Спутниковые ретрансляторы повторно передают все получаемые сообщения (с трансляцией на несущую частоту). Регенеративные (цифровые) ретрансляторы перед повторной передачей регенерируют, т.е. демодулируют и восстанавливают цифровую информацию, заложенную в принятый сигнал. Нерегенеративные ретрансляторы только усиливают и повторно передают сообщение. Следовательно, нерегенеративный ретранслятор может использоваться с различными форматами модуляции (одновременно или последовательно без какой-либо коммутации), а регенеративный обычно проектируется для работы только с одним форматом модуляции (или очень малым количеством). В процессе анализа канала связи для регенеративного спутникового ретранслятора каналы "земля-спутник" и "спутник-земля" рассматриваются раздельно. Для вычисления общей вероятности битовой ошибки в канале регенеративного ретранслятора необходимо отдельно определить вероятности появления ошибочного бита в каждом из двух каналов. Пусть Рu и Pd— вероятность появления ошибочного бита в каналах "земля-спутник" (uplink) и "спутник-земля" (downlink). Бит будет безошибочно передан между двумя оконечными наземными устройствами, если в обоих последовательных каналах бит будет передан либо точно, либо с ошибкой. Следовательно, общая вероятность точной передачи бита равна следующему.
(5.53)
Общая вероятность появления ошибочного бита равна
(5.54)
При малых значениях Рии Pd общая вероятность ошибки получается при простом суммировании вероятностей появления ошибки в отдельных каналах.
(5.55)
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. NSW — это мощность шума в канале "земля-спутник", a NS — общая спектральная плотность мощности шума, возникающего в спутниковом приемнике и излучающей спутниковой антенне. Общую мощность EIRP канала "спутник-земля" EIRPS =PSGts где Рs — мощность 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 j-м наземным 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 Ng — это 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
|
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)
|
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
Резерв
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).
5.7.2. Нелинейное усиление ретрансляторов
В большинстве спутниковых систем связи мощность существенно ограничена, и неэффективность, связанную с каскадами линейного усиления мощности, преодолевать обычно дорого. По этим причинам многие спутниковые ретрансляторы используют нелинейные усилители мощности. Эффективное усиление мощности получается за счет искажения, сигнала, вызванного нелинейностью. Рассмотрим основные недостатки нелинейностей усилителей.
1. Комбинационные помехи (intermodulation (IM) noise), вызванные взаимодействием различных несущих. Вред является двояким; полезная мощность Может теряться, переходя в энергию комбинационных помех (потери обычно составляют 1-2 дБ), и в виде интерференции в канал могут вноситься паразитные комбинационные произведения. Последняя проблема может быть достаточно серьезной.
2. Преобразования амплитудной модуляции в амплитудную модуляцию (AM-to-AM conversion)— это явление:, обычное для нелинейных устройств, подобных лампам бегущей волны. На входе устройства любые флуктуации огибающей сигнала (амплитудная модуляция) подвергаются нелинейному преобразованию и приводят к искажению амплитуды на выходе устройства. Следовательно, работа лампы бегущей волны в нелинейной области не будет оптимальным выбором усиления мощности для схемы, основанной на модулировании амплитуды (такой, как QAM).
3. Переход амплитудной модуляции в фазовую (AM-to-PM conversion) — это еще одно явление, общее для нелинейных устройств. Флуктуации в огибающей сигнала производят колебания фазы, которые могут повлиять на достоверность передачи при использовании любой схемы, основанной на модулировании фазы (такой, как PSK или DPSK),
4. В ограничителях с резким порогом, ослабление слабых сигналов относительно сильных составляет порядка 6 дБ [2]. В лампах бегущей волны, работающих в режиме насыщения, подавление слабых сигналов - происходит вследствие не только ограничения, на и того, что механизмы связывания сигнала в лампе оптимизированы в пользу сильных сигналов. В результате слабые сигналы могут ослабляться на 18 дБ [7].
Общепринятые нерегенеративные ретрансляторы обычно работают с режекцией из области высокого насыщения; это делается, чтобы избежать заметных комбинационных помех, и, следовательно; позволяет эффективно использовать всю полосу системы. Впрочем, режекция в линейную область —это компромисс; для получения полезного уровня выходной мощности некоторый уровень комбинационных помех должен быть приемлемым.