Спутниковая связь и проблема геостационарной орбиты (стр. 5 )

ВОЗДЕЙСТВИЕ ПОМЕХ НА НЕИДЕАЛЬНЫЙ ЧД

Все изложенное в данном параграфе справедливо для идеального частотного детектора, строго соответствующего операции (3.30) выделения производной фазы. В реальном приемнике неизбежны отклонения от идеальных характерис­тик детектирования. Вследствие этого могут возникнуть помехи на выходе приемника даже при неперекрывающихся спектрах полезного и мешающего сигналов, когда расчет по приведенным выше формулам дает полное отсутствие помехи. В частности, к возникновению помехи приводит неидеальная линейность детекторной характеристики частотного детектора, неидеальное подавление амп­литудной модуляции в ограничителе, преобразование амплитудной модуляции в фазовую и др. [16, 17]. Обычно расчеты электромагнитной совместимости при регистрации и координации ССС между собой и с наземными средствами ведут в предположении идеального приемника. Однако при вводе в действие системы связи и в процессе ее эксплуатации по причине неидеального приема ЧМ сиг­налов могут возникать помехи от внеполосных мешающих сигналов большой мощности.

ВОЗДЕЙСТВИЕ ПОMЕХ НА СИСТЕМЫ ОКН

Особым случаем аналоговых ЧМ сигналов является уже упоминавшийся ранее вариант ОКН. В принципе эта задача решается по приведенным выше формулам, и даже несколько проще, поскольку полезный сигнал — одноканальный, и интегрирование помехи на выходе приемника следует вести в полосе ТЧ канала (300Гц) непосредственно по (3.17). Наиболее опасна для сигналов ОКН помеха со стороны мощного многоканального сигнала ЧРК ЧМ или — что еще опаснее — со стороны ТЛВ сигнала с ЧМ. В этом случае для вычисления свертки можно воспользоваться (3.22), (3.23), а для помехи со сто­роны сигналов ТВ ЧМ — (3.33). Однако, поскольку полоса полезного сигнала меньше полосы помехи, то средняя мощность мешающего сигнала в этой полосе обычно невелика, и расчет по вышеуказанным формулам дает бла­гополучный результат. В действительности же мощный мешающий сигнал ТВЧМ, мгновенная частота которого сравнительно медленно меняется под влиянием модуляции сигналом изображения и сигналом дисперсии, на некоторое время оказывается в полосе ОКН и всей своей мощностью воздействует на ЧД этого канала, что может привести к возникновению пороговых импульсов. При мо­дуляции сигнала ТВЧМ только сигналом дисперсии время воздействия на от­дельный канал ОКН

(3.42)

где Т — период сигнала дисперсии; — размах изменения частоты мешаю­щего сигнала под действием сигнала дисперсии. Среднее число пороговых им­пульсов [26] в секунду

(3.43)

где Nи[c/(ш+п)] — число импульсов во время попадания помехи и полосу ка­нала; Nn(c/ш) — число импульсов, возникающих в остальную долю времени от действия только шума. Обычно имеет значение только поскольку, порог не наступает, когда мгновенная частота мешающего сигнала не попада­ет в полосу канала ОКН, и Nn(c/ш) при этом мало.

В [26] с помощью соотношений, полученных в [17], выведено отношение мощности сигнала к мощности шума на выходе канала ОКН:

(3.44)

где — амплитуда полезного сигнала; — дисперсия (мощность) теплово­го шума на входе; FB — верхняя частота фильтра нижних частот в канале;Nи. ср— среднее число пороговых импульсов; fд. т — максимальная девиация частоты в канале ОКН.

В [26] для определения числа пороговых импульсов Nи (входящих в (3.43)) рассчитаны зависимости от отношения полезного сигнала к ме-знающему для нескольких значений отношения сигнала к шуму (рис. 3.7) (кри­вая 1 — для Рс/Рш = 15 дБ, 2 — 14 дБ, 3 — 13 дБ, 4 — 12 дБ); первым сла­гаемым в (3.43) на практике можно пренебречь.

Поскольку изложенный механизм воздействия помехи относится к порого­вой области, влияние нескольких мешающих сигналов (например, от нескольких ИСЗ) нельзя рассматривать отдельно; следует рассматривать вероятность сов­падения помех в интервале [26]. Кроме того, надо учитывать, что в канале

тональной частоты, предназначенном для вторичного уплотнения, ограничена не только мощность шума, но также число импульсов помехи в секунду: нельзя превышать Nи. ср=2-10-2, т. е. 70 импульсов в час (Рекомендация V-53 МККТТ). Мешающий сигнал ЧРК ЧМ или ИКМ ФМ [26] при определении помех каналу системы ОКН ЧМ с центральной частотой может рассматриваться как тепловой шум, эквивалентная мощность которого определяется по формуле

(3.45)

p(fc) — спектральная плотность мешающего сигнала на частоте fc.

Далее Рш. э суммируется с мощностью теплового шума Рш(, где) и расчет сигнала и шума на выходе канала выполняется по обычным формулам [17]:

(3.46)

где — девиация частоты в канале с ОКН, крутизна ЧД принята равной единице, мощность надпорогового шума

(3.47)

где N0 — спектральная плотность шума, а мощность порогового шума на вы­ходе ЧД

(3.48)

где число пороговых импульсов

, (3.49)

и — табулированная функция ошибки; r — радиус инерции спектра шума относительно центральной частоты этого спектра; для идеально прямоугольного фильтра с полосой , для гауссового фильтра .

Для более простого расчета допустимости помехи каналу ОКН — ЧМ со слоговым компандированием от несущей, модулированной по треугольному за­кону частотой 20 Гц (модель ТВ ЧМ сигнала с дисперсией энергии) Отчет 867 МККР на основе экспериментальных данных (субъективной экспертизы) реко­мендует, чтобы защитное отношение для одиночной помехи было не менее

, дБ, (3.50)

где [см. 3.42)]. В [26] показано, что (3.50) дает излишне ос­торожную границу, создает необоснованный запас по сравнению с результата­ми белее строгого расчета по (3.44) и рис. 3.7 или по (3.45) —(3.46).

3.3. ВОЗДЕЙСТВИЕ ПОМЕХ ПРИ ПЕРЕДАЧЕ СИГНАЛОВ В ДИСКРЕТНОЙ ФОРМЕ

Системы передачи сигналов в дискретной форме получили широкое раз­витие, как для передачи собственно дискретных сигналов (от ЭВМ, например), так и для передачи аналоговых сигналов, преобразованных в дискретную форму для передачи по линии связи. Это преобразование можно осуществлять как непосредственно на самой ЗС спутниковой сети, так и в других пунктах сети связи; в последнем случае на ЗС поступает уже сформированный дискретный сигнал со стандартной скоростью (например, 64 кбит/с, 2048 кбит/с и т. д.). Преобразование возможно как для каждого ТЧ канала в отдельности, так и для целой группы каналов, поступавшей в уплотненном по частоте виде.

Дискретные сигналы (как правило, двоичные) чаше всего передают с по­мощью фазовой манипуляции (ФМ) с двумя, четырьмя и иногда большим чис­лом положений фазы.

Анализ воздействия помех за системы передач сигналов в дискретной форме имеет принципиальные отличия от анализа аналоговых систем. Во-первых, дискретные каналы характеризуются не шумами и искажениями передаваемых сигналов (поскольку посылки регенерируются на выходе канала), а вероятностью ошибки при приеме посылки, Во-вторых — и это наиболее важно — связь меж­ду вероятностью ошибки на выходе приемника и воздействующими на его вход помехами или шумом является принципиально нелинейной. Поэтому, в отличие от аналоговых систем, нельзя рассматривать воздействие помет отдельно от других помех и от шумов и суммировать получившийся эффект даже при ма­лых помехах). Прием двоичного сигнала теоретически представляет собой зада­чу различения двух детерминированных сигналов в присутствии шума и по­мех [27].

Вероятность ошибочного приема двоичных фазоманипулированных сигна­лов в присутствии только теплового шума при идеальном когерентном приеме

(3.51)

где

(3.52)

— отношение энергии элементарной посылки к спектральной плотности мощнос­ти шумов на входе приемника; — длительность посылки: k=1, Вт/Гцград — постоянная Больцмана; Тш — эквивалентная шумовая темпера­тура приемной установки.

В присутствии радиопомехи с ЧМ вероятность ошибки [28, 19]

(3.53)

где М=1 при модуляции с двумя положениями фазы (однократная ФМ, раз­личие положений вектора на ) М=2 — при четырех положениях фазы (дву­кратная ФМ, различие фазы ); определяет долю мощности помехи, попа­дающей в полосу приемника:

(3.54)

где k(f) — амплитудно-частотная характеристика приемника полезного сигна­ла; p(f) — нормализованная спектральная плотность помехи.

Если помеха модулирована не по частоте, а по амплитуде с подавленной несущей, то [19] рекомендует пользоваться (3.51), подставляя в качестве No сумму спектральной плотности мощности теплового шума и помехи. В [19, 29] для однократной (двухфазной) ФМ были получены зависимости, определяющие необходимое отношение сигнал-шум и сигнал-помеха, чтобы верх­няя граница вероятности ошибки не превышала некоторой величины (см. рис. 3.8); зависимости пригодны для оценки воздействия шума и помехи как при одном, так и при нескольких мешающих сигналах. В качестве параметра на рис. 3.8 показан пик-фактор мешающего сигнала:

(3.55)

где Uп. пик,Uп. ср— пиковое и среднеквадратичное значения огибающей мешающего сигнала.

Для ЧМ или ФМ помехи = 0, н данные кривой = 0 совпадают с результатом расчета по (3.53). Для помехи, закон распределения которой близок к гауссовом (т. е. помеха близка к тепловому шуму, например, создается большим числом узкополосных составляющих разной частоты), справедлива кривая на рис. 3.8; для отсутствия помех — прямая а().

Верхняя граница вероятности ошибки на посылку в случае М-кратной ФМ может быть определена на основе (3.53) или рис. 3.8 с применением форму­лы [19]:

(3.56)

причем следует определять при

Кривые, построенные [26] по приведенным выше формулам для четырехфазной ФМ и одного мешающего сигнала, приведены на рис. 3.9. При необ­ходимости, кривые, характеризующие воздействие шума и нескольких радиопо­мех в канале с многофазной модуляцией, можно найти в [11, .14]. В [14] име­ются сведения по помехоустойчивости дискретного канала с учетом влияния фильтров в тракте, предшествующем демодулятору, а также для комбиниро­ванных методов модуляции.

Из рис. 3.9 и (3.56) видно, что если мешающий сигнал равен по мощности тепловому шуму или превышает его, влияние ЧМ или ФМ помехи меньше, чем гауссова шума той же мощности; для малой помехи ее действие вполне можно заменять тепло­вым шумом той же мощности.

Чувствительность к помехе при многократной модуляции резко воз­растает. Воздействие помехи на сиг­нал с дифференциальной (относитель­ной) ФМ несколько сильнее [19], чем следует из приведенных формул и рисунка.

Рассмотрим воздействие помеха на канал системы ОКН, если в этой системе применена передача сигна­лов в дискретной форме с помощью ФМ. В этом случае наиболее опасной помехой, как и при аналоговом способе передачи, является сигнал ТВ ЧМ при модуляции его только сигналом дисперсии. Расчет действия помехи следует вести на основе очевидного из изложенного ранее (аналогичного (3.43)) соот­ношения

(3.57)

где (относительное время пребывания помехи в полосе канала ОКН) опреде­лено (3.42). Расчет рош(с/ш) и рош (с/(ш+п)) можно выполнить на основе (3.51) и (3.53) с учетом (3.56). В системе ОКН ИКМ ФМ обычно применяется четырехфазная ФМ, и для определения входящих в (3.57) величин р0Ш можно воспользоваться рис. 3.9, имея в виду, что при Рс/Рп30 дБ из него можно получить РОШ(с/ш) с достаточной точностью.

Такой расчет был выполнен в [26] для типичных значений кГц, МГц, для периода сигнала дисперсии T = 0,02 с и четырехфазной ФМ. Результаты расчета даны из рис. 3.10. Экспериментальные данные для этого случая приведены на рис. 3.11 [30].

На основе экспериментальных данных [50] Отчет 867 МККР [4] рекомен­дует простой критерий допустимости помехи на входе приемника в канале дискретной системы ОКН от одного мешающего сигнала

(3.58)

Как показано в [26], критерий (3.58) излишне жесткий.

При одновременном воздействии на канал системы ОКН нескольких ме­шающих сигналов ТВ ЧМ их воздействие нельзя суммировать аддитивно; не­обходимо рассматривать действие всех помех совместно, учитывая вероятность их одновременного попадания в полосу канала ОКН.

3.4. РАСЧЕТ ОТНОШЕНИЯ СИГНАЛА К ПОМЕХЕ НА ВХОДЕ ПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ

Для применения полученных в предыдущих параграфах выра­жений необходимо определить соотношение мощностей сигнала и помехи (Pс /Pп) на входе приемных устройств земных и космических станций. Подробная методика расчета (Рс/Рп)вх приведена в Отчете 455-2 МККР [4]. В наиболее общем случае, когда полосы частот на линиях Космос — Земля и Земля — Космос обеих систем совпадают (рис. 3.12),

(3.59)

(3.60)

В выражениях (3.59) и (3.60) использованы следующие обоз­начения: (Рс/Рп)кс, зс — отношения сигнал-помеха на линиях Земля— Космос и Космос — Земля соответственно, дБ; Рзс, Рзп — мощности полезной и мешающих несущих, подводимые к антен­нам ЗС, дБВт; G1, G4 — коэффициенты усиления передающей и приемной антенн ЗС полезной системы, дБ; — коэффици­ент усиления передающей антенны мешающей ЗС, в направлении на спутник системы, испытывающей помеху, дБ; G4() — коэффи­циент усиления приемной антенны ЗС, (испытывающей помеху, в направлении на мешающий спутник, дБ; —геоцентрический ми­нимальный угловой разнос между полезным и мешающим ИСЗ, град.; G2 — разница в коэффициенте усиления приемной антен­ны полезного ИСЗ в направлении на мешающую и полезную ЗС, дБ;

— разница в потерях на распрост­ранение полезного и мешающего сигналов на линии вверх и вниз соответственно, дБ; L = LC—Ln; E, е — ЭИИМ полезного и ме­шающего ИСЗ в направлении ЗС, испытывающей помеху, дБВт; — минимальная поляризационная развязка на линии вверх

и вниз соответственно, дБ; запас на затухание в осадках, дБ, должен учитываться только на линии вверх, если не применяется автоматическая регулировка мощности, чтобы обеспечить постоянство уровня на входе приемника ИСЗ. Необходимость учета этого запаса определяется тем, что полезная и мешающая ЗС могут быть значительно разнесены в пространстве и флуктуации полезного и мешающего сигналов на линии вверх не будут коррелированны. При расчете (Pс/Pп) на линии вниз этот запас не учитывается, так как пути через атмосферу полезного и мешающего сигналов очень близки и условия распространения фактичес­ки совпадают.

Рассуждая аналогичным образом, можно получить выражения для случая реверсного использования полос частот, когда исполь­зуемая в одной системе на линии вниз полоса частот использует­ся в другой системе на линии вверх, и наоборот. При этом необ­ходимо учитывать два вида помехи: от одного ИСЗ другому в полосе, используемой на линии Земля — Космос в защищаемой системе, и от одной ЗС другой в полосе частот, используемой на уча­стке Космос — Земля в защищаемой системе. В расчетах помех между системами, однако, рекомендуется учитывать только поме­хи между ИСЗ (рис. 3.13), так как предполагается, что помехи на приемное устройство ЗС от передатчика другой ЗС могут быть сведены к нулю путем правильного планирования их взаимного размещения.

Для этого случая

(3.61)

где — разница коэффициентов усиления приемной антенны
ИСЗ в направлениях на передающую ЗС и на мешающий ИСЗ;:
, дБ; е' — ЭИИМ мешающего ИСЗ в направлении
на ИСЗ, испытывающий помеху, дБВт.

После расчетов отношений сигнал-помеха на входах приемников ЗС и КС можно либо, пользуясь приведенными выше соотно­шениями, пересчитать вклад помех в шумы в канале на выходе системы и затем просуммировать, либо, если на линии вверх и вниз воздействуют помехи аналогичного вида, найти эквивалент­ное отношение (Рс/Рп)экв и затем пересчитать в шумы в канале или сравнить с нормированным значением

(3.62)

Приведенные выше выражения дают не совсем точные значе­ния, так как используют геоцентрический угол разноса для оп­ределения коэффициентов усиления антенн земных станций. При этом для антенны любой земной станции принимается одна и та же величина , в то время как щетинное направление на соседний спутник отличается от геоцентрического углового разноса между ИСЗ и зависит от места расположения ЗС.

Для более точных расчетов необходимо в выражения (3.59) —(3.61) поставлять топоцентрический угол разноса

(3.63)

где d1 и d2 — расстояния, км, от земной станции до обоих спутников, вычисляемые по формуле

(3.64)

где ; — широта земной станции, — разность по долготе между спутником и земной станцией.

Коэффициент усиления антенн ЗС после определения (при не­обходимости) уточненного угла и коэффициенты усиления бор­товых антенн определяют по соответствующим расчетным или экс­периментальным диаграммам направленности антенн, планируе­мым к применению в рассматриваемых системах. Если анализ воз­можных помех проводят на этапе разработки систем, когда дан­ные о реальных диаграммах направленности отсутствуют, можно использовать обобщенные справочные диаграммы, приведенные в Регламенте радиосвязи и в материалах МККР. Подробный ана­лиз этих данных, приведенный в [31], показывает, что наиболее полная справочная характеристика диаграмм направленности ан­тенн ЗС содержится в Приложениях 28 и 29 к Регламенту радио­связи. Справочные диаграммы направленности, приведенные в регламенте радиосвязи, подразделяются на две группы, для ан­тенн ЗС с D/100 и D/<100, и охватывают углы = 0...180°, давая аппроксимацию главного, первых боковых и задних лепест­ков. Эти же диаграммы приведены в Отчете 391-4 МККР.

Для антенн больших диаметров (максимальное уси­ление превышает величину 48 дБ) Регламент радиосвязи реко­мендует:

G() = Gmax-2,5.10-3(D/)2 для 00<9<;

G() = G1 для ;

G()=32 — 251gG для ;

G () = —10 дБ для

гле G1 — усиление антенны в направлении первого бокового лепестка.

G1=2+151g(D/):

град;

град.

Для антенн с отношением D/ (максимальное усиление менее 48 дБ) Регламент радиосвязи рекомендует следующие выражения:

G() = Gmax-2,5.10-3(D/)2 для 00<9<;

G() = G1 для ;

G()=32 — 251gG для ;

G () = —10 дБ для

На рис. 3.14 в качестве примера показаны справочные диаграммы для =150 (кривая 1) и = 40 (кривая 2). Приведенные ди­аграммы применимы только для основной поляризации. Для пе­рекрестной поляризации справочные диаграммы отсутствуют. По­этому в отсутствие реальных диаграмм приходится пользоваться некоторыми приближенными соображениями. Так, например, в Отчете 390-4 [4] указано, что во многих случаях по внутрисистем­ным соображениям может требоваться высокая развязка по поля­ризации в направлении максимального излучения, составляющая 30...35дБ. С другой стороны, в Приложении 29 Регламента радио­связи указано, что в направлениях, отличающихся от главного, га­рантированная развязка по поляризации при использовании в сис­темах круговой поляризации противоположного направления мо­жет быть принята равной 6 дБ. Таким образом, при расчетах по­мех между спутниковыми системами на перекрестных круговых поляризациях в отсутствие реальных характеристик можно при­менить те же справочные диаграммы антенн ЗС, приведенные вы­ше, уровень которых должен быть уменьшен в главном направле­нии надБ и на 6 дБ за пределами главного лепестка.

Анализу характеристик бортовых антенн, применяемых на кос­мических станциях фиксированной спутниковой службы, посвящен Отчет 558-2 МК'КР [4], где параметры бортовых антенн рассмат­риваются с точки зрения эффективного использования геостацио­нарной орбиты. В этом отчете справочная диаграмма направлен­ности приводится в виде

G() = Gmax-3()2 для ;

G() = Gmax-20 для;

G()=Gmax — 251g() для;

G () = —10 дБ для

где — половина ширины основного лепестка по уровню —3 дБ; - угол, при котором G() = —10 дБ.

Приведенные выражения применимы для обычных осесимметричных бортовых антенн. Для антенн, имеющих специальную форму диаграммы направленности, соответствующую форме зоны об­служивания, справочные диаграммы направленности отсутствуют. Справочная диаграмма для бортовых антенн в относительном масштабе (G()—Gmax) показана на рис. 3.15. Приведенная на этом рисунке кривая справедлива до тех углов, при которых G() становится равной —10 дБ, далее необходимо брать G() = — 10 дБ.

Еще раз обратим внимание на то, что приведенными справоч­ными диаграммами можно пользоваться только в тех случаях, когда не известны реальные характеристики, так как большинст­во из них составлено исходя из наиболее пессимистических оце­нок. Реальные характеристики современных антенн особенно в от­дельных направлениях могут быть существенно лучше справочных. В подтверждение этого укажем, что согласно Рекомендации 580 МККР [4] антенны ЗС с D/>100, устанавливаемые после 1987 г., должны обеспечивать диаграмму, 90% боковых лепестков кото­рой не превышало бы уровня, определенного выражением для . Это требование приме­нимо для любых направлений в пределах ±3° от направле­ния на геостационарную орби­ту и, следовательно, может быть использовано для анали­за совместимости систем с гео­стационарными IIC3. Можно также упомянуть еще об одном предложении, которое обсуж­дается в Отчете 453-3 МККР, согласно которому предла-

гается для новых антенн с >100 принять как цель для проектирования диаграмму направленности следующего вида:

G()<28 — 25 lg для ;

G()< —20 дБ для >83°.

Некоторые сведения о диаграммах направленности антенн земных и космических станций, работающих в спутниковой вещатель­ной службе, приведены в гл. 8.

3.5. НОРМЫ НА ДОПУСТИМЫЕ УРОВНИ ПОМЕХ

Анализ помех между спутниковыми системами, проводимый на основании § 3.1—3.4, завершается сравнением полученных резуль­татов с принятыми нормативными. В качестве таких нормативных значений обычно применяют рекомендованные МККР допустимые уровни помех, приведенные в табл. 3.1 для анализа двух спутни­ковых систем.

Кроме данных табл. 3.1, можно применять упоминавшиеся ра­нее защитные отношения для ЧМ телевидения (Отчет 634-2 МККР) и для одноканальных несущих (Отчет 867 МККР).

Ввиду того, что полосы частот, используемые спутниковыми системами, как правило, одновременно используются и наземны­ми радиослужбами, приведем кратко описание проблем, возникающих из-за такого совместного использования частот, а также Имеющиеся нормы и некоторые ограничения, накладываемые для облегчения решения этих проблем.

При определении условий совмещения необходимо рассматривать четыре возможных вида помех:

для линий Космос — Земля: 1) от передатчиков космических станций приемникам наземных служб и 2) от передатчиков на­земных служб приемникам ЗС

для линий Земля — Космос: 3) от передатчиков наземных «служб приемникам космических станций, и 4) от передатчиков ЗС приемникам наземных служб.

Для каждой из совмещаемых служб были разработаны моде­ли, наиболее близкие к реальным, и выполнены расчеты помех при различных условиях, на основе которых были определены пу­ти и критерии совмещения и необходимые ограничения.

Наиболее детально разработаны условия совмещения спутни­ковой фиксированной службы с наземными радиорелейными линиями. В качестве критерия совмещения для этого случая была принята максимально допустимая мощность помехи в каналах совмещаемых систем, равная 10% допустимого значения шумов (табл. 3.2).

Для доведения помех 1-го вида до допустимого уровня приняты ограничения максимальной плотности потока мощности (ППМ) у поверхности Земли излучениями космических станций фиксированной спутниковой службы. Эти ограничения получены при рассмотрении модели, включающей случайно расположенные па по­верхности Земли радиорелейные линии длиной по 2500 км (соответствующие эталонной гипотетической цепи) и спутники с глобальным покрытием, равномерно расположенные на геостационар­ной орбите через 3 и 6°. При этом принималось, что каждый спут­ник создавал у поверхности Земли ППМ, одинаковую для всех углов прихода волны. Максимально допустимая ППМ выбиралась та­ким образом, чтобы помехи превышали допустимое значение толь­ко в малом проценте высокочувствительных РРЛ. Принятые в результате пределы ППМ, записанные в Регламенте радиосвязи для фиксированной спутниковой службы, приведены в табл. 3.3.