Спутниковые системы радиосвязи и радиовещания

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Государственный университет – учебно-научно-производственный комплекс»

 

 

Кафедра: ЭВТИБ

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине: «Техническая электродинамика»

на тему: «Спутниковые системы радиосвязи и радиовещания»

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

 студент группы 41-Р

Митрохин В.Л.

 

Проверил:

Донцов В.М.

 

 

 

 

 

Орел, 2013

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение

 

Современные организации характеризуются большим объемом различной информации, в основном электронной и телекоммуникационной, которая проходит через них каждый день. Поэтому важно иметь высококачественный выход на коммутационные узлы, которые обеспечивают выход на все важные коммуникационные линии. В России, где расстояния между населенными пунктами огромное, а наземные линии не всегда обладают необходимыми параметрами и качеством связи, оптимальным решением этого вопроса является применение сетей спутниковой связи (ССС).

Системы спутниковой связи широко используются во многих регионах мира и стали неотъемлемой частью инфраструктуры телекоммуникаций большинства стран. Не только промышленно развитые страны с разнообразными современными сетями телекоммуникаций, но все чаще и развивающиеся страны успешно внедряют ССС. Новые спутниковые приложения обеспечивают быстрое создание новых широковещательных служб и частных сетей.

Хотя коммерческое использование геосинхронных спутников связи началось почти 25 лет назад, их широкое применение в сетях связи стало возможным лишь в начале 1980-х годов. Телевидение, телефония, широкополосная передача продолжают доминировать в списке услуг ССС. Современные системы спутниковой связи предоставляют беспрецедентные возможности для развития частных сетей, организации служб связи типа «точка-точка» и «точка-множество точек».

 

1. Системы спутниковой радиосвязи и радиовещания

1.1 КРАТКАЯ История спутниковой связи

 

В 1929 г. Герман Поточник опубликовал книгу под названием «Проблема путешествия в космосе». В ней была впервые описана концепция геостационарной орбиты, которую Поточник называл «стационарным кружением». В 1945 Артур Кларк направил письмо в журнал британских радиолюбителей Wireless World, где описывал «возможность более отдаленного будущего – может быть, через полстолетия. «Искусственный спутник» на соответствующем удалении от Земли... будет оставаться в стационарном положении над той же самой точкой земли и находиться в пределах видимости с практически половины поверхности Земли. Три повторительные станции, через 120° на соответствующей орбите, будут способны охватить телевизионным вещанием и микроволновой связью практически всю поверхность Земли». В 1963 НАСА претворяет в жизнь концепцию Кларка и выводит на геосинхронную, но не геостационарную орбиту первые два спутника Syncom. Период их вращения соответствовал периоду вращения Земли, но их орбиты были наклонены и вытянуты. В 1964 Запущен спутник Syncom 3, который кружил точно над экватором и стал первым геостационарным спутником. Подписано соглашение о создании Международного консорциума спутниковой связи – ИНТЕЛСАТ. Это соглашение подписали: США, Англия, Франция, Германия, Япония, Канада, Бразилия, Италия и др. – всего 11 стран. Задачи Консорциума: разработка, проектирование, изготовление и эксплуатация системы глобальной коммерческой спутниковой связи. С помощью этой системы к 1987 году обеспечивалось около двух третей международных каналов спутниковой связи, а в настоящее время – около одной трети. В 1965 В Советском Союзе была создана и введена в эксплуатацию система спутниковой связи «Молния_1», по названию спутника; снимок см в приложение 1. Эта система позволила организовать связь Москвы (станции в Медвежьих Озерах и Щелково) с районами Дальнего Востока (станции в Уссурийске и Петропавловске-Камчатском), Сибири (станция в Улан Удэ), Средней Азии (станция в районе озера Балхаш). В системе «Молния_1» передавались программы телевизионного и радиовещания, полосы газет, а также осуществлялась телефонно-телеграфная связь с указанными районами. В 1967 В СССР были введены еще 20 станций, которые с уже имеющимися образовали первую в мире систему распределения телевидения «Орбита» (гл. конструктор Н.В.Талызин, НИИР).[11]

 

 

1.2 Организация спутникового ствола

Спутник – это устройство связи, которое принимает сигналы от земной станции (ЗС), усиливает и транслирует в широковещательном режиме одновременно на все ЗС, находящиеся в зоне видимости спутника. Спутник не инициирует и не терминирует никакой пользовательской информации за исключением сигналов контроля и коррекции возникающих технических проблем и сигналов его позиционирования. Спутниковая передача начинается в некоторой ЗС, проходит через спутник, и заканчивается в одной или большем количестве ЗС. Система спутниковой связи состоит из трех базисных частей: космического сегмента, сигнальной части и наземного сегмента, на примере системы «Iridium» (рис. 1.1). Космический сегмент охватывает вопросы проектирования спутника, расчета орбиты и запуска спутника. Сигнальная часть включает в себя вопросы используемого спектра частоты, влияния расстояния на организацию и поддержание связи, источники интерференции сигнала, схем модуляции и протоколов передачи. Наземный сегмент включает размещение и конструкцию ЗС, типы антенн, используемых для различных приложений, схемы мультиплексирования, обеспечивающие эффективный доступ к каналам спутника. Космический сегмент, сигнальная часть и наземный сегмент поясняются в следующих разделах. [9]

Рис. 1.1 Система "Iridium" [http://kunegin.narod.ru/ref/satelite/images/result4.jpg]

1.3 Космический сегмент

 

Современные спутники связи, используемые в коммерческих ССС, занимают геосинхронные орбиты, в которых период орбиты равен периоду отметки на поверхности Земли. Это становится возможным при размещении спутника над заданным местом Земли на расстоянии 35800 км в плоскости экватора.

Большая высота, требуемая для поддержания геосинхронной орбиты спутника, объясняет нечувствительность спутниковых сетей к расстоянию. Длина пути от заданной точки на Земле через спутник на такой орбите до другой точки Земли в четыре раза больше расстояния по поверхности Земли между двумя ее максимально удаленными точками. В настоящее время наиболее плотно занятая орбитальная дуга равна 76° (приблизительно; 67° по 143° западной долготы). Спутники этого сектора обеспечивают связь стран Северной, Центральной и Южной Америки.

Главными компонентами спутника являются его конструкционные элементы; системы управления положением, питания; телеметрии, трекинга, команд; приемопередатчики и антенна (рис. 1.2).

Рис. 1.2 Спутник со стабилизацией вращения. [http://kunegin.narod.ru/ref/satelite/images/result5.jpg]

 

Структура спутника обеспечивает функционирование всех его компонентов. Предоставленный сам себе спутник в конечном счете перешел бы к случайным вращениям, превратившись в бесполезное для обеспечения связи устройство. Устойчивость и нужная ориентация антенны поддерживается системой стабилизации (рис. 1.3). Размер и вес спутника ограничены в основном возможностями транспортных средств, требованиям к солнечным батареям и объему топлива для жизнеобеспечения спутника (обычно в течение десяти лет).

Рис. 1.3 Спутник с трехосевой стабилизацией. [http://kunegin.narod.ru/ref/satelite/images/result5.jpg]

Телеметрическое оборудование спутника используется для передачи на Землю информации о его положении. В случае необходимости коррекции положения, на спутник передаются соответствующие команды, по получении которых включается энергетическое оборудование, и коррекция осуществляется. [5]

 

 

1.4 Сигнальная часть

 

Ширина полосы (bandwight) спутникового канала характеризует количество информации, которую он может передавать в единицу времени. Типичный спутниковый приемопередатчик имеет ширину полосы 36 МГц .

Обычно ширина полосы спутникового канала велика. Например, один цветной телевизионный канал занимает полосу 6 МГц. Каждый приемопередатчик на современных спутниках связи поддерживает полосу в 36 МГц, при этом спутник несет 12 или 24 приемопередатчиков, что дает в результате 432 МГц или 864 МГц, соответственно.

Спектр частот.

Спутники должны преобразовывать частоту получаемых от ЗС сигналов перед ретрансляцией их к ЗС, поэтому спектр частот спутника связи выражен в парах. Из двух частот в каждой паре, нижняя используется для передачи от спутника к ЗС (нисходящие потоки), верхняя – для передачи от ЗС на спутник (восходящие потоки). Каждая пара частот называется полосой.

Современные спутниковые каналы чаще всего применяют одну из двух полос: С-полосу (от спутника к ЗС в области 6 ГГц и обратно в области 4 ГГц), или Ku- полосу (14 ГГц и 12 ГГц, соответственно). Каждая полоса частот имеет свои характеристики, ориентированные на разные задачи связи пример в таблице 1.

Табл.1 Характеристики полос частот.

Спутниковые диапазоны полос передачи, L (GHz)	Полоса, С (MHz)	Диапазон частот, Ku (GHz)	Доступная ширина, Ka (Hz)
1.6/1.5	15	6/4	500
14/12	500	30/120	2500

 

Большинство действующих спутников используют С-полосу. Передача в С-полосе может покрывать значительную область земной поверхности, что делает спутники особенно пригодными для сигналов широковещания. С другой стороны, сигналы С-полосы являются относительно слабыми и требуют развитых и достаточно дорогих антенн на ЗС. Важная особенность сигналов С-полосы – их устойчивость к атмосферному шуму. Атмосфера Земли почти прозрачна для сигналов в диапазоне 4/6 ГГц. К сожалению, этим же фактором обусловлено то, что сигналы С-полосы более всего подходят для наземных двухточечных микроволновых передач, портящих более слабые спутниковые сигналы. Данное обстоятельство заставляет размещать ЗС, использующие при передаче С-полосу, за много километров от городских центров и мест плотного проживания населения.

Передача в Ku- полосе имеет противоположные свойства. Луч при такой передаче сильный, узкий, что делает передачу идеальной для двухточечных соединений или соединений от точки к нескольким точкам. Наземные микроволновые сигналы никоим образом не влияют на сигналы Ku-полосы, и ЗС Ku-полосы могут быть размещены в центрах городов. Естественная большая мощность сигналов Ku-полосы позволяет обойтись меньшими, более дешевыми антеннами ЗС. К сожалению, сигналы Ku-полосы чрезвычайно чувствительны к атмосферным явлениям, особенно туману и сильному дождю. Хотя подобные погодные явления, как известно, воздействуют на небольшую область в течение краткого времени, результаты могут быть достаточно серьезны, если такие условия совпадут с ЧНН (час наибольшей нагрузки, например 4 часа пополудни, полдень пятницы).

Передача речи и данных.

Мультиплексирование с разделением частот (FDM) широко используется для мультиплексирования нескольких речевых каналов или каналов данных на один спутниковый приемопередатчик.

В FDM волновая форма каждого индивидуального телефонного сигнала фильтруется для ограничения ширины полосы диапазоном звуковых частот между 300 и 3400 Гц, затем преобразуется. Далее сигналы двенадцати каналов мультиплексируются в составной сигнал основной полосы. Каждая группа составлена из телефонных сигналов, размещенных в интервалах с шириной полосы равной 4 кГц. Затем несколько групп повторно мультиплексируются и формируют большую группу, которая может содержать от 12 до 3600 отдельных речевых каналов.

Мультиплексирование с временным разделением (TDM) – другой метод для передачи речи и /или данных по одному каналу. Если в FDM для передачи речевого сигнала (или данных) назначаются отдельные сегменты частоты внутри всей полосы, в методе TDM передача ведется по всей выделенной полосе частот. В исходящем канале повторяемые базовые временные периоды, называемые иногда фреймами (frame), разделены на фиксированное число тактов, которые выделяются последовательно для передачи сигналов входящих речевых каналов и каналов данных. Для предохранения от возможных потерь информации используются накопители (буферы). [5]

 

 

1.5 Наземный сегмент

 

Технологическое развитие привело к значительному уменьшению размеров ЗС. На начальном этапе спутник не превышал нескольких сотен килограммов, а ЗС представляли собой гигантские сооружения с антеннами более 30 м в диаметре. Современные спутники весят несколько тонн, а антенны, зачастую не превышающие 1 м в диаметре, могут быть установлены в самых разнообразных местах. Тенденция уменьшения размеров ЗС вместе с упрощением установки оборудования приводит к снижению его стоимости. На сегодняшний день стоимость ЗС является, пожалуй, главной характеристикой, определяющей широкое распространение ССС. Преимущество спутниковой связи основано на обслуживании географически удаленных пользователей без дополнительных расходов на промежуточное хранение и коммутацию. Любые факторы, понижающие стоимость установки новой ЗС, однозначно содействуют развитию приложений, ориентированных на использование ССС. Относительно высокие издержки развертывания ЗС позволяют наземным волоконно-оптическим сетям в ряде случаев успешно конкурировать с ССС. Следовательно, главное преимущество спутниковых систем состоит в возможности создавать сети связи, предоставляющие новые услуги связи или расширяющие прежние, при этом с экономической точки зрения преимущество ССС обратно пропорционально стоимости ЗС. В зависимости от типа, ЗС имеет возможности передачи и/или приема. Как уже отмечалось, фактически все интеллектуальные функции в спутниковых сетях осуществляются в ЗС. Среди них – организация доступа к спутнику и наземным сетям, мультиплексирование, модуляция, обработка сигнала и преобразование частот. Отметим, наконец, что большинство проблем в спутниковой передаче решается оборудованием ЗС. В настоящее время выделяются четыре типа ЗС. Наиболее сложными и дорогостоящими являются ориентированные на большую интенсивность пользовательской загрузки ЗС с очень высокой пропускной способностью. Станции такого типа предназначены для обслуживания пользовательских популяций, требующих для обеспечения нормального доступа к ЗС волоконно-оптических линий связи. Подобные ЗС стоят миллионы долларов (рис. 1.4). Станции средней пропускной способности эффективны для обслуживания частных сетей корпораций. Размеры подобных сетей ЗС могут быть самыми разнообразными в зависимости от реализованных приложений (передача речи, видео, данных). Различаются два типа корпоративных ССС. Развитая корпоративная ССС с большими капиталовложениями обычно поддерживает такие услуги, как видеоконференция, электронная почта, передача видео, речи и данных. Все ЗС сети имеют одинаково большую пропускную способность, а стоимость станции доходит до 1 млн. долларов.

Рис. 1.4 ЗС с высокой пропускной способностью. [http://kunegin.narod.ru/ref/satelite/images/result7.jpg]

Менее дорогостоящим типом корпоративной сети является ССС большого числа (до нескольких тысяч) микротерминалов (VSAT – Very Small Aperture Terminal), связанных с одной главной ЗС (MES – Master Earth Station). Данные сети ограничиваются обычно приемом/передачей данных и приемом аудио - видеоуслуг в цифровом виде. Микротерминалы общаются между собой посредством транзита с обработкой через главную ЗС. Топология таких сетей является звездообразной.

Четвертый тип ЗС ограничен возможностями приема. Это самый дешевый вариант станции, поскольку ее оборудование оптимизируется под предоставление одной или нескольких конкретных услуг. Данная ЗС может быть ориентирована на прем данных, аудиосигнала, видео или их комбинаций. Топология также звездообразная. [5]

 

1.6 Система Aloha

 

Влияние разработанного в Гавайском университете в начале 1970-х протокола множественного доступа Aloha (известного также под названием система Aloha) на развитие спутниковых и локальных сетей связи трудно переоценить.

В данной системе ЗС используют пакетную передачу по общему спутниковому каналу. В любой момент времени каждая ЗС может передавать только один пакет. Поскольку спутнику по отношению к пакетам отведена роль ретранслятора, всегда, когда пакет одной ЗС достигает спутника во время трансляции им другого пакета некоторой другой ЗС, обе передачи накладываются (интерферируют) и «разрушают» друг друга. Возникает требующая разрешения конфликтная ситуация.

В соответствии с ранним вариантом Aloha, известной под названием «чистая система Aloha», ЗС могут начать передачу в любой момент времени. Если спустя время распространения они прослушивают свою успешную передачу, то заключают, что избежали конфликтной ситуации (т.е. тем самым получают положительную квитанцию).

В противном случае они знают, что произошло наложение (или, быть может, действовал какой-либо другой источник шума) и они должны повторить передачу (т.е. получают отрицательную квитанцию). Если ЗС сразу же после прослушивания повторят свои передачи, то наверняка опять попадут в конфликтную ситуацию. Требуется некоторая процедура разрешения конфликта для того, чтобы ввести случайные задержки при повторной передаче, и разнести во времени вступающие в конфликт пакеты.

Другой вариант система Aloha состоит в разбиении времени на отрезки – окна, длина которых равна длине одного пакета при передаче (предполагается, что все пакеты имеют одну и ту же длину). Если теперь потребовать, чтобы передача пакетов начиналась только в начале окна (время привязано к спутнику), то получится двойной выигрыш в эффективности использования спутникового канала, т.к. наложения при этом ограничиваются длиной одного окна (вместо двух, как в чистой системе Aloha). Эта система называется синхронной системой Aloha (приведено на рис.2.1).