Расчет суммарных потерь в тракте передачи
Суммарные потери во всём тракте передачи информации исключают потери, связанные со свободным распространением радиоволн в вакууме, и включают в себя потери в АФУ и дополнительные потери в атмосфере:
Переведём дБ в разы, учитывая, что эти потери являются отрицательными, возьмём их со знаком “ – ”:
1.8 Расчет мощности шумов на входе приёмной антенны
В диапазонах частот, где работают спутниковые системы шумы, создаваемые различными источниками можно рассчитать по формуле:
Где, – постоянная Больцмана, ;
- полная эквивалентная шумовая температура всей приёмной системы с учётом внутренних и внешних шумов;
– эквивалентная шумовая полоса приёмника.
Согласно расчетам выше, ширина полосы частот получилась равна 10 МГц, соответственно:
Полная эквивалентная шумовая температура приёмной системы, состоящей из антенны, волноводного тракта и собственно приёмника, пересчитанная ко входу МШУ (малошумящего усилителя), будет равна:
,
Где - эквивалентная шумовая температура антенны, К;
-абсолютная температура среды (290К);
-коэффициент полезного действия волнового тракта.
В свою очередь,эквивалентная шумовая температура антенны может быть представлена в виде следующих составляющих:
,
Где , - температура приёма космического радиоизлучения;
- температура излучения атмосферы с учётом гидрометеоров;
-температураизлучения земной поверхности, принимаемое через боковые лепестки;
- температура приёма излучения атмосферы, отражённого от Земли;
- температура шумов антенны из-за наличия потерь в её элементах.
Т. К. величины ,, пренебрежимо малы и их можно принять равными нулю, то формула для расчёта эквивалентной шумовой температуры антенны будет иметь вид:
.
Для стандартной атмосферы, средняя термодинамическая температура атмосферы для углов места более 50 в данном диапазоне частот приблизительно равна 260 К.
обусловлена омическими потерями в антенне. Современные металлические зеркальные антенны имеют весьма низкие потери, поэтому и значение данной величины весьма мало. Для нашего диапазона частот 7-8 ГГц значение = 0,08 К.
Таким образом, эквивалентная шумовая температура антенны будет равна:
КПД волнового тракта близок к единице из-за малой длины фидерной линии. Возьмём значение КПД, равное:
.
С помощью найденных величин рассчитаем эквивалентную шумовую температуру приёмной системы.
.
Исходя из всего выше рассчитанного, определим мощность шумов на входе приёмной системы:
2. Расчёт коэффициента усиления антенны, дальности связи, эффективной площади приёмной антенны
Коэффициентом усиления антенныназывается отношение квадрата напряженности электрического поля, создаваемого антенной в данном направлении, к квадрату напряженности поля, создаваемого воображаемым абсолютно ненаправленным излучателем.
Коэффициент усиления передающей антенны показывает, во сколько раз квадрат напряженности поля, создаваемого антенной в данной точке приема, превышает квадрат напряженности поля, создаваемый в той же точке эталонной антенной с КПД=1.
Для определения коэффициента усиления передающей антенны воспользуемся формулой:
где G - коэффициент направленного действия антенны,
- коэффициент полезного действия антенны.
КНД характеризует способность антенны концентрировать излученное антенной электромагнитное поле в каком-либо направлении.
КНД антенны называется отношение квадрата напряженности поля, излучаемого антенной в данном направлении, к усредненному по всем направлениям значению квадрата напряженности поля.
Точка, в которой определяется направление, характеризуется углом места Θ и азимутом γ.
КПД антенны называется отношение излучаемой мощности к мощности, подводимой к антенне.
Применительно к нашей системе радиосвязи мы будем рассчитывать КНД в сторону максимального излучения антенны, так как диаграмма направленности должна обеспечивать равную плотность потока мощности сигнала в каждой точке подспутниковой зоны. Значит, достаточно будет рассчитать КНД в сторону максимального излучения, то есть в сторону максимальной дальности связи.
Для расчёта максимальной дальности связи воспользуемся формулой:
где R=6371км (радиус Земли),
Н=300 км (высота круговой орбиты),
α= рад (минимальный рабочий угол места).
а) Рассчитаем коэффициент усиления для передающей антенны.
КНД антенны рассчитаем по формуле:
где ,
- ширина диаграммы направленности.
Расчет производится при максимальном раскрыве диаграммы направленности , то есть при минимальном угле места. Пределы интегрирования выбираются от 0 до максимального угла .
В данной формуле производится нормирование выражения для дальности связи путем его деления на значение дальности связи при минимальном угле места. В результате расчета получаем КНД, равный:
Построим график зависимости КНД от угла |
Из графика видно, что максимальный КНД достигается при угле
Из рисунка 5 видно, что КПД антенны при частоте 8ГГц .
Рис. 5. Зависимость КПД от частоты Используя полученные значения, рассчитаем коэффициент усиления передающей антенны: |
б) Рассчитаем коэффициент усиления для приемной антенны.
Для этого определим эффективную площадь приемной антенны, то есть площадь, которая максимально используется при приеме антенной потока мощности.
где - диаметр приемной антенны,
- коэффициент использования поверхности антенны.
Коэффициент использования поверхности антенны имеет величину в пределах от 0,25 до 0,6. Примем . Диаметр приемной антенны примем равным 1,5 м.
Таким образом, получим:
Расчет коэффициента усиления будем проводить на средней длине волны :
Для определения коэффициента усиления, воспользуемся формулой:
Расчёт отношения сигнал/шум
Для решения задачи, связанной с оптимизацией спутниковых систем, будем пользоваться основным уравнением радиосвязи:
где Р – мощность передающего устройства,
G – коэффициент усиления передающей антенны,
R –дальность связи,
- суммарные потери в радиоканале,
– эффективная площадь приёмной антенны,
– мощность шумов.
Все величины, входящие в состав данного выражения были вычислены в предыдущих пунктах курсового проекта. Мощность передающего устройства 10 Вт.
Воспользовавшись рассчитанными значениями, получим величину отношения сигнал/шум:
Можно увидеть, что значение данного соотношения сигнал/шум не удовлетворяет теоретическому условию (10,5дБ), при котором осуществляется передача информации с заданным уровнем качества, следовательно, систему можно оптимизировать за счет изменения параметров приемной антенны.
Выбор оптимального варианта построения радиосистемы
Расчет энергетического потенциала системы показал достаточность требуемого уровня отношения сигнал/шум для заданной вероятности ошибочного приема в канале, что позволяет обойтись без помехоустойчивого кодирования. В целях более экономичного использования системы радиосвязи подберем более оптимальный вариант реализации, который позволит работать при той же вероятности ошибки.
Обозначение параметра | Наименование | Вариант 1 | Вариант 2 | Вариант 3 |
Диаметр приемной антенны | 1,5 | 0,5 | ||
Излучаемая мощность передающей антенны | ||||
Отношение сигнал/шум | 209,5 | 46,5 | 11,6 |
Самым оптимальным является 3 вариант, который позволяет максимально приблизиться к значению 10,5 дБ.
Заключение
В процессе выполнения данного курсового проекта был произведён расчёт основных проектных параметров спутниковой системы передачи с космического аппарата на сеть земных станций, решено уравнение связи с учётом возможных потерь. Спроектировав радиосистему с учетом различных факторов, влияющих на нее, пришли к выводу, что для ее оптимальной работы необходимо исключить излишние энергетические запасы за счет уменьшения диаметра приемной антенны и излучающей мощности передающей антенны ( , ).
Список использованной литературы
1. Антенно-фидерные устройства: Учебник – под ред. Кочержевского Г. Н. – М., 1972 г.
2. Спутниковая связь и вещание. Справочник. – под ред. Кантора Л. Я. – М., 1988 г.
3. Справочник по элементам волноводной техники – Фельдштейн А. Л., Явич Л. Р., Смирнов В. П. – М., 1999 г.
4. Регламент радиосвязи РФ – М., 1999 г.
5. Бернард Скляр. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение: Учебник – М., 2003 г.