3 Энергетический  расчет спутниковой связи.

     3.1 Исходные данные для проектирования .

 

     Линия спутниковой связи состоит из двух участков: Земля—спутник и  спутник—Земля. В энергетическом смысле оба участка весьма напряженные.

     Первый  — из-за тенденции к уменьшению мощности передатчиков и упрощению  земной станции, второй — из-за ограничений  на массу, габаритные размеры и энергопотребление  бортового ретранслятора, лимитирующих его мощность.

     Основная  особенность спутниковых линий  — наличие больших потерь сигнала, обусловленных затуханием его энергии  на трассах большой физической протяженности. Так, при высоте орбиты ИСЗ, равной 36 тыс. км., затухание сигнала может  достигать 200 дБ [3]. Помимо этого основного  затухания в пространстве, сигнал в линиях спутниковой связи подвержен  влиянию большого числа других факторов. Таких как поглощение в атмосфере, рефракция, влияние дождевых осадков  и т.д. С другой стороны, на приемное устройство спутника и земной станции  кроме собственных флуктуационных шумов воздействуют разного рода помехи в виде излучения космоса, Солнца и планет. В этих условиях правильный и точный учет влияния  всех факторов позволяет осуществить  оптимальное проектирование системы, обеспечить ее уверенную работу в  наиболее трудных условиях и в  то же время исключить излишние энергетические запасы, приводящие к неоправданному увеличению сложности земной и бортовой аппаратуры. Нормы на некоторые качественные показатели спутниковых каналов (например, отношение сигнал-шум) имеют статистический характер. Это заставляет оценивать  возмущающие факторы также статистически, т. е. при расчетах вводить не только количественную меру воздействия того или иного фактора, но и вероятность (частоту) его появления. Необходимо учитывать характер и число передаваемых сигналов, а также характер их преобразования (обработки) в спутниковом ретрансляторе. При передаче телефонных сигналов с многостанционным доступом через бортовой ретранслятор проходит несколько сигналов, разделенных по частоте, времени или форме и оказывающих взаимное влияние, которое должно учитываться при расчете энергетики спутниковых линий.

       В настоящей главе приводится  расчет спутниковой линии ЗС1 (Алматы) – ИСЗ (Іntelsat-804) - ЗС2 (Лондон) по участкам (3). 

     3.2 Уравнения связи для двух участков

 

     Эквивалентная изотропно-излучаемая мощность (ЭИИМ) передающей станции

     Е=Р_перŋ_перG_пер                                                                          (1)

     где Р_пер — эффективная мощность сигнала на выходе передатчика;

     ŋ_пер — коэффициент передачи (по мощности) волноводного тракта;

     (КПД  волноводного тракта) между передатчиком  и антенной;

     G_пер — коэффициент усиления передающей антенны относительно изотропного излучателя.

     В техническом задании ЭИИМ задана.

     Затухание энергии в свободном пространстве, определяемое уменьшением плотности  потока мощности при удалении от излучателя оприделяется по формуле [1]

     Lo= 16π²d²/λ²,                                                     (2)

     где λ – длина волны (λ = с/f, с = 3*10⁸ м);

     d – наклонная дальность (расстояние между передающей и приемной антеннами)

     Найдем  значения L₀ для обоих участков. Для этого сначала вычислим расстояние d. Так как спутник геостационарный, то величина d, км, называемая часто наклонной дальностью, рассчитывается по формуле (3)

     d = 42164 [1-(0,151266 соs Ө)²]^1/2-6378 sіn Ө, (3)

     где Ө — угол места антенны земной станции, Ө₁=38,5, Ө₂=8 (находится из графика в приложении Б).

     Для участка 1 :

     d₁=42164 [1-(0,151266 соs 38,5)²] ^1/2 -6378 sіn 38,5 = 37897 км,

     λ₁=с/f=3*10⁸ /6383*10⁶=0,047 м,

     Lo = 16π² (37897*10³ ) /(0,047) =1,02*10²⁰ или 200дБ.

     Для участка 2:

     d₂= 42164 [1-(0,151266 соs8)²]¹/²-6378 sin 8 = 40800 км,

     λ₂ = с/f = 3*10⁸ /3794*10^б =0,079 м,

     L₀ = 16 π² (40800*10³)/(0,079) =3,98*10¹⁹ или 196дБ.

     Здесь и далее величины, относящиеся  к участку Земля — спутник, имеют индекс «1», относящиеся к  участку спутник — Земля —  индекс «2».

     Кроме этих основных потерь, на трассе присутствуют и дополнительные потери L_доп, которые будут вычислены в последующих пунктах; полное значение потерь на трассе L_∑=L₀ L_доп.

     Когда параметры антенны заданы в виде эффективной площади ее аппаратуры S_пр, связанной с коэффициентом усиления соотношением [1].

     G_пр= 4πS _пр / λ ² ,

       Р_пер = 4 πd²L_допР_пр/G_перS_прŋ_перŋ_пр (4)

     Формула (4) позволяет определить необходимую  мощность передатчика по заданному  значению мощности сигнала на входе  приемника. Отметим, что в нее  не входит длина волны. Следовательно, когда передающая антенна имеет постоянный коэффициент усиления на всех частотах, а приемная — эффективную постоянную площадь аппаратуры (может эффективно работать по мере возрастания частоты), мощность сигнала на входе приемника в первом приближении не зависит от частоты (в действительности некоторая зависимость от частоты имеется, так как L_доп в значительной степени определяется диапазоном частот).

     При расчете линии часто оказывается  заданной не мощность сигнала на входе  приемника, а отношение сигнал-шум  на входе приемника (Р_с/Р_ш)_вх, тогда в формулу (4) следует подставить Р_пр = Р_ш (Р_с/Р_ш)_вх,где Р_ш — полная мощность шума на входе приемника.

     Посколъку в диапазонах частот, где работают спутниковые системы, шумы, создаваемые  различными источниками, имеют аддитивный характер, их суммарная мощность выражается формулой.

     Р_ш = кТ_ΣΔFш                                      (5)

     где к = 1,38 * 10 ^-²³ Вт/Гц*град — постоянная Больцмана;

     Т_Σ — эквивалентная шумовая температура всей приемной системы с учетом внутренних и внешних шумов;

     ΔF_ш — эквивалентная (энергетическая) шумовая полоса приемника.

     Структурная схема и диаграмма уровней  линии спутниковой связи, состоящей  из двух участков, приведены на рисунке 3

     Рисунок 3- Структурная схема и диаграмма  уровней линии связи из двух участков

       

     Воспользовавшись  формулами (1), (5), для этих участков можно  записать следующие соотношения: для  участка Земля — спутник: 

     Р_пер=(16π²d₁²L_1допР_ш._б/λ₁²G_пер.з.G_пр.б.ŋ_пер.з.ŋ_пр.б.)(Р_с/Р_ш)_вх.б, 

     где Р_ш.б.=кТ_∑бΔf_ш.б.; 

     для участка спутник — Земля: 

     Р_{пер б}=(16π²d₂²L_2допР_ш._з/λ₂²G_пер.б.G_пр.з.ŋ_пер.б.ŋ_пр.з.)(Р_с/Р_ш)_вх.з, 

     где Р_ш.з.=кТ_∑зΔf_ш.з.;

     Здесь и далее всем показателям, относящимся  к земной аппаратуре, присваивается  индекс «з», а показателям, относящимся  к бортовой аппаратуре — индекс «б».

     Чтобы перейти от уравнений для отдельных  участков к общему уравнению для  всей линии, необходимо установить связь  между отношениями сигнал-шум  на выходе линии и на каждом из участков.

     В отсутствие обработки сигнала на борту происходит сложение шумов  каждого из участков, при этом суммарное  отношение сигнал-шум на конце  линии связи. 

     (Р_ш/Р_с) _∑ = (Р_ш/Р_с)_вх.б + (Р_ш/Р_с)_вх.з. (6) 

     Очевидно, что отношение сигнал-шум на каждом из участков должно быть выше, чем на конце линии: 

     (Р_с/Р_ш)_вх.б=а(Р_с/Р_ш) _∑, (Р_с/Р_ш)_вх.з, = b (Р_с / Р_ш ) _∑ , (7)

     где а > 1 , b > 1 .

     Из (6) и (7) следует, что

     a = b/(b-1), b = а/(а-1). (8)

       Выражение (8) позволяют распределить  заданное отношение (Р_с/Р_ш)_∑; по двум участкам линии связи. Например, задавшись превышением отношения сигнал-шум на участке спутник — Земля, равным 1 дБ (b=1,26), найдем, что необходимое превышение на участке Земля — спутник должно составлять 7 дБ (а≈5). Приведенное распределение коэффициентов запаса а и b предполагает, что полосы шумов бортового ретранслятора и земного приемника равны; если Δf_ш.з< Δf_ш.б, то мощность шума на входе бортового приемника следует вычислять в полосе Δf_ш.з.

     С учетом изложенного уравнения для  линии спутниковой связи, состоящей  из двух участков, окончательно примут вид [3]:

     для участка Земля — спутник 

P_пер.з.=(16π²d₁²L_1допкТ_∑б.Δf_ш.з//λ₁²G_пер.з.G_пр.б.ŋ_пер.з.ŋ_пр.б.)а(Р_с/Р_{ш) ∑},            (9) 

     для участка спутник — Земля 

P_пер.б.=(16π²d₂²L_2допкТ_∑б.Δf_ш.з//λ₂²G_пер.б.G_пр.з.ŋ_пер.б.ŋ_пр.з.)b(Р_с/Р_ш)_∑,         (10)  
 
 

Согласно Таблице  распределения полос частот в  Российской Федерации и принятых решений ГКРЧ для фиксированной  службы, для радиорелейных линий  связи выделены немало диапазонов частот (5,925-6,425 ГГц, 7,25-7,55 ГГц, 7,9-8,4 ГГц, 10,7-11,7 ГГц, 14,4-15,35 ГГц и многие другие). Причем, в рамках упрощения процесса назначения частот, отныне не требуется получение  частных решений ГКРЧ на практически  все полосы частот – необходима лишь разработка номиналов частот для  РРС и получение разрешения на использование частот. Кажется –  все просто, но не тут-то было! Есть много  тонкостей по получению частот для  РРЛ, и ниже мы укажем лишь некоторые  из них.