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.