Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования

Московский технический университет связи и информатики

Кафедра систем и сетей радиосвязи и телерадиовещания

Курсовой проект на тему

Цифровая спутниковая система связи (ССС)

Москва 2014



Оглавление

Исходные данные

1. Краткие теоретические сведения о станциях VSAT

2. Расчет зоны обслуживания

3. Расчет геометрических соотношений

4. Определение необходимой полосы частот и требуемого отношения несущая/сигнал

5. Распределение ресурсов ретранслятора. План частот

6. Энергетический расчет

6.1 Расчет общего ослабления энергии радиоволн на каждом участке

6.2 Определение обобщенных энергетических параметров ЗС и КС

7. Построение диаграммы уровней

8.Структурная схема земной станции

Список литературы



Исходные данные для выполнения курсового проекта

Номер варианта	Канал связи (П -прямой, О -обратный)	Инф. скорость (Мбит/с)	Тип спутника связи, луч, долгота подспутниковой точки (о в.д.)	Режим передачи (модуляция, кодирование, коэфф. скругления )	Дополнит. условия
1	П	Определить	Экспресс -АМ22, WE, 53О	QPSK, 3/4, б=0,35	-

Схема «прямого» канала:

Рис.1

1. Общие сведения о земных станциях VSAT

К классу земных станций VSAT (Very Small Aperture Terminal) относятся станции спутниковой связи, технические характеристики которых удовлетворяют следующим требованиям Рек. МСЭ-Р S.725 «Технические характеристики VSAT» [1, стр.368]:

- станции VSAT устанавливаются непосредственно у пользователей, причем плотность размещения их на ограниченной территории может быть весьма высокой;

- станции VSAT обычно не имеют постоянного квалифицированного обслуживающего персонала;

- контроль и управление работой станций VSAT в сети осуществляются централизованно, но могут дополнительно использоваться и местные станционные системы контроля и управления;

- станции VSAT относятся к Фиксированной спутниковой службе (ФСС) и должны удовлетворять требованиям Регламента радиосвязи и Рекомендациям МСЭ-Р, как и все земные станции ФСС;

- станции VSAT обычно применяются в так называемых выделенных сетях (частных, деловых) для передачи данных и телефонии в цифровом виде в режимах работы только на

прием (симплекс) или на прием/передачу (дуплекс);

- антенны VSAT обычно имеют диаметр 1,8. . .3,5 м, но в отдельных системах могут использоваться и большие антенны (диаметром до 6 м);

- скорость передачи информации в цифровом виде со станций VSAT обычно не превышает 2 Мбит/с;

- в станциях VSAT используется маломощный радиопередатчик (обычно от 1 до 20 Вт) с обязательным ограничением излучаемой мощности в целях безопасности.

В настоящее время сети станций VSAT чаще всего работают в диапазонах частот ФСС 6/4 ГГц и 14/11-12 ГГц. Выбранный мной спутник Экспресс -АМ22 работает в диапазоне Ku,который применяется для фиксированной спутниковой связи, спутникового вещания.

Организация связи в сетях VSAT.

Типовая схема организации спутниковой сети VSAT выглядит следующим образом:

· спутник-ретранслятор, расположенный на орбите (спутник связи)

· центр управления сетью (ЦУС) компании-оператора сети VSAT, обслуживающий оборудование всей сети через спутник связи

· оборудование (спутниковые модемы или терминалы) расположенное на стороне клиента и взаимодействующие с внешним миром или между собой посредством ХАБа компании-оператора VSAT в соответствие с топологией сети.

Основной элемент спутниковой сети VSAT -- ЦУС. Именно Центр Управления Сетью обеспечивает доступ клиентского оборудования с сети интернет, телефонной сети общего пользования, другим терминалам сети VSAT, реализует обмен трафиком внутри корпоративной сети клиента. ЦУС имеет широкополосное подключение к магистральным каналам связи, предоставляемым магистральными операторами и обеспечивает передачу информации от удаленного VSAT-терминала во внешний мир. ЦУС оборудован мощным приемо-передающим комплексом, транслирующим все информационные потоки сети на спутник связи. В состав ЦУС входит каналообразующее оборудование (спутниковая приемо-передающая антенна, приемо-передатчики и пр) и HUB (центр обработки и коммутации всей информации в сети VSAT).



Рис.2

На рисунке показана типовая схема организации сети VSAT

несущий сигнал ретранслятор станция

Для передачи речи в этих сетях применяется несколько типов речевых кодеков, обеспечивающих необходимые скорости передачи: 64 кбит/с - ИКМ (G.711), 32 кбит/с -ADPCM (G.721), 8-16 кбит/с - RELP, CELP и др. Разнообразны виды аналоговых интерфейсов: 2-проводной Loop Start, 4-проводной Е&М или DTMF.

При создании сетей корпоративной связи в сельской местности или при подключении удаленных станций к существующим сетям, в том числе к коммутируемой сети общего пользования, данный вид связи является весьма эффективным. Прямое соединение с VSAT-станцией увеличивает оперативность доступа и исключает расходы на «последнюю милю». Современное VSAT-оборудование обеспечивает возможность типового подключения к наземным сетям ISDN. Типовая скорость передачи данных при таком соединении (один интерфейс BRI) - 128 (144) кбит/с. Использование современных алгоритмов сжатия позволяет «упаковать» речевой канал в полосу пропускания 6,4 или 4,8 кбит/с, благодаря чему пропускная способность спутникового канала при передаче речи повышается в 10-12 раз.

Передача среднескоростных и высокоскоростных потоков информации по каналам VSAT обеспечивается с вероятностью ошибки не хуже 10-7. VSAT- терминалы поддерживают практически все типовые сетевые интерфейсы: RS 232, RS 449/422, Ethernet (IEEE 802.3), Token Ring (IEEE 802.5), a потому могут использоваться для объединения локальных сетей на базе наиболее популярных протоколов IP, IPX, Net-BIOS. Кроме того, применение многопротокольной среды и технологии frame relay позволяет создавать многопрофильные сети (с гибкой сменой профиля обслуживания), в которых трафик может изменяться в широких пределах (от 64 кбит/с до 8,448 Мбит/с).

Основными потребителями таких услуг высокоскоростной передачи данных и мультимедиа являются банки и страховые компании, средства массовой информации, государственные учреждения, промышленные компании и операторы связи.

Технология VSAT допускает также создание корпоративных многоцелевых сетей пакетной коммутации с большим числом удаленных станций. Скорость передачи в таких сетях обычно не превышает 64 кбит/с, а передача данных осуществляется с использованием стандартных протоколов Х.25, Х.З/Х.28, LAP-B, HDLC, SNA/SDLC. Эти сети с множеством узлов характеризуются асимметричным трафиком с лавинообразной или непредсказуемой нагрузкой. Однако VSAT-технология позволяет организовать постоянный или дополнительный канал «по требованию» и обеспечить введение приоритетов для разных категорий трафика. В качестве примера можно назвать сети бензозаправочных станций с проверкой кредитных карточек в режиме реального времени, сети контроля за банкоматами, сети сбора и обработки телеметрической и метеорологической информации и т. п.

Для предоставления услуг широковещания чаще всего используются VSAT-сети многоточечной топологии, используемые для одновременного обслуживания многих объектов в режиме реального времени. Пропускная способность вещательного канала может варьироваться от низкой (2,4-64 кбит/с) до весьма высокой скорости (2,048-8,448 Мбит/с). В качестве абонентского оборудования используются малые VSAT-терминалы с диаметром антенны до 1 м. Стандартные интерфейсы -RS 232, RS 449/422, V.35, Ethernet 10Base -T.

Сети распределенного вещания обычно создаются организациями с разветвленной структурой филиалов или компаниями, занимающимися массовым обслуживанием, например информационными агентствами, торговыми фирмами, имеющими множество территориально разнесенных магазинов, пейджинговыми компаниями. Удаленные сети могут быть объединены в подсети, принимающие только какой-то определенный поток информации.

С точки зрения трафика существуют три основных варианта организации связей в сетях VSAT:

- сеть типа «точка - точка» - простейший случай дуплексной линии связи между двумя удалёнными станциями;

- сеть типа «звезда» - для многонаправленного радиального трафика между центром сети и периферийными (удалёнными) пунктами связи;

- сеть типа «каждый с каждым» - для прямых связей между любыми пунктами сети связи.

В моём курсовом проекте используется сеть типа «точка-точка».

Сеть типа «точка - точка», позволяет обеспечить прямую дуплексную связь между двумя удалёнными пунктами связи. Такая схема связи наиболее эффективна при больших расстояниях между пунктами или их расположении в труднодоступных регионах.

Краткое описание метода обработки сигнала.

К настоящему времени в ССС цифровые методы передачи сигналов практически полностью вытеснили аналоговые. Последние применяются еще иногда при передаче сигналов ЗВ и ТВ вещания (частотная модуляция с большим индексом). При цифровой передаче используется фазовая модуляция и ее разновидности с количеством уровней 2, 4 или 8 (2ФМ, 4ФМ, 8ФМ),

причем чаще всего наиболее оптимальным методом оказывается 4ФМ. АФМ с более высокой кратностью и КАМ применяются реже по причине их высокой чувствительности к искажениям в тракте ретранслятора КС и мощном передатчике ЗС, а также трудности достижения высокого отношения «несущая-шум» на входе демодулятора приемной ЗС.

В курсовом проекте используется модуляция QPSK.

При квадратурной фазовой манипуляции (англ. QPSK -- Quadrature Phase Shift Keying или 4-PSK) используется созвездие из четырёх точек, размещённых на равных расстояниях на окружности. Используя 4 фазы, в QPSK на символ приходится два бита, как показано на рисунке. Анализ показывает, что скорость может быть увеличена в два раза относительно BPSK при той же полосе сигнала, либо оставить скорость прежней, но уменьшить полосу вдвое.

Хотя QPSK можно считать квадратурной манипуляцией (QAM-4), иногда её проще рассматривать в виде двух независимых модулированных несущих, сдвинутых на 90°. При таком подходе четные (нечетные) биты используются для модуляции синфазной составляющей I, а нечетные (четные) - квадратурной составляющей несущей Q.

Характеристики формирующих фильтров в модуляторе и демодуляторе выбирают таким образом, чтобы спектр цифрового сигнала на выходе тракта (входе решающего устройства) был равномерным со «скруглением» по краям в форме «приподнятого косинуса» с коэффициентом скругления = 0,2…0,35. Это обеспечивает отсутствие межсимвольных искажений при достаточно высокой эффективности использования радиочастотного спектра. Так как каналы и тракты спутниковых линий входят в национальные и международные сети связи общего пользования, к их качественным показателям предъявляются весьма жесткие требования. Поэтому при передаче цифровых сигналов в ССС применяют помехоустойчивое кодирование, называемое также прямым исправлением ошибок (ПИО) (в отличие от исправления ошибок путем повторной передачи искаженных данных) или FEC в англоязычной литературе.

Сегодня хорошо разработаны и широко применяются коды ПИО двух основных классов:

Блоковые коды

Последовательность данных делится на блоки из k символов ; каждому блоку ставится в соответствие кодовая комбинация из n символов (n > k), которая передается по каналу связи; добавленные r = n - k символов называются проверочными; код характеризуется кодовой скоростью R = k/n и максимальным количеством ошибок t в кодовой комбинации, которое он может исправить.

Сверточные коды

Избыточные символы добавляются непрерывно; очередная передаваемая кодовая комбинация зависит не только от очередного блока информационных символов на входе кодера, но и от блоков, поступивших ранее (кодер содержит память на S двоичных элементов входного сигнала); длина блока информационных символов k обычно бывает небольшой (от одного до семи бит); число n символов, появляющихся на выходе кодера в ответ на каждый входной блок определяет скорость кода R= k /n. Применение ПИО позволяет не только повысить достоверность передаваемой информации, но и получить энергетический выигрыш (ЭВК) hэвк , на величину которого может быть уменьшена мощность передатчика.

Платой за этот выигрыш является расширение полосы частот, занимаемой радиосигналом из-за необходимости передачи избыточных проверочных символов. Величина выигрыша зависит от кодовой скорости R, способа кодирования и алгоритма декодирования. В ССС обычно применяют сверточные коды с S < 10 (типичное значение S = 7) и кодовыми скоростями R, выбираемыми из ряда 1/2, 2/3, 3/4 и 7/8. Величина ЭВК при каскадном кодировании достигает 8…9 дБ.

В последние годы находит все большее применение новый класс помехоустойчивых кодов - турбокоды. Турбокод образуется параллельным каскадированием двух или более систематических кодов. В качестве компонентов в нем могут использоваться блоковые коды БЧХ, Рида- Соломона и даже сверточные, работающие в блоковом режиме. Использование турбокодов позволяет вплотную приблизиться к границе Шеннона.

Методы многостанционного доступа в сетях VSAT.

Многостанционный доступ в сетях VSAT обычно организуют на основе метода частотного разделения (МДЧР) в режиме закрепленных каналов между станциями с интенсивным трафиком или в режиме МДЧР с предоставлением каналов по требованию (МДЧР-ПКТ) для интерактивного трафика. В интерактивном режиме передачи информации станции сети VSAT осуществляют доступ к выделенным в стволе ретранслятора несущим на основе метода временного разделения (МДВР), в том числе по протоколу со случайным доступом типа ALOHA. В сетях для передачи телефонии входящие каналы VSAT-ЦЗС организуют с частотным разделением типа «один канал на несущую» (МДЧР-ОКН) и экономичными скоростями передачи 16/24/32 кбит/с, предоставляемые абонентам телефонной сети на все время соединения. Присвоение частотных каналов на постоянной основе РАМА (Permanently Assignment Multiple Access) целесообразно, когда сеть VSAT соединяет абонентов 24 часа в сутки (долговременный сервис) и может быть изменено в любое время посредством процедуры динамического переназначения. Присвоение частотных каналов по запросу DAMA (Demand Assignment Multiple Access) целесообразно, когда сеть VSAT функционирует как коммутируемая система или АТС, позволяющая учрежденческим ПЗС подключаться к ЦЗС. Возможны два варианта подключения: полностью переменное соединение и соединение с переменной точкой назначения. Оба этих типа DAMA требуют исходящего и ответного входящего пакетов.

Иногда может применяться многостанционный доступ с кодовым разделением сигналов (МДКР), позволяющий наиболее эффективно решать проблему электромагнитной совместимости (ЭМС) сетей VSAT с наземными и другими спутниковыми сетями, но уступающий МДВР и МДЧР по эффективности использования пропускной способности спутникового ретранслятора.

Рассмотрим подробнее организацию многостанционного доступа в сетях типа «точка-точка».

SCPC (Single Channel per Carrier, один канал на несущую) - классическая технология спутниковой связи. Сущность ее очень проста: для связи двух земных станций А и В на спутнике выделяются две полосы частот: одна для передачи в направлении А-В, другая - для передачи в направлении В-А (рис.3)

Рис.3

Эти полосы частот «монопольно» используются только станциями А и В и не могут быть использованы кем-то еще. Таким образом, SCPC - выделенный физический канал связи. Связь осуществляется только по схеме «точка-точка». Спутниковые сети SCPC с более сложной топологией (например, «звезда») строятся на основе нескольких отдельных каналов «точка-точка».

Преимущества спутниковых сетей SCPC:

· Гарантированное качество канала. Вся полоса канала используется одной конкретной земной станцией, а не делится между многими ЗС, как в других технологиях. Поэтому пропускная способность канала SCPC всегда гарантирована.

· Высокая готовность канала. Данные, поступающие на вход модема SCPC, передаются в канал немедленно.

· Минимальная временная задержка. Данные передаются «в один скачок» и не «стоят в очередях» на передачу, поэтому задержка в каналах SCPC минимальная - около 250 мсек. Это время, которое необходимо сигналу, чтобы со скоростью света проделать путь от Земли до геостационарного спутника и обратно.

· Максимально эффективное использование частотного ресурса на спутнике. Каналы SCPC организуются только по схеме «точка-точка», они представляют собой эдакий «виртуальный кабель». Поэтому в SCPC отсутствует адресация, а другая служебная информация сведена к минимуму (контрольные биты помехозащитных кодов, команды управления оборудованием удаленных ЗС). Это позволяет получить максимально возможную скорость передачи полезных данных в выделенной полосе частот. Соответственно, 1 Мбит/сек по технологии SCPC стоит дешевле, чем при использовании любой другой технологии (естественно, при прочих равных условиях - энергетике, зоне обслуживания и т.п.).

· Автономность. Сеть спутниковой связи SCPC не требует централизованного управления. Надежность такой сети не зависит от работы центральной станции оператора, каждое направление «точка-точка» функционирует отдельно. Компания может купить в собственность оборудование, оформить разрешительные документы и самостоятельно эксплуатировать сеть SCPC, не прибегая к услугам операторов связи. Таким образом минимизируются затраты на связь - компания платит практически только за использование частотного ресурса спутника. Справедливости ради следует оговориться, что на деле имеет место и противоположный тренд: иные компании предпочитают заплатить больше денег, зато купить у оператора связи готовый канал «под ключ« и не заниматься непрофильной деятельностью.

· Возможность выбора полосы и энергетики. SCPC предоставляет самый широкий выбор скоростей и энергетики канала. Пользователь может сэкономить на стоимости оборудования, применив простые схемы модуляции, слабый передатчик и недорогой модем. Зато для передачи данных потребуется более широкая полоса частот, соответственно, ежемесячные платежи будут относительно большими. Можно наоборот, минимизировать ежемесячные платежи, применив более сложные схемы модуляции, более «слабое» кодирование. Тогда для передачи данных с той же скоростью потребуется меньшая полоса частот на спутнике, соответственно, аренда спутниковой емкости будет дешевле. Зато для работы потребуются антенны больших размеров, мощные передатчики и более «умные» модемы. В сетях, построенных по другим технологиям, такой возможности нет - пользователь привязан к параметрам центральной станции сети. А в SCPC две земных станции работают друг с другом, и параметры обеих можно выбрать максимально соответствующими задачам пользователя.

Благодаря этим особенностям именно SCPC чаще всего используется для организации магистральных спутниковых каналов связи: междугородных телефонных каналов, каналов доступа в Интернет для крупных сервис-провайдеров, для телевизионного и радиовещания.

К недостаткам SCPC можно отнести довольно высокую стоимость оборудования земных станций и необходимость получения отдельных частотных присвоений на каждую станцию.

Оборудование.

Каналообразующим оборудованием земной станции SCPC является спутниковый модем. Он преобразует последовательные данные в радиочастотный сигнал или наоборот. Со стороны клиентского оборудования модем имеет последовательный интерфейс - синхронный (G.703, V.35) или асинхронный (например, RS-449, RS-232). Со стороны антенны - вход и выход радиосигнала промежуточной частоты 70 МГц или L-Band (950…1450 МГц). Для преобразования сигналов промежуточной частоты в сигналы на частотах приема и передачи спутника (С или Ku диапазон) используются понижающий малошумящий конвертер (LNB) и повышающий конвертер - усилитель мощности (BUC). В современных земных станциях это два небольших устройства, расположенные непосредственно на антенне. Иногда для увеличения мощности на передачу после BUC устанавливается дополнительный полупроводниковый усилитель мощности (SSPA). В больших и мощных станциях, а также в центральных станциях, где на одну антенну работают сразу несколько модемов, схема несколько сложнее: между модемом (модемами), LNB и усилителем мощности устанавливается промежуточный повышающий/понижающий конвертер («трансивер») внутреннего или внешнего исполнения.

Антенны земных станций SCPC несколько больше по размерам, чем антенны, например, для «двустороннего спутникового Интернета». Это связано с тем, что станция «спутникового Интернета» работает в паре с центральной станцией сети с антенной диаметром 5…12 м и передатчиком в несколько сотен Ватт, поэтому абонентская станция принимает сильный сигнал, а сама может излучать слабые сигналы. Станция SCPC работает в паре с такой же точно станцией, поэтому они обе должны принимать относительно слабые сигналы, а излучать относительно сильные.

Конкретные размеры антенны и мощность передатчика зависят, в первую очередь, от требуемой скорости передачи данных, а также от параметров самого спутника.



2. Расчет зоны обслуживания

Перед расчетом ЗО следует определить координаты (широту и долготу) крайних ее точек. Это делается с помощью обычной географической карты. Как минимум, определяются (или задаются в исходных данных) четыре точки: самая северная (точка 1), самая восточная (точка 2), самая южная (точка 3) и западная (точка 4). Эти точки должны попасть в луч антенны КС. В простейшем случае сечение этого луча ортогональной плоскостью имеет форму эллипса, однако на сферической поверхности Земли контуры луча будут искажены.

При расчетах зон обслуживания часто пользуются сферической системой координат с началом в точке размещения спутника (S), показанной на рисунке 4.

Рис.4

В этой системе координат положение любой точки на поверхности Земли полностью определяется значением двух углов: углом 1 - в плоскости экватора и углом 2 - в плоскости, перпендикулярной к плоскости экватора.

Положение ЗС (точка А на рис.4) определяется ее долготой и широтой , а положение подспутниковой точки (точка Р на рис.4) долготой и широтой . Для ИСЗ, расположенного на геостационарной орбите = 0.

На рис.4 также показаны центр Земли (точка О), северный полюс (точка N) и проекция точки А на плоскость экватора (точка В).

Для определения параметров луча КС (ширины ДН антенны) географические координаты крайних точек ЗО (точки 1, 2, 3, 4) следует пересчитать в углы и сферической системы координат (угловой спутниковой проекции) по формулам:

, град. (1)

,= , град. (2)

Где , км (3)

- расстояние от точки расположения спутника S до точки В (линия SB на рис.4);

,

град. - разность долгот ЗС и КС;

, град. - широта ЗС;

R = 6378 км - радиус Земли;

r = 42164 км - радиус ГО.

Спутник связи и вещания "Экспресс-АМ22" по заказу ФГУП "Космическая связь" (ГП КС) создан НПО "Прикладная механика" им. М.Ф. Решетнева совместно с французской компанией Alcatel Space в рамках Программы обновления российской национальной спутниковой группировки на 2002-2005 гг.

Спутник "Экспресс-АМ22" предназначен для предоставления пакета мультисервисных услуг (цифровое телерадиовещание, телефония, видео-конференцсвязь, передача данных, доступ к сети Интернет), а также для создания сетей связи на основе технологии VSAT.

Cпутник "Экспресс-АМ22" оборудован самыми современными антенными системами, что обеспечивает высокое качество связи и равномерность зон покрытия.

Технические характеристики:

Назначение	Передача данных, телевидение, телефония, Интернет, радиовещание, видеоконференцсвязь и т.д.
Орбита	Геостационарная / 53° в.д.
Точность удержания на орбите	± 0,05° (в направлении север-юг / запад-восток)
САС	12 лет
Стабилизация	трехосная
Мощность, потребляемая ретранслятором	4200 Вт
Масса полезной нагрузки	590 кг
Масса спутника	2600 кг

На рис.5 изображены зоны обслуживания спутника Экспресс-АМ22, Ku-диапазон, луч WE(взято с сайта http://www.rsсс.ru/).

Рис.5

Возьмем произвольно 4 крайних точки на зоне обслуживания спутника Экпресс-АМ22:

Номер точки	Долгота	Широта
1	25	75
2	83	45
3	47	24
4	-17	48

рад

рад

рад

рад

рад

рад

рад

рад

долготы крайних точек в радианах:

широты крайних точек в радианах:

км



Далее точки 1...4 наносят на проекцию с координатами и . Вокруг этих точек описывают эллипс возможно меньшего размера. Можно считать, что этот эллипс является границей ЗО «видимой» со спутника, а его оси и , выраженные в градусах, численно равны ширине ДН антенны КС по уровню половинной мощности в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. и определяются графически из рис.6 и соответствуют ДН антенны ( х ), необходимой для охвата заданной ЗО.

град ; град

Расcчитаем коэффициент усиления антенны КС Gакс и мощность передатчика КС Pпд:

(4)

(из Регламента)

Теперь с помощью программы ZONA определим зону покрытия геостационарного спутника Экспресс-АМ22:

Рис.7

Рис.8



3. Расчет геометрических соотношений

В пределах ЗО размещаем четыре произвольных ЗС. Пусть это будут ЗС в городах:

· Париж (48° с.ш. 2° в.д.)

· Москва (55° с.ш. 37° в.д)

· Екатеринбург (56°с.ш. 60° в.д.)

· Анкара (38° с.ш. 23° в.д.)

Далее для каждой рассчитаем:

1) наклонную дальность (расстояние между точкой расположения ЗС и точкой расположения спутника)

, км (5)

2) угол места (угол между касательной к земной поверхности и направлением на спутник)

,град (6)

- где - центральный угол - образованный лучами, проведенными из центра Земли, между направлением на ЗС и направлением на подспутниковую точку

,град (7)

3) азимут (угол отсчитываемый в горизонтальной плоскости по часовой стрелке между направлением на Северный полюс и проекцией направления на КС, опущенную на плоскость, касательную к поверхности Земли.)

Для ЗС находящейся в серном полушарии:

при (8)

Результаты расчетов заносятся в таблицу.

Результаты расчетов геометрических параметров ЗС ССС:

Расположение ЗС	Дл, град	l, км	г1, град	г2, град	d, км	д, град	в, град	A, град
ЗС1, Париж	-51	39612	-4.59	6.9	39893	65.4	16.6	120
ЗС2, Москва	-16	38690	-1.72	7.5	39041	57.3	24.65	157
ЗС3,Екатеринбург	7	38629	0.57	8.03	38991	56.8	25.7	166
ЗС4, Анкара	-30	37860	-44.7	5.7	38063	46.4	36.7	138

ХЗС - Париж, ЛЗС - Анкара, следовательно, для них и будем производить дальнейший расчет.



4. Определение необходимой полосы частот и требуемого отношения несущая/шум

Определим ствол КС Экспресс-АМ22 и его полосу пропускания. Я выбрала группу транспондеров, с полосой 54МГц.

Для начала найдем символьную скорость:

, (9)

где - данный коэффициент скругления (0.35).

(10)

Найдем информационную скорость:

(11)

(из таблицы П.1 методических указаний).

Далее в соответствии с заданием рассчитаем отношение несущая-шум для коэффициента ошибки Кош=10^-7, что соответствует условиям отсутствия осадков, иначе говоря «ясное небо», и является достоверным в период готовности в течение более 10% любого времени.

При проектировании следует иметь в виду, что на выходе приемной ЗС помимо полезного сигнала и теплового шума могут присутствовать также мешающие сигналы от других систем связи и интермодуляционные шумы, возникающие в передатчиках КС и ЗС, работающих в многосигнальном режиме. Следовательно, учтем эти помехи.

Согласно методическим указаниям запасdon выбирается в пределах 1..2 дБ. Возьмем дБ.

h=4.03 дБ - отношение энергии бита к СПМ шума

Требуемое отношение получим (12)

дБ

(13)

(14)

Чтобы обеспечить требуемое отношение в конце СЛС, состоящей из двух участков, на каждом оно должно обеспечиваться должно с запасом:

· участок «вверх»

· участок «вниз»

На участке «вверх» энергетический потенциал обеспечить легко, поэтому коэффициент энергетического запаса а на этом участке выбирают больше а=5…10, а на участке «вниз»

коэффициент энергетического запаса b рассчитывают:

b=a/(a-1). (15)

Возьмем а=10

b=a/(a-1)=1.11

Теперь рассчитаем заданное отношение по участкам:

· «вверх» (16)

· «вниз» (17)

Коэф. ошибок	, дБ	, дБ	, дБГц	, дБГц	, дБГц
	5.53	6	83.3	93.3	83.75
Bинф=60 Мбит/с; R = 3/4; ; a = 10; b = 1.11



5. Распределение ресурсов ретранслятора. План частот

Ресурсами ретранслятора, разделяемыми между ЗС при многостанционном доступе, являются полоса пропускания ствола , максимальная мощность передатчика в односигнальном режиме и время работы.

Количество несущих n =1, к.т. используется прямой канал связи. .

Построим частотный план для прямого канала линии «вверх»:

Рис.9

Построим частотный план для прямого канала линии «вниз»:

Рис.10



Рассчитаем мощность передатчика КС, отводимую одной несущей при МДЧР, пропорциональна занимаемой части полосы ствола:

, (18)

где -коэффициент недоиспользования выходной мощности и согласно методическим указаниям обычно берется = 2…5, возьмем 2.

=114.82 Вт - мощность передатчика, посчитанная в первом пункте.

= n=1 (т.к. используется прямой канал связи).

= 57.41 Вт.



6. Энергетический расчет

Цель энергетического расчета - определение основных параметров ЗС (добротности, ЭИИМ, диаметра антенны, мощности передатчика, эквивалентной шумовой температуры), обеспечивающих требуемый коэффициент ошибки Кош=10^-7 для «ясного неба». Должны соблюдаться ограничения на допустимую величину ППМ, создаваемую КС у поверхности Земли.

Расчёт начинают с определения ослабления сигналов на участка "вверх" и "вниз" как в условиях «ясного неба» (отсутствия дождя), так и при дожде заданной интенсивности. Для участка «вверх» расчёт будем производить для ЛЗС, для участка «вниз» - для ХЗС.

6.1 Расчет общего ослабления энергии радиоволн на каждом участке

L_P =L₀ + L_ДОП (19)

Здесь L₀ - ослабление сигнала в свободном пространстве:

L₀ = 20lg(4d/), дБ (20)

d - наклонная дальность до станции;

= с / f - длина волны , с = 310⁸ м/с - скорость света

Канал «вверх»:

d1=3806310³ м (г.Анкара - ЛЗС)

f1=13781.2510⁶ Гц

=0.022 м

По формуле (20):

=206.74 дБ

Найдем Lдоп(дополнительные потери энергии):

, (21)

где = 0 т.к. расчеты идут в условиях «ясное небо» (потери в осадках)

=0.16 дБ - потери в спокойной атмосфере, найдено в таблице методических указаний.

=0.2 дБ - потери из-за неточности наведения антенн, выбирается в пределе 0.15…0.3

=0.3 дБ - поляризационные потери, выбирается от 0.2…0.5 дБ

Дополнительные потери энергии при условии «ясное небо»:

=0.66 дБ по (21)

Находим полное ослабление канала «вверх» при условии «ясное небо»:

= 207.4 дБ по (19)

Далее рассчитываем потери в дожде:

1) Для этого определим эффективную высоту дождевой зоны:

Т.к. ЛЗС(Анкара) находится 38°с. ш. 23° в. д. =38°>23° , тогда по Методическим указаниям следует:

= 3.88 км

2) Определим путь сигнала в дожде:

, (22)



где -высота над уровнем моря ( 0.89км ),- угол места ( 36.7 град=0.64 рад )

4.98 км

3) Рассчитаем горизонтальную проекцию:

(23)

6.23 км

4) Определим дождевую климатическую зону, в которую попадает ЦЗС:

Из рисунка 2.6.1 методического указания ЦЗС находится в F зоне, следовательно =28 мм/ч

5)Рассчитаем коэффициент уменьшения:

, (24)

где -опорное расстояние и равно:

(25)

=23 км

следовательно

=0.79 км

6) Удельное затухание сигнала в дожде:

, (26)

где коэффициенты и рассчитываются:

(27)

(28)

- угол места (0.64 рад)

- угол наклона плоскости поляризации к горизонту (=90 град = 2.83 рад, т.к. используется вертикальная поляризация)

Коэффициенты , ,,выбираем из таблицы 2.6.3 Методического указания

=0.031, =0.0279, =1.196, =1.176

=0.058

=0.57

=0.39 дБ/км

7) Потери в дожде, превышаемые в течении не более чем 0.01% года:

(29)

= 1.53 дБ

8)Величина потерь в дожде, которая превышается для другого процента времени года в диапазоне 0.001…1%:

(30)

, (31)

где =0.2% при Кош=>10^-3

=0.047 %

=0.82 дБ

Теперь мы можем посчитать общее ослабление энергии радиоволн канала «вверх» при условии «дождь»:

(32)

1.48 дБ

И по (19) определим общее ослабление:

208.22 дБ

Канал «вниз»:

d2=3989310³ м (г.Париж - ХЗС)

f2=12531.2510⁶ Гц

=0.024 м

(33)

(где = 0 т.к. расчеты идут в условиях «ясное небо» (потери в осадках)

=0.25 дБ - потери в спокойной атмосфере, найдено в таблице

=0.2 дБ - потери из-за неточности наведения антенн, выбирается в пределе 0.15…0.3

=0.3 дБ - поляризационные потери, выбирается от 0.2…0.5 дБ

Общее ослабление при условии «ясное небо»:

=0.75 дБ

Согласно (20)



=206.4 дБ

=207.15 дБ

Далее рассчитываем потери в дожде:

1) Для этого определим эффективную высоту дождевой зоны:

Т.к. ХЗС ( Париж ) находится 48°с. ш. 2° в. д. =48°>23° , тогда по Методическим указаниям следует:

= 3.13 км

2) Определим путь сигнала в дожде:

По формуле (22):

-высота над уровнем моря ( 0.075км );

- угол места ( 16.6 град=0.29 рад )

10.53 км

3) Рассчитаем горизонтальную проекцию по (23):

=10.97 км

4) Определим дождевую климатическую зону, в которую попадает ХЗС:

Из рисунка 2.6.1 методического указания ХЗС находится в H зоне, следовательно, =32 мм/ч

5)Рассчитаем коэффициент уменьшения по формуле (24):

Для этого вычислим по (25) 21.66 км ,

Следовательно =0.66 км

6) Удельное затухание сигнала в дожде по формуле (26):

Кэффициенты и рассчитываются по формулам (27),(28);

=0.29 рад;

=0 град = 0 рад, т.к. используется горизонтальная поляризация.

Коэффициенты , ,,выбираем из таблицы 2.6.3 Методического указания

=0.0248, =0.0224, =1.175, =1.152

=0.026

=1.15

=1.4 дБ/км

7) Потери в дожде, превышаемые в течении не более чем 0.01% года по формуле (29):

= 1.53 = 9.73 дБ

8) Величина потерь в дожде, которая превышается для другого процента времени года в диапазоне 0.001…1%:

По (31),учитывая,что =0.2% при Кош=>10^-3

=0.047 %

По формуле (30):

=5.23 дБ

Общее ослабление энергии радиоволн канала «вниз» при условии «дождь»:

, дБ (34)

Результаты расчетов запишем в таблицу:

; ;
Линия “вверх”: f = 13.78125 ГГц; ;	Ясное небо	-	207.4
	Дождь	0.82	208.22
Линия “вниз”: f = 12.53125 ГГц; ;	Ясное небо	-	207.15
	Дождь	5.23	212.38

6.2 Определение обобщенных энергетических параметров ЗС и КС

Из регламента спутника Экспресс-АМ22 следует, что:

Добротность:

G/Tкс=+4 дБ/К

g_пд.кс = g_пм.кс = 29.4 дБ - рассчитанный коэффициент усиления антенны КС

р_{Э КС} = 50 дБВт - ЭИИМ_max

Рассчитаем ЭИИМ КС в направлении на ХЗС в расчете на одну несущую:

(35)

= 3 дБ, т. к. ХЗС находится на краю ЗО,

-т.к. работаем в прямом канале,

- т.к. рассчитываем одну несущую

=47 дБВт

Рассчитаем ППМ несущей на выходе КС, необходимая для достижения этой мощности:

(36)

= -80 дБВт/м² - ППМ насыщения на входе приемной антенны;

= 3 дБ - разность между ЭИИМ в центре ЗО и в направлении ХЗС;

= +2 дБ=0+2=2дБ - коэф. недоиспользования ретранслятора;

- т.к. рассчитываем одну несущую;

= - 79 дБВт/м²

Расчет требуемой для одной несущей ЭИИМ, излучаемой ЗС при условии «ясное небо»:

(37)

84.27 дБВт

Расчет требуемой для одной несущей ЭИИМ, излучаемой ЗС при условии «дождь»:

(38)

Далее рассчитаем

(39)

(13.78125=101.63 дБ

Результат сравним с допустимым: это значение превышает допустимое, следовательно расчет ЭИИМ ЗС окончен.

Требуемое значение добротности ХЗС рассчитывается из условия обеспечения на линии «вниз»:



(40)

= 83.75 дБГц - рассчитанное отношение (3 пункт, по (17))

=15.3 дБ/К - «ясное небо»

(41)

20.53 дБ/К - «дождь»

Затем определим суммарную шумовую температуру ХЗС, приведенную к облучателю приемной антенны:

(42)

=290 К

=60 К - ЭШТ (эквивалентная шумовая температура) приемника ХЗС, задано в методическом указании для диапазона Кu.

=0.5 - ослабление сигнала в антенно-фидерном тракте ХЗС(взято из мет.указ.)

Шумовая температура антенны ХЗС:

(43)

- ЭШТ космического излучения (можно пренебречь, т.к. диапазон частот выше 4ГГц)

с=0.3 -коэффициент учитывающий интегральный уровень боковых лепестков приемной антенны ЗС (с=0.2…0.4)

ЭШТ атмосферы:



(44)

=260 К - яркостная температура спокойной атмосферы.

А= - для «ясного неба»

Используя (44),(43),(42):

18.2 К

105.2 К

207.2 К

- для ХЗС «дождь»

=187.2 К

=274.2 К

=376.2 К

Диаметр антенны ХЗС и мощность передатчика:

Рассчитаем коэффициенты усиления антенны для каналов «вниз» и «вверх».

(45)

= 15.3 дБ/К (вычислено по (40))

Для «ясного неба»:

38.5 дБ

Для «дождя»:

46.28 дБ

, считаем диаметр для большего значения.

(46)

1.89 м

(47)

Найдем параметры передающей антенны ЗС. Коэффициент усиления передающей антенны ЗС обычно находится в пределах 40…60 дБ. Наиболее оптимальным при заданных условиях будет коэффициент усиления 52 дБ. Диаметр антенны определяется:

=

3.3 м -для ЛЗС

Уровень и мощность одной несущей на выходе передатчика ЛЗС

при «ясном небе»:

(48)

= 0.5 дБ - ослабление сигнала в антенно-фидерном тракте (0.5…2)

=32.77 дБВт =1892.34 Вт

при «дожде»:

(49)

32.77 дБВт=2285.6 Вт

Проверка уровня ППМ КС у поверхности Земли:

(50)

-длина волны на линии «вниз»

Пк=410³ Гц - данные методического указания.

Пш=1.1Пств

= -163.7 дБВт/м²

так как 5⁰ < в <= 25⁰, то W = -148+0.5(в-5)=-142.2 дБВт/м² , следовательно ППМ не превышает допустимое значение. Расчеты выполнены верно.



7. Построение диаграммы уровней

Участок «вверх»:

Определим уровень мощности сигнала на входе приемника КС:

=-111.85 дБВт

Уровень мощности шума на входе приемника КС:

=761.85 К

где ==290К, =0.5 дБ, = - G/=25.4-4=25 дБ/К=389 К

=-122.04 дБВт

= 10.19 дБ

Участок «вниз»:

Определим уровень мощности сигнала на входе приемника КС:

=-116.28дБВт

Уровень мощности шума на входе приемника ЗС:

=-127.7 дБВт

=5.66 дБ

Линия “вверх”:

Точка 1 - p_{1 цзсд} = 33.59 дБВт

Точка 2 - p_{1 цзсд} - а_{Ф пд.цзс} = 25.2 - 0.5 = 33.09 дБВт

Точка 3 - p_э.1цзс = p_{1 цзсд} - а_{Ф пд.цзс} + g_пд.цзс = 33.09 + 52 = 85.09 дБВт

Точка 4 - p_{1 цзсд} - а_{Ф пд.цзс} + g_пд.цзс - Lpд^ = 85.09 - 208.22 = -123.13 дБВт

Точка 5 - p_{1 цзсд} - а_{Ф пд.цзс} + g_пд.цзс - Lpд^ + g_пм.кс = -123.13 + 29.4 = -93.73 дБВт

Точка 6 - p_{1 цзсд} - а_{Ф пд.цзс} + g_пд.цзс - Lpд^ + g_пм.кс - а_{Ф пм.кс} = -93.73 - 0.5 = -94.23 дБВт = P_с.вх.кс

Линия “вниз”:

Точка 7 - p_{1 кс} - 3 = 20.6 - 3 = 17.6 дБВт - вычитаем 3дБ т.к. ХЗС находится на краю ЗО

Точка 8 - p_{1 кс} - а_{Ф пд.кс} = 17.6 - 0.5 = 17.1 дБВт

Точка 9 - p_э.1кс = p_{1 кс} - а_{Ф пд.кс} + g_пд.кс = 17.1 + 29.4 = 46.5 дБВт

Точка 10 - p_{1 кс} - а_{Ф пд.кс} + g_пд.кс - Lpдv = 46.5 - 212.38 = -165.88 дБВт

Точка 11 - p_{1 кс} - а_{Ф пд.кс} + g_пд.кс - Lpдv + g_пм.хзс = -165.88 + 47.1 = -118.78 дБВт

Точка 12 - p_{1 кс} - а_{Ф пд.кс} + g_пд.кс - Lpдv + g_пм.хзс - a_{ф.пм.хзс} = -118.78 - 0.5 = -119.28 дБВт = P_{с.вх.хзс}



8. Структурная схема земной станции VSAT

Рис.12

BUC - выносной блок преобразователя частоты «вверх» (передатчик); LNB - малошумящий блок (приёмник); IDU - блок внутренней установки; WA1 - зеркало антенны; W1- облучатель с поляризационным селектором; Z1- режекторный фильтр на частоту передатчика; A1- малошумящий усилитель; U1- преобразователь частоты СВЧ-ПЧ; G2- гетеродин приёмника; A2- усилитель первой ПЧ; Z2, Z4 - фильтры разделения сигнала ПЧ и напряжения питания приёмника; A3- усилитель мощности передатчика; DD1- устройство управления частотой и мощностью сигнала передатчика; U2- преобразователь частоты ПЧ-СВЧ; G1- гетеродин передатчика; Z3, Z5- фильтры разделения сигналов ПЧ, управления и питания передатчика; UR1 - модулятор; UB1 - демодулятор; G3, G5 - генераторы несущей модулятора и демодулятора; G4 - блок питания; G6 - источник бесперебойного питания; DD2 - блок центрального процессора; DD3, DD4 - интерфейсы



Список литературы

1. Учебное пособие «Проектирование цифровых систем спутниковой связи». И.Ю.Сухорукова, С.С.Тарасов. Москва 2012

2. Рекомендации МСЭ-Р S725-0, S726-1, S727-2, S728-1, S729-0. Технические характеристики VSAT.

3. Рекомендация МСЭ-Р S.614-4. Допустимые показатели качества по ошибкам.

4. Рекомендации МСЭ-Р P-618-9, P-837-5, P-838-3, P-841-4. Расчёт дополнительного ослабления сигнала в атмосфере.

5. http://vsatinfo.ru/

6. http://www.sat-digest.com/doc/AM22.pdf (Технические характеристики Экспресс-АМ22)

Размещено на Allbest.ru

...