Проектирование информационной телекоммуникационной системы парома на трассе Калининград – Санкт-Петербург

Шумовая температура  оценивает внутренние шумы линейной части приемника, пересчитанные на его вход. Она может быть выражена через коэффициент шума  следующим образом

, (3.9)

где  - абсолютная температура среды, в которой работает приемник (обычно ).

Чем ниже шумовая температура приемника, тем выше его чувствительность. Для идеального четырёхполюсника , поэтому .

Для приёмника ЗС коэффициент шума составляет  или , т.е. .

Т.к. основной вклад в шум приёмного устройства вносит первый каскад, т.е. МШУ, то коэффициент шума МШУ будет ненамного меньше коэффициента шума всего приёмного устройства. А таким МШУ может служить параметрический усилитель на полупроводниковых диодах ().

Для приёмника СР коэффициент шума составляет  или , т.е. .

Такие значения позволяют первый каскад усилителя такого приёмника реализовать на ЛБВ (Лампа бегущей волны).

Эффективная температура () характеризует полную мощность шумов, действующих на входе приемника, т.е. поступающих из антенно-волноводного тракта и собственных, пересчитанных на вход. Полная эффективная температура приемного устройства, пересчитанная на вход приемника

, (3.10)

то же - к облучателю приёмной антенны:

, (3.11)

где  - эквивалентная шумовая температура антенны;

 - эквивалентная шумовая температура антенно-волноводного тракта.

Эквивалентная шумовая температура антенны может быть представлена в виде составляющих [10, 13]:

, (3.12)

где  - составляющая, обусловленная приемом космического радиоизлучения, зависящая от угла места антенны;

 - составляющая, обусловленная излучением атмосферы и зависящая от угла места антенны;

 - составляющая, учитывающая излучение Земли;

 - составляющая, учитывающая собственные шумы антенны из-за наличия потерь в её элементах;

- коэффициент, учитывающий усредненный уровень боковых и задних лепестков диаграммы направленности антенны (для антенн ЗС , для антенн СР ).

Эквивалентная шумовая температура волноводного тракта, работающего при абсолютной температуре .

. (3.13)

Шумы космического происхождения определяются в основном излучениями Галактики, Солнца и Луны. При этом усреднённая температура шумов Галактики на частотах до 11 ГГц не превышает 10°К. Шумовое излучение Солнца может полностью нарушить связь при попадании в главный лепесток диаграммы направленности антенны. Однако влияние Солнца можно, свести к минимуму при конкретном расчете трассы участка. Излучение Луны оказывает ещё меньшее влияние, т. к. её шумовая температура на несколько порядков ниже шумовой температуры Солнца. Таким образом, в большинстве практических случаев составляющая  может приниматься равной нулю.

Шумовая температура атмосферы определяется излучением спокойной атмосферы и влиянием осадков, зависит от частот сигнала и угла места антенны. При известном затухании радиосигнала в атмосфере (с учётом осадков)  шумовая температура атмосферы быть определена как:

, []. (3.14)

Шумовая температура Земли при расчетах принимается равной

Составляющая  как показывает практика, зависит от угла места антенны. Приведено выражение для расчета этой составляющей с учётом .

, []. (3.15)

Собственная шумовая температура антенны обусловлена потерями анергии в облучателе. Она может быть определена по аналогии с (3.13)

Поскольку коэффициент полезного действия облучателя близок к 1, то собственной шумовой температурой антенны можно пренебречь.

Подставив все составляющие в (3.3), имеем

 и .

Усиление антенны  земной станции на передачу или на приём можно определить по диаметру зеркала (рефлектора) и длине рабочей волны на участке ЗС-СР () или на участке СР-ЗС ():

, [дБ], (3.16)

где  - коэффициент использования поверхности зеркала (КИП) (для двухзеркальных ).

Примем КИП  Из исходных данных , следовательно  и .

Для бортовой антенны обычно задается угол главного лепестка диаграммы направленности . В этом случае усиление антенны можно определить как

, [дБ]. (3.17)

Для обеспечения связи в пределах заданной зоны на ретрансляторе будем использовать антенну с ШДН . Ретранслятор с такой антенной будет освещать зону диаметром , что достаточно для освещения трассы парома. Её коэффициент усиления составит .

Реальная чувствительность приемников КС в режиме передачи цифровых сообщений методом непосредственной манипуляции несущего колебания определяется скоростью передачи сообщений, методом манипуляции несущей (АМн, ЧМн, ФМн, ОФМн), способом обработки сигнала в приемнике (когерентный, некогерентный), требованием к достоверности и т.д. Для когерентного и некогерентного приема

, [дБ], (3.18)

- шумовая полоса пропускания приемника,

- соотношение сигнал/шум на входе решающей схемы приемника для обеспечения заданной вероятности ошибок .

В реальных условиях обычно принимается в расчёт поправка на потери при технической реализации когерентного приёма . С учётом этой поправки

, [дБ]. (3.19)

Имеем  и (Вт).

Такое различие значений реальной чувствительности приёмников на Земле и на борту ИСЗ обусловлено тем, что на земных станциях большое распространение получили параметрические МШУ с коэффициентом шума 6…7 дБ, в то время как на ретрансляторе применяются транзисторные МШУ коэффициент шума которых ~10 дБ.

Расчет и обоснование энергетических параметров станций: мощности передатчика, затухания в АФТ, коэффициента усиления антенны, реальной (пороговой) чувствительности приемника или его шумовых параметров, требуемого запаса уровня СВЧ-радиосигнала на интервале является основной целью энергетического проектирования линии связи. Расчет производится на основе решения первого и второго уравнений передачи. При этом отдельные составляющие этих уравнений должны быть предварительно рассчитаны или обоснованно выбраны.

Решение уравнений передачи не может быть однозначным вследствие некоторого разброса значений параметров, входящих в уравнения. Поэтому величина рассчитываемого параметра может оказаться неприемлемой. В этом случае следует внести коррективы в значения тех или иных параметров и решать уравнение заново.

Третья глава посвящена энергетическому расчету спутниковой линий: наклонной дальности, затухания сигнала, шумовой температуры, коэффициента усиления антенн земной станции и ретранслятора на приём и передачу, мощности передатчиков земной станции и ретранслятора связи на ИСЗ.

Опираясь на эти показатели можно выбрать приемно-передающую аппаратуру, и рассчитать параметры антенны.

4. Расчет приемо-передающей антенны спутниковой связи

4.1 Общий анализ и сравнительная характеристика антенн

В последнее десятилетие в области космической и радиорелейной связи, радиоастрономии и других областях широкое распространение получили двухзеркальные антенны (ДЗА).

Основными достоинствами анесимметричных ДЗА по сравнению с однозеркальными являются:

1. Улучшение электрических характеристик, в частности повышение коэффициента использования поверхности раскрыва антенны, так как наличие второго зеркала облегчает оптимизацию распределения амплитуд по поверхности основного зеркала.

2. Конструктивные удобства, в частности упрощение подводки системы фидерного питания к излучателю.

3. Уменьшение длины волноводных трактов между приемо-передающим устройством и облучателем, например, путем размещения приемного устройства, вблизи вершины основного зеркала.

Вместе с тем ДЗА свойственны следующие недостатки:

1. высокая степень затенения излучающего раскрыва, особенно для антенн с малым электрическим размером раскрыва, то есть характеризуемым сравнительно малым значением D/?;

2. высокий уровень боковых лепестков по угловым направлениям, примыкающим к направлению главного излучения;

3. значительно более серьезные трудности в конструировании квазичастотно независимых облучателей антенны по сравнению с однозеркальной схемой;

4. большие физические размеры облучателя;

5. высокая стоимость.

Принцип действия ДЗА заключается в преобразовании сферического волнового фронта электромагнитной волны, излучаемой источником, в плоский волновой фронт в раскрыве антенны в результате последовательного переотражения от двух зеркал: вспомогательного и основного с соответствующими профилями.

Одним из наиболее распространенных вариантов исполнения двузеркальной антенны является антенна типа Кассегрена, содержащая параболоидное основное зеркало, облучатель и вспомогательное зеркало (контррефлектор), представляющее собой часть поверхности в виде гиперболоида вращения.

Трансформация волновых фронтов в указанной схеме такова: сферический фронт волны, излученный облучателем, после отражения от конррефлектра трансформируется вновь в сферический расходящийся фронт, виртуальный источник которого расположен на оси системы за гиперболоидным контррефлектором в точке фокуса основного рефлектора, а после второго отражения от параболоида трансформируется в плоский волновой фронт.

Рисунок 4.1 - антенна типа Кассегрена

Рисунок 4.2 - графическое представление расстояний 2С и 2а

Теперь можно отыскать численные значения расстояний 2С и 2а. Для этого используем выражение:

; (4.13)

;

Выполним проверку на условие , условие удовлетворено, следовательно, расстояния найдены, верно.

Необходимо определить диаметр облучателя:

; (4.14)

Таким образом, диаметр облучателя можно определить как:

;

При этом условие выполняется.

4.5 Расчет питающей линии

В качестве облучателя используется конический рупор, питание таких рупоров осуществляется от круглого волновода или через плавный переход от прямоугольного.

Применим круглый волновод с основной волной . Волновод должен подводить к облучателю только волну и пропускать заданную мощность.

Соотношение радиуса волновода и критической длины волны в волноводе:

Отсюда r, учитывая, что

Нижняя граница работы волновода на основной частоте определим:

=7,7 мм

Таким образом, радиус волновода надлежит выбирать из полученного неравенства:

Выбираем

из-за возможных неоднородностей, качества поверхности внутренних стенок волновода, чистоты заполняющего волновод воздуха большее значение брать не рекомендуется.

Определим максимальную мощность, которая может быть передана через волновод:

В четвертой главе произведена сравнительная характеристика антенн спутниковой связи. Наиболее актуальной для использования в проекте является двухзеркальная антенна по схеме Кассегрена. Произведен методический расчет:

- диаметров большого и малого зеркал:

- радиуса раскрыва;

- фокусных расстояний зеркал и диаметра облучателя;

- волноводной линии.

Следует отметить, что на судне приемно-передающая антенна устанавливается на гиростабилизирующую платформу, которая нейтрализует отклонение направления сигнала при качке, за счет специальной конструкции.

5. Предложения по антенной системе для организации сотовой связи на пароме

Наиболее распространенным вариантом при организации покрытия в небольших помещениях является установка ретранслятора, к которому по коаксиальным кабелям подключаются удаленные антенны, образуя распределенную антенную систему. Для создания нужной топологии сети используются делители мощности и направленные ответвители.

Наиболее перспективными видами indoor-систем являются активные распределенные антенные системы, позволяющие организовать единую широкополосную среду для реализации любых видов беспроводного доступа, включая GSM/UMTS/WLAN/Wi-Fi. Таким образом, удается избежать необходимости организации каждым оператором своей собственной инфраструктуры. Отличием от стандартных решений является использование в таких системах в составе удаленных блоков универсальных модулей, позволяющих осуществить масштабируемую интеграцию всех существующих беспроводных сервисов.

При необходимости добавления к распределенной сети, например, сервиса WLAN в удаленный блок просто встраивается соответствующий модуль. Если нужно внедрить сервис Wi-Fi, в систему добавляется модуль Wi-Fi. При использование таких универсальных модулей Wi-Fi-точки доступа размещаются только в вместе с удаленным блоком в специальных стойках, устанавливаемых в подсобных помещениях.

Для управления столь сложными сетями используются специальные системы управления, обеспечивающие удаленный мониторинг, диагностику и управление сетью в режиме реального времени. Параллельно проводится мониторинг внешнего окружения (уровни сигналов от базовых станций и ретрансляторов), что позволяет оперативно локализовать возникающие проблемы в сети еще до того, как они начинают оказывать влияние на предоставляемые услуги. Системы управления работают под Unix или Windows.

5.3 Выбор параметров оборудования для сотовой связи парома

Для развертывания сети GSM на пароме следует интегрировать на борту микробазовые станции / фемтосоты. Необходимым требованиям соответствует оборудование компании Huawei Technologies.

Базовая приемопередающая станция BTS3900B относится к типу оборудования pico BTS комнатного исполнения и обладает очень высокой производительностью. BTS3900B обладает достаточно широкими возможностями. Характеризуясь высоким уровнем интеграции и поддержкой IP-передачи, BTS3900B позволяет операторам предоставлять качественные услуги в местах со слабым приемом на высокой скорости и с наименьшими затратами.

BTS3900B относится к четвертому поколению BTS, линейке BTS3900, разработанному компанией Huawei.

Имея небольшие габариты и вес, BTS3900B поддерживает различные частотные диапазоны и легко устанавливается. Также она поддерживает GPRS/EDGE и эволюционный переход на EDGE+.

Быстрое развертывание сети в сочетании с низкими затратами

· Габариты BTS3900B составляют 230 мм x 52,5 мм x 165 мм. По сравнению с традиционными станциями BTS, BTS3900B позволяет операторам урезать инвестиционные расходы на приобретение сайта и строительство автозала.

· BTS3900B может установить один человек с помощью нескольких обычных инструментов.

· Станция BTS3900B весит всего лишь 1,5 кг, поэтому для ее перевозки не требуется особое вспомогательное оборудование, и расходы на ее установку значительно сокращаются.

· BTS3900B имеет компактное модульное строение. Она легко собирается и разбирается, что является преимуществом при быстром развертывании сети.

Покрытие внутри помещений высокого качества BTS3900B обеспечивает покрытие зон слабого приема на участках с наиболее интенсивным трафиком.

· может функционировать на следующих частотных диапазонах: 850 MГц, 900 MГц, 1800 MГц и 2900 MГц.

· поддерживает технологию питания через Ethernet (сокр. PoE).

· Станция BTS3900B имеет вход электропитания AC. Питание - 110 В AC или 220 В AC через адаптер питания AC/DC.

Экологичный дизайн

· BTS3900B применяет новейшие технологии в части усиления мощности и потребления питания, что позволяет уменьшить использование ресурсов. При использовании одного приемопередатчика используется питание мощностью 13 Вт, при использовании двух - 18 Вт. Потребление питания каждого приемопередатчика BTS3900B в сравнении с приемопередатчиками традиционных BTS намного экономичнее.

Поддержка GPRS и возможности эволюционного перехода на EDGE+

· BTS3900B поддерживает услуги GPRS/EDGE.

· BTS3900B поддерживает эволюционный формат EDGE+.

Заключение

В соответствии с заданием в дипломной работе обоснована телекоммуникационная система и выполнены практические расчеты элементов системы, обеспечивающей связью пассажиров парома сообщением Калининград-Санкт-Петербург, через спутниковую линию связи.

В процессе выполнения дипломного проекта получены следующие практические результаты:

1. Разработана модель информационной телекоммуникационной системы связи и обоснованы ее параметры.

2. Выполнена оценка планового трафика сети и рассчитана необходимая пропускная способность.

3. Обоснована спутниковая система, её частотный диапазон и технология передачи данных.

4. Рассчитано затухание сигнала на линии радиосвязи, энергетические параметры приемных и передающих устройств, коэффициент усиления антенн земной станции и ретранслятора на приём и на передачу выходная мощность передатчиков земной станции и ретранслятора связи на ИСЗ.

Коэффициент усиления антенны земной станции ;

ретранслятора - .

Рассчитанная выходная мощность передатчиков земной станции ;

спутника - .

5. Обоснована конструкция приемно-передающей антенны.

6. Выполнен расчет диаметров большого и малого зеркал, радиуса раскрыва, фокусных расстояний зеркал и диаметра облучателя, питающей линии.

Диаметр большого зеркала ;

малого - .

7. Рассмотрены технологии антенных систем для организации сотовой связи на пароме.

8. Предложены параметры необходимого оборудования.

Таким образом, задачи, разработанные в проекте, выполнены, поставленная цель достигнута. Задание на дипломный проект выполнено в полном объеме.

Список литературы

1. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. - М.: Радио и связь

2. Зюко А.Г., Кловский Д.Д., Назаров М.В., Финк Л.М. Теория передачи сигналов. Учебник для ВУЗов. - М.: Радио и связь

3. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь

4. Иванов В.И., Гордиенко В.Н., Попов Г.Н. и др. Цифровые и аналоговые системы передачи. Учебник для ВУЗов. - М.: Радио и связь

5. Баева Н.Н., Гордиенко В.Н., Курицын С.А. Многоканальные системы передачи. Учебник для ВУЗов. - М.: Радио и связь

6. Беллами Дж. Цифровая телефония. Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1986, - 544 с.

7. Слепов Н.Н. Синхронные цифровые сети SDH. М.: Эко - Тредз

8. Волоконно-оптические системы передачи и кабели. Справочник / И.И. Гроднев, А.Г. Мурадян, P.M. Шарафутдинов и др.

9. Шварц М. Сети связи: протоколы, моделирование и анализ: в 2-х ч. Пер. с англ. - М.: Наука

10. Автоматическая коммутация. Под ред. Ивановой О.Н.

11. Боккер П. ISDN. Цифровая сеть с интеграцией служб. Понятия, методы, системы.

12. Гроднев И.И., Верник С.М. Линии связи.

13. Проектирование и техническая эксплуатация сетей передачи дискретных сообщений. / Под ред. Г.П. Захарова - М.: Радио и связь

14. Надежность и живучесть систем связи. / Под ред. Б.Я. Дудника

15. Филин Б.П. Методы анализа структурной надежности сетей связи.

16. Теория сетей связи. / Под ред. В.Н. Рогинского - М.: Радио и связь

17. Корнышев Ю.Н., Пшеничников А.П., Харкевич А.Д. Теория телетрафика.

Страницы: 1, 2, 3