Оперативность, качество, доступные цены!
info@smart-sps.ru

Москва, ул. 6-я Радиальная, д.9​

Управление спутниковым спектром и анализ бюджета каналов

 

При таком большом количестве приложений, использующих космические технологии, часто возникает вопрос, как спланировать и спроектировать ВЧ восходящие и нисходящие линии связи между спутниками и наземными станциями. В этой статье мы рассмотрим  основы формирования каналов спутниковой связи, способы вычисления производительности приемников и передатчиков а также, способы обеспечения достаточного запаса между полученной и требуемой мощности несущей, т. е. Eb/N0, SNR или C/N0.

 

С точки зрения управления использованием спектра выбор несущей частоты продиктован видом связи, например TT&C, исследование Земли, дальний космос или коммерческая связь; направление передачи, т. е. Земля-космос или космос-Земля; Регламенты ITU, такие как максимально допустимая плотность потока мощности, требования CCSDS, скорость передачи или пропускная способность канала, спектральная перегрузка; возможности, охват и стоимость поддержки наземных станций; наличие лицензий. Чаще всего выбор несущей частоты основывается в первую очередь на стоимости!

 

Форматы кодирования, фильтрации основной полосы частот и модуляции влияют на максимальную занимаемую полосу пропускания, и они выбираются так, чтобы соответствовать назначенному диапазону частот. Например, передатчик TT&C со скоростью передачи данных 32 кбит/с номинально потребует ширины полосы пропускания информации 64 или 32 кГц при модуляции несущей с использованием BPSK или QPSK соответственно.

 

На рисунке 1 показана типовая линия связи между передатчиком и приемником, например, между космическим кораблем и наземной станцией, т.е. нисходящая линия связи, или между мобильным пользователем и спутником, т.е. восходящая линия связи. Электромагнитная волна излучается с помощью антенны, а приемная антенна принимает мощность несущей от входящей электромагнитной волны и передает ее на МШУ.

 


Рис. 1. Конфигурация спутникового канала

 

Передатчик питает антенну с усилением GT, передавая на приемник полную мощность PT. Если излучение изотропно, т. е. равномерно во всех направлениях, то плотность потока мощности, полученного на расстоянии r метров от источника, составляет: PT/ 4𝝅r2. На практике направленная антенна используется для максимизации передаваемой мощности в конкретном интересующем направлении, известном как опорная точка, в результате чего коэффициент усиления антенны и плотность потока принимаемой мощности составляют:

 

Изображение выглядит как текст

Автоматически созданное описание

 

Производительность передающей аппаратуры измеряется его эффективной изотропной излучаемой мощностью (EIRP) в W, определяется как PTGT. На своем пути излучаемая мощность сталкивается с потерями, включая ослабление в атмосфере и в дожде, эффекты изменения направления и поляризации, а также вносимые, согласованные и потери коэффициента шума в передающем и приемном оборудовании.

 

Приемник состоит из антенны с усилением GR в направлении передатчика, соединенной фидером с LNA. С учетом плотности потока мощности Ƒ на приемной антенне с эффективной площадью апертуры Aeff принимаемая мощность в Вт составляет:

 


Вышеупомянутое уравнение можно переписать как:

 

Изображение выглядит как текст

Автоматически созданное описание

которая известна как формула передачи Фрииса (Friis), включающая EIRP, усиление антенны и потери на трассе. Для заданных значений длины волны (или частоты) и расстояния мощность принимаемого сигнала PR можно увеличить тремя способами:

 

1. Повышением передаваемой мощности PT, однако для спутника будут установлены ограничения по физическим размерам и массе, основанные на общем доступном бюджете мощности космического корабля.

 

2. Увеличение усиления передающей антенны для более интенсивной концентрации мощности в направлении приемника. Большое значение GT требует большой антенны, однако на спутнике будут ограничения по физическим размерам и массе.

 

3. Увеличение усиления приемной антенны позволит ей собирать как можно больше излучаемой мощности. На спутнике будут ограничения по физическим размерам и массе.

 

Формула передачи Фрииса может быть выражена в dB как:

 


На входе приемника, мощность модулированной несущей, С, и все источники теплового шума системы, Т. Это обусловливает спектральную плотность мощности шума N0 на входе приемника, позволяя рассчитать характеристики линии связи C/N0. Характеристики приемного оборудования измеряются его добротностью, G/T, где G представляет собой общий коэффициент усиления приемного оборудования.

 

В канале космической связи приемник должен справляться с чрезвычайно слабыми входными сигналами из-за передачи на большие расстояния и ограничений по физическим размерам и массе антенн космических аппаратов. Мощность шума в приемнике должна быть минимизирована для достижения максимальной производительности и рассчитывается с использованием kTB, где k - постоянная Больцмана, T - шумовая температура системы и B - ширина полосы шума. Давайте разберем несколько примеров:

 

Пример 1: Полученная мощность по восходящей линии связи

 

Рассмотрим передающую антенну земной станции, оснащенную антенной диаметром 4 м, на которую подается мощность PT 100 Вт на частоте 10 ГГц. Антенна излучает энергию в направлении спутника GEO, находящегося в 42000 км от станции, на оси приемной антенны с эффективной площадью апертуры 1 м2:

 

EIRP передающей земной станции составляет PTGT = 20 dBW + 50,2 dBi = 70,2 dBW.

 

Плотность потока мощности на приемнике PTGT/4𝝅r2 = -93 dBW/m2.

 

Потери в свободном пространстве на расстоянии более 42000 км на частоте 10 ГГц составляют (4𝝅r/λ)2 = 204,9 dB.

 

Коэффициент усиления спутниковой приемной антенны GR = (4𝝅Aeff/λ)2 = 41,4 dB.

 

Принятая мощность несущей равна EIRP - затухание в свободном пространстве + усиление приемной антенны = 70,2 - 204,9 + 41,4 = -98,2 dBW, что эквивалентно 150,1 pW или 245 µV размаха для входного сигнала 50 Ом.

 

Если мы предположим Eb/N0 равным 10,5 dB, затуханием в фидере 3 dB, потерями на поляризацию и демодуляцию 1,5 и 2,5 dB соответственно, требуемое и полученное отношение C/N0 составит 53 dB и 101,2 dB соответственно, в результате чего запас прочности канала 48,2 dB.

 

С точки зрения правильного определения приемника, его входная чувствительность должна быть согласована с принимаемой мощностью несущей, чтобы гарантировать, что он может функционировать и обеспечивать требуемые характеристики. Минимальная требуемая чувствительность может быть рассчитана по минимальной мощности шума на основе коэффициента шума приемника и kTB. Результирующий запас линии связи получается вычитанием требуемого C/N0 из полученного C/N0, причем первое получается из целевого Eb/N0 или BER. Все приемники имеют динамический диапазон, который представляет собой отношение максимальной и минимальной мощности сигнала, для которой они предназначены.

 

Для линий uplink поставщики наземных станций обычно указывают мощность передачи, EIRP, частотный диапазон и поляризацию антенны, чтобы упростить планирование и анализ РЧ.

 

Пример 2: Полученная мощность по нисходящей линии связи

 

Рассмотрим передающую антенну спутника LEO, оснащенную патч-антенной диаметром 0,25 м, на которую подается мощность PT 10 Вт на частоте 1,5 ГГц. Он излучает энергию в направлении земной станции в 1000 км от космического корабля на оси приемной антенны с эффективной площадью апертуры 9 м2:

 

EIRP передающего спутника PTGT = 10 dBW + 9,2 dBi = 19,2 dBW.

 

Плотность потока мощности на приемнике PTGT/4𝝅r2 = -111,7 dBW/m2.

 

Потери в свободном пространстве на расстоянии более 1000 км на частоте 1,5 ГГц составляют (4𝝅r/λ)2 = 156 dB.

 

Коэффициент усиления спутниковой приемной антенны GR = (4𝝅Aeff/λ)2 = 34,5 dB

 

Полученная мощность несущей равна EIRP - затухание в свободном пространстве + усиление приемной антенны = 19,2 - 111,7 + 34,51 = -102,1 dBW, что эквивалентно 60,7 pW или 156 µV размаху для входного сигнала 50 Ом.

 

Если мы предположим Eb/N0 равным 10,5 dB, затуханием в фидере 3 dB, потерями на поляризацию и демодуляцию 1,5 и 2,5 dB соответственно, требуемое и полученное отношение C/N0 составит 62 dB и 97,3 dB соответственно, в результате чего положительный запас линии 35,2 dB.

 

Что касается правильного выбора передатчика транспондера, вам необходимо согласовать его выходную мощность на основе физических размеров и пределов массы, а также доступного бюджета мощности, чтобы гарантировать, что PT обеспечивает положительный запас линии для достижения требуемых характеристик. Цена, надежность и повторяемость также могут повлиять на закупку! Для нисходящих линий провайдеры наземных станций обычно указывают G/T, частотный диапазон, поляризацию антенны и максимальную скорость передачи данных, чтобы облегчить планирование и анализ РЧ.

 

Оба приведенных выше примера были упрощены, поскольку на практике необходимо учитывать и другие факторы, такие как формальные регулируемые ограничения на плотность потока мощности, внеполосные излучения и внеосевое EIRP.

 

Точное слежение за спутником увеличивает запас линии связи, а углы возвышения и азимута используются для определения местоположения космического корабля из точки на поверхности Земли. Азимут сообщает вам, в каком направлении смотреть, начиная с севера на 0°, востока на 90°, юга на 180° и запада на 270°, а высота указывает, как высоко в небе находиться объект, при этом 0° едва поднимается над горизонтом, а 90° (зенит) прямо над головой, как показано ниже:

 


Рис. 2. Иллюстрация углов места и азимута.

 

Высота влияет на усиление антенны, шумовую температуру и атмосферное затухание, и при анализе бюджета линии необходимо учитывать положение спутника по отношению к наземной станции / пользователю.

 

Источник: www.edn.com