Системы спутниковой связи

Министерство образования Российской Федерации

Ульяновский Государственный Технический Университет

Кафедра: Радиотехника

КУРСОВАЯ РАБОТА

Спутниковая система связи

выполнил: студент гр.РТд-53

Овсянников М.С.

проверил: Анисимов В.Г.

Ульяновск 2005г.

Содержание.

 TOC o "1-2" h z u 1.Введение   h 2

2. Разработка структурной схемы и описание работы системы спутниковой связи. h 3

2.1. Разработка структурной схемы и описание работы наземных приёмно-передающих станций. h 4

2.2. Разработка структурной схемы и описание работы ИСЗ. h 10

3. Расчётная часть. h 15

4. Заключение   h 19

5. Список литературы    h 20

1.Введение

Спутниковая связь широко распространена в мире и используется для создания международных и национальных сетей связи, передачи данных на основе малых земных станций, установленных непосредственно у потребителя, многопрограммного телевизионного вещания с индивидуальным приемом.

Вообще, системы спутниковой связи дороже наземных. Необходимо подчеркнуть, что проблема спутниковой связи и вещания имеет несколько важных аспектов. В первую очередь–технический аспект, который предусматривает создание и вывод на орбиту многоствольных спутников-ретрансляторов с узконаправленными антеннами, создание земных передающих пунктов, производство простых приемных устройств массового пользования. Решение таких технических задач требует применения самых современных технологий и средств космической техники.

Важную роль играет экономический аспект. Поскольку средства связи и вещания являются массовыми и в зависимости от размеров зоны обслуживания могут содержать миллионы наземных приемных устройств. Поэтому важное значение придается экономической оптимизации, которая позволяет сделать земные средства связи и распределения телевизионных программ наиболее эффективными и недорогими и таким образом снизить затраты на создание всей системы.

Третий аспект–международный. При создании практически любой национальной системы спутниковой связи (вещания) не удается локализовать ее деятельность только внутри зоны обслуживания. Наиболее важна и необходима международная координация спутниковых систем, которая предусматривает четко спланированное использование геостационарной орбиты и регламентация ряда параметров искусственных спутников Земли (ИСЗ) и земных станций, которые влияют на электромагнитную совместимость с другими службами и системами.

2. Разработка структурной схемы и описание работы системы спутниковой связи.

По условию задания на курсовую работу нам необходимо реализовать спутниковую систему связи, которая обеспечивала многостанционный доступ наземных станций с временным разделением каналов на борту ИСЗ, с временным уплотнением каналов в передающих наземных станциях с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ) сигналов от каждого источника сообщений в передающей станции. Число источников сообщений в каждой станции N_ИСТ=3, а число приёмо-передающих станций N_СТ=2.

Многостанционный доступ представляет собой специфическую особенность спутниковой связи, выгодно отличающую её от других видов связи и позволяющую существенно повысить эффективность использования стволов спутникового ретранслятора.

Под многостанционным доступом понимают возможность обращения (доступа) нескольких земных станций к одному спутниковому ретранслятору, при котором все станции могут одновременно передавать через этот ствол свои сигналы. Характерное для многостанционного доступа условие одновременной ретрансляции через общий ствол спутника нескольких сигналов предъявляет серьезные требования к методам передачи и разделения этих сигналов. Из-за неидеальности характеристик реальных трактов (ограничения полосы частот, нелинейности амплитудных и фазовых характеристик и т.п.) неизбежно возникают взаимные помехи между сигналами, ухудшающие качество их разделения и приема земными станциями.

В общем смысле задача выбора наилучшего метода МД состоит в том, чтобы найти ансамбль сигналов ортогональных или близких к ортогональным, при которых энергетические показатели ретранслятора (мощность и полоса частот) использовались бы наиболее полно, а уровень взаимных помех между сигналами был бы наименьшим и оказывал минимальное влияние на разделимость и помехоустойчивость приема каждого из сигналов.

Известны три основных способа формирования ансамбля ортогональных сигналов, основанные на разделении сигналов по частоте, времени и форме. Каждый из них имеет специфические особенности и порождает специфические эффекты при многостанционной работе. В конечном счете все эти эффекты приводят к уменьшению пропускной способности ствола ретранслятора при многостанционном доступе по сравнению с односигнальным режимом работы.

2.1. Разработка структурной схемы и описание работы наземных приёмно-передающих станций.

Согласно техническому заданию нам необходимо реализовать в наземных станциях временное уплотнение каналов, с импульсно-кодовой модуляцией сигналов от каждого источника сообщений в передающей станции. Число источников сообщений в каждой станции N_ИСТ=3, а число приёмо-передающих станций N_СТ=2.

В подобных системах пропускная способность ретранслятора распределяется по каналам путем организации многостанционного доступа с частотным уплотнением (МДЧУ). Все каналы системы, кроме одного служебного, динамически перераспределяются по запросам станций.  Служебный канал используется по способу МДВУ. Таким образом, каждой станции в кадре служебного канала постоянно выделяется один временной сегмент. Когда на интерфейс ЗС по  линии наземной связи поступает новый запрос на соединение (вызов), эта станция посылает в собственном сегменте служебного канала требование на выделение двухстороннего канала, т.е.  пары каналов из совокупности перераспределяемых каналов МДЧУ. При наличии хотя бы  одного свободного канала между вызывающей и вызываемой станциями устанавливается  полная дуплексная связь. По окончании соединения любая из пары станций освобождает канал путем посылки сигналов в собственном сегменте служебного канала.

 В системе с МДВУ каждому каналу в пределах кадра, длительностью 125 мкс при скорости  передачи данных 64 кбит/с выделяется временной сегмент, вмещающий 8 бит цифрового  сигнала речи, полученного путем импульсно кодовой модуляции (ИКМ). В каждом кадре каналы  распределены на группы, причем каждой абонентской станции выделена своя группа.  Количество каналов в каждой группе периодически перераспределяется, так что ЗС с большой нагрузкой могут использовать большое количество каналов.

Обе системы эффективны при телефонной связи, для обслуживания которой они и были предназначены, поскольку длительность телефонного разговора, как правило, значительно превышает время, необходимое для выделения нового канала. Однако при пульсирующем трафике, требующем кратковременного занятия каналов, эти системы не позволяют значительно повысить эффективность использования каналов.

Многостанционный доступ с частотным раз­делением (МДЧР), обладая рядом несомненных преимуществ, тем не менее наделен и существенным недостатком, заключающимся в необходимости обес­печения квазилинейного режима выходного мощного каскада ретранслятора. При этом рабочая точка каскада оказывается обычно на 4... 6 дБ ниже точки, соответствующей режиму максимальной мощности. Столь заметное недоисполь­зование энергетического потенциала радиолинии существенно снижает пропуск­ную способность системы связи и соответствующим образом ухудшает ее эко­номические показатели. Этого недостатка практически лишен метод многостан­ционного доступа с временным разделением каналов (МДВР). Требуемая при многостан­ционном доступе ортогональность сигналов различных станций достигается тем, что каждой станции сети для излучения сигналов выделяется определенный, периодически повторяемый временной интервал, длительность которого в общем случае определяется трафиком станции. Интервалы излуче­ния всех станций взаимно синхронизированы, в силу чего перекрытие их не происходит. Интервал времени, в течение которого все станции сети по одному разу излучают свой сигнал, называется кадром, а длительность пакета, излу­чаемого одной станцией, называется субкадром. Такая система позволяет ис­пользовать ретранслятор в режиме, близком к режиму максимальной мощ­ности, так как в каждый момент через ретранслятор проходит сигнал только одной станции и отсутствует проблема интермодуляционных помех, являющая­ся одной да основных причин снижения пропускной способности системы при частотном многостанционном доступе. Аналогично тому, как при МДЧР эф­фективность использования полосы пропускания ствола определяется необхо­димостью введения определенных частотных зазоров между отдельными моду­лированными несущими, так при МДВР эффективность использования време­ни работы ретранслятора определяется необходимостью введения защитных временных зазоров между субкадрами, гарантирующими отсутствие их пере­крытия при неидеальной работе системы межстанционной синхронизации, и не­обходимостью введения ряда дополнительных сигналов.

На рис.1 представлено распределение канальных импульсов для 24 канальной системы.

рис.1 Структура сигналов при временном разделении.

где Т – тактовый интервал;

       Т_k – межканальный временной интервал.

Межканальный временной интервал составляет:

                                               Т_k = Т/n

Первый канальный импульс в тактовом периоде является маркерным. Он принадлежит каналу синхронизации. Маркерный импульс имеет особую форму, передается вместе с канальными импульсами. Он несет «информацию» о времени начала цикла (такта) и, будучи принятым, заставляет Работать канальные распределители импульсной последовательности приемной части синфазно с канальным распределителем передающей части корреспондента. Это обеспечивает временное соответствие принятых канальных импульсов и передаваемых канальных импульсов корреспондента.

Структурная схема передающей части многоканальной системы с ИКМ и временным разделением каналов приведена на рис.2.

рис.2 Структурная схема передающего тракта наземной станции.

И₁, И₂, И₃ – первый, второй и третий источники сообщения наземной станции;

ДК₁, ДК₂, ДК₃ – устройства канальной дискретизации 1-го, 2-го и 3-го каналов;

РИК – распределитель импульсов каналов;

ЗГ – задающий генератор;

å – суммирующее устройство 1-го, 2-го  и 3-го каналов наземной станции;

К_Д – кодер;

ФХИ – формирователь хронизирующих импульсов;

ПЕР – блок передающих усилителей наземной станции;

На передаче сообщения от источников (И₁, И₂, И₃) подаются на устройства канальной дискретизации (ДК₁, ДК₂, ДК₃). Дискретизация по времени осуществляется с частотой, задаваемой распределителем импульсов каналов (РИК). Отсчеты сигналов сдвинуты во времени на канальный интервал

Т_k = Т/n, где Т – период повторения канальных импульсов, его величина определяется теоремой Котельникова; n – число каналов.

         В дискретизаторе осуществляется амплитудная модуляция канальных импульсов сигналов соответствующего источника сообщения. Амплитудно-модулированные импульсные последовательности каналов объединяются в сумматоре, образуя групповой сигнал (рис.3).

рис.3 Групповой сигнал в сумматоре.

Групповой сигнал с АИМ приведен для двух каналов, чтобы не загромождать рисунок и не потерять сущность.

         Далее канальные импульсы АИМ кодируются в кодере (К_Д), где в соответствии со значением амплитуды импульсов в точках отсчета формируется m-разрядная кодовая группа. Управление кодером производится импульсами, вырабатываемыми в формирователе хронизирующих импульсов (ФХИ). хронизирующие импульсы по существу являются стробирующими. Они по времени совпадают с соответствующими канальными импульсами, а их длительность равна канальному интервалу Т_k, т.е. длительности кодового слова плюс защитный интервал между каналами.

         ФХИ формирует также сигналы цикловой синхронизации (СЦС). Во втором сумматоре объединяются в единую двоичную последовательность групповой сигнал с ИКМ и CWC/ время полного цикла двоичного группового сигнала равно Т_Ц = Т.

         Структура цикла 3-канальной системы с ИКМ для случая пятиразрядной кодовой группы приведена на рис.4.

рис.4 Структура цикла 3-канальной системы с ИКМ.

Один из канальных интервалов отводится для передачи синхросигнала, поэтому общее число канальных интервалов в Т_Ц равно n+1, т.е. в нашем случае равно 4.

         В передатчике осуществляется вторая ступень модуляции ВЧ колебания, сформированной многоканальной импульсной последовательностью.

Структурная схема приёмного тракта наземной станции представлена на рис.5.

рис 5. Структурная схема приёмного тракта наземной станции.

ПР – блок приёмных усилителей наземной станции;

РГ – устройство регенерации по видео;

УР – устройство разделения;

ЗГ – задающий генератор;

УС – устройство синхронизации;

ДКД – декодер;

РИК – распределитель импульсов каналов;

КС₁,КС₂,КС₃ – канальные селекторы;

ФНЧ – фильтр нижних частот;

П₁, П₂, П₃ – приёмники сообщений наземной станции;

         При приеме сигнал демодулируется в приемнике (ПР), восстанавливается в устройстве регенерации по видео (РГ), и далее видеопоследовательность поступает в устройство разделения (УР), где происходит разделение кодовых комбинаций каналов цикловой синхронизации и информационных каналов. Синхросигналы управляют работой задающего генератора тракта приема, вырабатывающего управляющие импульсы для декодера и распределителя импульсов каналов (РИК).

         Канальные кодовые группы преобразуются в декодере в квантованные многоуровневые импульсы. На детектор подаются управляющие импульсы с задающего генератора, их временное положение и длительность совпадают с кодовой канальной группой, таким образом с детектора снимаются импульсные последовательности АИМ, распределенные по времени (рис.3). число последовательностей равно числу каналов. Далее импульсные последовательности АИМ поступают на канальные селекторы (КС), где происходит разделение каналов по времени. Восстановление непрерывных сообщений в каналах осуществляется с помощью фильтров (ФНЧ).

         Далее полученные сигналы передаются каждый на свой приемник сообщений (П₁, П₂, П₃).

         Высокая помехоустойчивость цифровых систем с ИКМ обеспечивается за счет регенерации импульсов. В системах с ретрансляцией при восстановлении первоначальной формы импульсов на выходе каждого регенератора сохраняется одно и тоже отношение сигнал/шум, т.е. практически не происходит накопление шумов.

         Точность передачи непрерывных сообщений с помощью ИКМ можно повысить за счет квантования с неравномерным шагом, предсказанием (ДИКМ) и за счет создания избыточного кода.

2.2. Разработка структурной схемы и описание работы ИСЗ.

Большинство национальных и региональных систем и сетей спутниковой связи и вещания космических станций, как правило, содержит ИСЗ (или несколько) находящийся в постоянной работе, и резервный спутник (или несколько), находящийся в той же (или соседней) орбитальной позиции.

ИСЗ состоит из: космической платформы и полезной нагрузки. В случае геостационарных спутников конфигурация ИСЗ тесно связана с радиотехническими и конструктивными параметрами полезной нагрузки, что накладывает на космическую платформу ряд требований: высокая степень удержания и устойчивость положения; высокая точность наведения антенн; большой срок службы на выделенной орбитальной позиции; отвод (рассеяние) тепла, выделяемого полезной нагрузки, в свободное пространство; подвод электрической энергии от системы батарей к полезной нагрузке; обеспечение (если предусмотрено) возможности работы в тенях. Основные части ИСЗ следующие: собственно конструкция; система терморегулирования; система регулирования положения и орбиты (т. е. система стабилизации ИСЗ на геостационарной орбите); система определения дальности (командная и телеметрическая); апогейный двигатель. Конструкция ИСЗ должна выдерживать статические и динамические нагрузки, возникающие при запуске ракеты-носителя; статические и динамические нагрузки, вызванные пуском апогейного двигателя и различного рода орбитальные возмущения.

Динамические нагрузки, вызываемые работой стартовой установки, очень велики и состоят из механических и акустических ударов и вибраций, связанных с работой двигателя и возникающих в процессе движения.

Обычно конструкция ИСЗ условно делится на две части: главную и вспомогательную (или обеспечивающую).

Главную конструкцию, или корпус, на ИСЗ выполняют из легких алюминиевых сплавов, она содержит простую оболочку цилиндрической или конической формы с рамой или ребрами жесткости и различные фасонные опоры и перекладины для ячеистых панелей и плоскостей антенн и других устройств.

Вспомогательная конструкция (платформа) включает в свой состав, например, панели солнечных генераторов (батарей) и антенных рефлекторов, и выполняют ее обычно из сложных материалов (например, угольное волокно, эпоксидная резина) высокой жесткости и с низким коэффициентом расширения, с одновременным учетом минимизации массы и в совокупности со стойкостью и способностью сохранить размеры при значительных перепадах температур.

Система терморегулирования поддерживает температуру ИСЗ в пределах, подходящих для нормального функционирования ПН, и другой, обеспечивающей функционирование ИСЗ на орбите, аппаратуры.

В космосе теплопередача происходит главным образом в результате излучения в вакуум. Для приборов ИСЗ она происходит через их конструктивную связь с внешними излучающими радиаторами, постоянная освещенность которых сильно ограничивает емкость теплопередачи. Внешние источники тепловой энергии, воздействующие на ИСЗ, — это тепловое излучение Солнца и Земли, а также отраженная от освещенной части Земли солнечная радиация (альбедо). Эти воздействия имеют различные спектральные и геометрические характеристики и поэтому по разному поглощаются (воспринимаются) поверхностью спутника.

Для геостационарных ИСЗ тепловая окружающая обстановка определяется следующими условиями: земной тепловой поток и альбедо незначительны; максимальная продолжительность периодов тени доходит до 70 мин/сутки; северная и южная стороны ИСЗ попеременно находятся в тени (до шести месяцев в году) и освещаются Солнцем на относительно низких углах (до 23° для других шести месяцев); в случае трехосной стабилизации боковые стороны ИСЗ по разному освещаются Солнцем в течение суток.

Кроме того, полезная нагрузка состоит, как правило, из подсистем с сосредоточенным (локализованным) тепловыделением (например, мощные усилители на ЛБВ, клистронах и т. п.).

Решение задач терморегулирования в трудных условиях обеспечивают принятые специальные конструктивно-технологические меры, а именно: использование жесткозакрепленных оптических солнечных отражателей, специальных материалов для создания легких поверхностей с высокой теплопроводностью (бериллий, магний), методов специального теплового кондиционирования для южной и северной сторон, в некоторых случаях ЛБВ с коллектором прямого излучения и/или с помощью тепловых труб и ограничение температурных перепадов на антеннах путем использования специальных покрытий.

Ещё одной важной характеристикой спутника является – срок его службы, его увеличение, достигнутое за последние годы, обусловлено внедрением твердотельных схем и усилителей, многократным дублированием (резервированием) ЛБВ и клистронов выходных устройств, появлением водородно-никелевых аккумуляторов и совершенствованием системы удержания ИСЗ на орбите.

Последнее стало возможным благодаря появлению двухкомпонентного топлива и электротермических корректирующих двигателей. Создание ионных двигателей позволит еще более повысить срок службы спутников (вплоть до 20 лет), одновременно уменьшая массу системы коррекции.

Внедрение перечисленных выше технических усовершенствований в технику ИСЗ уже сегодня привело к существенному увеличению времени его нахождения на орбите. Сейчас срок службы ИСЗ в первую очередь ограничивается износом систем коррекции орбиты и энергоснабжения, что объясняется деградацией солнечных элементов и потерей емкости аккумуляторов. За последние 20 лет срок службы спутников возрос с 18 месяцев до 3...5 лет, а потом и до 7 лет. Намечается переход к эксплуатации спутников с 10-летним жизненным циклом.

Основным элементом спутника является бортовой ретранслятор (БРТР) – радиотехническое приемопередающее устройство, устанавливаемое на ИСЗ и предназначенное для приема сигналов от передающей земной станции (одной или нескольких), их усиления и дальнейшей передачи в направлении приемной земной станции (одной или нескольких). Большинство спутников связи и вещания представляет собой многофункциональные устройства, содержащие по несколько трактов (или стволов), подключенных к нескольким антеннам. Возможны следующие варианты построения схемы одного ствола с учетом характера преобразования принимаемого сигнала.

БРТР гетеродинного типа наиболее часто встречаются в практике спутниковой связи и вещания. Ширина полосы пропускания такого БРТР, как правило, не превышает 40...80 МГц, а основное усиление обеспечивается в тракте преобразования частоты (ПЧ), в ряде случаев выбираемой в пределах 70...120 МГц. В таком БРТР обычно два преобразования частоты: понижающее и повышающее.

БРТР с однократным преобразованием частоты (в литературе встречаются названия: линейный БРТР, БРТР прямого усиления). В нем только одно преобразование частоты принимаемого сигнала, в результате которого спектр сигнала переносится в область сигналов передаваемых на землю частот. Преимущество такой схемы – в её простоте и большей широкополосности. Ширина полосы пропускания может доходить до 80...120 МГц. Однако недостаток такой схемы – трудности технической реализации, связанные с необходимостью получения значительного усиления на одной из частот. При типичных для большинства линий связи уровнях передаваемых и принимаемых сигналов потребуется реализовать в БРТР большое усиление (120 дБ ориентировочно), что затруднительно с точки зрения обеспечения устойчивости в работе.

БРТР с демодуляцией (или обработкой) сигнала на борту. Применялись, как правило, для передачи специальных видов информации. По мере развития систем спутниковой связи (переход к цифровым методам, обработка, сигналов на борту, изменение вида модуляции, коммутация сообщений по лучам и т. п.) такие схемы стали использовать и для обеспечения дуплексной связи через стационарные ИСЗ с детектированием (демодуляцией). Например, в случае работы цифровыми методами на борту нередко осуществляются детектирование принятых сигналов и их регенерация.

Конструкция БРТР должна обеспечивать самостоятельное и надежное функционирование в сложных условиях воздействия всей совокупности этих факторов в течение всего срока службы и удовлетворять следующим требованиям: минимально возможная масса при заданных требованиях надежности и энергетических показателей; оптимальная по условиям установки в ИСЗ форма для обеспечения минимальных нагрузок на ракету-носитель; оптимальное использование внутреннего пространства БРТР с целью обеспечения необходимых условий терморегулирования, удобного доступа к узлам и блокам и возможности замены блоков перед стартом; минимальное влияние динамических нагрузок неравномерности распределения масс в полете на другие системы ИСЗ, главным образом на системы ориентации и стабилизации; способность выдерживать различного рода вибрации, ускорения и удары, возникающие в процессе запуска и коррекции траектории, основным источником которых является работающий реактивный двигатель как самого космического аппарата, так и ракеты-носителя, частота вибраций от нескольких до тысяч герц; способность выдерживать резкое изменение температуры (+60...−150°С). Как видно, к БРТР предъявляют довольно жесткие требования, часто противоречащие друг другу. Например, БРТР должны иметь минимальные массу и габаритные размеры, отличаться высокой надежностью и экономичностью и в то же время отдавать максимально возможную мощность, иметь высокую стабильность параметров в течение большого срока эксплуатации.

По указанным причинам исполнение аппаратуры БРТР имеет ряд существенных отличий от аналогичной аппаратуры, находящейся в наземных условиях. К ним относятся прежде всего использование специальных методов монтажа, методов напыления, т. е. использование специальной технологии в процессе изготовления.

Учитывая всё вышеизложенное, в проектируемой системе спутниковой связи будем использовать БРТР гетеродинного типа, его структурная схема представлена на рис. 5.

рис.6 Структурная схема бортового ретранслятора гетеродинного типа, где: Г – гетеродин; УПЧ – усилитель промежуточной частоты; МУ – мостовой усилитель;

Принятый антенной сигнал на частоте f_ПР поступает на вход БРТР, в смесителе частота f_ПР смешивается с частотой гетеродина f_Г1, в итоге на выходе смесителя будем иметь разностную частоту f_ПЧ=f_ПР−f_Г1, т.е. осуществляется понижающее преобразование частоты. На частоте f_ПЧ в усилителе промежуточной частоты (УПЧ) осуществляется основное усилие БРТР в заданной полосе частот. В следующем преобразователе осуществляется повышающее преобразование усиленного сигнала ПЧ в сигнал частоты передачи f_ПЕР=f_ПЧ+f_Г2, который после дополнительного усиления в выходном мощном каскаде мостового усилителя (МУ), собранном, как правило, на ЛБВ или клистроне, излучается в сторону Земли.

Таким образом данный БРТР сможет обеспечить уверенную ретрансляцию сигналов, получаемых с наземных станций.

3. Расчётная часть.

По заданию необходимо рассчитать затухание сигнала при его распространении от передатчика, расположенного в городе Рим (Италия) до геостационарного ИСЗ и от этого ИСЗ до приемника, находящегося в городе Москва (Россия).

Данные для расчёта:

Рабочие частоты (f_раб)                                                                4/6 ГГц;

Интенсивность дождя в обоих городах (ε)                              10 мм/ч;

Координаты:    г. Рим                                                      Д_N =12⁰   Ш_N =42⁰

                        г. Москва                                                  Д_N =38⁰   Ш_N =56⁰

Высота над уровнем моря:  г. Рим                                           200м;

                                            г. Москва                                       156м;

Долгота спутника (Д_СП)                                                             10⁰

Расстояние от земли до геостационарной орбиты (d)             35800 км;

Расчёт:

Затухание сигнала при его распространении от передатчика рассчитаем по формуле:

где                    

Поглощение волн в атмосфере:

где              

h’_O2 =5,3 км;    h’_H2O =2,1 км.

Затухание сигнала в гидрометеорах:

Угол места находим:

H=42170 км, R_З=6370 км.

Произведем расчет на участке: г. Рим – ИСЗ

Угол места:

тогда

Найдем расстояние от передатчика до приемника ИСЗ

  => км;

тогда

Поглощение волн в атмосфере: