Лекция 7. Радиорелейные линии с цифровыми методами передачи; особенности проектирования цифровых РРЛ

Цель лекции: изучить методику расчета ЦРРЛ.

Высокие технические характеристики современной аппаратуры позволяют применить упрощенную практическую методику для расчетов основных параметров ЦРРЛ. Основу методики расчета составляют рекомендации МСЭ-Р и предложения ряда отечественных и зарубежных фирм. При этом определяются высоты подвеса антенн в пунктах расположения станций ЦРРЛ и выбираются основные параметры оборудования для получения качественных показателей линии связи, удовлетворяющих нормам. Кроме того, проводится расчет влияния как внешних помех (например, от спутниковых систем связи), так и коррелированных и некоррелированных помех, создаваемых различными станциями или стволами линии связи.

Основные принципы расчета ЦРРЛ такие же, как и аналоговых, но имеется ряд особенностей, обусловленных построением аппаратуры ЦРРЛ и видом передаваемых сигналов.

Структурная схема ОРС цифровой РРЛ приведена на рисунке 7.1.

Рисунок 7.1 – Структурная схема ОРС цифровой РРЛ

Аппаратура станции состоит из двух основных частей: Аппаратуры разделения каналов (АРК) и радиорелейной аппаратуры, которая соединена с АРК соединительным кабелем.

Передающая часть АРК включает в себя:

- устройство дискретизации сигналов многоканальных ТФ сообщений с помощью амплитудно-импульсной модуляции (АИМ);

- кодер (К), с помощью которого каждый из отсчетов сигнала АИМ преобразуется в кодовое слово двоичного цифрового сигнала;

- преобразователь кода (ПК1), на выходе которого образуется линейный цифровой сигнал (ЛЦС) в виде разнополярных импульсов.

Приемная часть АРК осуществляет обратные операции и содержит:

- преобразователь кода (ПК3);

- Декодер (ДК);

- Демодулятор (АИМ).

ПК1 и ПК3 согласовывают спектральные характеристики сигнала с частотной характеристикой соединительного кабеля.

В передающую часть РРС входят:

- регенератор РЕГ 1, служащий для восстановления формы, длительности и амплитуды каждого из символов ЛЦС ( РЕГ 2 устанавливают для исправления искажений, вносимых кабелем, если протяженность кабеля, соединяющего АРК и РРС превышает 1,5 км);

-преобразователь кода ПК 2, который превращает входной ЛЦС в «телеграфный» сигнал – последовательность разнополярных импульсов без постоянной составляющей с длительностью импульса, равной тактовому интервалу (ПК 4 выполняет обратное преобразование);

-скремблер СКР, в котором осуществляется преобразование сигнала таким образом, чтобы обеспечивалась одинаковая вероятность передачи символов «0» и «1» (дескремблер ДСКР выполняет обратное преобразование; восстанавливает исходное соотношение между символами «0» и «1» в цифровом сигнале);

- модулятор М, в котором осуществляется процесс модуляции несущей цифровым сигналом, перед тем, как он попадет на СВЧ передатчик П (в СВЧ приемнике Пр и демодуляторе Д происходит обратный процесс).

При этом используются такие виды модуляции бинарным цифровым сигналом: амплитудная импульсно-кодовая модуляция (ИКМ-АМ), ИКМ-ЧМ, ИКМ-ФМ, ИКМ-ОФМ.

Основные параметры цифровых РРЛ.

В качестве исходных данных для расчета ЦРРЛ в числе прочих входят параметры ЛЦС на входе модулятора (и выходе демодулятора) системы. Одним их основных параметров ЛЦС является скорость передачи, определяемая числом двоичных единиц (бит), передаваемых в единицу времени. В соответствии с нормами для ТФ канала период дискретизации Т_Д=125 мкс, каждый временной отсчет передается восьмиразрядным бинарным кодом (n=8). Каждому ТФ каналу соответствует цифровой канал со скоростью передачи B_k=n/T_Д=64*10³ бит/с. Для передачи сигналов многоканальных ТФ сообщений в первичной сети предусмотрен ряд типовых цифровых трактов.

Вторым важным параметром ЛЦС является его спектр. ЛЦС – случайная последовательность импульсов, обычно для него рассчитывают энергетический спектр, определяемый принятым кодом. При формировании ЛЦС применяют бинарные и троичные коды. Выбор кода ЛЦС определяется особенностями передачи его по соединительным линиям, в качестве которых используют симметричные или коаксиальные кабели.

Методика расчета основных параметров ЦРРЛ, приводится в [7].

Расчет устойчивости связи ЦРРЛ (проводится в соответствии с методикой, изложенной для аналоговых РРЛ).

Минимально допустимый множитель ослабления для ЦРРЛ (в дБ)

(7.1)

где – минимально-допустимый уровень мощности сигнала на входе приемника (чувствительность приемника – задается для различной аппаратуры), при котором вероятность ошибки приема цифрового сигнала не превышает допустимого значения ( в течение 0,05% времени любого месяца);

– уровень при распространении радиоволн в свободном пространстве без учета L_ДОП, т. е.).

При других допустимых значениях вероятности ошибки

. (7.2)

Здесь Р_Ш – уровень мощности теплового шума, приведенного ко входу приемника;

; (7.3)

Ш – шум-фактор приемника, КТ=4*10^-21Вт/Гц;

П_Ш – шумовая полоса приемника, Гц;

h_ВХ.min – минимально допустимое отношение сигнал-шум на входе приемника, определяемое из выражений, связывающих отношение сигнал-шум на входе приемника при различных способах модуляции сигнала (см. таблицу 3.1).

При h_ВХ>4 имеем.

Таким образом

. (7.3)

Оценка ожидаемой надежности передачи цифровой информации

Оценивается не только общий процент времени ухудшения связи из-за замираний , необходимо также знать распределение длительности и количество замираний за короткие интервалы времени.

Т а б л и ц а 3.1

Способы модуляции	Формула расчета вероятности ошибки
ИКМ-АМ
ИКМ-ЧМ
ИКМ-ОФМ с автокорреляционным способом демодуляции
ИКМ-ОФМ с когерентным способом демодуляции	, – интеграл вероятности

В случае одинарного приема сигналов на РРЛ методика расчета [7] ожидаемой надежности передачи цифровой информации следующая.

1 Рассчитать статистические характеристики длительности замираний (медианное значение длительности замираний).

2 Рассчитать общее число замираний, ожидаемое за летний месяц.

3 Определить число сеансов связи с глубокими замираниями.

4 Определить максимальное число замираний за сеанс длительности t_c.

5 Рассчитать максимальное число сеансов связи за летний месяц.

6 Рассчитать относительное число сеансов с возможным снижением качества связи из-за глубоких замираний сигнала за время сеанса (без учета замираний из-за дождей).

7 Рассчитать надежность передачи информации в процентах.

8 Рассчитать надежность передачи информации с учетом дождей.

Расчет суммарной мощности шумов в ТФ каналах ЦРРЛ

Мощность шумов на выходе ТФ канала ЦРРЛ определяется по формуле

(7.5)

где n – число пролетов ЦРРЛ; Р_КВ – мощность шумов квантования;

Р_Ш – мощность шумов, возникающая из-за ошибочного приема символов.

(7.6)

где m_C – число разрядов в двоичном коде ИКМ (m_C=7 – 8).

Для системы ИКМ-ЧР

(7.7)

где F_В – верхняя частота группового спектра;

ΔF_К – 3,1 кГц;

Р_СР – средний уровень многоканального ТФ сообщения в дБ по отношению к 1 мВт;

Р_ОШ – вероятность ошибки;

μ – коэффициент, показывающий во сколько раз частота дискретизации больше 2F_В (для F_Д=8 кГц; μ=1,8).

Для случая передачи МТС с числом каналов 60 (в дБпВт)

. (7.8)

Общий алгоритм расчетов [15], который заключается в последовательном подборе параметров аппаратуры и трассы для достижения заданных качественных показателей, показан на рисунке 7.2.

Рисунок 7.2. – Общий алгоритм расчета ЦРРЛ

Лекция 8. Системы спутниковой связи;основные принципы построения; параметры орбиты; виды орбит

Цель лекции: ознакомиться с принципами построения систем спутниковой связи.

Принцип организации спутниковой системы связи и вещания достаточно прост: с помощью ракеты-носителя на заданную орбиту вокруг Земли запускается искусственный спутник (ИСЗ), на борту которого размещается приемо-передающее устройство (радиоретранслятор), на Земле устанавливаются земные станции (ЗС) с параболическими антеннами и с устройствами для постоянного наведения на антенну ИСЗ. Сигналы на фиксированных частотах, посылаемые с земной станции, принимаются и усиливаются радиоретранслятором ИСЗ и после преобразования на другие частоты излучаются антенной ИСЗ в сторону земных станций- корреспондентов, где они принимаются, усиливаются и преобразуются до выделения сообщения.

Конфигурация систем СС зависит от типа искусственного спутника Земли, вида связи и параметров земных станций. Для построения систем СС используются в основном три разновидности ИСЗ, показанные на рисунке 8.1: на высокой эллиптической орбите (ВЭО), геостационарной орбите (ГСО) и низковысотной орбите (НВО). Используются также спутники на средневысотной орбите (СВО). Каждый тип ИСЗ имеет свои преимущества и недостатки

Рисунок 8.1 – Виды орбит ИСЗ

Примером ИСЗ с ВЭО могут служить спутники типа "Молния" с периодом обращения 12 часов, наклонением 63° , высотой апогея над северным полушарием 40 тысяч км, перигея – 500 км. Движение ИСЗ в области апогея замедляется, при этом длительность радиовидимости составляет 6…8 ч. Преимуществом данного типа ИСЗ является большой размер зоны обслуживания при охвате высокоширотных абонентов. Недостатком ВЭО является необходимость слежения антенн за медленно дрейфующим спутником и их переориентирования с заходящего спутника на восходящий, кроме того достаточно сильно проявляется эффект Доплера.

Уникальной орбитой является ГСО – круговая орбита с периодом обращения ИСЗ 24 часа, лежащая в плоскости экватора, с высотой 35875 км от поверхности Земли. Орбита синхронна с вращением Земли, поэтому спутник оказывается неподвижным относительно земной поверхности. Достоинства ГСО: зона обслуживания составляет около трети земной поверхности, трех спутников достаточно для почти глобальной связи, практически отсутствует эффект Доплера, антенны земных станций практически не требуют систем слежения. Однако в северных широтах спутник виден под малыми углами к горизонту и вовсе не виден в приполярных областях, из-за большой протяженности трассы эхо-сигналы, возникающие при несогласованности в точках перехода от 4-х проводной цепи к 2-х проводной, могут создать серьезную помеху разговору (требуется применять эхо-заградители) .

Характеристики ряда орбит приведены в таблице 8.1.

Т а б л и ц а 8.1

Тип орбиты	ГО	СВО	НВО
Высота орбиты,км		5000-15000	700- 1500
Количество космических аппаратов (КА) для непрерывного глобального охвата		8-12	48-66
Площадь зоны покрытия одного в % (ε=5°)		25-28	3-7
Время пребыв. КА в зоне радиовидимости, час	непрерывно	1,5-2	0,2-0,25
Задержка при передаче речи, мс	> 500	80-130	20-70
Угол места на краю зоны обслуживания, °		25-30	10-15
Период обращения КА вокруг Земли, мин

"Низколеты" запускаются на круговые орбиты, плоскость которых наклонена к плоскости экватора (полярные и квазиполярные орбиты) с высотой порядка 200..2000 км над поверхностью Земли. Запуск легкого ИСЗ на низкую орбиту может быть осуществлен с помощью недорогих пусковых установок. Однако скорость перемещения ИСЗ относительно поверхности Земли достаточно велика, в результате длительность сеанса от восхода спутника до его захода не превышает несколько десятков минут.

Диапазоны рабочих частот систем СС регламентированы МСЭ-Р, различны для участков Земля-ИСЗ и ИСЗ-Земля и лежат в пределах 2..40 ГГц.

Для систем СС существуют некоторые особенности передачи сигналов:

- запаздывание сигналов – для геостационарной орбиты около 250 мс в одном направлении. Является одной из причин появления эхо-сигналов при телефонных переговорах;

- эффект Доплера – изменение частоты сигнала, принимаемого с движущегося источника. Для скоростей много меньших скорости света v_r/c<<1 изменение частоты составляет f=f₀/(1± v_r/c). Наиболее сильно эффект Доплера проявляется для ИСЗ, использующих негеостационарные орбиты.

В зависимости от назначения системы СС и типа земных станций регламентом МСЭ различаются следующие службы:

- фиксированная спутниковая служба для связи между станциями, расположенными в определенных фиксированных пунктах, а также распределения телевизионных программ;

- подвижная спутниковая служба для связи между подвижными станциями, размещаемыми на транспортных средствах (самолетах, морских судах, автомобилях и пр.);

- радиовещательная спутниковая служба для непосредственной передачи радио и телевизионных программ на терминалы, находящиеся у абонентов.

Фиксированная спутниковая служба (ФСС). На начальном этапе развития ФСС развивалась в направлении создания систем магистральной связи с применением крупных земных станций с диаметрами зеркала антенн порядка 12..30 м. В настоящее время функционирует около 50 систем ФСС. В качестве примеров можно отметить системы СС "Молния-3", "Радуга", "Горизонт" и международные системы Intelsat и Eutelsat. Развитие ФСС идет по направлениям увеличения срока службы ИСЗ, повышения точности удержания ИСЗ на орбите, разработки и совершенствования многолучевых антенн, а также возможности работы на антенны земных станций малого диаметра (1,2..2,4 м) (системы VSAT).

Подвижная спутниковая служба (ПСС).В силу международного характера работы транспорта для его управления создаются международные системы глобальной спутниковой связи, например, система морской спутниковой связи Inmarsat, которая введена в действие в 1982 году. Функционально она содержит геостационарные спутники, расположенные над Атлантическим, Индийским и Тихим океанами; береговые станции, установленные на различных континентах, и разветвленную сеть судовых станций различных стандартов. В настоящее время системой Inmarsat пользуется около 15 тысяч судов. В рамках организации Inmarsat решается проблема создания системы авиационной спутниковой связи.

Успехи в космических технологиях последних лет, а также достижения в микроэлектронике, появление эффективных алгоритмов параметрического компандирования речевых сигналов, разработка лазерных линий межспутниковой связи вызвали большой интерес к использованию легких низколетящих ИСЗ для ПСС. Поддержание большой (десятки аппаратов) группировки ИСЗ на НВО для обеспечения непрерывности связи оказывается экономически целесообразно ввиду относительно малой стоимости вывода спутника на НВО и возможностью создания систем с малогабаритными абонентскими станциями, имеющими изотропные антенны.

Различают два типа СС с НВО. В наиболее простых из них пакеты информации передаются через ИСЗ-ретранслятор непосредственно или с задержкой на время пролета по трассе. Второй тип систем обеспечивает непрерывную связь. Зоны радиовидимости отдельных ИСЗ объединяются в единое информационное пространство.

Примером такой системы служит международный проект Iridium, возглавляемый фирмой Motorola. Система базируется на 66 легких (масса 689 кг) ИСЗ, равномерно размещенных на 6 полярных орбитах (по 11 ИСЗ на каждой орбите) высотой 780 км, плоскости которых разнесены на 30° , но совпадают по фазам движения. Каждый ИСЗ связан с четырьмя соседними. Ретранслятор работает на многолучевую антенну с числом лучей 48, что позволяет организовать в системе 2100 активных лучей одновременно, т.е. создать сотовую зону обслуживания на всей поверхности Земли.

В системе принят многостанционный доступ с частотно-временным разделением каналов, для межспутниковых линий и станций сопряжения предусматривается диапазон частот "K" 19..29 ГГц, для абонентских линий "Земля-ИСЗ" и "ИСЗ-Земля" – использование двух полос в диапазоне частот "L" 1610..1626,5 МГц. Система Iridium сможет охватить связью до 1,5 млн. абонентов. Применяются двухрежимные абонентские терминалы: режим Iridium и режим одного из стандартов сотовой подвижной связи (например, GSM). При нахождении абонента в зоне обслуживания системы сотовой связи, он обслуживается данной системой. Когда абонент покидает зону обслуживания системы сотовой связи, автоматически происходит его переключение на обслуживание системой СС Iridium.

Радиовещательная спутниковая служба (РСС). РСС реализует одно из основных направлений развития телекоммуникаций – персонализацию, т.е. телевизионные программы принимаются непосредственно на индивидуальные приемники абонентов. МСЭ утвердил международный план спутникового ТВ вещания в диапазоне 12 ГГц (НТВ-12). В планах зафиксированы точки стояния ИСЗ на ГСО, номера частотных каналов, параметры бортовой передающей аппаратуры. Для спутников бывшего СССР выделены пять точек стояния: 23° , 44° , 74° , 110° и 140° восточной долготы. Следует отметить, что из-за исторически сложившегося развития технических средств, для непосредственного телевидения применяется также диапазон 11 ГГц, выделенный для ФСС.

К 1992 году для НТВ-12 в мире использовалось более 80 спутников, среди которых TV-SAT-1, TV-SAT-2, TDF-1, TDF-2, TELE-X и др.

Для широкого внедрения НТВ необходимы многопрограммные спутники снескольким десятком программ с тем, чтобы с приобретением сравнительно дорогого приемного оборудования абонент (зритель) смог бы резко увеличить свой телевизионный выбор. В этой связи являются актуальными работы в области цифрового сжатия телевизионных изображений, позволяющего передавать в одном частотном стволе до 6..10 программ одновременно.

Рисунок 8.2 – Орбитальные высоты для спутниковых созвездий

На рисунке 8.2 приведены орбиты: ГО, CВО, НКО, а также орбиты ИСЗ спутниковых радионавигационных систем: GPS (6 круговых орбит высотой примерно 20 тысяч км, наклонением 55°, с периодом обращения 12 час 24-ти спутников) и ГЛОНАСС (3 круговых орбиты высотой 19100 км, наклонением 64,8°, с периодом обращения 11час 15мин 44сек также 24 спутников).

Затемненным цветом на рисунке отмечены радиационные пояса Земли, здесь орбиты не располагаются, поскольку пояса неблагоприятно сказываются на работоспособности солнечных батарей ИСЗ.