книги / Основы построения телекоммуникационных систем и сетей

•поглощение радиосигнала в атмосфере Земли;

•поляризационные потери из-за рассогласования поляриза­ ционных характеристик передающей и приемной антенн;

•потери сигнала из-за ошибок наведения приемной и пере­ дающей антенн;

•потери при ослаблении сигнала при его замираниях.

Тогда минимальная мощность полезного сигнала на выходе приемной антенны

(3.1)

Из выражения (3.1) следует, что мощность принимаемого сиг­ нала пропорциональна коэффициенту усиления приемной антенны G„р = 4л5прА,2. При фиксированной апертуре антенны £ пр величина Gnp растет с уменьшением длины волны. Однако это не означает, что антенна будет сильнее "усиливать" сигнал и сигнал возрастет на выходе приемной антенны. Мощность, перехватываемая при­ емной антенной, зависит только от геометрических размеров ан­ тенны и не зависит от длины волны. Важно значение произведения G„pA.2 в выражении (3.1), которое пропорционально iSnp и не зависит от длины волны.

Обозначим спектральную плотность шума, приведенную к выходу приемной антенны, через N0. Она равна N0 = кТ, где к — постоянная Больцмана; Т - шумовая температура приемной сис­ темы, К. Эта шумовая температура учитывает собственные шумы приемника, шумы сопротивления потерь приемного фидера и шу­ мы антенны, под которыми понимаются шумы на выходе прием­ ной антенны, обусловленные шумовыми излучениями окружаю­ щего пространства: шумами космического пространства, шумами атмосферы Земли, тепловыми излучениями Земли.

Энергетическим потенциалом радиолинии называют отноше­ ние минимальной мощности полезного сигнала к спектральной плотности шумов на выходе приемной антенны:

(3.2)

N0 (4itrfkT L

С другой стороны, помехоустойчивость приема сигналов ха­ рактеризуется требуемой для заданной вероятности ошибки на бит величиной /г = PQXJN Q= Рс /NoR, где т0 —длительность информаци­ онного бита на входе радиолинии; R = 1/т0 - скорость передачи информации. Величина Л2 учитывает характеристики модема, ме­ тод кодирования, влияние фазового шума в радиолинии. Тогда должно выполняться

ратура приемника, которая фактически определяется шумами входного малошумящего усилителя (МШ У). Ш умами последую ­

внешние протяженные источники шумов одинаковы и равномерно расположены по сфере, окружающей приемную антенну, то при неизменной частоте наблюдения величина шумов на выходе при­ емной антенны не зависит от формы диаграммы направленности антенны, т.е. от ее геометрических размеров. Коэффициент усиле­ ния антенны с точностью до некоторого постоянного множителя есть отношение телесного угла сферы, равного 4л, к телесному углу, вырезаемому основным лепестком диаграммы направленно­ сти антенны. При увеличении, например, коэффициента усиления антенны в некоторое число раз в такое же число раз уменьшаются телесный угол, вырезаемый основным лепестком диаграммы на­ правленности антенны, и число источников помех, попадающих в этот телесный угол. Но мощность этих помех на выходе приемной антенны возрастает в число раз, равное числу, в которое увеличил­ ся коэффициент усиления приемной антенны. В результате мощ ­ ность помех на выходе приемной антенны останется без измене­ ния. Поэтому внешние шумы, перехватываемые приемной антен­ ной, удобно характеризовать только одним параметром —шумовой температурой антенны ТА.

Протяженные источники излучения, такие как космическое пространство, тепловое излучение атмосферы, радиоизлучение Земли, Солнца и др., создают в точке приема некоторый поток мощности через единичную площадку в полосе 1 Гц. Для характе­ ристики этого излучения вводится яркостная температура Тя ис­ точника излучения, определяемая как эквивалентная температура абсолютно черного тела, которое создает в точке приема такой же поток мощности, как и рассматриваемый источник излучения.

Рис. 3.6. Источник излучения, видимый под углом 0„ из точки приема

Рассмотрим шумы планет и Солнца. Пусть источник излуче­ ния имеет яркостную температуру Тя и виден под телесным углом Q Hиз точки приема (рис. 3.6). При малых углах £2Ииз рис. 3.6 най­ дем £2И= nR^/r2, где R„ - радиус источника излучения шарообраз­ ной формы. Пусть 0И<SC 1 есть плоский угол, под которым виден источник излучения. Тогда 2i?„ = г0и и получим Q„ = (я/4) 0^.

Пусть 0Оширина диаграммы направленности приемной ан­ тенны. Тогда при 0„<SCl £2а = (я /4 )0 о — телесный угол, занимае­ мый основным лепестком диаграммы направленности приемной антенны.

Закон излучения Планка для абсолютно черного тела име­ ет вид

где W - излучаемая мощность с одного квадратного метра поверх­ ности источника излучения в полосе 1 Гц; h —постоянная Планка; с - скорость света.

Для радиодиапазона Ь/<£.кТя и получим

\ 2

Примем, что источник излучения излучает энергию равно­ мерно во всех направлениях. Вся мощность излучения источника в полосе 1 Гц есть W4nRl.

Пусть р 0 —мощность излучения, проходящая через единичную площадку в полосе 1 Гц в точке приема. Тогда

По определению шумовой температуры антенны, мощность, принимаемая антенной в полосе 1 Гц, есть кТА. Так как излучение источника шумов является неполяризованным, а приемная антенна принимает только одну из ортогональных поляризаций излуче­ ния, то

Коэффициент усиления приемной и передающей антенн мож­ но выразить через отношение телесного угла сферы 4п к телесно­ му углу основного лепестка диаграммы направленности Q A с уче­ том доли мощности Ца, излучаемой в основной лепесток диаграм­ мы направленности (Т|а= 0,7 - 0,8), т.е. <-?пР = Т|а4л/£2а-

ной станции, вращаясь вместе с Рис. 3.7. Яркостная температура косми­

в том числе с участков с максимальным значением космических шумов. Всенаправленная или слабонаправленная антенна назем­ ной станции принимает среднее значение космических шумов. Яр­ костная температура космических шумов Тк представлена на рис. 3.7. М аксимальная температура космических шумов может быть описана выражением Ткмакс= 28/гги> средняя температура космических шумов - выражением Гкср= 2,9/ггц5

Ш ум ы атм осф еры определяются поглощением радиосигнала на трассе распространения. Трасса распространения может рас­ сматриваться как некоторый фидер с потерями со средней темпе­ ратурой Тт= 275 К (получено по результатам измерений). Тогда яркостная температура атмосферы и дождя будет определяться выражением

J

где Ьл —поглощение (ослабление) сигнала в атмосфере для ясного неба; La - поглощение сигнала в дожде.

Полагая

та= и i - а д , тл = и 1 - 1 /£ д),

где Та — яркостная температура атмосферы для ясного неба; Тя — яркостная температура дождя, получаем

Рис. 3.10. Суммарная яркостная температура космических шумов и

шумов атмосферы

3.2.3. Оптимальные диапазоны частот

Рассмотрим поведение мощности полезного сигнала на выхо­ де приемной антенны для свободного пространства без потерь в зависимости от выбора рабочей частоты f При этом будем счи­ тать, что мощность, подводимая к передающей антенне, одинакова для любого диапазона частот. Ранее мы получили, что мощность полезного сигнала на выходе приемной антенны

P,GnG ^

рс =

(4 w )2

Рассмотрим только составляющие, зависящие от частоты:

Л ( / ) с пр(/) Рс = const-

г

Возможны три основные ситуации, для которых оптимальные частоты различны.

1. В системе связи заданы формы диаграмм направленности передающей и приемной антенн радиолинии. Такая ситуация опи­ сывает системы мобильной связи "точка-многоточка" с всенаправ­ ленными антеннами мобильных терминалов. Стационарная базо­ вая станция должна обеспечивать работу системы в заданном сек­ торе обслуживания. Антенна базовой станции может быть все­ направленной либо секторной (многолучевой), но с заданным чис­ лом секторов или лучей многолучевой антенны. К таким системам связи относятся наземные сотовые системы мобильной связи, сис­ тема связи аэродромной станции с самолетами, системы спутнико­ вой мобильной связи и др. Для этой ситуации G„(J) = const, Gnp(J) = const и мощность сигнала на выходе приемной антенны описывается выражением

Рс = const If2= const X2,

которое говорит о том, что мощность полезного сигнала возраста­ ет с увеличением длины волны, т.е. более выгодными являются длинноволновые диапазоны частот. Физически это связано с тем, что при неизменной ЭИИМ передающей станции при увеличении длины волны растет апертура приемной антенны (например, рас­ тут длина и эффективная площадь четвертьволновой штыревой приемной антенны), что и приводит к увеличению сигнала на вы­ ходе приемной антенны.

Однако при уменьшении рабочей частоты вместе с ростом сигнала с некоторой частоты начинают увеличиваться шумы на выходе приемной антенны. В соответствии с рис. 3.7 космические шумы (средняя яркостная температура) растут пропорционально /г г ц 5 или X2’55, т.е. быстрее, чем растет мощность сигнала (~Х2), и на некоторой оптимальной частоте достигается максимальное отно­ шение сигнал—шум. Оптимальные частоты для связи в этой ситуа­ ции лежат в метровом диапазоне волн.

Для наземных сотовых систем мобильной связи необходимо дополнительно учитывать помехи в городе от систем зажигания автомобилей, которые также растут быстрее, чем X2. Для сотовых систем мобильной связи получается свой оптимальный диапазон частот, несколько отличный от систем авиационной связи и систем мобильной спутниковой связи.

2. В системе связи заданы размеры (апертуры) передающей и приемной антенн радиолинии, которые не зависят от длины волны. Эта ситуация описывает системы "точка-точка". К таким системам относятся радиорелейные линии связи, радиолинии межспутнико­

вой связи, каналы связи "космический аппарат —наземный центр". При многолучевой антенне космического ретранслятора и направ­ ленной антенне наземных стационарных или мобильных термина­ лов эта ситуация описывает случай, когда для каждого наземного терминала формируется свой узкий луч на борту ретранслятора. Например, в спутниковой системе связи используется многостан­ ционный доступ с временным разделением каналов и один или несколько узких лучей ретранслятора поочередно нацеливаются на наземные терминалы для передачи (приема) пакета символов.

К системам связи типа "точка-точка" также относится назем­ ная сотовая сеть связи с направленными антеннами терминалов и многолучевой антенной базовой станции, когда в режиме, напри­ мер, разделения времени на каждый терминал наводится узкий луч базовой станции на время передачи (приема) пакета информации. Для систем связи типа "точка-точка" сигнал на выходе приемной антенны можно записать в виде

W/ ) $ пр

=const Gn( / ) .

4л г

Так как G„(f) = 4я5„ /Я.2, то Рс= const />? = const/ 2 В этом случае мощность полезного сигнала на выходе приемной антенны растет с увеличением частоты сигнала за счет увеличения ЭИИМ пере­ дающей станции (увеличения Gn) при неизменной апертуре при­ емной антенны. Таким образом, выгодными оказываются наиболее высокочастотные освоенные диапазоны длин волн (оптические, миллиметровые). Это справедливо для свободного пространства, например для межспутниковой связи. При прохождении трассы сигнала в атмосфере Земли с увеличением частоты свыше 10 ГГц начинает сказываться поглощение радиосигнала в дожде, которое с некоторой частоты растет быстрее, чем / 2, и отношение сигналшум при дальнейш ем росте частоты начинает падать. Для каждой конкретной системы в зависимости от требуемой надежности свя­ зи в дожде и климатической зоны [14] может быть найдена своя оптимальная частота (8—15 ГГц), которая обеспечит максимальное отношение сигнал-шум.

3. В системе связи задан размер (апертура) только одной а тенны на передающем или приемном конце радиолинии, форма диаграммы направленности другой антенны задана и не должна зависеть от частоты. Эта ситуация описывает системы связи "точ­ ка-многоточка" с терминалами, стационарными или мобильными, которые оборудованы направленными антеннами.

К таким системам относятся спутниковые системы связи и те­ левещания, в которых зона обслуживания формируется диаграм-