Определение основных параметров системы спутникового телевещания

N  - число ТЛФ каналов в стволе;

L/L_эт - заданная протяженность линии связи / протяженность гипотетической ( эталонной )линии;

л  - средняя длина волны рабочего диапазона частот;

R₀  - средняя протяженность интервала;

h₁ / h₂ - высоты подвеса антенн на интервале линии связи.

.       
Для заданного числа каналов определим граничные частоты группового спектра (F₁ и F₂) из прил. 1 [1]. Зарисуем вид соответствующего группового спектра

F₁ = 60 кГц,

F₂ = 1300 кГц.

Рисунок 1 - Линейный спектр многоканального сигнала с частотным разделением.

Рассчитаем уровень средней мощности многоканального сигнала, учитывая следующие положения:

При N > 240

P_ср = p_k + 10 lg N, дБм0,

где:   для отечественных данных p_k = -13 дБм0 (50 мкВт),

для данных МСЭ - Т p_k = -15 дБм0 (32 мкВт).

P_ср = -13 + 10 lg 300 = 11,77 дБм0.

Рассчитаем среднюю мощность многоканального сигнала:

 , мВт

 = 15,03 , мВт

Из таблицы прил. 2 [1] выберем (по числу каналов и рабочей длине волны) подходящую аппаратуру связи и запишем ее основные параметры:

Найдем рабочую частоту:

f = c/ л,

где:

с = 3,0 * 10⁸ , м/с -скорость света в вакууме.

f = 3,0 *10⁸ /( 3,7 * 10^-2 ) = 0,81 *10¹⁰ Гц = 8,1 ГГц.

Выбираем аппаратуру:

Курс - 8

Таблица 2

2.      Для расчета полосы частот, занимаемой ЧМ сигналом, воспользуемся следующей методикой:

·        Определим значение эффективной девиации частоты:

, кГц,

где

∆f_к - девиация частоты на один канал

=775 кГц

·        Определим пиковую девиацию частоты:

при N > 240

∆f_пик = 3,33 ∆f_эфф

∆f_пик = 3,33*775 = 2581 кГц

·        Рассчитаем индекс частотной модуляции:

m_f = ∆f_пик / F₂

·        Определим полосу частот, занимаемую частотно-модулированным сигналом:

П = 2 F₂ ( 1 + m_f +)

П = 2*1300*10³ ( 1 + 1,99 +) = 11,44 МГц

Необходимую полосу пропускания ВЧ тракта РРЛ можно принять, численно равной удвоенной полосе П:

П_необ. = 2 П

П_необ. = 2*11,44 = 22,88 МГц

Очевидно, что качество работы линии связи, определяется уровнем сигнала на входе приемника P_пр и возможными отклонениями этого уровня при замираниях.

Определим уровень сигнала на входе приемника ( P_пр0 ) при работе в свободном пространстве:

 Вт

Для расчета выберем коэффициенты усиления передающей и приемной антенн (G₁ и G₂) из таблицы параметров антенн, прил. 2 [1] и рассчитаем КПД фидерных линий (з₁ и з₂ ) по заданным высотам подвеса антенн:

где : а_ф - погонное затухание в фидерной линии ( 0,04 - 0,09 дБ/м),

l_ф = h + l_гор,

м - длина фидерной линии,

h - высота h₁ или h₂,

l_гор - длина горизонтальной части фидерной линии ( 10 - 20 м).

Примем:

l_гор,1 = 10 м;    l_гор,2 =10 м.; а_ф = 0,05 дБ/м

Рассчитаем:

l_ф,1 = 10 + 43 =53 м

l_ф2 = 10 + 45 = 55 м

= 0,54

 = 0,53

Выберем антенну:

АДЭ - 3,5 Коэффициент усиления - 46,3 дБ

Диапазон частот - 7,9 - 8,4 ГГц.

Переведем коэффициенты усиления антенн с дБ в ед.:

 = 42658

Определим уровень сигнала на входе приемника ( P_пр0 ) при работе в свободном пространстве:

=1,66 мкВт

Мощность теплового шума на выходе верхнего по частоте ТЛФ канала при распространении сигнала в свободном пространстве определяется по формуле:

 , пВт

где    n_ш - коэффициент шума приемника, ед.,

∆F_к - ширина полосы частот одного канала ( 3100 Гц ),

k  - постоянная Больцмана ( 1,38*10^-23 , Вт/Гц град ),

Т - абсолютная температура ( 290 К ),

k_п - псофометрический коэффициент ( 0,75 ),

P_пр0 - мощность сигнала на входе приемника, Вт,

в_пр - коэффициент, учитывающий изменение девиации частоты при введении предыскажений ( 0,4 ).

 = 0,568 пВт

Определим примерное значение минимально допустимого множителя ослабления (V_{мин доп})

V_{мин доп} - такое ослабление сигнала на интервале РРЛ, при котором мощность шума на выходе ТЛФ канала равна 47500 пВт. Этот параметр является основой для расчета устойчивости связи и, в большинстве случаев, составляет величину 30 - 40 дБ.

Расчет производится по следующей формуле:

где    P_{шт макс доп} = 47500 - P_{ш пост} ,

P_{ш пост} - мощность шумов линии связи, величина которых не зависит от величины замираний сигнала на интервале РРЛ.

В контрольной работе примем эту величину в пределах 3000 - 7000 пВт.

P_{шт макс доп} = 47500 - 4000 = 43500 пВт.

 = 0,0036

Полученное значение переведем в дБ, по формуле:

V_{мин доп}, дБ = 20 lg (V_{мин доп})

V_{мин доп} = 20 lg 0,0036 = - 48,9 дБ,

Данное значение, удовлетворяет условию, т.к. входит в интервал от - 30 дБ до - 50 дБ.

В заключении определим мощность сигнала на входе приемника при

V = V_{мин доп} , по формуле:

P_пр = P_{пр 0} ( V_{мин доп} )²

P_пр = 1,66*10^-6 *( 0,0036 )² = 21,5 пВт.

Результаты расчетов запишем в таблицу 3.

Таблица 3

2. Определение основных параметров системы спутникового телевещания

Задача 3.1

Определить параметры для юстировки приемной антенны (азимута и угла места) в целях обеспечения связи между выбранным телекоммуникационным спутником, расположенным на геостационарной орбите, и абонентским приемным устройством.

.        Определить географические координаты точки, в которой будет приниматься сигнал со спутника.

.        Выбрать телекоммуникационный спутник, расположенный на геостационарной орбите.

.        Рассчитать азимут и угол места для юстировки наземной приемной антенны.

Задача 3.2

.        Определить для заданного варианта системы спутникового телевещания:

·        Полосу пропускания абонентского приемного устройства;

·        Требуемое отношение сигнал/шум на входе абонентского приемника;

·        Затухание сигнала в свободном пространстве;

·        Коэффициенты усиления спутниковой передающей антенны и абонентской антенны.

.        По найденным параметрам рассчитать необходимую мощность спутникового передатчика.

Решение

Задача 3.1

.        Из таблицы 3 [ 1 ] выберем спутник связи и запишем его название и положение на орбите:

Таблица 4

.        Зададимся географическими координатами деревни Патракеевки Архангельской области Приморского района, в котором будет приниматься сигнал со спутника:

°57′53.59″ с. ш. 40°23′29.79″ в. д.

.        Рассчитаем азимут и угол места для юстировки наземной приемной антенны:

Угол места:

где    Д_сп - долгота спутника (положение на орбите), град;

Д - долгота места расположения абонентского приемника, град;

Ш - широта места расположения абонентского приемника, град;

Азимут:

Перед расчетами убедимся, что прием сигналов с выбранного спутника в данной точке возможен. Для этого должно выполняться неравенство, иначе спутник находится за линией горизонта:

cos(Д_сп - Д)cosШ > 0,1513.

сos(53-40)cos65 = 0,51 > 0,1513

Условие выполняется.

= 16⁰

 = 166,1⁰

Задача 3.2

Исходные данные для выполнения задачи выберем из таблицы 4 [ 1 ]:

Таблица 4

. Определим шумовую полосу частот абонентского приемника:

Дf_ша = г 2 Дf_пик,

где

г =1,1 - коэффициент, определяемый избирательными свойствами приемника;

Дf_пик = m_f*F_макс - пиковая девиация частоты;

F_макс - верхняя частота видеосигнала (для отечественного стандарта F_макс = 6 МГц);

Дf_ша = 1,1*2*1,3*6 = 17,16 МГц

. Определим необходимое отношение сигнал/шум на входе абонентского приемника:

где

k_в = 65 - влияние взвешивающих и восстанавливающих контуров ( 18,1 дБ ).

Переведем ( Р_с/Р_ш)_вых из дБ в ед., по формуле:

(Р_с/Р_ш)_вых, ед = 10^{0,1*( Рс/Рш)вых , дБ}

Используем отношение с/ш для спутникового ТВ канала 1-го класса - 53 дБ, тогда:

(Р_с/Р_ш)_вых , ед = 10^0,1*53 = 199526,23 ед

 = 52,92 ед

Полученное значение ( Р_с/Р_ш)_вх выразим в дБ:

(Р_с/Р_ш)_вх , дБ =10 lg [(Р_с/Р_ш)_вх , ед. ],

( Р_с/Р_ш)_вх = 10 lg 52,92 = 17,24 дБ

Определим коэффициент запаса на участке спутник - абонентский приемник:

а_са = а_зс / ( а_зс - 1 ),

а_са = 11 / ( 11 - 1 ) = 1,1

Рассчитаем эквивалентную шумовую температуру абонентской приемной установки

Т_{пр у} = Т_а*з_ф + Т₀( 1 - з_па ) + Т_пр ,

где    Т_а - эквивалентная шумовая температура антенны ( 200 К );

Т₀ - абсолютная температура окружающей среды ( 290 К );

з_па - КПД фидерной линии ( 0,7 -0,9 );

Т_пр - эквивалентная шумовая температура приемника ( 150 - 500 К ).

Т_{пр у} = 200*0,7 + 290*( 1 - 0,7 ) + 250 = 477 К.

Рассчитаем ослабление сигнала в свободном пространстве

L₀ = 20 lg ( 4.189*10⁴ *d*F), дБ,

где    F - рабочая частота , ГГц;

d - максимальная наклонная дальность, соответствующая расстоянию от спутника до абонентской станции на границе зоны видимости, км:

где    H_орб - высота геостационарной орбиты ( 35800 км.);

R_з - радиус земли ( 6370 км.).

= 41686 км

L₀ = 20 lg ( 4,189*10⁴*41686*12,5) = 207 дБ

Переведем из дБ в разы:

L₀ , раз = 10^{( Lo , дБ / 10 )},

L₀ = 10^207/10 = 5,01*10²⁰ раз.

Определим коэффициенты усиления бортовой передающей антенны и антенны абонентской установки

Антенна спутника

G_{пд с} = з_а(49000 / Дц_б), раз,

где

з_а - коэффициент использования поверхности зеркала антенны ( 0,5 - 0,6 );

G_{пд с} = 0,57*( 49000 / 5,5 ) = 5078 раз

Переведем коэффициент усиления в дБ:

G_{пд с,} дБ = 10 lg (G_{пд с} , раз );

G_{пд с,} дБ = 10 lg ( 5078 ) = 37,06 дБ

Антенна абонентского приемника

G_{пр а} = 20 lg ( D) + 20 lg ( f ) + 17.5,

где    D - диаметр антенны, м;

f - рабочая частота, ГГц

G_{пр а} = 20 lg ( 1,8 ) + 20 lg ( 12,5 ) + 17,5 = 44,54 дБ

G_{пр а} , раз = 10^{(Gпр а, дБ / 10)}

G_{пр а} = 10^{44,54 / 10} = 28445 раз

Рассчитаем требуемую мощность бортового передатчика

где    L_доп = 3 ( 4,8 дБ ) - дополнительные потери в атмосфере;

k = 1,38*10^-23 - постоянная Больцмана;

з_па = з_сп = 0,7-0,9 - КПД фидеров на спутнике и в абонентском приемнике;

Дf_ша, Гц

= 93,73 Вт

Результаты выполнения контрольной работы запишем в таблицу 5

Таблица 5

Литература

1.      Лобач В.С./ «Космические и наземные системы радиосвязи и телерадиовещания» и «Спутниковые и радиорелейные системы передачи»: контрольные задания и методические указания к выполнению / СПбГУТ. - СПб. 2001

2.      Лобач В.С./ «Космические и наземные системы радиосвязи и телерадиовещания»: методические указания к изучению дисциплины / СПбГУТ. - СПб. 2001

.        Немировский А.С. и др./ Радиорелейные и спутниковые системы передачи: Учебник для вузов/ - М.: Радио и связь, 1986