Многопозиционная фазовая модуляция в системах спутниковой связи с МДЧ
1. Описание системы
Произведем краткое описание системы.
Чтобы обеспечить связь между различным количеством
объектов,
находящихся на большом расстоянии друг от друга часто наибо-лее целесообразно использовать системы спутниковой
связи(CCC).
Принцип связи с помощью искусственных спутников Земли(ИСЗ)
заключается в передаче сигналов с одной или нескольких зем-
ных станций (ЗС) на ИСЗ с их последующей ретрансляцией всем
ЗС системы.Устройством,осуществляющем прием сигналов
от передающей(-их) ЗС,их усиление и передачу в направлении
приемной(-ых) ЗС, является бортовой ретранслятор (БРТР) рас-положенный на ИСЗ.
[pic]
Понятие МНОГОСТАНЦИОННОГО ДОТУПА.
Ширина полосы частот БРТР ИСЗ составляет окло 400-500 МГц.
Эта полоса делится на 10-12 частотных диапазонов,которые
называются СТВОЛАМИ.В каждом изтаких стволов можно обеспе
чить ретрансляцию десятков и даже сотен сигналов различных
ЗС.Но такая «одновременная» ретрансляция в одном стволе
требует,чтобы сигналам каждой ЗС был присвоен определенный
признак,по которому они будут различаться.Существует нес-
колько таких признаков каждый из которых определяет соотве-
тствующий способ многостанционного доступа (МД).
Применяю в
основном три вида МД:
— МД С ЧАСТОТНЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ
КАНАЛОВ (МДЧР)
— МД С ВРЕМЕННЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ КАНАЛОВ
(МДВР)
— МД С КОДОВЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ КАНАЛОВ
(МДКР)
В соответствии с ТЗ в данной работе рассматривается ССС,ис-
пользующая МДЧР с равномерной расстановкой частот сигналов.
МДЧР предусматривает присвоение сигналам каждой ЗС своей
несущей частоты.Несущие частоты разносятся так,чтобы спек-
тры соответствующих колебаний не перекрывались:
f1 f2 f3
fN
[pic]fс — ширина полосы частот сигнала одной ЗС.
fзащ — защитный промежуток между сигналами соседних ЗС.
fств — ширина полосы частот,отведенная данному стволу.Все космические каналы связи в первом приближении можно
рассматривать как каналы гауссовского типа .Это допустимо,
поскольку в космических каналах связи можно не считаться с
эффектом многолучёвости,а возможные флюктуации сигнала из-за
случайных изменений положений антенн ИСЗ на траектории
сравнительно невелики и их можно учесть,выбрав соответствующий
коэффициент запаса ( см. 3 стр 342 ).
Таким образом имеем линию связи «ИСЗ-Земля» со свободным
распространением сигналов и гауссовский канал связи.2.Выбор
показателей качества системы.
Важной задачей является выбор критериев и показателей
качества (ПК) системы. ПК — это параметры ,которые являются
определяющими в оценке качества работы системы.ПК может быть
только такой внешний варьируемый параметр,который связан с
качеством системы строго монотонной зависимостью.Т.о. мы можем
принять за ПК колличество земных станций (N)
ситемы,ретранслируеммых в одном стволе БРТР.
3.Понятие уравнения
связи.Опираясь на исходные данные ,можно выразить
отношение сигнала к шуму Qс на входе приёмника как функцию
параметров системы.Т.о. величина Qс имеет отношение к сигналу,
пришедшему на вход приёмника.
Задавшись видом сигнала (пусть это будет ФМн сигнал) , можно
определить НЕОБХОДИМОЕ отношение сигнал/шум Qтр на входе
приёмника ,при котором обеспечивается требуемая скорость передачи
информации. Величина Qтр имеет непосредственное отношение к ПРМ.
В реальных условиях необходимо принимаить во внимание
влияние межсимвольных искажений,неидеальность синхронизации,
нестабильность порогов в решающих устройствах и т.п. По этим
причинам величину Qтр необходимо увеличивать и тогда можно
функционально связать все параметры системы с помощью
условия,называемого УРАВНЕНИЕМ СВЯЗИ: Qс>=Kc*Qтр,где Кс —
коэффициент запаса,учитывающий влияние всех этих неблагоприятных
факторов.Обычно Кс принимается равным 2—4.(см 1). Выолнение
этого уравнения будет означать ,что энергетика линии позволяет
обеспечить заданные требования.Определение конкретных значений Qс
и Qтр проводится на стадии энергетического расчета линии
связи.(см.1 )
4.Энергетический
расчет.
В идеальном свободном пространстве отношение средней
мощности сигнала на входе ПРМ к средней мощности шума,
учитываемой в полосе,занимаемой спектром сигнала,равно:Pпд *КПА1 *КПА2 *G1*Sэ
Qc ид.=(Pc/Pш)ид.= —————————
———4*п*r^2*Nо сум*дf'э
здесь: — Pпд =10 Вт (см.ТЗ)- мощность
БРТР
— G1=Ga/КПД=1000/0.75=1333 -КНД антенны БРТР
(Коэффициент направленного
действия определяется отношением коэффициента
усиления антенны Ga=30Дб (см.ТЗ) к коэффициенту её
полезного действия, который обычно составляет 0.6—
0.8.При расчёте положено КПД=0.75(30Дб=1000 )— КПА1,КПА2 — коэффициенты, характеризующие потери в антенных
трактах систем, которые зависят от протяжённости
антенно-фидерных трактах,которые соединяют антенну
с ПРМ в приёмнике и антенну с ПРД в передатчике,
наличия разделительных фитльтров в трактах и т.п.
Значения КПА1 и КПА2 обычно составляют 0.95—0.4
(см1.стр41).Примем КПА1 и КПА2 равными среднему из
этого интервала значению: 0.65
— Sэ=(КИП*п*D^2)/4 — эффективная площадь раскрыва антенны ПРМ,
где КИП — коэффициент использования антенны
ПРМ.Для реальных параболических антенн КИП
составляет 0.5 — 0.75 (теореоичеки идеальное
значение: 0.83) (см.6 стр377), п=3.1415926, D=7м —
диаметр антенны ПРМ ЗС (ТЗ); т.о. Sэ= 23 м^2.
— r=36000000 м^2 — протяжённость линии связи (будем считать,
что ИСЗ находится на геостационарной орбите, т.к. с
точки зрения экономичности устройств антенных
систем — это выгодно, правда призводить запуск на
геостационарную орбиту — дороже, нежели на
эллиптическую (см.1 стр18)).
— Nо сум =(1.38*10^(-23))*Тш — суммарная спектральная
плотность шума на входе ПРМ , где Тш —
результирующая шумовая температура на входе ПРМ,
Тш=Тк+ Тат+Тз+Тша+Тв+Тш пр /КПМВ, где КПМВ —
коэффициент передачи мощности волноводного тракта
(КПМВ обычно составляет 0.75) Тв=То*(1-
КПМВ/КПМВ)=91 К —шумовая температура (ш.т.)
волноводного тракта; —-Тш пр — ш.т. ПРМ (в
таблице Тш пр обозначено как Тш ср, равная средней
температуре из приведённых в таблице интервалов
ш.т. для различных типов усилителей см. ниже); Тк —
ш.т. космоса, Тз= 2.9 — ш.т. Земли ( при
условии,что мощность боковых лепестков ДН ПРМ ЗС в
100 раз меньше главного) Тат — ш.т. атмосферы (70
— 150 К), Тша — ш.т. антенны. Примем, что
Тк+Тат+Тз+Тша =100 К, тогда при меняющемся типе
усилителя будем иметь разные Тш, а следовательно и
разные значения сигнал/шум.
— дfэ — эквивалентная шумовая полоса ПРМ ЗС , которая
определяется шириной спектра сигнала. Т.к. скорость
передачи информации при многопозиционном сигнале (
М положений фазы, при рассмотрении ФМн сигналов)
R=(log(M))/t, где t — длительность элементарной
посылки, и т.к. ширина спектра сигналов одного
канала дfс=1/t, то ширина спектра сигналов всей
станции дfст, равная дfэ=(R/log (M))*N, где N=50 —
колличество телефонных каналов на одной ЗС, R= 64
Кбит/с — стандартная скорость передачи цифрового
сообщения. Величина М в таблице (см. ниже)
изменяет.
В реальных условиях фактическое отношение сигнала к шуму на
входе ПРМ уменьшается по сравнению с идеальным в связи с :
— потерями мощности Lа за счёт неточного
наведения антенн ПРД и
ПРМ; обычно значение Lа лежит в интервале 0.9
— 0.8 (от -0.5 до -1 дБ) .Пусть Lа= 0.8 (см.1 стр
41)
—потерями Lальфа за счёт поглощения и рассеивание энергии
сигнала из-за неидеальности свойств среды
(осадки,туман,угол места антенны,рабочая частота .
. .); Значение Lальфа принадлежит интервалу 0.8 —
0.5 ,что составляет около -1 — -3 дБ .Пусть
Lальфа=0.6
— потерями поляризации Lп, возникающими из-за несоответствия
поляризаций антенн ПРД и ПРМ. Lп составляет от -0.5
до -3 дБ,что соответствует 0.5—0.9.
Т.о. фактическое отношение сигнала к шуму Qc факт. будет в
Lа*Lалфа*Lп=0.8*0.6*0.6=0.288 раз меньше (см.табл.).Определим Qтр — требуемое, для удовлетворения заданной точности
приёма (Рош), отношение сигнала к шуму, которое должно быть на входе
ПРМ. При этом рассматриваются М-ичные ФМн сигналы:
— для двоичных сигналов выражение для Qтр имеет вид:
Qтр=2*ln(1/2*Рош)/Бс*(1-Рs)
— для М-ичных сигналов :
Qтр=(ln((M-1)/M*Рош))/sin^2(п/М), (Бс=1),
где Бс=t*дfc — база сигнала (для ФМн сигналов Бс=1), t — длительность
посылки сигнала (длительность информационного символа),дfс — ширина
спектра сигнала, Рош=0.00001 — заданная в ТЗ вероятность ошибки при
приёме сигнала.
В реальных условиях необходимо принимать во внимание влияние
межсимвольных искажений,неидеальность синхронизации, нестабильность
порогов в решающих устройствах и т.п. Поэтому величину Qтр необходимо
увеличивать в Кс ( 2—4) раз и для успешного приема необходимо
выполнение соотношения:
Qc>=Kc*Qтр
Результаты расчёта по формулам для Q c ид,Qc факт,Qтр, а также
проверка выполнения вышеуказанного условия приведены в следующей
таблице: