662_Nosov_V.I._Obespechenie_ehlektromagnitnoj_sovmestimosti_

1.2.2. Характеристики приёмных и передающих станций

Добротность станции на прием. Для характеристики приемных станций введен специальный параметр, называемый добротностью

(		) =	− 10 log , дБ/К,	(1.10)
		пр	сум

где Gпр – коэффициент усиления приемной антенны в дБ ;

Тсум – суммарная эффективная шумовая температура приемной системы,

0К.

Для ЗС (G/T) достигает 42 дБ/К для самых больших применяемых на практике антенн диаметром 32 м и порядка 20...31,7 дБ/К для ЗС большинства национальных и региональных систем, работающих с ИСЗ на ГО.

Для КС (G/T) обычно составляет от минус 10 до +6 дБ/К, что вызвано не только меньшими размерами антенн, но и применением более простого и обладающего большей шумовой температурой приемного усилителя.

Эквивалентная изотропно излучаемая мощность. Эквивалентная изо-

тропно излучаемая мощность (ЭИИМ) – определяется мощностью передатчика и коэффициентом усиления передающей антенны относительно изотропного излучателя

э = пд + пд + фпд,

(1.11)

где Рпд – мощность передатчика, дБВт;

Gпд – коэффициент усиления передающей антенны, дБ;

фпд – коэффициент полезного действия (КПД) передающего антеннофидерного тракта.

Для передающей ЗС ЭИИМ обычно находится в пределах 50 95 дБВт, а для передающей КС, как правило, не превышает 23 45 дБВт, достигая 52 58 дБВт на спутниках НТВ (приведены данные для станций, работающих с ИСЗ на геостационарной орбите (ГО)).

Ствол ретранслятора. Стволом ретранслятора называется приемопередающий тракт, в котором сигналы проходят через общие усилительные элементы (например, антенну) в некоторой выделенной стволу общей полосе частот. Весь диапазон частот, в котором работает спутник связи, принято делить на некоторые полосы (например, шириной 27; 36; 72 или 120 МГц), в которых усиление сигналов осуществляется отдельным трактом - стволом (транспондером).

21

Несколько стволов могут иметь общие элементы - антенну, волноводный тракт, малошумящий входной усилитель. Однако на ЗС полоса одного ствола может разделяться фильтрами для выделения и последующего детектирования сигналов, предназначенных данной ЗС и прошедших через общий ствол (например, при многостанционном доступе).

Число стволов, одновременно действующих на ИСЗ, может составлять 612 и достигать 27 48 на наиболее мощных ИСЗ. Сигналы этих стволов разделяются по частоте, пространству, поляризации [4, 5].

Пропускная способность спутникового ретранслятора. Числом ство-

лов, их полосой пропускания и ЭИИМ определяется в основном важнейший суммарный показатель ИСЗ его пропускная способность – число телефонных и/или телевизионных каналов или число двоичных единиц в секунду, которое можно передать через данный ИСЗ. Пропускная способность ИСЗ также зависит от параметров, определяющих искажения передаваемых сигналов: неравномерности АЧХ, коэффициента АМ-ФМ преобразования, неравномерности ГВЗ в полосе ВЧ ствола и др.

Эти параметры влияют на взаимные помехи между сигналами различных ЗС, на достоверность приема сигналов и тем самым на энергетические потери, обусловленные прохождением сигналов через неидеальный тракт. Пропускная способность зависит от добротности ЗС, а также от вида передаваемых радиосигналов и поэтому понятие пропускная способность скорее применима ко всей системе, а не только к ИСЗ [4, 5].

Плотность потока мощности у поверхности Земли. Сигнал, излучае-

мый антенной КС, является помехой для наземных станций, работающих в общих полосах частот с КС, например, для РРЛ. Плотность потока мощности (ППМ) W, создаваемая КС у поверхности Земли

=	−	доп	− 10 log(4 2), дБВт/м2,	(1.12)
э кс			↓

где ↓ – наклонная дальность (линия вниз) (расстояние между КС и приемной ЗС), м;

Lдоп – дополнительные потери, связанные с распространением сигнала в атмосфере, дБ; Рэ кс – ЭИИМ КС, дБВт.

В целях обеспечения электромагнитной совместимости спутниковых систем и систем наземной связи принято ограничивать ППМ КС у поверхности Земли. Создаваемая ППМ у поверхности Земли должна быть не больше допустимых значений, приведённых в таблице 1.2.

22

Таблица 1.2. – Допустимые значения ППМ, дБВт/м2

Диапазон частот	Угол возвышения антенны ЗС, град
на линии вниз,	≤ 5	5< ≤ 25	25< ≤ 90
ГГц
2,5 2,69	-152	-152+0,75( -5)	-137
3,4 4,2; 4,5	-152	-152+0,5( -5)	-142
4,8;
7,25 7,75
10,7 11,7	-150	-150+0,5( -5)	-140
12,2 12,75	-148	-148+0,5( -5)	-138
17,7 19,7	-139	-139+0,5( -5)	-129

Помеха, создаваемая КС, будет иметь наименьшую мощность в любой полосе частот, в случае, когда спектральная плотность излучаемой мощности равномерна. Такое равномерное распределение получают при применении сигналов дисперсии, роль которых при передаче цифровых сигналов выполняют скремблеры. Пределы ППМ, указанные в таблице 1.2, могут быть превышены на территории страны, администрация которой с этим превышением согласна

[5].

1.3. Особенности передачи сигналов в ССС

Эффект Доплера. Одной из особенностей распространения сигнала по

ССС является возникновение эффекта Доплера, вызываемого движением ИСЗ относительно ЗС.

Эффектом Доплера называется физическое явление, заключающееся в изменении частоты принятых колебаний при перемещении передатчика и/или приемника этих колебаний.

Эффект Доплера проявляется в том, что частота колебаний, принимаемых на движущемся ретрансляторе, отличается от частоты колебаний, передаваемых с ЗС.

Рассмотрим рис. 1.4 [4]. Предположим, что ЗС начинает передавать импульс длительностью τ0 в момент времени t0. В это время ИСЗ находится в положении 1, а за время, соответствующее длительности импульса, он перемещается из положения 1 в положение 2.

Сигнал "догоняет" ИСЗ и затрачивает на это время

∆ = ∆ /с

где ∆d = v·τ0 –добавочный путь сигнала до ИСЗ;

v – составляющая скорости движения ИСЗ в направлении распространения радиоволн (от положения 1 к положению 2);

23

с – скорость распространения электромагнитной энергии, соответствующая скорости распространения света.

Поэтому, концу импульса на ИСЗ соответствует время

кс = 0 + ∆ ,

следовательно, длительность принятого импульса на КС тоже увеличится:

τкс = τ0 + ∆ τ = τ0 (1 + ).

Будем считать, что частота передаваемых колебаний f0 = 1/ τ0 , где τ0 - период СВЧ колебаний. Тогда частота колебаний, принимаемых на ИСЗ, будет

кс = 0⁄(1 ± ⁄ ).

(1.13)

Рассмотрим случай передачи с ЗС на удаляющийся ИСЗ сигнала несущей f1, модулированной гармоническим колебанием с частотой F (рис. 1.5а). Спектр принятого сигнала будет иметь вид (рис. 1.5б).

Из сопоставления рис. 1.5а и 1.5б видно, что спектр принимаемого сигнала деформировался и при демодуляции надо выделять гармонический сигнал с частотой F(l + v/c). Изменение составляющих спектра с учетом эффекта Доплера для рассматриваемого случая отражено в таблице 1.3.

Эффект Доплера приводит к:

–сдвигу частоты всех спектральных составляющих на величину доплеровского сдвига δ fд;

–изменению частоты модулирующих колебаний, называемому деформацией спектра.

	ИСЗ
	1
	d	d	d		t0
				2
						t
	ЗС				t0
					t0	t
						t
		а)				б)
Рис. 1.4. – К определению эффекта Доплера: а) изменение положения
		ИСЗ; б) изменение периода колебаний.
				24

Таблица 1.3. – Составляющие спектра сигнала

Составляющие спектра при передаче	Составляющие спектра при приеме
f1	f1 + δ fд
f1 + F	f1 + F + δ fд + F v/c
f1 – F	f1 – F + δ fд – F v/c

Если в приемнике выбрать достаточно широкую полосу пропускания и применить автоматическую подстройку частоты (АПЧ), то доплеровский сдвиг можно компенсировать. Деформацию спектра компенсировать в приемнике практически невозможно. В связи с этим приходится ограничивать число каналов, передаваемых по ССС, т.к. для нормального приема F v/c должно быть меньше нестабильности частоты гетеродина.

f

f1

F

f1

f1

F

а)

F

v c

d fд

F v c

f

F d f

d f

F d fд

f

д

F v c

f

д

f1

F v c

1

1

б)

Рис. 1.5 – Деформация спектра из-за эффекта Доплера а)

спектр сигна-

ла на передающей ЗС;

б)

спектр сигнала, принятого на ИСЗ.

Запаздывание сигналов. На качество связи существенно влияет запаздывание радиосигнала при распространении по ССС. Это связано с большим расстоянием, которое проходит сигнал по сравнению с другими системами радиосвязи, например, РРЛ. Длина пути радиосигнала d > 2Н. Время распространения сигнала между двумя ЗС: t = d /c. В ССС с ГО t > 2·36000 км /3·105 км/сек

≥ 240 мс. [4, 5].

При передаче программ телевизионного и звукового вещания такое запаздывание практически не заметно. Однако при дуплексной связи абоненту приходится ожидать ответ в течение времени 2t = 500 600 мс. Из-за этого при разговоре по телефону через ИСЗ возникают вынужденные паузы, нарушается естественность речи.

25

Эхо-сигналы. Для дуплексной связи применяют двухпроводные абонентские линии и четырехироводные линии между узлами коммутации. В точках перехода с четырехпроводной цепи на двухпроводную всегда возникает некоторая несогласованность и, следовательно, образуются отражения – эхосигналы, распространяющиеся по линии связи в обратном направлении и достигающие говорящего абонента через интервал времени, равный двойному времени распространения сигнала по ССС.

При 2t < 60 мс эхо-сигналы воспринимаются, как некоторое послезвучание (гулкость), маскируются собственной речью абонента и мало мешают разговору. Если же запаздывание велико, то эхо-сигналы воспринимаются раздельно, как четкое эхо и создают серьезную помеху разговору. Приходится дополнительно ослаблять эхо-сигналы примерно на 50 дБ при 2t = 100 мс и на 60 дБ при 2t = 500 мс. Поэтому в каждом канале в ССС обязательно применяют специальные устройства – эхозаградители.

Рассмотрим одну из возможных схем эхозаградителя, включаемого после дифференциальной системы (ДС) в двухпроводные цепи (рис. 1.6).

ДС АЛ

К	Передача
	А
	У
	Приём

Рис. 1.6. – Схема эхозаградителя

Схема состоит из усилителя (У), включаемого в тракт приема, дифсистемы (ДС) и тракта передачи, в котором имеется ключ (К) и аттенюатор (А), вносящий затухание.

При появлении на входе усилителя разговорных токов срабатывает ключ К. В результате этого тракт передачи запирается – в него вводится значительное затухание (элемент А). Этим осуществляется подавление эхо-сигнала. Усилитель регулируется так, чтобы шумы в тракте приема, появляющиеся в отсутствие разговорных токов, не приводили к срабатыванию ключа К. При этом в тракте передачи затухание будет отсутствовать, и абонент сможет вести передачу сообщений.

Недостатками описанной схемы являются:

26

–затруднения в перебивании разговора одного абонента другим, т.к. перебивание возможно лишь в паузах продолжительностью более 100 мс, когда тракт отпирается;

–появление ложных срабатываний при увеличении уровня шумов в тракте приема.

Для устранения второго недостатка в схемы эхозаградителей вводят распознающее устройство (РУ), которое позволяет различать речевые сигналы и шумы (рис. 1.7).

Передача

УУ

ДС

АЛ РУ

Приём

Рис. 1.7. – Схема эхозаградителя с распознающим устройством

РУ срабатывает только от разговорных токов и не реагирует на шумы. При наличии в тракте приема разговорных токов с помощью РУ и управляемого усилителя (УУ) тракт передачи запирается. Принцип работы РУ состоит в том, что, если спектр речевого сигнала разделить на 3 5 равных частотных полос, то мгновенные мощности речевого сигнала в этих полосах не будут одинаковы,

Флуктуационный шум имеет равномерную спектральную плотность, и поэтому мгновенные мощности флуктуационного шума в тех же частотных полосах будут одинаковы. Таким образом, разделив спектр принимаемого сигнала с помощью фильтров и сравнив между собой мгновенные мощности на выходе этих фильтров, можно отличить речевые сигналы от флуктуационных шумов.

Запаздывание сигналов существенно при передаче некоторых видов информации в циркулярных сетях, например, сигналов точного времени или изображений газетных полос, особенно при использовании эллиптической орбиты.

Попадание ИСЗ в тень Земли. Поскольку на спутнике связи основной источник электропитания – солнечная батарея, не работающая в темноте, а спутник, двигаясь по ГО, может оказаться в тени Земли, то это явление следует учитывать при организации работы систем спутниковой связи и вещания. Работа бортового ретранслятора может прекратиться, если на нем не установлена аккумуляторная батарея, имеющая обычно значительную массу.

27

Затенение вызывает также резкое изменение теплового режима спутника. Поэтому периоды затенения необходимо прогнозировать и учитывать их длительность.

Попадание в тень Земли происходит в периоды, когда ИСЗ находится над той частью Земли, которая не освещена Солнцем, т.е. когда местное время соответствует вечеру и ночи (рис. 1.8) [4, 5].

Положение а	Положение б
	ГО	ИСЗ
	Орбита Земли	Земля
Ось вращения
Земли	Плоскость	Ось вращения
ГО	экватора и ГО	Земли

ИСЗ Земля

Солнце

Плоскость экватора и ГО Плоскость

орбиты Земли

Рис. 1.8. – Затенение ИСЗ Землей а) зимой в северном полушарии; б) в период осеннего равноденствия

Рассмотрим возможные случаи попадания ИСЗ в тень Земли:

а) ГО лежит в плоскости экватора, т.е. в плоскости, перпендикулярной оси вращения Земли, а ось вращения Земли имеет наклон (она не перпендикулярна плоскости орбиты Земли) при вращении вокруг Солнца (из-за этого, как известно, наступает зима и лето), следовательно, плоскость ГО наклонена к плоскости орбиты Земли, и ИСЗ в ночные часы обычно оказывается вне тени Земли. Это положение Земли соответствует зиме в северном полушарии;

б) при движении Земли вокруг Солнца ось Земли сохраняет свое положение. Плоскость орбиты ГО ИСЗ тоже сохраняет свой наклон и в положении б) линия пересечения плоскостей орбит ИСЗ и Земли совпадает с линией Земля – Солнце. В этом случае ИСЗ будет попадать в тень Земли. Положение б) соответствует осеннему (для северного полушария) равноденствию. Аналогичное явление возникает во время весеннего равноденствия.

Период, когда затенение наблюдается, имеет длительность около 1,5 месяцев дважды в год. Длительность ежесуточного непрерывного затенения достигает максимального значения 79 минут в дни равноденствия, уменьшаясь до 0 к началу и концу указанного периода.

28

Эффект «засветки» Солнцем. Рассмотрим другое явление – попадание Солнца в луч антенны ЗС [4, 5].

Солнце, Луна, другие звезды и планеты обладают собственным широкополосным радиотепловым излучением. Плотность потока мощности, создаваемого Солнцем у поверхности Земли на частоте 3 ГГц (λ = 10 см), составляет 1·10-20 Вт/м2, а ППМ, создаваемая Луной = 7,6·10-22 Вт/м2.

Мощность шума на выходе антенны ЗС в полосе ∆f, обусловленная этим излучением, определяется выражением

	=	∙ ∆ ∙ (	) ∙ ( 2⁄4 ),	(1.14)
ш(с/л)	с/л	зс с/л

где с/л – угол между направлением ЗС – Солнце/Луна и осью ДН антенны ЗС; Gзс( с/л) – коэффициент усиления антенны ЗС для сигнала, приходящего под углом с/л к оси ДН; Wc/л – ППМ, создаваемая Солнцем/Луной у поверхности Земли.

С увеличением размеров антенны ЗС увеличивается принимаемая мощность шумового сигнала, создаваемого Солнцем/Луной. Эта закономерность сохраняется, пока угловые размеры источника излучения малы по сравнению с шириной ДН антенны ЗС. Когда размеры сравниваются, закономерность нарушается. Если ширина главного лепестка ДН антенны становится меньше угловых размеров источника, дальнейшее увеличение коэффициента усиления антенны вообще не приводит к увеличению мощности шума на входе приемника ЗС.

Для попадания Солнца в луч антенны ЗС, направленной на ИСЗ, необходимо совпадение целого ряда обстоятельств. Так, для ЗС, расположенных на экваторе, помеха от Солнца может наблюдаться в те периоды, когда Солнце пересекает плоскость экватора. Максимальная продолжительность помехи от Солнца наблюдается в периоды равноденствия.

Для ЗС, расположенных в северном полушарии, помеха наблюдается, когда Солнце находится южнее экваториальной плоскости. Обычно длительность помехи, возникающей от Солнца, не превышает 5 10 мин. Помеху, создаваемую Луной, можно не учитывать в связи с меньшими размерами источника излучения и меньшей ППМ.

1.4. Физические явления, приводящие к ослаблению сигнала

В ССС возникают суммарные потери Lсум, которые разделяют на основные Lосн, зависящие от диапазона частот и наклонной дальности, а также дополнительные Lдоп

осн = 20 log(4 ⁄ ), дБ,	(1.15)
29

В диапазонах частот, выделенных для ССС, дополнительные потери обусловлены влиянием атмосферы, которое проявляется в виде ослабления (поглощения) радиоволн в тропосфере и ионосфере, искривления траектории радиолуча из-за рефракции, изменения формы и вращения плоскости поляризации радиоволн, появления фазовой дисперсии сигналов и появлением потерь из-за неточности наведения антенн ЗС на ИСЗ.

Таким образом, Lдоп складываются из

доп = атм( ) + д(, ) + п + н + р + ф, дБ, (1.16)

где Lатм( ) - потери из-за поглощения волн в спокойной атмосфере; Lд( ,t) - потери из-за поглощения сигнала в осадках;

Lп - потери из-за несогласованности поляризаций антенн; Lн - потери из-за неточности наведения антенн;

Lр - потери из-за рефракции;

Lф - потери из-за эффекта Фарадея.

Ослабление энергии сигнала в атмосфере. В диапазонах частот выше

500 МГц потери в атмосфере определяются поглощением энергии газами тропосферы - кислородом и водяными парами, а также гидрометеорами, из которых основное поглощение приходится на дождь. Ионосфера и прочие газы тропосферы влияют на потери в значительно меньшей степени.

Величину потерь в спокойной атмосфере, без учёта осадков, определяют из выражения

Lатм кlк вlв ,

(1.17)

где αк, αв – погонное ослабление сигнала в кислороде и водяных парах, соответственно;

lк, lв – эквивалентная длина пути в этих средах, соответственно.

В стандартной атмосфере эквивалентная длина пути сигнала зависит от толщины слоя кислорода или водяных паров атмосферы, от угла места антенны ЗС β, а также от высоты ЗС над уровнем моря hзс.

Коэффициенты погонного ослабления для стандартной атмосферы представлены на рис. 1.9, из которого следует, что поглощение имеет ярко выраженный частотно-зависимый характер. Резонансное поглощение для кислорода наблюдается на частотах 60 и 120 ГГц, а для водяных паров – на частотах 22 и 165 ГГц.

30