Обобщенная структурная схема системы связи
 Скачать 1.09 Mb.
|
|
Спутниковые системы связи Р.В. Комягин Москва, 2015 Обобщенная структурная схема системы связиРПУ – радиопередающее устройство РПрУ – радиоприемное устройство А1, А2 – передающая и приемная антенны ИС – источник сообщения ПС – получатель сообщения Симплексная система связи (передача информации ведется только в одном направлении) Спутниковые системы связи Дуплексная (полудуплексная) система связиДуплексная система – передача информации ведется в двух направлениях одновременно Полудуплексная система – передача информации ведется в двух направлениях поочередно Спутниковые системы связи Состав радиопередающего и радиоприемного устройств системы связиСпутниковые системы связи Система связи с ретрансляторамиСпутниковые системы связи Спутниковая система связиСпутниковые системы связи Достоинства систем спутниковой связивозможность обслуживания большого количества абонентов, удаленных на значительные расстояния и расположенных в любых регионах Земли; простота реконфигурации систем спутниковой связи (ССС) при изменении мест расположения абонентов; независимость затрат на организацию связи от расстояния между объектами. Спутниковые системы связи Спутниковые системы связи Классификация систем спутниковой связиПо охватываемой территории: Глобальные – системы со всемирным охватом («Интерспутник», Intelsat); Региональные, ЗС которых расположены в пределах региона, охватывающего, как правило, несколько стран (Eutelsat, Arabsat); Зоновые, все ЗС которых расположены в пределах одной из зон (районов) страны; Ведомственные (деловые, корпоративные), ЗС которых принадлежат одному ведомству и передают только деловую информацию и данные в интересах ведомства. Спутниковые системы связи Спутниковые системы связи По принадлежности спутниковые системы связи (ССС) подразделяются на международные; национальные; корпоративные. В ССС осуществляется передача следующих видов информации: программ телевидения и звукового вещания и других видов симплексных сообщений циркулярного характера; телефонных, факсимильных, телеграфных сообщений, видеоконференций, цифровых передач (симплексных или дуплексных по своему характеру). Спутниковые системы связи В зависимости от типа ЗС и назначения ССС различают следующие службы радиосвязи: фиксированную спутниковую службу (ФСС), соответствующую режиму радиосвязи между ЗС, расположенных в фиксированных пунктах при использовании одного или нескольких спутников; подвижную спутниковую службу (ПСС), соответствующую режиму радиосвязи между подвижными ЗС при использовании одного или нескольких спутников; радиовещательную спутниковую службу (РСС), соответствующую режиму циркулярной радиосвязи. Спутниковые системы связи Орбиты ИСЗСпутниковые системы связи Орбиты ИСЗ
Спутниковые системы связи Факторы, влияющие на распространение радиоволн в системах спутниковой связиПотери при распространении радиоволн через ионосферу (через ионосферу проходят волны с частотами выше 30 МГц). Эффект Фарадея (поворот плоскости поляризации волны). Поглощение атмосферными газами и осадками (заметно сказывается на частотах выше 6 ГГц). Эффект Доплера. Запаздывание сигнала при распространении на трассе (может достигать 300 мс для геостационарных ИСЗ). Спутниковые системы связи Поляризация электромагнитных волнЛинейная поляризация Вертикальная Горизонтальная Круговая поляризация Правая Левая Спутниковые системы связи Эффект ФарадеяПри распространении поля в ионосфере Земли возникает поворот плоскости поляризации. Угол поворота зависит от частоты; протяженности трассы распространения; угла входа электромагнитной волны в ионосферу; угла между направлением распространения волны и направлением силовых линий магнитного поля Земли. Для исключения влияния эффекта Фарадея используют антенны, работающие на круговой поляризации. Спутниковые системы связи Эффект ДоплераЧастота изменяется на величину Δf ≈ f0Vcosψ / c, где f0 – несущая частота, на которой работает передатчик; Vcosψ – радиальная составляющая скорости передатчика относительно приемника; c – скорость света. Для круговых орбит максимальный относительный доплеровский сдвиг частоты можно приближенно определить из соотношения Δf / f0 ≈ ± 1,5·10 N, где N – число оборотов ИСЗ вокруг Земли за сутки. - 6 Спутниковые системы связи Образование доплеровского сдвигаСпутниковые системы связи Диапазоны частот спутниковых линий связи
Спутниковые системы связи Распределение частот для СССP-диапазон: 225 … 400 МГц L-диапазон: 1 … 2 ГГц S-диапазон: 2 … 4 ГГц C-диапазон: 4 … 8 ГГц X-диапазон: 8 … 12,5 ГГц Ku-диапазон: 12,5 … 18 ГГц K-диапазон: 18 …26,5 ГГц Ka-диапазон: 26,5 … 40 ГГц Спутниковые системы связи Виды модуляцииВ общем случае форму сигнала можно описать соотношением: U (t) = Um cos(2 π f0 + φ0), где Um ‒ амплитуда напряжения сигнала; f0 ‒ несущая частота; φ0 ‒ начальная фаза сигнала. Для передачи информации по крайней мере один из параметров сигнала (амплитуда, частота или фаза) должен изменяться по закону передаваемой информации. В зависимости от этого различают следующие основные виды модуляции: 1) амплитудная ( Um = Um (t) ); 2) частотная ( f0 = f0 (t) ); 3) фазовая ( φ0 = φ0 (t) ). Спутниковые системы связи В системах спутниковой связи наиболее часто используются различные виды фазовой модуляции (ФМ). Двукратная фазовая модуляция (ФМ-2): U (t) = Um cos(2 π f0 + X (t) ·π), где X(t) ‒ сигнал передаваемой информации (принимает значения 0 и 1). Скорость передачи информации при ФМ-2: R = 1 / T , бит/с. Спутниковые системы связи Четырехкратная фазовая модуляция (ФМ-4): U (t) = Um cos(2 π f0 + X (t) ·π/2), где X(t) ‒ сигнал передаваемой информации (принимает значения 0, 1, 2, 3). Скорость передачи информации при ФМ-4: R = 2 / T , бит/с. Спутниковые системы связи Спектр сигналаСпектр сигнала можно найти, рассчитав прямое преобразование Фурье от функции, описывающей зависимость напряжения сигнала от времени: где U(t) ‒ зависимость напряжения сигнала от времени; f ‒ частота; t ‒ время. Форму сигнала во временной области, напротив, можно найти, взяв обратное преобразование Фурье от спектра сигнала: Спутниковые системы связи Спектр сигнала с фазовой модуляциейСпутниковые системы связи P1, G1, в1 — соответственно мощность передатчика, усиление передающей антенны и потери в тракте ЗС1; P2, G2, в2, Т2 — соответственно мощность сигнала на входе СР, усиление приемной антенны и потери в антенном тракте СР, шумовая температура СР; Р3, G3, в3, PИН — соответственно мощность сигнала на выходе СР, усиление передающей антенны и потери в тракте СР, мощность интермодуляционной помехи на выходе СР; P4, G4, в4, T4 — соответственно мощность сигнала на входе приемника ЗС, усиление приемной антенны ЗС2, потери в антенном тракте и шумовая температура приемника ЗС2; KСР, ∆fСР, ∆fК — соответственно коэффициент передачи СР по мощности в нелинейном режиме, ширина рабочего частотного диапазона СР и полоса пропускания одного канала СР; r12, r34, λ1, λ2 — соответственно расстояние на интервалах ЗС1-СР и СР-ЗС2, рабочие длины волн передачи ЗС1 и приема ЗС2. Спутниковые системы связи Мощность сигнала на входе приемника СР: где ∆2 — ослабление усиления приемной антенны СР за счет неточной ориентации ее оси симметрии в направлении на ЗС1; L12 — ослабление сигнала на участке «ЗС1-СР»; ∆L12 — дополнительное ослабление сигнала на участке «ЗС1-СР» за счет неидеальности эфира; λ1 — рабочая длина волны передачи информации ЗС1. Мощность шума на входе СР: где — постоянная Больцмана (Вт/Гц·К); — полоса частот канала (Гц); М = 4 — кратность манипуляции сигнала ФМ-4. R — скорость передачи информации (бит/с); Спутниковые системы связи Мощность сигнала на выходе СР: При функционировании СР в многосигнальном режиме мощность одного канала где РМ — максимальная мощность на выходе СР, функционирующего в многосигнальном режиме, которая меньше максимальной мощности в односигнальном режиме; n — количество сигналов на входе СР; КИ — снижение мощности на выходе СР относительно максимальной для уменьшения интермодуляционных помех. В случае, когда n > 20, существует оптимальное значение КИ = 0,63. Мощность сигнала на входе ЗС2: где ∆3 — ослабление усиления приемной антенны СР за счет неточной ориентации ее оси симметрии в направлении на ЗС2; L34 — ослабление сигнала на участке «СР-ЗС2»; ∆L34 — дополнительное ослабление сигнала на участке «СР-ЗС2» за счет неидеальности эфира; λ2 — рабочая длина волны передачи информации СР. Спутниковые системы связи Расчет пропускной способности линии радиосвязиПри фиксированных параметрах СР и симметричном характере прямого и обратного каналов, когда r12 = r34, ∆L12 = ∆L34, а также при λ1 ≈ λ2 энергетические параметры ЗС определяются из соотношений Рп зс = Р1, Gзс = G1= G4, Рпр зс = Р4, Тзс = Т4, где Рп зс — мощность передатчика ЗС; Рпр зс — реальная чувствительность приемника ЗС; Тзс — шумовая температура. С учетом вышеприведенных соотношений пропускная способность ССС с подвижными объектами при организации ряда параллельных каналов «точка—точка» определяется следующим образом где nК — максимально допустимое число дуплексных каналов, организованных через данный СР; b = 1,1 … 1,3; arc Z — функция, обратная от Z; — интеграл вероятности; PОШ — вероятность ошибки. Спутниковые системы связи Организация многостанционного доступаРазличают следующие виды многостанционного доступа: 1) многостанционный доступ с частотным разделением каналов (МДЧР, FDMA); 2) многостанционный доступ с временным разделением каналов (МДВР, TDMA); 3) многостанционный доступ с кодовым разделением каналов (МДКР, CDMA). Спутниковые системы связи Многостанционный доступ с частотным разделениемРезультирующая скорость передачи информации при частотном разделении сигналов ЗС где Ri ‒ скорость передачи (бит/с) i-й ЗС. Используется во многих действующих системах связи, как правило, наряду с другими видами разделения сигналов. В некоторых системах (Inmarsat, «Интерспутник») изначально использовался как основной вид разделения сигналов. Достоинство: сравнительная простота оборудования; Недостатки: потеря выходной мощности ретранслятора в многоканальном режиме по сравнению с односигнальным (на 25 … 37 %); эффект подавления слабого сигнала сильным; комбинационные помехи (взаимные искажения сигналов различных ЗС в процессе их одновременной обработки в ретрансляторе); недоиспользование энергетического потенциала радиолинии. Спутниковые системы связи Зависимость пропускной способности ретранслятора при частотном разделении от числа сигналовЗдесь n ‒ число сигналов; R ‒ максимально возможная суммарная скорость передачи (бит/с). Спутниковые системы связи Многостанционный доступ с временным разделениемЭффективность использования времени работы ретранслятора определяется необходимостью введения защитных интервалов между субкадрами где TСК I ‒ временной интервал, используемый для передачи собственно информационного сигнала в i-м пакете; n ‒ число пакетов; TК ‒ длительность кадра. В существующих и разрабатываемых системах Достоинства: отсутствуют недостатки, присущие системам с МДЧР. Недостатки: необходима синхронизация работы ЗС. Спутниковые системы связи Система спутниковой связи «Гонец»Спутник системы связи «Гонец»КА «Гонец-Д1» КА «Гонец-М» Спутниковые системы связи Абонентский терминал системы связи «Гонец»Спутниковые системы связи Система спутниковой связи IridiumСпутниковые системы связи Спутник системы связи IridiumФазированная антенная решётка имеет 48 лепестков формирующих 16 лучей в трех секторах. Четыре межспутниковые антенны обеспечивают пропускную способность 10 Мбит/с для каждого аппарата. Каждый спутник может поддерживать до 1100 телефонных соединений и весит около 680 кг Спутниковые системы связи Спасибо за внимание Роман Станиславович Комягин, доцент кафедры РЛ1 МГТУ им. Баумана Кафедра СМ-1 «Космические аппараты и ракеты-носители» 107005, Москва, Госпитальный переулок, дом 10 E-mail: kafsm1@sm.bmstu.ru Телефон: +74992610107 Спутниковые системы связи |