ПРИНЦИПЫ МНОГОСТАНЦИОННОГО ДОСТУПА С ЧАСТОТНЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ КАНАЛОВ В СИСТЕМАХ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ

АННОТАЦИЯ

В статье проанализированы принципы многостанционного доступа с частотным разделением каналов в системах спутниковой связи. Поскольку передатчик ИСЗ должен обеспечивать требуемые значения парциальных мощностей для наиболее слабых на входе ретранслятора сигналов, то мощности, отбираемые сильными сигналами, будут значительно превышать необходимые. Это может привести к возрастанию уровня многостанционного сигнала и увеличению комбинационных помех, снижающих качество связи. Приведены модели многостанционного сигнала при МДЧР. Рассмотрены нелинейные эффекты при МДЧР. При МДЧР прохождение множества  сигналов в общем приёмопередающем тракте ретранслятора приводит к проявлению целого ряда специфических эффектов, обусловленных нелинейностью передаточных характеристик усилительных элементов. Осуществлена оценка метода МДЧР.

ABSTRACT

The article analyzes the principles of multi-station access with frequency division of channels in satellite communication systems. Since the ISS transmitter must provide the required partial power values for the weakest signals at the repeater input, the power taken by strong signals will significantly exceed the necessary ones. This can lead to an increase in the level of the multi-station signal and an increase in combination interference, which reduces the quality of communication. Models of a multi-station signal for MDCHR are given. Nonlinear effects in the case of MDCHR are considered. In the case of MDCHR, the passage of many signals in the common receiving and transmitting path of the repeater leads to the manifestation of a number of specific effects due to the non-linearity of the transfer characteristics of the amplifier elements. The MDCHR method was evaluated.

Ключевые слова: многостанционный доступ с частотным разделением сигналов, нелинейные эффекты при МДЧР, оценка метода МДЧР, система спутниковой связи.

Keywords: multi-station access with frequency separation of signals, nonlinear effects in MDCHR, evaluation of the MDCHR method, satellite communication system.

Введение. Поскольку передатчик искусственного спутника Земли (ИСЗ) должен обеспечивать требуемые значения парциальных мощностей для наиболее слабых на входе ретранслятора сигналов, то мощности, отбираемые сильными сигналами, будут значительно превышать необходимые. Это может привести к возрастанию уровня многостанционного сигнала и увеличению комбинационных помех, снижающих качество связи.

Основная часть. При многостанционном доступе с частотным разделением каналов (МДЧР) каждая земная станция передаёт свои сигналы в отведённом ей участке частотного спектра с полосой частот Δf (см. рисунок 1). Между сигналами в полосе частот ствола ретранслятора (Ртр) предусматриваются защитные частотные интервалы Δf_з, позволяющие в месте приёма разделить сигналы с требуемой точностью [2]. Таким образом, в общем стволе ретранслятора с полосой частот ΔF_p передаётся n радиосигналов, каждый из которых несёт цифровой поток со скоростью N_i (кбит/с).

Рисунок 1. Структура сигналов при МДЧР

При МДЧР сигнал, поступающий на вход ретранслятора, представляет собой сумму квазигармонических парциальных сигналов земных n несущих частот станций, каждый из которых в общем случае может быть модулированным по амплитуде и (или) фазе:

Энергетический спектр суммарного сигнала, т.е. сигнала, представляющего сумму сигналов на входе ретранслятора (при одинаковых парциальных сигналах):

− при фазовой модуляции с малым индексом (σ_φ << 1)

где p_M(ω) – энергетический спектр модулирующего сигнала; δ(ω) – дельта функция;

− при частотной модуляции с большим индексом (σ_f > 1)

Ширина полосы частот, отводимой для ретрансляции через ИСЗ сигнала одной станции, определяется шириной полосы спектра сигнала и частотными нестабильностями в радиолинии:

где ΔF_c – полоса спектра сигнала; Δf_сдв – абсолютная нестабильность частоты сдвига ретранслятора; Δf_з – абсолютная нестабильность частоты земного передатчика; Δf_д – доплеровское смещение частоты; α << 1 – вероятность одновременного ухода частот в одну сторону.

Ширина спектра сигнала ΔF_c, излучаемого ЗС, зависит от полосы модулирующего сигнала (например, от числа телефонных каналов), а также от вида модуляции [1].

Абсолютная нестабильность частоты Δf_з определяется относительной нестабильностью δf и значением рабочей частоты:

Δf_з = fδF.

На сверхвысоких частотах, используемых в спутниковой связи, абсолютная нестабильность может достигать десятков килогерц.

Нестабильность частоты сдвига, на которую смещаются частоты ретранслируемых через ИСЗ сигналов, зависят от построения ретранслятора.

Если в ретрансляторе используется усиление на промежуточной частоте, то нестабильность частоты сдвига будет меньше при выполнении гетеродинов по компенсационной схеме.

Нестабильность частот передатчиков земных станций может быть сделана малой, так как в них можно применить сложные схемы стабилизации частоты. В современной аппаратуре δf_з = ⋅10^-7 и менее.

Доплеровский сдвиг частоты f₀ определяется формулой Δf_д = – f₀v_г/с. Влияние доплеровского сдвига можно уменьшить применением программной компенсации в земном передатчике.

Нестабильности частоты передатчиков и доплеровский сдвиг частоты определяют защитный интервал между спектрами сигналов:

Тогда полная полоса, занимаемая многостанционным сигналом,

ΔF_p = ΔF_pin = ΔF_cn + Δf_защn,

откуда

Из (6) видно, что при заданной полосе ретранслятора ΔF_p защитные интервалы ограничивают число одновременно работающих станций и скорость передачи информации, которая определяется величиной ΔF_c.

В системе спутниковой связи направления могут иметь различную ёмкость (характеризуемую числом организуемых телефонных каналов или скоростью передачи данных). В этом случае одинаковое качество связи в направлениях обеспечивается выделением определённой мощности бортового передатчика для их работы [4].

Распределение мощности бортового передатчика может быть обеспечено путём создания соответствующих соотношений между мощностями сигналов на входе ретранслятора. Тогда парциальные мощности на выходе ретранслятора будут находиться в таких же соотношениях. Разумеется, для этого ретранслятор должен иметь постоянное усиление для всех сигналов. Необходимые мощности (уровни) сигналов на входе ретранслятора можно получить регулировкой мощности передатчиков земных станций. Уровни сигналов, получаемые для номинальных характеристик трасс, называют номинальными.

Действительные уровни сигналов на входе ретранслятора случайным образом изменяются относительно номинальных значений из-за действия различных факторов. Основными причинами таких отклонений являются:

− различие наклонных дальностей от станции до ИСЗ;

− изменение коэффициента усиления антенны ИСЗ при отклонении направления прихода сигналов с земной станции от максимума диаграммы направленности к её краю;

− ошибки ориентации наземных антенн;

− неточность поддержания выходной мощности передатчиков наземных станций;

− изменение условий распространения радиоволн на трассе Земля – ИСЗ.

В результате действия этих факторов на входе ретранслятора уровни сигналов могут изменяться в пределах диапазона

=10…12.

Поскольку передатчик ИСЗ должен обеспечивать требуемые значения парциальных мощностей для наиболее слабых на входе ретранслятора сигналов, то мощности, отбираемые сильными сигналами, будут значительно превышать необходимые. Это может привести к возрастанию уровня многостанционного сигнала и увеличению комбинационных помех, снижающих качество связи. Поэтому действие случайных факторов надо учитывать при проектировании системы связи [5].

В общем случае сигналы земных станций приходят на вход ретранслятора асинхронно и с различной начальной фазой:

u_i(t) = A_i(t)sin(ω_it + φ_i),   i = 1, 2, 3,..., n,

где A_i – амплитуда сигнала; ω_i – частота; φ_i – начальная фаза.

Из-за движения спутника и несинхронности генераторов ЗС каждый отдельный сигнал имеет случайную фазу φ_i, имеющую равномерную плотность вероятности значений в интервале [– π , π].

На вход ретранслятора поступает несколько таких сигналов от разных ЗС, поэтому многостанционный сигнал имеет вид

Многостанционный сигнал u_мс(t) является случайным процессом, мгновенные значения которого описываются плотностью вероятности

где ;  – функция Бесселя нулевого порядка.

Если амплитуды сигналов всех станций на входе бортового передатчика равны (A_i = A, A_Σ = nA), то плотность вероятности (8) имеет вид

При большом числе cигналов (n ≥ 10) наиболее простой и естественной моделью является нормальный гауссовский шум со спектральной плотностью, равномерной в полосе частот ретранслятора ΔF_p:

Для нормального закона распределения случайной величины x с дисперсией σ² и плотностью:

вероятность того, что абсолютное значение u_мс не превзойдёт в æ раз амплитуды одного сигнала, описывается выражением:

До настоящего времени наибольшее распространение на практике получили спутниковые ретрансляторы с прямым усилением сигнала. В таких ретрансляторах сигналы земных станций лишь усиливаются по мощности и сдвигаются по частоте на фиксированную величину Δf_сдв. При МДЧР прохождение множества сигналов в общем приёмопередающем тракте ретранслятора приводит к проявлению целого ряда специфических эффектов, обусловленных нелинейностью передаточных характеристик усилительных элементов [3].

Основную роль в формировании продуктов нелинейности играет выходной каскад усилителя мощности передатчика Ртр.

Анализ амплитудных характеристик выходных каскадов усилителей мощности передатчика Ртр показывает, что на характеристиках имеется достаточно протяжённый участок, на котором U_вых растёт практически линейно относительно U_вх, после чего рост U_вых замедляется и даже снижается, что соответствует переходу усилителя в режим насыщения. В зависимости от выбора рабочей точки усилителя он может работать в режиме линейного или нелинейного усиления сигналов в ретрансляторе.

Основные достоинства МДЧР:

− гибкость системы: каждая станция может иметь свою скорость передачи информации, вид работы, метод модуляции независимо от других станций в пределах выделенных энергетических ресурсов Ртр;

− простота реализации, особенно если не применять регулирование уровней сигналов в направлениях связи;

− простота сопряжения с земными линиями связи, использующими частотное уплотнение и частотную модуляцию.

Основные недостатки МДЧР:

− снижение пропускной способности с увеличением числа работающих станций;

− неполное использование мощности передатчика и полосы пропускания ретранслятора;

− наличие комбинационных и интермодуляционных помех.

Рисунок 2. Зависимость пропускной способности ретранслятора при частотном разделении от числа сигналов

При оценке эффективности МДЧР необходимо оценить зависимость общей ёмкости ствола ретранслятора, измеряемой суммарным числом (N) стандартных каналов (например, цифровых каналов со скоростью передачи 64 кбит/с) от числа ЗС (n), одновременно работающих в этом стволе: N = f(n). Характер такой зависимости в предположении, что ёмкость каждого направления связи N′ одинакова (N = N′n), приведена на рисунке 2. При этом учтено применение помехоустойчивого кодирования, без которого не обходится практически ни одна система спутниковой связи с МДЧР. В связи с тем, что требуемое отношение Р_с/Р_ш или E/N₀ (отношение энергии бита и спектральной плотности шума) при этом оказывается значительно (на 4-6 дБ) ниже, влияние нелинейных помех ослабевает и становится менее заметно.

Заключение. Таким образом, в статье проанализированы принципы многостанционного доступа с частотным разделением каналов в системах спутниковой связи. Приведены модели многостанционного сигнала при МДЧР, рассмотрены нелинейные эффекты при МДЧР и осуществлена оценка метода МДЧР.

Список литературы:

1. Колесник Е.О., Вовк А.С., Горгадзе С.Ф. Методика анализа пропускной способности ствола спутникового ретранслятора при частотном и кодовом разделении сигналов абонентов // T-Comm. – 2012. №9. С. 72-75.
2. Космические системы ретрансляции: монография / Н.А. Тестоедов и др. – М.: Радиотехника, 2017. – 448 с.
3. Локшин Б.А. Негеостационарные системы фиксированной спутниковой связи – состояние и перспективы развития // Электросвязь. – 2018. № 2. С. 30-39.
4. Спутниковая связь: прошлое, настоящее, будущее / К.И. Кукк. – М.: Горячая линия – Телеком, 2015. – 256 с.
5. Daniel Minoli. Innovations in satellite communication and satellite technology: the industry implications of DVB-S2X, high throughput satellites, Ultra HD, M2M, and IP // Published by John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey. 2015. 423 p.