Оглавление
Введение
. Задание
. Исходные данные
. Выбор типа модуляции
. Определение необходимой полосы частот
. Кодирование
. Выбор конкретной полосы частот
. Расчёт затухания в антенно-фидерных устройствах
. Расчёт потерь в атмосфере при минимальном угле места
. Расчёт суммарных потерь в тракте передачи
Нужна помощь в написании курсовой?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
. Расчёт мощности шумов на входе приёмной системы
. Расчёт коэффициента усиления антенны, дальности связи
. Расчёт отношения сигнал/шум
. Выбор оптимального варианта построения радиосистемы
Заключение
Список литературы
Введение
Любая система связи, в конечном счете, зависит от некоторых основных системных параметров, которые и определяют качество связи.
Так, для систем спутниковой связи это тип орбиты её космического сегмента и характеристики орбиты. B целом любая спутниковая система связи состоит из трёх сегментов: космического (или космической группировки), наземного (наземные станции обслуживания, станции сопряжения), и пользовательского сегмента (непосредственно терминалы, находящиеся у потребителя).
По типу используемых орбит спутниковые системы связи делятся на два класса:
Системы со спутником на геостанционной орбите (GЕО) (высота 36 000 км; количество спутников для GEO-группировки — 3, один спутник покрывает 34% земной поверхности, задержка при передачи речи для глобальной связи — 600 мс) и негеостанционные.
Негеостанционные спутниковые системы в свою очередь подразделяются на: средневысотные MЕО (высота 5000-15000 км; количество космических аппаратов 8-12; зона покрытия одним спутником 25-28%; задержка при передаче речи 250-400 мс) и низкоорбитальные LЕО (высота — 300-2000 км; количество космических аппаратов — 48-66; зона покрытия одним спутником- 3-7%; задержка при передачи речи для глобальной связи 170-300 мс).
Нужна помощь в написании курсовой?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
Большинство существующих спутниковых систем связи имеют геостанционные группировки спутниковых группировки, что легко объяснимо: небольшое количество спутников, охват всей земной поверхности. Однако большая задержка сигнала делает их применимыми, как правило, только для радио- и телевещания. Для систем радиотелефонной связи большая задержка сигнала крайне не желательна, так как приводит к плохому качеству связи и повышению стоимости пользовательского сегмента. Поэтому первоначально большинство спутниковых систем связи обеспечивали в основном фиксированную спутниковую связь (связь между стационарными объектами), и лишь с внедрением цифровых методов связи и запуском негеостанционных космических аппаратов широкое развитие получила подвижная спутниковая связь. Современные системы подвижной спутниковой связи совместимы с традиционными наземными системами подвижной связи (в первую очередь — с цифровыми сотовыми), и взаимодействие сетей подвижной спутниковой радиосвязи с телефонной сетью общего пользования возможна на любом уровне (местном, внутризоновом, междугородном).
Рисунок 1. Схема спутниковой системы связи
данной пояснительной записке к проектированию приведён пример энергетического расчёта спутниковой линии связи, расчёт основных проектных параметров системы передачи информации с космического аппарата (КA) на наземный пункт, с характеристиками в соответствии с индивидуальным заданием. Основной особенностью спутниковых линий является наличие больших потерь сигнала, обусловленных затуханием его энергии на трассах большой физической протяжённости.
Помимо этого основного затухания в пространстве, сигнал в линиях спутниковой связи подвержен влиянию большого числа других факторов, таких как поглощение в атмосфере, рефракция и т.д. С другой стороны на приёмное устройство КА и наземной станции кроме собственных флуктуакционных шумов воздействуют разного рода помехи в виде излучения из космоса, планет. Поэтому необходим учёт различных факторов, который позволяет осуществить оптимальное проектирование радиосистемы, обеспечить её уверенную работу и, в тоже время исключить излишние энергетические запасы, приводящие к неоправданному увеличению сложности земной и бортовой аппаратуры.
Основной целью проектирования является закрепление и углубление знаний, полученных при изучении сетей и систем радиосвязи, решение конкретной задачи проектирования системы.
1. Задание
В проекте требуется рассчитать основные параметры системы передачи информации с космического аппарата на сеть наземных станций. Для чего необходимо:
Выбрать и обосновать тип модуляции.
Определить необходимую полосу частот с учётом скорости передачи и типа модуляции.
В соответствии с регламентом связи выбрать конкретную полосу частот, при этом указать в каком диапазоне она находится, дать описание диапазона.
Рассчитать затухание в антенно-фидерных устройствах с учётом длины фидера и частотного диапазона.
Определить потери в атмосфере для частотного диапазона при минимальном угле места.
Нужна помощь в написании курсовой?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
Определить суммарные потери во всём тракте передачи.
Найти мощность шумов на входе приёмной системы
Рассчитать коэффициенты усиления антенны (передающей и приёмной).
Решить уравнение связи и выбрать оптимальный вариант построения системы.
2. Исходные данные
скорость передачи информации5 Мбит/с;
средняя вероятность ошибки на битне более 10-6;
орбита — круговая, высота300 км;
диаграмма направленности передающей антенны должна обеспечивать равную плотность потока мощности сигнала в каждой точке подспутниковой зоны (зоны радиовидимости);
диапазон частот7-8 ГГц (выбрать по РС);
длина фидерного тракта (борт)1,5 м;
длина фидерного тракта (земля)4,5 м;
рабочие углы места системыболее 10о;
Нужна помощь в написании курсовой?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
эквивалентная шумовая температура приемного тракта — определить самостоятельно;
Выбрать и обосновать тип модуляции, необходимость применения, вид и эффективность кодирования.
3. Выбор типа модуляции
Как известно, значение параметра h2 зависит от расстояния между сигналами или кодовыми комбинациями ансамбля, избыточности и основания кода. При этом повышение избыточности и основания кода приводят к выигрышу по h2, но сопровождаются увеличением полосы частот, занимаемой сигналами.
Для системы с ограниченной мощностью, где имеется достаточная полоса пропускания, но есть дефицит мощности (например, системы космической связи) возможны следующие компромиссы: 1) уменьшение Рв за счёт полосы пропускания при фиксированном Еb/N0; 2) снижение Еb/N0 за счёт полосы пропускания при фиксированной Рв.
Исходя из того что проектная скорость не велика (5 Мб/с), и необходимое значение отношения сигнал/шум может достигаться при относительно малых значениях мощности передатчика. Проведя сравнение двух типов модуляций: квадратурно-амплитудного и квадратурно-фазовой-выбор остановился на последней, ввиду того что при одних и тех же вероятностях ошибки данный тип модуляции требует меньшие показатели отношения сигнал/шум. Частотная модуляция не рассматривалась ввиду того, что при её использовании увеличивается требуемая полоса частот.
Рисунок 2. Сравнение квадратурно-амплитудной и квадратурно-фазовой модуляции
Дальнейшее сравнение видов квадратурно-фазовых модуляций показало, что самым оптимальным видом является дифференциальная квадратурная фазовая модуляция с шагом π/4 (π/4-DQPSK), так как занимаемая им полоса минимальна (Ткс=2Тс) и равна 5 МГц и требуемые показатели сигнал/шум также являются минимальными. Исходя из всего этого, можно сделать вывод, что необходимое значение отношения сигнал/шум для передачи информации с заданным качеством равно 11дБ.
Рисунок 3. Сравнение видов квадратурно-фазовых модуляций
Рисунок 4. Дифференциальная квадратурная фазовая модуляция
4. Определение необходимой полосы частот
Необходимая ширина полосы частот (НШП) — это ширина полосы частот, которая достаточна при данном классе излучения для обеспечения передачи сообщений с необходимой скоростью и качеством при определённых условиях.
Полоса частот по Найквисту, необходимая для передачи сигнала при отсутствии межсимвольной интерференции равна:
где Т- длительность канального импульса (Ткс).
Нужна помощь в написании курсовой?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
Так как в нашем случае при π/4-DQPSK модуляции Ткс=2Тс, то необходимая ширина полосы частот равна 5 Мгц.
модуляция радиосистема кодирование наземный 5. Кодирование
Так как требуемая проектная скорость не велика, и выбранный вид модуляции способен обеспечить заданное качество передачи информации, то от кодирования решено было отказаться в виду усложнения, и, следовательно, удорожания проекта при его применении.
6. Выбор конкретной полосы частот
В соответствии с Регламентом Связи выберем диапазон частот, в котором будет работать проектируемая система. По заданию этот диапазон должен находиться в пределах 7-8 ГГц. Возьмём диапазон в который укладывается рассчитанная НШП, равный 7,25-7,30 ГГц. Этот диапазон предназначен для фиксированной, фиксированной спутниковой (космос — Земля) и подвижной связи.
В соответствии с Регламентом Связи данное излучение будет иметь обозначение: 5М00G1DDN
Пятый символ — тип модуляции. G — фазовая модуляция.
Шестой символ — характер сигнала модулирующего основную несущую, 1 — Один канал, содержащий квантованную или цифровую информацию без использования модулирующей поднесущей.
Седьмой символ — тип передаваемой информации, D — Передача данных, телеметрия, телеуправление
Восьмой символ — подробная информация о сигнале, D — Четырехпозиционный код, в котором каждая позиция представляет элемент сигнала (из одного или нескольких бит)
Девятый символ — характер уплотнения, N — без уплотнения.
7. Расчёт затухания в антенно-фидерных устройствах
Затухание в АФУ определим, пользуясь справочником. В качестве фидеров будем использовать прямоугольный волновод. Так как сигналы будут передаваться в диапазоне 7,25-7,30ГГц, то интервал рабочих длин волн будет 4,11-4,14 см. Данный волновод имеет размеры 2,85х1,25 см. Коэффициент полного затухания такого волновода равен: а=0,073 дБ/м.
В соответствии с исходными данными длины фидерных линий lз=4,5м (для земной приёмной антенны) и lб=1,5м (для бортовой передающей антенны). С учетом этого затухание в АФУ:
Нужна помощь в написании курсовой?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
8. Расчёт потерь в атмосфере при минимальном угле места
В диапазоне частот, выделенных для спутниковых систем связи влияние атмосферы проявляется в виде ослабления (поглощения) радиоволн в тропосфере и ионосфере, искривления траектории луча в результате рефракции изменения формы и вращения плоскости поляризации радиоволн и появления помех, обусловленных тепловым излучением атмосферы и шумами поглощения.
Установлено, что в диапазонах частот свыше 500 МГц основное поглощение осуществляется тропосферой, а точнее, газами тропосферы: кислородом, водяными парами, а также дождём и прочими гидрометеорами.
Поглощение в спокойной (невозмущённой) атмосфере без гидрометеоров определяется величиной Lа. Данное поглощение представляет собой как бы постоянную составляющую потерь, имеющих место в течение 100% времени. Для разных диапазонов частот, минимальных углов места значение этого параметра будет разным.
Рисунок 5. Частотная зависимость поглощения радиоволн в спокойной атмосфере
Рисунок 6. Зависимость поглощающей способности земной атмосферы от длины волны
Воспользуемся приведёнными графиками зависимости поглощения радио волн в спокойной атмосфере от частоты при различных углах места антенны земной станции, определим величину Lа. Для диапазона 7 ГГц и угла места приёмной антенны 10о получим Lа=3 дБ.
Оценка затухания в гидрометеорах оказывается задачей более сложной, чем в спокойной атмосфере, поскольку величина поглощения Lд зависит от вида гидрометеоров (дождь, снег туман), интенсивности осадков, размеров зоны их выпадения и распределения интенсивности по зоне. Наибольшее ослабление вносят жидкие гидрометеоры (дождь, туман, мокрый снег), ослабление в твёрдых структурах (град, сухой снег) значительно меньше. Наличие взвешенных частиц — аэрозолей, практически не влияет на поглощение сигнала и в обычных условиях не учитываются. На основании изложенной методики можно определить затухание радиоволн в дожде не превышаемое в течение заданного процента времени года или наихудшего месяца.
Рисунок 7. Зависимость поглощения радиоволн в тумане и дожде от частоты
Из приведённого графика зависимости затухания в дожде Lд от частоты при вероятности Тд=0.1% определим значение Lд для диапазона 7ГГц. Lд=0.4дБ.
Потери из-за неточности наведения антенны Lн так же, как и Lд носят случайный характер.
Данные потери определяются угловыми отклонениями оси главного лепестка диаграммы направленности от истинного направления на ИСЗ, а также шириной и формой этого лепестка.
Примем, что погрешность направления диаграммы направленности не превышает ширины её диаграммы направленности по уровню половинной мощности, следовательно, потери не будут превышать 3дБ, т.е. Lн=3дБ.
Нужна помощь в написании курсовой?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
Дополнительные потери в атмосфере, обусловленные влиянием рассмотренных выше факторов, определим как:
Lдоп= Lа + Lд + Lн, дБ,
Таким образом, получим величину дополнительных потерь, равную:доп = 3+0,4+3 = 6,4дБ.
9. Расчёт суммарных потерь в тракте передачи
Суммарные потери во всём тракте передачи информации исключают потери, связанные со свободным распространением радиоволн в вакууме, и включают в себя потери в АФТ и дополнительные потери в атмосфере:
Рассчитанные по данной формуле суммарные потери будут равны:
Округлим получившееся значение до 7дБ и переведём дБ в разы, учитывая, что эти потери являются отрицательными:
10. Расчёт мощности шумов на входе приёмной системы
В диапазонах частот, где работают спутниковые системы шумы, создаваемые различными источниками, имеют аддивный характер, поэтому суммарная мощность достаточно полно выражается формулой:
Где k — постоянная Больцмана, k=1.38∙10-23 Дж/К;
Т — эквивалентная шумовая температура внутренних и внешних шумов;
Δf — эквивалентная шумовая полоса приёмника.
Дадим количественную характеристику величин, входящих в эту формулу. Эквивалентная шумовая полоса приёмника — это и есть наша рабочая полоса частот, т.е. НШП, рассчитанная в пункте 4. Таким образом: Δf =5,0МГц.
Полная эквивалентная шумовая температура приёмной системы, состоящей из антенны, волнового тракта, и собственно приёмника, пересчитанная к входу МШУ (малошумящего усилителя) примем равной 273 К.
Нужна помощь в написании курсовой?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
Исходя из этого, определим мощность шумов на входе приёмной системы:
Рш =1,38∙10-23∙273∙106 =3,76∙10-15
11. Расчёт коэффициента усиления антенны, дальности связи
Коэффициентом усиления антенны называется отношение квадрата напряжённости электрического поля, создаваемой в данном направлении к квадрату напряжённости поля, создаваемого воображаемым абсолютно ненаправленным излучателем.
Коэффициент усиления передаточной антенны показывает во сколько раз квадрат направленности поля, создаваемый антенной в данной точке приёма, превышает квадрат напряжённости поля, создаваемый в той же точке эталонной антенной с КПД=1.
В нашей системе необходимо применить такое бортовое передающее антенное устройство, которое бы обеспечило равную плотность потока мощности в любой точке подспутниковой зоны связи в пределах радиовидимости. Для расчёта максимальной дальности связи воспользуемся формулой:
,
где R=6371км (радиус Земли), Н=300 км (высота круговой орбиты), α=10о (минимальный рабочий угол места). RCB=2537 км.
Т.к. плотность потока мощности у поверхности Земли определяется выражением:
Коэффициент усиления антенны должен быть пропорционален квадрату дальности для любой подспутниковой точки. Такая диаграмма направленности называется воронкообразной.
Запишем известное выражение коэффициента направленного действия антенны:
— Величина отклонения оси от надира; φ — азимут.
При этом диаграмма направленности описывается выражением:
Перемножив D и DDD, получим выражение для коэффициента усиления антенны в зависимости от угла α
Нужна помощь в написании курсовой?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
=D∙DDD
получаем G = 1,25
Для дальнейших расчётов нам потребуется значение Эффективной площади приёмной антенны, т.е. площадь, которая максимально используется при приёме антенной потока мощности.
прм- диаметр приёмной антенны, v — коэффициент использования поверхности антенны.
Коэффициент использования поверхности антенны равен 0,4, диаметр приёмной антенны возьмём 0,5м, тогда: Sэф=0,246
12. Расчёт отношения сигнал/шум
Для решения задачи, связанной с оптимизацией спутниковых систем, будем пользоваться основным уравнением радиосвязи для одного участка передачи:
где Р — мощность передающего устройства, G — коэффициент усиления передающей антенны, R — максимальная дальность связи.
Все величины, входящие в состав данного выражения мы вычислили в предыдущих пунктах курсового проекта. Мощность передающего устройства примем равной 20Вт.
Переведём в дБ:
h2 =15,856 дБ.
Значение данного соотношения сигнал/шум удовлетворяет теоретическому условию (11дБ), при котором осуществляется передача информации с заданным уровнем качества, следовательно, система с такими параметрами будет жизнеспособна.
13. Выбор оптимального варианта построения радиосистемы
Расчёт энергетического потенциала системы достаточность требуемого уровня отношения сигнал/шум для заданной вероятности ошибочного приёма в канале, что позволяет обойтись без помехоустойчивого кодирования. В целях более экономичного использования системы радиосвязи подберём наиболее оптимальный вариант реализации, который позволит работать при той же вероятности ошибки.
Нужна помощь в написании курсовой?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
Рассмотренные варианты сведём в таблицу.
Таблица 1.
Параметр | Вариант 1 | Вариант 2 | Вариант 3 | Вариант 4 | Вариант 5 |
Диаметр приёмной антенны, м | 0,5 | 0,5 | 0,25 | 0,75 | 1 |
Излучаемая мощность передающей антенны, Вт | 20 | 10 | 30 | 5 | 2 |
Отношение сигнал/шум | 38,515 | 19,257 | 14,443 | 21,665 | 15,406 |
Отношение сигнал/шум, дБ | 15,856 | 12,846 | 11,579 | 13,357 | 11,877 |
Запас по мощности | 3,059 | 1,53 | 1,147 | 1,721 | 1,224 |
Запас по мощности, дБ | 4,856 | 1,846 | 0,597 | 2,357 | 0,877 |
Выбор варианта зависит от параметра, за счёт которого решено производить оптимизацию. Если необходимо максимально уменьшить диаметр приёмной антенны, то целесообразно использовать систему с параметрами Варианта №3, если необходимо добиться минимальной мощности передатчика — то Вариант №5. Но самым оптимальным вариантом является Вариант №2, так как здесь максимальные показатели запаса мощности достигаются при минимальных значениях параметров самой системы.
Заключение
В процессе выполнения данного проекта был произведён расчёт основных проектных параметров системы передачи, выбран оптимальный метод модуляции. Решено уравнение связи с учётом возможных потерь. Также была проведена оптимизация рассматриваемой системы.
Список литературы
1. Спутниковая связь и вещание: Справочник — под редакцией Кантора Л.Я. — Москва, 2008г.
. Справочник по элементам волноводной техники — Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р., Смирнов В.П. — Москва, 2012г.
. Антенно-фидерные устройства: Учебник — под редакцией Кочержевского Г.Н. — Москва, 2012г.
. Регламент радиосвязи РФ — Москва, 2009г.
. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение: Учебник — Бернард Скляр — Москва, 2013г.