Фазовые эффекты в атмосфере.

С влиянием атмосферы связаны эффект Фарадея и вытекающее из него следствие – фазовая дисперсия сигналов. Эффект Фарадея обусловлен тем, что при распространении линейно поляризованной волны через атмосферу под действием магнитного поля Земли эта волна расщепляется на две составляющие, которые распространяются в ионосфере с различными скоростями. Следовательно, между ними появляется фазовый сдвиг, который приводит к повороту плоскости поляризации суммарной волны.

Угол поворота плоскости поляризации:

, (3.26)

где β – угол места.

Из результатов расчетов по этой формуле следует, что эффект Фарадея приводит к заметному изменению направления вектора поляризации на частотах ниже 5 ГГц; на частотах выше 10 ГГц с этим явлением можно не считаться.

Влияние этого эффекта сказывается в том, что при использовании для связи сигналов с линейной поляризацией будут возникать потери сигнала между коллинеарными антеннами (передающей и приемной) L_Ψ = 201g(cosΨ). Во избежание этого, на частотах ниже 10 ГГц, в спутниковых системах используется исключительно круговая поляризация, а в более высокочастотных диапазонах фазовые эффекты не препятствуют применению линейной поляризации.

Фазовые эффекты в атмосфере, точнее их частотно-зависимые характеры, приводят к фазовой дисперсии компонент передаваемых сигналов и, следовательно, к их искажению при приеме. Подобно фарадевскому вращению, степень влияния этих эффектов обратно пропорциональна квадрату частоты. Полный сдвиг фазы сигнала определяется выражением:

, (3.27)

где n – показатель преломления атмосферы, с – скорость света.

При этом групповое время запаздывания сигнала:

(3.28)

Приближенное значение разности группового времени запаздывания Δτ длякрайних составляющих широкополосного сигнала с полосой Δf должно быть таким, чтобы не было искажений передаваемых сигналов Δτ·Δ f <<1. Для количественной оценки широкополосности атмосферы примем Δτ·Δ f = 0,1. Тогда . Из результатов расчетов по этой формулы следует, что наибольшая полоса сигнала, который может быть передан через атмосферу без фазовых искажений, составляет примерно 25 МГц в диапазоне 1 ГГц и возрастает до 270 МГц в диапазоне 4 – 6 ГГц. Указанные ограничения следует иметь в виду при проектировании широкополосных ТВ и ТЛФ линий, в особенности в диапазонах частот ниже 4ГГц.

Шумы атмосферы, планет и приемных систем.

При расчете спутниковых радиолиний важно определить полную мощность шумов, создаваемых на входе приемного устройства спутника и ЗС различными источниками. мощность шума на входе приемника определяется по формуле (3.6):

дадим количественную оценку входящих в нее величин:

Эквивалентная (энергетическая) шумовая полоса приемника:

, (3.29)

где – частотная характеристика ПЧ тракта приемника.

Она обычно несколько шире полосы частот тракта ПЧ.Если принять Δ f _ш = γ·Δ f_0,7, то значения коэффициентов γ для п одноконтурных (γ₁) и двухконтурных (γ₂) каскадов УПЧ будут изменяться 1,1–1,002, причем для многокаскадных УПЧ это показатель наименьший.

Полная эквивалентная шумовая температура приемной системы,состоящей из антенны, волноводного тракта и собственно приемника, пересчитанная ко входу приемника:

, (3.30)

где Т_А – эквивалентная шумовая температура антенны;

Т₀ – абсолютная температура среды (290 К);

T_пр – эквивалентная шумовая температура собственно приемника, обусловленная еговнутренними шумами;

η_В – коэффициент передачи волноводного тракта.

Общей задачей является количественное определение составляющих в (3.30) для вычисления мощности шума (3.6), входящей в уравнения связи.

Эквивалентная шумовая температура антенны может быть представлена в виде составляющих:

(3.31)

Эти составляющие обусловлены различными факторами:

- Т_к – приемом космического радиоизлучения;

- Т_а – излучением атмосферы с учетом гидрометеоров;

- Т₃ – излучением темной поверхности, принимаемым через боковые лепестки антенны;

- Т_аз – приемом излучения атмосферы, отраженного от Земли;

- Т_ш.а – собственными шумами антенны;

- Т_об – влиянием обтекателя антенны, если он имеется.

Общая методика определения этих составляющих основана на том, что антенна, находящаяся в бесконечном объеме поглощающей среды с однородной кинетической температурой, при термодинамическом равновесии поглощает и переизлучает мощность, равную мощности излучения. В этом случае:

, (3.32)

где – яркостная температура излучения в направлении β(Ψ) в сферической системе координат;

– усиление антенны (относительно изотропного излучателя) в том же направлении.

Яркостная температура характеризует источники излучения и определяется как температура абсолютно черного тела, имеющего на данной частоте и в данном направлении такую же яркость, как рассматриваемый источник.

Для характеристики источников излучения с неравномерным распределением яркостной температуры используется понятие усредненной или эффективной температуры излучения:

, (3.33)

Ω_и - телесный угол источника излучения.

Еслиугловые размеры источника излучения больше ширины главного лепестка диаграммы антенны Ωα, то Т_ср = Т_я..

Основу составляет радиоизлучение Галактики и точечных радиоисточников (Солнца, Луны, планет инекоторых звезд).

Излучение Галактики имеет сплошной спектр и слабо поляризовано, поэтому при приеме его на поляризованную антенну (с любым видом поляризации) можно с достаточной степенью точности считать, что принимается 1/2 всей мощности излучения, попадающей в раскрыв антенны.

Солнце самый мощный источник радиоизлучения, которое может полностью нарушить связь, попав в главный лепесток диаграммы направленности антенны. Однако вероятность такого попадания мала, и в первом приближении р = 0,6·10^-4. Для геостационарных орбит от р = 2·10^-4 до р = 5·10^-4 в зависимости от долготы ИСЗ.

Следующий по мощности радиоисточник – Луна – практически уже не может нарушить связи, так как ее яркостная температура не более 220 К. Остальные источники (планеты и радиозвезды) играют существенно меньшую роль, а вероятность встречи луча антенн с этими источниками меньше, чем с Солнцем, так как угловые размеры их малы.

Радиоизлучение земной атмосферы имеет тепловой характер и в полной мере обусловлено поглощением сигналов в атмосфере. В силу термодинамического равновесия среда (атмосфера) излучает такое же количество энергии на данной частоте, которое поглощает:

(3.34)

Средняя термодинамическая температура стандартной атмосферы для углов места β >5° в рассматриваемых диапазонах частот:

(3.35)

Яркостная температура излучения атмосферы, отраженного от Земли:

, (3.36)

где Ф – коэффициент отражения Земной поверхности.

Так как на частотах выше 10 ГГц , то следует:

Отражение от Земли компонентов атмосферных шумов дополняет термодинамическое излучение и в сумме они дают излучение с яркостной температурой, близкой к 290 К.

Все ранее сказанное позволяет выполнить расчет спутниковой радиолинии. Будем считать, что заданы основные постоянные величины, входящие в уравнение связи: диапазоны частот, высота и тип орбиты ИСЗ, коэффициенты усиления земных и бортовых антенн, а так же КПД волноводных трактов; заданными будем считать также вид, число и параметры передаваемых сигналов. Задача состоит в определении переменных величин, входящих в уравнения связи (потерь энергии сигнала под влиянием перечисленных факторов и шумов различного происхождения), и вычислении отношения сигнал/шум на конце линии связи (при заданных значениях мощностей земного и бортового передатчиков) либо мощностей этих передатчиков по требуемым отношениям сигнал/шум.

Обычно предварительный расчет проводится для односигнального режима (например, для передачи ТВ сигнала); при этом определяются параметры ВЧ ствола бортового ретранслятора. Затем при необходимости передачи ТЛФ сообщений производится расчет пропускной способности этого ствола применительно к выбранному методу многостанционного доступа и уточняются параметры земного приемопередающего оборудования. При передаче многоканальных телефонных сообщений методом ЧМ появляются дополнительные источники шумов, обусловленные взаимодействием передаваемых сигналов; соответственно число составляющих шума в ТЧ канале существенно больше, чем при передаче телевидения.

Общее уравнение, связывающее суммарный уровень шумов в телефонном канале с отдельными составляющими помех, можно записать в виде:

, (3.37)

где Р_{ш. т} – мощность тепловых шумов; Р_ш._н – мощность шумов, обусловленных нелинейностью амплитудных характеристик; Ρ_ш.φ – мощность шумов, обусловленных нелинейностью фазовых характеристик; Р_{ш АМ/ФМ} – мощность шумов вследствие АМ-ФМ перехода; Р_п – мощность помех со стороны соседних стволов, спутников и систем, а также РРЛ, работающих в совмещенных диапазонах частот; Р_ш.ок. –мощность шумов, вносимых оконечной аппаратурой.

Рассмотрим лишь одну составляющую формулы (3.37) – мощности тепловых шумов в канале Р_ш.т.

При нормировании ТЧ каналов спутниковых систем на долю составляющих Р_п и Р_ш.ок отводят 4000 пВт: остальные 6000 пВт (из общей нормы 10000 пВт) распределяются между тепловыми и нелинейными шумами различного происхождения примерно поровну. Таким образом, на долю Р _штприходится примерно 3000 пВт.

При передаче телефонных сигналов аналоговыми методами, например с использованием ЧМ, мощность теплового шума в телефонном канале ТЧ в точке нулевого относительного уровня можно определить:

, (3.38)

В_тф(ЧМ) – выигрыш в отношении сигнал/тепловой шум, обеспечиваемый ЧМ приемником; к _п – псофометрический коэффициент: α – выигрыш но тепловым шумам от введения линейных предыскажений.

Если телефонные сигналы передаются в групповом спектре ( т.е.стандартными многоканальными группами), то:

(3.39)

При передаче методом ОКН (один канал на несущую) с использованием частотного разделения одноканальных ЧМ радиосигналов:

, (3.40)

где f _к – средняя частота телефонного канала в групповом спектре; f д.к – пиковая девиация несущей частоты, приходящаяся на один ТЛФ канал; ΔF_κ – полоса частот телефонного канала; F_K – высшая частота телефонного канала.

Параметры модулированного ЧМ сигнала (f _д._к, f к, ΔFκ) при передаче групповых спектров принимаются примерно такими же, как в наземных РРЛ. При этом выигрыш от введения линейных предыскажений, арассчитывается по стандартным формулам. При передаче методом ОКН значение пиковой девиации частоты f _{д к} выбирается в области порога помехоустойчивости (как при передаче ТВ), а линейные предыскажения оптимизируются с целью получения максимального выигрыша по тепловым шумам. В этом случае при реализации оптимальных предыскажений совместный выигрыш от введения предыскажений и псофометрического взвешивания в телефонном канале с треугольным спектром шума К_п·α = 10 (10 дБ).

Чтобы установить количественную связь между вероятностью ошибки при передаче двоичных сигналов и отношением сигнал/шум на входе демодулятора, удобно воспользоваться следующим известным соотношением:

, (3.41)

где Ε –энергия каждого из передаваемых двоичных сигналов (1 или 0); N_q –спектральная плотность шума на входе демодулятора; R_K –коэффициент взаимной корреляции передаваемых двоичных сигналов (1 и 0).

При частотной модуляции (при достаточно большом разносе частот посылок) R_к = 0 и поэтому:

, (3.42)

где Ф – интеграл вероятности превышения плотности шума выше допустимого.

Раздел 4

Дата добавления: 2015-10-31