Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Л а б о р а т о р н а р о б о т а 5
ІМІТАЦІЯ СУПУТНИКОВОГО РАДІОКАНАЛУ
Мета роботи: вивчення структури і параметрів супутникового радіоканалу, дослідження перешкодостійкості супутникового радіоканалу.
Теоретичні відомості
Параметри і конфігурація супутникової системи зв'язку
Серцем системи супутникового зв'язку є антена супутника, що знаходиться на стаціонарній орбіті. За допомогою одного або декількох таких супутників, що використовуються як космічні ретранслятори, здійснюється зв'язок між двома або декількома станціями, що належать одній системі супутникового зв'язку і розташованими на Землі або поблизу Землі. Системи антен, розташованих на Землі або поблизу Землі, називають наземними станціями. Канал передачі даних з наземної станції на супутник називається висхідним (uplink), а канал передачі даних у зворотному напрямі — низхідним (downlink). Електронне устаткування супутника, яке приймає сигнали висхідного каналу і перетворить їх в сигнали низхідного каналу, називається транспондером.
Супутники зв'язку можна класифікувати по таких ознаках.
• Зона обслуговування: може бути глобальною, регіональною або національною. Чим більше зона обслуговування, тим більше супутників буде задіяне в організації мережі.
• Тип послуг: існують супутники стаціонарної служби зв'язку (fixed service satellite-- FSS), радіомовної служби (broadcast service satellite — BSS) і мобильной- служби (mobile service satellite — MSS). Далі будуть розглядатися переважно супутники FSS і BSS.
• Характер використання: комерційні, військові, любительські або експериментальні.
При проектуванні станцій без провідного зв'язку слід враховувати ті багато чисельні особливості, які відрізняють станції, що базуються на супутниках, від наземних станцій.
• Зона обслуговування супутникової системи набагато перевищує зону обслуговування наземної системи. Для однієї антени супутника, що знаходиться на геостационарной орбіті, доступно біля однієї четвертої поверхні Землі.
• Такі ресурси космічного апарату, як потужність і виділена ширина смуги, вельми обмежені. Тому на стадії проектування потрібно вибирати оптимальне співвідношення між параметрами наземної станції і супутника.
• Умови, в яких знаходяться супутники, що повідомляються, не так міняються з часом, як умови зв'язку супутника з наземною станцією або ж як умови зв'язку двох наземних без провідних антен. Тому канали зв'язку супутник-супутник можна розрахувати з досить високим ступенем точності.
Якщо передавач і приймач знаходяться в зоні обслуговування одного супутника, то витрати на передачу даних не залежать від відстані між ними.
• Легко впроваджуються широкомовні, багато адресні і двоточкові застосування.
• Користувачеві доступний дуже широкий діапазон частот або висока швидкість передачі даних.
• В цілому якість даних, що передається за допомогою супутника, підтримується виключно високою, не дивлячись на короткочасні відключення або погіршення якості зв'язку.
• Для супутників, що знаходяться на геостационарной орбіті, затримка поширення сигналу із землі на супутник і назад рівна приблизно однієї четвертої секунди.
• Передавальні наземні станції у багатьох випадках можуть приймати і власні сигнали.
Розглянемо класифікацію супутникових орбіт. Існує декілька класифікацій орбіт супутників.
1. Орбіта може бути кругом, з центром кола, розташованому в центрі Землі, або еліптичною, для якої центр Землі знаходиться в одному з фокусів еліпса.
2. Супутник може обертатися довкола Землі в різній плоскості. Екваторіальні орбіти розташовані в плоскості земного екватора. Полярні орбіти проходять над обома полюсами Землі. Решта всіх орбіт називається похилими.
3. По висоті над рівнем морить орбіти класифікуються таким чином: геостационарные навколоземні орбіти (geostationary earth orbit — GEO), середні навколоземні орбіти (medium earth orbit — MEO) і низькі навколоземні орбіти (low earth orbit — LEO). Докладніше за орбіту всіх типів розгледіли пізніше.
Розглянемо відстані від землі до супутника. На рис. 5.1 приведена геометрична схема, відповідно до якої розраховується зона обслуговування супутника. Ключовим параметром даної схеми є кут піднесення наземної станції, який є кутом між горизонтальною лінією (тобто лінією, дотичною до поверхні Землі в точці розташування антени) і направленням основного променя антени, наділеного безпосередньо на супутник. Максимальна величина зони обслуговування супутника виходить при нульовому куті піднесення. Тоді зона обслуговування на всіх напрямках обмежується лише оптичним горизонтом супутника. Проте існують, принаймні, три проблеми, які не дозволяють будувати антени наземних станцій з нульовим кутом піднесення і визначають мінімальний кут піднесення.
1. Не можна ігнорувати будівлі, дерева і інші наземні об'єкти, які можуть знаходитися на шляху сигналу, що йде від антени. Подібні перешкоди приводять до ослабання сигналу, оскільки відбувається його часткове поглинання або спотворення унаслідок багатократного віддзеркалення.
2. Чим менше значення кута піднесення, тим більше атмосферне поглинання, оскільки при малих кутах піднесення сигнал проходить в атмосфері велику відстань.
3. На якість прийому також несприятливо впливає електричний шум, обумовлений високою температурою біля поверхні Землі.
Рис. 5.1. Обхват і кут піднесення
При проектуванні низхідного каналу прийнято використовувати мінімальний кут піднесення, який, залежно від частоти сигналу, може складати 5-20°. Для висхідного каналу Федеральна комісія із засобів зв'язку США наказує використовувати кут піднесення не менше 5°.
Кут обхвату β — це міра частки земної поверхні, яка видно з супутника з врахуванням мінімального кута піднесення. Кут β в задає коло на поверхні Землі, центр якої знаходиться в точці, розташованій безпосередньо під супутником. Справедливо наступне співвідношення:
Тут
R — радіус Землі, який рівний 6370 км.;
h — висота орбіти (тобто найкоротша відстань від супутника до Землі);
β — кут обхвату;
θ — мінімальний кут піднесення.
Відстань від супутника до найближчої до нього точки зони обслуговування ; розраховується по наступній формулі:
Отже, затримка кругового звернення сигналу належить такому діапазону:
де c — швидкість світла, яка рівна приблизно 3 х 108 м/с.
Розмір зони обслуговування супутника зазвичай виражається через діаметр області, що покривається, рівний 2βR, де β виражається в радіанах.
На рис. 5.2 показані період обернення, зона обслуговування (виражена через радіус охопленої області земної поверхні), а також максимальна затримка кругового звернення сигналу.
Геостаціонарні супутники
В даний час найпоширенішими серед супутників зв'язку є геостационарені (GEO). Цікаво, що першим, хто висунув ідею використання таких супутників, був письменник-фантаст Артур Кларк, що послав в 1945 році статтю на цю тему в журнал Wireless World. Ідея полягала в наступному: якщо супутник знаходиться на круговій орбіті на висоті 35 863 км. над поверхнею Землі і рухається в плоскості земного екватора, то кутова частота обертання такого супутника збігатиметься з кутовою частотою обертання Землі і супутник весь час знаходитиметься над однією і тією ж точкою на екваторі. Така орбіта змальована на рис. 5.3 з дотриманням масштабу. На орбіті показана безліч символів, відповідних супутникам, що також відображає реальну картину. На геостационарной орбіті дійсно знаходиться досить багато супутників, деякі з них розташовані впритул один до одного.
Геостаціонарні орбіти мають ряд переваг, які вигідно відрізняють їх від орбіт інших типів.
• Оскільки супутник не рухається щодо Землі, то не виникає проблем із зміною частоти сигналу із-за відносного руху супутника і наземних антен (обумовленого ефектом Допплера).
• Спрощується процедура стеження супутника з наземних станцій.
• Супутник, що знаходиться на висоті 35 863 км. над Землею, може зв'язатися приблизно з четвертою часткою земної поверхні. Для того, щоб покрити всі населені зони Землі, виключаючи ділянки поблизу північного і південного полюсів, знадобиться вивести на геостационарную орбіту всього три супутники, розташувавши їх на відстані 120° один від одного.
З іншого боку, є і недоліки.
• Після проходження відстані понад 35 000 км. сигнал може стати досить слабким.
• Полярні області і приполярні ділянки північної і південної півкуль практично недоступні для геостационарных супутників.
Не дивлячись на те що швидкість світла рівна 300 000 км/с, затримка проходження сигналу з крапки на екваторі, розташованої під супутником, на супутник і назад досить істотна.
Рис. 5.2. Параметри, супутника як функція висоти орбіти
Затримка зв'язку між двома наземними абонентами, розташованими безпосередньо під супутником, насправді складає (2 х 35 863) /300 000 = 0,24 с. Для інших абонентів, що не знаходяться безпосередньо під супутником, затримка зв'язку ще більша. Якщо використовувати супутниковий зв'язок для телефонних переговорів, то сумарний інтервал між завершенням фрази одного абонента і відповіддю іншого подвоюється і виходить рівним приблизно половині секунди. Таку затримку важко не відмітити. Ще однією властивістю геостационарных супутників є те, що виділені для них частоти використовуються над дуже великою ділянкою поверхні Землі. Для багато точкових застосувань, таких, як передача телепередач, це навіть до кращого, проте для двоточкового зв'язку спектр частот геостационарного супутника використовуватиметься дуже неекономно. Можна використовувати спеціальні антени з направленим або керованим променем, які дозволяють обмежити область, що покривається сигналом супутника, і таким чином контролювати розміри області, в межах якої приймається сигнал супутника. Для вирішення деяких з перерахованих проблем були розроблені інші типи орбіт. Для персональних пристроїв зв'язку третього покоління важливу роль грають супутники на низьких навколоземних орбітах (LEOS) і супутники на середніх навколоземних орбітах (MEOS).
Рис. 5.3. Геостаціонарна орбіта (GEO)
Супутники LEO
Супутники LEO мають наступні характеристики (рис. 5.4).
Кругові або еліптичні орбіти на висоті до 2000 км. Всі пропоновані і реальні системи розташовуються на висоті від 500 до 1500 км.
• Період орбіти рівний 1,5-2год.
• Діаметр зони обслуговування рівний приблизно 8000 км. Затримка кругового поширення сигналу складає не більше 20 мс.
• Максимальний час, протягом якого супутник видно з фіксованої точки на поверхні Землі (в межах радіо горизонту), досягає 20 хвилин.
• Зважаючи на високу швидкість відносного руху супутника і стаціонарного розташування наземної станції устаткування системи зв'язку має бути здатне враховувати великі доплеровские зрушення, яким піддається частота сигналу.
• Для супутників LEO великий опір атмосфери, тому орбіта супутника поступово деформується. Щоб ввести в дію таку систему зв'язку, потрібно досить багато орбітальної плоскості; крім того, на кожній орбіті повинні знаходитися по декілька супутників. Тоді при повідомленні двох наземних станцій сигнал, як правило, передаватиметься з одного супутника на іншій.
Супутники LEO мають ряд переваг в порівнянні з геостационарными супутниками. Окрім вже згаданого скорочення затримки поширення сигналу, сигнал, що приймається, відправлений з супутника LEO, набагато сильніше за сигнал з супутника GEO при тій же енергії передачі. Зону обслуговування супутника LEO можна локалізувати з набагато більшою мірою точність, так що можна ефективніше розпорядитися спектром частот, виділеним для супутника LEO. Саме тому дана технологія зараз запропонована для зв'язку з мобільними і персональними терміналами, для функціонування яких потрібні сильніші сигнали. З іншого боку, щоб 24 години забезпечувати широку зону обслуговування, потрібно багато супутників LEO.
Рис.1.4. Супутники LEO
Було висунуто декілька комерційних пропозицій по використанню кластерів супутників LEO для надання послуг зв'язку. Ці пропозиції можна розділити на дві категорії.
• Малі кластери LEO. Такі кластери, призначені для роботи при частоті зв'язку нижче за 1 ГГц, використовують смугу частот шириною не більше 5 МГц і забезпечують швидкість передачі даних до 10 Кбіт/с. Ці системи призначені для пошуку, стеження і низько швидкісного обміну повідомленнями. Прикладом такої супутникової системи є система Orbcomm, яка стала першою з малих систем, що діють, LEO: її перші два супутники були запущені в квітні 1995 року. Система Orbcomm розроблялася для пошуку і пакетної передачі даних і призначалася для роботи з невеликими пакетами даних завдовжки 6-250 байт. Вона використовується для стеження пересування причепів, залізничних складів, важкого устаткування і інших видалених і мобільних активів. Таку систему можна також використовувати для спостереження за видаленими приладами, резервуарами-сховищами нафти і газу, свердловинами і трубопроводами або для підтримки зв'язку з робітниками, в якій би точці земної кулі вони не знаходилися. Для передачі даних на супутники цієї системи використовуються частоти від 148,00 до 150,05 МГц, а для передачі сигналів з супутників — частоти від 137,00 до 138,00 МГц. У розпорядженні системи Orbcomm знаходяться більше 30 супутників на низьких навколоземних орбітах. Вона підтримує абонентську швидкість передачі даних на супутник, рівну 2,4 Кбіт/с, і з супутника — 4,8 Кбіт/с.
• Великі кластери LEO. Такі системи працюють на частотах більше 1 ГГц і підтримують швидкість передачі даних до декількох мегабайтів в секунду. Ці системи прагнуть надавати ті ж послуги, що і малі кластери LEO, а також додаткові послуги з передачі голосу і за визначенням місця розташування. Прикладом великої системи LEO є система Globalstar. Її супутники досить примітивні. На відміну від деяких малих систем LEO, на супутниках цієї системи не встановлено устаткування для обробки даних або зв'язку між супутниками. Обробка даних переважно проводиться наземними станціями системи. У системі використовується технологія CDMA, подібна до стандарту CDMA стільникового зв'язку. Низхідний зв'язок з мобільними користувачами здійснюється в діапазоні 5-полоси (близько 2 ГГц). Система Globalstar тісно інтегрована з традиційними звуковими службами-носіями. Всі дзвінки повинні оброблятися на наземних станціях. Група супутників системи Globalstar складається з 48 супутників, що діють, і 8 запасних. Ці супутники знаходяться на орбітах на висоті 1413 км.
Супутники МЕО
Супутники МЕО мають наступні характеристики.
• Кругова орбіта, розташована на висоті 5000-12 000 км.
• Період орбіти близько 6 год.
• Діаметр зони обслуговування коливається від 10 000 до 15 000 км.
• Затримка кругового поширення сигналу складає менше 50 мс.
• Максимальний час, протягом якого супутник видно з фіксованої крапки на земній поверхні (що знаходиться в межах радіо горизонту), складає декілька годин.
У системах МЕО не потрібно так багато перемикань між супутниками, як в системах LEO. Значення таких параметрів супутника МЕО, як затримка поширення сигналу з супутника МЕО на Землю і його необхідна потужність, вище, ніж в супутників LEO, проте істотно менше, ніж в геостаціонарних супутників. Для нової програми ICO, розробленої в січні 1995 року, була запропонована система МЕО. Запуски супутників МЕО почалися в 2000 році. На орбіти вистій 10 400 км. планувалося помістити дванадцять супутників (з них два запасних). Супутники мають бути рівномірно розподілені між двома плоскістю і мати кут нахилу до екватора в 45°. Системи МЕО пропонується використовувати для надання таких послуг, як цифрова передача мови, даних, факсимільних повідомлень, широкомовних повідомлень, і для обміну повідомленнями.
Параметри супутникових систем
У таблиці 5.1 перераховані смуги частот, доступні для супутникового зв'язку. Необхідно зауважити, що чим вище частота смуги, тим більше її доступна ширина. Втім, смуги вищої частоти сильніше схильні до спотворень передачі. Службам мобільному супутниковому зв'язку (MSS) виділені частоти в смугах S і L. Якщо порівняти ці смуги із смугами вищих частот, то тут спостерігається більше заломлення променя і його проникнення через фізичні перешкоди, такі, як листя і неметалічні структури. Ці характеристики є украй важливими для послуг мобільного зв'язку. Крім того, смуги L і S широко використовуються для інших наземних застосувань, тому в даний час існує конкуренція між постачальниками послуг в НВЧ-діапазоні за можливість використання смуг L і S.
Таб. 5.1. Смуги частот для супутникового зв'язку
|
Смуга |
Діапазон частот, ГГц |
Сумарна ширина смуги, ГГц |
Поширені застосування |
|
L |
1-2 |
1 |
Мобільний супутниковий зв'язок (MSS) |
|
S |
2-4 |
2 |
Служби MSS, NASA, дослідження далекого космосу |
|
C |
4-8 |
4 |
Супутники стаціонарної служби зв'язку (FSS) |
|
X |
8-12,5 |
4,5 |
Військові служби FSS, дослідження Землі і метеорологічні супутники |
|
Ku |
12,5-18 |
5,5 |
Служби FSS, радіомовні супутникові служби (BSS) |
|
K |
18-26,5 |
8,5 |
Служби FSS і BSS |
|
Ka |
26,5-40 |
13,5 |
Служби FSS |
При наданні службі смуги частот діапазони для висхідного і низхідного каналів визначаються окремо, причому частота висхідного каналу завжди вища. Як відомо, для сигналу з вищою частотою розсіяння або втрати у вільному просторі більші, ніж для його низькочастотного доповнення. Втім, наземні станції мають в своєму розпорядженні достатню потужність, що дозволяє компенсувати низьку продуктивність на високих частотах.
Розглянемо причини погіршення якості зв'язку
Продуктивність супутникового каналу зв'язку залежить від трьох чинників:
• відстані між антеною наземної станції і антеною супутника;
• у низхідному каналі — від відстані між антеною наземної станції і "точкою прицілу" супутника;
• атмосферного поглинання.
Розглянемо дані чинники докладніше.
Знайдемо відстань до супутника.
Формула втрат у вільному просторі [2]:
LдБ = 10 lg (Pt/Pr) = 10 lg (4πd/λ) = -20 lg(λ)+ 20 lg(d)+21,98
Тут
Рt — потужність сигналу на передавальній антені;
Рr — потужність сигналу на приймаючій антені;
λ — довжина хвилі тієї, що несе;
d — відстань поширення між антенами.
Величини d і λ вимірюються в одних одиницях (наприклад, в метрах).
Чим вище частота сигналу (тобто чим менше його довжина хвилі), тим більшими будуть втрати. Для геостационарного супутника втрати у вільному просторі на екваторі складають:
LдБ = -20 lg(λ)+ 20 lg (35,863 х 106) + 21,98 дБ = -20 lg(λ)+ 173,07.
Втрати для точок земної поверхні, віддалених від екватора, але все ще видимих з супутника, будуть дещо більше. Максимальна відстань (від супутника до горизонту) для геостационарного супутника дорівнює 42 711 км. Втрати у вільному просторі при проходженні сигналом такої відстані рівні:
LдБ = -20 lg(λ)+ 174,51.
Розглянемо поняття «слід супутника».
Для роботи на НВЧ, які використовуються в супутниковому зв'язку, застосовуються вузько напрямлені антени. Таким чином, сигнал з супутника не поширюється на всі боки, а націлюється на певну точку Землі. Вибір точки прицілу проводиться з врахуванням місця розташування і розмірів області, яка повинна покриватися. На центральну точку цієї області припаде найбільш потужний сигнал, інтенсивність сигналу спадатиме у міру видалення від центральної крапки в будь-якому направленні. Цей ефект зазвичай демонструється на прикладі моделі, званої услід супутника (satellite footprint). Показано, яка ефективна частка енергії антени, що випромінюється, попадає в кожну точку на території США. Результат залежить від потужності сигналу, що поступає в приймальну антену, а також від спрямованості передавальної антени. У даному прикладі потужність сигналу, що приймається в Арканзасі, складає +36 дБВт, а в Массачусетсі — +32 дБВт. Щоб отримати реальну потужність сигналу, що приймається в кожній точці області, що покривається, з ефективної потужності, вказаної на рисунку, слід відняти втрати у вільному просторі.
Визначимо роль атмосферного поглинання.
Головною причиною загасання сигналу в атмосфері є наявність кисню, від якого, звичайно ж, нікуди не подітися, а також волога. Поглинання, обумовлене наявністю води, відбувається в туман і в дощ. Ще одним чинником, що впливає на загасання сигналу, є значення кута піднесення супутника, який залежить від положення наземної станції. Чим менше кут піднесення, тим більший шлях в атмосфері доведеться пройти сигналу. Нарешті, величина атмосферного загасання залежить від частоти сигналу. У загальному випадку чим вище частота сигналу, тим сильніше він затухає. Кінцеве загасання, обумовлене туманом і дощем, виникає лише в разі присутності цих явищ в атмосфері.
Розглянемо конфігурацію супутникової мережі.
На рис. 5.5 схематично змальовані дві найбільш поширені конфігурації супутникових систем зв'язку. У першій конфігурації супутник використовується для забезпечення двоточкового зв'язку між двома видаленими наземними антенами. У другій конфігурації супутник забезпечує повідомлення між одним наземним передавачем і декількома наземними приймачами.
Існує також різновид другої конфігурації, в якій здійснюється двосторонній зв'язок між комплексом наземних станцій, що складається з одного центрального концентратора і безлічі видалених абонентських Станцій. Такий тип конфігурації, показаний на рис. 5.6, використовується в системах VSAT (Very Small Aperture Terminal — термінал з надмалою апертурою променя). Недорогими антенами VSAT оснащено багато абонентських станцій. Встановивши певний лад, ці станції спільно використовують пропускну спроможність супутника для передачі даних станції-концентратору. Концентратор може обмінюватися повідомленнями з будь-яким абонентом і ретранслювати повідомлення, що йдуть від одного абонента іншому.
Рис. 5.5. Конфігурації систем супутникового зв'язку
Рис. 5.6. Конфігурація типової системи VSAT
Контрольні запитання
1. Дайте характеристику супутникового радіоканалу.
Порядок виконання роботи
1. Дослідження структури і параметрів моделі супутникового радіоканалу. Для цього:
Завантажите Matlab 6.5.
Пройдіть шлях Start/Demos/Blocksets/DSP/Communications/ Illustrative Models/RF Satellite Link та запустіть Open this model. Перед Вами відкриється структура імітаційної моделі:
Дана модель імітує систему передачі з супутниковим радіоканалом. Верхні блоки імітують супутникову частину системи з передавачем, а нижні – наземну частину з приймачем, між якими знаходиться модель каналу зв'язку (Downlink Path). У самому нижньому ряду розташовані блок установки параметрів моделі (зліва), дисплей вірогідності помилкового прийому бита BER (зліва) і блоки перемикачів демонстраційних графіків (посередині).
Супутникова частина системи включає джерело сигналів, ортогональний 16-QAM модулятор сигналів, косинусний формуючий фільтр, підсилювач потужності і антену передавача.
Канал зв'язку включає модель розповсюдження сигналів в просторі і блок фазочастотного зсуву.
Наземна частина системи включає модель приймальної антени (з шумовою температурою, відповідним ослабленням, з шумом фаз і розбалансом QAM-сигналів), приймач (з компенсаторами фазочастотного зсуву, шуму фази і розбалансу QAM-сигналів), косинусний фільтр приймача і ортогональний 16-QAM демодулятор сигналів.
Блок установки параметрів моделі дозволяє змінювати початкові дані для моделювання супутникової системи передачі (для блоків, позначених червоним кольором) і включає наступні параметри:
2.1. Для трьох варіантів початкових даних (див. нижче інтерфейси блоку завдання параметрів):
2.2. Для третього варіанту початкових даних:
Інтерфейс завдання зсуву фази
Початкові дані (варіант 3)
Вимоги до оформлення звіту
Звіт повинен містити: