/
Author: Быков В.Л. Кантор Л.Я. Бартенев В.А. Болотов Г.В. Дьячкова М.Н. Кумыш Э.И.
Tags: электротехника телевидение связь линии связи спутники издательство радио и связь спутниковая связь
ISBN: 5-256-00809-9
Year: 1997
Similar
Text
'Л?
л*
4»'
rlV
v. i *- .*.
ь..' i!
V
^ -
СПУТНИКОВАЯ
связь
И ВЕЩАНИЕ
Под редакцией
Л.Я. Кантора
3-е издание, переработанное и дополненное
Москва
Радио и связь
1997
УДК 621.396.946,2(031)
ББК 32.947
С74
Авторы:
В.А. Бартенев, Г.В. Болотов, В.Л. Быков, М.Н. Дьячко-
ва, АЛ. Жодзшшжяй; ЛЯ. Кантор, Э.И. Кумыш, М.С. Немиров-
ский, ЪЛ. Локшин, И.С. Поволоцкий, М.М. Симонов, В.Б. Тамар-
кнн. ВВ. Тимофеев, В.М. Цирлин, И.С Дирлин
Спутниковая связь и вешание: Справочник. — 3-е изд.,
С74 перераб. и доп. / В.А. Бартенев, Г.В. Болотов, В.Л. Быков и др;
Подред. Л.Я.Кантора, — М.: Радиоисвязь, 1997. —528с: ил.
ISBN 5-256-00809-9.
Приведены сведения по проектированию 'систем спутниковой
связи и вещания, по аппаратуре для спутниковых систем, описаны
наиболее известные системы спутниковой связи и вещания.
В отличие от первого (1983 г.) и второго (1988 г.) изданий
введены материалы по выводу спутников на орбиту, подвижной
спутниковой связи, станциям VSAT. Все разделы справочника переработаны с
учетом современного состояния систем и уровня техники.
Для специалистов, связанных с созданием и эксплуатацией
систем и станций спутниковой связи.
ББК 32.947
Оригинал-макет выполнен в СКТБ Компьютерных сетей в пакете
Cyrrf'C-BnTgX с использованием кириллических шрифтов семейства LH
Верстка в TpXe: Ю.Н. Чернышев
ISBN 5-256-00809-9 © Бартенев В.А., Болотов Г.В.,
Быков П.Л. и др.. 1997
Предисловие
Со времени выхода второго издания Справочника в мире
произошли огромные изменения. Не стало СССР, правительство которого
оказывало поддержку освоению космоса, в том числе и «мирным»
направлениям космической техники. СССР был по существу первой
в мире страной, развивавшей национальную сеть спутниковой связи,
а также системы спутникового вещания. Система «Экран»
(работающая до сих пор) была первой в мире системой непосредственного
телевизионного вещания. Система «Москва» впервые в мире
позволила реализовать непосредственное телевизионное вещание в диапазоне
фиксированной спутниковой службы — идея, получившая
впоследствии огромное развитие в Европе (Astra, Eutelsat). Запуск спутников
на высокую эллиптическую и геостационарную орбиты
осуществляется мощной и надежной ракетой «Протон», которая уже в течение
30 лет является конкурентоспособной на мировом рынке.
В результате процесса, не слишком точно определенного словом
«перестройка», государственные вложения в космическую отрасль
резко упали, а стоимость всех работ по созданию и запуску спутника
неоправданно (и не вполне объяснимо) возросла. По этим
причинам развитие спутниковой связи в России на некоторое время
замедлилось, хотя спутники «Горизонт» и «Экран» продолжали
действовать и возобновлялись на орбите. Несколько менялась структура
загрузки российских спутников: появилось множество выделенных
сетей малых станций (VSAT) в соответствии с потребностями
рыночной экономики; перестали действовать некоторые
«центростремительные» линии связи между Москвой и столицами бывших
союзных республик.
Происходящий в России процесс демонополизации связи привел
к появлению многих фирм-операторов, работающих через спутники
и обеспечивающих соединения внутри выделенной сети, а также
выход на сеть общего пользования и даже международные соединения
При этом на отечественном рынке и на отечественных сетях
появились земные станции западного производства. Некоторые из
операторов используют в своей работе емкости спутников международных
организаций Intelsat. Eutelsat.
Эффективных законов, ограждающих российский рынок
электросвязи от иностранных производителей, на сегодня нет. В
подобной ситуации есть как положительные, так и отрицательные
стороны. Хорошо, что пользователь может приобрести более современное
и надежное западное оборудование. Плохо, что теряются рабочие
места, и квалифицированные кадры. Хорошо, что ряд предприятий.
3
не занимавшихся никогда ранее созданием спутников связи
«мирного» применения, лишившись военных заказов, обратился к этому
направлению: в России началась разработка более десятка (!)
проектов новых спутников связи. Плохо, что эти разработки ведутся без
достаточного опыта и без достаточного финансирования и большая
часть их не дойдет до этапа успешной эксплуатации.
В описанных условиях основные фирмы — создатели
отечественных спутников связи, имеющие многолетний опыт, объединили свои
усилия в рамках АО «Информкосмос». Благодаря усилиям АО «Ин-
формкосмос» удалось обеспечить финансирование для продолжения
работ по созданию нового поколения спутников связи и вешания
«Экспресс» и «Галс», которые были выведены на орбиту в 1994 г.
Намечена программа развития и усовершенствования этих спутников.
Начала действовать и успешно развивается первая в России платная
система непосредственного телевизионного вещания НТВ-Плюс.
За последние годы произошли также большие изменения в
технике спутниковой связи и вещания. Началось внедрение весьма
эффективного цифрового телевидения. Создается несколько новых систем
на низколетящих спутниках, в том числе для персональной связи.
Изменился ряд положений Международного союза электросвязи.
В свете сказанного очевидна необходимость выпуска радикально
переработанного «Справочника», в котором авторы, опираясь как на
отечественный, так в на мировой опыт, попытались учесть новую
ситуацию и новые тенденции, а также расширить объем информации
об отечественных средствах вывода спутников- на орбиту.
Справочник выпушен при спонсорской поддержке АО «Информ-
космос».
Л.Я. Кантор
Раздел 1
Принципы построения систем
спутниковой связи и вещания.
Методы передачи сигналов
Глава 1
Построение и функции систем
спутниковой связи
1.1. Основные определения.
Состав и назначение систем спутниковой связи
Основная идея создания систем спутниковой связи проста:
промежуточный ретранслятор системы связи размещается на
искусственном спутнике Земли (ИСЗ). Спутник движется по
достаточно высокой орбите даительное время без затрат энергии на это
движение. Энергоснабжение бортового ретранслятора и других систем
спутника осуществляется от солнечных батарей, работающих почти
все время под лучами ничем не затемненного Солнца.
На достаточно высокой орбите ИСЗ «видит» очень большую
территорию — около одной трети поверхности Земли, поэтому через
его бортовой ретранслятор могут непосредственно связаться любые
• танции, находящиеся на этой территории. Трех ИСЗ может быть
достаточно для создания почти глобальной системы связи. В то же
время современные технические средства позволяют сформировать
достаточно узкий луч, чтобы при необходимости сконцентрировать
энергию передатчика ИСЗ на ограниченной площади, например на
территории небольшого государства. Это создает возможность
эффективно использовать ИСЗ также и для обслуживания небольших
зон. Следует отметить, что трасса радиолуча между ИСЗ и земной
станцией (ЗС) проходит обычно под значительными углами к земной
поверхности, что уменьшает влияние затенений и шумового
излучения Земли на прием сигналов земными станциями.
По изложенным причинам спутниковая связь, начавшая свое
развитие в середине 60-х гг. с появлением советского спутника
«Молнии» и американского «Телстар». быстро развивается во всем мире.
Э
Создано большое число систем спутниковой связи и вещания,
различных по функциям, обслуживаемой зоне, составу, емкости.
Приведем определения основных понятий, рассматриваемых в
Справочнике, руководствуясь «Регламентом радиосвязи» [1], ГОСТ,
сложившейся практикой применения терминов.
Космическая радиосвязь — радиосвязь, при которой
используют космические станции, расположенные на ИСЗ или других
космических объектах.
Космическая станция (КС) — станция, расположенная на
объекте, который находится за пределами основной части атмосферы
Земли (либо находился там, либо предназначен дня вывода),
например на ИСЗ.
Земная станция (ЗС) — станция радиосвязи, расположенная на
земной поверхности (или в основной части земной атмосферы) и
предназначенная для связи с космическими станциями либо с другими
земными станциями через космические станции или другие
космические объекты, например пассивные (отражательные) ИСЗ. В
отличие от земных станций станции наземных систем радиосвязи, не
относящихся к космическим, системам связи или радиоастрономии,
называются наземными.
Спутниковая связь — связь между земными станциями через
космические станции или пассивные ИСЗ. Таким образом,
спутниковая связь — частный случай космической радиосвязи.
Спутниковая линия — линия
IKooeweoae связи между земными станциями с
Л^"*"^. помощью одного ИСЗ, на каждом
s&^ ^^. направлении включает в себя уча-
1 мтс 1—1 эс I I зс \-1 мтс I сток Земля — спутник (рис. 11)
1——I I 1 1_1 II («линия вверх») и участок
спутник — Земля («линия вниз»).
Рис. 1.1. Спутниковая линия Земные станции соединяются
с узлами коммутации сети связи
(например, с междугородной телефонной станцией — МТС), с
источниками и потребителями программ телевидения, звукового вещания
с помошью наземных соединительных линий (см. рис. 1.1) либо
устанавливаются непосредственно на МТС, телецентре и тому подобных
источниках и потребителях информации.
Спутниковое вещание — передача радиовещательных программ
(телевизионных и звуковых) от передающих земных станций к
приемным через космическую станцию — активный ретранслятор.
Таким образом, спутниковое вещание — это частный случай
спутниковой связи, отличающийся передачей определенного класса
односторонних (симплексных) сообщений, принимаемых одновременно
несколькими ЗС либо большим числом приемных станций
(циркулярная передача).
6
В зависимости от типа земных станции и назначения системы
различают следующие службы радиосвязи [1];
фиксированная спутниковая служба (ФСС) — служба
радиосвязи между ЗС, расположенными в оаределеиных, фиксированных
пунктах, при использовании одного или нескольких спутников; к
фиксированной спутниковой службе относят также фидерные линии
(линии подачи программ на космическую станцию) для других служб
космической радиосвязи, например для радиовещательной
спутниковой или спутниковой подвижной служб;
подвижная спутниковая служба (ПСС) — между подвижными
ЗС (или между подвижными и фиксированными ЗС) с участием
одной или нескольких космических станций (в зависимости от места
установки подвижной ЗС различают сухопутную, морскую,
воздушную подвижные спутниковые службы);
радиовещательная спутниковая служба (РСС) — служба
радиосвязи, в которой сигналы космических станций предназначены для
непосредственного приема населением. При этом непосредственным
считается как индивидуальный, так и коллективный прием; в
последнем случае программа вещания доставляется
индивидуальным'абонентам с помощью той или иной наземной системы распределения
— кабельной или эфирной — передатчиком небольшой мощности.
Заметим, что термин «радиовещание» объединяет телевизионное и
звуковое вещание. Определенная таким образом радиовещательная
спутниковая служба включает в себя не все виды систем
спутникового вещания, а только те, которые предназначены для приема на
сравнительно простые и недорогие приемные установки с качеством,
достаточным для абонента, но часто более низким, чем это
требуется от магистральных линий подачи программ на наземные
вещательные станции (см. гл. 3).
Системы, относящиеся к ФСС, также широко используют для
распределения радиовещательных программ. Так, системы
«Орбита» и «Москва», изначально предназначенные для распределения по
территории СССР телевизионных программ и программ звукового
вещания, относятся к ФСС. Принятые станцией «Орбита» программы
высокого качества подают на телецентры, снабженные
передатчиком большой мощности, сама станция «Орбита» является достаточно
сложным сооружением. Прогресс приемной техники привел к тому,
что различие между фиксированной и вещательной службами в
некоторых случаях стирается, но их определение следует учитывать,
поскольку службам выделены различные полосы частот (см. гл. 6).
При передаче радиовещательных программ с помощью систем
ФСС различают прямое и косвенное распределение программ. В
случае прямого распределения программы подают от системы ФСС
непосредственно на. наземные вещательные станции без каких-либо
промежуточных распределительных систем, а в случае косвенного
(
распределения программы поступают от земных станций ФСС для
дальнейшего распределения но наземным сетям к различным
наземным вещательным станциям.
Системы спутниковой связи (ССС) применяют для передачи
различных видов информации:
прошрамм телевидения; при этом следует различать системы
обмена ТВ программами между равноправными ЗС и системы
циркулярного распределения программ от передающей станции к большому
числу приемных ЗС;
других видов симплексных сообщений, чаще всего
циркулярного характера: изображений газетных полос, программ звукового
вещания;
телефонных сообщений, дуплексных по своему характеру;
каналы тональной частоты или их группы можно использовать для
обмена другими видами информация — телеграфной, дискретной от
ЭВМ и других источников.
В зависимости от вида передаваемой информации различают
универсальные многофункциональные системы, ЗС которых
обмениваются различными видами информации (таковы Intelsat, «Орбита»,
ССС Канады Tdesat и др.), и специализированные — для передачи
одного вида или нескольких однородных видов информации
(например, системы спутникового вещания «Экран», НТВ-Плюс для
циркулярного распределения телевизионного и звукового вещания).
По охватываемой территории, размещению и принадлежности
ЗС, структуре управления ССС можно подразделить на:
.международные, в состав которых входят станции различных
стран; такие Системы могут быть глобальными (со всемирным
охватом), как «Интерспутник», Intelsat, либо региональными, как Evtel-
sat, Arabsat;
национальные, все ЗС которой расположены в пределах одной
страны, в том числе зоновые, все ЗС которой расположены в
пределах одной из зон (районов) страны, и ведомственные (деловые,
фирменные) системы, ЗС которых принадлежат одному ведомству
(организации, фирме) и передают только деловую информацию и
данные в интересах ведомства.
В состав любой ССС, несмотря на их различие, входит несколько
одинаковых но назначению элементов:
космические станции (КС), представляющие собой
ретрансляционное (приемопередающее) устройство, размещенное на
искусственно» спутнике Земли1, с антеннами для приема и передачи
радиосигналов и системами обеспечения: источниками энергоснабжения.
системами ориентации антенн (на Землю) и солнечных батареи (на
'Пассивные спутниковые ретрансляторы н«? получили
распространения и а настоящее книге не рассматриваются.
8
Рис. 1.2. Схема организации циркулярных я дуплексных каналов
через исз
Солнце), системами коррекции положения ИСЗ на орбите,
терморегулирования и т.д.;
зсмпые станции (ЗС) различного типа.
Рассмотрим подробнее типы ЗС.
Приемные ЗС распределительных систем (систем
спутникового вещания) — самый простой тип станций, осуществляющих только
прием телевизионных программ и (или) других циркулярных
программ (рис. 1.2), например звукового вещания, изображений газетных
полос; обычно приемные ЗС'для удешевления снабжают антенной
малого размера, а число таких ЗС в системе велико.
Передающие ЗС системы спутникового вещания (ЗС фидерной
линии, ЗО на рис. 1.2) — станции, осуществляющие передачу на
участке Земля - ИСЗ циркулярных программ, подлежащих
распределению по сети приемных станций; если передающая ЗС находится
в пределах обслуживаемой зоны и на ней возможен прием сигналов,
излучаемых ИСЗ этой системы, то такой прием обычно
осуществляется для контроля качества вещания; передающих станций в системе
может быть несколько.
Приемопередающие ЗС ПСС (ЗС1, 2, 3 на рис. 1.2), работающие в
сети дуплексной телефонной связи (в том числе с возможностью
передачи по телефонным каналам или группам каналов других видов
сообщений — телеграфных, данных, программ звукового вещания и
пр.), а также в сети обмена телевизионными программами; такие
паиции часто бывают укомплектованы аппаратурой, позволяющей
9
работать через несколько стволов ИСЗ одновременно; нередко
приемопередающие станции телефонной системы являются также
передающими нли приемными станциями системы вещания; таковы многие
ЗС «Орбита» (ЗС1, ЗС2 на рис. 1.2).
контрольные ЗС — станции, контролирующие режим работы
ретранслятора космической станции, соблюдение земными
станциями сети важных для работы всей сети показателей — излучаемой
мощности, частоты передачи, поляризации, качества
модулирующего сигнала и т.п. Роль контрольных ЗС в поддержании нормальной
работы системы велика. Часто функции контрольной станции
возлагаются на одну из передающих или приемопередающих станций сети.
Контрольные и центральные станции сети обычно имеют
возможность обмена информацией со станциями сети по специально
создаваемой подсистеме служебной связи. Обычно удается образовать
эту подсистему через тот же ИСЗ, через который работает
основная сеть, но в некоторых случаях приходится использовать
наземные каналы служебной связи.
Земные станции системы управления и контроля ИСЗ —
станции, осуществляющие управление функционированием КС и всеми
другими подсистемами ИСЗ, контроль за их состоянием, выводом
ИСЗ на орбиту при первоначальных испытаниях и вводе в
эксплуатацию КС.
Соединительные наземные линии служат для соединения ЗС с
источниками и потребителями передаваемой информации,
поскольку ЗС обычно удалена от них из соображений уменьшения
воздействия помех, углов закрытия антенны и др. Таковы
соединительные линии от приемопередающей ЗС к междугородной телефонной
станции (МТС) или другому узЛу коммутации телефонной сети, от
приемной ЗС к телевизионному передатчику, типографии,
радиовещательной станции.
Выносное оборудование — та часть оборудования спутниковой
связи, которая располагается не на станциях спутниковой связи, а
на других объектах. Так, на МТС могут устанавливаться
необходимые для работы спутниковых каналов эхозаградители, иногда
аппаратура уплотнения, каналообразования и даже модуляции, причрм
выходной сигнал этой аппаратуры, пройдя по наземной
соединительной линии (обычно радиорелейной), поступает непосредственно на
ВЧ тракт спутниковой линии связи.
Центр управления системой связи — орган, осуществляющий
руководство эксплуатацией системы и ее развитием, т.е. вводом в
действие новых ЗС и ИСЗ, расписанием их работы,
предоставлением стволов потребителям, проведением ремонтно-профилактических
работ и т.п. Центр управления обычно соединяют со станциями
сети каналами служебной связи. Иногда центр может совмещаться
с передающей станцией системы спутникового вещания либо с
контрольной ЗС
10
1.2. Основные показатели систем
спутниковой связи
Важнейшие показатели земных станций
Диапазоны частот на прием и передачу, на работу в которых
рассчитано оборудование станции — антенна, приемная и
передающая аппаратура; большинство ЗС ФСС работает в диапазонах 4 или
11 ГГц на прием и 6 или 14 ГГц на передачу (границы полос
частот приведены в гл. б).
Добротность станции на прием G/T — отношение усиления
антенны (в децибелах на частоте приема) к суммарной шумовой
температуре станции (в децибелах относительно 1 К); достигает 42 дБ/К
для самых больших применяемых на практике антенн (диаметром
32 м) и составляет 20.. .31,7 дБ/К для ЗС большинства
национальных и региональных систем.
Эквивалентная изотропно излучаемая мощность (ЭИИМ) —
произведение мощности передатчика на усиление антенны (в
полосе передачи) относительно изотропной антенны; обычно находится в
пределах 50... 95 дВВт Для упрощенного расчета помех,
создаваемых другим сетям связи, часто указывают максимальную
спектральную плотность излучаемой ЗС ЭИИМ (Вт/Гц), хотя точный расчет
перекрестных помех требует знания структуры применяемых в
системе сигналов (вида и параметров модуляции и т.п.) ([2]1 см.
также § 6.2).
Диаметр антенны оказывает решающее влияние на размеры и
стоимость 'ЗС; он определяет добротность и ЭИИМ станции, а также
ее пространственную избирательность; если в системе
используется разделение сигналов по поляризации, необходимо знать кросспо-
ляризационные характеристики антенны и указывать, с какой
поляризацией станция работает на передачу и на прием. На ЗС
телефонного обмена применяют антенны диаметром от 1,5.. .2,5 м до
12 м, иногда до 32 м, на ЗС приема циркулярной информации —
от 0,45 до 2,5. ..4м.
Антенна характеризуется также показателями
опорно-поворотного устройства и всей системы наведения антенны на ИСЗ;
различают антенны полноповоротные, способные направляться в
любую точку небосвода, и неполноповоротные, имеющие ограниченную
область оперативного наведения на источник сигнала; системы
наведения антенн характеризуются также возможной скоростью и
ускорением углового перемещения- В последние годы все чаще применяют
неполногюворотные, медленно движущиеся и неподвижные антенны,
пригодные для работы только с геостационарными ИСЗ.
И
Осноавтые показателя космических станций
В основном космическая станция характеризуется теми же
показателями, что и ЗС; рабочим диапазоном частот, добротностью,
ЭИИМ каждого передатчика, поляризацией излучаемых и
принимаемых сигналов. Однако значения ряда параметров существенно
отличны от указанных для ЗС. Например, добротность приемного
тракта КС обычно составляет —10... + 6 дБ/К (что вызвано не
только меньшими размерами антенны, но и применением более простого
в обладающего большей шумовой температурой входного малошумя-
щего усилителя), ЭИИМ, как правило, не превышает 23.. .45 дБВт,
достигая 52.. .58 дБВт на спутниках непосредственного
телевизионного вещания.
Важной характеристикой бортового ретранслятора космической
станции является число стволов.
Стволом ретранслятора или ЗС, или стволом спутниковой
связи, будем называть приемопередающий тракт, в котором
радиосигналы проходят через общие усилительные элементы (общий
передатчик) в некоторой выделенной стволу общей полосе частот. Весь
диапазон частот, в котором работает спутник связи, принято делить
на некоторые полосы (шириной 27...36, 72. ..120 МГц), в которых
усиление сигналов осуществляется отдельным трактом — стволом.
Несколько стволов могут иметь общие элементы — антенну, волно-
водный тракт, малошумящий входной усилитель. С другой стороны,
на ЗС полоса одного ствола может разделяться фильтрами для
выделения и последующего детектирования сигналов от различных
земных станций, проходящих через общий ствол ИСЗ (при частотном
многосташшонном доступе, см. гл. 4).
Вместо термина «ствол» часто применяется английский термин
«транспондер».
Число стволов, одновременно действующих на ИСЗ, может
составлять 6-12, достигая 27-48 на наиболее мощных ИСЗ. Сигналы
этих стволов разделяются по частоте, пространству, поляризации.
Числом стволов, их полосой пропускания и ЭИИМ определяется в
основном важнейший суммарный показатель ИСЗ — его пропускная
способность, т.е. число телефонных и телевизионных каналов, либо
в более общем виде число двоичных единиц в секунду, которое можно
передать через данный ИСЗ. Разумеется, о пропускной способности
ИСЗ можно говорить лишь условно, поскольку она зависит от
добротности применяемых в системе земных станций, а также от вида
применяемых радиосигналов: пропускная способность, по существу,
— характеристика системы, а не ИСЗ. Тем не менее в литературе
часто используется понятие пропускной способности (емкости) ИСЗ
I*
Отметим, что пропускная способность ствола ИСЗ зависят в
некоторой степени не только от основных показателен4 — полосы
пропускания и ЭИИМ, но и от других параметров, определяющих
искажения передаваемых сигналов: неравномерности амплитудной
характеристики, коэффициента АМ-ФМ преобразования,
неравномерности ГВЗ в полосе ВЧ ствола и др. Эти параметры влияют на
взаимные помехи между сигналами различных ЗС, на достоверность
приема сигналов и тем самым на энергетические потери,
обусловленные прохождением сигналов через неидеальный тракт бортового
ретранслятора ИСЗ.
В зависимости от ширины диаграммы направленности бортовых
антенн ИСЗ (или его отдельный ствол, если на борту несколько
антенн и они различны) характеризуется зоной
покрытия—-частьюповерхности земного шара, в пределах которой обеспечивается уровень
сигналов от ИСЗ, необходимый для их приема с заданным качеством
на ЗС определенной добротности, а также гарантируется способность
принять на входе ИСЗ сигналы от ЗС, обладающих определенной
ЭИИМ. Очевидно, что зона покрытия ИСЗ характеризует систему
спутниковой связи, а не только собственно ИСЗ.
Зона покрытия определяется шириной диаграммы
направленности антенны ИСЗ и рассчитывается как пересечение поверхности
Земли конусом луча антенны [3, 5], см. гл. 2, 5. Форма этого сечения
зависит от точки размещения ИСЗ, «точки прицеливания» —точки
пересечения оси главного лепестка антенны ИСЗ с земной
поверхностью, а также от нестабильности положения ИСЗ и ориентации
его антенн. В связи с нестабильностью вводится понятие
гарантированной зоны обслуживания, в которой обеспечивается сохранение
указанных ранее условий приема и передачи при любых сочетаниях
отклонений ИСЗ и антенны ИСЗ от среднего положения [3].
Точка размещения ИСЗ на орбите, точка прицеливания его
антенны, нестабильности этих параметров существенны не только для
расчета зон обслуживания, но и для расчета взаимных помех между
ССС (см. гл.6). Для упрощенного расчета взаимных помех часто
также указывается максимальная спектральная плотность
излучаемого ИСЗ потока мощности (Вт/м2Тц).
Наконец, важнейшим показателем ИСЗ, определяющим не
только надежность и бесперебойность связи, но прежде всего
экономические характеристики всей системы связи, является срок службы ИСЗ
— время наработки до отказа спутника целиком либо допустимого
числа стволов космической станции, определяемое с высокой
вероятностью — обычно 0,9 и более. В современных ИСЗ достигнут срок
службы 10. 12 лет и более благодаря высокой надежности
элементов, гибкой и разветвленной схеме резервирования. ~
13
Основные показатели систем спутниковой связи
Зона обслуживания системы — это совокупность (объединение)
зон обслуживания отдельных ИСЗ, входящих в систему (рис. 1.3);
определение зоны обслуживания ИСЗ дано в гл. 2, оно несколько
отличается от уже введенного понятия зоны покрытия.
Слово «объединение» (а не
"—~^ «сумма») употреблено потому, что
зоны отдельных ИСЗ обычно
перекрываются между собой (что
неизбежно при достижении
сплошного покрытия и полезно для
организации связи между земными
станциями, расположенными в различных
зонах), и поэтому общая зона
оказывается по площади меньше суммы
площадей отдельных зон.
Рис. 1.3. К определению зо- Пропускная способность систе-
ны обслуживания системы спут- мы есть объединение пропускных
няхово» связи с несколькими способвостей входящих в систему
ИСЗ. В данном случае слову
«объединение» (а не «сумма») придается тот же смысл. Пропускная
способность системы оказывается меньше суммы пропускных
способностей отдельных ИСЗ, поскольку для связи между собой станций,
работающих через разные ИСЗ, часть каналов транслируется двумя
КС последовательно — с помощью двухскачковых линий (Земля-
ИСЗ-Земля-ИСЗ-Земля) или прямых межспутниковых соединений
(Земля-ИСЗ-ИСЗ-Земля).
Если в ССС используется только один ИСЗ, зона обслуживания
и пропускная способность системы и ИСЗ совпадают.
Пропускная способность системы зависит в некоторой степени
от воздействия помех, создаваемых другими ССС; роль этих помех
возрастает по мере увеличения числа спутников на орбите.
Далее, система спутниковой связи характеризуется числом и
размещением ЗС, числом ИСЗи типом их орбиты, точкой
размещения на геостационарной орбите (см. гл.2). Характеристикой системы
являются также число стволов на ИСЗ, их полоса пропускания,
полосы частот стволов на участках Земля спутник и спутник-Земля.
Одной из важнейших характеристик системы является метод
многостанционного доступа — метод совмещения сигналов,
излучаемых различными ЗС, для их прохождения через общий ствол
бортового ретранслятора космической станции. Многостанционный
доступ (МД) применяют потому, что обычно оказывается
неэкономичным создавать число стволов на ИСЗ, равное числу ЗС в системе
Применяют МД с разделением сигналов по частоте, форме и
времени (см. гл. 4). Всякий способ МД приводит к потере пропускной
14
способности ствола до 3...6 дБ, хотя в наиболее совершенных
системах (с временным разделением — МДВР) эти потери могут не
превышать 0,5. .2 дБ.
На энергетические характеристики системы связи, необходимую
полосу частот, ее электромагнитную совместимость с другими
системами существенно влияют применяемый метод модуляции; наиболее
распространены частотная модуляция (ЧМ) при передаче
сообщений в аналоговой форме и фазовая модуляция (ФМ) при передаче
сообщений в дискретной форме. Из параметров модуляции
важнейшее значение при ЧМ имеет девиация частоты, при ФМ — число
фаз несущей (кратность модуляции), а при передаче программ
телевидения — также способ передачи звукового сопровождения
(временное или частотное совмещение с видеосигналом, частота подяесу-
щей и т.п.). Метод модуляции и параметры модулированного
сигнала должны быть согласованы с полосой пропускания и энергетикой
стволов системы связи.
Другой важнейшей характеристикой системы является качество
организуемых в ней каналов передачи сообщений — телевизионных,
телефонных и др. О качестве каналов пойдет речь в гл. 3, здесь
отметим лишь, что обычно ССС используется для создания
международных либо междугородных каналов связи большой протяженности, и
качество этих каналов соответствует требованиям,
сформулированным в рекомендациях Международного союза электросвязи (МСЭ)
или во внутригосударственных нормативных документах. Однако в
некоторых системах спутниковой связи исходя из их
специфического назначения или из экономических соображений достигаются более
высокие .либо допускаются более низкие показатели качества. Так,
в системах телевизионного вещания с приемом сигналов простыми
коллективными и особенно индивидуальными установками часто
допускается пониженное отношение сигнал-шум; это, в частности,
рекомендовано планом систем спутникового вещания, принятым
Всемирной административной конференцией по радио в 1977 г. [4];
аналогичное решение принято в советской системе «Экран» [4]. Причиной
снижения отношения сигнал-шум является не только желание
уменьшить стоимость приемной станции, но и возможность сохранить при
этом достаточно высокое качество приема у абонента.
Действительно, приемная станция такой системы приближена к абоненту,
спутниковая линия заменяет не только междугородную наземную линию,
но и часть распределительной сети, упрощается либо вовсе
исключается наземный телевизионный передающий центр.
Иногда и в телефонных каналах устанавливают несколько
сниженное отношение сигнал-шум или сокращенную полосу
пропускания по сравнению с рекомендованными для междугородных
каналов, если ССС предназначена для специализированных или
внутриведомственных (фирменных, служебных) целей. Как и в предыдущем
1о
случае, в таких специализированных системах упрощенные станции
приближены к абоненту, и качество канала для абонента остается
приемлемо высоким.
В некоторых ССС, построенных на основе частотного многостан-
цнонного доступа и передачи каждого канала на отдельной несущей
(см. гл. 4), применяют шумоподавители (компандеры), действие
которых основано на особенностях восприятия шумов при звуковом
сигнале. Компандеры позволяют уменьшить заметность шумов на
10...20 дБ и соответственно выиграть в энергетике линий связи и
пропускной способности системы связи, но делают каналы неуни-
версвльнымн, поскольку указанный выигрыш не реализуется при
передаче по каналам тональной частоты телеграфных сообщений,
дойных и др.
С другой стороны, именно в спутниковых системах возможна и
осуществляется передача телевизионных сигналов повышенного
качества и высокой четкости.
1.3. Состав земных и космических станций
Аппаратуре станций посвящено несколько самостоятельных
глав, здесь же кратко опишем структурные схемы станций.
Рассмотрим простейшую земную станцию, предназначенную
для приема однонаправленной информации — одноствольную
приемную ЗС. Сигналы, излучаемые ИСЗ, принимаются (рис. 1.4,я)
антенной J ЗС, перехватывающей электромагнитное излучение и
преобразующей его в электрическое напряжение. Далее принятый сиг-
пал усиливается малошумящим входным устройством 2, содержащим
малошумящий усилитель, смеситель, предварительный усилитель
промежуточной частоты. Необходимые для преобразования
частоты колебания формируются гетеродинным трактом 3. Основное
усиление сигнала осуществляется в усилителе промежуточной частоты
УПЧ 4, в состав которого входит фильтр (или фильтры),
формирующий полосу пропускания, оптимальную для приема сигнала (полоса
либо близка к полосе ствола, если принимаемый сигнал занимает
весь ствол, как при приеме программ телевидения, многоканальных
телефонных сообщений с временным многостанционным доступом и
т.п., либо составляет лишь часть полосы ствола, например при
приеме телефонных сигналов в системе с частотным многостанционным
доступом). За усилителем следуют демодулятор 5, выделяющий
передаваемое сообщение, и оконечное каналоформирующее
оборудование 6. Например, при приеме программ телевидения в устройстве 6
могут осуществляться регенерация синхросмеси, выделение канала
звукового сопровождения, рассекречивание сигналов и т.п.
Принятая информация поступает по наземной соединительной линии 7 к
16
KSJ22~
Аппаратура гонтрот.
угтраьлвииа
LhLlhL!
4 • й
iMIfyy
> * с» *
1KD=4U=
6)
s
>
-hh\
*J
^ П
——
*1
1
EH'
Рис, 1.4. Упрощенные структурные схемы одноствольное приемной
(а) и многоствольноЯ приемопередающей (б) ЗС. а также бортового
ретранслятора КС (в)
потребителю программ (или на телевизор, если это станция
индивидуального приема). В современных приемных устройствах часто
применяют двукратное преобразование частоты.
Комплекс 8 служит для наведения антенн на ИСЗ; в него входят
\ привод, перемещающий антенну, и аппаратура наведения,
управляющая его движением. В простых приемных станциях антенна обычно
неподвижна {имеется лишь механизм неоперативной первоначальной
ориентации) или имеет механизм установки в несколько
фиксированных положений (позиционер).
Более сложные земные станции, предназначенные для
дуплексной связи и работающие в нескольких стволах ИСЗ. строятся по
более общей схеме (рис. 1.4,6), где 1 — антенна с комплексом
наведения используемая обычно одновременно для приема и передачи- 2
фильтр разделения приема и передачи; 3 — малошумящий
усилитель; 4 — устройство сложения (фильтр сложения) сигналов
передатчиков различных стволов; 5 — устройство разделения (фильтр
разделения) принимаемых сигналов различных стволов- 6 — переда
ющее устройство ствола; 7- приемное устройство ствола- 8 — кана-
1Т»?ГиОШ™ аппаРат^а ствола; 9 ~ аппаратура соединительной
линии. На схеме не показаны резервные комплекты и переключатели
на резервные комплекты, обычно имеющиеся на ЗС.
Рассмотрим основные элементы радиотехнического комплекса
псмчсчой станцыы, входящего в систему спутниковой связи Этот
;;:;;г^то;гит нз двух —х ™™* -««-- ■ *™
17
На борту современных связных ИСЗ обычно устанавливают
несколько приемных и передающих антенн. Это объясняется
необходимостью сформировать различные зоны обслуживания с целью
привести в соответствие излучение антенн с размещением земных
станции на поверхности Земли, чтобы не рассеивать энергию бесполезно
на те районы, где она используется. Высокая направленность
приемных и передающих антенн ЙСЗ способствует также уменьшению
взаимных помех с другими системами связи — спутниковыми и
наземными, повышает эффективность использования геостационарной
орбиты (см- гл. 6).
Сигнал, принятый антенной КС, поступает на входное малошу-
мяшее устройство / (рис 1.4,в), в качестве которого на ИСЗ
применяют смесители, усилители на малошумящих ЛБВ или транзисторах.
Принятый сигнал усиливается на частоте приема, промежуточной
частоте и частоте передачи. В современных ИСЗ часто
осуществляется не двух-, а однократное преобразование частоты, непосредственно
с входной в выходную, при этом усилитель 1ГЧ отсутствует.
В схеме могут применяться устройства разделения, коммутации,
объединения сигналов (коммутатор на рис. 1.4,в), цель которых —
подать сигналы, адресованные тем или иным ЗС, на передающие
антенны с соответствующей зоной обслуживания. Перспективны
системы с быстродействующей переориентацией узкого .туча антенны (с
коммутацией луча), что позволяет осуществлять связь со многими
ЗС через остронаправленные антенны, не увеличивая числа антенн
на борту ИСЗ, Многократно использовать полосу частот (см. гл. 4).
На рис. 1.4,6 не показаны резервные элементы и устройства
переключения на резерв; эти схемы обычно достаточно сложны,
поскольку степень резервирования различна для разных элементов тракта
в зависимости от их надежности, важности для жизнеспособности
ИСЗ, срока службы-
В некоторых случаях на космической станции выполняется
более сложная обработка сигналов, например преобразование вида
модуляции, регенерация сигналов, передаваемых в дискретной форме
18
Глава 2
Орбиты и зоны обслуживания
2.1. Орбиты спутников Земли
Орбитой называется траектория движения искусственного
спутника Земли. После вывода спутника на орбиту ракетные двигатели
выключаются, и спутник, как и всякое небесное тело, движется но
инерции и при воздействии гравитационных сил, главная из
которых — притяжение Земли.
Если принять, что Земля — идеальный шар и на спутник
действует только сила притяжения Земли, то движение спутника
подчиняется известным из астрономии законам Кеплера. Орбита имеет
форму эллипса (рис. 2.1), в одном из фокусов (а не в центре)
которого располагается Земля. Плоскость орбиты проходит через центр
Земли и остается неподвижной во времени. Поскольку при
движении в безвоздушном пространстве энергия не расходуется, то полная
механическая энергия ИСЗ {кинетическая и потенциальная) не
меняется в течение длительного времени. Это приводит к тому, что при
удалении от Земли скорость спутника и его кинетическая энергия
падают, при приближении к Земле — растут. Уравнение
эллиптической орбиты ИСЗ в полярной системе координат
r = p/(l + <?cos0), (2.1)
где г — модуль радиуса-вектора (т.е. расстояние от ИСЗ до центра
Земли); в — угловая координата радиуса-вектора (астрономы
называют этот угол «истинная аномалия»); е — эксцентриситет орбиты;
р = Ь'-/а = а( I — е~) — фокальный параметр; о, b — большая и
малая полуоси эллипса.
Эксцентриситет е может иметь значения в интервале 0 < е < 1.
При f = 0 эллипс превращается в окружность, фокусы сливаются
с центром, г = р. Точка орбиты, соответствующая
минимальному расстоянию до центра Земли, называется точкой перигея орбиты
('" = '"п); максимальному — точкой апогея (г = г0). Отсчет углов
ведется от направления на перигей по направлению движения
спутника, т.е. перигею соответствует 0П = 0, а апогею — вл = 180°.
Параметры эллипса связаны между собой соотношениями
а = (гЛ + г„)/2; 62 = с2(1-е3):
е = v/n3-6V" = ('--'*n)/2a; re = p/(l-f): rn = p/(l + e).
19
Рис. 2.1. Орбита ИСЗ и ее основ- Рис. 2.2. Наклонение и
яые параметры узлы орбиты
Фокусы эллипса отстоят от его центра на расстояние ае.
Высота орбиты (высота ИСЗ нал поверхностью Земли) Н — т — R, где
R — радиус Земли.
Важная характеристика орбиты спутника — наклонение ее
плоскости к плоскости экватора Земли, характеризуемое углом г между
этими плоскостями (рис. 2-2). По наклонению различают
экваториальные (г = 0), полярные (t = 50°), наклонные (0 < i < 90°.
90е < f < 180е) орбиты.
Точка, в которой орбита пересекает плоскость экватора при
движении спутника васевер, называется восходящим узлом орбиты
(точка Л на рис. 2.2).
Точка пересечения с поверхностью Земли радиуса-вектора,
проведенного в точку размещения спутника из центра Земли,
называется подспутниковое. Долгота подспутниковой точки при
размещении ИСЗ в апогее называется долготой апогея и характеризует сдвиг
большой оси орбиты относительно начального меридиана.
Очевидно, что из подспутниковой точки С (рис. 2.3) спутник
видев точно в зените, т.е. ось луча антенны ЗС при наведении ее на
ИСЗ должна быть перпендикулярна поверхности Земли. В любой
другой точке N земной поверхности положение оси NB луча
антенны ЗС отличается от зенита и характеризуется двумя угловыми
величинами: азимутом А и углом места •). На рис. 2.3 показаны две
системы координат — геоцентрическая и топоцентрическая.
Геоцентрическая система OXYZ имеет начало в центре Земли, плоскость
XOY совпадает с плоскостью экватора, ось OZ направлена от
центра к северному полюсу, ось ОХ направлена в точку весеннего
равноденствия (в случае так называемой инерциальной геоцентрической
системы, показанной на рис. 2.3) или лежит в плоскости
начального меридиана, например гринвичского (тогда это относительная
геоцентрическая система, сохраняющая неизменное положение
относительно точек на поверхности Земли),'ось OY дополняет систему до
правой. Топоцентрическая система Л'ОК имеет начало в точке N
20
Рис. 2.3. Геоцентрическая и топоцентрическая системы координат
(определение азимута А и угла места у)
на поверхности Земли. Плоскость £NQ касательна к поверхности
Земли в точке Лг, ось N£ направлена на север, т.е. по касательной к
меридиану, проходящему через ЛГ, ось Nt) — по нормали к
поверхности Земли (т.е. по направлению радиуса ON) в сторону от центра
Земли, ось Лг£ дополняет систему до правой. Направление от
точки N на спутник показано на рис. 2.3 линией NB. Проекция NB
на плоскость £NQ — линия ND, плоскость NBD перпендикулярна
к касательной плоскости £NC-
Теперь можно определить угол места (угол возвышения) как
угол BND между направлением на спутник BN и проекцией ND
этого направления на плоскость, касательную к поверхности Земли,
а азимут — как угол между направлением на север /Y£ и
проекцией N D направления на ИСЗ на касательную плоскость.
Положение точки Лг на земной поверхности характеризуют ее долготой Aw
— углом между плоскостью Гринвичского меридиана и плоскостью
меридиана, проходящего через Л', й широтой <рк — углом между
радиусом ОЛ' и плоскостью ■экватора.
21
Злая координаты ИСЗ в геоцентрической системе, можно
вычислить значения азимута А и угла места 7 для любой точки N
размещения ЗС; при этом приходится учитывать неидеальность
поверхности Земли, высоту точки N над поверхностью идеального
земного шара [3]. Если считать Землю идеальным шаром, возвышение
станции над уровнем моря нулевым, а спутник расположенным в
плоскости экватора с периодом, точно равным звездным суткам
(геостационарный ИСЗ), то азимут и угол места для луча антенны ЗС
можно вычислить по [3]:
sin(Ac — Aw) , ,„ „ ^
А = arctg —: о ч л + *»; (2-2в
— sin ffltf cqs(Ac — Ajv)
■v « ,>M;n Hcos<pNcos(Xc-XN)-R
■у rj arcsm — (1,2b)
^/Я' + Д2 - 2ЯАсоаvN cos(Ac - АЛ)
где Ас — долгота подспутниковой точки спутника в относительной
геоцентрической системе координат; Я и 42 170 км — высота орбиты
над центром Земли; Я яа 6371 км — радиус Земли; к = 0 при ^jv < 0,
Ас > Xfi\ к = 2 при <рк < 0, Ас < Ajv; к = 1 при <рм > 0.
По определенному значению угла места можно найти гранипу
зоны видимости ИСЗ. Эта граница определяется условием у > 0.
Реально во избежание затенения ИСЗ земными предметами,
возвышенностями, а также увеличения шумов из-за приема шумового
излучения Земли границу зоны радиовидимости определяют из условия
7г > 5° (2.3а)
или
7г > 10°. (2.36)
Важнейший параметр орбиты — период обращения Т,
определяемый как время между двумя последовательными прохождениями
спутника через одну и ту же .точку орбиты. Для установления связи
удобно, чтобы спутник появлялся над одними и теми же районами
Земли в одно и то же время. Этому требованию отвечают
синхронные орбиты с периодом обращения, кратным времени оборота Земли
вокруг своей оси (звездным суткам, Г3 = 23 ч 56 мин 04 с), т.е.
Г = Г3/ЛГ, (2.4)
где N — число оборотов спутника вокруг Земли за сутки.
По законам Кеплера чем ниже орбита ИСЗ, тем меньше
период обращения.
22
Та&лиаа 2.J
Период
обращения
Г, час
4
6
8
12
24
Число
витков
в сутки N
6
4
3
2
Высота
круговой
орбиты Я, км
6750
10 750
14 250
20 325
35 875
Высота эллиптической
орбиты
ПеригеК И„
500
500
500
500
500
АлогеЯ J5T»
13 000
21000
28000
40250
71250
Параметры нескольких синхронных орбит приведены в табл. 2.1.
Предпоследняя строка в табл. 2.1 для эллиптической орбиты при
наклонении 65° характерна для широко используемых спутников
типа «Молния», Удобство такой орбиты заключается не только в ее
синхронности, но и в большой зоне видимости благодаря
значительной высоте ИСЗ в апогее. Самое главное преимущество такой
орбиты заключается в том, что апогей расположен над северным
полушарием и спутник в верхней части орбиты «освещает» почти всю
территорию России, в том числе приполярные области. Благодаря
замедленному движению спутника в верхней части орбиты такая
видимость длится не менее 8 ч. Поэтому трех сменяющих друг друга
ИСЗ достаточно для круглосуточной связи с короткими перерывами
в заранее известное время для перевода антенн всех ЗС с заходящего
ИСЗ на восходящий (при долготе апогея одного из витков,
соответствующей примерно середине территория России). Это справедливо
даже при условии, что второй (за сутки) виток ИСЗ, апогей которого
оказывается над западным полушарием, не используется. В
действительности и эти витки некоторую часть времени можно использовать
для обслуживания территории России; так, на рис. 2.4 видно, что для
самых неудобных районов, сдвинутых на 180° относительно долготы
апогея ИСЗ, существует видимость ИСЗ в течение б ч (от t = 3 после
перигея до t = 9 ч) для всех точек, которые севернее 53е с.ш.
В последнее время возрос интерес к использованию для связи
спутников на низких и отчасти средних орбитах. Главная
причина этого интереса — меньшее затухание сигналов на трассе Земля-
спутник, что позволяет создать принципиально новый тип систем
спутниковой связи — системы подвижной персональной связи с
терминалом размером с обычную телефонную трубку.
Высота низких орбит обычно составляет не более 1000 км (чаше
всего 700 км), поскольку выше располагаются пояса повышенной
радиации, причиняющие вред элементам спутника (прежде всего
сокращается срок службы солнечных батарей); иногда применяют орбиты
высотой 1400.. 1500 км, а в системе 1СО планируется применять
орбиты средней высоты, порядка 10 тыс. км. Из изложенного ранее
очевидно, что с ростом высоты орбиты увеличивается зона
видимости, поэтому можно уменьшить необходимое число спутников; однако
23
т т во w о «о во iso л,град
Рис. 2.4. Траектория подспутниковой точки (кривая о) и южная
граница мгновенных зон радиовидимости для орбиты типа «Молния» (числа
у кривых означают время после прохождения перигея)
возрастает ослабление радиосигналов и для компенсации этого
требуется увеличить размер антенн или мощность передатчиков.
Период обращения спутника на орбите высотой примерно 700 км
составляет около 1/15 сут., те. 1 ч 36 мин, при высоте 1350 км —
1/14 сут., или 1 ч 43 мин (т.е. возрастает незначительно — ведь
расстояние от спутника до центра массы Земли также возросло
незначительно!), при высоте 10000 км — 1/7 сут., или 3 ч 26 мин.
Низкие в средние орбиты используются только как круговые и
полярные (или близкие к полярным), поскольку только при
полярной орбите спутник на низкой орбите постепенно, делая оборот за
оборотом «обойдет» всю поверхность Земли. Такой спутник можно
использовать как носитель сообщений, передаваемых не в реальном
масштабе времени, а с запаздыванием: информация «сбрасывается»
на Землю в тот момент, когда спутник окажется в районе
расположения получателя информации (режим электронной почты).
Чтобы с помощью спутников на низких орбитах добиться
непрерывной связи в реальном масштабе времени, необходимо вывести
целое «созвездие» спутников, сменяющих друг друга в необходимом
районе, а это значит (учитывая сравнительно медленное суточное
вращение Земли), что спутники надо вывести на несколько
полярных орбит, плоскости которых смещены (т.е. орбиты имеют
различную долготу восходящего угла). Так, в создаваемой системе «Ири-
днум» планируется вывести спутники на 11 орбит по 6 спутников на
каждой орбите (рис. 2.5). Очевидно, что при этом одновременно с
непрерывностью связи для каждой точки земной поверхности
достигается глобальное покрытие всей Земли. Поэтому системы связи на
низких спутниках обычно проектируются как глобальные.
24
Рис. 2.5. Орбитальная группировка системы «Ирндиум»
Последняя строка в табл. 2.1 представляет особый интерес. Если
ИСЗ движется с запада на восток по орбите с периодом обращения,
равным длительности звездных суток, круговой и экваториальной
(наклонение i = 0), то ИСЗ становится геостационарным, а его
орбита называется орбитой геостационарного спутника или проще —
геостационарной орбитой (ГО).
2.2. Геостационарная орбита
Геостационарный спутник получил свое название из-за
очевидного свойства: такой спутник стационарен, неподвижен относительво
поверхности Земли; он как бы висит над некоторой точкой
поверхности Земли, расположенной на экваторе на высоте 35875 км над
поверхностью Земли,
Достоинства геостационарных ИСЗ для систем связи:
непрерывная, круглосуточная связь, без переходов с одного
(заходящего) ИСЗ на другой;
на антеннах ЗС можно упростить или исключить системы
автоматического сопровождения ИСЗ;
бо лее стабильно ослабление сигнала на трассе между земной и
космической станцией;
25
Ряс. 2.6. Зова видимости геостационарного спутника с долготой точки
стояния 53° в.д. (ti — угол места антенны ЗС, направленной на спутник)
отсутствует (или становится весьма малым) частотный сдвиг,
обусловленный эффектом Доплера (см, далее);
зона видимости геостационарного ИСЗ — около одной трети
земной поверхности (рис. 2.6);
трех «еостационарных ИСЗ достаточно для создания
практически глобальной системы связи.
Геостационарная орбита уникальна: ни при каком другом
сочетании параметров нельзя добиться неподвижности свободно
движущегося ИСЗ относительно земного наблюдателя. Благодаря своим
преимуществам геостационарная орбита широко используется
спутниками связи и на многих участках в "наиболее удобных поносах
частот насыщена спутниками до предела [2.1].
26
3471—I—I I I 1 I I I 1 I I I I I I I I
-90-80 -70 SO SO -40-30 -20 ~W 0 10 20 JO W 50 SO 70 A~Ag
Рис. 2.7. Диаграмма для определения угла места и азимута при
направлении антенны ЗС на геостационарный ИСЗ (^о„— широта 3G;
А — Ао — долгота ЗС относительно долготы позиции ИСЗ)
Однако в полярных широтах углы места антенны земной
станции, направленной на геостационарный ИСЗ, малы, а вблизи полюса
он просто не виден. Малые углы места приводят к затенению
спутника местными предметами, увеличиваются шумы антенной
системы станции, создаваемые радиошумовым излучением Земли. Углы
места на геостационарный ИСЗ уменьшаются также с удалением по
долготе точки приема от долготы ИСЗ (рис 2.6, 2.7), Таким образом,
для обслуживания территорий в высоких широтах геостационарный
ИСЗ должен размещаться как можно ближе к центральной
долготе обслуживаемой зоны. Участок ГО, в пределах которого можно
менять точку стояния ИСЗ с сохранением необходимой зоны
обслуживания, называется дугой обслужиьания.
•л
J
I
тр* 1
j 1
J
i-У
1 i -rr
Dl-'T'
[ **•»
i (*-*,)■
......
..L.._
J
Неизбежное на практике отклонение
начальных параметров орбиты at
необходимых, возникающее при выводе ИСЗ на ГО, а
также влияние ряда возмущающих
факторов, нарушающих центральное
гравитационное поле Земли, приводят к тому, что
реальный ИСЗ всегда несколько отличается
от строго геостационарного. Так, если
орбита в результате неточности вывода
обладает эксцентриситетом е, то спутник будет
колебаться по долготе около среднего
положения с амплитудой 2е.
Отклонение от строгой экваториально-
сти (наклонение г = 0) вызывает колебания
спутника по широте и долготе (рис. 2.8),
причем амплитуда колебаний по
широте равна наклонению, период равен периоду
обращения спутника. Следует иметь в
виду, что наклонение орбиты возникает даже
при первоначальном выводе ИСЗ на строго
экваториальную орбиту, под влиянием
гравитационных полей Луны и Солнца.
Изменение наклонения за год может составить
0,76.. ,0,96вв зависимости от
астрономической даты, так что уже через год-два
существования ИСЗ его колебания из-за возникающего наклонения
орбиты значительно влияют на работу системы связи: сокращают зону
обслуживания, требуют автоматического наведения земных антенн,
вызывают периодическое сближение соседних ИСЗ и соответствующее
увеличение взаимных помех между ними. Регламент радиосвязи [1]
рекомендует, чтобы нестабильность положения современных
геостационарных ИСЗ по долготе не превышала ±0,1 %. Для соблюдения
стабильного положения геостационарного ИСЗ приходится
периодически осуществлять коррекцию его движения, сообщая ему пеобхо-
димое по величине и направлению ускорение; для этого на спутнике
устанавливаются специальные корректирующие двигатели.
Рве. 2.8. Колебания
каазнгеостащгон арного
ИСЗ по широте <ро л
долготе До: 1 — наклонение
орбиты
2.3. Определение зон видимости, покрытия,
обслуживания
Ранее использовалось понятие «зона видимости» ИСЗ, под
которым следует понимать поверхность Земли, с которой ИСЗ виден
под углом места больше некоторого минимально допустимого
значения (например. 5е) в течение заданной длительности сеанса связи;
2Я
под мгновенной зоной видимости (см., например, рис. 2.4)
понимается зона видимости в определенный момент, т.е. при нулевой
длительности сеанса связи. При движении ИСЗ мгновенная зона
перемещается, и поэтому в течение сеанса некоторой длительности она
всегда меньше мгновенной, так как представляет собой внутреннюю
огибающую мгновенных зон.
Важнейшей характеристикой системы спутниковой связи
является зона покрытия — часть зоны видимости, в которой
обеспечиваются необходимые энергетические соотношения на линии связи
при определенных параметрах земной станции. Эта характеристика
очень важна при проектировании систем спутниковой связи и
анализе взаимодействия между ними, поэтому рассмотрим ее подробнее.
Если диаграммы направленности бортовых антенн ИСЗ на прием
и передачу достаточно широки, чтобы охватить всю видимую с ИСЗ
часть Земли при малой неравномерности усиления, то зона покрытия
совпадает с зоной видимости — это так называемая глобальная зона
покрытия. Такие зоны имели все первые связные ИСЗ, да н сейчас
такие зоны создаются на многих ИСЗ — Intelsat, «Молния» и др. —
для достижения максимального охвата земной поверхности. Однако
для улучшения энергетики линий связи все чаще создаются зоны
покрытия малого размера, максимальпо приближенные к границам
обслуживаемой территории — региона, государства или даже его части.
Часто [5] зона покрытия определяется как территория, в каждой
точке которой угол места при направлении антенны ЗС на спутник не
меньше минимально допустимого, и плотность потока мощности,
создаваемого передатчиком ИСЗ, не ниже требуемой. Это определение
не отличается от данного выше, если пренебречь энергетическими
соотношениями на участке Земля-спутник, т.е. не учитывать влияния
диаграммы направленности приемной антенны ИСЗ. На практике
часто энергетический баланс на участке Земля-спутник не является
главным, поскольку соответствующим увеличением мощности
передатчика ЗС можно достичь необходимого уровня сигнала на входе
приемника ИСЗ. В этой ситуации последнее определение зоны
покрытия вполне справедливо. Однако в ССС с разветвленной сетью
земных станций передатчики ЗС оказываются одной из самых
дорогостоящих частей системы, и не считаться с энергетикой на линии
«вверх» нельзя. Поэтому данное ранее определение является
наиболее общим. Таким образом, построение зоны покрытия на карте
распадается на четыре этапа.
1. Определение зоны видимости. Для этого решается чисто
геометрическая задача определения угла места для ЗС в некоторой
ТОЧ»е^МНОЙ гтовеРхности — У^а между направлением от этой точки
на ИСЗ и поверхностью Земли.
Целесообразно построить на карте линии равных углов места
соответствующие малым значениям этого угла, например 10 5°и
т.д. Линии равных- углов места ли ИСЗ на геостационарной орбите
2Я
(рис. 2.1) представляют собой зависимость географической широты <р
точки в* земной поверхности от ДА = |А-А0| — разности между
долготой «той точки и долготой стационарного ИСЗ при некотором
фиксированном значении угла места 7- На рис. 2.7 приведены также
линия равных углов для направления на геостационарный ИСЗ по
азимуту, которые вместе с линиями равных углов места позволяют
осуществить приблизительное первоначальное наведение антенны ЗС.
2. Определение зоны, в которой ИСЗ создает
необходимую плотность потока мощности. Для этого проводится
энергетический расчет (см. гл. 5) линии спутник-Земля по
направлениям, соединяющим ИСЗ с различными точками земной поверхности.
Упрощенно этот расчет можно представить себе так. Если на оси
диаграммы направленности (ДН) передающей антенны ИСЗ
необходимая плотность потока у поверхности Земли достигается с
некоторым превышением А (в децибелах), то для построения зоны
необходимо по ДН определить угол /? отклонения луча от оси, при котором
уменьшение усиления антенны составит А, и найти пересечение
конуса с вершиной в точке стояния ИСЗ и углом при вершине 2/? с
поверхностью земного шара.
Очевидно, что при
перемещении «точки прицеливания» оси ДН
к краю видимого с ИСЗ диска
Земли луч становится все более
наклонным к земной поверхности, и
при неизменных угловых размерах
луча площадь зоны обслуживания
несколько возрастает (рис. 2.9),
3. Определение зоны, ко-
Р-с.2.9. Влияние тоти при- TOPM Ртвечает условию прис-
иелхвания на размеры зоны ма космической станцией с
необходимым качеством сигналов от
находящейся в пределах зовы земной станции с нормированной в
данной системе излучаемой мощностью. Эта задача подобна той, что
решалась в п. 2. но с тем отличием, что при энергетическом расчете
линии Земля-спутник используются параметры приемной антенны и
приемного комплекса ИСЗ и передающего комплекса ЗС.
4. Определение зоны покрытия. На карту наносятся все
три определенные зоны, и строится их внутренняя огибающая.
Таким образом,'зоной покрытия является территория, принадлежащая
каждой из трех построенных зон, т.е. территория, на которой
выполняются условия радиовидимости и условия необходимого качества
связи на линиях спутник-Земля и Земля-спутник.
В некоторых системах (чаще в системах спутникового вещания)
создаются различные зоны покрытия для направлений сверху вниз и
снизу вверх. Так. программа вещания может подаваться на ИСЗ ич
30
столицы государства я направляться от ИСЗ для обслуживания
другой части его территории. Тогда следует ввести раздельные понятия
зон покрытия для линий вниз и вверх. Зона покрытия для линии
вниз находится как объединение зон, определенных в соответствии с
пп. 1 и 2, а зона покрытия на линии вверх — в соответствии с пп. 1 и 3.
Следует указать, что описанный в п. 2 упрощенный
геометрический способ построения зоны с необходимой плотностью потока
неточен. В результате расчета по этому способу получается лишь так
называемая заявочная характеристика антенны, приводимая страной-
заявителем на первом этапе регистрации создаваемой новой системы
спутниковой связи в Международном союзе электросвязи.
Заявочную характеристику антенны можно определить [3] как
изображенный на географической карте набор контуров, соответствующих
постоянному усилению передающей антенны бортового ретранслятора
(точнее, постоянному уменьшению усиления антенны на —2, —4 дБ в
т.д. относительно максимума диаграммы направленности).
При реальном проектировании системы для определения
зоны покрытия необходимо учитывать ряд дополнительных
обстоятельств.
Так, расстояния от ИСЗ до различных точек на поверхности
Земли — наклонная дальность d — различны, а следовательно,
несколько различно и затухание радиосигналов; наименьшее
расстояние — до подспутниковой точки (т.е. точки, лежащей на прямой
между ИСЗ и центром Земли).
Более важным и сложным для учета является то
обстоятельство, что в атмосфере Земли возникает дополнительное затухание,
которое в основном обусловлено частицами влаги (см. гл. 5),
зависит от угла прихода луча (угла места антенн ЗС) и при малых углах
заметно возрастает. Это в противовес изложенным ранее
геометрическим соображениям (см. рис. 2.9) делает невыгодной работу при
малых углах места, особенно на частотах выше 10 ГГц, и уменьша-
ei зону покрытия по сравнению с построенной чисто геометрически
заявочной характеристикой.
Существенно влияет на размеры зоны обслуживания
нестабильность положения ИСЗ на орбите и нестабильность ориентации его
антенн. В связи с этим для точного расчета зоны покрытия
приходится определять ту часть поверхности Земли, где заданное качество
связи обеспечивается при любых, даже самых неблагоприятных
сочетаниях параметров, характеризующих нестабильность ИСЗ. Иными
словами, приходится отыскивать внутреннюю огибающую зон
покрытия, рассчитанных д.чя различных сочетаний величин,
определяющих положение ИСЗ и направление его антенн. Такой расчет можно
выполнить только с помощью ЭВМ [3, 5].
Чтобы подчеркнуть влияние нестабильности луча передающей
антенны ИСЗ, в [3] введено понятие -зоны гарантированного уроь-
пя сына.гл; что понятие близко к данному ранее определению зоны
:и
покрытия, учитывает как ограничения, обусловленные
радиовидимостью, так я создаваемую (с учетом нестабильности) плотность
потока мощности у поверхности Земли и отличается тем, что не
принимает во внимание энергетических соотношения на участке снизу
вверх (п. 3 определения зоны покрытия),
Используется также понятие зоны обслуживания — той части
поверхности Земли, на которой расположены или могут
располагаться ЗС данной сети, т.е. зоны, в которой необходимо обеспечить
нормальную работу земных станций [1]. На этой территории необходимо
обеспечить не только выполнение всех условий, определяющих зону
сокрытия, но и соблюдение необходимой защиты от помех со стороны
других радиосистем, в том числе других спутниковых систем связи.
Все расчеты взаимных помех, выполняемые при координации ССС в
процессе регистрации в Международном союзе электросвязи,
должны проводиться для любой точки зоны обслуживания. Очевидно, что
зона покрытия всегда охватывает зону обслуживания и превышает ее.
Регламент радиосвязи в интересах эффективного использования
орбиты н полосы частот рекомендует, чтобы зона покрытия была как
можно ближе к зоне обслуживания.
Для приближенного построения зоны покрытия и для
ориентировочного решения обратной задачи — выбора необходимых
характеристик диаграммы направленности бортовых антенн геостационарного
ИСЗ — можно воспользоваться представлением поверхности Земли
таг, как она видна с геостационарного ИСЗ [5] (см. § 2.6).
В некоторых случаях используется понятие «зона помех» — та
часть поверхности Земли, в пределах которой создаваемая системой
плотность потока мощности может превышать некоторое предельное
значение, задаваемое из условий допустимости помех другим
спутниковым или наземным системам радиосвязи. Зона помех
отличается от зоны покрытия не только потому, что ограничивается другим
значением плотности потока, но и потому, что при расчете помех,
ориентируясь на наихудший случай, при учете нестабильности
положения н ориентации ИСЗ определяют внешнюю огибающую
мгновенных заявочных характеристик, т.е. наихудший случай; по этой же
причине не учитывают дополнительное ослабление сигналов,
возникающее в гидрометеорах атмосферы.
2.4. Эффект Доплера и запаздывание
сигналов
Эффектом Доплера называют физическое явление,
заключающееся в изменении частоты принятых колебаний при взаимном
перемещении передатчика и приемника тгих колебаний. Этот эффект
может возникать при движении ИСЗ на орбите.
М
Если передатчик неподвижен
относительно приемника, то длина волны в
системах отсчета, связанных с приемником либо
передатчиком,
Х0 = с//0,
(2.5)
где с — скорость света; /о — частота
колебаний.
Бели же передатчик движется
относительно приемника со скоростью v,
направленной под углом ф к направлению линии
связи (рис. 2.10), то в системе отсчета,
связанной с приемником (земной станцией на
рис. 2.10), длина волны изменится на
величину, равную изменению расстояния за время Т = 1//о одного
периода излучаемого колебания:
Рис:'2.10.
Диаграмма для расчета эффекта
Доплера
ДА = — (и cos ^)//о.
(2-6)
Длина волны1 колебания, частота и относительное изменение
частоты у приемника соответственно равны:
А =
с(1 — (vcosip)/c)
То ;
/ = - = /о
А 1 — (wcos^O/c'
-— « - cos ф.
/о с
(2.7)
Эффект Доплера наибольший, если движение передатчика
относительно приемника происходит вдоль линии связи (ф = 0 или
Ф = л-):
Д/ » ±fov/c,
(2.8)
при сближении передатчика и приемника частота колебаний
возрастает пропорционально р/с, при удалении уменьшается по тому же
закону.
На линии связи через строго геостационарный спутник доплеров-
ский сдвиг не возникает, в случае реальных геостационарных ИСЗ
— малосуществен, а при сильно вытянутых эллиптических или
низких круговых орбитах может быть значительным. Расчет его
сводится к расчету отношения {v cos ф)/с для некоторой траектории
движения ИСЗ.
Пренебрегая эффектом замедления времени (эффект теории
относительности), малосущественным при v <C с.
33
При этом в линии спутниковой
связи необходимо учитывать сложное
движение и ИСЗ, и расположенной на
поверхности Земли ЗС [5]; при этом
следует принимать во внимание как
участок ЗС-ИСЗ, так и участок ИСЗ-
ЗС, причем на этих участках
доплеровскии сдаиг может быть различным
по модулю и даже по знаку.
Суммарный доплеровскии сдвиг
максимален для линий связи между
близко расположенными ЗС, когда на
обоих участках (Земля-спутник и
спутник-Земля) сдвиг примерно
одинаков и потому на всей линии
удваивается. Результаты расчета доплеров-
ского сдвига частоты для высокой
эллиптической орбиты типа «Молния»
приведены на рис. 2.11 в виде двух
кривых — для максимального (max)
и минимального (min) значений
сдвига [б]; здесь же показана
соответствующая высота ИСЗ (Я). Следует
учитывать, что ИСЗ на орбите типа «Молния» обычно включается в
работу только на высоте более 15.. .20 тыс. км.
Для круговых орбит максимальный доплеровскии сдвиг
частоты (для одного участка) можно приближенно определить из соот-
0 1 2 5*55
Время после прохождения
перигея,»
Ряс. 2.11. Временные
зависимости доплеровского
сдвига частоты и высоты ИСЗ на
орбите типа «Молния»
ношения
Д///о« ±1,5-10^,
(2.9)
где N — число оборотов ИСЗ вокруг Земли за сутки {N > 1).
Для реальных геостационарных ИСЗ относительный
доплеровскии сдвиг обычно не превышает 10~3.
Теперь рассмотрим влияние доплеровского сдвига на работу
линии связи. Во-первых, доплеровскии сдвиг проявляется как
частотная нестабильность несущей частоты ретранслируемых
спутником колебаний, добавляющаяся к аппаратурной нестабильности
частоты, возникающей в бортовом ретрансляторе и ЗС. Эта
нестабильность может существенно осложнять прием сигналов,
особенно узкополосных, приводя к снижению помехоустойчивости
приема. Во-вторых, несколько изменяется частота модулирующих
колебаний. Действительно, если частота несущей /о сдвигается на
А/ (см (2.9)), то частота верхней боковой составляющей (/о + F),
обусловленной компонентом F модулирующего процесса, составит
[fa + П(1 + «Уг) = /о + fav/c + F + Fv/c, нижней боковой — го-
ответственно /d + /о"/с - F - Fv/c. Таким образом, разность частот
34
боковых и несущей, равная частоте колебания, образующегося после
демодуляции, составляет F(l + v/c).
Это сжатие (или расширение) спектра передаваемого процесса
практически невозможно компенсировать аппаратурными методами,
так что если сдвиг частоты превысит допустимые пределы
(например, 2 Гц для некоторых типов аппаратуры частотного разделения
каналов), то канал оказывается неприемлемым. К счастью,
возникающая на практике нестабильность обычно меньше допустимых
пределов.
Эффект Доплера может создать трудности при передаче
дискретных сигналов в синхронных сетях. В таких сетях, стремясь
избежать потерь пропускной способности из-за асинхронного ввода
сигналов от различных источников, устанавливают весьма высокие
требования к стабильности частоты передаваемых сигналов — Ю-11
и выше. В такой сети линия спутниковой связи даже через
геостационарный ИСЗ окажется источником недопустимо большой
нестабильности. Исправить положение можно, установив буферные
запоминающие устройства и затем считывая информацию с
необходимой стабильностью.
Эффект Доплера объясняется изменением расстояния во
времени. Однако, как уже отмечалось, на свойства каналов связи
существенно влияет и само запаздывание радиосигнала при его
распространении по линии Земля-спутник-Земля, а не только его
изменение. Это постоянное запаздывание не приводит к каким-либо
искажениям передаваемого сообщения. Для геостационарного ИСЗ или
для ИСЗ на верхней части орбиты «Молния» запаздывание
достигает заметного значения — 300 мс. При передаче
однонаправленных сообщений (программ телевидения, звукового вещания, газетных
полос, телеграфных и других дискретных сообщений) запаздывание
потребителем не ощущается, но при дуплексной связи запаздывание
ответа на 600 мс уже заметно. Для дуплексной связи применяют
двухпроводные абонентские линии и четырехпроводные линии
между узлами коммутации: в точках перехода с четырехпроводной
цепи на двухпроводную всегда возникает некоторая несогласованность
и, следовательно, образуются отражения (эхосигналы),
распространяющиеся по линии связи в обратном направлении и достигающие
уха говорящего абонента через интервал времени, равный двойному
времени распространения сигнала по линии связи. Когда это
запаздывание невелико, зхосигналы воспринимаются как некоторое по-
слезвучание (гулкость), маскируются собственной речью абонента и
мало мешают разговору. Если же запаздывание велико, то они
воспринимаются раздельно, как четкое зхо, и создают серьезную помеху
разговору. Поэтому в каждом канале на линиях спутниковой связи
(как II на особо длинных наземных линиях) обязательно
применяют специальные устройства — эхозаградители или компенсаторы.
35
задирающие «обратный» говорящему абоненту канал. Однако
даже при валячяи зхозаградителей разговор но двухскачковой линии
становится затруднительным. Вследствие этого налагается
ограничение на применение составных линий связи, содержащих два
пролета Земля-ИСЗ-Земля, особенно в автоматизированной сети связи.
В исключительных случаях двухскачковые линии применяются,
например, при узловой структуре сети.
Запаздывание сигналов на линии спутниковой связи и его
изменение существенны и при передаче некоторых видов информации в
циркулярных сетях, например сигналов точного времени либо
изображений газетных полос (ИГП). В последнем случае, поскольку
частота развертки приемного аппарата сохраняется неизменной в
течение всего времени передачи полосы (синхронизация разверток
производится в начале сеанса), а время распространения изменяется из-за
движения ИСЗ, то сдвигается момент начала каждой строки и
происходит перекос принятой полосы, имеющий существенное значение
при передаче ИГП через ИСЗ на эллиптической орбите.
2.5. Эффекты затенения ИСЗ и «засветки»
антенн земных станций
Двигаясь по геостационарной орбите, спутник может оказаться
в тени Земли. Это явление следует учитывать при организации
работы систем спутниковой связи и вещания, поскольку на спутнике
связи основной источник электропитания — солнечная батарея, не
работающая в темноте. При этом прекращается и работа
бортового ретранслятора спутника, если на нем не установлена
аккумуляторная батарея, имеющая обычно значительную массу. Затенение
вызывает также резкое изменение теплового режима спутника.
Очевидно, что необходимо прогнозировать периоды затенения и
учитывать их длительность.
Иэ рис. 2.12 видно, что для попадания в тень Земли ИСЗ
должен находиться над той частью Земли, которая не освещена
Солнцем, тл. когда местное время соответствует вечеру и ночи.
Однако для затенения ИСЗ этого недостаточно. Геостационарная
орбита лежит в плоскости экватора, т.е. в плоскости, перпендикулярной
оси вращения Земли, а ось вращения Земли имеет наклон — она не
перпендикулярна плоскости орбиты Земли при ее движении вокруг
Солнца (из-за чего, как известно, наступает зима и лето). Поэтому
плоскость геостационарной орбиты наклонена к плоскости орбиты
Земли, и спутник в ночные часы обычно оказывается вне тени
(южнее зоны тени в положении а на рис. 2.12); это положение Земли
соответствует зиме в северном полушарии.
При движении Земли вокруг Солнца ось вращения Земли
сохраняет свое положение, плоскость орбиты геостационарного ИСЗ также
38
Положение а Полотенце 6
Орбита Земли ^_^____£Не=^- J
Ось Вращения ^^~"~ "" , •
Земгш s' lbs-0**
ГО \ /' \ Земли
,-/ ,.
*JL
V 1
VA-;
^ УЗемт,'
Плоскость \ ^^ /
экватора и ГО ~^уС^
Плоскость ~~
орбиты Земли
Рис 2.12. Затенение ИСЗ Землей зимой в северном полушарии (в)
и в период равноденствия (б)
сохраняет свой наклон и в положении (Г на рис. 2.Г2 линия
пересечения плоскостей орбит ИСЗ и Земли совпадает с прямой Солнде-
Земля; ИСЗ при своем вращении будет попадать в тень Земли.
Положение б соответствует осеннему (для северного полушария)
равноденствию; аналогичное явление возникает во время весеннего
равноденствия. Расчеты [5] показали, что период, когда затенение
наблюдается, имеет длительность около 1.5 мес. (дважды в год):
длительность ежесуточного непрерывного затенения достигает
максимального значения 79 мин в дни равноденствия, снижаясь до нуля к началу
и концу указанного периода.
Теперь рассмотрим другое явление — попадание Солнца или
Луны в луч антенны земной станции. Дело в том, что Луна и
особенно Солнце, как и многие звезды, например Кассиопея,
обладают собственным широкополосным радиотепловым излучением. Так.
плотность мощности WC(n){\), создаваемого Солнцем и
соответственно Луной у поверхности Земли, на частоте 3 ГГц (А = 10 см)
составляет 1 10-30 Бт/м2 Гц (Солнце), 7.6 • 10~33 Вт/м5 • Гц (Луна).
Мощность шума на выходе антенны ЗС в полосе Д/, обусловленная
•этим излучением, определяется выражением
Ршс(,о = И ;-(„)( А ).^Ф(0С(Л,)Д/ = 11'г1л)(А)Д/Сас(0с(л))Аг/47г. (2.10)
гДе бо(Л| угол между направлением от ЗС на Солнце (Луну) и
осью диаграммы направленности антенны ЗС; 5»ф(.^И)), С'-'(в. )
. Л1
Рис. 2.13. Прием сигналов от источника больших угловых размеров
— эффективная площадь и усиление антенны ЗС для сигнала,
приходящего ПОД уТЛОМ вф|) К ОСИ ДН.
Формула (2.10) отражает то очевидное условие, что с
увеличением размеров антенны ЗС увеличивается мощность шумового
сигнала, создаваемого Солнцем или Луной на входе приемника ЗС
Однако эта закономерность справедлива, пока угловые размеры
источника излучения малы по сравнению с шириной ДН земной
антенны. Когда эти две величины сравниваются, указанная
закономерность нарушается.
В этом случае необходимо учесть, что мощность суммарного
сигнала, принимаемого земной антенной, является интегралом от
излучения элементов поверхности источника (рис. 2.13). Когда ширина
главного лепестка ДН становится меньше угловых размеров
источника, дальнейшее увеличение усиления антенны вообще не
приводит к увеличению мощности шума на входе приемника ЗС,
поскольку увеличение усиления антенны точно компенсируется
уменьшением площади источника, излучение которой попадает в антенну. В
этом случае для характеристики шумового излучения
астрономического источника удобно использовать эквивалентную яркоппную
шумовую температуру источника. При попадании луча антенны
на источник излучения с некоторой яркостной температурой Т„,
закрывающий всю ширину главного лепестка антенны, суммарная
шумовая температура приемного тракта ЗС получается путем
сложения Т„ с собственной шумовой температурой приемного тракта 30
Так, яркостная температура Солнца на частоте 4 ГГи составляет Тяг
(5 .. б) -104 К. т.е. значительно превышает собственные шумы
обычно применяемых земных станций Это значит, что попадание
Солнца в луч антенны ЗС почти всегда резко ухудшает качество связи
или полностью ее прекращает.
38
Опасность этого явления определяется вероятностью
возникновения помех и их длительностью. Очевидно, что для появления
Солнца в луче антенны ЗС, направленной на ИСЗ, необходимо
совпадение целого ряда обстоятельств, подобно тому как это
наблюдалось для эффекта затенения ИСЗ. Так, для ЗС, расположенных на
экваторе, помеха от Солнца может наблюдаться в те периоды, когда
это светило пересекает плоскость геостационарной орбиты —
плоскость экватора; максимальная продолжительность помехи
наблюдается тогда, когда склонение Солнца равно нулю, т,е. в периоды
равноденствия. Для ЗС, расположенных в северных полушариях, помеха
наблюдается тогда, когда Солнце находится южнее экваториальной
плоскости (склонение отрицательное).
Обычно длительность возникающей от Солнца помехи ta ^
^ 5... 10 мин. Более точные материалы для расчета t„ можно
найти в [3, 5].
2.6. Оценка зоны покрытия
Ранее было дано определение зоны покрытия ССС и зоны
обслуживания. Более простым и весьма важным понятием является
заявочная характеристика антенны ЗХА — набор замкнутых
контуров, соответствующих постоянному усилению передающей
антенны ИСЗ, изображенных на географической карте. При этом
нестабильность положения ИСЗ на орбите или нестабильность ориентации
ИСЗ обычно не учитываются. Таким образом, для построения ЗХА
необходимо решить геометрическую задачу: построить на
поверхности Земли линию пересечения этой поверхности с поверхностью
конуса, соответствующего постоянному усилению передающей
антенны ИСЗ (рис. 2.14). Такая коническая поверхность
характеризуется определенным ослаблением в децибелах относительно
максимального усиления передающей антенны ИСЗ. Коническая поверхность
постоянного усиления при пересечении ее с плоскостью,
перпендикулярной оси луча антенны, образует окружность, эллипс, иногда
и бо.тее сложную фигуру, сформированную для создания зоны
покрытия специальной формы. Пересечение конической поверхности
с поверхностью земного шара имеет более сложную форму,
определение которой мы и рассмотрим.
Если выбрать контур ЗХА с некоторым ослаблением А\. при
котором как раз обеспечивается необходимое качество приема на ЗС
данной системы, то это и будет зона покрытия системы, но
приближенная, поскольку при этом не учтены нестабильность положения
ИСЗ и ориентации его антенны, а также зависимость затухания
сигнала от угла прихода луча на Землю, от метеоусловий, не учтено
также влияние линии Земля Космос Очевидно, что ЗХА,
построенная при некотором ослаблении Ль всегда несколько больше
истинной зоны покрытия.
39
исэ
Рис. 2.14. Диаграмма, иллюстрирующая построение заявочной
характеристики антенны
Наиболее простой и наглядный,
хотя и приближенный, метод
построения ЗХА — графический. Он
основав на применении специальных
карт, изображающих поверхность
Земли так, как она видна с
геостационарного ИСЗ [5]. Такая
картографическая проекция, часто именуемая
спутниковой, отнрсится к категории
азимутальных поперечных проекций
(точки земной поверхности проекти-
Рис. 2.15. Система коордн- руются на плоскость, перпендику-
нат, связанная со спутником (уг- лярную плоскости экватора [3]). На-
ловая спутниковая проекция) чало координат в этой системе
совмещено с конкретной точкой S расположения ИСЗ (рис. 2.15); О
— центр Земли; Р — северный полюс Земли. Положение некоторой
точка N земной поверхности в этой системе координат полностью
определяется линейными координатами проекции точки N из точки
5 на указанную плоскость- Можно также использовать (рис. 2.15)
непосредственно угловые значения ft и /?2, где j3\ = LOS А (расположен
в плоскости экватора), /?3 = LNSA (в плоскости, перпендикулярной
плоскости экватора). N А — перпендикуляр к плоскости экватора,
опущенный из точки N. Углы &\ и Д2 определяются по формулам
0\ = aicsin[(R<x>s<psin&\)/{\: #> = arctg[(tfsinyj)//]. (2.II)
так' = \ЛЭ + Я2ссвV - Пг cos у? cos АХ — длина линий .9.4; <р
географическая широта jV; ДА - разность долгот точки N и
подспутниковой точки ИСЗ; R - радиус Земли (ON), г - радиус ivocra-
шюнарюв орбиты: d = Jf- + /psinV - наклонная дальность для
точки N (длина линии $.\).
40
Рис. 2.16. Вид координатной сетки земного шара (параллелей и
меридианов) в угловой спутниковой проекции
Проекцию с координатами 0\, 02 будем называть угловой
спутниковой проекцией в отличие от спутниковой азимутальной
поперечной. Различие между этими проекциями невелико и определяется
разницей значений tg/З и 0 при малых углах 0\, 0ч, характерных
для геостационарного ИСЗ.
На рис. 2.16 показан вид координатной сетки земного шара в этой
проекции. Здесь меридианы — линии В (соответствующая им
долгота показана на нижней горизонтальной оси), параллели — лилии
Б (соответствующая им широта показана на центральной
вертикальной оси), линии Г соответствуют определенным значениям угла 0?
в спутниковой угловой системе координат, линии Д — то же для
угла 01. Линии Л — окружности равных наклонных дальностей d
и равных углов места т*.
В той же проекции дан вид земного шара для точки стояния
геостационарного спутника 90° в.д. (рис. 2.17) с тем отличием, что на
окружностях .4 равной дальности показаны не d и не -у, а угол
отклонения луча от направления на подспутниковую точку 0 = LOSN
(см. рис. 2.15, 0 - arcl.g i/tg^i + tg2^2/cos3/J1).
Здесь же показаны контуры ЗХА по уровню ослабления сигнала
от -2 до —20 дБ при точке прицеливания луча антенны на
поверхность Земли с координатами Ац = 37° в.д., ^ц = 56° с.ш., ширина луча
(но уровню -3 дБ) 5° х 5а (сечение луча антенны — окружность).
Имея такую карту, нетрудно выбрать подходящую для
обслуживания заданной территории примерную ширину луча антенны И.СЗ.
форму сечения луча и точку его прицеливания. Несложно решить
прямую задачу: зная угловой раскрыв луча антенны и координаты
точки прицеливания, определить примерные контуры ЗХА.
Можно также приближенно учесть влияние нестабильности положения
41
Рис. 2.17. Заявочная характеристика антенны (ЗХА) в угловой
спутниковой проекции (точка стояния ИСЗ 90° в.д.. ширина луча антенны
5 x5е)
ИСЗ и ориентации его антенны, т.е. оценить не только ЭХА, но и
зону покрытия.
Напомним, что карта на рис 2.17 пригодна для определения
ЗХА и зон покрытия лишь д.хя IIC3, расположенного на ГО в
точке 90° bjl Для любой другой точки придется строить другую
карту. Таким образом, вычислительная работа переносится на этап
построения карты.
2.7. Алгоритм расчета контура ЗХА ддя
геостационарного ИСЗ
Приведем порядок расчета контура ЗХА по методике,
предложенной в [3J.
Для построения необходимы следующие исходные данные.
4*
Рис. 2.18. К построению контура ЗХА на поверхности Земли
координаты ИСЗ в той или иной системе координат, например
геоцентрической; для идеально геостационарного ИСЗ достаточно
•знать его долготу Ас;
точка прицеливания луча ДН антенны ИСЗ, например, в
обычных земных координатах — долгота Ац и широта ^?ц;
угол Фо раскрыва сечения луча ДН антенны ИСЗ по уровню
-3 дЕ>; если сечение луча эллиптическое, то задаются значения Фо
и Ф1, соответствующие двум осям эллипса, и угол поворота главной
оси эллипса (Ф0) а (относительно плоскости ХкОкУк системы
координат космического аппарата см. [3]; например, плоскость XkOkYk
(рис. 2.18) может быть параллельна плоскости экватора);
ослабление усиления антенны Д, для которого строится контур
ЗХА (например, —3 дБ);
формула, определяющая ослабление усиления антенны Д в
децибелах в области главного лепестка, например в [3]:
Д = 201g{[sin(2,7832*A)/2,7832SA]}, (2.12)
где 6Л = Ф/Фо, Ф — угол в плоскости отсчета Фо, для которого
чначенне Д такое же, как и для направления, заданного угловыми
параметрами { иЯ — углом отклонения радиус а-век тор а данного
направления от оси ДН и углом поворота плоскости, содержащей
ось ДН и радиус-вектор, относительно такой же плоскости,
проходящей через ось Фо эллиптического сечения луча. Для кругового
сечения луча Ф| = ф0.
Следует обратить внимание на то, что в некоторых случаях часть
контура ЗХА определяется границей радиовидимости, где
нарушается условие (граничный угол 7> места обычно принимается равным
5 или 10°).
43
Для расчет» будут использоваться также радиус Земли R =
= 6S70 км и высота геостационарной орбиты И = 42170 км.
Шаг I. Находим направление прицеливания бортовой антенны
в углах координат системы координат 0HX^YKZK, имеющей начало
а точке размещения ИСЗ. Для этого определяем угол между
проекцией оси ДН яа плоскость ЛгкОиУк и осък> «^ординат Ок (-^к)
(угол бокового отклонения антенны):
Дсб9<рцМп(Аа-Ас) . .
0S = «rctg——5 i—г г-г 2.13)
и угол между осью ДН и ее проекцией на плоскость XK0KYK (угол
подъема антенны, см. рис. 2.18)
, t £sinp„cos$6
V>n = arctg -—— ~ц Г0—рг. (2.14
Н — R cosv»u cos(Au — Ас)
Шаг 2. Вычисляем ряд величин, необходимых для определения
границ ЗХА_, обусловленных радиовидимостью:
ро = агсяп[(Ясо87г)/Я1; рх = ?г + Ро; Pi = H- ЯвшрЧ;
(2-15)
Шаг 3. Рассчитаем элементы матрицы, необходимой для
преобразования системы координат космического аппарата к системе
координат, связанной с бортовой антенной (у которой ось ОкХА
является продолэкевнем оси ДЕ антенны UOK):
ап — cos Vn cos фъ; ац = sin 4<a cos V'e sin a + sin ip& cos a;
at3 = sin фв cos ф& cos с - sin jfesin a; an = - cos ip„ sin 06;
«23 = —sinV'nSinVtesiaff+ coeV^cos(T; (2.16)
a23 = — sin ^n sin Ve cos <r — cos фъ sin a;
°3i = -«"V'ji I «32 = cos фп sin or; a33 = ros ^n cos <r.
Шаг 4, Яз (2.12) методом итераций по заданному значению
Д находим 6а-
Шаг 5- Определяем шаг расчета ДО = 2ж/п, где п -
желательное число точек » контуре ЗХА. ДП - шаг по а г,ПОскосТи
радиуса-вектора 0,1/N.
Шаг 6. Для £-й точки
п, = (,-])дп (2|7j
АА
Шаг 7. Вычисляем угол между осью ДН аатеяни и векто-
ром анализа 0KN:
Е, = &Tctg{[tg{Sb<bQ))/yJe4m2ni + cos2nf}, (2.18)
где
е=ЫФо/2)\/Ч(Фх/2)
(2-19)
— отношение полуосей эллипса в поперечном сечении ДН антенны.
Находим линейные координаты точки N' (см. рис. 2.18) в системе
координат антенны 0KXaYaZa (принято 0KU = 1):
х\i = -1; Уа» = tg & cos Q,; zAi = tg £,- sin П;.
и в системе координат космического аппарата:
Xi,'
УН
.zli.
= fab)
ХА,'
г/At
L zA,- J
(2.20)
(2.21)
где [о,*] — транспонированная матрица направляющих косинусов,
все элементы которой определены на шаге 3 [формула (2.16)].
Напомним, что умножение матриц осуществляется следующим
образом. Для вычисления матрицы [у] = [a][j3] все ее элементы
надо определить по правилу
T/Jt = J]]**///?,*,
где / — номер строки; к — номер столбца матрицы [7].
Для (2.21) к = 1, поэтому yt = XIQ/<A> т.е. для вычисления хц
i
надо найти сумму попарных произведений каждого элемента первой
хА.
строки матрицы [ajk\ на элементы столбца матрицы
VAi
*Ai
и т.д.
И наконец, вычисляем углы т и 6, определяющие положение
вектора анализа 0KN" в системе координат OkXkYkZk:
П - aictg[yu/(-xu)]; St = arctg[au/(-*„-)].
(2.22)
Шаг 8. Проверяем, не нарушено ли условие радиовидимости
при ^»тих значениях углов гиб:
afctg \Jtg-n + tg2<5,- ^ Ро
[ри было определено на шаге 2).
(2.23)
45
Если у слови» выполняется, переходим сразу к шагу П. Если
ьсли условие w» условия радиовидимости, т.е. по
нет, то определяем границу <зЛА из условие н«***
углу места уг.
Шаг 9. Вычисляем
, . Ух ~ Уи.
V5i = P2tgn; ** = ра*в*; v.- - wctg ^ _ ^,
Р<; = -{ум sift w + *n «* w); Pw = P4i(l - у 1 - Рз/р4<);
tfti+PSiSinWi c , 2i,+P5iCOS^i /„ „,,
rri = arctg ",X№ ^; 6rf = arctg . (2.24)
P2 P2
Шаг 10. Заменяем значения tj, u, определенные на шаге 7 по
(2.22), назначения тП) 5ri, полученные по (2.24).
Шаг 11. Вычисляем координаты точки N, лежащей на
пересечении вектора анализа 0KN" с поверхностью земного шара, в
системе координат КА:
*N. = {H/tf) [yi - р?(1 - Д2/Я2) - 1 ;
yjv, = -л?лг. tg n; zNi = -xNi tg 6i i (2.25)
где p? = 1 + tg2T, + tg2fc.
Определяем наклонную дальность 0KN:
4 = ^*ла.+Улг< + 4,=# 1-y/l-tfCl-IP/H*) /щ. (2.26)
Переходим к координатам точки # в обычной земной (гринвичской)
системе координат. Широта и долгота этой точки
A = areeiii-iM: A, = arcsin-4^-+ Ас /2 27)
Й-« р,-Ясовр| \£-г'>
Определяем С = |А|. Если С $ ж, кончаем этот шаг Fern
С > v, находим А; = -А.(2т - С)/Г TV,*™ лл „
А. (или А') наносим «а карту- координатами *, ■
Шаг 12. Даем приращение индексу г - i'-i- 1 « .,,
б. проводим расчет для следуй ^ ^^™ < ^
расчет окончен. Полученные на карте точки со™»! ~
плавной линией и получаем ЗХА с°ВД»няем ломаной или
<»<;
Глава 3
Качественные показатели каналов
спутниковых линий
3.1. Качественные показатели каналов
телевидения
Каналы и тракты спутниковых линий, входящие во
взаимоувязанную сеть связи (ВСС) страны, нормируются на основе
действующих в России единых для наземных и спутниковых систем связи и
вещания норм и стандартов на каналы, групповые и цифровые
тракты, а с учетом вхождения их в международные сети связи — также
в соответствии с документами международных организаций МККР
(теперь Сектор радиосвязи МСЭ-Р) и МККТТ (теперь Сектор
стандартизации МСЭ-Т), входящих в МСЭ.
Классификация спутниковых ТВ каналов
В спутниковых системах передачи организуются три типа ТВ1
каналов: магистральные каналы, распределительные для подачи ТВ
программ в зоновые и местные ТВ сети (см. § 1.7) и каналы для подачи
(вещания) программ на установки индивидуального пользования.
Спутниковые магистральные ТВ каналы, организуемые на базе
приемных станций «Орбита» и «Москва», по назначению и
качественным показателям соответствуют магистральным ТВ каналам
радиорелейных и кабельных линий, и обе линии вверх и вниз в них
работают в диапазонах фиксированной спутниковой службы. Для
организации телевизионных репортажей с мест актуальных событий
широко применяются спутниковые транспортируемые видеорепортаж-
иые станции [3.1]. Эти каналы изображения телевидения и
звукового сопровождения телевидения должны отвечать требованиям на
магистральный канал.
Спутниковые системы распределительные или подачи (вещания)
программ на индивидуальные приемные установки системы, как
правило, организуются и диапазоне ФСС на линии вверх — с помощью
так называемых фидерных линий и в диапазоне вещательных служб
на линии вниз.
Под | LJ каналом подразумевается совокупность двух каналов —
изображения и звукового сопровождения.
47
Спутниковые распределительные ТВ каналы с приемными
установками 1 класса, например типа «Экран-ПП», должны быть
эквивалентны по качественным показателям каналу наземной линии,
состоящему из магистрального и внутризонового каналов.
Спутниковые распределительные ТВ каналы с приемными
установками И класса для коллективного приема, например, типов
«Экран-ГГА», «Экрав-КР», «Экран-КРЮ», предназначены для
распределения программ центрального телевидения в населенные
пункты с числом жителей 2.. .3 тыс. чел. (в местные сети распределения
ТВ) с помощью маломощных (1; 10 Вт) ТВ ретрансляторов или сетей
кабельного телевидения. К ним относятся и установки
коллективного приема ТВ систем вещательного телевидения на базе
отечественных спутников «Галс» или предназначенные для приема зарубежных
программ, например на базе спутников Astra, которые могут работать
в разных диапазонах частот. Так, как известно, система «Экран»
работает в диапазоне 700 МГц, а приемные установки новых разработок
рассчитаны на прием программ в диапазонах фиксированной и
вещательной служб в диапазонах 11 и 12 ГГц.
Спутниковые каналы для приема телевидения на установки
индивидуального приема фактически состоят из канала подачи
программ на линии вверх и канала вещания ТВ.
Гипотетические эталонные цепи
Для удобства нормирования и
!£. сравнения на общей основе каналов с
х >t К зс различными структурами и длинами
°—гР"Г"^ "*—1~U"1—° вводят гипотетические эталонные
цепи (ГЭЦ); ГЭЦ магистрального кана-
_ _ ла изображения дана на рис. 3.1, со-
эталонная цепь, канала язобра- Держит лишь одну линию Земля-спут-
жеггая спутниковой линия ник-Земля, причем она может
содержать линию спутник-спутник.
Наземной передающей станции имеется модулятор для переноса
модулирующего спектра основной полосы на ВЧ несущую, а на земной
приемной станции — демодулятор для переноса сигнала с ВЧ несущей на
модулирующие частоты. Обычно при нормировании активные
соединительные линии между земными станциями ЗС и
коммутирующими центрами в ГЭЦ не включаются. С учетом средней длины
спутниковых ТВ каналов и их функций принято, что спутниковый
магистральный канал изображения по показателю отношение сигнал-
взвешенный шум эквивалентен магистральному каналу наземной
линии, состоящему из двух каналов длиной по 2500 км [3.2]. По
остальным показателям спутниковый канал изображения эквивалентен
наземному магистральному каналу длиной 2500 км. В ГЭЦ канала II
4*
синхронизирующих цялульсоа
Рис. 3.2. Уровни в полном цветовом сигнале: L —номинальный размах
сигнала яркости от уровня гашения до уровня белого, 700 мВ; S — номинальная
амплитуда строчного синхронизирующего импульса, 300 мВ; М — номинальный
размах черно-белого сигнала от уровня синхронизирующих импульсов до уровня
белого. 1 В: D — мгновенное значение сигнала яркости по отношению к уровню
черного; F — мгновенное значение амплитуды цветового сигнала; G —
пиковая амплитуда сигнала цветности; Н — размах полного цветового
телевизионного сигнала от уровня синхронизирующего импульса до уровня установившегося
максимального значения цветовой поднесущей на уровне белого, 1107 мВ; Н' —
мгновенное значение размаха полного цветового ТВ сигнала; J — защитный
интервал — разность между уровнем черного и уровнем гашения (установочная —
0.. .50 мВ); Л' — размах цветовой поднесущей — 214 мВ в красных строках я
167 мВ в синих строках.
класса дополнительно к элементам магистрального канала
включают модулятор для получения стандартного ОБП-АМ вещательного
сигнала на частоте стандартного наземного вещания в соответствии
с ГОСТ 7845-92 и контрольный телевизионный демодулятор в
соответствии с ГОСТ 20532-83, выделяющий ТВ модулирующий сигнал.
Уровни ТВ сигнала
Каналы изображения спутниковых линий предназначены для
передачи сигналов черно-белого и цветного изображений,
удовлетворяющих требованиям ГОСТ 7845-92. В России используется система
цпгтного телевидения СЕК AM, в которой информация о цветности
передается методом ЧМ на поднесущих. Уровни полного цветового
сигнала этой системы приведены на рис. 3.2.
Отношение сигнал-шум
Отношение сигнал-шум в канале изображения является
важным показателем для энергетического расчета ТВ систем и
планирования сетей вещания. В каналах изображения нормируются
отношение сигнал-нэвешенный шум, равное (в децибелах) отношеншо
49
амплитуды от пика до пика сигнала изображения (параметр L на
рис. 3.2) к эффективному значению шума, измеренному
взвешивающим фильтром с полосой от 10 кГц до верхней частоты
сигнала 6 МГц. Амплитудно-частотная характеристика взвешивающего
фильтра позволяет учесть свойства зрения при восприятии флук-
туацнонных помех в различных участках спектра. Используемый в
настоящее время на новых спутниковых линиях подачи ТВ
взвешивающий фильтр с т = 245 не (рис. 3,3) в соответствии с Рек. МККР
567 [3.3] позволяет захватить и область частот, в которой
находятся поднесущие, содержащие информацию о цвете. Шумы
измеряются прибором для измерения эффективных значений, их уровень
определяется по формуле
11' = 201^с.ра3м/Уэф.ш).
ОД? £г*ф.ш — эффективное значение взвешенного шума, (/с.рвам — Р33"
мах видеосигнала между уровнями черного и белого (параметр L).
Нормированное отношение сигнал-шум должно выполняться в
течение 99 % времени любого месяца. Допускается ухудшение
нормированного отношения на 8 дБ в течение 0,1 % времени любого
месяца. Нормирование в малом проценте времени особенно актуально
для систем, работающих в диапазонах выше 10 ГГц.
В Рек. МККР 567-3 [3.3] предлагается, чтобы полоса, в которой
измеряется взвешенный шум. была равна 5 МГц. Но в нашей стране
принято измерять шум в полосе 6 МГц, поскольку сигнал системы
СЕКАМ занимает эту полосу. Полоса измерения формируется
фильтром подавления НЧ помех (от сети питания и микрофонного шума)
(АЧХ /, рис. 3-4), взвешивающим фильтром с постоянной времени
т = 245 не (АЧХ /, рис. 3.3). Во внедренных ранее системах
применяется фильтр с постоянной времени t = 330 не (АЧХ 2, рис. 3.3) и
фильтром нижних частот, ограничивающим полосу измерения помех
(АЧХ для /в = б МГц, рис. 3.5).
Номиналы элементов резисторов, индуктивностей и
конденсаторов указанных фильтров приведены в [3.7].
Измерения с унифицированным для разных ТВ стандартов
взвешивающим фильтром по Рек. МККР 567-3 с постоянной времени
г = 245 не для измерения флуктуационных помех в каналах черно-
белого и цветного телевидения позволяют нормировать единое
отношение сигнал-взвешенный шум при измерении в одинаковых
условиях для разных ТВ стандартов.' При этом шум для всех стандартов
должен измеряться в паюсе 5 МГц, формируемой фильтром
нижних частот ФНЧ (АЧХ на рис. 3.6), схема которого аналогична схеме
ФНЧ г полосой б МГц. но номиналы элементов другие.
Низкочастотные помехи также подавляются специальным фильтром
50
/
^/
1"
а,дб
5
10
15
20
25
10s 2 3 4 5Б8Ю62 3ffSSffy
Рис. 3.3. Амплитудно-частотные
характеристики фильтров для
измерения флуктуационных помех: / —
унифицированного; 2— по Рек. 421-
3 МККР
В Рек. МККР 567
нормируется защищенность от псофометри-
ческого шума, измеряемая
унифицированным фильтром в полосе
5 МГц.
а,дБ
но
0,1
f, f2
Рис. 3.5. Амплитудно-частотная
характеристика фильтра нижних
частот (/„ = G МГц; /, = 5,884-2; /2 =
= 6,MK2)
у\ >*^г\/"ч
01 3 5
1
4
ЪМГц
Villi
л
.__ . _L
~t±I
1 1 1/
In I
У
а.дв
60
so
40
за
20
10
2 S 10 20 f^/еГц
Рис. 3.4.
Амплитудно-частотные характеристики фильтров
для разделения флуктуационной
помехи и низкочастотных
периодических помех: 1 — фильтр
подавлении низкочастотных помех;
2 — фильтр выделения
низкочастотных помех
а,дБ
90
30
20
т
п
_-
/
/
7 2 3 V £,МГц
Рис. 3.6.
Амплитудно-частотная характеристика фильтра
нижних частот (/, = 5 МГц)
В табл. 3.1 приводятся нормы на отношение с и гнал-взвешенный
шум, поручаемые при измгрениях взвешивающим фильтром с г =
= "245 и 330 не в полосе 6 МГц.
В системах передачи ТВ сигнала с частотной и амплитудной
модуляцией для повышения помехоустойчивости сигналов применяют
линейные частотные предыскажения видеосигнала на передающей
стороне и частотное восстановление — на приемной (Рек. МСЭ^Р
405, рис. 3.7).
Коэффициенты пересчета влияния контуров восстановления
предыскнженного сигнала и взвешивающей цепи отдельно и вместе
на значение защищенности от белого шума и шума с треугольной
формой спектра приведены также в табл. 3.1. Треугольную форму
51
Верхняя
моду-
л«РУ-
еошМ
чистота.
МГа
5
6
6/5а
6.0
"Система 1
цветного ТВ
цированная
К/СЕКАМ
цированная
чочффнциент
восстановления, дБ
бе-
ЯЫЙ
шум
а
-2,1
-1.6
-1,6
То же | —1,6
1 Первая цифра с
ма, вторая — к полосе
вредыскаженного шу*
гольный
шум
Та
Коэффициент
взвешивания, дБ
белый
шум
б 1 в
2,0
2,3
2,3
2,3
тноситс
► измерь
la.
7,4
9,3
8,2
«,о
гольный
шум
г
12,2
П,7
14,6
12,8
восста-1
восстановлен- новлен-
ный яый
белый треуго-
шум льный
шум
д
3,0
3,5
3,2
з,з
е
11,2
15,8
13,3
12,0
б л и
Ц а 3.1
Коэффициент
взвешивания
и
восстановления-, дБ
белый
шум
а+д
0,9
1,9
1,6
1,7
гольный
шум
б+е
13,2
18,1
15,6
14,3
а к полосе измерения невзвешеиного шу-
>ния восстановленного и/нли взвешенного
Dfll 002
ЦОЗ ф Ц2 0$ 1ft
Частота, МГц
W 5fl 10ft
Рис. ».7. Характеристика частотных лредыскажений ТВ сигнала
— 1П1<гГ1 J. ini1f.\/H j n tnat r \i . . „
* вер.пред
= 10lg[l + ]0.21/a)/(l + 0,4083/2)] - 11,0
тиеетспектр шума на выходе спутникового канала, в котором сигнал
ТВ передается ТВ методом ЧМ- На участке ретрансляции сигнала
для потребителей применяется ОБП-АМ, спектр шума на выходе
демодулятора AM сигнала равномерный.
Из табл. 3.1 следует, что при треугольной форме спектоа шума
совместноедейст.ие цепей восстановления и «^ш^Л^ф^
решающ «епъю с г = 245 не при передаче и измерена сигнала в
полосе б МГп даот выигрыш 14.3 дБ „ при белом шуме 1 7 дБ при
52
т = 330 не при передаче и измерениях в той же полосе —
соответственно 18,1 и 1,9 дБ. Эти выигрыши и учитываоотся при расчетах
энергетики ЧМ и ОБП-ТВ систем.
Исходя из технических, организационных и экономических
соображений и в соответствии с установленной эквивалентной длиной
канала ГЭЦ в спутниковых каналах нормируются следующие
отношения сигнал-вэвешенный шум (с учетом контуров восстановления
и унифицированного взвешивающего фильтра) на краю зоны
обслуживания: в магистральных каналах — 50 дБ [3.2], в каналах
распределения ТВ с приемными установками I и II класса яри
эфирном вещании — 46 дБ и в каналах распределения ТВ с приемными
установками II класса при подаче на кабельные системы и приеме
на индивидуальные установки — 42 дБ [3.4]. При использовании
взвешивающего фильтра с постоянной времени т = 330 не значения
отношения сигнал-шум увеличиваются примерно на 4 дБ.
Низкочастотная периодическая помеха (фон) измеряется при
включении на выходе канала фильтра для выделения
низкочастотных помех. Отношение размаха сигнала от уровня гашения до уровня
белого к размаху фоновой помехи составляет 35.. .40 дБ (табл. 3-2).
Допустимые линейные и нелинейные искажения сигнала в
магистральном канале нормируются в основном в соответствии с ГОСТ
19463-89 [3.2]. Спутниковые магистральные каналы изображения для
распределения программ ТВ нормируются в соответствии с
Правилами технической эксплуатации средств вещательного телевидения
[3.5]. Спутниковые магистральные каналы с установками
коллективного и индивидуального приема систем непосредственного приема
программ телевидения нормируются в соответствии с ГОСТ Р 50788-
95 [3.4].
Сводные данные о качественных показателях каналов
изображения спутниковых ТВ систем приведены в табл. 3.2, в которой в
последней колонке даны также значения коэффициента р,
входящего в формулы сложения искажений в составных спутниковых
каналах (см. § 3.4).
В настоящее время в международных и национальных
организациях интенсивно исследуются и активно разрабатываются стандарты
цифрового стандартного, повышенного и высокой четкости качества
телевидения с устранением избыточности ТВ сигналов и с
соответствующим уменьшением скорости передачи, а также
соответствующие методы передачи в ВЧ трактах, в частности спутниковых [3.6],
формируются требования на канал изображения по аналоговым
выходам. Проводятся большие исследования субъективного качества
цифрового ТВ.
Разрабатывагтся семейство стандартов сжатия цифрового ТВ
сигнала типа MPEG — Moving Pictures Experts Group. Стандарт
53
Таблица 3.2
Параметр
Отношение
сигнал ярсости-
взвешеияаа флук-
туащкшная помеха
а течение 99 %
времени любого
месяца не менее, дБ:
при г = 330 не,
Л = б МГц
при г = 245 не,
F» = 6 МГц
Отношение сигнал
яркости-фоновая
помеха не менее,
дБ
Дифференциальное усиление
(размах) ие более, %
Дифференциальная фаза не более,
град.:
размах
отклонение от
уровня черного
Коэффициент
нелинейных
искажения сигнала
яркости (размах) не
более, %
Относнтельн ая
неравномерность
ллоскоП части
прямоугольных
импульсов частоты
полей (размах) не
[более, %
Значение параметров для
rnvt™*™^ ТВ системы
♦Ор»
би-
та-2»
53
49
35
20
10
18
10
«Москва»
S3
49
40
18
15
15
10
«Экран»
1хл.
53... 55
49... 51
40
24
15
20
12
II кл.
46... 48
42... 44
40
30
20
20
12
Перспективные системы
I кл.
50
46
40
12
6
±12
5
9
II кл.
46
42
40
15
20
±12
15
9
Закон
сложения
искажении
По
мощности
По
пряжению
Закон
3/2
Закон
3/2
ратичный
Закон
3/2 при
Л' > 3;
метический при
N < 3
54
Окончание табл. 3.2
Параметр
Относительная
неравномерность
плоской части
прямоугольных
импульсов частоты
строк (размах) не
более, %
Искажения
формы синусквадра-
тимного импульса
(К-фактор)
Различие усиления
сигналов яркости и
цветности не более,
%
Расхождение во
времени сигналов
яркости и
цветности не более, не
Значение параметров для
спутниковой ТВ системы
бита-2»
5
4
±15
±100
«Москва»
5
4
±14
±150
«Экран»
I кл.
8
5
±20
±150
II кл.
8
6
±25
±200
Перспективные системы
I кл.
5
4
±12
II кл.
8
4
±12
Закон
сложения
искажений
Квадратичный
Квадратичный
MPEG-1, регламентирующий способ передачи цифрового ТВ
сигнала на скоростях до 1,5 Мбит/с, в наибольшей степени подходит для
электронной фотографии, видеоконференцсвязи, для мультимедиа,
т.е. для тех применений, где требуется передача неподвижных
изображений с малой разрешающей способностью. Стандарт MPEG-2
оптимален для видеосистем с более высокоскоростными потоками.
Первоначально предусматривалась скорость передачи от 4 до 15 Мбит/с.
но для обработки видеопрограмм в студиях могут использоваться и
скорости до 100 Мбит/с. В этих стандартах в едином
информационном потоке передаются видеосигналы, звуковые сигналы и
данные. Гибкость алгоритмов, используемых обеими системами MPEG,
позволяет в будущем наращивать структуры оборудования для
расширения функциональных возможностей только путем
усовершенствования блока кодера. Все остальные функциональные элементы
систем остаются прежними, и даже не требуется вносить изменений
в декодер на приемной стороне,
Существует до одиннадцати стандартов MPEG-2. Качество
передачи в -этих стандартах в основном оценивается субъективно; слож-
_ JE
■ость субъективных испытаний состоит в отсутствии согласованных
испытательных последовательностей изображений. Методы
субъективной и объективной оценки качества изображений описаны в
Разделе Е [3.7].
Что касается нормирования каналов изображения, то в МСЭ-Р
й МСЭ-Т согласовано мнение, что канал, составленный из
аналоговых и цифровых секций, как и составленный только из аналоговых
секций, должен отвечать рекомендациям на параметры и методы
измерений Рек. МККР 567, в которую будут добавлены параметры и
методы измерений для цифрового кодирования.
В связи с отсутствием согласованных решений по стандарту
цифрового ТВ на международном и отечественном уровне требования
к каналам изображения, организуемым цифровыми методами,
постепенно пополняются и вносятся в Рек, МСЭ-Р 658. Заранее можно
предположить, что в целом субъективное качество такого канала
должно быть не хуже обеспечиваемого аналоговым каналом,
отвечающим нормам Рек. МККР 567.
Методики измерений и измерительные сигналы
Для измерения параметров сигнала при снятии модуляции
несущей информационным видеосигналом используют испытательные
сигналы, а для измерений параметров канала во время передачи —
испытательные строки. В качестве испытательных сигналов
используются измерительные периодические сигналы 1; 2; 3.1; 3.1а; 3.2а
по ГОСТ 18471-83.
Сигналы испытательных строк вводятся в строки кадровых
гасящих импульсов, выделяются из видеосигнала блоками выделении
строка в измерительных приборах и подаются на осциллограф. Для
измерения искажений в испытательные строки (ИС) вводят
измерительные сигналы I-IV по ГОСТ 18471-83. Сигналы I-IV вводятся
в канале изображения апларатно-студийного комплекса — на входе
соединительной ливни, идущей к ЗС, в строки с номерами 17, 18,
330 и 331 соответственно, а также вводятся на входе
магистрального канала изображения земной станции в строки с номерами 20,
21. 333 и 334 соответственно.
Методы измерений флуктуационных и НЧ периодических помех
рассмотрены ранее. Методы измерений линейных и нелинейных
искажений в видеоканале, независимо от вида канала — наземного или
спутникового — подробно изложены в [7].
Особенность спутниковой ТВ системы «Москва» — применение
сигнала дисперсии для доведения плотности потока мощности у
поверхности Земли до регламентируемой в Рек. МСЭ-Р 358 [3.8] для
уменьшения помех радиорелейным линиям. В системе «Москва» на
56
передающей стороне к сигналу ТВ добавляется сигнал дисперсии
треугольной формы с частотой 2,5 Гц и девиацией ±4 МГц. В
приемном устройстве сигнал дисперсии ослабляется на 10 дБ с помощью
устройства с обратной связью по частоте и уменьшается путем
привязки уровня сигнала изображения на 30.. .35 дБ. Остаточное
напряжение дисперсии влияет на результаты измерения шумовых и
дифференциальных характеристик тракта, поэтому измерения взвешенной
флюктуанионной помехи, фоновой помехи в канале изображения, а
также псофометрическогошума и интегрального шума в каналах
звукового сопровождения проводят с выключением сигнала дисперсии.
Методы измерений, предлагаемые в ГОСТ Р 50788-95, относятся
не только к параметрам канала по видеовыходам, но также к
высокочастотному тракту, образуемому антенной, преобразователем
частоты вниз и тюнером, и поэтому разработаны на основе не только
документов по измерениям по видеочастоте, но и публикаций
Международной электротехнической комиссии (МЭК) 1079-1,2,3 и МЭК
1114-1, в которых регламентируются методы измерения ВЧ
трактов установок коллективного и индивидуального приема
спутникового ТВ.
3.2. Качественные показатели каналов звукового
вещания и звукового сопровождения ТВ
Нормирование канала, как всегда, начинается с определения
нормируемого канала. Приведенная на рис. 3.1 ГЭЦ для канала
изображения справедлива и для каналов звукового сопровождения (ЗС)
ТВ и звукового вещания (ЗВ) спутниковых аналоговых и цифровых
систем. Таким образом, ГЭЦ канала ЗВ и ЗС ТВ содержит одну
пару модулятор-демодулятор или одну цифровую секцию. Несмотря на
различие в организационной структуре каналов ЗС ТВ и ЗВ (каналы
ЗС ТВ организуются между ТВ аппаратными, а каналы ЗВ—
между центральной и местными коммутационно-распределительными
аппаратными узлов радиосвязи и радиовещания), для них принята
одна и та же ГЭЦ. По качественным показателям, зависящим от
длины, каналы ЗВ и ЗС ТВ приравниваются к каналу наземной
линии длиной 2500 км.
Качественные показатели каналов ЗС ТВ и ЗВ спутниковых
систем (табл. 3.3), организованных аналоговыми методами,
соответствуют качественным показателям магистрального канала ЗВ (КЗВ)
ГОСТ 11515-91 [3.9].
В каналах системы «Орбита-РВ». содержащей аналого-цифровой
преобразователь и используемой для уплотнения спутникового
ствола методом временного уплотнения, и системы «Радикал-ЗВ», в
которой для передачи в спутниковом стволе большого количества
программ используется одна несущая со скоростью передачи 8448
57
Параметр 1
Таб
лица 3.3
Нормированные значения параметров
каналов звукового вещания
[Высший класс
Номинальная полоса эффек- I
тнвно передаваемых
частот, Гц
Амплитудно-частотная ха-
. рахтеристика ие более, дБ
(в полосе, кГц.)
1
ВерхнвЯ предел АЧХ
Защищенность от псофоме-
трнческого шума не менее,
дБ
Коэффициент нелинейных
искажений не более, %:
на частоте до 100 Гц
на частоте 100... 200 Гц
на частоте свыше 200 Гц
Защищенность от
интегральной переходной помехи не
| менее, дБ
30... 15000
-2,0
(0,04... 0,125)
-0,0
(0,125... 10,0)
-2,0
(10,0... 15,0)
±0,5
60
1,0
0,5
0,5
74
I класс
50.,. 10000
-4,5
(0,05... 0,1)
-2,6
(0,1... 0,2)
-1,8
(0,2...6,0)
-2,6
(6,0... 2,5)
-4,5
(8,5... 10,0)
±1.8
57
3,0
2,0
2,0
70
II класс
100... 6300
-4,5
(0,1... 0,15)
-2,6
(0,15... 0,2)
-1,8
(0,2... 5,0)
-2,6
(5,0... 6,0)
-4,5
(6,0...6,3)
±1,8
51
—
3,0
2,0
60
1
Мбит/с, нормы на искажения составляют одну треть от
допускаемых в магистральном КЗВ соответствующего класса (табл. 3.3).
В перспективной спутниковой системе передачи программ
звукового вещания «Рабита» используют стандартизованный метод
цифровой передачи MUSICAM, применяемый практически всеми странами
Европы, с эффективным сжатием передаваемой звуковой
информации, при котором в отечественной системе ЗВ для передачи сигналов
высшего класса качества (полоса до 15 кГц) используется скорость
передачи 128 кбнт/с и среднего класса качества (полоса до 7 кГц) —
скорость 64 кбит/с Качественные показатели каналов,
образованных с использованием аппаратуры «Рабита», соответствуют Рек. 505-
4 МККР (J.21 МСУГ) и Рек. 503-4 МККР (J.23 МСЭ-Т)
соответственно для каналов полосой 15 кГц и 7,0 кГц, а така^е ТУ на аппаратуру.
5«
Аналого-цифровое преобразование в аппаратуре «Рабита»
осуществляется со сжатием по стандарту ISO/TEC 11172-3 (MUSICAM)
для получения канала высшего качества (образуется кавал с
полосой до 14,5 кГц) и со сжатием по Рек. МСЭ-Т G.722 при образовании
канала II класса качества с полосой 7,0 кГц.
В каналах высшего класса, используемых для передачи
стереофонического вещания, в соответствии с Рек. МСЭ-Т J.21
нормируются также дополнительные параметры, такие, как разность усиления
в каналах А и Б. составляющая в центре полосы величину до 0,8 дБ
и на краях до 1,5... 3 дБ; разность фаз в каналах А и Б в град.,
составляющая величину до 15 град, в центре полосы и до 30.. .40 град, на
краях полосы, и внятные переходные разговоры и нелинейные
помехи, составляющие соответственно 50 и 60 дБ между каналами А и В.
В цифровых каналах кроме параметров аналогового канала
нормируются уровень перегрузки в канале, защищенность от шумов
квантования или защищенность в свободном канале, коэффициент
разностного тона с внутриполосным и внеполосным мешающим
сигналом. Подробные нормы на каналы звукового вещания
спутниковых систем передачи даны в [3.10].
а,дВ
10
О
-10
-20
-30
-60
г-"'""^ *\ \г
^ \
S' \
^у \ V
У? \\
31,5 100 200 500 2000 WOOD f, Гц
1000 5000
Измерение параметров каналов звукового вещания
Уровень псофометрического
шума определяют прибором для измег
рений эффективных значений с
амплитудно-частотной характеристикой
взвешивающего фильтра,
соответствующей Рек. МСЭ-Т Р53 (т. V) (рис.
3.8. кривая /). В настоящее время
переходят к измерению
псофометрического шума псофометром с новым
взвешивающим фильтром, АЧХ
которого описывается кривой 2 на рис. 3-8
(по Рек. МСЭ-Р 468-2, т. Х-1).
Считается, что такая АЧХ лучше
учитывает свойства человеческого уха и
частотные характеристики воспроизводящих громкоговорящих
устройств в полосе частот 50... 15000 Гц. В табл. 3.4 указаны уровни
псофометрического шума, измеренные псофометром с кривой
взвешивания АЧХ 1, Коэффициенты пересчета уровней белого и
треугольного шума в каналах с полосой 5. 10 и 15 кГц с новым и старым
взвешивающими контурами, а также с учетом контуров
восстановления приведены в табл. 3.4 на основе данных Отч. МСЭ-Р 496-3 [3.3].
В новом исофометре по Рек, МСЭ-Р 468-2 вместо квадратическо-
го детектора с соответствующей постоянной времени для измерения
Рис. 3.8.
Амплитудно-частотная характеристика псофо-
метрических фильтров
59
Таблица 3.4
Полоса
частот*
МГц
5.0
10,0
15,0
5.0
10,0
15,0
15,0
15,0
10.6
Коэффициент
восстановления, дБ
белый
шум
J17 (+1
3,7
1,2
-0,2
гольный
шум
5,5/0,8)
-2,2
-4,9
-5.8
J17 1+6.5/0,8)
3,7
1,2
-0,2
-2,2
-4,9
-5,8
t=50/15 икс
(-0,24/0.8)
-4,9 | -8,0
1=50/15 мкс
(-0,24/0.8)
-4,9 -8,0
t=75 икс
(0,0/0.8)
-5,4 -10,7
Коэффициент
взвешивания, дБ
белый
шум
гольный
шум
новленный
белый
шум
новленный
треугольный
шум
Рек. Р.53
6,0
6,0
4.2
7,8
5,3
ОД
1,0
2,0
1,«
7,0
5,6
1,2
Pes. 468-3
7,9
9.9
8.5
10,1
10,9
6,6
2,3
4,6
4,7
9,1
10,6
7,1
Рек. R53
3,4 | -2,1 | 4,4 0,7
Рек. 468-3
7,8 4,9 1 7,6 6,5
Рек. Р.53
| 6,0 5,3 4,4 5,6
Коэффициент
взвешивал ня
и
восстановления, дБ
белый
шум
4,7
3,2
1,4
6,0
6,0
4,5
гольный
шум
-4,8
0,7
-4,6
6,9
5,7
1,3
-0,5 1,2
2,7 -1,5
-0,1 -3,4
Длительность
одиночного пакета
синусоидального тона, мс
Амплитуда эталонного
сигнала в
установившемся режиме, %
дБ
1
17,0
-15,4
2
25,6
-11,5
5
40
-8,0
10
48
-6.4
Таблица 3.5
20 50 100 200
52 59 68 8U
-5,7 -4.7 -3,4 -1,9
всех видов шумов и помех используют измерительный прибор ква-
эннмпульсного типа со специальной динамической характеристикой
(табл. 3.5). измеряемой при подаче одиночных пакетов
синусоидального тона раздой длительности частотой 5 кГц.
Оговорены также показания прибора при подаче серий ич *2, 10
и 100 пакетов синусоидального тона частотой 5 кГц.
60
*
м
-J
5.
It
■5D*ttC
fMHKTTPeK.J.17 1 —
-ердб/цакгц z —
Защищенность от флуктуацяонных помех, измеренных прибором
с квазиимпульсным Детектором, в среднем на 5 дБ меньше
защищенности, измеряемой среднеквадратическим детектором, и измеряется
в дБк (к — квазиимпульсный). При измерении гармонических помех
показания приборов одинаковые, тогда как при некоторых
импульсных помехах разница показаний приборов превышает 10 дБ [3.11].
Для обеспечения требуемого отношения сигнал-шум в каналах
ЗВ и ЗС ТВ могут применяться контуры предыскажения (ПК)-
восстановления (ВК) (см. табл. 33) и компандеры, в которых
соответственно статистически учитываются характер спектра звукового
сигнала и непрерывное изменение динамического диапазона
передачи по изменению огибающей звукового сигнала.
Частотные
характеристики ПК и ВК с различными
постоянными времени приведены
на рис. 3.9. В настоящее
время в спутниковых аналоговых
системах с передачей сигналов
ЗВ и ЗС ТВ на поднесущих
используют контуры с t = 75 икс.
В цифровых системах
передачи сигналов ЗВ «Орбита-РВ»,
«Радикал-ЗВ» и «Рабита»
используют предыскажающие
контуры с характеристикой по
Рек. МСЭ-Т J.17 с затуханием
6,5 дБ на 0,8 кГц (6,5/0,8). В
Рек. МСЭ-Р 651 для системы
цифрового кодирования звука
предлагается использовать ПК
с / = 15/50 мкс. Считается, что контур восстановления с
такой характеристикой, во-первых, больше чем на 1. ..2 дБ по
сравнению с характеристикой по J:17 уменьшает субъективное
восприятие шумов квантования, особенно так называемого программно-
модулированного шума (влияние НЧ компонентов большого уровня
пя ВЧ компоненты малого уровня) при компандированном
кодировании, и, во-вторых, может уменьшить ухудшение качества из-за
ошибок при низких отношениях несущая-шум.
Коэффициенты пересчета влияния цепей взвешивания и ВК при
определении воздействия шума с прямоугольной или треугольной
формой спектра шума приведены в табл. 3.4. Разница в пересчете
коэффициентов влияния ВК по Рек. МСЭ-Т J.17 с рабочей точкой
+ 1,5 дБ на. 0,8 кГц (дана в Отч. МСЭ-Р 496-3) [3.3] и +6,5 дБ на
0,8 кГц (обычно рекомендуется брать эту точку перегиба)
составляет 5 дБ (выигрыш за счет ВК уменьшается на 5 дБ), т.е. при
Переда* 2 3 if 103 2 3 4 6 8Ю"2 f,rtf
Рис. 3.9. Амплитудно-частотные
характеристики предыскажающих
контуров для сигналов звукового
вещания
61
мещекпи рабочей точки перегиба ВК на некоторую величину пере-
считывается на эту же величину и коэффициент выигрыша за счет
цепей восстановления. Как видно из табл. 3.4. использование ВК
по J.17 (6,5/0,6) дает в аналоговых системах проигрыш по шумам по
сравнению с ВК с t = 75 мкс (0,0/0,8) на 2.. .4,5 дБ в полосе 15 кГц
для разной формы спектра шума.
В каналах ЗВ и ЗС ТВ в системе «Орбита» применяют
«неуправляемые» компандеры, в системах «Москва» и «Экран» —
«управляемые» компандеры, т.е. с передачей дополнительного
управляющего сигнала на частоте выше верхней частоты основной полосы
частот (на частоте 11 кГц),
«Неуправляемые» компандеры обеспечивают усредненный
выигрыш в защищенности от шумов порядка 10... 12 дБ при наличии
сигнала и до 20 дБ в паузе сигнала [3.12]. Степень сжатия и
соответственно степень выигрыша компандеров ограничена
нестабильностью остаточного затухания каналов и сложностью восстановления
расширителем исходного динамического диапазона.
Псофометрический шум измеряют при блокировании
неуправляемых компандеров.
Амплитудно-частотные характеристики каналов измеряются
при подаче измерительных сигналов с уровнем -12 дБмОз, т.е. на
21 дБ ниже номинального значения максимального уровня (в
средней точке амплитудных характеристик компандеров) при
блокировке неуправляемых компандеров.
В каналах, содержащих устройства частотных предыскажений,
коэффициент гармоник измеряют на частоте 800 Гц (ГОСТ 11515-
91) или соответственно на частотах, где коэффициент передачи ПК
равен или меньше 0 дБ [3.10].
Внятная переходная помеха измеряется анализатором спектра
или селективным вольтметром при блокировке неуправляемых
компандеров.
При измерении диаграммы уровней для опознавания трех
различных уровней Испытательных сигналов: максимально
допустимого уровня программы, относительного (0,775 ВЭфф) в точке
нулевого относительного уровня и измерительного — рекомендуется
(Рек- 661 МККР [3.3]) использовать испытательный сигнал,
состоящий из посылок синусоидального тока частотой 1 кГц с уровнями +9;
0 и —12 дБмОз определенной длительности, передаваемый вместе с
сигналами опознавания передающей станции циклически. Длитель-
иость трехуровневого сигнала составляет около 20 с. Можно
также по длительности этих сигналов опознать правый и левый канал
и в паузах сигнала провести оценочные субъективные и
объективные измерения шума.
Коэффициент разностного тона с частотой дискретизации
измеряется при подаче на вход канала сигнала с уровнем на fi дБ ниже
62
максимального с частотой 11 кГц для канала с полосой 15 кГи и с
частотой 5,0 кГц для канала с полосой частот 10; 7 и 6,4 кГц.
3.3. Качественные показатели каналов ТЧ
и групповых трактов
Гипотетическая эталонная цепь каналов и групповых
трактов
Сигналы телефонной связи передаются в спутниковых системах
аналоговыми и цифровыми методами. Канал или тракт спутниковых
линий, в которых сигнал передается аналоговым методом,
является простым, так как не содержит переприемов в основной полосе —
спектре частот данного канала или группового тракта, т.е. содержит
модулятор только на передающей земной станции (ЗС) и
демодулятор — только на приемной ЗС. Канал или тракт спутниковой
линии, в которых сигнал передается цифровыми методами, содержит
один аналого-цифровой преобразователь на передающей стороне и
цифро-аналоговый преобразователь на приемной стороне.
Представленная на рис. 3.1 ГЭЦ распространяется и на аналоговые каналы
и тракты спутниковых линий.
В нормообразующих документах принято, что нормы на
параметры каналов или групповых трактов спутниковых линий, зависящие
от длины каналов, адекватны нормам на параметры наземных
линий длиной 5 тыс. км.
Уровни передачи, используемые в каналах ТЧ
и групповых трактах
Абсолютный уровень — уровень мощности, напряжения или
тока, отнесенный соответственно к мощности 1 мВт, напряжению
0,775 В или силе тока 1,29 мА на сопротивлении 600 Ом. Этот
уровень обозначается рм, рн, рт (в дБм, дБн, дБт).
Относительный уровень - уровень в заданной точке тракта,
рассматриваемый по отношению к уровню в начале тракта или в
точке, принятой условно за начало. Относительный уровень
соответствует разности абсолютных уровней в заданной точке и в начале
тракта. Этот уровень обозначается ром, роп, рот (в дБом, дБон, дБот).
Измерительный уровень — абсолютный уровень мощности,
напряжения, рекомендованный для измерения параметров каналов или
трактов данной системы передачи.
Уровень по напряжению равен отношению в децибелах
напряжения (дБн) в рассматриваемой точке j: к напряжению 0,775 В:
Рн =20lg(/'.r/0,775).
КЗ
Урмепъ по мощность равен отношению в децибелах мощности
(дБм) в рассматриваемой точке х к мощности Ръ — I мВт,
соответствующей нулевому уровню:
Pu = 10lg(P*/Pe).
Если в точке измерения сопротивление равно 600 Ом, то уровень
но мощности равен уровню со напряжению. Если же сопротивление
в точке измерения уровня отлично от 600 Ом и равно г, то
соотношение между уровнями по мощности н но напряжению, выраженными
в децибелах, определяют по формуле р», = р„ + IQ\${Z/Q00). Таким
образом, для разных сопротивлении Z разное соотношение рн и
Ри- нри Z = 75 Ом р„ = рм = 9 дБ; при Z = 135 Ом рн = рм =
= 6,6 дБ; при Z = 150 Ом р* = рм = 6 дБ.
Псофометринеский доеенъ шумов по мощности в точке с
нулевым относительным уровнем выражается в децибелах (дБмОп).
Качественные показатели каналов ТЧ
Нормы на качественные показатели каналов ТЧ,
организованных аналоговыми или цифровыми методами передачи, приведены в
табл. 3.6 (см. также табл. 3.7 и 3.8). При нормировании каналов ТЧ,
образуемых в цифровых системах, добавляется несколько новых
параметров, например, норма на шумы квантования.
Нормирование шумов в каналах ТЧ
В спутниковых системах в соответствии с ГОСТ 21655-87 [3.13],
приказом по Минсвязи [3.14] и Рек. МСЭ-Р 353-5 [3.15] необходимо
обеспечить выполнение следующих норм на допустимую мощность
шума в канале ТЧ в точке нулевого относительного уровня:
средняя за минуту псофометрическая мощность не должна
превышать 20 000 пВтОп в течение более 20 % времени любого месяца;
средняя за 1 мин псофометрическая мощность шума не
должна превышать 50000 пВтОп в течение более 0,3 % времени
любого месяца;
средняя мощность невэвешенного шума, измеренная или
вычисленная в течение 5 мс, не должна превышать 1 000000 пВтО в
течение более 0,01 % времени любого года.
Эта рекомендация относится к тому времени, когда система
находится в состоянии готовности в соответствии с Рек. МСЭ-Р 579-2
[3.15] и включает в себя периоды, в течение которых шум превышает
1000000 пВтО, длящиеся менее 10 последовательно идущих секунд.
Если же шум высокого уровня продолжается в течение 10 или
более последовательно идущих секунд, распространяются требования
по готовности Рек. МСЭ-Р 579-2.
64
Таблица 3.6
Параметр
Полоса эффективно
передаваемых частот
составного канала ТЧ, Гц
Затухание асимметрии
входных и выходных цепей,
дБ, не менее
Номинальный
относительный уровень, дБом:
на входе
на выходе
Изменение частоты
передаваемого сигнала в канале
ТЧ, Гц, не более
Частотная
характеристика остаточного затухания
канала
Максимальное время
прохождения сигнала, мс:
между узлами
магистральной сети
спутниковых систем передачи
в том числе на
спутниковом участке
Отклонение ГВП сигнала
от чкачения, измеренного
на частоте 1900 Гц
Томность амплитудной
характеристики",
измеренной в полосе 300... 3400 Гц,
при повышении уровня
сигнала на входе канала
-18... +3.5 дБмО, дБ
Среднее значение псофо-
метрического напряжения
шума
Нормы
параметров
магистрального
канала
длиной 2500 км
300... 3400
43
-13
+4
0,5
Формула,
сложения
искажений1
Не зависит
от L и N
Тоже
_»_
0,5y/N +1
См. табл. 3.7
390
300
Пропорционально L и
задержке в
контурах
См. табл. 3.8
0,3
См. с. 64
Дк=Л, х .V,
где Л* < 7
См. 5 3.4
Документы
МСЭ-Т, в
которых
рассматриваются эти
параметры
G.232
Q.45, К.10
G.232
G.136, GJSt,
G.225, M.IO20,
M.910, H.14,
H.22, JO10
G.132, G.14I,
G.151, M.58Q
G.114
G.133, G.232 С,
М.1020, 0.81,
М.1025
G.232
G.123, G.143.
G.153, M.580,
G.215, С.152
65
Окончание таёл. S.S
Параметр
Суммарное относительное
время действия
импульсных помех (ИП) а
кратковременных перерывов (КП)
уровня сигнала за час
независимо от протяженности
спутникового канала не
более
в том числе,-
для КП (занижения
уровня сигнала более
чем на IS дБ) не более
для ИП ие более
Заношенность сигнала от
каждого из продуктов
паразитной модуляции,
возникающих из-за пульсации
в цепях питания и
отличающихся но частоте от
полезного сигнала на ±50 и
±100 Гц не менее, дБ
Коэффициент нелинейных
искажений ие более, %
в том числе по 3-й
гармонике
Дрожание фазы в полосе
20...300 Гд
Минимальное отношение
сигнал-шум квантования не
менее, дБ
1 L — длина канала;
Нормы
параметров
магистрального
канала
длиной 2S00 км
2,4 ■ 105
1.9 • 10"s
0,5 - Ю-5
57
1,5
1,0
—
•
22
Формула
сложения
искажений
Г(ип+кп) =
= ^ИП+КП)св +
+Т(ип+кп)5х
x(I/2SO0), где
«Э» ОТНОСИТСЯ
к эталонному
каналу длиной
2500 км
Дя = Дх>П$
Документы
МСЗ-Т, ь
которых
рассматриваются эти
параметры
М.1020, 0.71,
НЛЗ (V.55),
МЛ 025
МЛ020,
МЛ025, 0.91
МЛ020, G.712,
ОЛ31
N — число переприемов по ТЧ; Д\ — ис-
кажевия в простом канале; Дн — искажения в составном канале с
N лерепрнемами.
3 При повышении уровня сигнала на входе канала до 9 и 20 дБмО
остаточное затухание должно быть увеличено ие менее, чем на 1,7 и
8 дБ соответственно.
Таблица 37
Полоса
частот,
кГц
0,3... 0,4
0,4. ..0,6
0,6... 2,4
2,4... 3,0
3,0... 3.4
I1'
о.з... 3,4
Примечая
калов сети.
Отклонение остаточного затухания от его значения
на частоте 600 Гц при различном числе N
соединенных простых каналов ТЧ, дБ, не более
ЛГ = 1 N = 2 | N = 3 N = 4
Превышение
1,4
0,8
0,6
0,8
1,4
2,3
1,2
0,9
1,2
2,3
3,0
1,6
1,0
1.6
3,0
3.7
1,9
1,2
1,9
3,7
1 ; v Снижение
0,6
0,9 | 1,0 | 1,2
не: указанные нормы должны выполняться в 97 % ка-
Таблица 3.8
Частота,
кГц
Отклонение1
ГВП, мс:
при N = 1
при N = 2
0,3
3,5
1 Отклонение I
0,5
2.4
0,6
1.5
60
ЛВП
от
0,7
1,1
1,0
0,6
1.4
0,4
1,6
0,15
2,2
0,1
2,4
0,1
2,8
0,15
3,0
0,45
Не нормировано
его
зна
чен
ия н
а ча
1СТО
3,2
0,75
3,3
1,35
3.4
3,5
30
ге 1900 Гц.
В долговременную (т.е. выполняемую в течение большей
части времени работы канала) норму на шумы включаются шумы
(1000 пВтОп) из-за помех от радиорелейных линий, работающих в
совместно используемых диапазонах частот (Рек. МСЭ-Р 356-4 [3.8]), и
шумы (до 250 пВтОп) из-за помех от других спутниковых систем,
также работающих на геостационарной орбите (Рек. МСЭ-Р 466-6 [3,15])?
возможно, также придется отвести часть нормы на шумы на помехи
от негеостационарных спутниковых систем, т.е. на внутрисистемные
помехи остается норма менее 6500 пВтОп.
В спутниковых отечественных системах, например, на базе
аппаратуры «Севан» с аналого-цифровым преобразованием (АЦП)
многоканального сигнала с частотным разделением каналов (ЧРК)
долговременная норма на мощность шумов в канале ТЧ составляет
20000 пВтОп, т.е. по шумам спутниковый канал эквивалентен каналу
наземной линии длиной 5000 км.
В спутниковых системах, использующих аппаратуру
многостанционного доступа «Группа» или «МДВУ» с аппаратурой «Карелия-
СМ», в которой осуществляется АЦП индивидуального сигнала ТЧ
67
по методу блочной ИКМ, при подаче на вход канала ТЧ
синусоидального сигнала с частотой 800 Гл. в точке пулевого относительного
уровня действуют следующие нормы на шумы квантования:
Мооишсть входного сигналя Среднее значение псофометрических
шумов квантования
0... 12.5 дБмО -45 дБмОп (31 600 мВтОл)
-12,5... - 32 дБмО -50 дБмОп (10 000 пВтОп)
Эта норма не должна превышаться в течение более 20 %
времени любого месяца.
В этих же каналах ТЧ, если вход и выход канала нагружены
на номинальные сопротивления, уровень псофометрического шума
не должен быть более -50 дБмОп (10000 пВтОп).
Применяемая в спутниковых системах аппаратура с АЦП типа
дельта-модуляции или адаптивной дельта-модуляции «Кодек-Д» и
ДКД-400 со скоростью передачи цифрового сигнала 28 и 32 кбит/с
обеспечивает нормы по шумам, отличающиеся от норм на канал по
Рек. G J12 с ИКМ преобразованием со скоростью 64 кбит/с примерно
на 6 дБ. В последнее время на спутниковых линиях внедряется кана-
лообразушщая аппаратура отечественной и импортной разработки с
алгоритмом преобразования адаптивной импульсно-кодовой модул я-
пии (АДИКМ) по Рек. G.726 со скоростью 32 кбит/с. Обеспечивается
высокое субъективное качество передачи речи с некоторым
ухудшением, не превышающим допустимого ухудшения субъективного
качества по Рек. МСЭ-Т G-113; возможна передача данных со скоростью
до 2,4 кбит/с при использовании модемов, отвечающих
рекомендациям МСЭ-Т V.21, V.22 бис, V.23 и V.26 тер. Объективные нормы на
каналы ТЧ по Рек. G.726 подлежат разработке.
Для увеличения пропускной способности систем передачи, и в
частности спутниковых, разработана отечественная аппаратура
статистического уплотнения. К ней относится аппаратура типа
«Предел», в которой производится индивидуальное преобразование
отдельных сигналов ТЧ с переменной скоростью в зависимости от
загрузки каналов. Аппаратура типа «Объединение-Ц» и «Объем»
(отличаются конструктивным исполнением) предназначена дли
объединения с использованием принципа цифровой интерполяции речи двух
первичных цифровых сигналов со скоростью 2048 кбит/с, несущих
информацию вторичной телефонной сети, в суммарный цифровой
поток со скоростью передачи 2048 кбит/с. Аппаратура «Оптимум»
обеспечивает передачу четырех цифровых сигналов 2048 кбит/с,
несущих информацию вторичной телефонной сети (120 каналов ТЧ).
по первичному тракту со скоростью 2048 кбит/с
Параметры входных (выходных) цифровых сигналов 2048 кбит/с
(станционная и линейная сторона) соответствуют Рек. МСЭ-Т G.703,
G.704 (симметричный вариант).
6в
При совместной работе с аппаратурой ИКМ-30-4 аппаратура
типов «Объединение», «Объем», «Оптимум» не влияет на следующие
электрические параметры каналов ТЧ: номинальные
относительные уровни, входное сопротивление; частотную характеристику
отклонения остаточного затухания от номинала, подавление внеполос-
ных входных сигналов; суммарное относительное время действия
импульсных помех и кратковременных пропадании уровня;
защищенность от продуктов паразитной модуляции.
Отношение мощности сигнала к невзвешенной мощности
сопровождающих помех на выходе канала ТЧ при номинальном входном
уровне и загрузке спутниковой линии связи 60 каналами с
активностью 0,25 (при передаче данных со скоростью 1200 бит/с не более чем
в 10 % каналов) или 120 каналами с той же активностью (при
передаче данных со скоростью 1200 бит/с не более чем в 4 % каналов) не
ухудшается по отношению к Рек. МСЭ-Т G.712 более чем на:
3 дБ в течение более 20 % времени любого месяца;
6 дБ в течение более 5 % времени любого месяца;
9 дБ в течение более 0,5 % времени любого месяца;
12 дБ в течение более 0,1 % времени любого месяца.
Таким образом, часть допусков на ухудшения за счет условий
распространения или аппаратурных отказов отводится на
ухудшение качества канала за счет статистического уплотнения. Но, по-
видимому, за значительное увеличение числа передаваемых каналов
приходится платить некоторым ухудшением качества.
В последнее время в связи с успехами в области электронной
техники ведутся интенсивные разработки способов и аппаратуры
сокращения избыточности передаваемых сигналов. В телефонии
уровень разработок достиг мирового, и МСЭ-Т вносит Рекомендации по
■этим способам передачи речи в основные тома. Таким новым
способом передачи, рекомендуемым для уплотнения основного канала на
скорости 64 кбит/с и находящим все более широкое распространение,
является алгоритм преобразования речи по способу LD-CELP (Low
Delay Code-Excited Linear Prediction — алгоритм линейного
предсказания <: возбуждением от кода и с малой задержкой). Обеспечивается
передача речи со скоростью 12,8 кбит/с при качестве, как на
скорости 24 кбит/с по Рек. G.726, и со скоростью 9,6 кбнт/с с несколько
худшим качеством передачи речи. Для персональной сухопутной
радиосвязи рекомендуется алгоритм LD-CELP на скорости 16 кбит/с,
хотя в спутниковых системах подвижной связи используются
скорость передачи речи 2,4 кбит/с (Iridium, Globalstar, ICO).
При телефонной связи мешающее действие отдельных
составляющих спектра помех оценивается псофометром, учитывающим
частотную зависимость чувствительности уха и телефона; АЧХ псофо-
метра регламентирована Рек. МСЭ-Т G.222 [316] (рис. 3.10). Псофо-
метрическое взвешивание помехи дает выигрыш по шумам дтя шума
69
SBVO SOOOOO
F.ru
Рис. 3.10. Амплитудно-
частотная характеристика
псофометра. для измерения
шума в телефонном канале
Hi Cp Qfi
Приведенная частота
Рис. 3.11. Частотная
характеристика предыскажающего контура для
многоканальных ТФ сигналов. Относительная
девиация, создаваемая измерительным тоном:
5 - 10lg[l + 6,90/(1 + 5,25/(/р// - ///р))]
с эффективной полосой 0,3.. .3,4 кГц А'п = 2,5 дБ и для шума с
треугольным характером спектра А"п составляет до 4 дБ.
В многоканальных системах с ЧРК для повышения
помехозащищенности верхних кавалов, где наблюдаются наибольшие шумы,
используются стандартные предыскажения (рис, 3.11) по Рек. МСЭ-
Р 464-2 [3.15], позволяющие получить выигрыш по шумам в
верхнем канале 4 дБ.
Качественные показатели групповых трактов
Нормы на качественные показатели первичного и вторичного
групповых трактов, организуемых в спутниковых системах передачи,
вместе с номерами документов МСЭ-Т, в которых они
рассматриваются, приведены в табл. 3.9. Практически все нормы на групповые
тракты спутниковых систем совпадают с соответствующими нормами
на групповые тракты наземных систем передачи.
Качественные показатели вторичного широкополосного
канала
Для передачи сигначов изображений газетных полос (ИГП) в
спутниковых системах передачи «Орбита» и «Москва»
организуется вторичный широкополосный канал (ВШК).
В табл. 3.9 представлены нормы иа ВШК для передачи сигналов
ИГП. начинающийся на выходе соединительной линии на
передающем конце и кончающийся на входе соединительной линии на
приемном конце. Эти нормы распространяются на линии длиной J 2500 км
независимо от вида используемой системы передачи -- кабельной,
радиорелейной или спутниковой. В ВШК спутниковых систем обычно
70
Параметр
Рабочая полоса частот, кГц
Номинальные
относительнее уровни на входе тракта
передачи:
по мощности, дБом
по напряжению, дБон
на выходе тракта приема:
цсГмощиости, дБом
по напряжению, дБон
Погрешность установки уровня
приема, дБ
на частоте, кГц
Номинальное сопротивление со
стороны входа и выхода. Ом
Коэффициент отражения на
входе и выходе тракта в полосе
частот не более, %
Средняя мощность загрузки в
ЧНН не более, мВтО (дБмО):
за час
за минуту
Первичный
групповой
тракт (ПГТ)
60,0... 107,71'
-39
-45,5
-5,0
-11,5
±0,3
82
135
15
3 (4,8)
Вторичный
групповой
тракт (ВГТ)
312,3... 551.411
-30
-45
-23
-32
±0,2
420
75
10
8(9)
П (10,4)
Вторичный
широкополосный канал
для передачи
сигнала изображения
газет
312,3... 551.411
-36
-45
-23
-32
±0,3
420
75
15
Таблица З.Э
Формулы
сложения
8(9)
И (10,4)
Не зависит
от L к N
То же
Документы
МСЭ-Т, в
которых
рассматриваются эти
параметры
G.211
G.233
Не зависит
от L и N
М.160
G.223
N9 Окончание табл. 3.9
1 | Первичный
/ Параметр групповой
/ тракт (ПГТ)
Отклонение уровня
передачи нп любой частоте:
от уровня на частоте, кГц,
ие более. дБ
в диапазоне частот
330... 530 кГц, дБ
Защищенность от
суммарных невэвешениых помех
при работе других систем
не менее, дБ
Точность амплитудной
характеристики при
увеличении уровня на частоте, кГц,
по отношению к
номинальному на, дБ,
(не менее, дБ
I Результирующая
неравномерность характеристики
ГВП от минимального
значения. МКС
«2
3.0
30
82
24
1,0
60 в
простом
тракте в полосе
65 ..103 кГц
за.
исключением полосы
82... 86 кГц
ВторнчпыИ
групповой
тракт (ВГТ)
420
2,0
26
420
26
1,0
30 в простом
тракте в
полосе 330... 530
кГц за
исключением
полосы 405...419
кГц
Вторичный
широкополосный
канал для передачи
сигнала
изображения газет
420
2.0
1.0
22
—
Рис. 3.13 в
сквозном канале
длиной 12500 км
Формулы сложения
—
VN + 1
Для ПГТбО(ЛГ+1)+
+1007V, где 100 мне
— задержка в
транзитном
фильтре. Для ВГТ
30(JV+l) + 20tf, где
20 икс —
задержка в транзитном
фильтре
Документы
МСЭ-Т, в
которых
рассматриваются эти
параметры
G.242, М«0.
H.14. Н.15,
М.910
•
'
G.223
М.910, Н.14,
Н.15
3 В спутниковых системах сигнал передается в полосе частот 12,6... 59,7; 12,3... 251,4; 330...530 кГц. \
X,MKC
16
It
IS
5
3,5
1>5
1.5
2,5
обеспечивается защищенность от суммарных помех 30... 35"дБ при
норме на этот параметр в сквозном тракте 22 дБ. При передаче
в ВШК сигнала ИГП методом ОБП-АМ ужесточаются требования
к АЧХ и ФЧХ.
Амплитудно-частотные искажения
сигнала уменьшают контраст
изображения, а фазочастотные — снижают
четкость изображения. Для формирования
требуемых АЧХ и ГВЗ (рис. 3.12)
канала проводят их корректирование.
В системе «Орбита-РВ» сигнал
ИГП передается в дискретном виде в
первичном цифровом тракте со скорс*-
стью Я = 2048 кбит/с,
долговременная вероятность ошибки на бит должна
быть не более 10~6. На земную станцию
сигнал ИГП поступает либо в
аналоговом, либо в цифровом виде по
первичному цифровому тракту наземных линий
с R = 2048 кбит/с, долговременная
вероятность ошибки до Ю-8.
В последнее время наметилась
тенденция перехода от передачи
изображений газет (фототелеграфный способ) к передаче содержания газет
(информационный способ) с редактированием а компоновкой
газетных полос в приемных редакциях. Это позволит значительно
упростить каналы передачи (в пределе для этого могут применяться
телеграфные каналы со скоростью передачи до 90.. .100 бит/с).
Однако с учетом передачи растровых изображений и
использования трактов для совместной передачи сигналов газет и других
периодических изданий (многоцветных с мелким рисунком) требуются
каналы со скоростью 2048 кбит/с (или даже с большей).
7,5
1И
16
{
\
\
\
1
"
■
.360
i
/
/
/
(
-^ ч
390
«-*"
то
---
«to
*g£
F,
и£
кГц
J
I
/
,
\
Л
Рис. 3.12.
Характеристика ГВП вторичного
широкополосного канала для
передачи газет
Особенности нормирования и измерения каналов ТЧ
и групповых трактов спутниковых систем
Некоторые параметры каналов ТЧ, приведенные в табл. 36, и
групповых трактов, приведенные в табл. 3.9, обусловлены не столько
спутниковым линейным трактом, сколько аппаратурой образования
каналов ТЧ и групповых трактов. Так, входное сопротивление,
коэффициент отражения, несогласованность и асимметрия сопротивлений
определяются входными и выходными цепями аппаратуры
уплотнения. АЧХ и ГВП — избирательными цепями аппаратуры уплотнения,
73
Рис. 3.13- Процент времени разговоров с затруднениями в зависимости
от среднего времени прохождения в одном направлении
стабильность остаточного усиления — аппаратурой уплотнения и ка-
налообраэующей аппаратурой спутниковой системы передачи.
В то же время такие параметры, как отношение сигнал-шум,
изменение частоты передаваемого сигнала, его задержка на линии
преимущественно зависят от спутникового линейного тракта. В
частности, наличие большой задержки сииаала на спутниковой линии
вызывает, во-первых, затруднение при разговоре и, во-вторых, за-
метность эхосигналов, причем чем больше задержка эхосигнала, тем
сяльиее требуется его подавить. На рис. 3.13 показана зависимость
процента разговоров^ затруднением от среднего времени прохожде-
аия в одном направлении (Рек. МСЭ-Т G.1I4) для старых и новых
эхозаграждений и эхокомпенсаторов от кривой / до кривой б при
различных балансных затуханиях эха и шумах линии. Кривая 1 (F/P)
соответствует оценкам абонента «удовлетворительно» или
«неудовлетворительно» (bair/poor). На рис. 3.14 показана зависимость ми-
74
аэт1п'
W
20
n
Дб
|
200
то t
,f,MC
Рис. 3.14. Минимально
допустимое затухание эхо-
сигналов в зависимости от
времени задержки для
спутниковых лилии
нимально допустимого затухания на пути электрического эха от
времени замедления, вносимого каналом. Для уменьшения эхосигналов
разработаны эхозаградители (Рек. МСЭ-Т G.164) и эхокомпенсато-
ры (Рек. МСЭ-Т G.164, т. III-1 Синяя книга). Изменение частоты яа
спутниковых линиях из-за эффекта Доплера рассмотрено в гл. 1.
Параметры каналов и групповых
трактов спутниковых систем передачи
измеряются стандартными методами
(ГОСТ 21655-87) [3.13]. Однако
упомянутые методы измерений относятся к
аналоговым методам передачи.
Кратко опишем методы измерений некоторых
параметров каналов ТЧ, образуемых в
системах, где сигнал передается
цифровым методом, а также методики
измерений ГВП в каналах ТЧ и
широкополосных каналах.
Шумы квантования при передаче
сигналов ТЧ методом индивидуальной
ИКМ измеряются при подаче на вход
капала ТЧ синусоидального сигнала частотой 800 Гц (можно подавать
и шумовой сигнал). На выходе канала включаете^ измеритель
нелинейных искажений, позволяющий отделить синусоидальный
сигнал от шума.
Внятные переходные помехи между каналами ТЧ в групповых
трактах, образованных методом ИКМ преобразования группового
ЧРК сигнала, следует измерять при загрузке нескольких незанятых
каналов, так как при наличии слабого сигнала велики шумы
квантования. Как показывает опыт измерений внятных переходных помех
между каналами, их значение уменьшается почти на 10 дБ при
появлении загрузки в других каналах ТЧ.
Суммарные переходные помехи в полосе частот телефонного
канала на выходе трактов аналоговых и цифровых систем передачи
многоканального сигнала с ЧРК определяют измерителем
переходных помех. С передающего комплекта прибора на вход группового
тракта подается шумовой сигнал шума с равномерным спектром в
полосе модулирующего группового сигнала с уровнем,
соответствующим загрузке данного тракта (см. табл. 3.9). В передающем
комплекте прибора установлены режекторные фильтры с центральными
частотами и полосами, соответствующими каналам тракта, в
которых хотят провести измерения. Эти фильтры подавляют шумы от
передающего комплекта, в полосе этих каналов. На выходе тракта
включается приемная часть измерителя переходных помех. Такой
способ измерения трактов с использованием сигнала белого шума
позволяет полиостью охарактеризовать тракты с точки зрения
переходных помех, появляющихся по различным причинам. Центральные
75
частоты каналов спутниковых систем, в которых проводятся
измерения, уровни загрузки, полосы шумовых сигналов с непрерывным
спектром регламентируются Рек. МСЭ-Р 482-2 [3.15].
Фазовое дрожание (джиттер), приводящее к смещению
временных положений регегагрованвых импульсов, может возникать как при
передаче данных в канале ТЧ, так и в цифровых линейных
трактах. Основными гармоническими составляющими фазового
дрожания, влияющими на передачу данных в каналах ТЧ, являются
переходные процессы при передаче импульсов тока, Переменный ток сети
н его гармоники от второй до пятой. Эти составляющие вызывают
фазовую модуляцию с небольшим индексом до 25° в полосе ±300 Гц
с обеих сторон сигнала ТЧ, выполняющего роль несущей.
Дли измерения фазового дрожания в каналах ТЧ используется
прибор, характеристики которого описаны в Рек. МСЭ-ТО.91 (т. IV-
2), работа прибора основана на принципе детектирования фазовой
модуляции.
Групповое время прохождения (ГВП) сигнала в каналах ТЧ
определяется разностью ГВП, полученных, например, на частоте
1900 Гц и на частоте измерений. Измеряют ГВП приборами,
использующими следующее свойство амплитудно-модулированного (AM)
колебания: если.частота модулирующего колебания F выбрана
много меньше модулируемого колебания /, то сдвиг фазы огибающей
AM колебания <рр пропорционален ГВП модулированного несущего
колебания, т.е- при F <& f /гр = (pf/^F.
3.4. Сложение искажений в составных
спутниковых каналах
Как известно, составной спутниковый канал состоит из кана- •
лов трех отдельных участков: спутниковой линии и двух наземных
соединительных линий (между земными станциями и источником и
получателем информации). Полученные на основании ГОСТ 19463-
89 и Рек. 567 МККР формулы для определения нормы искажений
в составных спутниковых каналах изображения при известных
искажениях в каналах на отдельных участках (д'абл. 3.10) являются
эмпирическими и дают приближенные значения. Они могут быть
использованы также при решении задачи распределения требований
ж отдельным участкам канала, если задана норйа на весь канал и
искажения, вносимые каждым участком, неодинаковые.
Более перспективные статистические методы сложения
позволяют не устанавливать неоправданно жестких норм, задавать их с
определенной вероятностью превышения.
Сложение амплитудно-частотных искажений в составных
трактах звукового вещания, а также в составных каналах ТЧ фактически
производится статистическим методом (ГОСТ 11515-У 1) [3.9].
76
Таблица 3.10
Закон сложения
искажений
По максимальному
отклонению
Аркфмети ческлй
Квадратичный
Закон 3/2
По мощности
По напряжению
1 В формулах: ^
Д, — искажения в о
кия на. »-м участке.
Формула
Дл = Д* max
^2 = £^'2
»=1
^w = -ioigE«,"0,,A
i=i
Бдикяца
измерения
дБ
%
дБ, не, %, град.
дБ, не, %, град.
дБ
'
—
1
2
3/2
-
Д^ = -2018£10-о-озД дБ
7^ — суммарные искажения в составном канале;
тдельном звене; Д,тлж — максимальные нскаже-
Для каждого из трактов и их отдельных звеньев нормированы
отклонения коэффициента передачи А'п«р отдельных звеньев от его
значения на частоте 1000 Гц, т.е. установлено поле допусков для
участков частотного диапазона. Считается, что распределение А*пер на
отдельной частоте гауссовское. а суммирование допусков производится
следующим образом: средняя частотная характеристика нескольких
последовательно включенных звеньев или трактов определяется как
сумма средних частотных характеристик а,ц (в децибелах); средне-
квадратические отклонения АЧХ Оз, суммируются квадратично (в
децибелах). Таким образом, расчет АЧХ составного тракта
ведется по следующей формуле:
N
Л/
1/2
£««=45:
а-ц
i=i
ч"=1
За усредненную АЧХ можно принять среднюю линию поля
допусков, проводимую посередине между границами допустимых
частотных отклонений.
При расчетах предполагается, что среднеквадратические
отклонения равны допускам на АЧХ, так как допуски на отклонения от
АЧХ на различных участках должны быть заданы для
одинакового процента времени. Обычно предполагается, что коэффициент
передачи участка будет находиться в пределах заданных допусков с
вероятностью 98 %.
77
Норму па внятную переходную помеху в составных каналах ЗВ
и ТЧ устанавливают одинаковой как на составной тракт, так и на
этдельные его звенья, причем за норму принимается, что помеха
определяется участком с наименьшей защищенностью. При
сложения шумов используется энергетическое (со мощности) сложение (см.
табл. 3.10). При этом, как известно, уровень шумов на спутниковом
участке не зависит от расстояния между земными станциями, а на
наземных участках в зависимости от длины определяется по формуле
PmL = Pm.9L/2bOO,
где PmL — мощность, пВт, шума в канале наземной линии длиной
L (км); Яш» — мощность шума, пВт, в эталонном канале; длина
эталонного канала р&вна' 3500«км.- •
Тогда мощность шума в составном канале Рш = РШ-сп + РшЬ, где
Рт.га — мощность шума в спутниковом канале.
В табл. 3.6 и 3.9 даны зависимости отдельных видов искажений
от длины и числа переприемных участков.
Для сложения шумов по
мощности в каналах изображения, ТЧ и
ЗВ, а также на входах приемников,
выраженных в децибелах,
можно использовать график (рис. 3.15
[3.17]). Например, на одном
участке цепи уровень шумов 57 дБ, на
другом — 55 дБ, разница в
уровнях X = 2 дБ, поправка S
составляет 2,1 дБ и вычитается из меньшего
отношения сигнал-шум. Тогда
уровень шумов в сквозном канале
составит 52,9 дБ. В табл. 3.11 дана
» П » 16 Х,д6
Рис. 3.15. Кривая сложения
вдемов по мощности
поправка S, дБ, в зависимости от разницы уровня шумов X.
А\дБ
5, дБ
Л, дБ
5,дБ
Таблица 3.11
0123456 7 6 9 10
3 2,54 2,12 1,76 1,45 1,19 0,973 0,788 0,636 0,514 0,416
11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
0,331 0,265 0.213 0,169 0,135 0,108 0,086 0,069 0,052 0,043
3.5. Нормирование цифровых каналов
и трактов
В существующих и перспективных спутниковых системах кроме
основного цифрового канала, работающего на скорости 64 кбит/с,
могут организовываться цифровые тракты, отвечающие следующей
иерархии скоростей: 2048-8448-34368-13964 кбит/с. Вторая иерархия
78
КС
ВГ ЛЧ-ВЧ Л-А ВЧ-ПЧ ВГ
Рис. 3.16. Гипотетический эталонный цифровой тракт спутнлховоЯ
системы передачи: ВГ — аппаратура временного грутшообраэовадия, включая
аппаратуру временного многостанционного доступа, цвфровой иятерполяшт
речи и annapaiypy стыка с наземными линиями на скорости, зависящей от
назначения ГЭЦТ; ПЧ-ВЧ — аппаратура переноса с промежуточной частоты на
радиочастоту; — модулятор-демодулятор
скоростей, используемая в США и Япония: 1544-6312-32064 (или
44736) кбит/с (Рек. МСЭ-Т G.702 [3.18]).
Для цифровых систем передачи, образованных с помощью
наземных и спутниковых систем передачи, регламентируются
требования к стыку цифровых каналов и трактов, а именно требования
на сопротивления, уровни, коды, форму импульсов в зависимости
от скорости, стабильность скорости и т.д., требования на
искажения, вносимые цифровым трактом или каналом, ошибки, фазовое
дрожание и проскальзывание. Спутниковые каналы и тракты
должны, как правило, отвечать требованиям на стандартные стыки по
Рек. МСЭ-Т G.703 [3.18].
Для нормирования спутниковых цифровых каналов и трактов,
рассчитанных на передачу с различными иерархическими
скоростями, для одноканальных и многоканальных МДЧР систем и систем с
МДВР используют гипотетический эталонный цифровой канал или
тракт (ГЭЦТ), разработанный в соответствии с Рек. МСЭ-Р 521-2
[3.15] (рис. 3.16). ГЭЦТ спутниковых линий по своему назначению,
составу, функциям и принципам нормирования эквивалентен
магистральному участку цифрового канала или тракта цифровой ВСС
(или цифровой сети с интеграцией обслуживания — ЦСИО); ГЭЦТ
может входить в Международное гипотетическое эталонное
соединение ГЭС от абонента до абонента в ЦСИО.
В настоящее время разработаны два типа норм на
коэффициент ошибок (Л*ош) при передаче речи со скоростью 64 кбит/с
методом 8-битовой ИКМ для ГЭЦТ, не входящих в ЦСИО (Рек. МСЭ-Р
522-5), и для ГЭЦТ перспективных, предполагаемых к
использованию в ЦСИО (Рек. МСЭ-Р 614-3) спутниковых систем с ИКМ
телефонией. В цифровых каналах и трактах нормируются Кош, фазовое
дрожание, проскальзывание. Наиболее разработанным параметром
является норма на Л'ош-
В ГЭЦТ спутниковых систем, не входящих в ГЭС ЦСИО, Кош
нормируется в соответствии с Рек. 522-5 МККР [8]. Коэффициент
Лош на выходе ГЭЦТ не должен превышать следующих значений:
Ю-6 — среднее за 10 мин в течение более чем 20 % любого
месяца;
10" — среднее за I мин в течение более чем 0,3 % любого месяца:
79
I0~s — среднее за 1 с в течение более чем 0,05 % любого месяца,
Приведенные нормы должны выполняться с учетом того, что на
входе могут действовать помехи от наземных и спутниковых систем,
составляющие а сумме до 30 % суммарных шумов, действующих на
входе демодулятора. Помехи от наземных и спутниковых систем
нормируются в Рек. MG3-PS.524-5 [3.15] и SF.558-2 [3.8] для трактов с
ИКМ телефонией, не входящих в ЦСИО, и в Рек. MG9-PS.735 — от
спутниковых для перспективных ГЭЦТ, входящих в ЦСИО.
Для перспективных спутниковых систем, работающих в ЦСИО,
в Рек. MC3-PS,614-3 MKKP [3.15] сформулированы такие
требования: Кош на выходе спутникового ГЭЦТ, работающего на частотах
ниже 15 ГГц и образующего часть соединения в ЦСИО на скорости
64 кбит/с в то время, когда соединение находится в состоянии
готовности, не должен превышать следующих значений:
10"7 в течение более чем 10 % любого месяца;
10~s в течение более чем 2 % любого месяца;
10"*3 в течение более чем 0,03 % любого месяца.
Методика измерений показателей, содержащихся в
рекомендации, разрабатывается.
Передача ЗВ и ТВ сигналов требует долговременного
коэффициента ошибки лучше Ю-9 при условии, что ошибки носят случайный
характер, поэтому в аппаратуре АЦП для ЗВ и ТВ сигналов
применяется помехоустойчивое кодирование.
Предложенная в Рек. MC3-PS.614-3 [3.15] формулировка норм
на КоШ значительно отличается от формулировки норм на ошибки в
ГЭС, данной в Рек. МСЭ-Т G.821 [3.19]- В Рек. МСЭ-Т G.821
нормы сформулированы с учетом интересов потребителя — они
основаны на средней длительности телефонного разговора,
составляющей единицы минут.
Для спутникового ГЭЦТ в Рек. МСЭ-Т G.821 нормы,
составляющие примерно 20 % от норм на проценты периодов усреднения, в
течение которых А'ош превышает пороговую величину ошибки
(время готовности порядка 1 мес), даны в следующей редакции:
меньше 2 % одноминутных интервалов могут иметь Кош
хуже 10*:
меньше 0.03 % односекундных интервалов могут иметь Л"ош
хуже 10-3;
меньше 1,6 % односекундных интервалов могут иметь ошибки.
В Отчете МСЭ-Р 967 [3.15] показано, что требования к
гпутниковому ГЭЦТ на ошибки, сформулированные в Рек. MC3-PS.614-
3 [3.15] и отражающие некоторую усредненную по диапазонам
используемых частот до 15 МГц модель спутникового тракта, будут
удовлетворять требованиям к гпутниковому ГЭЦТ. изложенным в
Рек. МСЭ-Т G.821.
ко
Считается, что ГЭС или ГЭЦТ находятся в состоянии полного
выхода из строя (или неготовности), когда Кош в каждую секунду
хуже, чем 10_а в течение периодов, равных или превышающих 10
последовательно идущих секунд.
Разработана также рекомендация для допустимых
характеристик ошибок для ГЭЦТ, действующего на скорости, равной или
превышающей скорость первичного цифрового тракта, т.е. на скорости
2048 и 1544 кбит/с и выше для различных иерархий (Рек. МСЭ-Р
S.1062).
В соответствии с этой рекомендацией будущие и, где это
возможно, существующие спутниковые линии, входящие в состав
коммутируемой сети общего пользования, действующие на скорости, равной
или превышающей скорость первичного тракта, должны быть
спроектированы так, чтобы по крайней мере удовлетворялись требования,
установленные в Рек. МСЭ-Т G.826.
Для полного соответствия требованиям Рек. МСЭ-Т G.826
вероятность ошибки по битам (ВЕР), деленная на среднее число ошибок
в пакете (ВЕР/а) на выходе (т.е. на любом конце двустороннего
соединения) спутникового ГЭЦТ, составляющего часть
международного соединения, действующего на скорости, равной или превышающей
скорость ПЦТ, включая 155 Мбит/с, не должна превышать в течение
всего времени (худшего месяца) норм для проектирования, заданных
величинами, указанными в табл. 312.
В соответствии с Рек. МСЭ-Т G.821 требования Рек. МСЭ-Т
G.S26 сформулированы в терминах интервалов с ошибками. В обеих
рекомендациях используется сходная терминология, но определения
параметров различаются. В G.826 интервалы с ошибками
определяются в терминах блоков с ошибками в противоположность ошибкам
отдельных битов по Рек. G.821. Цель такого определения —
обеспечить проверку выполнения требований на качественные показатели
по G .826 без закрытия связи. Определение характеристик в терминах
ошибочных блоков вместо ошибочных битов имеет важные
последствия для систем, где ошибки имеют тенденцию к группированию,
например, где используются скремблирование и коды,
исправляющие ошибки. Блок, используемый в Рек. G.826, является группой
последовательных битов, которые составляют блок или кадр со
встроенным контролем в рассматриваемой системе передачи. Нормы на
качественные показатели спутникового ГЭЦТ для международного
или национального цифрового соединения, действующего на
скорости, равной или превышающей скорость передачи ПЦТ, в терминах
Рек. G.826 сформулированы в табл. ЗЛЗ.
Таким образом, из табл. 3.12 и 3.13 видно, что нормы на ГЭЦТ
спутниковых линий, работающих на высоких скоростях передачи,
81
Таблица 3.12
Таблица 3.13
Скорость
передачи,
Мбит/с
Число
битов
в блоке
ESR
SESR
BBER
от 1,5 до 5
2000. -.
...8000
0,014
0,0007
1.05-Ю-4
Примечание: ESR
эффициеит поражеииы
бок блоков.
>5 до 15
2000...
...8000
0,0175
0.0007
0,7 ■ 10~»
— коэффи
ос секунд;
>15 до 55
4000...
...20000
0,0262
0.0007
0,7 Ю-4
цнент секун
BBER — ко
>55 до 160
6000.,.
...20000
0,056
0.0007
0,7 Ю-4
>160 до 3500
15000.,,
: . . 30000
Нет
рекомендаций
0,0007
0,35 ■ 10'*
д с ошибками; SESR —
коэффициент фоновых оши-
приближающихся к скоростям передачи в волоконно-оптических
линиях связи (ВОЛС), ужесточаются по сравнению с передачей на
скорости основного цифрового канала ОЦК, так как из-за
возрастающей конкуренции волоконно-оптических линий связи
просматривается тенденция на спутниковых линиях обеспечивать те же нормы, что
и на ВОЛС, хотя назначение и возможности спутниковых и наземных
лииий связи могут быть разными. В ряде случаев спутниковые
линии заменят ВОЛС, и при этом для выполнения конкретной задачи
не потребуется столь жестких норм на цифровые тракты.
Фазоъо* дрожание сигналов тактовой синхронизации
определяется как кратковременное отклонение значащих моментов цифрового
сигнала от их идеальных положении во времени В линейных грак-
82
rax спутниковых цифровых систем передачи в зависимости от
причины его появления различают два вида фазового дрожания: 1) из-за
выравнивания скоростей, которое вызывается введением и
исключением бит выравнивания в процессе разделения и уплотнения во
времени цифровых сигналов при асинхронном вводе цифровых сигналов;
2) из-за искажений при восстановлении сигналов тактовой частоты
в процессе регенерации и неидеальности линейных цепей ВЧ
трактов спутниковых линий. При определении качества цифровых
спутниковых систем передачи важное значение имеет измерение только
фазового дрожания сигналов тактовой синхронизации второго типа.
В цифровых трактах нормируют проскальзывание по битам,
выражающееся в отсутствии непрерывности в потоке бит, поступающих
на вход цифровой системы передачи. Определены два типа
проскальзывания: 1) нерегулярные, представляющие собой изменение числа
цифровых позиций, возникающие из-за отклонений в процессе
синхронизации, вызванных трактом передачи или коммутацией
цифрового сигнала; 2) регулярные, представляющие собой предусмотренные
непоправимые потери или появление нескольких последовательных
цифровых позиций в цифровом сигнале при изменении скорости
передачи цифрового сигнала во время работы данной аппаратуры или
сети с другой аппаратурой или сетью. Нормы на регулярные
проскальзывания рассмотрены в Рек. МСЭ-Т G.822.
Цифровые спутниковые тракты в СЦИ
Сети передачи информации фактически выполняют
транспортирование — перемещение информации, а также дополнительно
реализуют функции контроля, оперативного управления, переключения
и другие сетевые функции.
Транспортная система (ТС) является базой для всех
существующих и планируемых служб связи для интеллектуальных,
персональных и других перспективных сетей, в которых могут
использоваться синхронный или асинхронный способ переноса информации —
STM или ATM.
Синхронный способ передачи информации считается наиболее
перспективным и строится на базе синхронной цифровой иерархии
(СЦИ),
Транспортная система СЦИ — органическое объединение
информационной сети и системы контроля.
Информационная сеть образуется линиями передачи и узлами.
Лилии передачи СЦИ стандартизованы в Рек. МСЭ-Т G.957. 958.
В качестве линий передачи в основном используются одномодовые
волоконно-оптические (ВО) кабели по Рек. МСЭ-Т G.652. 653 и (554.
но широко применяются и радиолинии.
Требования к интерфейсам цифровых узлов сформулированы в
Рек. МСЭ-Т С782. G.783. Стык выполняется на базе синхронных
КЗ
мультиплексоров (CM) — синхронной аппаратуры группообразова-
ния и аппаратуры оперативного переключения (ЛОП).
Нагрузкой информационной сети СЦИ могут быть сигналы
существующих сетей алеэиохронной цифровой иерархии ПЦИ, а также
сигналы новых служб и сетей связи — например, в асинхронном
режиме передачи ATM — потоки ячеек (фрагментов) широкополосной
сети с интеграцией обслуживания (Ш-ЦСИО). Доступ к
информационной СЦИ возможен через СМ либо АОП, которая обычно
выполняет преобразование сигналов СЦИ в сигналы плезиохронной
цифровой иерархия, и наоборот.
Синхронный режим характеризуется жестким разделением
временного кадра на участки (интервалы) — битовые словч,
фиксированной длины равной продолжительности, каждый из которых назначен
определенному логическому соединению (т. III.7, Рек. МСЭ-Т 1.113).
В качестве устройства обмена применяется сверхскоростная
аппаратура группообразования (мультиплексирования), скорость работы
которой должна быть значительно выше, чем у входящих линий.
Для СЦИ в Рек. МСЭ-Т G.707 определена иерархия скоростей
цифровых синхронных каналов. В качестве первого уровня выбрана
скорость 155 520 кбит/с, в качестве 4-го — 622 080 кбит/с, стандарт
высших уровней — 1244 160 кбит/с, 12-й уровень — 1866 240 кбит/с,
16-и уровень — 24S6320 кбит/с.
Для работы по низкоскоростным каналам, в частности по
спутниковым, вводится синхронный транспортный модуль уровня 0
(СТМ-0) на скорость 51,84 Мбит/с.
Введение уровня ниже первого, например СТМ-0, повысит
экономичность использования СЦИ на современных спутниковых и
радиорелейных линиях, где широко распространены тракты с полосой
пропускания 40 МГц. а также в тех многочисленных случаях,
когда на сети нет необходимости в сравнительно большой пропускной
способности первого уровня СЦИ.
Формат СТМ-0 не представляет уровень СЦИ и не может
использоваться на интерфейсах сетевых узлов.
Для организации соединений в СЦИ в сетевом уровне
трактов образуют виртуальные контейнеры (ВК) — блочные
циклические структуры с периодом повторения 125 или 500 мкс.
Субблоки Tributary Unit (СБ) обеспечивают согласование между сетевыми
уровнями трактов низшего и высшего порядков и содержат
информационную нагрузку. В качестве субблоков могут использоваться как
потоки с меньшей, чем у ВК, скоростью, так и сигналы
плезиохронной аппаратуры группообразования.
Таким образом обеспечивается совместимость синхронных и пле-
зиохронных систем передачи.
Сценарии использования спутниковых систем передачи для
работы в стандарте СЦИ рассмотрены в Рек. МСЭ-Р S.1149.
Разработана также Рек. МСЭ-Р XY/4 о принципах управления СЦИ с учетом
возможностей спутниковых каналов.
84
Измерение параметров цифровых каналов и трактов
В цифровых системах передачи (включая аппаратуру
уплотнения и разуплотнения потоков более высоких порядков временного
группообразования) наиболее актуальным прежде всего является
измерение двух критериев качества — ошибки на бит и фазового
дрожания.
Измерения проводят в отсутствие сигнала и при его наличии.
На скоростях передачи в первичных и вторичных цифровых
трактах используют псевдослучайные последовательности длиной
2'5 - 1 = 32 767 бит и на более высоких скоростях —
последовательности длиной 223 - 1 = 8388607 бит (Рек. МСЭ-Т0.151).
На входе системы передачи поток данных синхронизируется с
генерируемой на месте эталонной псевдослучайной
последовательностью, не содержащей ошибки; затем вьшолняется побитное
сравнение. Любая разница в последовательностях представляет собой
ошибки в битах, и они могут подсчитываться и отображаться как
коэффициент ошибки, секунды, свободные от ошибок, и пр.
Фазовое дрожание (ФД), измеряемое в цифровом канале или
тракте (на выходе цифрового стыка), регенераторе или других
элементах, выражается тремя способами: через максимально
допустимое входное ФД (определяется, какой величины ФД может быть
подано на вход системы, прежде чем появится ошибка), ФД на выходе
в отсутствие входного ФД и через коэффициент передачи ФД.
Максимально допустимое входное ФД и коэффициент передачи
ФД обычно измеряют в отсутствие информационного сигнала путем
введения синусоидальной фазовой модуляции (ФМ) с
изменяющейся частотой в испытательную ПСП. Собственное ФД в отсутствие
входного ФД может быть измерено в отсутствие передачи и во
время передачи информационного сигнала при условии, что измеритель
ФД обладает возможностью обнаружения опорного синхросигнала из
входного сигнала.
Для измерения ФД в цифровых системах передачи используют
прибор по Рек. МСЭ-ТО.171 (Т. 1V-4), в котором устройство
выделения тактовой частоты представляет собой уэкополосный фильтр,
настроенный на эту частоту. Выделенное напряжение поступает на
двусторонний ограничитель амплитуд. Флуктуация фазы
полученного таким образом колебания выделяется частотным детектором.
В последнее время разработаны очень важные Рекомендации
МСЭ-Т М.2100 и М.2101, содержащие эксплуатационные нормы и
методы измерений международных трактов, секций и систем
передачи для ПЦИ и СЦИ соответственно. Данные рекомендации
содержат нормы и методы оценки коэффициента ошибок,
проскальзываний и готовности в соответствии с принципами, описанными в
Рекомендациях МСЭ-Т М.20, М.32 и М.34, и являются
основополагающими при вводе в эксплуатацию цифровых каналов и трактов
спутниковых линий.
85
Глава 4
Многостанпионный доступ и методы
разделения сигналов
4.1. Принщгаы и особенности
мног останпионного доступа
АГногоста«ч«онный доступ (МД) представляет собой
специфическую особенность спутниковой связи, выгодно отличающую ее от
других видов связи и позволяющую существенно повысить
эффективность использования стволов спутникового ретранслятора.
Под мноростанционным 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 последующих параграфах данной главы дается
количественная оценка возникающих помех и искажений. В конечном
счете все эти эффекты приводят к уменьшению пропускной
способности ствола ретранслятора при МД по сравнению с односигналъным
режимом работы.
Эффективность методов МЛ принято оценивать по степени
использования пропускной способности (или емкости) ретранслятора
86
[6] в зависимости от числа сигналов п:
г}(п) = ^2а/С0,
(4.1)
где Со — пропускная способность ствола ретранслятора в односиг-
нальном режиме; С, — пропускная способность, реализуемая »-й
земной станцией в части общего ствола.
Показатель ч(п) — монотонно убывающая функция числа
передаваемых сигналов, причем наиболее эффективен метод, при
котором эта зависимость выражена слабее.
4.2. Представление эквивалентных
нелинейных характеристик ретранслятора
Исходным этапом исследования специфических эффектов при
миогостанционном доступе является определение эквивалентных
нелинейных характеристик спутникового ретранслятора.
Путем практических
измерений могут быть получены: рВш'аБ
амплитудная характеристика
(рис. 4.1)1, точнее, квадрат ее, т.е.
зависимость
Рвых = /(Р»х) ИЛИ 1'1Ы
и фазовая характеристика
"вых — У ( *вх )•
(4.2)
0
-tl
-а
-12
-is
-?(7
*»'—"
--и.
??"•-
(fi
и,
"Ое
■
(4.3)
-is -17 -а -ц
« ВРЬх^Аб
Рис. 4.1. Передаточные
характеристики ретранслятора при
разных режимах работы JTBB
Однако обе они не могут быть
непосредственно использованы для
практических расчетов. Так,
амплитудная характеристика — это
•зависимость амплитуды первой гармоники выходного напряжения от
амплитуды входного гармонического сигнала, тогда как для
расчетов необходима передаточная характеристика нелинейного элемента,
отражающая зависимость мгновенного значения выходного
напряжения от мгновенного значения напряжения на входе. Поэтому
необходимо вначале произвести эквивалентный переход от амплитудной
характеристики к передаточной характеристике мгновенных значений
Семейство характеристик на рис. 4.1 соответствует различным
значениям напряжения опирали Ut„ ЛЕВ.
87
и лишь затем проводить обработку (аппроксимацию) последней,
шение этой задачи зависит от формы представления исходной амш
тудной характеристики ретранслятора; предположим, что она за
ется в виде первого слагаемого нечетного гармонического многочле
m
«вых = U0 ^2 Ап cos nut (n = 1,3,5,...),
n=l
описывающего выходной сигнал при гармоническом воздейств]
иьх = Uocosuii
Аналогичным образом выходной сигнал (его мгновенное энач»
ние) может быть определен через передаточную характеристик,
мгновенных значений Е(и): мвых = E(Uo<x>eut). Сопоставляя э%
выражения, получаем
т
Е(и) = Uq ^2 Ап cos nut.
n = l
При условии, что Е{и) можно представить в виде нечетного ствя
пенного полинома с тем же числом членов, т.е. /
Е{и) = Ql«BX + o3uL + ■ ■ ■ + «rnC (4-4
предыдущее равенство принимает вид
m m
УЗ ап^0 cos пш^ = ^0 /J Ап COS TlU)t.
n=l n=l
Связь между коэффициентами тригонометрического полинома,
отассываюшего передаточную характеристику мгновенных значений,
и коэффициентами гармонического полинома, описывающими
амплитудную характеристику, может быть получена методами
гармонического синтеза. Формулы их вычисления для полиномов седьмой
степени при Uq = 1 имеют вид
а, = 2°(Л1 - ЗЛз + ЪАЬ - 7А7), а3 = 22(Л3 - 5Л5 + \4А7),
а5 = 24(Л5 - 7А7), а7 = 26(Л7).
Таким образом, если характеристика ретранслятора задана в
виде Рьых — /(Рвх), то нужно предварительно вычислить амплитудную
характеристику A(U) по формуле (4.2), представить ее в
аналитической форме, например в виде гармонического многочлена, а затем
68
кд, град/дб
Рис. 4.2. Зависимость коэффициента АМ-ФМ преобразования
ретранслятора от мощности входного сигнала ори разных режимах
работы ЛБВ
пересчитать в характеристику мгновенных значений Е{и). В
качестве примера на рис. 4.1 штриховой линией показана вычисленная
характеристика мгновенных значений; она оказывается отличной от
первообразной амплитудной характеристики (для Uctt = U3); их
различие может достигать нескольких децибел.
Иногда удобно представить передаточную характеристику
нелинейного тракта в другой аналитической форме, нежели приведенная
выше форма тригонометрического многочлена, а именно в форме
интеграла вероятности («мягкое ограничение»):
E(u)=-jLJo" °exp(-z2/2)dz, (4.5)
где bo — параметр нормирования; или в степенной форме
£(«) = <„■ (4.6)
Последняя запись является наиболее общей: при v = 1
выражение (4.6) описывает линейный усилитель; при v = 0 — идеальный
ограничитель с нулевым порогом; при 0 < v < 1 —
промежуточные формы ограничения.
Подлежит предварительному преобразованию и фазовая
характеристика ретранс.чятора; ее следует представить в виде
зависимости (в град./дБ) коэффициента АМ-ФМ преобразования от входной
мощности:
ka = Д0/ДРвх = ДРВХ). (4.7)
Результаты соответствующего пересчета фазовых характеристик
типичной ЛБВ в форму (4.7) приведены на рис. 4.2, из которого
следует, что, вообще говоря, к$ — сложная функция Явх, но в первом
приближении можно считать эту зависимость линейной в области
малых входных сигналов вплоть до области насыщения.
89
Полученные таким образом эквивалентные характеристики
ретранслятора служат основой для количественной оценки эффектов
при МД.
4.3. Многостанционныйдосхуп с частотным
разделением
Наиболее простым и распространенным является метод МД с
частотным разделением каналов (МДЧР), при котором каждая земная
станция передает свои сигналы в отведенном ей участке
частотного спектра с полосой частот Д/ (рис. 4.3). Между сигналами
предусматриваются защитные частотные интервалы Д/э, позволяющие
в месте приема разделить их с требуемой точностью. Таким
образом, в общем стволе ретранслятора с полосой частот W
передается п радиосигналов, каждый из которых несет цифровой поток со
скоростью Ni (кбит/с). Полная реализованная емкость ствола
составляет N = £ JV,-.
Большой опыт разработки и эксплуатации систем с частотным
разделением, накопленный ранее при реализации других систем
связи, а также сравнительная простота оборудования послужили
причиной того, что почти во всех действующих системах спутниковой
связи включая различные системы России, системы Intelsat и
«Интерспутник», в настоящее время широко используется МД с
частотным разделением.
При МДЧР сигнал, поступающий на вход ретранслятора,
представляет собой сумму квазигармонических парциальных сигналов
земных станций, каждый из которых в общем случае может быть
модулированным по амплитуде и (или) фазе.
т
и(0 = £ад«*М+ №(*)]■ (4.8)
п=1
Соответственно энергетический спектр суммарного сигнала, т.е.
сигнала, представляющего сумму сигналов на входе ретранслятора
(при одинаковых парциальных сигналах):
п несущих частот
Z. J. ^
( г~н гН F=h
»1 |г * w и *
Рис. 4.3. Гтруктура сигналов при частотном разделении
90
при фазовой модуляции с малым индексом {о* < 1)
р<шИ = v? £ **(ш -ш^+5^p-(w " w,)i (49)
»=i
гдерм(ы) — энергетический спектр модулирующего сигнала; S(w) —
дельта-функция;
при частотной модуляции с большим индексом (trj ^> 1)
p™H = iJ^X>
(ы-ы,-)а
2а)
(4.10)
Важным параметром суммарного сигнала является функция
распределения мгновенных значений, позволяющая оценить степень а
вероятность превышения пиковым уровнем Сигнала его среднеква-
дратического значения.
В общем случае сигналы земных станций приходят на вход
ретранслятора асинхронно и со случайной фазой, значение которой
можно считать распределенным равномерно на интервале 0...2тг.
Функция распределения суммарного сигнала для п одинаковых
парциальных сигналов с постоянными огибающими (что соответствует
частотной или фазовой модуляции):
Ц'(.Г) = ;
1
2nUi
при \х\ < nUi. (4.1-1)
где Jq — функция Бесселя нулевого
Пик-фактор суммарного
сигнала определяется как отношение
пиковой мощности А этого сигнала, не
превышаемой с вероятностью р(А), к
средней мощности суммы п
гармонических колебаний:
v =
nU} ~ n
(4.1-2)
Кривые, характеризующие
зависимость пик-фактора,
определяемою по формуле (4.12), от числа
сигналов, показаны на рис. 4.4, из
которого следует, что для п >■. 10 с
порядка.
12
10
a
6
и
2
рт
Г
/ -
7^
■V' 11 1_= =
ТП 0.999
Т пда
Тпоя
Шг
"ffl ""
I
I
1
.ill.
III
i
10
100
Рис. 4.4. Зависимость пик-
фаКТора суммарного сигнала от
числа ретранслируемых
сигналов
1)1
вероятностью р = 0,99 пик-фактор суммарного сигнала не
превышает 8 дБ, а при р = 0,999 приближается к 11 дБ.
Важной характеристикой многостанционного сигнала является
его скважность; при МДЧР этот параметр характеризует
использование полосы частот ретранслятора и может быть определен по
формуле
Для количественного анализа эффектов при МДЧР необходима
модель суммарного сигнала; параметры модели должны хорошо
отображать его амплитудные особенности и спектральные
характеристики. Однако эти свойства существенно зависят от числа сигналов
земных станций, вследствие чего выбрать одну модель, достаточно полно
отображающую особенности любого многостанционного сигнала, не
удается. Поэтому практически используют две модели, одна из
которых соответствует большому, а вторая — малому числу сигналов,
При большом числе сигналов (n ^ 10) наиболее простой и
естественной моделью является гауссовский шум со спектральной
плотностью, равномерной в полосе частот ретранслятора W;
/?/(2ИП при /о - W/2 < / < /0 + W/2; (
при / < /о - W/2; / > /о + W/2. ^^ >
При этом следует иметь в виду, что относительный уровень
перекрестных помех, определяемый с помощью данной модели,
оказывается заниженным на 101g<b дБ, поскольку при моделировании не
учитываются частотные промежутки между сигналами земных
станций. Учет их требует (при той же средней мощности бортового
ретранслятора) увеличения спектральной плотности мощности в
соответствии с (4.13), что приводит к увеличению спектральной
плотности нелинейных продуктов.
В качестве модели суммарного сигнала при малом п
целесообразно принять аддитивную сумму некоторого числа независимых немо-
дулированных синусоидальных колебаний, частоты которых
находятся в таком соотношении, что продукты перекрестной модуляции
различных порядков не совпадают по частоте и могут быть
разделены фильтровым способом; этому требованию отвечают, например,
частоты /в, /о+Д, /о+2Д, /о+4Д. Минимальное число
синусоидальных колебаний, при котором в ретрансляторе образуются все
характерные взаимные помехи, равно 3. а общее их число с учетом
калибровочной синусоиды должно быть равно 4. При этом средняя
мощность суммы четырех синусоидальных колебаний должна быть равна.
средней мощности суммарного сигнала, а амплитуда каждого из них
£•; = y/nU?/4. (4.15)
92
Дальнейшее рассмотрение будем вести применительно к этим
двум моделям.
4.4. Нелинейные эффекты при частотном
разделении. Общая характеристика
При МДЧР возникают следующие эффекты: потери выходной
мощности ретранслятора в многосигнальном режиме; подавление
слабых сигналов сильными, интермодуляционные (перекрестные)
помехи из-за нелинейности амплитудной характеристики
ретранслятора, интер модуляционные помехи АМ-ФМ перехода, т.е. помехи из-за
преобразования амплитудной модуляции сигналов в фазовую.
Эффект снижения (потери) выходной мощности ретранслятора
наиболее полно проявляется при работе в области насыщения.
Применительно к характеристике ретранслятора, представленной в виде
характеристики жесткого ограничителя с ненулевым порогом [4Л],
показано, что при усилении одного гармонического сигнала выходная
мощность, нормированная относительно мощности насыщения Ра,
1вых
2
7Г-
2р sin
s/Wp)
(4.16)
где р = Pibx/Ль и при большой мощности входного сигнала,
соответствующей заходу в область насыщения (PiBX ^ Ра),
/W/fi) « 8/тг2 « 0,81.
(4.17)
При одновременном усилении
двух гармонических сигналов их
суммарная выходная мощность
(Рцых + Pw)/Po = (8/х3)3 а 0,65
при р — ос. (4.18)
При усилении большого числа
сигналов (т.е. для шумовой модели)
Р 2
У US** * 1 « 0,64
£* Ро т
при р — оо.
(4.19)
рЛп
0.8
GL6
цч
U*
о
/'<
>
и
J
'
г
'*
*
-—1
h
Верхний предел
^~
S
■^
р
1
ъ
X
м
KBS.L
Г
^
7
нЕ
Чи
Результаты расчетов по
формулам (4.16)-(4.19) приведены на
рис. 4.5, из которого следует, что
потери выходной мощности в
многосигнальном режиме относительно одно-
сигнального составляют 1...1.5 дБ.
Wo
Рис. 4.5. Потери выходной
мощности ретранслятора в
многосигнальном режиме
93
V
;
: Сигнал-шум ,«
■ сигнай'Сиемвя _^«-
щи» ■■
г-*^*^-7"
<~^ г
IIIIIII 1 I41III IIUiXLL
ю
100
0,01 0,1 1
Ряс. 4.8. Зависимость коэффициента подавления двух гармонических
сигналов от отношения их мощностей на входе и от отношения сигнал-шум
Физически это можно объяснить расходом мощности на образование
гармонических составляющих и перекрестные продукты.
Как было указано, прохождение сигналов разного уровня
через нелинейный тракт сопровождается подавлением слабого
сигнала сильным.
Коэффициент подавления принято определять в виде отношения
средних мощностей сигналов на входе и выходе нелинейного тракта:
Л'„ =
1вых
/Ри
^lBx/^BX
Согласно [4.2] при двух гармонических сигналах (рис. 4.6)
(4.20)
f — 4 п
^=1 п
I -^ 0,25 п
Лп < =
При Лвх» ^2вх;
РИ Pibx = Р?*х\
при Pibx < Рчж,
(4.21)
а при гармоническом сигнале и гауссовском шуме
Аг
'■(;
— 2 приРс»Рш;
1 при Рс = 0,35РШ;
5г/4 при Ре < Рш.
(4.22)
Выражения (4.21) и (4.22) свидетельствуют о том, что в
наихудшем случае (при гармонических сигналах) подавление слабого
сигнала достигает 6 дБ, а гармонического сигнала шумом не превышает
1 дБ. Однако эти значения предельные, поскольку они полечены в
[4.2] для идеального ограничителя и двух крайних видов помехи: од-
носягнальной и шумовой. Для практических расчетов, в том числе
для принятой четырехсигнальной модели, необходима
количественная оценка коэффициента подавления при любом числе сигналов и
любой форме характеристики нелинейного элемента, преде
явленной в общем виде (4.G),
Разложением характеристики (1.6) в ряд Фурье в
предположении что отношение сигнал-помеха на входе нелинейного трикта
91
t'e.BxAVex С 1, коэффициент подавления в общем случае (для
гармонического сигнала и помехи любого вида)
"- т
m*[US$(t)} ' ( '
где D{x) — дисперсия величины х; т(х) — математическое ожидание
случайной величины х, заданной распределением w(x).
Из (4.23) нетрудно получить частные результаты [4.2],
представленные ранее формулами (4.21) и (4-22). Так, для двух
гармонических сигналов непосредственно легко найти А"„ = {у + 1)2/4, что
обобщает результат [4.2] на тракт с любой формой характеристики
и для жесткого ограничения (v = 0) дает А'п = 0,25, как и
формула (4.2), Для принятой ранее четырехсигнальной модели помехой
является сумма трех гармонических сигналов с амплитудой V а
случайной фазой; согласно (4.11) функция распределения такой помехи
«Ф0 = ^
1+22>wj*(t)
г=1
и вычисление, выполненное по формуле (4.23) для v ^C 1, дает
/v'n as -2,5 дБ.
Таким образом, для дальнейшего количественного анализа
нелинейных продуктов имеем следующие значения коэффициента
подавления: для четырехсигнальной модели А'п * —2,5 дБ, для
шумовой А'п = —1 дБ.
При анализе многостанционных систем с частотным
разделением наиболее важным и определяющим является эффект
образования комбинационных помех из-за нелинейности передаточной
характеристики тракта.
Практически используют два основных метода анализа:
гармонический, основанный на представлении передаточной
характеристики нелинейного элемента в виде полинома нечетной
степени от входного сигнала (4.4) и вычислении комбинационных
продуктов в виде суммы компонент разложения степенного ряда:
корреляционный, предусматривающий представление
передаточной характеристики в виде интеграла вероятности (4.5) с
последующим вычислением корреляционной функции и энергетического
спектра выходного сигнала.
Наиболее прост и физически очевиден первый метод [4.3. 4.4];
он удобен для малого числа входных сигналов, так как при и » I
значительно усложняются тригонометрические выкладки; здесь чтот
метод будет использован при исследованиях с четырехсигнальной
моделью суммарного сигнала.
!l.i
Второй метод более универсален, так как корреляционные
функции вычисляются для любого числа сигналов, однако наиболее
простое решение получается при шумовой модели входного сигнала,
которая и будет использована далее.
Гармонический метод
Воспользуемся гармоническим методом для расчета нелинейных
помех при четырехсигнальной модели многостанционного сигнала,
Передаточную характеристику мгновенных значений
нелинейного тракта аппроксимируем полиномом нечетной степени (4.4). При
этом необходимо брать достаточно большое число членов полинома с
тем, чтобы обеспечить хорошую аппроксимацию в диапазоне входных
уровней, на 10...12 дБ превышающих условную точку насыщения.
Входной суммарный сигнал представим в виде (4.8).
Для п одинаковых сигналов с амплитудами t/, и суммарной
мощностью Рьх — nUf /2 в [4.4] получены общие выражения для выходных
составляющих сигнала и его перекрестных продуктов. Согласно [4.4]
в основную полосу частот попадают:
полезные сигналы с частотами ы^, амплитудами
+15!К^П*+(п-1),п-2)+1<»+1>]+
+105^7 (%0 1(" ~1)(" " 2)l" ~i) + 3(" "1)(п " 2)+
♦i'-1'^- ■■]}■■
продукты взаимной модуляции типа 2о>, - u»j с амплитудами
«-<"> = х- (^f Hi {¥) № + «<» - »и+
+10»Н(^У|<"-»«-»>+т1"-«+п1 +■■■}■■
продукты взаимной модуляции типа ш, + ш} - ^к
+M0S(x),li+i«-s»+3("-j«-M+-V
он
продукты взаимной модуляции типа Зш{ - Tuj
«^-Ь.(^)>+?=(*)['**Ч*-4
Расчет комбинационных продуктов для четырехсигнальной
модели при аппроксимации нелинейной характеристики ЛВВ
полиномом 7-й степени дает:
основные компоненты с частотами ы,-
1/2 (l + М±Р„ + 10^/& + 40,3^);
\ ai ai ai '
(4.24)
продукты 3-го порядка с частотами 2a>,- — ы;-
UMx2(n = 4) = Jo. (^)3/2 (1 + 7,1 ^Рвх + 45,4|Р^); (4.25)
продукты 3-го порядка типа ы,- + wj — wt
tW3(n = 4) = |«. (^)3/2 (l + 6,25^P« + ЗбД^Р»,); (4-26)
продукты 5-го порядка типа 3wt- — 2u/j
*/.ыхв(п = 4) = |ав №Л (l + l3.5^PBX). (4.27)
Выражения для продуктов 5-го порядка типов Зи/; — ы,- — ы* и
it.'; + 2yjj — 2wfc ввиду их сложности не приведены.
Результаты вычислений относительной мощности единичных
нелинейных продуктов 3-го порядка в зависимости от входного уровня,
нормированного относительно точки насыщения, для типичной
характеристики ЛБВ (см., например, кривую Ucn = V3 на рис. 4.1).
пересчитанной в характеристику мгновенных -значений в соответствии
г § 4.2, приведены на рис. 4.7 (для удобства использования этих
результатов на горизонтальной оси нанесены шкалы входной и
выходной мощностей).
Далее необходимо определить общее число продуктов
каждого типа и их распределение в полосе частот ретранслятора. Число
нелинейных продуктов для некоторых значений и представлено в
габл .4.1.
CW(n = 4) = ai ( -у- 1
П7
Таблица 4.1
n
4
10
20
Число продуятпл каждого типа
2ш, — и.
12
90
380
Ui + Wj — Wfc
12
360
3420
3w, - uij — w*
12
360
3420
t* + 2wj - 2urfc
24
720
6840
Из таблицы видно, что число
продуктов 5-го порядка существенно
превышает число продуктов 3-го
порядка, однако из (4.27) следует, что
амплитуды их малы; практически уже
при п > б можно считать, что
основные помехи определяются
продуктами типа w,- + ыу — Шк ■
Следует отметить, что при
равномерной расстановке частот входных
сигналов с разносом AW частоты всех
нелинейных продуктов будут кратны
этому разносу и, следовательно,
совпадут с частотами сигналов. При
этом основная часть помех попадает
в центральную область, а мощность
помех на краях полосы частот ствола
окажется на 1,5.. .2 дБ меньше, чем в
центре.
Согласно [4.4] полное число
единичных продуктов D(rrn),
попадающих на частоту сигнала с порядковым номером г, при передаче п
сигналов для продуктов 3-го порядка типа 2и>; — uj
Д2(г,п) = ^л-2-1[1-<-1Л(-1)г}, (4.28)
-В -S
Рис. 4.7. Зависимость от-
носителъиоП мощности
нелинейных продуктов от загрузки
ЛБВ
а для продуктов 3-го порядка типа wj + uj — u/t
г
А>(г,п) = ^(n - г + 1) + -[(n - З)2- 5] -£[!-(-1)"1(-1)п+г. (4.29)
Для четырехсигнальной модели при г = 2
£>2(r,n)=l. Da(r,n) = 2.
Для других значений лиг результаты расчетов по формулам (4.28)
и (4.29) сведены в табл. 4.2 и 4.3.
9»
n
1
2
3
4
5
б
7
в
1
0
0
1
I
2
2
3
3
Tal
5 л н ц а 4.Z
Число продуктов типа 2ац - w,
2
—
0
0
1
1
2
2
3
на несущих с номером г
3
—
—
1
1
2
2
3
3
4
—
—
—
1
1
2
2
3
5
—
—
—
—
2
2
3
3
б
—
—
—
—
—
2
2
3
7
—
—
—
—
—■
—
3
3
8
—
~~~
-—
3
Таблица 4.3
п
1
2
3
4
5
6
7
8
Число продуктов типа ы. + w; — wjt
на несущих с номером г
1
0
0
0
1
2
4
6
9
2
0
1
2
4
6
9
12
3
0
2
4
7
10
14
4
1
4
7
11
15
5
2
6
10
15
6
4
9
14
7
6
12
8
9
Результаты, полученные для четырехсигнальной модели,
можно экстраполировать на произвольное число передаваемых
сигналов, воспользовавшись соотношениями, приведенными в [4.4], с до-
правкой, учитывающей подавление сигнала помехой (при неравных
сигналах)
t7euxi(n =4)А'П
п'
Р»(Т>) Е^ЫхД" = 4)А1г,п)о, 16'
(4.30)
где Рс — мощность полезного сигнала; Рн — мощность нелинейных
продуктов в полосе сигнала.
При большЦм числе сигналов (» — ос),.как было указано,
преобладают нелинейные продукты u^ +ljj — u^; для них D$(r, п) — Зпг/8
на средней частоте ствола и D$(r, п) — nD/4 на краях полосы ствола.
Соответственно для п —+ оо, средней частоты ствола и
одинаковых входных сигналов выражение (4.30) примет вид
1431)
№
В соответствии с этой обобщающей формулой на рис. 4.7
приведена зависимость нелинейных помех от уровня входной (выходной)
мощности ретранслятора для п —♦ со.
Корреляционный метод
Как было показано в § 4.3, при большом числе сигналов
хорошей моделью суммарного сигнала является гауссовский шум со
спектральной плотностью, равномерной в полосе частот
ретранслятора (4.14); при этом для расчета нелинейных помех наиболее
удобно представлять характеристику нелинейного элемента в виде
интеграла вероятности (4.5).
Корреляционная функция процесса на выходе сглаженного
ограничителя с характеристикой вида (4.5) при подаче на его вход узко-
полосного нормального процесса
' fifr) 1
.1 + *Ч'
В(т) = — arcsin
2т
где а = bojv — параметр, связывающий характеристики нелинейного
устройства и входного процесса.
Разложением в ряд Тейлора после некоторых преобразований
можно выделить из В{т) корреляционную функцию В'(г),
соответствующую части процесса, попадающей в полосу частот
ретранслятора; затем в соответствии с теоремой Хинчина найти спектр
неискаженного полезного сигнала на выходе нелинейного элемента рс(и>)
в энергетический спектр нелинейных помех pM(w).
После раскрытия интегралов в [2] получено
РиИ _ у К*» ~ »)Щ'<%Г-1 tth-ift) M,91
РсМ";^ (2n-i)!22"-2 (1 + Q.»)»"-*- [q'U)
2(w -w0)
I fi Г Ч -
««ь-1(7) = ^^ГТуехр[-5?52г.
1 =
W
1)J
На основании (4.32) для средней частоты ствола
ретранслятора вычислена я показана штриховой линией на рис. 4.7 зависимость
отношения сигнал-помеха от мощности входного сигнала,
нормированной относительно условной точки насыщения РБЫХо «« 0,95Ртах.
Для крайних частот ствола отношение сигнал-помеха оказывается
примерно на 2 дБ выше. Сравнивая ее с зависимостью,
вычисленной для п — гх. гармоническим методом, нетрудно установить
достаточно хорошее соответствие.
Таким образом, для расчета нелинейных помех при малом
числе сигналов (л $ 10) целесообразно пользоваться гармоническим
100
методом, а для большого числа сигналов — корреляцмоаиым. Это
позволяет определить отношение сигнал-помеха на выходе
бортового ретранслятора.
Пересчет этого отношения в мощность нелинейных шумов в
телефонном канале при передаче ТЛФ сигналов с частотным разделением
и частотной модуляцией можно выполнить по формулам,
приведенным в гл. 4, а также в [4.4] и др.
Эффект АМ-ФМ преобразования
Эффект АМ-ФМ преобразования обусловлен тем, что в тракте
ретранслятора имеются элементы (в особенности выходная ЛБВ), у
которых вносимый ими*фазовый сдвиг зависит от уровня сигнала.
Соответственно эти элементы являются преобразователями
амплитудной модуляции сигнала в фазовую и при многостанционном
доступе порождают переходные помехи двух типов: внятные и невнятные.
Помехи 1-го типа обусловлены тем, что сигнал
(модулированный, например, по частоте), проходя через тракт с неравномерной
частотной характеристикой (например, передатчик земной станции),
приобретает паразитную AM в соответствии с законом частотной
модуляции; происходит переход ЧМ в AM. После прохождения через
элемент с АМ-ФМ преобразованием эта паразитная AM
преобразуется в паразитную ФМ каждого из усиливаемых сигналов и после
демодуляции дает внятную помеху в НЧ Канале каждого из сигналов.
Помехи 2-го типа АМ-ФМ перехода обусловлены тем, что при
МД огибающая суммарного сигнала не постоянна, а изменяется с
частотой биений между ее составляющими; соответственно после
прохождения элемента с АМ-ФМ преобразованием в фазе каждого из
сигналов будут содержаться продукты этих биений. Количественная
оценка этого эффекта дана в [4.4].
Суммарный входной сигнал вида (4.8) записывается в форме
ивх (*) = U*x{t) cos[w0t -г ФВж(г)],
где огибающая
UBS(t) = Ui
\
), cos(u); — u»o)<
.4 = 1
£%in(uj -ы0)<
Ь=1
а фаза
Ф»>,(0 = arctg
11 П
- 2j sin(uj - uQ)t I ^ cos(u>; - ti>o)'
\-\ »=l
ФьыкС) = > ) COS(Wi -b>k)t,
2П fcfc
101
b* — коэффициент АМ-ФМ преобразования (4.7).
При условии кф < 1 и Фвых(0 < 1 процесс на выходе элемента с
АМ-ФМ преобразованием описывается общим выражением
u««(0 = Ui 53 cos wit - Ui ' 2n Yl 53sin(2w,- - uij)-
j=i ;=,
^OOSie*,^ £ j^ibfa+ui-uk). (4.33)
" i=i j=i t=i
Первая сумма в (4.33) определяет совокупность полезных
сигналов, вторая — продукты АМ-ФМ преобразования типа 2ш,- — u>j,
третья — продукты типа w,- + vj — w*, причем амплитуда продукта
второго типа на 6 дБ больше, чем первого. •
Интересно отметить, чтапродукты АМ-ФМ преобразования
имеют ту же структуру, что и продукты нелинейности передаточной
характеристики тракта того же порядка, находятся в квадратуре по
отношению к ним н, следовательно, могут суммироваться с ними
по мощности.
Для четырехсигнального режима из (4.33) можно получить
выражение для отношения сигнал-единичная помеха АМ-ФМ
преобразования:
для продуктов типа 2и^ — w.
Рам
'с , А, ( 2п \2 2785 ,. *
для продуктов типа w,- + w;- — w*
^АМ-ФМ
<" = <>= Ык)"к1г ,4M)
Общая формула для отношения сигнал-помеха АМ-ФМ
преобразования, учитывающая продукты обоих типов, при любом числе
сигналов, выраженная через единичные продукты четырехснгнального
режима, но аналогии с (4.30) может быть записана в виде
Ре , , 1
■>
-<п) =
Л-
^ам-фм о?к$ a3kj 16
2785D2(rn) + -69D-D3(r'n)
174л2
kj[o7D^r.n) + 4a3D3{ г, п)}
(4.36)
102
При большом числе сигналов (п -» оо), как показано в § 4.4,
основной вес имеют продукты типа щ + ш,- - w*, для которых
согласно (4.29)
D3(r, п) -> Зл78.
Соответственно при п —» оо
Из (4.37) следует, что помехи АМ-ФМ перехода 1-го типа весьма
велики и при kg ^ (2.. .3)*/дВ могут превышать уровень нелинейных
помех. Полученные формулы характеризуют отношение сигнал-АМ-
ФМ помеха на выходе ретранслятора, которое не явно, но зависит от
выходной мощности ретранслятора, благодаря чему выбором
рабочей точки на характеристике ретранслятора можно изменять
уровень помех и этого происхождения.
Обстоятельством, имеющим существенное практическое
значение, является то, что вследствие тождественности структуры
нелинейных шумов и шумов АМ-ФМ перехода их невозможно раздельно
выделить при измерениях в реальных трактах; продукты,
измеренные, например, с помощью четырехсигнальной модели, обусловлены
совокупным действием обоих эффектов.
4.5. Определение оптимальных параметров
системы и оценка эффективности М7Т
с частотным разделением
Для оценки эффективности рассматриваемого метода
многостанционного доступа в соответствии с принятым ранее критерием (4.1)
необходимо рассчитать основные параметры системы, состоящей из
п земных станций общей емкостью N основных цифровых потоков
(ОЦП) по 64 кбит/с и исследовать зависимость N = /(п), При этом
предполагается, что /V (емкость каждой станции) одинакова,
передача осуществляется методом двух- или четырехфазовой манипуляции,
отношение Рс/Рш в полосе 64 кГц составляет 9 дБ на линии «вниз»
и 8 дБ — на спутниковом участке в целом (с учетом линии «вверх»).
Первый этап решения поставленной задачи — определение
скорости цифрового потока, который может быть передан на одной
несущей с заданным отношением сигнал-шум на входе демодулятора
«■мной станции (т.е. с заданной вероятностью ошибки приема).
Второй этап — определение количества ОЦП N — N'n, которые
могут быть переданы через рассматриваемый ВЧ тракт при двух,
трех и более несущих. Результаты такою исследования
представлены на рис 4.8.
103
N
S
ТО»
10
ю*п
Рис. 4.8. Зависимость аропуск-
аой способности ретранслятора при
частотной разделении от числа сиг-
калов
Необходимо отметить, что
приведенные результаты
существенно отличаются от тех,
которые были приведены на рис.
7.8 предыдущего издания
Справочника, Качественно столь
существенные отличия
объясняются следующим. Ранее при
подобном анализе не учитывалось
применение помехоустойчивого
кодирования, которое в то время
(1986-87 гг.) только переходило
из области теоретических
исследований и моделирования в область практической реализации. В
настоящее время без помехоустойчивого кодирования не обходится
практически ни одна система спутниковой связи с МДЧР. В связи
с тем, что требуемое отношение Р^/Рш или E/N0 (отношение
энергии бита и спектральной плотности шума) оказалось значительно (на
4.. .6 дБ) ниже, влияние нелинейных помех ослабло и стало
существенно менее заметно.
Если на каждой из несущих передается одно телефонное
сообщение, то эффективным является применение статистического
подавления несущих в паузах модуляции. Этот метод количественно
исследовав и показано, что при реальном коэффициенте активности
телефонного канала р^ = 0,3 средняя нагрузка ствола ретранслятора
при подавлении несущих уменьшается на 5 дБ; это позволяет
увеличить число передаваемых несущих в 3 раза (предельная оценка).
Частотное разделение каналов занимает важное место (по
объему организуемых телефонных каналов) в мировых спутниковых
системах. Причина этого состоит в простоте аппаратурных решений
при ЧРК и их преемственности по отношению к традиционной
технике РРЛ. При этом в спутниковых системах осуществляется
передача с ЧРК как групповых сигналов (группами по 600, 60, 24 и 12
каналов), так и одноканальных телефонных сообщений,
передаваемых на отдельных несущих. Последний метод — ОКН (один канал
на несущую) — представляет особый интерес, так как обеспечивает
максимально возможную гибкость и оперативность в
перераспределении трафика между земными станциями. Примерами реализации
принципа ОКН является аппаратура типа VSAT, используемая в
различных региональных сетях и выделенных системах связи.
4.6. Многостанционный доступ с временным
разделением. Общее представление
Как следует из изложенного, многостанционный доступ с
частотным разделением (МДЧР), обладая рядом несомненных нреиму-
104
шеств, 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 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. 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 отсутствуют
интермодуляционные помехи, являющиеся одной из основных причин
снижения пропускной способности системы при частотном
многостанционном доступе. Если при МДЧР эффективность использования
полосы пропускания ствола определяется необходимостью введения
определенных частотных зазоров между отдельными
модулированными несущими, то при МДВР эффективность использования
времени работы ретранслятора т) определяется необходимостью введения
защитных временных зазоров между субкадрами, гарантирующими
отсутствие их перекрытия при неидеальной работе системы межетан-
ционной синхронизации, и необходимостью введения ряда дополни-
п
тельных сигналов q = ]Р -^, где гинф — временной-интервал,
используемый для передачи собственно информационного сигнала в *^м
пакете; л — число пакетов: Т — длительность кадра.
Как правило, в известных реализованных либо проектируемых
системах с МДВР q > 0,9.
4.7. Оценка помехоустойчивости систем
с МДВР
Один из определяющих показателей оценки возможностей той
или иной системы многостанционного доступа реализуемая
пропускная способность. Основными факторами, влияющими на этот
показатель, являются уровень флуктуационных шумов на входе де-
модуляюра приемного устройства, степень искажения сигнала при
H).i
его прохождении по реальному радиотракту и неидеальность
работы отдельных элементов аппаратуры. Рассмотрим подробнее все
эти факторы.
Следует предварительно отметить, что во всех известных
системах МД6Р применяется фазовая манипуляция в сочетании с
передачей сигналов в дискретной форме. Анализ помехоустойчивости
систем связи с фазовой манипуляцией (в том числе и
относительной фазовой манипуляцией) выполнен в [4.5-4.8] и, как правило, в
предположении, что помехой является белый шум со
статистическими свойствами, определяемыми гауссовским распределением, и
отсутствуют межсимвольные искажения, определяемые ограниченной
полосой пропускания радиотракта, а также рядом дополнительных
искажении радиосигнала, возникающих из-за неидеальности
характеристик радиотракта.
При когерентном детектировании вероятность неправильного
приема сигнала с М-кратной ФМ
jW«^(v^ein^), (4.38)
где Л2 — отношение энергии одной посылки к спектральной
плотности мощности шума; F(x) — интеграл вероятности.
Из (4.38) следует, что помехоустойчивость рассматриваемых
систем быстро ухудшается с ростом кратности сигнала. Вместе с тем
увеличение кратности позволяет уменьшить требуемую полосу
пропускания канала связи. Таким образом, варьирование кратностью
манипуляции позволяет иногда согласовать энергетический
потенциал радиолинии с ее полосой пропускания. Так, избыток энергетики
при недостатке полосы позволяет увеличить пропускную способность
с увеличением кратности и, наоборот, недостаток энергетики при за*-
пасе по полосе может быть скомпенсирован уменьшением кратности.
Необходимо обратить внимание на то, что в (4.38) входит
величина Л2, обозначающая отношение энергии одной посылки к
спектральной плотности мощности шума. В то же время при
практических измерениях на радиолиниях, а также при их расчете часто
используется отношение сигнал-шум, или Рс/ Рш. Указанные
величины связаны между собой соотношением Рс/Рш — h2/AfT, где А/ —
полоса пропускания тракта на входе демодулятора, в которой
измеряется отношение Рс/Рш, а Т — длительность одной посылки. В
том случае, когда Л/ = 1/7* (так называемая «согласованная»
полоса), эти величины совпадают.
В табл. 4.4 для примера приведены требуемые отношения сигнал-
шум при различных кратностях манипуляции, скоростях передачи
информации и ширине лологы пропускания линейной части
приемного устройства.
|Ш>
Таблица 4.4
R, Мбит/с
М, кратность
д;а11, Мбит/с
Г, не
Д/ = 0,8/Г, МГц
■Рс/Ли ПрИ Рощ,
равном
ю-*
Ю-4
ю-6
Д/ = 1/Т, МГц
Рс/Рш при рош,
равном
ю-*
10~*
ю-6
Д/ = 1,2/Т. МГц
Рс/Рш При />„ш,
равном
ю-
Ю-4
ю-6
Д/=1,35/Г, МГц
Рс/-Рш При /Jem,
равном
ю-
Ю-5
ю-6
20
1
20
50
16
9,8
10,8
11,8
20
8,8
9,8
10,8
24
8,0
9,0
10,0
27
7,5
8,5
| 9,5
2
10
100
8
12,8
13,8
14,8
10
11,8
12,8
13,8
12
11,0
12.0
13,0
13,5
10,5
11,5
12,5
3
6,7
150
5,4
17,8
18,8
19,5
6,7
,
16.8
17,8
18,5
8
16,0
17,0
17,7
9,2
15,5
16,5
17,2
40
1
40
25
32
9,8
10,8
11,8
40
8,8
9,8
10,8
48
8,0
9,0
10,0
54
7,5
8,5
9,5
2
20
50
16
12,8
13,8
14,8
20
11,8
12,8
13,8
24
11,0
12,0
13,0
27
10,5
11,5
12,5
3
13,3
75
10,6
17,8
18,3
19,5
13,3
16,7
17,8
18,5
16
16,0
17,0
17,7
18
15,5
16,5
17.2
1
60
16,67
48
9,8
10,8
11,8
60
8,8
9,8
10,8
72
8.0
9,0
10,0
81
7,5
8.5
9,5
60
2
30
33,3
24
12,8
13,8
14,8
30
11,8
12,8
13,8
36
11,0
12,0
13,0
40,5
10,5
11,5
12,5
3
20
50
16
17,8
18,8
19.5
20
16,8
17,8
18,5
24
16,0
17.0
17,7
27
15,5
16,5
17,2
4.8. Влияние характеристик тракта на
помехоустойчивость систем с МДВР
Из анализа влияния характеристик радиотракта спутниковых
линий связи на искажения ФМ сигналов известно, что ограничение
тракта по полосе, а также дополнительные отклонения его
амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик от идеальных
(равномерной и линейной соответственно} приводят к появлению
межсимвольных искажений. Последние можно оценить
эквивалентными энергетическими потерями по сравнению с помехоустойчивостью,
определяемой приведенными выше теоретически рассчитанными
кривыми [4.9].
Частотная характеристика ВЧ радиотракта представима в виде
/вчМ = 0 + 6, П + Ь20- + ...)еИа'п+аэП'+взП4+ », (4.39)
107
где П = w - u»o; wo — центральная частота спектра сигнала.
Коэффициент Ь\ характеризует перекос АЧХ тракта; 6? —
параболическую составляющую АЧХ; <ц — коэффициент, определяющий
запаздывание сигнала; аг и оз — соответственно линейную и
параболическую составляющие ГВЗ.
&S0O
Сигнал на входе модулятора 5M(t) = 52 С* > гДе С* через так-
тоаый интервал Т случайным образом арииимает значения ±1,
сохраняя их постоянными во временных интервалах £*-i < t < ft-i + Т.
Сигнал на входе демодулятора при однократной ФМ
Sa = — / £(П)/Вч[Ни> + fi)]e,nVQ, (4.40)
h(*)e_,m<ft — спектральная плотность огибающей
■со
ФМ сигнала h(t) после прохождения через фильтры модулятора и
демодулятора,
Очевидно,
h(t)= I Su{r)g(t-T)dT, (4.41)
JO
где g(t - г) — импульсная характеристика фильтров модема,
определяемая как
9(t) = ^ /" /мЫ/дМе1"' dw; (4.42)
/M(iur) и /A(iu) — частотные характеристики модулятора и
демодулятора.
В приводимом анализе предполагается, что радиотракт линии
связи между выходным фильтром модулятора и входным фильтром
демодулятора не содержит нелинейных элементов, что позволяет
искать обобщенную импульсную характеристику обоих фильтров,
перемножая их частотные характеристики.
Характеристику радиотракта (4.39) можно записать иначе:
ЛчМ*^",П(1 + biSl + b2n2 + .. .)[1 + i(a2fi2 + a3fi3 + ...)]. (4.43)
Если характеристики радиотракта не очень сильно
отличаются от идеальных и искажения, вносимые этим трактом, невелики, в
(4.43) можно ограничиться первыми членами, и тогда
/вчЫ «^п[\ - i6,(iO) - 6г(Ю)2 - ia2(ifi)2 - a3(iQ)3 4 . ..]. (4.44)
108
Таблица 4.5
klki(kT)
МО
h'(t)rk
Момент отсчета
Т
-0,96
-0,36
2Т
0.93
0,41
ЗТ
-0,93
-0,41
Л<*>(*Г)
*"(<)**
Л"'(*)г£
Момент отсчета |
Т
0,63
-0,51
2Т
-0,66
0,47
. —
ЗТ 1
0,66 1
-0,46 |
Так как аргумент (\Q)k соответствует к-В производное от
огибающей ФМ сигнала h(t), то с учетом (4.43) и (4.44) можво получить
следующее выражение для сигнала на входе демодулятора:
5Д(0 = [А(0 - b2h"{t) - а3Л'"(0]вши;о<+
+[-М'(*) - а2Л"(0] созыо*.
(4.45)
Отметим, что в (4.45) запаздывание (ц положено равным нулю,
так как вносит только задержку и не приводит к искажениям.
Выражение (4.45) определяет искажения сигнала на входе демодулятора
в зависимости от параметров АЧХ и ГВЗ тракта. Из него следует, т<>
влияние характеристик радиотракта проявляется в том, что
возникают дополнительные межсимвольные искажения в сигнале [Ъ^Ъ." и
ash'") и ортогональная составляющая (fcjft' и a^h").
Рассмотрим расчеты энергетических потерь, вносимых
неидеальностью характеристик радиотракта, для случая, когда эгвйвалент-
ный суммарный фильтр модема можно представить фильтром
второго порядка с критической связью, для которого из [4.9] известно, что
при скачке несущего колебания на я- огибающая выходного процесса
А(0
= -[1 - 2e-'^(eint/Tt + coe*M)], t > t0,
где тк — постоянная времени фильтра; t0 — момент скачка фазы на
входе фильтра. Если полоса фильтра Д/ = \/Т, то т* = Ty/2hr.
При сделанных предположениях переходный процесс на выходе
фильтра быстро затухает при t > 2Т, что позволяет учитывать меж-
символьные искажения только на интервале 2Т. В табл. 4 5
представлены относительные значения первых трех производных в отсчет-
ные моменты времени tk = t0 + кТ, где к = 1,2,3 для меандра.
Линейная составляющая ГВЗ обусловлена параболической
составляющей фазовой характеристики а2П2. По определению ГВЗ
т - 2аэП. Если неравномерность ГВЗ нормирована на краях
полосы пропускания и отклонение линейной компоненты ГВЗ на частоте
wo ± 2жД/ составляет тл, то а2 = гл/4»Д/. Влияние линейной
составляющей 1 ВЗ проявляется в виде дополнительной ортогональной
составляющей, что наиболее существенно при двукратной ФМ Если
109
9ачх,аБ
Ц2 W Qfi Q,8zn/T
6}
* AB
Q? Ofi Qfi Ofi^nl1
a)
Ряс 4.9. Зависимости потерь помехоустойчивости от линейной (а) „
параболической (б) составляющих ГВЗ, а также от неравномерности
(перекоса) АЧХ (е)
допустить, что один из квадратурных каналов не манипулировав
т.е. Stt) — h(t)s\aojot + coswot, вероятность ошибки в этом канале
где О — знак статистического усреднения по распределению
случайной величины h"(tt) в отсчетные моменты времени; сг —
дисперсия шума.
На рис. 4-9,в показана зависимость дополнительных потерь при
двукратной ФМ от линейной составляющей ГВЗ для случая,
когда неравномерность ГВЗ нормируется в полосе А/ = ±0,5/7' и
Рош = Ю-6.
Параболическая составляющая ГВЗ Заз^2 приводит к
появлению межсимвольных искажений. Задаваясь неравномерностью
параболической составляющей т„ в полосе Д/ = ±0,5/Т, можно
получить ffl3 = гп(2Т)2/(Зя-2). На рис. 4.9,ff показано влияние
параболической составляющей неравномерности ГВЗ на дополнительные
энергетические потери при сделанных ранее допущениях. Аналогично
можно рассчитать влияние перекоса АЧХ, результат расчета
представлен на рис. 4.9.в, где по оси абсцисс отложен перекос АЧХ £ в
полосе Д/ = ±0,5/Г.
Приведенные сведения о расчете энергетических потерь,
обусловленных характеристиками радиотракта, основаны на предпосылке
об идеальной синхронизации демодулятора как по несущей, так и
по тактовой частоте. В то же время исследования, выполненные
В.М. Дорофеевым, МЛ. Паянской, М.Д. Гребельским, показали, что
влияние нелдеальиости характеристик радиотракта приводит к
дополнительной фаговой ошибке в схеме восстановления опорного
колебания, что создает дополнительные энергетические потери,
соизмеримые с потерями, вносимыми в Собственно информационный канал
11(1
4.9. Расчет помехоустойчивости систем
с МДВР на ЭВМ
Точному аналитическому расчету потерь, определяемых
неидеальностью параметров радиотракта, препятствует как
невозможность выражения реальных характеристик достаточно простымя
формулами, так и крайняя математическая сложность учета
нелинейных эффектов вызываемых нелинейностью амплитудной
характеристики некоторых элементов тракта, в первую очередь мощного
каскада бортового ретранслятора, и зависимостью фазового сдвига
выходного сигнала ретранслятора и мощного передающего
устройства земной станции от уровня выходного сигнала (АМ-ФМ
преобразование). Точный учет всех этих эффектов возможен только при
применении ЭВМ. Для анализа искажения, вносимых реальным
радиотрактом, необходимо выбрать модель канала,
эквивалентного спутниковой линии.
Реальный спутниковый канал (рис. 4.10) включает в себя
передающие и приемные фильтры земной станции и ретранслятора Ф1,
Ф2, ФЗ, Ф4, нелинейные усилители передающих устройств
ретранслятора и земной станции, модулятор и демодулятор. В двух точках
тракта действует аддитивный гауссовския белый шум — на входах
приемных устройств ретранслятора и земной станции. Учитывая,
что энергетический потенциал линии ЗС-ИСЗ, как правило,
существенно превышает энергетический потенциал линии ЙСЗ-ЗС, а
передающее устройство ЗС обычно можно использовать в режиме,
близком к линейному, нелинейностью передатчика ЗС и шумом на входе
ретранслятора можно пренебречь. В этом случае часть
радиотракта от выхода модулятора до входа нелинейного элемента можно
считать линейной и представить некоторым эквивалентным передающим
фильтром. Рассуждая таким же образом, можно представить часть
радиотракта от выхода нелинейного элемента ретранслятора до
входа демодулятора эквивалентным приемным фильтром. Именно
такую модель спутникового тракта достаточно удобно моделировать на
ЭВМ, незначительно теряя при этом в точности расчета по сравнению
с моделированием полного реального тракта. Передающий и
приемный фильтры порождают линейную межсимвольную
интерференцию, а комплексный нелинейный элемент ретранслятора (вносящий
искажения типа AM-AM — нелинейная амплитудная
характеристика и АМ-ФМ — преобразование амплитудной модуляции в фазовую)
порождает потери энергии на внеполосные продукты и нелинейную
межсимвольную интерференцию. На рис. 4.И изображен НЧ
эквивалент спутникового тракта систем с МДВР. Комплексные
коэффициенты передачи Ммр(т) и Мпр(и;) соответствуют передающему и
приемному фильтрам в синфазном и квадратурном каналах, а
фильтры с комплексными коэффициентами передачи ±Лгпер(ц;) и ±А' (и/)
характеризуют переходные помехи из одного канала в другой.
Ill
Вход самфмиоге омам
Вмод симфмиого имам
Шум
HI ЛИНИИ
ЭС-ИСЭ
Шум
HI ЛИНИИ
ИСЭ-ЗС
1 Г~Ф2~' "®П 1 •*
Ретранслятор
<W6fof
Г®4^
3{г
ФНЧ У-^
ФНЧ
Регистрирующее
устройство
ФНЧ
Sin. diet
«•нала
Вмшааямтуржкоанам Вшод иадратурного
Рис. 4.10. Функциональная схема информационного тракта системы
с МДВР
Трансверсальный корректор, применение которого часто
бывает оправдано в реальном тракте, в общем случае представлен
комбинацией четырех трансверсальных корректоров (К1-К4) и служит
для компенсации как межсимвольной, так и межканальной
интерференции. Нелинейный элемент ретранслятора имеет комплексный
коэффициент передачи, независящий от частоты, но вносящий
искажения типа АМ-АМ и АМ-ФМ. Для анализа искажений, вносимых
таким трактом в ФМ сигнал, и определения энергетических потерь,
создаваемых этим трактом, разработана программа моделирования
на ЭВМ прохождения сигналов многократной фазовой манипуляции
по тракту, изображенному на рис. 4.II1. Программа допускает ввод
по точкам характеристик передающего и приемного фильтров,
измеренных по промежуточной частоте, и автоматический пересчет их
в НЧ эквивалент, причем все вычисления проводятся в дискретно-
временном канале. Структурная схема моделирования
представлена на рис. 4.12.
Характеристики нелинейного элемента также вводятся по
точкам.
Для создания дискретно-временного канала необходимо ламе-
нить все имеющиеся аналоговые фильтры их цифровыми
эквивалентами, причем для нахождения оптимального отсчетного момента
частота временной дискретизации должна быть в несколько рач выше
тактовой частоты. Если Fr = 1/Т — тактовая частота передачи
информации в радиотракте, то частота дискретизации Fa = шд h\, где
гпд — число отсчетов на одном символе, которого должно быть
достаточно для того, чтобы, во-первых, обеспечить необходимую
точность вычислений, а во-вторых, практически исключить возможность
взаимного наложения соседних частотных характеристик, опасность.
чего возникает при переходе от аналогового фильтра к цифровому
с периодически повторяющейся по оси частот частотной характерн-
1 По материалам, предоставленным С,Л.Портным и Д.Р.Анкудиновым-
112
«
Мультм-
Рвшшощее
устранено
учрийчю
Рис- 4.11. Низкочастотный эквивалент спутникового тракта
системы с МДВР
стикой [4.10]. В качестве имитатора источника информации
используется датчик случайных чисел (рис. 4-12), генерирующий ПСП
довольно большой длины. Сигнал на выходе фильтра вычисляется с
помощью свертки входного сигнала с цифровым импульсным
откликом фильтра, с числом отсчетных точек Л',ф = Л/ф/тд. Импульсный
отклик определяется по дискретному преобразованию Фурье с
помощью стандартной подпрограммы БПФ. Число отсчетов /Уф на
характеристике фильтра определяется из условия достаточного затухания
отклика, Коэффициенты усиления на отводах
трансверсальногокорректора определяются из условия нулевой межсимвольной и меж
канальной интерференции в пределах Л^ф символов.
ИЗ
БПФ
приемного
фильтра
Нахождение
импульсного
отклика
передающего фильтра
I не
Нелинейный
элемент
Нахождение
импульсного
отклика
приемного
фильтра
Приемный
фильтр
L-
Нахождение
импульсного
отклика
трянсаер-
сального
корректора
Треневе р-
сакьный
корректор
J-»> отно
г— сиги
I -I I
Нахождение
отношения
сигнал-шум
Нахождение
средней
вероятности
ошибки
Определение
потерь
Рис. 4-12. Структурная схема моделирования тракта систем
ы с МДВР
Известны также методы моделирования искажении ФМ
сигнала в реальиом радиотракте без замены аналоговых характеристик
фильтров ИХ шфровыми эквивалентами иа основе последовательно-
го прииеяевяя пары преобразований Фурье [4,10].
Результаты моделирования как по приведенной программе, так и
изложенные в [4.11], а также результаты экспериментальных
исследований, содержащиеся в [4.12], позволяют сделать вывод о том. что
энергетические потери, обусловленные линейными элементами
типового тракта, составляют 1.5, .2 дБ. Разработка указанных программ
моделирования позволила исследовать влияние нелинейного
элемента иа дополнительные энергетические потери и определить
оптимальную рабочую точку мощного каскада бортового ретранслятора
Моделирование и последующие экспериментальные исследования
114
Рис. 4.13. Зависимость
энергетических потерь от
выбора рабочей точки ЛБВ
ретранслятора
показали, что при уменьшении ФМ
сигнала на входе нелинейного
элемента суммарные потери сначала
снижаются, а затем вновь увеличиваются.
Зависимость суммарных энергетических
потерь (с учетом линейных элементов) от
уровня сигнала на входе нелинейного
элемента приведена на рис. 4.13. При
уровне сигнала на входе нелинейного
элемента Uc = I средняя мощность
сигнала определяет рабочую точку,
расположенную в'точке перегиба
амплитудной характеристики нелинейного
элемента. При этом пиковая мощность
сигнала в отдельные моменты оказывается
в области насыщения. Минимуму энергетических потерь (« 2,5 дБ)
соответствует относительный уровень [fc = 0,7. Многочисленные
расчеты и испытания на реальных линиях показывают, что при
оптимизации параметров линейной части и выборе оптимального уровни
сигнала на входе нелинейного элемента суммарные энергетические
потери могут не превышать 3 дБ.
4.10. Синхронизация в системе с МДВР
Аппаратура синхронизации земных станций — один из
основных элементов систем с МДВР — обеспечивает отсутствие взаимной
интерференции сигналов ЗС на входе ретранслятора. Кроме того.
эта же аппаратура решает задачу первоначального вхождения ЗС в
синхронизм, т.е. включениелх в уже функционирующую
синхронную систему. Для обеспечения синхронной работы ЗС в одном
стволе ретранслятора часть пропускной способности ствола специально
отводится для передачи сигналов кадровой синхронизации,
используемых ВС сети МДВР для установления необходимых временных
соотношений. Оптимальные методы кадровой синхронизации
позволяют обеспечить требуемую надежность и точность синхронизации
при минимальных затратах пропускной способности.
Различают синхронизацию на прием и на передачу.
Синхронизация на прием, в процессе которой определяются временные
интервалы, соответствующие субкадрам станций-корреспондентов,
достигается детектированием синхросигнала опорной станции. Период
повторения этого сигнала и залает кадр системы. Синхронизация
на передачу, предназначенная для удержания собственного
излучаемого пинала в рамках выделенного этой станции субкадра,
осуществляется периферийными станциями (ПС) с помощью управления
фазоИ передачи собственных сигналов в кадре при сравнении ее с
фазоИ синхросигнала. Применяю! формирование синхросигнала как
Ил
в виде единого пакета с информационным сигналом, так и в виде
отдельного специализированного пакета (так называемая
выделенная синхронизация). В последнем случае синхросигналы всех ЗС
передают в кадре на фиксированных временных позициях отдельно
от информационных пакетов. Структура и длительность кадровых
синхросигналов постоянны, в то время как расположение и
длительность информационных пакетов могут изменяться в соответствии с
трафиком ЗС [4.11, 4.12].
Очевидно, что при использовании выделенной кадровой
синхронизации несколько снижается кадровая эффективность системы из-
за необходимости передачи синхросигналов и преамбулы
демодулятора как в составе сннхропакета, так и в составе пакета информации.
Однако при этом удается полностью разделить функции
обществольной и индивидуальной частей оборудования, что создает
существенные преимущества в процессе эксплуатации.
Вхажденм е синхронизм осуществляется при первоначальном
включении станций в сеть после перерыва связи. К процедуре
вхождения предъявляются следующие требования: минимальное
влияние сигнала вхождения на информационные сигналы работающих
ЗС; минимальное влияние информационных сигналов на качество
приема сигналов вхождения; малое время вхождения в синхронизм.
В различных системах МДВР нашли применение следующие
способы вхождения в синхронизм: 1) передача низкоуровневого сигнала
вхождения на время установления кадровой синхронизации на
передачу; 2) предсказание временных позиций периферийных ЗС по
результатам расчета траектории геостационарного ИСЗ; 3) импульсное
вхождение в результате однократной передачи номинальным
уровнем короткого (длительностью в один или несколько кадров)
синхросигнала с последующей коррекцией фазы передающего
генератора кадровых сигналов.
Первый способ, создавая минимальные помехи другим
станциям, отличается значительным временем вхождения в синхронизм —
несколько секунд. Второй способ требует наличия
специализированной сети измерительных станций и обеспечения высокой точности
измерений наклонной дальности до ИСЗ. Точность измерения
расстояния до ИСЗ. достаточная дчя обеспечения режима вхождения
в сети МДВР, может быть достигнута только при высокой точности
удержания ИСЗ на орбите. Третий метод, создавая кратковременную
помеху всем работающим в сети станциям, аппаратурно реализуется
наиболее просто и при необходимости редкого осуществления
процедуры вхождения оказывается наиболее удобным.
Более подробные сведения о системах синхронизации можно
найти в [4.12]. где содержится также обширный библиографический
материал.
116
4.11. Системы спутниковой связи
с зональным обслуживанием
Ранее были рассмотрены методы разделения сигналов-
различных ЗС (каналов), ретранслируемых в общем стволе бортового
ретрансляционного комплекса (ВРК) системы спутниковой связи. При
этом под стволом понималось оборудование ретрансляции, заключен-.
ное между выходом приемной антенны и входом передающей и
образующее единый тракт приемопередачя. Обычно ВРК содержит целый
ряд таких стволов, как правило, используемых независимо, так что
через них организуются отдельные не связанные между собой сети
спутниковой связи. Однако в последнее время все чаще возникает
задача создания единых сетей, основанных на ряде стволов ВРК [4.13].
Принципиальная особенность такой задачи по сравнению с
задачей многостанционного доступа (МСД) заключается в том, что здесь
кроме методов разделения одномерных сигналов (частотного,
временного и кодового) используются ещё и различные
пространственные методы разделения (по направлению прихода и по поляризации).
Это обстоятельство обусловлено тем, что различные стволы ВРК
могут иметь различные приемные и передающие антенны, что
позволяет использовать и те методы разделения сигналов, которые могут
быть реализованы с помощью антенн.
Разделение по направлению прихода радиоволн (РНП)
осуществляется направленными антеннами, способными выделять
сигналы, приходящие с данного направления, на фоне аналогичных
сигналов, поступающих с других направлений. При этом степень
разделения сигналов легко оценивается в зависимости от формы
диаграммы направленности антенны и углового разноса между
разделяемыми сигналами.
Эффективность разделения по поляризации
характеризуется следующими данными: при разделении линейно поляризованных
сигналов с углом между направлениями поляризации Q = ж/2 — 6\
подавление L в децибелах нежелательного излучения при идеально
согласованной по поляризации приемной антенне составляет
L- 101g(sin2*,). (4.47)
F> ли направление поляризации приемной антенны неидеально
согласовано с выделяемым сигналом (с угловой ошибкой />2). то для
определения развязки в худшем случае в (4.47) вместо <S следует
подставлять \8\\ + \Ь~>\.
Для сигналов < круговой (эллиптической) поляризацией с
противоположными направлениями вращения в худшем случае
L = 20 lg[(y + t, <•,)/( /-Ы2)]. (4.48)
117
где fc| и ik2 — Коэффициенты эллиптичности антенны, передающей
мешающий сигнал и принимающей полезный соответственно.
Отмеченные «.худшие случаи» наступают тогда, когда неидеаль-
ноль антенны, выделяющей полезный сигнал, случайно оказывается
«согласованной» с мешающим сигналом; например, при
эллиптической поляризации направление большей оси эллипса приемной
антенны в точности совпадает с направлением большей оси эллипса
мешающего сигнала. Естественно, что такое событие наступает лишь с
определенной вероятностью.
Отметим еще, что выражения (4.47) и (4.48) относятся к тому
представляющему основной интерес для практики случаю, когда
отклонения поляризационных характеристик сигналов от идеальных
невелики.
Зональное обслуживание (30) сводится к разделению всей
области обслуживания системы на несколько парциальных зон и
раздельному обслуживанию зтих зон спутником-ретранслятором. На
входе БРК такое разделение может быть реализовано с помощью
нескольких приемных антенн или одной приемной многолучевой
антенны, имеющей несколько выходов, каждому из которых соответствует
своя диаграмма направленности (ДН). Каждая из таких ДН
обеспечивает прием сигналов с некоторой зоны земной поверхности Sj
(j = 1.2,.. .,п), где п — общее число антенн или лучей. В
совокупности Sj должны покрывать всю обслуживаемую данной системой
связи область земной поверхности S.
Для эффективного РНП необходимо, чтобы прием j-m лучом
сигналов из зон с номерами, отличными от j, сопровождался
значительным ослаблением; технически этого обычно не удается достигнуть
для зон, соседних с j-Й. Для реализации РНП даже для более
удаленных зон приходится накладывать жесткие требования на уровни
боковых лепестков ДН используемых бортовых антенн. Поэтому, как
правило, РНП сочетают с другими методами рачделения (но
поляризации, частоте, времени или форме).
На передающей стороне линии связи Космос-Земля для РНП
требуется п передающих антенн или одна многолучевая с и
входами, каждому из которых соответствует ДН. освещающая свою
парциальную зону Sj. Как и раньше, совокупность таких зон должна
покрывать всю область, обслуживаемую системой. И здесь не
>дается обеспечить РНП дня соседних парциальных зон.
В отличие от 30 системы спутниковой связи, в которых
сразу вся область обслуживания освещается единой бортовой антенной
(приемной или передающей), относятся к системам с интегральным
обслуживанием (ИО).
Различают параллельное и последовательное зональное
обслуживание (ПрЗО и ПсЗО соответствен но); при ПрЗО различные
парциальные зоны обслуживаются одновременно, и при ПсЗО — по очг-
JI8
реди, одна за другой. Например, ПрЗО по входу РТР
предполагает наличие в стволе п работающих одновременно радиоприемников,
причем j-fl из них подключен к тому лучу бортовой приемной
антенны, который освещает парциальную зону Sj. При ПсЗО по входу
БРК может использоваться одна приемная антенна, освещающая в
каждый данный момент одну из парциальных зон и переключаемая
в определенные моменты времени с одной зоны на другую. В
результате за время ГЦ( называемое циклом экспонирования,
последовательно освещаются все парциальные зоны; при этом j-я зона
освещается на некоторое время гу (время экспонирования) периодически
с периодом Гц. Сумма времен экспонирования для всех зон равна
длительности цикла экспонирования.
Аналогично определяются понятия ПрЗО и ПсЗО и по выходу
БРК: параллельный вариант предполагает одновременное
излучение и сигналов через п лучей передающей антенны, а
последовательный - поочередное излучение информационных пакетов в отдельные
зоны с помощью одного «прыгающего» луча антенны.
Для организации ПрЗО чаще всего применяют многолучевые
антенны (МЛА) зеркальные или линзовые; при этом для создания
отдельных лучей используются общее зеркало (линза) и
индивидуальные облучатели, смещенные относительно фокуса зеркала (линзы)
так. чтобы на нужные углы отклонять луч от электрической оси
антенны. Таким образом, вблизи фокуса должна размещаться матрица
из п облучателей. Естественно/что смещение облучателя
относительно фокуса снижает эффективность использования апертуры
антенны, увеличивает ширину луча и уровни боковых лепестков.
Соответствующие исследования показали, что результаты могут быть
удовлетворительными, если максимальное отклонение направления
любого луча от электрической оси антенны не превосходит
ориентировочно 50, где в — ширина диаграммы направленное!'и .туча
антенны, определяемая ее апертурой.
Конструктивными причинами ограничивается также
минимальный угол между направлениями отдельных лучей. Дело а том.
что для уменьшения этого угла необходимо сократить расстояние
между центрами облучателей в матрице; последнее, очевидно,
возможно только при уменьшении апертуры самих облучателей. При
чтом. однако, расширяется их диаграмма направленности, так что все
большая часть излучаемой ими энергии «затекает за края» зеркал»
(линзы), что приводит к снижению эффективности антенны.
Многочисленные разработки показали, что приемлемые характеристики
VIЛ А достигаются только югда. когда ДН соседних лучей касаются
и точках с ослаблением не менее Л дБ относительно максимума.
Сопоставление приведенных данных позволяет заключить, что
числи лучей в МЛ A и jarpj длительно сделать большим 10U. а
угловой |-aiMop всей области обслуживания (при наблюдении со ciivthh-
I 1У
ка) может превосходить угловой размер парциальной зоны
ориентировочно не более чем в 10 раз. При этом ДН отдельных лучей имеют
одинаковую ширину, поскольку формируются обшей апертурой.
Чтобы не возвращаться более к вопросу об использовании МЛА,
отметим, что иногда выходы отдельных лучей такой антенны
суммируют с определенными весами и фазовыми сдвигами
(управляемыми или фиксированными) с помощью диаграммообразующей схемы.
В результате формируется единая диаграмма направленности
сложной формы. Использование такой антенны в системах с ИО
позволяет формировать «контурные» диаграммы направленности,
повторяющие контуры области обслуживания, или варьировать усиление
антенны по различным районам этой области в соответствии с их
трафиком, или подавлять помехи, уменьшая усиление в
направления их прихода, и т.п. Следует отметить, что контурные диаграммы
реализуемы и антеннами с одним облучателем; так, в зеркальных
антеннах необходимый эффект может быть достигнут путем
трансформации размеров и профиля зеркала.
Вернемся теперь к системам с ЗО.
При ПсЗО а качестве антенны БРК может также
использоваться МЛА, лучи которой поочередно подключаются коммутатором к
соответствующим трактам ретранслятора. Антенна при ПсЗО может
быть выполнена а в виде ФАР с управляемой ДН.
Что касается
пространственного расположения
отдельных лучей, то для небольших
п (например, до 10) оно
выбирается в соответствии с
требуемой конфигурацией области
обслуживания. При больших
п используется обычно
стандартное размещение —
гексагональная решетка, причем
часть наружных лучей такой
решетки не используете-я. о тем
чтобы суммарная зона
приближалась по конфигурации к
требуемой области обе луж ива-
Рис. 4.14. Гексагональная решет- ния- Гексагональная решетка
ка лучей строится на основе покрытия
плоскости равносторонними треугольниками. При этом центры
отдельных лучей размещаются в вершинах этих треугольников, а
линии уровня ДН лучей образуют концентрические окружности с
центрами в ттих вершинах. На рис. 4.Н показано сечение диаграмм
направленности отдельных лучей МЛА поверхностью шара с
центром н точке размещения этой МЛА при гексагональной решетке
120
парциальных зон. В соответствии с изложенным линии уровня -3 дБ
для соседних .пучей касаются в середине прямой, соеащняющей
центры этих лучей.
Поскольку антенна должна освещать всю область обслуживания
без «дырок», то при использовании МЛА приходится работать в
направлениях, где ослабление сигнала по отношению к максимуму ДН
больше 3 дБ. При гексагональной сетке и угловом расстоянии
между центрами соседних парциальных зон ширина ДН каждого
луча по уровню —3 дБ должна также равняться а, а угловой размер
парциальной зоны обслуживания должен составлять <*з = 1,1547а.
На границе этой зоны коэффициент усиления луча оказывается на
4... 4,5 дБ меньшим, чем вдоль его оси. Правильные гексагональные
решетки, т.е. такие, для которых область обслуживания близка к
правильному шестиугольнику, могут включать 1,7,.,., [1 +3k(k — 1)],...
лучей, где к — любое неотрицательное целое число. При этом
угловой диаметр области обслуживания оказывается не меньшим
величины
Ф = х/3(А- 1)°. (4.49)
Как уже отмечалось, часть зон правильной решетки обычно
опускается в соответствии с реальной конфигурацией области
обслуживания.
Чтобы при объединении парциальных зон образовывалась
единая область обслуживания, необходимо обеспечить возможность
трансляции сигналов между парциальными зонами.
В настоящее время используются следующие три способа
организации перекрестных связей:
фильтрация в сочетаний со статической коммутацией на
радиочастотах (ФСКР);
динамическая коммутация на радиочастотах (ДКР);
обработка сигналов на борту в сочетании с коммутацией на
видеочастотах (ООБКВ).
Полиосвязная система с зональным обслуживанием и ФСКР
строится следующим образом (рис. 4.15): в системе используется
ГГр'ЗО по входу и выходу БРК; все радиосигналы, принятые
изданной парциальной зоны Sj, делятся полосовыми фильтрами на п
полос и с выхода каждого фильтра сигнал поступает на усилительный
тракт своего луча передающей МЛА (с i-ro фильтра на тракт /'-го
луча). Таким образом, если данный радиосигнал, передаваемый из
j-fl зоны, предназначен для получателя из i-й зоны, он должен
передаваться на частотах, соответствующих полосе 1-го фильтра j-ro
приемного луча. Общее число фильтров в такой системе должно
составлять »7-. что обычно выполнимо в бортовых условиях только при
Небольшом и (ориентировочно до 10).
ш
Рис. 4.15. Нрлносвязнал система с зональным обслуживанием п ФСКР
Вариант с ДКР предполагает использование динамической
матрицы, представляющей собой устройство с п входами и таким же чи
слом выходов: на входы матрицы подаются выходы приемных
трактов парциальных лучей, а ее выходы подключаются ко входам
передающих трактов лучей. Матрица в каждом состоянии соединяет
каждый вход с некоторым выходом, причем ровно с одним, так что
оказываются задействованными все входы и все выходы. Путем
подачи соответствующих команд состояние матрицы быстро изменяется
и реализуется новая схема соединений входов и выходов.
В системах с 30 и ДКР смена состояний коммутационной
матрицы происходит циклически, причем за цикл реализуется
соединение между любой нарой парциальных зон: соответствующий кадр
и определяет время, когда 30 данной зоны должны транслировать
информационные пакеты, предназначенные станциям другой зоны
такой пары.
Если при ФСКР пропускные способности перекрестных связей
определяются полосами пропускания и коэффициентами усиления
соответствующих фильтров, то при ДКР они определяются
длительностями соответствующих кадров; распределение длительности
никла но кадрам должно соответствовать трафикам различных пар зон.
При ОСБКВ сигналы, принятые из всех зон. демодулируюгея и
в ряде случаев декодируются на борту, после- чего поступают на
коммутатор на видеочастоте, распределяющей их'пи ;/ выходам в ссют-
н»-|1'|вин г зональными адресами получателей: пи налы с каждого in
VII
таких выходов передаются в свою зону и при этом могут либо
уплотняться на видеочастоте и передаваться на одной общей для данной
зоны несущей частоте, либо каждый сигнал передается на своей
несущей («один канал на несущую»).
Эффективность 30 зависит от характера передаваемой
информации. С этой точки зрения целесообразно различать циркулярную
информацию, т.е. предназначенную для всех ЗС, размещенных во
всей области обслуживания, и индивидуальную, предназначенную
одной или нескольким близко расположенным ЗС. Ясно, что при
передаче циркулярной информации 30, даже при идеальной
реализации, не приводит к какому-либо энергетическому или частотному
выигрышу, а учитывая реализационные потери — только к
проигрышу. Зато при трансляции индивидуальной информации при ЗО
каждый сигнал передается только в ту зону, где расположен его
получатель, за счет чего может быть обеспечен значительный выигрыш в
эффективности использования как энергетического потенциала, так
и частотного ресурса спутниковых радиолиний. Так, легко
убедиться, что ПрЗО по входу БРК обеспечивает снижение требований к
ЭИИМ ЗС PC или к приведенной добротности приемника борта G/T
в п раз (по порядку величины). Аналогичный энергетический
выигрыш иа линии вниз обеспечивает ПрЗО или ПсЗО, чего не
наблюдается при ПсЗО па линии вверх.
При передаче индивидуальной информации 30 (точнее, ПрЗО)
позволяет также повысить эффективность использования частотного
ресурса системы за счет повторного использования рабочих частот в
различных лучах. Теоретически если бы, например,
характеристики Д11 отдельных лучей позволяли повторять «через луч» рабочие
частоты, т.е. не допускалась бы работа на повторяющихся частотах
только для соседних лучей, то всего потребовались бы три группы
рабочих частот при любом числе зон обслуживания л. Коэффициент
повторного использования частот доставлял бы при этом величину
порядка v = л/3. В действительности, однако, ДН лучей реальных
МЛА не обеспечивают требуемого ур'овня развязки при повторении
частот в столь близких зонах. Обычно зоны с повторяющимися
частотами должны быть разнесены так, чтобы они никогда не
граничили с одной и той же третьей зоной (для гексагональной решетки).
Как показынает соответствующий анализ, в этом случае при любом
п требуется не более- семи наборов различных рабочих частот, так
что с составляет ориентировочно л/7. Число требуемых наборов
частот можно сократить до четырех, если еще использовать
поляризационное разделение и каждую рабочую частоту применять с обоими
ортогональными поляризациям и: при этом ориентировочно г = и/4.
Следует отметить, что ПсЗО не обеспечивает экономии
частотного ресурса даже принципиально. Действительно, в чтом случае
ниобии* нет необходимости использовать различные рабочие частоты
>Л
им
в pHi-пичных лучах, поскольку сигналы этих лучей и без того
разделены по времени. Однако, поскольку время передачи в каждую
парциальную зону (из каждой такой зовы) составляет в среднем лишь
1/л общего временя, приходится для каждой зоны повышать в п раз
скорость передачи, т.е. использовать ту же скорость, а
следовательно, и ту же полосу частот, что и при ИО.
Тем не менее из изложенного можно заключить, что
принципиально при трансляции индивидуальной информации рационально
построенные системы с зональным обслуживанием позволяют
неограниченно повышать эффективность использования энергетического и
частотного ресурсов спутниковых радиолиний путем
соответствующего выбора числа лучей п. Поэтому, несмотря на то что
использование 30 сопряжено со значительным усложнением бортовой
аппаратуры, оно является основой перспективных технологий для ССС.
При 30 возникает новая по сравнению с ИО проблема —
проблема гибкого перераспределения ресурсов ретранслятора. При ИО
н энергетический, и частотный ресурсы ствола могут быть полностью
использованы в интересах потребителей, располагающихся в любых
точках области обслуживания; при этом не имеет значения, как
распределены потребители: по всей области или сосредоточены в
некоторой ее части. В отличие от этого при 30 перераспределение ресурсов
между отдельными парциальными зонами, т.е. обеспечение гибкости
распределения ресурсов системы связи, сопряжено со значительными
техническими трудностями и определенными ограничениями.
Перераспредепение энергетических ресурсов БРК между
парциальными зонами легко достигается при ПсЗО по выходу БРК путем
изменения доли кадров в цикле экспонирования, используемых в
интересах той или другой парциальной зоны. При этом вопрос об
одновременном перераспределении частотного ресурса вообще не встает,
поскольку в этом варианте вся система использует общую пологу
частот аналогично варианту с ИР.
При ПрЗС перераспределять мощность ретранслятора между
отдельными парциальными зонами значительно труднее. Эта
-задача может быть решена путем использования на борту группы
широкополосных передатчиков разной мощности с системой коммутации.
позволяющей подключать передатчики большей мощности к лучам
с большим трафиком. Другой вариант ее решения сводится к
суммированию мощностей п одинаковых широкополосных передатчиков
с помощью матриц Батлера на их входе н выходе с п входами и
выходами. На j'-Й вход входной матрицы подаются сигналы,
предназначенные для трансляции в j-ю парциальную зону, а j-П луч
передающей антенны несет сигнал с j-ro выхода выходной матрицы.
При этом суммарная мощность всех передатчиков распределяется
между лучами пропорционально уровням сигналов, подаваемых на
входы входной матрицы, так что, меняя уровни последних, можно
124
перераспределять энергетический ресурс БРК между
парциальными зонами. Отметим, что эффективное использование этого
ресурса требует обычно соответствующего перераспределения я
частотного ресурса. Следует иметь в виду, что неравномерное
распределение пропускной способности между зонами снижает эффективность
использования частотного ресурса, поскольку неизбежно уменьшат'
ет кратность повторения частот.
Кроме гибкости при распределении ресурсов (ресурсной
гибкости) большой практический интерес при 30 представляет еще и
коммутационная гибкость, т.е. способность системы перераспределять
пропускные способности перекрестных связей между зонами.
Вообще говоря, желательно, чтобы информация, передаваемая с БРК в
любую j'-ю зону, могла произвольным образом компоноваться из
сигналов всех зон, поступивших на вход ретранслятора, т.е. чтобы была
возможна произвольная коммутация между п входами и п выходами
БРК, ограничиваемая лишь установленными уровнями пропускных
способностей отдельных лучей на линии вниз. В действительности,
однако, такая полная коммутационная гибкость из-за технических
трудностей практически никогда не достигается и имеются те или
иные ограничения возможностей коммутации.
4.12. Преобразование информации
в цифровую форму и интерфейсное
оборудование
Аналого-цифровые преобразования
Как известно, различают следующие три формы видеосигналов,
прредаваемых по каналам связи: аналоговые, дискретные и
цифровые. Известно также, что любая подлежащая передаче
информация представима в любой из перечисленных форм с любой
требуемой точность. Поэтому форма представления информации в той или
иной системе связи может быть выбрана разработчиком независимо
от ее формы в источниках информации, т.е. в оконечном
оборудовании пользователей, Необходимо лишь снабдить систему связи
соответствующим преобразователями формы сигналов. Общие сведения
о таких преобразованиях приведены в [1].
В современных системах, если они не связаны жестко с
существующим парком оборудования, в том числе и в ССС, используют,
как правило, цифровую передачу информации, что определяется ее
общеизвестными достоинствами. До последнего времени исключение
поставляла только передача ТВ сигналов, цифровая форма которых
вызывала значительные технические трудности в связи со
значительной шириной спектра таких сигналов. В последние годы, однако, был
12о
достигнут значительный прогресс в технике сжатия спектра
телевизионных видеосигналов, в связи с чем а здесь цифровая передача
оказывается перспективной,
В связи с изложенным далее приводятся сведения,
относящиеся только к передаче информации в цифровой форме; аналоговые
способы передачи будут рассмотрены применительно к трансляции
ТВ сигналов.
Подлежащая передаче по каналам ССС информация поступает
на ЗС по наземным каналам связи. В качестве таковых могут
выступать либо сети общего пользования (телефонная, телеграфная, сеть
передачи данных), либо выделенные (специальные) сети. Последние
могут представлять собой, например, специальный канал наземной
связи (проводный нли радио), соединяющий потребителя с ЗС, или
более сложные сети, включающие и коммутационное оборудование.
Основой наземных телефонных сетей являются стандартные
каналы тональной частоты (ТЧ) с полосой пропускания от 0,3 до
3,4 кГц. Характеристики этого канала определены принятыми
МККТТ стандартами. Требования этих стандартов исходят из
необходимости трансляции по ТЧ каналам и цифровой информации
(факсимильной, телеграфной, данных), преобразованной в
аналоговую форму. Такие преобразования выполняются в оконечной
аппаратуре пользователя, причем в различных аппаратах используются
различные способы преобразования, Устройства, осуществляющие
чти преобразования, называют обычно модемами, точнее, проводны-
ми модемами, чтобы отличать их от высокочастотных радиомодемов,
являющихся одним из основных устройств ЗС. '
Следует отметить, что именно необходимость трансляции
цифровых сигналов в аналоговой форме определила требования к ТЧ
канатам; собственно речевая информация могла бы без ущерба
передаваться по каналам гораздо худшего качества.
Если ЗС связана с потребителем ТЧ каналом, э ССС
цифровая, то на входе ЗС должно выполняться преобразование аналоговой
информации в цифровую форму (АЦП), а на ее выходе —
обратное преобразование (ЦАП). Таким образом формируется составной
ТЧ канал с цифровой, в данном случае спутниковой, вставкой.
Соответствующие АЦП и ЦАП образуют пару взаимоувязанных
процедур, так что тот или иной вариант ЦАП предполагает
соответствующий вариант АЦП.
Основными характеристиками метода АЦП являются скорость
соответствующего цифрового представления С\ измеряемая числом
формируемых на выходе АЦП двоичных символов в единицу
времени, и среднеквадратическая ошибка восстановленного аналогового
сигнала относительно входного. Важной потребительской
характеристикой способа АЦП является максимально возможная скорость
11').
передачи факсимильной информации Сф по ТЧ каналу с цифровой
вставкой, использующей этот вариант АЦП.
Специалистами продолжает вестись интенсивная разработка
методов АЦП дня ТЧ каналов. Часть таких методов уже включена
в рекомендации МККТТ, Некоторые способы АЦП
стандартизованы только в пределах отдельных систем связи, например таких
как Inmorsat.
Наиболее полно требованиям к ТЧ каналу соответствует ИКМ
преобразование, для которого С = 64 кбит/с (Рек. МККТТ 6.7.11).
В этом варианте Сф = 9,6 кбит/с.
Снижение скорости цифрового представления до С = 32 кбит/с
достигается при использовании адаптивной ИКМ (АДИКМ),
выполненной в соответствии с Рек. МККТТ G.721. Здесь шаг квантовав
ния адаптируется к текущему распределению вероятностей
входного сигнала на основании анализа его цифрового представления. На
приемной стороне путем аналогичного анализа принятого цифрового
представления определяются текущее значение адаптируемого
параметра, так что специального канала связи для передачи его значений
не требуется. При переходе от ИКМ к АДИКМ качество трансляции
основных типов сигналов не снижается заметно, хотя Сф и
уменьшается до 4,8 кбит/с
Если ориентироваться прежде всего на передачу речи, то
возможно и дальнейшее снижение скорости цифрового представления при
трансляции ТЧ канала. Так. Рек. МККТТ G.728 предусматривается
преобразование с С = 16 кбит/с. Здесь, как и в ряде других
вариантов преобразований, имеющих еще меньшую скорость, используются
методы LD-CELP (Low-Deley Code Exited Linear Predition —
линейное предсказание, кодовое возбуждение, малая задержка). Здесь и
при передаче, и при приеме используется единая, заранее
созданная кодовая книга, содержащая набор стандартных форм отрезков
(сегментов) сигналов. Номера форм кодовой книги наиболее близки
в определенном смысле к поступающему очередному сегменту
аналогового сигнала и образуют цифровое представление, передаваемое
по каналу связи.
Хотя описанное в Рек. МККТТ G.728 преобразование
ориентировано прежде всего на передачу речи, оно обеспечивает и трансляцию
факсимильных сообщений с Гф = 1,2 кбнт/с. Вместе с тем оно
оказывается достаточно сложным в реализации, так что зачастую
используются более простые варианты речепреобразующих устройств
(РПУ) дли С = 16 кбит/с. Так. известен принятый в системе Inmorsat
вариант такого преобразования, обеспечивающий достаточно
высокое качество передачи речи (имеются в виду, конечно, коммерческие
требования), При таком преобразовании, однако, не гарантируется
прохождение факсимильных сообщений по ТЧ каналу, CELP
алгоритмы лежат в основе построения РПУ н с более низкими скоростя-
II'7
ми: 9.6; 8; 6,7 и 4,8 кбит/с. Хотя для этих скоростей рекомендации
МККТТ пока отсутствуют, известен целый ряд частных
рекомендаций по построению соответствующих РПУ, например, в стандартах
lnmorsat, федеральном стандарте США IS-54 для сотовых систем,
аналогичном японском стандарте и др.
Изложенное показывает, что для трансляции речевых
сообщений с приемлемым качеством практически во всех случаях
достаточно пропускной способности канала порядка 4,8.. .9,6 кбит/с. Однако
при традиционных способах трансляции факсимильных сообщений
и данных эту скорость приходится значительно увеличивать, хотя
скорость самих транслируемых сообщений обычно не превосходит
4,8 кбит/с. Естественно поэтому стремление использовать другие,
более эффективные методы трансляции факсимильных сообщений и
данных по ТЧ каналам с цифровыми вставками.
Эти методы сводятся к использованию на входе цифровой
вставки специальных преобразований для тех сигналов, которые получены
с помощью проводных модемов, т.е. представляют собой цифровые
сигналы, преобразованные в аналоговую форму. Именно на входе
цифровой вставки производится преобразование, обратное ЦАП,
осуществляемому в модеме, в результате чего восстанавливается
исходный цифровой сигнал. Этот сигнал в цифровой форме передается
по каналу, образующему цифровую вставку, а на ее выходе вновь
^осуществляется ЦАП, принятое в проводном модеме. Таким
образом на приемный конец поступает сигнал в виде, используемом в
обычных ТЧ каналах. Итак, в рассматриваемом варианте
цифровой канал в качестве интерфейсного оборудования содержит
специальный низкочастотный модем, согласованный с соответствующим
модемом потребителя.
Недостаток этого метода заключается в том, что цифровой канал
перестает быть прозрачным: на его входе должен проводиться
анализ типа транслируемого сообщения и соответственно
использоваться то или иное его преобразование. Естественно, что по ТЧ каналу
с такой цифровой вставкой могут транслироваться только те типы
сообщений, на которые рассчитав низкочастотный модем цифрового
канала. Поскольку в оконечной аппаратуре потребителя
применяются проводные модемы многих разновидностей, некоторые нэ которых
вообще не стандартизованы, такие решения заметно усложняют
интерфейсное оборудование ЗС и все-таки приводят к определенным
ограничениям типов транслируемых сообщений.
Тем не менее значительное сокращение требований к пропускной
способности каналов, обеспечиваемое таким способом, делает эти
методы весьма перспективными. В настоящее время почти во всех 'ЗС
ССС реализуется интерфейс в виде низкочастотных факс-модемов,
что позволяет эффективно транслировать факсимильные сообщения
даже по низкоскоростным каналам (порядка 4,8 кбит/с). Aitnapa-
№
i длю они зачастую совмещаются с РЕГУ. Дело в том, что оба эти
устройства выполняются обычно на программируемых сигнальных
процессорах, так что, храня на ЗС несколько программ и подключая
их к процессору, по мере необходимости можно заставить его
выполнять различные функции. Поскольку канал используется либо для
передачи речи, либо для факсимильной передачи, удобно совмещать
именно эти функции в одном процессоре.
В заключение отметим, что изложенные методы АЦП
рассчитаны, как правило, на использование кроме основного еще и служебного
цифрового канала; последний необходим прежде всего для передачи
сигналов цикловой синхронизации; цифровые представления,
имеющие указанные скорости, таких сигналов не содержат.
Интерфейсное оборудование
Описание интерфейсов для сопряжения ЗС С различными
наземными сетями связи выходит далеко за рамки настоящего
Справочника. Ограничимся лишь перечислением главных из них с указанием
рекомендаций МККТТ, регламентирующих соответствующие
структуры и характеристики.
Сопряжение ЗС с местной наземной телефонной сетью общего
пользования возможно как по абонентской, так и по
соединительной линии. В первом случае ЗС выступает как один из абонентов
такой сети, так что потребители, желающие воспользоваться
спутниковой связью, должны звонить на ЗС через соответствующую АТС
м после установления соединения передавать на нее данные,
необходимые для организации канала через спутник и далее по наземной
сети до вызываемого абонента.
Соединительная линия представляет собой линию связи,
которой связываются между собой отдельные АТС. Сопряжение по
соединительной линии означает, что ЗС выступает в качестве одного
из узлов коммутации местной наземной сети, являясь как бы
одной из АТС этой сети.
Для подключения но абонентской линии Рек. МККТТ
предусматривают интерфейс типа Z (Q.512), Этот интерфейс
обеспечивает также двух- или четырехпроводное подключение к ЗС внешнего
телефонного или телефаксного аппарата.
Сопряжение по соединительной линии должно выполняться в
соответствии с Рек. МККТТ Q.511. Предусматривается аналоговый
вариант такого интерфейса (тип С) и цифровой (тип А). Для цифрового
сопряжения со скоростью 2048 кбит/г ЗС должна содержать демуль-
типлексор для временного разделения принятого группового потока
с целью выделения канала сигнализации и необходимы*
информационных каналов, а также мультиплексор для организации группового
потока в сторону начемной сети Электрические характеристики ци-
фроьых интерфейсов должны удовлетворять Рек. МККТТ <! 703.
Специфические особенности при трансляции по спутниковым
каналам телефонных сообщений возникают в связи с необходимостью
подавления эхосигналов. Эхосигналы возникают в связи с
неидеальной регулировкой дифференциальных систем, используемых при
двухпроводном варианте подключения оконечных аппаратов. При
этом имеет место обратное прохождение сигналов, посылаемых в
двухпроводную линию. В результате кроме сигнала
корреспондента абонент слышит и собственный сигнал, отраженный аппаратурой
этого корреспондента и потому запаздывающий на удвоенное время
распространения. Если запаздывание невелико (единицы
миллисекунд), абонент не отличает свой сигнал от отраженного; при
запаздывании, составляющем десятки или, как в спутниковой связи, сотни
миллисекунд, эхо делает восприятие речи весьма затруднительным.
Соответственно в местных телефонных сетях, например в ГТС,
не применяют каких-либо мер для борьбы с явлением эха;
наоборот, в МГТС используются специальные эхозаградители или эхоком-
певсаторы. Употребление таких устройств обязательно и на линиях
со спутниковыми вставками. При сопряжении с наземной сетью по
абонентским линиям эти устройства могут размешаться только на
ЗС, а при сопряжении по соединительной линии — либо на АТС,
либо на ЗС
Эхозаградители устанавливают в четырех проводной части
линии связи; алгоритм их действия регламентируется Рек. МККТТ
G.164 и G.165. Они представляют собой управляемые речевым
сигналом устройства, вносящие затухание на пути эхосигналов: именно
при появлении речевого сигнала дальнего абонента канал связи в
направлении на него выключается. При больших задержках
эхозаградители оказываются неэффективными, поскольку возрастает
вероятность одновременного появления речевых сигналов,
передаваемых в обоих направлениях.
В отличие от эхоэаградителей эхокомпенсаторы призваны
подавлять эхосигналы на входе протяженной линии связи, а не бороться с
их влиянием в самой этой линии. Принцип действия эхокомпенсато-
ра сводится к искусственному формированию эхосигнала. полностью
повторяющего истинный сигнал, и его компенсации. Эхокомпеисато-
ры подавляют эхо у ближнего абонента, и поэтому их
функционирование не зависит от задержки в протяженной линии связи. Для
формирования искусственного эха обычно используют траксверсальный
фильтр, реализуемый на многоотводной линии задержки.
Параметры фильтра автоматически регулируются так, чтобы
минимизировать остаточное эхо. В настоящее время с помощью эхокомпенсаторов
удается подавить эхосигналы на 35.. .40 дБ, чего вполне достаточно
для организации качественной телефонной связи через ССС.
Необходимые данные о структуре и характеристиках
эхокомпенсаторов читатель может найти в Рек. МККТТ G.I65.
130
4.13. Кодирование в ССС
По требованиям, предъявляемым к сигналам и методам ях
обработки, ССС не отличаются принципиально от других систем
радиосвязи. Как обычно, эти требования сводятся прежде всего к
обеспечению максимальной частотной и энергетической эффективности.
Особенностью, однако, являются значимость этих требований,
повышенный интерес к проблемам минимизации реализационных
потерь и т.п.
Определяется это следующими обстоятельствами: во-первых, в
отличие от большинства наземных систем связи в ССС связь
осуществляется чаще всего прямым лучом, так что выигрыш в
энергетике пропорционально пересчитывается в пропускную способность
системы; во-вторых, здесь выделенные полосы рабочих частот
используются сразу на огромных территориях, можно сказать в
глобальном масштабе, и уже сейчас проявляется острый недостаток
частотного ресурса. По этим причинам именно в ССС впервые
нашли широкое применение помехоустойчивое кодирование,
специальные способы сокращения манипуляционного спектра радиосигналов,
стнально-кодовые конструкции и т.п.
Остановимся вначале на вопросах, связанных с энергетической
эффективностью сигналов.
В ССС применяют, как правило, наиболее эффективные методы
фазовой манипуляции (ФМ). Исключение составляют лишь случаи
очень малых или чрезмерно высоких скоростей передачи
информации. Например, в диапазоне Ки при скоростях менее 1 кбит/с на
прием фазово-манипулированных сигналов начинает сильно влиять
паразитная фазовая манипуляция (ПФМ) транслируемых несущих,
неизбежно возникающая в трактах ЗС и БРК. Поэтому для
низкоскоростной передачи приходится вместо противоположных использовать
ортогональные сигналы, т.е. переходить к частотной или подобным
ей методам манипуляции.
При скорости передачи информации порядка 100 Мбит/с и выше,
а такие задачи возникают в ССС в связи с необходимостью
резервирования магистральных и, прежде всего, волоконно-оптических
линий наземной связи, наступают ограничения, определяемые
недостаточностью полос пропускания стволов БРК. В ранее создававшихся
БРК чти полосы не превосходили 36 МГц, потом появились стволы
с полосами 72 МГц. а в перспективе намечается расширить и
пологу пропускания до 100 МГц. Тем не менее организация
высокоскоростной передачи требует специальных, полососберегающих методов
манипуляции. Обычно при этом используют fct- или 16-фазную
манипуляцию, иногда в сочетании с амплитудной манипуляцией.
Естественно, что при чтом лучшее использование полосы достигается за
счет снижения энергетической эффективности системы.
m
Огрмтчшыся, однако, рассмотрением типового случаи фазовой
телеграфия (ОТ); материалы, относящиеся к другим случаям,
можно иалти в приведенной библиографии. В частности, методы
построения снгналыю-кодовых конструкций для высокоскоростной
передачи описаны в [4.14].
В настоящее время в ССС ФТ обычно сочетается с
помехоустойчивым кодированием информации. При этом используются как
блочные, так н сверточные коды. Блочные коды строятся
следующим образом: информационная (кодируемая) последовательность
символов разбивается на блоки из к символов; каждому блоку
(набору символов) ставится в соответствие кодовая комбинация,
представляющая собой набор из n (n > к) символов. В канал передается
последовательность таких кодовых комбинация. При блочном
кодировании выбираемая кодовая комбинация определяется только
очередным передаваемым блоком информационных символов; при свер-
точном кодировании этот выбор зависит также от некоторого числа
г предыдущих таких блоков.
При прохождении по каналу связи последовательность кодовых
комбинаций искажается и на нее накладываются шумы и помехи.
Процедура декодирования призвана восстановить с минимальным
числом ошибок по такой искаженной последовательности исходную
информационную последовательность. Различают два основных класса
методов декодирования: жесткое и мягкое. При жестком декоди-
|юваннн в процессе демодуляции принимается решение
относительно значения каждого переданного символа (посимвольный прием) и
декодер использует при декодировании только эти решения. Для
реализации мягкого декодирования декодер должен анализировать
протяженный отрезок принятого сигнала (прием в целом),
соответствующий одной кодовой комбинации (для блочного кода) или даже
целому ряду их (для сверточного кода).
Естественно, что задача декодера при жестком декодировании
оказывается более простой. Если в качестве кодовых комбинаций
выбирались последовательности с определенными атгебраичсскими
свойствами, то жесткое декодирование может производиться без
перебора всевозможных кодовых комбинаций; произведя некоторые ал-
гебраическне преобразования последовательности решений, декодер
сразу исправляет почти все ошибки в передаваемой информации,
возникающие в канале связи. Такая процедура носит название
алгебраического декодирования. При мягком декодировании алгоритмы
работы декодера оказываются обычно значительно сложнее, так что
далеко не для любого кода этот вариант вообще может быть
практически реализован. Зато и энергетический выигрыш, обеспечиваемый
кодированием, оказывается при мягком декодировании
значительно большим, чем при жестком (как правило, на величину порядка
2.5 дБ для одного и того же кода).
132
Из блочных кодов наиболее распространен код Ридв-Соломояа
(рС-код). Это ыедвоячный код, символы которого образуют слов»
(комбинации), составленные из двоичных символов. Обозначим
общее число таких слов через q, а число двоичных символов в *хт?ушл
слове через т = Iog2 9- PC-код, как и другие блочные коды,
характеризуется обычно тройкой чисел (л, к, d), где п — число
символов в коде (длина кода), к — число его информационных
символов, определяемое соотношением к = log, М, где М — общее число
кодовых комбинаций, и d — минимальное расстояние между
кодовыми комбинациями, определяемое здесь как число
различающихся символов (метрика Хэмминга) при посимвольном сопоставлении
пар кодовых комбинаций.
Для основного класса PC-кодов n = q — 1, хотя используй» и
укороченные и расширенные на один или два символа коды.
Кодовые комбинации однозначно определяются символами на некотором
(любом) наборе из К позиций, так что любые к позиций кода могут
рассматриваться как информационные; остальные г = п—к символов
кода, называемых проверочными, определяются с помощью г
линейных уравнений, специфических для PC-кодов. Символы на
информационных позициях могут совпадать с информационными символами
(систематический код) или определяться ими по тем или иным
правилам (несистематические коды).
Отношение R = к/n, характеризующее вызванное кодированием
изменение скорости передачи символов, называется скоростью хода.
Минимальное расстояние Хэмминга d между парами кодовых
комбинаций пи для какого кода не может быть большим г + 1.
Действительно, информационные блоки кодовых комбинаций имеют
минимальное расстояние в 1 символ: если при этом все проверочные
символы в соответствующих кодовых комбинациях окажутся
различными, то это и дагт минимальное расстояние d = г+1. Коды,
параметры которых удовлетворяют этому условию, называют максимально
разнесенными. Одним из основных достоинств PC-кодов является
тот факт, что они принадлежат этому классу.
Для PC-кодов известны эффективные методы алгебраического
декодирования. PC-коды могут быть построены как циклические,
т.е. так, что вместе с любой кодовой комбинацией коду принадлежат
и все ее циклические сдвиги. Для таких кодов известны
упрошенные алгоритмы декодирования.
Важная особенность PC-кодов заключается в их устойчивости к
пакетам ошибок в двоичном канале. Дело в том, что. как уже
отмечалось, символы PC-кодов представляют собой комбинации (слова) из
ш двоичных символов: искажение любого числа двоичных символов в
одном слове является для PC-кода одной ошибкой в кодовой
комбинации. Поэтому исправление кодом [d/2] ошибок в кодовой комбинации
([■г] — целая часть х) означает возможность исправлении в двоичном
133
1-й Tmodt
i l *
*
n-u ^-modZ
.кодера
Рис. 4Л6. Сверточный кодер
канале пакета ошибок с длиной, близкой к [d/2]m. PC-коды в ССС
используют, как правило, в сочетании с другими кодами,
допускающими эффективное декодирование в целом. Это чаще всего сверточ-
иые коды, в отдельных случаях ортогональные -(биортогональные).
В отличие от блочных кодов при сверточном кодировании, как
уже отмечалось, очередная передаваемая кодовая комбинация
зависит не только от очередного поступающего на вход кодера блока
информационных символов, но и от поступивших ранее. Длина
элементарного блока информационных символов к бывает здесь обычно
небольшой и часто сводится к одному символу. Число п символов,
поступающих на выход кодера в ответ на каждый входной блок, и
определяет скорость кода Я = к/п. Широкое распространение
находят коды с к = 1 и п = 2 (Я = 1/2); fc = 2 и л = 3; fc = 3 и
» = 1; i = 1 и п = 3; t = 7 и п = 8.
Сверточный кодер (рис. 4.16) для двоичного кода содержит
регистр сдвига из s двоичных элементов памяти, позволяющий
запоминать г последних поступивших блоков информационных символов
(г = а/к). Кодер содержит также п многовходовых сумматоров по
модулю 2; входы каждого из сумматоров подключены к некоторым
выходам элементов памяти, причем, вообще говоря, данный выход
элемента памяти может быть подключен к нескольким сумматорам.
Работа кодера сводится к следующему: с появлением на его входе
очередного блока из к информационных символов в канал связи
выдаются п символов, получаемых последовательным опросом
выходов всех сумматоров,
Все используемые при кодировании блоки информационных
символов можно разделить на вновь поступающий и предыдущие.
Можно считать, что v — J предыдущих блоков определяют состояние
кодера, от которого зависит его реакция на вновь поступающий блок.
В такой модели процесс кодирования г воли чтя к смене состояний ко-
J34
дера и может характеризоваться последовательностью таких
состояний, которую и рассматривают как путь кодера. Процесс
декодирования должен сводиться к определению апостериорное вероятности
того или иного пути при известном принятом на приемной
стороне сигнале. Говорят, что эти вероятности определяют длины путей,
причем более вероятные пути считают более короткими.
Идеальное декодирование сводится к отысканию кратчайшего из всех путей,
причем его выбор должен осуществляться при достаточно большой,
теоретически бесконечной длине пут*. Практически это означает,
что решение об информационных символах, передаваемых в
настоящий момент, должно приниматься с известным, достаточно большим
запаздыванием, составляющим обычно не менее нескольких десятков
информационных символов. В некоторых случаях, как, например,
при последовательном декодировании (см. далее), запаздывание
может оказаться и гораздо большим.
Важнейшей характеристикой сверточного кода является глубина
кодового ограничения s, определяющая глубину памяти,
используемой при формировании символов кодовой комбинации. Ясно, что
сложность декодирования возрастает с ростом s.
Для s до 10 обычно используют предложенный А. Витерби
декодер, близкий к декодеру максимального правдоподобия.
Возможность его аппаратурной реализации основывается на нескольких
предложенных А.Витерби приемах вычислений, представляющих
собой эффективное использование факта аддитивности длины пути.
Витерби заметил, что из всех путей, приводящих декодер на данном
такте работы в данное состояние, имеет смысл сохранять для
дальнейшего анализа лишь кратчайший, ибо только он может оказаться
фрагментом пути, который окажется кратчайшим в конце концов.
Таким образом, на каждом такте работы декодера сохраняется лишь
по одному пути, заканчивающемуся в данном состоянии (выжившие
пути). Кроме того, Витерби предложил вычислять длины путей ре*
куррентно, добавляя к их длинам на каждом такте длины соответ-
ству ющих сегментов путей относительно отрезка сигнала,
поступившего на вход декодера за время этого такта. Наконец, он заметил,
что поскольку для выбора кратчайшего пути не важны абсолютные
значения длин путей, а существенно лишь их соотношение, то можно
из длин всех «выживших» путей вычесть любое число. Такая
процедура позволяет избегать переполнения памяти длин путей в декодере.
Указанные упрощения расчетных процедур позволяют реально
создавать декодеры Витерби для ,s < 10 даже для мягкого
декодирования, причем их габаритные размеры и потребление позволяют ис-
пользовать такие устройства даже в переносных ЗС. В табл.4.6
приведены значения выигрышей в мощности сигнала, обеспечиваемых
использованием сверточных кодов при когерентной фазовой
(бинарной или квадратурной) мннипуляцин и мягком декодировании по ал-
135
Таблица 4.6
Вероятность
ошибки
ю-2
ю-3
10~а
3
1,8
2,8
3,6
Выигрыш, дБ, при в,
4
2,0
3,0
4,0
5
2.1
3,2
4.4
6
2,2
3,5
4,8
равном
7
2,3
3,7
5,2
8
2,4
3,8
5,8
горитму Витерби. Данные относятся к Я = 1/2, причем
рассматриваются наиболее эффективные из известных сверточяые коды с данным
значением а. Приведенные данные получены в результате машинного
моделирования и учитывают определенные реализационные потери.
Для в > 10 декодер Витерби уже практически нереал иэуем.
Однако необходимость в кодах с большими значениями s возникает,
когда стремятся получить большие выигрыши в помехоустойчивости
приема информации. Тогда используют декодеры других типов,
например последовательный. Особенность таких декодеров
заключается в том. что они достаточно далеки от идеального и поэтому далеко
не исчерпывают возможности используемого кода. Однако коды для
больших е (порядка 100) оказываются уже столь мощными, что даже
частичная реализация их возможностей дает выигрыши,
превосходящие достижимые при идеальном декодировании кодов с малыми я.
В последовательном декодере, как и в декодере Витерби,
используется рекуррентный алгоритм. Однако при этом на каждом этапе
сохраняется только один путь (в частности, последнее его
состояние .4;), а также данные о входных сигналах, поступивших на ряде
последних тактов работы декодера. На (j + 1)-м такте работы по
получении соответствующего сегмента входного сигнала
определяются апостериорные вероятности перехода из состояния Aj во все
другие возможные состояния и выбирается наиболее вероятный
сегмент дальнейшего пути. Если вероятность этого сегмента
превосходит некоторый текущий дорог w, то запоминается путь, продленный
на этот сегмент. Если же порог не превышается, то
осуществляются возврат к состоянию Aj-i и поиск дальнейшего пути уже через
другие по сравнению с принятыми ранее состояния.
В процессе своей работы последовательный декодер может
возвращаться таким образом на много шагов назад, причем
возможности декодера в этом отношении определяются объемом его памяти и
быстродействием. Однако, каковы бы не были эти характеристики,
всегда сохраняется вероятность того, что указанных возможностей
не хватит для правильного декодирования. В -этом случае декодер
отказывается от декодирования, о чем и выдается соответствующий
сигнал. В последовательных декодерах именно отказ от
декодирования определяет в основном ошибки декодирования; вероятность зтого
события обычно на много порядков превосходит вероятность возник-
136
новения ошибок, которые код в принципе не способен исправить. Тем
не менее, как уже отмечалось, использование кодов с глубиной
кодового ограничения порядка 100 в сочетании с последовательным
декодером может повысить помехоустойчивость передачи информация
по сравнению с уровнем, реализуемым декодером Витербн.
Последовательный декодер особенно удобен в линиях, где
предусматривается возможность повторной передачи информации, претерпевшей
искажения в канале; в этом случае при отказе от декодирования
посылается запрос на повторную передачу соответствующего
информационного блока.
Вместе с тем, поскольку последовательный декодер
оказывается значительно сложнее декодера Витерби, в ССС ограничиваются
обычно использованием последнего и, следовательно, сверточных
кодов с s < 10. Типичное значение s = 7.
Использование упоминавшихся ранее ортогонального и биорто-
гонального кодов чаще рассматривают не как способ кодирования, а
как метод манипуляции. При этом методе в канале задействован
ансамбль из М = 2Р ортогональных или биортогональных сигналов (в
последнем случае ансамбль образуют М/2 ортогональных сигналов
и столько же им противоположных). Подлежащие передаче
двоичные информационные символы разбиваются на блоки по р двоичных
символов, и каждому блоку ставится в соответствие определенный
сигнал из указанного ансамбля, посылаемый в канал.
Легко видеть, что при постоянной скорости передачи двоичной
информации с ростом р полоса частот, занимаемых описанным
ансамблем, неограниченно растет: действительно, полоса, занимаемая
каждым сигналом, уменьшается пропорционально р, поскольку
пропорционально этому -значению растет длительность сигнала, а число
сигналов ансамбля возрастает как 1Р. В результате общая полоса частот,
занимаемых сигналом, растет как 2р/р, т.е. весьма быстро. Поэтому-
ортогональное кодирование может использоватьси лишь ори наличии
больших резервов по полосе. Зато коды этого класса обладают
максимально возможной энергетической эффективностью и
единственные из числа известных реализуют определяемый в теории
информации потенциальный порог помехоустойчивости для каналов с белым
гауссовским шумом (БГШ) и неограниченной полосой пропускания.
В табл. АЛ приведены значения выигрышей в мощности
сигнала (по сравнению с двоичной ФТ), обеспечиваемые использованием
ортогональных кодов в зависимости от р при идеальном приеме и
декодировании. Эти данные показывают, что ортогональные коды
могут обеспечить очень значительные выигрыши, однако лишь при
весьма больших значениях М. Так, чтобы реализовать хотя бы треть
потенциально достижимого выигрыша, необходимо М порядка 105,
что практически уже крайне затруднительно. Кроме того, такое Л/
привело бы к ухудшению использования полосы рабочих частот по
i:i7
Таблица 4.7
Вероятность
ошибки
Ю-3
ю-1
Выигрыш, дБ, при а, равном
4
2,0
2,0
16
4,5
6,0
64
6,0
8,1
256
6,6
8,6
1024
6,9
9,8
оо
8,7
11.0
сравнению с двоичной ФТ в несколько тысяч раз. По этим причинам
в ССС используют ортогональные (биортогональные) коды лишь в
отдельных случаях и только при небольших значениях р.
При ограниченной полосе используемых частот основным путем
увеличения энергетического выигрыша, даваемого кодом, является
увеличение его длины п. При этом, вообще говоря,
экспоненциально растет сложность декодера. В известной мере это противоречие
сглаживается, если использовать каскадные коды. Они получаются
ори кодировании несколькими ступенями: символы кодовых
комбинаций, образованных в результате кодирования на предыдущей
ступени, вновь подвергают кодированию на следующей ступени;
соответственно декодирование выполняется в обратном порядке. Легко
понять, что такое каскадирование двух кодов с параметрами (пь £ь
d\) и (лг, &э, d?) можно рассматривать как единый код с
параметрами (Л1П2, к\кчл did?), в частности, длина эквивалентного кода
равна произведению длин кодов отдельных ступеней. Вместе с тем
сложность декодирования растет лишь пропорционально сумме длин
используемых кодов (поскольку в каждой ступени должен
использоваться свой декодер). Таким образом, для каскадных кодов
сложность декодера растет гораздо медленнее, чем длина кода — этим и
вызван интерес к кодам этого класса.
Следует иметь в виду, что неверно механически суммировать
выигрыши каждого каскада для получения суммарного выигрыша от
каскадного кодирования. Во-первых, как известно, выигрыши,
даваемые кодом, заметно снижаются при увеличении допустимого
значения вероятности ошибки на выходе декодера. В каскадном же
декодере допустимая вероятность ошибки декодирования быстро
возрастает по мере перехода от выходной ступени декодирования к
предшествующим ступеням. Во-вторых, при декодировании всегда
происходит группирование ошибок в декодируемом сигнале. Например, при
блочном кодировании неправильное декодирование блока приводит к
тому, что дтя входящих в него к информационных символов
вероятность ошибки составит порядка 0,5. в то время как для символов,
входящих в правильно декодированные блоки, она равна нулю, Таким
образом, ошибки здесь действительно группируются. Для
большинства колов группирование ошибок значительно снижает выигрыш от
кодирования. 'Заметим, что снижение выигрыша можно избежать
путем введении процедуры перемещения символе», при которой перед
\Ах
очередной ступенью кодирования символы переставляются по
определенным аравилам, с тем чтобы приблизить распределение ошибок
во времени к равномерному. Перемежение используется и при
однократном кодировании тогда, когда помехи в канале носят
нестационарный характер, например при наличии замираний сигнала.
Перемежение, конечно, существенно усложняет процедуру кодирования
и, что иногда оказывается особенно важным, увеличивает задержку
сигнала при кодировании и декодировании.
Наиболее употребительные каскадные коды состоят из двух
кодов: внешнего и внутреннего. В качестве первого (внешнего) кода
чаще всего используют PC-коды, слова которых образуют блоки из р
подлежащих передаче двоичных информационных символов. Общее
число таких слов составляет q = 2р. Длину PC-кода выбирают
обычно равной ni = q — 1 или q. Каждая кодовая комбинация такого кода
сострит из prii двоичных символов. Последовательность таких
кодовых комбинаций, рассматриваемая как непрерывная двоичная
последовательность, кодируется внутренним кодом, обычно сверточным; в
тех случаях, когда нет существенных ограничении по полосе
рабочих частот, в качестве внутреннего может использоваться и
ортогональный или биортогональный код. Декодирование осуществляется
в обратном порядке: вначале декодируется внутренний код (обычно
с приемом в целом), а потом внешний, обычно алгебраически, т.е. с
помощью метрики Хэмминга.
В описанной конструкции полезно используется способность РС-
кодов противостоять пакетам ошибок, что позволяет зачастую
отказаться от иеремежения символов после внешнего кодирования.
Потенциальные возможности
повышения помехоустойчивости передачи
информации при каскадном кодировании с
использованием PC- и сверточных кодов для
канала с белым гауссовским шумом (БГШ)
иллюстрируются рис. 4.17. Здесь по оси
абсцисс отложено отношение энергии
сигнала, приходящейся на бит передаваемой
информации, к односторонней
спектральной плотности шумов Еъ/Nq = Ло- По оси
ординат отложена вероятность
ошибочного воспроизведения двоичных символов на
выходе декодера Р^. Данные относятся к
случаю использования сверточного кода с
И — 1/2 и й = 6 при декодировании этого
кода в целом. Предполагается
использование идеального перемеж^ния.
Предполагается также, что для каждой длины РС-кода
к 1 ныбирается такой PC-код, который обес-
Рис. 4.17.
Помехоустойчивость каскадных
кодов
13Я
Таблица 4.8
Метод кодирования
(декодирования)
Каскадный (PC- и свер-
точный), декодирование
Вктерби в целой
Последовательное
декодирование в целом
Каскадный (PC- и биорто-
гоиалышй)
Каскадный (PC- и
короткие блоковые коды)
Сверточные с
декодированием в целом по Влтерби
Блоковые коды,
алгебраическое декодирование
Выигрыш, дБ,
при ре, равном
ю-5
6,5... 7,0
6,0...7,0
5,0... 7,0
4,5... 5,5
4,0... 5,5
2,0... 3,0
10~8
8,5... 9,0
.8,0... 9,0
7,0... 9,0
6,5... 7,5
5,0... 6,5
3,5... 4,5
Допустимая
скорость передачи
информации, Мбит/с
<1
<1
<1
>20
<20
<20
печивает максимальный выигрыш всего каскадного кода. Например,
для п\ = 255 таким кодом оказывается код с d порядка 35-50. Этот
пример показывает, что избыточность внешнего кода обычно
сравнительно небольшая, так что скорость каскадного кода в целом
приближается к скорости внутреннего кода.
Подводя итог рассмотрению вопросов кодирования, дадим общую
ориентировочную оценку возможных областей применения и
выигрышей, обеспечиваемых различными кодами (табл. 4.8) [4.15].
4.14. Методы манипуляции
и эффективность использования полосы
рабочих частот в ССС
В ССС всегда, когда это возможно, используются фазовые
методы манипуляции, поскольку они наиболее эффективны из известных
с точки зрения как энергетики, так и полосы рабочих частот.
В ССС, однако, возникает необходимость подавления внепо-
лосного манипуляционного спектра (ВМС) манипулированных ФТ
сигналов для дальнейшего повышения эффективности
использования выделенной полосы рабочих частот. Здесь под ВМС
понимаются вызванные манипуляцией составляющие спектра, лежащие пне
основной полосы шириной порядка скорости манипуляции В (для
узкополосных сигналов). Под скоростью манипуляции мы
понимаем число элементарных сигналов, передаваемых при манипуляции в
единицу вррмени. Длительность элементарного сигнала Т= [/В.
140
Различают две группы методов подавления ВМС: сохраняющие
постоянство амплитуды манипулированяого сигнала я приводящие к
дополнительной амплитудной модуляции сигналов.
Достоинство методов первой группы заключается в том, что
здесь сохраняется возможность трансляции формируемого сигнала
через любые тракты с безынерционной нелинейностью, в частности
через усилители мощности, работающие в режиме насыщения.
Наоборот, методы второй группы исключают такую возможность, что
приводит к усложнению и удорожанию оборудования (прежде
всего ЗС).
Методы первой группы сводятся к сглаживанию закона
изменения фазы <p(t) при манипуляции по тем или иным правилам.
Математически можно доказать, что огибающая энергетического
спектра ФМ сигналов убывает по мере удаления от несущей
асимптотически со скоростью 6{га + 1) дБ/октаву, где m — номер первой,
терпящей разрыв, производной фазы. Так, при изменении фазы
скачком скорость убывания огибающей асимптотически стремится к
6 дБ/октаву, а при непрерывном законе изменения фазы, но с
изломами — 12 дБ/октаву.
Эти данные могут навести на мысль, Что, повышая
неограниченно порядок сглаживания <p(t), можно все более сужать внепо-
лосный манипуляционный спектр. Это, однако, не так. Обратим
внимание на то, что речь шла лишь об асимптотическом поведении
огибающей спектра, проявляющемся при достаточно больших
значениях F — расстояния по частоте от несущей. Значения F, при
которых эта асимптотика начинает действовать, зависят от
протяженности во времени той области, где закон изменения фазы
сглаживается. Если, например, т = О, IT, то улучшение
манипуляцией ного спектра за счет сглаживания будет проявляться, грубо
говоря, лишь для F > 10В. Поэтому, стремясь размещать отдельные
каналы возможно ближе, необходимо увеличивать г. В известном
смысле предельные результаты на этом пути могут быть
достигнуты, если принять т = Т. Соответствующий метод манипуляции был
разработан специально для ССС и получил название манипуляции
с минимальным сдвигом (ММС).
При ММС для передачи символа 1 фазу сигнала в течение
очередною такта линейно увеличивают так. чтобы за что время общее
приращение фазы составило тг/2; передаче символа 0 соответствует
линейное уменьшение фазы на х/2, Соответствующее дерево
изменения фазы ча несколько тактов представлено на рис. 4.18.а.
Указанную манипуляцию можно рассматривать как частотно-фазовую:
действительно, здесь передаче символа 1 соответствует излучение
частоты /| = /„ +0.25Д. а символа 0 — частоты /« = /„ — 0,250, причем
девиация частоты Л/ = 0,25В когерентна скорости манипуляции,
так что модуль набега фиш за посылку составляет в точности jr/2.
I II
Рис. 4.18. Дерево изменений фазы (а) и квадратурные
составляющие (о) сигнала ММС
Здесь под /и понимается несущая частота сигнала. Указанный сдвиг
частоты и дал название описанному методу манипуляции — ММС
Легко видеть, что при ММС элементарные сигналы не
являются противоположными; в действительности они ортогональны.
Поэтому, опираясь на теорию потенциальной помехоустойчивости,
можно предположить, что помехоустойчивость такого сигнала, даже при
идеальном приеме, существенно уступает ФТ. Однако такое
заключение неверно: сигнал ММС может приниматься с
помехоустойчивостью, совпадающей с ФТ.
Дело в том, что ММС представляет собой метод манипуляции,
при котором вид посылки, излучаемой на очередном тактовом
интервале, зависит не только от очередного передаваемого
информационного символа, но и от того, какая посылка передавалась на
предыдущем интервале (фаза изменяется относительно предыдущего
значения), таким образом, здесь речь идет уже о канале с памятью, на
который выводы элементарной 1еории потенциальной
помехоустойчивости не распространяются
Возможность приема сигналов ММС с помехоустойчивостью
эквивалентной ФМ следует из квадратурного представления этил
I \2
сигналов. Если в пространстве таких сигналов ввести в качестве
базисных ортогональные колебания sm2irfHt в cos2jr/„f, to проекция
элементарных сигналов на эти "оси примут, как легко установить,
вид, представленный на рис. 4.18,5. Таким образом, оказывается,
что сигнал ММС эквивалентен двум сигналам ФТ с
ортогональными несущими, в каждом из которых элементарные посылки имеют
синусоидальные огибающие и длительность 2Т; по каждому
образующемуся таким образом подканалу передается половина всей
переносимой сигналом ММС информации, и мощность сигнала в подканале
составляет половину всей мощности Рммс сигнала ММС. Для
демодуляции сигналов подканалов может быть использован идеальный
приемник ФТ, осуществляющий корреляционный прием; поскольку
сигналы в подканалах ортогональны, сигнал второго подканала не
влияет на работу такого приемника в первом подканале и наоборот-
Если энергию сигнала подканала, приходящуюся на двоичный
символ, обозначить через £б, а одностороннюю спектральную плотность
шумов канала — через No, то в соответствии с известными
соотношениями теории потенциальной помехоустойчивости можно записать
для вероятности ошибки в приеме двоичного символа для каждого
подканала, а следовательно, и сигнала ММС в целом
Р = F (у/рЩ = F у^^ТТу F \^2^TJ t (4.50)
что действительно совпадает с аналогичным выражением для дво-
ичпой ФТ со скачками фазы. (Здесь F(x) = — / e~'*t7dt —
2т Jx
функция ошибок.)
Установив таким образом, что переход к ММС не снижает
эффективности использования энергетического потенциала, обратимся
к вопросу о полосной эффективности, обеспечиваемой такими
сигналами. Энергетический спектр при случайном законе манипуляции
для сигнала ММС определяется следующим соотношением:
G(F) = _?"(i_i6j«n2' (4'51)
Это выражение позволяет оценить ширину основной полосы
частот Fw (no уровню -3 дБ относительно максимума спектра),
занимаемой сигналом ММС. Оказывается, F0 = 0,64В. Для удобства
сравнения этого результата с аналогичными соотношениями для
других методов манипуляции введем величину 0Д, определяемую как
число двоичных символов, переносимых манипулированным
сигналом в единицу времени; для ММС В = £д, Как известно, для
сигналов бинарной ФТ (БФТ) F(1 = Вд, а для двукратной ФТ (ДФТ)
14Л
Qfi Ц8 %2 Ifi 2 2fi 2.8 QHFTA
Л
I
-w
-20
-JO
-Щ0
M
V
■1—
\
вид мани
путции
F0JA
^—••^m
L svr лФ1 т
S
-
0,96 OfiB Ofiit
ВФТ
Рис. 4.19. Машлгуляциониые спектры различных сигналов
Fq — Вд/2. Таким образом, по основной полосе ММС немного
уступает ДФТ, но заметно уже БФТ.
Рассмотрим теперь коэффициент v(F), представляющий собой
отношение суммарной мощности спектральных компонент, частоты
которых отстоят от несущей более чем на F/2 [Гц] (лежат вне
полосы шириной F), к общей мощности всего сигнала. Очевидно, и
может служить показателем компактности спектра. Его значения как
для БФТ и ДФТ (при изменении фазы скачком), так и для ММС
показаны на рис. 4.19.
Эти данные указывают на гораздо большую компактность
спектра ММС по сравнению с ДФТ со скачкообразным изменением
фазы, не говоря уже о БФТ. Оценим разнос FP между несущими
частотами соседних каналов, который можно выбирать при
использовании ММС. к-
Примем, что транслируется группа однотипных сигналов,
имеющих близкие энергетические характеристики. Отношение мощности
сигнала некоторого канала в его основной полосе к мощности
помех от соседних станций в той же полосе для сигналов с достаточно
быстро убывающим манипуляционным спектром, таких как ММС,
можно выразить ориентировочным соотношением
ha = v(Ff-F0/2).
(4.52)
Требуемое же значение этого отношения определяется следующими
соображениями:
необходимо, чтобы эти помехи не ухудшали существенно
отношения сигнал-шум на входе ЗС; если принять помехи соседних станций
гладкими и допустить снижение за их счет этого соотношения,
например на 1 дБ, то необходимо потребовать, чтобы h„ — /i0 + 7 [дБ]:
как правило, характер помех от соседних станций
приближается к импульсному, поскольку чти помехи возникают вследствие как
Ш_
бы ударного возбуждения фильтра данного канала теми участками
сигналов соседних каналов, ва которых эти сигналы ял» их
производные быстрее всего меняются; в результате требуемое значение Л„
должно быть увеличено примерно на 5 дБ;
следует, наконец, учесть, что сигналы отдельных каналов могут
иметь существенно отличные уровни, что определяется как
разбросом ЭИИМ соответствующих ЗСГ так и неравномерностью
коэффициента усиления антенн ВРК в пределах зоны обслуживании; при этом
сигналы более "низкого уровня испытывают большее влияние помех
соседних станций; это обстоятельство приводит к дополнительному
увеличению требуемого значения Л„ на некоторую величину да, зяйп
чение которой зависит от того, какие меры принимаются в системе
для выравнивания уровней ЗС. Даже если эти меры в системе
соблюдаются, все равно приходится обычно выбирать as = £ дБ.
В итоге приходится требовать ориентировочно h„ = Ао4-1? [дВ].
Даже при кодировании Ло около 7 дБ, так что яеобходжмо
требовать Ап не менее 24 дБ.
На рис. 4.20 это соответствует Fp — J,35. Таким образом,
использование ММС позволяет обеспечить удельную скорость
передачи двоичных символов у = 0,75 дв.симв/Гц.
Отметим, что некоторое дополнительное сужение манилуляцион-
ного спектра сигналов ММС может быть достигнуто за счет «скру-
гления» изменения фазы, как это показано штриховыми линиями на
рис. 4.19,(1. Однако в соответствии с изложенным это скажется лишь
на составляющих, частоты которых отстоят от несущей не менее чем
на несколько В, что не позволит сократить разнос каналов Fp, a
следовательно, и увеличить удельную скорость у. Вообще сигналы
ММС обеспечивают эффективность использования полосы, близкую
к максимальной для сигналов с постоянной огибающей; дальнейшего
существенного улучшения этого показателя можно достигнуть,
только если допустить изменение амплитуды сигнала при манипуляции.
Соответствующие сигналы могут быть получены путем
фильтрации в передатчике составляющих манипуляционного спектра,
лежащих вне основной полосы. Возможность такой фильтрации
определяется следующим соображением: как известно, оптимальное
значение полосы пропускания фильтра, выделяющего фазомаиипулиро-
ванный сигнал вприемнике, близко к В, так что он вообще не
пропускает составляющие ВМС. которые поэтому могут быть устранены на
передающем конце радиолинии принципиально без ущерба для
качества приема сигналов. Более того, целесообразно устранить
(фильтрацией на передающей стороне с соответствующей АЧХ)
неравномерность спектра передаваемого сигнала в пределах основной полосы
(спад на 3 дБ к краям этой полосы). Эти меры призваны повысить
спектральную эффективность используемого способа манипуляции.
145
MS
о
-to
•20
•30
-«?
Was *М*в^%!>Л*>Мб
Ц?5 -
qi25
я .НШКНЙЯ
*, 'границ/а.
2
-0,125
О 0,2 0,1 00 0,8 7,0 \2 FT
Рис. 4.20. Маска для АЧХ фильтра
демодулятора передатчика
-0,25
°>1Ц 'А
0,25 0,5 FT
-0J4
Рис. 4.21.
Маска для группового
времени
запаздывания фильтров
модулятора н
демодулятора
Следует, однако, иметь в виду два следующих обстоятельства:
фильтрация мавипулировашюго сигнала на передающей
стороне приводит к появлению у этого сигнала дополнительной
амплитудной модуляции; в каскадах передатчика ЗС, следующих после
фильтра, эта модуляция не должна устраняться, поскольку могут
возникнуть комбинационные продукты, повторяющие
отфильтрованные составляющие ВМС;
используемый на передающей стороне фильтр должен иметь
специально подобранные АЧХ и ФЧХ и с ними должны быть
согласованы аналогичные характеристики фильтра основной селекции
демодулятора приемника; только в этом случае потери, связанные с
фильтрацией сигнала на передающей стороне, могут быть сделаны
достаточно малыми.
Первое нэ этих обстоятельств означает, что передатчик ЗС при
фильтрации ВМС на его входе должен работать в линейном
режиме. Это. конечно, усложняет передатчик и приводит к известному
удорожанию ЗС. Что касается второго обстоятельства, то известны
конкретные рекомендации для выбора АЧХ и ФЧХ соответствующих
фильтров в приемнике и передатчике. Так, на рис. 4.20 представлена
маска дчя АЧХ фильтра передачи, а на рис, 4.21 — маска для
групповою времени запаздывания этого фильтра; аналогичные данные
для фильтра приема представлены на рис, 4.22, Все чти требования
определены стандартами системы Inielsal (IESS ЗОН. ЗОЯ).
Аналогичные данные, ичятые из стандарт» системы Innioistil,
M(i
-2ДБ
Верхняя
граница
-НО
Рис. 4.22.
О
-10
-20
-30
-40
-50
0,2 0,4 0,6 0,8 1 f,2 FT
Маска для АЧХ фильтра демодулятора приемника
0,25дБ +1>бдб*1,БДб +иДБ
-а,25дб *o.i *ордБ*о£дв ^ yj-sjfg
-9дб
23Д6
\ Верхняя
^граница
ЗЗдБ
Нижняя
граница
0,2 Ofi це 0.8 1 1,2 FT
Рис. 4.23. Маска для АЧХ фильтра модулятора
показаны на рис. 4.23. В стандартах ^той системы приведена также
требуемая импульсная реакция фильтра, рекомендуемого к
использованию на передающей стороне радиолинии:
Н(1) =
1
1 - l6/?a/'J/r2
sin(l
- R)vt/T 4Я
-_J_ + _rCOe(l + /r)lrt/T
.(1.53)
В последнем выражении Я = 0,6. и она относится как к БФ 1. гак и
к ДФТ, причем под Г всегда поннмаепя. как что и определена
выше, длительности пчлучаемого в -эфир элементарного пинала (при
одинаковой «'корпещ передачи бит ветчина Г для ДФТ » два ра-
ij. чем для БФГ).
у<* оолыпи
таз
Задание фильтра его импульсной реакцией удобно при его
цифровой реализации, в варианте с конечной импульсной
характеристикой (КИХ фильтр). Такая реализация в рассматриваемом случае
облегчается тем обстоятельством, что на вход фильтра в
передающем тракте ЗС воздействуют не любые сигналы, а лишь маннпули-
роваиные методом ФТ колебания. Бели ограничить длительность
импульсного отклика фильтра при реализации некоторым
интервалом времени 2ф — пТ, то, задаваясь всевозможными
комбинациями из п — 1 передаваемых последовательно предыдущих
элементарных сигналов, можно вычислить реакцию фильтра на любой
очередной п-й символ. Все результаты таких вычислений могут быть
занесены в специальное запоминающее устройство, входящее в
состав модулятора. Тогда процесс модуляции, включая фильтрацию
на передающей стороне, сведется к считыванию из памяти данных,
записанных по адресам, определяемым последовательными
символами транслируемого сообщения.
Глава 5
Энергетика спутниковых линий
5.1. Особенности энергетики спутниковых
линий
Линии спутниковой связи состоят m двух участков: Земля-
спутник и спутиик-Земля. В энергетическом смысле оба участка
оказываются напряженными, первый — из-за стремления к
уменьшению мощности передатчиков и упрощению земных станций (в
особенности в системах с большим числом малых приемопередающих
•земных станций, работающих в необслуживаемом режиме), второй —
из-за ограничений на массу, габаритные размеры и
энергопотребление бортового ретранслятора, лимитирующих его мощность.
Основная особенность спутниковых линий -- наличие больших
потерь сигнала, обусловленных затуханием (ослаблением и
рассеянием) его энергии на трассах большой физической протяженности.
Так, при высоте орбиты ИСЗ 36 тыс. км затухание сигнала на трассе
может достигать 200 дБ. Помимо этого основного затухания в
пространстве сигнал в линиях спутниковой связи подвержен влиянию
большого числа других факторов, таких как поглощение в
атмосфере, фарадеевское вращение плоскости поляризации, рефракция,
деполяризация и т.д. С другой стороны, на приемное устройство
спутника и земной станции кроме собственных флуктуациошшх шумов
воздействуют разного рода помехи в виде излучения Космоса,
Солнца и планет. В этих условиях правильный и точный учет влияния
всех факторов позволяет осуществить оптимальное проектирование
системы, обеспечить ее уверенную работу и в то же время исключить
излишние энергетические запасы, приводящие к неоправданному
увеличению сложности земной и бортовой аппаратуры.
Как указано в гл. Л. нормы на некоторые качественные
показатели спутниковых каналов (в том числе на отношение сигнал-шум)
имеют статистический характер. Это заставляет проводить
количественную оценку возмущающих факторов также статистически, т.е. при
расчетах вводить не только количественную меру воздействия того
или иного фактора, но и вероятность его появления.
Необходимо учитывать характер и число передаваемых
сигналов, а также характер их преобразования (обработки) в
спутниковом ретрансляторе. В простейшем случае, например при передаче
149
Рис. 6.1. Структурная схема и диаграмма уровней'одного участка
линии спутниковой связи
программ телевидения, бортовой ретранслятор работает в односиг-
нальном режиме, типичном для наземных радиорелейных линий, и
лишь усиливает ретранслируемый сигнал. При передаче
телефонных сигналов с многостанционным доступом через бортовой
ретранслятор проходит несколько сигналов, разделенных по частоте,
времени или форме, оказывающих взаимное влияние, которое должно
учитываться при расчете энергетики спутниковых линий. При этом
в -зависимости от типа и назначения системы на борту может
применяться та или иная обработка сигнала, в том числе его полная
регенерация, уменьшающая накопление шумов и искажений,
возникающих на участках трассы.
i i
5.2. Уравнения связи для спутниковых
линии
Структурная схема одного участка линии связи и диаграмма
уровней сигнала приведены на рис, 5.1.
Эхьпьалттная изотропно излучаемая мощность (ЭИИМ)
передающей станции
£ = 'т-р'/перСп'.-р, (5-1)
15(1
где Pn<sp — эффективная мощность на выходе передатчика; i/h«p
коэффициент передачи (по мощности) волноводного тракта (КПД
тракта); G„eP — коэффициент усиления передающей антенны
относительно изотропного излучателя.
Затухание энергии сигнала в свободном пространстве,
определяемое уменьшением плотности потока мощности при удалении от
излучателя
L0 = Ш2#/\2, (52)
где А — длина волны; d — наклонная дальность (расстояние между
передающей и приемной антеннами).
Кроме этих основных потерь, как указано в § 5.1, на трассе
присутствуют и другие дополнительные потери Laon\ полное значение
потерь на трассе Z»s = LoLaon.
В точке приема установлена антенна с коэффициентом
усиления Спр, связанная с приемником волноводным трактом с
коэффициентом передачи 1}„р. При согласовании волновых сопротивлений
антенны, элементов тракта и приемника мощность сигнала на
входе приемника
р _ £■» г^ *перА "пер^пр^пер^пр
Полученное выражение пригодно для расчета любых
радиолиний прямой видимости [5 1]. Когда параметры антенны заданы в виде
эффективной площади ее апертуры 5пр, связанной с коэффициентом
усиления соотношением G'np = 4тг5Пр/А2, предыдущее выражение
может быть представлено в виде
' пер — •np45ro"LAon/t-rnepOnp7jneprjnp. (5-3)
Формула (5.3) позволяет определить необходимую мощность
передатчика по-заданному значению мощности сигнала на входе
приемника. Отметим, что в нес не входит длина волны А. Следовательно,
когда передающая антенна имеет постоянный коэффициент усиления
на всех частотах, а приемная — постоянную эффективную площадь
апертуры (т.е. сохраняет способность эффективно работать по мере
возрастания частоты), мощность сигнала на входе приемника в
первом приближении не чависит от частоты (в действительности
некоторая зависимость от частоты имеется, так как LaM в значительной
степени определяется диапазоном частот).
При расчете линии часто оказывается заданной не мощность
сигнала на входе приемника, а отношение сигнал-шум на входе
приемника {Нг/Рш)ьК, тогда в (Г).:}) следует подставить Рпр = Рш{Р^/Рш)а%.
|де Рш полная мощность шума на входе приемника.
lol
Поскольку в диапазонах частот, где работают спутниковые
системы, шумы, создаваемые различными источниками, имеют
аддитивный характер, их суммарная мощность достаточно полно
выражается формулой
Рш = ЮеД/ш, (5.4)
где Jt = 1,38- Ю-23 Вт/Гц -град. — постоянная Больцмана; Is —
эквивалентная шумовая температура всей приемной системы с
учетом внутренних и внешних шумов; Д/ш — эквивалентная
(энергетическая) шумовая полоса приемника.
В ряде случаев при расчете энергетики спутниковых линий
необходимо знать напряженность электромагнитного поля, создаваемого
излучением ИСЗ на поверхности Земли Ао, или плотность потока
мощности излучения ИСЗ у поверхности Земли W:
Ао = s/WEfd^L^; W = £,/4т«/2£дОП = Al/r0Laon,
где го = 120т — волновое сопротивление свободного пространства;
единицей величины До является милливатт на метр (мВ/м),
единицей величины W — ватт на квадратный метр (Вт/м2).
В свою очередь, мощность сигнала ИСЗ, воспринимаемая
земной приемной антенной с эффективной площадью апертуры S„p,
может быть определена через плотность потока и напряженность
поля следующим образом:
■*ПР = *' £>Пр = -^фйпр/ ГО -L. ДОП-
Приведенные формулы устанавливают связь между основными
параметрами линии и являются исходными соотношениями дня
вывода уравнений, описывающих энергетику спутниковых линий.
Структурная схема и диаграмма уровней сигналов линий
спутниковой связи, состоящей из двух участков, приведены на рис. 5.2.
Для зтих участков справедливы следующие соотношения:
для участка Земля-спутник1
„ _ 16lT;flf^Uon^y.6 (Рс \
'пера — \2f' f I p / '
«|lJciep з1-'пр-б'7пер.э'?пр,6 \ Гц / вх g
где Рш6 = *7*£бД/ш.б;
Здесь и далее всем показателям, относящимся к земиоИ аппаратуре,
присваивается индекс «з». а показателям, относящимся к бортовоИ
аппаратуре. - индекс «б»: величины, относящиеся к участку Земля спутник,
имеют индекс «J*. относящиеся к участку спутник-Земля индекс *'2».
152
Вход
ВолноВодныи
Земной I тРакт<
Волно&одный
^^ШНАРетраие-
irif/untif у
передал) HZZhH--^*' ММ Пмтор
ВопноШный
транш ,.
~7^
ВмноНодный
^тракта
Земной
приемник
Выход
Рис. 5.2. Структурная схема и диаграмма уровней спутниковой линии, состоящей из двук участков
для участка сцутник-ЗеМ
16^^!^
Рпер.6 = Д2(5перб(5пр.з'7пер.б»^р
Рш.а (Рс\
.3 \^Ш/ВК.3
где Рщ.э = *ТеэД/ш.ч-
Установим связь между отношениями сигнал-шум на выходе
линии и на каждом из участков. В отсутствие обработки сигнала на
борту ироисходит сложение шумов каждого из участков; при этом
суммарное отношение шум-сигнал на конце линии связи
{Рш/РЛй = ft/^)»Js + (JVPcW (5-5)
Отношение сигнал-шум на каждом из участков должно быть
выше, чем на конце линии:
(Рс/Р»)вх6 = а(Рс//эшЬ; (Л/Рв)«.а = *(Рс/А|)£, (5-6)
где а > 1. Ь > 1.
Из (5.5) и (5,6) следует, что
o = 6/(fc-l).fc = o/(a-l). (5.7)
Выражения (5,7) позволяют распределить заданное отношение
(Pc/Pm)z ао Двум участкам липни связи. Например, задавшись
превышением отношения сигнал-шум на участке спутник-Земля, равным
1 дБ (Ь = 1,26). найдем, что необходимое превышение на участке
Земля-спутник должно составлять 7 дБ (а » 5). Приведенное
распределение коэффициентов запаса о и 6 предполагает, что шумовые
полосы бортового ретранслятора и земного приемника равны: если
Д/ш.з < Д/ш.б- то мощность шума на входе бортового приемника
следует вычислять в полосе Д/ш ,.
С учетом изложенного уравнения ляя линии спутниковой связи,
состоящей из двух участков, имеют вид:
для участка Земля-спутник
/ш,б / ■* с А
7пр 6 V 'ш / v
_ 16л- </|£1ДОП£/У;бА/шб _
*W, - Тгт; ~ о й- ) ■ (5.8
для участка спутник-Земля
Г""'' б = \:у ' /■ ; b [ТГ } - (г>-У)
"2 'ntp 6'-'ii|j i'/iii-|.'.6tynp i \ 'Hi / г
15-1
5.3. Поглощение энергии сигнала
в атмосфере
Прежде чем воспользоваться для расчета выведенными в § 5.2
уравнениями, необходимо дать количественное определение
входящих в них дополнительных потерь энергии сигнала и шумов внешнего
(атмосферного) и внутреннего (аппаратурного) происхождения.
В диапазонах частот, выделенных для спутниковых систем,
влияние атмосферы проявляется в виде ослабления (поглощения)
радиоволн в тропосфере и ионосфере, искривления траектории радиолуча
в результате рефракции, изменения формы и вращения плоскости
поляризации радиоволн и появления помех, обусловленных тепловым
излучением атмосферы и шумами поглощения.
Поглощение радиоволн в атлюсфере количественно
определяется коэффициентом La. Установлено, что в диапазонах частот выше
500 МГц основное поглощение определяется тропосферой, точнее,
газами тропосферы — кислородом и водяными парами, а также дождем
и прочими гидрометеорами (ионосфера и остальные газы
тропосферы, например двуокись углерода или азот, играют малую роль).
Для количественной оценки удобно воспользоваться следующим
представлением:
U = L'oJi + L'Hq012, (5.10)
где L'0i и Ь'ц^0 — коэффициенты погонного поглощения (дБ/км) в
кислороде и водяных парах; (3 ,и /2 — эквивалентная длина пути
сигнала в этих средах соответственно.
Коэффициенты поглощения для стандартизованной атмосферы
определены н [5.1, 5.2] и представлены на рис. 5.3, из которого
следует, что поглощение имеет ярко выраженный частотно-зависимый
характер; наблюдаются резонансные пики на частотах 22 и 165 ГГц
(для водяных паров), а также 60 и 120 ГГц (для кислорода).
Эквивалентная длина пути сигнала в стандартной атмосфере,
очевидно, зависит не. только от эквивалентной толщины
атмосферы, но и от угла места земной антенны (3 и высоты земной станции
над уровнем моря Ла:
i
'i = <h'o3 ~ h*)l sin 0; h = (/i^0 - fc,) sin d» (5.11)
где hQ_ =s 5,3 км, /»н3о ss 2,1 км — эквивалентная толщина слоя
кислорода и водяных паров в стандартной атмосфере.
Результаты вычислений по (5.10) и (5.11) приведены на рис. 54:
они определяют поглощение в спокойной (невозмущенной) атмосфере
без гидрометеоров, которое представляет собой как бы постоянную
составляющую потерь, имеющих место в течение 100 % времени. "
Оценка затухания сигнала в гидрометеорах оказывается
задачей более сложной, чем и спокойной атмосфере, поскольку в этом
155
{^о/ог'ДО**
Ю 20 SO 100 200 350f,n~H
Рис 5 3. Зависимость коэффициента молекулярного поглощения для
кислорода Oj и водяных паров Н20 от частоты
случае поглощение
Ln = L'ak (5Л2)
«ависит от вида гидрометеоров (дождь, снег, туман),
интенсивности осадков, размеров зоны их выпадения и распределения
интенсивности по зоне, а также от распределения размеров частиц
гидрометеоров.
Эти факторы влияют как на коэффициент погонного
поглощения Ь'л, так и на эквивалентную длину пути сигнала /з в (512),
Наибольшее ослабление сигнала вносят жидкие гидрометеоры дождь,
туман, мокрый снег, ослабление в твердых структурах (град, сухой
снег) значительно меньше. Наличие взвешенных частиц —
аэрозолей — практически не влияет на поглощение сигнала и в обычных
условиях может не учитываться.
Усредненные на основании многочисленных измерении и
рекомендованные МККР значения погонных коэффициентов поглощения-
в дожде различной интенсивности приведены на рис. 5 5.
Эквивалентная длина пути сигнала в дождевой зон о
/3*f(f)K-A,J/sin;J, (5.13)
151.
a.1 1 io iaoftiTn
Рис. 5.4. Частотная зависимость поглощения радиоволн в спокойной
атмосфере {без дождя) при различных углах места
где коэффициент F(e) учитывает неравномерность
пространственного распределения интенсивности дождя [5.1]; h'a — эквивалентная
толщина дождевой зоны.
Значения /з, вычисленные для различных интенсивностей дождя
[5.1] с учетом пространственной локализации дождевой зоны,
приведены на рис. 5.6, из которого следует, что при больших интенсивно-
стях дождя эквивалентная длина пути сигнала существенно меньше
геометрической; этот количественный результат подтверждает
хорошо известное положение о том. что дожди большой интенсивности,
как правило, сильно локализованы, т.е. имеют малую
пространственную протяженность.
Пользуясь рис. 5.5 и 5.6, можно рассчитать поглощение в
дождях различной интенсивности. При этом необходимо решить еще
один важный вопрос — о распределении вероятностей выпадения
осадков различной интенсивности. Эта задача не поддается
теоретическому решению и полностью базируется на экспериментальных
данных метеорологии. Однако при использовании этих данных
следует учитывать, что они имеют приемлемую достоверность при
обработке результатов не менее чем за 7... 10 лет, относятся к олре-
1о7
QflDt
1 5 10 Я WOf/Гц
Рис 5.5. Частотваа
зависимость коэффициента поглощения
в дожде различной
интенсивности
О
Рис. 5.6. Зависимость
эквивалентной длины пути сигнала в дожде
различной интенсивности от угла места
антенны земной станции
деленной точке "Земли и, строго говоря, не могут быть
экстраполированы на всю область обслуживания ИСЗ, которая может
охватывать несколько климатических зон. К тому же метеоданные обычно
характеризуют среднегодовое или среднемесячное количество
осадков (т.е. дают распределения, усредненные за год или месяц), тогда
как действующие нормы требуют знания среднечасовых, среднеми-
нутлых и даже среднесекундных распределений. На рис. 5.7 [5,4]
показана карта районирования СНГ по интенсивности осадков, а на
рис. 5.8 и 5.9 — статистические распределения среднеминутных
значении интенсивности дождей в различных климатических районах;
при этом номера кривых на рис. 58 и 5-9 соответствуют номерам
климатических районов на рис. 5.7. Следует отметить, что эти
распределения относятся к наихудшему месяцу года и ожидаемая
частость появления осадков с распределением, близким к указанным,
для различных климатических районов составляет от 2 до 4 раз за
5 лет. Распределение средне.минутной интенсивности осадков,
вычисленное в среднем за год, очевидно, будет отличным от приведенных.
Ориентировочные коэффициенты пересчета от наихудшего месяца к
среднему году приведены в табл, 5 1
Соотношения между среднесуточной, среднечасовой, срелмемн-
нутной и среднегекундной интенсивности! осадков для районов с
умеренным климатом (Европа, Европейская часть территории
России, Сибирь) в диапазоне вероятностей 0.00 J .. 1 % времени с
погрешностью не более 20 7( имеют вид. -:(г = I мин) % 5г(г = I г-угки):
■(г = J мин; =s (1.3. . I.5)f(r = I -i). :-(r = I c) ss r(r = I мин)"
5?*
60* 100* 110"
Рис, 5.7. Условная карта районирования территории СНГ по
интенсивности дождей
Таблица 5.1
£, М.ч/ч
20
50
100
1"д(«)м«/Тд(£)ГОд для районов
1
5
7,5
9
3
4,5
8
4
4...4,5
6,5
8. ..8,5
10
2...3
4,5
5... 7
Функция распределения потерь сигнала в дожде, очевидно,
определяется распределением интенсивности осадков а функциональной
зависимостью коэффициентов погонного поглощения от
интенсивности осадков.
Обработка статистических данных, представленных на рис. 5.8
и Г).9, показывает, что среднеминутные распределения интенсивности
дождя подчиняются логарифмически нормальному закону
«'(f) =
1
rat\/27r
ехр
(log г - log?n):
2<г?
(5.14)
где сг; и "? дисперсия и среднее значение.
На основании приведенных данных можно определить затухание
радиоволн в дожде, не превышаемое в течение заданного процента
времени годи или наихудшего месяца. Результаты расчета,
выполненного д,чя Европейской части территории России, приведены на
рис. ,3.10 в виде зависимости затухания в дожде Ья от частоты и
vi.ia места антенны земной станции 3 для наиболее
употребительных значений вероятности,
13Я
т ГРГГ ТТ ПТТ Г Т" Шп
wrntSHnEJ"iti'
ЖсшйшК^!^
гпт^лШV5t> Т
> йМ ♦ ФмЛ
| те —N-'-T'-isBntTr 5'
_ f J0 ч J 4 Wt««^*-■':-
§ но—гт'тг tT ti"' J
^ WO jj> I rlv ЧР Г 1
g № i flPv wi
э во Т'ТТЧ^ЧТЙ
"S Л "" 11 Г11T" Чч' If
5 en - _ J. ] . J Г <
1 ю тг т Т1
Г QU ._ L. .!_ . .1, . _ , J.
тп .1 !-,_.. L
30 — - - 1. — 1 1_— __ . 1
70 :::::Е::Е :±:
;п .::_.::::: ::::::::::
т _-__
.-£ -J
:::±:...
'"Е_"::::::, — t—-
"it ::::..I.
:it .. л ---- -----
ч\— — т
5,5л _ I, —
Ч ^__: __4
: Г1^ <._ 1
S;iE si I.-I
^* J;o;. s v
"'""*W»4* "Т
t:::: к:^щп~:::::_-..
n:i ::::::iP*!?ss=::
Ц0001 2 3 4 56BQ001 7 3 U 56 SQfll 2 3 4 56 80,1 2 Jit 6 8W%
a)
i
$
i
I
2 3K5B80,0O7 2 3 4 561001 2 3 4 56 8 0,7 2 3 4 56 87,0%
S)
Рве. 5.8. Статистические распределения средиеминутных значении
интенсивности дождей а — Европейская территория; 6 — Кавказ ^спи"
Эти значения относится к круговой гюпяриэации. При линейной
вертикальной поляризации значения /_л необходимо умножить на
поправочный коэффициент 0.9Г). .0.9 (в зависимости от частоты), а при
линейной горизонтальной — на коэффициент 1,05, .1,1,
100
0,0001 7 3 15В BDflOl 2 3 4 56 80,001 2 3 1 56 80,1 2 3 « 6 OffiZ
6)
Рис. 5.9. Статистические распределения срелнеминутных значений
интенсивности дождей: п - Средняя Азия н Казахстан; б — Сибирь и
Дальний ВОСТОК ^-v»™"
Необходимо остановиться также на динамике затухания
радиоволн в дождях, т.е. на статистике скорости и длительности чтах
затуханий; эти параметры весьма важны при проектировании цифро-
161
Рис. 5.10. Частотные зависимости поглощения сигнала в дожде от
частоты при" различных углах места и Та
Таблица 5.2
Время. %
Скорость изменения. дБ/с
12 1,4 0,3 0.06
0.1 0,2 0,3 0,4
вых спутниковых радиолиний, в особенности с адаптивными
методами передачи. Приводимые здесь сведения полиостью базируются
на экспериментальных данных, полученных на отечественных и за-
рубежаых спутниковых радиолиниях.
Скорость изменения затухания на частоте 12 ГГц для радиоволн
с круговой поляризацией, приведенная в табл. 5.2. практически не
зависит от угла места и увеличивается в первом приближении
пропорционально частоте.
Статистика д-тительностеп" затуханий ps глубиной "2, 3 и 5 дБ и
рл между ними представлена на рис. 5.11, из которого следует, что
с вероятностью 50 V? продолжительность затухания (непрерывные
кривые) глубиной 5 дБ составляет 2. .3 с, а продолжительность
интервала между затуханиями (штриховые кривые) rod же- глубины в
пределах олжни дождя доспи an 2(J, 30 с.
Иэ приведенных данных <-.к-лует. что затухание в дожде
может быть весьма значительным (особенно в диапазонах частот выше
10 ГГц) и ечщепвенно влиять иа энергетику спутниковых радиол и-
162
РуРи>%
inn
80
ВО
40
20
'.
К f'12 ГГц
M\VV
-\4VS>---^
• vvv-^^C^
- Vol 4 N\
ma
1000 £,
; w
Рис. 5.11. Статистика
длительностей замираний (-)
различной глубины и интервалов между
ними ( )
г, км
50
10
5
1
s0fiS7.\l
МП
'
■ |
= =
»Д"4'*1 III
\йЯ\7Х||
I Г
h
0,001 0,01 0,1 Тдг,%
Рис. 5.12. Зависимость
совместной вероятности выпадения осадков
при разнесенном приеме от
пространствен кого разноса земных станций
ний. Одной из мер борьбы с этим влиянием является применение
пространственно-разнесенного приема, при котором две земные
станции, удаленные одна от другой на интервал г, км, принимают один
и тот же сигнал от ИСЗ. Станции соединены между собой наземной
линией, что позволяет объединить принятые ими сигналы и
сформировать суммарный сигнал, менее подверженный затуханию в дожде,
чем каждый из сигналов в отдельности. Физически это объясняется
указанной локализацией сильных дождей, вследствие чего
вероятность одновременного выпадения дождя в местах расположения
обеих станций (совместная вероятность Гд3) будет меньше вероятности
выпадения дождя той же интенсивности'на одной из станций Тл.
Из экспериментально полученной зависимости Та^ от Та на
рис. 5.12 следует, что пространственный разнос приемных станций
на 10.. .20 км уменьшает совместную вероятность выпадения дождя
почти в 10 раз. Получаемый при этом энергетический выигрыш
иллюстрируется рис. 5.13, из которого видно, что пространственный
разнос приемных станций — весьма эффективное средство борьбы с
ослаблением и осадках и может дать энергетический выигрыш
более 10 дБ.
Следующим по своему значению влияющим фактором явпяется
поглощение радиоволн в облаках. Хотя эти ослабления даже в
мощных конвекционных облаках (не«дающих осадков) существенно
меньше, чем в дожде, но вероятность (длительность) значительно бочьше
Ввиду больших различий в форме, размерах, водности и
температуре облаков в настоящее время не существует методики расчета
обеспечивающей высокую точность. Начета,
На рис. 5.Н приведены приближенные кривые статистического
ЕГгт^Г* °rnra6:rHfl воблаках *■*,. Усредненные дла
территории ( ИГ. Из рис. 5.14 следует, что в диапазонах частот И) & ГГп
la пи ^Л г.. Vl • • "•*« "Ц
К ПрОДОЛЖИТелЬНЫМ (Тобл SS
наличие облаков может приводить
163
Рис. 5.13. Энергетический
выигрыш пространственного
разнесения приемных антенн при
сдвоенном приеме
to
- J
^ j'jorru—Л'
\*'У
К \
\\
-А^г ТВ
v35k
s ^ 5§
""^--^^
У
Л*ГО*
Г20ГГЦ
v гЮГГц
/f,sjirn*
•ч. у
>^г
S.
§
Рис. 5.14. Статистическое
распределение поглощения радиоволн в
облаках
Т,%
=*г 5 —10 %) ослаблениям сигналов на 0,5... 1 дБ, а в малых
процентах времени {Т0&п « 0,1 %) оно может достигать 4,.. 5 дБ при
углах места 0 = 10°.
Заметным поглотителем энергии
радиоволн является туман.
Интенсивность тумана измеряется дальностью
предельной оптической видимости Ь\
а его поглощающая способность Z/T
(дБ/км) определяется абсолютной
влажностью р (г/м"4). Связь этих
параметров может быть представлена н
виде эмпирических формул: р ss 3S'"1,3.
Lf — 0,483/>/А2. Средняя
вертикальная протяженность тумана обычно не
превышает 0,5. . .0,6 км. зато
горизонтальная протяженность может
достигать 100 км. а продолжительность
существования этой области может быть
значительно больше, чем дождевой.
На рис. 5.]-з приведены
зависимости, позволяющие определить
статистическое значение поглощения и
тумане на чагтотр 1 ГГц для климатических зон Европы, подобных I-
му и 2-м> климатическим районам. Из них следует, что в течение
«ДО.У *'А времени затухание сигнала при ,У = 5° не превышает I лгУ
(1
1
0,1
л
k
g
т
\
\
=f
l\
■W
*
= ,
V
S.
<
Т"
I П
И i lh-
war 5'
J*?
f
d
9
\
\
4-
i
?•
О 0£ W US 2J0 SfihJfi
Рис. 5.15. Интегральное
распррдеаенне потерь в
тумане
164
На остальной части территории России такое поглощение
наблюдается значительно реже.
В некоторых климатических районах на уровень принимаемых
сигналов могут значительно влиять снег (особенно мокрый), а также
град. Коэффициент погонного поглощения в сухом снеге и граде L[.x
значительно меньше, чем в дожде той же интенсивности;
соотношения L'cc и L'a при интенсивности осадков 100 мм/ч для различных
диапазонов частот приведены в табл. 5-3. Поглощение, вызываемое
мокрым снегом, примерно такое асе, как и в дожде: равной
интенсивности, однако в отдельных случаях при выпадении крупных хлопьев
мокрого снега может оказаться в 4.. .6 раз большим, чем для
дождя. Эксперименты показывают, что это явление достаточно редкое
и при расчетах для наихудшего месяца следует практически
учитывать лишь поглощение в дожде.
Таблица 5.3
/,ГГц
L'cx, дБ/км
£'{,, дБ/км
8
0,0067
0,085
11
0,0107
0,24
18
0,0312
0,78
25
0.0362
1,5
35
0,281
2.6
Ионосфера тоже влияет на условия прохождения радиоволн.
но поглощение в ней на частотах выше 1 ГГц чрезвычайно мало
L„ as 2,5 • Ю15//2 и не превышает 2,5 - Ю-3 дБ даже при низких
углах места антенны.
5.4. Потери из-за рефракции и неточности
наведения антенн
Рефракция — это искривление траектории сигнала при
прохождении через атмосферу (ионосферу и тропосферу). Ионосферную
рефракцию (в градусах) можно определить по формуле:
К = -57.3 cos e/f-sm3&.
из которой следует, что она обратно пропорциональна квадрату
частоты и становится пренебрежимо малой при / > 5 ГГц,
Тропосферная р(франция не зависит от частоты. Для стандартной атмосферы
при малых углах мгета постоянная (рыулярпая) состаь.гяющая тиа-
гю<ф(рно{1 рефракции (в градусах) ^р as (n - l)ctg 3.
Полная рефракция 6 = t*„ + /iTp представлена на рис. 5.16.
165
При автоматическом наведении
антенн по максимуму
приходящего сигнала влияние рефракции
практически исключается. Еще одна
составляющая потерь — потери из-за
неточности наведения антенн земных
станций на ИСЗ — определяется
угловым отклонением оси главного
лепестка диаграммы направленности от
истинного направления на ИСЗ, а
также шириной и формой этого лепестка.
Обычно пользуются одной из
следующих аппроксимаций формы
диаграммы в пределах основной части
главного лепестка:
1
ЮвуТц
G(6) ^ sin(2fl/g0,5) ^
G(0)~ 20/бо.5 ~ 1+ (20/00.5 )-
Р*с. аде. Зависимость где 0О,5 — ширина диаграммы налра-
угла тропосферной (—) и «оно- елейности антенны по уровню поло-
сфервоя ( ) рефракшш от винной мощности. Тогда потери
наведения
частоты
Z* = G(O)/G(0)*1 + (20/0o,5 )2
(5.15)
В современных системах наведения управление антенной
обычно ведется по двум осям (например, азимутальной и угломестной).
При этом угловую погрешность наведения по каждой из осей можно
представить суммой трех компонент:
Фаз = <Ри + ^Фл + <pv,
ГДе £м ~ Угловая ошибка из-за несовершенства механической
части системы (люфтов шестерен и деформаций зеркала); <р$л —
флуктуационная ошибка из-за влияния шумов в каналах слежения;
^ - динамическая (скоростная) ошибка, обусловленная
движением антенны при слежении.
Первая компонента зависит от конструкции антенны и обычно
задается в паспортных данных; статистика ее не приводится;
вторая вычисляется по ожидаемому отношению сигнал-шум в каналах
приема и имеет гауссовское распределение с параметрами <Тфл. Гоф„:
третья зависит от скорости относительного перемещения ИСЗ ш
относительно наземного пункта, где расположена антенна, и может быть
определена решением уравнения
,(0 = *Х'Н/</(0.
166
где jtc __ коэффициент передачи канала слежения; « — скорость
спутника в пространстве; т — единичный радиус-вектор; d —
расстояние до спутника (наклонная дальность).
Это уравнение решается при расчете целеуказаний для земных
станций системы, поэтому для определения ipv(t) достаточно
провести статистическую обработку этих целеуказаний для нескольких
земных станций системы. Результаты такой обработки, выполненной
применительно к спутникам типа «Молния-3» и «Экран»,
показывают, что наибольшие скорости перемещения ИСЗ типа «Молния» не
превышают 0,2 град/с, а для геостационарных ИСЗ меньше.
Распределение F{u) близко к гауссовскому, соответственно плотность
вероятности угловой ошибки наведения в каждой плоскости
1 Г (у + Ум - тфд - mv )2"| f=lfi4
«м) = (^^■)^нр I **.■+*>» J- (5Л6)
Выражения (5.15) и (5.16) позволяют рассчитать значение и
плотность вероятности ошибки наведения по каждой из осей.
Суммарная ошибка наведения в картинной плоскости определяется
известным правилом
Vz = yf<p\ + V0,
а илотность вероятности ошибок подчиняется обобщенному закону
Рзлея:
u'(^s) = -о— ехр
(5-17)
5.5. Фазовые эффекты в атмосфере
С влиянием атмосферы связаны эффект Фарадея и
вытекающее из него следствие — фазовая дисперсия сигна.юе. Как известно.
эффект Фарадея обусловлен тем, что при распространении линейно
поляризованной волны через атмосферу под действием магнитного
поля Земли эта волна расщепляется на две составляющие, которые
распространяются в ионосфере с различными скоростями.
Следовательно, между ними появляется фазовый сдвиг, который приводит к
повороту плоскости поляризации суммарной волны.
При некоторых упрощающих предложениях угол поворота
плоскости поляризации
Ф * 2,32 101P//Vl -0,91 cos.?.
Результаты расчетов по зтой формуле для нескольких значений
частоты и углов мести антенны приведены в табл. 5.4, из которой
167
Таблица 5.4
/.Пи
пра 8 = 90е
ар« 3 = 0
0,1 0,5 1 2 5 10
2400 95 25 в 1 0,3
6000 250 60 18 3 1
следует, что эффект Фарадея проводит к заметному изменению на-
орааленяя вектора поляризации на частотах ниже б ГГц; на частотах
выше 10 ГГц с этим явлением можно не считаться.
Влияние этого эффекта сказывается в том, что при
использовании для связи сигналов с линейной поляризацией будут
возникать потери сигнала ыежду коллияеарными антеннами (передающей
■ приемной) £ф = 20lg(cos$). Во избежание этого на частотах ниже
10 ГГц в спутниковых системах используется исключительно
круговая поляризация; в более высокочастотных диапазонах фазовые
эффекты не препятствуют применению линейной поляризации.
Фазовые эффекты в атмосфере, точнее их частотно-зависимые
характеры, приводят к фазовой дисперсии компонент передаваемых
сигналов и, следовательно, к их искажению при приеме. Подобно
фарадеевскому вращению, степень влияния этих эффектов
обратно пропорциональна квадрату частоты. Полный сдвиг фазы
сигнала #о = (2т//с) f n п7, где л — показатель преломления
атмосфера; с — скорость света; г = dtyofdt — групповое время
запаздывания сигнала.
Приближенное значение разности группового времени
запаздывании Дт для крайних составляющих широкополосного сигнала с
полосой Д/ должно быть таким, чтобы не было искажений
передаваемых сигналов ДгД/ 4И 1. Для количественной оценки широкопо-
лосяоети атмосферы примем ДтД/ = 0,1. Тогда Д/ ^ ^/3 Ю-11/3.
Результаты расчетов по этой формуле приведены в табл. 5.5, из
копрой следует, что наибольшая полоса сигнала, который может быть
передан через атмосферу без фазовых искажений, составляет
примерно 25 МГц в диапазоне 1 ГГц и возрастает до 270 МГц в
диапазоне 4...6 ГГц.
Таблица 5.5
/.ГГц
Д/, МГц
0,5 1 5 10
10 25 270 750
Указанные ограничения следует иметь в виду при
проектирования широкополосных ТВ и ТЛФ линий, в особенности в
диапазонах частот ниже 4 1Тц.
168
5.6. Потери из-за несогласованности
поляризаций антенн
Нормированный коэффициент передачи энергии между двумя
антеннами в общем случае (когда обе антенны имеют
эллиптическую поляризацию) имеет вид:
К = 2
1 +
4<?i<?2
(1+е?)(1 + е!)
♦|£в£*Ч- »»>
где е\ и е3 — коэффициенты эллиптичности (отношение малой
полуоси эллипса к большой) поляризации передающей и приемной антенн
соответственно; ф -- угол между соответствующими полуосями
эллипсов поляризации передающей и приемной антенн.
Зная относительные положения и параметры эллипсов
поляризации антенн, можно по (5.18) определить потери мощности
сигнала Ln для данной приемной антенны по сравнению с антенной,
эллипс поляризации которой совпадает с эллипсом поляризации
передающей антенны.
На рис. 5.17 показаны кривые максимальных потерь при Ф = 90°
для различных значений эллиптичности поляризации, а в табл. 5.6
приведены значения коэффициента передачи для различных
комбинаций поляризаций передающей и приемной антенн.
Как следует из табл. 5.6, при
линейной поляризации обеих антенн
коэффициент передачи получается
максимальным тогда, когда оба вектора
поляризации коллинеарны. Очевидно, что
при связи через космические объекты
что условие нарушается как вследствие
изменения взаимного расположения
объекта и земной станции, так и из-
за рассмотренных фазовых эффектов в
атмосфере. Поэтому в диапазонах
частот 1.5 ГГц предпочтительной
считается круговая поляризация; в
диапазонах выше 10 ГГц выбор вида
поляризации определяется в основном
эффектами деполяризации сигналов в
атмосфере, которые рассматриваются ниже.
Статистическая оценка
поляризационных потерь не представляется
возможной, поэтому при расчетах
энергетики спутниковых линий следует
принимать их существующими 100 % времени
О
}
2
3
и
5
6
7
в
9
10
I
£
>
У
*>У
--а
г>
к0.в
•0,6
0,4
2
0,2 0.И 0,6 0,8 10 ег
Рис. 5.17. Зависимость
потерь из-за
несогласованности поляризации
'передающей н приемной антенн от
эллиптичности поляризации
169
Таблица 5.6
1 Поляризация
1 приемной
1 антенны
1 Линейная
1 Круговая правая
1 Круговая левая
Коэффициент передачи для различной
поляризации передающей антенны
линейной
(1 + сов2Ф)/2
1/2
| 1/2
круговой правой
1/2
1
0
круговой левой
1/2
0
1
5.7. Деполяризация радиоволн в атмосфере
В связи с освоением диапазонов частот выше 10 ГГц и
применением в спутниковых системах поляризационного разделения
представляет практический интерес описание еще одного эффекта,
связанного с прохождением радиоволн через атмосферу, — эффекта
деполяризация в гидрометеорах.
Ранее (см- § 5.3) при рассмотрении поглощения сигнала в
гидрометеорах не делалось никаких оговорок относительно формы частиц
гидрометеоров, точнее, подразумевалось, что они сферичны. Такая
модель гидрометеоров не порождает деполяризации. В
действительности форма естественных гидрометеоров, и в первую очередь
капель дождя (основной фактор поглощения), не только несферична,
но при наклонном падении даже несимметрична относительно
вертикальной оси. Это приводит к появлению разницы в затуханиях и
фазовых сдвигах для вертикальной и горизонтальной составляющих, а
следовательно, является причиной деполяризации радиоволны и
возникновения кроссполяризационной компоненты в точке приема. Так.
при общем затухании 30., .40 дБ различие в затуханиях волн с
горизонтальной и вертикальной поляризациями (так называемое
дифференциальное затухание) 1д„ф = LTop - ЬЬгрт достигает 6. , 8 дБ на
частотах 20.. .30 ГГц. Интересно отметить, что дифференциальное
затухание слабо зависит от частоты (при постоянном значении
суммарного затухания), причем зависимость даже имеет обратный характер,
т.е. ^диф fts 1//. Это можно объяснить тем. что для внесения того же
суммарного затухания на низкой частоте необходима большая
интенсивность Дождя, чем на высокой, и, следовательно, большее число м
большие размеры капель, являющихся деполяризатором сигнала.
Кроссполяризационная компонента оценивается коэффициентом
развязки кроссполяризованных сигналов (РКП), представляющим
гобой отношение мощностей сигналов с нормальной и
ортогональной поляризациями. Зависимость РКП от затухания в дожде
показывает, что при Ln ^ 20...30 дБ значение кроссполяризациотюН
компоненты может достигать 15. ..10 дБ и представлять ощутимую
помеху для приема Частотная характеристика РКП при
постоянной интенсивности дождя (рис 5.J8) подтверждает отмеченную
ранее- закономерность rjfi уменьшении крогпюляризацим г ростом чя-
170
РКП,Д5
РКП,Дб
10
15
^*»^-
//"
/ + ЬгОГГц
о ю го зо йо 1д,дв
Рис. 5.18. Частотные
зависимости кросслоляртации
от затухания е дожде
20
25
30
35
О 10 20 30 LAraB
Рис. 5.19. Зависимость РКП от
затухания а дожде для радиоволн различной
поляризации: / — круговой (эксперимент,
медианное значение); 2 — вертикальной (те-
вер-
ория) для нулевого угла наклона;
тикальной (эксперимент) для углов наклона
15. .. 25°; 4 — вертикальной (эксперимент) для
угла наклона 45°
гтоты и указывает на корреляцию РКП со среднестатистической
интенсивностью дождя.
Вср сказанное относится к радиоволнам с круговой
поляризацией. Волны с линейной поляризацией, строго говоря, не должны
порождать кроссполяризационных составляющих. Однако это
справедливо для дождей с вертикальным падением в симметричной
формой мастиц. В действительности всегда имеет место наклонное
падение, причем фактический наклон капель дождя не всегда
соответствует наклону ливня, так как в общем ливне существуют капли
г положительным и отрицательным наклоном при общем
дисбалансе, соответствующем наклону ливня. Из-за зтих факторов линейно
поляризованные радиоволны также будут испытывать
деполяризацию, особенно когда наклон вектора поляризации отличен от утла
наклона ливня. Максимальная деполяризация, очевидно, будет при
относительном наклоне вектора поляризации на 45", и теория
предсказывает, что уровень кроссполяризации будет примерно таким же.
как и для круговой поляризации. Изложенное хорошо
иллюстрируется рис. 5.19, из которого следует, что теоретически радиоволны с
линейной (вертикальной) поляризацией меньше подвержены
деполяризации, однако на практике зто различие нивелируется, особенно
при наклоне вектора поляризации на 45° (что может иметь место
для земных станций, расположенных в удаленных по долготе
точках зоны обслуживания I1C3),
171
^ *.*теоиалы позволяют сделать важные прак-
Пр«ве№иж-взд«ьм^инация сйгнала на частотах выше 5 ГГц
тжчесие ^^^^оволн в гидрометеорах, и, следовательно,
связана с поглощением 1"»\ о11енка этого явления должна корре-
статнстическая количес ™™^™™
лироваться со w™*™™ JLX условий СНГ, где интенсивность до-
Ддя средних климатических У ть R появлейИЮ реалъ,
ждя "-«««"JSS^ систем ТВ вещания [*(1 %) S 5 мм/ч]
нь* помех (РКП ^ 25 дЪ^ДЛ ТДф ^^ ^ Q1 %
— на частотах выше IB i m, д-""
< 12 5 мм/ч1 — на частотах выше и 11 Ц<
Т^Хически линейная (вертикальная) поляризация
предпочтительнее круговой, и, хотя практическая реализация этих
преимущество £ей зоне обслуживания ИСЗ не всегда возможна,
подавляющая часть спутниковых систем в диапазонах частот выше 10 ГГц
работает с линейной поляризацией.
5.8. Шумы атмосферы, планет и приемных
систем
При расчете спутниковых радиолиний важно определить полную
мощность шумов, создаваемых иа входе приемного устройства
спутника н земной станции различными источниками. Как показано в
§ 5.2, мощность шума на входе приемника можно определить по
формуле (5.4); дадим количественную оценку входящих в нее величин.
Эквивалентная (энергетическая) шумовая полоса приемника
А/.
а'2(/0) ;.с
K*(f)df,
где А'(/) — частотная характеристика ПЧ тракта приемника.
Она обычно несколько шире полосы частот тракта ПЧ Л/о,7-
Если принять Д/ш = fAfoj, то значения коэффициентов 7 для п
одноконтурных (7i) и двухконтурных (7г) каскадов УПЧ будут
соответствовать приведенным в табл. 5.7.
п
71
'13
1
1.57
J.II
2
1.22
1,038
3
1,15
1,022
Т аб л
5
1,Н
1,01
и ц а 5.7
10
1.09
1 .«02
Полная экьталттная шумовая температура приемной
системы, состоящей из антенны, волноводного тракта и собственно прием-
вика, пересчитанная ко входу приемника.
7V = ТАг/в +'/„( | -ifc) + Tn
р'
(5.19)
172
где Гд — эквивалентная шумовая температура антенны; Т0 —
абсолютная температура среды (290 К); Тпр — эквивалентная шумовая
температура собственно приемника, обусловленная его внутренними
шумами; т)в — коэффициент передачи волноводного тракта.
Задачей является количественное определение составляющих в
(519) для вычисления мощности шума (5-4), входящей в уравнения
связи, приведенные в § 5.2.
Эквивалентная шумовая температура антенны может быть
представлена в виде составляющих:
ТА = Тк + Га + Гз + Га,3 + ГшА + Гоб1 (5.20)
которые обусловлены различными факторами; приемом
космического радиоизлучения (Тк); излучением атмосферы с учетом
гидрометеоров (Та); излучением земной поверхности, принимаемым через
боковые лепестки антенны (Т3); приемом излучения атмосферы,
отраженного от Земли (Таэ); собственными шумами антенны из-за наличия
потерь в ее элементах (Тш.д); влиянием обтекателя антенны, если
он имеется (Tat). Общая методика определения этих составляющих
основана на том, что антенна, находящаяся в бесконечном объеме
поглощающей среды с однородной кинетической температурой, при
термодинамическом равновесии поглощает и переизлучает мощность,
равную мощности излучения. В этом случае
4* Л
где Т„(;3, 4') — яркостная температура излучения в направлении /?, V
в сферической системе координат; G(j3, Ф) — усиление антенны
(относительно изотропного излучателя) в том же направлении.
Яркостная температура характеризует источники излучения а
определяется как температура абсолютно черного тела, имеющего
на данной частоте и в данном направлении такую же яркость, как
рассматриваемый источник.
Для характеристики источников излучения с неравномерным
распределением яркостной температуры используется понятие
усредненной или эффективной температуры излучения
т,Р=~ ! Tn(i3,4,)<m.
где П„ — телесный угол источника излучения.
Кепи угловые размеры источника излучения больше ширины
главного лепестка диаграммы антенны ПА, то Тгр = Гя, в
противном случае
7С|> яз 7яП„/Фд. (5.21)
ITS
-„«я оасчетов примем усиление антенны постоянным
Для УПР0"*""" р* нвп, лепестка GM, а в пределах задних и
ЗГле7есС:^е постоянным и равным Сбок; тогда
Решая это уравнение для всех составляющих шума (5.20) с уче-
том (5.21), получаем:
для земной антенны
ГА., = Тял{0) + ЪМ + 4Т*Л + Тщлл) + ГШ.А + Гоб(^); (5.22)
для бортовой антенны
ГАб - Тял + Гя.3 -I- ЪТ9Л + ТшА, (5.23)
где
e=kit( G*"№ & dn/ I G^> VO M
2^I«/nBM. / -/Or.,
— коэффициент, учитывающий интегральный уровень энергия
боковых лепестков.
Количественная оценка величины с для различных типов антенн
приведена в гл. 14; в зависимости от формы облучения поверхности
зеркала антенны с = 0,2...0,4-
Как следует из (5.22), первая составляющая температуры шумов
антенны определяется яркостной температурой космического
пространства. Основу его составляет радиоизлучение Галактики и
точечных радиоисточников (Солнца, Луны, планет и некоторых звезд).
Частотная характеристика усредненных по небесной сфере
значений Тя,к показана на рис. 5.20, из которого видно, что
космическое излучение существенно на частотах ниже 4...6 ГГц;
максимальное значение на данной частоте отличается от минимального
в 20.. 30 раз, что обусловлено большой неравномерностью
излучения различных участков кеба; наибольшая яркость наблюдается в
центре Галактики; имеется также ряд локальных максимумов.
Следует отметить, что излучение Галактики имеет сплошной
спектр и слабо поляризовано; поэтому при приеме его на
поляризованную антенну (с любым видом поляризации) можно с
достаточной степенью точности считать, что принимается 1/2 всей мощности
излучения, попадающей в раскрыв антенны.
На рис. 5.20 показано излучение Солнца в спокойном
состоянии (в годы минимума активности) и в состоянии «возмущения»,
171
0,1 1 10 f,/Tu
Риг. 5.2(). Частотная зависимость шумовой температуры Галактики,
Солнца и атмосферы (без дождя)
cboiicTi-K-niK.il о годам максимума активности. Солнце самый мощ-
iihili источник радиоизлучения, которое может полностью нарушить
сиял,, помай в сланный лепесток диаграммы направленности
антенны. Однако вероятность такого попадания мала, н в первом
приближении [j = Г.)-/[п - .i?)2 к: 0,6 • 10~'1. где D яг 1.4* — угловые размеры
опасном области Солнца (собственно угловой размер Солнца соета-
IT."i
алист 0*$2*). Для геостационарных орбит она ва порядок вьпие и
составляет (2... 5) • Ю-4 в зависимости от долготы ИСЗ.
Для геостационарного ИСЗ максимальнее время прохождения
опасное зовы составляет
= (00,5 + D)/{yc ± fcn),
где 6q,s — ширина диаграммы направленности антенны; i>c и Исп —
соответственно угловые скорости Солнца и спутника относительно
земной станции. Знак «плюс» относится к движению спутника в
восточном направлении, знак «минус» — в западном. Следует
отметить, что проекции спутника довольно редко проходит через центр
солнечного диска, а обычно пересекает его по линиям, смещенным
относительно центра; соответственно время прохождения опасной зоны
оказывается меньше рассчитанного по приведенной формуле.
Точная дата н время «засветки» земных антенн солнечным
диском обычно рассчитывают по данным орбиты ИСЗ и сообщают
земным станциям вместе с целеуказаниями спутника.
Следующие по мощности радиоисточник — Луна —
практически уже не может нарушить связи, так как ее яркостная
температура не более 220 К. Остальные источники (планеты и радиозвезды)
играют существенно меньшую роль, а вероятность встречи луча
антенн с этими источниками меньше, чем с Солнцем, так как
угловые размеры их малы.
Радиоизлучение земной атмосферы имеет тепловой характер и
в полной мере обусловлено рассмотренным в § 5.3 поглощением
сигналов в атмосфере. В силу термодинамического равновесия среда
(атмосфера) излучает такое же количество энергии на данной
частоте, которое поглощает; соответственно
■*я.а = •*a.cp(i'a — 1)/-^а-
Как показывают расчеты, средняя термодинамическая
температура стандартной атмосферы для углов места 0 > 5° в
рассматриваемых диапазонах частот
Га.ср « Го - 32 » 260 К.
Яркостяую температуру спокойной атмосферы (без дождя) на
разных частотах можно найти, воспользовавшись значениями La из
5 5.3 (см. рис. 5.4).
Влияние осадков можно учесть по той же методике, т.е.
определить Тпл через потери в дожде £д, представленные на рис. 5.10 Хотя
ряд исследований показывает, что непосредственная корреляция
между иитенгивногтью дождя и температурой неба невелика (т.е. может
17Ь
■aof/щ
Рис. 5.21. Частотные зависимости шумовой температуры атмосферы
(с учетом дождя)
наблюдаться повышение шумовой температуры яеба из-за дождевых
туч, когда собственно дождь не выпадает), тем не менее корреляция
с многолетней статистикой дождя все же имеется-
Раздельное вычисление температур спокойного неба и дождя с
последующим их суммированием приведет к ошибке (примерно
удвоит результат), поэтому вычисление следует проводить по формуле
Тд.а — T&_cp(L&La — L)/LaLa-
(5-24)
Результаты вычислений представлены на рис. 5.21 в виде
частотных характеристик яр костной температуры атмосферы с дождем при
различных углах места; из рисунка следует, что максимальная
температура шумов неба не превышает 260 К и начинает играть
существенную роль в диапазонах частот выше 5 ГГц.
Приведенная оценка температуры атмосферы, по существу,
относится к тропосфере; радиоизлучением ионосферы в диапазоне
частот выше 1 ГГц можно пренебречь, так как поглощение в ионосфере
обратно пропорционально квадрату частоты.
Яркоотная температура Земли определяется ее кинетической
температурой Т0э = 290 К и коэффициентом отражения
электромагнитной энергии от поверхности Земли:
Гяэ = Газ(1-Ф)2
(5.25)
Комплексный коэффициент отражения определяется
известными формулами Френеля [5.1]:
для горизонтальной поляризации
ф __ sin /3 - y/t + j6QgA - cosV
sin в + у/г +j60erA-oos-:*'
(5.26)
177
для вертикальной поляризации
" (f + jeOo-A) sin 0 + v^+jeOo-A-cos^
где e — диэлектрическая проницаемость Земли; о —
электропроводимость Земля.
Значения е и а для некоторых видов поверхности приведены
в табл. 5 8.
Таблица 5.8
Вид поверхности
Морская вода
Пресная вода
Влажная почва
Сухая почва
£
80
80
5... 30
2...6
а, См/м
1...6
Ю-3 ... 5 • Ю-3
Ю-2... Ю-3
10"V..10-S
Приведенные оценки справедливы при зеркальном отражении,
тогда как на высоких частотах, где размеры отражающих
поверхностей соизмеримы с длиной волны, большой вес будет иметь
диффузная компонента, определяемая кинетической температурой
Земли и равная 290 К.
При определении величины Гя<3, входящей в (5.23) для бортовой
антенны, следует учитывать вид и характер земной поверхности,
попадающей в зону видимости этой антенны. Для бортовых антенн с
глобальным охватом следует принимать Тя э яз 260 К; для антенн с
узкими лучами Г,., может составлять 100,, .260 К.
Яркостная температура излучения атмосферы, отраженного
от Земли,
Тя.аэ = ТяафЭ
(5.27)
rtK?? rtV ЧаСТ°ТаХ ВЫШе Ш ГГц Г" * го9 = 290 К, то из
(5.Л) и (5J7) следует, что
Гяа + Гч,а., W290K,
(5.28)
т.е. отраженная от Земли кпиПпии
термодинамическое in™™™ ■£атмосФеР"ЫХ шумов дополняет
с яркостнои темПературой< б^Т^оЧГ °НН ДаЮТ "^^
Рассмотрим еще одну л™. WU h'
(5.23). обусловленную оМн^ Щу,в Шумов антенны в (5.22) и
' 'ми,еск"мн потерями в антенне:
^А-ТГ)(/.,м_1)Дм1
(5.29)
17*
Таблица 5.9
/, ГГц
Тш.а. К
0,3
10 30 60 |
0,018 0,04 0,06 0,09 0,18 0,3
где То = 290 К; 1м — потери в материале зеркала антенны.
Современные металлические зеркальные антенны имеют весьма
низкие потери, поэтому значения Гш,а весьма малы Г составляют яа
разных частотах значения, указанные в табл. 5.9 -*
Однако при использовании в спутниковых вещательных системах
земных антенн из металлизированного стеклопластика удельный вес
этих потерь может возрасти и потому подлежит практической оценке.
В некоторых случаях антенны земных станций укрывают от
воздействия осадков радиопрозрачным обтекателем. Нотери сигнала
и соответствующий прирост шумов обычно невелики и могут
практически не учитываться. Но во время интенсивных дождей на
поверхности обтекателя образуется водяная пленка, которая является
причиной заметного поглощения сигнала и возникновения вторичных
шумов. Как показывают эксперименты, при z = 1 мм/ч прирост
шумовой температуры составляет 4... 8 К, а при z = 10 мм/ч может
достигать 12. ..20 К, причем нижние пределы соответствуют малым
углам места антенны, а верхние — 0 — 90°.
5.9. Расчет шумов в каналах спутниковых
радиолиний
Все ранее сказанное позволяет выполнить расчет спутниковой
радиолинии. Будем считать, что заданы основные постоянные
величины1 , входящие в уравнение связи: диапазоны частот, высота и тип.
орбиты ИСЗ, коэффициенты усиления земных и бортовых антенн,
а также КПД волноводных трактов; заданными (применительно к
расчетам этой главы) будем считать также вид, число и параметры
передаваемых сигналов. Задача состоит в определении переменных
величин, входящих в уравнения связи (потерь энергии сигнала под
влиянием перечисленных факторов и шумов различного
происхождения), и вычислении отношения сигнал-шум на конце линии связи
(при заданных значениях мощностей земного и бортового
передатчиков) либо мощностей этих передатчиков по требуемым
отношениям сигнал-шум.
Обычно предварительный расчет проводится для односигналь-
|Ю1ч> режима (например, для передачи ТВ сигнала): при этом
определяются параметры ВЧ ствола бортового ретранслятора. Затем
Их выбирают на основе системного и технико-экономического
анализа пиво они определяются техническими параметрами оборудования.
1?9
ири нсобхсиишости передачи ТЛФ сообщений производится расчет
пропускной способности этого ствола применительно к выбранному
методу миогостанционного доступа и уточняются параметры
земного приёмопередающего оборудования. Возможно и непосредственное
определение (синтез) оптимальных параметров ВЧ ствола для
передачи ТЛФ сообщений требуемой емкости при выбранном методе
мвогостанционного доступа; для этого следует воспользоваться
материалами гл. 4 и 5,
Расчет спутниковой радиолинии в односигнальном режиме
наиболее просто проводить традиционным способом — по участкам (см.
уравнения связи (5.8) и (5.9)). При выполнении расчетов по этим
уравнениям необходимо вначале определить коэффициенты запаса
а и Ь, а также дополнительные потери сигнала I>iA<m> ^2доп и
эквивалентную шумовую температуру бортовой и земной приемных
систем Твб, Те».
Коэффициенты а и Ь находят по (5.7) на основе разумного
компромисса; обычно Ь = 1,1.. .1,2; соответственно а = 11.. .6. В
отдельных случаях, особенно для систем с малыми земными
станциями, можно принимать а = Ь — 2.
Дополнительные потери обусловлены влиянием факторов,
рассмотренных в § 5.3-5.7, и могут быть определены по формуле
£доп = ЬлЬаЬнЬц\ (5.30)
при этом должны учитываться не только количественные значения
составляющих формулы (5.30), но и их статистические
характеристики.
Значения La для разных диапазонов частот представлены на
рис. 5.4; как указано в § 5.3, эти потери постоянны и
присутствуют 100 % времени. Значение L„ определяется по рис. 5.7; эти
потери также будем считать постоянными. Потери в дожде Ьд
имеют случайный характер (см. § 5.3). Для заданной климатической
зовы они могут быть определены по формуле (5.12), а также по
рис. 5.5, 5.6, 5.8 и 5.9,
Потери из-за наведения антенны LH также имеют случайный
характер и определяются по формуле (5.15).
Далее необходимо определить Т^ь н Г^5 по формуле (5.19) с
учетом входящих в нее величин, представленных формулами (5.22) и
(5.23), а также рис. 5.20, 5.21.
Подставляя полученные значения а. 6, Lao„, Tse. 7Vj в (5.8) и
(5.9), получаем мощности земного и бортового передатчиков,
необходимые для обеспечения требуемого отношения сигнал-шум па
конце линии связи в течение заданного процента времени (например,
99 или 99.У %).
Заключительным этапом расчета энергетики спутниковых
радиолиний является пересчет полученного отношения {Рс/lJii,)s на
1К()
конце линии связи (в ВЧ канале) в НЧ канал, т.е. определеиие
отношения сигнал-шум на выходе демодулятора приемного устройства
земной станции.
При передаче ТВ методом ЧМ отношения сигнал-шум на входе
и выходе приемника связаны соотношением
(РсЛРш)вы* = {Рс/РшиВп{ЧЩВвак, (531)
где ВТ8(ЧМ) — выигрыш в отношении сигнал-флуктуадионны* шум,
обеспечиваемый ТВ-ЧМ приемником; Вв — виэометрический
коэффициент; а — выигрыш в тепловых шумах от введения линейных
предыскажений; к — 8 — коэффициент пересчета размаха
синусоидального сигнала в эффективное значение; необходимость в этом
коэффициенте обусловлена принятой методикой нормирования
отношения сигнал-шум в ТВ канале (см. гл. 3).
В свою очередь,
ВТВ(ЧМ) = l£Afm%/F^ (5.32)
где /J - пиковая девиация частоты, отведенная иа собственно ТВ
сигнал без синхроимпульсов и сопутствующих сигналов (например,
звукового сопровождения); FB — верхняя частота спектра ТВ сигнала
(точнее, верхняя частота фильтра НЧ на выходе демодулятора).
Численные значения коэффициентов Вь а а приведены в гл. 3;
для стандартной кривой линейных предыскажений, рекомендуемой
МККР, при использовании визометрического фильтра старого типа.
Вьс\ — 18,1 дБ, а при использовании фильтра нового типа Вва =
= 14,3 дБ.
Для повышения отношения сигнал-шум и улучшения условий
передачи ТВ сигнала в спутниковых каналах вводят комбинированные
(линейные и нелинейные) предыскажения сигнала; оптимальным
сочетанием линейных и нелинейных предыскажений удается
реализовать дополнительный выигрыш в отношении сигнал-шум — 2.. .4 дБ.
Важным моментом при расчетах по (5.31) и (5.32) является
выбор /д Оптимальное в смысле получения наибольшего
энергетического иыигрыша значение /д соответствует работе частотного
демодулятора приемника земной станции в области порога ЧМ (с
некоторым эксплуатационным запасом). Пороговые кривые стандартного
ЧМ демодулятора дгтя различных значений индекса частотной
модуляции т = fA/FB при условии, что Д/ш rs 2mFe. Fa = 6 МГц и
Дво = 18.1 дБ, приведены на рис. ft.22; там же построена
огибающая пороговых точек для демодулятора с улучшенными пороговыми
свойствами (с обратной связью по частоте).
181
О S 4 6 в
to 1? w w(El) уДВ
\pJax
Задавая нормируемое
значение (Ре/^ш)вых и
выбирая рабочую точку в области
порога (как показано
стрелками на рис. 5,22), нетрудно
получить ориентировочные
значения /д и (Рс/^ш)вх.
требуемые для выполнения этой
нормы. Следует отметить, что
если одновременно с ТВ
сигналом передается другая
информация, например звуковое
сопровождение или (и)
радиовещание, и на долю этой
информации отводится часть
общей девиации /д.доп, то
Д/ш * 2(/д + /д -дои) ■
Если в стволе
спутникового ретранслятора (и
земной станции) передается
только ТВ сигнал, расчет
отношения сигнал-шум в ТВ канале на этом заканчивается. Если же в
стволе передаются и другие сигналы, например звуковое сопровождение
или радиовещание, то необходимо дополнительно учитывать долю
энергетики, отводимую этим сигналам.
В большинстве спутниковых систем сигналы звукового
сопровождения и радиовешания передаются на поднесущей частоте /п.
Обычно /„ принимается такой же, как в РРЛ, т.е. выбирается одно
из значений регламентированного МККР ряда: 7; 7,36: 7,5; 8; 8.14;
8.56 МГц. При этом применяется двойная ЧМ: поднесущая /п
обычно модулируется звуковым сигналом по частоте с девиацией /я эв «
т 100 .. .500 кГц, а девиация частоты несущей сигналом поднегущей
/д.доп принимается равной 0,5. ..1,5 МГц.
В общем виде отношение сигнал-шум в канале звукового
сопровождения рассчитывается по формуле
Рис. 5.22. Пороговые кривые
телевизионного демодулятора с ХЮЧ и
эксплуатационным запасом 2 дБ (i);
стандартного (2): стандартного с запасом
-» дБ (<?)
(Pc/Pos) вых.зе — ( ' с/ "щ )бх
(5.33)
где
В,|(ЧМ)=1,5Д/иЙШпЛ»//г^
(5.34)
ка - псофометрический коэффициент (см. гл. 3).
Когда организуется одновременно /V звуковых или
радиовещательных каналов.
/л лип!; — Jааотм + /л доп'г + ■ ■ - + /д
доп jV •
(5.35)
Wl
При передаче многоканальных телефонных сообщений методом
ЧМ появляются дополяительные источники шумов, обусловленные
взаимодействием передаваемых сигналов; соответственно число
составляющих шума в ТЧ канале существенно больше, чем при
передаче телевидения.
Общее уравнение, связывающее суммарный уровень шумов в
телефонном канале с отдельными составляющими помех, можно
записать в виде
Ршк = Рщ.т + Рш.н "Ь Рш<р ""Н fliiAM—ФМ "Ь ' п "Г* ••ш.ою (5.36)
где Ршл — мощность тепловых шумов; Рш.и — мощность шумов,
обусловленных нелинейностью амплитудных характеристик; Pmv —
мощность шумов, обусловленных нелинейностью фазовых
характеристик; .Ршам-фм — мощность шумов вследствие АМ-ФМ перехода;
Рп — мощность помех со стороны соседних стволов, спутников и
систем, а также РРЛ, работающих в совмещенных диапазонах частот;
Рш.ок — мощность шумов, вносимых оконечной аппаратурой.
Количественная оценка составляющих шума применительно к
различным методам передачи телефонных сообщений и методам
многостанционного доступа может быть выполнена по материалам гл. 4.
Здесь приведем расчет лишь одной составляющей формулы (5.36) —
мощности тепловых шумов в канале Рщ.т-
Как указано в гл. 3, при нормировании ТЧ каналов
спутниковых систем на долю составляющих Р„ и Рш ок отводят 4000 пВт:
остальные 6000 пВт (из общей нормы 10 000 лВт) распределяются
между тепловыми и нелинейными шумами различного
происхождения примерно поровну. Таким образом, на долю Pffl T приходится
примерно 3000 пВт.
При передаче телефонных сигналов аналоговыми методами,
например с использованием ЧМ, мощность теплового шума в
телефонном канале ТЧ в точке нулевого относительного уровня
Ршт = 109/ВтлФ(ЧМН-п(Рс/Рш)вхй1 (5.37)
где бтлф(ЧМ) выигрыш в отношении сигнал-тепловой шум.
обеспечиваемый ЧМ приемником; кп - псофометрический коэффициент
(см. гл, 3); о — выигрыш по тепловым шумам от введения
линейных предыскажений.
Если телефонные сигналы передаются в групповом спектре (т,е,
стандартными многоканальными группами, аналогичными
принятым в наземных магистральных линиях), то
Йтлф(ЧМ) = ±/ш/'и;2АГк/1 (5.38)
IS3
в яра передаче метопом ОКН (одни канал на несущую) с
использованием частотного разделения одноканальных ЧМ радиосигналов
Вглф(ЧМ) = 1,5Д/Ш^„/^3, (5.39)
гае /s — средняя частота телефонного канала в групповом спектре;
/л. — пиковая девиация несущей частоты, приходящаяся ва один
ТЛФ канал; &Fn — полоса частот телефонного канала; FK —
высшая частота телефонного канала.
Параметры модулированного ЧМ сигнала (/д.к, /„, &FK) прв
передаче групповых спектров принимаются примерно такими же, как в
неземных РРЛ. При этом выигрыш от введения линейных
предыскажения о рассчитывается по стандартным формулам. При передаче
методом ОКН значение пиковой девиации частоты /д.к выбирается в
области порога помехоустойчивости (как при передаче ТВ), а
линейные предыскажения оптимизируются с целью получения
максимального выигрыша по тепловым шумам. В этом случае при реализации
оптимальных предыскажений совместный выигрыш от введения
предыскажений н псофометрвческого взвешивания в телефонном канале
с треугольным спектром шума кпа и 10 (10 дБ).
При передаче телефонных сообщений цифровыми методами
нормы на качественные показатели каналов задаются в виде
вероятности ошибочного приема (см. гл. 3); при этом параметры аналого-
цифрового преобразования, вид и форма кодирования определяются
применяемой каналообразующей аппаратурой.
Чтобы установить количественную связь между вероятностью
ошибки ори передаче двоичных сигналов и отвошением сигнал-шум
на входе демодулятора, удобно воспользоваться следующим
известным соотношением:
Рот - 1 - * [\/(E/No)(l-R*)] , (5.40)
где Е — энергия каждого из передаваемых двоичных сигналов (1
или 0); jV0 — спектральная плотность шума на входе
демодулятора (tfo = kTt);
1 ['
Ф{*) = --^=/ exp(-i2/2)<*r (541)
— интеграл вероятности; Я» коэффициент взаимной корреляции
передаваемых двоичных сигналов (1 и 0).
Поскольку прв двоичной передаче Е = Рст. где г —
длительность каждого из двоичных сигналов, а при оптимальном
приеме эквивалентная полоса приемника принимается Д/ш ss ]/г, то
184
(E/Na) я: (Рс/Рт)ыс В зависимости от
применяемого метода модуляции
коэффициент Я„ принимает различные
значения. Так, при амплитудной
модуляции и оптимальном выборе порога
решающего устройства RK « 1/2 и
Рош(АМ) = 1 - Ф(у/Рс/2РШ). (5.42)
При частотной модуляции (при
достаточно большом разносе частот
посылок) Дк й 0 и
Рош(ЧМ) = 1 - Ф(s/Pc/Рш). (5.43)
Рис. 5.23. Зависимость
вероятности ошибки приема
двоичных сигналов от
отношения сигнал-шум
При двоичной фазовой модуляции Дк = — 1 и вероятность
ошибки оказывается минимальной:
рош(ФМ) = 1-Ф(У2Рс/Рш).
(5.44)
Зависимости вероятности ошибки от отношения сигнал-шум,
рассчитанные по формулам (5.42)-(5.44), приведены на рис. 5.23.
Глава 6
Диапазоны частот, выделенные
для спутниковое связи и вещания,
и регулирование их использования
6.1. Общие положения
Возникновение и быстрое развитие различных систем
спутниковой связи, вещания, подвижной связи и других поставили ряд новых
проблем как международно-правового, так и технического
характера. При этом рассмотрением основополагающих вопросов правового
характера занимается Организация Объединенных Нации (ООН), а
необходимые технические правила и процедуры, регламентирующие
использование диапазона частот и позиций на геостационарной
орбите (ГО), вырабатываются специализированным учреждением ООН
— Международным союзом электросвязи (МСЭ).
Еще в 1961 г. Генеральная ассамблея ООН указала, что, «как
только это будет практически осуществимо, связь с помощью
спутников должна стать доступной всем государствам на всемирной основе,
исключающей дискриминацию» [6.1].
В 1968 г. в Вене состоялась I Конференция ООН по
исследованию и использованию космического пространства в мирных целях,
на которой, в частности, затрагивались и вопросы, связанные с ГО.
Вторая такая конференция ООН, состоявшаяся в 1982 г.,
подтвердила необходимость продолжения сотрудничества всех стран в этом
вопросе [6.2].
Роль ООН в международном регулировании организации
спутниковой связи и использования ГО связана г тем, что всякая
космическая деятельность должна осуществляться в соответствии г
международным правом и Уставом ООН. Это положение отражено в
«Договоре о принципах деятельности государств по исследованию и
использованию космического пространства, включая Луну и другие
небесные тела», 1967 г., содержащем такие нормы, как запрещение
национального присвоения частей космического пространства,
свободный доступ каждого государства ко всем районам и др. [6.3]. Все
чти принципы должны учитываться и при определении правового па-
lyca состациоыарноП орбиты, выработкой которого занимается
Комитет ООН по использованию космического пространства в мирных
целях, состоящий из членов ООН. представляющих неосновные г«ч>-
i расрич'-ские районы мира и политические государственные системы.
18(>
В основополагающем документе МСЭ — Уставе, принятом на
Полномочной конференции МСЭ в Женеве в 1992 г., содержится
специальная статья «Рациональное использование спектра
радиочастот и орбиты геостационарных спутников» (Статья 44). Пункт 196
этой статьи гласит: «При использовании полос частот для
радиосвязи Члены Союза должны учитывать то, что радиочастоты и
орбита геостационарных спутников являются ограниченными
естественными ресурсами, которые надлежит использовать рационально,
эффективно и экономно, в соответствии с положениями Регламента
радиосвязи, чтобы обеспечить справедливый доступ к этой орбите и
к этим частотам разным странам или группам стран, с учетом
особых потребностей развивающихся стран и географического
положения некоторых стран» [6.4].
Впервые вопрос использования полос частот для космических
радиослужб рассматривался в МСЭ уже через два года после
запуска в СССР первого искусственного спутника Земли на
Административной конференции радиосвязи 1959 г., которая распределила часть
спектра радиочастот для службы космических исследований на
вторичной основе (т.е. на основе непричинёния помех первичным
службам); Никаких специальных процедур заявления или регистрации
частот для спутниковых служб зга конференция не установила.
В 1963 г. Чрезвычайная административная конференция
радиосвязи распределила новые полосы частот для космической
радиосвязи и впервые разработала специальные процедуры их использования,
предусматривающие координацию земных станций с наземными ра-
дмосредствами и регистрацию в Международном комитете
регистрации частот (МКРЧ) Международного союза электросвязи частотных
присвоений космических и земных станций. На ВАКР-71 была снова
изменена таблица распределения полос частот в сторону
дальнейшего расширения полос частот для спутниковых служб. Впервые
были выделены полосы частот для спутниковой вещательной службы,
которые должны использоваться на основе международных планов
(Резолюция JV* Косм. 2-2. Относительно установления соглашений и
соответствующих планов для радиовещательной спутниковой
службы} и при условии отсутствия облучения территории любой другой
страны без ее предварительного согласия, за исключением
технически неизбежных случаев. Были разработаны и введены в Регламент
радиосвязи процедуры предварительной публикации и координации
частотных присвоений спутниковых сетей, использующих
геостационарную орбиту.
На ВАКР-77 был разработан первый план вещательной
спутниковой службы в диапазоне 11.7-12,5 ГГц в Районе 1 и 11.7. .12.2
ГГц в Районе 3 [6.5]. На этой же конференции были выработаны
критерии гоьместного использования частот радиослужбами всех трех
районов- и принципы планирования радиовещательной спутниковой
1.47
глужбы Района 2, которое было рекомендовано провести на
последующей Региональной конференции.
В 1979 г. состоялась Всемирная административная конференция
радиосвязи по пересмотру Регламента радиосвязи, которая уделила
большое внимание вопросам использования полос частот и
геостационарной орбиты. Конференция пересмотрела таблицу
распределения полос частот, существенно уточнив процедуры координации и
регистрации, подтвердила принцип равного права всех стран на
использование геостационарной орбиты и полос частот,
распределенных для служб космической радиосвязи (Резолюция № 2 [1]). Кроме
этого, была принята Резолюция № 3 относительно созыва В АКР по
использованию геостационарной спутниковой орбиты и
планированию спутниковых служб, использующих ее.
В 1983 г. на РАКР Района 2 был разработан план частотных
присвоений и орбитальных позиций для спутниковой вещательной
службы Района 2 в диапазоне 12,2... 12,7 ГГц (линия Космос-Земля)
и план для линий подачи программ в полосе 17,3... 17,8 ГГц.
Наконец, в 1985 г. состоялась первая, а в 1988 г. вторая
сессия Всемирной административной конференции радиосвязи (ВАКР
ОРБ 1), рассмотревшая пути дальнейшего усовершенствования
способов регулирования использования геостационарной орбиты и полос
частот, распределенных для спутниковой службы с целью
обеспечения гарантированного равноправного доступа всех стран к
геостационарной орбите, и составившая план для фиксированной
спутниковой службы и план для фидерных линий спутниковой вещательной
службы в Районах 1 и 3.
Решения, принимаемые на административных конференциях,
основывались на подготовительной работе, проводимой как
администрациями стран-членов МСЭ, так и Международным
консультативным комитетом по радио (МККР), в исследовательских комиссиях
которого разрабатывались соответствующие технические
рекомендации, публикуемые в материалах пленарных ассамблей МККР,
проходивших регулярно с интервалом 4. . .5 лет. После 1992 г. согласно
реформам, проведенным Дополнительной полномочной конференцией
МСЭ, был создан Сектор радиосвязи МСЭ, в рамках которого
проходят регулярные (раз в два года) Всемирные конференции радиосвязи
и Ассамблеи радиосвязи, заменившие ВАКР и Пленарные ассамблеи.
Согласно действующему в настоящее время Регламенту
радиосвязи любое частотное присвоение для земной или космической
станции подлежит регистрации в МСЭ, «если использование1 данной ча-.
стоты может причинить вредные помехи какой-либо службе другой
администрации, или если частота должна быть использована, для
международной связи, или если желательно формальное
международное- признание использования ътой частоты». Отсюда следует,
\НН
что практически все спутниковые системы должны регнстрмромггь-
ся. В процессе регистрация проводится проверка совместимости
заявляемых новых систем с уже работающими или заявленными ранее.
При этом на сегодня известны и используются в МСЭ два
принципиально различных подхода для обеспечения удовлетворения потребво-
стей стран в спутниковых системах при одновременном обеспечении
их ЭМС; 1) постепенное наращивание загрузки полос частот и
геостационарной орбиты, основанное на международной координации,
и 2) разработка международных планов априори для использования
отдельных полос частот какой-либо спутниковой службой.
Несмотря иа то что в рамках МСЭ уже имеется опыт
применения обоих подходов, обоснованный выбор принципа
международного регулирования для конкретной спутниковой службы в заданном
диапазоне частот все еще является сложной задачей, зависящей от
целого ряда политических, правовых, технических, экономических
и других факторов.
Сравнительный анализ двух подходов, их применимость для той
или иной спутниковой службы и диапазона частот, а также
рассмотрение возможных вариантов их реализации и являются одной из
задач последующих параграфов данной главы.
6.2. Распределение полос частот между
службами
Распределение полос частот между различными службами
радиосвязи проводится МСЭ на конференциях радиосвязи1 на базе
исследований, проводимых в странах-членах МСЭ и представляемых в
исследовательские комиссии сектора радиосвязи.
Основным международным документом, регламентирующим
использование частот, является Регламент радиосвязи [1], содержащий
Таблицу распределения полос частот между службами, отдельные
технические ограничения, накладываемые при совместном
использовании частот различными службами, процедуры координации
систем, а также правила регистрации частотных присвоений в Бюро
радиосвязи МСЭ.
Таблица распределения частот Регламента радиосвязи содержит
записи полос частот для использования определенными
радиослужбами в пределах 9 кГц.. .275 ГГц. Таблица состоит из трех столбцов,
каждый из которых соответствует одному из трех Районов, На ко№
рые разделен земной шар в отношении распределения полос частот:
Район 1 — Европа, Африка, территория бывшего СССР и МНР.
Район 2 — Северная и Южная Америка; Район 3 — Азия, Океания и
Австралия. (Более точные определения и границы Районов даны в
До 1992 г. па административных конференциях.
I&J
•егламвнте радиосвязи [1].) В этой таблице содержатся полосы,
выделенные для ряда служб космической радиосвязи, в том числе дгтя
риксиров&нной спутниковой, межспутниковой, космической
эксплуатации, сухопутной, морской, воздушной подвижной спутниковой, ра-
шонавигадяовной спутниковой, радиовещательной спутниковой, ис-
•ледовання Земли и ряда других служб.
Ниже приведены полосы частот, распределенные согласно
Регламенту радиосвязи между фиксированной (табл. 6.1),
радиовещательной (табл. 6.2) и подвижной (табл. 6.3) спутниковыми службами.
Для межспутниковой службы, т.е. службы радиосвязи,
обеспечивающей связь между искусственными спутниками Земли,
выделены следующие полосы частот, ГГц: 22,55...23,55; 32...33;
54,25 58,2; 59...64; 116..Л34; 170... 182; 185... 190.
6.3. Международная координация
использования частот спутниковыми
системами
В настоящее время практически все существующие спутниковые
системы различных администраций, использующие геостационарные
ИСЗ, были согласованы между собой в результате применения
процедуры международной координации в соответствии со Статьей 11
Регламента радиосвязи [1].
Кроме процедуры статьи 11 действуют также процедуры
Резолюции 33 для систем спутникового вешания и Резолюции 46 для систем.
использующих ретрансляторы на низколетящих спутниках. Все эти
документы от.ггичаются в деталях, однако весьма близки в основных
принципах. Поэтому ограничимся описанием наиболее часто
применяемой процедуры статьи 11, которая имеет несколько стадии и
включает предварительную публикацию и определение
необходимости координации с системами других администраций, координацию
и регистрацию частотных присвоений и орбитальных позиций в
Бюро радиосвязи (БР) (рис. 6.1).
Координация должна проводиться с частотными присвоениями
других администраций, которые находятся в одной и той же
полосе частот, что и планируемое присвоение, записаны в справочный
регистр БР или уже являются предметом координации. Процедура
координации может быть начата через шесть месяцев поело4
предварительного опубликования. При этом заявляющая новую систему
администрация направляет запрос на координацию
администрациям, приславшим свои замечания после предварительной публикации.
При запросе на координацию администрация должна послать
сведения о сигтеме. перечисленные в Приложении 3 Регламента
радиосвязи [I] Копия --.того запроса направляется в БР для опубликования.
I МО
Таблица Б.1
Полосы частот фиксированной спутниковой службы
Космос-Земля
2500... 2690 МГц (Район 2)
2500... 2535 МГц (Район 3)
3400... 4200 МГц
4500... 4800 МГц
7250... 7750 МГц
10,7... 11,7 ГГц
11,7... 12,2 ГГц (Район 2)
12,2... 12,5 ГГц (Район 3)
12,5. ., 12,75 ГГц (Районы 1 и 3)
17.7., 21,2 ГГц
37,5... 40,5 ГГц
81. ..84 ГГц
1112... 105 ГГц
149... 164 ГГц
2.31... 241 ГГц
Земля-Космос
2655... 2690 (Районы 2яЗ)
5725... 7075 МГц (Район 1)
5850,.. 7075 МГц (Районы 2 и 3)
7900... 8400 МГц
10,7... 11,7 ГГц (Район 1 только для
фидерных линий к радиовещательным
спутникам, работающим в полосе
около 12 ГГц)
12,5. ..12.75 ГГц (Район 1)
12,7... 12,75 ГГц (Район 2)
12,75... 13.25 ГГц
13,75... 14,5 ГГц
14,5. .'.14,8 ГГц (только для
фидерных линий к радиовещательным
спутникам, работающим в полосе около
12 ГГц для стран вне Европы)
17,3.... 18,1 ГГц (только для фидер- *
ных линий к радиовещательным
спутникам, работающим в полосе около
12 ГГц)
24,75... 25,25 ГГц (Районы 2 и 3)
27... 27,5 ГГц (Районы 2 и 3)
27,5. ..31 ГГц
42.5. ..43.5 ГГц
49,2... 50.2 ГГц
47,2.. .49,2 ГГц (только для
фидерных линий к радиовещательным
спутникам, работающим в полосе
40,5...42,5 ГГц)
50,4... 51,4 ГГц
71,0... 75.5 ГГц
92...95 ГГц
202... 217 ГГц
265... 275 ГГц
Примечание к табл. 6.1. Если в табл. 6.1 не указан Район, это
означает, что данная полоса ьыде лена для фиксированной спутниковой
службы на всемирной основе. Все полосы частот распределены
фиксированной спутниковой службе на совмещенной основе с другими
службами; полос, распределенных на исключительной основе, нет. В связи С
чтим п Регламенте радиосвязи определены условия совместного ncnoib-
ювания полос частот. *
191
Т а б л и
Полоса частот
радиовещательной
спутниково» сякаи
МО... 790 МГц1
U52... 1492 МГц*
2520...2670 МГц3
11,7... 12,5 ГГц*
11,7... 12,2 ГГц*
Район
1,2,3
1,2,3
1,2,3
1
3
Полоса частот
радиовещательной
спутниковой связи
12.2.. -12,7 ГГц*
12,5... 12,75 ГГдв
22,5... 23 ГГцт
40,5... 42,5
84... 86
Примечания
_ к табл. 6.2. Можно использовать для систем спут-
■мового телевизионного вещания с частотной модуляцией при условии
согласия заинтересованных администрации. Такие системы не должны со-
здавать плотность потока мощности у поверхности Земли, на территории
других стран, большую -129 дБВт/м* для углов прихода, меньших 20е.
* Использование полосы ограничено системами звукового цифрового
вещания на условиях, изложенных fr Резолюции 528 (ВАКР-92).
л Использование полосы для спутниковой вещательной службы огра-
клчево национальными или региональными системами для коллективного
приема при условии предварительного согласования с заинтересованными
администрациями. В ряде стран, включая Россию, полоса 2535... 2655 МГц
также распределена для звукового спутникового вещания на условиях,
изложенных в Резолюции 528 (ВАКР-92).
4 Должны использоваться в соответствии с планом, примятым В АКР
19Т7 г.
* Должна работать в соответствии с планом, выработанным на
Региональной конференции 1983 г. с учетом изменений, принятых на ВАКР-
ОРБ 1985 г.
Ограничена системами коллективного приема с плотностью потока
мощности у поверхности Земли —111 дБВт/м ,
Использование разрешено при условии предварительного
согласования с заинтересованными администрациями.
Регламент радиосвязи предусматривает сроки подтверждения
получении запроса на координацию и проведения координации, а
также возможность обращения за помощью к БР.
В процессе координации администрации должны более точно
оценить уровни возможных помех и принять обоюдные шаги к
решению проблемы. При необходимости могут быть рассмотрены
возможные изменения позиций ИСЗ. согласование параметров передаваемых
сигналов, параметров антенн, мощностей передатчиков и т.д.
Техническая процедура координации, заключающаяся в более
точной оценке возможных помех и выработке необходимых условий,
в настоящее время Регламентом радиосвязи не оговорен;!. На
практике при координации систем основываются на материалах МККР
по нормам и методике расчета уровня помех или на других таи-'
««согласованных критериях.
Ш
Таблица 9 3
Полоса частот
подвижной
спутниковой службы
137... 137,825 МГц
148... 149,9 МГц
149.9... 150,05 МГц
235, ,.322 МГц2
335,4... 399,9 МГц3
400,15. ..401 МГц'
406... 406,1 МГц4
1525.., 1530 МГц
1530... 1533 МГц
1533. ..1544 МГц
1544.., 1545 МГц
1545..1555 МГц
1555... 1559 МГц
1610. ..1626,5 МГц*
1626,5. .1631,5 МГц
1631,5... 1634,5 МГц
1634,5... 1645.5 МГц
1645,5... 1646,5 МГц
1646,5... 1656.5
МГц5
1656.5... 1660.5 МГц
1970... 1980 МГц9
1980. .2010 МГц9
2160. .2170 МГц9
2170 ?.Ш МГц9
2483,5. ..2521) МГц9
2670... 2690 МГц9
7250. .,7375 МГц
7900... 8025 МГц
19.7... 20,1 ГГц10
20,1... 21,2 ГГц
Направление0
Космос-Земля'
Земля-Космос1
Земля- Космос
—
—
Космос-Земля
Земля-Космос
Космос-Земля
Вид службы
Подвижная спутниковая
То же
Сухопутная подвижная
Подвижная спутниковая
—
Подвижная спутниковая
То же
Морская подвижная спутниковая
Космос-Земля Морская и сухопутная
подвижная спутниковая
То же
W
Я
•п
Земля-Космос
То же
7»
тч
•*
Я
я
Ч
1*
Космос-Земля
То же
л
Земля-Космог
Космос-Земля
Земля-Космос
Космос-Земля
То же
Морская подвижная спутниковая
Подвижная спутниковая
Воздушная подвижная
спутниковая (R)1
Сухопутная подвижная
спутниковая
Подвижная спутниковая
Морская подвижная спутниковая
в Районе I. Подвижная
спутниковая в Районах 2 и 3
Морская и сухопутная
подвижная спутниковая
Морская подвижная спутниковая
Подвижная спутниковая
Воздушная подвижная
спутниковая (R)
Сухопутная подвижная
спутниковая
Подвижная спутниковая в Райо-
не z
Подвижная спутниковая
Подвижная спутниковая в Районе
■1
Подвижная спутниковая
То же
ч
*•
.-.
ч»
им в
ПК)
Окончание табл. £.<?
(7Р [
Полоса частот
подвижной
спутниковой службы
2^.5... 30 ГГи™
3D... 31 ГГц
ЗЬ,5... 40,5 ГГц
4р,5.., 47 ГГц
66... 71 ГГц
7^...74 ГГц '
в|...84ГГц
9Ь...10иГГц
1М... 142 ГГц
1W-..200 ГГц
2f2... 265 ГГц
Направление
Земля-Космос
То же
Космос-Земля
—
—
Земля-Космос
Космос-Земля
—
—
—
—
Вид службы
Подвижная спутниковая
То же
."-
_»_
w_
«
■'-
Примечания к табл. 6.3.
^ Использование полос 137... 138 МГц,
14^... 149.9 МГц, 149,9. ..150,95 МГц ц 400,15.. 401 МГц ограничено не-
геЪстационарцымн спутниковыми системами на условиях координации по
Резолюции 46 (ВАКР-92). Полоса 137,825... 138 МГц распределена на вто-
рчЧной основе.
i 2 При условии предварительного согласования с заинтересованными
администрациями.
я Полосы 312... 315 МГц (Земля-Космос) и 387... 390 МГц (Космос-
Зфяля) могут также использоваться негеостационарными системами.
j * Для радиомаяков, определяющих место бедствия, при
использовании мощности не более 5 Вт.
| '* Частоты, распределенные для воздушной подвижной спутниковой
сдК-жбы (R). резервируются для связи между любым воздушным судном и
теми станциями воздушной службы, которые в первую очередь
предназначены для обеспечения безопасности н регулярности полетов на внутренних
и международных линиях гражданской авиации.
0 Неуказанное направление означает возможность использования
нотисы частот для обеих линий.
' ' Все приведенные полосы частот распределены на всемирной
основе, если не указано иное.
' На условиях координации по Резолюции 46 (ВАКР-92) с ограни-
пгями параметров но пункту 73] Е Регламента радиосвязи.
Полоса: 1613.8... 1626 МГц также в направлении Космос-Зем.чя на вторичной
основе.
9 Использование полос частот 1970... 2010 МГц. 2160. ..2200 МГц,
2-410..-2520 МГц и 2Ь70. ...'690 МГц не должно начаться до 2U0.5 г. на
условиях координации по Резолюции ЛЬ (ВАКР-92).
10 На вторичной основе в Районах J u t и на первичной основе и
Районе 2.
Ш
Предварительная публикация информации в
система по ферме Првоюженин 4 Регламент» рдоосшпи
(не ранее чем за шесть лет и не позднее чем а» дм
года до планируемой дети мода • эксплуатацию)
Получены
замечании от администрации (в i
""ние 4 мес. со дни публикации предвари1
„тельной информации е еженедельном^
циркуляре БР
Отчет ■ ЕР о преодолении трудностей
(черва 4 мес, в затем каждые 6 мес)
Запрос на координацию по форме Приложения 3
Регламента радиосвязи администрациям, зам»
чання которых не сняты, и «опия «проса а БР для
опубликования [через 6 мес. после
предварительная публикации) ^^
__ Дало согласие
на координацию (в течение 4 мес.
со дня публикации запроса ►
координацию].
Гнет
№
Заика на регистрацию частотны» приставши (не
ранее чем за три года до д планирование!*, даты
ввода* экгмуэтзомю)
I
Регистрация а Международном справочном
регистре с примечанием о •
пара итере:
Система
введения а эксплуатацию а аалла-
иироаэнный сро*
Подтверждение в БР
ваодав
эксплуатацию в течение
30 дней после эапла-
иироынноАдаты
Просьба * 6Р об
отсрочке дат ввода •
эксплуатацию (в
исключительней случаях на срок
до трех лет]
Исключение
примечания
о временном
характере
«алией
Обращение за помощью в SP с просьбой
о проведении координации
БР исключает запись
цаетатноп] присвоения
иэ Справочного
регистра (после
консультации с администрацией)
ч
Риг.- 6.1. Структурная схема регистрации спутниковых систем
Отмстим, что принятая в 1971 г. Резолюция 2 [1] относительно
использования всеми странами иа равных правах полос частот для
служб космической радиосвязи определяет, что регистрация МСЭ
частотных присвоений для служб космической радиосвязи и их исполь-
зоиание не должны давать никакого постоянного приоритета
никакой отдельной стране или группе стран и не должны препятствовать
созданию и развитию космических систем связи другими странами.
Поэтому обязанностью обеих сторон, участвующих в координации,
является нахождение взаимоприемлемого решения.
Рассмотрим отдельные стадии процесса координации и
регистрации более подробно.
Предварительная публикация и определение необходимости
координации
Администрация, намеревающаяся создать спутниковую систему,
должна не ранее чем за шесть лет и предпочти тел ь но не позднее чем
за два юла до планируемой даты ввода в действие спутниковой
сечи послать в Вюро радиосвязи для опубликования в еженедельном
циркуляре информацию, перечисленную в Приложении 4 к
Регламенту радиосвязи [I]. "Зта информация должна содержать данные об
IM
орбите ИСЗ, сведения о зонах обслуживания, диапазон частот,
максимальную спектральную плотность мощности (Вт/Гц), подводимую
к антеннам земных и космических станций, диаграммы
направленности антенн, а также шумовые температуры приемников,
эквивалентную шумовую температуру линии и т.д. При этом для случая
применения простых ретрансляторов с переносом частоты на
космической станции указывается минимальная эквивалентная шумовая
температура линии Та и связанное с ней значение коэффициента
передачи (f) между выходом приемной антенны космической станции
и выходом приемной антенны земной станции. Для этого случая
Тл = Гм + 7ДГ!ге1 (6.1)
где Тл — эквивалентная шумовая температура линии; Гзс — шумовая
температура приемника земной станции (ЗС), пересчитанная к
выходу приемной антенны ЗС; АТКС — шумовая температура приемника
ИСЗ, пересчитанная к выходу приемной антенны ИСЗ.
Если после изучения этой информации, опубликованной в
еженедельном циркуляре БР, какая-либо администрация сочтет, что ее
существующим или запланированным службам могут быть созданы
недопустимые помехи, она должна в течение четырех месяцев после
даты опубликования в еженедельном циркуляре указанной
информации послать свои замечания заявляющей администрации.
После получения замечаний от других администраций о
возможности возникновения вредных помех заявляющая администрация
должна приложить все усилия, чтобы попытаться преодолеть любые
трудности и одновременно удовлетворить свои потребности.
В то же время Резолюция 2 [1] относительно использования
всеми странами на равных правах полос частот для служб космической
радиосвязи определяет, что регистрация МСЭ частотных присвоений
для служб космической радиосвязи и их использование не должны
давать никакого поггоянного приоритета никакой отде.пьной стране
или группе стран и не должна препятствовать созданию и развитию
космических систем связи другими странами. Поэтому обе стороны
обязаны найти взаимоприемлемое решение в процессе» координации,
если она необходима. При этом координация должна проводиться с
теми частотными присвоениями, которые находятся и той же полосе
частот, что и планируемое присвоение, соответствуют таблице
распределения частот, записаны в справочный регистр или уже
являются предметом координации.
Для определения необходимости координации с какой-либо
системой проводится упрощенная оценка возможных взаимных помех
между системами, заключающаяся в расчете кажущегося
увеличения эквивалентной шумоной температуры спутниковой линии,
вызванного помехами, и последующем сравнении полученного значе-
J9fi
имя, выраженного в процентах, с пороговым эначеняем.
определенным Регламентом радиосвязи. Важно отметить, что анализируются
помехи в обоих направлениях, т.е. помехи как создаваемые
заявляемой системой, так и испытываемые ею. Превышения порогового
значения приращения эквивалентной шумовой температуры линии в
любой из анализируемых систем достаточно для заключения о
необходимости координации.
При расчетах приращения эквивалентной шумовой температуры
линии необходимо рассмотреть два возможных случая,- 1) обе
системы совместно используют одну или несколько полос частот, причем
направления передачи в совпадающих полосах в обеих системах
совпадают; 2) обе системы совместно используют одну или
несколько полос частот, причем передача в совпадающих полосах ведется
в системах в противоположных направлениях (реверсаое
использование частот).
В наиболее общем первом
случае (рис. 6.2), когда в
системе используют простые
ретрансляторы с преобразованием
частоты, приращение эквивалентной
шумовой температуры линии
может быть определено из
выражения
ДГЛ = ДГЖ- + 7ДГ1[С1 (6.2)
где Тзс — увеличение
шумовой температуры приемной
системы земной станции (ЗС) на
выходе приемной антенны (К); Д?1^
— увеличение шумовой
температуры приемной системы космиче- „„„ :£.»«,?£'J£j»ail!^y ,Ф,Фав*е~
- • ' ния эквивалентной шумовой темпе-
ской связи на выходе приемной ратуры
антенны (К); ■) — коэффициент
передачи спутниковой линии между выходами приемной антенны
космической станции и приемной антенны ЗС. его значение обычно
меньше единицы и характеризует степень влияния помех,
создаваемых на ли пин Земля-спутник.
Подробнее можно записать
АГКС = Я™6'эм(0, )GKC(*)/*Iu. (6.3)
Д7\г = Ркм<м<м('/К7,с(0| )/*£,*. (6.4.)
w f*KM, Рэм — максимальная плотность мощности в полосе 1 Гц.
усредненная в наихудшей полисе 4 кГц для несущих ниже 15 ГГц
197
и в полосе 1 МГц для несущих выше 15 ГГц, подводимая к
антеннам мешающего спутника и мешающей земной станции
соответственно; Guu{r)) — усиление передающей антенны мешающего спут-
ниха в направлении ЗС, подверженной помехам; Сзс(0«) —
усиление приемной антенны ЗС, подверженной помехам, в направлении
на мешающий спутник; Gw(0t) — усиление передающей антенны
мешающей ЗС в направлении на спутник, подверженный помехам;
Gmc{B) — усиление приемной антенны спутника, подверженного
помехам, в направления на мешающую ЗС; Jb — постоянная Больцмана
(1,38-10~33 Вт/(Гц-К)); Lu, La — потери на передачу в свободном
пространстве на линии Земля-спутник и спутник-Земля соответственно;
$t — топоцентрический угловой разнос между спутниками с учетом
допусков на удержание спутников по долготе.
Потери в децибелах при передаче в свободном пространстве
L = 20(lg/ + lgd) + 32,45, (6.5)
где / — частота, МГц; d — расстояние, км.
Расстояние между ЗС и геостационарным спутником
d = 42 6440 -0,2954cosФ, (6.6)
где cos^i = cos y> cos ДА1; <р — широта ЗС; ДА — разность по
долготе между спутниками и ЗС.
Топоцентрический угловой разнос между двумя
геостационарными спутниками для данной ЗС
/rf?+ ^-(84 322^(^/2))^
*'=агссоч ад ;• (6J)
где di и da — расстояния (в километрах) от ЗС до обоих спутников
соответственно, вычисляемые по (6.6); 9S — геоцентрический
угловой разнос между спутниками.
Коэффициенты усиления бортовых антенн определяют из
соответствующих заявочных характеристик, предоставляемых
администрациями.
Коэффициенты усиления антенн земных станций могут
определяться либо по реальным измеренным характеристикам, либо иа
базе соответствующих рекомендаций МККР. В тех случаях, когда
такая информация отсутствует, и Регламенте радиосвязи
рекомендуется пользоваться следующими справочными диаграммами
направленности.
'Если cost/1 < 0, J 51 г то спутник находится пол п юскостыо гориюп-
та и не виден с данной ЗС
1°-8
а) для D/X > 100 {максимальное усиление более 48 дБ)'
[ G(9) = Gmax - 2,5 • IQ-49D/X)2 при 0 < 9 < 9т,
I G(9)-Gi при0т <9<9Г,
I G(6) = 32 - 25 lg(0) при 9г $ 9 < 48е,
1с(0) = -Ю при 48° ^ 9 < 180°,
где D — диаметр антенны; А — длина волны; 9 — угол (в градусах),
отсчитываемый <вт оси антенны, равный 9Х или 9а в зависимости от
случая; G\ = 2 + 151g(D/A) — усиление антенны в направлении
максимума первого бокового лепестка диаграммы направленности;
вт = (20X/D)s/Gmax-Gl, град.; вг = 15,85(Д/АГ°'5, град.;
б) для D/X < 100 (максимальное усиление менее 48 дБ)
( G(9) = Gm„ - 2,5 - 1О-3(0£>/А)2 при 0 < в < вт,
G(9) = G'i при 9т < $ < 100А/Д
G(9) = 52 - 101g(£>/A) - 25lg{0) при 100A/D < 9 < 48°,
,G(9) = 10-10lg(£>/A) при 48° $0< 180°.
Если на борту спутника модуляция изменяется или если
передача исходит с борта спутника, то увеличение шумовой температуры
сопоставляется с общей шумовой температурой конкретной
рассматриваемой линии (космической или земной станции соответственно).
В этом случае эквивалентная шумовая температура всей
спутниковой .пинии и усиление передачи ■> не используют, а значение АТзс
и ДТКС рассматривают отдельно.
Во втором случае, когда системы используют одну и ту же
полосу частот при передаче в противоположных направлениях,
анализируются только помехи между спутниками, а помехи между земными
станциями должны рассматриваться в процессе координации,
аналогичном координации земных и наземных станций.
В этом случае
ДГЛ = 7ЛГКС (6.8)
или
ДГл = 7РкМ6'км(»?)Скс(*)/Нс, (6.9)
где (7км('7) — усиление передающей антенны мешающего спутника в
направлении на спутник, подверженный помехе: Скс(д) — усиление
'Если D/X нг дано, можно пользоваться формулой 20lg(D/X) =
= ("'так - 7,7.
19У
приемной антенны спутника, подверженного помехе, в направлении
на мешающий спутник; Lc — потери на передачу в свободном
пространстве на межспутниковой линий, определяемые по (6.5) в
результате подстановки расстояния между спутниками dc = 84 322sin(^/2).
Если известны сведения об используемой в системах
поляризации, то может быть учтена дополнительная поляризационная
развязка V. Тогда в первом случае
ДГл1 = ДТ*./Ъ + 7ДГКС/Уи, (6.10)
а во втором случае
ДГла=7ДГкс/Уе. (6-11)
В отсутствие точных данных поляризационная развязка в (6.10)
и (6.11) определяется согласно табл. 6.4.
Таблица 6.4
Поляризация системы
полеэнов
Левосторонняя круговая
То же
Правосторонняя круговая
Левосторонняя круговая
Правосторонняя круговая
Линейная
мешающей
Правосторонняя круговая
Линейная
То же
Левосторонняя круговая
Правосторонняя круговая
Линейная
Коэффициент
развязки по
поляризации
4
1,4
1.4
1
1
1
При расчетах ДТ для каждой спутниковой приемной антенны
той сети, которая испытывает помехи, следует определить наиболее
неблагоприятно расположенную передающую земную станцию
мешающей спутниковой сети наложением зон обслуживания в
направлении Земля-Космос мешающей сети на контуры усиления приемной
антенны космической станции, нанесенные на карту поверхности
Земли. Наиболее неблагоприятно расположенной передающей земной
станцией яааяется такая станция, в направлении которой усиление
приемной антенны спутника сети, испытывающей помехи,
оказывается наибольшим. Аналогично необходимо определить наиболее
неблагоприятно расположенную земную станцию для каждой зоны
обслуживания в направлении Космос-Земля.
Выраженное в процентах вычисленное значение Д7\,/7'л
необходимо сравнить с пороговым значением 6 %. Если вычисленное
значение не превышает порогового, то координация не требуется.
В случае помех только в одной линии, т.е. ь линии вверх млн
вниз, выраженное в процентах значение АТЗС/Т^ или АТКС/ТКС
необходимо сравнить с пороговым значением 6 %. В случае помех и
200
в ливии вверх, и в линии вниз, между которыми на борту спутника
изменяется модуляция, необходимо сравнивать выраженное в
процентах каждое из значений ДГКС/ГКС я ДГ^/Г*; с пороговым
значением 6 %. Если хотя бы одно из рассчитанных значений для одной
из взаимодействующих систем превышает пороговое, то координация
между системами необходима.
Пример расчета. Рассматриваются две одинаковые
спутниковые системы, каждая из которых имеет ретранслятор с простым
переносом частот и антенны глобального покрытия. Предполагается, что
все топоцентрические углы 9t —5°. При таком разносе для антенны
земной станции с D/X > 100 в соответствии с эталонной диаграммой
32 - 251g0« усиление равно 14,5 дБ в направлении спутника другой
сети. Принятые исходные данные для расчета даны в табл. 6.5.
Таблица 6.5
Линия передачи
Земля-Космос на
частоте 6175 МГц
Космос-Земля на
частоте 3950 МГц
Примечание: 10 lg
Условные обозначения
параметра линии
Р,ы
С.(».)
G,c(6)
Р.м
GK„(4)
Сгзс
7 = 15 дБ, Т = 105 К.
Значение параметра
-37 дБ(Вт/Гц)
14,5 дБ
15,5 дБ
200 дБ
-57 дБ(Вт/Гц)
15,5 дБ
14,5 дБ
196 дБ
Поскольку в обеих системах предполагается использовать
глобальные антенны, то практически нет разницы в уровнях между
полезным и мешающим сигналами, которую можно было бы иметь за
счет диаграммы направленности бортовой антенны, и это является
худшим случаем.
Из (6.3) ДГКС = Рзм + Сэм{9) + GKC(c) + 228,6 - Lu = -37 + 14,5+
+ 15,5 + 228,6 - 200 = 21,6 дБК. Следовательно, ДГКС = 145 К Из
(6.4) Д'ГЗС = Pkm+GKm(»7) + G,c(0,) + 228,6 -Ld= 15,5 + 14,5 + 228.6-
-196 = 5.6 дБК. Следовательно. ДГ^ = 3.6 К. Из (6.1) ЛТП =
= Тж + ",ЛТК, =3,6 + 0,032 • 145 = 8,2 К. Отсюда ДГ/Г • 100 = (8.2х
х100)/105 = 7,8 %. Полученное значение 7,8 % превышает пороговое
б %. те. между рассматриваемыми сетями координация необходима.
Так как в примере рассмотрены системы с одинаковыми
параметрами, то полученный результат характеризует уровень
возможных помех в обеих системах. В реальных условиях расчет повторяют
в направлении другой системы.
201
Процедура координация может быть начата через шесть месяцев
после даты выпуска еженедельного циркуляра, содержащего
сведения для предварительного опубликования. При этом заявляющая
новую систему администрация направляет запрос на координацию тем
администрациям, замечания которых были получены после
предварительной публикации. При запросе на координацию администрация
должна послать сведения о системе, перечиспенные в Приложении 3
Регламента радиосвязи. Одновременно указанная информация
направляется в Бюро радиосвязи с перечнем администраций, которым
был направлен запрос, и публикуется в еженедельном циркуляре.
Регламент радиосвязи предусматривает сроки подтверждения
получения запроса на координацию, проведения координации и
возможность обращения за помощью в БР.
В процессе координации администрациями при необходимости
могут быть рассмотрены изменения позиций ИСЗ, согласование
параметров передаваемых сигналов, параметров антенн, мощностей
передатчиков и т.д. Техническая процедура координации,
заключающаяся в более точной оценке возможных помех и выработке
необходимых условий, в настоящее время Регламентом радиосвязи не
оговорена. На практике координация систем основывается на материалах
МККР по нормам на уровень помех и методике расчета. Расчет при
этом ведется по шуму в канале на выходе приемного устройства с
учетом конкретных видов модуляции.
Регистрация частотных присвоений. После успешного
завершения координации спутниковой сети со всеми затронутыми
администрациями частотные присвоения для космических и земных
станций регистрируются в Справочном регистре БР.
Заявки на регистрацию частотных присвоений должны
направляться в БР в соответствии с Приложением 3 Регламента
радиосвязи не ранее чем за три года и в любом случае не позднее чем ча три
месяца до ввода в эксплуатацию.
Получив заявку на регистрацию, БР проводит экзаменацию, во
время которой проверяет соответствие этой заявки Конвенции
электросвязи. Таблице распределения частот и техническим
ограничениям, требуемым Регламентом радиосвязи, а также требованиям о
координации с другими системами. При благоприятном
заключении БР регистрирует заявленное частотное присвоение п
Справочном регистре частот.
При регистрации вводится специальное примечание,
обозначающее предварительный характер чтой записи. В течение 30 дней после
ввода системы в чкеплуатацию администрация должна уведомить об
•этом БР. и указанное примечание снимается.
Описанная выше процедура координации успешно применяется
с 1971 г и дае-| возможное! и администрациям- членам МСЭ
развивать гигтмчы, использующие геостационарные ИСЗ, не создавая не-
202
допустимых помех системам других администраций и не испытывая
недопустимых помех от других систем-
До настоящего момента все возникавшие проблемы координации
систем различных администрации находили успешное решение, хотя
отдельные администрации и отмечали наличие трудностей при
координации. Надо указать, что, как показывает практика, в
последние годы процесс координации, особенно в наиболее широко
используемых диапазонах частот 6/4 ГГц, существенно усложнился из-за
большого числа систем, используемых и планируемых различными
администрациями. Кроме этого, следует отметить тот факт, что
процедура координации, успешно решая проблемы для администраций
на относительно короткий период времени, не дает твердых
гарантий доступа к орбите и спектру для тех администраций, которые по
тем или иным причинам намереваются реализовать спутниковые
системы в более отдаленном будущем. В связи с этим на ВАКР-1979
ряд развивающихся стран поставил вопрос о целесообразности
пересмотра действующего порядка использования орбиты и спектра и
введении для всех спутниковых служб плановой основы, дающей в
принципе более четкие и долгосрочные гарантии участникам плана.
Опыт разработки таких долгосрочных планов в МСЭ для
радиовещательной спутниковой службы описан в § 6.4, а Решения ВАКР ОРВ
1985/1988 гг. относительно введения планирования для
фиксированной спутниковой службы проанализированы в § 6.5.
6.4. Плановое использование полос частот,
распределенных спутниковой вещательной
службе
Использование полос частот, распределенных спутниковой
вещательной службе, отличается от описанного выше способа
использования полос, выделенных в результате международной координации
частотных присвоений, которая применяется для всех остальных служб
космической радиосвязи. В соответствии с Резолюцией 507, принятой
ВАКР-1979, «станции радиовещательной спутниковой службы
должны создаваться и эксплуатироваться в соответствии с соглашениями
и связанными с ними планами, принятыми Всемирными или
Региональными конференциями...». Таким образом, предусмотрено
плановое использование полос частот, перечисленных в табл. 6.2. В то
же время, учитывая возможную необходимость введения
вещательных систем до разработки соответствующих частотных планов, в
Резолюции № 33 ВАКР-1979 предусмотрена процедура координации для
вещательных систем, аналогичная описанной выше.
В настоящее время имеются два плана для радиовещательной
спутниковой службы: первый план Районов 1 и 3 был разработан
на ВЛКР-1977 для радиовещательной спутниковой службы в полосах
-дм
wwi 11,7. ..1*2,2 ГГц (Район 3) и 11,7... 12,5 ГГц (Район 1) [6.5];
второй план Района 2 — на РАКР-1983 в полосе частот 12,2,.. 12,7 ГГц
[9.61.
План районов 1 и 3 введен в Регламент радиосвязи как
Приложение 30 на ВАКР-1979. В 1985 г. на первой сессии ВАКР по
использованию геостационарной орбиты план-Района 2 был также включен в
*то приложение с некоторыми коррективами, относящимися в
основном к проблеме межрегионального совмещения [6.7].
В 1988 г. план Районов 1 и 3, который первоначально был
составлен только для линии Космос-Земля, был дополнен планом
фидерных линий (линий подачи программ). План Района 2 был сразу
разработай для обеих линий.
В соглашениях было предусмотрено, что оба плана должны
действовать до 1 января 1994 г. и после этого срока могут быть
пересмотрены на соответствующей компетентной конференции.
В планах для каждой зоны обслуживания зафиксированы
номинальная позиция ИСЗ на орбите, аомер присвоенного частотного
канала, ЭИИМ бортового передатчика, параметры бортовых
передающих антенн, включающие размер, форму и ориентировку основного
лепестка диаграммы направленности и присвоенную поляризацию.
В плане 1977 г. полоса частот 11,7.. .12,5 ГГц разбита на 40
частотных каналов шириной 27 МГц (табл. 6.6). Благодаря
многократному использованию общее число частотных присвоений на всех
орбитальных позициях, распределенных в плане, равыо 984. План
включает 143 страны, которым присвоены частотные каналы на
позициях, расположенных на дуге геостационарной орбиты от 37° з.д.
до 170° В-д. и на 160е з.д. Разнос между соседними позициями
составляет 6* (за исключением 5° между 29° в.д. и 34° в.д. и 4° между
34° в.д. и 38° в.д.). В этом плане для спутников бывшего СССР
были выделены пять позиций на геостационарной орбите: 23°, 44°. 74°,
110° и 140° в.д. При этом общее число одновременно передаваемых
программ равно 70, что обеспечивало возможность передачи не менее
четырех общесоюзных программ по всей территории страны с
восемью зонами обслуживания и одной-двух программ во все союзные
республики и ряд автономных республик и национальных округов.
В настоящее время в связи с изменением геополитической ситуации
проводится подготовка к пересмотру плана для удовлетворения
потребностей новых независимых государств.
План Района 2 на линии Космос-Земля использует полосу
частот 12,2. .12,7 ГГц, которая разбита иа 32 частотных канала,
шириной 24 МГц (табл. 6.7). Планирование осуществлено для I 14
лучей, покрывающих территорию Района 2. Использовано 75 позиций
на геостационарной орбите, размещенных неравномерно иа „цуге в
144,2е (от 175,2° -§.д. до 31° з.д.). На -этих позициях
распределено 2100 частотных присвоений, что существенно превышает число
204
Таблица 66
Номер
канала
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Присвоенная
частота, МГц
11727,48
11746,66
11765,84
11785,02
11804,20
11823,38
11842,56
11861,74
11880,92
11900,10
11919,28
11938,46
11957,64
11976,82 |
Номер
канала
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
Присвоенная
частота, МГц
11996,00
12015,18
12034,36
12053,54
12072,72
12091,90
12111,08
12130,26
12149,44
12168,62
12187,88
12206,98
12226,16
12245,34
1 Номер 1 Присвоенная
канала
29
30
31
32
33
34
35
36
частота, mi n
12264,52
12283,70 1
12302,88 I
12322,06
12341,24
12360,42 I
12379,60
12398,78
37 12417,96
38
39
40
12437,14
12456,32
12475,50
Таблица 6.7
Номер
канала
1
2
3
4
5
6
7
в
У
10
11
Присвоенная
частота, МГц
12224,00
12238,58
12253,16
12267,74
12282,32
12296.90
12311,46
12326,06
12340,64
12355,22
12369,80
Номер
канала
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
Присвоенная
частота, МГц
12384,38
12398,96
12413,54
12428.12
12442,70
12457,28
12471.86
12486,44
12501.02
12515,60
12530,18
Номер
канала
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
Присвоенная
частота, МГц
12544.76
12559,34
12573,92
12588,50
12603,08
12617.66
12632,24
12646,82
12661.40
12675,98
частотных присвоений в плане Районов 1 и 3. Однако при таком
сравнении следует отметить существенную разницу: в плане
Районов 1 и 3 обеспечена совместимость, т.е. возможность
одновременного использования всех 984 каналов, в то время как в плане
Района '2 большое число каналов присвоено перекрывающимся или очень
блитким зонам обслуживания с одной позиции при совпадающей
поляризации. Такие каналы не могут использоваться одновременно, и,
следовательно, на этапе реализации каждая администрация должна
будет выбирать только определенные совместимые каналы из числа
плановых каналов.
тг»
При доадедовании во всех Районах предполагалось, что сечение
луча псиедаюшчн аятеяиы аллитцческое -ятт круговое. Усиление
пеИ^Ш$НШ;нШлС& ШкШЙ'АЙ^ь^й'эМ^й'ным угловым разме-
paiiiiSctfbilb&Ni; $.^^ в градусах,
по *1рибЛ*иШ*& форЧЬ; Ue G Ш ШЩаЬ или $ « 44,44 - lgс - 10 lg Ь
[д$]. Ш|ЫШДьиая°^рина1-^й[ передающей антенны принята
0.6Г для*й*йЫ|»*Л«АЦ1 и ^frW-jyui Р'аЩжа 2.
' В плй^'В^пользЦаны д^^тЬ^оналШ>1е круговые
поляризация: 1 —'ПрйШя, поч$&Ьвой стрелке', Ьектор1 В вращается по часовой
стрелке в^*^4ости,^рпенЙй«у1л5гр[иой направлению
распространения всйШ^Цои сйЬтреть ^направлений распространения; 2 —
ле|ая, tffioffia Nacoedtf: ргрелкк^^вей*Ьр Е-вращается против
часовой etpeWn.1-1 i "~1| ;". '!" , |!
При'ЬлУнзд^овалйМ допол^^вая развязка по поляризации
определяла^ '-пй длагЬвмма^наЬраЦленностф антенн с учетом де-
поЬяриз&ции^в1 атмосфере. '-- ;■'
Оба плана Ьоставлрны исходя 1йэ передачи цветного телевизи-
пяипгг» сигнала ip ЧМ, пцнякл(flftbyWairrrcar-ii другие ВИДЫ МОДуля-
ции (например, цифровая) или другие виды передаваемых
сигналов fa априыерЗ несколько каналов звукового вещания) при условии,
выщяя>ь оладрвь^,' J \ t''n/' „, ,', ,,-/ „
|-Критерием «ачесува -выб^а^в,отношение несущая-шум (Рс/Рш)
на ъходе прдемника 3|С, равное или большее 14 дБ для 99 % времени
наихудшего месяца; ори это^ в плане Районов 1 и 3 принято, что
уменьшение этого значения из-за щумов на линии Земля-Космос не
должно превышать 0,5" дБ дляГ190 % времени наихудшего месяца.
В плане Района 2 использована та же предпосылка для
начала планирования, однако в связи с тем, что при разработке этого
плана одновременно рассматривалась и линия подачи программы,
в окончательном варианте плана определялось эквивалентное
отношение сигнал-шум на входе приёмника "3d учитывающее вклад
обеих линяй.
Необходимые мощности бортовых передатчиков,
зафиксированные в планах, рассчитаны таким образом, чтобы обеспечить на
границе зоны покрытия в течение 99 % времени наихудшего месяца
плотность потока мощности -103 дБВт/м2 для индивидуального приема
в Районах 1 и 3 и -107 дБВт/м2 для индивидуального приема п Рай-
оме 2. Для коллективного приема в Районах I и '.i рекомендована
плотность потока мощности -111 дБВт/м- В плаке Района 2 та-
к«*Я режим не предусмотрен. Следует также отметить, что согласно
уточненному тексту Приложения 30 Регламент радиосвязи,
принятому ВАКР-10Й4. любая заявка, представления* администрациями
нгех районов, имеющая пониженную ЭИИМ по «равнению с
плановой, считается соответствующей плану. IV) есть и принципе допус-
21 Mt
кается реализация систем^ с Лго^оДпониженной ЭИШЛ,
определенной на основе техникотэк^абмическйс^ррбражений разработчике*.
При этом, однако, необходимо иметь g м^^дто возможны проблемы
из-за помех от других систем,, так как пданй обеспечйва1рЗР\з»иш»у
только номинального ^ойня^лолдЬ .V,I^ '''^^^U^^lpZ^.- -----
При расчетах мои£йф:хи оЪртовыХ ^ep^a№W^j^B jf^aaafe РайЬ-
нов 1 и 3 было аринято,^го потерЗыЦ.;др!&йрт>страяение^с^ялдьгез-
ются из потерь на ра^йгр^р,^ранение в~Ьщ$0фом простраис^вв^|\>и>-
полнительного ослаблейя^эосадаах^й^^^ в
течение 1 % времени^Д^ффицего jygyfla j . ^j
Зависимость ?тог^рпрлнй'^|^№Ь ослабления от углай)рд~ь«1^а
представлена на рис/аД^я-пятиТЯи^ти-ческя^^
казанных на риг. 6.4. При разработ^А плана. Районов ^и Зевйтором
рабочих углов прихода, т.е. выбором Позиции ИСЗ для каждой зозы
обслуживания, добивались того, чтобы это дополнительное
ослабление не превышало 2 дБ. П ры этом для расчетов- максимальной пеля-
ризационной развязки принималось^ чдф^уровень депрл^риэованн<?й
в процессе распространения компоненты с№так$яет для дождевых
климатических зон 1 и 2 —27 дВ-отноеителыпо-уровяя сигнал at яа
основной поляризациями ^-ЗбГдБ ДлЗ з0н;^4 н &Н
Исходные данные по рао
пространеиию радиоволн, использо-
ьанные при планировании для) Райе*
иа 2, кроме дополнительного заиуха*
пня в осадках включали также
поглощение в атмосфере:. Лрл этом.
для расчетов дополнительного
затухания в осадках было
использовано более летальное районирование по
интенсивности дождей по сравнению
г приведенным иа рис. 6.4ьДляюцен-
ки предельной поляризационной раз^
вязки, определяемой эффектами1 де>
поляризации,
нрименялосн<-выражение (в децибелах)
IJ = 30/ - 40 lg(cos 1) -"Wig V'
ч*
I
В
7
6
.5,
4
?
1
0
ю-
> - ,.. . .
,*-.-,-
К ,
';-. 'Г----
i . ■-.- .
В С В
S: =!: = _-
я} io но so 60 то во до
Уёбя тд&ема, град1
для
0°
< -, < 60е
частота, ГГц; 71м"угол подъ-
рад., Лг —затухание «;дожш?.
где У
ема,
не превышаемое более чем н I % вре^
мени наихудшего месяца
U 111 , I' jJ. Ii.ii, , ,,
Phi:. 6.3. Зависимость,, до-
'Hti.rn^TkrititoorT»' ослабления' от
угла» водъеыаняля клодагпгчт
,ск^И,.зо»Щ{1 [Ah K.4?MftTH4*twfli
г*Ц1ш.4(,^;,K-.mim^th^civm^^^ow l,
и i ((Ъ bj{iiiM*TH4tfCKpfl юны 5
\D) " -,7r 1
2(17
■ i ШЗ 2 ШШ) э Ш л Е2 s
Рис. 6.4- Климатические зоны
При расчетах поляризационной развязки для углов подъема.
больших 60°, в приведенное выражение следует подставлять ■> = 60°.
Оценка аланов проводилась по эквивалентному запасу
защитного отношения, определенному по выражению
M = -10lg[£l0'°1A'-],
где Mi = 10lg(Pc/^Pni) — R-i — защитные запасы в совпадающем
и соседних каналах; Рс — мощность сигнала на выходе приемной
антенны; £РП(- — сумма мощностей помех, создаваемых на выходе
приемной антенны мешающими сигналами в рассматриваемом
канале; Ri —требуемое защитное отношение от одиночной помехи,
создаваемой мешающим сигналом в рассматриваемом канале
При этом в плане Районов I и 3 анализировались помехи в
совпадающем нижнем и верхнем соседних каналах только
планируемой линии Космос-Земля и принималось, что ухудшение
защитного отношения на линии вниз из-за помех на линии вверх не должно
превышать 0.5 дБ. В Районе "2 запас по защитному отношению
вычислялся г учетом помех в двух нижних и двух верхних соседних
каналах сразу на обеих линиях.
Принятый подход суммирования мощностей помех и сравнения
полученного отношения с защитным отношением для одной помехи
2UK
«W-Зяис»**
"fu
-50
У
nIn /
1 ^
£■*
...5^s
s'
s
sv
v ■;;, Gpho
n:-
qr 0,2 0,4 OfiOft 1ft 2 4 S 8 10 20 W в/в^
Рис.. 6.5. Плановые диаграммы направленности приемных антенн ЗС
был выбран из-за отсутствия строгого решения и экспериментальных
данных для случая воздействия нескольких помех.
Для защиты наземных служб, работающих в этом же
диапазоне, предусмотрено использование искусственной дисперсии энергии
несущей с девиацией от пика до пика, равной 600 кГц, что
соответствует уменьшению спектральной плотности потока мощности,
измеренной в полосе А кГц, на 22 дБ по сравнению с соответствующей
величиной, измеренной во всей полосе.
Основные технические данные, использованные в планах
вещательной службы на линии Космос-Земля в Районах 1, 2 и 3, даны
в табл. 6.8. Кроме разных параметров планы имеют существенное
различие по примененным справочным диаграммам направленности
антенн, приведенным ниже.
Огибающие диаграмм направленности приемных антенн ЗС
показаны на рис. 6-5 в виде функции угла 0/00.5, где 0 — угол,
измеренный относительно направления максимального излучения, а
flo,5 — ширина основного лепестка диаграммы направленности по
уровню —3 дБ:
а) для индивидуального приема на основной поляризации в
Районах I и 3 (кривая I):
при 0 ^ в < 0,2500,5,
при 0.25бо.5 < 0 $0.70700 5,
при 0,70700.5 < 0 ^ 1,2600.5.
при 1,2600,5 < 0 ^ 9,550о,5.
при 0 > 9,5500.5,
0
-12(0/0U.5>2
-[9 +20 lg( 0/0D,5)]
-[8,5 + 25lg(0/0o,5)]
-33
где принято 0о,5 = 2°;
б) для коллективного приема на основной поляризации в
Районах 1 и 3 (кривая *!);
0 при 0 $0 $0,2500.5,
208
Таблица 6.8
Параметр
Район 1
Район 2
Район 3
ДшшштП 11,7...12,5 12,2...12,7 11,7...12,2
Распределяемая полоса частот,
МГц
Разнос между несущими частотами
соседних каналов, МГц
Необходимая полоса сигнала, МГц
Модуляция
Поляризация
Отношение несущая-шум в 93 %
времени наихудшего месяца, дБ
Защитное отношение, дБ:
по совпадающему каналу
по соседнему каналу
но второму соседнему каналу
Добротность приемного устройства,
дБ/К:
индивидуальный лрнем
коллективный прием
Ширина луча приемной антенны
по уровню половинной мощности.
град.:
индивидуальный прием
коллективный прием
Минимальная ширина луча
бортовой передающей антенны по уровню
половинной мощности, град.
Плотность потока мощности на
границе зон покрытия в течение
99 % времени наихудшего месяца.
дБВт/м2:
индивидуальный прием
коллективный прием
Точность удержания космической
станции, град.;
по долготе •
по широте
800
19,18
27,0
чм
Круговая
14
31,0
15,0
М
14,0
2
1
0,6
-103
-Ш
±0.1
±0,1
500
14,58
24,0
ЧМ
Круговая
14
28,0
13,6
-9,9
10,0
—
1,7
—
0,8
-107
—
±0.1
±0.1 (ре
комендо-
вано, по
не
обязательно)
-
500
19,18
27,0
ЧМ
Круговая
4 Л
14
31,0
15,0
6,0
14,0
2
1
0,6
-103
-111
±i)J
±0.1
//
210
Окончили* таб.*. 6.S
Параметр
"Точность наведения бортовой
антенны, град.:
отклонение от основного
направления
поворот вокруг оси
При оценке эквивалентного
защитного запаса
совпадающий какал
верхний и нижний соседние каналы
вторые соседние каналы
Число дождевых климатических зон
Девиация частоты сигнала
дисперсии, кГц
Плановый угловой разнос между
ИСЗ на ГО, град.
Число каналов, выделенное одной
зоне:
минимальное
максимальное
Район 1
0,1
±2,0
Учитывается
То же
Не
учитывается
5
600
6
1
7
РаЯон2
0.1
±1,0
Учитывается
То же
■п
и
600
Неравномерный
4
32
Район 3
0,1
±2,0
Учитывается
То же
Не
учитывается
4
600
6
1
7
- 12(0/0о,5)2 при 0,2500 5 $ 9 < О,860О5.
-[10,5 + 25 ^(0/00,5)]' при О,860о,5 < 0:
где принято 0DD = 1°;
в) для обоих типов с перекрестной поляризацией в Районах 1
и 3 (кривая $):
-25 при 0 $0 < 0,2500 5,
-[30 + 40 lg |0/0о.5 - 1|J при 0.25*0,5 < » < О,440о 5,
-20 при О.440о,5 < 0 $ 1,400 5,
-[3O+251g|0/0o,5-l|]- при 1,40D,S <0$ 2,О0о,5;
i) для прижми с основной поляризацией в Районе 2 (кривая 4):
0 ^ при 0^0^0,2500.5,
-Г2(0/0„ г>)? при O,250os < 0 $ 1Д30о 5.
-[14 + 2.5 lg(0/0o,s)] при 1,1300.5 < 0 ^ 14,700 5,
~43-2 'фи U.70O5 < 0 ^ 3500.5.
До уровня in'iv'i. пня (<7<0) = U).
" До пересечения с кривой для основной поляризации и далее по
этой кривой.
211
S(A
ю
70
30
•W
.ЯП
1>-«лю
' u-гт
Т \s7
к... .
•• —\
ч.
£_-.
V
«ем
|
'"
Ч/ 4? a,uafiop\Q г л в aw 20 40 soft/fl^
Рис. в.6. Плановые диаграммы направленности передающих антенн ИСЗ
-[85,2 + 27,21g(0/0o,5)] "Ри Ш** <в^ 45>1б°-5'
_40 2 ПРИ 45,1бо,5 < 0 ^ 70^0,5-
-[-55,2 + 51,7lg(0/0o,5)] при 7О0О,5 < 6 ^ 8О0О>5,
_43,2 привод < в <£ 180°,
где 0о,5 = 1.7е;
д) для приема с перекрестной поляризацией в Районе 2
(кривая 5):
-25 при 0 < 0 ^ O,250Q,5,
-[30+ 40lg|0/0о,5 - 1[] при О,250о(5 < 0 < О,440а,5,
-20 при О,440о s < 0 < 1-2800,5,
-[17,3 + 25lg{0/0o,5)] при 1,2800,5 < 0 ^ 3.220О5,
-301
Огибающие диаграмм направленности передающих антенн ИСЗ
показаны на рис. 6.6:
а) для основной поляризации в плане Районов 1 и 3 (кривая 1):
-ВД/А.5)2 при 0 ^ /3 ^ 1,58^0.5,
"3° при 1,58/fo 5 < # < 3,16 А, ,5.
-[17,5 + 251g(tf/At5)] при 0 > 3,16/?о,5
до уровня
изотропного излучения 0{iJ) = 0;
в) для перекрестной поляризации в плане Районов 1 и 3
(кривая 2):
-[40 + 40^1,^0.5 - 1|] при 0 ^ /3 $ 0,33/?,, 5.
"??„ ,П1 . ПР" 0,ЗЗА).з < 0$'l.67&,.5.
-[4U + 40lg|^/^0 5 _ i|] при /? > 1|б7/Уо,5 до уровня
изотропного излучения (Ц&) = 0;
1 До пересечения с кривой для основной поляризации и далее по
этой кривоН
2J2
(Д| 5 определяется исходя из размеров зоны обслуживания; в
плане ВАКР-1977 /?o,5min = 0,6»);
г) для основной поляризации в плаке Района 2 (кривая 8):
12(7?//?o,s)2 при 0 ^ ^ ^ 1,45#,,б,
-[22 + 20 Wl0a,b)\ ПРИ 1,45Д>,5 < Р до уровня
изотропного излучения G{$) = 0:
(в плане РАКР-1983 0o,5min = 0,8»);
д) для перекрестной поляризации в плаке Района 2 (кривая ^f)
определяется как —30 до пересечения с диаграммой основной
поляризации и далее по ией до уровня, соответствующего изотропному
излучению.
Следует отметить, что в плане РАКР-1983 впервые введены
следующие примечания, уточняющие применение этих кривых при
реализации систем.
Примечание 1. В диапазоне углов О,10о,5 • • • 1,130в,5
коэффициент усиления на основной и перекрестной поляризациях не должен
превышать данных в справочных диаграммах.
Примечание 2. Для углов, больших l,130o,s. 90 % максимумов
боковых лепестков в каждом из указанных ниже угловых секторов не
должны превышать данных в справочной диаграмме (1,130о.5 • • -Зба.з",
30о,в. ■-вво в! 60о5-1О0о,5; 1О0О,5... 2000.51 2О0О>5 ... 4О0О.5:
4О0а,5...750О(3; 750о,5... 180°).
Сравнение кривых показывает, что в плане РАКР-1983
существенно облегчены характеристики передающей антенны на
перекрестной поляризации во всех направлениях (уровни лепестков на
3. - -15 дБ выше) и несколько повышены уровни на основной
поляризации в области, ограниченной углами 0 = 1,45/Зо,5 и 0 = 2,5Ыо.5- В
то же время необходимо подчеркнуть, что для некоторых наиболее
критических случаев в плане РАКР-1983 предусмотрено
использование передающих бортовых антенн со специально увеличенной
крутизной ската лепестка- Эти диаграммы определяются выражениями:
-12(/i//?o,3)2 при 0 $ в < 0,5А.»,
-18,75уЗ£5(0/Й),5 - *)а при 0,5^0.5 < 0 % х0о s + 1.16.
-25,23 при хдо,ъ + 1,16 < 0 ^ 1,45Й>5.
-[22 + 20 lg(,J/ Jo,s)] при J > 1,45tf0,5;
где j: = 0,5(1 - 0,8//?о,5); 0 — угол в градусах.
Как видно из приведенных выражений, форма главного лепестка
в этом случае зависит от Д>.5. Если J„ 5 = 0,8", что принято в плане
РАКР-1983 за наименьшее значение, то эта скорректированная
диаграмма совпадает с исходной. На рис. С.7 представлены для примера
такие скорректированные диаграммы для трех значений ^о5.
Существенной особенностью плана Района 2 является тот факт
что в нем наряду с линией Космос Чемля в диапазоне 12.2. . 12,7 ГГц
проведено распределение частотных каналов на линии Земля Космос
213
*£>-*«* t*r
-10
-20
-JO
-40
-SO
0,1
L
«
s,...
"' 6Cfiqs*Wl'0
.... ,T
OJ Ofi qffflfftfl * 4 6 8 10 20 W BOJ}/0.S
Ряс. 6.7. Плановые диаграммы направленности передающих антенн
ИСЗ с повышенной избирательностью
а диапазоне 17,3. ..17,8 ГГц. План для этой линии включает
размеры луча бортовой приемной антенны и его ориентировку, номера
присвоенных каналов, поляризацию и ЭИИМ передающей ЗС.
Распределение частот и поляризаций повторяет распределение на линии
Космос-Земля с постоянным частотным сдвигом между
соответствующими каналами обеих линий, равным 5,1 ГГц. Предусмотрено
произвольное размещение передающих ЗС в пределах зон обслуживания.
План создан на основе использования унифицированных по ЭИИМ
ЗС и различных по чувствительности бортовых приемных устройсти.
В плане предусмотрено применение передающих антенн ЗС
диаметром 5 м с усилением 57,4 дБ (на частоте 17,55 ГГц), хотя
допускается уменьшение диаметра до 2,5 м. Максимальная ЭИИМ
равна 87,4 дБВт. шумовая температура бортового приемного устройства
1500 К. минимальный размер луча бортовой приемной антенны 0,6°.
В плане использована диаграмма направленности бортовой приемной
антенны, аналогичная диаграммам передающей антенны, описанным
выше (см. рис. 6.6). Диаграммы направленности передающих антенн
ЗС приведены на рис. 6.8 для антенн диаметром 5 м:
а) для основной поляризации (кривая J):
36-2Olg0 при 0,1° $0< 0,32°,
51,3 - 53.202 при 0.32° <С 0 < 0,54е,
29 - 251gfl при 0.54° ^ в < 36°,
-J0 при 0£ 36е;
б) для перекрестной поляризации (кривая 2):
б'шак-ЗО ПРИ0<((),6/О)°.
9-2Qlgfl при (0.6/Л)' 4 9 <8.7°,
-10 при 0> 8.7°.
При рассмотрении приведенных кривых необходимо учитывать
примечания, уточняющие их применение:
214
q,1(0fi№u? Ofi QfiOJSI 2 4 * 810 W в,град
Рис. 6.8. Плановые диаграммы направленности передающих антенн ЗС
1) в диапазоне углов 0,1-..0,54е коэффициент усиления на
совпадающей поляризации не должен превышать данных в
справочной диаграмме;
2) в диапазоне углов 0.,.(0,6/D)° коэффициент усиления при
перекрестной поляризации не должен превышать данных в
справочной диаграмме;
3) для больших углов относительно направления основного иэ~
лучения 90 % максимумов боковых лепестков в пределах каждого из
перечисленных ниже угловых секторов не должны превышать
данных в справочной диаграмме (0,54... Г; 1.. .2°, 2.. .4°, 4.. .7°. 7.. .10°,
10...20°, 20...40°, 40...70°, 70...100°, 100.,.180°).
План Района 2. принятый на РАКР-1983, не являлся
окончательным и обязательным в глобальном масштабе в той части,
которая могла затрагивать спутниковые и наземные службы других
Районов, и поэтому подлежал рассмотрению и уточнению на
компетентной Всемирной конференции. Такое рассмотрение было
проведено на ВАКР-1985.
План фидерных линий (ФЛ) в полосах частот 14,5. 14,8 ГГц
(для стран вне Европы и для Мальты) и 17,3. .18.1 ГГц для станций
радиовещательной спутниковой службы в Районах 1 и 3 был принят
на ВАКР-1988. Параметры, необходимые дли составления плана ФЛ.
были в основном определены н согласованы на первой сессии ВАКР-
OIjP-85. Они приведены в табл. 6.М
При выборе критериев планирования было принято решение
оцени цать план ФЛ, испольпя общий эквивалентный запас ну
защитному отношению (т.е. по суммарному защитному отношению на линии
Wi.ni-Космос-Земля). Кроме того, конференция решила, что число
2 I "i
Та блиц»
Значение
параметра
Параметр для составления плана
ФЛ
Отношение несушая-шум, дБ
Защитное отношение, дБ
в совпадающем канале
по соседнему каналу
ЭИИМ ЗС фидерных линий на
начальном этапе планирования
(Е), дБВт;
в полосе частот 17,3... 18,1 ГГц
в полосе частот 14,5... 14,8 ГГц
Диаметр передающей антенны, м:
В полосе частот 17f3... 18,1 ГГц
в полосе частот 14,5... 14,8 ГГц
Максимальное усиление, дБ
ЭИИМ относительно
максимального усиления, дБВт:
на совпадающей поляризации
на кроссовой поляризации
Потери из-за погрешности
наведения антенны ЗС, дБ
Эталонная диаграмма
направленности приемной антенны ИСЗ
(относительное усиление), дБ:
на совпадающей поляризации
на кроссовой поляризации
Точность наведения приемной
антенны ИСЗ, град.
24
40
21
84
82
5"
6
57
Е прнО" < f t$ 0,1°,
Е - 21 - 20 log v при 0,1° $ <р s$ 0,32е,
Е - 5,7 - 53,2^2 при 0,32* <^г$0,44°,
Е - 25 - 25 log <fi при 0,44° < <р ^ 0,48°,
Е - 67 при <р > 48°
Е - 30 при 0* $ у» < 1,6е,
Е -25-25 log <p при 1г6°<9><48°
-12(¥»/у»оГ при 0 < <p/<fi0 < 1,3,
— 17,5 — 25log(^/^o) при <р!<г>о > 1,3
после пересечения с кривой «минус
максимально? усиление иа оси» по
этой кривой
-30 - 12(у?/,э0)2 при 0 г$ yVvo < '->-5.
-33 при 0.5 < v?/vso ^ 1,67,
-40-40log(^/^0-l) при ¥>/v»o > 167
после пересечения с кривой «минус
максимальное усиление на оси» по
этой криво It
21«
0%ончапш rnno.i. 6.9
Параметр для составления плана ФЛ
Температура шума приемной системы
ИСЗ, К:
для 17 ГГц
для 14 ГГц
Тип поляризации
Ухудшение отношения несущая-шум
из-за АМ-ФМ преобразования, дБ
Значение параметра
1800
1500
Круговая
2,0
каналов на линии вверх, выделяемое данной администрации,
должно быть равно числу каналов на линии вниз, выделенному этой же
администрации в соответствии с планом ВАКР-77.
В результате работы конференции было пересмотрено
Приложение ЗОЛ (ОРБ-85) Регламента радиосвязи, куда в качестве новой
статьи 9А вошел плав ФЛ для радиовещательной спутниковой службы
в частотных полосах 14,5... 14,8 и 17,3... 18,1 ГГц в Районах 1 и 3.
В нем указывается: обозначение луча, номинальная
орбитальная позиция, номер канала, географические координаты, точки
прицеливания, ширина луча антенны по двум осям, ориентация эллипса,
поляризация, номинальная ЭИИМ земной станции, допустимое
увеличение ЭИИМ земной станции при АРМ.
В процессе подготовки плана ФЛ Районов 1 и 3 одновременно
рассматривались регламентные положения, связанные с ним. За основу
были взяты Приложение ЗОА (ОРБ-85), предложения МКРЧ и
различных администраций. В первую очередь в Приложение 30А (ОРБ-
85) были внесены дополнения, касающиеся распространения его
положений на Районы 1 и 3 (т.е. введено упоминание этих Районов,
указаны полосы частот, где будут работать ФЛ Районов 1 и 3).
Наиболее заметные изменения были введены в Статьи 4 и 5 Приложения
ЗОА (ОРБ-85) и коснулись не только вопросов процедур
модификаций планов, но и вопросов заявления, рассмотрения координации и
записи в Главный международный регистр частот частотных
присвоений передающих земных станций ФЛ и космических приемных
станций, а также вопросов координации передающих земных
станций ФЛ и станций подвижной и фиксированной служб, занесенных
в Главный регистр до 29 августа 1988 г.
Как уже указывалось, планы радиовещательной спутниковой
службы в диапазоне 12 ГГц будут оставаться в силе до 1994 г. или
до пересмотра их на компетентной конференции. Учитывая
большой грок действия планов и возможность как изменения
потребностей стран за этот период, так и возникновения необходимости по
технико-экономическим или иным причинам реализовать системы,
отличающиеся от включенных в планы, предусмотрена специальная
217
Таблица
6.10
Защищаемая
служба
Модификация плана Районов 1 и 3
Критерий необходимости координации
Спутниковое
вещание в
совпадающем или соседнем
канале в
соответствии с планом
Районов 1 и 3
Спутниковое
вещание в
соответствии с планом
Района 2 в
полосе 12.2. - -12,5 ГГц
при перекрытии
необходимых
полос частот
Наземные службы
Района 2
Снижение суммарного отношения сигнал-помеха
в любой точке зоны обслуживания
администрации Районов I пли 3 ниже 30 дБ или ниже
значения, обеспеченного в плане до предполагаемой
модификации
Превышение плотности потока мощности {ППМ) у
поверхности Земли в любой точке зоны
обслуживания администрации Района 2, дБ(Вт/м2/27 МГц):
-147 для 0е ^ в < 0,44е,
-138 + 25lg0 для 0,44° ^ в < 19,1°,
-НЮдляР > 19,Г,
где $ — геоцентрический угловой разнос между
рассматриваемыми ИСЗ Района 1 или 3 и Района 2
Превышение ППМ в любой точке территории
администрации Района 2:
-125 дБ(Вт/м3/4 кГц) для круговой поляризации
сигнала, излучаемого ИСЗ;
—128 дБ(Вт/м2/4 кГц) для линейной поляризации
Фиксированная
спутниковая
служба в Районе 2
и полосе
II,7... 12,2 ГГц
I гикни Космос-
Земля)
Увеличение ППМ в любой точке территории
администрации Района 2 на 0.25 дБ или более
по сравнению с ППМ, предусмотренной планом
Района 1 и 3 до его модификации. При этом,
однако, если не превышается ППМ. равная
-138 дБ(Вт/мэ/27 МГц), то администрация не счн-
тается затронутой и координация не требуется
Наземные службы
администраций
Районов I п 3
Увеличение ППМ в любой точке территории
Районов 1 или 3 более чем на 0.25 дБ по сравнению с
ППМ, предусмотренной планом. При этом, однако,
администрация считается не затронутой, если ни в
одной точке ее территории не превышается ППМ.
приведенная в табл. 6.10
процедура модификации планов [6.7]. В чтой процедуре требуется
согласие всех администраций, службы которых могут, быть
«затронуты» предполагаемым изменением плана. При -этом учитываются
как спутниковые, так и наземные радиослужбы. Критерии,
приняты*' для определения затронутых администраций \\ гарантирующие
отсутствие помех, для модификации плана Районов I и Л
приведены в гибл. fj.JO. а для модификации плана I'aiiona '1 а табл. 6.11.
При -гтом критерии защиты наземных служб применяют па тех
территориях, на коюрых рассматриваемый канал не используется для
сну тикового вешании.
'Дн
Таблица fell
"" Модификация плана Района 2
Защищаемая служба
Спутниковой вещание
в совпадающем или
соседнем канале в
соответствии с планом
Района 2
Спутниковое вещание
в соответствии с
планом Районов ] и 3 при
перекрытии
необходимых полос частот
Наземные службы
Района 2
Фиксированная
спутниковая служба в
полосе 12.5. ,,1-2,7 ГГц
в Районе 1 и
12.2... J 2.7 ГГц в
Районе 3
Наземные службы
администрации Района 1
м 1
*
Критерий необходимости координация
Снижение эквивалентного запаса по
защитному отношению в любой точке зоны
обслуживания на 0,25 дБ ниже 0 или ниже значения,
обеспеченного в плане до его модификации
Превышение плотности потока мощности
(ППМ) у поверхности Земли в любой
точке зоны обслуживания администрации
Района 1 в полосе 12, 2... 12,5 ГГц или
администрации Района 3 в полосе 12,5... 12, 7 ГГц,
дБ(Вт/м2/27 МГц):
-147 для 0° < 9а < 0.44е, .
-138 + 25lg0 для 0,44° < в, < 19,1°,
-106 для вд > 19,1°,
где вд — геоцентрический угловой1 разнос
между рассматриваемыми ИСЗ
Увеличение П11М в любой точке территории
администрации Района 2 более чем иа 0.25 дБ
по сравнению с ППМ, предусмотренной
планом. При этом, однако, администрация
считается не затронутой, если ни в одной точке
её территории не превышается ППМ, равная
-115 дБВт/м-
Увеллчение ППМ в любой точке территории
администрации Района 1 или 3 более чем на
0,25 дБ по сравнению ППМ.
предусмотренной планом. При этом, однако,
администрация считается не затронутой, если ни в одной
точке ее территории не превышается ППМ.
равная -160 дБ(Вт/м2/4 кГц)
Превышение ППМ у поверхности Земли;
а) в полосе 12.2... 12,7 ГГц для Районов I1 и 3
и для любого угла прихода -} на:
-125 дБ(Вт/мэ/4 кГц) для круговой
поляризации,
-128 цБ(Вт/м-/4 кГц) для линейной
поляризации:
б) в полосе IJ2... 12,5 ГГц для Района 3 и
части Района 1 к западу от 30° в.д. на:
-132 дБ(Вт/м'/а МГц) для 0° < ■> < Ш°.
-132+4,21-, -10) дБ(Вт/м2/^ МГц) для'
10° < ■) < |5°.
-Ill дБ(Вт/м'/5 МГц) для 15" < ■> < 90е;
•л»
Окончание табл. 6.J1
Модификация плана Района 2
Зяп^ишпяыал служба
Критерий необходимости координации
в) в полосе 12,2... 12,7 ГГц для части Района 1 к
востоку от 30*в.д. на:
-134 дБ(Вт/ма/5 МГц) для 7 = 0 »
-134 + 4,69757* дБ(Вт/м'/5 МГц) для
0° < 7 < 0,8°,
-128 + 25lg7 дБ(Вт/м2/5) для 7 > 0,8°;
г) в полосе 12,5... 12,7 ГГц для Района I1 я 3 на:
-148 дБ(Вт/м2/4 кГц) для 7 = 0°,
-148 + 4,69757* дБ(Вт/мг/4 кГц) для
0° < 7 < 0,8°,
-142,5 + 25lg 7 дБ(Вт/м74 кГц) для 7 > 0.8е.
где 7 — угол прихода волны над горизонтальной
плоскостью в градусах
1 В районе*1 в полосе 12,5... 12,7 ГГц эти пределы применимы
только для территорий администрация, перечисленных в пп. 848 и 850
Регламента радиосвязи.
6.5. Всемирный план спутниковых систем
связи, принятый на ВАКР-ОРБ-88
Важнейшей и наиболее сложной задачей конференции ВАКР-
ОРБ-88 были разработка и принятие плана, использования
геостационарной орбиты (ГО) системами фиксированной спутниковой
службы (ФСС) [6.8]. Решение о создании такого плана было принято
еще на первой сессия (ВАКР-ОРБ-85) в связи со стремлением
ряда стран, особенно развивающихся, зарезервировать для себя место
на ГО. ВАКР-ОРБ-88 выделила дня планирования ФСС полосы
частот 4,5. ..4,8; 10.7. ..10,95; 11,2.. .11,45 ГГц (линия Космос Земля)
я 6,725. ..7,025; 12.75.. .13,25 ГГц (Земля-Космос). В других
полосах частот, выделенных ФСС, сохраняется процедура, распределения
мест на ГО путем координации по мере поступления заявок (см. 5 6.3).
Составление плана представляло собой трудную проблему,
поскольку необходимо было разместить на орбите отдельные спутники
дня всех стран без недопустимых взаимных помех. Это осложнялось
тем. что некоторые страны выразили пожелание обслуживать свою
территорию не одним, а несколькими лучами, например, либо из-за
отсутствия видимости всей территории с одной позиции на ГО (так,,
для бывшего СССР и Канады было выделено по три луча с трех
позиций), либо дчя уменьшения мощности в одном луче при
необходимости работать в условиях сильных тропических дождей (Бразилия),
Известно, что необходимый угловой разнос соседних ГЮЗ
составляет на практике 3. ..5* и лишь в редких случаях уменьшается до
2*. так что в пределах круговой ГО (т.е. в пределах 360°) расставить
необходимые 226 лучей было непросто. Кроме того, некоторые стра-
■ш
йы настаивали на предоставлении им конкретной позиция или
позиции в пределах весьма малого участка ГО для совмещения с другими
ЙСЗ, принадлежащими этой администрации, или для
максимального увеличения угла места антенн ЗС (для уменьшения потерь в
атмосфере). Это, естественно, затрудняло достижение оптимального
размещения спутника на орбите.
Некоторые страны еще до начала первой сессия ВАКР-ОРБ
заявили системы ФСС (всего 54 луча), а в ряде случаев — с
региональным или глобальным покрытием, конкретными позициями ИСЗ.
Первая сессия признала, эти системы существующими и решила
включить их в план на равной основе, изменив при необходимости
параметры существующих систем, так что необходимое число лучей
возросло до 280, причем 54 луча существующих систем по указанным
причинам были особенно трудны с точки зрения достижения ЭМС.
Для разрешения этой проблемы была проведена процедура
оптимальной расстановки ИСЗ на ГО. Основной принцип расстановки
заключается в том, что позиции ЙСЗ, обслуживающие соседние
территории, далеко разносятся на орбите, тогда как ИСЗ далеко
разнесенных стран группируются на соседних или даже совпадающих
позициях (метод пересечения лучей). Нахождение строго
оптимальной расстановки требует перебора огромного числа вариантов и
признается сейчас недостижимым.
Однако использованная на конференции вычислительная
программа «Орбита-2», разработанная в Японии, при достаточном числе
прогонов могла бы в принципе дать удовлетворительный результат.
При размещении на ГО только ИСЗ национальных систем ФСС
программа «Орбита-2» успешно справилась с задачей, однако при
попытке совместить эти системы с существующими она оказалась
неработоспособной, и пришлось прибегнуть к «ручному» перебору вариантов в
поисках приемлемого решения. Разумеется, «ручным» был лишь
выбор вариантов расстановки ИСЗ, так как расчет оптимальных лучей
для покрытия заданных территорий с выбираемых позиций и расчет
взаимных помех между системами осуществлялся ЭВМ с помощью
подпрограмм этой же программы.
При разработке плана ФСС было признано необходимым
сохранить определенную свободу для выбора параметров системы при ее
создании. Это обусловлено огромным разнообразием параметров
действующих систем ФСС в зависимости от их назначения,
-экономических условий и др., поэтому ряд параметров систем в плане не
определен. Так, в отличие от плана радиовещательной спутниковой
глужбы, принятого в 1977 г., в плане ФСС не определены ни метод
модуляции, ни разбивка полосы на отдельные стволы, ни
поляризация сигналов. Каждой системе в плане соответствует так
называемое «выделение», которое содержи! только позицию на орбите, зону
покрытия, параметры луча антенны, обобщенные параметры, опрё-
ТП
являющие предельные значения мощности, излучаемой космической
н земной станциями, и чувствительность системы к помехам. Для
всех систем предусматривается соблюдение усредненного значения
суммарной помехи (отношение сигнала к помехе не ниже 26 дБ).
Эта неопределенность имеет и неизбежные отрицательные
последствия. При реализации системы придется после выбора
параметров уточнять взаимодействие с другими системами, добиваясь
необходимой зашиты от помех. Эта процедура превращения выделения е
присвоение специально разработана конференцией.
Перед конференцией И во время ее работы выдвигался ряд
предложений, направленных на достижение гибкости плана в отношении
позиции ИСЗ, т.е. на предоставление права перемешать ИСЗ на
орбите при реализации системы.
Конференция приняла принцип индивидуальной
предопределенной дигч, расположенной по обе стороны от номинальной плановой
позиции и составляющей ±10*; на -этапе проектирования
предопределенная дуга сокращается до ±5°, на этапе эксплуатации — до
0°. В пределах предопределенной дуги должна быть
предусмотрена возможность изменения позиции ИСЗ, в том числе по
требованию других администраций, осуществляющих превращение
выделения в присвоение (или другие процедуры, предусмотренные
решениями конференции).
Для составления плана использования ГО национальными
системами ФСС были приняты следующие основные исходные данные:
отношение сигнала к шуму на линии в целом —16 дБ (с
учетом замираний в дожде);
дуга обслуживания, в пределах которой может располагаться
ИСЗ, такова, чтобы угол места антеин ЗС во всей зоне обслуживания
был ве ниже некоторого значения, которое дня разных
климатических зон меняется от 10 до 40°;
отношение сигнала к суммарной помехе (C/J) — не менее 2G дБ
(в окончательном варианте плана был допущен ряд отклонений от
этого значения):
7 = (£<скГ' ' = >•»•» »•
где л — число сетей в пределах дуги ГО, видимых для полезной сети:
шумовая температура приемного тракта космической станции
(КС) 1000 К (6 ГГц); 1500 К (13 ГГц);
шумовая температура приемного тракта ЗС 140 К (4 ГГц): '200 К
(10 ГГц);
диаметр антенн 3<' 7 м (G/4 ГГц): 3 м (13/10 ГГц):
луч антенны КС чллитичегкий в поперечном сечении, углы
рагкрыва определяются заданной н'шой обслуживания, но не менее
1.а° (0/4 ГГп). О.*0 (13/10 ГГц):
•2Т2
зависимость спада усиления антенны от утл* должна быть яе
хуже принятой из конференции диаграммы.
При определении исходных параметров под сигналом и помехой
во всех случаях понимаются значения средней спектральной
плотности мощности Sep во всей полосе частот F, необходимой для передачи
сигнала (точнее, вероятно, было бы определение — в волосе частот,
выделенной для передачи сигнала). Очевидно, что максимальная
спектральная плотность 5тах сигнала или помехи может быть
существенно (на 10... 20 дБ) выше средней для некоторых видов сигналов,
например для телевидения, передаваемого сЧМ. Помехи от таких
сигналов сигналам с равномерной спектральной плотностью будут,
как правило, существенно сильнее (т.е. потребуется защитное
отношение С/J много более 26 дБ).
Для повышения однородности систем принято предложение о так
называемой макросегментации полосы. Верхняя часть полосы (60 %
в каждом из диапазонов 6/4 и 13/10 ГГц) рекомендована для
сигналов с высоким отношением 5тах/5ср (более 5 дБ), нижняя (40 %) —
для сигналов с отношением Sma.x/Scp (менее 5 дБ). В случае, если
доля сигналов с высоким отношением составляет более 60 % любой
из полос, система считается не соответствующей плану выделений и
требует специальной координации.
На основе изложенных выше предпосылок был разработан и
принят план, включающий национальные выделения для всех стран —
членов МСЭ (часть А плана) и 54 существующие системы (часть В).
В плане отношение С/J для каждой системы части А,
обусловленное помехами от всех других систем части А, лучше 26 дБ; если
же учитывать при расчете помех и существующие системы, то для
подавляющего большинства лучей С/J остается больше 26 дБ, для
16 выделений (в диапазоне 6/4 ГГц) и для 21 выделения (в диапазоне
13/1U ГГц) С/J менее 26 дБ. но не менее 20 дБ. Помехи в сторону
существующих систем не удалось сохранить на уровне 26 дБ. При
этом для семи систем в диапазоне 6/4 ГГц величина С/J
изменялась от 14 до 1 дБ и для семи других систем в диапазоне 13/10 ГГц
— от 25 до 2 дБ.
Несмотря ira что, план был принят, поскольку есть основания
полагать, что помех существующим системам на практике удастся
избежать из-за неодновременной реализации, а также из-за создания
сметем, работающих не во всей полосе частот, выделенной для
планирования. Кроме того, при реализации систем можно применить ряд
технических мер. Так, возможно создание и использование антенн
ЧС и КС с лучом, имеющим более крутой спад диаграммы
направленности (ДН), либо антенн с лучом специальной формы.
Возможно применение разделения систем но политизации (сейчас в плане
поляризации не учитывался) или специальных сигналов,
обладающих высокой помехоустойчивостью; в -лих случаях, конечно, не-
22:*
сколько снижается пропускная способность систем- Предполагается
также при необходимости Перемещение спутников на орбите в
пределах предопределенной дуги; для нахождения оптимальной
расстановки ИСЗ следует располагать необходимым набором
вычислительных программ. Эти меры следует применять на этапе превращения
выделения в присвоение.
План ФСС составлен с использованием и указанием конкретных
технических параметров, в том числе угловой ширины луча (по двум
осям его эллиптического сечения), эталонных ДН антенн КС и ЗС,
спектральной плотности эквивалентной изотропно излучаемой
мощности КС и ЗС. Однако принято решение, что будут вычислены
значения обобщенны]: параметров А, В, С, D и проверка соответствия
системы плану будет вестись по этим параметрам. Применение
обобщенных параметров дает несколько большую свободу при создании
системы, позволяя изменять значения отдельных величин, входящих
в определение параметра, при сохранении необходимого значения
обобщенного параметра [6.9].
Принятые конференцией определения обобщенных параметров
отличаются от использовавшихся ранее [6.9]:
спектральная плотность ЭИИМ ЗС в зависимости от угла
(относительно оси ДН)
А(9) = Pi9i(0),
где pi — спектральная плотность мощности, усредненная в
пологе частот модулированного сигнала, подводимая к передающей
антенне ЗС; <7i(0) — усиление антенны ЗС в направлении в
относительно оси ДН;
чувствительность к помехе на линии вверх
В{*>) = l/\pigib92i<P)]> i*)
где у\ = у\(9 = 0); Aj/^v) = д?/д'>(<р) — пространственная
избирательность приемной антенны КС; g-j{<p) — усиление приемной
антенны КС в направлении на ЗС с углом -f относительно оси ДН;
91 = У-Л<Р = 0).
Легко показать, что допустимая ЭИИМ помехи с направления.
образующего угол <р относительно оси ДН приемной антенны КС,
ЭШШпом(И=1/[(С/./)ад], (♦*)
где С/J — необходимое отношение мощности сигнала к мощности
помехи на входе КС: В[р) — чувствительность к помехе на линии вверх.
Очевидно, чем больше fl, тем больше чувствительность системы
к помехе, Достоинство определения параметра В по (*) в том, что
Т2А
on зависит лишь от параметров полезное свстемы, причем он тех,
которые содержатся в плане.
Спектральная плотность ЭИИМ КС
где рз — спектральная плотность мощности, подводимая к
передающей антенне КС, усредненная в полосе частот модулированного
сигнала; jfe(v) — усиление передающей антенны КС в направлении <р
относительно оси ДН.
Чувствительность к помехе ЗС (линия вниз) по аналогии с В{<р)
характеризуется величиной
0(0) = 1/ЬдоДд<(0)].
где 0з = 9з(-Р = 0); AjteW = WiH.W) — пространственная
избирательность антенны ЗС; д^(9) — усиление приемной антенны ЗС в
направлении 9 относительно оси ДН; д+ = д*{6 = 0).
К параметру D(9) относятся замечания и пояснения,
приведенные для параметра В.
При представлении администрацией параметров системы для
превращения планового выделения в присвоение для системы
вычисляются значения Л, В, С, D и сравниваются с плановыми. Если
значения всех четырех параметров меньше плановых, система
считается соответствующей плану, Если значения А и С больше
плановых, то система считается не соответствующей плану, и ее
реализации должна предшествовать специальная процедура. Если значения
В и D больше плановых, то система может реализоваться, но ей
будет обеспечена зашита лишь на уровне, предусмотренном планом. Из
(**) очевидно, что разработчику системы увеличенное значение В{<р)
придется компенсировать уменьшенным значением CfJ. т.е.
применением сигналов, допускающих большую помеху.
Во время подготовки и проведения конференции ряд стран
выражал заинтересованность в создании в первую очередь совместных.
так называемых субр(<чюш11ьныт систем для нескольких
администраций. Очевидно, что такие системы могут оказаться более
эффективными чкономичегки, чем национальные. Однако
конференции не располагала всей совокупностью необходимых предпосылок
для включения в план субрегиональных систем. Поэтому была
разработана и принята процедура создания субрегиональных систем
путем объединения национальных выделений. Возможность
реализации субрегиональных систем таким путем требует конкретного
анализа каждою случая, поскольку создание более широкой зоны может
ухудшим» совместимость с другими системами, несмотря на
сокращение числа лучей.
22-1
Оценивая результат планирования систем ФСС в целом, следует
признать его несомненно важным и положительным. Несмотря на
чрезвычайную сложность проблемы, удалось создать план
размещения на орбите национальных систем практически всех стран мира, а
также большого числа существующих систем. Теперь доступ к ГО
для создания систем ФСС гарантирован всем странам. Более того,
план составлен с применением усредненных и обобщенных
параметров, что обеспечивает некоторую гибкость при реализации систем
ФСС на плановой основе.
6.6. Национальное регулирование
использования радиочастотного спектра
спутниковыми системами
В предыдущих параграфах данной главы кратко описываются
основы регулирования использования радиочастотного спектра и
орбитальных позиция ва международном уровне в рамках
сотрудничества администраций стран-членов МСЭ.
При разработке и создании отечественных систем спутниковом
связи и вещания выполнение международных требований,
вытекающих из Регламента радиосвязи, а также из положений Устава и
Конвенции МСЭ, является обязательным, поскольку Российская
Федерация подписала и ратифицировала эти основополагающие документы.
Кроме того, разработчик спутниковой системы или оператор,
обеспечивающий услуги спутниковой связи или вещания на территории
Российской Федерации, обязан выполнить требования
национального законодательства, изложенные в Федеральном законе «О связи»,
включая положения о лицензировании, сертификации и др.. а также
в постановлениях и распоряжениях Правительства, определяющих
порядок доступа к радиочастотному спектру.
В настоящее время система национального регулирования
использования радиочастотного спектра имеет несколько уровней,
каждый из которых ответствен за решение конкретных задач. Целью
данного параграфа является краткое описание действующей
системы и изложение порядка доступа к радиочастотному спектру на
национальном уровне.
Формирование государственной политики в области
распределения и использования радиочастотного спектра и обеспечение
электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств
осуществляются Государственной комиссией по радиочастотам при Министерстве
связи (ГКРЧ России). В состав ГКРЧ России входят руководящие
работники министерств и ведомств — основных пользователей
радиоспектра для президентской и правительственной связи, обороны,
безопасности, дня радио- и телевизионного вешания и радиосвязи
общего пользования и др. ГКРЧ России разрабатывает долгосрочную
'№
политику в области распределения и использования
радиочастотного спектра, вырабатывает планы перспективного использования
радиочастот и Национальную таблицу распределения полос
радиочастот между радиослужбами, проводит планирование распределения
и использования полос радиочастот, орбит и точек стояния для ИСЗ,
организует взаимодействие радиослужб различной принадлежности
на территории России. Кроме стратегических и долгосрочных
решаются также оперативные задачи по выделению полос частот для
разрабатываемых и производимых в России и закупаемых за
рубежом радиосредств.
В соответствии с действующими положениями первым шагом в
начале разработки спутниковой системы любого назначения или при
намерении осуществить закупку импортного оборудования земных
станций или спутников за рубежом необходимо получить
разрешение ГКРЧ России на использование соответствующей полосы частот
для разрабатываемого или закупаемого оборудования.
Указанное разрешение оформляется документально в виде
Решения ГКРЧ России на основании рассмотрения заявки
потенциального разработчика системы или пользователя ЗС Заявка должна
подаваться по единой форме и состоять из пояснительной записки,
описывающей основные задачи системы, ее конфигурацию и
принципиальные технические характеристики, а также формализованной
машинно-ориентированной карточки по Форме № 1, приведенной в
Приложении вместе с краткими выдержками из инструкции по ее
заполнению.
По получении заявки ГКРЧ России анализирует ее на
соответствие Национальной таблице распределения полос частот между
службами, требованиям соответствующих ГОСТов и Решений ГКРЧ,
а также положениям Регламента радиосвязи. В случае
положительного заключения проводится анализ ЭМС с действующими или
запланированными радиосистемами, после чего выпускается
соответствующее Решение ГКРЧ России, дающее разрешение на
использование запрашиваемой полосы частот и формулирующее в
необходимых случаях дополнительные условия, ограничения или требования.
После оформления решения ГКРЧ о полосе частот потенциальный
пользователь должен перейти к следующему этану — оформлению
конкретных частотных присвоений, т.е. перейти на следующий
уровень федеральной системы управления радиоспектром.
Конкретные задачи назначения, планирования частот и
технического радиоконтроля решаются радиочастотными органами основных
пользователей радиочастотного спектра: МО, ФАПСИ и Минсвязи,
поэтому порядок дальнейшее оформления определяется
назначением планируемой системы.
Все радиочастоты для систем гражданского и коммерческою
назначении подлежат соответствующему оформлению в Минсвязи Рос-
•2-27
rail, a intcnno а Главгоесвяэьивдзоре, который присваивает
конкретные чаттоты на основе Решения ГКРЧ. анализе электромагнитной
.Летановки и Но согласованию с другими пользователями спектра.
Главг*>ссвязъяадзор также оформляет необходимые документы для
вЪоза радиоаппаратуры через таможню, регистрирует пользователей
и осуществляет технический контроль.
№ютда порядок оформления может иметь некоторые
особенности, ко в прйВТйпте описанная последовательность этапов
Действительна и необходима в любом случае, поскольку в соответствии с
действующим порядком использование радиочастотного спектра в
Рогсив возможно только на разрешительной основе.
При чтом па современном этапе наиболее сложной проблемой
является нехватка частот для обеспечения внедрении современных
радиоэлектронных систем и средств гражданского назначения из-за
исторически сложившихся диспропорций, милитаризации
радиочастотного спектра н существенного отличия национального
распределения частот от имеющего место в международном сообществе,
Для создания благоприятных условий развития современных
средств радиосвязи ГКРЧ России была разработана и одобрена
Правительством в январе 1993 г. Комплексная целевая программа
конверсии в области использования радиочастотного спектра
радиослужбами Российской Федерации, которая позволит упорядочить
использование радиочастотного спектра в стране, сблизиться с
международным распределением частот и расширить возможности
использования систем спутниковой связи и вешания для решения
социальных, экономических задач как внутри страны, так к в рамках
международного сотрудничества.
Приложение. Карточка ГКРЧ России но Форме. № 1
«Тактико-технические данные РЭС» и порядок ее
заполнения
Карточка по Форме № 1 содержит сведения о
тактико-технических данных РЭС. необходимых для решения задач управлении
радиочастотным спектром и обеспечения электромагнитной
совместимости. Эта карточка заполняется заявителем1 при подаче заявки на
выделение полос радиочастот дня разрабатываемых или
модернизируемых РЭС или Д1Я средств, закупаемых за границей",
'Заявители РЭГ юридические лица и граждане, включая
иностранных граждан, представляющие радиочастотную заявку на выделение
полог (номиналов) радиочастот для РЭС,
3Карточка по Форме N5 1 используется для всех нндов РЭС, как
наземных, так и спутниковых, хотя в тексте даны примеры в основном для
спутниковых систем,
228
Карточка состоит из пяти разделов, включающих: тактико-
технические данные РЭС; характеристики радиопередатчика;
характеристики радиоприемника; характеристики антввны (диаграмма ва-
правленности); административные данные.
Карточки по Форме Л** 1 заполняются только машинописным
способом, а также записываются на дискетах 5,25" или 3,5".
При заполнении карточки следует руководствоваться
следующими рекомендациями, приведенными последовательно по пунктам,
обозначенным на бланке.
В верхней левой колонке бланка (пункты 01 и 03) указываются
регистрационные реквизиты данной радиочастотной заявки.
Пункт 01 заполняется ГКРЧ после вынесения решения и
сообщается заявителю. В пункт 02 ГКРЧ вносится код типа РЭС из
Таблицы № 1 «Типы РЭС», выдержки из которой, относящиеся к
спутниковым службам, приведены в табл. П.1. В пункте 03 заявитель
указывает собственный исходящий номер радиочастотной заявки и
дату отправки в ГКРЧ, Например:
01 ГКРЧ № 3U-OP, 17.0i.93
(Регистр. К* решения, дата)
03 ПР Л'» 22/5, 03.04.93
(номер РЧЗ, дата)
02 Код: TMSC-23
Во второй (средней) колонке в пункте 1.1 указывается шифр
РЭС, в пункте 1.2 — наименование РЭС. Шифр записывается в
кавычках и прописными буквами, наименование РЭС пишется
строчными буквами. В третьей колонке указывают цель представления
карточки (для включения, изменения, дополнения, исключения),
исходящий помер и дату отправки предшествующего документа,
направленного в радиочастотный орган (РЧО) по данному типу РЭС.
Если обращение заявителя относится к уже принятому решению,
заявитель указывает в этой строке сообщенный ему регистрационный
номер. В четвертой колонке указываются гриф секретности
документа, общее количество листов и порядковый номер листа в
документе. Например:
1.1. Шифр РЭС
DR-599T"
1,2. Наименование РЭС
ба.
зоьая. возимая ст.
П редставляется для
[регистрации
на этапе
закупки по импорту |
а дополнение к
исх. ПС № 22/5-19 03.02.Ц
В пункте 1.3 указывают тип и характер РЭС (в соответствии
с табл. П.1), Например:
229
01
(Регистр.
№
решения
дам,)
03 |
(номер РЧЗ, дате)
02 Код;
ТАКТИ КО
1.1. Шифр РЭС:
1.2. Наименование
РЭС:
1.3. Тип РЭС: ©
1.5. Назначение РЭС:
IS. Район использования:
1.8. Система (комплекс), в которую входят РЭС:
2. ПОЛОСЫ ЧАСТОТ (ПлЧ)
2.1. Номер ПлЧ П [
3.2. Мин. частоте ПлЧ Р
2.3. Макс, частота ПлЧ Д
г
1
1
Гц
Гц
Гц
Гц
Гц
Гц
3. СОСТАВ И ТТХ: 3.1. ПРД
3.2. ПРМ
3.3. АНТ
Номер
режима
Краткая характеристика режима
Тип передачи
Номер
ПлЧ
Состав злементарцых РЭС
№ эле-
меатар.
РЭС
№ АНТ
элемент.
РЭС
№ АНТ
фуыкц.
свРЭС
3.5
3.6
3.7
3.8
3-9
3.10
Для дополнительных записей используйте отдельные листы, указывайте номер
4. ХАРАКТЕРИСТИКИ РАДИОПЕРЕДАТЧИКА
№>
4.1, Рабочие частоты (номиналы или формула их получения): |
4,3. Тип перестройки частоты:
Номер
режима
Класс
излучения
&
Краткая
характеристика
класса излучения
Номер
ПлЧ
Ширина полосы излучения,
Гц на уровне
-ЗдБ
. -30 дБ
ГЩдБ
3.5
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
4.9
4.15. Тип выходного прибора: ©
Относительный уровень 4.17. На гармониках (до 3 fp):
побочных излучений: 4.18- На гармониках (выше 3 Гр);
дБ
1 дБ
Для дополнительных записей используйте отдельные листы, указывайте номер
230
Гр.хничвские данные
Представляется дли
на этапе
В ДОПчЛ-
непне ■
С
ГКРЧ России - Форма Jft 1
лист
(гряф секретности-)
I листовГ
1.4. Место установки РЭС:
1.7. Пользователь РЭС:
1.9. Необходимость регистрации в МСЭ:
Номер листа
дополнений
П
Р
М
Гп
ruf
Га
Га
Гп
Гц
Номер листа
дополнений
3
ЗА. Структурная схема системы (РЭС) смолист
функционирующих а режиме
Имя функционально
связаного
РЭС
3.11
Тактико-технические характеристики РЭС
Наименование
характеристики
3.12
Значение
вость
дополняемого пункта:
Номер листа дополнений
Номер листа дополнений I
4,2. Шаг сеткн:
Мощность излучения
Вид
Миннм.
дБ Вт
Максим.
дБ Вт
Макс.спектр.
плоти.м-ти
дБ Вт/Гц
Параметры модуляции
Наименование
параметра
Значе-
Раэмер-
ность
4,10
4.11
4.12
4.13
4.14
•1,19. Прочие виды побочных нэлуч.: Г
4,20. Уровень шумовых излучений: [_
дополняемого пункта:
4.16. Относительная нестабнль-
1дБ нсч'1'Ь частоты;
1дБ
Номер листа допо^0ВННЙ
ZI3
231
5. ХАРАКТЕРИСТИКИ РАДИОПРИЕМНИКА
»•
6.1. Тип преемника: ©
5.2. Рабочие частоты ()
1 или формула их получения):
Номер
Применяемые
ж лас
налу*
Номер
ПлЧ
ЧувС!
хянтельность в
пороговая
реальная
Защ, охн.
к помехе
дБ
Тип
помехи
Поло
ЗдЕ
3.5
5.4
5.5
5.6
5.7
5.8
5.9
5.10
Избирательность ПРМ по: 5.21. Другим ПКП: | |дЕ 5.24,
5.19. Соседнему каналу; I 1дБ 5.22. Блокир.я перекр.нскаж.;| ]дБ 5,25.
5.20. Зеркальному кааалу:| |дВ 5.23. Интермоду ляпионная: | |дБ
Для дополнительных записей используйте отдельные листы, указывайте
в. ХАРАКТЕРИСТИКИ АНТЕННЫ
Номер
АНТ
Назначение
антенны
©
6.1
Тип
антенны
©
6.2
Размер
антенны
6.3
Номер
режима
3.S
Номер и
ваименованве
луча
6.4
Положение
луча в
пространстве
6.5
Для дополнительных записей используйте отдельные листы, указывайте
7.1. Тип фидера: ©
7.2. Критическая частота АФТ:[
7.3. Волновое сопрот- АФТ: I
7.4. Затухание АФТ на прм, дБ:
7.5, Затухание АФТ на прд. дБ:
Для дополнительных записей используйте отдельные ласты, указывайте
8. Меры по повышению помехозащищенности
и обеспечению "ЭМС
9.1. Заказчик
Орг
(предприятие)
Адрес,
телефон
Подпись
(Должность. ФИО)
232
5.3. Шаг сейся:
са пропускания УВЧ,
Гц на уровне
-30 дБ
5.11
1^РдВ
5.12
№ в вид
настройки
гетеродина
5.13
Номер листа дополнений I
Промежуток-1 Полоса
иая частота,
5.14
УПЧ.
1 I Га на уровне
-3 Дб
5.15
30 дБ
5.16
1дВ"
5.17
Эквивалентная шумовая температура:[_
Допустимое увелич. экв. шум. темпер,:[_
JK 5.18. Относительная нестабнль-
"1% ность частоты гетеродина:
Г
номер дополняемого пункта:
Частота.
Гд
6.6
— .
Коэф.
уснл.,
дБ
6.7
—,— „
Ширина ДНА
на уров.-З дБ.гр.
гор.пл.
6.8
—.
верт.пл.
6.9
Номер листа дополнений
Номер листа до!
Уровень бок.лепестков
Сектор
углов, град.
6Д0
номер дополняемого пункта:
Уровень,
дБ
6.11
юлвений
Точность
навед.,
град.
6.12
Номер листа дополнений
Зона
обслужи-
6.13
1
номер дополняемого
пу
".6- Тип и характеристики поляриэашш: ©
нкта:
Номер листа дополнений
Номер листа дополнений
9.2. Разработчик
9.3. Изготовитель
Номер листа дополнений!
Тип РЭС
Т а б л и ца П.1
Код типа РЭС
РЭС жосмяческкх (кроне спутниковых) служб
радиосвязи
РЭС спутниковых служб радиосвязи
РЭС радиовещательной спутниковой службы
Космическая станция радиовещательной спутниковой
службы (звуковое вещание)
РЭС фиксированно В спутниковой службы:
космическая станция
земная станция
РЭС межспутииковой службы
РЭС службы космической эксплуатации
РЭС подвижной спутниковой службы:
космическая станция
земная станция
РЭС сухопутной подвижной спутниковой службы:
космическая станция
земная станция
РЭС морской подвижной спутниковой службы:
космическая станция
земная станция
РЭС воздушной подвижной спутниковой службы:
космическая станция
эемяая станция
РЭС спутниковой службы радиоопределеиия:
космическая станция
подвижная земная станция
РЭС и системы спутниковой навигации:
земная станция
космическая станция
Прочие РЭС и системы спутниковой радионавигации
РЭС службы космических исследований:
космическая станция
земная станция
РЭС радиоуправления:
телеуправления космические
телеуправления земные
РЭС радиотелеметрии:
телеметрические космические
телеметрические земные
РЭС дедамковой метеорологической службы:
космические
эем#ые
U34
ЕВ
ЕС
ТС
ЕМО
ТМО
EU
ти
EG
TG
EJ
TJ
EL
TL
TN
EN
EH
TH
ED
TD
ER
TR
-v
EM
TM
WSE
WS
BE
FWS
EWS
TT
МОЕ
UOE
GOE
JOE
LL
RNE
RNZ
И К
RD
RT
MET
1.3. Тип РЭС:
РЭС радиосвязи фиксированной спутниковой
службы[FWSI
В пункте 1.4 указывают место размещения РЭС (тип носителя):
для стационарных РЭС, данные о которых представляются ло-
экэемплярно, указывают географические координаты места
расположения РЭС; при оформлении радиочастотной заявки допускается
указание места расположения известного географического пункта:
для РЭС, устанавливаемых на подвижных средствах,
указывается тип этого средства (судно, речное судно, самолет и т.п.).
В пункте 1.5 кратко характеризуют функциояальяое'назначение
и область применения РЭС. При оформлении заявки в ходе НИР
(ОКР) на макет или установку для проведения натурного
эксперимента в пункте 1.5 указывают цель экспериментальных
исследований. Например:
1.5. Назначение РЭС:
Космически^ ретранслятор с простым
переносом' ивстоты (ИСЗ «Горизонт»)
В пункте 1.6 указывают основные данные о районе, где
предполагается использовать РЭС данного типа. Например:
1.6. Район использования:
Санкт-Петербург и ближайшие при
еороды
В пункте 1.7 указываются основные пользователи РЭС.
Например:
1.7. Пользователь РЭС: | Минтопэнерго
В пункте 1.8 указывают шифр и (или) условное обозначение
системы (комплекса), в состав которой входит заявляемое РЭС, если
таковые имеются. Например:
1.8. Система (комплекс), в которую входит РЭС:
\ АСУП «Звезда» |
В пункте 1.9 указывают необходимость международно правовой
защиты в МСЭ (да/нет). Для РЭС, не регистрируемых в МСЭ,
печатается слово кет.
В разделе 2. ПОЛОСЫ ЧАСТОТ (ПлЧ) приводят данные о
запрашиваемых (присвоенных) полосах частот, обобщенные по всем
радиопередающим и по всем радиоприемным устройствам, входящим
в состав РЭС.
Частоты, используемые радиопередающими устройствами,
образуют полосы частот ПРД, а частоты, используемые радиоприемными
устройствами, — полосы „частот ПРМ. Диапазоны (полосы) частот
ПРД и ПРМ описывают их крайними (минимальной и максимальной)
частотами соответствующих диапазонов, которые определяют
следующим образом: если в состав РЭС входит один радиопередатчик и
(или) радиоприемник, берут все полосы, запрашиваемые для
радиопередатчика и описываемые своими крайними рабочими частотами
(нижним и верхним пределами), находят минимальный из нижних и
235
t
100 M Гц
3
130 М Гц
5
250 М Гц
ISO М Гц 230 М Гц 300 Ы Гц
&
160 М Гц
ПО М Гц
Гц
Гц
Гц
Гц
максимальный из верхних пределов и заносят их в таблицу раздела 2
как минимальную и максимальную частоту полосы ПРД.
При нескольких радиопередатчиках (радиоприемниках)
полученные в результате полосы частот упорядочивают по возрастанию
минимальных граничных частот и заносят в таблицу, присваивая
полосам ПРД нечетные, а полосам ПРМ — четные номера.
2. ПОЛОСЫ ЧАСТОТ (ПлЧ)
2.1. Номер ИлЧ П
2.2. Мяв. частота ПлЧ Р
2.3. Макс, частота ПлЧ Д
2.1. Номер ПлЧ П
2.2. Мин. частота ПлЧ Р
2.3. Макс, частота ПлЧ М
В разделе 3 СОСТАВ И ТТХ приводятся данные о составе,
структуре, функциональных связях я тактико-технических
характеристиках РЭС в различных режимах его работы. В заглавной строке в
пунктах ЗЛ-3-3 в соответствии со структурной схемой перечисляют
номера, присвоенные радиопередатчикам (ПРД), радиоприемникам
(ПРМ) и антеннам (АНТ), входящим в состав РЭС.
Если в состав РЭС входит два и более радиопередатчика и (или)
радиоприемника, заполнение этой части бланка начинается с
изображения на отдельном .таете структурной схемы РЭС.
Радиопередатчики, радиоприемники и антенны, входящие в состав РЭС,
нумеруются (радиопередатчики — нечетными номерами, радиоприемник»
— четными, антенны — последовательными номерами, которые
могут предваряться буквой А). На структурной схеме отображаются
внутренние н внешние функциональные связи РЭС с указанием
номера используемого поддиапазона (полосы) частот, а также условных
обозначений и (или) шифров внешних корреспондентов.
В пункте 3-4 указывают номер листа дополнений, на котором
дана структурная схема заявляемого РЭС (системы).
В пункте 3.5 указывают номера режимов работы РЭС (основной
режим работы РЭС должен иметь первый номер; последовательность
нумерации остальных режимов произвольная), а в пункте 3.6
записывается их словесное определение.
Заполняющий раздел СОСТАВ И ТТХ, перечислив режимы
работы РЭС и присвоив им номера, переносит их в колонку 3.5 таблицы
раздела 4 ХАРАКТЕРИСТИКИ РАДИОПЕРЕДАТЧИКА, таблицы
раздела 5 ХАРАКТЕРИСТИКИ РАДИОПРИЕМНИКА и таблицы
раздела 6 ХАРАКТЕРИСТИКИ АНТЕННЫ.
В колонке 3.7 указывают номер полосы частот, в которой
работает РЭС в данном режиме.
В колонках 3.8-3.11 применительно к различным режимам
работы РЭС описываются функциональные связи радиопередатчиков.
236
радиояриемяюсов и антенн между собой (внутренниесвят), л ким*
«^функциональные евши •■ другими РЭС (внеипже^-югзд).
В любом ел\'чае сложной системы к карточке Формы J* 1 при-
тагается графическая структурная схема РЭС (системы).
К карточке тактико-технических данных на бортовую
аппаратуру ДСЗ прилагаются рисунки зон обслуживании ИСЗ с указанием
контуров и коэффициентов усиления антенн на прием и передачу,
наименований соответствующих лучей ИСТ
В колонке 3.12 укачивают общие тактико-технические
характеристики РЭС, определяющие его функциональные возможности в
описываемом режиме работы, а также тактические
характеристики РЭС. oi-оворенные техническим заданием на разработку,
техническим описанием или техническими условиями. Для
радиопередающих устройств спутниковых систем указывают максимальное и че-
|>е» лробь минимальное значение эквивалентной изотропно
излучаемой мощности (ЭИИМ) для каждой несущей. Например, для земной
гтанцни фиксированной спутниковой службы:
Номер
режима
3.5
2
Тактико-технические характеристик» РЭС (системы)
Наименование характеристики
3.12
ЭИИМ на несущей (макс./мин.)
Скорость передачи
Необходимая полоса на несущей
Количество кана.мю
'Значение
60,8/54
2048
2560
10
Размерность
дБВта
кбит/с
кГц
канал
В листе дополнений для земных станций спутниковой связи
независимо от типа службы указываются мощность и максимальная
гпектральная плотность мощности дня каждой несущей ИСЗ в
режиме ретрансляции сигналов этих земных станций, а также
наименование соответствующих приемных и передающих лучей ИСЗ и
коэффициенты усиления антенн ИСЗ этих лучей.
Лист дополнении к пункту 3.12
Наименование характеристики
Название приемного луча ИСЗ/
Коэффициент усиления луча
Название передающего луча ИСЗ/
Коэффициент усиления лучи
. Мощность ретранслятора НСЗ
Максимальная спектральная плотность
.мощности ретранслятора НСЗ
Значение
OUE/19
ОСЕ/19
J.12
-60.96
Размерность
/дБ
-/дБ
дБ Вт
дБВт/Гц
В заголовке раздела 4 ХАРАКТЕРИСТИКА
РАДИОПЕРЕДАТЧИКА № | [указывают номер радиопередатчика из пункта 3.1.
■2X7
К которому относятся указанные в разделе технические
характеристики.
В пункте 4.1 указывают номинал минимальной рабочей частоты
и далее в порядке возрастания следующие номиналы рабочих частот
либо приводят формулу образования рабочих частот, в которой
записывают значение и размерность шага сетки и количество шагов,
образующих весь спектр рабочих частот, N. Для РЭС с несколькими
стволами каналов в формулу добавляются значение и размерность
разноса между стволами л количество стволов М. После формулы
указывают, как меняется значение величин N и М. Например:
Рабочие частоты 3658 МГц+ (М х 50 кГц) + (Л' х 0,025 кГц),
где М = 0...9, N = О..Д360.
Б пункте 4.2 указывают значение и размерность шага сетки
частот. Например: «Шаг сетки 0,025 МГц».
В пункте 4.3 записывают тип перестройки частоты (дискретная,
плавная, без перестройки) и метод перестройки (ручная,
адаптивная, программная).
В таблице (колонки -4.4-4.14) описывается работа
радиопередатчика в тех режимах работы РЭС, в которых он используется. Для
каждого режима работы РЭС номер, присвоенный при заполнении
таблицы раздела 3 СОСТАВ И ТТХ, переносится в крайнюю левую
колонку (3.5) заполняемой таблицы. В колонке 44 указывают полное
условное обозначение класса излучения в соответствии с
обозначением излучений, предусмотренным Регламентом радиосвязи.
Например, обозначение 1M55G9D соответствует сигналу с
необходимой шириной полосы излучения 1,55 МГц (1М55).
использующему фазовую модуляцию основной несущей (G). промодулирован-
ной сложным сигналом с одним или несколькими каналами,
содержащими квантованную или цифровую информацию, совместно с
одним или несколькими каналами, содержащими аналоговую
информацию (9), и предназначенному для передачи данных, телеметрии
и телеуправления (D).
В колонке 4.5 приводится краткая словесная характеристика
класса излучения. Кроме того, на отдельных листах при
необходимости даются пояснения к структуре сигналов, уточняется характер
передаваемых сообщений и способ формирования излучаемого сигнала.
В колонке 4.6 указывают номер ПлЧ, присвоенный в пункте '2,1;
в колонках 4.7 и 4.8 — ширину полосы излучения (ШПИ) на
уровнях —3 дБ и -30 дБ относительно нулевого уровня, определяемого
действующими нормативными документами, а в колонке 4Л) — ШПМ
на уровне Л* дБ (рекомендуемый уровень Л" = —(60.. ,90) дБ), При
зтом значение уровня Л', определяемо*'действующими иорматиины-
ми документами, записывают в той же графе -за дробной чертой
после ширины пологы излучения. Если приводимые данные относятся
238
Таблица П.1
Вид мощности передатчика
Средняя мощность
Импульсная мощность
Мощность несущей
Пнковал мощность огибающей
Аббревиатура I
СР
ИМИ
НСЩ
ПИК
Таблица ГС.З
Тип выходного прибора
Магнетрон
Клистрон
Пампа обратной волны {ЛОВ)
Лампа бегущей волны (ЛБВ)
Неточный электровакуумный прибор (Сеточный ЭВП)
Полупроводниковый прибор
Амплитрон
Магнетрон, настраиваемый напряжением |МНН)
Ми нитрон
Прочие типы выходных приборов, ие указанные выше
Усилительные модули и комплексированмые изделия
П реобразовательно-усилительные модули
и комплексированмые изделия
Прючие типы модулей
к одному уровню Л", то его значение вписывается в заголовок
колонок 4.7-4.9. В этом случае после значения ШПИ дробная черта и
указание уровня не ставится.
В случае, когда ГОСТ или нормы ГКРЧ предусматривают
требовании по ширине полосы излучения на уровнях, отличных от
заданных в колонках 4.7-4.9. параметры РЭС по внеполосным излучениям
должны быть приведены на листе дополнений в виде графического
изображения ограничительной линии спектра.-
В ко.чонке 4.10 указывается вид мощности в соответствии с
табл. П.2.
Далее указывают минимальное (колонка 4.11) и максимальное
(колонка 4.12) значение мощности излучения, Для РЭС с
нерегулируемой мощностью излучения ее значение указывают в колонке 4.12.
а в колонке 4.11 ставят прочерк. Если мощность регулируется
дискретно или плавно, в колонке 4.11 приводится значение
минимальной мощности со звездочкой, а в лист дополнений вносятся
необходимые пояснения.
Для импульсной мощности в колонке 4.14 необходимо проставить
параметры импульса, скважность.
В ко.чонке 4,13 указывают максимальную спектральную
плотность мощности излучения, если ее значение оговаривается техннче-
Ш
гкнм заданием или техническими условиями на Р'ЭС. 'Заполнение
колонки 4.13 обязательно для 1*ЗС' космических (спутниковых) систем.
В колонке 4.14 приводят параметры модуляции для расчета
ширины необходимо]! полосы частот по действующее нормативно-
технической документации (нормы ГКРЧ. ГОСТ), а также
уточняющие спектральные, мощвостные и временные характеристики
излучения.
Далее приведены примеры заполнения колонок 3.5, 4.4-4.14.
Номер
режима
3.5
1
о
6
Класс
излучения
4.4
I6KOF3E
8K50F10
JSM5F9MXW
Краткая
характеристика класса
излучения
4.5
те.*ефония
передана данных
телевидение
Номер
ПлЧ
4.6
1,3
1.9
Ширина полосы
излучения. |К | Гц
на уровне (дБ)
-3 дБ
4.7
—
—
-30 дБ
4.8
16
8.5
|-60|дБ
4.9
32
15,9
-во
дБ (Вид Мия., Макс.
дБВт |цБВт/
Гц
4.9
4.10
32
15.9
Мошность"
нзлучення
«7»
<"Р
4.11
Макс,
спектр
плотн.
мощ-ти
aBBi/Tn
Параметры модуляции
4.12
40
40
4.13
Наименование
параметра
Значение
4.14
Девиация частоты
Нижн. зьуков- част
Верт, зеукоь. част.
Девиация частоты
Скорость передачи
Индекс модуляции
300
3000
920
4.51
мерность
кГц
Гц
Гц
кГц
би т/с
В пункте 4.15 указывают тип выходного прибора в соответствии
с табл. П.З-
В пункте 4.16 указывают относительною нестабильность
чистоты радиопередатчика. Далее в пунктах 4.17-4.20 указывают [и
децибелах) относительный уровень побочных излучений ил гармониках
до 'ifp и выше 3/;,. относительный уровень побочных излучений, а
также уровень шумового излучения. Например:
4-16. Относительная нестабильность частоты:
Относительный уровень побочных излучений:
4.17. На гармониках (до 3/,,):
-1.18. На гармониках (выше :i/yi):
4.19. Прочие виды побочных излучений:
4.20. Уровень шумовых нзлучпшй:
J-10-'
\-ti0 дБ
-ЬО дБ
- W дБ
-80 дБ
/IU
Таблица П.4
Тил приемника
Прямого усиления
Детекторный
Регенеративны й
Суперрегенеративный
Супергетеродиниый (за
исключением матричного типа)
Супергетеродинный матричного типа
Другие типы ПРМ
В заголовке раздела 5 после слов «ХАРАКТЕРИСТИКИ
РАДИОПРИЕМНИКА Л** | |» указывают номер радиоприемника из
пункта 3.2, к которому относятся приведенные в разделе
технические характеристики радиоприемника.
В верхней полосе раздела 5 записывают тип радиоприемника
(пункт 5.1 заполняется в соответствии с табл. П.4). Если в
пункте 5.1 указывается «Другие типы ПРМ», то на отдельном листе
приводят структурную схему радиоприемника и пояснения принципов
его построения и функционирования. Номера листов дополнений
представляют в верху раздела 5.
Пункты 5.2 и 5.3 заполняют так же, как аналогичные пункты
для радиопередатчика.
В таблице раздела 5 для каждого режима работы РЭС, номер
которого заносят в колонку 3.5 при заполнении таблицы раздела 3, в
колонке 5.4 указывают условное обозначение классов принимаемых
сигналов в соответствии с Регламентом радиосвязи. В колонке 5.5
записывают номер ПлЧ, присвоенный в пункте 2.1. В заголовке
«Чувствительность в...» указывают размерность пороговой
чувствительности радиоприемника (колонка 5-6) и реальной чувствительности
радиоприемника (колонка 5.7). Для РЭС, использующих
широкополосные сигналы, колонка 5.6 не заполняется.
В колонках 5.8 приводят защитное отношение, т.е. отношение
мощности сигнала к мощности помехи на входе радиоприемника в
основной полосе, при котором обеспечивается требуемое качество
функционирования РЭС для типовых помех: шумовой,
гармонической или структурной. В колонке 5.9 указывают тип помехи,
которой соответствует защитное отношение. Например:
Номер
режима
3.5
/
2
Принимаемые
классы
излучения
•5.4
12M5G7D
I6KOF3E
Номер
ПлЧ
5.5
о п
4
Чу ветв ительность
в
дБВт
пороговая
5.6
-130
реальная
5.7
-120
-20
Защ. оти.
к помехе.
дБ
5.8
30
40
Тип помехи
5.9
структурная
шумовая
241
В колонках 5.10, 5.11 указывают полосу пропускания УВЧ на
уровнях: -3 дБ; -30 дБ, а. в колонке 5.12 — на уровне X дБ (как
правило, указывается значение полосы пропускания УВЧ по
уровню —60 дБ). В подзаголовке к этим колонкам «Полоса пропускания
УВЧ, j | Гц на уровне» вписывают размерность полосы
пропускания (к, М, Г). Для радиоприемников, не содержащих УВЧ, в
колонках 5.10-5.12 записывают соответствующие полосы пропускания
радиочастотной части радиоприемника.
В правой стороне таблицы, относящейся к УПЧ, приводят
номера гетеродинов и вид их настройки (верхняя или нижняя —
колонка 5.13). В колонке 5.14 указывают соответственно значение
промежуточных частот, В колонках 5.15, 5.16 записывают ширину
полосы пропускания УПЧ на уровнях -3 дБ и —30 дБ, а в колонке
5.17 — на уровне X дБ (как правило, указывается значение
полосы пропускания УПЧ по уровню -60 дБ) соответственно для ПЧ1 и
ПЧ2. В подзаголовке к этим колонкам «Полоса пропускания УПЧ,
| | Гц на уровне» вписывают размерность полосы пропускания (к,
М, Г). Например:
Поло
УВЧ.
-3 дБ
5.10
49
120
са пропускания
М Гц к» уровне
-30 дБ
5.11
120
280
[—tfdl дБ
5.12
—
600
№ и вид
настройки
гетеродина
5.13
1-верхняя
1-нижпяя
, 2-верхняя
Промежуточная
частота
М Гц
5.14
530
Ц95
10
Полоса пропускания
УПЧ, М Гц на уровне
-ЗдБ
5.15
5,5
10
10
-30 дБ
5.16
13,2
15
18
-60 дБ
5.17
28,8
35
41
В пункте 5.18 указывают относительную нестабильность
частоты гетеродина. Например:
5.18. Относительная нестабильность частоты гетеродина:
10-10-
В пунктах 5.19 и 5.20 указывают избирательность
радиоприемника по соседнему и зеркальному каналу приема соответственно; в
пункте 5-21 — избирательность радиоприемника по другим побочным
каналам приема (ПКП); в пункте 5.22 — избирательность
радиоприемника (динамический диапазон и через запятую уровень
восприимчивости) по блокированию или по перекрестным искажениям,
записав через дробь букву «б» или «а» соответственно; в пункте- 5.23 —
избирательность радиоприемника по интермодуляцни.
В пункте 5.24 приводят эквивалентную шумовую температуру
приемника, а ь пункте 5.25 — допустимое увеличение чк-пипалент-
ной шумовой температуры для РЭС, входящих в состав космической
системы. Например:
Избирательность ПРМ по:
5.19. Соседнему каналу:
40 ОБ
242
Таблица П.5
Таблица П.б
Назначение антенны
Передающая (ПРД)
Приемная (ПРМ)
Приемопередающая (ПРД/ПРМ)
Тип антенны
5.20. Зеркальному каналу
50 дБ
5.21. Другим ПКП:
60 дБ
5.22. Блокирование и перекрест
ные искажения:
5.23. Интермодуляционная:
65,40/6 дБ
15 дБ
Вибратор
Щелевая антенна
Рупорная антенна
Линзовая антенна
Спиральная антенна
Зеркальная антенна
Рамочная антенна
Антенная решетка
Другие типы антенн
Волновой кан&л
Антенна бегущей волны
Логопериодическая
Специальные конструкция
5.24. Эквивалентная шумовая температура:
5.25. Допустимое увеличение эквивалентной
шумовой температуры:
150 К
УГ%
Размеры антенны
6.3
Диаметр витка = 50 см
Число витков = 4
Диаметр рефлектора = 1.5 м
В таблице раздела 6 ХАРАКТЕРИСТИКИ АНТЕННЫ могут
содержаться данные о нескольких антеннах. В колонке «Номер
антенны» указывают номер аптенны из пункта 3-3, к которому относятся
заданные в разделе технические характеристики антенны.
В колонке 6.1 указывают
назначение антенны, а в колонке 6.2 — тип
антенны в соответствии с принятыми
обозначениями табл. П.5 и табл. П.6.
В колонке 6.3 приводятся
значения основных геометрических
размеров антенны описываемого типа.
Например:
В остальных колонках таблицы раздела 6 приводят описание
структуры м характеристики диаграммы направленности антенны
(ДНА) в широкой полосе частот для различных режимов
функционирования РЭС. Номер режима при зтом указывается в колонке 3.5.
Затем последовательно описывают характеристики каждого
луча ДНА: в колонке 6.4 приводится наименование луча (основной,
зональный и т.п.) и при необходимости его номер (например,
зональный № 1, зональный № 2 и т.п.); в колонке 6.5 — положение
луча в пространстве или в одной из плоскостей, если оно
неизменное. При этом указывается:
для антенн стационарных наземных РЭС с фиксированным
положением луча — его направление в горизонтальной и
вертикальной плоскостях;
24:1
щ для антенн стационарных РЭС в подвижных наземных РЭС, no-
is —"•не луча которых неизбежно в одной из плоскостей, — это по-
■> ше;
ля антенн, устанавливаемых на геостационарных ИСЗ, —
географические координаты точки прицеливания луча;
для антенн, устанавливаемых на высокоэллиптических ИСЗ, —
район прицеливания для основного и сопряженного витков;
для антенн, устанавливаемых на негеостационарных ИСЗ с
другими типами орбит, — угловое отклонение луча от направления в
подспутниковую точку, например: 0° — при направлении луча в
подспутниковую точку, 10° — при отклонении луча 10° от
направления в подспутниковую точку.
При необходимости в пояснительной записке к карточке по
Форме № 1 положение луча в пространстве описывается более подробно.
Далее описывают диаграмму направленности антенны в
различных режимах работы РЭС для частоты, указываемой в пункте 6.6, на
которой проведены измерения. При описании диаграммы
направленности антенны для перечисленных в колонке 6,6 частот указывают
коэффициент усиления (колонка 6.7), а также ширину луча ДНА на
уровне —3 дБ в горизонтальной (колонка 6.8) и вертикальной
(колонка 6.9) плоскостях. Например:
Номер
режима
3.5
1
Наименование луча
6.4
Основной
Положение
луча в
пространстве
6.5
Напраал.на ИСЗ
с тч.ст. 53°в.д.
Частота
И Гц
6.6
6200
3900
Козф.
У си л.,
дБ
6.7
47,8
43гб
Ширина ДНА
на уров. —3 дБ, гр.
гор.пл.
6.8
1,1
0,8
верт.пл.
6.9
t,l
0,8
В колонках 6.10 и 611 приводят границы сектора углов и
максимальный уровень боковых лепестков ДНА в данном секторе. При
этом сектор углов указывается относительно максимума ДНА. Для
стационарных РЭС, данные о которых представ,г1яются поэкземпляр-
но и положение луча которых строго зафиксировано и известно, в
колонке 6.10 записывают абсолютные границы сектора углов,
В колонке 6.12 указывают угловую точность наведения антенны.
а в 6.13 — зону обслуживания.
Для антенн космической станции дается ссылка на рисунок -зоны
обслуживания ИСЗ, а для антенн земных станций — направление
на ИСЗ (азимут и угол места).
В случае, когда в описываемом режиме антенна используетгя как
приемопередающая, характеристики ДНА записываются в габлице в
двух строках. При этом в верхней строке указываются
характеристики ДНА при работе антенны на передачу, а в нижней — на прием.
244
Тнп фидера
Т а б л и ц а П.7
Волноаодиая линия
Коаксиальная линия
Двухпроводная симметричная
Четырехпроводная симметричная
Двухпроводная полосковая симметричная линия
Полос ко вая несимметричная линия
Т а б л и к а Л.в
| Тип доляризавуУ
Горизонтальная* I
Вертикальная
Наклонная
Круговая
Эллиптическая
Волноводная линия
9700 МГч
75 Ом
2
Более полная информация о ДНА в графической, табличной
или аналитической форме приводится в случае необходимости ва
отдельных листах.
В разделе 7 в пункте 7.1 указывают тип фидера в соответствии
с принятыми обозначениями (табл. П.7).
В пункте 7.2 приводится критическая частота АФТ; в пункте 7.3
— значение и размерность волнового сопротивления АФТ; в
пунктах 7.4 и 7.5 — затухание в АФТ при приеме и передаче
соответственно (дБ).
7.1. Тип фидера:
7.2. Критическая частота АФТ
7.3. Волновое сопротивление АФТ
7.4. Затухание АФТ на прм, дБ
75. Затухание АФТ на прд, дБ
В пункте 7.6 в соответствии с табл. П.8 указывают тип
поляризации излучаемой (принимаемой) волны, а при необходимости на листе
дополнений — дополнительные характеристики эллипса
поляризации (угол наклона и коэффициент эллиптичности соответственно) и
направление вращения вектора поляризации излучаемой
(принимаемой) волны («левое», «правое»).
Если антенна носит уникальный характер, на отдельном листе
приводят необходимые графические данные и дополнительные
сведения, не укладывающиеся в структуру бланка.
В конце Формы № 1 помещена таблица для реквизитов
заявителя. В колонке 9.1 указываются официальные наименования
организаций заказчика, в колонке 9/2 — разработчика, в колонке 9.3 —
изготовителя. Допускается применение официальной аббревиатуры
при заполнении бланка при условии указания в тексте
радиочастотной заявки полного наименования.
Во второй строке указываются почтовые адреса и номера
телефона заказчика и разработчика. Полные реквизиты адресов даются
в радиочастотной заявке.
В третьей строке указывают официальную должность и ФИО
подписавших заполненную Форму № 1, заверенные круглой печатью
организации-заявителя.
245
Глава 7
Принципы построения системы
телеуправления и контроля
спутников связи
7.1. Задачи и способы телеуправления
и контроля спутников связи
Управление ИСЗ включает управление его движением и
управление работой бортовой аппаратуры. В свою очередь, управление
движением состоит в ориентации и стабилизации корпуса ИСЗ
относительно центра масс и в управлении движением центра масс.
Ориентация и стабилизация осуществляются с помощью автономных
систем, входящих в бортовой комплекс управления (БКУ) ИСЗ.
Система ориентации совмещает систему координат, связанную с корпусом
ИСЗ, с выбранными опорными направлениями, а система
стабилизации поддерживает эти направления, нарушаемые вследствие
действия возмущающих моментов.
Управление движением центра масс ИСЗ осуществляется с
помощью командного корректирующего управления. Отличительной
- чертой такого управления является разнесение во времени
процессов контроля траектории ИСЗ и изменения ее параметров. При эхом
контроль производится в течение длительного времени пассивного
полета ИСЗ. а коррекция траектории — за малое время движения
на активном участке. На практике получили распространение
командное корректирующее радиоуправление с наземного пункта
(телеуправление) и автономное корректирующее управление. Как
правило, первоначальный вывод спутников связи на орбиту
осуществляется автономной системой управления, а при установке их в рабочую
точку и функционировании на орбите используется телеуправление.
Фактические параметры движения центра масс ИСЗ в
свободном полете характеризуются шестимерным вектором i/ф, С помощью
командно-измерительных систем (КИС) производится измерение
пекущих навигационных параметров ИСЗ, которые аналитически
связаны с компонентами вектора i/ф. Результаты измерений с одного
или нескольких территориально разнесенных станций КИС
передаются в центр управления полетом (ЦУП), в котором производится
оценка параметров движения центра масс ИСЗ и находится
расчетный шестимерный вектор vfi. По найденному вектору vfl а ЦУП
вычисляется расчетная траектория движения !'!("_■} и находится ее от-
2 U,.
личие от номинальной траектории, определяемой вектором ь»„. На
основании анализа отклонения расчетной траектории от
номинальной принимается решение о целесообразности проведения коррекции
движения ИСЗ и вычисляется программа коррекции, которая
передается из ЦУП с помощью КИС в ВКУ ИСЗ для исполнения.
При телеуправлении с наземного пункта измерение параметров
движения ИСЗ, как правило, производится на Земле. Однако оно
может осуществляться и на борту с помощью автономной
навигационной системы, но результаты измерений в этом случае должны
передаваться на Землю.
Таким образом, на систему телеуправления при управлении
движением ИСЗ возлагаются следующие задачи:
измерение текущих навигационных параметров центра масс ИСЗ:
определение траектории движения ИСЗ и расчет программы
коррекции его движения;
передача на борт ИСЗ рассчитанной программы коррекции.
Телеуправление работой бортовой аппаратуры ИСЗ в
принципе аналогично рассмотренному выше управлению движением центра
масс ИСЗ. Фактическое состояние бортовой аппаратуры и
окружающей среды, характеризуемое вектором состояний |1ф, фиксируется
соответствующими бортовыми датчиками. Показания датчиков по
телеметрическому каналу передаются на земные станции КИС. На
станциях КИС они выделяются, регистрируются и направляются в
ЦУП ИСЗ на обработку для анализа и принятия решения. В ЦУП с
учетом реального состояния бортовой аппаратуры и требуемых
режимов дальнейшего функционирования ИСЗ формируется программа
работы, которая с помощью КИС передается на борт для исполнения.
Таким образом, на систему телеуправления при управлении
работой бортовой аппаратуры ИСЗ возлагают следующие задачи.
формирование и передача на Землю телеметрической
информации (ТМИ);
прием и предварительная обработка ТМИ;
анализ ТМИ в ЦУП и выработка программы работы бортовой
аппаратуры;
передача на борт ИСЗ командно-программной информации
(КПИ), задающей выработанную в ЦУП программу работы
аппаратуры ИСЗ.
В общем случае КПИ состоит из разовых команд (РК),
временных программ (ВП) и специальной информации (СИ). РК
исполняются на борту ИСЗ сразу после выделения в бортовой аппаратуре
(БА) КИС. ВП являются информационным массивом, включающим
последовательности команд и времен их исполнения, а СИ содержит
обычно исходные данные для бортовой ЭВМ.
В ряде- систем спутниковой связи, в частности низкоорбигаль-
ны.\, требуется синхронизация аппаратуры разных ИСЗ и земных
247
станций- В этих случаях на ИСЗ формируют бортовую шкалу
временя (БШВ), а на КИС возлагают задачу сверки, фазирования и
коррекции (СФК) БШВ с системой единого времени (СЕВ).
К спутниковым системам связи предъявляются жесткие
требования по минимизации возможных перерывов связи между
пользователями системы. Поэтому необходимо как можно раньше определять
возникающие на борту спутников различные нештатные ситуации и
принимать меры к их устранению. С этой целью контроль
работоспособности бортовой аппаратуры проводят непрерывно и при
обнаружении нештатной ситуации организуют взаимодействие между ЦУП и
БКУ данного спутника, т.е. проводят специальный сеанс управления.
Непрерывность контроля в зарубежных спутниковых системах
достигается, как правило, закреплением за каждым спутником
связи специализированной, обычно упрощенной КИС. В отечественной
практике земные станции КИС работают с ИСЗ сеансами,
длительность которых во много раз меньше паузы между ними. Такая
организация работы позволяет одной станцией КИС обеспечить
управление большим числом ИСЗ. В перерывах между сеансами ИСЗ
находятся в автономном полете.
Если во время автономного полета на ИСЗ возникает какая-либо
нештатная ситуация, то его БКУ формирует сигнал оповещения «Вы-
чов Земли». Получив этот сигнал, ЦУП организует с данным ИСЗ
внеочередной сеанс управления. Для передачи с ИСЗ сигналов
оповещения может использоваться целевой (связной) канал, радиоканал
КИС либо специальная система «Вызов» (см. гл.16).
В процессе штатной эксплуатации спутников связи в ряде
случаев целесообразно осуществлять управление ими с
использованием аппаратуры связного канала. Для чтого в бортовом
ретрансляторе и земной станции спутниковой связи требуется установка
дополнительных устройств, особенности построения которых
рассматриваются ниже.
7.2. Командно-измерительные системы
Основные требования, предъявляемые к КИС
К КИС предъявляют ряд требований, не свойственных системам
спутниковой связи, но существенно влияющих на их построение.
1. КИС даажны обеспечивать управление ИСЗ в различных
режимах его полета: при установке в расчетную точку орбиты и
функционировании на орбите, при ориентированном и неориентированном
положении ИСЗ, в штатном режиме и при возникновении на ИСЗ
нештатных и аварийных ситуаций.
2. Источники передаваемой по радиолиниям КИС информации
находятся как на борту ИСЗ. так и на Земле (в ЦУП), ь то время как
248
для системы связи ИСЗ является лишь ретранслятором информашш,
поступающей от земных станций.
3. Радиолинии КИС должны Совмещать передачу информация с
проведением измерений текущих навигационных параметров.
4. КИС должны обеспечивать повышенную достоверность
передаваемой на ИСЗ информации с обязательным квитированием факта
ее прохождения, поскольку выдача несанкционированной команды
(трансформация команды) или пропуск команды могут привести к
серьезным, а иногда и непоправимым последствиям.
5. Объем передаваемой по радиолиниям КИС информации
относительно мал.
6. В отечественной практике КИС работают со спутниками
связи сеансами.
КИС по классификации Международного союза электросвязи
относятся к службе космической эксплуатации. В 1992 г. ВАКР
на первичной основе для этой службы распределила полосы частот:
2025... 2110 МГц в направлении Земля-Космос и 2200. ..2290 МГц
в направлении Космос -Земля [1]. При штатной эксплуатации
управление спутниками связи рекомендуется осуществлять в диапазоне,
используемом целевой (связной) радиолинией этого ИСЗ.
Обобщенная функциональная схема КИС
Обобщенная функциональная схема многофункциональной КИС
приведена на рис. 7.1. Как видно из рисунка, функциональные
составы земной станции и бортовой аппаратуры во многом аналогичны.
Они включают антенны, приемники, передатчики, эталонные
генераторы, устройства выделения информации, устройства формирования
запросного (ответного) сигнала, синтезатор частот в земной станции
и устройство формирования несущей частоты ответного сигнала в
бортовой аппаратуре.
В соответствии с назначением КИС в земной станции можно
выделить устройства формирования и обработки КПИ, обработки ТМИ,
формирования и обработки сигналов для измерения текущих
навигационных параметров (ИТНП), формирования и сверки времени,
а в бортовой аппаратуре предназначенные для решения тех же
функциональных задач соответственно устройства обработки КПИ и
формирования квитанций, формирования ТМИ. формирования
меток БШВ. Отметим, что на Многих спутниках связи (особенно
геостационарных) устройство формирования БШВ не требуется, а в
некоторых случаях функции формирования ТМИ выполняются
специальной аппаратурой, не входящей в состав КИС.
В состав -земной станции входит управляющий информационно-
вычислительный комплекс, построенный в современных КИС на
базе ЭВМ, С его помощью осуществляется автоматизированное упра-
2-1У
л
И»
УсяроЯсявв «щешша
информации
I
Леда
#
—r^r-
iwnMcw
обработки КПИ
квитанций
устройство
К бортовым
устройствам
п
Устройство
Формирования ТМИ
формироваиияметох
«ванвни
•Ггдаг
/*
эталонный-
_*Ж* J
Ш
Устройство
армирования
несущая частоты
JVe
Jrw
Устройство
формирования
отввтного сигнала
*'ffj
*ДО
•в
J*i*?
Передатчик
SWv
4 i
Земная етвнцяа Ю4С
Передатчик
•Тявй
TIM.
Pi
Y
tfe/W
ate*
F=C
Приемник
Эппвнныи
генератор
Синтезатор
чвствт-
JVmt
УСТРОЙСТВО
формировании
и обработки
сигналов ИТНП
Sn
^S
$ЯГШ1
3^
л»«^
Устройство
выделения
информации
£ер*
п-
Устройспо
Формирования и сварки времени
т
К устройствам станции
Устройство
и обработки КПИ
Sin*
Устройство
обработки ТМИ
J«
Г
Улравмощий
ияформационно-
еычиолительмый
17
ЦУП
Рис. 7.1. Обобщенная функциональная схема
командно-измерительной системы
вленке станцией во время подготовки и проведения сеанса,
управления с ИСЗ
Комплекс выполняет необходимые для этого расчеты, в нем
хранятся требуемые для работы данные и полученные результаты, с его
помощью осуществляется также обмен информацией с ЦУЛ МСЧ.
До начала сеанса управления из ЦУП в земную станцию
поступают данные, содержащие номер ИСЗ. с которым должен лро-
воднться с«*анс. время и программу его проведения. Наличие апри-
'2ЗД
op ной информации об орбите ИСЗ позволяет перед началом сеанса
рассчитать целеуказания для наведения земных антенн. Априорная
информация используется также для прогноза доплеровского
смещения частоты в -земном Синтезаторе и прогноза ожидаемого
времени запаздывания сигнала в радиолинии Земля-ИСЗ (ИСЗ-Земля).
Приходящая из ЦУП информация либо запоминается в устройстве
формирования и обработки КПИ, либо через Него в реальном
масштабе времени передается на борт.
Земной синтезатор частот из высокостабильного колебания
эталонного генератора формирует колебание с несущей частотой Д
запросного сигнала, с частотой /г гетеродина приемника, а также
ряд высокостабильных колебаний, необходимых для работы других
устройств станции. При этом частоты Д и /г изменяются по
программе в соответствии с ожидаемым доплеровсквм смещением
частоты. В передатчике несущее колебание модулируется по частоте
или фазе низкочастотным сигналом 5мод, образованным в
устройстве формирования запросного сигнала из дальномерного сигнала
Sr, сигналов КПИ 5'кпи и сигналов SB, предназначенных для
фазировании и коррекции бортовой шкалы времени. Сформированный для
излучения на ИСЗ высокочастотный запросный сигнал на рис. 7.1
обозначен и3(0-
ПринятыЙ земной антенной с ИСЗ ответный сигнал u0(t)
обрабатывается и демодулируется в приемнике. Низкочастотный сигнал
5инф в устройстве выделения информации декодируется и
разделяется на сигналы 5КВ, несущие сообщения о результатах прохождения
переданной на борт информации КПИ (квитанции),
•-'тми
телеметрической информации и 5'сфк — сообщения о бортовом времени,
передаваемые при проведении СФК бортовой шкалы времени. Сигналы
■"Зкы $тши Sc<pK, а также сигнал 5ИТНП, содержащий информацию об
измеренных текущих навигационных параметрах, поступают на
соответствующие функциональные устройства, в которых производится
их окончательная обработка.
Существуют два принципиально разных способа построения БА
КИС: с некогерентным и когерентным преобразованием несущей
частоты сигнала. При первом способе несущая частота ответного
сигнала /о формируется непосредственно из частоты бортового эталонного
генератора. При втором способе она формируется из частоты
принятого -запросного сигнала /!л и связана с ней коэффициентом
преобразования а: /0 = й/з, где я — простая дробь.
Когерентное преобразование несущей частоты существенно
усложняет построение БА КИС, требуя выделения и узкополосную
фильтрацию гармонического сигнала с частотой /,. Однако оно
позволяет обеспечить высокоточное измерение радиальной скорости
ИСЗ запросным доплеровским методом. Кроме того, выделенное
колебание несущей частоты может быть использовано в качестве опор-
251
ного при применении синхронного детектирования сигналов КИИ в
БА КИС. Штриховой линией на рис. 7.1 показана связь,
необходимая для реализации когерентного преобразования несущей
частоты в БА КИС.
Принятый бортовой антенной сигнал «£(*) усиливается,
фильтруется и демодулируется в приемнике. Здесь же выделяется для
дальнейшей ретрансляции на Землю дальномерный сигнал S'R.
Низкочастотный сигнал 5(,иф в устройстве выделения информации
декодируется и разделяется на сигналы S'Krm и S'B, несущие сообщения о
КПИ и земном времени (либо уходе от него бортового времени). В
бортовом передатчике несущее колебание с частотой f0 модулируется
сигналом S'Moa, образованным в устройстве формирования ответного
сигнала из сигналов квитанций S'KB, времени Б'СфК, телеметрии S'TM„
и ответных сигналов дальности S'R.
Сигналы, используемые в КИС
Создание совмещенных радиолиний КИС требует решения
ряда специфических задач, связанных с выбором структуры сигнала и
методов его обработки. Вся передаваемая в современной КИС
информация является цифровой. Это облегчает ее обработку на бортовых
и земных ЭВМ, позволяет использовать наиболее помехоустойчивые
методы модуляции и кодирования.
В совмещенных радиолиниях КИС необходимо уплотнение
различных видов информации. Так, в ответной радиолинии нужно
уплотнить информацию, поступающую от разных телеметрических
датчиков, с квитанциями КПИ, обеспечив при этом возможность
проведения измерений текущих навигационных параметров. Это можно
сделать, например, с использованием частотного уплотнения и
многоступенчатой модуляции. Для этого вначале сигналы от разных
телеметрических датчиков преобразуют в цифровую форму и уплотняют
повремени. Сформированным цифровым потоком S'TMK, иногда
называемым телеметрическим сигналом КИМ (кодово-импульсной
модуляции), модулируют (манипулируют) по частоте или фазе
гармоническое колебание с частотой FTUil. Аналогично цифровыми
сигналами квитанций S'KB и дальномерным сигналом З'я модулируют
(манипулируют) свои отдельные поднесущие колебания с частотами FKb и
Fr. Сумма сигналов на поднесущих частотах в свою очередь
модулирует (манипулирует) по фазе колебание на несущей частоте /0.
Образованный таким образом сигнал обозначают КИМ-ЧМ(ФМ)-ФМ.
Для проведения высокоточных измерений скорости и облегчения
вхождения в связь в результирующем спектре сигнала желательно
иметь существенную компоненту спектра на несущей частоте.
Поэтому несущее колебание обычно манипулируют по фазе не на ±90°,
а на ±60°. На рис. 7.2 показан примерный спектр сигнала в
рассмотренной совмещенной радиолинии с модуляцией КИМ-ФМ-ФМ.
252
1
,1
aJ
л \ V^
^rm Vfc foFR fo *o*fn V5d &Гтм*
Рис. 7.2. Спектр сигнала в совмещенной радиолинии КИС с
частотным уплотнением информации
Очевидно, что в такой радиолинии полная энергия делится между
сигналами телеметрии, квитанциями КПИ, дальномерным сигналом
и остатком несущей. Этот недостаток данной радиолинии приводит к
уменьшению отношения сигнал-шум по каждому отдельному сигналу
и соответственно к снижению помехоустойчивости.
В совмещенных радиолиниях КИС применяют также шумопо-
добные сигналы (ШПС), которые позволяют более эффективно
использовать энергию сигнала при одновременной передаче
информации и измерениях текущих навигационных параметров. При этом
дальность определяют по задержке псевдослучайной
последовательности (ПСП), образующей ШПС, а для передачи символов двоичной
информации используют, например, инверсию этой ПСП [7.1].
Отметим, что ШПС с достаточно высокой тактовой частотой имеют
широкий спектр, что уменьшает спектральную плотность потока
мощности, В ряде случаев это может облегчить ЭМС КИС с другими
радиоэлектронными средствами.
7.3. Методы измерения текущих
навигационных параметров
При телеуправлении для контроля орбиты спутников связи в
качестве текущих навигационных параметров используют дальность,
радиальную скорость и угловые координаты ИСЗ [7.2]. Дальность
является универсальным параметром, позволяющим определять
орбиту как низких, так и геостационарных ИСЗ.
Определение дальности /{'производится по измерению времени
гд распространения сигнала от земной станции до спутника связи
и обратно:
R = гдс/2,
где с — скорость распространения радиоволн.
На рис. 7.3 изображена обобщенная функциональная схема
запросной системы измерения дальности. Сформированный в земной
станции дальномерный видеосигнал Sr(1) модулирует по фазе
непрорывное несущее колебание и излучается на борт. Бортовая
аппаратура (БА) ретранслирует дальномерный сигнал обратно на
Землю, При ретрансляции в БА дальномерный сигнал S'R(i) либо
выделяется и обрабатывается, что характерно для КИС, либо просто
■253
В момент времени, когда фазы всех масштабных частот совпадают
вырабатываются стартовые импульсы. Схема выделения дальномер-
ного сигнала в этом случае представляет собой цифровое устройство
регенерации частот, входящих в дальномерный сигнал. После
процесса синхронизации оно генерирует колебания, когерентные с
принятыми колебаниями, поступающими на него с демодулятора
сигнала. В результате сигнал 5д(< — гд) на выходе аппаратуры выделения
далъномерного сигнала будет представлять собой совокупность
колебаний масштабных частот, сфазированных между собой так же, как
излучаемый сигнал Sn(t)f но задержанный на время tr. После
фазирования сигналов колебания всех низших частот могут больше не
излучаться. Приемник будет отслеживать дальномерный сигнал с
точностью до фазы колебаний наивысшей частоты Fmt а выдавать
рабочие импульсы с периодом наинизшей частоты f\.
Основными преимуществами фазового многочастотного метода
измерения дальности являются: экономия занимаемой сигналом
полосы частот, относительная простота узкополосной фильтрации
далъномерного сигнала на борту ИСЗ и быстрое вхождение в
синхронизм следящих систем, обеспечивающих его выделение.
Преимуществами метода измерения дальности с использованием ШПС
являются: удобство применения в совмещенных радиолиниях КИС и в ряде
случаев лучшая ЭМС с другими системами.
Выражения для оценок систематической АЛ и флуктуационной
а о погрешностей измерения дальности можно представить в виде
ДЯ = -Аса + ДЯтр + ДЯИ + £(Лт-б + Дг3), (7.1)
с I
Используемые в (7.1) и (7.2) обозначения, причины
возникновения составляющих погрешностей измерений и оценки их значений
приводятся в табл. 7.1. Более детальное рассмотрение измерения
дальности космических аппаратов содержится в [7.2].
7.4. Особенности телеуправления
и контроля спутников связи при
использовании аппаратуры связного канала
Управление спутниками связи с помощью аппаратуры связного
канала возможно в ориентированном положении ИСЗ на рабочих
орбитах при нормально функционирующих бортовых радиотехнических •
ретрангляторах (РТР). Такое управление позволяет обеспечить на
Земле непрерывный контроль состояния ИСЗ, а также оперативное
256
Таблица 7.1
начение
Дсо
дя1р
дд.,
"ли
Дь
»-,
Причина
возникновения
погрешности
Неточность
знания
скорости света в
вакууме
Влияние
тропосферы
Концентрация
свободных
электронов
в ионосфере
на трассе
распространения
радиоволн:
усредненная
за сеанс
измерений
изменение
внутри
сеанса
измерений
Задержка
сигнала В БА:
усредненная
за сеанс
изменение
внутри
сеанса
измерений
Медленно
меняющиеся
аппаратурные
задержки в
земной
станции (ЗС)
Нестабильность
параметров ЗС,
наводки, мно-
голучевость
Оценка
погрешности
с
sine
9 > 10°
При / = 1 ГГц
ДЯВ % 80 м,
ДДИ > <7р
л»
ДДЯ *-р
в
Единицы-десятки метров
д™ > <тТ1
Десятки метров
Единицы метров
Способ
уменьшения
погрешности
Введение по-
прааок на
реальное
состояние
тропосферы
Использование
высоких
несущих частот /,
введение
поправок
Стабильность
фазовых
характеристик .
БА,
паспортизация и учет
задержек
П редсеансная
юстировка
аппаратуры
Стабильность
параметров
Примечание
в — угол
места
визирования ИСЗ
А и В —
эффициенты,
определяемые
концентрацией
свободных •элек-
троиоа И е«
изменениями
2о7
Окончание ma6.t. ?. /
начение
»г»
Причина
возникновения
погрешности
Влшпше
шумов
Оценка
погрешности
Для
квазиоптимального
приема:
при ШПС
'" 4QAFTU'
при фазовом
многочастотном
методе
1
" 2QTMf2jrFMi)J
Способ
уменьшения
погрешности
Примечание
Гм — мерный
интервал;
Q — отношение
мощности даль-
номерного
сигнала к
спектральной плотности
шума;
г, —
длительность элемента
ПСП;
AF —
эквивалентная
шумовая полоса УГГЧ:
FHi — номинал
наивысшей
масштабной частоты
вмешательство ЦУП в работу его систем без закрепления за каждым
ИСЗ отдельной земной станции КИС.
Особенности построения аппаратуры, реализующей управление
по каналу ретрансляции, поясняются изображенной на рис. 7.4
функциональной схемой. Схема соответствует случаю использования
низкочастотной БА КИС и построению РТР с однократным
преобразованием частоты. Как видно из схемы, в состав РТР на частоте
радиолинии ИСЗ-Земля вводят делитель мощности и сумматор. Для
сопряжения РТР с БА КИС дополнительно устанавливают понижающий
и повышающий преобразователи частоты и командно-программно-
телеметрический (КПТ) модем, подключаемый к устройству
обработки (УО) КПП и устройству формирования (УФ) ТМИ. В земной
станции спутниковой связи дополнительно устанавливают
аппаратуру управления станции связи (АУСС), сопрягаемую с аппаратурой
ЗС по промежуточной частоте 70 МГц, а также делитель мощности и
сумматор. В своюочередь. АУСС состоит из КПТ модема, устройства
формирования и обработки (УФО) КПП. устройства обработки (УО)
ТМИ и устройства сопряжения, обеспечивающего обмен
информацией с ЦУП либо с вынесенными рабочими местами операторов. При
проведении ИТНП с использованием аппаратуры связного канала и
состав АУСС вводят также устройство формирования и обработки
сигналов для ИТНП (УФО ИТНП).
Сформированные в АУСС сигналы КПП суммируются в
необходимой пропорции с сигналами каналов связи ЗС и в выбранном
25*
Зяпй Г
кБКУ
_1_
ПреоОрааоаатед»
частоты
попйииащий
УО
КПИ
Устройство
выделение
информации
I
/*ттг /хв Яме
УФ
ответного
сигнала
УФ
тми
кпт
модем
Приемки*
Передатчик
Т"—~[
1—1 Антенна J
Г
ОТДЗТЧИКМ
tf
I Делитель А
Т ношностм П
3i
Сумматор
ll
Преобразователь
частоты
РТР
Преобрэзоватвл!
частоты . . .
понижающий /приемник f |Передатциа |
I
БД КИС
t
Ц Антенна f-E-* j
f
к ЭС КИС
Антенна
Передатчик
т
] С
\
Хотя
кпт
модем
•Shb
УФО
кпи
]_£тт» !___
м
Преоорээователк|
частоты
е
-*j Сумматор |
^1 I
Приемнм
Ж
Лреобрааоват
ЕЛ
I
3
УО
тми
Г' _
I УФО |
I ИТНП I
l__r_J
1
Ь(*-Ъ)
Устройство сопряжение I
—^^
К ЦУП
—-I-—I -Щ
Устройство
уплотнении
«аналоя
<алоя кана
fr——ГТ
|_ Модемы J
Устройство
разуплотнения
каналов I
АУСС
Устройства солрвжекия
"Г"
f... *
Наземные каналы
ЗС спутниковой
связи
Рис. 7.4. Функциональная схема управления спутником связи с
использованием аппаратуры связного канала
стволе ретрансляции передаются на спутник. В бортовом РТР после
усиления и преобразования принятого сигнала на частоту ответной
радиолинии с помощью делителя мощности производится разделение
основного (спичного) канала и канала управления. В
рассматриваемое схеме символы КПП после дгмоду.чяими и выделения в КП Г
модеме полаются па mга гное УО КПП бортовой аппаратуры KIK '. С"
друюн гтироны. на ->1<>1 же модем поступают квитанции КПП и
сигналы 'I'M И с соответс п»\ 101ЦИХ у< тройств ВЛ КИС. КИТ модем обес-
25У
■чивает формирование сигнала на удобной для работы промежу-
>чной частоте. Затем этот сигнал переносится на ответную частоту
ТР и в определенной пропорции суммируется с основным сигналом.
1риоритет по управлению всегда следует отдавать КИС, а управле-
ие по каналу ретрансляции включать по отдельной команде.
В отличие от сигналов КПИ сигналы ИТНП в бортовой аппа-
>атуре не выделяются, а лишь ретранслируются вместе с
сигналами системы связи.
Необходимый энергетический потенциал, определяющий
абсолютный уровень сигнала для передачи КПИ, приема ТМИ и ИТНП,
рассчитывается обычным порядком. Как правило, необходимая
мощность этих сигналов составляет не более одного процента мощности
выбранного ствола РТР. Однако реально излучаемая мощность
может меняться в широких пределах в зависимости от вида связи,
организуемой в данном стволе, и его загрузки. Поэтому
целесообразно предусматривать плавную регулировку мощности сигналов УФО
ИТНП и КПТ модема АУСС в пределах около ±10 дБ. Для КПТ
модема БА возможна АРУ, фиксирующая его долю мощности в
излучаемом сигнале.
Стандартный ствол ретрансляции занимает полосу ±17 МГц
относительно центральной частоты ствола, что на промежуточной
частоте ЗС соответствует 70 ± 17 МГц. Если АУСС создается
универсальной, т.е. пригодной для использования в разных стволах, то она
должна обеспечивать возможность неоперативного дискретного
выбора частоты сопряжения с ЗС в более широкой полосе (70± 20 МГц)
с достаточно частым шагом перестройки.
Сигналы КПИ являются низкоскоростными (до 1 кбод), что
позволяет сделать бортовой КПТ модем узкополосным. В целях
упрощения бортового КПТ модема и исключения из его состава схемы
поиска рабочей частоты компенсация уходов частоты на входе
бортового КПТ модема проводится КПТ модемом АУСС. В этом случае
основную неопределенность при определении частоты вносит
нестабильность задающего генератора бортового РТР. Для ее уменьшения
используется излучаемый со спутника пилот-сигнал.
Дня реализации рассматриваемого метода телеуправления
наиболее удобными оказываются стволы, использующие линейный
режим ретрансляции, обычно что гтволы с многостанциониым
доступом с частотным разделением сигначов (МДЧР). В этом случал
расчет совместимости сигналоь связи и управления сводится к расчету
спектральной плотности внеполосных излучений этих chi налов,
попадающих в полосу приема соседнего сигнала. Для уменьшения
внеполосных излучений целесообразно в канале управления применять
сигналы с фазовой модуляцией.
Результаты расчетов для восьмого ствола ИС'З «Экспресс»
показывают, что при центральной частоте ствола fi 100/3775 .МГц удобно
260
использовать частоту для управления 6080.. .6081/3756. • .3757 МГц.
что находится за пределами полосы связи на склоне АЧХ ствола по
уровню — 3.. .-6 дБ. Требования к внеполосным излучениям сигнала
управления составляют Рвн $ 24 дБ в полосе ±19 кГц при отстройке
на 100 кГц от номинальной частоты управления.
Мощность сигнала управления ЗС должна быть 100 мВт ори
антенне ЗС диаметром 12 м. Мощность ответного сигнала с ИСЗ
должна быть 50 мВт, что составляет 0,25 % ресурса ствола РТР. УФО
ИТНП целесообразно создавать так, чтобы формируемый им даль-
номерный сигнал мог ретранслироваться одновременно с основным
сигналом. Это возможно, если база дапыюмерного сигнала
достаточно велика. Удобным для этой цели является фазоманипулиро-
ванный ШПС. Полоса захвата и слежения (Рсл) за ШПС реально
может составлять до 50 Гц. Ширина спектра ШПС (Fame) может
занимать всю полосу частот ствола ±17 МГц [Fmnc as 34 МГц). При
этом максимальная база
B=Fmac/FCJ1^ilQ6.
Глава 8
Методы формирования и передачи
сигналов телевидения и звукового
вещания
8.1. Стандарты сигналов спутникового ТВ
вещания
Стандартом ТВ сигнала называют совокупность определяющих
его основных характеристик, таких как способ разложения
изображения, число строк и кадров, длительность и форма синхронизирующих
и гасящих импульсов, полярность сигнала, разнос между несущими
частотами изображения и звукового сопровождения и метод
модуляции последней, параметры предыскажающей цепи звукового сигнала
и др. Для цветного телевидения добавляется метод передачи
сигналов цветности совместно с сигналом яркости. В спутниковом
вешании традиционно используются стандарты формирования ТВ
сигнала, сложившиеся в наземном телевизионном вещании. Для черно-
белого телевидения существует 10 стандартов, которые принято
обозначать латинскими буквами В, D, G, Н, I, К, Kl, L; М. N. Важнейшие
характеристики перечисленных стандартов приведены в табл. 8.1.
По способу передачи сигналов цветности различают три
системы цветного телевидения; SECAM, NTSC и PAL. Каждая из трех
систем может применяться с любым из 10 стандартов черно-белого
ТВ вещания, давая 30 возможных комбинаций. На практике
применяются девять разновидностей PAL. шесть — SECAM и один
стандарт из группы NTSC.
Системы SECAM. NTSC и PAL были разработаны для
наземных ТВ сетей, использующих амплитудную модуляцию (AM)
несущей изображения, и не очень пригодны для спутниковых каналов,
где основной является частотная модуляция (ЧМ). При
прохождении ЧМ сигнала через тракты с неравномерной амплитудной ы
нелинейной фазовой характеристикой возникают перекрестные
искажения сигналов яркости и цветности, ухудшающие качество
изображения. К тому же из-за треугольного спектра демодулированного
шума при ЧМ сигналы цветности оказываются в области
повышенной спектральной плотности мощности шума, что снижает
помехоустойчивость приема этих сигналов,
Во многих странах проводились поиски новых методов
формирования ТВ сигнала, свободных от указанных недостатков. Наилучших
'262
i ■ —
Характеристика стандартов
черно-брлого телевидения
Диапазон воли
Число строк в кадре
Частота полей, Гц
Частота строк, Гц
Полоса частот видеосигнала, МГц
Полоса частот радиоканала, МГц
Разнос несущих частот оидео-
и звукового сигналов, МГц
Вид модуляции несущей
изображения1
Вид модуляции несущей звука
Постоянная времени
предыскажений звука, мкс
Девиация частоты несущей
звука, кГц
Отношение мощностей несущих
видео- и звукового сигналов
1 Н — негативное изображен и
В
MB
625
50
15625
5
7
5.5
AM
ОБП
Н
ЧМ
50
±50
от 10:1
до 20:1
е; П — п
D
MB
625
50
15625
6
Ъ
6.5
AM
ОБП
Н
ЧМ
50
±50
от 10:1
до 5:1
оэитивн
G
ДМВ
625
50
15625
5
8
5,5
AM
ОБП
Н
ЧМ
50
±50
от 10:1
до 20:1
эе изобр
Н
ДМВ
625
50
15625
о
8
5,5
AM
ОБП
Н
ЧМ
50
±50
от 5:1
от 10:1
жжение;
I
MB,
ДМВ
625
50
15625
5,5
8
6
AM
ОБП
Н
ЧМ
50
±50
5:1
ОБП-
К
ДМВ
625
50
15625
6
в
6,5
AM
ОБП
Н
ЧМ
50
±50
от 10:1
до 5:1
- модула
К1
MB,
ДМВ
625
50
15625
6
в
6,5
AM
ОБП
Н
ЧМ
50
±50
10:1
т
L
MB,
ДМВ
625
50
15625
6
8
6,5
AM
ОБП
П
AM
—
i —
10:1
ция с одной б
а б л и
М
мв.
ДМВ
525
59,94
15734
4,2
6
4,5
AM
ОБП
Н
ЧМ
75
±25
от 10:1
ц, а 8.1
N
MB.
ДМВ
625
50
15625
4,2
6
4,5
AM
ОБП
Н
ЧМ
75
±25
от 10*1
| До 5:1 | до 5:1
ЭКОВОЙ ПОЛОСОЙ.
результатов ожидали от цифровых методов передачи. Однако для
передачи цветного ТВ изображения с высокий качеством скорость
цифрового потока должна составлять более 200 Мбит/с, что
значительно превышает пропускную способность типового ствола
спутникового ретранслятора с полосой пропускания 27.. .36 МГц. В качестве
компромисса для первого поколения европейских систем
непосредственного телевизионного вещания был разработан и принят
комбинированный цифроаналоговый стандарт с поочередной передачей на
периоде активной части строки сжатых во времени аналоговых
сигналов яркости и цветности, получивший название MAC (Multiplexing
Analogue Components — уплотнение аналоговых компонент),
Сигналы звукового сопровождения, синхронизации, служебная и
дополнительная информация передаются в цифровой форме. В
зависимости от выбранного способа передачи звука и данных различают
стандарты В-МАС, С-МАС, D- и D2-MAC. Подробнее об этом
будет рассказано ниже.
В конце 80-х гг. был создан алгоритм цифрового сжатия,
позволявший передать высококачественное изображение со скоростью
7... 9 Мбит/с, изображение вещательного качества — со скоростью
3,5...5,5 Мбит/с и кинофильм (совокупность неподвижных
изображений) со скоростью не более 1,5 Мбит/с. На основе этого алгоритма
Международная организация стандартизации приняла два стандарта
обработки ТВ изображения: MPEG1 для телевидения с невысокой
разрешающей способностью и прогрессивной разверткой (компакт-
диски, компьютерные игры, мультимедиа) и MPEG2 для
вещательного телевидения с чересстрочной разверткой. Дальнейшим развитием
MPEG2 стал европейский стандарт цифрового ТВ вещания (DVB),
содержащий нормы на параметры модуляции, кодирования и
передачи по каналам связи.
8.2. Аналоговый метод передачи с ЧМ
Частотная модуляция требует по сравнению с амплитудной
модуляцией, используемой в наземном вещании, существенно меньшей
мощности передатчика, что особенно важно для спутниковых систем.
Преимуществами ЧМ являются также невысокие требования к
линейности амплитудной характеристики тракта и возможность работы
выходного каскада спутникового передатчика в режиме нагыщения,
в котором достигается высокий КПД.
При передаче ЧМ девиация частоты несущей выбирается исходя
из полосы пропускания ВЧ тракта таким образом, чтобы избежать
искажений передаваемого сигнала, связанных с отсечением чагти его
спектра. Упоминавшиеся выше перекрестные помехи проявляются в
искажениях типа «дифференциальное усиление» и
«дифференциальная фаза». Для уменьшения зтнх искажения применяется
рекомендованная МККР [8.1] линейная обработка (подробнее гм. i л. :$).
264
Наряду с лилейными предыскажениями сигнала изображения в
спутниковых системах иногда применяют нелинейную обработку,
-заключающуюся в ограничении размаха предыскаженвого сигнала эа
счет отсечения коротких выбросов, соответствующих крутым
фронтам исходного сигнала. При сигнале SECAM допустимо ограничение
на 2... 3 дБ, на такое же значение можно увеличить девиацию
частоты и отношение сигнал-шум на выходе канала. Искажения сигнала
получаются незначительными даже при отсутствия нелинейного
восстановителя на приеме. Описанный метод использован в
отечественной системе ТВ вещания «Москва» [8.2].
Еще один вид обработки, нашедший применение только в
спутниковых системах вещания, — введение в состав ТВ сигнала на
передающей стороне дополнительного низкочастотного модулирующего
сигнала, обеспечивающего более равномерное рассеяние (дисперсию)
энергии ТВ сигнала в полосе частот ствола с целью уменьшения
помех другим системам связи, в первую очередь радиорелейным
линиям. В связи с совместным использованием некоторых диапазонов
частот (например, 4 и 11 ГГц) спутниковыми и радиорелейными
системами в Регламенте радиосвязи [1] установлены предельные нормы
спектральной плотности потока мощности спутникового сигнала на
единицу полосы (обычно 4 кГц) для разных углов прихода
сигнала. При неблагоприятных сюжетах изображения (равномерно
освещенное поле) почти вся мощность сигнала может сосредоточиться в
узкой полосе частот и привести к мвогократному превышению
указанной нормы. Добавление сигнала пилообразной или треугольной
формы частотой от единиц герц до десятков килогерц позволяет
добиться эффективного рассеяния независимо от сюжета. Девиация
Fiecyiupfl сигналом дисперсии зависит от требуемой степени
рассеяния и выбирается равной от 600 кГц (рекомендация МККР для всех
спутниковых ТВ систем) до 4 МГц (в системе «Москва»).
Исключение сигнала дисперсии на приеме достигается
применением схем фиксации уровня видеосигнала; при девиация более
1 МГц лополнительно используются специальные следящие
устройства (см. гл. 11).
Сигнал звукового сопровождения телевидения в традиционных
системах с ЧМ передается обычно совместно с сигналом
изображения на поднесущей частоте, расположенной выше его спектра. Для
достижения необходимой помехозащищенности передача
осуществляется методом частотной модуляции поднесущей. причем девиацию
частоты поднесущей выбирают, как правило, большей, чем в
наземном телевидении. — до 100 и даже 150 кГц Значение поднесущей
также выше и составляет 7.0.. .7,5 МГц при полосе видеосигнала
6 МГц, 5,8. ..6.8 МГц при полосе 5 МГц и 5. ..fi МГц при полосе
4.2 МГц, что позволяет уменьшить переходные помехи из канала
2ii'i
изображения в канал звукового
сопровождения я облегчить
требования к фильтрации сигналов.
Для повышения
помехоустойчивости передачи звуковых сигналов,
как и в наземном телевидении,
применяют частотные предыскажения
— подъем верхних частот
передаваемого сообщения. Коэффициент
передачи яредыскажающей цепи
описывается выражением
А'(/) = 101е[1 + (2тг/г)2].
Частотные характеристики
предыскажающей цепи с
применяемыми в аналоговых системах
постоянными времени т. равными 75 и
50 мкс, приведены на рис. 8.1.
При необходимости передачи совместно с сигналом
изображения более чем одного звукового сигнала (звуковое вещание,
звуковое сопровождение на иностранных языках, стереозвук)
используется несколько поднесущих частот, расположенных выше спектра
видеосигнала. Их число ограничено возникновением перекрестных
помех и ухудшением качества ТВ изображения из-за уменьшения
доли девиации несущей, приходящейся на видеосигнал. Практически
с удовлетворительным качеством удается передать два-четыре
дополнительных сигнала. Например, в спутниковых ТВ каналах,
организованных через европейские ИСЗ Eutelsat II и Astra, наряду с
основным каналом звукового сопровождения сформированы еще до
четырех высококачественных звуковых каналов, используемых для
передачи монофонических или стереофонических программ.
Передача ведется методом ЧМ на поднесущих частотах 7,02. 7,20. 7.38,
7,56 МГц, звуковой сигнал подвергается адаптивным
предыскажениям и компандированию (система Wegener Panda I).
Кс^мпандирование применяется для повышения
помехоустойчивости передачи звуковых сигналов. Оно подразумевает сжатие
динамического диапазона передаваемого сигнала в соответствии с
изменением огибающей звукового сигнала и восстановление исходного
динамического диапазона на приеме. Различают «управляемые»
компандеры, в которых информация об исходном динамическом диапазоне
передается в отдельном канале управления, и «неуправляемые», в
которых зта информация содержится в передаваемом сигнале,
Выигрыш в помехозащищенности благодаря компандированию
достигает в среднем 12 . . 13 дБ при наличии сигнала и до 20 дБ в
Рис. 6.1. Кривые
предыскажений звуковых сигналов: I —
75 мкс; 2 — 50 мкс; 3 — «50/15 мкс»;
4 — Рек. J17 МККТТ
•д\и
паузе сигнала. Управляемый компандер применяется в
отечественных системах «Экран» и «Москва», неуправляемый — в системе
«Москва-Глобальная».
Более эффективным энергетически и свободным от
перекрестных помех способом передачи нескольких звуковых сигналов
является передача на поднесущей в дискретной форме. Сигналы отдельных
каналов преобразуются в цифровую форму и объединяются
(мультиплексируются) в общий цифровой поток, который модулирует по
фазе поднесущую частоту, расположенную выше спектра видеосигнала.
Этот способ, например, используется в японской системе НТВ BS-3.
ПоДнесущая 5,73 МГц модулируется цифровым потоком со скоростью
2,048 Мбит/с, содержащим ИКМ звуковые сигналы, импульсы
коррекции ошибок, контрольные импульсы. В системе образуются либо
четыре звуковых канала с полосой 15 кГц, либо два канала очень
высокого (студийного) качества с полосой 20 кГц.
Давно известен и применяется способ передачи звуковых
сигналов в спектре видеосигнала с разделением их во времени — в
интервале обратного хода луча или в свободных строках.
Рассматриваемый способ применялся в системе «Орбита», в которой с помощью
широтно-импульсной модуляции обеспечивалось формирование
одного канала с полосой 10 кГц или двух каналов с полосой 6 кГц.
Современный уровень дискретной схемотехники позволяет существенно
увеличить пропускную способность метода. Эти возможности
реализованы в стандарте MAC.
8.3. ТВ сигнал с временным разделением
компонентов
В системах типа MAC аналоговые сигналы яркости и цветности
сжимаются во времени и передаются поочередно, что позволяет
избежать перекрестных искажений сигналов яркости и цветности,
снизить шумы в канале цветности благодаря переводу его в область
низких частот, повысить разрешающую способность изображения за счет
более широкой полосы частот сигналов яркости и цветности.
Сжатие аналогового сигнала осуществляется стробированием сигнала с
некоторой тактовой частотой, преобразованием отсчетов в цифровую
форму, накоплением их в буферной памяти, ускоренным
считыванием с новой, более высокой тактовой частотой и обратным
преобразованием в аналоговую форму.
Звуковые сигналы преобразуются в цифровую форму и
передаются в интервале обратного хода луча. Высшая частота в спектре
звукового сигнала составляет 15 кГц, частота стробирования выбрана
равной 32 кГц. В зависимости от требований к качеству звучания
используется линейное аналого-цифровое преобразование с точностью
14 бит/отсчет либо почти мгновенное комнаидирование с точностью
•Ди
10 бит/отсчет, двухуровневое помехоустойчивое кодирование
обеспечивает эффективную защиту от ошибок. Скорость цифрового потока
в разных вариантах составляет от 352 до 608 кбит/с.
Для каналов с цифровой передачей звука рекомендовано
использовать предыскажающие контуры с характеристикой,
соответствующей Рек. J17 МККТТ, либо так называемой характеристикой «50/15
икс» (см. рис. 8.1). Считается, что предыскажения уменьшают
субъективное восприятие шумов квантования и предотвращают
ухудшение качества при низках отношениях сигнал-шум.
Сформированные тем или иным способом цифровые сигналы
отдельных каналов, импульсы синхронизации, коррекции ошибок и
другие дискретные сигналы сводятся в общий цифровой поток.
Передача этого цифрового потока совместно с сигналом изображения в
системах типа MAC может осуществляться одним из трех способов:
с разделением по частоте, как в японской системе BS-3 (система А); с
разделением по времени на видеочастоте (система В); с разделением
по времени на несущей частоте (система С). Первая буква,
входящая в полное обозначение стандарта семейства MAC (например, С-
МAC/packet), как раз и означает способ передачи цифрового сигнала.
В системе А, как уже отмечалось выше, без заметного
ухудшения качества изображения удается передать цифровой поток со
скоростью 1,5. ..2 Мбит/с, что соответствует трем-четырем
высококачественным каналам. В системе В скорость передачи не превышает
1.5...1.6 Мбит/с. что позволяет организовать два четыре канала с
И КМ или до шести каналов с АДМ. Наилучшие результаты
получаются в системе С при фазовой манипуляции несушей частоты н
интервале гасящего импульса. Средняя скорость передачи в этом
случае достигает 3 Мбит/с, а пропускная способность в
зависимости от способа кодирования составляет от четырех до восьми
звуковых программ. Объединение цифровых потоков отдельных каналов в
стандарте С-МАС осуществляется методом пакетного
мультиплексирования, что отражено в полном названии стандарта: С-М AC/packet.
Пакет представляет собой набор данных объемом 751 бит и
содержит головную часть с адресом пакета (23 бита) и область
полезных данных (91 байт).
Для сопряжения по полосе частот видеосигнала с сетями
кабельного телевидения разработаны стандарты D-MAC и D2-MAC. В
стандарте D-MAC/packet бинарный (двоичный) цифровой поток
преобразуется в дуобинарный (трехуровневый), в котором логическому
0 соответствует импульс нулевой амплитуды, а логической I — им-'
пульс положительной или отрицательной полярности. Объединение
видеосигнала и дискретной последовательности осуществляется по
видеочастоте, как в системах типа В. Дальнейшее снижение
занимаемой цифровым сигналом полосы частот в стандарте П2-МАС
достигается снижением вдвое скорости цифрового потока и соответственно
И,н
Т а 6 л я n it ".-•
Характеристика
стандартов
С-МАС
D-MAC
D2-MAC| B-MAC
625 строк
В-МАС
525 строк
Частота кадров, Гц
Частота строк, Гц
Тактовая частота, МГц
Число тактовых
интервалов
Принцип уплотнения
Полоса передаваемых
частот, МГц
Скорость передачи
символов, Мбод
Число активных
строк в кадре
Формат кадра
Коэффициент сжатия
сигнала яркости
Коэффициент сжатия
сигнала цветности
Пакет данных,
бит/строка
Гип уплотнения
Средняя скорость
передачи, Мбит/с
Максимальное число
звуковых каналов
П редыскаження
Полоса частот
радиоканала, МГц
Девиация, МГц/В
По
радиочастоте
20,25
1296
8.4
25 29,97
15625 J5734
21,328 21.477
1365
По видеочастоте
20.25
574
2 х99 |
Пакетное
3,08
10,125
4:3
3:2
3.1
99
1,54
4
J17MKKTT
27
13,5
7,5
7,П
6,3
7.16
483
102/51
Непрерывное
1.59
1.60
6/3
Адаптивные
24
16,5 | 17,5
пропускном способности до двух-четырех звуковых сигналов вместо
четырех-восьми в D-MAC.
Появление в последнее время стандартов цифрового сжатия
привело к тому, что стандарт D/D'2-MAC/packel утратил свою роль
преимущественного метода передачи в диапазоне 11,7.., 12,Т> ГГц и
уступает ее цифровым методам. В этом стандарте пока еще работают
несколько спутниковых систем Франции и Скандинавских стран,
передаются отдельные программы Голландии, Бельгии.
Великобритании, но область его применения заметно сокращается.
Основные характеристики стандартов семейства MAC*
приведены и табл. 8.2.
2i>!)
3ayi
Эцк.даним.
«ммопгюии смгмаяы
Мультипла-
ксироаамиа
R
В
Матриц»*-
решите
1
&
V
Прорех иыимв
Прореживают
2
i
Предюри-
талым*
обработка
К адаптеру
отутвиютого
Мамощроаое
предосаэамме
сюмпвнсациай
движения
t
Регонструицт
«эдра
дкл
Квантование
Обратное
ДКП
Кодирование с
переменной
Длиной
Рис. 8.2. Упрощенная структурная схема цифрового кодера
8.4. Передача ТВ сигналов в цифровой
форме со сжатием
Создание эффективного алгоритма цифровой обработки ТВ
сигнала стало возможным на основе достижений теории зрения и
техники сверхбольших интегральных схем (СБИС). Алгоритм,
положенный в основу стандартов MPEG, включает определенный
базовый набор последовательных процедур, показанный на упрощенной
структурной схеме цифрового кодера (рис 8.2),
В качестве исходного используется компонентный ТВ сигнал
RGB. затем он матрицируется в сигнал YUV; дискретизация, как
и в цифровом стандарте «4:2:2», осуществляется г- тактовыми
частотами 13,"> МГц для сигнала яркости и (5.75 МГц для цветоразностных
сигналов. На этапе предварительной обработки удаляется
информация, затрудняющая кодирование, но несущественная с точки зрения
качества изображения, Обычно используется комбинация
пространственной и временной нелинейной фильтрации.
Основная компрессия достигается благодаря устранению
избыточное in ТВ сигнала. Различают три вила избыточности
временную (;жа последовательных кадра и юбражпши мало омичню и:я
одни г,т друюю) пространственную (значительную часть
изображения составляют однотонные одинаково окрашенные участки) н ам-
'Л\\
илилудную (чувствительность глаза неодинакова к светлым и
темным элементам изображения).
Временная избыточность устраняется передачей вместо кадра
изображения его отличий от предыдущего кадра. Простое
вычитание кадров было значительно усовершенствовано, когда заметили,
что большая часть изменений, появляющаяся на изображении, может
быть интерпретирована как смещение малых областей изображения.
Разбив изображение на небольшие блоки (16x16 элементов) и
определив их расположение в предыдущем кадре, можно для каждого блока
найти набор параметров, показывающий направление и значение его
смещения. Этот набор называют вектором движения, а всю
операцию — предсказанием с компенсацией движения. По каналу связи
передаются только вектор движения и относительно небольшая
разность между текущим и предсказанным блоком. На этомэтапе
устраняется пространственная избыточность — разностный сигнал
подвергается преобразованию из пространственной в частотную область,
осуществляемому с помощью двумерного дискретно-косинусного
преобразования (ДКП). ДКП преобразует блок изображения из
фиксированного числа элементов в равное число коэффициентов. Это дает
два преимущества. Во-порвых, в частотной области энергия
сигнала концентрируется в относительно узкой полосе частот (обычно на
НЧ) и для передачи несущественных коэффициентов достаточно
небольшого числа битов. Во-вторых, разложение в частотной области
максимально отражает физиологические особенности зрения.
Следующий этап обработки заключается в адаптивном
квантовании полученных коэффициентов. Набор коэффициентов каждого
блока рассматривается как вектор, и процедура квантования
производится над набором в целом (векторное квантование). Оценка
показывает, что описанная процедура сжатия близка к теоретическому
пределу сжатия информации по Шеннону.
Амплитудная избыточность исходного сигнала устраняется на
этапе кодирования сообщения перед подачей его в канал связи. Не все
значения вектора движения и коэффициентов блока равновероятны.
пои ому применяется статистическое кодирование с переменной
длиной кодового слова. Наиболее короткие слова присваиваются
событиям с наибольшей вероятностью. Дополнительная компрессия дости-
i яптся кодированием в виде самостоятельного символа групп нулей.
Отличительной чертой стандартов MPEG1 и MPEG2 является
их гибкость. Они могут работать с параметрами разложения
изображения 525 строк при 30 кадрах в секунду и 625 строк при 25
кадрах в секунду, пригодны для форматов изображения 4.3, 16:9 и др .
допускают усовершенствование кодера без изменений в уже
установленных декодерах.
Для спутникового телевидения более перспективным,
безусловно ииляется МРЕ(;-2. рассчитанный на обработку входного сигнала с
271
Vjpqoh»
т*ч
1К0
твч
1ВДШИ1В»
ОснммоЯ
Нюияй
X
X
720* 576.
«15 МБит/с
X
<аомбп/е
1440» 11S1.
<G0 Мбит/С
730 «576.
с15Мбат/с
Закаев,
X
1440*1153.
720 «57в.
<ШМбиг/с
780 »576,
<1Б Мбит/с
за»гвв.
«4 Мбит/с
(ПО* 1163,
монете.
<100Мбит/е
1440-1183.
тгохвтв.
<60 Мбит/с
720x576.
<16М6нт/с
Про*
Простой
Основной
Улучшенный
ОСНЛ1ИОЙ
ПарсюспнныЯ
Рис. 8.Э. Уровни и профили стандарта MPEG2: ТВЧ — телевидение
высокой четкости)—х — сочетание не используется
чересстрочной разверткой и различными скоростями цифрового
потока (4... 10 Мбит/с и более), каждой иэ которых соответствует
определенная разрешающая способность. По -этому параметру в
стандарте определены четыре уровня: низкий (на уровне бытового
видеомагнитофона), основной (студийное качество), телевидение повышенной
четкости с 1440 элементами на строку и полное ТВЧ с 1920
элементами. По сложности используемого алгоритма обработки стандарт
содержит четыре профиля: простой — согласно вышеописанному
алгоритму; основной — с добавлением двунаправленного предскаэа-
нпя: улучшенный основной — с улучшением либо отношения сигнал-
шум, либо пространственного разрешения н перспективный — с
возможностью одновременной обработки цветоразностных сигналов. На
рис. 8.3 показаны соответствующие этим градациям максимальные
значения разрешающей способности и скорости цифрового потока.
Используемые алгоритмы позволяют гибко варьировать
параметры сигнала в пределах одной градации шкалы рис. 8.3, В качестве
примера на рис, 8.4 приведена зависимость качества изображения от
скорости цифрового потока (информационной) в режиме «основной
уровень - основной профиль», наиболее употребительном сегодня
в спутниковом телевидении.
Можно рассчитать, что в спутниковом канале с пропускной
способностью '20. .25 Мбит/с можно передать четыре-пять программ
хорошего качества, соответствующего магистральным каналам подачи
программ, или 10. 12 программ с качеством соответствующим
видеомагнитофону стандарта VHS.
27У
Качестао
изображение j,
Студийное
качество
Головная
станция
системы
кабельного
телевидения
Домашний
ТВ приемник
Видеомагнитофон
Видеоконференция
Пределы
готкломания
8 9 10 Скорость.
Мбит/с
Рис. 8.4. Зависимость качества изображения с цифровой
компрессией от скорости цифрового потока
Составной частью в стандарты MPEG1 и MPEG2 входят
алгоритмы передачи звуковых сигналов с цифровой компрессией,
позволяющие уменьшить скорость цифрового потока в шесть-восемь раз
без субъективного ухудшения качества звучания. Один из широко
используемых методов получил название MUSICAM.
Исходным сигналом является ИКМ последовательность,
полученная стробированием исходного звукового сигнала с тактовой
частотой 48 кГц и преобразованием в цифровую форму с точностью
16 бит/отсчет. Признано, что такой цифровой сигнал соответствует
качеству звучания компакт-диска (CD-quality). Для эффективного
использования спектра необходимо снизить максимальную скорость
цифрового потока. Новая техника кодирования использует свойства
человеческого восприятия звука, связанные со спектральным и
временным маскированием Шумы квантования динамически
приспосабливаются к порогу маскирования, и в канале передаются только
те детали звучания, которые могут быть восприняты слушателем.
Зта идея реализуется в кодере. Здесь с помощью блока фильтров
происходит разделение сигнала на 32 парциальных сигнала,
которые квантуются в соответствии с управляющими сигналами
психоакустической модели человеческого слуха, использующей оценку
порога маскирования дли формирования этих управляющих сигналов.
ТТа выходе кодера из парциальных отсчетов формируется набор
кодовых слов, объединяемый далее в кадр заданной длительности.
Выходная скорость кодера в зависимости от требований качества и
числа программ в канале может составлять 32. 48, 56. 64. 80. 96, 112.
273
128, 160 или 192 кбит/с на монопрограмму. Скорость 32 кбит/с
соответствует обычному речевому каналу, 48 кбит/с — наземному AM
вещанию. При скорости 256 кбит/с на стереопару не только
обеспечивается качество компакт-диска, но и имеется значительный запас
на последующую обработку.
Системная часть стандарта MPEG2 описывает объединение в
единый цифровой поток отдельных потоков изображения, звука,
синхронизации, данных одной или нескольких программ. Для передачи
в среде с помехами формируется «транспортный» поток,
включающий средства для предотвращения ошибок и обнаружения утерянных
пакетов. Он содержит пакеты фиксированной длины (188 байт),
содержащие стартовый байт, префикс (3 байта) и область полезных
данных.
Перед подачей в канал связи сигнал подвергается
дополнительному помехоустойчивому кодированию и поступает на модулятор.
Эти операции не входят в стандарт MPEG и в разных
спутниковых системах могут выполняться различными способами, что
лишает эти системы аппаратурной совместимости, Европейским странам
удалось решить эту проблему, разработав на базе MPEG2 стандарт
многопрограммного цифрового ТВ вещания DVB, нормирующий все
операции на передающей стороне вплоть до подачи сигнала на вход
СВЧ передатчика,
В стандарте DVB применяется каскадное помехоустойчивое
кодирование. Внешний код — укороченный код Рида-Соломона (204,
188) с t — 8, обеспечивающий «безошибочный» прием (вероятность
ошибки на выходе менее Ю-10) при вероятности ошибки на входе
менее Ю-3. Внутренний код — сверточный с относительной скоростью
1/2, 2/3, 3/4, 5/6 или 7/8 и длиной кодового ограничения А' = 7,
декодирование осуществляется но алгоритму Витерби с мягким
решением. Вид модуляции — четырехпозиционная ФМ.
На приемной стороне декодер осуществляет все вышеописанные
операции в обратном порядке, восстанавливая на выходе
изображение, весьма близкое к исходному.
Основной областью использования цифрового телевидения, как
ожидается, станут системы непосредственного ТВ вещания в
диапазоне 12 ГГц. В США уже функционирует первая такая система
DirecTV/USSB, предоставляющая абонентам возможность приема
более чем 170 ТВ программ. Планируется внедрение методов цифровой
обработки в европейских спутниковых системах.
8.5. Телевидение высокой четкости
Под телевидением высокой четкости (ТВЧ) понимают передачу
изображения с числом строк, приблизительно вдвое превышающим
■♦тот показатель у существующих стандартов, и форматом кадра
(отношение ширины кадра к его высоте) 16:9- Объем информации, содер-
214
жащийся в каждом кадре ТВЧ изображения, возрастает в пять-шесть
раз по сравнению с обычным телевидением. На ТВЧ изображении
отсутствуют дефекты, свойственные принятым сегодня стандартам
ТВ вещания, — недостаточная разрешающая способность, заметиость
поднесущей, перекрестные искажения сигналов яркости и цветности,
мерцание изображения из-за недостаточно высокой частоты кадров,
дрожание строк и т.д. ТВЧ обеспечивает существенное повышение
качества ТВ изображения, приближая его восприятие к зрительному
восприятию естественных, натуральных сцен и сюжетов. Такое
радикальное улучшение качества изображения не может быть достигнуто
ни модификацией существующих стандартных систем цветного ТВ,
ни ТВ системами повышенного качества.
В США, Японии, европейских странах в последние пять-семь лет
ведутся многочисленные разработки новых ТВ стандартов с
улучшенным качеством изображения. Разработаны совместимые системы
телевидения повышенного качества (ТВПК), в которых устранены
наиболее характерные искажения ТВ сигнала, несколько увеличена'
разрешающая способность, введен" формат изображения 16:9
(стандарты MAC, PAL-плюс). Эти системы нельзя отнести к ТВЧ, так
как параметры разложения изображения не изменяются.
Среди систем ТВЧ с временным разделением наиболее
известна и одно время даже претендовала на роль мирового стандарта
японская система MUSE (Multiple Sub-Nyquist Sampling Encoding —
кодирование г. многократной субдискретизацией), предназначенная
для передачи сигналов ТВЧ по спутниковому каналу с полосой 27
(24) МГц. Передача сигналов изображения в спутниковом
канале осуществляется с помощью ЧМ, сигнала звукового
сопровождения -- методом четырехлозиционной ФМ. Основные
характеристики сигнала MUSE:
Развертка Чересстрочная
с перемежением 2:1
Число строк исходного изображения И25
Частота. полей, Гц 60
Формат изображения 16:9
Разрешающая способность, пиксел:
ь канале яркости 1496
ь канале цветности 374
М астота дискретизации, МГц 48 6
Полоса частот видеосигнала
по уровню —3 дБ, МГц 8,1
Метод модуляции несущей _ хщ
Девиация частоты, МГц, jq )
Полоса частот радиоканала. МГц 24
Необходимое отношение несущая-шум
на приеме, дБ \у
Ч иг ло звуковых каналов 2/4
Япония достаточно далеко продвинулась в деле внедрения ТВЧ.
Разработано необходимое студийное оборудование, поступили в
продажу ТВ приемники, ведутся регулярные передачи в стандарте
MUSE через вещательный спутник BS-3.
Разработка стандарта ТВЧ в Европе проводилась с 1986 г. в
рамках научно-технической программы «Эврика». Новый стандарт HD-
МАС (High Definition MAC — МАК высокой четкости) основан на
ранее разработанном D(D2)-MAC/packet и совместим с ним. Снижение
роли стандартов MAC в спутниковом вещаний ставит под сомнение
и перспективы широкого внедрения HD-MAC.
В ближайшее время ожидается принятие национального
стандарта ТВЧ в США, пригодного для использования как в наземных,
так и в спутниковых системах.
Принятие каждой группой стран своего собственного стандарта
ТВЧ может затруднить международный ТВ обмен, как это
произошло уже в прошлом со стандартами черно-белого ТВ и системами
цветного телевидения. В последнее время под эгидой
Международного союза электросвязи предпринимаются усилия по созданию
единого мирового стандарта ТВЧ, уже согласованы базовые параметры
ТВЧ сигнала: формат изображения 16:9, колориметрические
характеристики, световые параметры, пределы значений скорости
передачи видеоданных 0,8. ..1,2 Гбит/с для чересстрочной ра-звертки и
2.. .3 Гбит/с при прогрессивном разложении, число элементов в
активной части строки и т.п. Предполагается, что работа будет
завершена в 1997 г.
Серьезной проблемой в ТВЧ вешании является поиск методов
распределения сигналов. Существующие распределительные сети не
располагают пропускной способностью, достаточной для передачи
значительного числа высокоскоростных сигналов, поэтому на
передающей стороне сигнал подвергают дополнительной обработке,
имеющей целью сократить объем информации без заметного ухудшения
качества изображения.
Разработанные в рамках стандарта MPEG2 методы цифровой
компрессии полностью применимы и к ТВЧ и позволяют уже сегодня
передать ТВЧ сигнал со скоростью цифрового потока 20... 30 Мбит/г,
что примерно соответствует пропускной способности спутникового
ВЧ ствола г полосоё пропускания 27-..36 МГц.
8.6. Засекречивание ТВ сигнала
Телевизионные сигналы го спутника в принципе .могут быть
приняты любым желающим в пределах обширной территории,
независимо от желания передающей стороны. Однако в некоторых
случаях телекомпания — владелец программы заинтерегонана в
предотвращении несанкционированного приема, например, при передаче
про1рамч платного телевидении, деловых телеконференций или для
•т
ограничения территории, на которой можно принимать данную
программу по условиям авторского права. Наиболее широко
применяемый метод ограничения доступа — засекречивание передаваемых
программ таким образом, чтобы сделать прием невозможным без
специального декодера, предоставляемого владельцем программы. На
практике используется восемь систем кодирования для PAL/SECAM,
четыре для NTSC и шесть для сигнала MAC-
Основные требования к системе засекречивания — она
должна быть недорогой, надежной и «прозрачной». Первое требование
очевидно и означает, что стоимость декодера не должна
существенно влиять на стоимость всей приемной установки. Высокая
надежность предполагает, что сигнал невозможно расшифровать простой
переделкой приемника и требуется специальное устройство —
декодер, который по крайней мере не может быть изготовлен в
домашних условиях и содержит ключ или специальную карту,
защищенные от копирования. Обычно приходится искать компромисс
между надежностью системы засекречивания и ее стоимостью.
Прозрачность системы означает, что качество сигнала после
кодирования/декодирования не должно ухудшаться.
Простейший способ засекречивания — искажение синхросигнала
так, что стандартный ТВ приемник не может восстановить
нормальное изображение, оно появляется на экране в виде отдельных
сегментов. Информация о синхросмеси передается в сигнале в скрытой
форме и обнаруживается декодером, который восстанавливает
стандартные синхроимпульсы. Более высокая надежность достигается
добавлением инвертирования части сигнала, смещением его уровня.
Еще более сложный путь — сдвиг во времени отдельных строк
изображения, или рассечение строк и перестановка местами
рассеченных частей, или перестановка местами строк.
В одной из первых использовавшихся в Европе систем вместо
строчного синхроимпульса подставлялся пакет синусоидальных
колебаний с частотой 2,5 МГц, применялись также различные
варианты инвертирования изображения. Разновидность этого метода под
названием Irdeto/Luxcrypt используется при кодировании программы
RTL-4 на спутнике Astra. Схожий результат получается при
передаче цифровых звуковых сигналов в интервале обратного хода луча,
используемой Европейским вещательным союзом в системе
«Евровидение». Цифровой пакет нарушает структуру строчного
синхроимпульса и сбивает работу амплитудного селектора, поэтому на приеме
необходимо специальное устройство регенерации синхросмеси.
Системы со смещением уровня отдельных компонентов
видеосигнала оказались не очень надежными, и постепенно от них
отказались в пользу более совершенных методов со смещением во
времени отдельных элементов изображения, которые обеспечивают
значите.! ьно более высокую надежность. Среди систем, позволяющих
'211
распознать изображение, но затрудняющих его просмотр, наиболее
известна Discret, где изображение каждой строки задерживается на
D, t или 2 мкс с помощью дополнительных аналоговых линий
задержки, подключаемых к каналу на период строки но псевдослучайному
закону. На приемной стороне закон чередования восстанавливается
по кодовому слову, передаваемому совместно с сигналом и
расшифровываемому декодером.
В системе Videocrypt заложен более сложный принцип
перемещения частей строк. Кодер рассекает каждую строку в одной из
256 точек, выбранных по псевдослучайному закону, и меняет
местами части рассеченной строки. При этом полностью
разрушается структура изображения по вертикали, но частично сохраняется
горизонтальная структура — титры, надписи, меню программ.
Информацию, необходимую для восстановления изображения, декодер
получает из двух источников: один ключ передается в
закодированном виде в интервале кадрового гасящего импульса, другой
распространяется в виде специальной абонентской карточки, рассылаемой
подписчикам каждые три-четыре месяца. Сегодня Videocrypt —
наиболее распространенный метод кодирования ТВ сигналов,
передаваемых в системе PAL.
Более сложная система Nagravision требует на приеме памяти
объемом в полукадр, Изображение на передающей стороне
записывается в буфер и передается построчно, но с «перемешиванием»
порядка строк по псевдослучайному закону. На приеме операции
производятся в обратном порядке. В системе Nagravision вертикальная
структура изображения не нарушается, но любая горизонтальная
полоска как бы размазывается по всему экрану. Эта система выбрана
в качестве основной испанскими вещательными компаниями.
Более простая разновидность описанной системы, Syster, требует
памяти только на часть поля н поэтому более экономична в
реализации. Ее использует крупнейшая вещательная компания Франции
Canal Plus для передачи программ через спутник Telecom TIB, а также
популярный российский пакет спутниковых программ НТВ-Плюс.
Все применяемые на североамериканском континенте системы
засекречивания имеют общую особенность, повышающую их
надежности абонентский декодер работает в интерактивном режиме и
активизируется только тогда, когда получает от центра управления
соответствующую команду. В наиболее распространенной системе
Videoripher II. разработанной компанией General Instruments, in
видеосигнала полностью удаляются обычные сигналы синхронизации.
полярность сигнала инвертируется, сигналы цветового
опознавания переносятся на нестандартную частоту. Обычный ТВ приемник
не мож*£ принять такой сигнал, и требуется установка
специального декодера. Каждому декодеру присвоен индивидуальный номер.
и при включении он посылает слой номер по телефонным линиям
278
в центр управления компании Genera! Instruments, где он
опознается и по спутниковому каналу подается специальное сообщение,
санкционирующее прием и содержащее инструкции по
декодированию. Таким способом практически исключается использование
«пиратских» декодеров.
Сигналы двух звуковых каналов в системе Videocipher II
передаются в цифровом виде совместно с сигналами синхронизации и
другой служебной информацией в интервале строчного гасящего
импульса. Аналого-цифровое преобразование осуществляется с точностью
15 бит/отсчет, что обеспечивает динамический диапазон звучания
более 75 дБ (теоретически 92 дБ).
Для стандартов семейства MAC разработан метод
засекречивания Eurocrypt, базирующийся, как и Videocrypt, на рассечении и
перестановке частей строки. Информация о координатах рассечения
передается в строке 625 в виде кодового числа. Для его
расшифровки на приеме используется абонентская карточка с вмонтированным
в нее кристаллом памяти, в которой записаны ключи к коду и
инструкции по дешифровке. Eutocrypt применяется более чем в 80 %
всех ТВ каналов, использующих сигналы D- и D2-MAC.
Засекречивание сигналов в цифровом телевидении не
представляет особой проблемы, здесь может широко использоваться весь
арсенал методов, разработанных ранее для цифровой радиосвязи. В
одной из практически реализованных систем цифровой поток
зашифровывается с помощью передаваемого вместе с сигналом кодового
слова длиной 56 бит, генерируемого псевдослучайным образом и
сменяемого с интервалом от долей до нескольких секунд. Кодовое слово
в свою очередь зашифровывается с помощью ключа, обновляемого
раз в несколько недель, а этот последний рассылается абонентам по
спутниковому каналу также в засекреченном виде. Алгоритм
декодирования записывается в кристаале микропроцессора, помещаемом
либо в декодере, либо в абонентской карточке и работающем только
при наличии ключа. Степень секретности такого кода весьма высока.
8.7. Передача сигналов спутникового
звукового вещания
В предыдущих параграфах данной главы рассмотрены
различные способы передачи звуковых сигналов в спутниковом канате
совместно г сигнапом изображения. В некоторых случаях ставится
задача передачи большого числа звуковых программ не в дополнение
к сигналам телевидения, а взамен их Расчеты и эксперименты
показывают, что при передаче методом двойной ЧМ на поднесущих.
размещенных равномерно в полосе вндеоспектра. удается передать
не более восьми-десятн монофонических программ. Основным
препятствием являются возникающие из-за нелинейных эффектов внят-
' ->7Я
кые несходные помехи, на которые в звуковом вещании установлены
особенно жесткие нормы.
В другом варианте аналоговой передачи ствол 11CJ
уплотняется несколькими сигналами звукового вещания, каждый из которых
передается на отдельной несущей с помощью ЧМ (принцип «один
канал на одной несущей», широко применяемый при передаче
телефонии). И в этом случае пропускная способность ствола не
превышает восьми-десятй звуковых программ первого класса качества, что
экономически не эффективно.
Существенно лучшие результаты достигаются при передаче
звуковых сигналов в цифровой форме с временным разделением. На
этом принципе основана работа аппаратуры «Орбита-РВ»,
предназначенной для подачи по спутниковым каналам звуковых программ
к региональным центрам вещания. Сигналы звукового вещания
преобразуются на входе передающего комплекса «Орбита-РВ» в
дискретную форму, используется нелинейное мгновенное компандиро-
вание, так что в стандартном цифровом потоке 2048 кбит/с
удается передать шесть каналов высшего класса качества, либо десять
каналов первого, либо 15 каналов второго класса. Всего для
каналов звукового вещания выделяется два потока по 2048 кбит/с, они
подвергаются помехоустойчивому кодированию с относительной
скоростью 3/4, сюда добавляются сигналы изображений газетных
полос, общий поток со скоростью примерно 19 Мбит/с поступает для
дальнейшей обработки.
Аппаратура «Орбита-РВ» при работе через ИСЗ «Горизонт»
требовала приемной антенны диаметром 12 м, т.е. могла работать только
в составе станции «Орбита», что значительно ограничивало ее
применение. Существенно большей гибкостью обладает вводимая в
ближайшее время цифровая система звукового вещания с
многостанционным доступом «Рабита». Она позволяет организовать в одном
стволе четыре-пять многопрограммных (скорость передачи 2048 кбит/с)
и 10... 15 однопрограммных каналов (для трансляции региональных
арограмм). В системе используется описанный выше метод цифровой
передачи MUSICAM, в оборудовании применены стандартизованные
БИС высокой степени интеграции.
Приемные станции системы имеют антенну диаметром
2,5. -. 3,5 м, региональные передающие станции — антенну диаметром
3,5.. .4,5 м с передатчиком мощностью 50... 100 Вт.
Появление в Европе мощных спутников непосредственного ТВ
вещания позволило решить задачу индивидуального приема
сигналов звукового вещания- В разработанной в ФРГ системе DSR (Digital
Satellite Radio) в стволе с полосой 27 МГц передается 16 стерео-
программ высшего класса качества. Сигналы отдельных каналов
преобразуются в цифровую форму, объединяются в единый
цифровой поток, вводится эффективная защита от ошибок, линейная ско-
рость передачи в канале составляет 20,48 МГц/с. Прием программ
с хорошим качеством обеспечивается при отношений несущая-шум
14 дБ. До недавнего времени такая система работала через
спутник TVSat. 2, в настоящий момент она использует один из стволов
ИСЗ DFS/Kopernicus, схожая система эксплуатируется в одном из
стволов французского ИСЗ Telecom П.
Неоднократно рассматривался вопрос о возможности
спутникового звукового вещания для непосредственного приема на простые
приемники — стационарные, возимые или переносимые.
Экономически приемлемое решение было найдено только после появления
эффективных алгоритмов цифровой компрессии. В разработанной
европейскими странами системе цифрового звукового вещания
сигналы отдельных каналов обрабатываются по стандарту MUSICAM,
затем они объединяются в общий цифровой поток, сюда добавляются
служебная информация, биты помехоустойчивого кодирования
(относительная скорость от 1/3 до 3/4), суммарный цифровой поток имеет
скорость 2,3 Мбит/с, он скремблируется и в виде пакетов
длительностью 23 мс поступает на вход ФМ модулятора.
Серьезной проблемой вещания при приеме на недорогие
приемники с ненаправленными или слабонаправленными антеннами
является многолучевость распространения, приводящая к глубоким
замираниям сигнала на входе приемника. В описываемой системе
компенсация многолучевого распространения достигается разделением
цифрового потока на большое количество низкоскоростных потоков,
модулирующих индивидуальные несущие. Длительность символов
при этом оказывается больше, чем задержка распространения в
канале, межсимвольная интерференция отсутствует. Любой эхосигнал
длительностью короче защитного интервала также не вызовет
межсимвольной интерференции.
На ВАКР-92 для систем непосредственного звукового вещания
были выделены участки спектра, приведенные в гл. 6. На
территории России можно использовать полосы 1452.. .1492 МГц (выделена
для наземного и спутникового вещания) и 2535. ..2655 МГц (только
для спутникового вещания). Описанный метод позволяет в полосе
1,75 МГц передавать до шести стереопрограмм. Из-за слабой
направленности приемных антенн общая полоса частот должна быть
распределена в каждом регионе на плановой основе, чтобы избежать
взаимных помех. Расчеты показывают, что в Европе каждой стране
удается выделить не менее двух блоков по 1,75 МГц.
Глава 9
Выведение спутников связи
на орбиту
Выведение спутников связи на орбиту является одной из
сложных задач, решаемых при формировании системы спутниковой связи.
На стадии разработки спутника связи в первую очередь
осуществляют выбор ракеты-носителя (РН), исходя из следующих
предпосылок: энергетические аараметры носителя должны обеспечивать
выведение спутника нужного веса на требуемую орбиту;
геометрические размеры восителя (его зоны полезного груза) должны
обеспечивать размещение спутника на носителе.
Из всех возможных носителей выбирается тот, который
удовлетворяет перечисленным требованиям и имеет наименьшую
стоимость.
9.1. Параметры орбит выведения
Орбиты спутников принято определять набором параметров,
характеризующих форму орбиты и ее положение в пространстве.
Таковыми являются:
высоты перигея h„ и апогея Ла — наиболее близкая и наиболее
удаленная точки от поверхности Земли;
эксцентриситет орбиты е — характеризует ее эллиптичность;
аргумент широты перигея ш- — угловое расстояние перигея от
восходящего узла орбиты:
истинная аномалия д — угол между направлениями на
спутник и перигей из центра Земли;
аргумент широты спутника ы — угол между направлениями на
спутник и восходящий узел орбиты;
период обращения Т — время полное оборота спутника по
орбите;
наклонение плоскости орбиты к плоскости экватора /;
долгота восходящего узла орбиты О - угол между
направлениями на восходящий узел орбиты и на точку весеннего равноденствия;
гринвичская долгота восходящего узла А0 — угол между
направлением иа восходящий узел орбиты и плоскостью
Гринвичского меридиана.
Линию пересечения плоскости орбиты с плоскостью экватора
называют линией узлов. Точка, в которой орбита пересекает плоскость
Ж2
экватора при движении спутника с юга на север, называется
восходящим узлом орбиты, диаметрально противоположная точка —
нисходящим узлом.
Так как за счет возмущающих сил орбита спутника не является
замкнутой, то используются также понятия драконического и сиде-
.рического периодов обращения.
Драконический период обращения Тп есть время между двумя
последовательными прохождениями спутника через плоскость
экватора при его движении на север.
Сидерический период обращения 7^ есть время полета между
двумя точками на двух соседних витках, лежащих на пересечении
витков плоскостью, проходящей через радиус-вектор точки первого
витка перпендикулярно плоскости орбиты.
При выведении спутников на круговую орбиту для выбора
траектории носителя задаются высота орбиты и ее наклонение. Как
правило, гринвичская долгота восходящего узла на момент
выведения определяется параметрами носителя и схемой выведения. Если
спутник выводится на эллиптическую орбиту, то параметрами,
определяющими орбиту выведения, являются высота перигея, высота
апогея, наклонение и угловое расстояние перигея от узла.
9.2. Схемы выведения спутников на орбиту
Приведем типовые схемы выведения спутников на орбиты.
Выведение на низкие орбиты
В качестве низкой орбиты для систем спутниковой связи может
рассматриваться круговая орбита высотой около 1500 км. Такая
орбита используется для спутников систем связи с переносом
информации, примером которых является разрабатываемая
многоспутниковая система связи «Гонец».
Для выведения на низкие орбиты могут использоваться ракеты-
носители «Космос» или «Циклон».
Двухступенчатая ракета-носитель «Космос» обеспечивает
двукратное включение двигателя П ступени с разрывным участком.
Двигатели на активном участке ] ступени и первом активном участке
11 ступени выводят II ступень вместе го спутником на эллиптическую
орбиту с высотой апогея, равной высоте круговой орбиты. Вторым
включением двигателя II ступени осуществляется переход на
круговую орбиту. Длительность выведения не превышает 50 мин. Схема
выведения ракетой-носителем «Космос» приведена на рис, 9.1.
Ракета-носитель «Циклон» является трехступенчатым
носителем с большими чнергетическими возможностями и обеспечивает
выведение также по схеме с разрывным активным участком и
двукратным включением двигателя 111 ступени. После завершения активных
*АЮ
I ступе*"
nepawA enmrnrt
учесто'О Ступени
^«—^ _ Второй активный
Крупна oponTi "Ns^_ ^*^ участОпП ступени
Рис- в.1. Схема выведения ракетой-носителем «Космос» на
круговую орбиту
Активный участо*
Д и I ступени
Круговая орбита
Первый пассивный
участок Ш ступени
Первый активный
участок Ш ступени
Второй пассивный
участокШ ступени
Второй активный
участок Ш ступени
Рис. 9.2. Схема выведения ракетой-носителем «Циклон» на
круговую орбиту
участков I и И ступеней и первого активного участка III ступени
последняя вместе со спутником выводится на эллиптическую орбиту
с высотой апогея, равной высоте круговой орбиты. Вторым
включением двигательной установки III ступени обеспечивается переход
на круговую орбиту. Время выведения на орбиту высотой 1500 км
составляет около 50 мин. Схема выведения ракетой-носителем
«Циклон» приведена на рис. 92,
Выведение на высокоэллиптические орбиты
Типовой высокоэллиптической орбитой является орбита
спутника «Молния-3» с периодом обращения около 12 ч. С точки зрения
выведения другие высокоэллиптическис-орбиты, например, с
периодом обращения К ч (орбита «Архимед»), I 1,4 ч (орбита «Лопус»), 24 ч
(орбига «Тундра») не отличаются от орбиты спутника «Мо.чнпи-З».
Рассмотрим пример выведения ракетой-носителем «Молния» на
аыгокпчллнптичег'кую орбиту спутника «Молния-3» (рис с) :5) Пер-
2Н-]
вые три ступени РН «Молния» выводят ГУ ступень вместе со
спутником на переходную эллиптическую орбиту с высотой апогея, равной
высоте перигея конечной орбиты. Время выведения на переходную
орбиту составляет 530 с: время полета по переходной орбите около
45 мин. Включением двигательной установки IV ступени
осуществляется перевод на требуемую орбиту. Положение апогея переходной
орбиты выбирается таким образом, чтобы обеспечивать требуемое
угловое расстояние перигея от уэла для конечной орбиты. Общее время
выведения спутника не превышает 57 мин.
Типовая циклограмма выполнения основных операций по
выведению ракетой-носителем «Молния» спутника «Молния-3»
приведена в табл. 9.1.
Таблица 9.1
Операция
1. Старт РН
2. Отделение I ступени
3. Отделение II ступени
4. Отделение III ступени
5. Включение двигателя IV ступени
6. Отделение спутника от IV ступени
Время выполнения операции
Г0
Го +120 с
Го + 290 с
Го + 530 с
Ti +(51...54) мин
Гх +160 с
В случае использования для выведения на
высокоэллиптическую орбиту ракеты-носителя «Протон» или модернизированной
ракеты-носителя «Молния» для увеличения высоты перигея конечной
орбиты в схему выведения вводится дополнительно опорная
орбита. Первые три ступени выводят IV ступень со спутником на
опорную круговую орбиту. Время полета на опорной орбите
составляет 30 .40 мин. Затем первым включением двигателя IV ступени в
районе нисходящего узла опорной орбиты формируется переходная
■эллиптическая орбита с параметрами, которые позволяют вторым
включением двигательной установки IV ступени обеспечить
требуемую целевую орбиту. Время полета по переходной орбите д.пя
формирования целевой с высотой перигея до 1500 км не превышает 40 мин.
С'хема выведения ракетой-носителем «Протон» на высокоэлли-
итмческую орбиту приведена На рис. 9.4.
Выведении на геостационарную орбиту
Выведение спутников связи па геостационарную орбиту с
территории России обязательно связано с проведением пространственно-
ги маневра для совмещении плоскости целевой орбиты с плоскостью
чкватора, вследствие чего для выведения могут использоваться
только ракеты-носители с высокой энергетикой типа «Протон».
ДО)
Отделение
спутника
Рис. 9.3. Схема выведения
ракетой-носителем «Молния» на
высокоэллиптическую орбиту
Отделение
спутника
\
/
Рис. 9.4. Схема выведения
ракетой-носителем «Протон» на
высокоэллиптическую орбиту
Ракета-носитель «Протон» для выведения геостационарных
спутников применяется в четырехступенчатой модификации,
выполненной по тандемной схеме — с поперечным делением ступеней. На
трех ступенях установлены жидкостные ракетные двигатели (ЖРД).
Первая ступень носителя снабжена шестью ЖРД с тягой 1500 кН,
которые имеют возможность поворота в вертикальной плоскости. На
II ступени установлены четыре однокамерных ЖРД с тягой 600 кН
каждый. Третья ступень имеет один маршевый ЖРД с тягой 600 кН
и один рулевой ЖРД с тягой 30 кН с четырьмя поворотными
камерами. Высота трех ступеней 44,3 м.
Четвертая ступень ракеты-носителя предназначена для
перевода полезной нагрузки (ПН) с опорной околоземной орбиты на
расчетную орбиту спутника. Четвертая ступень выполнена, на базе
разгонного блока, обеспечивающего длительное пребывание в условиях
космического пространства с возможностью многократного запуска
двигательной установки.
Четвертая ступень имеет следующие габаритно-массовые
характеристики:
масса заправленной ступени .... 173 т
*™---; ■,.".',.'.,.".:'..515м
диаметр (по стыку с РН) 4,0 м
диаметр зоны полезного груза 3 3м
Стартовая масса «Протона» около 700 т
2nd
Рис. 9.5. Схема выведения ракетой-носителем «Протон» на
геостационарную орбиту
Запуск ракеты-носителя может быть произведен в любое время
суток при любых климатических условиях при соблюдении
заданного ограничения по ветровым нагрузкам. Запуск осуществляется
с космодрома Байконур.
Типовая схема выведения спутника на геостационарную орбит}
ракетой-носителем «Протон» приведена на рис. 9.5. Схема состоит,
из четырех этапов.
1. Выведение на опорную круговую орбиту высотой 200 км и
наклонением 51,6° IV ступени вместе со спутником.
Продолжительность выведения около 600 с. Погрешность выведения на опорную
орбиту составляет:
по высоте в перигее Л.П 16 км
по высоте в апогее ha . 5 км
по наклонению орбиты i 1,3 угл.мин
по периоду обращения Т 8с
2. Пассивный полет но опорной орбите до восходящего узла.
После отделения IV ступени выполняются программные развороты для
ориентации продольной оси носителя в положение, необходимое для
старта с опорной орбиты. Время выполнения программных
разворотов до 15 мин. Программа полета по опорной орбите не зависит от
требуемой рабочей долготы спутника, так как первое включение
двигательной установки IV ступени всегда осуществляется в восходящем
узле опорной орбиты, после чего IV ступень со спутником выводится
на переходную орбиту. Время полета по опорной орбите 60 мин.
Участок выведения ракеты-носителя «Протон» и первый виток
опорной орбиты контро.'шруготся средствами наземного комплекса
Таблица 9.2
| Операция
1. Старт РН
2. Отделение 1 ступени
3. Отделение II ступени
4. Отделение III ступени
5. Первое включение двигателя IV ступени
6. Первое выключение двигателя IV ступени
7. Второе включение двигателя IV ступени
8. Второе выключение двигателя IV ступени
19. Отделение спутника от IV ступени
Время выполнения
операции
Го
Го + 127 с
Го + 340 с
Го +10 мин
Г] = Го + 73,5 мин
Т2=Тх + (415•..420) с
Гз=Г2 +(5,2... 5,3)ч
Ti =Гз + (Ш...195)с
Т4 + 15 с
управления в течение первых 23 мин от момента старта.
3. Первое включение двигателя IV ступени в восходящем узле
опорной орбиты. В результате этого IV ступень вместе со
спутником переводится на переходную орбиту с высотой апогея, близкой к
высоте геостационарной орбиты, и линией апсид, расположенной в
плоскости экватора. Параметры переходной орбиты:
высота в апогее Ла , 36000 км
наклонение к плоскости экватора i 48°
период обращения Г 636 мин
эксцентриситет е .. 0,7305
аргумент широты перигея ы 0
Продолжительность полета по переходной орбите примерно 5,3 ч.
4. Второе включение двигателя IV ступени в апогее переходной
орбиты для перехода на требуемую орбиту. В процессе второго
включения осуществляется пространственный разворот плоскости
орбиты. Общая продолжительность выведения около 6,5 ч.
При такой схеме спутник выводится в фиксированную точку по
долготе. Применительно к старту с полигона Байконур долгота
выведения составляет 90е в.д.
Типовая циклограмма выполнения основных операций по
выведению спутника на геостационарную орбиту ракетой-носителем
«Протон» приведена в табл. 9.2.
Длительность первого и второго включения двигателя IV
ступени, а также момент второго включения зависят от требуемого
периода обращения спутника на орбите дрейфа. Конкретные значе-'
иия T-j, Тз, Т4 указываются в полетном задании и -закладывается
в систему управления на старте в зависимости от требуемой
рабочей долготы спутника.
Если ввести ожидание на опорной орбите, когда первое
включение двигателя IV ступени осуществляется не в первом исходящем
уме. л в последующих, то возможно выведение спутника на долготы
Ш
с дискретностью около 22,5° (угловое смешение Земли вокру. своей
оси за период обращения спутника на опорной орбите).
Выведение на наклонные круговые орбиты
В принципе выведение спутников на круговые наклонные
(двенадцатичасовые и суточные) орбиты аналогично выведению на
геостационарную орбиту. Отличие может заключается в отсутствии
пространственного маневра, если трасса запуска обеспечивает
требуемое наклонение.
9.3. Формирование требуемой^ трассы
полета спутников на высокоэллиптической
орбите
Спутник связи должен обеспечивать требуемую зону
обслуживания. Для этого его трасса полета должна занимать, определенное
положение относительно поверхности Земли. Если зоной
обслуживания является территория России, то трасса полета спутника должна
обязательно проходить по ее территории.
Положение трассы полета относительно поверхности Земли
определяется гринвичской долготой восходящего узла Аэ. Как
правило, гринвичская долгота восходящего узла орбиты выведения Аэ
не совпадает с требуемым значением. Так, при выведении соутников
«Молния-3» ракетой-носителем «Молния» с полигона Плесецк
гринвичская долгота восходящего узла на момент выведения
составляет 69° з.д. Это вызывает необходимость после выведения смещать
трассу но долготе в требуемое положение путем коррекций
периода обращения орбиты.
Уменьшение периода обращения на AT относительно значения
Т,_,, соответствующего стабильной трассе, приводит к смещению
трассы на восток на величину и.^АТъа виток, где и,'3 — угловая скорость
вращения Земли вокруг своей оси. Напротив, увеличение периода
обращения приводит к смещению трассы на запад.
Если выводить спутник с периодом, соответствующим
стабильной трассе, то для перевода трассы потребуется провести две
коррекции (два цикла коррекций, если имеются ограничения по
времени работы двигателей коррекций или их тяга недостаточна,
чтобы выработать требуемый импульс за одну коррекцию) для
разгона и торможения.
Для уменьшения энергетических затрат на перевод трассы
спутника выведение осуществляют г «упреждением» по периоду
обращения, т.е. пгрнод обращения спутника на момент выведения выбирают
больше или меньше Гст. За счет -ttoio трасса спутника начинает
смешат ы и к востоку или к западу. Значение упреждения ЛГ
выбирается с учпом -энергетических запасов на борту спутника и зависит от
2W
>азност« между долготой восходящего узла орбиты выведения Аэв и
гребуемоВ долготой А,, а также заданного временя перевода трассы
Эти величины связаны соотношением
'IMP
1пч» = (Ат-А»)/(Ъ>з-ДГ)-
»пе(>
После выведения спутника на первом-втором витках по
результатам измерений вавигационных параметров определяются
параметры орбиты, по которым прогнозируется время прихода трассы в
требуемое положение.
По достижении долготой восходящего уача орбиты требуемого
положения осуществляется коррекция торможения в перигее орбиты
с целью доведения периода обращения до значения,
соответствующего стабильной трассе. Коррекция торможения проводится на витке,
выбранном из условия обеспечения наименьшего отклонения
гринвичской долготы восходящего узла от требуемой долготы с помощью
двигателя, номинальная тяга которого 2 кН. Дня устранения
погрешностей первой коррекции на последующих витках выполняется
одна-две коррекции с помощью газореактивных сопел пневмосисте-
мы с тягой ве более 1 Н.
Процесс формирования трассы спутника «Молния-3»
считается законченным при одновременном выполнении следующих
требование:
отличие драконического периода обращения от требуемого 11ч
57 мин 45 с не превышает 5 с:
отклонение гринвичской долготы восходящего узла от
требуемой не более 5°.
Требуемая долгота восходящего узла основного витка орбиты
спутника «Молння-Зэ равна 65° в.д. В этом случае трасса проходит
по территории России. Приведение трассы спутника «Молния-3» в
требуемое положение занимает от 7 до 25 суток.
Следует заметить, что значение долготы восходящего
узла 65° в.д. соответствует устойчивому положению трассы
относительно поверхности Земли.
9.4. Перевод геостационарного спутника
на рабочую долготу
Как правило, спутники связи выводятся на геостационарную
орбиту по схеме без ожидания на опорной орбите. В пиии с чтим все
ник* L Mfinur^ "°"омУ f выведение входит этап перевода
спутан^к ™1°-1ГОТ* С КОР2ТЬ СМеЩеНИЯ ™У™"™ по долготе
™7ГгГГ,2 ПерИВДа обРащени* спутника от звездных
суток [ЛТ1 при этом смещение составляет в сутки ш ■ Д7\
29CJ
Для обеспечения перевода необходимо провести коррекции
разгона и торможения. Однако для уменьшения затрат топлива на
перевод выведение геостационарных спутников осуществляют на
орбиту «дрейфа» с упреждением по периоду обращения, обеспечивая
тем самым смещение спутника в требуемом направлении: к западу
или к востоку. По достижении требуемой долготы выполняется
коррекция торможения. Так как область удержания геостационарных
спутников на долготе и широте мала и тяга двигателей коррекции
реализуется с погрешностью, может потребоваться несколько
коррекций торможения.
В промежутках между включениями двигателей проводятся
измерения параметров орбиты, результаты которых используются для
уточнения стратегии последующих включений.
Одновременно на участке перевода и при торможении
устраняются, если это необходимо, погрешности выведения по наклонению и
эксцентриситету. Запас характеристической скорости для перевода,
резервируемой на борту разрабатываемых в настоящее время
спутников связи, составляет 20. ..30 м/с.
9.5. Выбор времени запуска
Время запуска спутников на высокоэллиптическую орбиту
Запуск первого спутника орбитальной группировки может
производиться в любое время. Для выбора времени запуска при
построении и восполнении группировки удобно ввести идеализированную
систему, положение плоскостей орбит которой зафиксировано в
некоторый момент времени, и все плоскости орбит прецессируют со
средней постоянной скоростью. Тогда московское декретное время
запуска j-ro спутника группировки определяется по формуле
где Qj — долгота восходящего узла j-й орбитальной плоскости
идеализированной системы; S0 — среднее звездное время на гринвичском
меридиане. XiH — гринвичская долгота восходящего усэлл орбиты в
момент выведения: А1а - время от момента запуска спутника до
первого прохождения восходящего узла.
При несостоявшемся запуске последний переносится на сутки а
время запуска уменьшается на 4,5 мин.
Время запуска геостационарных спутников
Ввиду значительной длительности выведении спутника могут
возникнуть ограничения по времени запуска в течение суток,
обусловленные следующими факторами:
291
невидимостью обеспечения на переходной орбите требуемой
температуры смазочных материалов в шарнирных соединениях
солнечных батарей и местах переходов кабельных стволов, для чего угол
при центре масс между продольной осью спутника и направлением
на Солнце должен находиться в пределах 30. ..150° и
максимальная длительность теневого участка переходной орбиты не должна
превышать 1,5 ч;
необходимостью исключения попадания спутника с разряженной
химической батареей в тень, для чего отделение спутника должно
происходить не менее чем за 6 ч 50 мин до входа в тень.
Допустимые окна старта составляют от 9 до 18 ч в
зависимости от даты. При выведении спутника на орбиту с нулевым
начальным наклонением запуск может быть осуществлен в любое
свободное от ограничений время.
Средства выведения, как правило, не влияют на время
выведения спутника. Однако для оптимального расположения плоскости
орбиты относительно плоскостей орбит Луны и Солнца, при котором
достигается целенаправленное уменьшение начального наклонения
за счет эволюции, запуск должен осуществляться в строго
определенное время, при котором долгота восходящего узла геостационарной
орбиты близка к 280°. За счет итого можно экономить энергетические
дешасы на спутнике в случае, когда наклонение корректируется, или
минимизировать наклонение в процессе активного существования.
9.6. Обеспечение устойчивости
орбитальных структур систем связи
Для нормального функционирования системы спутниковой
связи должно быть обеспечено неизменное положение зоны
обслуживания на поверхности Земли. Неизменность зоны обслуживания
доя спутников связи на высокоэллилтнческой орбите определяется
стабильностью положения трассы относительно поверхности Земли.
Для геостационарных спутников должна быть обеспечена
стабильность положения спутника по долготе и широте.
Высокоэллиптическая орбита типа «Молния»
Значение драконического периода обращения спутника на
орбите обусловливает смещение гринвичской долготы восходящего \-зла
орбиты, а при малых изменениях параметров - и смещение "всей
трагсы полета
Для обеспечения стабильной трассы на поверхности Земли
значение драконнческого периода обращения спутника на орбите может
быть определено из выражения
Т* = ^
oJ(l-«-*)*
•№
где f^ _ экваториальный радиус Земли; а — большая полуогь
орбиты, С2о — коэффициент разложения геопотенциала, учитывающий
полярное сжатие Земли; ш$ — угловая скорость вращения Земля.
Для орбиты «Молния» это значение составляет 11 ч 57 мин 45 с.
Если бы значение драконического периода обращения спутника
на орбите оставалось со временем неизменным, то трасса сохраняла
бы свое положение в процессе существования спутника.
Анализ действующих возмущений на орбиту спутника
показывает, что главным возмущением, изменяющим драконический период
обращения спутника по орбите, является возмущение от гармоники
разложения потенциала гравитационного поля с индексом (22),
характеризующей экваториальное сжатие Земли. Под действием
гармоники с индексом (22) период обращения спутника совершает
периодические колебания относительно значения, соответствующего
стабильной трассе, а гринвичская долгота восходящего узла —
колебания относительно так называемой точки устойчивого равновесия.
Для орбиты типа «Молния» с наклонением, близким к
критическому, два значения долготы восходящего узла (А^ * 65° Bjt и
А, ~ 115° з.д.) удовлетворяют условию устойчивого равновесия и
два значения (А* аз 155° в.д. и Аэ ss 25° з.д.) — условию
неустойчивого равновесия.
Так как изменение долготы восходящего узла является в
основном следствием изменения драконического периода обращения, то
последний также колеблется относительно значения,
соответствующего устойчивой трассе, т.е. 11 ч 57 мин 45 с. При этом
драконический период обращения и скорость изменения гринвичской долготы
связаны соотношением
Аэ = 2u;3(7h — 11 ч 57 мин 45 с) рад/сут.,
где 7п — I I ч 57 мин 45 с = Л7п — отличие драконического периода
от значения, соответствующего устойчивой трассе.
Колебательное движение трассы полета спутника особенно
наглядно можно проследить, если использовать понятие фазовой
траектории в координатах (ДГп,Аэ). Такие траектории приведены на
рис. 9 6. При их расчете предполагалось, что спутники движутся
по орбите с высотой перигея 500 км, наклонением 63,4° и
аргументом перигея 285°.
В начальный момент времени спутники находятся на орбитах с
долготой восходящего узла, равной 85, 100, 115, 130е в.д.. и имеют
драконический период обращения, соответствующий изомаршрутной
трассе на первом витке. 'За счет эллиптичности экваториального
сечения Земли происходят увеличение драконического периода
обращения и соответственно смещение восходящего узла орбиты в
западном направлении, т.е. движение изображающей спутник точки идет
по фазовой траектории а направлении, обозначенном стрелкой,
203
ATa,c
Одновременно на рис. 9.6
приведены линии равных времен
(в сутках), соответствующие
времени движения изображающей
точки вдоль фазовой траектории
отосиАа. На рисуике
представлена только четверть фазового
пространства (ДГп,Аэ). Такое
представление правомочно в силу
симметрии фазовых траекторий
относительно вертикальной и
горизонтальной осей. Для других
начальных долгот восходящего уэ^
ла траектории могут быть
получены путем интерполяции.
Приведенные фазовые
траектории и линии равных времен
позволяют определить время
движения (пребывания) долготы
восходящего узла в требуемом
интервале долгот. С этой целью
достаточно нанести на рис. 9.6
двумя вертикальными линиями
требуемый интервал долгот, задать
положение изображающей точки, провести через нее путем
линейной интерпояяшш фазовую траекторию и линию равных времен, а
также линию равных времен через точку пересечения этой фазовой
траектории с соответствующей границей по долготе.
Амплитуда колебаний по долготе определяется отклонением
драконяческого периода от звездных полусуток в момент
прохождения восходящего узла орбиты спутника через долготу устойчивого
равновесия. Период колебаний зависит от амплитуды колебаний по
долготе и составляет около 12 месяцев при амплитуде 5... 10°.
Воздействие других гармоник разложения геопотенциала, а также
гравитационных полей Луны и Солнца приведет к некоторому изменению
долготы устойчивого равновесия.
Влияние Луны и Солнца вызовет изменение орбитальных
параметров и скорости процессии. В связи с этим движение
относительно долготы устойчивого равновесия будет достаточно сложным н
несколько отличаться от приведенных фазовых траекторий
В силу существования долгот устойчивого равновесия
принципиально возможно обеспечить устойчивость трагс. долготы
восходящих узлов которых должны находиться в некоторой области ±АА
...носительно долгот устойчивого равновесия. Однако если долгота
«.тходяще.о узла орбиты в номинальном положении w совпадет с
100 ПО 120Л3гграЗ.
Рис. 9.6. Фазовые траектории
движения спутника на высокоэлли-
птической орбите
"ДМ
а)
Л3-ЛЛ Л} Д3+й*
6)
Рис. 9.7. Фазовые траектории процесса удержания долготы
восходящего узла
долготой устойчивого равновесия А^ к 68° в.д., то при выведении
спутников необходимо, чтобы долгота восходящего узла орбиты
находилась в требуемом диапазоне и дракоиический период обращения
соответствовал стабильной трассе. После этого под влиянием
аномалий гравитационного поля Земли долгота восходящего узла
будет смещаться в западном или восточном направлении. Характер
возможного движения определяется из анатиза фазовых траекторий
движения спутника.
Для каждого диапазона [А9 - ДА,АЭ 4- ДА] может быть
проведено множество фазовых траекторий, отличающихся долготой при
стабильном драконическом периоде обращения. Такие фазовые
траектории приведены на рис. 9.7 для двух вариантов расположения
рассматриваемого диапазона относительно устойчивого равновесия.
Любому сочетанию периода обращения и долготы,
принадлежащей диапазону [Аэ — ДА,А-3 + ДА], будет отвечать своя траектория,
которая всегда ведет на правую границу интервала при Аэ < А* или
па левую границу интервала при Аэ > А,. Следовательно, в
идеальном случае обеспечение стабильности трассы в требуемом диапазоне
долгот восходящих узлов сводится к изменению драконического
периода на одной из границ диапазона: левой при Аэ > А* и правой при
А,, < А*. Значение периода обращения при этом необходимо выбрать
таким, чтобы обеспечить попадание на самую внешнюю фазовую
траекторию, которой соответствует наибольшее время движения, а
значит, наименьшее число коррекций за время существования спутника.
Периодичность коррекций Д/к определяется удвоенным
временем движения спутника до левой или правой границы, а изменение
периода обращения в процессе коррекции Д7"к удвоенным
значением отклонения периода обращения в момент достижения границы
от стабильного. На рис. 9.8 приведены полученные таким образом
чначрння Д/к и ДТК в зависимости от А,.
Пе.шчина ДГК может быть переведена в потребное приращение
орбитальной скорости. Коррекция параметров эллиптической орбй-
295
tttW* ЛТ„.е
М,м/е
rsUwd
Ряс. 9,8. Зависимость изменения
периода обращения при коррекции
и интервала времени между
коррекциями от долготы восходящего узла
{А. = 2,5е)
16
!.г
1JB
V
1,0
L-
т
,
4
г
t
Г"
/
г
'
—г
S
V
Л
fc—
V-
V
д
'
,
_
Рис. 9.9. Зависимость
необходимого запаса скорости для
удержания трассы в течение года от
долготы восходящего узла (А = 2,5°)
ты, заключающаяся только в изменении периода обращения, должна
проводиться из условия экономии энергетики в перигее орбиты. При
этом импульс корректирующей скорости направлен по касательной
к орбите, т.е. совпадает с вектором орбитальной скорости. Запас
импульса скорости (AV), который нужно иметь на борту спутника,
чтобы обеспечить удержание трассы в требуемом диапазоне по
долготе, приведен на рис. 9.9. График на рис. 9.9 соответствует
случаю, когда учитываются в качестве возмущающих только гармоники
с индексами (20) и (22).
Если учитывать дополнительно влияние гравитационного поля
Лупы, а также другие гармоники гравитационного поля Земли, то
движение будет более сложным. Возмущенные фазовые траектории
будут несколько отличаться от идеальных, однако запасы импульса
скорости, необходимого для обеспечения стабильности трассы,
изменяются незначительно.
Удержание геостационарных спутников по долготе и широте
Спутник на геостационарной орбите из-за отклонения
параметров от их номинальных значений и действующих возмущений не
остается «неподвижным», а смещается относительно поверхности
Земли.
При отличии сидерического периода обращения Ч\ от чвеэдных
суток Г,* происходит вековой уход долготы спутника за время
одного оборота на величину
ДА = -ы3(Г, - 7;в) = -ы3 • AT.
Рассмотрим теперь движение спутника относительно
поверхности Земли по долготе, обусловленное наличием малого -жецентрн-
ситета орбиты (г < 1). В общем случае выражение для изменения
Ж.
гринвичской долготы спутника за время / - г0 имеет вид
А = An + arcfcg(tg и сов i) - arctg(tgm> cos») - W3C ~ '»)•
где А0, «о,» — соответственно гринвичская долгота, аргумент широты
спутника и наклонение орбиты в момевт времени to.
Если предположить, что в момент времени t0 спутник находится
в перигее орбиты, то для рассматриваемой орбиты при i = 0 текущая
гринвичская долгота спутника может быть определена из выражения
А = А0 + 2с sin I?,
где i9 — истиная аномалия спутника.
Движение спутника по квазистациоиарной орбите с малым
эксцентриситетом и 7*с = Т,ь относительно фиксированной в момент
прохождения перигея подспутниковой точки (Ао = Ап) можно
рассматривать практически как гармоническое колебание с амплитудой
2е и периодом, равным периоду обращения спутника.
Если же одновременно Гс = 7ie и е = 0, то спутник на
геостационарной орбите будет смещаться по долготе относительно земной
поверхности только в восточном направлении при Тс < Т-^Ц — 2е) и
только в западном направлении при Тс > Tse(l + 2с).
В случае, когда Тъъ{1 — 2е) < Тс < Тэв(1 + 2е), движение
спутника относительно поверхности Земли по долготе в течение оборота
имеет место в обоих направлениях.
При малом наклонении (t < 2°) на квазистационарной орбите
возникают незначительные колебания спутника по долготе.
Основное же слияние наклонение оказывает на широтные периодические
колебания спутника, определяемые выражением
уэ = arctg(tgucosii),
где if — текущая широта подспутниковой точки.
Амплитуда колебания равна наклонению, а период
соответствует периоду обращения спутника.
На движение стационарного спутника в плоскости экватора (по
долготе) преобладающее влияние оказывает возмущение из-за
экваториального сжатия Земли (секториальная гармоника второго
порядка). Движение спутника по долготе под действием
экваториального сжатия Земли представляет собой долгопериодические колебания.
Амплитуда и период чтих колебаний определяются начальным
положением спутника относительно осей эллипса экваториального
сечения 'Земли и отличием на начальный момент сидерического периода
обращения от звездных суток,
2ч7
1,град/сут-
Рис. 9.10. Вид фазовых траекторий движения стационарного спутника
Фазовые траектории спутника в координатах «скорость
дрейфа — долгота спутника» приведены на рис. 9.10. Стрелками
показано направление движения по фазовым траекториям. Долгота
А отсчнтьгаается от точки устойчивого равновесия. Одновременно
на рис. 9.10 нанесены линии равных времен движения по фазовым
траекториям. При расчете фазовых траекторий принималось, что
долгота устойчивого равновесия составляет 75° в.д. Фазовые
траектории и линия равных времен позволяют определить время
движения спутника от одной долготы до другой в зависимости от его
начального положения.
Таким образом, из анализа фазовых траекторий следует, что
дрейф спутника по долготе будет наблюдаться всегда, за
исключением случая, когда его долгота совпадает с точкой устойчивого
равновесия, а период обращения равен звездным суткам.
Как отмечалось, движение геостационарного спутника
относительно поверхности Земли обусловливается отличием
сидерического периода обращения, эксцентриситета и наклонения орбиты от их
номинальных значении. Период обращения определяет среднюю за
виток скорость смещения (дрейфа) спутника по долготе, а
-эксцентриситет и наклонение орбиты характеризуют амплитуды суточных
долготных и широтных колебаний спутника соответственно.
Изменение (эволюция)-элементов орбиты геостационарныn
'-путников происходит в результате действия на спутник сил,
возмущающих его движение по орбите. Основными из этих сил являются
нецентральность гравитационного поля Земли, притяжение Луны и
i ViHua, световое давление.
Основное влияние параметры разложения потенциала
гравитационного поля Земли оказывают на период обращения спутника и
на смещение спутника но долготе. Окториальиая гармоника
второго порядка вызываем допериодичегкис возмущения положения ciivt-
29Я
ника в плоскости стационарной орбиты. Другие гармоники вносят
небольшой вклад в изменение периода обращения.
Изменение эксцентриситета носит только периодический
характер с амплитудой, не превосходящей 0,75- Ю~4. Возмущение
положения плоскости геостационарной орбиты проявляется в вековом
изменении долготы восходящего узла Q практически с достоянной
скоростью -47,2е за год. Наклонение плоскости орбиты не претерпевает
сколько-нибудь существенных изменений под влиянием нёцентраль-
ности гравитационного поля Земли.
Гравитационные поля Луны и Солнца наиболее существенно
воздействуют на наклрнение орбиты, которое испытывает вековое
возмущение. При этом характер возмущения определяется начальными
значениями наклонения плоскости орбиты и долготы восходящего
узла и не зависит от начального взаимного расположения спутника и
возмущающего тела в плоскостях своих орбит.
Характер изменения наклонения от начального значения
долготы восходящего узла орбиты позволяет обеспечить минимум среднего
наклонения в течение срока существования за счет выбора
времени запуска. В этом случае начальное значение наклонения
следует выбирать равным половине его максимального изменения за срок
существования спутника и выводить спутник на орбиту с долготой
восходящего узла, обеспечивающей убывание наклонении после
выведения спутника.
Следует заметить, что максимальное изменение наклонения
зависит от астрономической даты (долготы восходящего узла орбиты
Луны в плоскости эклиптики) и может достигать 0,96е за год.
Из-за отличия параметров квазистационарной орбиты от
номинальных и под действием возмущающих сил (нецентральности
гравитационного поля Земли, гравитационного влияния Луны и Солнца,
светового давления) спутник совершает движение относительно
поверхности Земли по долготе и широте. Движение по широте
обусловлено наклонением орбиты и носит периодический характер.
Движение по долготе складывается из короткопериодического движения,
обусловленного эллиптичностью экваториального сечения Земли.
Так как использование спутников в системах связи
предусматривает обслуживание заданной территории или некоторых земных
пунктов, необходимо ограничить перемещение спутника
относительно поверхности Земли таким образом, чтобы земные пункты системы
связи постоянно находились в зоне его обслуживания. Кроме
того, перемещения стационарных спутников по долготе
ограничиваются нормами ВАКР для исключения взаимовлияния спутников друг
па друга.. Стабилизация положения спутника по долготе и широте
осуществляется путем изменения орбитальных параметров—
коррекции параметров орбиты.
Ш\
Л, Л2
Рис. 9.11. Предельная фазовая Ряс. 9.12. Фазовые траектории
при удержании спутника в интер-
траектория вале долгот с точкой устойчивого
положения
В качестве исполнительных органов для коррекции параметров
орбиты нашли применение различные типы ракетных двигателей
малой тяги, создающие небольшие ускорения.
Рассмотрим сначала задачу стабилизации положения спутника
по долготе, т.е. удержания долготы спутника в некотором заданном
интервале долгот А € [Ai.Aj]. Долгота А отсчитывается от точки
устойчивого положения.
Предположим, что спутник необходимо удержать в интервале
долгот [AlLA2], не содержащем точку устойчивого положения, т.е.
О < Ai $ А ^ Аг- Определим фазовую траекторию,
соответствующую времени пребывания спутника в интервале долгот [Ai,A2] без
коррекции его движения, т.е. определим предельную фазовую
траекторию (рис. 9.11). Такая траектория характеризуется наибольшим
временем движения, а значит, минимальным числом коррекций. Это
значит, что изображающая точка на фазовой плоскости (А, А)
движется по траектории а и при достижении долготы в точке Л
производится коррекция для перевода точки вновь на траекторию а в
точке В. Учитывая, что время работы двигателя мало и намного
меньше времени движения спутника по предельной фазовой
траектории, а также что е % 0, перевод спутника из точки А п точку В
можно считать выполняемым без изменения долготы спутника.
Предположим теперь, что спутник необходимо удерживать в
интервале долгот [Л 1,Аз], содержащем точку устойчивого положения
(рис. 9.12). т.е. А! < 0; А2 > 0. В такой ситуации в общем случае*
достаточно всего одной коррекции, переводящей спутник на
фазовую траекторию, лежащую внутри заданного диапазона. После га"-
кой коррекции спутник будет двигаться по замкнутой фазовой
траектории {например, A BCD), полностью принадлежащей интервалу
долгот [АЬА2],
300
AV,H/C
1,6
1,2
0,6
0.1
О
"""lj-ТГТ"
/ X
i \
Z ~-L^
LA- ^
П 2k 36 1в SO 72Л0,град
Рис. 9.13. Характер
энергетических затрат яа
удержание спутника по долготе в
течение года существования
В [5] показано, что
энергетические затраты, приходящиеся на
единицу времени, при удержания спутника
в малом интервале по долготе в
первом приближении не зависят от этого
интервала и определяются только его
средней долготой Ао-
На рис. 9.13 приведены потребные
затраты скорости ДУ на управление
движением стационарного спутника в
течение года в зависимости от
долготы Aq.
В общем случае стационарный
спутник движется по
квазистационарной орбите. В силу эллиптичности орбиты подспутниковая точка
совершает колебания относительно средней точки, долгота которой
соответствует примерно долготе апсидальных точек орбиты (средняя
долгота). Период этих колебаний равен периоду обращения
спутника, а амплитуда колебаний определяется значением эксцентриситета
и равна 2е. Если_2е < ДА, то задачу удержания спутника в интервале
долгот [А0 - ДА, А0 + ДА] можно рассматривать как задачу удержания
средней долготы в интервале от AD - (ДА - 2е) до А0 + (ДА - 2е). В
случае 2е > ДА указанная задача теряет смысл, и необходимо
проводить коррекцию эксцентриситета орбиты с целью его уменьшения
до значений, обеспечивающих выполнение условия 2е < ДА.
Приведенные результаты по оценке энергетических затрат и
числа включений в процессе удержания спутника по долготе
учитывают лишь основные возмущения гравитационного поля 'Земли. Для
решения задачи управления движением спутника с учетом полного
объема действующих сил (силы гравитационных полей Земли, Луны
и Солнца) можно рекомендовать алгоритм, в основу которого
положено интегрирование уравнений движения.
Алгоритм решения задачи управления движением спутника по
долготе складывается из алгоритма нахождения момента
проведения коррекции и алгоритма определения значения корректирующего
импульса. Виток проведения коррекиии соответствует приходу
спутника на границу области, а значение корректирующего импульса и
момент включения двигателя на витке устанавливаются из условия
сохранения или уменьшения эксцентриситета орбиты и прохождения
расчетного-значения средней долготы через правую (левую) границу.
Стабилизация положения спутника по широте сводится к
управлению положением плоскости орбиты по наклонению, которое
определяет амплитуду колебания спутника и поэтому влияет на условия
его радиовидимости с земиьгх станций свя«|. Естественно, что для
.иИ
повышения стабильности условий радиовидимости
геостационарного спутника необходимо поддерживать наклонение орбиты близким
к нулю. Для изменения наклонения орбиты корректируют
направление вектора скорости, не изменяя ее абсолютного значения. Так
как наклонение плоскости орбиты к плоскости экватора связано с
азимутом А вектора скорости соотношением
cos i — cos tp • sin A,
где tp — широта точки орбиты, азимут скорости в которой равен А,
то оптимальными точками приложения корректирующих импульсов
являются восходящий и нисходящий узлы орбиты.
Если на спутнике могут быть реализованы двигатели коррекции,
способные обеспечить ускорение на 0,001...0,01 м/с2, то коррекцию
наклонения плоскости орбиты целесообразно производить в моменты,
когда наклонение достигает предельно допустимого значения.
Каждый поворот плоскости орбиты, исключая, возможно,
последний, уменьшает наклонение до нуля. При последнем повороте
(с целью экономии энергетических затрат) наклонение может
уменьшаться на величину Ai, чтобы в оставшееся время существования
оно не превысило допустимого значения. Примерное значение
суммарной скорости, необходимой для удержания наклонения плоскости
орбиты в допустимых пределах, можно определить из выражения
AV'E = V[{n- l)i + Ai],
где V — круговая орбитальная скорость спутника, равная
примерно 3,074 км/с: п — число коррекций наклонения орбиты; i —
допустимое наклонение.
Если спутник выводить на орбиту с наклонением » и оптимальной
долготой восходящего узла, то за счет возмущающего влияния Луны
число коррекций может быть уменьшено на единицу.
Особый интерес для практики управления движением спутника
по наклонению представляет случай использования для коррекции
двигателей малой тяги. Применение малой тяги позволяет
производить коррекцию наклонения почти без нарушения точности
ориентации спутника и изменения условий его функционирования как одного
из элементов системы связи. Однако значение выдаваемого
импульса на витке мало Например, для спутников «Галс», «Экспресс» оно
составляет примерно 0,3.. .0,4 кН. В этом случае коррекция
наклонения проводится практически ежесуточно.
Для некоторого уменьшения -энергетических затрат можно
проводить коррекцию наклонения не в узлах орбиты, а в точках,
обеспечивающих одновременное изменение долготы восходящего узла О
и наклонения орбиты I. За счет изменения П обеспечивается
целенаправленная эволюция наклонения.
31W
Как уже отмечалось,
эволюция наклонения
существенно зависит от относительного
положения плоскости орбиты
геостационарного спутника и
Луны. В связи с этим
энергетические затраты на
удержание зависят от даты запуска.
На рис 9 14 представлены
необходимые затраты скорости
ДК на удержание спутника в
течение -> лет в чявисимости от
даты его запуска. Как видно,
различие может достигать 47
М,м#
255
"^ 1
1
|
1
1
.1
чж
1
Г
1
tygSm
ЯЮО Ю05 2Q10 Я№ Т,год
Рис. 9.14. Характер
энергетических затрат на удержание спутника по
шшроте d зависимости от даты запуска
/с за 5 лет.
Раздел II
Принципы построения систем
спутниковой связи и вещания.
Методы передачи сигналов
Глава 10
Бортовые ретрансляционные
комплексы спутников связи
и вещания
10.1. Общие сведения
Бортовые ретрансляционные комплексы (БРТК) спутников
связи и вещания представляют собой радиотехническое оборудование,
устана-вливаемое на спутниках. Оно предназначено для приема cm
налов от передающих земных станций (ЗС) систем спутниковой связи
и вещания (СССВ), их усиления и последующей передачи в
направлении приемных ЗС, входящих в состав ^тих систем. БРТК
являются наиболее важным звеном СССВ: именно для них осуществляют
запуск космического аппарата на орбиту искусственного спутника
Земли. В зтом смысле БРТК определяют как целевую или
полезную нагрузку I1C3, в отличие от всех других видов оборудования
спутника, предназначенных для обеспечения нормального
функционирования полезной нагрузки.
В' БРТК входят:
приемные, передающие и/или приемопередающие антенны со
своими аитенно-фидерньши трактами и опорно-поворотными
устройствами;
приемно-передающее оборудование — бортовой ретранслятор
(ВРТР), осуществляющий ретрансляцию сигналов на спутнике.
Современные БРТР спутников (в зарубежной терминологии
repealer) являются многоствольными радиотехническими
комплексами. При зто.м под стволами БРТР (в зарубежной терминологии —
transponder) понимают совокупность приемного и передающего
оборудована, осуществляющего ретрансляцию сигналом в заданных по-
:ifn
.носах частот, которые, как правило, формируются ствольньшя
фильтрами. В зависимости от вида многостанпионвого доступа к
спутнику — частотного разделения (МДЧР) или временного разделения
(МДВР) — сигналы в полосе ствола могут транслироваться на
нескольких несущих (при МДЧР) или на одной несущей (при МДВР
или передаче сигналов телевидения аналоговыми методами).
Действующие и создаваемые СССВ базируются на ИСЗ со
следующими видами БРТК:
связными;
вещательными;
универсальными, в которых стволы БРТР могут в равной мере
использоваться и дгся связи, и для вещания;
смешанными, включающими как связные, так и вещательные
стволы.
Производство и запуск на орбиту спутников связи и вещания —
это достаточно дорогостоящее мероприятие. Поэтому на всем
протяжении существования и развития СССВ устойчиво сохраняются
тенденции повышения экономической эффективности этих систем,
связанные главным образом со стремлением к увеличению числа
активных стволов на спутнике и повышению их долговечности.
Возможности увеличения пропускной способности БРТК и его
долговечности сдерживаются рядом объективных факторов, к числу
которых следует прежде всего отнести:
ограничения по мощности потребления электроэнергии и массо-
габаритным характеристикам полезной нагрузки;
состояние научно-технической и технологической базы, лежащей
в основе создания БРТК и ИСЗ в целом.
Успехи в области реализации отмеченных тенденций связаны:
с использованием в БРТК радиотехнических приборов,
функциональные свойства которых наилучшим образом отвечают задачам
ретрансляции связных и вещательных сигналов (многолучевые
антенны, антенны с контурной диаграммой направленности,
коммутация сигналов на борту, обработка сигналов на борту и т.д.);
с сочетанием методов передачи сигналов на линиях
Земля-спутник и спутник-Земля, позволяющим оптимально использовать
возможности функциональных узлов БРТК;
с совершенствованием схемно-технических решений и
улучшением технических показа гелей функциональных узлов благодаря
прогрессу радиоэлектроники;
с уменьшением массогабаритных показателей приборов за счет
широкого применения микроэлектронных сборок, с использованием
и конструкциях функциональных узлов новых материалов, покрытий
и ряда других прогрессивных технологических приемов.
Конструктивные особенности БРТР. Выбор и разработка
конструктивной схемы БРТР связаны с непрерывным и длительным
305
пребыванием его в специфических условиях открытого
космического пространства в составе ИС'З. Конструкция БРТР должна
обеспечивать самостоятельное и надежное функционирование в сложных
условиях воздействия всея совокупности этих факторов в течение
всего срока службы и удовлетворять следующим требованиям:
минимально возможная масса при заданных надежности и
энергетических показателях;
оптимальная по условиям установки в ИСЗ форма для
обеспечения минимальных нагрузок на ракету-носитель;
оптимальное использование внутреннего пространства БРТР с
целью обеспечения необходимых условии терморегулирования,
удобного доступа к узлам и блокам и возможности замены блоков
перед стартом;
минимальное влияние динамических нагрузок и
неравномерности распределения масс в полете на другие системы ИСЗ, главным
образом 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 ИСЗ, так и ракеты-носителя, частота
вибрация от нескольких единиц до тысяч герц;
способность выдерживать резкие колебании 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 длительного срока эксплуатации.
По указанным причинам исполнение аппаратуры БРТР имеет
рдд существенных отличий от исполнения аналогичной аппаратуры,
находящейся в наземных условиях эксплуатации. К ним
относится прежде всего применение специальных методов монтажа,
напыления, т.е. использование специальных технологических процессов
при изготовлении аппаратуры.
Энергетические особенности БРТР. Мощность, которую
необходимо получить на выходе передатчика БРТР (или ствола БРТР),
зависит от функционального назначения системы, в которой
работает данный БРТР Чтобы снизить мощность, потребляемую от
бортовых энергетических источников, стремятся улучшить
промышленный коэффициент полезного действия БРТР, представляющий собой
отношение полезной подводимой к антенне колебательной мощности
к общей мощности, потребляемой БРТР от источника питания.
Стремление улучшить (повысить) промышленный КПД
обусловливает применение в наиболее энергоемком н объемном учло
306
БрТр _ выходном (передатчике) — экономичных электронных
приборов: ЛЕВ, клистронов, транзисторов и т.е., параметры которых
и характеристики усилителей на них более подробно рассмотрены
в § Ю.7.
10.2. Типовые структурные схемы БРТК
Тип структурных схем БРТК определяется назначением и
характером передаваемой информации. Телевизионная и
радиовещательная (звуковая) информация имеет общественный характер.
Поэтому задачей вещательных БРТК является создание зон
обслуживания на больших территориях и обеспечение приема сигналов
неограниченным числом земных приемных установок. Соответственно
типы структурных схем вещательных БРТК и технические
характеристики подкомплексов, на базе которых они реализуются,
подчинены решению этой задачи. Бортовые передающие антенны должны
по возможности обеспечивать:
равномерное распределение энергии сигнала в зоне
обслуживания;
контурные диаграммы направленности, благодаря которым
основное излучение энергии сигнала лежит в пределах
географических границ зон обслуживания.
Бортовые ретрансляторы должны быть максимально простыми,
что достигается использованием стволов с однократным
преобразованием частоты, если на такие стволы не возлагаются дополнительные
функции, связанные не только с прямой ретрансляцией сигналов.
В отличие от вещательной информации связная информация
имеет четко выраженный адресный характер. В этом случае одно
из важнейших преимуществ спутниковых систем, заключающееся в
формировании больших (глобальных) зон обслуживания,
превращается в свою противоположность.
В подавляющем большинстве случаев излучаемый сигнал
принимается одной ЗС, а энергия бортового передатчика бесполезно
рассеивается но всей зоне обслуживания, формируемой бортовой
передающей антенной. И эти потери тем больше, чем больше зона
обслуживания. Особенно сильно этот недостаток проявляется в службах
фиксированной спутниковой связи с заранее известными
неизменными местоположениями ЗС
Для преодоления этого недостатка в последнее время в связных
БРТК применяются многолучевые антенные подкомплексы, в
которых ширина диаграммы направленности каждого парциального луча
невелика и составляет 0,5. ..3,0°. Это позволяет формировать
небольшие зоны обслуживания, в которых легче обеспечить высокую
плотность потока мощности у поверхности Земли, что, с одной
стороны, позволяет использовать станции с малыми диаметрами антенн
(станции VSAT) для организации связи внутри данной парциальной
:Ш
зовы обслуживания (зоновая связь), а с другой — экономичнее
использовать мощность БРТР [10.1].
Кроме того, имеется возможность многократного использования
рабочих частот в разных лучах за счет их пространственного и
поляризационного разделения, что способствует эффективному
использованию полосы частот, выделенной для связи. Для организации
связи между абонентами, находящимися в разных парциальных
зонах (лучах), в БРТР вводится межлучевая коммутация. Последняя
усложняет БРТР, поскольку вводятся коммутаторы (статические или
динамические — в зависимости от конкретных задач). В ряде
случаев коммутацию приходится осуществлять на промежуточной
частоте, что приводит к необходимости многократного преобразования
частоты в стволах, а нередко и к демодуляции сигнала на борту и
введению коммутации по видеочастоте.
Все перечисленные случаи свидетельствуют о необходимости
обработки принимаемых сигналов в стволах ретрансляторов. Такие
ретрансляторы в литературе называют ретрансляторами с
обработкой сигнала на борту.
Специализированные стволы ретрансляторов, предназначенные
для передачи конкретных видов сигналов и для заданных видов
многостанционного доступа, рассчитаны на длительную эксплуатацию
(7... 15 лет) и зачастую не могут эффективно применяться в
течение всего срока службы. За такой период происходят
значительные изменения:
совершенствуются аппаратура ЗС и методы передачи
информации:
возрастает объем передаваемой информации и спрос на услуги,
предоставляемые СССВ.
Чтобы эффективность использования стволов не снижалась,
большинство отечественных и зарубежных ИСЗ, особенно тех.
которые работают в системах фиксированной спутниковой службы,
оснащаются ретрансляторами с универсальными стволами.
Универсальные стволы могут одинаково использоваться как в системах связи.
так и в системах вещания и пригодны для систем с МДЧР и МДВР.
Естественно, что обработка сигналов, например демодуляция и
коммутация в низкочастотной области, в таких стволах не
применяется, но межлучевая коммутация по высокой частоте сохраняется
10.3. БРТР с однократным
преобразованием частоты
Упрощенная структурная схема ствола БРТР с однократным
преобразованием частоты приведена на рис. 10.1,а. Сигнал с
центральной частотой /пр, поступающий на вход БРТР от приемной
антенны, появляется на выходе БРТР в полосе частот передачи с
центральной частотой /пгг, в результате однократного понижающего
Ж
преобразования. Во избежание самовозбуждения БРТР выходная
полоса частот значительно сдвигается относительно входной полосы в
соответствии с предписанием Регламента радиосвязи [1].
После предварительного усиления во входном малошумязцем
усилителе (МШУ) и сдвига по частоте в преобразователе частоты
(ПрЧ) сигнал частоты fm? поступает на ствольный фильтр, в
котором формируется заданная полоса пропускания ствола, а затем этот
сигнал усиливается канальным усилителем (КУ) до уровня,
необходимого дня нормальной работы мощного выходного каскада (УМ). С
выхода этого каскада сигнал поступает на передающую антенну.
В большинстве ретрансляторов коэффициент усиления ствола
составляет 105... 125 дБ. Поскольку на входной частоте реализовать
большой коэффициент усиления технически сложно, его значение
ограничивается пределами 40.. .45 дБ. Основное усиление сигнала
происходит на выходной частоте и составляет 85. ■ .90 дБ. Значение
коэффициента усиления сигнала на выходной частоте достаточно
велико, и для того, чтобы избежать самовозбуждения тракта на
выходной частоте, принимается ряд конструктивных мер, препятствующих
возникновению режима самовозбуждения.
Наиболее распространенная структурная схема БРТР с
вышеописанным типом стволов приведена на рис. 10.2. Для сокращения
объема оборудования МШУ и ПрЧ делаются общими для группы
стволов и нередко объединяются в единую конструкцию —
приемник. Типичные полосы пропускания стволов фиксированной службы
связи (ФСС) равны 36 и 72 МГц, а разнос центральных частот
составляет 40 и 80 МГц соответственно. Устройство разделения стволов
по частоте (входной мультиплексер) содержит трехдецибельный
делитель мощности, к одному из выходов которого подключена группа
ствольных фильтров с четными номерами стволов, а к другому —
с нечетными. После усиления на выходной частоте сигналы
стволов поступают на устройство объединения (выходной
мультиплексер), выход которого подключен к передающей антенне.
Если БРТР предназначен для ретрансляции сигналов
нескольких зон обслуживания (или если используется поляризационное
уплотнение), то такие многоствольные схемы повторяются для
каждой зоны.
БРТР гетеродинного типа. Упрощенная структурная схема
ствола БРТР гетеродинного типа приведена на рис. 10.1,ft
Принятый антенной сигнал на частоте /пр поступает на вход
БРТР. предварительно усиливается МШУ и преобразуется в ПрЧ
в сигнал промежуточной частоты (ПЧ). На частоте /„.Г в усилителе
ПЧ (УПЧ) осуществляется основное усиление в заданной полосе
частот, предварительно формируемой ствольным фильтром. В
следующем ПрЧ осуществляется повышающее преобразование усиленного
309
о
L^f.
^
fnu- fnn -Ufr
tnu* fllD'tri
* мшу VGTiw H* ^
~/ynu
i/Lna
J'/ДО» IWV *****
0
Регенератор
ВУ
Входной
ФМсигнаа
t*
f/w«7
АЛ
LZ
BTV
T T T J
[7vT
J
s)
Рис. 10.1. Упрощенные структурные схемы БРТР
Входной
иулктипйексео
Выходной
ЛБВ иул»тигме*сер
Приемная
антенна 1
Приемная
антенна 3
/ I Передави»*
Н антенна 1
Паредшвщвя
антенна 2
Рис. Ю.2. Структурная схема многоствольного БРТР с однократным
преобразованием частоты: Прм — приемник
сигнала ПЧ в сигнал частоты передачи /пер, который после
дополнительного усиления в выходном мощном каскаде (УМ) излучается
передающей антенной в сторону Земли,
Такие схемы построения стволов использовались на начальных
этапах развития спутниковых систем (спутники «Молния»,
«Радуга», «Экран», «Горизонт»), поскольку по состоянию развития
техники в годы их разработок усилителм с большим коэффициентом
усиления (50. , .60 дБ) в бортовом исполнении можно было реализовать
только иа ПЧ. Эти схемы находят применение и в настоящее
время, но уже при демодуляции на борту узкополосных сигналов или,
например, когда центральная частота ствола должна оперативно
перестраиваться по командам с "Земли. Такая необходимость возникает
в случаях, когда создается группировка спутников, каждый из
которых работает па свою зону обслуживания, и сигналы со спутника в
каждую зону излучаются на неповторяющихся частотах.
Для обеспечения высоких показателей надежности системы и
уменьшения затрат должна быть предусмотрена возможность
замены любого из спутников группировки резервным спутником, для чего
стволы БРТР должны оперативно перестраиваться по частоте при
поступлении соответствующей команды с Земли. Структурная схема
ствола с оперативной перестройкой его центральной частоты
приведена на рис. Ю.З.
а чтой гх«*ме перестройка частоты осуществляется изменением
частоты гетеродина /г> который является общим для входного по-
:Ш
МШУ
См1
',
1
««,
Ч ПФ1 U
смг
N
W
ПОД к
Гетеродин сдыиэ
. СмЭ »
.
i
Пероетршяамшй гетеродин
W
ПФЭ
',
УМ
Fmc. 10.9. С-труктурнач схема ствола с перестройкой по частоте:
МИГУ — малошумяшиЯ усилитель; ПФ г— полосовой фильтр; См — смеситель;
УМ — усилитель мощности
нижающего и выходного повышающего смесителей частоты (См1 и
СнЗ), Достоинством схемы является компенсация нестабильности
частоты перестраиваемого гетеродина, что существенно упрощает его
техническую реализацию. По такому принципу реализованы стволы
спутника непосредственного ТВ вещания «Галс».
Упрощенная структурная схема многоствольного БРТР со
стволами гетеродинного типа приведена на рис. 10.4. На входе
приемных смесителей всех стволов включен входной мультиплексер,
разделяющий принятые сигналы по частоте. Он собран по фильтровой
схеме и предназначен для подавления помех по зеркальному
каналу, подавления сигнала гетеродина и сигнала ПЧ, проникающих на
вход приемных смесителей. Подавление этих сигналов составляет
45..-60 дБ: при этом не вызывается перегрузки МШУ и не
создаются помехи в соседних стволах. Использование фильтровых
входных мультиплексеров целесообразно при небольших различиях по
частоте между принимаемыми сигналами и сигналами гетеродинов,
т.е. при значениях /пч, лежащих в пределах 70.-.140 МГц, как это
имеет место в БРТР спутников «Экран» и «Горизонт». При более
высоких значениях ПЧ. достигающих единиц гигагерц, вход приемного
устройства целесообразно делать волйоводньш и фильтрующие
свойства реализовывать за счет запредельных свойств волновода. Такой
метод использован в БРТР спутника «Галс»: входной сигнал лежит
в диапазоне 18 ГГц, а сигнал гетеродина — в диапазоне 11 ГГц.
Выходные сигналы стволов объединяются выходными мульти-
плексерами. к которым подключается антенно-во.пноводный тракт.
10.4. БРТР с демодуляцией (обработкой)
сигнала на борту
Упрощенные схемы таких БРТР приведены на рис. 10.1.6 Здесь
сигнал, принятый на частоте /пр. преобразуется в сигнал
промежуточной частоты /™, усиливается в тракте ПЧ (УПЧ) и лемодчлиру-
ется в демодуляторе (Дем). Демоду.тироваиный Н Ч сигнал поступает
Ш
№P"S*
Рис. Х0.4. Структурная схема БРТР со стволами гетеродинного типа:
Гт — гетеродин; Огр — ограничитель; ПФ — полосовов фильтр; См— смеситель;
УМ — усилитель мощности; УПЧ — усилитель промежуточной частоты; ФВЧ,
ФИ1-! — фильтр высокой и низкой частоты
на модулятор (Мод) через устройство изменения структуры сигнала
(ИГО) и далее через выходной усилитель мощности (УМ) в антенну.
Принцип приведенного алгоритма обработки заключается в
стремлении повысить эффективность передачи сигналов и систем связи,
использующих бортовую ретрансляционную аппаратуру. Так. при
МДЧР, т.е. при ретрансляции сигналов на множестве отдельных
несущих, выходной усилитель работает со снижением мощности относи-
тельно мощности насыщения на 3.. .6 дБ Это позволяет уменьшить
продукты интермодуляционных искажений до приемлемого уровня
(- h ... - 20 дБ) и обеспечить ретрансляцию сигналов с заданным
качеством. Снижение мощности электропотребления в мощном
усилителе, как правило, не пропорционально уменьшению выходной
мощности и составляет всего 15, .20 %, что приводит к нерациональному
использованию ресурса бортового источника электропитания
При МДВР мощный каскад ствола БРТР работает практически
в режиме максимальной мощности. Поэтому целесообразно для
эффективного использования ресурсов ИСЗ на линии Космос-Земля
применять режим МДВР.
БРТР с демодуляцией (обработкой) на борту, обеспечивающий
£м7я Г ЛИНИИ мМг,рЯсКОСМОС В Р6ЖИМе МДЧР и на ли««* Космос-
Земля в режиме МДВР, потенциально позволяет улучшить
системные показатели линии спутниковой связи по следующим причина™
мо1„нпХРГЯЮТСЯ пРеим*и1е"ва МДЧР - использование ЗС с малой
мощностью передатчиков, что характерно при передаче одного и ти
нескольких телефонных каналов на одной несуще
ЛИ
повышается помехоустойчивость линии Земля-Космос за счет
регенерации сигнала на борту;
оптимально расходуется энергия бортового источника питания
за счет работы передатчика в режиме максимальной мощности;
растет помехоустойчивость на линии Космос-Земля из-за
излучения БРТК радиосигналов с максимально возможной мощностью.
К недостаткам таких БРТР относятся существенное
усложнение аппаратуры стволов и ограничения на типы используемых сиг-
палов конкретным видом модуляции, реализованным в БРТР.
Поэтому потенциальные преимущества БРТР с регенерацией
необходимо сопоставлять с ограничениями, налагаемыми ка параметры
модуляции сигнала.
Регенерация сигналов на борту возможна и при работе
радиолинии Земля-Космос в режиме МДВР.
Структурная схема БРТР с регенератором ФМ сигналов
представлена на рис. 10.1,г. Принятые антенной БРТР последовательные
пакеты сигналов от различных ЗС для регенератора некогерентны,
хотя их несущие и тактовые частоты мало отличаются друг от друга,
Таким образом, для регенератора модулирующих сигналов
должны быть восстановлены несущие и тактовые частоты всех пакетов,
Поэтому БРТР с регенератором в общем случае при обработке
ФМ сигнала должны выполнять следующие функции:
когерентное детектирование (КД) с помощью восстановленной
несущей (ВН);
восстановление тактовой частоты (ВТЧ);
цифровое решение (ЦР);
преобразование относительной фазы в абсолютную
(декодирование ОФМ/ФМ):
цифровую обработку потока данных;
обратное преобразование абсолютной фазы в относительную
(кодирование):
формирование несущей частоты (ГН) и модуляцию (МФМ).
Если БРТР выполняет все данные функции, то трудно найти
компромисс между этими условиями и необходимостью
одновременного обеспечения малой массы, потребления, высокой надежности
и т.п. Особенно трудновыполнимыми оказываются
быстродействующие устройства ВН и ВТЧ.
Исключение некоторых элементов регенератора упрощает ЬРТР.
Например, реализация устройств ВН, работающих с высокой
стабильностью, крайне сложная задача, в связи с этим ВН исключают
из схемы БРТР и заменяют автокорреляционным детектором (АД)
ОФМ, что упрощает БРТР и повышает надежность, хотя
несколько ухудшает его энергетические возможности (приблизительно на
0,5; 2.-5: 3 дБ соответственно для двух-, четырех- и восьмифазово-
ю сигнала) по сравнению с КД. Однако, когда достоверность нри-
314
нимаемой информации определяется в основном участком Космос-
Земля, использование АД на борту практически не ухудшает
общей достоверности.
10.5. Межлучевая коммутация
Процесс организации межлучевой связи предусматривает
разделение сигналов, принятых в каждом луче, перераспределение
(коммутацию) выделенных сигналов по заданным направлениям и
объединение перераспределенных сигналов для передачи в
соответствующем луче.
Разделение сигналов может производиться по частоте, по
времени или обоим признакам одновременно. Возможно также кодовое
разделение. Разделение можно осуществлять до отдельных
абонентских каналов или до групп каналов. Второй вариант более
экономичен по аппаратурным затратам, но проигрывает первому по степени
полезной загрузки каналов связи, особенно в тех случаях, когда
перераспределение сигналов выполняется с помощью фиксированных
связей {статическая коммутация).
Перераспределение каналов может быть осуществлено по радио-
или видеочастоте. Процесс организации межлучевых
фиксированных связей по радиочастоте иллюстрируется рис. 10.5.
При МДЧР устройствами разделения являются входные муль-
типлексеры, при МДВР — схемы выделения пакетов из кадра.
I
от Прм
1-го луча
от Прм
Устройство
разделения
сигналов
1-Й6ПФ
■
n-ft БГИР
■ 1-му
лучу
«о 2-му
лучу
«п-ну
лучу
* t-му
лучу
■0 2'Му
лучу
«п-му
пучу
г
I
I
i
Устройство
о соединенна
сигналов
от Ко
луч*
от 2-го :Э
луча
ОТ (КО
яуч» __
от Wo
Л/41
от 1-го "*
луча ^
отп-го
i ■^ ^
...'
1-й БО -
п-ЛБО
1
иПрд
1-го луча
! :
• Прд
: пгголуча
! J
J
Hemnf БСПФ°— \-ПР"МРГ» организации межлучевых связей: БО — блок объсдн-
олок no.il вых фильтров: Прд — передатчик: Прм — приемник
31-г>
1
I s
Устройство
объединения
сигнале:
от Лрм
)<галуч*
•
от При
птплуч*
Н16ПФ
.
ГгйБПО
1
а
1Л
1
2
3 • • ■
*
П ростра «-
с таенный
коммутатор
ПШк МП
1
2
—»
■
m
2
•
<т>
1 -
1_
!-йБО
п-йБО
мПрд
1-го луча
■
•
п
кПрд
Рис. 10.6. Статический коммутатор сигналов (обозначения см.
рис. 10-5)
Недостатком схем коммутации с фиксированными связями
является отсутствие возможности отслеживания каких-либо изменений
трафика, что снижает пропускную способность БРТК. Для
отслеживания медленных изменений трафика по направлениям при МДЧР
может быть использован коммутатор с трансформацией межлучевых
связей но направлениям. Его включают между схемами
разделения и объединения сигналов (рис. 106). Этот коммутатор наэывают
статическим. поскольку переключение цепей осуществляется только
для трансформации межлучевых связей, а в промежутках
коммутатор находится в статическом состоянии. Устройство разделении
сигналов либо должно иметь фильтры с различной шириной полосы
пропускания, либо число разделительных фильтров в каждом луче
должно превышать число лучей п.
Другой способ осуществления трансформации межлучевых
связей — изменение объемов информации, направляемых по
фиксированным связям (динамическая коммутация). При МДЧР в устрой-'
ствах разделения используются фильтры с изменяемой шириной
полосы пропускания, при МДВР изменяют длительность пакетов,
адресованных по соответствующим направлениям.
Произведенные оценки [10.'2) эффективности использования
каналов при динамической коммутации показывают, что она может
достигать 90 %. Более высокую эффективность реализовать
трудно, погкольку на радиочастоте (при большой пропускной способно-
31 с,
сти БРТР) технически сложно осуществить разделение до
отдельных абонентских сигналов, а при МДВР невозможно изменять
положение временных интервалов и использовать буферные
накопители передаваемой информации. При большом числе лучей (более
20) существенно усложняется матрица перетрассяровки лучей и
возрастает сложность обеспечения необходимых эначевий переходных
затуханий, что также накладывает ограничения на эффективность
использования каналов,
10.6. Коммутация сигналов в видеоспектре
Реализовать высокую (почти 100 %-яую) загрузку каналов
можно при осуществлении коммутации в видеоспектре. В этом случае на
борту необходима демодуляция всех коммутируемых сигналов, что
связано со значительными аппаратурными затратами. Здесь можно
отказаться от матричного исполнения коммутаторов и осуществить
следующий алгоритм коммутации: сигналы со всех выходов
демодуляторов уплотняются во времени и объединяются в единый поток, а
затем разделяются по направлениям. Такой принцип при
построении коммутаторов (л входов/n выходов) требует, чтобы число
коммутирующих элементов было равно 2г». В матричном исполнении
это число равно и2.
При обработке сигналов по видеоспектру возможно применение
интегральных схем со сверхвысокой степенью интеграции, что
существенно уменьшает объем аппаратуры и потребляемую мощность
по сравнению с коммутатором на несущей, имеющим такую же
размерность.
Использование цифровых запоминающих устройств позволяет
изменять временное положение коммутируемых пакетов, чего нельзя
реализовать на радиочастоте.
Поданным [10.2], применение демодуляции и коммутации
сигналов на борту целесообразно при небольших пропускных способностях
БРТР, исчисляемых несколькими сотнями абонентских каналов.
10.7. Бортовые радиопередающие
устройства
Выходная мощность передатчика — главный параметр БРТР.
определяющий возможности и качественные характеристики
системы связи.
Максимальная мощность передатчика ограничена несколькими
факторами:
максимальной мощностью первичных источников питания НС'Э;
возможностью отвода рассеиваемого тепла за пределы спутника:
снижением долговечности и надежности электронных приборов
пРи повышении их мощности;
:Ч7
заданными габаритными раэ-
Ti^pzn J5L ,—. у мерами и массой самого спутника;
Т1 \7 J» 35 — > -*v4—1 регламентированной
плотности LZT__— ^fc^ тью потока мощности, создаваемой
| р*ШТ1 "1 излучением спутника на поверхно-
j l^srJ'x.L i сти Земли, которая не должна пре-
I —ГЩл вышать -152 дБВт/м2 в полосе
4 кГц.
Рис. ю.т. Структурная схе- Передатчики большинства
мл передатчика. БРТР врТр гвт6рОДИНного типа строят по
традиционной схеме (рис. 10.7).
состоящей из мощного преобразователя частоты и мощного усилителя с
необходимым набором фильтрующих и согласующих элементов.
Чаще всего передатчики усиливают сигналы в полосе одного ствола,
но иногда используются и дли одновременного усиления сигналов
нескольких стволов.
Главным элементом передатчика является мощный выходной
усилитель (в стволах с прямым переносом под передатчиком
понимают мощный усилитель), так как именно на него падает
значительная часть потребляемой энергии всего БРТР, массы и объема. В
качестве собственно усилительного элемента в зависимости от
назначения, требуемой мощности, диапазона частот, массы,
габаритных размеров, КПД, срока службы и т.п. используются различные
СВЧ приборы, ЛБВ, клистроны, твердотельные приборы
(транзисторы, туннельные, лавинно-пролетные диоды и т.п.).
ЛБВ составляют наиболее многочисленный и быстроразвиваю-
щнйся класс электровакуумных приборов СВЧ для бортовой
техники, широкое применение которых в данной области объясняется тем,
что они обладают рядом достоинств по сравнению с другими
приборами СВЧ диапазона: высоким коэффициентом усиления, шнро-
кополосностью, возможностью работы в импульсном и непрерывном
режимах в широком интервале выходных мощностей.
Применяемые в БРТР ЛБВ отличаются, кроме того, высоким
КПД, компактностью, малой массой, высокой долговечностью (до
100. . 1!>0 тыс, ч) и надежностью. Эти приборы работают при
напряжениях менее 6500 В, нх конструкция обладает достаточной
жесткостью и способна выдерживать сильные вибрации и ударные нагрузки.
Фактически вер ЛБВ, применяемые в БРТР, имеют одинаковую
конструкцию, за исключением небольших модификаций, связанных
с выполнением конкретных специфических функций БРТР.
На рис. 10.8 приведены кривые, показывающие наибольшие
значения выходной мощности и КПД, достигнутые на ЛБВ различного
типа Для БРТР наибольший интерес представляют ЛБВ средней
мощности, причем для этих целей создают специальные
экономичные и малогабаритные ЛБВ. Исходя из условий применения ЛБВ
.418
"&*'*'
щ,х
т*.ггц
Рис. 10.8. Зависимости
максимальных значений
выходной мощности и КПД от
частоты для ЛБВ
в бортовой необслуживаемой
аппаратуре, к ним предъявляют очень
высокие требования по КПД,
долговечности, надежности, габаритным
размерам и массе.
Для бортовой аппаратуры ЛБВ
изготавливают на отдельные
специально выделенные полосы частот в
диапазоне 1,8. .12,7 ГГц.
Типичными для первых образцов БРТР были
ЛБВ с мощностью 20 Вт, в
отдельных спутниках использовались ЛБВ
мощностью 30 и 70 Вт в непрерывном
режиме. В настоящее время в
большинстве связных ИСЗ уровень
выходной мощности ЛБВ в непрерывном
режиме составляет 30.. 75 Вт, а в
вещательных — 50... 150 Вт. При той
же конструкции получают и более
высокие мощности. Наиболее важным
фактором при выборе выходной мощности ЛБВ является моишость
источника питания ИСЗ. Уже небольшое повышение КПД приводит
к значительному выигрышу для ИСЗ в целом — уменьшаются
число элементов солнечных батарей, аккумуляторов, габаритные
размеры источников питания и упрощается проблема рассеяния текла.
Почти на всех ИСЗ основным параметром для ЛБВ, определяющим
все другие элементы конструкции, является необходимая мощность,
потребляемая от бортового источника питания. Поэтому методом
повышения КПД ЛБВ уделяется большое внимание.
К числу таких методов относятся:
изменение фазовой скорости замедленной волны по длине лампы
коррекция синхронизации скорости;
формирование дискретной характеристики;
многокаскадная рекуперация в коллекторе (понижение
потенциала коллектора или последовательности коллекторов до
значения, меньшего потенциала замедляющей структуры, что дает
возможность вернуть часть неиспользованной энергии от работающего
электронного пучка).
Обычно коэффициент усиления ЛВВ составляет 40.. 50 дБ а
М'Д 64...о0 %.
Необходимый режим ЛВВ но уровню выходной мощности
устает влина^тг я подбором уровня входной мощности На амплитудной
• арак ирис iикс ЛБВ различают две характерные области, соответ-
( '"Ующие дцум режимам работы.
ИЛИ
AW
В линейном режиме (режим малого сигнала) коэффициент
усиления яыеет постоянное значение, а выходная мощность меняется
пропорционально входной. Максимальная выходная мощность ЛБВ
в линейном режиме меньше номинальной на 3... 6 дБ.
В режиме насыщения (режим большого сигнала) линейная
зависимость выходной мощности от входной нарушается, увеличение
сигнала на входе не приводит к дальнейшему увеличению
выходной мощности из-за ограниченной мощности электронного пучка.
В режиме насыщения резко возрастает крутизна фаэоамшштудной
характеристики ЛБВ, представляющей собой зависимость фазового
сдвига, вносимого ЛБВ, от амплитуды входного сигнала, что
приводит к преобразованию амплитудной модуляции в фазовую
(амплитудно-фазовая конверсия). Таким образом, паразитная AM,
например, частотно-модулированного сигнала на входе ЛБВ приводит к
возникновению паразитной ФМ и, следовательно, к нелинейным
искажениям сигналов.
В выходных усилителях мощности на ЛБВ из соображений
экономичности желательно использовать режим работы лампы,
близкий к насыщению (номинальный). При передаче широкополосных
сигналов в режиме насыщения или вблизи режима насыщения
необходимо учитывать возникающие искажения. Допустимые уровни
искажений зависят от вида модуляции — односигнальная ЧМ или
ЧМ с несколькими несущими — и от вида многостанционного
доступа — МДВР или МДЧР.
Два явления, возникающие в ЛБВ, — нелинейность
амплитудной характеристики и АМ-ФМ преобразование — служат причинами
появления взаимных помех при усилении нескольких сигналов.
В табл. 10.1 приведены некоторые параметры ЛБВ и источников
питания, выпускаемых зарубежными фирмами для БРТК
спутников связи и вещания.
В оконечных усилителях БРТК используются и клистроны. Так.
в разработанной в России системе СТВ «Экран», работающей в
диапазоне 702.. .726 МГц, использован прямопролетный клистрон с
выходной мощностью 200.. .300 Вт с полосой пропускания около 24 МГц
по уровню 2 дБ. Применение клистронов в бортовых устройствах
ограничено из-за их узкополосности. К достоинствам клистронов
следует отнести простоту конструкции, меньшее по сравнению с Л БВ
число номиналов питающих напряжений, высокий КПД. В
остальном клигтронные усилители аналогичны усилителям на ЛБВ со
всеми их достоинствами и недостатками (нелинейность передаточной
характеристики, амплитудно-фазовая конверсия и т.п.).
Твердотельные приборы в качестве выходных усилителей
мощности БРТР стали использоваться только и последнее время в связи
с успехами полупроводниковой электроники, позволяющими
значительно повысить мощность СВЧ передатчиков. Развитие СВЧ по-
320
1 а б i и а. а 10.1
Параметр ЛБВ
Выходная
мощность, Вт
КПД, %
Напряжение
спирали, В
Масса, г
Габариты, мм
Параметр
источника питания
КПД, %
Масса, г
Габариты, мм
КПД, %, при 35 В
Масса, i
Габариты, мм
| Диапазоны частот Космос-Земля |
С
(3,7...4,2)
17
53
2000
800
395x58x37
С
(3,7... 4.2)
60
60
3400
730
395x58x37
Ки
(J1.7...
...12,5}
56
63
5500
700
321х58х
х36
Ки
(10,9...
...12,8)
73
1 63
5700
700
343х58х
х36
Ко
(11.7...
...12,5)
100
64
6000
720
320х58х
хбЗ
Напряжение сети 42... 50 В
93
1470
227x63x110
93
1520
227x63x110
93
1520
227х63х
xllO
93
1520
227х63х
xllO
93
1570
227х63х
xllO
Напряжение сетн 25... 42 В
91
1520
227x63x110
91
1570
227x63x110
91
1570
227х63х
хПО
91
1570
227х63х
х)10
91.5
1600
227х63х
xllO
лупроводниковых передатчиков для ВРТР идет по двум основным
направлениям: создания новых мощных СВЧ транзисторов и
сложение мощностей полупроводниковых генераторов с помощью многопо-
люгных схем или сложение мощностей в пространстве с помощью
фазированных антенных решеток.
Преимущества, твердотельных передатчиков ВРТР по сравнению
г члек гровакуумными состоят в следующем:
как правило, существенно большая долговечность:
инчкне значения питающих напряжений (первые требЧют для
питания напряжения не более единиц или десятков вольт" и лишь
идною-двух номиналов, вторые требуют для питания целый набор
напряжений различных номиналов, максима.чьные значения которых
.оставляют несколько киловольт даже при сравнительно небольшой
NhJSM.nioH мощности СВЧ сигнала):
применение иолунроиодниковых приборов позволяет
воспользоваться методами микроэлектроники при изготовлении различных
узлов » блоков, входящих в передатчики ВРТР. что, в свою очередь.
ны'<ынае'< существенное, уменьшение массы и габаритных размеров
последних:
ЧЧ
Vft
Оттаете ад^и на несущей p&</pmicm *ЩЩей
Рис. 10.9. Относительные уров- Рис. 10.10. Амплитудио-фазо-
нп ннтермодуляцяокных искажений вые характеристики ITV М и усили-
3-го порядка для ПУМ и ЛБВ теля на ЛБВ
мощные полупроводниковые приборы обладают практически
мгновенной готовностью к работе по сравнению с
электровакуумными, у которых цепь накала требует предварительного прогрева.
Это делает систему связи более гибкой и оперативной.
По данным [10.3], существенное улучшение параметров ствола
БРТР достигнуто в спутниках американской системы RSA Satcom
благодаря применению полупроводникового усилителя мощности
(ПУМ). 'Замена в них ЛБВ на ПУМ (на GaAs полевых транзисторах)
позволила существенно улучшить характеристики и надежность
передающего тракта БРТР. Кроме того, по данным этой же работы.
ПУМ обладает более высокой линейностью характеристики особенно
в режиме работы вблизи точки насыщения. Так, для ПУМ
достигнут уровень интермодуляционных искажений третьего порядка (при
передаче двух несущих), на 3.. .8 дБ меньший, чем для ЛБВ.
На рис. 10.9 для сравнения приведены зависимости отношения
Рг/Рзп 0-г отношения Рьх/Рнас, где Рс — мощность сигнала на
выходе прибора; Рзп — продукт искажений 3-го порядка на выходе
прибора: Ръ% — мощность сигнала на входе; Рнас — мощность сигнала
ня входе в режиме насыщения. Здесь при -заданном уровне интер-
модуляционных искажений, например —20 дБ. на входе ПУМ
требуется снижение мощности на 5 дБ меньше, чем для усилителя на
ЛБВ. Это либо обеспечивает более высокое отношение сигнал-шум,
что в результате повышает пропускную способность, либо
улучшает промышленный КПД БРТР.
Приведенные данные несколько расходятся с выводами [10.7]. по
которым отдается преимущество ЛБВ. Расхождение, видимо,
связано г тем, что в первом случае рассматриваются ПУМ на полевых
фанзисторах с относительно большим линейном участком, а во
втором биполярные, передаточная характеристика которых имеет ко-
•30
•20
•Ю
N.
N
ь
/аде4
srm
<
*ч.
322
Ам«, Вт
too
50
20
/0
5
^00 200 500 1000 2000500010000f.МГц
Рис. 10.11 Зависимости выходной мощности от частоты для наиболее
мощных СВЧ биполярных транзисторов
ф
роткий линейный участок и два характерных излома — в начальной
области и области насыщения.
Кроме того, существенное уменьшение колебаний фазы при
изменениях уровня сигнала снижает уровень паразитного АМ-ФМ
преобразования для систем с МДЧР и снижает вероятность ошибки на
символ для цифровых систем.
Фазовые характеристики ПУМ на полевых транзисторах и
усилителя на ЛБВ приведены на рис. 10,10.
Следствием перечисленных преимуществ являются
существенное снижение массы и габаритных размеров, повышение
экономичности, долговечности и надежности твердотельных передатчиков БРТР
по сравнению с электровакуумными при всех прочих равных усло-
виях.
Наряду с преимуществами следует отметить и недостатки
таких передатчиков:
полупроводниковые приборы чувствительны к отклонениям, да-
жг кратковременным, от допустимого эксплуатационного режима
работы, что может привести к пробою р-п перехода и полному
откачу прибора; поэтому в передатчике приходится принимать
специальные меры для защиты от случайно возникающих неблагоприятных
факторов;
мощность полупроводниковых приборов ограничена, причем для
большинства из иих с повышением частоты / она уменьшается по
чакон* /-. На рис. Ю-11 показана зависимость выходной мощности от
частоты для наиболее мощных типов биполярных СВЧ транзисторов.
И табл. 1U.2 приведены значения основных электрических
параметров некоторых типов полупроводниковых приборов, используй
мых в передатчиках БРТР. в диапазоне частот 1 . 14 ГГц Как виГ
но я, таблицы, мощность СВЧ приборов ограничена. Вместе с т"м
требуемая выходная мощность передатчиков БРТР может во много
раз превышать мощность одного транзистора. Поэтому для
существенного увеличения выходной мощности передатчика"используют
специальные схемы сложения (суммирования) мощностей большого
числа однотипных усилителей.
•Ш
Таблица 1U.2
Тип
транзистора
БяполяркыП
Бялолярный
Полевой
Полевой
Частота,
ГГц
1...2
5... 1
5...7
12... 14
Выходная
мощность, Вт
ВО... 100
10..15
20... 25
8...Э
КПД. %
50... 65
30... 40
20... 30
20... 30
Примечание: режим работы непрерывный.
Коэффициент
усиления, дБ
6,0... 8,5
3,0...6.0
4,0... 6.0
4,0... 6,0
Различают три основных способа сложения: с помощью
многополюсных схем; с помощью многоэлементной ФАР; в общем резонаторе,
При первом способе к суммирующему устройству подключают
большое число однотипных усилителей, мощность которых поступает в
общую выходную нагрузку; при втором способе сложение мощностей
сигналов производится в пространстве с помощью ФАР,
включающей большое число соответственно ориентированных облучателей,
каждый из которых возбуждается от самостоятельного усилителя.
Третий способ используется только для сложения мощностей СВЧ
генераторных диодов, расположенных в общем резонаторе. На
практике первый способ позволяет повысить мощность передатчика по
отношению к мощности одного транзистора на 15. .20 дБ, второй
способ — на 30.. .40 дБ, третий — на 10... 13 дБ.
Основные требования, которым должны отвечать перечисленные
способы суммирования:
1. Мощность сигнала на выходе устройства сложения равна или
близка к сумме номинальных мощностей Р„ам отдельных п
усилителей: ЯобШ = пРиоы-
2. Все усилители должны быть взаимно независимы, т.е. ра
связаны друг от друга. Выход из строя любого усилителя не должен
влиять на режим работы и выходную мощность всех других усилителей.
3. При выходе из строя m усилителей из общего числа мощность
в нагрузке должна упасть на возможно меньшее значение, в лучшем
случае — ве более чем на тРиоы.
Чаше всего сложение мощностей СВЧ усилителей осуществляют
с помощью так называемых мостовых устройств, обеспечивающих
попарное сложение сигналов. Главным образом используют мостовые
устройства, относящиеся к классу направленных ответвителей (НО).
т.е. это восьмиполюсники, предназначенные для направленного
ответвления энергии, отличительная особенногть которых заключает-
гя в следующем: при возбуждении одного из четырех каналом НО
энергия поступает только в два канала. Такой же НО может иегюль-
юваться и для обратной процедуры — деления мощности в два раза
(i.e. уменьшения мощности на 3 дБ).
324
Рис. 10.12. Схема сложения
мощностей четных усилителей: Д —
делитель; Е — сумматор
Возможны различные
варианты построения схем
транзисторных передатчиков со
сложением мощностей
усилителей на основе мостовых
устройств. При этом число
складываемых усилителей
мощности должно равняться 2П, что
обеспечивается применением
(2" — 1) мостовых устройств.
Используя различные
варианты многополюсных
сумматоров-делителей, реализуют
устройства сложения мощностей
большого числа СВЧ усилителей. Такие устройства состоят нэ трех
основных частей: делителя мощности сигнала, п одинаковых СВЧ
усилителей и сумматора мощности.
Для примера на рис. 10.12 показана схема сложения мощностей
четырех усилителей, построенная на основе квадратурных мостовых
устройств с вынесенными балластными нагрузками. Эту схему,
которая позволяет складывать сигналы достаточно большой мощности,
нетрудно распространить и на большее число попарно складываемых
одинаковых усилителей или блоков усилителей.
Важным обстоятельством при составлении схем сложения
мощностей отдельных усилителей является выполнение требования по
фазированию складываемых сигналов. Для этого используют
идентичные по структуре делители (Д) и сумматоры (Е), включая их
сопряженно. В таком случае не требуются дополнительные
фазовращатели. Приведенная схема типична для транзисторных
модулей, построенных по гибридно-интегральной технологии.
Практически с помощью многополюсных сумматоров осуществляется
сложение мощностей 50... 100 полупроводниковых приборов, причем
обычно сначала объединяют в модуль четыре транзистора, а затем
складываются мощности 8... 16 таких модулей в зависимости от
требуемой выходной мощности усилителя.
В реальных условиях при суммировании мощностей сигналов
неизбежны потери, связанные с разбросом параметров отдельных
усилителей (их неидентичностью), отклонением 5-параметров
сумматоров (параметров рассеяния) и делителей [10.3] от оптимальных
значений в полосе частот и отражениями в трактах распространенна
сигналов. Суммарная мощность всех усилителей в общей нагрузке в
325
этих случаях определяется выражением [10.4]
(1-1ГЛ
П "г.ср.ном.
"к — Z
J2a*Pfc**ff*e"JV!*
t=i
где flfc _ коэффициент, учитывающий отражение в к-тл канале (при
хорошем согласовании близкий к 1); Рг.ср.ном — среднее значение
номинальной мощности, одинаковое для всех п усилителей; р* =
= у/Рт к „о J Рг.срмо» — коэффициент, учитывающий отклонение
амплитуды входного сигнала, где Рг к тм — номинальная мощность fc-ro
генератора; s* — коэффициент, близкий к 1, учитывающий
изменение модуля коэффициента передачи отдельного усилителя
относительно номинального значения при идентичных усилителях; gt —
коэффициент, близкий к 1, учитывающий изменение амплитуды
напряжения падающей волны в общем канале при действии Аг-го
генератора за счет отражения в балластных нагрузках; щ —
результирующая фаза сигнала, пришедшего в общий канал от к-го усилителя,
при хорошем фазировании <ръ = 0; Гн — коэффициент отражения
общей нагрузки, при хорошем согласовании Г„ = 0; п — число
усилителей, подключаемых к сумматору.
Эффективность работы передатчика, построенного по методу
суммирования мощностей отдельных усилителей, определяется
коэффициентом передачи
"•IT.
■г к ном •
*■ = !
Потери (в децибелах) мощности в сумматоре составляют
b„ = l0\g(l/k„).
При полной передаче мощности от всех генераторов в
нагрузку *п = 1.
На рис. 10.13.оге приведены зависимости, отражающие влияние
различных факторов на потери при гуммировании мощностей
сигналов с помощью многополюсных сумматоров. На рис. J0.13.я показана
зависимость Ь„ от изменения (разбаланса) складываемых сигналов
по амплитуде при условии, что Г = 0, уэ* = 0, fit, = 1. s* = ] ;i
все номинальные мощности усилителей Рг Ыом = Рг но" для .^
частных случаев:
J) мощности все* генераторов одинаковы и постоянны, за
исключением одного и-з них. например первого;
2) амплитуды всех складываемых г игналои усилителей паеппе-
аелены от Рти, до ^ * ' '
лп&х ■
32(i
Ь„,Д5
4j
=й»
/7'2
s
*
^,tf
=£2skJ
J
9 S
Л*л/
4м*
J
о
.--
^
/Pi/
к*
>T
0,2 Bfi 0,6 0,3 /7, зо 60 щград JO so 6g>,2pod
a) 6) 6)
Рис. 10.13. Зависимости потери мощности сумматора от разбаланса
по амплитуде (о) и по фазе {б, в)
На рис. 10.13,5,в соответственно показаны зависимости Ьп от
разбаланса складываемых сигналов по фазе для двух случаев: фазы
сигналов от всех усилителей, за исключением одного, постоянны и
равны номинальным значениям; фазы всех сигналов от всех
усилителей равномерно распределены от уэт,п до <рта.х-
Анализ [10.4] показывает, что для получения коэффициента
передачи по мощности к„ передатчика со сложением мощностей не ниже
90.. .95 % необходимо обеспечить разброс мощностей отдельных
усилителей в пределах 20.. .30 % и отличия по фазам складываемых
сигналов не более 20.. .30°. При этом должны обеспечиваться в
заданной полосе частот изменения параметров рассеяния (5-параметров)
в пределах 20.. .30 %, а КСВ со стороны каждого из входов
должен быть не хуже 1,4... 1,5.
В табл. 10.3 приведены основные технические характеристики
транзисторных усилителей, используемых на ряде зарубежных
спутников.
10.8. Входные приемные устройства ВРТР
Общие сведения. Входные приемные устройства обеспечивают
необходимое соотношение сигнал-шум стволов БРТР. Минимальный
уровень принимаемых сигналов определяется собственными флукту-
ац ионным и (тепловыми) шумами приемного устройства. На
практике при выборе эффективной шумовой температуры исходят, с
одной стороны, из условия, что вклад шумов участка Земля-спутник в
5.. . 10 раз меньше шума участка спутник-Земля, а с другой стороны.
минимальная аффективная шумовая температура приемной системы
И("3 не может быть меньше эквивалентной температуры Земли Г3,
поскольку приемные антенны ИСЗ ориентированы в ее сторону
Шумовая температура входного приемного устройства БРТР
(приведенная ко входу облучателя приемной антенны)
тБ= /-, + '/;,гм + 67;1„.М + 7пр.
■'Л'' 7',|М -»квнпаленчнаи температуря шумов атмосферы, .и» ан-
ПЧ1Н гт.чциипяриы.ч ИСЗ и .шпинате 1. .20 П'и ичм*-няег«м в нре-
Xi\
Таблица, 10.3
Параметр трлнчиг-
торного усилителя
Вы ход н ал
мощногть. Вт
Коэффициент
усилеиия, дБ
КПД. %
Интермодуляционные
продукты 3-го
порядка мри снижении
мощности на 3 дБ, дБ
Масса, кг
Габариты, мм
40 Вт: два у<
ETS-6
TDRSS
NSTAR
ШТ-7
Диапазоны частот
S
2.5
И
34
31
26
1,2
180x118x66
илителя со
2,0
28
53
32
21
3,4
348x69x26
сложением
2,5
40'
56
36
18,2
2,5
281x154x75
мощностей.
JCSAT-3
.ГГц
С
4,0
30
74
29
11
и
240x125x59
4,0
34
83
40
12
1,9
330x118x65
ORION
Ku
| COMETS \
1 Ка 1
12,0
15
54
30
16
1,7
216x120*
90
23,0
3
48
13
—
3.2
364x210x80
Таблица 10.4
Диапазон частот приема, ГГц
5.9... 6,5
14.0... 14.5
Коэффициент шума, дБ
1.2. .1,4
2,0... 2.5
Коэффициент
усиления, дБ
24,0... 30,0
24,0... 30,0
24.0... 30,0
Неравномерность
коэффициента усиления, дБ
1,0... 1,5
1,0... 1,5
1,0... 1,5
делах 2.. .25'; Гкосм — эквивалентная температура космических
шумов — зависит от области неба, в которую направлена антенна, я
может быть определена по специальным картам неба; максимальные
значения на частоте 1 ГГц не превышают 30» и резко падают с
увеличением частоты; 6 — коэффициент, существенно меньший единицы,
определяющий факт приема космических шумов только боковыми
лепестками; Гпр — шумовая температура приемника БРТР,
В [10.5] показано, что из первого условия следует практический
вывод относительно выбора Те'-
Гб=(5...Ю)Гпрзс, (ЮЛ)
где ГПрзс — шумовая температура приемника ЗС, работающей с
данным ИСЗ. Входные приемные устройства современных ЗС при
использовании малошумящях усилителей различного типа в диада-
зовах спутниковой связи имеют суммарную шумовую температуру
40.. .300°. В этих случаях соответственно [см. (10.1)] суммарная
шумовая температура T6 может находиться в пределах 400.. .3000 К.
В табл. 10.4 приведены параметры МШУ, применяемых для
БРТР.
Практические схемы входных устройств для БРТР с
одним преобразованием. На рис. 10.14 приведены примеры
типовых схем входных устройств (ВУ) спутников связи и вещания для
устройств с однократным преобразованием частоты в диапазонах
6/4 ГГц, 14/12 ГГц и 17/12 ГГц [10.6]. В соответствующих
диапазонах ВУ используют следующие частоты:
на линии Земля-Космос: 5,925.. .6,425; 14. ..14,5 и 17,3...
...17,8 ГГц;
на линиях Космос-Земля: 3,7...4,2; 11,7.-12,2; 12,2. ..12,7 ГГц.
В приемнике диапазона 6/4 ГГц (рис. 10-14,а) входные сигналы
б ГГц усиливаются в МШУ на полевых транзисторах, а затем
преобразуются в сигнал частоты 4 ГГц в кольцевом диодном смесителе
(См). Частота гетеродина 2,225 ГГц. Гетеродин построен по
традиционной схеме с умножением частоты и собран из 50-омных модулей:
кварцевого генератора (123,611 МГц), умножителей (на 3),
усилителей и фильтров. Микрополосковый полосовой и низкочастотный
фильтры на сосредоточенных параметрах обеспечивают ослабление
паразитных параметров на 80 дБ (относительно несущей).
Кварцевый генератор (КХ) термостатирован (температура
оо±2 °С), нестабильность частоты составляет не более ±10~6 в
интервале температур -7 .. . + 35 "С. Мощность генеродина +6 дБм при
мощности сигнала на входе См —4 .. .-8 дБм, потери преобразования
) До, на выходе ('м установлен двухполюсный режекторный фильтр,
уменьшающий вторую гармонику гетеродина на 30 дБ и состоящий
двух четвертьволновых резонаторов, короткозамкнутых на одном
329
6ГГЦ ШЦ
13дВ
13дБ
МГц
^_, От солнечной батареи
*38 Преобразователь питаний
-7дБ 14дб p-i-n
\-8дв -2дб щб рм
)ГГи Лл -г гг.. -ЛяЯЧ
ПГГц'%2,ЗГГц
б)
EbSH>H
12ДБ 12Аб 17ГГц^-7дБ
-0,ЗдБ -0,7дБ 12ГГЦ.
ЗДБ 14ДБ
Аттенюатор
7МБ Б,5ДБ 14Дб
\5100МГЦ 850 850 ЩО 94,ЫМГЦ
'SOJieM 20.0 21,5 283.3 7,0 ДБМ
Рис. 10.14. Структурные схемы входных устройств для БРТРг я — 6/4 ГГц; о — 14/11 ГГц; в — 17/12 ГГц
конце и разомкнутых на другом. Сигнал 4 ГГц усиливается до
необходимого уровня в четырехкаскздном усилителе на полевых
транзисторах. В последнее время в МШУ используют НЕМТ транзисторы
(High Electron Mobility Transistor — транзисторы на электронах с
высокой подвижностью). На этих транзисторах удается получить
меньшие значения шумовой температуры бортовых МШУ (70.. .100 К) и
более высокие значения коэффициентов усиления (32.. .40 дБ).
Зачастую ряд зарубежных фирм, например NEC,
конструктивно объединяют в одном корпусе МШУ, См и гетеродин, причем для
обеспечения высокой стабильности частоты гетеродина в течение
всего срока службы используют систему ФАПЧ для подстройки частоты
гетеродина по частоте опорного генератора, обладающего
повышенной стабильностью частоты (относительная нестабильность частоты
в течение срока службы меньше 10~е).
Композицию из трех вышеперечисленных приборов называют
приемником БРТР. Технические характеристики такого прибора
находятся в следующих пределах:
Диапазон входных частот, ГГц 5,9...6,5
Диапазон выходных частот, ГГц 3,6.. - 4,2
Температура шума, К 70... 100
Коэффициент усиления, дБ 65.. .70
Продукты интермодуляции 3-го порядка, дБ ... 45
Относительная нестабильность выходной
частоты за весь срок службы Ю-6
Спектральная плотность фазовых шумов, дБ/Гц:
на частотах 10 Гц —56
100 Гц -80
1000 Гц -99
10000 Гц -106
100 кГц -118
1000 кГц -120
Потребление по постоянному току, Вт 7... 12
Масса, г 1200... 1300
Усилитель 6 ГГц состоит из двух каскадов на полевых арсеннд-
галлиевых транзисторах и обеспечивает усиление 24 дБ. После См,
развязанного со всех сторон ферритовыми вентилями (ФВ), сигнал
поступает на режекторный фильтр, ослабляющий вторую гармонику
гетеродина (4,45 ГГц), и далее усиливается двумя усилителями на
половых транзисторах (ПТ) (в каждом по два транзистора). Первый
усилитель дает усиление 27 дБ (в полосе 3.7. .4,4 ГГц), второй —
25 дБ; оба усилителя идентичны по построению,
Каскады усилителей ti и 4 ГГц имеют входные и выходные согла-
гующие цепи, выполненные на ммкрополосковых линиях передачи.
Согласующие цепи представляют собой двухчвенные четвертьволно-
331
выг чебышевские трансформаторы. Межкаскадные полосковые фер-
ритовые вентили припаиваются (привариваются) непосредственно к
схеме усилителя золочеными проводниками.
Канальные усилители, включаемые между выходом
преобразователя частоты и входом мощного усилителя, выполняются в виде
одной конструктивной сборки. В их состав вводится переменный
аттенюатор, позволяющий устанавливать необходимый коэффициент
усиления по командам с Земли. Диапазон изменения коэффициента
усиления ±10.. .15 дБ, а шаг изменения 0,5... 1,0 дБ.
Технические характеристики канального усилителя 4 ГГц:
Диапазон рабочих частот, ГГц 3,6... 4,2
Диапазон входных уровней, дБВт —65 ... — 30
Коэффициент усиления, дБ 35... 45
Диапазон изменения коэффициента
усиления, дБ ±10... 15
Шаг изменения коэффициента усиления, дБ .. .0,5... 1,0
Мощность потребления, Вт 1,0.. .2,0
Масса, г 1 450... 600
Приемник 6/4 ГГц работает устойчиво в интервале температур
2.. .55 "С, что обеспечивается специальными линеаризованными
цепями термокомпенсации.
На рис. 10.14,<Гприведена типовая структурная схема
приемника 14/11 ГГц. Конструктивно он выполнен аналогично приемнику
6/4 ГГц. однако усилитель на ПТ состоит из двух транзисторов,
соединенных непосредственно для уменьшения размеров, что
достигается исключением межкаскадного ферритового вентиля и подбором
согласующих цепей. МШУ выполняется в виде самостоятельного
прибора и располагается в непосредственной близости от облучателя
антенны с целью уменьшения потерь в антенно-волноводном тракте
(АВТ) и соответственно улучшения чувствительности приемника.
Шумовая температура входного усилителя лежит в пределах
120. .240 К, а коэффициент усиления — в диапазоне 26. .40 дБ.
Преобразователь частоты конструктивно объединяет смеситель м
гетеродин. На входе и выходе См включают двухкаскадные
транзисторные усилители, а необходимая нестабильность частоты
гетеродина обеспечивается либо с помощью петли ФАПЧ. либо применением*
термостатированных КГ с последующим умножением частоты.
В диапазоне 14/11 ГГц прием сигналов осуществляется в полосе
14.0..-14,5 ГГц (Д1я систем фиксированной службы связи,
создаваемых на координационной основе), а передача — в полосах 10,95. ..11,2
и I 1.45. -.11 .Т ГГц. Поэтому частоты сдвига (гетеродинов) в
приемнике выбираются равными 2.55 и 3,30 ГГц или 3.05 и 2,8 ГГц. При
первом варианте облегчается фильтрация гармоник гетеродина, так
как они лежат вне полос широкополосных стволов передачи и приема.
:Ш
вторая пара номинальных частот гетеродинов может быть
использована при работе со стволами шириной до 36 МГц.
Требования к стабильности частоты гетеродина, продуктам ии-
термодуляционных искажений 3-го порядка и значению
спектральной плотности фазовых шумов аналогичны указанным выше для
преобразователя частоты диапазона 6/4 ГТц.
Построение усилителя 11 ГГц аналогично построению
усилителя диапазона 6/4 ГГц: P-i-n аттенюатор позволяет в случае
необходимости по командам с Земли скорректировать усиление
(например, в случае уменьшения из-за старения транзисторов) до 3,5 дБ
с шагом 0,5 дБ.
На рис. 10.14.ti приведена типовая структурная схема
приемника диапазона 17/12 ГГц, обычно используемая в БРТР спутника
непосредственного ТВ вещания. Входные сигналы диапазона 17 ГГц
через волноводно-полосковый переход и микрополосковый ФВ
поступают на двухкаскадный МШ"У, выполненный на НЕМТ
транзисторах, с шумовой температурой 300.. .350 К и коэффициентом
усиления 15... 17 дБ. Далее сигнал через микрополосковый ФВ
поступает на двухкаскадный усилитель, идентичный первому. На выходе
зтого усилителя включен микрополосковый ФВ. Как правило, оба
двухкаскадных усилителя с ФВ объединены единой конструкцией.
МШУ имеет коэффициент усиления 28.. .30 дБ и полосу
пропускания 17,3. ..18,1 ГГц. Полоса частот зеркального канала сдвинута
относительно выходной частоты 11,7... 12,5 ГГц на номинал
частоты гетеродина 5,6 ГГц и лежит в пределах 6,1.-.6,9 ГГц. Сечение
входного волновода 13x6,5 мм, поэтому диапазон частот зеркального
канала приема является запредельным для волновода данного
сечения. Подавление помех в полосе частот зеркального канала
составляет не менее 60 дБ.
Кольцевой диодный См осуществляет перенос спектра сигнала
m диапазона частот приема в диапазон частот передачи под
воздействием сигнала гетеродина (5.6 ГГц для Районов 1 и 3: 5,1 ГГц
для Района 2). Как и в диапазоне 14/11 ГГц, смеситель, гетеродин,
нходпьк' п выходные усилители конструктивно объединены в единый
прибор ПрЧ, технические характеристики которого в части
нелинейное iTi, фазовых шумов и нестабильности чагтоты идентичны
укачанным выше для llp'l диапазона 6/4 ГГц.
Сигнал с выхода смесителя поступает на семизвеиный полосовой
фильтр, формирующим полос) ствола 27 МГц, и состав чтого
фильтра в.\|'|Д|ц корректор i рунноього времени запаздывании.
Канальный усилитель, включаемый на выходе фильтра. ши-
|>ок<>Ц|>,'юг|1ый и обгепечппаг i усиление сигнала любого ствола в по-
|и<'•■' I 1.7, . . \2.~) ГГц. Кипе фукция его аналогична конструкции
усилите.^, диапазона 1-1/1 I ГГц
.;:!:(
10.9. Бортовые ретрансляционные
комплексы спутников связи и вещания
России
Бортовые ретрансляционные комплексы спутников
«Горизонт» и «Экспресс»
БРТК спутников «Горизонт» и «Экспресс» предназначены для
организации каналов и трактов телефонной и телеграфной связи,
передачи данных, распределения сигналов телевидения, звукового
вешания и передачи других видов информации.
Первый спутник «Горизонт» был выведен на геостационарную
орбиту (ГО) в WTQ г. и с этого момента является основным типом
спутника для систем спутниковой связи бывшего СССР, а ныне —
для России и ряда стран СНГ. Он обеспечивает возможность
работы в семи стволах: шести — в диапазоне С и одном — в диапазоне
Ки. Одни из стволов спутника — ствол № 6 — имеет повышенную
мощность 65 Вт и предназначен для работы в распределительных
сетях систем «Москва» и «Москва-Глобальная», остальные стволы
являются универсальными.
В связи с возросшими потребностями народного хозяйства в
услугах спутниковой связи и благодаря техническому прогрессу »
области космической технологии в октябре 1994 г. на ГО был
выведен первый спутник «Экспресс» с увеличенным по отношению к
спутнику «Горизонт» числом стволов (десять в диапазоне С и два - -
в диапазоне Ки), но с такими же зонами обслуживания и
лучшими энергетическими характеристиками (ЭИИМ. G/T). Улучшены и
другие важные технические характеристики, включая срок службы.
точность удержания в рабочей точке орбиты, точность ориентации
осей спутника и т.д.
Основные характеристики космических платформ спутников
«Горизонт» и «Экспресс» приведены в табл. 10.5.
Упрощенные структурные схемы БРТР «Горизонт» и «Экспресс»
показаны на рис. 10.15 и 10.16. а их частотные планы отражены
на рис. 10.17.
Стволы бортового ретранслятора спутника «Горизонт»
выполнены по схемам гетеродинного типа (см, рис. 10Л,а), центральная
частота тракта ПЧ 70 МГц, а стволы спутника «Экспресс» — по
схеме прямого усиления (см, рис. 10.1.0). Технические характеристики
БРТК спутников «Горизонт» и «Экспресс» пррдставлены в табл, 10.0.
Основные технические характеристики стволов БРТК
«Экспресс»:
Количество стволов . 12
Диапазон частот (прием/передача), ГГц 6/4; 14/11
з:м
Т а б л
и ц л 10.5
Характеристика
космическое платформы
Масса на орбите, кг
Мощность бортового
источника питания, Вт
Масса БРТР, кг
Мощность потребления ■
полезной нагрузки, Вт
Точность ориентации,
град.
Точность удержания
на орбите, град.:
север-юг
запад-восток
Срок службы, лет
Обеспечение
электроэнергией при
затенении, %
Длительность
автономного
существования на орбите, сут<
«Горизонт»
2120
1300
320
950
±0,3
±2,0
±0,2
3...5
100
30
«Экспресс*
2500
2400
300
1250
±0,1
±0,2
±0,2
5... 7
100
30
«Галс»
2500
2400
220
950
±0,1
±0,2
±0,2
5... 7
100
30
♦Галс-Р»
2-570
5000
180
S200
±0,1
±<U
±0,1
10... 12
100
30
Эквивалентная шумовая температура. К:
в диапазоне 6 ГГц . ........... 600
в диапазоне 14 ГГц _.. '.... 1000
Мощность по стволам (в точке стыковки
с А ВТ), Вт:
ствол 6 ..... 65
стволы 8, 10. ,..,. 30
стволы 7, 9, 11, 14-17 Г. 10,5
стволы 12, 20 .'. ....,.- 15
Полоса пропускания по уровню-1 д&, МГц:
ствол 6 40
стволы 7-11, 14-17, 12. 20 34
Неравномерность АЧХ стволов, дБ , 0.5
Неравномерность группового времени
запаздывания стволов, не:
ствол б 10 (±6.5 МГц)1
12 (±12.5 МГц)1
25 (±17 МГц)1
стволы 7-12, 14-16.20 6 (±6.5 МГц)1
10 (±12.5 МГц)1
___ , ... 25 (±17 МГц)1
±17; ±12,5; ±6,5 МГи — расстройка относительно центральной
част <л ы.
л:{г,
ширина
л^ю.ерав
T7*f7 5*5 9*18
17*17 6*12
5*5
A6y )AAa A9^
ЭНИМ 35,S\ 45,1
Btttttmpt
луча, д6Вт
Номера
стволов
Прием
В/Т в центре
луча, дБ/К
Ширина луча, град
17*17 6*12 5*5
Рис. 10.15. Схема подключения стволов к антеннам в спутнике
«Горизонт»
Передача
Шщшт 17*17 5*5 &« 5*11 15*15 5*11 5*5
ЭИИМ 35JS
В центре
пуча,д5Вт
Номера
стволов
Прием
6/Т6 центре /гуча,дб/К
Ширина ауиа, грав
Рис. 10.16. Схема подключения стволов к антеннам в спутнике «'Зкг-
пресс»
Относительная нестабильность частот
гетеродинов:
долговременная ±\ . \()-s
суточная ±1-10"'
Коэффициент усиления стволов. дБ 1'Л1±Г)
Избирательность ствола при расстройке
относительно центральной части,, на М\ МГц. дЬг
:::ti;
/
Лдрактсристикл
БРТК спутников
Ширина
ДН. град.
1 и п
антенны
1\"У по оси
аитеины, дБ
Добротность,
дБ/К
О И ИМ.
лБВт)
Номера
стволов
в антенне
Возможность
целивания, град.
С/Ю
з/в
«Горизонт»
«'•Экспресс»
«Горизонт»
«Экспресс»
«Горизонт»
«Экспресс»
«Горизонт»
«Экспресс»
«Горизонт»
«Экспресс»
«Горизонт»
«Экспресс»
1 Коэффициент усилен
Прием. С> ГГц
А2
17x17
рупор
19,0
—
-15,0
~
6. 8.
10
—
А 5
17x17
рупор
19,0
—
-15,0
7. 9.
11
"-
- 1 -
ия.
А7
6x12
парабола
17x17
рупор
25.0
19,0
-9,8
-11,0
7. 9,
1]
6,8,
10 <7,
9, 11
15, 17)
-
А8
5x11
парабола
—
26,5
~
-4,0
14, 16
(7, 9,
11,15,
17)
±7,3
—
Т
а б л и и а 10.6
Передача, 4 ГГц
А1
17x17
рупор
17x17
рупор
19.0
19.0
(35,6)
(35,6)
(6)
(6)
—
—
А2
5x5
парабола
—
30,0
—
(46,1)
(38,2)
~
6
7,3/5,0
±5,5
A3
5x5
парабола
15x15
рупор
30,0
20,7
(46,1)
(33,4)
6
8.10
—
—
А4
9x18
парабола
5x11
парабола
22,0
26,5
(31.0)
(39,2)
(34.7)
8, 10
14,16
(8, 10)
±7,3
—
А5
15x15
рупор
—
20.7
—
(28.9)
—
7.9,11
(15.17)
—
—
А6
17x17
рупор
5x11
парабола
19,0
26.5
(28,5)
(34.7)
7. 9.
И
15,17
(7.9,
")
±7,3
—
А8
6x12
парабола
25,0
__
(34,0)
—
(7,9,
1М
—
Прием/ 1
передача
14/П ГГц
А9
5x5
парабола
5x5
парабола
30,0
30.0
-4.0
(39,2)
-4.0
(39,2)
12
12,20
7,3/5,0
±5,5
ствол 6 25
стволы 7-11, 14-17 30
стволы 12, 20 20
Коэффициент АМ/ФМ преобразования, град/дБ:
стволы 7-11, 14-17 4
стволы 12, 20 8
Относительный уровень комбинационных
составляющих
в линейном режиме, дБ —20
Минимальная наработка, я 52000
Бортовой ретрансляционный комплекс спутника
«Экран-М»
Спутники серии «Экран» («Экран» и «Экран-М») были
созданы для организации систем спутникового ТВ вещания в выделенной
Регламентом радиосвязи полосе частот 700.. .790 МГц.
Благодаря использованию в БРТК мощного передатчика и
передающей антенны с шириной диаграммы направленности (ШДН)
3x8,5° в зоне обслуживания, включающей территорию Сибири и
Дальнего Востока, была создана высокая плотность потока
мощности в пределах —114... — 117 дБВт/м2. Это позволило осуществить
непосредственный прием ТВ сигналов на достаточно простые и
сравнительно недорогие приемные установки коллективного и
индивидуального пользования.
Первый спутник серии «Экран» был выведен на ГО 26 октября
1976 г. Это свидетельствует, что первая в мире система
непосредственного ТВ была создана в России.
В октябре 1986 г. взамен устаревшего одноствольного спутника
«Экран» был выведен на ГО двухствольный спутник «Экран-М». с
помощью которого в настоящее время осуществляется трансляция
ТВ программ на территории Сибири и Дальнего Востока.
В состав БРТК спутника «Экран-М» входят:
приемная антенна рупорного типа диапазона 6 ГГц;
передающая антенна диапазона 700 МГц,
двухствольный БРТР;
выходной мультиплексер, объединяющий сигналы двух стволов
БРТР.
Передающая антенна БРТК выполнена в виде синфазной
решетки, состоящей из 96 спиральных излучателей. В пределах ШДН
3x8,5* антенна обеспечивает коэффициент усиления не менее 25 дБ
при коэффициенте эллиптичности по полю не менее 0,7. В качестве
элемента одиночного излучателя используется коническая спираль
со следующими параметрами:
диаметр вершины 45 мм,
338
Центральная 6МЮ
частота
приема
МГц
Центральная 3675
частота
передачи,
МГц
6000 6050 6100 61S0 6200 6250
Центральная 6000
частота
приема
МГц
3725
3775
6100
ЗВ25
6150
3875
6200
3925
6350
14325
А
м *—г—*
11525
14325 14425
6000 60S0 6100 6150 6200 6250 6300 6350 6400 6450 14325 14425
АААААААААА А,А
Центральная 3675
частота
передачи,
МГц
3725
3775
3825
3875
3925
5)
3975
4026
4075
4125
Г
11S25 11625
Рис. 10.17. Частотный план стволов спутников "Горизонт" (а) и "Экспресс" (б)
IHSH3
тиг
К усилит/ио
мощности
упц
И№И
Рис. 10.18. Упрошенная структурная схема БРТР "Экран-М": КГ — кварцевый
ор фазовый; ПкФ — переключатель **«'•—"»—•* ■ пл^ — ~ L ■^
литель ПЧ; ФГ — фильтр гетеродина
ректор фазовый; ПкФ - переключатель феррнтовый; ПФ - полосовой фильтРГс^-1„Ги?еГ,РуПЧ - "£
VITA
VMM
1ЧК0МПЛИ1Т
•*j УЗО [*
2-Агоиллежт
j 3-ft комплект
-)-*■ yao *
ДМ
дм
• дм
•Ц ум |*«
-»■ У60 |-»
■*| У60 |*
■»| УВО [■*
*| У60 [•
+\ УК> f*
-»] veo [*■
*( У60 (-*"
■^ У60 |-»
•1»*
»| vao |*
*f vw |*
у _
2j
z -
z
и
1
1
ФЦ
.Л
| MK50 |
КАФУ
Сложение
мощностей
От 2-ro
ствола
Рис. 10.19. Структурная схема мощного полупроводникового
усилителя
диаметр основания 220 мм;
шаг спирали 66 мм;
число витков 4,5;
высота излучателя 300 мм;
коэффициент усиления 8 дБ.
Упрошенная структурная схема БРТР «Экран-М» показана на
рис. 10.18.
Принятые антенной СВЧ сигналы двух стволов на частотах
6200±12 МГц (1-й ствол) и 6000±12 МГц (2-й ствол) по волновод-
ному тракту подаются на входной мультиплексер (разделительный
фильтр), осуществляющий разделение по частоте сигналов 1-го и
2-го стволов. Выделенные мультиплексером сигналы подаются на
входы соответствующих стволов БРТР. Выходные сигналы стволов
объединяются выходным мультиплексером (.мостом сложения) и
подаются на передающую антенну. Стволы ретранслятора выполнены
пи схеме гетеродинного типа (см. рис. 10.1,6), центральная частота
IIЧ трактов ствола 70 МГц.
Отличительной особенностью построения стволов БРТК «Экран-
М» является использование в них мощного выходного транзисторного
\гцлите чя. Выходные усилители мощности обеспечивают усиление
сигналов на частотах 714 и 754 МГц до уровня Ш) Вт на каждой
члс-imf- Структурная схема усилителя показана на рис. 10.19.
< 'шпал (>. .V мВт с выхода повышающего смесителя 70/714 МГц
(70/7") И поступает на вход двух каскадного предварительного
усилием
теля (УПА), выполненного на транзисторах 2Т637 и 2T9I9, в
котором осуществляется усиление сигнала до 1 Вт. С выхода У ИА сигнал
подается на четырехканальный делитель мощности [ДА), с трех
выходов которого сигналы поступают на двухкаскадные предоконечиые
усилители (УЗО), выполненные на транзисторах 2Т919 и 2Т946, в
которых уровень сигналов повышается до 30 Вт. На выходе каждого
УЗО включен четырехканальный делитель мощности высокого
уровня (ДМ). С выходов ДМ сигналы подаются на оконечные каскады
— усилители (У60), выполненные по балансным схемам ва
транзисторах 2Т946, которые повышают уровень сигналов до 55 Вт. В
каждом стволе имеется двенадцать У60, функционально собранных в
три группы по четыре усилителя в каждой. Сложение мощностей
четырех У60 осуществляется сумматором, мощность сигнала на выходе
которого составляет 200 Вт. Сигналы с выходов сумматоров
поступают на переключатель (ПК), позволяющий к двум его входам
подключать сигналы работающих двух групп усилителей УвО" из трех
в любом сочетании. Сигналы с выходов переключателей
поступают на оконечное устройство сложения мощностей (прибор ОМА), на
входе которого установлен мощный ферритовый циркулятор (ФЦ),
предотвращающий влияние рассогласований с передающей антенной
на работу усилителей. Выход циркулятора является выходом
ствола. При этом в стволе одновременно работают только две группы
усилителей У60 с двумя УЗО. Третья группа, состоящая из
четырех У60 и одного УЗО, является резервной для обеих работающих.
Все остальные приборы стволов БРТР имеют 100 %-ный холодный
резерв (дублирование).
С целью предотвращения перегрузки этого усилителя по
мощности и поддержания на его входе сигнала постоянной амплитуды в
трактах ПЧ и выходном СВЧ тракте включены устройства
стабилизации мощности и амплитудные ограничители (УПЧ с АРУ и
амплитудным ограничителем на выходе ПЧ тракта1 АРМ с амплитудным
ограничителем, включенным на выходе передающего смесителя).
Устройства стабилизации мощности обеспечивают поддержание
постоянства мощности и амплитуды сигнала на входе мощного
усилителя с точностью не хуже ОД дБ.
Основные технические характеристики БРТК «'дкран-М»:
Число стволов , 2
Диапазон частот при приеме, МГц:
ствол 1 6ШШ2
ствол 2 : 6000±12
Диапазон частот при передаче, МГц:
"■во.'| I ... . 7Н±Г2
гтвол 2 754*12
Ш ДН передающей антенны, град 3ж8,5
ШД11 приемной антенны, г рал 3.5x3.5
341
Коэффициент усиления передающей
антенны, дБ: 27
в центре зоны 25
по краю зоны ...•■•
ЭИИМ, дБВт: 50 5
в центре зоны .g1^
по краю зоны *■• j, '
Коэффициент усиления приемной антенны, дь.
в центре зоны - с
по краю зоны '
G/T, дБ/К:
в центре зоны у*
но краю зовы - — '
Выходная мощность каждого ствола
ретранслятора, Вт - • Не менее 300
Номинальная мощность сигнала на входе
ретранслятора, дБВт * -92
Относительная суточная нестабильность частоты
гетеродинов:
ствола 1 Не более Ю
ствола 2 Не более 5 • 10~5
Неравномерность АЧХ по выходам каждого
ствола в полосе +12 МГц, дБ Не более 1,5
Потребляемая мощность от бортового
источника питания напряжением 27 В, Вт — Не более 950
Бортовой ретрансляционный комплекс спутника
непосредственного ТВ вещания «Галс»
Трехствольный спутник «Галс» предназначен для организации
сетей спутникового непосредственного ТВ вещания (ТНВ) в
диапазоне частот 11,7... 12,5 ГГц, специально выделенного Регламентом
радиосвязи для этих систем. Технические характеристики
спутника и его стволов выполнены в соответствии с требованиями
Регламента и Плана ВАКР-77, предъявляемыми к спутникам НТВ
этого диапазона.
БРТК «Галс» формирует два передающих луча: в одном
передаются сигналы двух стволов БРТР по 85 Вт, во втором — сигнал
одного ствола с выходной мощностью 40 Вт. ЭИИМ в лучах
составляют 56 и 57 дБВт соответственно, что позволяет осуществить прием
на антенны диаметрами 45. .90 см.
В состав БРТК «Галс» входят:
две приемные антенны с лучами шириной 2x2°, одна из которых
предназначена для приема сигналов с левой круговой поляризаци-
ей. вторая — с правой; к
342
две передающие антенны, одна из которых формирует луч
шириной 2,5x1,25е, вторая — 1,2x0,9°; каждая из антеяи способна
излучать сигналы с любой поляризацией, левой или правой;
антенио-фидерные тракты приемных и передающих антенн;
мост сложения сигналов двух стволов бортового ретранслятора;
электромеханические приводы перенацеливания передающих и
приемных антенн;
бортовой ретранслятор;
бортовой передатчик «Маяк».
БРТК обладает следующими функциональными
возможностями:
независимое нацеливание приемных и передающих лучей в
пределах ±8,5' в направлении север-юг, запад-восток;
изменение поляризации излучаемых сигналов в каждом
передающем луче;
перестройка стволов по частоте;
подключение второго и третьего стволов к любой приемной
антенне.
Перенацеливание лучей ретранслятора, перестройка стволов по
частоте, изменение поляризации передаваемых сигналов и
подключение стволов к различным приемным антеннам осуществляются
оперативно по командам с Земли или по программе, заложенной в бор-:
товой информационно-вычисленный комплекс.
Основные характеристики космических платформ спутников
«Галс» и «Галс-Р» приведены в табл. 10.5.
Основные технические характеристики БРТК «Галс» приведены
в табл. 10.7, здесь же приводятся технические характеристики БРТК
перспективного шестнадцатиствольного спутника «Галс-Р16*.
Структурная схема БРТК «Галс» и его частотный план
приведены на рис. 10.20,л, (f, БРТК «Галс» обеспечивает ретрансляцию
сигналов трех частотных каналов по одному из трех декад, образованных
группами из 1... 10, 11.. .20 и 21.. .30 частотных каналов.
Сигналы СВЧ трех ТВ программ, распределенные в полосе
частот 17,3... 17,9 ГГц с уровнем -92^0 дБВт, принимаются двумя
антеннами спутника «Галс» А4 и А5 и с каждой из них поступают
на соответствующие МШУ, которые осуществляют предварительное
усиление СВЧ сигналов и подачу их на приемно-преобразовательное
устройство (ППУ). Для уменьшения потерь энергии принятых СВЧ
сигналов и увеличения чувствительности приемника ретранслятора
входные усилители, имеющие рабочую полосу частот 800 МГц,
размещаются вне термоконтейнера в непосредственной бпизости от
облучателей приемных антенн.
ППУ содержит три отдельных ствола, построенных по схеме с
перестройкой частоты (см. рис 10.3). В каждом из трех стволов
ППУ (к\ ЩГГТВЛЯЮТСЯ выделение сигнала одного частотного канала
343
Т ЛЬ Л И U. К Ml.1
Характеристика
БРТК «Галс»
Ширина ДН.
град.
КУ1 по оси,
дБ
Добротность.
дБ/К
(ЭИИМ,
дБВт)
Номера
стпо.чол п
в антенне''
Возможность
целивания,
град.
' Ко
сую
з/в
эффи
«Галс»
«Галс-Р»
«Галс»
«Галс-Р»
«Галс»
«Галс-Р*
«Галс»
«Галс-Р»
«Галс»
«Галс-Р»
«Гале»
«Галс-Р»
Прием,18 ГГц
А1
—
2x2
—
39,1
—
4
—
25, 29.
33, 37
—
А2
—
2x2
—
39,1
—
4
—
27, 3.1,
35. за
—
A3
—
2x2
—
39.1
—
4
—
26, 30.
34, 38
—
±8,5
-
—
—
±8.5
А4
2x2
—
38,6
—
2
—
1...10
11... 17
А5
2x2
—
38,6
—
2
—
1...10
11...17
±8.5
—
±8.5
А6
—
3x6,5
—
33,0
0
—
25. ..40
—
±8,5
—
±8,5
Передача, 12 ГГц
А1
2,5x1,25^
2,8x2,8
40,0
37,5
(56,0)
(54,0)
11...17
22... 30
25, 29,
33, 37
(28, 32,
36, 40)
А2
1,25x0,9
2,8*2.8
4»;0
37,5
(57,0)
(54,0)
1...10
27, 31.
35, 39
(28, 32,
36, 40)
±8,5
A3
15x15
2,8x2.8
20,0
37,5
(17,0)
(54,0)
Маяк
26, 30,
34.38
(27, 31,
35, 39)
—
А4
—
3x6,5
—
31,5
"™~
(50.0)
—
28, 32,
36, 40
—
±8,5
±8,5
—
—
±8,5
AS
—
15x15
—
20,0
'
(17.0)
—
Маяк
—
—
циент усиления.
В скобках указаны возможные варианты дополнительного подключения стволов.
м
|—|мшу|— Д
Смол t {П... 30) — "
А5
[~|мшЯ-
ЧдЬИ
Слоя J (11-17)
Спел 3 (1. . ТО)
А1
н
да
A3
а)
I —' I 1
Передача 12 ГГц п
л. Q-00
17 22
п
30
л
г
л
1
«л
10
л.
Левая/лр;
Прием 1В ГГц
1 10 11
О-:
17 22
30
Правая
А4
А5__1
гп •■• О 0 ••• о «и,»-—
хг
10 11
J—1
6)
Левая
поляризация
Рис. 10.20. Структурная схема (а) и частотный план (б) БРТК
«Галс»: Д — делитель; К — коммутатор
из соответствующих декад, перенос его спектра в диапазон
передачи и обеспечение необходимого усиления. На входе ППУ включен
коммутатор, позволяющий подключать второй и третий стволы к
любой приемной антенне. Каждый ствол ретранслятора имеет
полосу перестройки 200 МГц. Выделение сигнала заданного
частотного канала в стволе осуществляется путем перестройки
гетеродина 11 ГГи, имеющего дискретный шаг 19,18 МГц. Сигнал рабочего
ствола из диапазона частот 17,3... 17,9 ГГц переносится в первую
ПЧ 6314 МГц, на которой с помощью полосового фильтра,
имеющего полосу пропускания 30 МГц, производится его выделение из
совокупности принятых сигналов.
Осуществление основного усиления, избирательности по
соседнему каналу, коррекции характеристик группового времени
запаздывания и ограничения по амплитуде принятого сигнала
выполняются в тракте второй ПЧ 70 МГц наиболее простыми
техническими средствами.
Перенос сформированного в диапазоне 70 МГц сигнала в
диапазон выходных частот II,7... 12,3 ГГц с выполнением требований
относительно заданного уровня помех в полосе соседних частотных
каналов крайне затруднителен, так как источником помех в данном
315
случае является сигнал гетеродина. Поэтому в каждом стволе
сигнал второй ГГЧ 70 МГд предварительно переносится в третью ПЧ
714 МГц, * затем с помощью перестраиваемого гетеродина 11 ГГц,
являющегося общим для входного и выходного смесителей, — в
диапазон частот передачи. Частотный разнос принимаемых и
передаваемых сигналов во всех случаях составляет 5600 МГц.
Учитывая, что при входном преобразовании имеет место
понижение частоты, а при выходном — повышение, нестабильность
частоты перестраиваемого гетеродина 11 ГГц компенсируется. Это
обстоятельство снижает требования по стабильности частоты
перестраиваемого гетеродина и существенно упрощает его реализацию.
Для сокращения объема оборудования гетеродины второго и
третьего преобразователей частоты выполнены общими для всех стволов.
Для достижения необходимых уровней выходной мощности
стволов в БРТК «Галс» в качестве выходных усилителей используется
широкополосная ЛБВ типа « Шельф-1» и «Шельф-2». Усилители
идентичны для всех стволов и имеют полосу пропускания не менее
600 МГц. Для уменьшения потерь СВЧ энергии передающие
устройства размещаются вблизи от передающих антенн, вне
термоконтейнера. Два ствола — первый и второй — с выходной мощностью по 85
Вт подключаются через мост сложения к антенне А1, третий ствол
— 40 Вт — к антенне А2.
Для точного наведения антенн передающих ЗС на БРТК «Галс»
установлен передатчик «Маяк», излучающий на видимую со
спутника поверхность Земли вемодуллрованный сигнал частоты 11,7 ГГц.
Гарантированная наработка 50 000 ч (при вероятности
безотказной работы каждого ствола 0,95) обеспечивается выбором
соответствующей элементной базы я введением в схему 100 %-ного
резервирования всех функциональных узлов. Включение резервных
комплектов осуществляется через блок управления ретранслятора по
радиокомандам с Земли. Блок управления одновременно обеспечивает
контроль работы отдельных приборов и всего изделия в целом по
амплитудным и сигнальным датчикам телеметрической информации.
Стволы БРТР спутника «Галс-Р» построены по схеме прямого
усиления (см. рис. 10.1.а) с однократным переносом спектров
сигналов из диапазона приема 18 ГГц в диапазон передачи Vi ГГц. Для
спутника «Галс-Р» выделено 16 частотных канатов, и все они
задействованы. В выходных каскадах используются ЛБВ с мощностью
насыщения 100 Вт, что обеспечивает мощность сигнала на выходе
ствола 87 Вт. Уменьшение по сравнению с БРТК «Га.чс»
мощности сигнала на выходе ствола и связанное с зтим уменьшение д\\-
ИМ стало возможным благодаря появлению приемных установок с
Тш — 60.. ISO К. Заметим, что БРТК «Галс» рассчитан на работу с
приемными установками, Тш которых не превышает 2W. ..3110 К-
-Ш
AB^»
лрием/передача
A2
прием/передача
л а—а—а
ЭТ Прага
лшяриээция
27
31
о о о /д
39
26
30
за
А4
передэха
поляризация
_1_
—и v~v—и"
28 32 36 «О
26 28 30 32 34 Зв 38 40
25 27 29 31 33 35 37 38
Б)
Рис. 10.21. Структурная схема (а) и частотный плав (б) БРТК
«Галг-Р»: КУ — канальный усилитель; Прд — передатчик; Пры — приемник;
ПС — поляризационный селектор; ПФ — полосовой фнлыр
А6
прием
Спутник «Галс-Р» диапазона 18/12 ГГц обеспечивает
организацию четырех независимых приемных сетей непосредственного ТВ
вещания. Структурная схема БРТК «Галс-Р» и его частотный план
представлены на рис. 10-21.а.
В каждой ич трех зон обслуживания, обрадованных лучами \зких
независимо перенацеливаемых приемопередающих антенн с ШДН
ХЛ7
2,8x2,8* (At, A2 и A3), осуществляется ретрансляция от четырех до
восьми стволов шириной по 33 МГц. При использовании
компрессионных цифровых методов уплотнения ТВ сигналов в каждом таком
стволе имеется возможность передать от 4 до 8 ТВ программ и в
каждой узкой зоне — 1$—32 ТВ программы.
Приемная Аб и передающая А4 антенны спутника «Галс-Р»
имеют ШДН 6,5x3° и могут быть ориентированы на большие зоны
обслуживания с частичным или полным перекрытием малых зон по приему
и передаче, для организации обмена ТВ программами между большой
и малыми золами или для передачи централизованных программ,.
Антенна А6 обеспечивает прием сигналов всех 16 стволов,
четных и нечетных/различающихся по поляризации. На антенну А4
подаются сигналы четырех четных стволов в..одной поляризации. Это
дает возможность подачи в широкую зону от 16 до" 32 ТВ программ
в цифровой форме.
Основные характеристики ретранслятора БРТК «Галс»:
Диапазон рабочих частот, ГГц .. т 18/12
Частота сигнала передачи
в соответствии с "планом ВАКР-77 Fna= 11727,48+ 19,18 х
~ ' x(jV-l), где 11727,48 —
частота первого канала;
19,18 МГц — частотный
сдвиг двух смежных
частотных каналов;
>V = 1...40
Частота сигнала приема, МГц Р„д + 5600
Поляризация сигналов приема
и передачи ^ и-. ■ Круговая (левая или
правая в зависимости
от зоны обслуживания)
Количество лучей при передаче .2
Ширина-лучей при передаче, град 2,5x1,25
1,2x0,9
Количество стволов в луче 2 (2,5х 1,25°)
1 (1,2x0,9°)
ЭИИМ (по краю зоны). дБВт 52 (2.5х 1,25°)
53(1,2x0,9°)
Мощность СВЧ сигнала на выходе, Вт:
ствол I (каналы 22...30) 85 (2.5х 1,25°)
ствол 2 (каналы 11.. . 17) 85 (2,5x1,25°)
ствол 3 (каналы 1.. . 10) -10 (1,2x0,9*)
Число приемных антенн 2
Ширина лучей приемных антенн 2x2°
Уровень сигнала на входе. дБВт -92.5+^.
3.IH
Эффективная шумовая
температура, К 1200
Добротность (по краю зоны), дБ/К ... 0 (каждого ствола)
Плотность потока мощности
насыщения ствола, дБВт/м2 79 (каждого ствола)
Полоса частот ствола, МГц 27
Частоты сигналов передатчика
«Маяк», МГц 11700; 11703,5;
11707; 11710; 11714
ЭИИМ сигнала передатчика
«Маяк», дБВт 13
ШДН антенны передатчика
«Маяк», град 15х 15
Мощность передатчика
«Маяк», Вт 0,7
Мощность передатчика «Маяк», Вт.,. 0,7
Неравномерность АЧХ стволов, дБ ... Не более 1
Неравномерность ГВЗ стволов, не:
в полосе частот +13 МГц Не более 15
в полосе частот +8 МГц Не более 4
Диапазон АРУ, дБ Не менее 25
Пределы уменьшения выходной
мощности стволов по командам, дБ ... Не менее 10
Суточная относительная нестабильность
частоты СВЧ сигнала 2 х 10~6
Напряжение электропитания, В 27± 1
Потребляемая мощность, Вт 950
Глава 11
Земные станции магистральной
спутниковой связи
11.1. Структурная схема и состав
оборудования земной станции
Как указано в гл. 1, основными показателями для всех земных
станций (ЗС) являются:
диапазоны частот передачи и приема,
добротность станции — отношение коэффициента усиления
антенны на частоте приема к суммарной шумовой температуре станции,
выраженной в децибелах относительно 1 К;
эквивалентная изотропно излучаемая мощность (ЭИИМ).
Структурная схема типовой многоствольной приемопередающей
ЗС приведена на рис. 11.1. Станция содержит приемопередающую
антенну, фидерный тракт с устройствами разделения приема и
передачи, приемный тракт, который включает малошумящий усилитель
(МШУ), устройство распределения энергии сигнала,
преобразователи частоты вниз и приемную часть аппаратуры каналообразования,
тракт передачи в составе передающей части аппаратуры каналообра-
зования и передающих устройств, а также системы электропитания,
контроля и управления. Ниже приведены примеры построения
современных ЗС.
Основой национальной системы спутниковой связи России
является сеть приемопередающих и приемных станций «Орбита-2»,
работающих через многоствольные спутники «Горизонт» и в перспективе
«Экспресс». Для работы с каждым ИСЗ выделяется обычно одна
многоствольная приемопередающая станция, являющаяся
центральной дня данного ИСЗ. Она осуществляет подачу программ ТВ и
звукового вещания и выполняет роль ведущей станции в системах с
многостанционным доступом и временным разделением сигнала (МДВР).
На рис. 11.2 показана структурная схема шестиствольной
станции, построенной на базе антенной системы ТНА-57М и
обеспечивающей передачу телевидения в системах «Москва» и «Орбита»,
звукового вешания с помощью аппаратуры «Орбита-РВ», многоканальной
телефонии с частотным и временным доступом (аппаратура
«Группа» и МДВУ-40). Станция имеет следующие параметры:
диапазон частот: передачи 5975. ,6275 МГц; приема 3650
3950 МГц;
351»
"X
Й-
1 /
л
1
1
• МШУ 1
Устройство
разделения
приема и
передачи
Аппаратура
иэаедемия
■1
/
аатель
частоты
•низ
I Е^Г
I1
-э»/1
*—Л
«— 3
Траст
" ПЧ
-»
ПНН1
Система контрам
тин
Система
электропитания
т
Усилитель
моч-
Преобразователь
частоты
•■ери
тракт
"" ПЧ
-
I"
1
К абоненту
От абонента
h
Рис. 11.1. Структурная схема типовой приемопередающей ЗС
спутниковой связи: МД — многостанпионныА доступ
Видео
Заукоаое
сопровождение
Передающая
аппаратура |—'
"Мое «ее"
Комплекс
оконечной цифровой
аппаратуры
Рис. 11.2. Структурная схема шестиствольной станции: Прд — пг-
ljf-дагчнк; ИГМ изображение газетных полос
добротнисть не менее 3J дБ/К;
ЭИИМ не менее 86 дБВт;
мощность передатчика каждого ствола 3 кВт.
Типовая \{' Intelsat стандарта В работает в диапазоне 6/4 ГГц и
содержит диу\ зеркальную антенну Каспчрена с диаметром
основного зеркала 9. 1-1 м. Для обеспечения работы в сложных клпмати-
.151
ческих условиях может применяться антиобледенительная система,
требующая расхода электроэнергии 0.8.. .4 кВт/м2, Антенна
рассчитана для работы на двух поляризациях, коэффициент эллиптичности
больше 0,94. Для работы в системе добротность станции должна быть
не менее 31,7 дБ/К. Усилителем мощности обычно служит клистрон
с выходной мощностью 0,75., .3 кВт: ПЧ составляет 70 МГц.
Для работы в диапазоне 30/20 ГГц в Японии используются ЗС
с антенной диаметром 5 м. Станция работает на передачу в
полосе частот 28,4, ..29 ГГц, на прием - 18,6. ..19,2 ГГц, добротность
на частоте 19,45 ГГц составляет 34,5 дБ/К. Для компенсации
затухания в осадках применяется управление мощностью передатчика.
Скорость передачи составляет 1,544 Мбит/с на несущую, что
обеспечивает одновременную передачу речевых сообщений, данных,
факсимиле, неподвижных изображений.
Антенна станции двухзеркальная по схеме Кассегрена, имеет
разборное на 13 панелей основное зеркало, выполненное на основе
сотовой конструкции из алюминия, покрытой углепластом; средне-
квадратическое отклонение профиля зеркала не превышает 0,15 мм.
В выходном усилителе передатчика применена ЛБВ мощностью
20 Вт со специальным долговечным катодом, коэффициент усиления
ее достигает 33 дБ в полосе частот 2 ГГц, предусилитель с
регулируемым усилением выполнен на полевых транзисторах. Входным
каскадом приемника является НЕМТ усилитель с шумовой
температурой 140 К.
Более подробно конструкции антенн и аппаратуры каналообрн-
зования ЗС спутниковой связи описаны н гл. 14, поэтому ниже
рассматриваются характеристики только приемных и передающих
устройств.
11.2. Принципы построения
и характеристики приемных устройств
Задачи приемного устройства — предварительное усиление
принятого СВЧ сигнала, разделение сигналов отдельных ВЧ стволов и
преобразование их в промежуточную частоту (обычно 70 МГц) для
последующей обработки. Обобщенная структурная схема устройства,
выполняющего эту задачу, представлена на рис. 11.3 и включает ма-
лошумяший усилитель (МШУ), распределительное устройство (РУ).
преобразователи частоты (ПрЧ) по числу принимаемых стволов и
элементы тракта ПЧ.
Применение МШУ характерно для спутниковых линий связи и-
позволяет существенно увеличить чувствительность ЗС. К о< пивным
показателям МШУ относятся шумовая температура, коэффициент
усиления, полоса пропускания, надежность.
3"j2
Рис. 11.3. Обобщенная
структурная схема приемного
устройства
Эквивалентная шумовая
температура усилителя Тышу должна быть
минимальной, однако снижать ее
целесообразно до значений, сравнимых
с шумовой температурой антенны Тъ. -амшу
В диапазоне 4 ГГц оптимальное
значение Гмшу составляет 15.. .30 К и в
диапазоне И ГГц — 50... 100 К.
Коэффициент усиления МШУ обычно
равен 40...50 дБ для
многоствольных и 30.. .40 дБ для одноствольных
станций. Для диапазона 4 ГГц
общепринятым значением полосы пропускания Д/ является 500 МГц,
для диапазона 1J ГГц — 0,8... 1 ГГц. Расчетная наработка на отказ
современных МШУ без резервировалия составляет 10000.. .50000 ч.
Для достижения более высокой надежности применяется
дублирование МШУ с автоматическим переключением на резервный
комплект. Габаритные размеры, масса, энергопотребление МШУ
должны быть минимальными, он должен допускать установку вне
помещения, вблизи облучателя антенны, что позволяет дополнительно
повысить чувствительность ЗС благодаря уменьшению потерь в
фидерном тракте.
Первым малошумящим входным устройством, нашедшим
широкое применение, был охлаждаемый параметрический усилитель
(ПУ). В ПУ имеет место как бы «бесшумное» преобразование
энергии колебаний одной частоты, называемых накачкой, в энергию
колебаний другой частоты на элементе с переменной реактивностью. В
качестве такового на СВЧ чаще всего используется нелинейная
емкость обратносмешенного полупроводникового диода — варактора.
Первые станции «Орбита-2» были оснащены ПУ, охлаждаемыми до
температуры жидкого азота, что требовало значительных расходов.
Варакторы с барьером Шотки на GaAs с критической частотой
более 200 ГГц, твердотельные генераторы накачки на основе
диодов Ганна или лавинно-пролетных диодов с частотами в
диапазоне 50. . . 100 ГГц, циркулнторы с потерями 0,05...0,15 дБ на плечо
позволили создать неохлаждаемые ПУ, обеспечивающие в
сантиметровом диапазоне шумовую температуру 60. ..90 К. К этой
категории относятся МШУ «Орбнта-2М». применявшийся для замены
более сложного охлаждаемого ПУ на приемных станциях «Орбита-2»,
и «Электроника 4-G0», разработанный для повышения до 31 дБ/К
добротности станции «Орбита-2» дня перевода их в режим
телефонии. Упрощенный неохлаждаемый ПУ «Электроника 4-90»
использовался на первых станциях «Москва». Основные параметры этих
МШУ приведены в табл. 11 1
ЯМ
Параметр МШУ
Диапазон, 1Тц
Шумовая температура, К
Коэффициент усилении.
лП
1 IrpaiiHoM^pnocTb АЧХ.
лБ
КСВН охпдч
Верхняя граница лимей-
иостя АХ по в.чоду. дБВт
Частота накачки. ГГц
Наработка на отказ, ч
Диапазон рабочих
пер&тур. °0
Энгргонотрлблснне, Вт
Врсми выхода на режим,
МИН
Габаритные размеры, мм
Масса, кг
1 В комплект «ходят
«Орбита-2»
3,85.,. 3,05
90
38
1 (D ПОЛ111Т
250 МГц)
1,15
—
18,8
300
(полукомплект)
5. ..40
S80
60
700x425x1800'
530x350x1800"
,150x350x1250
90]
1401
40
лва устройства
«Орбв-гд-2М»
3,45...3,95
80
30
1
—
—
33,1
2000 (полу-
комплект)
5...40
750
60
668x332x1266'
60'
лаыного типа.
Таблице 11.1
МШУ-30
3,65... 3,95
30
50
1
1.3
33,1
1800
(полукомплект)
5. ..40
660
30
480x400x1460'
520x380x1275'
380X330X980
701
60'
65
«Электроника
4-60»
3,в5...3,95
во
50
1
1,5
-80
48,6
8000
(полукомплект)
-50... + 50
560
60
740x362x290
490х355х1751
370x355x175
40
20'
19
«Электроника
4-90»
3.6...4,0
00
40
2
1,3
-80
48,5
8000
-50...+ 60
150
30
315x265x222
490X355X175
12,5
14
ТрУ не ПТШ
сТИШу=120К
3.4... 3.95
120
43
1
1.2
-70
20000
-50...+SO
1
<1
227x96x63
0.7
В настоящий момент ПУ вытеснены значительно бол**1 простыня
транзисторными усилителями (ТрУ), которые превосходят
неохлаждаем ые ПУ по ряду важнейших характеристик: при сравнимой
шумовой температуре они имеют меньшую массу, габаритные размеры,
стоимость и энергопотребление, больший динамический диапазон,
более высокую надежность, проще в обслуживании, менее критичны к
изменениям сопротивления источника сигнала и температуры
окружающей среды, не требуют высокочастотной накачки.
Особенно хорошие результаты получены при построении ТрУ на
полевых транзисторах с барьером Шотки (ПТШ). Принцип действия
ПТШ весьма прост. При подаче смещения на затвоц увеличивается
толщина обедненного слоя и уменьшается ток между истоком и
стоком. Чем меньше длина затвора, тем меньше время пролета
носителей и лучше частотные и шумовые свойства транзистора. Методами
электронно-лучевой литографии удалось создать ПТШ с длиной
затвора 0,25.. .0,3 мкм. Второй фактор, от которого зависят шумовые
свойства транзистора, — подвижность носителей заряда в канале.
Управляя распределением примесей при формировании
полупроводниковой структуры, удалось создать так называемый НЕМТ-прибор
(High Electron Mobility Transistor — транзистор с высокой
подвижностью электронов), использующий гетеропереход GaAs-AlGaAs п-типа
с подвижностью электронов в несколько раз более высокой, чем в
обычном ПТШ. На НЕМТ в последние два-три года получена
шумовая температура МШУ 20.. .25 К в диапазоне 4 ГГц и 35.. .50 К
в диапазоне 11 ГГц.
Распределение энергии СВЧ сигнала в схеме рис. 11.3 может
осуществляться как селективными (рис. 11.4,а), так и
широкополосными (рис. ] 1.4,5,6) устройствами. В первом варианте на вход
каждого ПрЧ поступает сигнал только одного ВЧ ствола, что затрудняет
оперативную перестройку на другой ствол, однако потери сигнала
минимальны и не превышают (2л — 1)Ьпр [дБ], где Ь„р — потери в
одном плече ферритового циркулятора. В устройствах второго типа,
используемых с перестраиваемыми преобразователями частоты, на
входе каждого ПрЧ присутствуют сигналы всех ВЧ стволов. Потери
сигнала в каждом плече одинаковы и составляют не менее lOlgn [дБ].
Особенность построения преобразователя частоты -
необходимость обеспечения высокой избирательности по побочным каналам
приема, прежде всего по зеркальному каналу, отстоящему от
основного на значение удвоенной ПЧ. Дело в том. что на входе
преобразователя одновременно могут присутствовать сигналы всех ВЧ стволов,
принимаемых антенной. При однократном преобразовании частоты
сигналы некоторых стволов попадают в зеркальные каналы приема
других стволов, как показано на рис. 11.-5.0, и могут создать
недопустимые помехи приему. Источником помех для соседних стволов
может стать также сигнал гетеродина, просачивающийся на нход пре-
:Ш
'n'j.- t'/j ftSjr-f/t
*[3дб
a
a)
wtffn U
6)
?0lgj
г
J4tf
I
>
e
l
J^
I
>
0
-H-
6)
й= «w^
Hi
Рис. 11.4. Схемы построения распределительных устройств
ггт
ТО
*/*
ftf *)з £у^4 fofyy &j$* fci fcs
а)
*п fri frj fa fa fre
fee f
fptyfpfpfjsty
fCt fC2 fC3 fa fC5 fCS f
6)
Рис. 11.5. Расположение основного и зеркального каналов приема на
входе приемника с однократным (а) н двоПным (б) преобразованием
частоты: /, — частота гетеротгна; /с — частота сигнала: /i — частота зерка.пь-
яого канала приема
образователя через полосовой фильтр и ферритовые развязывающие
устройства. В неблагоприятном случае, когда сигнал МДВР или ЧМ
телевидения воздействует на ствол, в котором передаются сигналы
телефонии методом «один канал на одной несущей» (ОКН),
избирательность по зеркальному каналу должна быть не менее 60 дБ.
В существующих конструкциях однократных преобразователей
частоты (например, в аппаратуре «Орбита-2») требуемая
избирательность достигается благодаря использованию миогорезоиатормого вол-
новодного фильтра, но при этом теряется возможность оперативной
перестройки
При двойном преобразовании частоты первая 114 выбирается
;io0-
достаточно высокой для того, чтобы вывести зеркальные каналы
приема первого гетеродина за пределы принимаемой полосы частот
(рис. 11.5,6), Перестройка на любой ствол осуществляется
переключением первого гетеродина, избирательность по зеркальному каналу
второго преобразования обеспечивается ствольным полосовым
фильтром. Однако увеличение числа функциональных устройств
приводит к некоторому увеличению габаритных размеров, массы и
стоимости приемника, снижению его надежности.
Вариант построения ПрЧ выбирают с учетом назначения,
специфики применения и конкретных технических требований к
приемному устройству.
Основные требования, предъявляемые к приемному смесителю
ЗС, — обеспечение минимальной неравномерности АЧХ и ХГВЗ в
широкой полосе частот, высокая линейность при больших сигналах.
Коэффициент шума и потери преобразования не относятся к
важнейшим параметрам, так как шумовые характеристики приемного
устройства полностью определяются МШУ.
Смешение принимаемого сигнала и колебаний гетеродина
осуществляется на нелинейном элементе, в качестве которого используют
варистор — прибор, сопротивление которого существенно изменяется
в зависимости от приложенного напряжения. В этом качестве
применялись диоды с точечным контактом, обращенные диоды, диоды
с барьером Шотки. Наилучшие результаты получаются с
приборами последнего типа, вольт-амперная характеристика которых близка
к идеальной. В отдельных случаях, например в конвертерах
спутникового телевидения, используют смесителя на однозатворных и
двухзатворных ПТШ.
Для работы смесителя на диоде с барьером Шотки требуется
мощность 5. ..20 мВт, которую обеспечивает гетеродин.
Особенностью гетеродинных трактов современной приемной аппаратуры ЗС
является требование высокой стабильности частоты (не хуже 2- Ю-7)
и низкого уровня паразитной частотной модуляции сигнала
гетеродин?», обусловленное применением на спутниковых линиях
аппаратуры с частотным многостанционным доступом типа «один канал
.ia одной несущей».
( переменным требованиям к гетеродинам удовлетворяют
цепочки усилительных и умножительных каскадов на транзисторах и ва-
ракторал. задающим каскадом которых является генератор с
кварцевой стабилизацией частоты. Во избежание возрастания шумов крат-
нос п. умножения не должна быть слишком большой, поэтому
частоту задающего генератора выбирают в диапазоне 100... 150 МГц, где
кварцевые резонаторы еще сохраняют удовлетворительные
параметры. Для повышения стабильности частоты генератор помещают в
термостат с высокой точностью поддержания температуры.
357
В перестраиваемых преобраэоватапях частоты в качестве
гетеродина используют синтезатор частоты, он содержит
перестраиваемый генератор, частота которого сравнивается с частотой эталонного
кварцевого генератора и стабилизируется с помощью петли фазовой
автоподстройки частоты. Изменяя кратность деления частоты
перестраиваемого генератора перед сравнением, можно в широких
пределах перестраивать выходную частоту синтезатора, сохраняя
высокую стабильность частоты, определяемую в этом случае эталонным
генератором, и низкие фазовые шумы.
Тракты ПЧ приемников ЗС не имеют принципиальных
отличий от аналогичных устройств других линий связи СВЧ диапазона,
например радиорелейных. После смесителя включается полосовой
фильтр, обеспечивающий требуемую избирательность 25.., 50 дБ по
побочным (соседним) каналам приема, расположенным вблизи
основного канала. Для уменьшения линейных искажений сигнала
неравномерность АЧХ фильтра в полосе пропускания 34 МГц не
должна превышать 1 дБ. В то же время эквивалентную шумовую
полосу фильтра, определяющую энергетику линии связи, стремятся
сделать как можно меньшей. Это заставляет применять
многоконтурные фильтры высокого порядка с дополнительными полюсами
затухания и крутыми скатами АЧХ. Конструктивно совмещенный с
фильтром корректор характеристики группового времени
запаздывания позволяет обычно уменьшить неравномерность ХГВЗ до I не в
полосе ±12 МГц и до 5.. .7 не в полосе ±15 МГц относительно 114,
что достаточно для прохождения всех видов сигналов.
Усилитель ПЧ представляет собой широкополосный усилитель с
автоматической регулировкой усиления (АРУ), содержащий обычно
четыре-пять идентичных каскадов с коэффициентом усиления
каждого 12.., 14 дБ. Разработаны интегральные схемы,
выполняющие функции такого каскада. Особенность УПЧ спутниковых систем
— необходимость получения низкочастотного управляющего сигнала
для системы автосопровождения. Для этой цели используют сигнал
АРУ либо дополнительно усиленный и продетектированный нилот-
сигнал, вводимый на передающей стороне.
Рассмотрим в качестве примера построение приемного
преобразователя частоты, разработанного для семейства земных станций
«Экспресс», С целью максимальной унификации оборудования
диапазонов 4 и 11 ГГц первый преобразователь частоты в приемниках
обоих диапазонов выполнен широкополосным неперестраиваемым.
первая ПЧ одинакова и равна (1.75 ± 0,25) ГГц, а выбор рабочего
ствола осуществляется перестройкой гетеродина второго
преобразователя. Как следует из рис, 11.0,5. для выведения частоты второго
гетеродина за пределы полосы приема вторая IIЧ должна быть по
крайней мере выше полосы входных частот приемника, В
рассматриваемом случае применено iройное преобразование частоты, вторая
358
ЦЧ выбрана равной 700 МГц, третья ПЧ — стандартная (7U МГц),
Структурная схема преобразователя приведена на рис. 11.6.
МШУ и первый преобразователь расположены непосредственно на
антенне, остальные, узлы, одинаковые дня обоих диалазонов,
размещаются в едином корпусе — так называемом канальном блоке. Все
три гетеродина (Гт1-ГтЗ) построены по схеме синтезатора частоты.
Опорный сигнал частотой 5 МГц поступает к ним от эталонного
кварцевого генератора, общего для всей станции. К первому
преобразователю опорный сигнал передается по тому же коаксиальному кабелю,
с которого снимается сигнал ПЧ. Частоты первого и второго
гетеродинов выше частоты принимаемого сигнала, частота третьего ниже,
так что переворот спектра сигнала не происходит. Проведенные
испытания опытных образцов показали полное соответствие
характеристик преобразователя частоты заданным требованиям по
избирательности, стабильности частоты и фазовым шумам гетеродинов.
11.3. Передающая аппаратура земной
станции
Передающая аппаратура, устанавливаемая на ЗС.
предназначена для формирования СВЧ сигнала с заданными параметрами и его
усиления до требуемого уровня мощности. Передающие устройства
ЗС характеризуются диапазоном частот, выходной мощностью,
нестабильностью частоты, возможностью перестройки на другие
стволы, а также видом охлаждения, степенью автоматизации управления
и рядом других параметров. Выходная мощность обычно составляет
от единиц ватт в режиме МДЧР/ОКН до единиц киловатт в режиме
МДВР и передачи ТВ сигналов. В качестве выходных усилителей
па высоком уровне мощности применяются многорезонаторные
пролетные клистроны и лампы бегущей волны (ЛЕВ), при мощности до
оО Вт используются транзисторные усилители.
Структурная схема типового передатчика представлена на рис.
11.7. В ТВ модуляторе формируется сигнал ПЧ 70 МГц,
модулированный по частоте сигналами изображения, -звукового
сопровождения, звукового вещания. Отметим, что при передаче других видов
сообщений, отличных от ЧМ телевидения (телефония с МДЧР и МДНР,
цифровое ТВ), сигнал ПЧ формируется в аппаратуре каналообразо-
вания, поэтому ТВ модулятор в ->гих случаях не используется.
В возбудителе осуществляется перенос сигнала ПЧ в диапазон
рабочих частот путем однократною или двойного преобразования
частоты. Однократное преобразование применялось в передатчиках
первых моделей с литерным исполнением, в которых не требовалась
постройки ('о ствола на ствол. Во всех передатчиках нового
поколения предусмотрена оперативная перестройка н полосе 500 МГц.
п двойное преобразование позволяет решить проблему подавления
Л->&
Вход
3.69 4 IB
ГГц
,
МШУ 4
в См) <
т
Гт1
МГГц
■ УПЧ1 ■
В МГц
1,8.,.
ал гги
1
Конвертер
g
- См2 |
f
гта
. 2,2
г.7 ггц
■ ФПЧ2 е» УПЧ2 т
^-~ 700 МГц "^
> СмЭ •
1
ГтЗ
630 МГц
Канальный блок
■ УПЧЭ
•иод
та* is мгц
Б МГц
Рис. 11.6. Структурная схема преобразователя с тройным преобразованием частоты: ФПЧ — фильтр
промежуточной маститы: ФР — фильтр рАзде.штелъпый
°»дд А те ш
П модулятор J
возбудитель
t
Предварительный
усилитель СВЧ
t
Ниакоголътмые источники
питания (ИП)
Мощный
усилитель СВЧ
1
Высоковольтный ИП
МММ МММ
Система контроля и управления
ft
—
Систем)
охлаждения
Рис. 11.7. Обобщсннля структурная схема типового передатчика
нежелательных комбинационных составляющих. Спектр сигнала
переносится на вторую ПЧ в диапазоне I ГГц, ствольный полосовой
фильтр отфильтровывает неиспользуемую боковую полосу на
выходе преобразователя частоты, а полезный сигнал переносится в
диапазон 6 или 14 ГГц на частоту требуемого ствола. Сформированный
таким образом СВЧ сигнал усиливается предварительным
усилителем мощности до уровня, необходимого для работы мощного
усилителя. В передатчиках первых лет выпуска предварительный
усилитель выполнялся на ЛБВ, сейчас для этой цели используют
транзисторные усилители.
Качественные показатели передающего устройства в
значительной степени зависят от параметров гетеродинных трактов. В
литерных передатчиках источником сигнала гетеродина обычно
является узкополосная транзисторно-варакторная умножительная цепочка,
возбуждаемая кварцевым генератором. В передатчиках,
перестраиваемых на относительно небольшое число стволов, применяются
сменные кварцевые генераторы по числу стволов, а умножительная
цепочка делается широкополосной с относительной полосой
пропускания 8... 10 %■ Для улучшения шумовых характеристик
гетеродина и повышения стабильности частоты задающий кварцевый
генератор подстраивается по эталонному опорному генератору с частотой
5 или 10 МГц с помощью петли фазовой автоподстройки. В
современных передатчиках ведущих мировых фирм гетеродины строятся,
как правило, по классической схеме синтезатора частоты с одним
перестраиваемым генератором, что позволяет производить настройку
передатчика на большое число номиналов частот в рабочей полосе.
В качестве выходного прибора в мощном усилителе
используются клистроны или ЛБВ. Преимущества клистрона — более высокая
стабильность работы, меньший уровень шумов, более простые
высоковольтные источники питания. Перестройка со ствола на ствол
осуществляется механически (вручную или дистанционно с помощью
^лекгропривода). Основное достоинство ЛБВ — широкополосность,
что в ряде систем связи является определяющим фактором. В
настоящее время сложилась практика, при которой усилители мощностью
500 .700 Вт выполняются на ЛБВ, более мощные — на
клистронах, хотя разработаны и предлагаются ЛБВ и на большие уровни
мощности до 2, ..3 кВт,
В ТО-е гг. в отечественной системе спутниковой связи
применялись преимущественно передающие устройства «Градиент» с
литерным исполнением по стволам. В середине 80-х гг. началось осна-
шениг ГН' передающими устройствами следующего поколения
«Геликон» и «Грунт», работающими в полосе частот 5975...6275 МГц,
были разработаны также передающие устройства «Галактика-1» и
«Галактика-2» с диапазоном 14.. . 14,5 ГГц. Перечисленные
передатчики имеют высокую степень унификации благодаря применению од-
301
(длинных блоков, узлов, а также целых стоек. Их технические
параметры приведены в табл. II.2.
Подробнее опишем две более современные модели передатчиков
отечественного производства.
Передатчик «Набор-1,3» предназначен для использования в
станциях спутниковой связи и вещания диапазона 6/4 ГГц, он имеет
следующие характеристики: максимальный уровень выходной
мощности в полосе рабочих частот 5,975.. .6\475 ГГц составляет 1,3 кВт;
неравномерность АЧХ в полосе ±18 МГц относительно
центральной частоты ствола не более 1 дБ; неравномерность ХГВЗ в полосе
±15 МГц относительно центральной частоты ствола не более 5 не;
уровень Продуктов интермодуляции, измеренный по методу четырех
несущих при средней мощности на выходе 100 Вт, не более —30 дБ.
Принцип работы Передатчика поясняет структурная схема,
приведенная на рис. 11.8. Сигнал ПЧ ft) МГц, несущий полезную
информацию, поступает на вход возбудителя. В состав возбудителя
входят синтезатор частот, включающий гетеродины (Гт1 и Гт5) и
блок опорных частот (БОЧ), а также двухступенчатый
преобразователь частоты (ПрЧ1 и ПрЧб). В возбудителе осуществляется
перенос спектра сигнала ПЧ в полосу выходных частот передатчика
5975...6475 МГц. Сформированный сигнал СВЧ усиливается н
поступает на вход усилителя мощности (УМ).
Предварительное усиление сигнала СВЧ до необходимого для
работы выходного каскада уровня (150 мВт) осуществляет
твердотельный усилительный блок УСВЧ6, размещенный в корпусе УМ.
Выходной каскад УМ выполнен на клистроне КУ-383, он усиливает
СВЧ сигнал до требуемого уровня выходной мощности.
Диагностика и управление работой передатчика
осуществляются с панели контроля и управления (ПКУ) с помощью
микропроцессорного контроллера. Управление передатчиком может
осуществляться также в дистанционном режиме с устройства
дистанционного управления или''ЭВМ.
Охлаждение передатчика принудительное воздушное. Для
нормального функционирования необходим воздушный поток с расходом
не менее 250 м3/ч в сечении воздуховода 150х 150 мм. При отсутствии
необходимого воздушного потока срабатывает аэроконтакт, который
дает команду, запрещающую включение высокого напряжения или
инициирующую его выключение при работающем передатчике.
Передающее устройство «Нептун» предназначено для работы в
земных передающих станциях системы спутникового телевизионного
вещания и обеспечивает передачу одной ТВ программы с каналом
звукового сопровождения и одной программы радиовещания на одном
из 40 частотных стволов диапазона 17.3... 18.1 ГГц.
Структурная схема передающего устройства показана па рис.
11.9 Сигнал и^юбражения через нидеокорректор (ВК) поступает на
ЗП2
Таблица 11.7
Параметр передающего устройства
Номинальная выходная мощность.
кВт
Диапазон рабочих частот, МГц
Ширина полосы пропускания
ствола по уровню -1 дБ, МГц
Неравномерность ХГВЗ в полосе
±15 МГц относительно
Центральной частоты ствола, не, не более
Долговременная нестабильность
час г от гетеродина, не более
Ох паждение элементов
мощного каскада
КПД выходного прибора. %
Выходной усилительный прибор
Максимальное напряжение
высоковольтного источника питания, кВ
Время переключения да резерв,
мс. не более
Режим .работы
Время перестройки по стволам
Напряжение электропитания, В
Уровень продуктов 1Щтермодуляпии
(метод четырех-несущих), дБ:
при Р.Ык = 300 Вт
-"- 150 Вт
--- 40 Вт
-'-. 2Д Вт
«Градиент»
3; 10
5975...6225
34
5
±5 ■ Ю-7
Водяное
25
Клистрон
литерный j
12;-16
300
Оперативная
перестройка
ве
предусмотрена
Зх380±Ю%
-30
—
—
«Геликон»
3
5975,..6275
37
5
±2 -Ю-7
Воздушное
35
Клистрон
перестраиваемый
}0
1
300
1,0 мин
,
Дх380±10%
i
-30
—
—
—
«Грунт»
0,2
5975. ..6275
37
5
±2 ■ I0-7
,
Воздушное
. 20
ЛЕВ
, 1
S,0
,-,
300
«Гллакттса-1»
1.5
13975... 14525
37
5
±2 Ю-7
Воздушное
25
Клистрон
литерный.
—
9,5
300
Круглосуточный
1 мин
1
Зх380±Ш %
j
j ~~
-30
—
Период.;ар«менв,
необходимый
на замену' кдн-
• стропа 1 ч
Зх380±10%
—
-30
—
—
«Галактнка-2»
0,24
13975...14525
37
5
±2 -Ю-7
Воздушное
20-
ЛБВ
1
1
1
' "' !
300-
1
1 ынн 1
i
3>{3£0±10%
1 !
— '
—
| -30
• воздушный noma
- ммтричаские см эй
-*—*»- цели титром и сигнализации
Рис. 11.В. Структурная схема передатчика «Набор-1,3»
модулятор-демодулятор (МД-ДМ), на другой вход которого
подаются поднесущие сигналов звукового сопровождения и звукового
вещания 7,0 МГц и 7.5 МГц соответственно. Центральная частота
модулятора сигналов изображения 70 МГц, пиковая девиация полным
видеосигналом ±13,5 МГц.
Передатчик осуществляет функции переноса спектра
выходного сигнала модулятора в диапазон частот заданного СВЧ ствола и
усиления его по мощности до 1 кВт. Сигнал ПЧ 70±15 МГц
подается на вход первого преобразователя частоты [I). С синтезатора
частоты (£?) на преобразователь подается гетеродинный сигнал с
частотой 12*22.019 МГц. Центральная частота первого преобразования
/r.p.1 = /ri - /пч = 1152,019 МГц.
Гетеродинный сигнал для второго преобразования частоты (-5)
№
Сигнал
изображали»
Сигнал звукового
вк
сопровождения
Сигнал звукового
Г
э-{Модем
Зв-Рв
~Т мд-дм -J-»
ЕЛ
2 -J 3 (*> 4 -I
Передал» 1
вещания
Сигнал
изображения
ВК
Сигнал звукового
сопровомдения
Сигнал звукового
п
Модем
Эа-РВ
МД-ДМ
Передатчик 2 ^
Компьютер
Катенне
Коммутатор
вещами»
Рис. 11.9. Структурная схема передающего устройства «Нептун»
реализуется последовательным умножением на пять в модуле Зина
три в модуле 4 частоты синтезатора, частотный диапазон которого
составляет 1230. .1290 МГц с шагом перестройки 1,278666 МГц, что
соответствует по выходному сигналу второго преобразования
полному диапазону частот аппаратуры «Нептун» с шагом 19,18 МГц.
Сформированный сигнал усиливается предварительным
усилителем на ЛЕВ {6) и оконечным усилителем на клистроне (7). С
помощью волноводного переключателя {8) выходной сигнал может
коммутироваться в мощную СВЧ нагрузку (5) или в антенный тракт.
Через коммутатор каналов передатчики соединены с персональным
компьютером, специальная программа которого допускает
дистанционное управление, отображение, резервирование передатчиков и ряд
специальных сервисных возможностей.
Передатчик имеет следующие технические параметры:
центральная частота ствола — любая из 40 частот Плана ВАКР-
77;
выходная мощность не менее 1,0 кВт с возможностью
регулировки в диапазоне 10 дБ;
неравномерность сквочных АЧХ и ХГВЗ в полосе ±13.5 МГц
относительно центральной частоты ствола не более 1 дБ и -1 не
соответственно;
стабильность выходной частоты гетеродинных устройств не
хуже ±2 ■ Ю-7,
уровень шума при отсутствии возбуждения в полосе ствола
относительно максимальной мощности несущей не более -40 дБ:
уровень дискретных паразитных составляющих не более —55 дБ
относительно несущей.
ЛйЛ
Таблица 11-3
'Гни
yril'MITf.'IH
КОМПАНИИ ( 'I'l
VZC-fi9(>lB.I
VZC-6962B5
\7Л'-Н9Г>4Л4
VZC-6965FF
VZC-6965B2
VZ.1-J700M
VZU-G991V0
VZU-6991V3
V'Z4-B«92.Afi
VZl>-fi99:iS3
VZH-6995F7
VZU-6995FD
VZU-2701M
Тм и
лампы
J1BB
ЛБВ
JIB В
.ПВВ
ЛБВ
Клистрон
ЛБВ
ЛБВ
ЛБВ
ЛБВ
ЛБВ
ЛБВ
Клистрон
Дпашгюп
Ч «'ТОТ,
ГГц
5,85. ..6.425
5,85... 6,425
5.85,,. 6,425
5,85... 6,65
5,85. ..6,425
5.85... 6.5
14.0... 14.5
14.0... 14,5
14,0. ..14,5
И.О. ..14.5
14.0. ..14,5
17,3... 18,1
14,0... 11,5
Выходная
мощность.
Вт
75
125
400
700
2250
3350
50
80
125
300
7П0
500
2450
Коэффициент
усиления, дБ
50
50
75
75
76
77
49
45
70
75
75
70
80
Ширина
полосы,
МГц
575
575
575
800
575
45
500
500
500
500
500
800
500
Потребляемая
МОЩНОСТЬ,
кВт
0,7
1,0
1,5
4,8
7.5
11,5
0,5
1,0
1.2
2.3
4,5
4,7
11,8
Масса,
кг
25
25
30
115
96
376
12
25
26
50
115
115
386
Габаритные
размеры,
им
483x134x572
483x134x572
483x134x610
483x578x610
483x578x610
597x1829x864
197x224x515
483x134x572
483x134x547
483x310x676
483x578x610
483x578x610
597x1829x864
Передатчик выполнен в виде стойки, в которой размещены
основные узлы: преобразователь частоты, синтезатор, блок управления,
блоки питания, мощный усилитель.
Система управления выполняет следующие функции.
автоматическое и ручное резервирование передатчиков;
управление режимами работы передатчиков;
управление работой ствола;
отображение состояния передатчиков и системы в целом;
документирование информации.
Она выполнена на базе персонального компьютера IBM PC и
позволяет осуществлять управление передатчиком в ручном и
автоматическом режимах.
Охлаждение воздушное, обеспечивается обдув коллектора
клистрона, мощной нагрузки, мощного циркулятора и
резонаторногоблока клистрона.
В последние годы для пользователей на территории СНГ
стало возможным приобретение импортного передающего оборудования,
например мощных усилителей американской компании CPI.
Компания выпускает широкий спектр усилителей малой (до 150 Вт),
средней (до 1 кВт) и большой (более L кВт) мощности, предназначенных
для работы в диапазонах 6, 14, 17, 30 ГГц и других диапазонах,
используемых для спутниковой связи и спутникового вещания. Все
усилители имеют системы защиты и автоматически
восстанавливают свою работоспособность после сбоя в сети электропитания.
Обеспечиваются возможность дистанционного управления и контроля с
выносного пульта управления, автоматическая установка
последовательности подачи питающих напряжений на усилятеаьный прибор,
возможность использования систем резервирования и сложения
мощностей, других дополнительных устройств. Все усилители имеют
воздушное охлаждение. Основные характеристики некоторых
предлагаемых усилителей приведены в табл. 11.3.
Глава 12
Станщга VSAT — малые станции
для телефонии и передачи данных.
Принципы построения схемы,
функции
12.1. Определение класса земных станций
VSAT
К классу земных станций VSAT (Very Small Aperture Terminal)
относятся станции спутниковой связи, технические характеристики
которых удовлетворяют следующим требованиям Рек. МСЭ-Р S.725
«Технические характеристики VSAT» [12.1]:
станции VSAT устанавливаются непосредственно у
пользователей, причем плотность размещения их на ограниченной территории
может быть весьма высокой;
станции VSAT обычно не имеют постоянного
квалифицированного обслуживающего персонала;
контроль и управление работой станций VSAT в сети
осуществляются централизованно, но могут дополнительно использоваться
и местные станционные системы контроля и управления;
станции VSAT относятся к Фиксированной спутниковой службе
(ФСС) и должны удовлетворять требованиям Регламента радиосвязи
(РР) и Рекомендациям МСЭ-Р. как и все земные станции ФСС;
станции VSAT обычно применяются в так называемых
выделенных сетях (частных, деловых) для передачи данных и телефонии в
цифровом виде в режимах работы только на прием (симплекс) или
на прием/передачу (дуплекс);
антенны VSAT обычно имеют диаметр 1,8. . ,3,5 м, но в
отдельных системах могут использоваться и большие антенны (диаметром
до 6 м):
скорость передачи информации в цифровом виде со станций
VSAT обычно не превышает 2 Мбит/с;
в станциях VSAT используется маломощный радиопередатчик
(обычно от 1 до 20 Вт) с обязательным ограничением излучаемой
мощности в целях безопасности.
В настоящее время сети станций VSAT чаще всего работают п.
диапазонах частот ФСС 6/4 ПИ и 14/11 12 ГГц.
Технические параметры станций VSAT при передаче должны
удовлетворять требованиям следующих Рекомендаций МСЭ-Р [12.1];
Рек. S.726 «Максимально допустимый уровень паразитных
излучений VSAT»;
Рек. S.727 «Кроссполяризационная развязка для VSAT»;
Рек. S.728 «Максимально допустимый уровень внеосевой
плотности ЭИИМ VSAT»;
Рек. S.729 «Контроль и управление станциями VSAT».
12.2. Типы сетей VSAT
Сети VSAT принято классифицировать по двум основным
признакам: по конфигурации трафика и по структуре системы
управления сетью (централизованная и децентрализованная).
С точки зрения трафика существуют три основных варианта
организации связей в сетах VSAT [12.2];
1) сеть типа «точка-точка» — простейший случай дуплексной
линии связи между двумя удаленными станциями;
2) сеть типа «звезда» — для многонаправленного
радиального трафика между центром сети и периферийными (удаленными)
пунктами связи;
3) сеть типа «каждый с каждым» (сеть типа MESH в
англоязычной литературе) — для прямых связей между любыми
пунктами сети связи.
Сеть типа «точка-точка» (рис. 12.1) позволяет обеспечить
прямую дуплексную связь между двумя удаленными пунктами связи.
Такая схема связи наиболее эффективна
при больших расстояниях между
пунктами или их расположении в
труднодоступных регионах.
В наиболее распространенных для
станций класса VSAT сетях типа
«звезда» (рис. 12.2) обеспечивается
многонаправленный радиальный трафик между
центральной земной станцией сети (ЦЗС)
и удаленными периферийными
станциями (терминалами) VSAT по
энергетически выгодной схеме: малая ЗС VSAT —
большая ЦЗС, обладающая антенной
большого диаметра и мощным
передатчиком.
Сети VSAT подобного рода широко
используются для организации
информационного обмена между большим числом
удаленных терминалов, не имеющих
взаимного трафика, и центральным офисом
фирмы, транспортными или
финансовыми учреждениями,
( VSAT V* W VSAT J
РИС. 12.1.
«точка-точка»
Сеть
типа
Рис.
«звезда»
12.2. Сеть типа
369
Аналогичным образом построены телефонные сети для
обслуживания так называемых удаленных абонентов, которым
обеспечивается выход на телефонную коммутируемую сеть общего пользования
через центральную станцию, подключенную к одному из наземных
центров коммутации каналов (GATEWAY).
Функции контроля и управления в сети типа «звезда» обычно
централизованы и сосредоточены на центральной управляющей
станции (ЦУС) сети (в англоязычной литературе HUB station [12.3]). ЦУС
выполняет служебные функции установления соединений между
абонентами сети связи и поддержания рабочего состояния всех
периферийных терминалов VSAT данной сети. Подобная централизованная
система управления сетью VSAT с помощью ЦУС экономически
целесообразна для сетей с достаточно большим числом упрощенных и
потому дешевых периферийных терминалов VSAT. Однако
известны примеры реализации сетей VSAT без ЦУС с
децентрализованной распределенной системой управления, элементы которой входят
в состав каждой станции VSAT.
В некоторых действующих телефонных сетях VSAT типа
«звезда» функции ЦЗС и ЦУС разделены между разными земными
станциями, но чаще функции ЦУС совмещают с функциями ЦЗС (см.
рис. 12.2). Такая совмещенная схема ЦУС/ЦЗС используется
преимущественно в сетях передачи данных с коммутацией пакетов, где
ЦУС/ЦЗС выполняет роль диспетчера-маршрутизатора сетевого
трафика и одновременно обеспечивает интерфейс спутниковой сети с
наземной сетью передачи данных на основе протокола МСЭ-Т Х.25
[12.4].
В сетях VSAT с централизованным
управлением, создаваемых крупными
спутниковыми операторами, программно-
технические ресурсы одной ЦУС
могут предоставляться нескольким
автономно действующим и вновь создаваемым
подсетям VSAT за счет выделения части
этих ресурсов каждой из подсетей,
Таким образом реализуется возможность
постепенного расширения сети и
реализации дополнительных услуг потребителям.
Примером совокупности интегрированных
сетей VSAT, обслуживаемых общей ЦУС
может служить спутниковая сеть фирмы
Hughes Network Systems, США с общим
числом управляемых терминалов VSAT в
различных подсетях свыше 12000 [12.3].
В сети «каждый с каждым» (Рис
12.3) обеспечиваются прямые соединения
Рис. 12.3. Сеть типа
«каждый г кажлым*
370
между любыми станциями VSAT, расположенными во всех пунктах
связи. Связь двух любых станции в таков сети устанавливается
через спутник за один «скачок». Схема оптимальна для телефонных
сетей, создаваемых в труднодоступных и удаленных районах, и для
сетей передачи данных с относительно небольшим числом
удаленных терминалов VSAT.
При централизованной схеме управления такой сетью ЦУС
выполняет только служебные функции контроля и управления,
необходимые для установления соединения между абонентами сети
VSAT, но не участвует в передаче трафнка.
В децентрализованном варианте управления сетью ЦУС
отсутствует, а элементы системы управления входят в состав каждой
VSAT станции. Подобные сети с распределенной системой
управления отличаются повышенной «живучестью» и гибкостью за счет
усложнения оборудования, расширения его функциональных
возможностей и удорожания по этим причинам VSAT терминалов.
Известными примерами реализации полнодоступных сетей
«каждый с каждым» являются следующие сети VSAT [12.2. 12.3]:
телефонная спутниковая сеть с централизованным управлением
на основе терминалов TES (Telephony Earth Station) фирмы Hughes
Network Systems, США, предназначенная для высококачественной
передачи речи и данных там, где экономически нецелесообразна
реализация сети на основе наземных каналов;
спутниковая сеть VSAT Plus фирмы SPAR (Канада) с
децентрализованным управлением для передачи данных, речевой, видео- и
факсимильной информации в цифровой форме.
12.3. Типы многостанщюнного доступа
в сетях VSAT
Многостанционный доступ в сетях VSAT обычно организуется на
основе метода частотного разделения (МДЧР) в режиме
закрепленных каналов между станциями с интенсивным трафиком или в
режиме МДЧР с предоставлением каналов по требованию (МДЧР-ПКТ)
для интерактивного трафика. В интерактивном режиме передачи
информации станции сети VSAT осуществляют доступ к выделенным в
стволе ретранслятора несущим на основе метода временною
разделения (МДВР), в том числе по протоколу МДВР со случайным
доступом тина ALOHA или более эффективным разновидностям этого
протокола: тактированная ALOHA (S-ALOHA) a ALOHA с
резервированием (R-ALOHA) [12.2].
^ак показано на рис. 12.4, в сетях типа «звезда.» различают
исходящие (Ц'ЧС-VSAT) и входящие (VSAT-ЦЗС) спутниковые каналы.
V^ATbe o6lJfV:,y|0'rC3* иа основе МДЧР в выделенной дня данной сети
полосе частот ствола спутникового ретранслятора.
.471
Входнцна иналм с
ТВ"
Несущие частот
каналов
Рис. 12.4. Многостанционный доступ в сетях VSAT типа «звезда»
В сетях VSAT с большим числом периферийных терминалов
каждому исходящему каналу ЦЗС обычно соответствует несколько
(1,2,...,п) входящих каналов (п < 32), используемых различными
группами терминалов VSAT. Структура входящих а исходящих
каналов в каждом конкретном случае определяется на основе требований
к сети связи, составу сети, видам и скорости передаваемой
информации. В одной сети может быть организовано несколько исходящих и
соответствующих им входящих каналов.
Исходящий канал ЦЗС-VSAT организуется обычно как канал на
отдельной несущей с временным разделением (ВР) и пакетированием
передаваемой информации. Скорость передачи информации в
исходящем канале определяется общим объемом радиального трафика от
ЦЗС сети к группе обслуживаемых периферийных терминалов VSAT.
Типовые скорости передачи информации в исходящих каналах
действующих сетей VSAT 256...2048 кбит/с, метод модуляции —
двукратная фазовая манипуляция (ДФМ/QPSK).
ЦЗС передает информацию в исходящем канале в виде
непрерывного сигнала с регулярной кадровой структурой, состоящего из
временной последовательности информационных пакетов, повторяющих
классическую структуру пакетов систем с МДВР: 1) флаг начала
пакета (преамбула), 2) заголовок пакета, 3) блок данных (полезная
информация), 4) проверочная последовательность (исправление
ошибок), 5) флаг окончания пакета (постамбула). Границы кадра
обозначаются уникальным словом (UW) и блоком служебной информации,
которые используются для сетевой кадровой синхронизации пакетов,
передаваемых терминалами VSAT во входящих каналах VSAT-ЦЗС,
и для управления терминалами VSAT no протоколам S, R-ALOHA.
Совокупность передаваемых в исходящем канале ЦЗС пакетов
предназначена (адресуется) группе периферийных терминалов
VSAT. Каждый терминал VSAT по коду адресного ноля в
заголовке пакетов принимает только адресованные чтому терминалу
пакеты из переданной последовательности. Другие пакеты
пропускаются (игнорируются).
В каждом из ответных входящих каналов VSAT-ЦЗС,
передаваемых на отдельных несущих (см. рис. 12.4), органичуется временной
MJ
доступ группы терминалов VSAT с передачей информации пакетами
со следующей структурой: 1) преамбула, 2) заголовок, 3)
информационный блок, 4) проверочная последовательность, 5) постамбула.
Пакеты разных станций VSAT располагаются на временных
интервалах в пределах общего временного кадра. Для доступа
наиболее часто используются разновидности одного из протоколов МДВР
со случайным доступом типа S-ALOHA, R-ALOHA или более
эффективных протоколов, адаптивных к значению загрузки канала
(например, типа МДВР-ПКТ). Типовые скорости передачи
пакетированной информации во входящих каналах 64/128 кбит/г модуляция
— ФМ-2/ФМ-4 (BPSK/QPSK).
Иногда в сетях для пег^ачи телефонии входящие каналы VSAT-
ЦЗС организуются как обычные каналы с частотным разделением
типа «один канал на несущую» (МДЧР-ОКН) и экономичными
скоростями передачи 16/24/32 кбит/с, предоставляемые по требованию
абонентам телефонной сети на все время соединения.
В ряде случаев применяется многостанционный доступ с
кодовым разделением сигналов (МДКР), позволяющий наиболее
эффективно решать проблему электромагнитной совместимости (ЭМГ)
сетей VSAT с наземными и другими спутниковыми сетями, но
уступающий МДВР и МДЧР по эффективности использования пропускной
способности спутникового ретранслятора [12.2].
В настоящее время применяются как сети VSAT для
передачи отдельных видов информации (телефонные сети, сети передачи
данных), так и интегрированные сети «деловой» спутниковой связи,
обеспечивающие пользователям комплекс услуг по передаче с
каждого терминала VSAT различных видов информации в цифровой
форме (данных, речевых сообщений, сигналов факса и телекса) [12.3]. В
ухом случае для передачи каждого вида информации могут быть
использованы наиболее эффективные из вышеперечисленных методов
доступа терминала VSAT к спутниковому сегменту, которые
обеспечивают оптимальные задержки передачи информации между
абонентами сети для интерактивных режимов работы, передачи больших
файлов данных или комбинированных вариантов трафика. Далее
рассмотрим основные характеристики таких сетей.
12.4. Структура сети VSAT для телефонии
Конфигурация периферийных стан или VSAT
Типовой терминал VSAT для телефонии (ТЛФ). работающий
в спутниковой телефонной сети (рис. 12,")), состоит ич трех
основных элементов:
антенной системы (АС);
блока наружной установки (ВН), размещенного
непосредственно ца Д(>.
:Ш
ьн
БВ
АС
<Jt4
Пд,УМ. ПеЧчщст»
ПкМШУ.ПрЧчииэ»
ИНТЕРФЕЙС
(пипиие
ПЧ.
контроль и
упрммние)
Молей
Коигроляер
АПКТ
Реченй
Интерфейс
ТЛФ<
УАТС
Рис. 12л. Функциональная схема, станции VSAT-ТЛФ: АГ1КТ — аппа-
Р*тура ПКТ; МШУ — малошумящий усилитель; Пд — передача; Пм — прием;
ИрЧ — преобразователь частоты; ПЧ — промежуточная частота; ТЛФ —
телефон; УМ — усилитель мощности; УАТС — учрежденческая АТС
блока внутренней установки (БВ), размещенного в помещении
пользователя.
1. В состав антенной системы входит параболический
рефлектор офсетвого типа с облучающей системой и антенно-волноводным
трактом (АВТ); БН размещается непосредственно на антенне.
Производители выпускают широкую номенклатуру антенных систем
станций VSAT с различными значениями добротности приемной
системы (G/T) и эквивалентной изотропно излучаемой мощности (ЭИИМ)
для использования в спутниковых сетях с разными энергетическими
характеристиками бортовых спутниковых ретрансляторов.
Для работы в диапазоне частот 14/11-12 ГГц (диапазон Ки)
наиболее часто применяются малые антенны диаметром 0,75... 1,8 м.
хотя для регионов с высокой интенсивностью осадков могут
применяться антенны большего размера. Офсетная конструкция обеспечивает
минимальный уровень боковых лепестков, соответствующий
огибающей G = 29 - 25log0 дБ в соответствии с Рек. МСЭ-Р S.580-2 (0 —
угол относительно максимума диаграммы направленности антенны).
В диапазоне частот 6/4 ГГц (диапазон С) антенны станций VSAT
имеют несколько большие размеры рефлектора (1,8.. .4,5 м) для
лучшей пространственной избирательности.
Основные параметры антенных систем VSAT должны
соответствовать требованиям Рек. МСЭ-Р S.727 и S.728.
При использовании линейной поляризации в диапазоне К и дн-
тена станции VSAT обычно снабжается устройством настройки
плоскости поляризации на принимаемый сигнал. Кросеиолярнзлипон-
ная развязка в антенно-волноводной части станции VSAT в случае
линейной поляризации должна быть не менее 25 дБ в пределах
контура основного лепестка диаграммы направленности (ДН) антенны
с ослаблением 0,3 дБ и не менее 20 дБ в любом другом направлении
(Рек. МСЭ-Р S.727 «Кросс-поляризационная развязка для YSAT»).
В связи с возможной эксплуатацией потребителями большого
числа станций VSAT без постоянного квалифицированного обсл\ жнна-
ния представляет опасность излучение станций V.SAT и
направлении геостационарной орбиты (ГО). По этой причине ь диапазоне
частот ФСС 14 ГГп значение ьнеогевой ЭМИМ етлнций VSAT Гфц уг.па.ч
2.5° < В < 7,0° относительно оси ДМ антенны VSAT не должно мрены-
374
Таблица 12.1
Диаметр антенны, м
1.8
2,4
3,6
4,5 |
Добротность G/T, дБ/К,
при угле места антенны 25°
15,9
18,5
22,0
24,0
ЭШШ.дБВт 1
43,8
46,8
48,4
50,7 |
шать 33-25 log0 (дБВт) в любой полосе 40 кГц для лучей, отстоящих
от направления на ГО не более чем на 3° (Рек. МСЭ-Р S-728
«Максимально допустимый уровень внеосевой плотности ЭИИМ VSAT»).
В диапазоне ФСС б ГГц и других диапазонах ФСС указанное
значение внеосевой ЭИИМ для станций VSAT находится в стадии
изучения и в настоящее время строго не нормировано. Для этих
диапазонов частот МСЭ-Р рекомендует использовать Рек. МСЭ-Р S.524.
Как правило, антенные системы станций VSAT не применяют
систему слежения за спутником ввиду незначительного уровня
потерь наведения при работе с ИСЗ с нестабильностью на ГО ±0,1°
в пределах основного лепестка ДН антенны. Однако ряд
зарубежных производителей VSAT (HUGHES Network Systems. США, NEC
Corporation, Япония) оборудуют станции VSAT системами
наведения антенн с целью поставки таких станций на российский рынок
для работы с существующими ИСЗ «Горизонт»,
характеризующимися недостаточно высокой точностью их удержания на ГО. Типовые
характеристики современных станций VSAT С-диапазона при
эквивалентной шумовой температуре приемника 60 К и выходной
мощности передатчика 5 Вт приведены в табл. 12.1.
2. Наружный блок БН, реализующей функции
приемопередатчика, состоит из двух основных частей: малошумящего усилителя
(МШУ) с малошумящим приемным конвертером СВЧ/ПЧ (в
англоязычной литературе Low Noise Block — LNB [12.3]) в тракте приема и
конвертера ПЧ/СВЧ в тракте передачи с усилителем СВЧ мощности
(УМ), выполненными в герметичном всепогодном конструктиве.
Приемный блок БН обычно располагается непосредственно на
облучателе антенны с целью уменьшения потерь в приемном СВЧ
тракте до МШУ. Передающая часть БН (УМ и ПрЧ «вверх»)
монтируется на конструкциях АС, подключается к передающей СВЧ
части А ВТ и соединяется с внутренним блоком коаксиальным
соединителем, по которому передаются сигналы ПЧ приема и передачи,
электропитания наружного устройства постоянным током, сигналы
контроля и управления блоком БН.
Большинство производителей станций VSAT выполняют БН в
нерезернироваином варианте, что упрощает конструкцию и удеше-
н-'1яс1 стоимость терминала VSAT. но предъявляет весьма высо-
.475
Kin' требования к надежности этого устройства. Типовые значо
ння выходнов мощности зарубежных БН в С/Ки диапазонах при
использовании твердотельных транзисторных УМ (SSPA) составляют
2.. .30 Вт/1.. .16 Вт. При необходимости увеличения ЭИИМ станций
VSAT используются УМ на основе лампы бегущей волны (ЛБВ).
Современный МШУ в приемной части БН выполняется обычно
на полевых GaAs HEMT транзисторах с минимальным
коэффициентом шума (типовая эквивалентная шумовая температура
современного приемника 200. .220 К в диапазоне 11/12 ГГц и 50.. .60 К в
диапазоне 4 ГГц). Для повышения надежности и удешевления
оборудования VSAT используется технология гибридных монолитных
СВЧ интегральных схем.
Для удобства размещения станции VSAT у пользователя
максимальная длина соединительного коаксиального кабеля между БН
и БВ может быть 100... 200 м.
Излучение станций VSAT в сторону ГО и паразитные излучения
жестко нормируются, причем в связи с возможностью размещения
достаточно большого числа станций VSAT иа ограниченной
территории параметры их излучения должны быть ограничены более
жестко, чем параметры больших ЗС ФСС.
Согласно Рек. МСЭ-Р S.726 «Максимально допустимый уровень
паразитных излучений VSAT» паразитная ЭИИМ станции VSAT в
выделенных ФСС диапазонах частот и при углах относительно оси
ДН антенны VSAT более 7° не должна превышать следующих
значений:
при выключенной несущей:
58 дБпВт в любой полосе 20 МГц в диапазоне частот 6 ГГц.
63 дБпВт в любой полосе 20 МГц в диапазоне частот 14 ГГц;
при включенной несущей:
78 дБпВт в любой полосе 20 МГц в диапазонах частот 6 и 14 ГГц,
В остальной полосе частот паразитная ЭИИМ станций VSAT
при углах более 7° относительно оси ДН антенн ие должна
превышать значений:
при выключенной несущей:
48 дБпВт в любой полосе 100 кГц диапазона частот 960... 10700
МГц.
54 дБпВт в любой полосе 100 кГц диапазона частот 10.7 . .21.2
ГГц;
при включенной несущей:
49 дБпВт в любой полосе 100 кГц диапазона частот 960. . .3400
МГц.
55 лБпВ'1 в любой пологе 100 кГц диапазона частот 3,4. , . 10,7
ГГц.
61 дЬпНт в любой полосе 100 кГц диапазона частот 10.7, , ,21,2
ГГц.
376
67 дБпВт в любой полосе 100 кГц диапазона частот 2J.2.. .40,0
ГГц.
В полосах частот, выделенных ФСС, паразитная ЭИЛМ станций
VSAT по оси ДН антенны не должна превышать 4 дБВт в любой
полосе частот 100 кГц (Рек. МСЭ-Р S.726).
3. Типовой блок внутренней установки БВ (см. рис. 12.5)
состоит из модема и компьютеризированного цифрового
управляющего устройства (контроллера АПКТ), а также речевого кодека. БВ
обеспечивает интерфейс с БН по ПЧ, питанию, дистанционному
контролю и управлению и аналоговый интерфейс с необходимыми
типами оконечного оборудования пользователя для передачи речевой
информации, сигналов факса или телекса.
В варианте телефонной сети VSAT в составе БВ находится
речевой кодек, обеспечивающий преобразование аналогового
телефонного сигнала в цифровую форму; наиболее распространенным
вариантом преобразования является адаптивная дифференциальная РГКМ
(АДИКМ) со скоростью 32 кбит/с в соответствии с Рек. МСЭ-Р G.721,
хотя в выделенных сетях для передачи речевой информации и
сигналов факса по телефонному каналу часто используется АДИКМ с
более низкими скоростями: 24 и 16 кбит/с. Помимо речевой
информации в цифровую форму преобразуются и служебные сигналы
сигнализации, передаваемые по абонентскому телефонному интерфейсу
при установлении соединения.
Система с предоставлением каналов по требованию,
действующая под управлением ЦУС сети VSAT. обеспечивает эффективное
использование пропускной способности спутникового ретранслятора
в режиме незакрепленных каналов, предоставляемых абонентам
сети VSAT no требованию.
В состав модема VSAT включается дополнительный
преобразователь частоты, позволяющий обеспечить частотное разделение при
совместной передаче сигналов контроля и управления, а также
передаваемого и принимаемого сигналов ПЧ по коаксиальному кабелю
между наружным и внутренним блоками станции VSAT.
Скорость передачи информации цифровых модемов телефонных
терминалов VSAT составляет 19,2. .35.0 кбит/с с учетом передачи
дополнительной служебной информации, модуляция — ФМ-2/ФМ-4.
Практически во всех современных станциях модема входит
цифровой кодек (кодер-декодер) помехоустойчивого кода с «прямым»
исправлением ошибок. Наиболее распространенный способ
кодирования применение в тракте передачи кодера еверточного кода (СК) с
относительными скоростями кодирования R=l/2. 3/4 и 7/8. В тракте
приема па выходе когерентного демодулятора ФМ сигналов иеполь-
чуется декодер С К. реализующий один из двух наиболее
эффективных алгоритмов декодирования: И алгоритм Внтерби
(декодирование по методу максимального правдоподобия) и тн 2) носледонатель-
:(77
ный алгоритм в сочетании с «мягким» (квантованным) решением по
каждому принимаемому символу [12.5].
Энергетический выигрыш от применения вышеупомянутых
алгоритмов кодирования (ЭВК) при относительной скорости кода Я = 1/2
составляет 5,5.. .6,5 дБ при вероятности ошибки на выходе Рош =
= 1 ■ 10~6. С увеличением относительной скорости кодирования до
R — 3/4, 7/8 ЭВК уменьшается соответственно на 1.. .2 дБ.
Дополнительное увеличение ЭВК на 2,5...3,0 дБ достигается
при каскадном включении кодера СК и кодека кода Рида-Соломона,
предназначенного для борьбы с пакетированием ошибок на выходе
декодера СК. При использовании в модемах станций VSAT таких
снгнально-кодовых конструкций должны выполняться весьма
жесткие требования к возможности перескоков фазы тактовой и несущей
частот в системах синхронизации когерентных ФМ демодуляторов
ввиду весьма низкого отношения Рс/Рш в рабочей полосе частот.
Генераторное оборудование аппаратуры VSAT содержит в
составе блоков БВ или БН высокостабильный опорный генератор
диапазона частот 10—100 МГц с весьма высокими требованиями к
спектральной «чистоте» и долговременной стабильности частоты
выходного сигнала, который используется для формирования
гетеродинных частот в ПрЧ «вверх» и ПрЧ «вниз». Типовое значение
долговременной стабильности частоты применяемых генераторов не
хуже 1 - Ю-' в год.
4. Система контроля и управления, входящая в состав
аппаратуры станции VSAT, должна соответствовать требованиям Рек. МСЭ-Р
S.729 «Контроль н управление станциями VSAT». Согласно этой
рекомендации каждая периферийная станция VSAT должна работать
под постоянным контролем ЦУС, гарантирующим недопущение
помех другим станциям сети и другим системам при возник ноне ни и
нештатных ситуаций на необслуживаемых станциях VSAT. С этой
целью в сетях VSAT должно быть предусмотрено дистанционное
управление со стороны ЦУС по радиоканалу ЦУС-VSAT частотой и
мощностью передачи станций VSAT в соответствии с сетевым трафиком,
а также запрет на излучение мощности VSAT в аварийных ситуациях.
Во избежание нежелательного излучения в сторону соседних
спутников при случайном смещении положения антенны
необслуживаемой приемопередающей станции VSAT на каждой станции VSAT
необходимо иметь систему защиты (контроля и управления), не
допускающую излучения мощности до тех пор. пока не будет принят
со спутника сигнал с центральной станции управления этой сетью
VSAT.
Расгмоарепный комплект оборудования станции VSAT
обеспечивает организацию одного дуплексного телефонного канала,
предоставляемого в закрепленном режиме или по требованию. Как правило,
378
БВ имеет модульную структуру для нескольких телефонных
каналов и допускает наращивание числа оконечных комплектов
оборудования для увеличения объема трафика. Интерфейс пользователя
реализован в 2-проводном абонентском варианте или в 4-проводном
типа Е&М, рассчитанным на прямое подключение телефонного
аппарата или учрежденческой АТС (УАТС). Типовые параметры
оборудования станции телефонной сети VSAT приведены в табл. 12.2.
Конфигурация центральное управляющей станции
телефонной сети
Центральная управляющая станция (ЦУС) телефонной сети
VSAT (рис. 12.6) содержит антенну большого диаметра с системой
автоматического слежения за спутником, радиочастотное оборудование
и оборудование полосы модулирующих частот. Конфигурация ЦУС
имеет модульную структуру, которая позволяет экономично
наращивать объем сетевого трафика по мере развития сети и расширения
номенклатуры услуг потребителям.
Антенна ЦУС имеет диаметр от 4,5 (6,0) до 11,0 м с цепью
экономии мощности передатчиков периферийных станция VSAT и
энергетического ресурса спутникового ретранслятора.
Радиочастотное оборудование (МШУ, УМ. ПрЧ) полностью
резервируется для повышения надежности работы ЦУС поскольку
■зтот показатель фактически определяет надежность работы сети
YSAT в целом. Если функции центральной станции
ограничиваются только управлением сетью VSAT, то в состав оборудования
полосы модулирующих частот входят только служебные подсистемы:
первичный контроллер системы управления каналами в сетях с
аппаратурой предоставления каналов по требованию (АПКТ), системы
управления к контроля за состоянием периферийных станций сети,
тарификации обслуживаемой нагрузки,
Первичный контроллер АПКТ, являющийся ядром
централизованной системы (ПКТ), выполняет функции контроля и управления
сетью и предоставлением каналов по требованию, взаимодействует по
общему каналу сигнализации (ОКО) с каждым вторичным
канальным контроллером АПКТ терминалов VSAT.
В состав ЦУС. участвующей в трафике, дополнительно
включаются блоки каналообразующего оборудования, модемы, вторичные
канальные контроллеры АПКТ н речевые кодеки, модульно
наращиваемые при увеличении емкости сети. Типовые параметры ЦУС
телефонной сети приведены в табл. 12.2.
Ниже представлены основные системные параметры типовой
спутниковой телефонной сети VSAT с ПКТ:
и режиме ПКТ обслуживаемая нагрузка 250 "дрл при 5 %-ной
вероятности блокировки вылова абонента:
.479
Таблица 12.2
Электрические параметры
Диапазон Ки:
передача, ГГц
прием, ГГц
Диапазон С;
передача, ГГц
прием, ГГц
Диаметр антенны, м
Шумовая температура
приемника:
диапазон Ки, К
диапазон С, К
Выходная мощность
передатчика:
диапазон Ки, Вт
диапазон С, Вт
1 Допустимая длина
соединительного кабеля между БН н ВВ. м
Перестройка рабочей частоты:
полоса, МГц
шаг, кГц
Скорость передачи информации,
кбит/с
Модуляция
Помехоустойчивое кодирование
Рабочая вероятность ошибки
на бит
при Еь/Лъ = 6.5 дБ / Я = I/21
при Еь/No = 7,4 дБ / Я = 3/4
Кодирование речевого сигнала
Климатические условия
Скорость ветра рабочая, км/ч
Эксплуатационная температура:
БН, °С
БВ, °С
Физические параметры
Масса радиотехнического
оборудования VSAT, ki:
при диаметр** aiiicHHhi 0,<»5 м
--- 1.2 м
-"- 1.8 м
•'- гл м
Абонентская станция
VSAT-ТЛФ
Центральная
станция
14,0... 14,5
10,95... 11,2/11,45... 11,7
5,925... 6,425 или 5.850... 6,350
3,400... 4,200 или 3,625... 4,125
0,95... 2,4 | 4,5... 11,0
140 180 (МШУ+ПрЧ)
60 55 (МШУ)
1,0. ..16,0 1 6,0. ..1000
3,0...30,0 | 10,0. ..1000
до 100... 200 —
500,0 —
20,0 —
19.2... 35,0
ФМ-2/ФМ-4 (BPSK/QPSK)
СК, Витерби, Я = 1/2, 3/4
1 • Ю-6
1 М-6
АДИКМ, 32 кбит/с (МККТТ G.721)
80,0 порывы до 100,0
от -40 до +55 (для большинства
климатических зон РФ)
от 0 до +35
35. П
45.0
120.0
-'00,U
~
яно
Окончание таб.*. 12.3
Электрические параметры
физические параметры
Масса БВ, кг
Электропитание:
напряжение сети, В
частота сети, Гц
Абонентская станция
VSAT-ТЛФ
Центральная
станция
И нтерфейс пользователя
Абонентский телефон
АТС или УАТС
5,0 |
1О0...12О±10 % или 220.
50/60±2
2404:10 %
2-проводныв шлейф
4-проводиый Е&М, тип I-V
1 Еь/Na — отношение энергии бита к спектральной плотности
мощности теплового шума.
| МШУ 1 I - ПрЧ
АС *—| мшу —Г i - прч
t ABT
| УМ ПрЧ
(f [Т АВТ
ъ
&
УМ
ПрЧ
д ■
Моден
окн
Модем
окн
АТС/УАТС
или
телефон
Модем
ОКС
LK
Модем
ОКС
Система
управления ПКТ
Рис. 12.6. Функциональная схема ЦУС/ЦЗС телефонной сети VSAT:
АВТ — антенно-волысцюдиый тракт; АС — антенная система; Д — делитель
мощности Г1Ч; МШУ — малошумяишй усилитель; ОКН — одни канал на
несущую] ОКС общий канал сигналы-зашш; ПВ — переключатель волноводный;
ПКТ -- предоставление каналов по грсбованжю; ПрЧ — преобразователь
частоты (вверх/имыз): УМ — усилитель мощности
система ПКТ рассчитана на обслуживание 256 дуплексных
телефонных каналов;
число обслуживаемых оконечных канальных блоков — до
2000 шт.;
надежность спутниковых линий 99,5. . .99,9 Ус с учетом условий
распространения в радиоканале и отказов оборудования.
12.5. Структура сети VSAT для передачи данных
Конфигурация периферийных станций VSAT
Типовой терминал VSAT для передачи данных (ПД) в
спутниковой (ч ги (рис. Г2.7) состоит из трех основных элементов: антенной
3i*l
БВ
SH
ГЦ УМ, ПрЧлаер*»
Лм.-МШУ.ЛрЧптдо
ИНТЕРФЕЙС
(питание.
ПЧ.
НОНТрОЛкИ
управлении)
Модем
Процессор
Интер- 1
фейс г"
Интерфейс
данных
Рис. 12.7. функциональная схема станции VSAT-ПД: МШУ — мало-
щумящнй усилитель; Пд — передача; Пм — прием; ПрЧ — преобразователь
частоты: ПЧ — промежуточная частота; УМ — усилитель мощности
системы (АС), блока наружной установки (ВН) и блока внутренней
установки (БВ). Конструкция и технические параметры антенной
системы и БН станции VSAT-ПД по основным электрическим
параметрам аналогичны параметрам, приведенным в табл. 12.1 и 12.2.
Блок внутренней установки станции VSAT-ПД оборудован
цифровым модемом и устройством цифрового интерфейса с
оконечным оборудованием ПД, которое используется потребителем.
Функции реализации протоколов ввода-вывода сигналов данных,
поступающих на вход БВ, сосредоточены в процессоре обработки данных.
Устройство интерфейса обеспечивает электрическую и физическую
связь между станцией VSAT-ПД и оконечной аппаратурой
передачи данных.
Для удобства пользователей устройство интерфейса обычно
снабжается несколькими портами ввода-вывода данных (от 2 до 16)
и обеспечивает совместимость с различными протоколами. В
большинстве случаев программно или аппаратно реализуются три
основных типа интерфейсов: RS-449/422; V.35; RS-232. Наиболее часто
употребляемые в спутниковых сетях ПД протоколы обмена
данными - Х.25, SNA/SDLC. TCP/IP. В отдельных случаях при установке
дополнительного интерфейсного оборудования возможна реализация
протоколов обмена данными с подключением станции VSAT к
локальной компьютерной сети [12.3].
Типовые параметры оборудования станций VSAT-ПД
приведены в табл. 12.3.
Таблица 12.3
Электрические параметры
Диапазон Ku:
передача, ГГц
прием, ГГц
Диапазон С.
передача. ГГц
прием, ГГц
Диаметр антенны, м
Абонентская станция
VSAT-ПД
Центральная
станция
14.0. ..14,5
10,95...Л.2/11,45...11.7
■5,925... 6,425 inn 5.850... 6,350
3,400... 4,200 пли 3,(>25... 4.125
L ••»■ -4.5 | к,0.'..11.0
382
Окончание табл. 12-3
■Электрические параметры
Шумовая температура приемника:
диапазон Ки, К
диапазон С, К
Выходная мощность передатчика
диапазон Ки, Вт
диапазон С, Вт
Допустимая длина
соединительного кабеля между БН и БВ, м
Перестройка рабочей частоты:
полоса, МГц
шаг, кГц
Скорость передачи сигнала
данных, кбит/с
Модуляция
Помехоустойчивое кодирование
Рабочая вероятность ошибки
на бит
при Eb/No = 5,5 дБ / Я = 1/2]
Климатические условия
Скорость ветра рабочая, км/час
Эксплуатационная температура:
БН, °С
БВ. "С
Физические параметры
Магса радиотехнического
оборудования VSAT, кг
при диаметре антенны 1,8 м
-"• 2,4 м
-"- 3.6 м
-"- 4,5 м
Масса БВ, кг
Электропитание:
напряжение сети, В
частота сети. Гц
Интерфейс пользователя
Интерфейсы
Определение £l/.'V'o гм- в га*
Абонентская
станция VSAT-ПД
250
85
1,5... 8,0
3,0. ..16,0
100... 200
500,0
25,0
Центральная
станция
225 (МШУ+ПрЧ)
85 (МШУ)
8,0... 500
10,0... 600
—
—
—
19,2/19,2/32/64/112/128/192/224/256
384/512/768/1536/1544 или 2048
ФМ-2 (BPSK), 9, 6... 64 кбит/с
ФМ-4 (QPSK). 56...2048 кбит/с
СК, последовательное декодирование
R = 1/2 при 9,6...2048 кбит/с,
Я = 3/4 при 64... 2048 кбнт/с.
R = 7/8 при 192... 2048 кбит/с
1 ■ 10~7
80.0 / порывы до 100,0.
от —40 до +55
от 0 до +35
120,0
200,0
560.0
790,0
15,0
_
100. . . 120 ±Ю % „.-.и 220. .. 240 ±10 %
5U/tiO±3
RS--I49/422 / V.35 / RS-212C / П.703
).[. 12.2.
ж\
12.6. Перечень основных производителей
оборудования VSAT
Рынок VSAT в настоящее время представлен продукцией
ведущих фирм-производителей радиотехнического оборудования для
станций VSAT, готовых станций VSAT для различного трафика,
интегрированных «деловых» систем и сетей VSAT, поставляемых
заказчику «под ключ». Приведем список ведущих зарубежных
производителей [12.3]:
ABB NERA AS — Норвергия
ANT BOSH TELECOM — Германия
ALENIA SPASIO S.p.a. — Италия
AT&T TRIDOM — США
COMSAT TECHNOLOGY SERVICES - США
GILLAM s.a. — Бельгия
GTE SPACENET CORPORATION — США
HUGHES NETWORK SYSTEMS — США
ITI EQUATORIAL SATCOM LIMITED — Индия
MATRA MARCONI SPACE FRANCE — Франция
NEC CORPORATION — Япония
NOVA-NET — США
SATELLITE TECHNOLOGY MANAGEMENT — США
SCIENTIFIC ATLANTA — США
SPAR COMMUNICATIONS GROUP — Канада
SPAR COMMUNICATIONS GROUP США
АО «ИНФОРМКОСМОС» — Россия
НПО «КРОСНА» — Россия
ПО «ИСКРА» — Россия
РТИ им. Минна — Россия
Глава 13
Приемные станции спутникового
телевидения
13.1. Приемные станции «Орбита-2»
и «Москва»
Наиболее массовым звеном систем спутникового
телевизионного вешания являются приемные земные станции (ЗС),
предназначенные для приема со спутника сигналов изображения, звукового
сопровождения и звукового вешания, преобразования их к
стандартам, принятым в наземном вещании, и последующего распределения
среди абонентов.
Одной из первых в мире систем спутникового телевидения стала
распределительная система «Орбита-2». В 70-х и начале 80х гг. было
построено более 90 приемных станций, послуживших основой
распределительной сети телевизионного и звукового вещания.
Типовая станция «Орбита-2» представляет собой круглое в плане здание,
являющееся одновременно опорой для антенной системы с зеркалом
диаметром 12 м. В центральной аппаратной, расположенной под
антенной системой, установлено основное приемное оборудование. В
аппаратных, расположенных вдоль внешнего периметра, размешены
аппаратура электропривода антенны, оборудование соединительных
линий. R состав ЗС «Орбита-2» входят антенная система ТНА-57М
с антенно-волноводным трактом, приемное оборудование
телевизионного комплекса, аппаратура приема сигналов звукового вещания
и изображений газетных полос, а также контрольно-измерительная
аппаратура и оборудование наземной соединительной линии (РРЛ
или кабельной).
В настоящее время станции «Орбнта-2» в режиме только приема
телевидения практически не используются, значительная их часть
переоборудована в приемопередающие и служит для организации
магистральных и зоновых сетей связи.
После запуска семейства ИС'З «Горизонт», имеющих ствол
повышенной мощности, работающий на узконаправленную антенну, ста-
то возможным и экономически эффективным распределение ТВ
программ по поясам вещания с временным сдвигом. Созданная на базе
мощных стволов нескольких ИСЗ «Горизонт» система «Москва»
насчитывает более 10000 приемных станций разных поколений и
модификаций.
385
ylHS^S^nSSS^^^ CXeMa ПЕ,К^?йг,стойки «Москва»: ВУ - ви-
У ^^ВЧф Тг^Г1РИТеЛЬ^Л УТТЧ: ПФ - носовой фильтр; См -
гтель;
Э —
эжсшшдер
усилитель низкой частоты с фильтром, ФПЧ — фильтр
Приемная станция «Москва» значительно проще и дешевле стан-
«Орбвта-2», она не требует для своей установки строительства
ециального технического здания и может размещаться в любом
метении. Станция включает антенну, малошумящий усилитель
МШУ) и приемную стойку, в которой осуществляется преобразовав
е сигнала на ПЧ 70 МГц, усиление и демодуляция полного ЧМ
ала, выделение и демодуляция звуковых поднесущих, Аитен-
а диаметром 2,5 м без автосопровождения обеспечивает устойчи-
ый прием при отклонениях ИСЗ на орбите до ±1,5°. Для станции
Москва» разработаны иеохлаждаемый параметрический усилитель
несколько моделей малошумящих транзисторных усилителей с шу-
овой температурой от 90 до 200 К.
Структурная схема приемной стойки приведена на рис. 13.1.
тонка содержит блок преобразователя частоты (ПрЧ), блок
телевидения (ТЛВ), тракт звукового сопровождения (Зв), тракт звукового
-вещания (РВ), панель контроля и вторичные источники питания.
Сигнал, предварительно усиленный МШУ, поступает в ПрЧ,
который преобразует его в стандартную ПЧ 70 МГц- Источником
сигнала гетеродина в ПрЧ служит транэисторно-варакторная цепь,
состоящая из двухкаскадного усилителя мощности и двух варакторных
множителей частоты высокой кратности (хб и х4). На вход цепи
[поступает сигнал от транзисторного управляемого генератора (УГ),
частота которого может изменяться в пределах (150,2±0,15) МГц под
воздействием управ.чяющего сигнала цепи вывода дисперсии с выхо-
частотного демодулятора (ЧД).
С выхода ПрЧ сигнал поступает на блок ТВ, где
осуществляем усиление, фильтрация и демодуляция ЧМ сигнала. Сигналы
шиегущих г выхода ЧД поступают на тракты Зв и РВ, в которых
выполняются их демодуляция и восстановление исходного
динамического диапазона. Для уменьшения загрузки общего тракта
сигналами поднесущих используются порогопонижающие демодуляторы с
обратной связью по частоте (0C4J, позволяющие снизить порог ЧМ
на 4,. .5 дБ ло сравнению со стандартным ЧД.
Применение в системе управляемого компандирования
позволяет получить выигрыш в отношении сигнал-шум на выходе
звукового канала 15... 18 дБ. Для передачи сигнала управления,
пропорционального огибающей исходного сигнала, используется отдельны*
узкополосный канал, частота которого (1Ю00±125) Гц выбрана вне
полосы передаваемых частот.
Станции разных модификаций отличаются оконечными
устройствами. Базовая модель «Москва-Б» комплектовалась ТВ
ретранслятором РЦТА-70/Р-Г2 мощностью 100 Вт. Для обслуживания
небольших населенных пунктов были разработаны также варианты
станции с передатчиком мощностью 1 и 10 Вт.
Для коллективного приема сейчас выпускается станция с
антенной диаметром 1,5 м, при этом отношение сигнал-вэвешенный шум
составляет 51 дБ. Для индивидуального приема в основной части
зоны обслуживания некоторые производители предлагают антенну
диаметром 1,2 и даже 1 м, хотя последнее значение не обеспечива--
ет необходимого эксплуатационного запаса и недостаточно с точки
зрения пространственной избирательности антенны.
13.2. Приемные установки системы
«Экран»
В диапазоне 0,7 ГГц приемные установки оказались наиболее
простыми и недорогими, что позволило в короткие сроки наладить
их серийный выпуск.
Для подачи ТВ и звуковых сигналов на мощные телевизионные
и радиопередатчики предназначается профессиональный приемник
спутникового телевидения ППСТ1-78. Он выполнен в виде стойки
и содержит входной МШУ, полосовой фильтр и два
полукомплекта приемника, подключаемых к выходу фильтра поочередно с
помощью переключателя ВЧ. В абонентском приемнике резервирование
отсутствует. Принятый сигнал усиливается МШУ, преобразуется в
ПЧ 70 МГц, усиливается и демодулируется стандартным ЧД. а
затем поступает на амплитудный модулятор. Приемник выполнен в
виде настольного блока с габаритными размерами 440x240x165 мм.
масса которого не более 5 кг.
Опыт внедрения приемной сети «Экран» показал, что
основным видом приема является коллективный прием с раздачей сигнала
через маломощный телевизионный ретранслятор, поэтому наиболее
широко выпускаются станции коллективного приема «Экран-КРЮ»
387
Звук
JmiuvL прч JymiL фк J до I» чд
у т пг]т т Y
6П I
БФ »ВКП1
ПДУ» УЗ
.До
УЗ ■* БА » БЛ
• ФТС
тт
упча|»
1
ПврбДмщм актениа
АРУ Y
гОтА
TBrir
Гт
1.5 км
Рис. 13.2. Структурная схема станции коллективного приема *Экрав-
КР10 : АО — амплитудный ограничитель; БА — блок автоматики; ВП — блок
интдиня; ПДУ — пульт дистанционного управления; УЗ — устройство
зашиты: ФК — фазовые корректор
(с передатчиком мощностью 10 Вт) и «Экран-KPl» (с одноваттным
передатчиком). По основным параметрам станции аналогичны и
отличаются только мощностью передатчика.
Структурная схема станции «Экран-КРЮ» приведена на рис.
13.2. Принятый антенной СВЧ сигнал на частоте 714 МГц поступает
на входное устройство, состоящее из транзисторного МШУ и ПрЧ. В
тракте ПЧ сигнал усиливается до напряжения 250 мВ,
необходимого для нормальной работы частотного демодулятора. С выхода ЧД
сигнал изображения вместе с поднесущей звука 6,5 МГц поступает
на блок фильтров (БФ), в котором происходит разделение сигналов
изображения и звукового сопровождения. С выхода видеокорректора
(ВК.П1) сигнал изображения и сигнал звуковой поднесущей
поступают на формирователь ТВ радиосигнала (ФТС). который формирует
полный AM ТВ сигнал на ПЧ 38 МГц. Этот сигнал усиливается
УПЧ2 и поступает на преобразователь частоты передатчика,
состоящий иэ смесителя (См) и гетеродина (Гт). Здесь он переносится на
частоту одного из 12 ТВ каналов и с напряжением 350 мВ поступает на
выходной усилитель мощности (УМ). в котором усиливается до 10 Вт.
Приемные антенны дня всех типов станций «Экран» собраны иэ
полотен типа «волновой канал» со скрещенными вибраторами.
Активный элемент представляет собой отрезок спирали, питаемый
коаксиальным кабелем. Антенна дая станции коллективного приема
выполняется в виде решетки, состоящей иэ четырех таких полотен,
располагаемых в два этажа по два полотна ь каждом. Антенна для
профессионального приема выполнена в виде однородной н
равномерной синфазной решетки, содержащей 32 таких же полотна типа
«волновой канал*. Возможно применение ангенны также с меньшим
числом элементов (16 и 8).
38*
13.3. Структурная схема и технические
параметры приемных установок диапазона
11 12 ГГц
С начала 80-х гг., когда в Европе начиналось интенсивное
освоение диапазона ФСС 11 ГГц, во многих странах интенсивно велись
поиски оптимальных схемных и конструктивных решений узлов
приемной установки диапазона 11. ..12 ГГц. В значительной мере эта
работа координировалась МККР. Отчет 473 МККР [13.1] стал как бы
неофициальным мировым стандартом на приемные установки
спутникового телевидения.
К настоящему моменту определились состав и структурная
схема типовой приемной установки индивидуального пользования. Она
содержит параболическую антенну с диаметром рефлектора от 0,6 до
1,8 м, наружный блок, устанавливаемый на антенне и состоящий из
поляризатора и малошумящего СВЧ конвертера, и внутренний блок
— собственно приемник (тюнер), соединяемый с наружным блоком
радиочастотным кабелем длиной 15. ..30 м.
Структурная схема типовой приемной установки приведена на
рис, 13.3. Сигнал от ИСЗ, принятый антенной системой в
диапазоне частот 10,7. ..11,7 или 11,7... 12,5 ГГц, проходит через блок
выбора поляризации и поступает на вход конвертера. В состав
конвертера входят малошумящий усилитель (МШУ), фильтр
зеркального канала (ФЗК), преобразователь частоты с гетеродином,
стабилизированным диэлектрическим резонатором (См и Гт), усилитель
первой ПЧ (УПЧ).
После первого преобразования частоты сигнал переносится в
полосу частот 0,95.. .2,05 ГГц, усиливается и передается на вход
внутреннего блока. Во внутреннем блоке происходят второе
преобразование частоты, демодуляция, разделение сигналов видео и
звука, перенос сигнала в один из стандартных каналов MB или ДМВ
диапазона.
В последнее время за рубежом появились приемные установки,
обеспечивающие работу во всем диапазоне 10,7. .. 12,75 МГц, в
котором реально осуществляется ТВ вещание в Европе. Они
используют сверхширокополосный конвертер на всю полосу с
переключаемыми гетеродинами, один из которых обеспечивает прием в полосе
10,7... И,8 ГГц, другой — в полосе 11,7... 12,8 ГГц. Тюнер имеет
расширенную полосу входных частот 0,95.. .2,05 ГГц.
Переключение гетеродина осуществляется изменением подаваемого на
конвертер напряжения питания.
К общим характеристикам приемных установок относятся
коэффициент шума конвертера, параметры управления поляризатором,
пределы изменения уровня входного сигнала тюнера, его пороговое
отношение несущаи-шум (C/N), качественные показатели каналов
389
to
Наружный 6noi (инвертер)
Н-м МШУ
ФЭК
См
т
упч
Гт
Внутренний блок (тюнер)
УПЧ1
См
т
по
улча
* чд
Гт
6V
ВыМД
. rpynncaoro
СИГМ! U
ак
ВУ
.Выход
■идеоеипвл»
чд
пука
ЧМ
модуле гор
AM
модулятор
.Выход
радиоканала
т
.ВЫХОД
авукомго
сигнала
Рис. 13.3. Структурная схема
В К - восстанавливающий контур: ВУ -
типовой приемкой установки спутникового вешания: БУ — блок управления:
- видеоусилитель: ПФ полосовой фильтр; ЧД — частотный демодулятор
изображения и звукового сопровождения, пределы перестройки
траста поднесу щей звука и возможность приема сигналов стереовещания,
сервисные функции.
Благодаря успехам электронной техники достигнуты значения
коэффициента шума конвертера 0,6.. .0,7 дБ. Применение
корпусных транзисторов и «мягких» материалов подложки,поэвЬлило
упростить технологию сборки и снизить стоимость конвертера до 50... 60
долл. США.
Параметры сигнала управления поляризатором оадосятся к
числу стыковочных. В приемных установках используются две основ--
ные конструкции поляризатора — механический и магнитный.
Напряжение -электропитания обоих составляет +5 В, а параметры
управления зависят от типа поляризатора: для механического
управляющим сигналом является последовательность импульсов,
длительность которых изменяется в пределах от 0,8 до 2,4 мс. для
магнитного поляризатора — постоянный ток, значение которого может
изменяться в пределах от —50 до +100 мА. Современные модели
приемников высокого класса формируют сигналы для управления
обоими типами поляризаторов.
Все большее распространение находят СВЧ моноблоки,
объединяющие в единой неразъемной конструкции облучатель, ортоплек-
сер. два конвертера и коммутатор выходных сигналов, позволяющий
получить на каждом из выходов (их может быть один или два)
сигнал, принятый со спутника в любой из двух ортогональных
поляризаций. Управление коммутатором осуществляется дистанционно по
СВЧ кабелю путем изменения питающего напряжения с 13... 14 дБ
до 18 В.
К стыковочным параметрам относится также диапазон
изменения уровня сигнала на входе внутреннего блока. Для большинства
моделей внутреннего блока пределы изменения уровня входного
сигнала составляют —90 ... — 60 дБВт, это соответствует максимальной
длине соединительного кабеля примерно 50 М.
Важнейшим параметром внутреннего блока, определяющим
чувствительность приемной установки, является пороговое отношение
несушая-шум. Разработка интегральных микросхем порогопонпжаю-
щих демоду ля-го ров (преимущественно типа синхронно-фазового
детектора) позволила достичь в большинстве моделей значений
7.8 дБ, что на 3. . А дБ лучше, чем у стандартного частотного
детектора. Имеются отдельные сообщения о достижении ('/V = 4 дБ и
даже 2 дГ> (с цифровой обработкой принимаемого аналогового
сигнала).
Качественные показатели каналов изображения и звукового
сопровождения определяются ь значительной степени искажениями
типа «дифференциальное усиление» (ДУ). «дифференциальная фаза»
391
(ДФ) ■ коэффициентом гармоник в звуковом канале. Типичные
значения составляют 5 %. 5° и 2 % соответственно. Отметим, что в
отдельных моделях высокого класса, предназначенных для
использования в системах коллективного приема, значения параметров ДУ
и ДФ достигают 2.. .3 % и 1.. .2° соответственно, а значение
коэффициента гармоник 0,5 %. Высококачественному восприятию
звука способствует также восстановление предыскажений с постоянной
времени 50 мкс и предыскажений согласно Рек. МККТТ J17.
Приемник должен обеспечивать выделение и обработку
звуковых сигналов на любой из поднесуших в полосе частот 5,5.. .8,5 МГц,
причем возможна как настройка на ряд фиксированных частот, так
и плавная перестройка. Большинство конструкций позволяет
наряду с сигналом звукового сопровождения телевидения принимать
стереосигналы звукового вещания, передаваемые в некоторых
спутниковых каналах на дополнительных поднесуших в диапазоне частот
7,0...8,5 МГц, номиналы которых установлены заранее и
соответствуют системе Wegener Panda l.
Для подачи сигналов изображения и звукового сопровождения
на стандартный телевизионный приемник, не имеющий специальных
входов видео и звука, они должны быть соответствующим образом
преобразованы. В большинстве случаев осуществляется формирова
яле телевизионного радиосигнала в дециметровом диапазоне с
параметрами, соответствующими стандарту наземного телевидения:
частота радиоканала может перестраиваться в пределах от 36-го до
43-го, частота поднесущей звука устанавливается равной 4,5, 5,5 или
6,5 МГц в зависимости от стандарта передаваемого сигнала
(соответственно M/N. B/G/H, D/K/K1). Кроме выхода радиоканала
многие модели имеют выходы видео- и звукового сигнала для подачи на
видеомагнитофон или монитор. Часто в модели среднего и
высокого класса встраиваются дешифраторы дая приема скремблирован-
ных программ, работающие от магнитной карточки с записанными
на ней ключами к коду.
В табл. 13.1 приведены типовые параметры приемной установки
среднего класса для диапазонов 11 и 12 ГГц.
Значительное разнообразие отмечается в части сервисных
функций приемных установок. В моделях последних трех-четырех лет
преобладает автоматический режим поиска программы после
нажатия одной-двух кнопок: из памяти извлекается введенная туда ранее
информация о положении антенны, виде поляризации, частоте
настройки селектора, значении поднесущей частоты звукового
сопровождения, стандарте предыскажений в звуковом канале, которая посте
соответствующей обработки подается на исполнительные механизмы.
Часто используется встроенная система зкрамной графики, г
помощью которой процесс перепрограммирования сопровождается
отображением на экране телевизора названий выполняемых операции и со-
392
Таблица 13.1
Параметр приемной установки
спутникового ТВ
Поляризация сигналов
Разнос частот каналов, МГц
Полоса частот радиоканала, МГц
Способ передачи сигналов
изображения и звукового
сопровождения
Частоты поднесущих, МГц
Способ передачи сигналов
звукового вещания
Частоты поднесущих, МГц
Коэффициент добротности
приемной установки, дБ/К
Параметры выходного сигнала
Значение параметра
10,7... 11,7 ГГц
Искажения типа
«дифференциальное усиление», %:
в установках индивидуального
пользования
в установка* коллективного
пользования
Искажения тина
«дифференциальная фаза», град.:
в установках индивидуального
пользования
в установках коллективного
пользования
Коэффициент гармоник в звуко-
выл каналах, %;
в установках индивидуального
пользования
в установках коллективного
пользования
Линейная
П роиэвольиыИ
27; 36
Аналоговая ЧМ
11,7... 12.5 ГГц
Круговая
19, 18
27
Цифровая ФМ
(в перспективе)
5,80; 6,50; 6,60;
6,65; 6,80
Аналоговая ЧМ с
ко мл аудированием
7.02/7,20; 7,38/7.56;
7.74/7,92; 8,10/8,28
от 14 до 24 (в зависимости
от уровня сигнала)
а) видеосигнал в полосе 0... 5 или
0... 6 МГц с размахом 1 В; сигнал
звукового сопровождения в полосе
30... 15000 Гц с напряжением
0,25 В
б) радиосигнал в одном из каналов
ДМВ диапазона, напряжение
5. ..10 мВ
5
1... 2
0.5
Окончание таб.*. iSA
cnyTunitoBoro ТВ
ZLm Нового вещали*
уровень собственного шума дБ
отклонение АЧХ от типовой. дБ:
при 30--.1000 Гц
при 1...ЮкГц
при Ю... 15 кГц
разность уровней на выходах
правого н левого каналов, дБ:
при 30... 1000 Га
при 1 - • Ю кГц
при 10...15 кГц
Пределы перестройки частоты
подлесущеЙ, МГц
Мощность, потребляемая от
сети переменного тока
fMO+g В, 50±2 Гц). Вт
10,7.
Чиячрние параметра.
."il,7 ГГц | П.7...12.ЫГЦ
-70
-1..
-2..
-3,.
. + 1
+ 2
+ 3
1
3
5
5,5... 8,5
не более 40
стояния приемной установки. В памяти могут одновременно
храниться данные для приема от 30 до 200 и более ТВ программ. В цифровых
тюнерах-декодерах число программируемых каналов превышает 500.
Неотъемлемой частью приемной установки становится так
называемый «позиционер» — устройство для управления переводом
антенны с одного ИСЗ на другой в плоскости геостационарной
орбиты. Позиционер выполняется как в виде отдельного устройства
с автономными органами управления и информации, так и
встроенным в приемник.
Как и в телевизионных приемниках высокого класса, важной
сервисной функцией спутникового приемника стало дистанционное
управление, с пульта которого могут осуществляться выбор канала,
подстройка частоты, изменение положения антенны и смена
поляризации, регулировки громкости и другие операции,
Приемные установки для приема в диапазонах 2 6 и 4 ГГц
отличаются от описанных только облучателями и конвертерами
тюнер может использоваться один и тот же дпЯ различных
диапазонов. Единственное дополнительное требование к нему -
возможность переключения полярности видеосигнала, так как "частота
гетеродина конвертера в этих диапазонах располагается выше частоты
принимаемого сигнала. выше частоты
Типичное значение шумовой т^,п,^. „
50 К в диапазоне 2 6 ГГц и 25 ^И ' РЫ КОНВе'1теРа «ттавляет
ЦИЙ" •Ю К й Диапазоне 4 ГГц. огталь-
40
3<И
Ортоплеисар
Конвертер 1
п
Конвертер 2
а
Ортовлексвр
Конвертер 3
а
Коиаер-
тер«
а
а
Вх, 1
В«-2
Вх. 3
Вх,4
МНОГОПОЗИЦИОННЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ
Вых. 1 Вмк.2 Вых. 3 Вых. 4
Q
13/1В В
23 кГц
а
Тюнер 1
.13/18 в
22 кГц
О
13/1В В
22 кГц
а
Тюнер 3
Тюнер 2
.13/18 В
22 кГц
Тюнер 4
Рис. 13.4. Структурная схемаустаиовки коллективного приема с
распределением каналов по первой ПЧ
ные параметры аналогичны характеристикам конвертеров
диапазона 11... 12 ГГц.
13.4. Способы распределения принятых
со спутника программ
Индивидуальный прием представляется довольно
дорогостоящим и не самым универсальным способом решения задачи
многопрограммного спутникового вещания. Для жителей многоквартирных
домов в больших городах установка индивидуальной спутниковой
антенны из-за отсутствия места затруднена, и наиболее" приемлемым
средством оказывается коллективный прием.
Оборудование для коллективного приема содержит те же
составные части, что и оборудование для индивидуального приема
Олимпе заключается в том, что для каждой программы необходим свой
приемник (канальный блок). В коллективных системах обычно
используются антенна большего диаметра (от 1,8 до 3 м) и
двухканальный наружный блок, обеспечивающий возможноость одновременного
приема cni-иалов двух ортогональных поляризаций.
Практически используются два возможных способа par преде
пени», спутниковых ТВ программ - передача ЧМ сигналов в полосе
нерпой П I спутникового приемника 0,95. . .2,05 ГГц или передача AM
сигналов в стандарте наземного ТВ вещания
его Н"ДТ,Й СП°С? предпапагя" Н8Л1"*не у каждого абонента сво-
со шАтрсш.то блока, коллективными являются лишь антенна и
наружный блок. Недостаток рассматриваемого способа
возможность распределения сигналов, принятых только одной антенной на
одной поляризации. Используя специальный многопоэиционный
переключатель и вспомогательные управляющие сигналы (например,
генератор тона 22 кГц), можно ко входу каждого из четырех
приемников подключать поочередно выходы каждого из четырех
конвертеров, установленных, например, на двух антеннах с приемом в двух
поляризациях (рис. 13.4). Устанавливая более сложные
переключатели, делители мощности и усилители, можно увеличивать число
абонентов до 8 и даже до 24. Тем не менее описанный способ
имеет серьезные недостатки — несовместимость с наземным ТВ
вещанием (требуется отдельная кабельная сеть), относительно большое
затухание сигнала в распределительной сети. Его можно
рекомендовать для небольших домов на несколько семей или группы
близкорасположенных индивидуальных домов (так называемая SMATV —
Satellite Master Antenna TV).
Второй способ более универсален, он обеспечивает возможность
приема у абонента на обычный ТВ приемник программ наземного и
спутникового вещания, передаваемых в разных стандартах, с разных
ИСЗ, однако требует на головной станции кабельной сети наличия
большого объема сложного оборудования. Сигналы с различными
поляризациями, принятые несколькими антеннами, демодулируют-
ся, дешифруются, есаи на передающей стороне они подвергались
шифровке, в необходимых случаях осуществляется преобразование
стандарта цветного телевидения, затем формируются AM сигналы в
метровом и дециметровом диапазонах волн наземного ТВ вещания
или в полосах частот, специально отведенных в Европе для
кабельных сетей, и полученные сигналы подаются в общую кабельную сеть.
Глава 14
Антенны земных станций.
Антенно-волноводные тракты
14.1. Особенности антенн
Специфика спутниковой связи, заключающаяся в большой
протяженности трасс между ИСЗ и земными станциями (ЗС),
значительных ослаблениях радиосигналов ва этих трассах, а также в
перемещении (эволюции) ИСЗ на орбите, предъявляет серьезные требования
к выбору типа, конструкции и параметров антенн.
В отличие от бортовых антенн, диаграмма направленности
которых должна быть «согласована» с обслуживаемой территорией
(зоной), антенны ЗС не имеют таких ограничений. Чем больше
размер антенны ЗС, тем в большей степени она может «преодолеть»
ослабление сигналов на трассе и обеспечить большую пропускную
способность системы в целом. Вследствие этого в первых
спутниковых системах использовались антенны параболического типа с
диаметром зеркала 25, 32 м и более. В дальнейшем по мере увеличения
мощности излучения ИСЗ, количественного роста сети ЗС. а также
под давлением экономических факторов возобладала тенденция
сокращения диаметра зеркала антенн до 12, а затем до 5. . .7 м. Для
массовых спутниковых систем (систем телевизионного вещания)
стали использоваться антенны с диаметром зеркала 0,6.. .2,5 м.
Однако антенны ЗС1 остаются сложными сооружениями, поэтому при их
создании стремятся обеспечить максимальный коэффициент
усиления, что. в свою очередь, требует высокой точности изготовления
зеркала антенны, обеспечения жесткости (недеформативности) его
конструкции при ветровых нагрузках и солнечной радиации,
совершенствования облучающих систем. Для снижения влияния внешних
помех (излучения Земли, наземных радиослужб и других
спутниковых систем) необходимо повышение помехозащищенности антенн и
снижение уровня боковых лепестков диаграммы направленности.
В связи с применением поляризационного уплотнения как
средства повышения -»ффективности использования радиоспектра
существенная роль придается поляризационным характеристикам антенн.
что привело к их усовершенствованию, а в ряде случаев — к
изменению конструктивных решений.
Значительную эволюцию претерпели и антенно-волноводные
тракты: увеличилась их многоствольность, широкополосность, улуч-
397
шились поляризационные характеристики, в том числе благодаря
применению устройств адаптивной компенсации составляющих
крогсполяриэация. Для снижения потерь энергии применяются
новые тепы волноводов (с увеличенным сечением и подавлением
высших типов воля), а также лучеводы.
Особенностью больших остронаправленвых антенн ЗС является
необходимость слежения за ИСЗ из-за его движения или
периодических изменений положения на орбите. Для этого в составе антенных
систем предусматриваются механические приводы и
радиотехническое оборудование автоматического наведения.
Теоретические аспекты и описания антенных систем изложены
в [14.1-14.3]. В настоящей главе приводятся определения основных
параметров антенн и описания их типичных конструкций.
14.2. Основные параметры антенн
Основными электрическими характеристиками антенн
являются: коэффициент усиления (КУ), диаграмма направленности (ДН),
коэффициент использования поверхности (КИП) апертуры и
чистота поляризации излучаемых сигналов.
Коэффициент усимнья антенны (относительно изотропного
излучателя) С а показывает, во сколько раз эта антенна создает в
некоторой точке пространства плотность потока мощности большую,
чем изотропный (всенадравленвый) излучатель при подведении к
нему той же мощности. Зависимость Сд от угла <р, отсчитываемого
от главного (основного) направления излучения, Сд(уэ),
называется диаграммой направленности антенны. Соответственно
различают КУ в главном направлении Сд™ = Сд(у? = 0) и в боковых
лепестках ДН Сдбо« = G^{ipi). Обычно на практике пользуются не
пространственной диаграммой направленности, а ее сечениями в
горизонтальной (азимутальной) и вертикальной (угломестной)
плоскостях- Под шириной ДН антенны понимают угловое расстояние между
двумя крайними направлениями, в которых КУ уменьшается в
требуемое число раз; соответственно различают ширину ДН по половинной
мощности Ду*о.5 и ширину ДН по первым нулям А<р00 (рис. 14.1).
Для параболических и рупорных антенн
0'А = 41г5'эф/А2. (14.])
где 5,ф — эффективная площадь их апертуры.
Эффективность использования геометрической поверхности
апертуры антенны Sr характеризуется коэффициентом
использования поверхности , = ,WV M, Mftffl c апертурой дна-
4 = 4S^/i*Dil (f4.2)
3()«
На основании (14.1) и (14.2)
Ga = 4«irSr/A2 = qirDA/\*,
(14.3)
Ширина ДН
Д^о.5 « 70A/Da «
« у/4,9-l&q/Ga- (14-3)
Как видно из (14.3) и (14.4).
при заданных геометрических
размерах антенны ее параметры
(Ga и ^o.s) определяются
значением КИП.
Принципиально КИП всегда меньше единицы,
что объясняется
неравномерностью облучения зеркала антенны,
«переливом» энергии облучателя
за края зеркала, неравномерно-
стями поверхности зеркала и
отклонениями ее формы от требуе-
ДН
изотропного
цаяучат&гя
АНшнттш
Рис. 14.1. Диаграмма налра-
влевиости антевны и изотропного
излучателя (в полярных
координатах)
мой (параболической), частичным затенением зеркала, вносимым
облучающей системой, влиянием опор облучающей системы и другими
факторами. Для обычных параболических антенн q « 0,5.. .0.6.
Стремление к повышению КИП и упрощению антенно-волновод-
ного тракта (АВТ) привело к созданию двухзеркалъных антенн
Кассегрена с улучшенной облучающей системой и модифицированным
зеркалом. Принцип действия такой антенны поясняется рис. 14.2.
В отличие от обычной параболической антенны (рис. 14.2,а) в
фокусе параболы основногх» зеркала /\ антенны Кассегрена (рис. 14.2,6)
помещается второе зеркало, которое имеет гиперболическую форму
и служит переизлучателем (контррефлектором) энергии первичного
облучателя, размещаемого в фокусе гиперболоида и
контррефлектора А. Соответствующим выбором формы поверхности основного
зеркала (модифицированная парабола) и контррефлектора
(модифицированная гипербола) в антенне Кассегрена удается достигнуть
более эффективного облучения поверхности основного зеркала
(определяющего КИП) и снизить эффект «перелива» энергия за край
зеркала (определяющего уровень боковых лепестков). При этом для
однодиапазонных (например, приемных) антенн устойчиво
достигается ц = 0,7; для приемопередающих антенн, работающих в разных
диапазонах частот, оптимизация параметров осуществляется обычно
ЗЯ9
Рис. 14.2. Принцип действия параболических антенн: а — дднозеркаяь-
шЛ; б — явухэдркальвай. в — с вынесенной облучающей системой
в диапазоне частот приема, где q = 0.6., .0,7, а в диапазоне передачи
КИП снижается: q = 0,5...0,6.
Дальнейший путь усовершенствования параболических антенн
состоят в вынесении облучающей системы из главного луча антенны
(ряс. 14.2,в). При этом осйовное зеркало сохраняет параболическую
форму, однако используется лишь сегмент (вырезка) параболоида.
Облучатель или коятррефлектор диаметром DK располагается, как
и ранее, в фокусе главного зеркала. При такой конструкции
сохраняются достоинства двухэеркальных антенн (рис. 14.2.6) и
дополнительно исключается затенение поверхности основного зеркала
антенны контррефлектором и его оиорами, что способствует повышению
КИП и улучшению поляризационных характеристик, В наилучших
экземплярах таких антенн, называемых иногда «неосесимметричны-
ми». достигаются повышение КИП до 0,75, снижение уровня первых
боковых лепестков: —(20.. .25) дБ и повышение РКП до 40 дБ.
Эксплуатационным достоинством неосесимметричных антенн является
более вертикальное (по сравнению с антеннами рис. 14.2,я и б)
положение основного зеркала, вследствие чего оно в меньшей степени
накапливает осадки в виде снега и льда, которые, как было указано
в гл. 5, ухудшают энергетику спутниковых радиолиний.
Из (14.3) следует, что, увеличивая размеры антенны или
повышая частоту излучения (уменьшая А), можно увеличить КУ, что
справедливо до определенного предела (рис. 14.3). В действитель-"
ности по мере увеличения £>д/А возрастает отрицательное действие
неточности выполнения поверхности (неровностей) зеркала,
характеризуемой среднеквадратическим отклонением 6 его поверхности от
расчетной формы. При* £ А/16 это приводит к рассеянию энергии на
неровностях расфаздровке антенны и. как следствие, к уменьшению
КИП и КУ. Примерная зависимость (7д от bfX приведена на рис 14 А
100
ляпа
f
Рис. 14.3. Частотная
зависимость коэффициента усилений
антенны от диаметров и неточности
выполнения поверхности зеркала
б ф (Ц№ Щ2 0,165/2
Ряс 14.4. Зависимость коэффи-
циевта усиленна антеклы от ойи>с#
1«льной неточности выполнения в»*
верхности зеркала о
Можно считать^ что при современной Технологий гёзготовлеинЗ|
зеркал максимальное значение КУ составляет 63.. .65 дБ. а для ю&
сокоточнъгх прецизионных антенн КУ равен 70 дБ.
Форма ДН антенны в первом приближении
6'a(^) = G,a(v3 = 0)J1(u)/u,
(14.9)
где и _ (jrDA/A)siny?; Л — функция Бесселя первого рода от
действительного аргумента. i
Как видно из рис. 14.1, ДН состоит из главного Лепестка в
совокупности боковых лепестков, уменьшающихся по размеру с
увеличением -S. Отрицательное влияние боковых лепестков ДН с^ьюаегсн
в toul что при передаче они могут создавать помеху другим
радиослужбу (наземным и космическим), а при приеме — стать причиной
ухудшения отношения сигнал-шум в приемнике под влиянием
излучений Земли и сигналов других радиослужб. В связи с этим фОрТиа
ДН сортовых и земных антенн регламентируется МККР
Ъ рожиь боковых лепестков для антенн Кассегрена определяется
Г.ГГТ'1* ЗНеРП1И ЗЯ К'РаЯ ОСЙОВиоГо **кала и контррефле^
|м, р<н сеянием на краях н неровностях Поверхности обоихзе^адк
таиж* отражениями от опор контррефлектора. Доля^рши ^
маемой всей совокупностью боковых лепестков эш!Ргая; **&
" Г
С = I, Aw.. G*"ib' *> **/ Ltt 6*«Ь- *>'*>' (ИА)
ГДг "
число оок о в ых лепестков ЛН- П tr< ■_ _i
401
Таблица 111
д^лрн^и^уяеак*
Значение г ПРИ с*ижеими
^лучения к краям зеркала на
В главно» лепестке
В боковых лепестках передней полусферы
В боковых лепестках задней полусферы
Во всей сфере за исключением главного
лепестка .
ф — утлы, отсчитываемые от главного направления в угломестной
я азимутальной плоскостях соответственно; Qrn, Ябок. — простран-
ствеиные углы, ограничивающие главный и боковые лепестки ДН
соответственно.
Количественная оценка с в зависимости от формы облучения
поверхности основного зеркала антенны приведена в табл. 14.1. из
которой следует, что с т 0,2... 0,4.
Методы уменьшения уровня боковых лепестков совпадают с
описанными выше методами увеличения КИП. Эффективным средством
является также применение глубоких зеркал с уменьшенным
фокусным расстоянием Fd (см. рис. 14.2,в). Так, при снижении Fd/DA от
обычного значения 0,45 до значений 0,25.. .0.3 удается снизить
уровень первых боковых лепестков с —17 до -20 дБ, а значение с —
приблизительно до 0,15.
Дальнейшие меры снижения уровня боковых лепестков
состоят в уменьшении затеняющего действия контррефлектора путем
сокращения его диаметра до величины DK ss 0,1 Da при сохранении
DK ^ {5 ... 8)А. применении радиопрозрачных опор, а также в
переводе к антеннам так называемого неасимметричного типа с вынесенной
облучающей системой (рис. 14.2,б). При зтом в качестве
облучателя используют конический рупор, часто заполненный диэлектриком,
а контррефлектор выполняют в виде эллипсоида с большой осью
в вертикальной плоскости. Вынесение облучателя и
контррефлектора из плоскости излучения основною зеркала полностью
устраняет его затенение и влияние опор, а |аКже позволяет увеличить
размеры контррефлектора и сформировать ДН облучающей
гнетено ЗГ'" СПаЛаМИ В Направле"иях на края основного зеркала.
/^ >Г г fТЬ СНИЗИТЬ У|Ювень П(*РвЬ1х бок
-(/о ...JU) лЬ. а боковых ленрггк
\овых лепестков до
т г, <он чэдней полусфепы fin -fiO лБ
Дополнительное преимущество ссхтЬнт в том «^ г
кальному положим* основного ^ркапа в™ '° Г)™ШлаГ'я веРти"
жено скоплению снега и льда. «"«енны оно мнло подвер-
Важиым парамртром антенны является ■*
излучения, -характеризуемая кочффицш ™* 1МГТота «оляризацим
i pwiuifnioM разня жи по крекспо-
-102
„„„ми (РКП) представляющим собой омоикмие (в децибелах)
SSSS &Г£но.но. . „воют—*— «ти»
тих. Для антенн с эллиптической Поляризацией
PKIl=10lg[(l + e)7(l-*)aJ'
где е - отношение малой и большой полуосей эллипса поляризации.
Из (14.7) видно, что при идеальной круговой поляризации (ко-
ГАа Причины появления кроссполяризационной составляющей:
несимметричность излучающих поверхностей антенны, их неровности
и деформации под действием веса и солнечной радиации. Как
принято выше, отклонение формы поверхности зеркал от расчетной
характеризуется среднеквадратической погрешностью *. Другим
показателем является радиус корреляции погрешностей р,
определяющий размер области, в пределах которой погрешности
корректированы (т.е. имеют один знак и близкие значения). На рис. 14.5
приведены зависимости РКП в главном направлении от 6 и р для антенны
двух типов: осеснмметричной (непрерывные кривые) и неосесимме-
тричной (штриховые кривые). Из рисунка следует, что РКП
существенно зависит от 6. причем влияние крупномасштабных
погрешностей с большим радиусом корреляции (например, весовых
деформаций) меньше, чем мелкомасштабных с малым радиусом корреляции.
При этом осесимметричные антенны вследствие их принципиальной
симметрии обеспечивают большее значение РКП. чем неосесиыме-
тричные. При больших значениях г> эти различия нивелируются и
РКП стремится к 25 дБ.
Диаграмма направленности
антенны для кроссполяризационной
составляющей отлична от ДН для основной
компоненты: она имеет минимум глубиной
ЗГ). . .40 дБ в главном направлении и
максимумы в области у? «к Д^о.о/2- причем
чти максимумы лежат в плоскостях Е
п.пп Н для линейно поляризованных
антенн, а для антенн с круговой
поляризацией — п двух ортогональных
плоскостях, расположенных под углом 4о° к
плоскостям Е и Н. Для обычных антенн
максимальное значение РКП состанля
ет 20... 25 дБ: применением специаль- Q QQU QQg flg ^
пых мер fl'1,1 его удается повыси'1'ь до _ . . ••>
,„, .,.., L ,1 " Рис. 14.5. -tabm-имости
•{()... о2дЬ. Поляризационные харак тс- mn
' г КII o'l относительной ие-
piKLHKH земных и Гюрговых антенн гак- точности выполнения
ноже регламентируют*я YIKKP (см. г.ч (5). верхнопи зеркала
РКП,дБ
шл
,, 14.3. Конструкции антенных систем
"" К антеннам ЗС предъявляются следующие требования:
обеспечение высоких электрических характеристик, изложенных
а § 14.2;
сохранение параметров антенны при скорости ветра до 20 м/с
(допускается некоторое их ухудшение при скорости ветра до 25 м/с),
атакжепри воздействии солнечной радиации, снега, гололеда и
других факторов, характерных для климатических условий места
установки антенны;
сохранение целостности (неразрушаемости) конструкции
антенны при скорости ветра до 50 м/с;
возможность переориентации антенны по азимуту и углу места в
угловых пределах и со скоростями, зависящими от типа орбиты ИСЗ;
„ поиск, наведение и автоматическое сопровождение ИСЗ с угловой
погрешностью не более ±0,l^,s;
,„i высокая экономическая эффективность, определяемая стоимо-
,£5гьго антенны и затратами на ее эксплуатацию;
большой срок службы (не менее 10 лет) и высокая надежность,
-характеризуемая коэффициентом готовности (не менее 0,9995) и
возможностью проводить ремонтно-профилактические работы на
антенне без перерыва связи.
»i Антенны обычно классифицируются по диаметру основного зер-
Гкала, так как именно он определяет сложность, стоимость и область
применения всей системы. Общий вид нескольких антенных систем
■показан на рис. 14.6-14.8. Основные параметры некоторых антенн
приведены в табл. 14.2.
Антенная система 30 состоит из зеркала с облучающей систе-
-мон. АВТ. опорно-поворотного устройства (ОПУ) с электросиловым
приводом, аппаратуры наведения и автосопровождения.
Зеркала антенн выполняются обычно из алюминиевых сплавов в
Виде отдельных секций, имеющих требуемый профиль поверхности
Число их зависит от размеров антевны; так, при £>д = 12 м этих
секций 15, а при Da =4 м — 2. Большие зеркала собираются на земле.
на специально подготовленной стапельной площадке; подгонка
секций н юстировка поверхности собранной антенны производятся либо
-г помощью флаг-шаблона, либо методами геодезических измерений.
Для придания зеркалам необходимой жесткости и недеформативно-
-гти вокруг них монтируется ферменный каркас.
_ Контррефлектор крепится на зеркале с помощью трех млн
четырех опор; первоначально он устанавливается в расчетное положение.
а при настройке (фокущровке) антенны его положение подбирается
ОТриментально. В вдч«-ТВе облучателя обычно исполню, конк-
ч,чк„й рупор с внутренней ^ригте* структурой; между рупором и
40-1
Риг. 14.С. Прнемоперелаюшая антенная система с зеркалом
диаметром 25 м
контррефлектором (а иногда на контр рефлекторе) размещается
сканирующая насадка, служащая для периодического качания оси ДН
антенны в процессе автосоировоахденкя.
В ряде антенн непосредственно за зеркалом оборудуется так
называемая подзеркальная кабина (или небольшой контейнер) для
размещения нходного малошумящего усилителя приемника, Для массо-
ьых дешевых антенн применяют упрощенные однозеркальные
облучающие системы в виде логарифмической спирали, возбуждаемой с
помощью коаксиально-симметрирующего устройства.
Опорно-поворотные устройства (ОПУ) могут быть двух ihbob;
полномивпротиые (ПП) и неполноповоротиые (НП). Первые исиоль-
чуются для работы с нестационарными и быетролетящими Ш."3. Они
hmcioj пределы переориентации более ±*280° по азимуту и О, ..W
по уг.чу места. В -лих пределах может осуществляться как jspyoaa
405
Рис. 14.8. Антенная система с зеркалом диаметром 1,6 м
установка антенны, так и точное наведение на ИСЗ. У больших
антенн 1Ш ОПУ выполняется в виде жесткой башни, связанной с
фундаментом и несущими конструкциями технического здания станции
г тем, чтобы при максимальной ветровой нагрузке отклонение осей
подвески зеркала не превышало 2.. .3 угл.мин. Зеркало вращается
с иомощью электросилового привода, имеющего значительную
потребляемую мощность, при этом важно обеспечить малые люфты в
механических зубчатых передачах, чтобы снизить погрешности
ориентации антенны на ИСЗ. С зтой целью в репродукторах больших
антенн применяют специальные люфтовыбирающие устройства
«№
■^ ~?кппт_ "v*--1 ~г ~^*Т9 ~ —
Плрамгт р антнпиы
Диапазон частот. ГГц:
при передаче
при приеме
Глубина зеркала
С ррднек вад рати ч еская
погрешность зеркала, мм
Диаметр контррефлектора, м
КИП:
при передаче
при приеме
Ширина диаграммы, мин:
при передаче
при приеме
Уровень первых боковых ,
лепестков ДН, дБ
Развязка, по кроссполяри-
задии, дБ
по оси ДН
в зоне ±1 дБ
Тип А ВТ
Потери в АВТ, дБ:
при передаче
при приеме
25
6
4
0,45
1,5
2,5
0,55
0.74
8
12
-22
32
30
BBJ
3.0
0.7
Значения параметров при диаметре
основного черкала.м
12
6
4
0,25
0,6
0.64
0,6
0,7
16
24
-16
35
30
ВВ
2.5
0J
14
11
0,25
0,6
0,5
0,6
0.65
8
10
-17
30
25
ВВ
2,0
0,7
7
6
4
0,4
0,6
1,1
0,6
0,7
29
41
-15
32
25
ВВ
2,0
0J
14
11
0,15
0,6
0,86
0,6
0,67
14
16
-17
32
25
ЛВ*
0,8
0,4
4
14
11
0,29
0,4
0.37
0.67
0,7
21
23,5
-14
40
36
ВВ
1.5
0.5
2.5
—
4
0,3
0,3
—
—
0,61
—
120
,
-20
25
22
ВВ
—
0,3
—
12
м
0,3
0,35
—
0,7
—
38
-16
30
31
ВВ
—
0,3
Окомионие табл. Ц.Я
Параметр антенны
Мощность, подводимая к
антенне. кВт
Tim ОПЛ
Диапазон углоп
переориентации антенны, град:
по азимуту
1 по уггту места.
I Пределы точяого навсде-
1 нмя антенны, град.
1
J Максимальная скорость
1 перемещения антенны, град/с
1 Максимальная погрешность
паисдении, уп.мнн
Допустимая скорость ветра, м/с
рабочая
1 предельная
1 Масса антенной системы, т
1 Потребляемая мощность
1 при переориентации, кВт
Температура шумов антенны. Кг
0 чеинте
пол уг.том ri° |
1 ВВ волновод. ТВ — луче
25
5
ПП
±3.10
0... 90
±330
0. ..90
2,5
±1,5
25
50
350
ПО
12
4.5
вод
S
ПП
±шо
0... 90
±280
0,.. 90
6
±2
25
50
50
5
20
4(1
Значения параметров при диаметре
12
1
±280
0... 00
±280
0... 90
В
±1
25
40
50
а
25
60
основного
7
3
ПП
±280
-1...100
.
±280
-1...100
1.5
±3
20
40
6,5
5
20
50
юркала, 1
1
НП
±46
0,.. 90
±3,5
0,05
±3
25
55
6,5
0,5
25
65 J
и
4
1
НП
Q... 360
0... 80
±6
0,15
±3
30
50
1
0,25
20
60
2,5
—
НП
±90
0. ..60
±5
0,15
±5
30
so
0,25
0.12
25
70
—
НП
±90
о...«о
±5
0.15
±2
30
50
0,25
0.12
25
65
BitipoJt тнл — НП ОПУ — предназначен для работы с геосташ*-
оиарными ИСЗ, нестабильность положения которых обычно не
превышает ±1,5С; соответственно в НП ОПУ имеются механические
приспособления (кронштейны и талперы) для грубой установки зеркала
вручную в пределах ±90° и маломощный электросиловой привод для
точного наведения антенны в пределах 3.. .5 .
В процессе автосопровождения ЙСЗ перемещается либо
зеркало вместе с облучающей системой, либо только облучатель с
контррефлектором. В последнем случае энергозатраты на наведение
антенны значительно меньше, однако при качаниях облучающей
системы неизбежно происходят некоторая расфокусировка антенны и
соответствующее ухудшение ее параметров: однако это ухудшение
незначительно.
Для сохранения параметров антенны (в особенности
поляризационных характеристик) при снеге и гололеде применяют
искусственный подогрев зеркала и облучающей системы с помощью
электрических нагревателей, монтируемых на задней поверхности зеркала.
Так как необходимая дня подогрева электрическая мощность
велика (около 0,8 кВт/м3), нагреватель устанавливают лишь в нижнем
секторе антенны, где скопление снега и льда более вероятно, а
также на контррефлекторе. Для предохранения антенны от влияния
солнечной радиации ее излучающие поверхности покрывают радио-
прозрачными диффузионными красками,
Дальнейшим направлением усовершенствования земных антенн
является применение гомологических конструкций, позволяющих
производить автоматическую подстройку формы поверхности
зеркала при переориентации антенны и устранять влияние весовых
деформаций: при этом должна осуществляться и фокусная
компенсация путем подстройки контррефлектора. Антенны гомологической
конструкции имеют более высокий КИП и существенно лучшие
поляризационные характеристики.
14.4. Антенно-волноводные тракты
Антенно-волноводиый тракт является промежуточным звеном
между передающим устройством и антенной (при передаче) и
между антенной и приемным устройством (при приеме). В
многоствольных станциях А ВТ выполняет также функции совмещения
(объединения) сигналов нескольких передатчиков и разделения их при ири-
емг; а станциях, работающих с поляризационным уплотнением, А ВТ
должен обеспечивать сложение и разделение сигналов с различной
поляризацией.
В современных 3(_' применяются два типа АВТ: волноводные
и лунные. Типичная структурная схема тракта волноаодного
типа приемопередающей многоствольной М' приведена на рис. 14.9.
От облучателя J принятый антенной сигнал через герметизирующую
III!'
Рис. 14.9. Структурная схема АВТ волноводного типа
секцию £ по волноводу круглого сечения 3 поступает на блок
поляризации 4> преобразующий один вид поляризации (вращающийся) в
другой (линейную) и выделяющий сигнал с линейной поляризацией,
который далее через угломестное вращающее сочленение 5,
герметизирующую вставку 6 и входной заградительный фильтр ?, служащий
для защиты приемника от сигналов передатчтса, поступает на вход
приемника 8. Эта схема предполагает, что входной блок
приемника установлен в азимутальной кабине антенны. Беля он установлен
в подзеркальной кабине, которая вращается вместе с зеркалом
антенны, то из схемы исключается вращающее сочленение 5, Участок
тракта от выхода блока 4 ДО входа приемника 8 выполняется на
прямоугольных волноводах, сечение которых соответствует
используемому диапазону частот.
В направлении передачи сигналы нескольких передатчиков 9
объединяются в устройстве сложения 10] далее через
герметизирующую секшпо 11 и вращающиеся сочленения (азимутальное IS и
угломестное 13) поступают на блок поляризации, который
преобразует линейную поляризацию передаваемых сигналов в круговую [с
направлением вращения, обратным по отношению к принимаемым
сигналам) и тем осуществляет совмещение сигналов приема и
передачи. Передающий тракт от выхода устройства сложения 10 до
входа блока 4 выполняется на волноводах прямоугольного сечения.
Для защиты передающего тракта от СВЧ пробоя в нескольких (двух-
четырех) его точках ставятся фотодатчики, подключаемые к блоку
аварийного отключения передатчиков. Для предотвращения
конденсация воды и окисления наружный тракт с помощью дегидратора
Ц заполняется сухим теплым воздухом под небольшим избыточным
давлением. Кондиционируемая часть тракта отделена от остальной
герметизирующими секциями 2, 6 и //. В земных станциях,
работающих па передачу и прием с двумя поляризациями одновременно.
410
поляризационный блок должен иметь по два входа я выхода; яри
этом конструкция его существенно усложняется-
Достоинством тракта волноводного типа являются простота
технической реализации и невысокая стоимость. Такой тракт
обеспечивает вполне приемлемые показатели в диапазонах частот до 6 ГГц
при работе без поляризационного уплотнения. Недостатками
являются большие потери в тракте передачи (особенно в антеннах с
большим диаметром зеркала, в которых длина передающего тракта может
достигать 50 м) и трудности получения высокой кроссполяризадион-
ной развязки. Дополнительные проблемы возникают при переходе
в диапазоны частот выше 10 ГГц. Здесь из-за малых сечений
прямоугольных волноводов и относительно больших потерь
приходится принимать меры по принудительному охлаждению АВТ.
Частично эти недостатки удается устранить, выполнив отдельные участки
тракта на волноводах увеличенного сечения, которые имеют
соответственно меньшие удельные потери. Для согласования увеличенного
волновода со стандартным и поглощения высших типов волн
применяются специально согласующие переходы.
Наилучшие технические характеристики имеет АВТ лучеводно-
го типа. Структурная схема такого тракта показана на рис. 14.10.
Сферическая волна, излучаемая коническим рупором i. из точки
Р-[ попадает на эллиптическое плоское зеркало 2, наклоненное под
углом 45°. а затем на эллиптическое параболоидное зеркало .?,
фокус которого находится в точке F\. Если расстояние Р\А\ и A\Fz
равны, т.е. точка Р\ совпадает с отражением точки Fi в зеркале 2,
в зеркале '3 сферическая волна рупора / трансформируется в
плоскую волну и в таком виде переизлучается на параболоидное зеркало
J,, аналогичное зеркалу 3. Зеркало 4 совершает обратное
превращение плоской волны в сферическую с фазовым центром в фокусе
F'i, но плоское зеркало 5 переизлучает эту волну так, что фазовый
центр F-- переносится в точку Pq-
Таким образом, совокупность четырех зеркал обеспечивает
перенос фазового центра рупора Рх в точку Р? (фокус
контррефлектора) с- сохранением формы излучаемой волны. Из точки Р2 волна
попадает на контррефлектор 6 и излучается в эфир зеркалом ?. В
режиме приема все преобразования происходят в обратной
последовательности. При вращении антенн по азимуту (вокруг оси АхАп)
все четыре зеркала вращаются одновременно без изменения
взаимного расположения. При вращении антенны по углу места (вокруг
оси В\В<.) вращается только плоское зеркало 5. Поскольку ось
вращения проходит через центр этого зеркала, оно также не"изменяет
хода лучей в процессе поворота. Следовательно, лучевод передает
СВЧ энергию от облучателя к контррефлектору при всех
положениях основного зеркала антенны. Благодаря большим размерам
зеркал лученода (30. . 4ОА), обеспечивающим практически полный пере-
411
г«п
Рис. 14.10. Структурная схема АВТ лучеводного типа
хват и переотражение знергии, отсутствию вращающихся сочленений
и волноводйыхгекцнй лучеводный тракт имеет весьма малые потери
на передачу и прием (0.25 .0,3 дБ). Важным конструктивным
достоинством лученода является то. что все остальные элементы тракта
(гермегиэирумщяи секция Н, блок поляризации 9. устройства
сложения мощности передатчиков 10 и заградительные фильтры прием ин
ков U) вместе с рупором / могут размещаться под антенной вну ipi'
технического здан и и земной станции н непосредствен мой близости к
передатчикам 12 и приемникам И, Веледп ти- неподвижности руно
ра и блока поляризации облегчаются условия рабсмы на диух ноли
412
ричпцнях. Поляризационные характеристики и надежность лучевод-
ного тракта выше, чем волноводного, однако требования к точности
изготовления его элементов так;*£е существенно выше. „
Следует отметить, что приведенные описания волноводных
трактов в основном характерны для многоствольных земных станций
с большими антеннами. Действительно, мйагаствоЛьностэь станшш
подразумевает наличие на ней, нескольких передающих устройств,
которые из-за габаритных размеров и веса не всегда удается
расположить в непосредственной близости от облучателя и приходится
выносить в техническое здание. Большой размер зеркала антенны
приводит соответственно к большой длине волноводных трактов.
Для простых одноствольных приемопередающих земных станций
с диаметром антенн 1,5.. .4 м и передатчиком мощностью 5.. .50 Вт
этой проблемы практически не существует, так как передатчик:
располагается непосредственно у облучателя (за основным зеркалом
антенны) и в составе А ВТ остаются лишь элементы J, 2, ■) и 4 (из
рис. 14.9).
Наиболее распространенные антенны спутникового
телевизионного вещания, являющиеся чисто приемными, для максимального
упрощения выполняются однозеркальными (по схеме рис. 14.2,я): в
них элементы J, 2 и 4 совмещаются непосредственно в облучателях.
Глава 15
Земные станции систем подвижной
спутниковой связи
15.1. Номенклатура земных станций
Системы подвижной спутниковой связи (ПСС) предназначены
для организации связи между абонентами наземных сетей общего
пользования и подвижными терминалами, устанавливаемыми на
подвижных объектах, например морских и речных судах, самолетах,
автомобилях, железнодорожных поездах и т.д. (см. гл. 20).
Станция систем ПСС в зависимости от занимаемого ими места в
иерархии системы и выполняемых функций разделяются на три вида:
1) подвижные терминалы пользователей (абонентские станции);
2} стационарные станции;
3) станции управления сетью (иногда их называют
координирующими станциями).
При разработке любой системы ПСС определяются требования.
которым должны удовлетворять все станции данной системы, к
энергетическим характеристикам станций, параметрам информационных
и сигнальных каналов, методам модуляции, протоколам доступа.
Основные характеристики некоторых абонентских станций
существующих и планируемых систем ПСС приведены в табл. 15.1.
Каждая станция, прежде чем она будет допущена к работе в дан
ной системе, должна пройти сертификационные испытания.
15.2. Структурные схемы абонентских
станций
Наиболее важным члсментом любой системы ПСС' являются або
нентские станции, поскольку именно чти станции устанавливаются
на подвижных средствах и именно к ним предъявляются наиболее
жесткие требования, вытекающие из особенностей их использования
"Эти станции должны обладать:
максимальной помехоустойчивостью;
минимальными июаригными размерами и массой;
минимальным энергопотреблением при максимальном КПД,
достаточной для данного клагса станций механической
прочностью.
высоким уровнем автоматизации, практически исключающим
вмешательство оператора в процесс установления связи
111
V
.характеристика
абонентской
станции
Служба
Вид модуляции
Максимальная
скорость
передачи
Кодирование
Максимальная
ЭИИМ. дБВт
С IT. дБ/ К
Требуемое С/No,
яБГи
Стандарт А
пес
Inmarsat
Морская
ЧМ
Нет
.17
-4
52
Стандарт С
пес
Inmarsat
Морская
BPSK
600 бит/с
С'верточное,
скорость 1/2
1Л.5
-23
35.3
АЭРО
пес
MSAT
Авиационная
QPSK
5.25 кбит/с
Сверточное.
скорость 1/2
12
-13
45.4
LAND
пес
MSAT
Сухопутная
QPSK
4,8кбит/с
Сверточное,
скорость 2/3
16.2
-13
46,3
LAND
пес
ACS
Сухопутная
QPSK
4,8 кбит/с
Сверточное,
скорость 2/3
16.2
-13
46.3
Таб
Стандарт М
пес
Марафон
Морская
QPSK
6,4 кбит/с
Сверточное,
скорость 3/4
37
-10
42,1
лица 15.1
i
PRODAT-2
пес
Prodat
Сухопутная
QPSK
600 бит/с
Рида-
Соломона
15
-23
38,5
В настоящее время,для использования в различных системах
ПСС разработано н введено в эксплуатацию большое количество
абонентских станций (терминалов пользователя). Эти станции
отличаются друг от друга прежде всего перечнем предоставляемых услуг
и принадлежностью станции к той или иной подвижной
спутниковой службе Xморской, авиационной или сухопутной), что определяет
их конструктивное исполнение.
Современные абонентские станции могут предоставить их
владельцам следующие виды услуг;
автоматическую дуплексную телеграфную связь в
направлениях «абонентская станция (АС) — наземный абонент (НА)» и
обратно: «НА-АС»;
автоматическую симплексную телеграфную связь в
направлении «НА-АС»;
автоматическую дуплексную телефонную связь (аналоговую) с
компааднроваяием в направлениях «АС-НА» и обратно: «НА-АС»;
канал автоматической дуплексной телефонной связи
(аналоговой) без компандировання в направлениях «АС-НА» и обратно:
«НА-АС» (предназначен для передачи данных или факсимиле со
скоростью 2400 бит/с в полосе телефонного канала (ТЛФ) канала).
циркулярные (широковещательные) вызовы групп абонентских
станций в режиме телеграфа,
передачу сообщения с коммутацией, накоплением и переприемом
при скорости передачи 300 или 600 бит/с;
циклический опрос абонентских станций в трех режимах —
индивидуальном, групповом и зоновом:
автоматическую дуплексную и симплексную цифровую
телефонную связь в направлениях «АС-НА» и обратно;
передачу данных (ПД) со скоростью 240U бит/с (включая
факсимиле) в полосе телефонного канала в направлениях «АС-НА» и
обратно: «НА-АС»:
телексную дуплексную и симплексную связь (50 бод, кол МТК"2),
включая возможность группового вызова а направлении «НА А( V
факсимильную связь при информационной скорости передачи
Я 0 кбит/с;
низкоскоростную (300 бит/с) и высокоскоростную (У,<> кГипЛ■)
irqirjaMv данных с возможностью доступа в наземные сети г
коммутацией каналов и пакетной коммутацией.
Каждая разновидность абонентских станцмп реализует
определенный набор yrivi (так называемый стандарт). Выбор <raii.i.i|ii;i
накладывает уелньие на ч тектрнческие параметры станции. n;i]i;ii<-
тгригтнкн канала гвячи. используемые протоколы мпоюстанишш-
ного догтупа и тл.
Принадлежи-nil- к 1>>п или иной спутиикотзой службе определит!
требуемый набор уг.туг. поскольку объемы передаваемой иифпрма-
1lfi
или в различных спутниковых службах существенно различаются.
Современные абонентские станции в зависимости от используемого
набора, услуг имеют в своем составе антенные системы различной
конфигурации — от параболических антенн с диаметром 0,9 м до
всенаправленных антенн.
Следует иметь в виду, что абонентские станции, реализующие
один и тот же перечень услуг, но работающие в разных
спутниковых службах, будут обладать различными параметрами, такими как
характеристики используемых антенн, ЭИИМ и т.д. Это вызвано
прежде всего различием в параметрах движения того или иного
подвижного объекта. Так, станции морской или авиационной службы
должны обеспечивать наведение антенных систем на выбранный
космический аппарат и сохранение энергетических характеристик
радиолиний при любых эволюциях подвижного средства (изменение
курса, различные виды качки и т.д.). Станции сухопутной службы
должны обеспечивать наведение антенных систем только при смене
курса. Это приводит к существенному усложнению систем
наведения антенн станций морской или авиационной службы, а также к
изменению требований к основным энергетическим параметрам
станций (ЭИИМ и G/T).
В качестве примера в табл. 15.2 приведены основные
характеристики станций некоторых систем ПСС, принадлежащих к разным
видам спутниковой службы и реализующих соответственно
различные виды услуг.
Обобщенная структурная схема абонентской станции
приведена на рис. 15.1.
В состав любой абонентской станции входят: приемопередающее
оборудование (включая антенную систему, малошумящий усилитель,
усилитель мощности, понижающий и повышающий преобразователь
и формирователь опорной частоты); каналообразующая аппаратура
(включая синтезатор частот, преобразователи чагтоты приема и
передачи, демодулятор и модулятор); тракт цифровой обработки
сигналов (включая скремблер/дескремблер, кодек исправления ошибок,
кодек телефонного канала, устройства синхронизации);
управляющий процессор и внешнее оборудование (телефонное оборудование,
факсимиле и т.д.).
Передача информации в современных абонентских станциях,
использующих протоколы различного вида, производится в виде
кадров определенной длины, содержащих строго заданное количество
временных полей. Каждый кадр включает поля кадровой и
цикловой синхронизации, информационные поля и т.д. Информационные
поля состоят из полей собственно информации и полей, по которым
передается информация «внутриполосовой»сигнализации,
используемая дли проверки канала, набора номера и т.д. Для формирования
417
Таблица J3.Z
Характеристика
абонентской
станции
Служба
Предостааляе-
емые услуги
1
1
Сатурн В
ПСС Inmarsat
Морская
ТЛФ (цифровой со
скоростью коди-
вания 16 кбит/с);
ФАКС (2,4 кбпт/с;
9,6 кбнт/с)^
ТЕЛЕКС (50 бод);
ПД (9,6 кбит/с)
[ Тип антенны 1 Параболическая,
J j Da = 0.9 м
\ Вид доступа1 J ЧРК/ОКН
1 Максимальная
ЭИИМ, дБВт
J G/Г. дБ/К
1 Масса, кг
Электропитание
1 ЧРК — ча
33
-4
110
10... 34 В,
110 Вт
стотное разделение
каналов.
Сатурн ММ
ПСС Inmarsat
Морская
ТЛФ (цифровой
со скоростью
кодирования
4,8 кбит/с);
ФАКС
(2,4 кбит/с)
Плоская решетка
ЧРК/ОКН
27
-10
26
20... 30 В,
4 А
каналов; ОКН —
Cvrypif MC
ПСС Inmarsat
Сухопутная
ТЛФ (цифровой
со скоростью
кодирования
4,8 кбит/с);
ФАКС
(2,4 кбит/с)
Плоская решетка
ЧРК/ОКН
25
-12
9
10. .. 34 В,
Серия 1000
ПСС MSAT/ACS
Сухопутная
ТЛФ (цифровой ,
со скоростью
кодирования
6,4 кбит/с);
ФАКС
(2,4 кбит/с)
Всенаправленная
ЧРК/ОКН
18
-17
8,5
20... 30 В,
Продат-2
ПСС Prodat
Сухопутная
ПД (600 бит/с)
Всенаправленная
КРК
15
-24
10,5
20... 30 В,
105 Вт 4 А 4 А
один канал на несущую; КРК — кодовое разделение
AC
1
1
1
сн
«9
i'
д
<: ■
УМ
„
Прч1
т
воч
*
Прчг
Пр-ij
i
f
ПрЧ4 1-
СЧ
к
* Демодулятор
,
КэналооБ-
раэулщая
аппаратура
ОГ
«^—
N.
Управляющий
процессор
ftft
: внешней
. аппаратуре
Рис. 15.1. Обобщенная структурная схема абонентской станции: АС — антенная система; Д — дуплексор;
МШУ — малошумяший усилитель; ОГ — опорный генератор; ПрЧ — преобразователь частоты; СН — система
наведения: СЧ — синтезатор частоты; УМ — усилитель мощности; ФОЧ — формирователь опорных частот. На всех рисунках
цифровой опт нал. * ■ — аналоговый сигнал
От ТЛФ .
оборудования
ТЛФ кодер
Команды
вкутрипояосовой
сигнализации от УП
Команды от УП
К ТЛФ «
оборудованию
ТЛФ декодер
Команды
внутриполосоаой
сигнализации к УП
Мульти-
гмексер
Скремблар
Демуль-
гигмексер
Сеерточный
Даскремб-
лер
Синхронизации
■ К модулятору
ОтУП
КУП
Саерточный
декодер
Синхронизация
*— От демодулятора
Рис. 15.2. Структурная схема тракта цифровой обработки: УП — управляющий процессор
деях кадров служит тракт цифровой обработки сигналов. Струк-
тупяая схема тракта приведена на рис. 15.2.
Каждая абонентская станция осуществляет постоянный прием
общего канала сигнализации на частоте, жестко закрепленной за
данной спутниковой сетью. При приеме сигнальвого сообщения,
относящегося к данной абонентской станции и определяемого по
идентификационному номеру {закрепляемому индивидуально за каждой
станцией), управляющий процессор станции производит
расшифровку сообщения и вырабатывает команды в соответствии с
алгоритмом работы системы.
15.3. Структурные схемы стационарных
станций
Основным назначением стационарных станций являются прием
п передача связных сигналов от абонентских станций,
устанавливаемых на подвижных средствах или в удаленных районах,
обработка этих сигналов в соответствии с принципами формирования
сигналов и протоколами информационного обмена, принятыми в системе
связи, использующей данную станцию, а также сопряжение с
наземными телефонными сетями (или сетями передачи данных) общего
пользования, ведомственными и выделенными коммутируемыми и
некоммутируемыми наземными телефонными сетями и сетями
передачи данных.
Стационарная станция является центром коммутации наземных
каналов связи (цифровых или аналоговых) и спутниковых каналов.
Помимо этого стационарные станции осуществляют прием
сигнальной иди служебной информации от абонентских станций и станций
управления сетью и обработку этой информации для управления
работой абонентских станций в соответствии с принципами
формирования сигналов и протоколами информационного обмена,
принятыми в системе связи, использующей данную станцию, а также
передачу сигнальной и служебной информации к абонентским станциям
и станциям управления сетью.
Требования к стационарным станциям определяются
характеристиками используемого в данной системе спутника-ретранслятора и
типами абонентских станций. Характеристики
спутника-ретранслятора определяют диапазон рабочих частот, энергетические
характеристики станции, а следовательно, и типы используемых антенных
гнетем Типы используемых абонентских станций определяют
состав канального оборудования, параметры каналов и методы
многостанционного доступа. В табл. 15.3 приведены основные
характеристики некоторых стационарных станций действующих и
планируемых систем ПСС.
Максимальная ЭИИМ каждой стационарной станции задается на
основе числа и типов используемых сю каналов с учетом требований
Ш
Таб
л и а а 15.3
Характеристика
стационарной
станции
Диапазон частот,
ГГц
Диаметр
антенной системы, м
Уровень боковых
лепестков,
1° < Q < 48°
G/T, дБ/К
Макс имальн ая
ЭИИМ, дБВт,
при числе каналов
Служба
пес
Inmarsat
4/6
12
32-251gO
32
72
не более 16
Морская+
Сухопутная
пес
MSAT
12/14
' П/4,5
29-25igQ
37/28
Авиацион-
ная+Су-
хопутная
пес
Марафон
4/6
4,8
29-25)gQ
22
71
не более 15
Морская+
Авиационная +Сухо-
путная
пес
Prodat
12/14
4,8
29-251&Q
28
Сухопутная
на подавление интермодуляционных продуктов третьего порядка-
значения которых для современных станций составляют 30.. .35 дБ
(для двухеигнального режима).
В последнее время бурно развиваются сети передачи данных, в
структуре которых стационарные станции выполняют функшга узла
коммутации базовой сети обмена данными. Поэтому в основу
построения устройств сопряжения станций с наземными сетями
закладываются принципы взаимодействия открытых сетей, определенные
в эталонной модели взаимодействия открытых систем ('ЗМВОС'). в
соответствии со стандартом ISO 74^8 и Рек. МККТТ Х.200.
Обобщенная структурная схема стационарной станции системы
П('С приведена на. рис. 15.3.
Каждая станция осуществляет:
прием общего канала сигнализации от станции упра&1ення
сетью;
прием общею канала запроса от абонентских станций,
работающих в данной спутниковой сети на частоте, жестко закрепленной
за данной спутниковой сетью;
передачу и прием информационных каналов (телефонных и
передачи данных) на частотах, выделяемых по требованию станцией
управления сетью из полосы час ют. закрепленных за данной
спутниковой сетью;
прием питот-сшиалон системы автоматической коррекции
частоты (А КЧ)
1*21
•si
•с
AC
К
vm-c
н
МШУ-L"
к
УМЧ." ■*—J
Опу
МШУС
н
прч
ПрЧ
ПрЧ
ПрЧ
АКЧ1
$=J>kVBK
ГПС1
ПрПС1
лкчг
ГПС2
Е
«УВК
ПрПСЯЛрСН
л
Каиалооораэув-
ща» »mnp»TVpJ
информационны*
сигналов
К системе
АКЧ
Каиалообраэую-
щм аппаратура
сигнальной
информации
Коммутатор
ТЛФ
аналов
т
I ТЛФ1
Коммутатор
анаяоа ГЩ
]=■
сетям ПД
УВК
Рис. 15.3. Обобщенная структурная схема стационарной станции: ГПС — генератор пилот-сигнала; МШУ «L» в
«С» — малощумяжне усилители диапазонов ] ,6 и 6,0 ГГц; ОПУ — опорно-поворотное устройство; ПрПС — приемник пжлот-
сигнала; ПрС'Н — приемник системы наведения антенны; УВК — управляющий вычислительный комплекс; УМ «L» и «С»
— усилители мощности диапазонов 1,6 и 6.0 ГГц. Остальные обозначения см. на рис. 15.1
В состав любой стационарной станции системы ПСС входят:
приемопередающий радиочастотный комплекс; комплекс каналообразу-
ющей аппаратуры; аппаратура управления доступом и
сигнализации; автоматический телефонный коммутатор; автоматический
телеграфный коммутатор; автоматический центр коммутации сообщений;
аппаратура управления и контроля состояния технических средств
станции.
Приемопередающий радиочастотный комплекс станции системы
ПСС состоит из антенно-фидерной системы (как правило, двухдиа-
паэонной), приемных устройств диапазонов фидерных линий и
используемого диапазона ПСС (включая МШУ, понижающие
преобразователи), тракта ПЧ (включая амплитудные и фазовые корректоры
и систему разветвления сигналов ПЧ), передающих устройств
диапазонов фидерных линий и используемого диапазона ПСС
(включая тракт ПЧ с амплитудными и фазовыми корректорами в
системой образования группового сигнала, повышающие преобразователи
и усилители мощности).
Поскольку в системах ПСС используются в основном
узкополосные сигналы, в стационарные станции систем ПСС вводится
система АКЧ, предназначенная для компенсации частотных уходов
несущих частот сигнальных и информационных каналов в
радиолиниях, вызываемых нестабильностью частоты бортовых
ретрансляторов и повышающих преобразователей частоты стационарной
станции. В настоящее время в станциях систем ПСС используются
цифровые системы АКЧ (структурная схема такой системы
приведена на рис. 15,4).
В состав стационарной станции входят два приемника, осуще
ствляющих прием пилот-сигналов, излучаемых специально
выделенными для этой цели станциями (как правило, станциями
управления сетью) как в диапазоне фидерных линий, так и в
используемом диапазоне ПСС и ретранслированных бортовым
ретранслятором. Приемники пилот-сигналов производят измерение текущей
частоты принятого пилот-сигнала и преобразуют его в цифровую
форму. ЭВМ стационарной станции производит сравнение измеренного
значения с эталоном (значение частоты пилот-сигнала известно с
высокой степенью точности), Измеренная разность после
соответствующих преобразований вводится (с обратным знаком) в
повышающие преобразователи частоты, Благодаря зтому значение частот
на выходе соответствующих трактов бортовых ретрансляторов
принимает номинальное значение.
Комплекс каналообразующей аппаратуры стационарной станции
предназначен для преобразования информационных сигналов,
поступающих на станцию из наземной сети, а также сигнальной
информации, поступающей от аппаратуры управления доступом и
сигнализации, в сигналы принятых в данной системе протоколов инфор-
12:1
к ко
Деиодг
мтор
ппс
ПрЧ4
делитель
(> сч
Рис. 1&.4. Структурная схема цифровой системы автоматической
коррекции частоты: ИЧПС — измеритель частоты пилот-сигнала; КО — канало-
обрвзуюшая аппаратура. Остальные обозначения см. на рис. 5.1, 5.3
машинного обмена и их преобразования в радиосигналы
индивидуальных каналов промежуточной частоты. В приемном тракте кана-
лообразуюшеи аппаратуры происходит обратное преобразование, В
соответствии с эталонной моделью взаимодействия открытых систем
каналообразующая аппаратура станции реализует функции
физического уровня. Каналообразующая аппаратура стационарной станции
аналогична аппаратуре АС, структурная схема которой приведена
на ряс. 15-2.
Аппаратура управления доступом и сигнализации (АУДС)
предназначена:
для обработки запросов на установление соединений,
принимаемых от абонентских станций по каналу приема служебной
информации (каналу запроса), а от наземных абонентов — по наземным
каналам связи: каждый запрос обрабатывается АУДС в соответствии с
алгоритмом, принятым в данной системе, и передается абонентской
станции по кацапу сигнализации, а наземным абонентам по
наземным линиям связи;
для управления процессом формирования физического канала
связи (обработка сигнальных сообщений о назначении частот,
поступающих по общему каналу сигнализации, настройка каналов на
назначенные частоты, проверка спутникового канала):
421
для постоянного контроля целостности системы связи (прием и
обработка собственного канала сигнализации, постоянный, контроль
задержки сигналов);
для ведения и поддержания списка абонентских станций,
допущенных в систему (при обработке любого запроса производится
сравнение идентификатора вызывающей или вызываемой станции со
списком станций, допущенных в систему);
для проверки «статуса» стационарной или абонентской станции
(при этом производится сравнение возможностей станции с видом
запрашиваемой услуги).
Назначение автоматических телефонного и телеграфного
коммутаторов стационарной станции, а также автоматического центра
коммутации сообщений понятно из их названия. Следует отметить,
что с точки зрения теории взаимодействия открытых систем
автоматический центр коммутации сообщений реализует функции каналь-^
ного и сетевого уровня, а при взаимодействии с наземными сетями —
функции обеспечения физического, канального и сетевого уровней в
процессе передачи данных в направлениях «АС-НА» и «НА-АС».
15.4. Станции управления сетью
Станция управления сетью (СУС) предназначена для
управления всеми станциями системы ПСС, располагающимися в зоне
обслуживания спутника-ретранслятора данной системы, и
распределения энергетического и частотного ресурсов бортового
ретранслятора между стационарной и абонентской станциями,
функционирующими в сети.
Существуют два варианта построения СУС. В первом
варианте СУС' является отдельной подсистемой, дополняющей
«стандартную» связную стационарную станцию. В этом случае станция
называется центральной спутниковой станцией (ЦСС), Во втором
случае СУС является отдельной станцией, состоящей из
приемопередающего комплекса (характеристики которого аналогичны
характеристикам одноименного комплекса связной стационарной станции),
комплекса канал ообразующей аппаратуры, управляющего
комплекса. Отличие комплекса каналообразующей аппаратуры от
аналогичного комплекса связной станции заключается в том. что это
устройство производит обработку информации, передаваемой только по
каналам сигнализации.
Структурная схема станции управления сетью ПСС приведена
на рис. 15.5. СУС каждой спутниковой сети осуществляет:
передачу несущих частот общего канала сигнализации,
предназначенного для передачи сигнальных сообщений на все стационарные
и абонентские станции, функционирующие в данной сети, на
частоте, жестко закрепленной »а данной станцией;
■Ш
ПримеларадНОЩНЙ
AC
—г
I
К миалооВразуащрй
аппаратура «саяэной»
зс
Аппаратуре
документиро-
■вния СУС
^
Каналооорээую-
щая аппаратура
сигнальной
информации СУС
Т
Управляющая
ЭВМ СУС
Рис. 15-5. Обобщенная структурная схема станции управления сетью:
Обозначения см. на, рве. 5.1, 5.3
прием несущих частот каналов сигнализации всех станций,
функционирующих в сети;
непрерывную передачу и прием пилот-сигналов системы АКЧ.
СУС каждой спутниковой сети выполняет операции по
управлению доступом в соответствии с протоколами информационного
обмена, принятыми в данной системе;
закрепление (по требованию) телефонных каналов и каналов
передачи данных за стационарными и абонентскими станциями в
соответствии с приоритетом;
поддержание списка активных информационных каналов для
определения используемых каналов, а также земных и абонентских
станций, использующих эти каналы;
определение занятости абонентских станций,
освобождение занятого канала для обслуживания вызовов с
высшим приоритетом;
сбор отчетных и статистических данных по обслуживаемому
трафику. • '
Помимо этого каждая СУС может осуществлять:
переход на резервные частоты общего канала сигнализации-
переход на резервные частоты пилот-сигналов-
станд1йеРеНИе "араМеТр°В сигнал°в стационарных и абонентских
Глава 16
Аппаратура телеуправления
спутниками связи
Российскими спутниками связи и вещания
народно-хозяйственного и коммерческого назначения управляет
командно-измерительный комплекс народно-хозяйственного назначения (КИК НХН),
построенный на базе КИС «Каштан» и системы «Вызов» [16.1].
16.1. Командно-измерительная система
«Каштан»
Универсальная КИС «Каштан» предназначена для обеспечения
управления ИСЗ народно-хозяйственного и коммерческого
назначения, находящимися на орбитах с высотой от 500 до 40 000 км, и
осуществляет:
измерение текущих навигационных параметров ИСЗ —
дальности и радиальной скорости;
передачу на ИСЗ командно-программной информации с
получением квитанций о правильности ее приема;
передачу с ИСЗ и прием на земных станциях телеметрической
информации;
проведение сверки, фазирования и коррекции БШВ;
информационный обмен с центром управления полетом (ЦУП)
по выделенному спутниковому либо наземному каналу связи.
КИС «Каштан» работает в диапазоне частот 5741.. .5751 МГц по
радиолинии Земля-Космос, 3401.. .3409 МГц по радиолинии Космос-
Земля.
Дальность измеряется КИС запросным методом по задержке
псевдослучайной последовательности (ПСП), в качестве которой
используется ПСП Голда, содержащая 4095 элементов с тактовой
частотой 4,095 МГц и периодом повторения 1 мс. ПСП манипулирует по
фазе на 0... 180° несущую частоту сигнала. Радиальная скорость
измеряется запросным доплеровским методом на несущей частоте при
когерентном преобразовании частоты сигнала в бортовой аппаратуре
КИС г коэффициентом 16/27. В КИС «Каштан» различают два вида
командно-программной информации (КПИ); разовые команды (РК)
и специальная информация (СИ), представляющая собой исходные
данные для работы БЦВМ.
Для передачи КПИ в радиолиниях Земля-Космос и Космос-
Земля используется модуляция КИМ-ЧМ-ФМ. Символы двоичной
427
vaemoma . . * F„ F«,Kr
L
0
Пасущая
частит
F, ft f3 r* Fs г»г»
1 | i i milium-
a is а отдада *"*» №
a)
f,- $' £ К r*
1 l I I I
& w ea so m* ЬкГч
f„ fH*Frricn f
г)
Рис. 16Д. Спектры поднесущих частот запросной (а) и ответной (б)
радиолиний, а также сигналов при передаче скоростной ТМИ (до наложения
, ИСП, в) и на выходе передатчика в запросной н ответной радиолиниях (г)
информации передаются с помощью поднесущих частот, лежащих в
диапазоне 63... 108 кГц в радиолинии Земля-Космос и 64... 104,5 кГц
в ответной радиолинии. В свою очередь сигналы на поднесущих
частотах манипулируют на 0... 120* несущую частоту сигнала.
При передаче РК дггя каждого ИСЗ используются свои литер-
вые (закрепленные) поднесущие частоты:, две для передачи
«единиц» (четных и нечетных) и две для передачи «нулей» (четных и
яечетных). Специальная информация передается на других четырех
поднесущих, общих для всех ЙСЗ (рис. 16.1).
Передача КПИ производится словами с решающей обратной
связью. Одна РК содержит 35 разрядов, из которых 11 образуют
стартовую посылку, одновременно определяющую рабочий комплект
бортового дешифратора, а 24 являются закодированной командой,
содержащей 8 информационных и 16 проверочных символов, При передаче
РК используется псевдоциклический (укороченный) код ('24 8)
позволяющий исправлять любую одиночную ошибку и обнаруживать
ошибки кратногти до б Разовые команды передаются <■ тактовой
частотой 101) 1"ц,
Слово СИ содержит стартовую посылку из 5 символов
передаваемую г тактовой частотой 101) Ги, н 512 информацио „х символов.
42к
Т абл ■ ца 16,1
Параметр КИС «Каштан»
Погрешность измерения далыюсти, м:
систематическая
флуктуанионная
Погрешность1 измерения радиальной
скорости, см/с:
систематическая
случайная
Максимальный темя выдачи РК
Вероятность прохождения РК
с одной попытки
Вероятность трансформации (пропуска)
РК (слова СИ)
Вероятность ошибки при приеме
символа ТМИ
Погрешность сверки БШВ, мс |
1 Большие значения относятся к ИСЗ ка
Значение параметра
1
1
од... о,з
0,1... 0,3
1 в 2 с
> 0,999
— -. Л
10 *
ю-5
0,2
низких орбитах.
L
J
передаваемых с тактовой частотой ЮООТц. При приеме СИ бортовая
аппаратура (БА) КИС анализирует стартовую посылку и
производит подсчет символов в информационном слове. Бели все символы
стартовой посылки приняты правильно и число символов в принятом
информационном слове равно 512, БА КИС пропускает информацию
в БЦВМ. Последняя дополнительно проверяет правильность
принятой информации и сообщает результаты проверки в БА КИС, где в
зависимости от результатов проверки формируется положительная
либо отрицательная квитанция на тактовой частоте 100 Гц. В
случае отрицательной квитанции или отсутствия какой-либо квитанции
в течение около 0,3 с земная станция КИС повторно передает слово
СИ. При положительной квитанции передается новое слово.
В КИС «Каштан» предусмотрена передача телеметрической
информации с техническими скоростями 1000, 8000 и 32000 бод. При
скорости 1000 бод используется модуляция КИМ-ЧМ-ФМ на двух
поднесущих F{ и F^ (см. рис. 16.1,6). Переходе F[ на f£
соответствует символу 0, а переход с F£ на F[ — символу 1. Телеметрическая
информация с большими скоростями (8000 и 32000 бод) передается
с помощью модуляции КИМ-ФМ-ФМ. При этом информационная
последовательность умножается иа меандр тактовой частоты.
Полученный сигнал манипулирует по'.фазе на 0... 120° несущую частоту.
Спектр результирующего сигнала представлен на рис. 16Л,е.
Режиму сверки времени в КИС «Каштаи» предшествует
выдача на ИСЗ соответствующей РК. По приему этой команды с борта
начинают передаваться код БШВ (часы, минуты, секунды) и секунл-
429
tbir метки в виде импульсов, привязанных 'к началу секунд БШВ.
Передача кода производится на поднесуших частотах F{ ...F^s а
секундных меток — на поднесущей F$. Наземной станции КИС
принимается и сравнивается выделенный код БШВ с кодом местной шкалы
времени (МШВ), подстроенной по сигналу СЕВ. Одновременно
измеряется расхождение секундных меток БШВ и МШВ с учетом
запаздывания сигнала при распространении его от ИСЗ до станции КИС.
При расхождении секундных меток более заданного значения
земная станция формирует РК «Фазирование» и на поднесущей частоте
Fi передает импульс фазирования, ликвидирующий сдвиг секундных
меток БШВ и МШВ с учетом времени распространения сигнала. При
несовпадении кодов БШВ и МШВ БШВ корректируется с помощью
передачи на поднесущих частотах #з и ^4 соответствующего кода.
Основные технические характеристики КИС «Каштан» сведены
в табл. 16.1.
16.2. Земная станция КИС «Каштан»
Как видно из рис 16.2, основными элементами земной
станция являются: антенная система, приемник, передатчик, устройство
формирования опорных частот (УФОЧ), синтезатор частот,
устройство обработки траекторной информации и синхронизации
системы (УОТИСС), система обработки и управления (COY),
оконечное оборудование данных (00Д) и вычислительная система.
Вычислительная система объединяет в локальную сеть информационно-
вычислительный комплекс (ИВК), управляющий вычислительный
комплекс (УВК) и вычислительные устройства (ВУ), входящие в
состав указанных на схеме элементов станции.
В КИС используется полноповоротная антенна ТНА-57Б-04 с
зеркалом диаметром 12 м, оборудованная устройством автосопрово-
ждения и программного наведения. Облучатель антенны
обеспечивает круговую поляризацию, левую дня приема и правую для передачи.
Коэффициент усиления антенны с учетом потерь в тракте
составляет не менее 49,5 дБ при приеме и 54 дБ при передаче. При этом
ширина диаграммы направленности по уровню —3 дБ соответственно
равна 27' и 16'. Для пространственного поиска объектов,
целеуказания которых известны с малой точностью, предусмотрен режим
работы с расширенной диаграммой, что особенно важно при вхождении
в связь с вновь запушенными ИСЗ в случае нештатного запуска.
Основные частоты в станции образуют из эталонной частоты
/, = 5 МГц от высокостабильного стандарта, входящего в состав
УФОЧ. Необходимые для синхронной работы приборов сетки частот
и временные метки формируются в УОТИСС. В свою очередь УФОЧ
и УОТИСС синхронизируются по сигналам СЕВ.
Синтезатор частот в соответствии с номером (частотной литерой)
ИСЗ и ожидаемыми значениями доплеровского смещения формирует
430
ВПУ
Я 15
СМ1
'n»i"foy~' м
f-»^^P F.
УПЧ2
Устройство
ПСП
ЦФАП
Устройств
выделения
информации
Основной приемник
оод
ВУ
тло
модем
Канал
"связи
Рис. 16.2. Схема земной станции КИС «Каштан»
частоты 7\_-чз и FC4r, компенсирующие прогнозируемые доплеровские
смещения в запросном канале (при приеме сигнала на борту ИСЗ) и
в ответном канале. Изменение частоты при этом производится без
разрыва фазы сигнала.
В передатчике последовательно расположены два фазовых
манипулятора ФМ1 и ФМ2 и усилитель мощности. Модулирующий сигнал
■\юД1 песет передаваемую на борт КПИ или сигналы фазирования и
коррекции БШВ, а сигнал 5мод2 представляет собой запросную ПСП
г тактовой частотой 4,095 МГц. Усилитель мощности на
клистрону позволяет дискретно изменять мощность излучаемого сигнала до
I,.) кВт. В новой модификации станции указанный усилитель
заменяется малогабаритным усилителем мощностью 300* Вт, монтируемым
непосредственно за зеркалом антенны.
Принимаемый антенной ответный сигнал с частотой /0
поступает на ВПУ, которое преобразует его в сигнал первой промежуточной
частоты /npi = /0 - /Г[. Шумовая гемнература эксплуатируемых
431
станций КИС составляет 200 К. В Последующих модификациях
предусматривается существенное ее снижение.
В аппаратном зале располагается основной приемник станции.
На смеситель (СМ2) этого приемника подается сигнал с частотой
Гсчг. В этом же приемнике производятся формирование запросной
ПСП, поиск, слежение за задержкой и свертка принимаемой ПСП
(устройство ПСП), поиск и слежение за несущей частотой .сигнала
(ЦФАЛ) и выделение информационных символов.
Данные о^эадержке ПСП tTfi )"и неекомпенсированной
составляющей доплеровского смещения {6Рд) поступают в УОТИСС, где
определяются дальность (R) и радиальная скорость (R) КА. Выделенные
символы квитанций КПИ, ТМИ и сигналы СФК подаются в СОУ, где
производится их соответствующая обработка. ,
Вычислительная система станции построена на базе ПЭВМ.
ИВК предназначен для решения неоперативных задач (расчета це-
леуказааий, составления отчетов о работе станции и т.п.). На УВК
и вычислительном устройстве (ВУ) СОУ в реальном масштабе
времени решахпса-Шёративные задачи по управлению станцией и
взаимодействию ее с бортовой аппаратурой КИС, предварительной
обработкой ТМН я т.д. Аппаратура ООД служит для обмена
информацией с ЦУП КА.
На антенну вынесен широкополосный тест-транслятор,
принимающий излучаемый станцией сигнал на частоте Д, и переизлучающий
его обратно на частоте /0. Юстировка станции с его помощью
позволяет уменьшить аппаратурные систематические погрешности при
измерении дальности. Тест-транслятор используется также при
автономных проверках работоспособности земной станции.
16.3. Система «Вызов»
Система передачи с КА сигналов «Вызов» предназначена для
оперативного оповещения ЦУП о возникновении на КА нештатных
ситуаций [16.1, 16.2]. Система рассчитана на работу с КА,
находящимися как на геостационарных, так и на более низких орбитах. Она
состоит из бортовой аппаратуры и сети необслуживаемых земных
станций приема и регистрации (ЗСПР). Доведение до ЦУП КА принятых'
на ЗСПР сигналов осуществляется по системе связи и передачи
данных КИК НХН- От момента возникновения на КА нештатной
ситуации до оповещения об этом ЦУП проходит всего 2.5 мин при
условии нахождения КА в зоне видимости с ЗСПР.
Бортовой комплекс управления по результатам диагностики
систем определяет возникновение нештатной ситуации на борту К А,
формирует информацию, характеризующую чту ситуацию, включает
БА системы «Вызов» и передает в нее сформированную информацию.
Нештатная ситуация фиксируется по выходу контролируемых
параметров за пределы установленных пороговых значений. БА системы
432
н«м*да*иромниы<> „ ^„л
сигнал Меандр
Ma peep
Сообщение
• м i ••■ : •■ i
* i
0.28 e
a...n
0.23 c
П....П
0,13 c
^^ 0,98 c
Ш
Рис. 16.3. Структура одиночной посылки системы «Вызов»
«Вызов» преобразует полученную от БКУ информацию, добавляет
к ней служебную часть, выполняет помехоустойчивое кодирование
и формирует радиосигнал.
Система «Вызов» работает в нижней ч'асти дециметрового
диапазона волн. При передаче используется фазовая манипуляция на
0... 180° с тактовой частотой 100 Гц. Передаваемое сообщение
содержит 48 дв.ед. полезной информации. Излучаемый сигнал
представляет собой периодически следующие посылки длительностью 1,6 с. Для
дополнительной селекции сигналов период повторения посылок
сделан зависимым от условного номера К А. Его значения лежат в
пределах 42. . .90 с. Структура одиночной посылки приведена на рис. 16.3.
Передача каждой посылки начинается с излучения немодуляро-
ванного сигнала длительностью 0,28 с. Это облегчает поиск
сигнала и вхождение в связь ЗСПР. Затем излучается сигнал, манипу-
лированный по фазе меандром (0,23 с), маркером (0,13 с) и.
наконец, сообщением (0,96 с). Маркер, обозначающий начало
информационного сообщения, имеет вид 111110.1110011. Структура маркера
выбрана такой, чтобы в приемнике после операции «снятие ОФТ»
получился код Баркера.
Содержащееся в посылке сообщение включает четыре
12-разрядных слова. Первое слово содержит информацию об условном номере
КА (1U разрядов) и о типе нештатной ситуации (2 разряда),
остальные слова — 36 символов информации от БКУ.
Кодирование информации производится кодом Голея (24, 12) с
дополнительной проверкой на нечетность. Для борьбы с
групповыми ошибками выполняется перемеженпе кодовых слов, при котором
разряды первого слова чередуются с разрядами второго, я разряды
J|m тьею слова — с разрядами четвертого. После перемежении
последовательность символов х, закодированного сообщения
преобразуется (относительная телеграфия) согласно выражению
JA = ■»•/ - .'/,-!.
1л-с и, и //,_| символы передаваем!iro сообщения на i-м и /— 1-м
i а к t: i n соответственно, знак + очипчт г сюженне по модулю два.
4S3
Рве. 1Л.4- Схема земной станции приема н регистрации сигналов «Вызов»
Сигнал с КА излучается через малонаправленную антенну.
Земная станция системы «Вызов» постоянно находится в
автоматическом дежурном режиме и готова к приему сигнала без
вмешательства оператора. Для повышения надежности функционирования она
выполнена в виде двух независимых комплектов.
На рис. 16.4 показана схема одного комплекта ЗСПР системы
«Вызов». Земная станция имеет трехканатьное антенио-фидериое
устройство, обеспечивающее прием сигналов в заданном секторе
углов. Например, антенна ЗСПР. расположенная на пункте
управления КИК НХН в г. Гусь-Хрустальный (рис. 16 5), состоит из трех
независимо ориентированных спиральных секций. Каждая секция
имеет ширину диаграммы направленности, приблизительно равную
30x15е. Секции сориентированы так, чтобы обеспечить уверенный
прием сигналов с геостационарных спутников, находящихся и точках
стояния от 16° э.д. до 90° в.д.
С" каждой антенной гекции сигнал через выносное малошумяшее
434
Рис. 16.5. Антенна земной станции «Вызов»
устройство (МШУ) поступает на линейный приемник,
обеспечивающий основное усиление сигнала, а затем в трехканальный цифровой
приемник. В каждом канале цифрового приемника стоят
панорамный обнаружитель, осуществляющий поиск сигнала по частоте за
иремя, не превышающее 0,28 с, и цифровая система фазовой
автоподстройки частоты (ЦФАП), следящая за несущей частотой
сигнала. Цифровой приемник сделан так, что при обнаружении сигнала
в любом из каналов панорамный обнаружитель этого канала выдает
целеуказания по частоте одновременно на системы ЦФАП всех трех
каналов. С помощью весового суммирования каналы объединяются в
единый тракт. Вес суммирования обратно пропорционален дисперсии
сигнала в канале. После суммирования с помощью соответствующих
аппаратно-программных устройств производятся тактовая сиихронн-
нация, выделение маркера, деперемеженпе (восстановление
исходного порядка разрядов в принятых словах) и декодирование сигнала.
После цифрового приемника сигнал поступает на ЭВМ,
которая обеспечивает предварительную обработку принятой
информации, привязку ее ко времени, регистрацию, выдачу в устройство
«'огласоиания с каналом связи, на пульт управления и включение
жукоппП сигнализации. Кроме того, ЭВМ с помощью имитатора и
ycTpoi'li.'Tua контроля автоматически периодически проверяет рабо-
ин iiui ооигя II, всей станции, Пульт управления конструктивно объ-
'.шш и г уг [poikinoM отображения и используется при проведении
1"'1.г|амр]г||ц,|х работ и в ряде других случаев.
•I3.-I
Раздел III
Системы спутниковой связи
и вешания
Глава 17
Международные и зарубежные
системы спутниковой связи
17.1. Спутниковые системы
международных организаций
По охватываемой территории, размещению и принадлежности
ЗС, структуре управления системы спутниковой связи (ССС)
можно подразделить на международные (глобальные и региональные),
национальные и ведомственные. Значительная часть существующих
и вновь создаваемых ССС предназначена для обеспечения
телефонного трафика и передачи данных как на международных, так и на
национальных линиях
В -зависимости от потребностей общества, технических и
экономических возможностей разные страны проявляют различную
степень активности в области спутниковой связи — от эпизодической
аренды каналов в международных и региональных системах до
создания собственных национальных ССС, проведения разработок и
крупномасштабных экспериментов. Рассмотрим, как обстоят д«ма
в *vroH области в некоторых странах и регионах.
Международный консорциум спутниковой связи Intelsat.
Образован в l°fi1 г., к началу 1995 г, его членами являлись 135
государств. Финансовой основой организации являются
капиталовложения стран-участниц, доход делится между ними
пропорционально вкладу
Ч«1|""ч спутники системы InMsal, размещенные группами над
Дпанпгн-скнм. Индийским и Тихим океанами, передается примерно
2/3 международного телефонного трафика и осуществляется почти
весь ТВ обмен, часть стволов сдается в аренду более чем 30
странам для организации национальных < 'СС, За прошедшие годы были
Ш
Таблица 17.1
Параметры
спутниковых систем
Статус
исз
Позиция на ГО
Год запуска
Расчетный срок
существования, лет
Масса ИСЗ, кг
Мощность
источников питания, Вт
Диапазон, ГГц
Число стволов на
ИСЗ
Зона
обслуживания1
Мощность на
ствол, Вт
ЭИИМ, дБВт
Полоса частот
ствола. МГц
Добротность ИСЗ,
дБ/К
Пропускная
способность, каналы
1 П — г.лобал
новы И луч; У.П -
Lntelsat
Глобальная
Intelsat V
31.5°, 177°з.д.;
«1,5° в.д.
1982, 1981, 1981
7
1012
1205
6/4; 14/11
21+6
ГЛ; 2хПГЛ;
2хЗЛ; 2хУЛ
(Н/11)
8,5 (ГЛ; ПГЛ)
'1,5 (ЗЛ); 10
(УЛ 14/11)
23,5 (ГЛ); 29
(ПГЛ; ЗЛ);
44/41 (УЛ
14/11)
36 и 72
—
1200» ТФ. 2 ТВ
ьнмИ чуч; ПГЛ
узкий ..чуч.
Intelsat VA, В
18°, 21,3° з.д.;
57°, 180° в.д.
1989, 1986,
1985, 1985
7
1160
1280
6/4: 14/11;
1,6/1,5
26+6
ГЛ; 2хПГЛ;
2хЗЛ;ЗхУЛ:
2хУЛ (14/11)
8,5 (ГЛ; ПГЛ)
4,5 (ЗЛ): 10
(УЛ 14/11)
23,5 (ГЛ); 29
(ПГЛ:ЗЛ);33
(УЛ): 44/41
(УЛ 14/11)
16x36: 14x72;
2x241
151)00 ТФ.
2 ТВ
— нолугчобальн!
Intelsat VI
24,5°, 27,5°,
34,5е з.д.; 60°.
63° в.д.
1991. 1991,1990.
1990, 1989
14
1823
2250
6/4; 14/11
38+10
ГЛ; 2хПГЛ:
4хЗЛ; 2хУЛ;
2хУЛ (14/11)
10/16 (ГЛ:
ПГЛ); 5,5/10
(ЗЛ): 20/40
(14/11)
26,5 (ГЛ); 31
(ПГЛ;ЗЛ); 34
(УЛ); 47/44 (УЛ
14/11)
12x36; 34x72;
2 х 150
-14 (ГЛ); -9.2
(ПГЛ)
35000 ТФ, 3 ТВ
>|й луч; 3 г1 — зо-
137
Параметры
спутниковых систем
Статус
ИСЗ
Позиция на. ГО
Год запуска
Расчетный срок
существования, лет
Масса ИСЗ, кг
Мощность источин-
хов питания, Вт
Диапазон, ГГц
Числе стволов на
ИСЗ
Зова
обслуживания1
MojumxTb на
ствол. Вт
ЭИИМ, дБВт
Полоса частот
ствота, МГц
Добротность ИСЗ.
лБ/К
| Пропускная
способность, каналы |
1 П глобачьн
Intelsat
Глобальная
Intelsat VII
(VII А)
Iе, 18°, 50*,
53* з.д.; 66",
174", 177* в.д.
1994, 1996,
1995, 1995.
1995. 1993,
1994
14
1473
4000 (5300)
6/4; 14/11
26+10 (14)
ГЛ;2хПГЛ;
4хЗЛ; УЛ;
ЗхУЛ( 14/11)
20/30 (ГЛ;
УЛ): 10/16
(ПГЛ;ЗЛ):
35/50(14/11)
26/29 (ГЛ);
И (ПГЛ;ЗЛ>:
33/36 (УЛ);
47/45 (УД
14/11)
10x36; 22x72;
4x112 (8х]12)
-13 (ГЛ);
-Й.5 (ПГЛ)
ыЯ луч: ПГ.Г
Intelsat К
21,5° э.д.
1992
10
1512
3155
14/11;
14/12
16
ЗЛ
(Европа): 'ЗЛ
(Америка)
62,5
50
54
13200 ТФ
или 32 ТВ
1 - лолуглс
«Иитерспутяик»
Глобальная
«Экспресс»
80" в-д.
1996
3/5
2500
2400
6/4; 14/11
5+1
ГЛ; ПГЛ:
УЛ (14/11)
15
25,6 (ГЛ):
28 (ПГЛ);
36,8
(Н/11)
36
-17 (ГЛ;
ПГЛ); -10
(14/11)
эбальный лу
«экспресс»
14° з.д.
1994
5/7
2500
2400
6/4: 14/11
8+2
ГЛ; ЗЛ,
УЛ (14/11)
10,5
25.9 (ГЛ);
31,7 (ЗЛ);
36.8
(И/Л)
36
-14 (ГЛ);
-6 (14/11)
ч; ЗЛ —
ш
Продолжена? mnnt- 17.1
Inmarsat
Глобальная
Inmarsat
IIF1-IIF4
64,5°, 178-
в.д-, 15,5°,
54.5° з.д.
1990, 1991,
1991, 1992
10
824
1142
1,6/1,5; 6/4
ГЛ
24 (6/4);
39
(1,6/1,5)
-'50/125 ТФ
PanAmSat
Глобальная
PAS-1
45° з.д.
1988
10
692
1300
6/4; 14/11
18+6
6/4 ЗЛ
(Америка) 14/11
ЗЛ
(Европа)
12x8,5:
12x16,2
25-35
(ЗЛ); 45
(УЛ)
12x36;
12х7>
~
зоновый луч; УЛ -- у«
PAS-2,
3R
43° з.д.
1994,
1995
15
—
—
6/4;
14/11
16+16
6/4 ЗЛ
(Азия);
14/11
УЛ
16x34,
16x63
16x36;
12x54;
4x64
—
и И луч;
PAS-4
68,5°
в.д.
1995
15
—
—
6/4;
14/11
16+24
6/4 ЗЛ
(Азия);
14/11
УЛ
16x30;
24 х 60
24x54:
16x27
—
ШЛ - и
Orion
Глобальная
Orion I
37,5° з.д,
1994
12
2340
3100
14/11;
14/12
34
ЗхУЛ, ЗЛ
(Европа)
4хУЛ,ЗЛ
(Америка)
15
44 (ЗЛ);
48 (УЛ)
28x54;
6x36
—
1 ирокни луч
Eutelsat
Региональная
ECS I,
4,5
48°,
25,5°,
21,5°в.д.
1983,
1987,
1988
5
550
1100
14/11;
14/12,5
12/14
ЗЛ
(Европа)
ЗхУЛ
20
37 (ЗЛ);
43 (УЛ)
72
—
Eutelsat
IIF2-I1F4
10°.16°,
7е в.д.
1991,
1991,
1992
9
915
3000
14/11;
14/12,5
16
ШЛ
(Европа)
«Супер-
луч»
50
45
(ШЛ) 49
(«Супер-
луч»)
9x36;
7x72
0.5
22 ТВ
ш
Окончание табл. 17.1
Параметры
спутниковых
систем
Статус
исз
Позиция на
ГО
Гад запуска
Расчетами
срок
существования, лет
Масса ИСЗ,
кг
Мощность
источников
питания, Вт
Диапазон,
ГГц
Число
стволов на ИСЗ
Зона
обслуживания1
Мощность
на ствол, Вт
ЭИИМ,
дБВт
Полоса
частот ствола,
МГц
Добротность
ИСЗ, дБ/К
Пропускная
способность,
каналы
Atabsal
Региональная
Axabsai
1С
31° в.д
1992
7
695
1440
6/2,6:
6/4
1+25
ЗЛ
(арабские
страны)
8.5
(6/4):
100(2,6)
32(6/4);
42 (2.6)
33
8000
ТФ.
7ТВ
1 ЗЛ — зоновый
Азия.
Arabsat
1D-R
20° в-д.
1982/
1994
10
633
1000
6/4
24
ЗЛ
(арабские
страны)
11,5
33
36
-3
21G00
ТФ или
24 ТВ
чуч: УЛ
Palapa
Региональная
Palapa
В4.В2Р,
B2R
118",
113°,
108° в.д-
1992.
1987,
1990
8
628
1062
6/4
24
ЗЛ
(ЮВА)
10
34
36
-5
24000
ТФ или
24 ТВ
— узкий
Palapa
CI, C2
113°,
108е
в.д.
1996,
1996
14
1308
3400
6/4;
14/11
28+6
ЗЛ
(ЮВА);
УЛ
(14/11)
21 (6/4)
37(6/4);
47
(14/11)
24x36:
10x72
луч: ](
AsiaSat
Региональная
Asia-
Sat 1
105,5°
в.д.
190
10
635
669
6/4
24
2хЗЛ
(Азия)
8.2
34
36
1,0
24 ТВ
ЭВА -
Asia-
Sat 2
100.5°
в.д.
1995
12
3460
4780
6/4;
14/11
24+9
ЗЛ
(Азия);
УЛ
(14/11)
55(6/4);
115
(14/11)
39(6/4);
50
(Н/П)
20x36;
4x72;
9x54
—
Юго-Вое
ApStar
Регион.
ApStar
1
138°
в.д.
1994
12
557
1070
6/4
24
ЗЛ
(Азия)
16
34
20x36;
4x72
—
точная
440
обработаны и эксплуатировались семь поколении ИСЗ Intelsat,
каждый следующий ИСЗ характеризовался применением технических
новшеств и возрастанием пропускной способности.
По данным на середину 1995 г., в системе используются в общей
сложности более 20 ИСЗ типов Intelsat V, VI, VII. Спутники Intelsat
разных модификаций несколько различаются по числу стволов и
зонам обслуживания. Подробные данные приведены в табл. 17.1.
Сейчас идет внедрение спутников нового поколения Intelsat VII
и УПА. При меньшей массе и габаритных размерах Intelsat VII
имеет повышенную мощность передатчиков и улучшенные возможности
коммутации. Выходные каскады передатчиков диапазона 4 ГГц
мощностью 10, 16, 20 и 30 Вт выполнены твердотельными, что позволило
значительно повысить линейность усилителей. Число узких лучей в
диапазоне 14/11 ГГц увеличено до трех, мощность передатчиков
составляет 35 или 50 Вт. Шесть из 10 стволов диапазона 14/11 ГГц
могут переключаться на орбите из диапазона 10,95.. .11,2 ГГц в
диапазон 11,7.. .11,95 ГГц (для работы на Америку) либо 12,5.. .12,75 ГГц
(на Европу и Азию).
На Intelsat VIIA (Intelsat 706-709) увеличены размеры
солнечных батарей, и благодаря этому несколько возросла ЭИИМ в
глобальных и узких лучах, общее число стволов в диапазоне 14/11 ГГп
достигло 14.
Изготавливаются пять ИСЗ следующего поколения Intelsat VII1.
Каждый спутник имеет 38 стволов в диапазоне 6/4 ГГц и 6
стволов в диапазоне 14/11 ГГц, ЭИИМ в глобальных, полу глобальных
ы зоновых лучах возросла на 3 дБ.
В рамках системы Intelsat принято несколько стандартов земных
станций, перечисленных в табл. 17.2. На первых этапах в эксплута-
ции преимущественно находились станции стандарта А, их высокая
добротность была необходима для приема сигналов с маломощных
ИСЗ. Таких станций в системе использовалось более 250. С ростом
эквивалентной излучаемой мощности ИСЗ и переходом к цифровым
методам передачи станции стандарта В стали более выгодными
экономически, обеспечивая снижение затрат на канал на 20.. .50 %.
В трех стволах организована работа в режиме МДВР со
скоростью 120,832 Мбит/с, пропускная способность ствола при
использовании цифровой интерполяции речи достигает 1500 дуплексных
телефонных каналов. Часть стволов работает в режиме МДЧР. Так,
в службе IDR (Intermediate Data rate — передача данных с
промежуточной скоростью) отдельные несущие модулируются по фазе
цифровыми потоками со скоростью от 64 кбит/с до 44,732 Мбит/с и
передаются через ретранслятор в многочастотном режиме. Прием
осуществляется на станции стандартов ЕЗ или F3. Анализ
показывает, что IDR эффективнее МДВР при трафике менее 100 ТФ каналов.
441
Таблица 17.2
Стандарт
системы
Intelsai
А
В
С
D1
D2
Е1
Е-2
ЕЗ
F1
F2
F3
G
г
Диаметр
антенны,
м
30
9... 14
16...18
4,5... 5
11
3,5
5.5
8... 10
4.5...5
7.5...8
9... 10
1.2... 2.5
4.5... 15
Диапазон
частот, ГГц
6/4
6/4
14/11
6/4
G/4
14/11
И/11
14/11
6/4
6/4
6/4
Н/11; 6/4
14/11; 6/4
Добротность,
дБ/К
40,7
31.7
41
22,7
31,7
25
29
34
22,7
27
29
3J...21
22.7... 35
Сеть, служба
Магистральная телефония
То же
J4
VISTA
То же
Коммерческая
Коммерческая (IDR, IBS)
То же
Коммерческая
То же
Коммерческая (IDR, IBS)
Inteluet
Национальные службы
Стволы спутников Iutelsat широко используются для передачи
телевидения. Подробнее об этом рассказано ниже.
Международная организация космической связи
«Интерспутник». Образована в 1971 г.. к 1995 г. ее членами являлись 22
государства. В системе функционируют около 50 ЗС, ее услугами
пользуются более 100 государств и частных компаний многих стран мира.
Организация арендует у России стволы на ИСЗ «Экспресс» и
точках 14° эд. и 80° в.д. для ТВ обмена и передачи сигналов
телефонии. Телефонные сообщения передавались методом МДЧР/ОКН,
сейчас преимущественно используется режим IDR г многими
несущими. Еще более десятка стволов на 6 ИСЗ сдаются в аренду
зарубежным компаниям для трансляции ТВ программ.
В сети «Интерспутник» преимущественно используются земные
станции диаметром 12 м. добротность ЗС должна быть не ниже
31 ДБ/К.
Международная организация морской спутниковой связи
Inmarsat. ("оздана в 1979 г. для обеспечения связью морских судов,
находящихся в любой точке мирового океана. На начало 1995 г. ее
членами были 74 государства. В системе действуют свыше 20
береговых ЗС и более 10000 судовых станций. Береговые ЗС оснащены
антенной диаметром 13 м и работают в диапазоне 6/4 ГГц. На линии
«ИСЗ корабль» используется диапазон 1,6/1.5 ГГц.
В качес гве космического сегмента системы используются стволы
на четырех ИСЗ Inmarsat И. размещенных над Атлантическим,
Индийским и Тихим океанами. Пропускная способность ИСЗ 250
каналов в направлении «ИСЗ -берег» и 125 каналов в направлении «ИСЗ
корабль», передача ведется на отдельных несущих в цифровом виде.
442
Закяичпнается разработка спутников Inmarsat третьего пикш*
ния, они будут иметь мощность солнечных батарей вдвое большую,
чем у предшественников, и обеспечат ЭИИМ в направлении «ИСЗ-
корабль» 48 дБВт, что позволит упростить и удешевить
корабельную станцию.
Международные негосударственные спутниковые
системы PanAmSat и Orion. Определенную конкуренцию системе
Intelsat может составить глобальная система спутниковой связи
PanAmSat, создаваемая группой мексиканских и американских частных
компаний. Она включает три ИСЗ: PAS-1, PAS-2 и PAS-4.
размещенных в трех основных секторах ГО и покрывающих совместно большую
часть территории суши земного шара. PAS-3, который должен был
обслуживать Латинскую Америку и частично Африку, утрачен при
запуске из-за аварии ракеты-носителя.
В рамках проекта Orion заказаны три ИСЗ средней мощности,
для которых определены точки на ГО 37,5° з.д., 12° в.д. и 126° в.д.
Одна половина из 34 стволов на Orion I направлена на Европу в трех
узких лучах с ЭИИМ 50 дБВт, другая — на североамериканский
континент в четырех лучах с такой же ЭИИМ. Предусмотрено
поляризационное разделение стволов, полосы частот 11,7... 12,2 ГГц на запал
ное полушарие и 11,45... 11,7, 12,5... 12,75 ГГц на Европу и Африку
Второй ИСЗ Orion 2 аналогичной конструкции запланирован к за
пуску в 1998 г. и будет обслуживать преимущественно европейский
трафик с небольшой долей трансатлантических связей. Orion 3 для
Азиатско-Тихоокеанского региона планируется запустить в 1999 г.
Eutelsat. В 1977 г. администрации связи ряда европейских стран
организовали консорциум Eutelsal (European Telecommunications
Satellite Organization), в задачу которого входит эксплуатация
спутниковой системы, предназначенной для передачи международного
телефонного трафика в пределах Европы и обмена ТВ программами в
сети Евровидения Членами Eutelsal являются 44 страны.
В 80-х гг. основу системы Eutelsat составляли четыре ИСЗ ECS
(European Communications Satellite), работавшие в диапазоне 14/11
ГГц. Начиная с 1992 г.. основную нагрузку в системе взяли на себя
спутники второго поколения Eulelsal II. Они имеют 7 ретрансляторов
с полосой пропускания 72 МГц и У с полосой 36 МГц. Прием и
передача сигналов осуществляются двумя антеннами, условно
называемыми «восточная» и «западная» и работающими каждая на двух
ортогонапьных линейных поляризациях. По команде с 'Земли могут
формироваться два вида лучей на передачу — широкий с
европейским покрытием и ЭИИМ на всей территории Европы 44...46 дБВт
и узкий («супер.чуч»), облучающий Центральную Европу с ЭИИМ
50. ..52 дБВт.
Выработавшие свой ресурс ИСЗ первого поколения выведены на
резервные позиции, где используются для служб, допускающих по-
4^13
пижсиную точность удержания на орбите, — ТВ обмена, связи с
подвижными объектами, магистральной связи.
В системе Eutelsat функционируют две самостоятельные
региональные сети: основная для телефонного трафика между
международными телефонными станциями европейских стран и
многофункциональная для обслуживания небольших ЗС, расположенных
непосредственно у пользователя. В осаовной сети принят метод МДВР
со скоростью 120,832 Мбит/с. В этой сети в настоящее время
работают три ствола ECS-5 В точке 21,5° в.д. Пропускная способность
ствола достигает 1800 каналов. ЗС должны иметь добротность более
39 дБ/К, что соответствует диаметру антенны 15... 17 м.
Многофункциональная сеть Eutelsat обеспечивает передачу
различных видов информации (телефонных сообщений, данных,
факсимиле, видеоконференцсвяэи, электронной почты и т.д.), минуя
типовые ЗС, на небольшие ЗС с антенной диаметром 1.8. .-3,5 м,
расположенные непосредственно у пользователей: предприятий,
банков, частных владельцев. Информация передается в цифровой
форме со скоростью 64. 128, 256 или 1920 кбит/с. используется режим
МДЧР/ОКН. задействовано более половины стволов на спутниках
Eutelsat IIF2 и 1IF4M.
Задача обмена ТВ программами стран-участниц Eutelsat
решается путем выделения нескольких стволов на ИСЗ Eutelsat IIF4M.
ЗС имеют антенны диаметром 15...20 м. звуковое сопровождение
традиционно передается в цифровой форме в интервале строчного
гасящего импульса. Более 70 % стволов в системе Eutelsat сдается
в аренду для передачи телевидения.
Arabsat. Система спутниковой связи и вещания, созданная
группой из 22 арабских государств, обеспечивает наряду с
телефонией обмеа ТВ программами между странами-участницами.
Космический сегмент системы в настоящий момент включает два ИСЗ —
Arabsat 1С, запущенный в 1992 г., н Arabsat ID-R, бывший
американский Telstar 301. На ближайшее время запланирован запуск ИСЗ
второго поколения Arabsat-2A, который наряду с 2 стволами в
диапазоне 2.6 ГГц и 22 в диапазоне 6/4 ГГц будет иметь также шесть
стволов средней мощности в диапазон^ И/II ГГц.
Региональные системы Азии. Индонезия одной из первых
развивающихся стран создала свою систему спутниковой связи и
вещания Palapa, рассчитанную на обслуживание не только
национальной территории, но и стран Юго-Восточной А чии (АСЕАН). С'рйчас в
системе работают уже ИСЗ второго поколения Palapa В с 24 стволами
каждый, запущен ИСЗ третьего поколения Ра1ара-С1. зона
обслуживания которого покрывает территорию иг только стран АСЕАН, но
гакже нашего Дальнего Востока, Китая, Пакистана, Индии и Бирмы.
Первая региональная система, охватывающая всю Азию, была
создана гонконгской компанией AsiaSat н 1990 г,, когда был запущен
11-1
многоствольный ИСЗ AsiaSal 1 диапазона 6/4 ГГц. О моьиую :и>
лю трафика составляет передача телевидения, менее 10 % пропуск-
notl способности используется для свяэд. В конце 1995 г. компания
AsiaSal запустила более совершенный ЙСЗ AsiaSat 2, зона
обслуживания которого в диапазоне 6/4 ГГц будет охватывать всю
территорию Азии с ЭИИМ более 37 дБВт. Предполагается испааьэовать
стволы этого ИСЗ преимущественно для цифрового ТВ вещания.
Еще одна региональная система создается на базе гонконгского
спутника ApStar 1, запущенного в 1994 г. Зона обслуживания
охватывает Китай, Тайвань, Японию, Южную Корею и Юго-Восточную
Азию с- ЭИИМ 34...35 дБВт, большая часть стволов арендована
для передачи телевидения. Попытка запуска ApStar 2 в январе
1995 г, окончилась неудачей.
В табл, 17.1 приведены технические данные описанных
глобальных и региональных спутниковых систем.
17.2. Национальные системы США
Первая национальная ССС Satcom свяэа.па в 1974 г. основную
территорию с Аляской на базе стволов канадского IIC3 Anik A. 14
настоящее время сеть принадлежит компании СЕ Americom,
включает шесть ИСЗ трех модификаций и обеспечивает междугородную
телефонную связь преимущественно частного пользования, передачу
данных на абонентские терминалы и распределение большого числа
ТВ программ и программ звукового вещания на головные станции
кабельных сетей и индивидуальные приемные установки. ПС'З Satcom
(Л. С3: С4. С5. как и многие другие американски»- ИСЗ диапазона
6/4 ГГц. имеют 24 ствола в полите частот 3700. . 1200 МГц с
ортогональной линейноН поляризацией, причем нечетные стволы имеют
горизонтальную поляризацию, четные — вертикальную разног
часто! стволов 40 МГц. Для связи используются режим МДЧР г
передачей на отдельных несущих цифровых потоков со скоростями от 56
до 154 I кбит/с и режим МДВР со скоростью 60 Чбит/с,
Нторг1и крупная спутниковая сеть принадлежит компании
НHolies. Commuiiicalionse 1нс. и включает спутники (Jalaxy и SBS.
(.alaxy III \ I, IR. V-VV работаюг и диапазоне G/4 II ц и обеспечивают
связью всю территорию США, включая Аляску I ямайские петрова
и И v-'рто-Гико. Значительная часть каналов занята
коммерческими I R программами, передаваемыми на головные станции кабель-
нi.in сетей, ИСЗ SBS диапазона 14/11 ГГц игпо.тьн ются для нужд
фиксированной службы, применяется режим МДШ'см скоростью до
-I* Mnin/c, «Тяжелые» спутники Calaxy IVH и Villi работаю! в
обоих диапазонах м по сути несут чсцоиную на|ру*к\ н енпгме. беря
ни себя большую часть трафика
Третья общенациональная сеть зкен чуатиру» ия компанией СТК
Spncciiei н включас-i спутники СЫаг диапазона I 1/1 I ГГц и гибрид-
J4.3
[ГЬцмиктры аме-
рикаясгях ССС
псз
[Satcom
01, С5
Поэмой на ГО
(зад- долгота)
\П1', 139°
Г«в. запуска
1990, 1991
Расчетный срок
су ществов&вия,
лет
Масса ИСЗ, кг
Satcom
СЗ, С4
131°, 135°
1992, 1992
12
1170
Satcom
Kl, K2
85е, 81е
12
1985, 1986
10
1045
AT&T SkyneT
Telstar
302, 303
85°, 123°
1984,
198S
10
654
Telstar
401, 402R
97°, 89е
1993, 1995
12
1912
Мощность
источников шгеа-
ява\Вт
1029/1330
1400
2309
670
4800
Диапазон, ГГц
6/4
6/4
14/11
6/4
Зона
обслуживания
ЗЛ
(США)
ЗЛ
(США)
ЗЛ
(CONUS),
УЛ
ЗЛ
(США)
Мощность на
ствол. Вт
10
16
45
5,5
ЭИИМ, дБВт
36/40
40/36
45
(CON US),
51 (УЛ)
35
Полоса частот
(ствола, МГц
Добротность
ИСЗ, дБ/К
Пропускная
способность,
каналы
36
-3
36
54
J6
24 ТВ
2 ТВ на
ствол
ЗЛ — зоновый луч; У7]
6/4; 14/11
6/4: ЗЛ
(США);
14/11: ЗЛ
(CONUS)
6/4:
12/23;
14/11:
60/120
6/4; 37;
14/11: 47
24x36;
16x54
6/4: -2
у-зкиП луч; CONUS континшталъ-
1-16
Т а б л ж а а 17.3
GTE Spacenet
GStar
1,2
103°,
125"
1985,
1986
10
715
1900
14/11
ЗЛ
(США),
УЛ
14x20;
2x27
41
(США);
47 (УЛ)
54
3000(1
ТФ
GStar 4
105°
1990
10
715
1900
14/11
ЗЛ
(США);
УЛ
13x20;
3x27
44
(США);
40 (УЛ)
54
10000
ТФ
Space-
net 2,
3R, 4
69°, 87°,
101°
1984,
1988,
1991
7,5/10
692
1300
6/4;
14/11
6/4: ЗЛ
(США);
14/11:
ЗЛ или
УЛ
12x8,5;
12x16
6/4:
36;
14/11:
44
12x36;
12x72
-3
ная часть США
Hughes Communications, lac.
Galaxy
3
93,5°
1984
9
654
990
6/4
ЗЛ
(США)
9
37
36
Galaxy
6
74°
1990
10
635
869
6/4
ЗЛ
(США)
10.2
39
(CON);
30
(США)
,16
24 ТВ
Galaxy
1R, V-
W
133°,
125°
1994,
1992
12
788
1050
6/4
ЗЛ
(США)
16
40
(CON);
32
(США)
36
—
"
Galaxy
IVH,
VIIH
99°, 9Г
1993.
1992
12
1700
4300
6/4;
14/11
6/4:
ЗЛ;
14/11:
ЗЛ
(CON US)
24x16;
24x50
6/4: 38;
14/11;
45
24 х 36:
8x54;
16x27
-1(6/4):
-М 14/111
SBS5
123°
1988
9
725
1000
14/П
ЗЛ
(CON)
или
УЛ
20
47
(CON);
53
(УЛ)
10x43:
4x110
~
SBS6
72°
1990
15
1514
2262
14/11
ЗЛ
(CON)
ИЛИ
УЛ
41
47
(CON);
53
(УЛ)
43
—
117
вые Spacenel. ИСЗ GStax используют поляризационное
разделение, благодаря Чему удалось разместить 16 ретрансляторов в полосе
11,7...12,2 ГГц. Антенны могут коммутироваться на западную или
восточную часть территории США, пропускная способность
каждого ИСЗ составляет 30 тыс. ТФ каналов или 300 каналов
телеконференцсвязи. ИСЗ Spacenet функционируют в обоих диапазонах и
обеспечивают трафик телефонии и данных.
Кроме указанных общенациональных сетей имеется
значительное число специализированных систем для решения тех или иных
задач. Значительный связной трафик поддерживают, например, ИСЗ
Telstar 302, 303, 401 компании AT&T Skynet. Для проверки новых
технических решений в области спутниковой связи запущен
экспериментальный спутник ACTS (Advances Communication Technology
Satellite) диапазона 30/20 ГГц, в котором производятся обработка, на
борту и коммутация в групповом спектре. Хотя телефония и
передача данных составляют 85 % трафика связи США, в ССС на них
приходится лишь 40 % объема услуг, остальные 60 % — на долю ТВ.
Подробнее о телевизионном вещании рассказано в § 17.4.
В табл. 17.3 приведены основные технические данные
американских ССС.
17.3. Национальные ССС других
зарубежных стран
Наряду с глобальными и региональными ряд стран
эксплуатируют национальные ССС, ставя своей задачей развитие сети
телефонное связи и расширение возможностей оказания новых услуг.
Система Telecom (Франция) является звеном долгосрочного
плана создания единой сети цифровой связи с комплексным
использованием спутниковых и наземных линии. Космический сегмент
системы включает три ИСЗ: Telecom НА, ИВ и НС. Каждый ИСЗ
содержит 10 стволов в диапазоне 6/4 ГГц для связи с «заморскими»
департаментами Франции. П стволов в диапазоне 14/12.!) ГГц для
коммерческой связи и передачи телевидения и стволы в диапазоне
8/7 ГГц для военной связи.
Для многофункциональной службы разработан специальный p,J-
жим МДВР с переменной скоростью от 3 до [2^> Мбит/с. позволяющий
варьировать число работающих ЗС от 5 до 300 Гибкость достигло гея
синхронизацией передач в пяти одновременно работающих стволах.
Каждая ЗС передает сигналы в одном стволе (скорость передачи до
24.576 Мбит/с) и может принимать сигналы всех пяти стволов в
режиме переключения преобразователя частоты вниз. Общая пропускная
способность системы эквивалентна 1800 телефонным каналам,
(Гной принцип построения сети выбрала Италия для создания
национальной ССС Italsal ЗС' этой системы размещены п
имеющемся 231 районном иенгре телефонной связи. Спутник llalsal имеет
■148
шесть стволов в диапазоне 30/20 ГГц с полосой ПО МГц.
связанных с шестью узкими лучами приемной и передающей антенн и с
матрицей коммутатора по групповому спектру. Сигналы со скоростью
147,456 Мбит/с демодулируются на борту ИСЗ, регенерируются,
коммутируются и снова объединяются в цифровые потоки, поступающие
на ФМ модулятор. Дополнительные три ствола с полосой
пропускания 40 МГц предназначены для свячи между слабозагружеяньшя
станциями, например, коммерческой службы.
Согласно первоначальному замыслу германская система
DFS/Kopernikus в составе трех ИСЗ должна была в первую очередь
обеспечивать устойчивую телефонную связь с Западным Берлином.
а. также служить для распределения ТВ программ и коммерческой
связи внутри ФРГ. Однако объединение Германии в 1989 г.
сделало эту задачу неактуальной, и сейчас спутники DFS загружены
лишь частично.
В Испании реализован проект гибридного ИСЗ.
совмещающего на одной платформе стволы фиксированной и радиовещательной
спутниковых служб. В точку 30° з.д. запущены два ИСЗ Hispasat
1А и 1В, обеспечивающие совместно вещание в пяти каналах
диапазона НТВ 11,7... 12,0 ГГц, передачу двух ТВ программ на
американский континент и имеющие дополнительно 16 стволов средней
мощности в диапазоне фиксированной службы. Работа на Европу
ведется в диапазонах 11,45... 11,7 и 12,5... 12,75 ГГц. на Америку —
в диапазоне И,95... 12,2 ГГц. часть стволов используется для
распределения ТВ программ.
Система спутниковой связи и вещания Турции должна включать
та многоствольных ИСЗ средней мощности Turksat 1A и 1В на
орбите и резервный Turksat 1С на земле. После аварии Turksat 1A
при запуске основным в системе является Turksat 1С. запущенный
в точку 42° в.д. Спутник имеет 16 передатчиков, подключенных к
трем узким лучам, направленным на Турцию. Центральную
Европу и Центральную Азию. Значительную часть трафика составляет
передача телевидения, несколько стволов выделено для связи.
Островное положение Японии и гористый ре.пьеф местности де-
лаюг использование спутниковой связи особенно зффективным. а
широко развитая сеть радиорелейных линий диапазонов 4, 6, II ГГц
обусловила, преимущественное использование диапазона 30/20 ГГц.
В I9K8 г, Япония ввела в эксплуатацию спутники CS-3A и В. работа-
шише' в диапазонах 30/20 и 6/1 ГГц, Стволы более высокочастотного
диапазона используются для магистральной связи в режиме МДВР
меж.ту главными островями, диапазона 6/4 ГГц для связи с
отдаленными островами. В 19!>з i и н начале 1Ш г. на смен> CS-3
чипу щепы спутники N-Star Л „ В со стволами дли фиксированных
служб, подвижной связи и передачи телевидении.
14 Я
Страша
Параметры iftpy-
бежных
спутниковых систги
ИСЗ
Позиция на ГО
Гад запуска
Расчетный срок
существования, лет
Масса ИСЗ. кг
Мощность
источников питания. Вт
Диапазон. ГГц
Чпсло стволов на
ИСЗ
Зона
обслуживания1
Мощность на
ствол, Вт
ЭИИМ. л Б Вт
Полоса частот
ствола, МГц
Добротность IK" 3,
дБ/К
Пропускная
способность, кака |ы
1 Г 1 г «оба
франция
Telecom
Telecom
И, А. В, С
8е, 5°ад.,
3° в.д.
1991.
1992. 1995
10
1380
3770
6/4:
14/12.5
10+11
ПГЛ:
ЗхУЛ:
УЛ
(14/11)
11 (6/4):
55 (14/12)
32.5
(ПГЛ):
42 (УЛ);
52 (14/12)
6x50:
4x92:
11x36
-12
16/4): 7.5
(14/12)
5800 ТФ
1ЬнмП луч:
ФРГ
Kopcrniku*
DFS 1.2. 3
33.5V2B,5g.
23.5° в.д.
1989, 1990.
1992
11
1422
1600
14/11;
14/12.5;
30/20
3+7+1
УЛ (ФРГ)
20
49 (14/11);
50(14/12);
48 (3(1/20)
3x90:
7x44; 1x90
8.9(14/11);
7.7 (30/20)
ЗЛ - чоно
Италия
Italsat
Italeal 1
13° в.л.
1991
5
255
1565
30/20
9
ЗЛ
(Италия);
бхУЛ
21
46
(Италия);
57 (УЛ)
3x36:
6 х J ] а
3.5/15,5
12000
ТФ
выИ пум;
Испания
Hispasal
Hispasat
1А. В
30е в.д.
1992. 1993
10
2100
14/11:
14/12;
17/12
8+3+1
УЛ
(Испания); 4.1
(Латинская
Америка)
55 (14/11):
НО (17/12)
52(14/11):
56 (17/12);
44
(Америка)
4x27: 2x54:
«х36; 4x72;
2х4И
6.5
250110 ТФ:
4 ТИ
II У 1 ни.
Турция
Turksal
Гигкяа!
1С
42е в.д.
1994
10
1700
2900
14/11
J6
ЗхУЛ
(Турция,
К н рола.,
Центральная
Азия)
55
5J
(Турция): 18
(Квропа):
45 (Дим)
10x36;
6x72
vi лоба чь-
•15U
Т а б i и и л 17.1
РЬркыль
Amos
Ainos-1
4° ».д.
1996
10
14/11
8
У Л
(Ближний но-
гток);
УЛ
(Европа)
56
72
Япония
CS
CS-3A. В
132е.
136° в.д.
1988.
1988
7
550
560
6/4;
30/20
2+10
ЗЛ
(Япония); УЛ
(главные
островл)
7 (6/4);
10
(30/20)
31
(6/4): ЗУ
(30/20)
180
(6/4);
100
(30/20)
6000 ТФ
J( 'SaJ
JCSal
1,2
150*.
154° в.д.
1989,
1988
7
I37G
2240
14/12.5
32
VI
(Япония)
20
47
27
12
ныИ луч: УЛ — viKiilt ч\
.lCSal Я
128°
в.д.
1995
10
—
4500
6/4;
14/12,5
12+28
Азия;
УЛ
(Япония);
УЛ
(ЮВА)
37(6/4);
55 (Я по-
пня). 4 J
(ЮВА)
27
ч.
srr
Snperbird
AR. BR
158°.
162° в.д.
1992.
1992
10
1234
4300
14/12.5.
30/20
19+111
4,1
(Япония)
35
(N/12);
29
(3U/2II)
51
(14/12);
56
(10/20)
3li
(14/12);
100
(30/20)
N*-Star
N-SUt A
132° в.д.
1995
*—
--
-
fi/2,6; 6/4;
14/12,5;
30/20
1 + 11+5+
+8
ЧЛ
(Япония)
"ПО (2.6);
20 (6/4);
40 (I4/12K;
20 (.30/20)
39 (2.6);
52 (14/12);
55 (30/20);
41 (6/4)
5x72:
8x54;
6x240;
5x120
--
Китай
Chinaeal
China-
sat 2.3
110.5е.
98° в.д.
1988.
I9»0
7
1024
-
6/4
4
ЗЛ
(КШ»)
10
31
36
China-
sat 5
115.5°
в.д.
19Я4/
1993
10
692
1300
6/4:
14/11
18+6
1Л
(КНР)
8.5(6/4):
16(6/1):
16
(14/U)
33
(C./4); 44
И 1/11)
1 2 ж 36;
12*72
I.I I
Стране
Параметры
зарубежных слутнико
пых систем
ИСЗ
Позиция на ГО
Год запуска
Расчетный срок
существования, лет
Масса ИСЗ, кг
Мощность
источников питания, Вт
Диапазон. ГГц
Число стволов на
ИСЗ
Зона
обслуживания1
Мощность на
ствол. Вт
ЭИИМ. лБВт
Полоса частот
ствола, МГц
Добротность ИСЗ,
дБ/К
Пропускная
способность, каналы
1 3.1 — зоновь
Таиланд
Thai com
Thai com
1,2
78.5е в.д.
1993, 1994
10
—
6/4;
14/12,5
10+2
ЗЛ
(Индокитай)
10x8:
2x50
36 (6/4);
51 (14/11)
36 (6/4):
54 (14/11)
™~
й луч: УЛ
Индия
Insat
Insai I D
82,9°
в.д.
1990
7
614
903
6/4;
6/2,6
2+12
ЗЛ
(Индия)
50 (2,6);
4,5 (6/4)
42 (2.6);
32 (6/4)
36
-4,2
5000 ТФ
— узки)
Insat II
А, В, С
74°, 93,5°,
74е в.д.
1992,
1993, 1995
10
650
1090
6/4; 6/2.6
2+18
ЗЛ
(Индия)
50 (2.6);
4,5(6/4)
42(2,6);
33 (6/4)
36
-5
луч.
Австралия
Optus
Aussat
A3
164° в.д.
1987
10
600
1000
14/12
15
ЗЛ
(Австралия):
4хЗЛ
4x30;
11x12
35
(Австралия);
47 (УЛ)
45
-3
Optus В»,
ВЗ
160е,
156° в.д.
1992, 1994
13
1650
3000
1,6/1,5;
14/12
1 + 15
ЗЛ
(Австралия);
4хЗЛ
1x150;
15x50
48(1,6/1,5);
47 (14/12)
54 (14/12)
1,0
С 1989 г. в Японии -эксплуатируются две частные ССС на базе
спутников JCSal и SuperbirH. Стволы диапазона 12.25. .12.75 ГГи
используются большей частью дня передачи телевидения, 30 % них
стволов и все стволы диапазона 30/20 ГГц служат для связи.
Первые двухствольные китайские ИСЗ СТ\\-2а и STW-2H были
запущены в 1984 и 1986 гг. и обеспечивали трансляцию
национальных TR программ, в 1У8М г. запущены более соигршениые Chi nasal I
н 2. которые на протяжении ряда лет использовались для связи и
452
Канада
Anik
Anik El, E2
111*. 1Й7,5"
э.Д-
1991, 1991
10
1775
4840
6/4; 14/11
24+16
ЗЛ (Канала)
11,5 (6/4): 50
(14/11)
36 (6/4); 44
(H/ll)
36 (6/4); 54
(14/11)
-3 (6/4): 1
(14/11)
Мексика
Morelos
Morelos F2
116,6° з,д.
1985
10
666
940
6/4; 14/11
18+4
ЗЛ (6/4):УЛ
(14/11)
(Мексика)
7/10,5
(6/<1);20
(14/11)
36 (6/4): 44
(14/И)
12 x3В: 6x72;
4x108
""
Solisarid Fl,
F2
109е, 113,5е
з.Д.
1993, 1994
10
1672
3370
1,6/1,5:6/4:
14/11
1 + 18+15
ЗЛ (6/4);
УЛ (14/11)
(Мексика)
1x24;
18x10/16:
15x45
45 (1,5); 37
(6/4); 44
(14/11)
12x36; 6x72;
15x54
Охончагтг tuttAt. /7
Бразилия
BTazilaat
Brazilsat Bl,
В2
Т0°, 65е З.Д.
1994. 1994
12
915
1500
6/4
28
ЗЛ (Южная
Америка)
24x13;
4x15,5
36
36
'—
_ з
и
Аргентина
Nanuelsat
Naituel Cl,
С2
72°. 76* з.д.
1985. 1983
10
650
П22
. N/U
16
УЛ
15
46.5
51
—
150(1 ТФ
ли 32 ТВ
4
1
]
распределения ТВ прп|рамм. В 1993 г. Китай приобрел _\ США
спутник Spaceiiel 1. работавший ранее в точке 120° з.д.. перевел его в
точку 115,5° н.д. м начал эксплуатировать под названием Cliiuasal о.
В телефонных стволах исполыуепя режим МДЧР/ОКН. выделены
стволы для передачи данных и другой информации.
Китай также является активным участником региональных
проектов AciiaSal и Apsiar.
1-VH
Основой системы спутниковой связи и вещания Индии являются
спутник первого поколения Insat ID и два спутника второго
поколения Insat 2А и 2В. Число стволов диапазона 6/4 ГГц на последних
увеличено до 18 за счет шести стволов с ЭИИМ 33 дБВт,
размещенных в полосе частот 4,5.. .4,8 ГГц. В перспективе будет запущено до
пяти ИСЗ второго поколения, очередной Insat 2С запущен в декабре
1995 г., запуск последнего должен состояться в 1997 г.
Собственную спутниковую систему создает и Таиланд. В точку
78,5° в.д. запущены два гибридных ИСЗ, имеющих стволы в
диапазонах 6/4 и 14/12,5 ГГц, зона обслуживания охватывает Таиланд и
прилегающие территории Юго-Восточной Азии.
Космический сегмент ССС Австралии включает один ИСЗ
первого поколения Aussat A3 и два ИСЗ второго поколения Optus Bl и ВЗ
(Optus B2 утрачен при аварии китайской ракеты-носителя в 1993 г.).
Спутники работают в полосе частот 12.5.,. 12,75 ГГц и
обеспечивают распределение ТВ программ и передачу информации в интересах
различных ведомств, Из общего числа 45 ВЧ стволов 24
используются для ТВ и видеослужб, 10 — для телефонной связи общего и
специального назначения, шесть — для работы с малыми "ЗС. два
ствола сдаются в аренду Новой Зеландии.
В силу своего географического положения, большой территории
низкой плотности населения, сложных природных условий Канада
первой из зарубежных стран пришла к выводу о целесообразности
использования ИСЗ для связи внутри страны и создала в 1972 г.
национальную ССС на базе ИСЗ Anik А. Сейчас в системе работают уже
спутники пятого поколения, гибридные Anik El и Е2 с 40 стволами
на борту каждый, обеспечивая спутниковую связь и распределение
ТВ программ на территории Канады.
Мексиканская национальная ССС Morelos использует один
спутник первого поколения Morelos F2 и два новых спутника Solidaii-
dad FI и F2. все спутники работают в диапазонах 6/'1 и 14/1J ГГц,
зона обслуживания охватывает государства Центральной Америки.
Кроме того, на Sol id arid ad есть ствол для подвижной связи и
диапазоне 1.6/1.5 ГГц.
ИСЗ бразильской национальной ССС Brazilsat В] и В2
заменили на орбите отработавшие свой срок спутники первот поколения
Brazilsat А1 и А2 (SBTS). Из общего числа 2IS стволов на Brazilsat Bl
lfj используются для распределения ТВ программ, два дли
военной связи и 10 для телефонии и передачи данных. Земной сегмент
содержит несколько сотен приемопередающих ЗС. На резервном
Brazilsat B2 стволы предлагаются в аренду Боливии, Перу,
Венесуэле и другим латиноамериканским странам,
Аргентина эксплуатирует спутниковую сеть, базирующуюся на
двух спутниках диапазона Н/11 ГГц, приобретенных у Канады
(бывшие Anik Г'| и С2).
454
В табл. 17.4 приведены основные технические данные (.4'(.'
упомянутых выше стран.
17.4. Системы спутникового телевизионного
вешдния
Термин «спутниковое вещание» требует некоторого уточнения.
В действующем Регламенте радиосвязи к радиовещательной
спутниковой службе отнесены ССС, рассчитанные на подачу вещательных
программ на индивидуальные и коллективные приемные установки
для непосредственного приема населением (непосредственное
телевизионное вещание), в то время как в системах фиксированной
спутниковой службы (ФСС) допускается использование сигнала только
тем органом, для которого этот сигнал предназначен.
Последующая практика показала, что технически стирается
существовавшая ранее четкая грань между спутниками
радиовещательной и фиксированной спутниковых служб, поскольку прием
сигналов со спутников ФСС среднего уровня мощности (Astra. Eutelsat II,
Telecom И) возможен на сравнительно дорогую приемную установку
и вполне доступен индивидуальному пользователю. В зтих условиях
на смену понятию «непосредственное телевизионное вещание»,
связанному с радиовещательной спутниковой службой, приходит более
широкое понятие «непосредственный прием», не связанное с
конкретными службами и диапазонами частот (в англоязычной литературе
-■тому термину соответствует DTH: direct-to-homej. Легальность
индивидуального приема (без последующего распределения) программ
с любых спутников установлена Брюссельской конвенцией 1974 г. и
•закреплена в законодательстве большинства развитых стран.
Концепция DTH предполагает не только техническую возможность
приема сигнала на антенну небольшого диаметра, но и
соответствующий подбор пакета программ по интересам средней семьи (фильмы.
спорт, детская программа, передачи для женщин, новости), а также
организацию подписки на пакет (программы передаются, как
правило, и закодированном виде).
В отечественной практике, где до 1989 г. понятие
индивидуального приема со спутников отсутствовало, для обозначения любого
процесса циркулярной передачи программ от передающих станций к
приемным через И С} использовался термин «спутниковое вещание»
[1]. Такая трактовка термина сохранена и в данном Справочнике,
Фактически же системы диапазона ФСС «Орбита». «Москва* н даже
система «Экран», работающая в диапазоне РСС. относятся к
категории распределительных систем и доставляют сигнал к эфирным
передатчикам и го/юнным станциям кабельных сетей.
Кратко рассмотрим некоторые спутниковые системы
непосредственною телевизионного вещания диапазона 12 ГГц и системы типа
D1 Н диапазона. J I ГГц. Достаточно трудно выделить их из общего
I.Vj
перечня ранет описанных систем спутниковой связи, так как более
JO 'Л трафика спутниковых систем в мире составляет передача
телевидения, в отдельных системах эта доля достигает 90 %. Выбраны те
системы, подсистемы я конкретные ЙСЗ, вся пропускная способность
которых отдана под передачу телевидения и звукового вещания.
Несомненные преимущества спутникового вещания обусловили
его широкое развитие во многих странах мира. В зависимости от
размеров зоны обслуживания, содержания и источников
формирования передаваемой программы принято различать национальные
(действующие в пределах одной страны) и региональные (действующие в
пределах группы соседних стран) системы спутникового вещания.
В национальной системе передаются, как правило,
общедоступные ТВ программы некоммерческого характера на языках данной
страны, рассчитанные на прием большей частью ее населения.
Именно для таких систем в первую очередь предназначен диапазон 12 ГГц,
хотя сегодня многие страны используют для национального ТВ
вещания и диапазоны ФСС.
Региональные системы действуют в основном в рамках ФСС,
допускающей подачу сигналов за пределы национальной территории.
Программы носят преимущественно коммерческий характер, иногда
передаются в закодированном виде, зачастую снабжены
многоязычным звуковым сопровождением и формируются в расчете на
определенные категории телезрителей по культурным запросам,
профессиональным интересам и другим признакам.
Наиболее популярной в Европе региональной спутниковой
системой передачи телевидения является, безусловно. Astra, включающая
на сегодняшний день четыре спутника с индексами А, В, С, D,
работающие в одной точке 19,2° в.д. в смежных участках полосы частот
10.7.-.11.7 ГГц. Владельцем спутников является консорциум
частных и государственных банков ряда европейских стран с участием
правительства Люксембурга. Сигналы с ИС'З ASTRA принимают
более 90 9? приемных установок в Европе.
Спутники содержат по 16 одновременно работающих стволов.
распределенных в четыре группы по 4 ствола. Каждая группа
соединена со своим облучателем, формирующим слегка отличную
диаграмму направленности. Зоны обслуживания охватывают почти всю
Западную и Центральную Европу, обеспечивая в центральной части
•зоны ЭИИМ 51... 52 дБВт, что достаточно для приема на антенну
диаметром 60. ..80 см.
В ноябре 1995 г запущен пятый ИС'З из чтой серии ASTRA-J F.
с 18 стволами в диапазоне 11.7... 12,1 ГГц, предназначенный для
цифровых передач. Стволы с- горизонтальной поляризацией на этом
ЦС'З по примеру Eutelsal If будут иметь зону обслуживания,
расширенную на восток до Москвы.
45С
Технические данные спутников ASTRA и других вещательных
спутников приведены в табл. 17,5.
Идея размещения в одной точке орбиты нескольких ИСЗ
смежных диапаюнов для организации ТВ вещания оказалась весьма
плодотворной. По этому пути пошла организация Eutelsat, запустив в
точку 13° в.д. в дополнение к работающему там с 1990 г. Eutelsat IIFl
новый спутник Eutelsat IIF6 (коммерческое название Hot Bird),
стволы которого размещены в полосе частот 11,2... IJ ,53 ГГц, не
используемой Eutelsat, IIFl. Все стволы на обоях ИСЗ предназначены для
передачи телевидения, так что на одну антенну, ориентированную в
точку 13° в.д.. можно будет принятьдо 40 ТВ программ.
Отличительной особенностью Eutelsat IIF6 является специально разработанная
передающая бортовая антенна широкого луча, обеспечивающая еще
более широкую зону обслуживания на востоке с более равномерным
распределением поля, чем у других спутников семейства Eutelsat.
Принято решение о запуске в 1996 г. и начале 1997 г. в эту же
точку еще двух ИСЗ Hot Bird 2 и Hot Bird 3 с 20 стволами
мощностью ПО Вт на каждом, предназначенных преимущественно для ТВ
передачи в цифровой форме с компрессией. Спутники будут иметь
лучи с европейским покрытием (от Лондона до Москвы) и ЭИИМ
не менее 51 дБВт и более узкие лучи, охватывающие Центральную
Европу с ЭИИМ 54 дБВт.
Принятие в 1977 г. Плана ВАКР-77 стимулировало создание в
Европе национальных систем с мощными спутниками, работающими
в диапазоне 12 ITti. Примечательным в этом плане оказался 1989 г.,
когда была завершена работа над четырьмя такими системами.
Совместный проект TDF (Франция )-TVSat (ФРГ)
разрабатывался с 1980 г, при полной поддержке правительств обеих стран.
Параметры спутников полностью соответствуют Плану ВАКР-77.
Спутники TUF и TV'Sat практически одинаковы и различаются в
основном передающими антеннами. Каждый рассчитан на передачу ТВ-
программ в пяти каналах, выделенных стране Планом ВАКР-77.
После многочисленных задержек были запущены два спутника TDF
(в 1988 и 1990 гг.) и один TVSal (в 1989 г.).
(.' 1980 г. и Швеции разрабатывался проект многоцелевого ИСЗ
Tele-X, предназначенного для ТВ вещания и связи. Через три
рабочих ствола Tde-X с большой выходной мощностью в каналах 26.
32, 40 планировалось передавать программы коммерческого
телевидения в стандарте D-MAC. Однако как коммерческое
предприятие Tele-X успеха не имел и долгое время бездействовал. Лишь в
199J г. началось использование его стволов для передачи шведских
и норвежских программ.
Четвертой системой диапазона 12 ГГц. введенной а строй в
1989 г.. явилась частная бри ганская система BSB. спутники
которой Marco Polo I и 2 были выведены в точку 31* ч.д. в 1969 и 1990 п.
1J7
Таблиц* 17.5
Страна, организация
Параметры гнетам
спутникового вещания. ИСЧ
Позиция па ГО
Год запуска
Расчетный срок
существования, ЧРТ
[Масса ИСЗ. кг
Мощность источников
питания. Вт
Диапазон. ГГц
Число стволов на ИСЗ
Зона обслуживания'
Мощность на ствол, Вт
ЭИИМ. дБВт
Полоса частот ствола. МГц
Добротность ИСЗ. дБ/К
Пропл'скная способность,
каналы
1 УЛ узки!! луч: IJ.
Eutelsal
r:utpl(sa.1 II Fl
13° в.д.
1990
9
915
3000
14/11; 14/12,5
16
ШЛ, «Су-
перлуч»
50
45{ШЛ):49
(«Суперлуч»|
9x36: 7x72
0.5
22 ТВ
[-1 — широки;
Eiilrl.sal
MFtt
13" в.д.
1995
10
—
—
И/11
16
Супер-
широкий
луч
70
46
36
—
16 ТВ
Я луч.
«Интерспутник»
«ГсГЧГ»
36° в.д.
1994
5-7
2500
2400
17/12
3
2хУЛ
2x80;
1x50
53
27
(1
3 ТВ
Франция
Telefom
ПА. В
8°. 5°
з.д.
J991,
J 992
10
1380
3770
14/12.5
f
11
УЛ
Франция
55
52
36
7.5
11 ТВ
TDF
1,2
19"
э.д.
1985,
1990
7
2050
2040
17/12
5
УЛ
Франция
260
62.6
27
—
5 ТВ
Швеция
ТеЬ-Х
5° в.д.
1989
8
1277
3200
17/12
3
УЛ
север
Европы
220
63
27
—
ЗТВ
Sirius
5,2е в.д.
1989/
1994
10
660
1060
17/12
5
УЛ
север
Европы
110
59
27
—
5 ТВ
Норвегия
Ткет
0.8° 0.Д-
1990/
1993
5
660
1060
17/12
5
УЛ
север
Европы
110
59
27
—
5 ТВ
TVSat-
2
0,6° в.д.
1989/
1995
5
1950
2040
17/12
5
УЛ
север
Европы
230
60,6
27
—
5 ТВ
(грана, организация
параметры систем
спутникового вещания, ИС'З'
Позиция на ГО
Год запуска
Расчетный" срок
существования, лет
Масса ИСЗ, кг
Мощность источников
питания, Вт
Диапазон. ГГц
Число стволов на ИС'З
Зона обслуживания1
Мощность на ствол, Вт
ЭИИМ. дБВт
Полоса частот ствола. МГц
Добротность ИСЗ. дБ/К
Пропускная способность,
канаты
1 УЛ — узкий луч; ЗЛ -
Испания
Plispas
1А, В
30° з.д.
1942. 1993
10
2100
17/12
3
УЛ
Испания
110
56
27
6,5
4 ТВ
- зоновый
Люксембург
ASTRA
1А, В
19.2°
з.д.
J 988,
1991
12
1820
2309
14/11
16
4хУЛ
Европа
45/60
50
26
—
16 ТВ
иуч; CON
ASTRA
1С. D
19,2°
з.д.
1993.
1994
13
2500
3300
14/ Ц
18
4хУЛ
Европа
63
5(1
26
—
ASTRA
IE
19,2°
з.д.
1995
14
—
14/12
18
4хУ.П
Европа
85
50
33
—
Япония
BS-3A,
В
ПО'
в.д,
1990,
193]
7
550
1500
14/12
3
УЛ
Япония
120
56
27
—
Окончание табл. 17.6
США
Satcora Kl,
К2
85е, 81° з.д.
1985. 1986
10
1045
2309
14/11
16
ЗЛ CONUS
45
45 (CONUS);
51 (УЛ)
54
—
18 ГВ 18 ТВ 3 ТВ 32 ТВ
US - континентальная часть США.
DBS 1, 2,
3
101М01",
101° з л
1993,
1994. 1995
12
2000
4000
16
ЗЛ
CONUS
120
49
24
250 TB
Echo-
Star 1
119°
з.д.
1995
15
1500
5000h
17/19
16
ЗЛ
CONUS
130
5Q
24
Регулярные передачи в системе велись с марта 1990 г. и шли в
стандарте D-MAC/packet. Однако с самого начала своего
существования BSB испытывала сильную конкуренцию со стороны концерна Sky
Television в в конце концов была поглощена им. Образовалась новая
компания BSkyB, ведущая вешаете через спутники ASTRA.
Спутники Macro Polo были выставлены на продажу, первый продан
шведской вещательной компании Teracom, переведен в точку 5,2" в.д. и
переименован в Sirius, второй куплен Норвегией и работает в
точке 0.8* эЛ. йод названием Thor.
Пять лет эксплуатации показали весьма низкую надежность
мощных вещательных спутников первого поколения. Не лучше
обстояли дела и с коммерческой стороной предприятия. Система не
окупала себя и могла существовать только на дотации государства,
индивидуальные приемные установки диапазона 12 ГГц у населения
составляли не более 10 % общего числа их. некоторые программы
регулярно смотрели всего 10.. .20 тыс. человек, В 1994 г. ИСЗ TVSat 2
был продан норвежской компании, переведен в точку 0.6° з.д. и
начал вещание на Скандинавские страны.
В настоящий момент передача спутниковых программ на
территорию ФРГ осуществляется в стволах региональных спутников
ASTRA . Eutelsat II в спутников национальной сети DFS/Kopernikus
Последние обладают достаточно большой ЭИИМ, чтобы обеспечить
возможность приема на индивидуальную приемную установку.
Франция использует для распределения ТВ программ также
стволы диапазона 11 ГГц на ИСЗ Telecom I1A и ИВ. Крупнейшая
вещательная компания Франции Canal Plus арендует 10 стволов
Telecom НА для передачи популярных развлекательных программ
непосредственно на абонентские приемные установки (система типа
DTH). В стволах Telecom IIВ передаются общенациональные
программы, кодирование не применяется.
Заметную долю общего числа приемных установок составляют
индивидуальные установки в скандинавских странах. Для
подачи программ используются как уже упомянутые ИСЗ Tele-X, Thor,
Sirius. TVSat. так и арендованные стволы на Intelsat 707 в точке
Iе з.д; высокая ЭИИМ позволяет принимать программы с этого ИСЗ
на антенну диаметром 70 см.
В значительно меньшей степени развит непосредственный
прием телевидения в азиатском регионе. Япония первой в мире создала
эксплуатационную систему к диапазоне 12 ГГц. космический сегмент
которой включает сейчас два рабочих ИСЗ BS-3a. BS-3b и резервный
BS-3.N в точке 110е в.д. Каждый ИСЗ содержит три ствола
мощностью 120 Вт. -юна обслуживания системы охиагивает территорию
главных японских островов»' ЭИИМ 6J дВВт в центре зоны и
отдаленных островов с "ЭИИМ 50 дБВт.
А№
Два ствола на BS-За отданы для трансляции двух программ
национального телевидения, еще в одном ведется коммерческое
вешание. Через один иэ стволов BS-ЗЬ ведутся экспериментальные
передачи ТВ высокой четкости по разработанной в Японии системе
MUSE.
Еще одним достаточно мощным источником ТВ сигналов
являются многофункциональные коммерческие спутники JC'Sat. и Super-
bird, более половины стволов которых используется дня
распределения ТВ программ, в том числе и непосредственно на
индивидуальные приемные установки.
В Соединенных Штатах Америки широко используется
распределение ТВ программ на головные станции кабельных сетей в
диапазоне 4 ГГц. С развитием приемной техники стал возможен прием
сигналов в зтой сети на относительно недорогие приемные
установки с антенной диаметром 2,8.-3,3 м. К середине 1995 г. их число
превышало 5 млн. и продолжает расти.
Из общего числа более 400 ретрансляторов на 17 ИСЗ диапазона
4 ГГц для видеопередач используется около 300, в том числе более
100 для некодированных передач, 100 —для кодированных и еще 100
для заказных передач нерегулярного характера. В общей
сложности в диапазоне 4 ГГц распределяется примерно 80 некодированных
II 60 кодированных программ, в том числе более 40 программ новых
фильмов, два десятка спортивных, столько же учебных,
религиозных, программы по интересам, рекламные, развлекательные и т.д.
Наряду с маломощными системами диапазона 4 ГГц в ГША
развиваются и системы среднего уровня мощности (40.. .50 дБВт) в
диапазоне 11 ГГц. В 1985-1986 гг. начали работать ИСЗ Satcom Kl. K2,
предназначенные специально лая передачи ТВ. Компания Primestar
арендует 10 стволов на одном из этих ИСЗ дчя передачи пакета
программ, ориентированного на индивидуальных абонентов. Для
распределения телевидения используются также другие ИСЗ диапазона
11 ГГц: GStar, SBS, гибридные Spaceiiet и Galaxy IVH, Galaxy VliH.
Дальнейшие перспективы развития спутникового вещания в
США связаны с созданием мощных спутников с ЭИИМ 51.. .60 дБВт
в диапазоне 12,2... 12,7 ГГц, выделенном для этой цели региональной
конференцией РАКР-83. Сейчас наблюдается новый всплеск
интереса к непосредственному вещанию. Он снязан с тем, что кабельные
сети в значительной степени исчерпали возможности роста, но более
20 млн, населения не охвачены многопрограммным телевидением или
охвачены им в недостаточной степени. Пропускная способность
спутниковых систем значительно больше, чем кабельных, особенно после
ожидаемого ь ближайшее время внедрения цифровой! ТВ.
позволяющего уже сегодня уплотнить каналы в 4. , .6 раз.
В декабре 1993 г. в точку 101° з.д. был запущен первый
американский спутник непосредственного вещания DBS-1 компании DirecTV.
Ii.l
i nt| i ИИ--Л ii «with no с Плавом РЛКР-мЛ (hi uiu+i мя боргу
16 oiTpBw i*r«^HMi »iwn hi 120 Br. pjWvnemtiiHX n Поло/-»- mwun
12 2 Ii 7 11 в '- круговое врио* и,тт ,т*ъиЛ полярн «нии'-И -illИМ
ва ог*ивш>№ п-догторвю США 91 лБВт. По коЧЯН.и- с Чгм.ТИ Перг--
джгчап мгч>т аклазчатыя во два параллельно, обрп »уя Н ггнолсж
• -H4UN4 «J3 дЬВт В mm^iti 19&4 г. • чту ж»1 точку чпнущсп анп-
т. ii ■ lit it Oft<-2. яипгк НСЭ DBS-3 сопоялгя легом J ИНГ, , В об-
«г* ггшюш еа трех КОЗ будгт 250 ТВ каналом. Дли подбора
■уигумии с» ватевшала DirecTV заключала договори с ж лущи ми
*Mi^«u»-tra «дджомвадд<w sa ■споль-эованне их фи.тьмофон-
дов. фп^ивчциэтс* тахжг развлекательные, музыкальны»-, детские
epntx-awe* жЕпгвааавы во ввтррегаы. Стоимость приемной
установка с imi шш.Л 45 см составляет Эй) . .400 долл.. средняя стоимость
аоовягхя для я£овс-гтэ 50 делл, а иегяа.
Глава 18
Национальные системы
спутниковой связи России
18.1. Система «Горизонт»
Система «Горизонт» является в настоящее время основой сети
спутниковой связи России. Она работает на базе одноименных
спутников, первый из которых был запущен в J979 г. Универсальные
спутники «Горизонт» предназначены для передачи различных видов
информации: телевидения, телефонии, данных, радиовещания и ар.
Космическая группировка состояла из 10 ИСЗ, расположенных
на позициях ГО 14, П° з.д. и 40. 53, 80, 90, 96.5, 103, 140, 145° в.д.
В 1995 г. один из ИСЗ «Горизонт» на позиции 14° з.д. был
заменен ИСЗ «Экспресс».
Каждый спутник «Горизонт» имеет восемь высокочастотных
ретрансляторов, работающих в диапазонах частот L, С и Ки. и набор
антенных систем, позволяющих формировать различные зоны
обслуживания от глобальных, охватывающих всю видимую с данной точки
геостационарной орбиты поверхность "Земли, до региональных и
зоновых, площадь охвата которых составляет 3000. ..4000 км*.
В диапазоне L (1,5/1,6 ГГц) ретранслятор содержит один ствол
подвижной связи. Этот ствол обладает небольшой пропускной
способностью и используется для организации связи с подвижными
объектами, Еще один ствол работает в диапазоне Ки (11/14 ГГц) и
используется на разных МСЗ по-разному: либо для организации ТВ
вещания, либо для передачи ТЛФ и РВ. Оставшиеся шесть
стволов работают в диапазоне С (4/6 ГГц). Типичная загрузка стволов
следующая: Дна ствола — 6-й и 10-й — используются для
организации ТВ вещания на сеть станций «Москва» и «Орбита». 8-й ствол,
как правило, используется для организации малоканальной связи с
частотным многостанционным доступом. Остальные стволы
используются в основном для организации многоканальной связи методом
временного или частотного мпогостанционного доступа.
Конструкция ретранслятора (рис, 18.1) позволяет подключать
группы стволов к различным приемным и передающим бортовым
антеннам, Так. все нечетные стволы могут подключаться либо к ito-
балыюй антенне с растсрывом 17x17°, либо к зоновой антенне с рас-
крывом 6x12й (рис. 18.2). 6-И ствол при использовании в ТВ
системе «Москва» подключается к у ненаправленной антенне с раскры-
Ih.i
17*t?
6л}? 5*5 1747
Прием
Передача
6 | 9 W 7 9 11 12 13
г^
Д Д ^ Д
17*17 5*5 3*18 17*17 6*12 17*17
Рис. 18.1. Схема ИСЭ «Горизонт»
вом 5x5е (рис. 18.3), а при использовании в ТВ системе «Москва-
Глобальная» — к глобальной антенне. При этом узконаправленная
автенна имеет возможность перенацеливания в несколько
фиксированных точек на поверхности Земли.
Земная сеть системы спутниковой связи состоит из земных
станций различной сложности и пропускной способности. Основу сети
составляют центральные или базовые станции, которые имеют
антенны диаметром 12 или 25 м и являются центрами спутниковой
связи соответствующих регионов.
Периферийные станции, создаваемые на базе станций «Орбита»,
имеют антенны диаметром 12 м и обеспечивают дуплексную связь
между собой и с центральными станциями.
Для сетей передачи данных и малоканальной телефонии
используются земные станции класса VSAT с антеннами диаметром 4,0 и
2.5 м. С помощью этих ЗС можно передавать данные со скоростью
до 9.6 кбит/с или создавать несколько ТЛФ каналов. На базе этих
станций создаются коммерческие линии связи для банков и других
пользователей.
Телефонные сигналы передаются в основном цифровыми
методами с использованием нмпульсно-кодовой или дельта-модуляции в
сочетании с фазовой. Для передачи ТЛФ используется также ком-
пандированная ЧМ. Многостанционный доступ обеспечивается
методами как временного, так и частотного разделения сигналов
В системе «Горизонт» работают ряд независимых сетей:
«Интерспутник», «Орбита». «Москва-Глобальная». «Жарык» и др.
Основные параметры ИСЗ «Горизонт» приведены в табл. 18.1,
8.2. Система «Экспресс»
Спутниковая система на базе КА «Экспресс» предназначена для
организации каналов телефонной, телеграфной связи, для
распределения сигналов ТВ и звукового вещании <ЧВ). а также для передачи
других видов информации
464
Ilv»
Kifi
Таблица 18.1
"Параметр системы «Горизонт»
"Центральная частота передачи,
МГц
ЗИИМ, дБВт, для луча:
глобального
в центре луча
в секторе рабочих углов (17x17°)
полуглобального
в центре луча
в секторе рабочих углов (9x18°)
зонового
в центре луча
в секторе рабочих углов (6x12°)
узкого
в центре луча
в секторе рабочих углов (5x5°J
Центральная частота, приема, МГц
G'/T, дБ/К, для луча:
глобального
в центре луча
я секторе рабочих углов (17x17°)
зонового
в центре луча
а секторе рабочих углов (5x11°)
учкого
в центре луча
в секторе рабочих углов (5x5°)
6
3675
35.0
32,3
46,0
43,0
6000
-14
-17
Стволы ретранслятора
7
3725
28,0
25,3
35,0
32,0
6050
-14
-17
— 7
-10
8
3775
31,0
28,0
6100
-14
-17
9
3825
28.0
25,3
35.0
32.0
6150
-14
-17
— 7
-10
10
3875
31,0
28,0
0200
-14
-17
И
3925
28.0
25,3
35,0
32,0
6250
-14
-17
— 7
-10
12
11525
39,0
36.0
14325
_2
-5
Спутники «Экспресс» представляют собой новую серию
геостационарных ИС'З. Они имеют ряд существенных преимуществ перед
спутниками старых серий, и в частности увеличенную пропускную
способность и коррекцию положения на орбите в двух плоскостях,
что обеспечивает работу большею числа ЗС без устройств
наведения антенн.
ИСЗ «Экспресс» обеспечат работу действующих через КА
«Горизонт» систем «Москва», «Моекна-Глобальная». «Орбита». «Орбита-
РВ». Для чтого на КА «Экспресс» сохранены все частотные
стволы в диапазонах (i/4 и 14/11 ГГц с соответствующими зонами
обслуживания и -энергетическими параметрами {G/T. ЭИИМ) не хуже
имеющихся на КА '«Горизонт».
Орбитальная группировка «Экспресс» будет состоять из 10. - -13
К А, располагающихся в точках стояния 155. 37,5, 11, 14° чд' 40
53, 90. 96.5, 99, 103. N0. 145° в.д.
167
A3 ГНП 47 5»1T
A9 5*5
Я' \ ЛЛ4-Л Лд~ч * 45Z_\ AS'
TMf 5*5 №15 541 «MS s*"
Рис 18.4. Схема ИСЗ «Экспресс»
Первые два ИСЗ «Экспресс* (рис. 18.4) имеют 12 высокочастот-
вых РТР. работающих в диапазонах Си Ки. К А «Экспресс»
обеспечивают точность ориентации осей КА до 0.15е. имеют площадь
солнечной батарея около 40 м, бортовую управляющую ЭВМ, систему
коррекции положения на орбите с двигательной плазменной
установкой с высоким удельным импульсом.
Масса КА «Экспресс» составляет 2500 кг.
Точность удержания К А на орбите по долготе я широте не хуже
±0.2*. Система управления обеспечивает возможность автономного
функционирования К А не менее 30 суток.
Мощность источника витания КА в конце срока активного
существования составляет 2700 Вт на солнечных участках орбиты и
1750 Вт на теневых участках орбиты. Срок активного
существования спутника составляет 5...7 лет.
Бортовые передающие антенны КА «Экспресс» формируют
различные типы лучей с раскрывами 17x17е. 15x15°, 5x11° и 5x5°.
Антенны с раскрывом 5x5° и одна из передающих антенн с рас-
крывоы 5x11* установлены на приводе, позволяющем
перенацеливать эти антенны в пределах зоны видимости КА.
Все стволы БРТР (кроме 6-го) являются универсальными и
могут работать как в режиме насыщения, так и в линейном режиме.
Основные технические параметры БРТР сведены в табл. 18.2.
С ИСЗ «Экспресс» могут работать ЗС различного класса с
диаметрами антенн более 2 м в диапазоне С и более 1.5 в диапазоне К и.
18.3. Система «Галс»
Система «Галс» предназначена для организации спутникового
ТВ вещания с возможностью непосредственного приема на
индивидуальные приемные установки
4бх
Параметр системы «Экспресс»
Центральная чагтотд передачи, МГц
ЭИИМ. дБВт, для луча.:
глобального
в феитрр луча .ч
» сектора рабочие углов (17x17°)
кпаэн глобального
п цритрр пуча
ь с,екто\><< рабочих углов (15x15°)
ЧОНОПиГО
и центре луча,
и с^к-торг рабочих углов (SxH*)
у того
в и<»нтр*> луч»
в с'Кторг рабочих углов (5x6е)
Центральная частота, приема, МГц
(1/Т, .lli/K. для луча:
г повального
» ц<»итр<' луча:
и сектор** рабочих углов (17x17°)
юнового
в центре пуча
n wktujip р«бочих углов (5х 11°)
3775
Таблица 18.2
Стволы, ретранслятора
3425
10
3875
11
3925
14
3975
15
4025
16
4075
=1
4125
28,9
2.5,9
28,9
25,9
28,9
25,9
28,9
25,9
28,9
25,9
28,9
25,9
34,7
31,7
34,7
31,7
34,7
31,7
34J
31,7
34.7
31,7
34,7
31,7
34.7
31.7
34,7
31,7
6100
6150
«200
6250
39.0
35,0
6300
6350
39,0
35,0
6400
6450
■И
■14
-11
■14
-14
■П
•14
II
14
-11
«14
■2,В
-7,0
-2.5
-7,0
-2.5
-7.0
-2,5
•7,0
-2,5
-7,0
-3,5
-7,0
470
j. Рис. 18.6. Зоны обслуживания ИСЗ «Галс-U на пои „ лл° » ,. <
2 антенна диаметром 45, 60, 75, 90, 120 см) Д' (шиР°*иИ "Уч> <™°лы L 2, приемка*
Первый спутник «Галс» выведен на орбиту в марте 1У94 г.
Спутник работает в диапазоне частот НТВ 11,7.. .12,5 ГГц,
предназначенном дл» непосредственного спутникового ТВ вещания.
ИСЗ «Гало» имеет три высокочастотных ствола. Мощность двух
стволов, работающих на антенну с широким лучом 2,5x1,25°,
составляет 100 Вт, ствол, работающий с узким лучом 1,25x0,9°, имеет
мощность 50 Вт. Спутник создает высокую ЭИИМ: 56 и 57 дБВт
для широкого и узкого лучей соответственно, Такая ЭИИМ
позволяет принимать сигналы спутника на простую приемную установку
с диаметром антенны 0,5 м, вполне соответствующую мировым
стандартам индивидуального приема.
Ба рис. 18.5 и 186 показаны возможные зоны покрытия спутника
«Галс»., размещенного на позиции 44° в.д.
Платформа спутника «Галс» идентична платформе,
используемой для ИСЗ «Экспресс», и также имеет высокую точность
удержания на орбите не хуже 0,2е в направлениях север-юг и запад-восток.
Срок службы спутника составляет 5.. .7 лет.
Линия подачи программ на спутник «Галс» работает в диапазоне
18 ГГц, специально выделенном для этой цели Регламентом
радиосвязи. Для подачи программ используется специальная земная
станция с антенной диаметром 7 м и передатчиком мощностью 200 Вт. В
России станция подачи программ для спутников типа «Галс»
сооружена в г. Дубна лод Москвой.
Применение полос частот и способов передачи,
рекомендованных Регламентом радиосвязи, а также перенацеливаемых приемных
и передающих бортовых антенн делает спутник «Га^пс» пригодным
для обслуживания различных регионов и стран. Так, успешные
испытания спутника «Галс* были проведены со станции в Бельгии
(г. Реду), принадлежащей Техническому центру Европейского
космического агентства.
Глава 19
Системы подвижной спутниковой
* службы
»
19.1. Особенности систем подвижной
спутниковой связи
Возникнув вначале как дорогое, но в то же время практически
единственное средство связи с подвижнйми. объектами на больших
территориях, СОС уже в первых поколениях практической
реализации, таких как система Inmarsat, показали, что они могут
успешно конкурировать по стоимости и качеству предоставляемых услуг с
традиционными наземными системами радиосвязи.
Системы подвишюй спутниковой связи (ПСС) (рис. 19Л) в
основном делятся по типу используемых орбит и по различиям в зонах
обслуживания и размещения земных станций.
По типу используемых орбит разделяют системы ПСС с КА на
геостационарных, на высокоэллиптических наклонных, на
промежуточных круговых и на низких наклонных или круговых орбитах.
По различиям в зонах обслуживания и размещения земных
станций выделяют международные системы ПСС. в состав которых
входят ЗС, принадлежащие различным государствам (такие системы
могут быть глобальными или региональными); национальные, в том
числе зоновые, в которых ЗС находятся в пределах одной страны
или зоны, и ведомственные, в которых ЗС принадлежат одному
ведомству.
В табл. 19.1 приведены основные технические характеристики
ПСС таких типов.
Системы ПСС с ИСЗ на низких круговых орбитах создают на
поверхности Земли плотность потока мощности, достаточную для
работы с легкими абонентскими станциями (типа телефонной трубки),
и являются дополнением к наземным сотовым сетям.
Как указывалось в гл. 15, в состав любой сети ПСС входят
станции трех типов: абонентские станции, стационарные наземные
станции сопряжения (ЗС) с наземными сетями и станции управления
сетью гвязи (иногда объединяемые с ЗС). Схема взаимодействия зтих
станций в процессе установления и проведения связи и типы
используемых при этом каналов приведены на рис. 19.2. В сетях ПСС
используются следующие протоколы многостанционного доступа:
в канале запроса АС — тактированная ALOHA;
lT:i
Земной свгнем Космический пгмамт
Рис. 19.1. Общпл конфигурация системы ПСГ
ПоАкЭОнталкюй свгмаит
Таблица 19Л
Параметр системы
пес
К А
Тип орбиты
Тип системы
Высота орбиты, км
Зона
обслуживания
Число спутников
Число лучей
Вид передаваемой
информации
Диапазон рабочих
частот. ГГц:
ЗС ИСЗ
АС-ИСЗ
Inmarsat.
Inmarsat-3
Геостационарная
Международная
35875
Глобальная;
формируемая
узкими лучами
5
6
ТЛФ, Телекс, ПД
4/6
1.5/1,6
lnmarsat-P
Inmarsat.-lCO
Промежуточная
круговая
Международная
10335
Формируемая
узкими лучами
10 в 2 плоскостях
163
ТЛФ. ПД
5/7
2.0/2,2
MSAT
MSAT-1
Геостационарная
Национальная
35875
Формируемая
узкими лучами
1
6
ТЛФ, ПД
11/14
1,5/1,6
Марафок-8Н 1 Иридиум 1
Маяк 1 Иридиум 1
Высокоэллкптн-
ческая
Зоновая,
выше 70° с.ш.
40000 (в апогее)
Зональная;
формируемая
узкими лучами
4 в 4 плоскостях
3
ТЛФ. Телекс. ПД
4/6
| 1.5/1,6
Полярная 1
круговая
Международная
780
Формируемая
узкими лучами
66 в 6 плоскостях
48
ТЛФ, ПД
20/30
1.5/1,6
Стаифл
■
еелю
КМС
КМС
Стационарная
станция
z
*
-
;
*
оке
кои
КЗ
КЗ
окн (тлф, rvo
окн [тлф. пд)
—»
Абонентская
станций
Рис. 1Э.2. Схема взаимодействия системы ПСС в процессе
установления и Проведения связи: КЗ — канал запроса абонентской станции; КМС —
кавал межстатионной сигнализации; КОИ — канал ответной информации
абонентской станции; ОКН —один канал иа несущую; ОКС — общий канал сигнализации
в общем канале сигнализации СУС ■=- многостанционный доступ
с временным разделением каналов;
в информационных каналах — частотное разделение каналов с
предоставлением каналов по требованию.
В существующих системах ПСС используются, как правило,
узкополосные каналы. При достаточно больших нестабнльностях
частот преобразователей частот бортового ретранслятора и
передающих устройств земных станций, которые для современных систем
ПСС составляют около 10"" и 10~8 соответственно, это приводит к
необходимости расширения шумовой полосы приемных устройств и,
следовательно, к неэффективному использованию ограниченного
частотного и мощностного ресурсов бортового ретранслятора.
Например, минимальная скорость передачи информации, принятая в
системе Inmarsat, равна 600 бит/с. а шумовая полоса приемного
устройства составляет 750 Гц.
Для оптимального использования ресурсов бортового
ретранслятора и исключения влияния нестабильностей частот
преобразователей частот бортового ретранслятора и передающих устройств
земных станций в современных системах ПСС применяют системы
автоматической коррекции частоты с использованием пилот-сигналов,
что позволяет снизить максимальное отклонение частоты на входе
приемных устройств абонентских и земных станций от номинального
значения до 400... 500 Гц.
В системах ПСС используется помехоустойчивое кодирование,
которое в системах с ограниченной энергетикой позволяет уменьшить
необходимое отношение сигнал-шум, оптимальным образом
распределить мощность ретранслятора между каналами и тем самым
увеличить число каналов. В современных системах ПСС наиболее
распространены сверточные коды со скоростью кодирования /т = 1/2,
3/4 и длиной кодового слова 1с — 7- При этом в качестве
алгоритма декодирования используется алгоритм Витерби (максимального
правдоподобия)
47(5
19.2. Международная система ПСС'
Inmarsat
Создана в 1979 г. для обеспечения связью морских судов,
находящихся в любой точке Мирового океана. По мере ее развития был
разработан целый ряд абонентских и земных станций, позволяющих
обеспечить автоматической связью сухопутные и авиационные
подвижные средства. Первоначально использована арендованные ИСЗ
типа Marisat, Marecs и Intelsat-MCS. В настоящее время
используются специализированные ИСЗ Inmarsat.
Эволюцию системы Inmarsat и переход к обслуживанию
авиационных и сухопутных подвижных средств можно проследить по
данным табл. 19.2, в которой приведены основные данные используемых
в этой системе трех поколений ИСЗ. Система Inmarsat базируется
на использовании ИСЗ, располагаемых над Атлантическим,
Индийским и Тихим океанами. По мере увеличения трафика число ИСЗ в
каждом из океанских районов может быть доведено до двух.
Разработан ряд стандартов абонентских станций, используемых
для различных видов подвижной службы (морской, авиационной и
сухопутной, см. табл. 19.3). Как правило, все станции оборудованы
приемниками навигационной системы GPS, позволяющими
определить географические координаты положения объекта.
Основным видом модуляции, используемой в системе Inmarsat.
являются различные виды ФМ.
Основные особенности новых стандартов:
I. Абонентские станции Inmarsat--!) являются преемниками
станций Inmarsat-А. но первые позволяют более эффективно
использовать ограниченную спутниковую мощность и частотный спектр, а
также более гибко отвечать различным требованиям новых услуг.
В этих станциях применяется техника цифрового кодирования речи
(16 кбнт/с по алгоритму АРС'-MLQ) и передачи данных, аотношение
(J/T антенны НО остается таким же. как и в станциях Inmarsat-A.
Зтп станции вдвое уменьшают требуемые мощности и полосу,
занимаемую каналом передачи, по сравнению го гтанциямн Inmarsat-А.
2 Станции Inmarsat-C предназначены для легких подвижных
объектов и обеспечивают передачу данных и телекса в двух
направлениях с низкой скоростью. Коммерческие услуги Inmarsat-C
начались для сухопутных подвижных объектов Европы и Азии в 1991 г. В
качестве других важных применений система Inmarsat-C должна
использоваться в Международной системе поиска и спасения на море,
которая введена в действие в феврале 1992 г.
Важным требованием развертывании системы связи и
абонентских станций Iiiiiiaisat-C является наличие разветвленных цифровых
(телексных) сетей связи. Если их пет, го система Inmarsat-C не
будет давать необходимого коммерческого эффекта.
177
Т абли ц а 19.2
Параметр ИСЗ
Рол запуска
Зона обЪгужявання
Число лучей
Диапазон рабочих
частот, МГц:
прямая линии
обратная липни
G/T. дВ/К:
примах .чинив
обратная линия:
в глобальном луче
в узком луче
Максимальная ЭИЙМ,
дБВт:
прямая линия:
я глобальном луче
я узком луче
обратная линяя
Число каналов
Inmarsat-А:
в глобальном луче
в узком луче (макс.)
Полоса частот, МТи.
в каждой службе:
морской
авиационной
сухопутной
MARECS
1981
Глобальная
I
6420,0,.. 6425,0
1537,0.., 1542.0
1638,5.., 1843,5
4194,5... 4200,5
-17.0
-12.8
35,0
14,5
40
5
Inmarsat-2
1992
Глобальная
1
6425.0... 6443,0
1530,0... 1548,0
1626,5. -.1649.5
3600,0... 3621,0
-14.0
-12.5
39.0
24,0
100
8,8
3.0
3.0 |
lnmaxsat-3
1996
Глобальная и
формируемая
узкими лучами
6
6425,0,.. 6454,0
1530,0... 1559,0
1626.5... 1660.5
3600,0... 3629,0
-11,4
-9,8
-4,8
39,8
54,7
27,4
120
3700
11.0
10,0
7,0
3. Система и станции liniiarsat-M предназначены для обеспечения
морских и сухопутных абонентов услугами телефонной связи с
помощью компактных подвижлььх абонентских станций. Для судовых
абонентских станций будет испольчоааться антенна с малым обратным
излучением диаметром 40 см, а для сухопутных подвижных
объектов — ФАР. Управление доступом и протоколы сигнализации этой
системы соответствуют системе Inmarsat-J3.
Системы Inmarsat-В и М введены в коммерческую
эксплуатацию в 1993 г.
178
Таблица Л9.Л
Параметр стандартов
абонентских станций
Служба.
Вид передаваемой
информации
Тип используемой
антенны
Максимальная 1
'911 ИМ, лБВт
G/T, дБ/К
Скорость передачи,
кбнт/с, в канале:
речевом
пд
сигнализации
Скорость кодирования
(при к = Т) в канале:
речевом
пд
сигнализации
Скорость
кодирования речи, кбит/с
Общая масса, kj
А
Морскал
ТЛФ
аналоговая),
Телекс. ПД
Параболическая
диаметром (.1.9 м
17.0
-4.0
2,4
4.9
0.5
0,5
_
110... 180
В
Морская
ТЛФ
(цифровая),
Телекс. ПД
Параболическая
диаметром 0.9 м
.13.0
-4.0
12,0
12.0
12.0
0,75
0,5
0,5
16.0
90. .120
С
Морская
Сухопутная
пд,
Телекс
Всенаправ-
папран-
15.0
-23,0
0,6
0,5
._
В... 15
М(М) 1
Морская (
ТЛФ
(цифровая), пд
Слабо-
направленная
23.0
-10,0
4.0
2.4
3,0
0,75
0,5
0,5
6.4
17... 25
M(U 1 AERO-1 \ AERO-2 \
.'ухопутиая Авнаци- 1 Авнаци- I
онкаа J онпая |
ТЛФ
(цдфро-
вая). ПД
Слабо-
направленная
25.(1
-12.0
4.0
2,4
3.0
0,75
0.5
0.5
fi.4
7...Ю
ПД, 1
Телекс
Всенаправ-
ленная
15.0
-26,0
0.G
_
0,5
_
8. ..17
ТЛФ 1
(цифровая),
ПД. телекс
Слаболенная
ленная
25.5
-13.0
10,5
2.4
2,4
0,5
0,5
0,5
9.6
15... Зв
4. Система Inmarsat-Aero обеспечивает цифровую телефонную
связь и передачу данных для самолетов коммерческого и делового
назначения. Коммерческие услуги ее начались в 1992 г. и в настоящее
время расширяются. Ожидается, что к концу 1997 г. абонентскими
станциями такого типа будет оснащено до 1000 самолетов.
19.3. Национальная система ПСС Канады
(MSAT)
Национальная система ПСС Канады — система MSAT —
является частью региональной системы, создаваемой в Североамериканском
регионе совместно Канадой и США и предназначенной для
обеспечения связью сухопутных и авиационных подвижных объектов,
размещенных в пределах национальных границ Канады. Система MSAT
базируется на использовании специализированного ИСЗ,
располагаемого на геостационарной орбите с точкой стояния 106,5° з.д.
Основные параметры его приведены в табл. 19.4.
Для установки на сухопутных и авиационных подвижных
средствах разработаны два типа абонентских станций. Абонентскими
станциями системы будут оборудованы только авиационные
средства, совершающие полеты на внутренних авиалиниях. На самолетал
международных авиалиний будут устанавливаться станции Inmarsat-
Aero.
Основные параметры абонентских станций системы MSAT
приведены в табл. 19.5.
Разработан широкий спектр антенн диапазона 1,5/1.6 ГГц для
абонентских станций, устанавливаемых на различных подвижных
средствах (автомобилях, поездах) или используемых в составе
переносимых станций. Параметры этих антенн приведены в табл. 19.6.
Антенные системы ЗС имеют диаметр 4,5 и 11 м; от этого зависит
добротность G/T ЗС. которая составляет 28,0 и 37,0 дБ/К
соответственно. В каналах сигнализации используются протоколы МДВР,
а в телефонных каналах и каналах ПД — метод ЧРК с
предоставлением каналов по требованию.
Кодирование речи осуществляется по алгоритму ШВЕ.
19.4. Национальная система ПСС США
(ACS/MCS)
Национальная система ПСС США - Система ACS/MCS —
яаанется частью региональной системы, создаваемой ь
Североамериканском регионе совместно Канадой и США и предназначенной
для обеспечения связью сухопутных и авиационных подвижных
объектов, размешенных в пределах национальных границ США.
Система ACS/MCS базируется на использовании
специализирован наги ИСЗ. располагаемою на геостационарной орбите с точкой
стояния 101,0* з.д.
IM)
Таблица 19 4
Параметр системы MS AT
Зона обслуживания
Число лучей
Диапазон рабочих
частот, МГц:
прямая линия
обратная линия
G/T, дБ/К:
прямая линия
обратная линия
Максимальная ЭИИМ, дБВт:
прямая линия:
Луч 1
Луч 2
ЛучЗ
Луч 4
Луч 5
Луч 6
обратная линия
Число ТЛФ каналов для луча
1
2
3
4
5
6
1 " ^
Значения параметров
Формируется узкими лучами
6
13025,0... 13245,5
1530,0... 1559,0
1631,5... 1660,5
10730,0... 10890,0
-4
2,3
57,5
56,0
57.5
56,6
47,1
47,8
42,2
400
280
400
320
35
43
Основные параметры ИСЗ ACS/MCS приведены в табл. 19.7.
Для установки на сухопутных и авиационных подвижных
средствах разработано несколько типов абонентских станций, принципы
использования которых аналогичны изложенным в § 20.3 для
системы MSAT.
Основные параметры абонентских станций системы ACS/MCS
приведены в табл. 19.8.
В системе используются ЗС с диаметром антенных систем 6.1 м.
добротность С/Т которых составляет 31.3 дБ/К. В каналах
сигнализации используются протоколы МДВР, а в телефонных каналах и
каналах ПД - метод ЧРК с предоставлением каналов по требованию.
481
Таблица 19.5
Параметр абонентских
1 станций системы MS AT
1 Стандарт
Вид передаваемое
информации
Тал антенны
Максимальная ЭЙИМ,
дБВт, для антенны:
всенаправленнон
слабонаправленной
направленной
CfT, дБ/К, для антенны:
всевалраялекной
слабонаправленной
направленной
1 Скорость передачи,
1 кбит /с, для канала:
речевого
пд
Скорость кодирования
(при к = 7) для канала:
речевого
пд
Скорость кодирования
речи, кбит/с
Значения параметров
Сухопутный | Авиационный
ТЛФ, ПД
Всенанрааленная,
елабонадравленаая,
направленная
0,5
16.5
15,0
26,0
17,5
12,0
0,5
26.0
12,0
26,0 1
16,0
13,0
4,8
2,4
2/3
1/2
0,5
0,5
6,4
19.5. Национальная система ПСС России
Система «Океан»
Система «Океан» базируется на использовании ИСЗ типа
«Горизонт», располагаемых на геостационарной орбите с точками
стояния 11° з.д. и 80° в.д. Используется 13-й ствол ИСЗ, имеющий
выход по диапазону 6/4 ГГц в 8-й ствол. Параметры ствола ИСЗ
приведены в табл. 19.9.
Ствол 13 подключен к антенне глобального охвата с G& = 16,5
дБВт на краю зоны обслуживания. Ствол 8 подключен: для
приема — к антенне глобального охвата с угловыми размерами ДН
17,2x17.2° с усилением по краю зоны 16,5 дБ, а для передачи —
к антенне зонального охвата с угловыми размерами ДН 9x18е с
усилением по краю зоны 19 дБ.
4*2
s
id
d
s
4
It
О
5 £
6 «>
vg x
В V
* S
и —
* s
^ 3
e *
** e «
м >> 2
v к
С и
in •*
9 a-
о
e ^
I
i
о «о
O) O*
m
«4
m
»-ч
о
да
u>
Ю
1Я
СЧ
SO
1—f
CO
о
CO
10
«S3
S
X
v
3
a.
m ю
Ш CO
ф О
Ю (О
из to
О «I
rt го
§1
Is
Is
Й ™
A is
h
С
32
•о
M
Ю
Г"
o^
oT
to
(O
U3
0-1
SO
'"
"t
o"
CO
to
I- u5
I
о *
•"* к
и 2
36
Ei
о
2 g
If
о
ее*
о о
in ю
tO CO
re
с.
*
1С
о сз_
№ О*
Ю SO
ю со
to to
ю со
С! О
во ас
I s
а =
CO HI
1 s
т К ~
" S S
? s
i°
о
« s
п
S
m
9
О
о *
Я н
в £
л) М
II
>-.
s- aj
х и
а. о
sf о
S С
■9" с
■е- .
in я
О СЛ
о
s *
с
S
о
Is
II
О
э
со
- ° £
S ь-
в ^ «si
о <*
S
и
О
О tt >- Й et
a rt
3
«= р.
о с
*> ж
л) г<
И V,
483
Таблица 19.7
Параметр системы ACS/MCS
Зона обслуживания
Число лучей
Диапазон рабочих частот, МГц,:
прямая линия
MCS
ACS
обратная линия
MCS
ACS
GIT, дБ/К:
прямая линия
обратная линия
Максимальная ЭИИМ, дБВт:
прямая линия:
луч 1
луч 2
луч 3
луч 4
луч 5
луч 6
обратная линия
Число ТЛФ каналов:
луч 1
луч 2
луч 3
луч 4
луч 5
луч б
Значения параметров
Формируется узкими лучами
6
13025,0... 13245,5
1530,0... 1544,0
1545,0.. Л559,0
1631,5... 1645,5
1646,5... 1660,5
10780,0... 10940,6
-4
4,3
58,4
58,4
58,4
58,4
47,4
47,4
42,2
400
280
400
320
35
43
Система «Океан» введена в эксплуатацию в 1988 г. и была
предназначена для обеспечения услуг связи между различными
подразделениями Министерства морского флота и судами в море. В
настоящее время владельцем ССС «Океан» является Главный центр связи
и спутниковых систем (ГЦССС) — самостоятельная организация в
структуре Департамента морского транспорта (ДМТ).
В состав системы ПСС «Океан» входят:
земные станции типа «Орион», размещенные на объекте СКС-1
г. Гусь-Хрустальный Министерства связи РФ. ЗС используют
антенны диаметром 12 м. добротностью 32 дБ/К.
абонентские станции Inmarsat-A, выпускаемые Севастопольским
радиозаводом им. Калмыкова и устанавливаемые на подвижных
средствах пользователя (можно использовать и импортные АС).
484
Таблица 19.8
Параметр абонентских
станций системы ACS/MCS
Стандарт
~ Вид передаваемой
информации
^ Тип антенны
Максимальная ЭИИМ,
дБВт, для антенны:
всей алравлеиной
слабонаправленной
направленной
G/T, дБ/К, для антенны:
всенаправленной
слабонаправленной
направленной
Скорость передачи.
кбит/с, в канале:
речевом
пд
Скорость кодирования
(при к — 7) в канале:
речевом
пд
Скорость кодирования
Значения параметров
Сухопутный
Авиационный
ТЛФ, ПД
Всенавравленная,
слабонаправленяая
направленная
10,5
23,0
26,0
22,0
13,0
4,0
12,0
4,8
3/4
1/2
A.S
«V0
13,0
26,0
20,0
13,0
10.5
4.8
0,5
0,5
речи, кбит/с
9,6
Диапазон рабочих
частот. МГц
для приема
1637,908334±0,25
для передачи
1536,408334±0.25
С/Г, дБ/К
-15,8
Т
Коэффициент
усиления, дБ
115±10
аблнца 19.9
Максима.'! ьная
ЭИИМ, дБВт
26
Каждый спутник позволяет одновременно организовать 4
телефонных канала и до 22 телеграфных каналов.
Услуги системы «Океан» .предоставляются круглосуточно,
соединение абонентских станций в телефонном режиме производится
через оператора ГЦССС (г. Москва).
Телеграфная связь осуществляется автоматически через Центр
485
KOMMVTiuuiH сообщений по принципам электронной почты (STORE
wd FORWARD).
Система ПСС «Марафон»
Эксплуатацию этой перспективной системы ПСС России
планируется качать в 1907 г. В состав орбитальной группировки системы
входят: 5 ИСЗ типа «Аркос» на геостационарной орбите,
обеспечивающих глобальную зону обслуживания, и 4 спутника «Маяк» на
высокоэллиптической орбите, которые обеспечивают услуги связи в
Арктической зоне (выше 70* с.ш.) и передачу данных «одним
скачком» между пользователями в Восточном и Западном полушариях.
В состав ИСЗ «Аркос» и «Маяк» входят три ретранслятора:
из диапазона 6 ГГц в диапазон 4 ГГц (С/С);
из диапазона 6 ГГц в диапазон 1,5 ГГц (C/L);
нэ диапазона 1,6 ГГц в диапазон 4 ГГц (L/C).
Ретранслятор С/С используется для организации связи между
стационарными станциями системы, где основным является канал со
скоростью передачи 64 кбит/с.
Ретрансляторы C/L и L/C позволяют организовать связь между
стационарными и абонентскими станциями. Каждый из них
оборудован фильтровой матрицей, а каждый фильтр матрицы обладает
возможностью перестройки во всей полосе частот подвижной службы.
Управление элементами фильтровой матрицы (включение,
выключение и настройка) осуществляется по командам с Земли.
Основные параметры ИСЗ «Аркос» и «Маяк» приведены в
табл. 19.10 и 19.11 соответственно.
В качестве антенных систем диапазона 1,5/1,6 ГГц
используется АФАР. дозволяющая сформировать многолучевую систему с
изменяющейся конфигурацией лучей. Каждый из лучей в диапазоне
ПСС имеет возможность перенацеливания в любую точку видимой
поверхности Земли и изменения угловых размеров диаграммы
направленности каждого из лучей:
в ИСЗ «Аркос» от 8x8 до 5x6°;
в ИСЗ «Маяк» от 12x12 до 5x5°.
Помимо зтого каждый луч антенной системы КА «Маяк»
позволяет отслеживать заданную точку прицеливания на поверхности
Земли в процессе полета
Начальная конфигурация системы «Марафон» основывается на
использовании установления связи и характеристиках каналов,
аналогичных принятым в системе Inmarsat.
Для ИСЗ «Аркос» можно использовать абонентские станции
Inmarsat-А. В, С, М и AERO, основные параметры которых
приведены в табл. 19-3, и абонентские станции Европейского стандарта
(Prodat-2) в зонах обслуживания, формируемых как глобальным, так
и узкими лучами. Для ИСЗ «Маяк» абонентские станции Inmarsat-А.
4К6
Таблица 19.10
Параметр ИСЗ «Аркос»
Точки стояния
Точность удержания
Время жизни
Тип антенны:
в диапазоне 4/6 ГГц
в диапазоне 1,5/1,6 ГГц
Ретрансляторы
Диапазон частот, МГц:
для приема
для передачи
Конфигурация лучей,
град.:
при приеме
при передаче
G/T (па границе зоны
обслуживания). дБ/К.
для луча:
глобального
ужого
ЭИИМ (на границе юны
обслуживания). дБВт.
для луча:
глобального
узкого (макс.)
Поляризация:
при приеме
при передаче
Значения параметров
13,53е э.д.; 40,0° в.д.: 90.5е в.д.;
145,3° в.д.: 160,0е з.д.
±(0,1...0,2)" с/ю, ±(0.1...0,2)° в/з
5-7 лет
Параболическая
АФАР
C/L
6366... 6395
1530... 1559
1 зональный
6x11
1 глобальный
17x17
3 узких
перенацеливаемых
луча (5x6);
(8x8)
-8.5
34 .35
40. ..41
Правая
круговая
Правая
круговая
L/C | С/С
1631,5... 1660.5
4041,0... 4070,0
1 глобальный
17x17
3 узких пере-
нацеливаемых
луча (5x6);
(8x8)
1 зональный
6x11
-12,0
-5,0
30
Правая
круговая
Тевая
круговая
6355... 6*65
4030... 4040
1 зональный
6x11
1 зональный
6x11
-8,5
26
Правая
круговая
Левая
круговая
487
Таблица 19.11
Параметр ИСЗ «Маяк»
Тип орбиты
Параметры орбиты:
наклонение, град,
высота перигея, км
период обращение, ч
Время жизни, лет
Тип антенны-,
в диапазоне 4/6 ГГц
в диапазоне 1,5/1,6 ГГц
Ретранслятор
Диапазон частот, МГц:
при приеме
при передаче
Конфигурация лучей,
град.:
при приеме
при передаче
G/T (на границе зоны
обслуживания), дБ/К,
для луча:
зонального (12x12)
узкого (5x5)
ЭИИМ (на границе зоны
обслуживания), дБВт,
для .туча:
тонального
узкого (макс.)
Поляризация:
при приеме
при передаче
Значения параметров
Высокоэллиптическая
62... 84,5
650... 1500-
11,96
5-^7
Параболическая
АФАР
C/L
6366... 6395
1530... 1559
1 зональный
12x12
1 зональный
12x12
3-4 узких
перенацелнва-
емых луча
(5x6); (12x12)
-6.0
40.., 41
Правая
круговая
Правая
круговая
L/C
1631,5... 1660,5
4041,0... 4070,0
3-4 узких
перенацелнва-
емых луча
(5x5); (12x12)
1 зональный
12x12
-5,0
.11)
Правая
круговая
Левая
круговая
С/С
6355... 6365
4030... 4040
1 зональный
12x12
1 зональный
12x12
-8.0
30
Правая
круговая
Левая
круговая
48Й
В, I', М можно использовать только в зонах обслуживания,
формируемых узкими лучами. В зоне обслуживания, формируемое
зональным лучом ИСЗ «Маяк», можно использовать только абонентские
станции Inmarsat-AERO. *
Станциоиарные станции имеют следующие характеристики:
антенная система — параболическое зеркало диаметром 4,6 м;
добротность антенной системы G/T 22 дБ/К;
число речевых каналов 4... 12;
максимальная ЭИИМ 71 дБВт;
тип каналов зависит от используемых стандартов.
19.6. Национальные системы ПСС других
государств
Помимо перечисленных в стадии разработки находится ряд
региональных и национальных систем ПСС.
Из региональных систем следует отметить Европейскую систему
ПСС, базирующуюся на ИСЗ Italsat с точками стояния 10,2, 13,2 и
16,4е в.д. Возможно, что эта система будет использовать ИСЗ типа
Artemis с точками стояния 16,4 и 21,5е в.д.
В 1994 г. был запущен ИСЗ национальной ситемы Мексики Soli-
daridad, в которую входят ИСЗ Solidaridad-lM и Solidaridad-2M с
точками стояния 109,2 и 113° з.д. соответственно.
О своих планах создания национальных систем ПСС объявили:
Австралия (Aussat-MOB) — 156,0; 160,0; 164,0° в.д.;
Индонезия (Garuda) — 118,0; 123,0; 135,0е в.д.;
Иран (Zohreh) — 41,0; 59,0° в.д.;
Саудовская Аравия (Saudi-FMSS) — 52,0° в.д.;
Сингапур (ST) — 88,0; 98,0; 110,0° в.д.
489
Глава 20
Системы персональной подвижной
спутниковой службы
Персональная радиосвязь на базе сотовых наземных сетей —
одно из наиболее быстро развивающихся направлений связи.
Применение радиосвязи на абонентском участке позволяет иметь доступ к
каналу связи при перемещении в пространстве. При этом
сохраняется возможность соединения с перемещающимся абонентом по его
неизменному номеру.
Однако следует учитывать, что в районах с низкой плотностью
населения, в том числе в России, использование наземных сотовых
радиосистем связи вне крупных городов будет крайне
малоэффективно экономически. Поэтому возникает естественное предложение
применять для этой цели спутниковые сети связи. Но
энергетический баланс линий спутниковой связи до настоящего времени не
позволял уменьшить абонентский терминал до размеров сотового
телефона — трубки в руке.
Применение спутников на низких орбитах создает
энергетические преимущества серед геостационарными спутниками и дает
возможность организовывать сети подвижной связи с персональными
телефонами с ненаправленными антеннами. Кроме того, запуск
спутника на низкую орбиту проще и дешевле, для этого можно
использовать ракеты средней мощности. Резко уменьшается запаздывание
информационных сигналов в канале связи.
Стоимость абонентской установки и ее эксплуатации при
реализации крупномасштабных систем н массовом изготовлении приемных
терминалов может оказаться умеренной и доступной той же
категории лиц, которая использует телефоны сотовых сетей.
Однако имеется ряд недостатков, свойственных системам со
спутниками на низких орбитах [20.1], в том числе:
необходимость запуска большого числа спутников, даже если
предполагается обслуживать ограниченную зону; затем эту
группировку нужно поддерживать, заменяя вышедшие из строя спутники;
необходимость организации большого числа соединений между
зонами, для чего используются наземные или межспутниковые
линии или геостационарные спутники;
необходимость анализа и обработки сигналов на без рту
спутника; технологические сложности прн создании бортового
оборудования и абонентского терминала;
490
сложность частотного совмещения с системами спутниковой
связи с геостационарными спутниками и с наземными
радиорелейными линиями.
Функции систем с низкими орбитальными спутниками
достаточно широки. Такие системы подходят для радиоопределения (т.е. для
определения местоположения объекта), пейджинга, электронной
почты (с передачей сообщений с запоминанием; они ретранслируются
в момент, удобный для приема на принимающей станции). Такие
спутниковые системы удобны для организации технологической
связи, особенно при передаче сообщений от диспетчеров к движущемуся
средству. В отдельных случаях системы на низкоорбитальных
спутниках можно использовать для общедоступной фиксированной связи
с удаленными районами и передачи данных. Но основное их
применение — телефонная персональная связь с подвижным абонентом,
находящимся вне зоны действия наземных сотовых систем.
С наземными сетями сотовой связи в зоне действия последних
спутниковые системы конкурировать не могут. Поэтому создаются
абонентские терминалы — трубки двойного применения, способные
работать как в наземной сети, так и через спутники.
Серьезной проблемой является выбор полос частот для
фидерных линий, поскольку в этих полосах работают также системы
фиксированной спутниковой службы с геостационарными спутниками,
наземные радиорелейные линии и радиоастрономическая служба и
др. Помехи этим системам могут быть очень велики, но имеют
необычный (кратковременный) характер; проблема нормирования
таких помех изучается МСЭ и далека от завершения.
Полоса частот, выделенная для связи ниэколетящих
спутниковых систем с подвижным абонентом, весьма ограничена (в диапазоне
1610. 1626,5 МГц, т.е. всего 16,5 МГц). Это потребовало
применения эффективных методов передачи и многократного использования
полосы частот (г помощью узких лучей бортовых антенн).
Совмещение в терминале абонента всех функций станций
спутниковой связи (аналого-цифровое преобразование, модуляция,
демодуляция, усиление мощности и т.п.), да еще в двух вариантах —
для наземной и спутниковой систем связи — представляет собой
сложнейшую технологическую задачу, решаемую лишь при высоко-
технологическом производстве на базе специализированных БИС и
микропроцессоров,
Полосы часто], используемые системами персональной связи,
показаны в табл. 20.1.
Создание ряда систем спутниковой связи на низколетящих
спутниках началось как в России, так и за рубежом. Параметры
основных систем на низких спутниках приведены в табл. 20.2,
Поскольку процесс разработки не закончен, возможны некоторые изменении
данных таблицы.
1Я1
Таблица 20.1
Система
Iridium
Globalstar
Inmaisat-ICO
Odyssey
Линия
Фидерная линия
сс-исз-сс
Пользовательская линия
АС-ИСЗ
ИСЗ-АС
Фидерная линия
СС—ИСЗ
ИСЗ-СС
Пользовательская линия
АС—ИСЗ
ИСЗ-АС
Фидерная лилия
СС—ИСЗ
ИСЗ—СС
Пользовательская линия
АС—ИСЗ
ИСЗ-АС
Фидерная линия
СС—ИСЗ
ИСЗ—СС
Пользовательская линия
АС—ИСЗ
ИСЗ—АС
Полоса частот
19,3... 19,6 ГГи
1610,0... 1626,5 МГц
2483,5... 2500,0 МГц
5091,0...5250,0 МГц
6700,0... 7075,0 МГц
1610,0... 1626,5 МГц
2483,5.,. 2500,0 МГц
5091,0...5250,0 МГц
6700,0...7075,0 МГц
1980,0... 2025,0 МГц
2160,0. -. 2200,0 МГц
29,1...29.4 ГГц
19,3... 19,6 ГГц
1610,0... 1626,5 МГц
2483,5. .2500,0 МГц |
На рис. 20.1 показана схема орбитальной группировки системы
Iridium. Космический сегмент состоит из некоторого числа
спутников, находящихся на негеостационарных орбитах. Спутники
размещаются по нескольку штук в некоторой плоскости (плане) таким
образом, что, двигаясь в заданных плоскостях и последовательно
сменяя друг друга, формируют -заданную зону обслуживания.
Требуемая зона обсчуживания формируется узкими лучами антенных
систем отдельных спутников, находящихся в различных
орбитальных плоскостях.
Основными типами негеостацнонарных орбит, используемых в
системах персональной связи, являются:
низкие земные орбиты (LEO), высотой 700. .. 1500 км:
промежуточные круговые орбиты (ICO), порядка 10 000 км.
В наземный сегмент системы включаются:
станции сопряжения \СС). обеспечивающие взаимодействие
системы с наземными сетями общего пользования (НСОП) при
применении дня каждой страны или региона конкретных систем
нумерации и видов сигнализации;
492
Параметры системы
Число К Л
Число орбитальных
плоскостей/число
КА в плоскости
Тип орбиты
Высота орбиты, км
Наклонение, град
Масса КА. кг
(на орбите/стартовая)
Зона обслуживания,
град, (сш/ю.ш.)
Предоставляемые
услуги
Суммарная мощность
передатчиков
в направлении
ИСЗ-АС, Вт
Число лучей
| Число каналов на К А
I Метод доступа
абонентов
Способ связи между
зонами
| Число СС
Iridium
66
6/11
LEO
780
86
317/689
0... 90
ТЛФ, ПД
120
48
2500
МДВР-МДЧР
МДПР
1 Межспутки-
ховая
25
Globalst.ar
48
8/6
LEO
1389
52
250/450
0...72
ТЛФ, ПД
1000
16
2600
МДКР-МДЧР
МДПР
Через СС
200
Inmarsat -ICO
10
2/5
ICO
10335
45
1400/2200
0. ..90
ТЛФ, ПД
600
85
4000
МДВР-МДПР
Через СС
1 12
Odyssey 1
12
3/4.
МЕО
10354
55
1900
0...90
ТЛФ, ПД
200
$1
—
МДКР-МДПР
Через СС
7
^^^^^цмВбЛН
«Сигнал» у
48 1
8/6 1
LEO
1500
74
300
27... 90
ТЛФ, ПД
150
11
220
МДКР-МДЧР
Через СС
6
" «Гонеюе*' *™
45 \
5/9 \
LEO
1400
83
225
0... 90
ПД (эл.почта)
ТЛФ (в
пределах зоны)
40
1
—
МДВУ-МДЧР
МДВР
Перенос,
память н&
спутнике
~—
Рис. 20.1. Схежа орбитальной группировки системы Iridium
станции управлении ИСЗ-ретрансляторами, включая станции
управления сетью связи, а также станции телеметрии и передачи
команд управления.
Для организации доступа абонентов в систему используют
достаточно сложное сочетание нескольких видов многостанционного
доступа:
мяогостанциониый доступ с пространственным разделением
(МДПР), организуемый за счет использования узких лучей,
формируемых на ИСЗ;
многостанционный доступ с временным разделением (МДВР).
используемый в отдельном луче (соте). — системы Iridium, Inmarsat-
ICO:
многостанционный доступ с кодовым разделением (МДКР),
используемый в каждом луче (соте), — системы Globalslar. Odyssey.
«Сигнал»;
многостанционный доступ с частотным разделением (МДЧР),
используемый для смежных лучей (сот), —системы Iridium, Globalslar,
«Сигнал».
Одной из основных проблем, возникающих при разработке
систем персональной спутниковой связи, является организация
соединений между абонентскими станциями, находящимися в зонах,
формируемых различными ИСЗ.
В настоящее время эта задача решается двумя способами:
404
1. Использование межспутниковой связи (система Iridium).
Каждый ИСЗ имеет радиолинии связи с двумя ИСЗ, находящимися в
той же орбитальной плоскости, и с двумя ИСЗ, находящимися в
соседних орбитальных плоскостях. Сегмент управления сетью связи
сообщает центральному процессору (ЦП) управления ИСЗ
информацию о положении абонентской станции в той или иной зове. ЦП
выбирает необходимый маршрут прохождения информации по
соответствующему межспутниковому каналу связи. Поэтому для
сопряжения с наземными линиями связи требуется ограниченное
количество СС. Для линий межспутниковой связи применяются следящие
антенные системы.
2. Использование наземных каналов связи между СС,
находящимися в каждой зоне (системы Globalstar, Inmaisat-lCO, Odyssey,
«Сигнал»). Сигнал вызова (или информационный сигнал) от абонентской
станции через ИСЗ поступает на СС данной зоны. Поскольку в
банке данных СС хранится информация о зоне, в которой расположена
вызываемая абонентская станция, СС организует прохождение
вызывного (или информационного) сигнала к соответствующей "СС по
наземным каналам связи.
Система «Гонец» является наиболее простой системой
персональной спутниковой связи и предназначена для нескольких
режимов передачи сообщений в зависимости от их объема и типа. При
нахождении абонентов в зоне видимости одного ИСЗ обмен
информацией (в том числе и телефонной) производится в реальном
масштабе времени. Бели вызывающая и вызываемая абонентские
станции находятся в зонах радиовидимости различных ИСЗ, возможна
передача сообщений только в режиме электронной почты — с
запоминанием, хранением сообщений на борту ИСЗ и их передачей к
вызываемой абонентской станции при пролете ИСЗ над регионом ее
расположения.
В системе «Гонец» используются следующие виды
многостанционного доступа: многостанционный доступ с временным уплотнением
(МДВУ) для канала сигнагшзации; комбинация МДЧР и МДВР для
информационных каналов. Системы Iridium, Globalstar, Odyssey
создаются в основном в США с участием европейских фирм; система
Imnarsat-lCO создается международной компанией: «Сигнал»,
«Гонец» — российские системы.
Глава 21
Проектирование систем
спутниковой связи
21.1. Исходные данные
Рассмотрим исходные данные, необходимые для проектирования
систем спутниковой связи. На практике часть этих данных может
быть задана заказчиком системы, часть предложена самими
разработчиками на основе имеющихся в их распоряжении технических
средств, но для упрощения изложения будем полагать, что все
исходные данные представлены заказчиком.
Прежде всего должна быть определена необходимая зона
обслуживания — территория, на которой могут располагаться земные
станции будущей системы либо непосредственно те географические
точки, где должны располагаться конкретные земные станция. В
последнем случае у разработчика появляется возможность
использовать отдельные узкие лучи, направленные на конкретные ЗС, что
улучшает энергетику системы и ее экономические показатели.
Далее должна быть задана необходимая пропускная способность
системы связи либо общим объемом информации, подлежащей
передаче через ИСЗ, либо, если это возможно, необходимым числом
каналов между каждой парой земных станций. При определении
требований к пропускной способности системы следует предусмотреть
рост потребностей за предполагаемое время существования
системы, составляющее обычно не менее б. ..7 и не более 20. ..25
(иногда до 50) лет.
Данные о необходимой пропускной способности обычно должны
содержать перечень видов передаваемой информации и требования
к качгству передачи, в особенности к отношению сигнал-шум или к
достоверности (для дискретных сообщений), поскольку необходимая
энергетика линии связи зависит как от объема информации, так и от
качества передачи. Должны быть также указаны дополнительные
требования к обработке передаваемых сигналов, если она
необходима, например к засекречиванию тех или иных сообщений, поскольку
такая обработка может повысить фактически объем передаваемой по
линии информации и изменить требования к ее качеству.
Необходимый объем информации должен быть разделен на две
группы, дуплексные каналы и каналы циркулярного характера (ТВ,
496
-звуковое вещание, изображение газетных полос). Вторая груапа
сообщений, предназначенная для одновременного приема на многих
станциях, особенно эффективно передается в спутниковых системах,
обычно через отдельные стволы ИСЗ или даже специальные ИСЗ.
Важнейшим является требование надежности каналов, так как
оно определяет необходимый объем резервного оборудования на ЗС
и на ИСЗ, а следовательно, необходимое число ИСЗ, поскольку один
спутник ограниченного объема и массы может не обеспечить
необходимую пропускную способность системы. Надежностью
определяется также необходимость и число резервных ИСЗ, как выводимых на
орбиту, так и хранящихся на Земле.
При заказе системы могут быть заранее заданы параметры
используемого ИСЗ или его стволов (мощность, полоса), если создание
специального нового ИСЗ не предполагается. Бели же допускается
создание нового ИСЗ, то должны быть заданы параметры,
необходимые для выбора ракетных средств вывода на орбиту —
предельные масса и габаритные размеры космической станции. Возможен н
промежуточный случай — используется уже существующий ИСЗ, во
заново создается бортовой ретранслятор системы связи; тогда
задаются выделяемые ему на спутнике масса, габаритные размеры
отсека, энергоснабжение.
Если ИСЗ не создается заново, то должны быть известны
неточность его удержания на орбите и неточность наведения бортовых
антенн, поскольку эти параметры влияют на размер зоны
покрытия и тем самым на энергетический расчет радиолинии, а также на
необходимость автоматического наведения на ИСЗ антенны ЗС и на
требования к этому оборудованию.
На объем оборудования и принимаемые решения влияет также
то, входит ли создаваемая система в общегосударственную сеть связи
или является выделенной («фирменной», ведомственной).
Предполагается, что заказчик определяет допустимый срок
реализации системы и максимально допустимую стоимость ее
создания; при -этом учитывается срок окупаемости системы и норма
прибыли.
Затем заказчики и создатели системы должны выяснить, какое
оборудование ЗС и КС имеется в готовом виде, т.е. выпускается
промышленностью и может быть использовано в системе без изменений.
Очевидно, что использование готового оборудования существенно
сокращает сроки и стоимость реализации системы.
21.2. Порядок проектирования системы
Выбор орбиты ИСЗ. Для создания систем связи и
вещания обычно предпочтительнее использовать геостационарный ИСЗ-
Следует проверить, размещается ли заданная зона обслуживания в
пределах одиой глобальной зоны видимости геостационарного ИСЗ
497
(см. рис. '2.4). Для проверки можно, нанеся на кальку контуры
глобальной зоны, показанной на рис. 2.4, перемещать их на запад или
восток. В некоторых случаях, особенно если ЗС расположена в
приполярных областях и зона обслуживания не помещается в зоне
видимости одного геостационарного ИСЗ, можно применить два и
более геостационарных ИСЗ в различных точках ГО либо
использовать ИСЗ на высокой эллиптической орбите (типа «Молния»). Для
создания систем связи с малыми абонентскими земными станциями,
особенно со станциями подвижной службы, целесообразно
использовать орбиты низкие или средней высоты, наклонные либо полярные
(с плоскостью орбиты, проходящей через полюсы Земли).
Выбор точки стояния ИСЗ. Точка стояния ИСЗ на ГО
выбирается примерно в середине (по долготе) зоны обслуживания, что
обеспечивает максимальное значение углов места для ЗС системы,
Иногда зту точку смещают к западу от центра зоны, чтобы
затенение ИСЗ происходило после наступления полуночи на
обслуживаемой территории (см. гл. 2). когда каналы вешания могут быть
выключены. Если выделенная администрацией связи точка стоянии ИСЗ
создаваемой системы определена международным планом (см. гл. 6)
для данного государства, то проблемы ее дальнейшего согласоваяия
не возникает. Но для систем ФСС, не занесенных в план (в тех
полосах частот, где плав не составлен) и не ограничиваемых
национальной зоной, необходимо рассмотреть условия ЭМС с другими сетями
спутниковой связи. ИСЗ которых расположены на соседних
участках орбиты, либо с сетями, которые обслуживают соседние
территории. Затем должен быть осуществлен полагающийся по Регламенту
радиосвязи процесс заявления, координации с этими сетями а после
его завершения — регистрации а Международном союзе электросвязи
(см, гл. 6). В последние годы проблема поиска места на орбите стала
весьма острой и часто определяющей возможность создания системы.
Расчет параметров (ширины луча, усиления) бортовых
антенн ИСЗ. Для этого прежде всего определяем необходимые
параметры луча антенны — точку прицеливания, угловые размеры луча
Фо. Ф| (эллиптического в поперечном сечении, см. § 2.4 2.6), угол
поворота «х осей Фо, Ф| чллипса относительно плоскости орбиты1.
Следует прибегнуть к ориентировочному графическому подбору, если
имеется возможность получить или построить карту земной
поверхности в угловой спутниковой проекции (см. § 2.4), либо исходя из
возможного размера бортовой антенны подобрать точку
прицеливания с помощью аналитической методики (см. 5 2.5), либо, наконец,
произвести строгий расчет луча, оптимального для покрытия
заданной зоны обслуживания по методу, изложенному в [3].
'Вариант обслуживания заданной зоны лучом специальной формы
здесь ради простоты не рассматривается, хотя и является перспективным.
498
Зная углы раскрывалучааяивнвыФо. *i вградусазц ояренвпяви
усиление бортовой антенны в децибелах, например, по формуле
Сб.дв = 101 IgGe = 44,4 - 1ЩФ0 - 161$Ф, (21.1)
и эквивалентную изотропно излучаемую мощность
где (Рпер.б'/пер) — мощность передатчикаСтвола ретранслятора ИСЗ,
подводимая к передающей антенне ИСЗ (т.е. с учетом потерь в
фидерном тракте) Эта мощность может быть задана при выдаче исходных
данных на проектирование системы связи либо выбрана
разработчиком на основе имеющихся прототипов и опыта создания ЙСЗ заг
данных массы и габаритных размеров, определяемых возможностями
средств вывода на геостационарную Орбиту.
Следует иметь в виду,: что из общей массы выведенного на
орбиту ИСЗ на собственно ретранслятор и era антенны выделяется не
более 15... 30 %, Остальное приходитсяйа платформу JIG3+
содержащую системы коррекции положения ЙСЗ, управления,
терморегулирования и жизнеобеспечения ИСЗ. Разумеется, при некоторых общих
возможностях по массе и габаритным размерам ретранслятора можг
но создавать ретранслятор с разным числом стволов. Чем меньше
стволов, тем больше может быть мощность каждого из них.
Следует учитывать взаимосвязь между мощностью и полосой
пропускания ствола. Существует некоторое оптимальное
соотношение между ними, справедливое при используемых параметрах
сигналов и земных станций. Увеличение мощности за оптимальные
пределы дает некоторый рост пропускной способности, однако
более медленный, нем что было бы во-зможко при согласованном из-,
меиении мощности и полосы пропускания ствола. На прлктике
установились следующие соотношения: при полосе ствола Л/,т —
= 35...40 МГц, используемого для-гигмглиад дуплексной сьяш. его
мощность Рыь,*? = 5 -;20 Вт, ЭИИМ =s 23...31 дБВт, ори добр.-г-
hoctit-ЗС G/T = 2-r». .39 дБ/К: снижение G/T требуегг щн-ичрщкк
нального увеличения '-МЦШ.
По выбранному ниачению ЭДИМ 1е1Коопреде^Щ1>со;^ьагм>»о
у поверхности 'ie.vi.iii плотностьпотока мощности (дЬ-Вт/дт):
И =г 10^[ЭШШ/Н*</Чда11>]. (2Li)
гдеа — наклонная лальногть (см. гл. 2). М: /,яСГ1 - дополни г.-льиы.-
потери в атмосфер, (обычно не более 1М.. 2;0. т.*>, I. .З'.д'Ь н*. в
полосах выше К) ГГц существенно.больше, см. гл. ."*), а также щ-ча
неточности- наведения антенн и др.
4Йв
Мощность сигнала на входе приемника
Рс.пр = WrS*b.np . (21.4)
где S*h.np = Spq — эффективная площадь приёмное антенны; Sp —
геометрическая площадь раскрыва антенны; q — 0,5.. .0,7.
По (21.4) выбирается размер антенны ЗС. В самом деле,
мощность шума на входе приемника ЗС
Рш = *Г2ДЛтв, (21.5)
где к — постоянная Больцмана, Тт. — суммарная температура
шума, К; Д/ств — полоса пропускания ствола. Суммарная
температура шума Те определяется в основном выбранным типом МШУ и
составляет обычно от 50... 100 до 200.. .3000 К. Значение Рш
следует увеличить относительно определенного по (21.5) на 20... 30 % для
учета помех от других систем связи через ИСЗ, а также от других
стволов данной системы связи, работающих на совпадающих (но с
другой поляризацией или с пространственным разнесением зон
обслуживания) или соседних частотах.
Из соотношений (21.3).. .(21.5) определяется отношение сигнал-
шум Рс>щ>/Рш как функция 5^, пр. Выбирая диаметр аитенны ЗС
Д\эс> можно изменять /Vnp/Pon добиваясь необходимого значения
этого отношения. Теоретически необходимое значение следует
определять из известного соотношения для предельной пропускной
способности ствола (бит/с):
С = Д/ств1оё2(1 + Рс/.Рш). (21.6)
Если необходимая пропускная способность задана не в битах в
секунду, а в числе каналов, то легко перевести число каналов в
эквивалентную скорость передачи: один телефонный канал принимают
эквивалентным по скорости передачи 32...64 кбит/с.
Поскольку пропускная сгюсобностыадана перед
проектированием системы, из (21.6) можно найти необходимое отношение (Рс/Ли)-
Однако следует учитывать, что реальная пропускная способность
ствола оказывается существенно ниже потенциальной (в 3...10 и
более раз) в зависимости от вида используемых сигналов и
совершенства аппаратуры. Особенно трудно реализовать потенциальную
пропугкную способность при особо низких и особо высоких
отношениях Pr/Рш- поскольку это требует сложных сигналов и аппаратуры.
Обычно принимают Рс/Рш = 10...20 дБ. Так, для приема
сигналов с ЧМ необходимое Ре/Рш аз 10 ... 12 дБ во избежание известного
явления - порога помехоустойчивости. Для приема двоичных
сигналов г фазовой манипуляцией с высокой достоверностью (вероятность
500
ошибки 10"5... 10"в) и некоторым эксплуатационным запасом в
зависимости от кратности модуляции требуется отношение сигнал-шум
от 10... 13 дБ (при двухфазной ФМ), 13... 16 дБ (при четырехфаэ-
ной ФМ) до 24. ..25 дБ (при восьмифазной модуляции). При этом
скорость передачи информации (бит/с) может приближаться к
значениям R = ДЛть (Га) при двухфазной модуляции, R = 2Д/ств —
при четырехфазной, R - 4А/СТв — при восьмифазной. Эти значения
справедливы при отсутствии многостанционного доступа в системе,
т.е. в односигнальном режиме, либо при временном
многостанционном доступе, когда потери относительно односигнальяого режима
невелики (1...2 дБ).
Величина Р<-/Рш ограничена также реально осуществимым
значением Da*c = y/^S-^/qit; из практических и экономических
соображений Олъе не бывает более 32 м, а во вновь создаваемых системах
— не более 9... 14 м. Минимальное значение Ддэс ограничено
необходимой пространственной избирательностью антенны для
исключения помех от соседних ИСЗ и обычно для систем фиксированной
спутниковой службы должно быть не менее 1,5... 7 м. В плане ФСС,
разработанном в 1988 г., предусмотрено значение Ддэе = 7 м для
диапазона 4/6 ГГц, 3 м для диапазона 10/14 ГГц. Таким образом,
разработчик системы выбирает 0Аъс в указанных пределах, после
чего определяет по (21.4), (21.5) Рс/Рш и исходя из указанных выше
необходимых значений этой величины выбирает кратность
модуляции и скорость передачи информации в стволе.
Выбранное значение Одас должно также удовлетворять
энергетическим требованиям для линии Земля-спутник. Мощность
передатчика ЗС РПер зс рассчитывается по формулам гл. 5 на основе
известного усиления бортовой приемной антенны КС G& пр и шумовой
температуры приемного тракта КС (обычно 1000- .2000 К)
Отношение Pc/Pw на входе приемника КС должно быть выше (обычно
в 5. ..10 раз) определенного нами ранее отношения Рс/Рш на
входе приемника ЗС. Если же это условие при приемлемой мощности
передатчика не выполняется, то необходимо рассчитать (см. гл. 5)
результирующее отношение Рс/Рш на входе приемника ЗС с учетом
вклада линии вверх и после этого скорректировать оценку скорости
R передачи информации в стволе либо увеличить D.43c.
Если для уменьшения мощности передатчика ЗС, упрощения
оборудования ЗС и исключения взаимной синхронизации сигналов
ЗС принимается решение о применении частотного
многостанционного доступа, то оценка емкости ствола /?С|В должна быть еще снижена
на "2.. .5 дБ. Оценив ЯС1И и сопоставив ее с необходимой (заданной)
суммарной емкостью системы связи на всех направлениях связи /fs,
найдем необходимое число стволов на спутниках проектируемой сети:
»ств = Де/Яств (21.7)
501
21.3. Экономические соотношения
Нами выбраны основные энергетические параметры системы:
размер луча бортовой антенны, диаметр антенны земной станции,
шумовая температура ЗС, пропускная способность ствола ИСЗ,
число стволов, испапьзуемых в проектируемой системе связи, способ
многостанционного доступа. Очевидно, многие из этих параметров
допускают вариации. Так, можно увеличивать шумовую
температуру ЗС, сохраняя неизменной добротность ЗС G/T, и
энергетический баланс линии не нарушится. Если мощность ствола ИСЗ не
определена заранее, то и ее можно изменять, не нарушая
энергетики линии, при соответствующем изменении добротности ЗС. Можно
менять мощность ствола, не изменяя (G/T)sc; тогда с изменением
Рй будет меняться отношение {Рс/РшЪхж и соответственно скорость
Rcrb передачи информации в стволе, а следовательно, необходимое
число Стволов.
Критерием выбора наилучшего сочетания упомянутых
параметров служит экономика. Следует добиваться минимума затрат на
канал при создании и эксплуатации системы1. Рассмотрим
некоторые зависимости, позволяющие оценить влияние тех или иных
параметров на стоимость системы. Сначала приведем некоторые
количественные характеристики, относящиеся к экономическим
показателям систем и оборудования спутниковой связи.
По обобщенным данным МСЭ, стоимость создания (разработки и
изготовления) многоствольных ИСЗ в 1981 г. составляла 15.. .30 млн
долл., в 1990-1992 гг. возросла до 80.. .200 млн долл., стоимость их
вывода на геостационарную орбиту около 60... 85 млн долл.
Следует учитывать, что для бесперебойной работы системы
связи целесообразно выводить на орбиту резервный ИСЗ, а также иметь
еще один резервный ИСЗ на земле. Некоторые данные по стоимости
запуска ИСЗ на геостационарную орбиту приведены в табл. 21.1.
В тех случаях, когда спутник не создается заново, а для новой
системы арендуют стволы на уже готовом ИСЗ, полезно знать
годовую стоимость аренды ствола. Такие данные приведены в табл. 21.2.
Реальная стоимость аренды зависит от ряда факторов:
длительности аренды, даты заключения контракта, позиции спутника
иа орбите м т.д.
Стоимосгь создания системы контроля и управления
находящимся на орбите ИСЗ оценена примерно в 6 % стоимости создания
Точнее, следует говорить о минимуме приведенных затрат
П = K/t ■+ У-, где А" — капитальные затраты. Э — годовые
эксплуатационные затраты, 1 — нормативный срок окупаемости системы. Поскольку
многие параметры системы не связаны с 9, иногда можно ограничиться
оценкой только по капитальным (т.е. по первоначальным) затратам.
502
Ракета-носитель
А.тлас-11... HAS
Ариана-3
Ариана-3
(половина нагрузки)
Арнаиа-4
Протон
Масса, выводимая на ГО, кг
2680... 3490
1518
650... 670
1900... 4200
2600 |
Таблица 21.1
[ Стоимость, или тля. 1
75... 115
49... 54
22..-27
65.. .115
65
Таблица 21.2
Параметры ствола
на спутнике Intelsat
Диапазон, ГГц
4/6
4/6
11/14
Полоса, МГц
36
36
72
ЭИИМ, дБВт
29
26
44
Годовая арендная
плата, млн долл.
Тариф без
полной гарантии
1,2
0,96
1,92
Полльтв
тариф
2,53
2,02
4,02 1
системы связи; годовые эксплуатационные расходы иа систему
контроля и управления составляют примерно 15 % стоимости создания
этой системы.
Стоимость ЗС спутниковой связи
в значительной степени (20. ..25%) кЛ,-юЛдойл,
определяется стоимостью антенны.
Стоимость антенны в очень сильной
степени зависит от ее диаметра. Так.
в [1.2] приведена обобщенная формула
Кд = а\ + UiD\,
(21.8)
Рис. 21.1. Зависимость
стоимости антенны ЗС от ее
диаметра
которая свидетельствует о
квадратичной зависимости стоимости
приобретения н сооружения антенны Ка от
ее диаметра D\ (ai и ач —
постоянные). В некоторых случаях
принимается еще более резкая — кубическая
— зависимость. На рис. 21.1
приведена зависимость стоимости антенны от ее диаметра, которая
близка к кубическому закону. В данную стоимость входит стоимость
механизма наведения антенны и простого фидерного тракта. К
значениям, показанным на рис. 21.1, следует добавить стоимость
вспомогательных систем, если они используются. Так, система
облучения и фидерный тракт антенны с разделением по
поляризации стоят 70.. . 100 тыс. долл., антиобледенительная система стоит
6 тыс. долл. + (400...500)5. где 5 — площадь зеркала, м3,
система автоматического слежения за ИСЗ типа экстремального автомата
503
?!
t 2 5 10 20 50 100 200 5001000
pnep.3CtST
Рис. 21.3. Зависимость
стоимости выходного усилителя
передатчика ЗС от его мощности
(диапазон 14 ГГц): / — транзисторный; g
— на ЛБВ; 5 — на клистроне; с
резервированием; без резервиро-
КГчМм.
1000
500
«Л
too
SO
Ю
V
5
1 ? 5 Ю SO SO 100 200 5001000
Рис. 21.2. Зависимость
стоимости усилителя мощности
передатчика ЗС от его мощности (диапаэов
б ГГц}: I — транзисторный; 2 — на
ЛБВ; 3 — на клистроне; с
резервированием! без резервирования
— 30--.150 тыс. долл. в зависимости от точности и наличия
программного наведения. Если требуется обеспечить работу антенны
при сильном ветре (более 20.-.30 м/с), то стоимость антенны
возрастает примерно на 20 %; одновременно сильно возрастает масса
опорно-поворотного устройства антенны.
Следует учитывать, что с увеличением диаметра антенны
появляется возможность уменьшить стоимость передающего
оборудования ЗС.
Изменение диаметра антенны приемопередающей ЗС влечет за
собой возможность изменения не только Гш входного усилителя, но
И ВЫХОДНОЙ МОЩНОСТИ fntpi Вт, передатчиков ЗС в соответствии с
соотношением
Pmp = 3WM/(qiriDl/\i), (21.9)
где А —длина волны на частоте передачи, м. Зависимость стоимости
выходного усилителя передатчика от мощности показана на рис. 21.2,
21.3: надо учесть также стоимость предварительного устройства (так
называемого преобразователя частоты вверх), которая примерно
равна указанной стоимости преобразователя вниз.
В состав оборудования ЗС входит также каналообразующая
аппаратура (уплотнения и разделения каналов, аналого-цифрового
преобразования) и аппаратура многостанционного доступа, стоимость
которой вносит также существенный вклад в стоимость ЗС, Так.
но обобщенным данным, стоимость наиболее совершенной
аппаратуры МДВР г большой скоростью передачи (60. . . 120 Мбит/с в стволе)
логтигает 600- .700 тыс долл. (включая модемы), при малой
скорости около 50. .100 тыс. долл. Аппаратура МДЧР стоит (в том
числе в варианте ОКН) примерно 6000 долл. в рагчете на канал при
частотной модуляции, но при использования ИКМ и ФМ стоиыость
возрастает до 8... 12 тыс. долл. на канал. Это примерно
соответствует стоимости аппаратуры «Интерчат» (МДЧР-ИКМЧЖН)
производства ВНР — около 300 тыс. долл. за 24-канальный комплект,
включая комплекс служебной связи и резервирования. Аппаратура
уплотнения стоит примерно 1000 долл. в расчете на канал, эхозагра-
дитель — 800 долл. на канал, устройства контроля телевизионного
ствола — от 1000 долл., цифровой телевизионный кодер по
стандарту MPEG2 — 50000... 70000 долл.
Важным элементом оборудования ЗС являются устройства беэ-
обрывного питания, которые исключают кратковременные
перерывы и помехи по цепи питания, так как содержат буферную
аккумуляторную батарею. Стоимость такого устройства в зависимости
от мощности меняется от 20... 30 тыс. до 100... 200 тыс. руб. В
необходимых случаях для ликвидации долговременных перерывов
станция снабжается резервным дизельным генератором. Стоимость
здания станции существенного вклада в общую стоимость станции
не вносит. На больших приемопередающих станциях для
улучшения качества эксплуатации и уменьшения обслуживающего
персонала обычно устанавливается система контроля, резервирования и
централизованного управления, использующая одну или несколько
малых ЭВМ; стоимость такой системы обычно не выходит за
пределы 100 тыс. долл. Общая стоимость крупной приемопередающей
земной станции, работающей на многих направлениях с большим
числом каналов, составляет от нескольких миллионов до нескольких
десятков миллионов долларов.
Итак, мы рассмотрели экономические исходные данные и
принципы оптимизации основных параметров ЗС — Da, Тш, Рпер — на
основе полученных в результате энергетического расчета значений
добротности (G/T) и ЭИИМ. Однако, нередко при проектировании
системы возникает необходимость изменить добротность земной
станции G/T, оставляя прежней пропускную способность ствола, но
соответственно изменяя мощность бортового передатчика Р&. Стоимость
создания и вывода ИСЗ зависит от мощности передатчика стволов
и может оцениваться по формуле
С,1С, = азР6а<+в1,п?*+в?', (21.10)
где пстъ — число стволов на ИСЗ; / — срок службы ИСЗ; о4,..., от
— постоянные. Решая совместно (21.10) и (21.8) или пользуясь
графиком на рис. 21.1, с учетом влияния изменения Од на Рпер по (22.9)
и соответствующего изменения значения G/T и ЭИИМ ЗС, можно
найти значения Р& и D_\. соответствующие минимальной суммарной
стоимости системы. На практике в распоряжении бывает выбор из
двух-трех значений Ре, D\.
ЬОЬ
Результат оптимизации будет зависеть от числа земных станций
Vv: чем больше их в системе, тем больше вклад стоимости ЗС в
общую стоимость системы и тем целесообразнее уменьшать стоимость
ЗС ценой увеличения Рь- По результатам такого анализа впервые в
мировой практике для спутниковой системы «Орбита» была
применена антенна диаметром 12 м, тогда как в международной системе
Intelsat в то время применялись только антенны с Da = 32 м.
Тенденция к уменьшению диаметра земных антенн получила дальнейшее
развитие в национальных системах ряда стран (используются
значения 12, 7, 5, 4, 3 м), в международной системе «Интерспутник» (12,
7 м), в системе Intelsat (стандарты D, Z, V1STA и др.). Особенно
выгодно применять малые ЗС в национальных системах небольших
стран, когда благодаря высокому усилению бортовых антенн при
небольшой мощности Ре достигаются высокие значения ЭИИМ, что
позволяет уменьшить необходимую добротность ЗС. Большое усиление
приемной антенны ИСЗ также способствует уменьшению антенны ЗС
при небольшой мощности передатчика ЗС. Уменьшению размеров
антенн ИСЗ и ЗС обычно способствует также переход на более высокие
частоты, например в диапазон 11/14 ГГц, благодаря увеличению
усиления антенн на передачу (несмотря на увеличение затухания
сигнала в осадках); при этом, однако, возрастает стоимость электронного
оборудования — приемников и передатчиков.
Общие затраты на создание национальной системы спутниковой
связи, содержащей один рабочий ИСЗ и несколько десятков ЗС, за
первые три года обычно должны составить не менее 200.. .300 млн
долл. Однако благодаря большому сроку службы ИСЗ (7... 12 лет),
большому числу радиочастотных стволов на ИСЗ (12... 48), большой
пропускной способности каждого ствола (от нескольких сотен до
тысячи и более каналов), малым затратам на управление находящимся
на орбите ИСЗ, получающим энергоснабжение от солнечных батарей,
себестоимость каждого телефонного канала получается невысокой.
Так, в системе Intelsat тариф за предоставление телефонного канала
на ИСЗ на одну минуту составляет 5,5 центов, а за предоставление
того же канала в закрепленном режиме на одни гутки 12 долл.
Примерно на том же уровне тарифы организации
«Интерспутник» (15 000 франков за канал в год, 40 франков за телевизионный
канал в минуту). При таких тарифах система святи через ИСЗ в ряде
случаев оказывается экономически эффективной.
Экономически эффективной следует считать такую спутниковую
сеть или линию, затраты на сооружение и эксплуатацию которой
ниже затрат на наземную сеть или линию, эквивалентную
спутниковой по пропускной способности, числу и размещению связываемых
пунктов. Как уже указывалось, капитальные Л и -эксплуатационные
Э расходы (в год) можно в обобщенном виде характеризовать одним
показателем - приведенными годовыми затратами 11 [П = Kfi+Э).
ЬШ
Величина К включает в себя затраты на разработку, изготовление н
вывод на орбиту ИСЗ, если ИСЗ создается заново. В случае аренды
стволов на готовом ИСЗ арендная годовая плата входит вт величину
Э. Затраты на сооружение сети ЗС, включая закупку оборудования
и оплату создания нового оборудования, входят в К.
Эксплуатационные затраты Э включают в себя расходы на замену вышедших из
строя ИСЗ, на управление ИСЗ, на эксплуатацию ЗС.
Важнейшей особенностью спутниковых систем связи является
независимость затрат на спутниковую линию от расстояния (по
земной поверхности) между земными станциями1, покольку это
расстояние практически не влияет на длину трассы распространения ЗС-
ИСЗ-ЗС и, следовательно, на параметры оборудования земных и
космической станций. В отличие от этого стоимость наземных линий
связи возрастает прямо пропорционально длине линии. Очевидно,
что при некотором достаточно большом расстоянии между
станциями затраты на спутниковую и наземную линии окажутся равными.
Это расстояние /^ф называется экономически эффективным;
применение спутниковой связи экономически целесообразно при / >4эф-
Дополнительными аргументами в пользу спутниковой связи
являются быстрота сооружения и локальный характер строительства
ЗС, что существенно при необходимости сооружения линии связи в
сложных географических условиях — через труднопроходимые или
малозаселенные районы, через водные пространства. Экономическая
эффективность применения систем спутниковой связи в общей сети
связи страны увеличивается благодаря их способности к быстрой
переброске каналов или групп каналов с одних направлений связи на
другие, что позволяет с помощью спутниковых систем создать
гибкий резерв для различных участков сети.
Если же экономическая оценка эффективности спутниковой
системы связи окажется неблагоприятной, то следует применить более
эффективные методы передачи, например МДВР вместо МДЧР,
помехоустойчивое кодирование сообщений и т.п. При этом усложняется
часть оборудования ЗС, растет объем информации, передаваемой в
стволе ИСЗ, вследствие чего падает приходящаяся на один канал
стоимость общегтволиного и высокочастотного оборудования ЗС
(антенны, приемников, передатчиков) и ствола ИСЗ.
Следующим шагом для улучшения экономических показателей
системы может быть изменение ее энергетических показателей.
Например, если число ЗС в системе невелико и их вклад в стоимость
системы не является определяющим, то может принести пользу
увеличение размеров антенны ЗС, так как при этом увеличивается
скорость передачи и тем самым уменьшается приведенная к каналу
стоимость космического сегмента; возросшая же стоимость антенны будет
'Пока JfMHbie станции остаются в пределах зоны покрытия,
507
котя бы отчасти скомпенсирована уменьшением стоимости
передатчиков ЗС. Напротив, при большом числе ЗС может помочь
уменьшение стоимости ЗС, в том числе путем уменьшения размеров ее антенн.
Наконец, если перечисленные меры не позволили достичь
положительного экономического эффекта, то следует пойти иа
исключение из системы некоторых ЗС, наиболее невыгодных по
экономическим показателям. Такими могут быть ЗС в городах, уже
обеспеченных большим числом каналов связи, либо ЗС, к которым
необходимы наиболее короткие наземные линии связи. Если и это не
поможет, то следует признать, что для создания заданной сети
спутниковая система неэффективна.
Если же положительный экономический эффект получен и все
параметры спроектированной системы соответствуют заданию, то
можно приступить к ее реализации.
21.4. Заключительные этапы реализации
системы
Нами выбраны основные энергетические показатели системы
(/»б, DA&, DArc, Рпер.зс, (Рс/Рт)вх.зс и т.д.), метод многостанцнонного
доступа и метод модуляции, размещение ИСЗ на орбите;
определена и подтверждена экономическая эффективность системы. Теперь
следует приступить к выбору конкретных типов оборудования,
которое предполагается применить в системе и которое имеется на
рынке, т.е. изготавливается и может быть приобретено. Отдельные виды
оборудования могут быть разработаны заново для данной системы;
обычно так и бывает, поскольку каждая система спутниковой связи
является уникальной и решает в той или иной степени своеобразные
задачи. В соответствии с результатами этого выбора
распределяются заказы на поставку оборудования и заключаются договора на
разработку и поставку новых видов оборудования. Если для системы
планируется создание нового ИСЗ, то его разработка и изготовление
будут наиболее ответственной частью программы.
После выбора оборудования и определения конструктивных и
стыковочных параметров вновь заказываемой аппаратуры можно
выдавать задание на проектирование земных слшнций системы
'Заказчик проекта определяет район размещения каждой ЗС, размещение
центров коммутации сети связи и центров выдачи и потребления
программ вещания, с которыми должна быть соединена ЗС.
Определяется также необходимая пропускная способность каждой ЗС,
указывается тип размещаемого оборудования. Напомним, что размеры
антенны и прочие энергетические параметры были выбраны ранее.
Весьма важным элементом проектирования является выбор nod-
ходящей площадки дм строительства ЗС. При этом следует
учитывать целый ряд противоречивых факторов. Так, для сокращения
508
дляны соединительных линий желательно размещать ЗС как
можно ближе к пунктам подачи программ — телецентру, междугородной
т&пефонной станции. К этому же ведет желание уменьшить затраты
на сооружение дороги к ЗС, на линии электропередачи, водопровод
и т.п. По названным причинам многие из первых ЗС «Орбита»
сооружались непосредственно в городах. Однако при выборе площадки
следует предусматривать необходимое удаление от источников
индустриальных радиопомех: транспорта, медицинских установок, линий
электропередачи и т.п. Из-за этого обычно приходится сооружать
ЗС вне городской черты. К тому же приводит необходимость
соблюдения норм на излучение, создаваемое ЗС в окружающей среде
(соблюдение так называемой биологической зоны).
Наиболее трудным сейчас является требование
электромагнитной совместимости с существующими и проектируемыми системами
связи. Наибольшую опасность взаимных помех представляют
радиорелейные линии, использующие те же полосы частот, и ЗС других
спутниковых систем; следует учитывать также возможность
возникновения помех от мощных передающих радиоцентров, от
радиолокационных передатчиков и др. Для анализа ЭМС обычно
производят расчет возможных помех и предварительный выбор площадки,
а затем наблюдают за реальным уровнем помех на месте с
помощью чувствительных измерительных приемников. При размещении
крупных ЗС по возможности прибегают к установке во впадинах,
окруженных возвышенностями. При этом, однако, надо обеспечить
прямую видимость в направлении на заданные ИСЗ; для крупных
ЗС обычно стараются так выбрать площадку, чтобы не было
закрытия при углах места более 5е в направлении на любую точку
геостационарной орбиты.
Следует избегать также близкого к площадке ЗС прохождения
трасс гамолетного движения, поскольку пролетающие самолеты
могут создавать помехи главным образом в результате отражения от
них сигналов удаленных радиорелейных и спутниковых ЗС.
После выбора площадки проектировщики приступают к
разработке строительной документации, составлению планов размещения
оборудования в помещениях, прокладке по помещениям
соединительных линий, кабелей и волноводов и т.д.
Не имея возможности подробно описать процесс проектирования,
обратим внимание на то, что в последние годы все чаще используется
быстрый индустриальный способ строительства, при котором здание
ЗС собирается из сборных конструкций либо из контейнеров, в
которых уже заранее, в заводских условиях, смонтировано
технологическое и радиотехническое оборудование.
После завершения проектирования ЗС первой очереди,
уточнения положения дел с заказами оборудования следует оценить воз-
мажньн сроки реализации системы и их приемлемость. Весьма ча-
509
сто именно необходимость соблюдения установленных сроков
реализации заставляет принимать те или иные решения о составе
оборудования, разработке новых типов аппаратуры, размещении ЗС и т.д.
Следующий этап — строительство земных станций первой очереди.
При современных методах индустриальной сборки крупные
приемопередающие ЗС сооружаются за б... 12 месяцев, малые контейнерные
ЗС — эа несколько дней или даже часов (если не учитывать срока
сооружения соединительных линий либо если эти линии не требуются,
поскольку станция устанавливается непосредственно у потребителя).
Когда ЗС первой очереди готовы, можно осуществлять вывод на
орбиту космической станции, ее включение и начинать летные
испытания системы. Цель испытаний — проверить
функционирование всех систем и оборудования, в том числе резервные
комплекты: оценить качество каналов связи по всем их регламентированным
показателям, оценить пропускную способность системы; определить
положение в пространстве главного луча антенны ИСЗ и оценить
стабильность положения луча.
Если результат летных испытаний положительный, то система
сдаётся в эксплуатацию. В процессе эксплуатации обычно
продолжается развитие системы связи — ввод новых ЗС, увеличение их
емкости, замена оборудования для этой цели и из
эксплуатационных соображений и т.д.
Список литературы
Общий
1. Регламент радиосвязи. Т. 1. — М.: Радио и связь, 1985.
— 509 с.
2. Бородин СВ. Искажения и помехи в многоканальных
системах радиосвязи с ЧМ. — М.: Связь, 1976. — 256 с.
3. Машбиц Л.М. Зоны обслуживания систем спутниковой
связи. — М.: Радио и связь, 1982. — 169 с
4. Кантор Л.Я., Минашин В.П., Тимофеев В.В.
Спутниковое вещание. — М.: Радио и связь, 1981. — 232 с.
5 Чернявский Г.М., Бартенев В. А. Орбиты спутников связи.
— М : Связь, 1978 — 240 с.
6. Основы технического проектирования систем связи через ИСЗ
/ Под ред. А.Д. Фортушенко, Г.В. Аскинази, В.Л. Быкова. — М.:
Связь, 1970. — 331 с.
7. Кривошеее М.И. Осповы телевизионных измерений. —
М.: Связь. 1976.
8. Справочник по радиорелейной связи / Под ред. С.В. Боро-
дича. М.: Радио и связь, 1981. 415 с.
По главам
2.1. Кантор Л.Я., Тимофеев В.В. Спутники связи и
проблемы ГО. — М.: Радио и связь, 1987. — 167 с.
3.1. ITU. L994-ITU-R Recommendations. ITU-R SNG Series.
Satellite Tvews Gathering. ITU Recommendation Assembly. — Geneva,
1994. - 22 p.
3.2. ГОСТ 19463—89. Магистральные каналы изображения
радиорелейных и спутниковых систем передачи. Основные параметры
и методы измерений.
3.3. ITU Recommendations of the CCIR. Television and sound
transmission (CMTT). Dussoldorf, 1990. — Vol. Xll. - 169 p.
3.4. ГОСТ Р 50788-95. Установки непосредственного приема
программ спутникового телевизионного вещания. Классификация.
Основные параметры. Технические требования. Методы измерений.
3,Г). Правила технической, чкеплуатации средств вещательного
телевидения. — М.: Радио и связь, 1995. — 176 с.
3.6, ETS 300 421. Digital broadcasting systems for television, sound
and data services; framing structure, channel coding and modulation
for 11/12 CHz satellite services. (Дата одобрения проекта
стандарта — 2.10.94 г.)
511
3.7. МСЭ. Рекомендации МККР, 1992 г. Серия RBT.
Вещательная служба (телевидение). МККР. Международный
консультативный комитет по радио. — Женева, 1992. — 220 с. (б.т. XI ИК).
3.8. ITU. ГГИ—R Recommendations 1994. SF Series. Vol.
Frequency sharing and coordination between the fixed-satellite service and
the fixed service. — Geneva, 1994. — 133 p.
3.9. ГОСТ 11515-91. Каналы и тракты звукового вещания.
Основные параметры качества. Методы измерении.
3.10. Нормы на электрические параметры каналов звукового
вещания, организованных в радиорелейных системах передачи на под-
несущих частотах и в спутниковых системах передачи. Введены в
действие Приказом № 92 Министра связи от 31.07.1995 г.
3.11. Никонов А.В., Папернов Л.З. Измерители уровней
звуковых сигналов. — М.: Радио н связь, 1981. — 152 с.
3.12. Чеховский Б.Я., Ходатаи В.Г. Использование устройств
компандироваяия динамического диапазона сигналов при передаче
программ звукового вещания // Радио и телевидение ОИРТ. — 1983.
— № 2. — С 15—17.
3.13. ГОСТ 21655-87. Каналы тональной частоты, первичные,
вторичные и третичные сетевые групповые тракты магистральной
первичной сети. Электрические параметры и методы измерений.
3.14. Нормы на электрические параметры каналов тональной
частоты магистральной и внутризоновых первичных сетей. Введены
в действие Приказом .№ 43 Министра связи от 15.04.1996 г.
3.15. ITU. ITU—R Recommendations 1994. S Series. Vol. Fixed
satellite service. — Geneva, 1994. — 436 p.
3.16. МСЭ. MKKTT. Синяя книга. Т. Ш-2. Международные
аналоговые системы передачи. Рек. G.211—G.254. — 250 с.
3.17. Евневич-Чекан О.В. Расчеты суммарных помех и
искажений в трактах передачи ТВ сигналов / Электросвязь. — 1982.
— С. 23^*2.
3.18. МСЭ. МККТТ. Синяя книга. Т. Ш-4: Общие аспекты
цифровых систем передачи; Оконечное оборудование. Рекомендации
G.700-G.795. — 615 с.
3.19. МСЭ. МККТТ. Синяя книга. Т. Ш-5. Цифровые сети,
цифровые участки и цифровые линейные системы. Рекомендации
G.801—G.96I (ИК XV и Х\'Ш). — 214 с.
4Л. Справочник по спутниковой свячи и вещанию / Под ред.
Л.Я.Кантора — М.: Радио и связь. 1983 288 с
4.2. Davenport W.B\ Signal-to-noise ratios in bandpass liiniters //
J. of Appl. Phys. - 1953. — Vol. 24, .V' 6. - p. 162-171.
4.3. Котельников В.А.,0 воздействии на нелинейные
сопротивления суммы синусоидальных напряжений //Научно -технический
сборник ЛЭИГ. М., 1936. — № 4. С 23 30
512
4.4. Westcott R.J. Investigation of multiple FM/FDM carries
through a satellite TWT operating near saturation // Electronics Record.
— 1967. — Vol. 114, № 5. — P- 726-740.
4.5. Хворостенко Н.П. Статистическая теория демодуляции
дискретных сигналов. — М.: Связь, 1968. — 335 с
4.6 Витерби Э.Д. Принципы когерентной связи: Пер. с англ.
— М.: Сов. радио, 1970.
4.7. Финк Л.М. Теория передачи дискретных сообщений. —
М.: Сов. радио, 1970- — 727 с.
4.8. Дорофеев В.М., Мирошников Ё.А. Влияние
характеристик тракта на достоверность передачи ФМ сигналов // Труды
НИИР. — 1979. — JC- I. — С. 20-23.
4.9. ГоноровскиЙ И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. —
М.: Сов. радио, 1977. — 607 с.
4.10. Гребельский М.Д., Паныеов Г.Х., Цврляв В.М.
Оптимизация линий спутниковой связи при передаче скоростных
цифровых потоков // Электросвязь. — 1979. — № 12. — С- 17-20.
4.11. Аппаратура МДВУ для передачи цифровой информации
через ИСЗ / М.Д. Гребельский, Г.Х. Паньков, М.И. Роэенбаум и др.
// Электросвязь. — 1979. — Л" 11. — С 14-16.
4.12. Симонов М.М. Методы синхронизации в системах с
МДВР // "Зарубежная техника связи: Экспресс—информация. Сер.
Радиосвязь, радиовещание, телевидение. — Вып. 11, 12. — С- 3-32.
4.13. Немировский М.С. Цифровая передача информации в
радиосвязи. — М.: Связь, 1980. — 256 с.
4.14. Банкет В .Д., Дорофеев В.М. Цифровые методы в
спутниковой связи. — М.: Радио и связь, 1988. — 240с.
4.15. Кларк Дж. мл., Кейн Дж. Кодирование с
исправлением ошибок в системах цифровой связи. — М.: Радио и связь
1987. — 392 с.
5.1. Калинин А.И. Влияние дождя на ослабление радиоволя на
трассах 'Земля—ИСЗ // Электросвязь. — 1976. — .Y* 5. — С. 12-15.
5.2. Крейн Р.К. Прогноз влияния осадков на спутниковые
системы связи // ТИИЭР. — 1977. Т. 65, № 3. — С. 210-216.
6.1 Международное космическое право / Под ред. А.С. Пира-
дона. — М.: Межд. отношения. 1985. — 205 с.
6.2, II Конференция ООН по исследованию и использованию
космического пространства в мирных целях. Заключительный доклад
Вена. 19S2. — Н>5 с.
6.3. Договор о принципах деятельности государств по
исследованию и использованию космического пространства, включая Дуну
и другие небесные тела, от 27 января 1967. // Сб. действующих
договоров, соглашений и конвенций, заключенных СССР с hhoctd госул
- М.. 1972. - Вып. XXV. — С. 41-45.
513
6.4. ЧАеШЬ&пшрй&ЯЯя конвенция электросвязи — Найроби.
1982. — 509 с.
6 5. Final Acts. WARC. — 1977. — Geneva: ITU. 1977. — 146 p.
66. Pmal Acts of the Regional Administrative Conference for the
Planning 6f tbe Broadcasting — Satellite Service in Region 2 (Sat—'83).
— Geneva: ITU, W83: — 328 p.
6.7. Final Acta. WAftC ORB-86. — Geneva: ITU, 1985. — 161 p.
6.8 Final Acts. WAftG ORB-1988. —Geneva: ITU, 1988. - 246 p.
6.9. Кантор Л.Я., Тимофеев В.В. Спутники связи в пробле-
attt.rO, —М.: Радиол связь, 1987. — 167 е.
7.1. В&раккн ЛЛЗ. Системы связи с шумоподобными
сигналами. — М.: Радио и связь, 1985.
7.2. Основы радиоуправления / Под ред. В.А.Вейцеля. — М.:
Радио и связь, 1995.
8Л. ССШ. Rec.405. XVU Plenary Assembly. — Geneva. 1990,
— Vol. XI.
8-2. Система спутникового телевизионного вещания «Москва»
/ JML Кантор, В.Д. Мидашнн, И .С. Поволоцкнй и др. //
Электросвязь. — 188©. — №1. —С. 6-10.
ЮЛ. Сшыткер Две. Цифровая спутниковая связь. —At.: Связь.
Ш«. — С. 172-180.
10.2г. Романовский М.И. Особенности многолучевых
спутниковых систем с коммутацией сигналов // Электросвязь. — 1993.
— X» 1. — С- 37.
10.3. Качанов В.И- СВЧ полупроводниковые передатчики. —
М-: Военжзддег, 1977. — С. 430.
10.4. Зарубежная техника связи: Экспресс—информация. Сер,
Радиосвязь, радиовещание, телевидение. — М.: Связь, 1979. - -
Вып. 4- — С. 20.
10.5.РудешсоВ.М., Халялин Г.В., Магиушевский В.Р. Маг
лошумяшие входные цепи СВЧ приемных устройств. — М.: Связь,
1971- — С. 279-
10.6. Рабер М.С., Цирлин И.С Контрольно-испытательная
аппаратура для наземной отработки бортовых ретрансляторов
спутников телевизионного вещания // Труды НИИ Р. — 1980. — № I.
— С. 9-13.
10.7. ТИИЭР. Сети спутниковой связи (Тематический выпуск),
— 1984. - Т, 72. — № 11. — С 22-27.
11.1. Rec. ШТ-R S.580-4. 1993-ITV-R Recommendations ITU
Radiocomm. Assembly. — Geneva, 1993.
12.1. Рекомендации МСЭ-Р S.725-729 // 1TU-RS. Series Fixed
Satellite Service TTV Radiocommunication Assembly. — Geneva, 1993-
12.2. VSAT Systems and Earth Stations. Handbook on Satellite
Communications, Supplement № 3 // ПТ Radiocommunication.
Bureau, 1995.
514
12.3. VSAT Compendium // INTELSAT. — October 19УЗ. -
Vol. 2.
L2.4. ITU Radioromniuiucalion study groups. Document 4.3 /
TEMP/1-E.9. — June 1994.
12.5. Кларк Дж, Кейн Дж. Кодирование с исправлением
ошибок в системах цифровой связи. — М.: Радио и связь, 1987-
13.1. ITU-R. Rec.473-5. XVII Plenary Assembly. — Dusseldotf,
1990. — Vol. X—XI.
14.1. Покрас A.M.. Сомов A.M., Цурихов Г.Г. Антенны
земных станций спутниковой связи. — М.: Радио и связь, 1985. — 288 с.
14.2. Модель A.M., Крутиков В.И., Стужин В.А. и др.
Волноводный тракт станций космической связи сантиметрового
диапазона // Электросвязь. — 1975. — № 7. — С. 51-55.
14.3. Покрас A.M., Цирлин В.М., Кудеяров Г.И.
Системы наведения антенн земных станций спутниковой связи. — М.:
Связь, 1978. — 152 с.
16.1. Карпов A.M., Леонов М.С., Жодзигшский А.И.
Основные направления развития наземного
командно-измерительного комплекса управления космическими аппаратами //
Радиосистемы. — 1996- — Вып. 11. — С. 85-90.
16.2. Жодэишскив А.И., Карпов A.M., Леонов М.С.,
Тимофеев Г.С. Система передачи с космических аппаратов
сигналов оповещения «Вызов* // Радиосистемы. — 1996. — Вып. 11.
— С. 35-38.
20.1. Кантор Л.Я., Поволоцкий И.С. Системы
персональной подвижной связи через низкоорбитальные ИСЗ // Вестник
связи. — 1994. — № П.
Оглавление
Предисловие 3
I. Принципы построения систем спутниковой связи
и вешания. Методы передачи сигналов
лава 1- Построение и функции систем спутниковой
связи 5
1.1. Основные определения. Состав в назначение систем
спутниковой связи.... —. • • ■ 5
1.2. Основные показатели систем спутниковой связи. — 11
Важнейшие показатели земных станций 11
Основные показатели космических станций.". 12
Основные показатели систем спутниковой связи 14
1.3. Состав земных и космических станции .. -. 16
Глава 2. Орбиты и зоны обслуживания lti
2.1. Орбиты спутников Земли 19
2.2. Геостационарная орбита 25
2.3. Определение зон видимости, покрытия,
обслуживания 26
2.4. Эффект Доплера и запаздывание сигналов 32
2.5. Эффекты затенения ЙСЗ и «засветки» антенн земных
станций 36
2.6. Оценка зоны покрытия 39
2.7. Алгоритм расчета контура ЗХА для геостационарного
ИСЗ 42
Глава 3. Качественные показатели каналов
спутниковых линий 47
3.1. Качественные показатели каналов телевидения ..... 47
Классификация спутниковых ТВ каналов 47
Гипотетические эталонные цепи 48
Уровни ТВ сигнала 4У
Отношение сигнал-шум ^ у
Методики измерений и измерительные сигналы 56
3.2. Качественные показатели каналов звукового вешания
и звукового сопровождения ТВ 57
Измерение параметров каналов звукового ьещания.... 58
516
3i3. Качественные показатели каналов ТЧ и групповых
трактов - 63
Гипотетическая эталонная цепь каналов и групповых
трактов 63
Уровни передачи, используемые в каналах ТЧ н
групповых трактах 63
Качественные показатели каналов ТЧ 64
Нормирование шумов а каналах ТЧ 64
Качественные показатели групповых трактов 70
Качественные показатели вторичного широкополосного
канала . ♦ • • • • 70
Особенности нормирования и измерения каналов ТЧ и
групповых трактов спутниковых систем 73
3.4. Сложение искажений в составных спутниковых
каналах 76
3.5. Нормирование цифровых каналов и трактов 78
Цифровые спутниковые тракты в СЦИ 83
Измерение параметров цифровых каналов ■ трактов.. 85
Глава 4. Многостанпионный доступ н методы
разделения сигналов 86
4.1. Принципы и особенности многостанционного доступа 86
4.2. Представление эквивалентных нелинейных
характеристик ретранслятора 87
4.3. Многостанционный доступ с частотным разделением 90
4.4. Нелинейные эффекты при частотном разделении 93
Общая характеристика 93
Гармонический метод 96
Корреляционный метол 100
Эффект АМ-ФМ преобразования 101
4.5. Определение оптимальных параметров системы и
оценка эффективности МД с частотным разделением 103
4.(5 Многостанционный дооуп с временным разделением.
Общее представление JQ4
4.7. Оценка помехоустойчивости систем с МДВР 105
4.8. Влияние характеристик тракта на
помехоустойчивость систем с МДВР " Ю7
4.У. Расчет помехоустойчивости систем с МДВР на ЭВМ 111
4.10 Синхронизация в системе с МДВР Ц5
4.11. Системы спутниковой связи с зональным
обслуживанием «. 7
517
1.12. Преобразование иифарммадв вцифровуто формуй
интерфейсное оборудование 125
Аналого-цифровые преобразования 125
Интерфейсное оборудование 129
4.13. Кодирование в ССС .'. 131
4.14. Методы манипуляции и эффективность
использования полосы рабочих частот в ССС 140
Глава 5. Энергетика спутниковых линий — 149
5Л. Особенности энергетики спутниковых линий 149
5.2. "Уравнения связи для спутниковых линий 150
5.3. Поглощение энергии сигнала в атмосфере 155
5Д. Потери из-за рефракции и неточности наведения
антенн ■ • 165
5.5. Фазовые эффекты в атмосфере 167
5.6. Потери из-за несогласованности поляризаций антенн 169
5.7. Деполяризация радиоволн в атмосфере 170
5.8. Шумы атмосферы, планет и приемных систем........ 172
5.9. Расчет шумов в каналах спутниковых радиолиний .. 179
Глава 6. Диапазоны частот, выделенные для
спутниковой связи и вещания, и регулирование их
использования 186
6. L. Общие положения 186
6.2. Распределение полос частот между службами 189
6.3. Международная координация использования частот
спутниковыми системами 190
6.4- Плановое использование полос частот,
распределенных спутниковой вещательной службе 203
6.5. Всемирный план спутниковых систем связи,
принятый на ВАКР-ОРБ-88 220
6.6. Национальное регулирование использования
радиочастотного спектра спутниковыми системами 226
Приложение. Карточка ГКРЧ России по форме № 1
«Тактико-технические данные РЭС» и порядок ее
заполнения 228
Глава 7. Принципы построения системы
телеуправления и контроля спутников связи 246
7 1 Задачи и способы телеуправления и контроля
спутников связи 246
7.2. Командно-измерительные системы 248
518
7.3. Методы измерения текущих навигационных
параметров ■•■■■"- 25^
7.4. Особенности телеуправления и контроля спутников
связи при использовании аппаратуры связного кана-
ла »в
Глава 8. Методы формирования и передачи сигналов
телевидения и звукового вещания ... 262
8.1. Стандарты сигналов спутникового ТВ вешания 262
82. Аналоговый метод передачи с ЧМ 264
8.3. ТВ сигнал с временным разделением компонентов... 267
8.4. Передача ТВ сигналов в цифровой форме со сжатием 270
8.5. Телевидение высокой четкости 274
8.6. "Засекречивание ТВ сигнала 276
8.7. Передача сигналов спутникового звукового вешания. 279
Глава 9. Выведение спутников связи на орбиту 282
9.1. Параметры орбит выведении 282
9.2. Схемы выведения спутников на орбиту 283
9.3. Формирование требуемой трассы полета спутников на
высокоэллиптической орбите 289
9.4. Перевод геостационарного спутника на рабочую
долготу 290
9.5. Выбор времени запуска 291
9.6. Обеспечение устойчивости орбитальных структур
систем связи 292
II. Аппаратура земных и космических станций
Глава 10. Бортовые ретрансляционные комплексы
спутников связи и вещания 304
10 1. Общие сведения 304
10.2. Типовые структурные схемы БРТК 307
10 3. БРТР с однократным преобразованием частоты 308
L0.-J. БРТР с демодуляцией (обработкой) сигнала на борту 312
10.5. Межлучевая коммутация 3L5
10.6. Коммутация сигналов в видеоспектре. 317
10.7. Бортовые радиопередающие устройства 317
10.8. Входные приемные устройства БРТР, 327
10.9. Бортовые ретрансляционные комплексы спутников
связи и вещания России * 334
Глава 11. Земные станции магистральной спутниковой
связи 350
519
11.1. Структурная схема и состав оборудования земной
станции * ■ ■ 350
11.2. Принципы построения и характеристики приемных
устройств 352
11.3. Передающая аппаратура земной станции 359
Глава 12. Станции VSAT — малые станции для
телефонии и передачи данных. Принципы построения
схемы, функции 368
12.1. Определение класса земных станций VSAT 368
12.2. Типы сетей VSAT 369
12.3. Типы многостанционвого доступа в сетях VSAT 371
12.4. Структура сети VSAT для телефонии 373
12.5. Структура сети VSAT для передачи данных 381
12.6. Перечень основных производителей оборудования
VSAT 384
Глава 13. Приемные станции спутникового телевидения. 385
13.1. Приемные станции «Орбита-2» и «Москва» 385
13.2. Приемные установки системы «Экран» 387
13.3. Структурная схема и технические параметры
приемных установок диапазона П... 12 ГГц 389
13 4. Способы распределения принятых со спутника
программ 395
Глава 14. Антенны земных станции. Антенно-волновод-
ные тракты 397
14.1. Особенности антенн 397
14.2. Основные параметры антенн 398
14.3. Конструкции антенных систем 404
14.4. Антеняо-волноводные тракты 409
Глава 15. Земные станции систем подвижной
спутниковой связи 414
15.1. Номенклатура земных станций 414
15.2 ( труктурные схемы абонентских станций 414
15.3 Структурные схемы стационарных станций 420
15 4. Станции управления сетью 425
Глава 16. Аппаратура телеуправления спутниками связи 427
16 I. Командно-измерительная система «Каштан» 427
16-2. Земная станция КИС «Каштан» 430
16 3 Система «Вызов» 432
520
III. Системы спутниковой связи и вещания
Глава 17. Международные и зарубежные системы
спутниковой связи .*. 436
17.1. Спутниковые системы международных организаций . 436
17.2. Национальные системы США 445
17.3. Национальные ССС других зарубежных стран 448
17.4. Системы спутникового телевизионного вещания 455
Глава 18. Национальные системы спутниковой связи 463
18.1. Система «Горизонт» 463
18.2. Система «Экспресс» 464
18.3. Система «Галс» , 468
Глава 19. Системы подвижной спутниковой службы 473
19.1. Особенности систем подвижной спутниковой связи .. 473
19.2. Международная система ПСС Inmarsat 477
19.3. Национальная система ПСС Канады (MSAT) 480
19.4. Национальная система ПСС США (ACS/MCS) 480
19.5. Национальная система ПСС России .. - - 482
19.6. Национальные системы ПСС других государств 489
Глава 20. Системы персональной подвижной
спутниковой службы „ 490
Глава 21. Проектирование систем спутниковой связи .... 496
21.1. Исходные данные 496
21.2. Порядок проектирования системы 497
21.3. Экономические соотношения 502
21.4. Заключительные этапы реализации системы 508
Список литературы . 511
Оглавление 516
Справочное издание
Бартенев Владимир Афанасьевич
Болотов Генрих Владимирович
Быков Виктор Леонидович
Дьячхова Марина Николаевна
Жодзишский Александр Исаакович
Кантор Лев Яковлевич
Кумыш Эдгар Иосифович
Немировскии Михаил Семенович
Локшиы Борис Абрамович
Поволощсий Иосиф Семенович
Симонов Михаил Михайлович
Тамаркин Владимир Борисович
Тимофеев Валерий Викторович
Цирлин Виктор Маркович
Цирлин Игорь Самуилович
Спутниковая связь и вещание
Заведующий редакционным отделом Ю.Г. Ивашов
Редакторы: Э.М. Горелик, Н.Г. Давыдова
Художественный и технический редактор Л.А. Горшкова
Корректор Т. В. Дземидович
ЛР 010164 от 29.01.97
Сдано в набор 12.04.97. Подписано в печать 1.07.97. Формат fi0x88/16.
Бумага офсетная. Гарнитура Computer Modern. Печать офсетная.
Усл. печ. л. 32.34. Уч. кор.-отт. 32.83. Уч. изд. л. 39,91. Тираж 5000 -»кэ.
Изд. №» 23951. С-019.
Издательство «Радио и связь». 101000 Москва, Почтамт, а/я 693
Типография издательства «Радио и связь». 101000 Москва. Почтамт,
а/я 693