Конспект лекций по курсу: «Основы построения Земных станций и бортовых ретрансляторов». Часть 3: "Основные характеристики спутниковой линии связи" (Шумы приемника. Отношения мощности пилот-сигнала (несущей) к мощности шума. Анализ спутникового канала связи), страница 2

Собственный шум электронных цепей учитывают в величине  с помощью шумового числа (шумового фактора) F , которое зависит от схемного решения устройства, включенного после антенны. Шумовое число электронной системы определяют как

.        (3.3.5)

При таком определении величина (F-1)290⁰ равна температуре некоторого эквивалентного источника шума на входе системы, который создает такой же вклад в шум на выходе системы, как и внутренний шум системы. Для некоторой антенной системы эта эквивалентная шумовая температура электронных цепей добавляется непосредственно к шуму фона, который принимается антенной и создает шумовую температуру, равную  (см. формулу (3.3.1)).

3.4. Отношения мощности пилот-сигнала (несущей) к мощности шума

Один из ключевых параметров, характеризующих показатели приемного устройства связи, - это отношение мощности принятого пилот-сигнала к мощности шума. Это отношение (CNR) определяют как

,                                                                                                 (3.4.1)

где P_r и P_n определены выше в выражениях (3.1.5) и (3.3.4). Отношение (3.4.1) показывает относительную устойчивость мощности передатчик-приемник к воздействию помехи. Обычно линии связи требуют такой мощности P_r , чтобы она, как минимум, в 10 раз (больше на 10 дБ) была больше мощности P_n (т. е. CNR≥10) для обеспечения надежной работы приемника.

Подставляя выражения для P_r и P_n в выражение для отношения сигнал-шум, получим

.                                                                            (3.4.2)

Анализ последнего выражения показывает, что поскольку ширина полосы B_RF часто зависит от вида модуляции, мы часто изолируем параметры мощности СВЧ линии связи с помощью нормировки на ширину полосы.

Тогда отношение сигнал-шум принимает вид

,                                                                               (3.4.3)

в котором отсутствует зависимость от B_RF . В системах цифровой связи отношение С/N₀ позволяет непосредственно рассчитать отношение энергии бита к энергии шума как

,                                                                                             (3.4.4)

где T_b - это время бита. Следовательно, зная величину С/N₀ в линии связи, которая зависит от только от СВЧ параметров линии, мы можем непосредственно рассчитать как аналоговое отношение сигнал-шум, нормированное на ширину полосы частот, так и цифровое отношение E_b/N₀ умножением на число битов.

Часто удобно представлять величину (3.4.3) в виде

.                                                                       (3.4.5)

Первые скобки содержат только параметры передатчика, во вторые скобки входят параметры распространения и в последние – параметры приемника (отношение КУ антенны и эквивалентной шумовой температуры).

Существует прямой компромисс между размером антенны и шумовой температурой приемника при обеспечении требуемых показателей системы связи. Температурой приемного устройства можно управлять непосредственно за счет контроля уровня фона, поступающего в антенну (выбор орбиты, угла места и т. д.) и с помощью выбора электронных устройств приемника с низким уровнем собственного шума. Поэтому размер антенны непосредственно влияет на общую стоимость приемника и конструкции системы. На рис. 3.10 построены графики зависимостей
величины g/T⁰ от произведения частота-размер антенны при различных значениях шумовой температуры .

Рис. 3.10. Зависимость величин g/T⁰ (d=м, f=ГГц, =градусы Кельвина).

Наоборот, использование антенн с большим КУ позволяет применить приемник с большим уровнем собственных шумов. При этом показатели системы оказываются менее чувствительными к влиянию окружающего фона, сектора обзора, дождя и т. п. Поэтому небольшие изменения в  не влияют на  и, следовательно, на С/N₀, если доминирующим является второй член в выражении (3.4.1).

Однако следует обратить особое внимание на параметр g/T⁰ при попытке улучшить показатели спутниковой системы поскольку это часто приводит к серьезным недоразумениям. На первый взгляд, из рис. 3.10 следует, что g/T⁰ может быть улучшено с помощью более высоких несущих частот при фиксированных размерах антенны, так как это непосредственно увеличивает КУ антенны. Однако, из выражения (3.1.6) следует, что потери на распространение также растут пропорционально f² , так что при фиксированном значении EIRP передатчика в (3.4.5) величина С/N₀ не зависит напрямую от несущей частоты. (На самом деле последняя величина может уменьшится, поскольку атмосферные потери L_a в общем растут с частотой f). Это может быть более очевидным если воспользоваться выражением для С/N₀ в виде

.                                                                          (3.4.6)

Для фиксированных значений EIRP и  величина С/N₀ ,зависящая от частоты, зависит только от длины трассы распространения и области приема. Заметная частотная зависимость появляется в L_р только, если записать A_r в терминах КУ g_r приемной антенны. Следовательно, выбор более высокого частотного диапазона не может непосредственно помочь в улучшении показателей системы.

3.5. Анализ спутникового канала связи

Спутниковая линия связи вверх

На рис. 3.11 представлена упрощенная схема спутниковой линии связи вверх.

Рис. 3.11. Спутниковая линия связи вверх.