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)

Графики, представленные на рис. 3.5 и 3.6, позволяют преобразовать интенсивность дождя в ожидаемую величину ослабления на фиксированных частотах, а вероятность дождя (см. рис. 3.7) позволяет связать вероятность с фиксированным ослаблением, ожидаемым на данной частоте и при данном угле места.

Вероятностные характеристики отличаются большей значимостью при расчетах характеристик спутниковых линий связи. Если P(α) - это процент времени, при котором имеет место ослабление, равное α, то 1- P(α) - это процент пригодности линии с потерями, меньшими, чем α . Величина P(α) часто носит название процента времени выхода линии из строя (percentoutagetime) c ожидаемым ослаблением, равным α .

На рис. 3. 8 приведено семейство зависимостей с использованием данных графиков рис. 3.5, 3.6 и 3.7.

Рис. 3.8. Вероятностные данные для зависимости ослабления в дожде от частоты (угол места равен 30⁰).

Из рис. 3.8 следует, что линия связи, работающая на частоте 30 ГГц и при угле места 30⁰ может выдержать ослабление сигнала в дожде величиной 10 дБ в течение 99,5 % времени или, что эквивалентно, линия будет иметь процент выхода из строя 0,5% времени (около 45 часов в год). При уменьшении угла места линия связи будет эффективно работать на протяжении меньшего отрезка времени.

3.3 Шумы приемника

В дополнение к приему полезного информационного поля от источника в приемную антенну поступают другие электромагнитные поля, присутствующие в окружающем пространстве. Это постороннее излучение создает помеху или шум, который маскирует полезное поле, создаваемое передатчиком системы связи. Основным источником нежелательных полей является фоновое излучение галактики и космические источники, атмосферные переизлучения, а также высокочастотные помехи, создаваемые другими передатчиками и излучателями. В дополнение к этим помехам, принимаемым антенной системой, шум может возникать непосредственно в электронных цепях приемника, включенного непосредственно после антенны. Вклады всех перечисленных источников помех объединяются при определении полного уровня шума приемной системы. Этот шум определяет минимальную требуемую мощность передатчика для обеспечения надежной связи.

Шумовая температура

Количество шумы приемника принято оценивать с помощью шумовой температуры приемника . Параметр  - это некоторая эффективная эквивалентная температура, которую должен бы иметь некоторый внешний шумовой источник, чтобы создать такую же величину шума приемника. Запишем эквивалентную температуру в виде

                                                                     (3.3.1)

где  - фоновая шумовая температура, рассчитанная для вкладов, собираемых антенной (из галактики и шум неба) и F - это шумовое число приемника. Последняя величина объясняет вклад шумов электронных цепей приемника. Источник шума с температурой  создает уровень эффективного спектра шума на входе антенны, равный

, Вт/Гц                                                                             (3.3.2)

где  к – постоянная Больцмана, равная

к = 1,379 х 10^-23 Вт/град Кельвина-Гц

 = - 228,6 дБ Вт/ град Кельвина-Гц.                                               (3.3.3)

Из формулы для спектрального уровня (3.3.2) следует, что полная мощность шума, поступающая на приемное устройство в полосе частот B_RF равна

.                                                                                 (3.3.4)

В последней формуле величина B_RF обычно представляет полосу высоких частот приемной системы. Следовательно, расчет полного шума приемника может быть получен при условии знания величины  приемника.

Величина  зависит от специфических характеристик конкретного шумового шума, поступающего на приемную антенну. Например, в наземную антенну, направленную в небо, поступает шум от источников из галактики (звезды, планеты, луна и т.д.) в пределах ДН антенны вместе с шумовым переизлучением атмосферой солнечной энергии. С другой стороны, на антенну, размещенную на спутнике и направленную на Землю, поступает шумовое излучение, создаваемое Землей. При наблюдении из космоса Земля имеет температуру переизлучения, равную приблизительно 300⁰ К. Следовательно, эффекты фонового шума могут быть разделены на два случая.

Температура фонового шума для наземной антенны также косвенно зависит от частоты, так как она является прежде всего совокупностью отраженного шума галактики и переотраженного атмосферного шума, каждый из которых является частотно-зависимым.

Рис. 3.9. Фоновая шумовая температура для наземных приемников.

На рис. 3.9 показана зависимость  от частоты для различных источников шума (галактика и атмосферные переотражения) и для различных углов места.

Минимальное шумовое окно наблюдается в диапазоне частот 1…10 ГГц. По этой причине большинство спутниковых и земных СВЧ спутниковых систем (в частности С- и Х-диапазонов) работают в данном диапазоне частот. Следует отметить, что дождь может немного изменить эффективную фоновую температуру неба вследствие того, что дождь вносит больше рассеивателей (капли дождя). В целом, дождь интенсивностью 10 мм/ч не приводит к заметному увеличению , однако увеличивает шумовую температуру на 10⁰ – 50⁰ в случаях ливней.

Шумовое число