3.2 Уравнения связи для двух участков
Эквивалентная изотропно-излучаемая мощность (ЭИИМ) передающей станции
Е=РперŋперGпер (1)
где Рпер — эффективная мощность сигнала на выходе передатчика;
ŋпер — коэффициент передачи (по мощности) волноводного тракта;
(КПД волноводного тракта) между передатчиком и антенной;
Gпер — 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*10б =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 Lдоп, которые будут вычислены в последующих пунктах; полное значение потерь на трассе L∑=L0 Lдоп.
Когда параметры антенны заданы в виде эффективной площади ее аппаратуры Sпр, связанной с коэффициентом усиления соотношением [1].
Gпр= 4πS пр / λ 2 ,
Рпер = 4 πd2LдопРпр/GперSпрŋперŋпр (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 Lдоп 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 (Рс/Рш)вх, тогда в формулу (4) следует подставить Рпр = Рш (Рс/Рш)вх,где Рш — 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.
Рш = кТΣΔFш (5)
где к = 1,38 * 10 -²³ Вт/Гц*град — постоянная Больцмана;
ТΣ — эквивалентная шумовая температура всей приемной системы с учетом внутренних и внешних шумов;
ΔFш — 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:
Рпер=(16π2d12L1допРш.б/λ12Gпер.з.Gпр.б.ŋпер.з.ŋпр.б.)(Рс/Рш)вх.б,
где Рш.б.=кТ∑бΔfш.б.;
для участка спутник — Земля:
Рпер б=(16π2d22L2допРш.з/λ22Gпер.б.Gпр.з.ŋпер.б.ŋпр.з.)(Рс/Рш)вх.з,
где Рш.з.=кТ∑зΔfш.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.
(Рш/Рс) ∑ = (Рш/Рс)вх.б + (Рш/Рс)вх.з. (6)
Очевидно, что отношение сигнал-шум на каждом из участков должно быть выше, чем на конце линии:
(Рс/Рш)вх.б=а(Рс/Рш) ∑, (Рс/Рш)вх.з, = b (Рс / Рш ) ∑ , (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 (Рс/Рш)∑; 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 Δfш.з< Δfш.б, то мощность шума на входе бортового приемника следует вычислять в полосе Δfш.з.
С учетом изложенного уравнения для линии спутниковой связи, состоящей из двух участков, окончательно примут вид [3]:
для участка Земля — спутник
Pпер.з.=(16π2d12L1допкТ∑б.Δfш.з//λ12Gпер.з.Gпр.б.ŋпер.з.ŋпр.б.)а(Рс/Рш) ∑, (9)
для участка спутник — Земля
Pпер.б.=(16π2d22L2допкТ∑б.Δfш.з//λ22Gпер.б.Gпр.з.ŋпер.б.ŋпр.з.)b(Рс/Рш)∑, (10)
4 Прохождение сигналов в системах космической связи
На распространение радиоволн на линиях Земля — космос (или космос — Земля) заметное влияние оказывает атмосфера Земли — как ионосфера, так и тропосфера. Это влияние особенно заметно на частотах от 10 ГГц и выше, а также при малых углах прихода волны (малых углах места антенны земной станции)[4].
Влияние ионосферы может проявляться в поглощении энергии, дисперсии сигнала, т. е. неравномерном времени задержки в полосе, «мерцании» сигнала, вызванном рассеянием локальными нерегулярностями концентрации электронов, вращении плоскости поляризации линейно поляризованной волны (фарадеево вращение). Все эти эффекты обратно пропорциональны квадрату частоты сигнала, а дисперсия — кубу частоты. Поэтому космические службы, работающие на частотах выше 1 ГГц, могут не учитывать влияние ионосферы, за исключением вращения плоскости поляризации.
Изменение вращения носит регулярный характер, подчиняющийся суточному и сезонному ходу, циклам солнечной активности, а также подвержено значительным и непредсказуемым отклонениям от регулярного хода в малых процентах времени. Максимальная амплитуда вращения на частоте 1 ГГц может достигать 108° при угле места 30°, а на частотах 4,6 и 1,2 ГГц максимальные амплитуды достигали 9, 4 и 1° соответственно [5]. Применение круговой поляризации волны, как и в нашем случае позволяет полностью устранить влияние этого явления.
Изменения уровня сигнала могут быть вызваны интерференцией прямой волны и волны, отраженной от земной поверхности
|
Рисунок 4.Интерференция прямой волны и волны, отраженной от земной поверхности |
Влияние тропосферы на распространение радиоволн на линиях Земля — Космос может проявляться во многих явлениях.
Изменения индекса рефракции в тропосфере и его нерегулярности могут вызывать дефокусировку луча антенны, изменения угла прихода волны, уменьшение эффективного усиления антенн, возникновение многолучевой структуры сигнала и «мерцание». Дефокусировка луча вызывает потери сигнала менее 0,4 дБ даже при угле места 3° и больших изменениях рефракции. По данным измерений изменения угла прихода волны, вызванные рефракцией, составляли около 0,65°, 0,35°. и 0,25° при углах места 1°, 3° и 5° соответственно в морской тропической атмосфере. В полярном континентном климате соответствующие значения были 0,44°; 0,25° и 0,17° [4]. С этим явлением можно не считаться, поскольку антенны земных станций обычно снабжены устройствами автоматического или ручного наведения по максимуму сигнала.
Явления многолучевости и «мерцания» сигнала не могут оказывать сколько-нибудь существенного влияния на его уровень и поэтому не учитываются. Наиболее существенное влияние тропосферы проявляется в поглощении энергии радиоволн в газах атмосферы, поглощении и деполяризации волны в гидрометеорах, особенно в дожде.
4.1 Расчет ослабления уровня сигнала в атмосфере
Основное поглощение энергии сигнала вызывают кислород и водяной пар. На рисунке 5 показаны теоретические зависимости погонного ослабления уровня сигнала у, дБ/км, от частоты при стандартном давлении воздуха, температуре 20°С и концентрации р водяного пара 7,5 г/м3.
На линиях связи Земля — космос волна проходит через всю толщу тропосферы, и на ее пути содержание кислорода и водяного пара существенно меняется, поэтому для расчета ослабления сигнала применяется концепция эквивалентной высоты кислорода и водяного пара, в пределах которой их содержание принимается постоянным.
Рисунок 5. - Зависимости погонного ослабления уровня сигналов от частоты при стандартном давлении воздуха, температуре 20° С и концентрации водяного пара 7,5 г/м3
Величина ослабления сигнала Аа, дБ, определяется следующими формулами
[5]:
Аа=(һо2γо2+һн2оγ2о)/sin Ө при Ө>10 (11)
Aa=√Re cosӨ{γHо2√ho2Fo2+ γHо2√hH2oFh2o} при 0<Ө<10, (12)
где Ө—угол места антенны земной станции;
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12
