Файл: Курс лекций по специальности 140306 Электроника и автоматика физических установок.pdf

Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №9 «Спутниковые каналы связи»
103 9.2.5. Конструкция и технические характеристики
Спутниковая станция типа VSATпо конструктивному признаку состоит из высокочастотного (ODU
7
) и низкочастотного (IDU
8
) модуля. ODU, состоящий из антенны и приемопередатчика, размещается вне здания, в котором устанавливается IDU, состоящий из модема и мультиплексора
(каналообразующей аппаратуры), как показано на рисунке 9.4 [11].
LNC
HPA
RF Driver Unit (TR)
Питание
IF Cable
1.8 m Antenna
Power supply
Рисунок 9.4 Внешний блок (антенна и приемопередатчик)
Стaндapтный вapиaнт комплектaции включaет параболическую aнтенну небольшого диаметpa и пpиемопеpедaтчик.
В зaвисимости от местоpaсположения спутниковой стaнции по отношению к центpу зоны освещения спутникa и скоpости пеpедaчи в кaнaле используются более мощные передатчики или антенны большего диаметра. В помещении устанавливается модем и мультиплексор.
7
OutDoor Unit – внешний модуль
8
InDoor Unit – внутренний модуль

Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №9 «Спутниковые каналы связи»
104
ODU и IDU соединены между собой радиочастотными (RF
9
) кабелями.
По ним идет сигнал промежуточной частоты (IF
10
). IF используемая бывает
70 или 140 МГц.
По функциональному назначению VSAT-станция делится на базовый комплект, который обеспечивает передачу самого канала и дополнительное оборудование, которое обеспечивает мультиплексирование этого канала.
Внешний блок
Внешний, или как его иногда называют высокочастотный блок, состоит из антенны и приемопередающего блока, который устанавливается на этой антенне.
Приемопередающий блок обеспечивает преобразование низкочастотного сигнала, его усиление и передачу «вверх», а также прием высокочастотного сигнала со спутника его преобразование в низкочастотный и передачу к внутреннему блоку.
Антенна
Однозеркальная антенна обычно выполняется по схеме офсет (со смещенным центром). Схема офсет позволяет снизить уровень боковых лепестков идущих параллельно земли и дающих максимальные помехи.
Также данная схема позволяет избежать накопления атмосферных осадков на поверхности рефлектора.
Антенна состоит из:

рефлектора (зеркала),

системы облучения,

опорно-поворотного основания (ОПУ).
Приемопередающий блок
Основной терминал состоит из:

СВЧ блока преобразования частот
9
Radio Frequence
10
Intermedia Frequence

Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №9 «Спутниковые каналы связи»
105

усилителя мощности (SSPA
11
или TWT
12
),

малошумящего конвертора (LNC),

блока электропитания (PS
13
)

соединительных кабелей.
Функция приемопередатчика заключается в преобразовании, после модулятора, сигнала IF, на конверторе вверх, в RF сигнал для передачи через антенну и в преобразовании полученного RF сигнала в сигнал IF, на конверторе вниз, для блока, используемого как демодулятор.
Внутренний блок
Внутренний блок представляет собой 19‖ стойку с установленными в ней спутниковым модемом и мультиплексором. Иногда в стойке устанавливается и дополнительное оборудование сумматоры, вентиляторы,
UPS
14
и т.п. UPS может устанавливаться и вне стойки, отдельно.
Спутниковый модем
Спутниковый модем, в части модулятора предназначен для кодирования передаваемого цифрового потока, пришедшего из мультиплексора, модулирования сигнала по IF, необходимого усиления и передачи сигнала на внешний блок. И приема сигнала IF из внешнего блока, усиления его, демодулирование в цифровой сигнал, декодирование и передачу в мультиплексор, в части демодулятора.
Мультиплексор
Мультиплексор предназначен для мультиплексирования голосовой, факсимильной информации и передаваемых данных. Мультиплексор позволяет скомбинировать ежедневные телефонные и факсимильные сообщения с синхронной и асинхронной передачей данных в один канал, предаваемый по локальным сетям, наземным или спутниковым линиям. Это
11
Solid-State Power Amplifier – твердокристалический усилитель
12
Traveling Wave Tube – лампа бегущей волны (ЛБВ).
13
Power Supply – блок питания.
14
Uninterruptable Power Supply – блок бесперебойного питания.

Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №9 «Спутниковые каналы связи»
106 позволяет снизить телекоммуникационные затраты путем увеличения возможностей передачи важной информации и одновременного уменьшения пропускной способности канала.
Спутниковый Шлюз
Для выхода на сети наземных телекоммуникаций используются спутниковые шлюзы (большие станции к которым подключены через спутник VSAT-станции).
Шлюз может обеспечивать обеспечивает:

выход на телефонные сети;

услуги междугородной связи с выходом на сеть общего пользования;

услуги международной телефонной связи;

выход на специальные телефонные сети, например «Искра-2»;

выход на сети передачи данных (РОСНЕТ, INTERNET, RELCOM и др.);

возможность аренды наземного канала до любой точки в г.Москве:
В последнее время в большинстве современных и проектируемых системах находит применение стандарт ISDN. Существуют глобальные сети, в которых этот стандарт взят за основу, например EuroISDN. ISDN в глобальных сетях применяется и в России.
Шлюз позволяет обеспечить высокоскоростной выход на INTERNET, до
2 Мбит/сек. В данном варианте возможно получить доступ ко всем услугам
INTERNET (WWW, TelNet, E-mail, FTP и др.).
Все описанное выше, также относится и к другим глобальным сетям передачи данных.

Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №9 «Спутниковые каналы связи»
107
9.3. Радиосигналы в спутниковых системах связи
Основой любой системы радиосвязи является аппаратура формирования радиосигналов на передающей стороне и аппаратура, обеспечивающая обработку и выделение информации на приемной стороне. Именно аппаратура сигналообразования определяет помехоустойчивость системы и полосу частот, занимаемую радиосигналами, что, в конечном итоге, является определяющими параметрами для оценки экономической эффективности системы [12].
В общем случае под аппаратурой сигналообразования понимается совокупность технических средств, предназначенных для формирования и обработки сигналов, используемых для передачи информации в цифровых системах. В спутниковой связи эти операции обычно выполняет модем радиосигналов, который помимо традиционных функций модуляции и демодуляции выполняет роль кодера и декодера, локального мультиплексора, перемежителя символов, скремблера и т.д. Таким образом, современные спутниковые модемы обеспечивают выполнение всех функций по преобразованию информационных и служебных последовательностей символов в радиосигналы промежуточной частоты на передаче и обратное преобразование на приемной стороне.
Ниже будут рассмотрены технические характеристики радиосигналов, которые используются в спутниковых системах связи с открытой архитектурой, позволяющей работать различным независимым пользователям в режиме «один канал на несущую» (Single Channel Per Carrier
- SCPC), занимая, например, часть ствола ретранслятора.
9.3.1. Помехоустойчивость приема радиосигналов
В соответствии с теорией потенциальной помехоустойчивости наилучшие показатели достоверности приема двоичной информации без избыточности обеспечиваются в случае использования противоположных

Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №9 «Спутниковые каналы связи»
108 сигналов и их когерентной обработки на приеме. Данному требованию удовлетворяют некоторые типы фазоманипулированных сигналов.
Наиболее широкое распространение получили фазоманипулированные радиосигналы:

двухфазная фазовая манипуляция (ФМ-2);

четырехфазная фазовая манипуляция (ФМ-4);

офсетная ФМ-4;

манипуляция с минимальным сдвигом частоты (ММС) [12].
Эти классические виды модуляции могут быть представлены в виде непрерывных посылок, принимающих противоположные значения в квадратурных каналах, и имеют постоянную огибающую, что позволяет использовать выходную мощность передатчика в максимальной степени (для односигнального режима). В то же время фазовой манипуляции свойственен эффект «обратной работы», связанный с неопределенностью фазы при восстановлении несущей частоты на приеме. Для устранения этого эффекта применяется относительное преобразование, приводящее к некоторому ухудшению помехоустойчивости приема.
Помимо 2- и 4-фазных методов манипуляции в современных системах связи используются некоторые другие типы классических радиосигналов, в частности, восьмифазная фазовая манипуляция (ФМ-8) и 16-позиционная квадратурная амплитудная манипуляция (КАМ-16).
При ФМ-8 одна радиопосылка несет информацию о трех битах. Сигналы с ФМ-8 имеют постоянную огибающую, но не удовлетворяют условию противоположных сигналов, из-за чего при одинаковой скорости передачи информации уступают по помехоустойчивости ФМ-2 и ФМ-4 порядка 3,5 дБ.
Дальнейшее увеличение градаций фазы несущей в радиопосылках приводит к резкому снижению помехоустойчивости, поэтому многофазные сигналы (с количеством фаз 16 и более) в спутниковых системах используются очень редко.

Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №9 «Спутниковые каналы связи»
109
При КАМ-16 одна посылка несет информацию о четырех битах, а радиосигналы имеют непостоянную огибающую, так как амплитуда является информационным параметром. Такие сигналы достаточно чувствительны к амплитудным искажениям в трактах и быстрым замираниям в канале. По помехоустойчивости радиосигналы с КАМ-16 проигрывают более 4 дБ системам с ФМ-2 и ФМ-4. Необходимо отметить, что модель гауссовского канала для спутниковых линий связи, которая часто используется для теоретической оценки помехоустойчивости приема радиосигналов, может быть применена лишь с определенным приближением, в предположении отсутствия замираний и воздействия внешних помех.
9.3.2. Радиосигналы со сглаживанием
Классические фазоманипулированные сигналы в недостаточной степени удовлетворяют требованиям минимизации защитных частотных интервалов между сигналами при их частотном уплотнении в общем радиостволе. В связи с этим специалисты в области спутниковой связи, и в первую очередь международная организация Intelsat, разработали алгоритмы формирования радиосигналов и их кодирования, позволяющие обеспечить плотную расстановку каналов при частотном уплотнении, что стало фактическим стандартом для всех спутниковых систем связи с открытой архитектурой [12].
Для этого радиосигналы на передаче подвергаются дополнительному сглаживанию соответствующими фильтрами. Такие сигналы отличаются от классических (с тем же названием) тем, что благодаря специальным мерам по сглаживанию формы сигнала в них обеспечивается резкое снижение спектральной плотности мощности уже в первом боковом лепестке. Из-за этого возникает амплитудная модуляция в результирующем радиосигнале.
Материалы [12] регламентируют процедуры формирования и обработки сигналов. На передающей стороне видеоимпульсы прямоугольной формы в квадратурах подвергают предыскажениям в частотно избирательном тракте,

Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №9 «Спутниковые каналы связи»
110 эквивалентном последовательно соединенным фильтру Най-квиста, минимизирующего межсимвольные искажения, и формирующего фильтра.
Intelsat задает ограничительную маску для амплитудной и фазовой характеристики предыскажающего передающего фильтра. Параметры фильтра согласованы с основным лепестком спектральной плотности мощности сигнала. Аналогично регламентируются параметры когерентного демодулятора и его приемных фильтров. Параметры фильтров для радиосигналов с ФМ-2, ФМ-4 и ФМ-8 идентичны и нормируются к длительности радиоимпульса.
Спектральная плотность средней мощности радиосигналов на выходе модулятора должна удовлетворять маске, которая задается в регламенте оператора спутника.
Следовательно, у классических и сглаженных фазоманипулированных радиосигналов спектральные плотности средней мощности похожи в основном спектральном лепестке, однако у сглаженных сигналов этот лепесток более равномерен вблизи несущей частоты, а ярко выраженные боковые лепестки и нули отсутствуют. Таким образом, предыскажения на передаче позволили сформировать радиосигналы со спектром, приближающимся к прямоугольной (то есть максимально компактной для данного вида сигнала и скорости передачи) форме.
9.3.3. Кодирование сигналов и показатели помехоустойчивости
Наиболее распространенным методом кодирования является сверточное кодирование и декодирование по алгоритму Витерби. При низких вероятностях ошибок более предпочтительно применение последовательного декодирования, однако на практике оно используется нечасто из-за заметных вычислительных сложностей при работе в зашумленном канале. В то же время реализация алгоритма Витерби более проста, а использование мягкого декодирования по сравнению с жестким решением позволяет получать выигрыш в помехоустойчивости примерно 2 дБ, приближаясь по этому

Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №9 «Спутниковые каналы связи»
111 параметру к последовательному декодированию. Сверточные коды имеют заметный выигрыш в помехоустойчивости и работают при умеренно высоких вероятностях ошибок, что позволяет использовать такие коды с малой длиной кодового ограничения и алгоритмом декодировать по Витерби.
В спутниковых системах связи, как правило, используются сверточные коды с кодовым ограничением 7 и скоростями кодирования r = 1/2 и 3/4, а в ряде случаев 7/8 для сигналов с ФМ-2, ФМ-4 и КАМ-16. На приеме рекомендуется применять мягкое решение с 8-уровневым квантованием.
Сверточный код позволяет, например, при вероятности ошибки приема одиночного символа Р
ош
= 10
-6
в гауссовском канале получить выигрыш в помехоустойчивости сигналов с ФМ-4: 4,5 дБ (для r = 1 /2); 3 дБ (для r = 3/4) и 1,9 дБ (для r = 7/8).
Для радиосигналов с ФМ-8 используется разновидность сверточного кодирования со скоростью r = 2/3, получившая название решетчатого кодирования (Trellis-Coded Modulation -ТСМ). При тех же условиях выигрыш от применения решетчатого кодирования может составлять более 5 дБ.
Свойство сверточных кодов работать при относительно небольших вероятностях ошибок позволяет использовать их в качестве внутренних кодов, а в качестве внешних применять блочный код Рида-Соломона, требующий высокого качества канала связи. На выходе декодера Витерби неправильно принятые символы обычно группируются в пакеты, из-за чего ошибки в последовательных символах кода Рида-Соломона могут быть коррелированными. Для устранения этого эффекта используется такое перемежение, чтобы никакие два символа на выходе декодера Витерби, расстояние между которыми меньше глубины декодирования (величина, примерно в 5-6 раз большая кодового ограничения), не принадлежали одному кодовому слову кода Рида-Соломона. Совместное использование сверточного кода и кода Рида-Соломона позволяет получить хорошие характеристики помехоустойчивости сигналов. Однако коды Рида-Соломона имеют достаточно резкую зависимость вероятности ошибки от отношения

Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №9 «Спутниковые каналы связи»
112 сигнал / шум, поэтому необходимо соблюдать осторожность при их использовании в каналах с быстрыми замираниями.
Для радиосигналов с ФМ-2 и ФМ-4 рекомендуется применять коды
Рида-Соломона RS (n, I, t), где n - кодовая длина; l - число информационных символов в блоке; t - корректирующая способность кода, t = (n - 1) / 2, а скорость кодирования г = 1 / n

1.
В зависимости от скорости передачи и типа системы предлагается использовать коды RS(126, 112, 7), RS(225, 205, 10), RS(219, 201, 9), RS(194,
178, 8), RS(208, 192, 8) с глубиной блокового перемежения, равной 4 или 8.
Эти коды достаточно близки по параметрам и расширяют полосу частот не более чем на 10% (кроме первого кода с короткими блоками, расширяющего полосу на 12%). В зависимости от используемого типа радиосигнала при Р
ош
= 10
-6
энергетический выигрыш может достигать 2 дБ. При улучшении качества канала энергетический выигрыш от использования кода Рида-
Соломона резко увеличивается.
Аналогично для радиосигналов с ФМ-8 совместно с решетчатым кодированием рекомендуется использовать внешний код Рида-Соломона
RS(219, 201, 9), что позволяет при Р
ош
= 10
-6
получить дополнительный выигрыш в помехоустойчивости 2,5 дБ (и более в случае улучшения канала связи).
9.3.4. Турбо-кодирование
За последнее десятилетие путь от открытия до внедрения в практические разработки прошли турбо-коды.
Данное техническое решение пропагандируется рядом крупнейших производителей оборудования и, в первую очередь, Comtech EF Data, па чьих материалах и базируется настоящий анализ [12].
Достоинством турбо-кодов является возможность обеспечивать высокие характеристики помехоустойчивости при умеренной сложности оборудования. Турбо-коды подразделяются на сверточные (Turbo