Спутниковые и радиорелейные системы передачи

Некоммерческое акционерное  общество

«АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ  ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ»

Кафедра Телекоммуникационных систем

 

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине: Спутниковые и радиорелейные системы передачи

 

 

 

 

 

Специальность 5В0719 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации

Выполнил Шивелина И. А.     Группа МТС-08-4

№ зачетной книжки 073166

Руководитель ст.пр. Барсегянц К. В.

_____________________________«____»_____________________2011 г.

 

 

 

 

 

 

 

 

Алматы 2011

Содержание

 

Введение	3
1 Задача №1	4
2 Задача №2	14
3 Задача №3	20
Заключение	28
Список литературы	27

 

Введение

 

Радиорелейная связь - радиосвязь по линии, образованной цепочкой приемо-передающих (ретрансляционных) радиостанций. Осуществляется обычно на деци- и сантиметровых волнах. Антенны станций линии радиорелейной  связи устанавливают на мачтах (башнях) высотой 70-100 м; антенны соседних станций  обычно находятся в пределах прямой видимости (на равнине 40-50 км).

Оборудование, состоящее  из передатчика, приемника и антенны  называют радиорелейной станцией (РРС). Место, где расположена РРС вместе с мачтой, источником питания и другим вспомогательным оборудованием называют площадкой (САЙТ). Пространство между двумя сайтами, между которыми организована связь, называют пролетом. Длина пролета ограничивается рельефом местности, кривизной земной поверхности, мощностью передатчика, чувствительностью приемника и диаграммой направленности антенн. Обычно это расстояние не превышает 60 км. Для передачи сигналов на большое расстояние образуются промежуточные сайты – ретрансляторы. На ретрансляторах ставится два комплекта РРС, чтобы принимать и передавать сигналы в разных направлениях.

Ретрансляторы имеют антенные системы с направленной диаграммой направленности, что позволяет более  эффективно  работать как в условиях преднамеренных помех, так и использовать мощность передатчика. Цифровые радиорелейные станции позволяют увеличить количество переприемов за счет  применения особенностей передачи цифровых сигналов. Они могут использоваться в различных сетях связи. Станции работают в дециметровом и сантиметровом диапазонах волн. При этом в уплотненном одном канале передается группа телефонных стандартных телефонных каналов.

В процессе проектирования приходится выполнять выбор типа АРРС или  ЦРРС; выбор трассы, месторасположения  РРС, площадок для установки антенн и построение профиля трассы; выбор  просветов (или высот установки  антенн) на пролетах; расчет устойчивости РРЛ и проверку выполнения нормы  на устойчивость; расчет уровней сигналов на входах приемников РРС и шумов  в каналах на конце РРЛ; проверку выполнения нормы на шумы. Кроме того, приходится принимать решения по таким общетехническим вопросам, как выбор типов антенн; разработка структурных схем станций; схем электропитания; составление комплектовочных ведомостей аппаратуры и оборудования РРС; выбор типовых зданий для РРС.

 

1 Задача №1

 

Произвести расчет пролета  радиорелейной линии (РРЛ):

- по известным высотным отметкам земли H (м) и указанным расстояниям от начала пролета R (км) построить продольный профиль пролета;

- выбрать оптимальную высоту подвеса антенн; произвести коррекцию, если необходимо;

- рассчитать запас на замирание сигнала;

- рассчитать время ухудшения сигнала из-за дождя и вследствие субрефракции радиоволн;

- проверить нормы на неготовность;

- рассчитать время ухудшения сигнала за счет многолучевого распространения радиоволн, сравнить с нормами;

- сделать выводы о проделанных расчетах.

 

Т а б л и ц а 1 – Технические параметры пролета РРЛ

Вариант	УНУ м	Отметки земли Hi/Ri, м/км					R0, км	f, ГГц	Аппара тура
		1	2	3	4	5
6	250	250/0	270/5	285/10	270/15	280/25	25	22	Pasolink

 

Т а б л и ц а 2 – Место расположения РРЛ

Вариант	Район
6	Степная полоса Казахстана

 

Т а б л и ц а 3 – Технические параметры аппаратуры Pasolink

Шифр РРС	Диапазон частот f, ГГЦ	Коэффициент системы SG, дБ	Диаметр антенны D, м
Pasolink 18G8M8	17,7 – 19,7	112,5 (Е2)	1,2

 

1.1 Построение продольного профиля пролета

Продольный профиль интервала  представляет собой вычерченный  в определенном масштабе вертикальный разрез местности по линии, соединяющей  две соседние радиорелейные станции. Продольные профили интервалов РРЛ  полно и наглядно характеризуют  рельеф местности на каждом интервале  связи и являются основными рабочими документами, позволяющими выполнить  расчет устойчивости работы радиорелейной  линии при заданных нормах на ее качественные показатели.

Построение продольных профилей производится в прямоугольной системе  координат с применением разных масштабов по горизонтали и вертикали. Высоты препятствий на поверхности  Земли измеряются в метрах, а расстояния между ними радиорелейными станциями  – в километрах. Таким образом, высоты откладываются на профиле  не по линиям, проходящим через центр  Земли (т.е. по радиусу Земли), а по вертикали (по оси ординат), и отсчет их ведется не от горизонтальной линии  профиля, а от линии кривизны земной поверхности, принимаемой за линию уровня моря или за условный нулевой уровень. Расстояния же между станциями откладываются не по криволинейной поверхности, а по горизонтали (оси абсцисс). При таком построении профиля земная поверхность изображается не окружностью, а параболой. Построение дуги земной кривизны (параболы) производится после определения расстояний между станциями и максимальной разности высот на поверхности земли, так как в зависимости от расстояния меняется масштаб по вертикали. Расстояния между станциями, а также наиболее низкие (h_min) и наиболее высокие (h_max) точки профиля интервала РРЛ связи определяются по данным топографических карт, и затем вычисляется максимальная разность высот в метрах.

После выбора масштабов производится построение дуги земной кривизны.

Линия, изображающая на профиле  уровень моря (дуга земной кривизны) или условный нулевой уровень (условный горизонт) и имеющая вид параболы, рассчитывается по формуле

 

),     (2.1)

 

где x(R) – текущая координата дуги нулевого уровня, м;

R₀ – протяженность интервала, км;

R – расстояние от левого конца интервала, км, до точки, в которой определяется величина x;

R_З=6,37·10⁶ м – радиус Земли.

Максимальная высота препятствия, создаваемого выпуклостью земной поверхности, для любой протяженности интервала  R₀ при R=R₀/2 равна

 

x_MAKC=R₀²/8R₃.     (2.2, а)

 

С достаточной для практических расчетов степенью точности при R_з=6370км можно принять

 

x_MAKC=1,96∙10^-2∙R₀²,    (2.2, б)

 

x_MAKC=1,96∙10^-2∙25²=12,25

 

где R₀ выражено в км.

Для сокращения размеров чертежа  высокие отметки отсчитываются  от линии условного горизонта, которая  выбирается в зависимости от рельефа  местности. Полученная кривая характеризует  профиль интервала данного участка  связи.

 

1.2 Выбор оптимальных высот подвеса антенн

Из-за неравномерности вертикального  градиента диэлектрической проницаемости  атмосферы радиолуч получает искривление, что приводит к ухудшению радиосвязи. Если он встречается с естественным препятствием, то связь нарушается. Поэтому необходимо правильно определить просвет трассы путем правильного выбора высот подвеса антенн.

Радиолуч перемещается внутри зоны Френеля, которая представляет собой эллипсоид вращения в точке  приема и передачи. Минимальный радиус зоны Френеля определяется по формуле

 

,     (2.3)

 

 

где – длина волны, м;

 

 – относительное расстояние до препятствия.

 

Среднее значение изменения  просвета за счет рефракции, существующее в течение 80% времени, вычисляется  по формуле

 

,   (2.4)

Где ḡ и – соответственно среднее значение и стандартное отклонение вертикального градиента проницаемости.

Для пустынных районов  Казахстана: ḡ=-7∙10^-8 м^-1, σ=9∙10^-8 м^-1.

При длине пролета меньше 50 км стандартное отклонение должно определяться по формуле

    (2.5)

 

 

где σ – значение стандартного отклонения, м^-1;

y = 0,81 при R₀ = 25 м.

Просвет в отсутствии рефракции  радиоволн (при g=0) рассчитывается по формуле

H(0)=H₀-ΔH(ḡ+σ_Ro),     (2.6)

 

H(0)=5,22+2,22=7,44 м

 

Высоты подвеса антенн определим из рисунка 1. Для этого  от критической точки профиля  откладывается расстояние Н(0) и через  данную точку проводится луч, соединяющий  антенны.

Рисунок 1 – Профиль пролета  РРЛ

 

Численно высоты подвеса  антенн можно определить по формулам

 

h₁=x_max+H(0)+MN–CD,    (2.7 а)

 

h₁= 12,25 + 7,44 + 35 – 0 = 54,7

 

h₂=x_max+H(0)+MN–YZ,    (2.7 б)

 

h₂= 12,25 + 7,44 + 35 – 30 = 24,7

 

где MN – максимальная высота профиля относительно УНУ;

CD, YZ – высота профиля  соответственно в начале и  в конце тракта в зависимости  от типа антенны – передающей  или приемной.

 

1.3 Расчет запаса на замирание

Расчет запаса на замирание  производится по формуле

 

F_t = S_G + G_ПРД + G_ПРМ - 2η-L₀,    (2.8)

 

где S_G – коэффициент системы, дБ;

G_ПРД = G_ПРМ – коэффициенты усиления передающей и приемной антенн, дБ,

==46,67 дБ

 

2η ≈ 5 дБ – коэффициент полезного действия антенно-фидерного тракта;

L₀– затухание радиоволн в свободном пространстве, дБ

 

L₀=20∙(lg(f)+lg(d))+32,45,    (2.9)

 

L₀=20∙(lg(19,7∙10³)+lg(25))+32,45=146,3 дБ,

 

где f – частота передачи, МГц;

d=R₀ – расстояние между передающей и приемной антеннами (длина пролета), км.

 

F_t = 112,5 + 46,67 + 46,67 – 5 – 146,3= 54,5 дБ.

 

4. Расчет времени ухудшения связи из-за дождя

Чем выше частота радиоизлучения, тем сильнее влияет на ослабление сигнала размер капель и интенсивность  дождя. Поэтому при расчете времени  ослабления необходимо учитывать климатическую  зону в зависимости от интенсивности  дождя в течение 0,01% времени.

Территория СНГ разделена  на 16 климатических зон. Казахстан  относится к зоне Е, для которой интенсивность осадков =22 мм/час.

Коэффициенты регрессии  для оценки затухания в зависимости  от поляризации волны представлены в таблице Б.2 Приложения Б.

Так как интенсивность  дождя неравномерно распределяется вдоль трассы, определяем эффективную  длину пролета

 

d_э=r∙R₀,     (2.10)

 

где R₀ – длина пролета, км;

 – коэффициент уменьшения;

 – опорное расстояние, км.

Удельное затухание в  дожде в зависимости от поляризации  волны (дБ)

 

. (2.11)

определяется для горизонтальной и вертикальной поляризации и  выбирается наибольшее из них

, (2.11, а)

 

, (2.11, б)

 

где k_н, k_v, α_н, α_v – коэффициенты регрессии.

Затухание на трассе, превышающее 0,01% времени, определяется по формуле

A_0,01=γ∙d.     (2.12)

 

Время, в течение которого ослабление сигнала больше, чем запас  на замирание

, (2.13)

 

при А_0,01/F_t<0,155 принимаем А_0,01/F_t=0,155.

Для f=19,7 ГГц

 

γ_г=0,0751∙22^1,099 = 2,244 дБ/км;

 

γ_v=0,0691∙22^1,065 = 1,858 дБ/км.

 

Примечание: так как величины очень малы, мы выбираем тип поляризации  в соответствии с приведенным  ранее частотным планом.

Горизонтальная поляризация: d₀=35∙e^-0,015∙22=25,16 км,

 

, .

, ,

T_g=1,397∙10^-3%.

 

5. Расчет времени ухудшения связи, вызванного субрефракцией радиоволн

Стандартная атмосфера имеет  наибольшую плотность у поверхности  Земли, поэтому радиолучи изгибаются к низу. В результате просвет на пролете, определяемый по минимальному радиусу зоны Френеля, не имеет постоянной величины, т.к. плотность атмосферы  изменяется и зависит от времени  суток и состояния атмосферы.

Среднее значение просвета на пролете

 

. (2.14)

Относительный просвет

 

. (2.15)

 

На чертеже профиля  пролета проводим прямую параллельно  радиолучу на расстоянии Δy=H₀ от вершины препятствия и находим ширину препятствия r (см. рисунок 1).

Относительная длина препятствия

 

1=r/R₀. (2.16)

 

Параметр μ, характеризующий аппроксимирующую среду

 

, (2.17)

 

где α=0,5 или σ=1.

 

Значение относительного просвета р(g₀), при котором наступает глубокое замирание сигнала, вызванное экранировкой препятствием минимальной зоны Френеля

, (2.18)

 

где V₀ – множитель ослабления при H(0)=0, определяемый из рисунка В.1 приложения В по значению μ;

V_min – минимальный допустимый множитель ослабления

 

. (2.19)

 

Параметр  определяется по формуле

 

ψ=2,31∙A[p(ḡ)-p(g₀)], (2.20)

 

где .

 

Процент времени ухудшения  связи, вызванного субрефракцией радиоволн, T₀(V_min) определяется по рисунку В.2 Приложения В.

 

Решение. r = 4 км,

 

,

 

, , .

 

Принимаем α=1, тогда

 

.

 

, , .

 

,

 

ψ=2,31∙0,67∙[1,8-(-2,3)]=5,2,

 

T₀(V_min)=0,00002%.

 

Оптимизация высот подвеса  антенн проводится, если T₀(V_min)≥0,003%, при этом необходимо увеличить H(ḡ), пересчитать p(ḡ), ψ, T₀(V_min) и соответственно на эту величину увеличить h₁ и h₂ на пролете.

 

6.  Проверка норм на неготовность

Характеристики неготовности для ГЭЦТ (гипотетический эталонный  цифровой тракт) установлены в рекомендации 557МСЭ-Р.

ГЦЭТ считается неготовой, если в течение 10 последовательных секунд возникли следующие условия  или одно из них:

• передача цифрового сигнала прервана;
• в каждой секунде BER хуже 10^-3.

Неготовность аппаратуры уплотнения исключается. Характеристики неготовности делятся на неготовность оборудования и неготовность, вызванную  условиями распространения радиоволн, например, величина неготовности, вызванной  дождем, составляет 30-50%.

Характеристики готовности ГЭЦТ протяженностью 2500 км определяются величиной 99,7%, причем эти проценты определяются в течение достаточно большого интервала времени. Этот интервал должен составлять более года, характеристики неготовности определяются, таким образом, величиной 0,3%.

Норма на неготовность

 

, (2.21)

 

где R₀ – длина пролета, км;

2500 – длина эталонной  гипотетической линии.

 

Решение. .

 

T₀+T_g=0,00005+8,033∙10^-7=1,402∙10^-3%.

 

3∙10^-3>1,402∙10^-3, условие (2.21) выполняется.

 

7. Расчет времени ухудшения радиосвязи из-за многолучевого распространения

При моделировании радиолиний протяженностью более чем несколько  километров должны учитываться четыре механизма замирания в чистой атмосфере, обусловленные чрезвычайно  преломляющими слоями:

• расширение луча;
• развязка в антенне;
• поверхностное многолучевое распространение;
• атмосферное многолучевое распространение.

Большинство этих механизмов возникают сами по себе или в комбинации с другими механизмами. Сильные  частотно-избирательные затухания  возникают, когда расфокусировка прямого луча сочетается с отражением сигнала от поверхности, что вызывает замирание вследствие многолучевого распространения. Мерцающие замирания, вызванные небольшими турбулентными возмущениями в атмосфере, всегда имеют место при этих механизмах, но на частотах ниже 400 ГГц их влияние на общее распределение замираний не существенно. На больших глубинах замирания процент времени Тинт, в течение которого в узкополосных системах не превышается уровень принимаемого сигнала в средний худший месяц, может быть определен с помощью следующего приближенного асимптотического выражения

 

T_инт=K∙Q∙f^B∙d^C∙10^-A/10,    (2.22)

 

где – A=F_t – запас на замирание, дБ;

d – длина пролета, км;

f – частота, ГГц;

K – коэффициент, учитывающий влияние климата и рельефа местности;

Q – коэффициент, учитывающий другие параметры трассы;

В=0,89; С=3,6 – коэффициенты, учитывающие региональные эффекты.

Коэффициент, учитывающий  влияние климата и рельефа  местности

 

, (2.23)

 

где P_L=5%=0,05 – процент времени с вертикальным градиентом рефракции;

C_LAT=C_LON=0 для Казахстана.

Коэффициент, учитывающий  другие параметры трассы

 

Q=(1+|E_p|)^-1,4,    (2.24)

где – наклон радиотрассы, мрад (здесь h₁, h₂ в м; d в км).

Решение. K=0,05^1,5∙10^-6,5=3∙10^-9, ,

Q=(1+1,2)^-1,4=0,334,

T_инт=3,5∙10^-9∙0,334∙19,7^0,89∙25^3,6∙10^-54,5/10=6,35%.

 

8. Проверка норм на допустимое время ухудшения связи из-за многолучевого распространения радиоволн

Норма на допустимое время  ухудшения связи для высшего  качества связи

 

. (2.25)

 

Решение. .

5,4∙10^-4>6,35∙10^-9, условие выполняется.

 

9.  Выводы о результатах расчета

В данной работе была смоделирована  и рассчитана радиорелейная линия  прямой видимости с передачей  цифровых сообщений.

При выборе мест расположения станций были учтены три важных фактора: наличие подъездных дорог, наличие  электропитания в районе, осуществление  связи между населенными пунктами.

По полученным результатам  можно сделать вывод, что все  нормы на неготовность выполняются  даже на самых протяженных пролетах. Замирания в дожде были снижены  за счет правильного выбора поляризации, из-за субрефракции радиоволн – за счет выбора оптимального уровня подвеса антенн. 

2 Задание №2

 

Произвести энергетический расчет линий «вниз» и «вверх»  для спутниковой системы связи:

• определить значения мощностей передатчика и приемника на линиях «вниз» и «вверх», при которых спутниковый канал надежно работает в условиях помех и не содержит излишних энергетических запасов;
• построить диаграмму уровней сигнала на линиях «вверх» и «вниз» для заданной спутниковой системы.

В расчетах необходимо учесть дополнительное ослабление энергии  радиоволн на участках: поглощение в осадках – 0,8 дБ, поляризационные  потери – 0,9 дБ, потери за счет рефракции  – 0,2 дБ.

Коэффициент запаса для линии  «вверх» а=6 дБ.

Коэффициент запаса для линии  «вниз» b=1,2 дБ.

 

Т а б л и ц а 4 – Варианты заданий к задачам №2 и №3

Вариант		Последняя цифра зач. кн.
		6
Предпосл. цифра зач. кн.	6	B→D

 

Т а б л и ц а 5 – Параметры бортовых ретрансляторов КС

Система		B
Координаты		101°в.д.
Диапазон f, ГГц		14/11
Коэффициент усиления антенны  G, дБ	Прием	35
	Передача	30
Спектральная плотность  мощности S, дБВт/Гц		-53
Коэффициент шума приемника  КШ		7,5
Шумовая температура антенны  ТА, К		50
КПД АФТ		0,90
Шумовая температура СЛ ТΣЛ, К		95

 

 

 

 

 

 

Т а б л и ц а 6 – Параметры приемных ЗС

Система	D
Координаты	52° в.д. 47° с.ш.
Диапазон f, ГГц	14/11
Диаметр антенны DA, м	10
Эффективная полоса частот Dfш, МГц	33
Коэффициент шума приемника КШ	5
Шумовая температура антенны  ТА, К	80
КПД АФТ	0,90

 

Линии спутниковой связи  состоят из двух участков: Земля-спутник  и спутник-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 флуктуационных 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.

 

1. Энергетический расчет линии «вниз»

Исходные данные: диапазон частот 14_↑/11_↓ ГГц.

Параметры передающей космической  станции: координата 101⁰ в. д.; коэффициент усиления антенны 35 дБ; КПД_{АФТ КС} 0,95.

Параметры передающей земной станции: координаты 52⁰ в. д. 47⁰ с. ш.; диаметр антенны 10 м; коэффициент шума приемника 5 дБ; эффективная полоса частот 33 МГц; КПД_{АФТ ЗС} 0,90; шумовая температура антенны 80 К.

 

1. Расстояние между передающей (КС) и приемной (ЗС) антеннами

, (2.26)

 

где cos(ψ)=cos(ξ_ЗС)∙cos(β);

x_ЗС – широта земной станции;

β= β_КС- β_ЗС – разность долгот земной и космической станциями.

 

Решение. β=52^о-101^о=-49^о, cos(ψ)=cos(47^о)∙cos(-49^о)=0,447.

Тогда км.

 

2. Ослабление сигнала

, (2.27)

где d – расстояние между КС и ЗС;

 – длина волны.

 

,

 

.

 

3. Дополнительное ослабление на трассе

В дополнительных потерях  сигнала учитываются поглощение в атмосфере (осадки) L_A, потери из-за несогласованности поляризации антенн L_Пи потери из-за рефракции L_Р