Дипломная работа: Расчет спутниковой линии связи Алматы -Лондон
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.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 |