала в гидрометеорах связано с рассеянием энергии сигнала каплями дождя, туманом и мокрым снегом. Здесь рассмотрим только влияние дождя. Поскольку толщина дождевой зоны в атмосфере около 2 км, то в зависимости от Р можно рассчитать L_A— эквивалентную длину пути сигнала в дожде. Положив R_Э=L_Ди V_Д=-a_Д, можно найти ослабление сигнала в дожде с заданной интенсивностью. По кривым статистического распределения интенсивности дождей можно определить ослабление в дождях для разных процентов времени наихудшего месяца [1.2].

В свою очередь а_п = a_п1+a_п2, где a_Пi — потери, вызванные эффектом Фарадея; а_П2 — потери из-за расхождения плоскостей поляризации антенн при движении ИСЗ.

Эффект Фарадея проявляется в том, что при прохождении радиоволн через ионосферу происходит поворот плоскости поляризации под воздействием магнитного поля Земли. На рис. 12.11 вектор 1 представляет собой вектор Е вертикально-поляризованной волны, излучаемой антенной КС; вектор 2 — та же волна, но около антенны ЗС, т. е. после прохождения через ионосферу; вектор 3 — вертикально-поляризованная составляющая этой волны, которая будет выделена антенной ЗС; y ₁—угол поворота плоскости поляризации. При y ₁=0.5p амплитуда вектора 3 близка к нулю и потери очень велики. В общем случае потери из-за эффекта Фарадея

Среднее значение угла y ₁ обратно пропорционально квадрату несущей частоты; при f=5 ГГц, т. е. a_П1 = 0,02 дБ. Видим, что на частотах выше 3...5 ГГц a_П1 можно не учитывать.

Положим теперь, что эффект Фарадея не учитывается и антенны ЗС и КС сориентированы так, что их фокальные оси лежат на одной прямой. Вектор 1 на рис. 10.6,б соответствует вертикально-поляризованной волне Е_В,, излучаемой неподвижной антенной ЗС, а вектор 2 — той же волне около антенны КС. При движении ИСЗ меняется взаимная ориентация антенн ЗС и КС так, что между их фокальными осями образуется угол y ₂ - В этом случае антенна КС принимает только составляющую вектора 2, направленную вдоль вектора 3, т. е. составляющую E* = E_Вcosy ₂, поэтому При y ₂=p /2 связи не будет.

В геостационарном ИСЗ можно исключить такие потери, применив жесткую стабилизацию положения ИСЗ на орбите. Она связана с определенными техническими трудностями. Если такая стабилизация не предусмотрена, то, чтобы уменьшить потери на частотах ниже 10 ГГц, в ССС рекомендуют применять вращающуюся круговую поляризацию (конец вектора Е описывает круг). При этом изменение ориентации антенн, а также поворот плоскости поляризации не вызывают дополнительных потерь. В зависимости от направления вращения вектора Е различают круговую правую и левую поляризацию, причем сигналы с разным направлением вращения полностью развязаны (ортогональны). Однако на практике антенны всегда излучают не круговую, а эллиптически поляризованную волну. В этом случае потери поляризации зависят от угла y между большими полуосями эллипсов поляризации передающей и приемной антенн и от их коэффициентов эллиптичности е₁ и е₂ Из-за эффекта Фарадея и перемещения ИСЗ угол y непрерывно меняется. Расчеты обычно выполняют для наихудшего случая y =0,5p (рис. 10.7). При строго круговой поляризации e₁=е₂=1.

Под дополнительными факторами, увеличивающими потери сигнала, подразумевают неточность наведения антенн ЗС, влияние отраженного луча на трассах с малыми углами места, деполяризацию сигнала в дождях на частотах выше 10 ГГц. Потери наведения антенн ЗС

, где - угловая ошибка наведения.

Трассы с малым углом места характерны для ЗС, расположенных в северных районах нашей страны и работающих через геостационарный ИСЗ. Для них не представляется возможным следовать рекомендациям МСЭ по минимальному углу места. На такие ЗС вместе с прямым лучом от КС приходят лучи, отраженные от земной поверхности. Следовательно, возможны замирания сигнала. Напомним, что влияние подобных замираний на пролетах РРЛ учитывают с помощью множителя ослабления. В ССС для уменьшения глубоких замираний рекомендуют применять антенны, у которых . В этом случае глубина замираний не превышает 6 дБ на частотах ниже 10 ГГц. Подробнее способы учета влияния дополнительных факторов изложены в [2]. При ориентировочных и учебных расчетах можно принять а_др=0 дБ.

Тепловые шумы на входе приемника. Приемная установка, состоящая из приемника, фидера и антенны (рис. 10.8), имеет суммарную эффективную шумовую температуру, где T_А— эффективная шумовая температура антенны.

Эффективную шумовую температуру (ЭШТ) антенны определяют действующие на нее внешние источники излучения. Антенна ЗС направлена на ИСЗ. Она “видит” космос и атмосферу, а через боковые лепестки ДН также и Землю. Эффективная шумовая температура антенны ЗС

, (10.2)

где e — коэффициент, учитывающий прием шумового излучения боковыми лепестками ДН антенны; Тз— ЭШТ Земли; ДГ — приращение ЭШТ, обусловленное омическими потерями в антенне.

Значения Т_Ки Т_АТМ(b ) могут быть найдены по кривым [1]. При дожде ЭШТ атмосферы на частотах выше 5 ГГц растет. В зависимости от типа антенны получают e =0,2...0,4; Т₃ = 290 К. В большинстве случаев D Т=0. На практике наблюдается заметное приращение ЭШТ у антенн, имеющих отражатель из металлизированного стеклопластика, а также во время дождя у антенн, укрытых обтекателем. Дополнительные омические потери (и шумы) в этом случае создает водяная пленка на обтекателе.

Антенна КС главным лепестком ориентирована на Землю. Если она дает прямой луч, то ее ЭШТ

, (10.3)

Для характеристики приемных станций введен специальный параметр, называемый добротностью ЗС (в дБ/К),

Стоимость приемных ЗС растет с увеличением их добротности. Станции, имеющие относительно невысокую добротность, могут работать только с такими передающими КС, которые создают до-статочно большую ЭИИМ.

Тепловые шумы в каналах. Выше было показано, как рассчитывать мощности сигнала и ТШ на входе приемников ЗС и КС. Следовательно, можно найти отношение сигнал-шум на входе приемника КС Q_ВХ1 и на входе приемника ЗС Q_BX2. Имея их значения, рассчитывают для каждого участка СЛС с ЧМ отношение сигнал-шум в ТФ канале Q_ТФ1 и Q_ТФ2. Напомним, что при ЧМ происходит сложение мощностей ТШ, вносимых в канал отдельными участками. Поэтому в ТФ канале на конце СЛС отношение шум-сигнал

, (10.4)

Аналогичным образом проводят расчеты для канала изображения. Для СЛС с цифровыми методами модуляции, зная Q_BX1 и Q_ВХ2, определяют для каждого участка вероятность ошибок. На конце линии суммируют вероятности ошибок от отдельных участков, если первые достаточно малы.

Выбор энергетических параметров аппаратуры. Рассмотрим его на примере ССС для передачи ТВ сигналов методом ЧМ. Положим, что КС только усиливает сигнал и изменяет его частоту, никакой дополнительной обработки сигнала нет. При этом шумовая полоса полностью определяется приемником ЗС и выигрыш c_ТВ на обоих участках линии связи одинаков.

, где I=1; 2; Q_ТВS =c _ТВQ_ВХS ,

где Q_ВХS — суммарное отношение сигнал-шум на входе приемника ЗС, учитывающее ТШ двух участков. Подставив эти выражения в (10.4) и сократив c_ТВ, получаем

(10.5)

Расчет энергетических параметров аппаратуры обычно начинают с определения допустимого значения Q _ВХS . Его находят, исходя из рекомендаций МККР на отношение сигнал-шум в канале гипотетической линии Q_ТВS и выигрыша c _ТВ. Затем следует правильно распределить Q_ВХS между участками СЛС, учитывая, что они не равнозначны по своим энергетическим параметрам. При этом считают Q_BХ1 = aQ_BХS и Q_BХ2 = bQ_BХS . В соответствии с (10.5) 1/а+1/b=1 или a = b/(b -1). Обычно принимают а=11...6. Если же проектируют ССС, с большим числом приемопередающих ЗС, то бывает выгодно взять а=b=2. Дальнейшие расчеты выполняют отдельно для каждого участка. Они сводятся к подбору таких значений TS и T_ПР, ЭИИМ, мощности передатчика, коэффициентов усиления и размеров антенн, которые обеспечивают требуемые значения Q_BХl и Q_BX2 и могут быть реализованы на практике.