загруженное. 78 архитектура и основные принципы работы спутниковых систем связи общие сведения
 Скачать 0.77 Mb.
|
|
78 4. АРХИТЕКТУРА И ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ 4.1. Общие сведения Любая ССС состоит из трех сегментов: пользовательского, спутникового и сегмента управления. Пользовательский сегмент – это сеть абонентских станций. Сегмент управления включает несколько наземных станций, обеспечивающих управление и сопряжение ССС с наземными системами связи. Спутники на орбите выполняют роль ретрансляторов. В этом смысле они мало отличаются от традиционных ретрансляционных систем. Возможны три основных направления передачи информации: Земля-КА (восходящий канал), КА-Земля (нисходящий канал) и спутник-спутник. В последнем случае бортовая аппаратура КА может выполнять функцию маршрутизации трафика. КА, как правило, поддерживает несколько независимых каналов приемопередачи (стволов или транспондеров). Современные КА могут содержать десятки транспондеров. Известно несколько схем спутниковой ретрансляции. Наиболее простая – это схема группового повторителя (прозрачная ретрансляция). Принимаемый групповой сигнал (от наземной станции) преобразуется без демодуляции в сигнал выходной частоты, усиливается и транслируется. Известны методы разделения входного канала на несколько подканалов и отдельная обработка (усиление) в каждом из них. Наконец, в современных ССС, поддерживающих пакетную коммутацию, т. е. с демодуляцией и декодированием сигнала на борту КА, применяются регенеративные схемы ретрансляции – сигнал восстанавливается до исходного потока данных, а затем вновь преобразуется в высокочастотный сигнал. С точки зрения зоны обслуживания выделяют глобальные (охватывающие значительную часть территории Земли) и региональные ССС (т.е. оптимизированные для обслуживания определенного региона или страны). Характерный пример глобальных ССС – Intelsat, Inmarsat, региональных – «Молния», Eutelsat, «Экспресс-АМ». Согласно исторической традиции ССС принято делить на системы фиксированной спутниковой связи (СФСС) и подвижной (СПСС). Сегодня это деление достаточно условно, и речь скорее надо вести о возможной скорости передачи данных (или о широкополосной и узкополосной связи). Однако данная градация отражена в действующих нормативных документах, и игнорировать ее нельзя. Для ФСС предусмотрено несколько возможных диапазонов частот: С-диапазон (5,9-6,4 и 3,7-4,2 ГГц, восходящий и нисходящие каналы соответственно), Кu-диапазон (14,0-14,5 и 11,7-12,2 ГГц) и Ка-диапазон (27-31 и 17-21 ГГц). В последнее время начинают осваивать Q- и V-диапазоны (в районе 40 и 50 ГГц). Для межспутниковых каналов используют диапазоны 54-58 и 59-64 ГГц. Формально СПСС должны работать в L- и S-диапазонах частот (1,53-2,7 МГц и 2,7-3,5 ГГц) и ниже 1 ГГц. Но развитие микроэлектронных технологий позволяет сегодня делать вполне мобильными и абонентские станции в Ка- 79 диапазоне. Крупнейший оператор СПСС – это основанный в 1979 году международный консорциум Inmarsat, в 1999 году преобразованный в частную компанию. Он располагает орбитальной группировкой на GEO в составе 5 КА Inmarsat I-3 третьего поколения (один – резервный), образующей глобальную систему мобильной связи. ССС Inmarsat работает в L- и С-диапазонах и поддерживает несколько стандартов предоставления услуг как телефонной связи, так и низкоскоростной передачи данных. Основной недостаток системы Inmarsat – удаленность ее КА, находящихся на GEO, и связанный с этим комплекс проблем. Даже специально разработанный терминал стандарта Inmarsat Mini-M весит около 3 кг и по размерам соответствует ноутбуку. В начале-середине 90-х годов появилось несколько десятков проектов создания низко- и среднеорбитальных ССС, как для задач телефонии, так и для широкополосной передачи данных (к 1977 году в ITU поступило около 50 таких проектов). В области телефонии до практической реализации дело дошло лишь у двух глобальных низкоорбитальных систем – Iridium и Globalstar (персональные спутниковые телефоны). Первая пережила банкротство и медленно возвращается к жизни, вторая пребывает в состоянии банкротства. Та же судьба постигла и ССС на МЕО – ICO. Наиболее амбициозным низкоорбитальным проектом спутниковой системы передачи информации (СПИ) была система Teledesic. Предполагалось, что эта система с орбитальной группировкой в 288 КА будет работать в Ка-диапазоне, однако подобные системы получаются очень дорогими. Наземные беспроводные СПИ развиваются столь стремительно, что конкурировать с ними низкоорбитальным ССС оказалось не под силу. Видимо, первой услуги широкополосной передачи информации мобильным пользователям станет предоставлять Inmarsat, в ближайших планах которого – запуск на GEO спутников четвертого поколения Inmarsat I-4, обеспечивающих обмен с абонентскими терминалами на скоростях до 432 кбит/с и совместимость с системами сотовой связи третьего поколения (первый спутник Inmarsat I-4 успешно запущен 11 марта 2005 года). Упомянем еще об одном виде низкоорбитальных ССС. Характерный пример – системы «Гонец» и Orbcomm. КА систем «Гонец» – это ретрансляторы с зоной обслуживания диаметром примерно 5 тыс. км (высота орбиты 1500 км, наклонение 82,5°). Если принимающий абонент находится вне зоны обслуживания, информация запоминается и передается при пролете КА через его регион. Основное назначение таких систем – электронная почта и пейджинг. Они относительно просты, что существенно снижает стоимость оборудования и услуг. В последнее десятилетие чрезвычайно мощное развитие получили сети, использующие геостационарные КА и наземные станции с очень малой апертурой антенн (VSAT – Very Small Aperture Terminal) и их разновидность USAT – станции с ультрамалой апертурой антенн (диаметром менее 0,5 м). VSAT-системы широко используются при создании корпоративных ССС. Такие системы за счет относительной простоты и невысокой стоимости наземных 80 станций (диаметр антенн порядка 1-1,5 м в Кu-диапазоне и 0,5 м в Ка- диапазоне) позволяют достаточно просто объединить удаленные друг от друга локальные объекты в единую сеть передачи информации со скоростями обмена порядка 2 Мбит/с и выше. И если бы не особенности национального регулирования связи, ряд из них вполне можно было бы отнести к подвижным системам. Архитектура VSAT-сетей может быть произвольной: точка-точка, каждый с каждым, звезда. Однако для построения распределенных сетей передачи данных наиболее приемлема последняя технология. Она подразумевает наличие одной центральной наземной станции с большой антенной и ряд удаленных терминалов. Связь организуется через центральную станцию в режиме разделения времени. Используют и технологию «каждый с каждым», при этом каналы, как правило, не фиксированы и предоставляются по запросу (механизм DAMA). С точки зрения спутникового сегмента отличие технологии VSAT – зона обслуживания не накрывается одним глобальным лучом, а разбита на ряд сегментов, охватываемых рядом относительно узких лучей. Такой метод поддерживают практически все современные КА на GEO. Отметим, что на фоне неудач низкоорбитальных спутниковых систем передачи данных рынок VSAT-систем успешно развивается, в том числе и в нашей стране. 4.2. Земные станции спутниковых систем Земные станции необходимо очень тщательно проектировать, чтобы наиболее эффективно использовать мощность спутника без чрезмерного увеличения стоимости всей системы связи. Очевидно, что чем больше добротность G/Т земной станции, тем более эффективно используется данная мощность спутника. Однако стоимость земной станции возрастает при увеличении отношения G/Т из-за дополнительных затрат на антенны увеличенных размеров, а также из-за стоимости малошумящего усилителя приемника. Следовательно, в целом для системы стоимости земных станций и спутника должны сопоставляться друг с другом. Усиление и шумовая температура также являются критическими параметрами при определении стоимостных характеристик ЗС, их влияние рассмотрено ниже. В настоящей главе рассмотрены элементы земной станции, которые непосредственно относятся к ширине полосы сигналов и к многостанционной передаче и приему сигналов. Рассмотренные конкретные области включают: – структурную схему земной станции, – развязку между каналами передачи и приема – внеполосные помехи и нелинейные помехи в полосе приема, – паразитные эффекты при преобразовании частоты – устранение паразитных продуктов на выходе смесителя, контроль фазовых шумов генератора и паразитной ЧМ, уменьшение нелинейных продуктов усилителя мощности в полосе передачи, – влияние искажений в фильтрах промежуточной частоты (ПЧ) и радиочастоты (РЧ) на цифровые сигналы. 81 К другим важным элементам земной станции относятся антенно-фидерная подсистема, антенная опора и система приводов, система автосопровождения спутника и сервосистема, а также подсистемы электропитания и управления. Однако эти элементы не специфичны с точки зрения применяемых видов сигналов и в учебном пособии не рассматриваются. 4.2.1. Основные понятия земных станций спутниковой связи Приведем определения основных понятий, руководствуясь «Регламентом радиосвязи» и сложившейся практикой применения терминов. Космическая станция (КС) – станция, расположенная на объекте, который находится за пределами основной части атмосферы Земли, например, на спутнике. Земная станция (ЗС) – станция радиосвязи, расположена на земной поверхности и предназначена для связи с космическими станциями, либо с другими земными станциями через космические станции или другими космическими объектами. В отличие от этих станций, станции наземных систем радиосвязи, не относящиеся к космическим системам связи или радиоастрономии называют, наземными станциями. Приемные ЗС распределительных систем (систем спутникового вещания) самый простой тип станций, осуществляющих только прием телевизионных программ или других циркулярных программ, например, звукового вещания, изображений газетных полос. Обычно приемные ЗС с целью снижения стоимости снабжаются антенной уменьшенного размера, а число таких ЗС в системе обычно велико. Передающие ЗС системы спутникового вещания – станции, осуществляющие передачу на участке Земля – спутник циркулярных программ, подлежащих распределению по сети приемных станций. Если передающая ЗС находится в пределах обслуживаемой зоны и на нее возложен прием сигналов, излучаемых спутником этой системы, то такой прием осуществляется в целях контроля, и за станцией сохраняется название передающей. Приемопередающие ЗС, работающие в сети дуплексной телефонной связи, а также в сети обмена телевизионными программами. Такие станции обычно комплектуются аппаратурой, позволяющей работать через несколько стволов спутника одновременно. Нередко приемопередающие станции телефонной системы являются также приемными станциями вещания. Такими станциями являются ЗС «Орбита», «Азимут» и др. Контрольные ЗС – станции, осуществляющие контроль за режимом работы ретранслятора космической станции, за соблюдением земными станциями важных для работы всей сети параметров – излучаемой мощности, частоты передачи, излучения на определенной поляризации (если в системе осуществляется поляризационное разделение), качества модулирующего сигнала и т.д. Роль контрольных ЗС в поддержании нормальной работы системы велика. Часто функция контрольной станции возлагается на одну из 82 приемопередающих станций сети. Контрольные и центральные станции сети обычно имеют возможность обмена информацией со станциями сети по специально создаваемой подсистеме служебной связи. Обычно этот вид связи организуется через тот же спутник, через который работает основная сеть. Земные станции системы управления и контроля спутника – станции, осуществляющие управление функционированием ретранслятора и всеми другими подсистемами спутника, контроль за их состоянием. Роль этих станций велика в процессе вывода спутника на орбиту, при первоначальных испытаниях и вводе в эксплуатацию спутника. В процессе эксплуатации современных спутников, особенно находящихся на геостационарной орбите, где КС обычно работает круглосуточно, ЗС системы управления почти не вмешиваются в работу системы, а функции станции контроля и управления спутником на этом этапе выполняет контрольная ЗС или одна из приемопередающих станций сети. 4.2.2. Структурная схема земной станции Упрощенная структурная схема типичной земной станции спутниковой системы связи приведена на рис. 4.1. Несущие колебания, модулированные цифровыми или аналоговыми сигналами, поступают от канальных (абонентских) модемов на ЗС на промежуточной частоте (частота 140 или 700МГц). Панель коммутации по ПЧ обеспечивает подключение абонентских сигналов к любому одному из нескольких преобразователей частоты и автоматическое переключение на резервный преобразователь частоты в случае неисправности. Каждый из преобразователей частоты транслирует сигналы ПЧ одним или двумя преобразованиями в диапазон радиочастот для последующего усиления и передачи. Перестраиваемые синтезаторы частоты (ЧС), используемые в преобразователях, синхронизируются с помощью фазовой автоматической подстройкой частоты (ФАПЧ) со стандартом частоты (ЭЧ), а для получения желаемого номинала частоты используется синхронизирующий умножитель частоты. В простейших ЗС вместо таких сложных частотных синтезаторов часто используется местный генератор фиксированной частоты. Каждый из повышающих частоту преобразователей имеет также независимую регулировку мощности для установления необходимого уровня несущего колебания. Усиление СВЧ сигналов осуществляется в предварительном усилителе мощности (ПУ) и выходном усилителе мощности (УМ). Оба эти усилителя имеют обычно широкую полосу пропускания (часто применяются ЛБВ). Выходная мощность должна устанавливаться с высокой точностью (обычно 0,5 – 1 дБ) в широком интервале мощностей (от 100 Вт до 1 кВт) для того, чтобы только выделенная данной станции доля выходной мощности спутника была фактически использована для передачи ее сигналов. Более того, выходная мощность должна управляться изменением входного 83 сигнала этого усилителя для компенсации изменяющегося во времени влияния дождя на потери при распространении сигналов и сравнительно медленных изменений усиления ретранслятора. К облучателю К спутни- ку ДП Фпр Комм Комм МШУ МШУ Пред УВЧ УВЧ Пред Комм Дел f рч Комм Комм Комм БН f пч ЧС f рч f пч f рч f пч f рч f пч f рч f пч f рч f пч ЧС ЧС ЧС ЧС ЧС ЭЧ ЭЧ ПУ УМ УМ ПУ П ан ел ь ко м м ун и ка ц и и п о П Ч П ан ел ь ко м м ун и ка ц и и п о П Ч О т на ча л ьн ы х м од ем ов П Ч , к на ча л ьн ы м м од ем ам Фпер Рисунок 4.1 – Упрощенная структурная схема земной станции спутниковой связи с многостационарным доступом: ЭЧ – источник эталонной (стандартной) частоты; ЧС – синтезатор частот; f ПЧ , f РЧ – повышающий и понижающий преобразователи частоты; ПУ – предварительный усилитель; УМ – выходной усилитель мощности; МШУ – входной малошумящий усилитель; Комм. – переключатель; Ф пр, Ф пер. – фильтры приема и передачи; ДП – дуплексер и поляризатор; БН – балластная нагрузка усилителя мощности. Далее выходной сигнал в полосе частот передачи подвергается фильтрации, чтобы уменьшить нежелательные нелинейные продукты и паразитные компоненты в полосе частот, т.к. они могут вызвать перегрузку усилителей приемника. Затем передаваемый сигнал проходит по волноводу и развязывающему дуплексеру и излучается с соответствующей поляризацией облучателем антенны, освещающим рефлектор. На входе приемника ЗС мощность сигнала определяется эквивалентной изотропно излучаемой мощностью спутника, ослабленной потерями в свободном пространстве примерно на 200дБ в С-диапазоне частот. Следовательно, должна быть чрезвычайно большая развязка между трактом передачи и трактом приема ЗС, которая обеспечивается дуплексером и фильтрами трактов передачи и приема. Такая большая разница в уровнях сигналов часто требует предосторожностей, чтобы избежать появления нелинейных продуктов, возникающих при прохождении нескольких передаваемых сигналов, через 84 такие пассивные элементы как волноводные фланцы и фланцы облучателя антенны, настроечные винты фильтров, где контакт между металлом и окислом или другие причины могут представлять собой нелинейное сопротивление. Даже если уровень нелинейных продуктов в таких пассивных элементах на 100дБ ниже уровня передаваемого сигнала, они могут попасть в полосу приема после фильтрации в тракте передачи и вызвать помеху принимающему сигналу. Принимаемые сигналы проходят через дуплексер и фильтр приема, а затем усиливаются широкополосным малошумящим усилителем (МШУ), параметрическим или усилителем на туннельном диоде и далее предварительным усилителем. Выходные СВЧ сигналы таких усилителей поступают на делитель мощности, который распределяет сигналы на ряд понижающих частоту преобразователей. Преобразователь частоты вниз преобразует СВЧ сигнал в сигнал ПЧ, обычно такой же, как и в повышающих преобразователях. Использование одинаковых ПЧ, как на передающей, так и на приемной сторонах, позволяет применять одинаковые частоты передачи и приема в модемах потребителей, что позволяет проверять их на себя или по шлейфу. Синтезатор опорных частот в понижающем преобразователе обычно имеет шаг перестройки частоты 1 кГц или больше. Это обеспечивает не только настройку на любой принимаемый станцией сигнал, но и позволяет компенсировать уход частот гетеродинов спутника и ЗС. 4.2.3. Основные показатели земных станций Диапазон частот на прием и передачу, на работу в которых рассчитано оборудование станции – антенна, приемное и передающее оборудование. Большинство ЗС работает в диапазонах 4 и 11 ГГц на прием и 6 или 14 ГГц на передачу. Добротность станции на прием G/Т – отношение усиления антенны (в дБ на частоте приема) к суммарной шумовой температуре станции (в дБ относительно 1 о К). Добротность достигает 42 дБ/К для самых больших, применяемых на практике антенн (диаметром 32 м) и составляет 20…31,7 дБ/К для ЗС большинства национальных и региональных систем. |