Тоискин В.С., Петренко В.И., Бибарсов М.Р., Мишин Д.Ю. Системы радиосвязи

Подождите немного. Документ загружается.

191

Многостанционный сигнал на интервале одного периода (такта) Т

кд

называется

кадром пли сверхгруппой, а сам интервал времени Т

кд

- периодом

кадра

или периодом сверхгруппы. Длительность пакета, получаемого одной

станцией, называется

субкадром.

Чтобы сигналы земных станций не перекрывались во времени и не

оказывали влияния друг на друга, временные интервалы

зсi

разделяются за-

щитными промежутками τ

. В состав каждого кадра, помимо импульсов сиг-

налов земных станций, вводятся импульсы синхрогруппы (СГ), которые ис-

пользуются всеми станциями для синхронизации приемопередающей аппа-

ратуры. Временное положение сигнала данной станции в кадре является

строго определенным и отсчитывается от синхрогруппы.

кд

Рисунок 7.22 - Сжатие информации от ЗС при ВМСД

Основной особенностью МДВР является то, что передача информации

каждой земной станцией осуществляется не непрерывно, а только в опреде-

ленные интервалы времени, т.е. каждая станция должна быть оборудована

аппаратурой накопления и запоминания информации, поступившей в проме-

жутках между излучением. Кроме того, чтобы не снижать пропускной спо-

собности, скорость передачи информации земной

станцией должна быть, по

крайней мере, в

зс

кд

m =

раз больше суммарной скорости ее поступления от

абонентов (рис. 7.22). В связи с указанным структурная схема земной стан-

ции

при МДВР имеет вид, представленный на рис. 7.23.

Сигнал земной станции в общем случае является многоканальным,

поэтому

в состав станции, как правило, входит аппаратура разделения кана-

лов (уплотнения). В принципе может использоваться любой метод уплотне-

ния сигналов (частотный, временной или кодовый), однако наиболее просто

МДВР реализуется в сочетании с временными методами уплотнения и пре-

образованием аналоговой (речевой) информации к дискретной (цифровой)

форме.

Многостанционный сигнал проходит тракт ретранслятора, усиливает

ся, преобразуется по спектру и излучается в сторону земных станции. Каждая

192

земная станция принимает всю последовательность импульсов многостанци-

онного сигнала и, войдя в синхронизм, выделяет из нее импульсы на соответ-

ствующих временных позициях, отведенных для работы данного направле-

ния

связи.

ПРД

ПРМ

......

Буферн.

накопит

Устр-во

кадр. и

цикл.

синхр.

Времен-

ной

компр.

Времен-

ной

экспандер

ПРД

ПРМ

ДУ

Выделен

времен

позиц

Преобразователь

скорости

Аппаратура

уплотнения

Рисунок 7.23 - Структурная схема ЗС при МДВР

Типичная структура сигналов при МДВР и временном уплотнении

(МДВР -ВУ) показана на рис. 7.24.

Кадр 1

...

Кадр i

...

Кадр k

Синхро-

группа

1 2

...

Информационные пакеты станций

Кадр передачи

Преамбула

1 2 3 4

...

Информационные каналы

Синхро-

группа

Информационный пакет

Защитный

интервал

Сигнал для восста-

новления несущей

Сигнал начала

пакета и адресация

Служебная

связь

Преамбула

Рисунок 7.24 - Структура сигналов при МДВР -ВУ

Синхронизация по кадрам осуществляется отдельным устройством

выделяющим кодовые импульсы синхрогруппы. Кроме того, для обеспече-

ния возможности разделения многоканальных сигналов должна осуществ-

ляться синхронизация внутри кадра, т.е. в информационных пакетах МДВР.

Точная синхронизация осуществляется, как правило, путем формирования на

передаче специальных кодовых слов (преамбул) в начале каждого информа-

ционного пакета и

заключительных слов, обозначающих конец пакета. Эти

193

сигналы могут также использоваться для проверки и коррекции фазы и час-

тоты несущей.

Эффективность использования мощности ретранслятора может быть

определена по формуле

КД

ПiзiСГКД

TТT

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

++−

∑

(7.23)

где

сг

- время, отводимое на передачу кадровой синхрогруппы;

зi

.- величина защитного интервала между информационными пакета-

ми земных станций;

пi

- длительность преамбулы и заключительного слова.

Как видно из выражения (7.23), увеличение длительности кадра по-

вышает эффективность использования мощности ретранслятора. Однако при

выборе

кд

необходимо учитывать ряд факторов, ограничивающих длитель-

ность кадра.

1. Исходные скорости передачи информации должны быть кратными

частоте следования кадров. Таким образом, чем ниже кадровая частота

кд

=1/Т

кд

, тем больше гибкости в выборе скорости передаваемой информа-

ции.

2. Увеличение длительности кадра уменьшает точность синхрониза-

ции, что приводит к дополнительному фазовому шуму в процессе демодуля-

ции.

3. Увеличение

кд

приводит к усложнению устройств буферной памя-

ти, поскольку величина памяти прямо пропорциональна длительности кадра.

Это, в свою очередь, приводит к дополнительным задержкам передачи ин-

формации и создает определенные неудобства при ведении телефонных пе-

реговоров.

В современных системах космической связи величина

кд

выбирается

порядка нескольких десятков миллисекунд, что позволяет получить эффек-

тивность использования мощности ретранслятора

η =0,96- 0,98.

Помимо высокой эффективности использования мощности ретрансля-

тора связи системы с МДВР обладают рядом других достоинств.

При МДВР не требуется точной регулировки (выравнивания) мощно-

стей излучения земных станций, так как в данном случае отсутствуют эффек-

ты перераспределения мощности PC и взаимного подавления сигналов. Это

позволяет обеспечивать через ретранслятор работу земных станций с

различ-

ными характеристиками (по мощности передатчиков, чувствительности при-

емников, числу каналов и по размерам антенн).

Передатчик ретранслятора может работать в нелинейном режиме, на-

пример, в режиме максимального использования мощности выходного кас-

када, так как в тракте ретрансляции практически отсутствует взаимодействие

сигналов земных станций и, следовательно, нелинейные помехи.

194

В системе с МДВР наиболее просто осуществляется передача инфор-

мации в цифровой форме, т. е. легко выполняется сопряжение с перспектив-

ной аппаратурой передачи дискретной информации. Использование дискрет-

ных сигналов, кроме того, позволяет применять оптимальные методы их

приема и обработки, обладающие высокой помехоустойчивостью.

Используя различные временные интервалы, отводимые для работы

земных станций

, можно сравнительно просто обеспечить маневр пропускной

способности на различных направлениях связи, осуществлять накопление и

коммутацию дискретной информации на борту ретранслятора связи.

Линии космической связи при МДВР требуют выделения только двух

частот (на передачу и прием), поэтому СВЧ оборудование всех земных стан-

ций может быть одинаковым. Это существенно упрощает как эксплуатацию,

так и планирование системы связи.

Существенной особенностью метода МДВР и серьезной технической

трудностью при его реализации является необходимость обеспечения син-

хронизации работы всех земных станций. Роль синхронизации является оп-

ределяющей при решении задачи синтеза помехоустойчивой и надежной

системы космической связи.

Задача синхронизации в военных системах космической связи услож-

няется еще и

тем, что расстояния между ретранслятором связи и земными

станциями постоянно изменяются из-за перемещения земных станций, изме-

нения положения ИСЗ при движении его по эллиптическом орбите, а также

из-за возмущений орбитального движения. Даже при нахождении спутника

на геостационарной орбите отклонения в его положении вследствие возму-

щений и небольшой эллиптичности

орбиты могут составлять до нескольких

десятков километров, что соответствует изменению времени прохождения

сигнала на несколько десятков или сотен микросекунд. Поэтому даже при

идеальных системах синхронизации остаточные погрешности составляют

единицы или, в лучшем случае, доли микросекунд.

В настоящее время известны три основных способа синхронизации в

системах с МДВР: асинхронный, программный, по сигналам

ведущей стан-

ции.

При асинхронном методе МДВР синхронизация временного положе-

ния сигналов осуществляется по меткам времени от собственных («мест-

ных») эталонных генераторов. Величина разброса по времени поступления

на вход ретранслятора информационных пакетов земных станций в этом слу-

чае будет определяться разностью времени распространения радиоволн

(РРВ) из-за различных наклонных дальностей

Δt

ррв

и временным расхожде-

нием

местных эталонных генераторов из-за их нестабильности Δt

Чтобы информационные пакеты на входе ретранслятора не перекры-

вались, величина защитного интервала должна быть выбрана не менее

нРРВз

≥ 2

(7.24)

Максимальная разность времени прихода сигналов за счет различных

наклонных дальностей будет равна

195

minmax

нн

РРВ

−

=Δ ,

(7.25)

где

()()

иcos2

ЗЗ

Зн

RHRHRRR +−++= - наклонная дальность-

- скорость света;

- радиус Земли (6370 км);

Н - высота орбиты ИСЗ (PC);

θ - угол, определяемый местоположением земной станции (рис. 7.25).

Как видно из рис. 7.25,

=θ=θ

maxmin

cos;1cos ,

тогда получим

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−+≤Δ 121

РРВ

(7.26)

Для радиолиний космической связи через ретранслятор на стационар-

ной орбите (при

R=36000км) величина разности прихода сигналов составит

Δt

ррв

=19,4 мс.

ΘR

Рисунок 7.25 - Разность времени прихода сигналов

Относительная нестабильность современных опорных генераторов

δ=10

-7

…10

-8

, что позволяет в течение сеанса связи поддерживать величину

разности меток времени различных земных станций (с учетом периодической

коррекции по системе единого времени) на уровне

Δt

=0,1-0,2мс.

196

Следовательно, необходимые защитные интервалы при асинхронном

методе ВМСД должны быть τ

≈20мс. Для получения высокой эффективности

использования мощности ретранслятора, как видно из выражения (7.23), по-

требуются очень большие, практически нереализуемые длительности кадров

(сотни миллисекунд - единицы секунд). Поэтому асинхронный метод ВМСД

не нашел в настоящее время применения на практике.

Программный метод синхронизации в отличие от асинхронного за-

ключается в том, что в состав

каждой земной станции включается специали-

зированная ЭВМ, которая по заданной программе рассчитывает положение

спутника-ретранслятора и величины наклонных дальностей до него. На осно-

ве рассчитанных

наклонных дальностей определяются время распростране-

ния сигналов и моменты их излучения. Величины защитных интервалов ме-

жду информационными пакетами в данном случае определяются по формуле

нвз

≥ 2

(7.27)

где

Δt

- временное рассогласование, определяемое ошибками в расчетах

наклонной дальности из-за возмущений орбитального движения, которое, как

показано выше, может составлять сотни микросекунд.

Таким образом, при программном методе синхронизации защитные

интервалы должны быть не менее 0,5—0,6 мс. Это позволяет уже при прием-

лемых длительностях кадров получать коэффициент использования мощно-

сти ретранслятора 0,9-0,95.

Достоинством программных

методов синхронизации является отсут-

ствие необходимости формирования и передачи в системе космической связи

специальных синхросигналов, что делает такой метод синхронизации нечув-

ствительным к радиоэлектронному подавлению.

К недостаткам программного метода можно отнести необходимость

установки на каждой земной станции специализированной ЭВМ, а это при-

водит к усложнению оборудования и удорожанию станции. Кроме того

, для

эффективной работы системы синхронизации нужна высокая степень ста-

бильности опорных генераторов, что также достигается путем усложнения

аппаратуры земной станции.

При синхронизации по сигналам ведущей станции все ЗС в системе

космической связи осуществляют прием специальных синхросигналов от од-

ного источника. Таким источником может быть либо специально выделенная

(ведущая) земная станция

, либо бортовой ретранслятор связи.

Метод синхронизации по сигналам ведущей станции обладает наи-

большей точностью. Допустимые величины защитных интервалов при этом

могут составлять единицы или даже доли микросекунд. Однако необходи-

мость передачи специальных синхросигналов делает такую систему синхро-

низации уязвимой к радиоэлектронному подавлению. Для повышения на-

дежности системы космической связи в

условиях радиоэлектронного подав-

ления (РЭП) применяют специальные меры защиты синхросигналов от по-

мех.

197

7.3 Особенности построения аппаратуры земных станций и бортовых

ретрансляторов в системах спутниковой связи

7.3.1 Особенности аппаратуры земных станций

Особенности передающего и приемного оборудования ССС.

ЗС спутниковой связи являются приемо-передающими устройствами,

работающими в диапазоне СВЧ.

Комплектация ЗС зависит от типа орбиты ИСЗ, через который ведется

связь. При работе через геостационарный

спутник достаточно иметь один

комплект приемо-передающей аппаратуры. ЗС, работающие через ИСЗ рас-

положенных на высокоэллиптических орбитах имеют по 2 комплекта прие-

мо-передающего оборудования и антенн, которые включаются в работу по-

очередно. Обычно с целью повышения аппаратурной надежности в комплект

входят основной и резервный передатчики и приемники. Радиопередатчики

ЗС имеют много

общего с радиопередатчиками тропосферных станций. В

упрощенном виде структурная схема передатчика ЗС может быть представ-

лена следующим образом.

ФАС РФ ФСЛ ФГ ЭА

ОУМСУПУМАТТПУМ

М АТТ ЗГ УКДС

от АПН

на прием от прд 2

Вход

Рисунок 7.26 - Упрощенная структурная схема передатчика ЗС

Обозначения на представленной схеме (рис. 7.26.)

ФАС - фильтр автосопровождения;

РФ - фильтр разделения приема и передачи;

ФСЛ - фильтр сложения;

ФГ - фильтр гармоник;

П - переключатель;

ОУМ - оконечный усилитель мощности;

СУ - согласующее устройство;

ПУМ - предварит. усилитель мощности;

АТТ - аттенюатор;

198

- М - модулятор;

АПН - аппаратура программного наведения.

Усилители СВЧ строятся преимущественно на ЛБВ. Модуляция, осу-

ществляется в возбудителе, как правило, ЧМ либо ФМ.

Особенностями передатчиков ЗС являются:

возможность суммирования мощностей нескольких усилителей;

автоматическая регулирвка мощности;

компенсация доплеровского сдвига частоты.

Радиоприемные устройства также имеют ряд специфических особен-

ностей. Они обусловлены в первую очередь энергонапряженностью спутни-

ковых радиолиний. Структурная схема приемника ССС представлена на рис.

7.27.

Рисунок 7.27 - Упрощенная структурная схема приемника ЗС.

Особенности построения приемных устройств ЗС заключаются в том,

что:

в качестве входных устройств используются малошумящие усили-

тели (МШУ);

с целью улучшения отношения с/ш на входе приемника за счет сни-

жения потерь в фидере, первый преобразователь частоты совместно с МШУ

выполняется в виде отдельного блока, который располагается непосредст-

венно на антенне, а по фидеру передается сигнал ПЧ1.

при работе с ЧМ для снижения влияния порогового эффекта приме-

няется обратная связь по частоте (ОСЧ). Кроме того, применяется компенса-

ция доплеровского сдвига частоты (УКДС).

В качестве приемо-передающих антенн ЗС широко применяются

двухзеркальные антенны (Кассегрена) с коэффициентом усиления

G=50 дБ,

для которых с помощью опорно-поворотных устройств (ОПУ) предусматри-

вается возможность наведения по азимуту и углу места.

199

ОПУ могут выполняться полноповоротными - для эллиптических ор-

бит, либо неполноповоротными для геостационарных орбит ИСЗ. Приводом

ОПУ управляет аппаратура программного наведения (АПН).

Рассмотрим принципы построения АПН.

В соответствии с алгоритмом определения параметров процесс наве-

дения антенн может быть условно разбит на 2 этапа.

1-й - наведение антенн ЗС на ИСЗ.

2-й - слежение антенной

ЗС за ИСЗ при его движении по орбите.

Решение этих задач может быть достигнуто различными методами:

Наведение антенн на спутник перед началом сеанса осуществляется

программным методом автоматически, либо вручную по таблицам целеука-

заний.

Сопровождение ИСЗ в процессе сеанса связи осуществляется как про-

граммным методом автоматически, так и вручную. (Возможно использование

радиотехнических методов слежения).

Сущность программного метода наведения и сопровождения заклю-

чается в том, что прогнозирование значений азимута и угла места ИСЗ из-

вестно и может быть заложено в виде программы вычислений в память ЭВМ.

Результаты вычислений могут быть представлены в форме электрических

сигналов для управления положением антенны с помощью силового фидера

реальном масштабе времени или в форме таблиц с дискретным представле-

нием непрерывной траектории спутника в координатах время-азимут, время-

угол места.

В первом случае наведение антенн осуществляется по программе ав-

томатически, а во втором - по программе вручную, когда оператор, используя

органы ручного управления, ориентирует антенну в дискретные моменты

времени

в соответствии с табличными значениями угла места и азимута.

Итак, т.к. орбита ИСЗ, как правило, известна, основной задачей АПН

является выработка сигналов, непрерывно управляющих приводом антенны.

Существует два основных типа АПН:

- с автономным расчетом программных узлов наведения;

- с централизованным расчетом программных узлов наведения.

В военных ЗС применяется первый тип АПН.

Исходные данные в виде параметров орбиты ИСЗ, географических

координат места ЗС и сигналов службы единого времени вводятся в

специ-

альную ЭВМ. На основе обработки этих данных по соответствующему алго-

ритму вырабатываются электрические сигналы, управляющие приводом

ОПУ по углу места и азимуту.

С ОПУ контрольные сигналы поступают на устройство управления

(пульт) для сигнализации об азимуте и угле места.

Второй тип АПН отличается тем, что центр управления сетью ЗС обо-

рудуется универсальной быстродействующей ЭВМ, централизовано рассчи-

тывает углы наведения для каждой ЗС (Система "Орбита"), которые затем

передаются по каналам спутниковой связи на каждую ЗС и вводятся в АПН.

200

Рассмотрим принципы построения УКДС.

Задачей УКДС является введение в выходную частоту передатчика и

промежуточную частоту приемника поправки на доплеровское смещение

частоты на участках 3-С и С-3 соответственно.

Рисунок 7.28 - Структурная схема АПН.

ПСУ

от

АПН

ДШ УГ

ПЗУ ФСТИ

f от синт

∫

0,5 МГц

"ручн."

0,1 МГц

1,5 МГц

Рисунок 7.29 - Структурная схема УКДС (ПСУ – пересчетное устройство, ФСТИ -

формирователь стробовых и тактовых импульсов)

Основу устройства составляет управляемый генератор охваченный

кольцом цифровой автоматической подстройкой частоты (ЦАПЧ). В исход-

ном положении УГ формирует частоту 1,5 МГц, подаваемую на вход пере-

счетного устройства (ПСУ). В данном устройстве происходит преобразова-

ние этого напряжения в последовательность коротких импульсов с тем же

периодом и подсчет количества импульсов в стробовом интервале (3 мс

), за-

даваемым формирователем строба и тактовых импульсов (ФСТИ).

Результат подсчета импульсов складывается с числом, подаваемым от

АПН или ПЗУ, и выражающим величину и знак поправки на

Δf

. Эта сумма

поступает на дешифратор (ДШ). Если при этом заданное (записанное в

ретрансляторе) число импульсов, соответствующее среднему значению час-

тоты УГ, будет получено до окончания строба, т.е. частота УГ (с учетом доп-

леровского сдвига) окажется выше нормы, то ДШ выдаст на интегратор сиг-

нал на уменьшение частоты. По этому

сигналу с интегратора подается по-

тенциал уменьшающий частоту УГ. Если за время строба заданное значение

числа импульсов не будет получено, произойдет увеличение частоты УГ.