Энергетические параметры радиолиний спутниковой связи

Радиолинии спутниковой связи состоят из двух участков: Земля-ИСЗ и

ИСЗ-Земля. Энергетика обоих участков достаточно напряженная: на первом -

из-за стремления к уменьшению мощности наземного передатчика и упроще- нию конструкции наземных передающих станций, на втором – из-за ограничений на массу, габаритные размеры и энергопотребление бортового ретранслятора ИСЗ, лимитирующих его мощность. А также из-за необходимости использования относительно простых абонентских приемников с антеннами небольших размеров.

На спутниковых радиолиниях наблюдаются большие потери мощности сигнала, обусловленные затуханием (ослаблением и рассеянием) его энергии на трассах большой физической протяженности. Так, при высоте орбиты геостационарного ИСЗ затухание сигнала на трассе может достигать 200 дБ. Помимо этого основного затухания в атмосфере сигнал в радиолиниях спутниковой связи подвержен влиянию большого числа других факторов, таких как поглощение за счет осадков (дождя, снега, тумана), фарадеевского вращение плоскости поляризации, рефракции и др. Кроме того, на приемные устройства ИСЗ и абонентских комплектов кроме собственных флуктуационных шумов воздействуют разного рода помехи в виде излучения космоса, солнца и планет. Поэтому правильный и точный учет влияния всех факторов позволяет осуществить оптимальное проектирование спутниковой системы, обеспечить ее уверенную работу и в то же время исключить излишнюю сложность бортовой и наземной аппаратуры.

Структурная схема и диаграмма уровней сигналов радиолинии спутниковой связи, состоящей из двух участков, приведены на рисунке 3.11. Здесь все показатели, относящиеся к земной аппаратуре, имеют индекс «з», а показатели, относящиеся к бортовой аппаратуре - индекс «б».

 В спутниковой связи уровень излучаемого радиопередатчиком принято характеризовать эквивалентной изотропно-излучаемой мощностью (ЕИИМ), которая представляет собой произведение мощности (Вт) сигнала подводимой к антенне на коэффициент усиления антенны (дБ) относительно изотропного (ненаправленного) излучателя. ЕИИМ «Е» передающей станции определяется выражением:

где Р_пер – эффективная мощность передатчика;

  η_пер – КПД волноводного тракта;

  G_пер – коэффициент усиления передающей антенны относительно

             изотропного излучателя.

Затухание энергии сигнала в свободном пространстве L_o характеризуемое уменьшением плотности потока мощности при удалении от излучателя, оценивается соотношением:

где λ – длина волны;

d - наклонная дальность (расстояние между передающей и приемной

антеннами).

Кроме основных потерь L_o, на радиолиниях присутствуют и дополнительные потери L_доп, следовательно, полное значение потерь на радиолинии равно:

Мощность сигнала на входе приемника ССС определяется выражением:

 

Полученное выражение позволяет определить требуемую мощность передатчика по заданному значению мощности сигнала на входе приемника.

Если параметры антенны заданы в виде эффективной площади ее апертуры S_пр, связанной с коэффициентом усиления соотношением:

то требуемая мощность передатчика может быть рассчитана по формуле:

 

При работе спутниковой радиолинии часто бывает задана не мощность сигнала на входе приемника, а требуемое отношение сигнал-шум (Р_с/Р_ш), тогда требуемая мощность на входе приемника определяется выражением:

 

где Р_ш – полная мощность шума на входе приемника.

Поскольку в рабочих диапазонах частот ССС шумы, создаваемые различными источниками, имеют аддитивный характер, их суммарная мощность описывается соотношением:

где к = 1,38·10^-23 Вт/Гц·град – постоянная Больцмана;

Т_∑ - эквивалентная шумовая температура всей приемной системы с

         учетом внутренних и внешних шумов;

Δf_ш – эквивалентная шумовая полоса приемника.

Напряженность электромагнитного поля, создаваемого излучением передатчика ИСЗ на поверхности Земли А_о или плотность потока мощности из- лучения ИСЗ у поверхности Земли W определяются следующими выражени- ями:

где r_о =120π – волновое сопротивление свободного пространства.

 

  

 

 

 

Единицей измерения величины А_о является мВт/м, единицей измерения величины W – Вт/м².

В свою очередь, мощность сигнала ИСЗ воспринимаемая земной приемной антенной с эффективной площадью апертуры S_пр, может быть определена через плотность потока и напряженность поля следующим образом:

При расчете радиолинии Земля-ИСЗ очень важным является связь между отношением сигнал-шум на выходе радиолинии и на каждом из ее участков (рисунок 3.11). В отсутствие обработки сигнала на борту ИСЗ происходит сложение шумов каждого из участков. При этом суммарное отношение сигна-шум на конце радиолинии оценивается соотношением:

Отношение сигнал-шум на каждом участке радиолинии должно быть выше, чем на конце линии:

где «а» и «b» - коэффициенты запаса, имеющие значения больше единицы и связанные соотношениями:

Эти соотношения позволяют распределить заданное суммарное отношение сигнал-шум по двум участкам радиолинии.

Учитывая предыдущие рассуждения и выкладки, уравнения для спутниковой радиолинии, состоящей из двух участков, имеют вид:

-   для участка Земля-ИСЗ      

- для участка ИСЗ-Земля

 

Расчет дополнительных потерь энергии радиосигнала L_доп [6] производится с учетом поглощения энергии радиосигнала в атмосфере, потерь энергии радиосигнала из-за рефракции и неточности наведения антенн, из-за фазовых эффектов в атмосфере, потерь энергии из-за несогласованности поляризаций антенн, деполяризации радиоволн в атмосфере, уменьшения отношения сигнал-шум с учетом шумов атмосферы, планет и приемных устройств.