Способы ретрансляции и энергетические характеристики систем спутниковой связи. Энергетические характеристики бортового и земного оборудования ССС

2 часа

Лекция 12:  сПОСОБЫ РЕТРАНСЛЯЦИИ И         

                  ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ 

                  СИСТЕМ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ

План занятия:

12.1.  Схемы активной ретрансляции в ССС

Основной проблемой в ССС, использующих активную ретрансляцию является обеспечение энергоснабжения бортового ретранслятора ИСЗ.  В современных ССС на ИСЗ в качестве источника электроэнергии используются фотоэлектрическиех солнечные батареи. Основной их недостаток, это низкий к.п.д. и относительно малый срок службы. Тем более, что фотоэлементы подвержены в процессе эксплуатации в космосе радиоактивному воздействию. Данная особенность в принципе определяет срок службы ИСЗ.  Технология современного производства позволяет создавать фотоэлементы, с большим к.п.д. (до 23 %) и надежностью обеспечивающей срок службы этих батарей до 7 – 10 лет.  Мощность фотоэлектрических солнечных батарей, используемых на космических аппаратах достигает мощности 12 кВт.

Следует заметить, что ведутся разработки новых способов получения энергии, основанных на термоэлектронных преобразователях с атомными реакторами и термоионных преобразователей, благодаря которым предполагается получать мощность до 100 кВт (к.п.д. 5-10 %).

Возможности использования ИСЗ в качестве ретранслятора в основном определяются мощностью бортовых источников питания. Для определения энергетических затрат необходимо найти затраты всех его отдельных элементов, зависящих от схемных решений ретранслятора.

В зависимости от требований к ССС используются следующие схемы ретрансляции:

-  ретрансляция с демодуляцией;

-  ретрансляция без демодуляции сигнала с усилением по промежуточной частоте;

-  ретрансляция без демодуляции сигнала с усилением по высокой частоте.

Схема ретрансляции с демодуляцией сигнала (рис. 12.1) используется для ретрансляции импульсных сигналов, а также в случае, когда требуется изменить способ модуляции на участке трассы «ИСЗ - Земля».

Рис. 12.1. Схема ретранслятора с демодуляцией сигнала

Схема без  демодуляции сигнала с усилением по промежуточной частоте (рис. 12.2) является оптимальной  для ретрансляции сигналов с ограниченной полосой спектра сигнала, до нескольких десятков мегагерц. В данных схемах усилители промежуточной частоты могут быть собраны на транзисторах, что существенно снижает габариты и энергетические затраты бортового ретранслятора. Такие схемы можно использовать для одноканальной и многоканальной ЧМ-телефонии, а также  одного телевизионного канала с ЧМ.

Рис. 12.2.  Схема ретранслятора без демодуляции сигнала с усилением по промежуточной частоте

Схема без демодуляции сигнала с усилением по высокой частоте (рис. 12.3) используется в случае, когда требуется широкая полоса пропускания ретранслятора, до сотен и тысяч мегагерц.  Для этих целей в усилителях используются лампы бегущей волны (ЛБВ). Данный вариант применяется в случае необходимости ретрансляции  большого числа телевизионных сигналов. В этих схемах основными потребителями энергии являются выходные каскады УВЧ, собранные на ЛБВ.  В используемых генераторах и усилителях на основе ЛБВ к.п.д. составляет порядка 20%. С учетом двукратного запаса в антенно-фидерном тракте при расчетах необходимо использовать к.п.д. 10 %.

Рис. 12.3.  Схема ретранслятора без демодуляции сигнала с              усилением по высокой частоте

12.2.  Энергетические характеристики бортового и земного

         оборудования ССС

Системы спутниковой связи и вещания представляют собой РРЛ, состоящую из двух участков: «Земля – ИСЗ» и «ИСЗ – Земля». Причем для систем связи используется двусторонний обмен, а для вещания односторонняя циркулярная передача.

Аналогично системам РРЛ энергетические требования в ССС определяются уровнем шумов в этих каналах:

,                (12.2.1)

где - мощности шумов нелинейных переходов в схемах ретрансляции, не зависящих от уровня сигнала, на участках «Земля – ИСЗ» и «ИСЗ – Земля»;  

- мощности шумов вызванных внешними источниками, на участках «Земля – ИСЗ» и «ИСЗ – Земля». 

В общем случае ослабление сигнала в ССС определяется из выражения

,                      (12.2.2)

где  - ослабление сигнала в свободном пространстве;   - коэффициент передачи  по мощности а антенно-фидерном тракте «Земля – ИСЗ» или «ИСЗ – Земля»;

 - дополнительные потери при прохождении волны в тропосфере , ионосфере  и за счет деполяризационных явлений .

С учетом требований к качеству приема бортового и земного приемника величина мощности соответствующих  передатчиков определяется из следующих выражений:

,                               (12.2.3)

,                             (12.2.4)

где и - минимально допустимые отношения сигнал-шум на входах приемников спутника и земной станции;

 -соответствующее значение мощности шума на входе приемников спутника и земной станции. Величина шумовой температуры определяется на каждом участке по разному:

                    -  (12.2.5)

шумовая температура на входе приемника ИСЗ [**];

T_Зем – тепловые шумы Земли, приведенные ко входу приемника ИСЗ;

- тепловые шумы атмосферы, состоящие из шумов тропосферы и ионосферы;

T₀ – термодинамическая температура АФУ и приемника ИСЗ;

Ш – коэффициент шума приемника ИСЗ;

 -                                    (12.2.6)

ширина полосы приема ЧМ сигналов [88];

k = 1,38×10^-38 Вт/Гц×град – постоянная Больцмана.

Значение шумовой температуры рассчитывается по формуле [**]

              ,(12.2.7)

где  T_К – тепловые шумы космического происхождения, приведенные ко входу приемника ЗС;

T₀ » 300⁰ K – термодинамическая температура атмосферы у поверхности Земли, соответственно равная температуре АФУ и входных цепей приемника ЗС.