Файл: Основы радиосистем (Лаб_16_описание).pdf

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Л.B. Когновицкий, А.Ю. Сизякова

ИССЛЕДОВАНИЕ СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ СВЯЗИ С НЕЛИНЕЙНЫМ РЕТРАНСЛЯТОРОМ

Лабораторная работа №16 Методическое пособие по курсу «Основы радиосистем»

1

УДК

621.39 К- 571

УДК: 621.391.22/23 (076.5)

Утверждено учебным управлением МЭИ Подготовлено на кафедре радиотехнических систем

Когновицкий Л.В., Сизякова А.Ю. Исследование спутниковой системы связи с нелинейным ретранслятором: Лабораторная работа №16. Метод. пособие. — М-.: Издательство МЭИ, 2002.- 15 с.

В пособии изучаются характеристики спутниковой системы связи, включающей нелинейный ретранслятор, находящийся на искусственном спутнике Земли. Лабораторная работа рассчитана на одно четырехчасовое занятие. Приведены контрольные вопросы и порядок выполнения лабораторной работы. Лабораторная работа выполняется на персональном компьютере.

Для студентов, обучающихся по направлению "Радиотехника".

© Московский энергетический институт, 2002

Учебное издание

Леонид Владимирович Когновицкий, Анна Юрьевна Сизякова

ИССЛЕДОВАНИЕ СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ СВЯЗИ С НЕЛИНЕЙНЫМ РЕТРАНСЛЯТОРОМ

Лабораторная работа № 16 Методическое пособие по курсу "Основы передачи информации "

для студентов, обучающихся по направлению "Радиотехника"

Редактор издательства Е.Н. Касьянова ЛР№ 020528 от 05.06.97

Издательство МЭИ, 111250, Москва,Красноказарменная ул.. д. 14

Отпечатано в типографии ЦНИИ"Электроника", 117415, Москва, просп. Вернадского, д. 39

2

ВВЕДЕНИЕ

В данной лабораторной работе изучается фрагмент спутниковой системы с частотным уплотнением или, как говорят, система с многостанционным доступом с частотным разделением сигналов наземных станций [1, 2].

Цель работы – провести количественный анализ влияния комплексной нелинейности ретранслятора, установленного на искусственном спутнике Земли, на показатели качества спутниковой системы связи.

Ретранслятор является центральным элементом в системе многостанционной связи (подробнее о многостанционном доступе написано в разделе 1). Считаем для определенности, что спутниковая система связи содержит N станций, в каждую из которых входят передатчик и приемник.

Нередко ретранслятор выполняется на уникальных образцах СВЧ техники. Под конкретный экземпляр СВЧ усилителя ретранслятора может проектироваться вся система связи. При этом усилитель задается своими характеристиками, снятыми в физическом эксперименте, а остальные элементы системы в явном виде не задаются: используются нормированные обобщенные характеристики и показатели. Такой подход позволяет уже на начальном этапе проектирования сформировать для заданного усилителя подмножество систем, нехудших по избранному показателю качества. При этом оптимальный режим работы усилителя часто оказывается существенно нелинейным. Это приводит к необходимости описания усилителя как устройства с комплексной нелинейностью [2] и к усложнению предварительных расчетов. В настоящей лабораторной работе изучение спутниковой системы связи основано на имитации некоторых элементов начального этапа проектирования систем.

Проработав рекомендуемую литературу, выполнив предложенные задания (разд. 2), можно получить необходимые сведения по спутниковым системам связи с нелинейным ретранслятором, а также представление о начальном этапе проектирования по формированию облика спутниковой системы связи при заданном усилительном элементе ретранслятора.

Данное методическое пособие включает общие сведения о многостанционном доступе в спутниковых системах связи, домашнюю подготовку, контрольные вопросы, порядок выполнения лабораторной работы и список литературы.

I.ПОНЯТИЕ И МЕТОДЫ МНОГОСТАНЦИОННОГО ДОСТУПА

Кнастоящему времени спутниковая связь используется в двух основных областях - передача циркулярной информации большому числу абонентов или широковещательная передача (ТВ- и звуковое вещание, передача газет) и организация магистральных линий связи большой протяженности. Все большее распространение находят новые услуги, под которыми подразумевают передачу по спутниковым каналам различной информации для всех потребителей или определенных их групп: конференц-связь с участием двух или большего числа абонентов, телефорумы, телетекст, передачи видеотеатра, пакетная передача цифровой информации, факсимиле, телекс, электронная почта, финансовая информация, объявления и пр. Рост общей пропускной способности, расширение услуг, ввод в эксплуатацию новых видов и типов каналов связи является характерным для развивающихся спутниковых систем связи.

В состав спутниковых систем входят космический и наземный сегменты [1]. Космический сегмент включает в себя несколько спутников-ретрансляторов, образующих космическую

3

группировку. На искусственных спутниках Земли (ИСЗ), как правило, устанавливается несколько независимых ретрансляторов. Каждый ствол ретранслятора имеет входной фильтр, который ограничивает прием сигналов заданной полосой частот. Распределение ресурсов каждого ретранслятора, т.е. формирование его независимых каналов, можно осуществить путем использования ортогональных структур сигналов.

Наземный сегмент состоит из центра управления системой, центра запуска, центра управления связью, наземных (шлюзовых) станций (ЗС) и абонентских терминалов отдельных пользователей. Организация дуплексной связи, передача факсимильных сообщений, передача большого объема данных – задачи шлюзовых станций и терминалов пользователей.

Чтобы сигналы различных наземных станций не влияли друг на друга, эти сигналы должны быть полностью разделяемыми. Используется разделение сигналов по частоте, по времени и по форме (кодовое). Одновременная передача сигналов ряда наземных станций через один, общий для всех ЗС ствол спутникового ретранслятора называется многостанционным

доступом.

В качестве упрощенного примера на рис. 1 показана система многостанционного доступа для четырех наземных станций, работающих по принципу "каждая с каждой". При этом космическая станция может иметь одну приемопередающую антенну для работы со всеми наземными станциями.

Системы спутниковой связи в настоящее время строятся на базе трех методов: с частотным (Inmarsat - М), временным (ICO, ASeS) и кодовым (GlobalStar) разделением каналов.

ИСЗ

Рис. 1. Система многостанционного доступа для четырех наземных станций, работающих по принципу "каждая с каждой"

Многостанционный доступ с частотным разделением каналов

Многостанционный доступ с частотным разделением каналов (МДЧР) является наиболее простым и распространенным методом, используемым в аналоговых и цифровых спутниковых системах связи.

При МДЧР каждая наземная станция передает свои сигналы в отведенном ей участке полосы пропускания ретранслятора. Полоса частот П ретранслятора делится между всеми наземными станциями (рис. 2). Между полосами, выделенными для соответствующих наземных станций, предусмотрены защитные частотные интервалы, обозначенные ЗЧИ на рис. 2, необходимые для уменьшения перекрестных помех между сигналами соседних наземных станций,

4

возникающие при одновременном прохождении сигналов через нелинейные устройства. Поскольку передаваемыми сигналами занята не вся полоса частот, пропускная способность ретранслятора уменьшается.

Рис. 2. Спектр группового сигнала при МДЧР

Таким образом, существенным недостатком систем космической связи с МДЧР является неэффективное использование полосы частот ретранслятора и его мощности [2]. Для систем с МДЧР характерно уменьшение пропускной способности по сравнению с односигнальным режимом, вызванное необходимостью снижения на 4...6 дБ мощности выходного усилителя ретранслятора из-за появления интермодуляционных помех. К тому же в подобных системах необходимо поддерживать по возможности одинаковые уровни мощности принимаемых сигналов на космической станции для избежания эффекта подавления слабого сигнала сильным в нелинейных устройствах ретранслятора.

Сигналы от разных наземных станций приходят на космический ретранслятор по разным путям, следовательно, условия распространения для них независимы. Поэтому на каждой станции измеряют ослабление сигнала на участке Земля - спутник для автоматической регулировки выходной мощности передатчика наземной станции.

С ростом числа несущих колебаний целесообразность передачи многоканальных сигналов на каждой из них уменьшается из-за уменьшения пропускной способности ретранслятора. При этом выгоднее каждому телефонному каналу предоставить свою частоту. Такой принцип передачи получил название ОКН – один канал на несущую. Однако метод ОКН применяют в основном в сети станций с небольшим числом каналов. Для повышения эффективности в системах с ОКН уменьшают загрузку ретранслятора подавлением излучения частоты несущей в передатчике наземной станции на время молчания абонента, пауз между словами, предложениями и т.п. При этом уменьшается мощность перекрестных помех между соседними каналами, что позволяет уменьшить защитные частотные интервалы и увеличить емкость ствола. Основное преимущество метода ОКН состоит в возможности реализации принципа предоставления каналов по требованию.

Метод МДЧР широко используется в системах связи "Интерспутник", Intelsat, национальных спутниковых системах связи многих стран.

Многостанционный доступ с временным разделением каналов

Метод многостанционного доступа с временным разделением каналов (МДВР) нашел применение в связи с реализацией цифровых методов модуляции несущей. В системах с МДВР цикл передачи Тц распределяется между всеми наземными станциями (рис. 3). При этом каждой ЗС для излучения сигналов выделяется определенный, периодически повторяющийся временной интервал. Интервалы излучения всех станций взаимно синхронизованы, в силу чего перекрытия

5

сигналов не происходит. В каждый момент времени через ретранслятор проходит сигнал только одной станции, при этом отсутствует нелинейное взаимодействие сигналов разных ЗС в усилителе ретранслятора.

В начале цикла выделяют время tс для передачи сигналов общесистемной синхронизации (синхропакета С). Интервалы времени t, обозначенные цифрами 1-4 на рис. 3 отведены для передачи сигналов с соответствующих земных станций (информационные пакеты). Пакеты отделены друг от друга защитными временными интервалами t3, чтобы избежать перекрытия пакетов при неидеальной синхронизации. Ведущая наземная станция вырабатывает синхропакет С и через космическую станцию передает его на все остальные (ведомые) наземные станции.

Рис. 3. Структура цикла при МДВР

По времени поступления синхропакета С наземная станция определяет время начала связи, при котором передаваемые ею сигналы поступают в ретранслятор точно в отведенное для нее время. Учитывается также время, затрачиваемое на прохождение синхропакета от космической станции, и время распространения информационного пакета до нее. Поскольку значения этих составляющих времени непрерывно изменяются при перемещении спутника по орбите, необходимо обеспечить высокую точность системы синхронизации.

Информационный пакет наземной станции (см. рис. 3) состоит из вводной части В и информационных символов С2 – С4, адресованных разным наземным станциям. Вводная часть включает в себя сигнал опознавания передающей наземной станции, сигналы служебной связи, сигналы восстановления несущей на приеме и тактовой синхронизации и др.

С увеличением числа наземных станций время, выделяемое для работы каждой из них, сокращается, а требования к точности общесистемной синхронизации возрастают. Именно сложность системы синхронизации определяет основной недостаток систем связи с МДВР. В то же время, в отличие от системы с МДЧР, в этих системах не требуется регулировка мощности передатчика земной станции, так как при МДВР сигналы проходят через ретранслятор поочередно; поэтому усилитель мощности на космической станции может работать в нелинейном режиме, что позволяет эффективно использовать его выходную мощность.

По мере развития цифровой техники системы МДВР получают все более широкое распространение. Наиболее перспективными считаются МДВР с коммутацией на борту. Принцип работы подобной системы связи можно пояснить на примере рис. 1 следующим образом. На спутнике установлены две четырехлучевые антенны – передающая и приемная, а также высокоскоростной бортовой коммутатор для автоматического выбора рабочих лучей антенн. На ка-

6