При расчете энергетических параметров сети спутниковой связи следует выбрать максимальным для заданной зоны обслуживания. Для выполнения этого условия из исходных данных выберем географические координаты ЗС и СР таким образом, чтобы ЗС находилась на максимальном расстоянии от подспутниковой «точки» для заданной зоны обслуживания.
Имеем: , , ,
Отсюда,
Дополнительное затухание радиосигнала на участках радиолинии КС зависит от многих факторов, проявляющихся независимо друг от друга, и может быть представлено в виде суммы:
, (3.8)
где – затухание в атмосфере без осадков;
– затухание в осадках;
– затухание, учитывающее неточность наведения антенн;
– затухание за счет деполяризации сигнала в среде распространения.
Затухание в атмосфере без осадков определяется главным образом поглощением в тропосфере и имеет ярко выраженный частотно-зависимый характер с резонансными пиками на частотах 22 и 165 ГГц (для водяных паров) и 60 и 120 ГГц (для кислорода).
Потери энергии радиосигнала в атмосфере без осадков не зависят от времени (имеют место в течение 100% времени работы радиолинии) и определяются по графикам (рис. 3.1) в зависимости от частоты радиосигнала Найдём на линии вверх () и вниз ().
Таким образом, и . Затухание сигнала в осадках зависит от вида гидрометеоров (дождь, снег, туман), размеров зоны их выпадения, интенсивности осадков в зоне и т.д. В диапазонах частот величина затухания радиосигнала в осадках составляет . Поэтому примем .
Рис. 3.1. Графики для определения затухания радиосигнала в атмосфере без осадков
Дополнительное затухание сигнала за счет неточного наведения антенн ЗС и СР друг от друга обусловлено рефракцией радиоволн, что приводит к образованию угла между истинным и кажущимся направлениями ИСЗ. Угловое отклонение, вызванное рефракцией, составляет несколько десятых долей градуса и может быть скомпенсировано при автоматическом наведении антенн по максимуму сигнала. При других методах наведения с учетом погрешностей конструкции устройства наведения можно принять .
Поляризационные потери на участках линии КС складываются из потерь, вызванных несогласованностью поляризации, потерь, связанных с эффектом Фарадея, и потерь из-за деполяризации радиоволн в осадках.
Потери, вызванные несогласованностью поляризации, имеют существенное значение при использовании на ЗС и СР узконаправленных антенн и применении линейной поляризации. Использование круговой поляризации позволяет эти потери сделать пренебрежимо малыми. Потери, обусловленные эффектом Фарадея, проявляются при использовании сигналов с линейной поляризацией, зависят от частоты и пренебрежимо малы. Потери из-за деполяризации радиоволн при осадках больше характерны для сигналов с круговой поляризацией, носят статистический характер, связанный со статистикой выпадения дождей, и могут оказывать заметное влияние на энергетику систем спутниковой связи на частотах выше 12 ГГц.
При использовании на линиях КС круговой поляризации сигналов результирующие поляризационные потери принимают .
Таким образом, получаем ослабление радиосигнала на участке вниз
и на участке вверх
.
Хорошо видно, что ослабление на участке вниз меньше, чем на участке вверх на 2 дБ. Такое отличие связано с тем, что радиосигнал на более высоких частотах претерпевает большее затухание, чем на частотах ниже. Именно этим обусловлен тот факт, что для значения частоты радиосигнала на участке СР-ЗС всегда выбирается меньшее значение, чем на участке ЗС-СР. Ведь на борту ИСЗ энергетика жёстко ограничена, что сильно оказывает влияние на максимальную выходную мощность передатчика ретранслятора связи.
Приемное устройство СВЧ может характеризоваться некоторыми энергетическими параметрами: реальной чувствительностью, пороговой чувствительностью, коэффициентом шума, шумовой температурой и эффективной температурой. Все эти параметры, как известно, имеют определенную связь между собой. Три последних из них характеризуют линейную часть приемного устройства от антенны до детектора. В системах спутниковой (космической) связи наибольшее распространение получили два последних параметра.
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 радиоприемника характеризуется минимальной мощностью сигнала на его входе, при которой обеспечивается заданное качество связи на интервале и в линии в целом. Поэтому расчёт реальной чувствительности приемников проводится с учётом нормирования качества связи на интервалах (участках), механизма накопления искажений в линии в условиях замираний, режимов работы станций в линии и т.д.
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.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6
