Проектирование цифровых систем спутниковой связи

ht = hдоп + ?доп

Затем рассчитываются требуемые значения qfт и qт.

Чтобы обеспечить заданное отношение qfт в конце СЛС, состоящей из двух участков : участок "вверх" (^) и участок "вниз" (v), на каждом оно должно обеспечиваться с запасом. На участке ^ энергетический потенциал обеспечить легче, поэтому коэффициент энергетического запаса а на этом участке выбирают больше : а = 5...10 , а на участке коэффициент энергетического запаса b рассчитывают по формуле:

и распределяют требуемое отношение qfт по участкам:

Сведем полученные данные в таблицу

Bвх = 256 кбит/с ; R = 3/4 ; ?доп = 1 дБ ; а = 7 ; b = 1,17

4. Расчет максимально возможного количества несущих, передаваемых в одном стволе ретранслятора ССС. Определение мощности передатчика КС на одну несущую в многосигнальном режиме. Выбор походящего ствола и передающей антенны, составление плана частот для выбранного ствола, выбор конфигурации сети. Определение количества ЗС, которое можно разместить на заданной территории

4.1 Расчет максимально возможного количества несущих, передаваемых в одном стволе ретранслятора ССС

Пств = 40*106 Гц - полоса ствола КС

П1 = 2.8*105 Гц - полоса частот, требуемая для передачи одной несушей

n = 144 - количество несущих в одном стволе

4.2 Определение мощности передатчика КС на одну несущую в многосигнальном режиме

- коэффициент использования выходной мощности ретранслятора в многосигнальном режиме

Ppkc = 100 Вт - выходная мощность передатчика в ствол

P1kc = 0.35 Вт

- мощность передатчика КС, отводимая одной несущей при МДЧР

4.3 Выбор походящего ствола и передающей антенны, составление плана частот для выбранного ствола, выбор конфигурации сети

Частота вверх = 6 ГГц

Частота вниз = 4 ГГц

Количество несущих = 144

Полоса ствола КС = 40 МГц

Полоса частот, требуемая для передачи одной несущей = 280 кГц

Защитная полоса = 56 кГц

Рис 3. План частот 6 ствола спутника "Экспресс - 140" для 144 несущих

4.4 Определение количества ЗС, которое можно разместить на заданной территории

- количество потоков, передаваемых одной ЗС

-количество земных станций

Так как скорость передачи ЦС = 256 кбит/с и количество ЗС = 24, то конфигурацией сети является "звезда".

5. Размещение десяти ЗС в ЗО. Расчет для десяти ЗС азимута, угла места и наклонную дальность. Выбор центральной (ЦЗС) и худшей (ХЗС) земных станций

5.1 Размещение десяти ЗС в ЗО

Рис 4. Размещение ЗС в ЗО

Результаты расчетов геометрических параметров ЗС

z - широта ЗС

d - долгота ЗС

v - долгота КС = 140 град.

Выбор ХЗС основывается на двух критериях: максимальная наклонная дальность и минимальный угол места. По этим параметрам практически подходит ЗС №10 (Тикси).

ЛЗС- ЗС №1 (Нерюнгри).

6. Определение для КС ЭИИМ и добротность. Расчет для ЦЗС коэффициента усиления передающей антенны и мощность передатчика с учетом полосы, занимаемой информацией, передаваемой одной ЗС. Расчет для ХЗС коэффициента усиления приемной антенны

Расчеты выполняются исходя из необходимости обеспечения заданного коэффициента ошибок (1Е-7, 1Е-3) и соблюдения ограничений на допустимую величину ППМ, создаваемую КС у поверхности Земли.

Расчет начинают с определения ослабления сигналов на участках "вверх" и "вниз" как в условиях "ясного неба" (отсутствие дождя), так и при дожде заданной интенсивности.

Обычно расчеты проводят для ХЗС.

Расчет общего ослабления радиоволн на участках "вверх" и "вниз":

Расчет потерь в дожде:

Исходные данные

1.Расчет эффективной высоты дождевой зоны

2.Расчет пути сигнала в дожде

3.Расчет горизонтальной проекции

4.Выбор интенсивности дождя

5.Расчет коэффициента уменьшения r001, учитывающего пространственную неравномерность дождя

6.Расчет удельного затухания сигнала в дожде, зависящего от частоты, вида поляризации и интенсивности дождя:

7. Расчет потерь в дожде, превышаемых в течение не более чем 0.01% года:

8.Расчет величины потерь в дожде, которая превышается для другого процента времени года Тг в диапазоне 0,001..1%:

Результаты расчета:

6.1 Определение обобщенных энергетических параметров ЗС и КС.

1.Коэффициенты усиления передающей части антенны КС:

2.Определние ЭИИМ и добротность КС

- добротность КС

дБ/К

3. Расчет ЭИИМ КС в направлении ЗС в расчете на одну несущую:

4. Расчет ППМ w1 на входе КС, необходимая для обеспечения на линии "вверх" требуемого отношения qfт ^

5. Требуемые значения ЭИИМ несущей, излучаемой ХЗС в условиях "ясного неба" и дождя:

Для компенсации дополнительных потерь в дожде в оборудовании ЗС обычно предусматривается адаптивная регулировка мощности передатчика по сигналу "маяка" КС. Поэтому ЗС должна также иметь запас по ЭИИМ на величину Ld:

Расчет требуемого значения добротности ХЗС.

Требуемое значение добротности ХЗС рассчитывается из условия обеспечения на линии "вниз" необходимых отношений qfт v при "ясном небе" и дожде:

Затем определяется суммарная шумовая температура ХЗС, приведенная к облучателю приемной антенны.

Для этого первоначально определяются Tatm(?) - ЭШТ атмосферы:

Таким образом, суммарная шумовая температура ХЗС приведенная к облучателю приемной антенны равна:

Диаметр антенны ХЗС и мощность передатчика определяются из условий обеспечения рассчитанных выше значений ЭИИМ (pe1xzc и pe1xzcd) и добротности (GTxzcnd и GTxzcd), требующихся как в условиях "ясного неба", так и дождя. Рассчитываются два значения коэффициента усиления антенны - для "ясного неба" и дождя:

В качестве gpmxzc выбирается большее:

Диаметр антенны ХЗС рассчитывается по формуле:

Эта же антенна на передачу на частоте f ^ ГГц будет иметь коэффициент усиления:

Уровень и мощность одной несущей на выходе передатчика ХЗС при

а при дожде:

В случае если ЗС излучает n несущих, мощность насыщения передатчика должна быть не менее чем

Проверка уровня ППМ КС у поверхности Земли. Диапазоны частот 4 и 11 ГГц используются наземными РРЛ. Чтобы излучение КС проектируемой ССС не создавало для РРЛ недопустимых помех, плотность потока мощности (ППМ) сигнала передатчика КС у поверхности Земли W в контрольной полосе частот Pk не должна превышать допустимых значений. Эти значения, измеряемые в дБВТ/м2, для КС ФСС приведены в таблице в методическом описании. ППМ рассчитывается по формуле:

Допустимые значения не превышаются

7. Построение диаграммы уровней (ДУ)

ДУ можно строить для одной несущей или для n несущих, передаваемых с каждой ЗС. Также следует учесть в построениях различия в расчетах потерь для случая "ясное небо" и "дождь".

В любом случае на участке "вверх" определяется уровень мощности сигнала на входе приемника КС:

Для определения отношения несущая - шум рассчитывают уровень мощности шума на входе приемника КС:

Тогда разность уровней сигнала и шума даст значение отношения несущая - шум:

Аналогично рассчитывается отношение несущая - шум для участка "вниз", для этого расчета нам будет необходимо значение gpmzc , которое рассчитывается следующим образом:

и отношение несущая - шум имеет следующий вид:

Для определения отношения несущая - шум рассчитывают уровень мощности шума на входе приемника ЗС:

Тогда разность уровней сигнала и шума даст значение отношения несущая-шум:

После этого можно строить ДУ сигнала в дБВт.

Построим ДУ для одной несущей и "ясного неба":

Рис. 5. Диаграмма уровней для одной несущей и "ясного неба"

Рис. 6. Диаграмма уровней для одной несущей во время дождя

Далее нужно рассчитать результирующее отношение несущая - шум. Для этого полученные значения несущая - шум на участках "вверх" и "вниз" пересчитывают из децибел в разы:

для КС

Далее берут обратные величины и находят результирующее отношение несущая - шум в разах:

8. Составление структурных схем ЗС и КС и схемы выбранной сети

Функциональная схема центральной станции VSAT

Функциональная схема периферийной станции VSAT

Функциональная схема ретранслятора

Схема организации связи

Пояснения к функциональным схемам ПЗС и ЦЗС VSAT.

Общие требования, предъявляемые к станциям VSAT

Основным требованием к земным станциям типа VSAT является наличие дистанционного контроля и управления со стороны центральной станции. Как минимум должна быть предусмотрена возможность отключения излучения при создании помех другим системам связи. Кроме того, желательно предусмотреть возможность дистанционного тестирования устройств станции, контроль качества обслуживания, передачи информации о результатах тестирования на центральную управляющую станцию. Специальные требования к земной станции, работающей в разрабатываемой системе: каналообразующая аппаратура должна обеспечить возможность приема сигнала от центральной станции системы.

Периферийная земная станция (ПЗС)

СВЧ Блок

Сигнал принятый параболической антенной WA1 проходит поляризационный селектор Р1, который разделяет сигналы ортогональной линейной поляризации на прием и передачу и через СВЧ переключатель WS1, который необходим для функционирования системы контроля, поступает на малошумящий усилитель А1, где сигнал усиливается до уровня необходимого для работы преобразователя частоты. Затем сигнал поступает на преобразователь частоты UZ1, который преобразует несущую частоту f1 = 3675 МГц в диапазон ГТЧ fnр.

В передающей части происходит обратный процесс. Сигнал, поступающий от блока промежуточной частоты fnр, преобразуется в f2 = 6000 МГц в преобразователе частоты UZ2, а затем поступает на твердотельный усилитель мощности А2, который усиливает сигнал до необходимого уровня передачи рпзс = - 110 дБВт. После усиления сигнал через поляризационный селектор Р1 поступает в антенну, которая излучает его в направлении спутника.

Конструктивно блок внешнего оборудования оформлен во влагозащитном корпусе, расположенном непосредственно около антенного поста для обеспечения минимального ослабления сигнала в антенно-фидерном тракте.

Блок промежуточной частоты

Сигнал от преобразователя частоты UZ1 по коаксиальному кабелю поступает на блок промежуточной частоты (блок ПЧ), в котором сигнал разделяется фильтром Z3 на основную (информационную) часть и служебный сигнал, поступающий на демодулятор UR1. Основная часть сигнала поступает в преобразователь частоты UZ3, в котором осуществляется выбор одного из каналов посредством подачи на второй вход преобразователя UZ3 частоты от синтезатора частот G1 с последующей фильтровкой в Z4. В фазовом демодуляторе UR2 происходит выделение цифрового потока, который поступает на декодер U1, где по усовершенствованному алгоритму декодирования сверточного кода,

предложенного Витерби, обеспечивающего ускорение обработки, происходит декодирование и выделение исходного потока с заданной скоростью 256 кбит/с.

Далее поток поступает на аппаратно-программный интерфейс D2, где происходит сопряжения с компьютерной сетью пользователя или с ТфОП.

Обратные процессы происходят в передающей части блока ПЧ. Аппаратно-программный интерфейс D2 формирует цифровой поток заданной скорости 256 кбит/с, который кодируется сверточным кодом в кодере U2. После обработки цифровой сигнал поступает на модулятор UB3, где модулирует по фазе несущую частоту канала, вид модуляции 4-ФМ. Пройдя через фильтр Z6, имеющий полосу пропускания равную полосе сигнала Пс = 2100 кГц, сигнал попадает на преобразователь частоты UZ4, где переносится в диапазон ПЧ. После фильтрации в фильтре Z3, где отделяются ненужные продукты преобразования, сигнал поступает на блок СВЧ. Аналогичные действия происходят с другими 6-мя потоками, передаваемыми каждой ПЗС (на схеме показано прохождение сигнала одной несущей).

Система управления и контроля.

Система управления и контроля управления и контроля разнесена по двум блокам. В блоке ПЧ находится центральный процессор станции DD, снабженный специальным программным обеспечением. В программе управления станцией прописаны алгоритмы различных операций по управлению и контролю станции, которые активизируются при поступлении соответствующих команд от центральной станции. Команды от управляющей станции принимаются отдельным приемником UR1. Телеметрическая информация о состоянии станции передается в определенное время по служебному каналу. Синтезаторы каналов управляются процессором (стрелка 1) и необходимы для установки частот на приеме и передаче. Смена канала необходима для проведения тестирования, а также смены рабочего канала. Измеритель ошибок D1 необходим для оценки влияния посторонних помех в процессе тестирования. Его работой также руководит центральный процессор DD (стрелка 2). Тестирование радиочастотного тракта (блок СВЧ) осуществляется через волноводные переключатели WS1 и WS2, подключаемые через аттенюатор WU1, который имитирует ослабление на участках СЛС (стрелка 3). Центральный процессор станции DD также следит за работой интерфейса D2 (стрелка 4).

Центральная земная станция (ЦЗС)

Радиочастотная часть

Сигнал, принятый антенной WA1, пройдя поляризационный селектор Р1, необходимый для разделения ортогональных сигналов линейной поляризации приема и передачи, попадает на полосовой фильтр Z1, который выделяет полосу частот приема 6-го ствола спутника "Экспресс-140" f2 - 3675 МГц, отведенную для работы системы

C - диапазона. Затем сигнал усиливается малошумящим усилителем А1 до уровня необходимого для работы преобразователя частоты. Малошумящий усилитель А1 зарезервирован усилителем А2, который в случае необходимости подключается с помощью СВЧ переключателей WS1 и WS2. Далее с помощью разветвителя А5 сигнал подается на два преобразователя частоты UZ1 и UZ2, где из диапазона СВЧ преобразуется в диапазон ПЧ. Преобразователи включены параллельно, причем один из них находится в резерве и подключается к тракту ПЧ с помощью переключателя К1.

В передающей радиочастотной части происходят обратные процессы. Сигнал ПЧ, пройдя через разветвитель А7, переносится в диапазон СВЧ преобразователями частоты UZ3 и UZ4, один из которых находится в резерве, и подключается к блоку усилителей мощности (УМ) при помощи волноводного переключателя WS4 и разветвителя А6, в котором сигнал разделяется на два, чтобы пройти через мощный усилитель A3 или А4. Один из них находится в резерве и подключается к поляризационному селектору Р1 через переключатель WS3. Далее сигнал СВЧ C диапазона передачи f = 6000 МГц излучается антенной WA1 в направлении спутника.

Тракт промежуточной частоты

Принятый сигнал ПЧ (после преобразования частоты) поступает на демультиплексор DMUX1, который работает по фильтровой схеме и разделяет суммарный сигнал на сигналы, в соответствии с полосой, занимаемой каждым отдельным сигналом. После этого сигналы поступают на канальные блоки, устройство которых аналогично блокам промежуточной частоты периферийных станций. Количество таких блоков равно количеству несущих, принимаемых данной ЦЗС (576), причем на отдельной несущей принимается служебная информация, выделяемая в демодуляторе UR2.

В тракте передачи происходят обратные операции: объединение сигналов, поступивших от отдельных канальных блоков, добавление пилот сигнала и канала управления и последующий перенос суммарного сигнала в диапазон ПЧ.

Система управления

Для управления сетью в состав ЦЗС входит модуль управления, состоящий из: центрального процессора системы DD, блока контроля D1, в который входят: анализатор спектра и видеоконтрольное устройство, а также канал управления. На схеме показано подключение канала управления к мультиплексору MUX1 и демультиплексору DMUX1

(стрелка 2). При помощи анализатора спектра центральный процессор может оценивать уровни сигнала от каждой станции, стабильность несущих частот канальных блоков и гетеродинов преобразователей частоты. На основании результатов измерений центральный процессор DD может принять решение о временном отключении одного из каналов от сети и проведения внутреннего тестирования периферийной станции. Команды передаются по каналу управления. Результаты проведения внутренних тестов станций передаются по каналам передачи служебной информации ПЗС. Результаты работы процессора выводятся на монитор для контроля со стороны обслуживающего персонала. Если ПЗС в течение 3 секунд не получает команду от ЦЗС о возможности передачи информации, то она переходит в режим запрета на излучение. Процессор DD также управляет работой интерфейса D2 (стрелка 2).

Описание ретранслятора.

Сигналы от приемных антенн в диапазоне от 5,93 до 6,52 ГГц поступают на 2 входных порта (1 и 2) и далее через ВЧ переключатели WS1, WS2 на приемники A1 и A3. в которых усиливаются и преобразовываются в диапазон 3,6 … 4,2 ГГц. Приемник А2 - резервный. Через ВЧ переключатели WS3, WS4 и разветвители WE1 … WE3 принятые и преобразованные сигналы поступают на блоки разделительных фильтров Z1…Z5, где разделяются на стволы шириной 36 или 40 МГц. Далее сигнал каждого ствола усиливается отдельным передатчиком. Ретранслятор содержит 12 стволов. Все передатчики разбиты на 4 группы.

В первую группу входят 2 передатчика - А4, А5 (основной) и А6, А7 (резервный) мощностью 75 Вт с ЛБВ в выходном каскаде.

Вторая группа (А8 … А10) содержит 3 40-Ваттных транзисторных усилителя и переключатели, обеспечивающие резервирование.

Третья группа (А11 … А13) также собрана по схеме резервирования 3:2. но используются 20-Ваттные транзисторные усилители.

В четвертой группе на 7 стволов имеется 9 транзисторных усилителей (А14 … А22). Мощностью 20 Вт каждый. Схема резервирования 9:7.

Коэффициент усиления каждого из 17-ти передатчиков может регулироваться по командам с Земли.

В состав ретранслятора входи также радиомаяк (А23, А24), работающий на частоте 3800МГц со схемой резервирования 2:1.

Сигналы всех передатчиков и радиомаяка с выходных портов 3… 15 поступают к передающим антеннам через переключатели и фильтры сложения.

Список литературы

1. Сухорукова И. Ю., Тарасов С. С. Проектирование цифровых систем спутниковой связи (учебное пособие). - Москва. 2006

2. Сухорукова И. Ю. Физические основы спутниковой связи (учебное пособие).- Москва, 2004

Страницы: 1, 2