Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

Федеральное агентство по образованию

Ульяновский государственный технический университет

Кафедра Радиотехника

Дисциплина: Системы спутникового телевидения и связи

Пояснительная записка к курсовой работе

Тема: «Спутниковая система связи»

Выполнил:

студент гр. РТд - 51

Емельянов А.А.

Ульяновск 2012г.

Содержание

• Введение
• 1. Разработка структурной схемы и описание работы системы спутниковой связи
• 1.1 Разработка структурной схемы и описание работы наземных приёмно-передающих станций5
• 1.2 Разработка структурной схемы и описание работы ИСЗ
• 2. Расчётная часть
• 2.1 Принимаемая антенной мощность
• 2.2 Ширина ДН антенн
• Заключение
• Список литературы

Введение

• Спутниковая связь широко распространена в мире и используется для создания международных и национальных сетей связи, передачи данных на основе малых земных станций, установленных непосредственно у потребителя, многопрограммного телевизионного вещания с индивидуальным приемом.
• Вообще, системы спутниковой связи дороже наземных. Необходимо подчеркнуть, что проблема спутниковой связи и вещания имеет несколько важных аспектов. В первую очередь-технический аспект, который предусматривает создание и вывод на орбиту многоствольных спутников-ретрансляторов с узконаправленными антеннами, создание земных передающих пунктов, производство простых приемных устройств массового пользования. Решение таких технических задач требует применения самых современных технологий и средств космической техники.
• Важную роль играет экономический аспект. Поскольку средства связи и вещания являются массовыми и в зависимости от размеров зоны обслуживания могут содержать миллионы наземных приемных устройств. Поэтому важное значение придается экономической оптимизации, которая позволяет сделать земные средства связи и распределения телевизионных программ наиболее эффективными и недорогими и таким образом снизить затраты на создание всей системы.

Третий аспект-международный. При создании практически любой национальной системы спутниковой связи (вещания) не удается локализовать ее деятельность только внутри зоны обслуживания. Наиболее важна и необходима международная координация спутниковых систем, которая предусматривает четко спланированное использование геостационарной орбиты и регламентация ряда параметров искусственных спутников Земли (ИСЗ) и земных станций, которые влияют на электромагнитную совместимость с другими службами и системами.

Курсовая работа состоит из двух частей. В первой части разработана структурная схема ССС и описан принцип ее работы. Чертеж схемы в приложении к пояснительной записке.

• Во второй части произведен расчет мощности сигналов, принимаемые на параболическую и рупорную антенны.

1. Разработка структурной схемы и описание работы системы спутниковой связи

В радиосистемах с множественным доступом существуют следующие методы формирования группового канала и его распределения:

-централизованный метод;

-независимый метод.

Рис.1.Централизованный метод формирования группового канала

Рис.2.Независимый метод формирования группового канала

ИИ-источник информации

ПИ -потребитель информации

ЦПРД-центральный передатчик

ЦПРМ- центральный приемник

ПРД-индивидуальный (канальный) передатчик

ПРМ- индивидуальный (канальный) приемник

Первый методприменяется тогда, когда абоненты размещены в непосредственной близости один от другого и групповой сигнал U_е(t) формируется в центральном передатчике(ЦПРД), из которого он поступает в канал. Центральный приемник(ЦПРМ) обеспечивает выделение сообщений и распределение их между абонентами. Такая система представляет собой многоканальную систему передачи информации.

В системах снезависимымформированием каналов каждому абоненту выделяется отдельный передатчик и приемник. Соответсвенно сообщению S_i(t) от i-го абонента на выходе отдельного передатчика ПРД_іформируется отдельный сигнал U_i(t). Сигналы из выхода отдельных передатчиков складываются непосредственно в среде (радиоканале) распространение радиоволн. Там образовывается суммарный сигнал:

Приемник ПРМ_івыделяет только тот канальный сигнал, на частоту которого он настроен. С учетом препятствий p_i(t) на выходе приемника формируется сигнал:

Системы с независимым формированием каналов представляютсобой систему с множественным(групповым) доступом, которые используются в современных системах мобильной радиотелефонной связи общего пользования больших и малых зон обслуживания.

В системах с множественным доступом все каналы(несущие частоты) или закрепляются за отдельными абонентами(когда количество абонентовN_абменьше числа доступных каналовV_к), или распределяются и закрепляются за абонентами на время сеанса связи( когдаN_аб>>V_к).

Можно выделить три метода разделения сигналов в многоканальных системах - по частоте, времени и форме. В многостанционных системах аналогичные методы разделения называют соответственно многостанционным доступом с частотным разделением (МДЧР), временным разделением (МДВР) и кодовым разделением (МДКР).

1.1 Разработка структурной схемы и описание работы наземных приёмно-передающих станций

Согласно техническому заданию нам необходимо реализовать в наземных станциях временное разделение каналов, с дельта_модуляцией сигналов от каждого источника сообщений в передающей станции. Число источников сообщений в каждой станции N_ИСТ=3, а число приёмо-передающих станцийN_СТ=3.

Дельта - модуляция (-модуляцией) - (ДМд). В системах с ДМд число уровней квантования равно двум (бинарное квантование). Это возможно при большой частоте дискретизации и, следовательно, большой корреляции между отсчетами.

Квантованный сигнал на выходе ДМд (рис. 3) можно представить в виде:

Рис.3.



Из формулы видно, что сигнал несет информацию только о знаке сигнала ошибки предсказания. Если , то и , и, наоборот, если , то и . Сигнал формируется в результате суммирования всех предыдущих квантованных сигналов .

Вид квантованного сигнала на выходе интегратора и символы показаны на (рис. 4).

Рис. 4.

В канал связи сигнал передается в двоичной системе символами «1» и «0». Если , в канал идет символ «1», если , в канал идет символ «0»

На приемном конце при демодуляции ступенчатая функция формируется интегратором с помощью принятой знакопеременной функции , аналогично, как и на передаче с шагом квантования . Ступенчатая функция после сглаживания в фильтре преобразуется в сообщение .

Шум квантования определяется шагом квантования , чем меньше шаг квантования, тем меньше шум квантования. В каждом отсчете его величина составляет .

Система с ДМд имеет более высокую частоту следования отсчетов по сравнению с системами ИКМ и ДИКМ и на каждый отсчет приходится один импульс, а при ИКМ - n импульсов (в зависимости от числа уровней квантования).

Итак, частота следования отсчетов в ДМд по сравнению с ИКМ, при одной и той же верности передачи в «n» раз больше. В итоге частота следования импульсов в системах ДМд и ИКМ одинакова. По помехозащищенности обе системы примерно равны, но ДМд более проста в реализации.

В многоканальных системах с ВРК канальные сигналы не перекрываются во времени, что обеспечивает их ортогональность. Канальные сигналы имеют общую полосу частот и динамический диапазон (форму сигнала).

Поднесущими канальными колебаниями в первой ступени модуляции являются ортогональные по времени импульсные последовательности. Частота этих последовательностей определяется теоремой Котельникова ., где - максимальная частота спектра передаваемого сообщения.

Для стандартного канала тональной частоты (КТЧ) с эффективно передаваемой полосой частот (ЭППЧ) .Тогда . Согласно требованиям МККР и Т вводится запас на качество ТЛФ канала и установлена тактовая частота не 6.8 кГц, а 8 кГц. Тактовый интервал . За это время в каждом канале многоканальной системы происходит дискретно (импульсно) передача непрерывной информации. На оси времени распределение канальных импульсов для 24 канальной системы можно представить на (рис. 5).



Рис.5.

Межканальный временной интервал составляет:

Канальные поднесущие импульсные последовательности берутся через одинаковый интервал, но с таким сдвигом во времени, что бы не пересекались. Длительность канальных импульсов на уровне амплитудного значения составляет . Девиация канальных импульсов при модуляции не превышает, что обеспечивает минимальные переходные помехи. Модуляция канальных импульсов на (рис. 5) показана стрелками.

Первый канальный импульс в тактовом периоде является маркерным. Он принадлежит каналу синхронизации. Маркерный импульс имеет особую форму, передается вместе с канальными импульсами. Он несет «информацию» о времени начала цикла (такта) и будучи принятым, заставляет работать канальные распределители импульсной последовательности приемной части синфазно с канальным распределителем передающей части корреспондента. Это обеспечивает временное соответствие принятых канальных импульсов и передаваемых канальных импульсов корреспондента. Структурная схема радиосистемы представлена на рис. 6.

ГТИ - генератор тактовых импульсов.

РКИ - распределитель канальных импульсов.



Рис. 6.

ФС - формирователь синхросигнала.

ВС - выделитель синхросигнала.

ЭК - электронный коммутатор.

ДМ - дельта модулятор.

ДД - дельта демодулятор.

Сформированный сигнал в ФС объединяется вместе с канальными последовательностями, и подаются на передатчик.

Принятый групповой радиосигнал в групповом демодуляторе преобразуется в групповую импульсную видеопоследовательность и поступает одновременно на входы выделителя синхросигнала и канальные электронные коммутаторы.

Процесс временного разделения производится в два этапа. На первом - этапе вхождения системы в синхронизм происходят поиск, обнаружение и выделение сигналов синхронизации, после чего запускается распределитель канальных коммутирующих импульсов.

Распределитель формирует на своих выходах импульсы требуемой длительности и такой очередности, при которой в каждый канальный интервал открывается лишь один электронный коммутатор соответствующего канала.

На втором этапе производится демодуляция каждого канального импульса, после чего сигналы принимаемых каналов подаются к получателям аналоговой информации.

1.2 Разработка структурной схемы и описание работы ИСЗ

Большинство национальных и региональных систем и сетей спутниковой связи и вещания космических станций, как правило, содержит ИСЗ (или несколько) находящийся в постоянной работе, и резервный спутник (или несколько), находящийся в той же (или соседней) орбитальной позиции.

ИСЗ состоит из космической платформы и полезной нагрузки. Общая масса спутника в 2500...3000 кг, в то время как масса полезной нагрузки составляет 450...500 кг. Конфигурация геостационарных спутников тесно связана с радиотехническими и конструктивными параметрами полезной нагрузки.

Конструкция ИСЗ должна выдерживать статические и динамические нагрузки, возникающие при запуске ракеты-носителя, при включении апогейного двигателя, и различного рода орбитальные возмущения. Динамические нагрузки, вызываемые работой стартовой установки, очень велики и состоят из механических и акустических ударов и вибраций, связанных с работой двигателя и возникающих в процессе движения.

Обычно конструкция ИСЗ условно делится на две части: главную и вспомогательную (или обеспечивающую).

Главную конструкцию (корпус) на ИСЗ выполняют из легких алюминиевых сплавов. Она содержит простую оболочку цилиндрической или конической формы с рамой или ребрами жесткости, а также различные фасонные опоры и перекладины для ячеистых панелей солнечной батареи, плоскостей антенн и других устройств.

Вспомогательная конструкция (платформа) включает двигатели коррекции положения и стабилизации ИСЗ на орбите, резервуары с запасом топлива для них, систему терморегулирования и другие устройства, обеспечивающие нормальное функционирование ИСЗ на орбите.

К космической платформе предъявляется ряд требований: высокая степень удержания ИСЗ в заданной позиции на ГСО и устойчивость его положения; высокая точность наведения антенн; длительный срок службы на определенной орбитальной позиции; отвод (рассеяние) тепла, выделяемого полезной нагрузкой в свободное пространство; подвод электрической энергии от солнечных батарей к радиотехнической аппаратуре.

Система терморегулирования поддерживает температуру ИСЗ в пределах, подходящих для нормального функционирования аппаратуры. В космосе теплопередача происходит главным образом в результате излучения в вакуум. Для приборов ИСЗ она происходит через их конструктивную связь с внешними излучающими радиаторами, постоянная освещенность которых сильно ограничивает емкость теплопередачи.

Внешние источники тепловой энергии, воздействующие на ИСЗ,-- это тепловые излучения Солнца и Земли, а также отраженная от освещенной части Земли солнечная радиация. Эти воздействия имеют различные спектральные и геометрические характеристики и поэтому не одинаково поглощаются (воспринимаются) поверхностью спутника.

Кроме того, полезная нагрузка состоит, как правило, из подсистем с локализованным (сосредоточенным) тепловыделением, например мощные усилители на ЛБВ (лампа бегущей волны), клистронах и т. п.

Система терморегулирования на ИСЗ использует жесткозакрепленные оптические солнечные отражатели, специальные материалы для создания легких поверхностей с высокой теплопроводностью (бериллий, магний), методы специального теплового кондиционирования.

Система контроля положения ИСЗ необходима для удержания радиолуча антенны (или нескольких антенн) спутника на заданные районы Земли.

Процесс контроля положения ИСЗ на орбите включает в себя следующие процедуры: измерение положения спутника по датчикам: сравнение результатов измерения с требуемыми значениями; вычисление поправок, которые должны быть сделаны для уменьшения ошибок; введение этих поправок включением в работу соответствующих двигательных установок.

Решение задач терморегулирования в трудных условиях обеспечивают принятые специальные конструктивно-технологические меры, а именно: использование жесткозакрепленных оптических солнечных отражателей, специальных материалов для создания легких поверхностей с высокой теплопроводностью (бериллий, магний), методов специального теплового кондиционирования для южной и северной сторон, в некоторых случаях ЛБВ с коллектором прямого излучения и/или с помощью тепловых труб и ограничение температурных перепадов на антеннах путем использования специальных покрытий.

Основным элементом спутника является бортовой ретранслятор (БРТР) - радиотехническое приемопередающее устройство, устанавливаемое на ИСЗ и предназначенное для приема сигналов от передающей земной станции (одной или нескольких), их усиления и дальнейшей передачи в направлении приемной земной станции (одной или нескольких). Большинство спутников связи и вещания представляет собой многофункциональные устройства, содержащие по несколько трактов (или стволов), подключенных к нескольким антеннам.

Возможны следующие варианты построения схемы одного ствола с учетом характера преобразования принимаемого сигнала.

БРТР гетеродинного типа наиболее часто встречаются в практике спутниковой связи и вещания. Ширина полосы пропускания такого БРТР, как правило, не превышает 40...80 МГц, а основное усиление обеспечивается в тракте преобразования частоты (ПЧ), в ряде случаев выбираемой в пределах 70...120 МГц. В таком БРТР обычно два преобразования частоты: понижающее и повышающее.

БРТР с однократным преобразованием частоты (в литературе встречаются названия: линейный БРТР, БРТР прямого усиления). В нем только одно преобразование частоты принимаемого сигнала, в результате которого спектр сигнала переносится в область сигналов передаваемых на землю частот. Преимущество такой схемы - в её простоте и большей широкополосности. Ширина полосы пропускания может доходить до 80...120 МГц. Однако недостаток такой схемы - трудности технической реализации, связанные с необходимостью получения значительного усиления на одной из частот.

При типичных для большинства линий связи уровнях передаваемых и принимаемых сигналов потребуется реализовать в БРТР большое усиление (120 дБ ориентировочно), что затруднительно с точки зрения обеспечения устойчивости в работе.

БРТР с демодуляцией (или обработкой) сигнала на борту. Применялись, как правило, для передачи специальных видов информации. По мере развития систем спутниковой связи (переход к цифровым методам, обработка, сигналов на борту, изменение вида модуляции, коммутация сообщений по лучам и т. п.) такие схемы стали использовать и для обеспечения дуплексной связи через стационарные ИСЗ с детектированием (демодуляцией). Например, в случае работы цифровыми методами на борту нередко осуществляются детектирование принятых сигналов и их регенерация.

Конструкция БРТР должна обеспечивать самостоятельное и надежное функционирование в сложных условиях воздействия всей совокупности этих факторов в течение всего срока службы и удовлетворять следующим требованиям: минимально возможная масса при заданных требованиях надежности и энергетических показателей; оптимальная по условиям установки в ИСЗ форма для обеспечения минимальных нагрузок на ракету-носитель; оптимальное использование внутреннего пространства БРТР с целью обеспечения необходимых условий терморегулирования, удобного доступа к узлам и блокам и возможности замены блоков перед стартом; минимальное влияние динамических нагрузок неравномерности распределения масс в полете на другие системы ИСЗ, главным образом на системы ориентации и стабилизации; способность выдерживать различного рода вибрации, ускорения и удары, возникающие в процессе запуска и коррекции траектории, основным источником которых является работающий реактивный двигатель как самого космического аппарата, так и ракеты-носителя, частота вибраций от нескольких до тысяч герц; способность выдерживать резкое изменение температуры (+60...?150°С).

Как видно, к БРТР предъявляют довольно жесткие требования, часто противоречащие друг другу. Например, БРТР должны иметь минимальные массу и габаритные размеры, отличаться высокой надежностью и экономичностью и в то же время отдавать максимально возможную мощность, иметь высокую стабильность параметров в течение большого срока эксплуатации.

По указанным причинам исполнение аппаратуры БРТР имеет ряд существенных отличий от аналогичной аппаратуры, находящейся в наземных условиях. К ним относятся прежде всего использование специальных методов монтажа, методов напыления, т. е. использование специальной технологии в процессе изготовления.

Учитывая всё вышеизложенное, в проектируемой системе спутниковой связи будем использовать БРТР гетеродинного типа, его структурная схема представлена на рис. 6.

Рис. 6. БРТР гетеродинного типа

УПЧ - усилитель промежуточной частоты; МУ - мостовой усилитель;

Принятый антенной сигнал на частоте f_ПР поступает на вход БРТР, в смесителе частота f_ПР смешивается с частотой гетеродинаf_Г1, в итоге на выходе смесителя будем иметь разностную частотуf_ПЧ=f_ПР?f_Г1, т.е. осуществляется понижающее преобразование частоты. На частоте f_ПЧв усилителе промежуточной частоты (УПЧ) осуществляется основное усилие БРТР в заданной полосе частот. В следующем преобразователе осуществляется повышающее преобразование усиленного сигнала ПЧ в сигнал частоты передачиf_ПЕР=f_ПЧ+f_Г2, который после дополнительного усиления в выходном мощном каскаде мостового усилителя (МУ), собранном, как правило, на ЛБВ или клистроне, излучается в сторону Земли.

Таким образом данный БРТР сможет обеспечить уверенную ретрансляцию сигналов, получаемых с наземных станций.

ретранслятор сигнал антенна

2. Расчётная часть

2.1 Принимаемая антенной мощность

Принимаемая антенной мощность

- плотность потока падающей на антенну мощности внешнего электромагнитного поля;

G - коэффициент усиления антенны;

- ДН антенны;

- длина принимаемой ЭМ волны.

В антенне без потерь() и при условии приема падающего поля в направления максимума диаграммы направленности максимальное значение принимаемой мощности:

,

где - коэффициент направленного действия.

Пологая, что максимальная мощность, принимаемая антенной, собирается ею равномерно с некоторой части поверхности фронта падающей плоской волны, т.е. , где - эффективная поверхность антенны.

Для параболической антенны:

.

.

Для рупорной антенны:

2.2 Ширина ДН антенн

Ширина ДН антенн.

Параболическая антенна(антенна с равномерным амплитудным распределением):

.

Рупорная антенна.

Ширина ДН по половинной мощности в плоскостях E и H может быть рассчитана по следующим приближенным формулам(оптимальная длина рупора):

.

Заключение

В ходе выполнения курсовой работы были разработаны структурные схемы передающего и приёмного тракта наземных станций с ВРК и структурная схема бортового ретранслятора ИСЗ.

Были описаны особенности построения и характеристик систем многостанционного доступа с временным разделением каналов, а также бортового ретранслятора ИСЗ.

Был произведен расчет мощности сигналов, принимаемые на параболическую антенну и рупорную антенну.

В общем, разработка и использование спутниковых систем является весьма перспективной задачей. Данная курсовая работа позволила разобраться в общих чертах о способе проектирования спутниковых систем связи, а также закрепились знания об устройстве спутниковых систем.

Список литературы

1. К.К. Васильев, В.А. Глушков, А.В. Дормидонтов, А.Г. Нестеренко; под общ. ред. К.К. Васильева. Теория электрической связи: учебное пособие /- Ульяновск: УлГТУ, 2008. - 452 с.

2. Садомовский А.С. Радиосистемы передачи информации: Учебное пособие. - Ульяновск: УлГТУ, 2001.

3. Устройства СВЧ и антенны под ред. Д.И. Воскресенского. - М.: Радиотехника, 2006.

4. Системы спутниковой связи под ред. Л.Я. Кантора: Учеб. пособие для вузов. - М.: Радио и Связь, 1992.

Размещено на Allbest.ru

...