1. Введение
2. Описание спутника HotBird 6
3. Распределение спутников на орбите
4. Частотный план для спутника HotBird 6
5. Расчет линий связи
6. Факторы влияющие на приём сигнала со спутника
7. Малошумящий блок
8. ШАГ 1.  Расчет параметров спутника по отношению к приемной антенне
9. ШАГ 2. Расположение места приема по отношению к позиции спутника
10. ШАГ 3. Угол места
11. ШАГ 4. Азимут
12. ШАГ 5. Протяженность линии связи вниз
13. ШАГ 6. Длина волны
14. ШАГ 7. Потери при прохождении сигнала в свободном пространстве
15. ШАГ 8. Определение шумовой температуры приемной системы
16. ШАГ 9. Вычисление полосы частот шумов
17. ШАГ 10. Номинальный коэффициент добротности
18. ШАГ 11. Коэффициент усиления антенны
19. ШАГ 12. Вычисление диаметра антенны
20. ШАГ 13.
21. ШАГ 14.  Потери на расходимость луча Ls
22. ШАГ 15. Эффективная площадь антенны
23. ШАГ 16. Вычисление мощности сигнала несущей
24. ШАГ 17. Вычисление уровня выходного блока LNB
25. ШАГ 18. Вычисление уровня выходного сигнала
26. ШАГ 19.
27. Заключение
28. Литература

Введение  

В настоящее время во многих странах мира наблюдается интенсивное использование радиосвязи СВЧ диапазона в различных целях. Данный диапазон используется для передачи спутниковой информации, а именно спутникового телевидения и интернета. Для наилучшего приема сигнала данного спутника необходимо использовать параболические антенны, имеющие возможность приема сигналов СВЧ диапазона. Непосредственно для этой цели используют уже готовые антенны, характеристики данных антенн удовлетворяют приему достаточно большого количества спутников. Возможен расчет характеристик антенны непосредственно для определённого спутника, что позволит сделать антенну для качественного приема  сигналов определённого спутника.  

Описание спутника HotBird 6  

Владельцем спутников Hotbird 1-6 является французская компания "Alcatel". В зоне покрытия - Европа, Америка, Ближний Восток, Центральная Азия, Индия, Северная Африка. Спутник Hotbird 1-6 находится в орбитальной позиции 13 ° восточной долготы. Со спутника осуществляется теле- , интернет- и радио- вещание. С Hotbird транслируются каналы на различных языках мира: французский, немецкий, польский, китайский, корейский, хинди, сербский и многие другие.

На спутнике имеется 32 транспондера (28 в диапазоне Ku и 4 в диапазоне Ка) и 8 блоков уплотнения SKYPLEX. Спутник обеспечивает передачу цифровых теле и радиопрограмм на кабельные и спутниковые домашние приемники в Европе, Северной Африке и большей части Ближнего Востока, являясь основой одной из крупнейших вещательных систем в мире. В точке 13⁰ в.д. расположена группировка из шести спутников "Евтелсат" с более чем 100 транспондерами, 1594 каналами цифрового ТВ, 4 каналами аналогового ТВ, 691 каналом цифрового радио, 3 каналами аналогового радио и 381 каналом данных для приема на 96 млн. индивидуальных приемников. Помимо телевещания, в широкой зоне покрытия предлагаются профессиональные интерактивные услуги и услуги мультимедиа (видеоконференцсвязь, связь между локальными сетями, дистанционное обучение, дистанционная медицина, доставка мультимедийных и корпоративных файлов, организация игровых сетей и многое другое). Спутник HOT BIRD 6 пришел на смену HOT BIRD  5 и высвободил емкость на спутнике HOT BIRD 4, которая будет предлагаться в Западной Африке. Таким образом, зона обслуживания спутниковой группировки в точке 13⁰ в.д. выйдет за пределы Европы и Средиземноморья.

  Диапазон Ка и SKYPLEX: экономичные решения для

вещания и Интернет в новой эре.  

Впервые на спутнике HOT BIRD  6 выделено 4 ствола в более высоком диапазоне частот Ка для предоставления полностью интерактивных Интернет услуг и услуг DVB для малого бизнеса и контент-провайдеров. Четыре выделенных цифровых блока уплотнения SKYPLEX   дают возможность предложить первую в Европе коммерческую услугу с использованием бортового уплотнения и диапазона Ка. Уникальная эксплуатационная гибкость открывает рынок для создания национальных

узловых сетей передачи данных с использованием небольших и недорогих терминалов для компаний, национальных и местных администраций. SKYPLEXТМ дает возможность организовать "микровещание" с малых передающих терминалов диаметром 90 см . Частные каналы передачи становятся альтернативой использованию цифровых платформ местными телевизионными студиями. Это соответствует стратегии "Евтелсат", направленной на разработку недорогих способов вещания для малых контент-провайдеров  и экономичных мультикастинговых систем.

Распределение спутников на орбите

  Геостационарная орбита — круговая орбита, расположенная над экватором Земли (0º широты), находясь на которой, искусственный спутник обращается вокруг планеты с угловой скоростью, равной угловой скорости вращения Земли вокруг оси, и постоянно находится над одной и той же точкой на земной поверхности. Геостационарная орбита является разновидностью геосинхронной орбиты и используется для размещения искусственных спутников (коммуникационных, телетрансляционных и т. п.)

Идея использования геостационарных спутников для целей связи высказывалась еще К. Э. Циолковским и словенским теоретиком космонавтики Германом Поточником. Преимущества геостационарной орбиты получили широкую известность после выхода в свет научно-популярной статьи Артура С. Кларка в журнале «Wireless World» в 1945 году, поэтому на Западе геостационарная и геосинхронные орбиты иногда называются «орбитами Кларка».

Спутник, находящийся на геостационарной орбите, кажется неподвижным из любой точки на поверхности Земли. В результате, неподвижно закрепленная антенна может сохранять постоянную связь с этим спутником. Спутник должен обращаться в направлении вращения Земли, на высоте 35 786 км над уровнем моря. Именно такая высота обеспечивает спутнику период обращения, равный периоду вращения Земли (сидерические сутки: 23 часа, 56 минут, 4,091 секунды).

Геостационарная орбита может быть точно обеспечена только на окружности, расположенной прямо над экватором, с высотой, очень близкой к 35 786 км . Все остальные геосинхронные орбиты пересекаются с геостационарной, и находящиеся на этих орбитах спутники могут столкнуться со спутниками на геостационарной орбите. На практике это означает, что все геосинхронные спутники должны находиться только на этой окружности.

Частотный план для спутника HotBird 6  

Список каналов вещания

                                                                                                                                           Таблица 1. список каналов вещания

Подробную информацию о спутнике можно посмотреть на http://www.satcodx1.com/0130/rus/  

В соответствии со списком каналов можно составить частотный план вещания спутника HotBird 6 (рис 3).  

  Расчет линий связи  

Строго говоря, для определения размера приёмной антенны следует проанализировать всю линию связи, включая и линию связи вверх (от наземного передатчика до спутника связи), и линию связи вниз (от спутника до наземной приёмной станции). Тем не менее, применение в ТВ вещании методов управления мощностью на линии связи вверх и другие определённые традиционные допущения позволяют отдельно рассчитать линию связи вниз. На практике для определения параметров оборудования, устанавливаемого на месте приёма сигналов, вполне достаточно упрощенного метода расчёта.

  Основная цель расчета линий связи – определение или проверка того, насколько данное оборудование подходит для обеспечения устойчивого приёма сигналов от выбранного спутника в заданном месте расположения приёмной системы. Сначала требуется открытие баланса при помощи некоторых основных рабочих параметров выбранного спутника или спутников. Такими параметрами являются эффективная изотропно-излучаемая мощность, рабочая частота и полоса пропускания канала связи. В настоящее время для ТВ вещания наиболее часто используются S-, C-, Ku- и Ka- диапазоны частот. Диапазоны различных микроволновых сигналов и приблизительные значения частот диапазонов приведены в таблице № 2.  

Таблица № 2. Диапазоны различных микроволновых сигналов

     и приблизительные значения частот

Возможно, вместо проведения собственных расчётов полагаться либо на общий расчет линий связи, который предоставляют операторы спутниковой связи, либо сосредоточиться на готовых комплектах приёмных систем, предназначенных для работы с общедоступными спутниками. Такой подход не является ошибочным, но сильно ограничивает по многим направлениям. Например, общий расчет линий связи всегда является компромиссным и диктует определенное качество сигнала и допустимости, что может не соответствовать требованиям потребителей.

Чтобы убедиться, что условия устойчивого приема сигнала обеспечиваются для каждого канала связи, вычисления необходимо выполнить для группы транспондеров. Это особенно важно, кода приемная система собирается из комплектующих частей от различных производителей, поскольку в одном случае на практике может быть получен неудовлетворительный результат, а в другом – чрезмерное усложнение конструкции, которое может привести к неоправданному увеличению стоимости оборудования.

Результатом расчета линий связи является вычисленное значение отношений S/N,  величина которого сравнивается с количеством правильно принятых пакетов данных и потерянных пакетов данных, которые влияют на качество изображения или воспроизведения звука.

Работа спутниковых систем зависит от ряда физических факторов параметров, перечень которых приводится ниже:

1.                  Эффективная изотропно-излучаема мощность – ЭИИМ.

2.                  Диаметр действующей антенны.

3.                  Коэффициент шума малошумящего блока или шумовая температура.

4.                  Переходные затухания в волноводах и поляризаторах.

5.                  Потери из-за неточного наведения (нацеливания) антенны:

                        - начальная ошибка наведения;

                       - устойчивость антенны под воздействием ветра или других условий окружающей среды;

                        - точность удержания станции спутника на орбите;

6.         Потери поляризации.

7.         Старение транспондера.

8.         Затухание в условиях дождя для заданной вероятности получения (доступности) сигнала (номинальное значение 99,5% для среднего года).

9.         Возрастание шумов в осадках при приёме сигнала в Ku- и Ka- диапазонах (дождь, снег или град).

10.       Поглощение сигнала в атмосфере кислородом и парами воды (в зависимости от влажности).

11.       Изменение температуры

12.       Параметры приёмника (порог демодулятора)

13.       Характеристики модуляции сигнала.

14.       Рассеивание сигналов из-за затенения антенны деревьями, зданиями, стаями птиц и летательными аппаратами (самолётами).

15.       Потери на расходимость луча при прохождении через атмосферу.

Временные воздействия, такие как затенение пролетающими стаями птиц, по большей части непредсказуемы, и при вычислениях их можно не принимать в расчет.  

Малошумящий блок  

Малошумящий блок (LNB) – это достаточно сложный комплект оборудования. Принцип работы: короткий отрезок волновода продолжается резонансным зондом или антенной, расположенной в соединительной части LNB. В зонде приходящие микроволновые сигналы преобразуются в чрезвычайно малые (слабые) электрические сигналы, которые затем усиливаются и конвертируются (преобразовываются) вниз частоту, более удобную для дальнейшей передачи по коаксиальному кабелю. Общий коэффициент усиления LNB  обычно находится в диапазоне 50-60 дБ. Необходимо обратить внимание на то, что внутренний антенный зонд достаточно хрупкий и может быть легко повреждён, поэтому к нему не следует прикасаться или двигать.

Вся сборка герметично изолирована от проникновения влаги. Если влага попадает внутрь блока и вызовет коррозию, то за этим может последовать отказ в работе устройства. Некоторые головки облучателей представляют собой единый блок из рупорного облучателя, поляризатора и LNB, другие содержат отдельные компоненты, которые необходимо соединить вместе. В последнем случае между соединительными фланцами устанавливаются уплотняющие кольца из силиконового каучука, для того чтобы предотвратить просачивание влаги внутрь рупорного облучателя и LNB.  Выход сигнала первой ПЧ с блока LNB  в большинстве случаев осуществляется через разъём соединителя типа F.

ШАГ 1.  Расчет параметров спутника по отношению к приемной антенне

Эффективная изотропно-излучаемая мощность  

Изотропный излучатель определяется как излучающий равномерно по всем направлениям. Это невозможно получить в реальности, но легко представить наглядно. Используя отражатель, изотопный излучатель может концентрировать всю свою энергию в виде узкого луча, который кажется некоторому отдалённому наблюдателю, находящемуся на другом конце луча, изотропным источником со значительно большей выходной мощностью. Таким образом, понятие эффективной изотропно излучаемой мощности (ЭИИМ) используется в качестве меры напряжённости (силы) сигнала, который передаётся спутником на Землю. ЭИИМ измеряется в децибелах относительно одно ватта (дБВт) и достигает наивысшего значения в центре луча. Данная величина уменьшается логарифмически по мере удаления от центра луча. Значение ЭИИМ для любого спутника можно получить из соответствующих карт зоны обслуживания, где указаны контуры с равными значениями ЭИИМ. Современные спутники могут в определённой степени формировать контуры ЭИИМ, чтобы соответствовать желаемой зоне обслуживания. Применяемые для этого методы в данном случае не представляют интереса. Номинальное значение ЭИИМ для спутников средней мощности системы полу-СНВ, таки как системы Astra, составляет 52 дБВт. Спутники высокой мощности системы СНВ (DBS) имеют значение ЭИИМ, превышающее 60 дБВт.

ЭИИМ спутника HotBird 6 составляет для зоны обслуживания г.Череповца

49 дБВт. Следовательно можно рассчитать такое значение ЭИИМ в ватах каким его «видит» антенна.

  ЭИИМ = 10 log (эффективной мощности)

эффективная мощность = 10^{(ЭИИМ / 10)} = 10^{49 / 10} = 79432,823 Вт = 79,4 кВт

ШАГ 2. Расположение места приема по отношению к позиции спутника  

Каждый геостационарный спутник занимает определённую (уникальную) оппозицию или участок орбиты находящийся на высоте 35784 км прямо над экватором. Фактическое положение спутника определяется долготой подспутниковой точки (точки, расположенной прямо под спутником на экваторе). Для захвата сигнала со спутника в пределах предполагаемой зоны обслуживания антенну необходимо точно установить как по азимуту, так и по углу места.  

 ШАГ 3. Угол места  

Угол места EL  (угол возвышения) представляет собой угол направленного вверх наклона антенного зеркала (рефлектора) относительно земной поверхности. Он вычисляется по формуле:

M cos A cos B - 1

                     EL = tan^-1   -------------------------        , [ градусы ]       (1)

M  √ (1 – cos² A cos² B)

где А – широта места нахождения земной станции (положительная для северного полушария, отрицательная для южного полушария);

        B  - восточная долгота земной станции минус восточная долгота спутника;

        m = 6,61 – отношение радиуса геостационарной орбиты к радиусу экватора Земли.

Для низких углов места, значения которых составляют менее 30⁰, геометрический угол места может быть слегка модифицирован при помощи следующего выражения для учета средней величины рефракции (преломления) в атмосфере. При этом верно рассчитанное истинное значение угла места всегда должно быть больше, чем геометрический угол.

                                                EL +     (EL)² + 4,132

Истинное значение         EL = ---------------------------       , [ градусы ]          (2)

                                                                  2

где EL – результат вычислений, выполненных по выражению (1).

В атласах приводятся значения широты и долготы, выраженные в градусах и минутах. Чтобы их можно было использовать при вычислениях, указанные значения необходимо перевести в градусы (с десятичными долями). Для этого следует разделить число минут на 60, а полученный результат умножить на 100 и прибавить к целой части числа градусов.

К примеру, необходимо преобразовать 53⁰15’N в градусы:

53 + [(15/60) x 100] = 53, 25⁰N

Значения западной долготы необходимо преобразовать в соответствующее значение восточной долготы и отсчитывать от 0⁰Е (меридиан по Гринвичу) через 180⁰Е к 360⁰Е, которое снова будет являться тем же самым значением 0⁰Е. Таким образом, для значении долготы, расположенной западнее меридиана по Гринвичу, вычитание значения западной долготы. Например, значение 3⁰W будет эквивалентно следующему:

360⁰ – (3⁰W) = 357⁰Е

Стоит иметь в виду, что на широтах выше 81⁰ невозможно наблюдать любой участок геостационарной орбиты спутников. Точно также и разность значений долготы между земной станцией и желательным спутником не может превышать данную величину.

Координаты города Череповца:               59^о,8' северной широты,

37 ^о,55' восточной долготы.

Положение спутника:                                13 ^о восточной долготы.

Перевод значения широты в градусы:

59 + [8 / 60 * 100] = 72,33 ^о

Перевод значения долготы в градусы:

   37 + [55 / 60 * 100] = 128,67 ^о

В = 128,67 ^о - 13 ^о = 115,67 ^о

                            6,61 * cos 72,38 ^о * cos 115,67 ^о -1             

EL = tan^-1 ( ----------------------------------------------------- ) =

                      6,61 * √ (1 - cos ² 72,38 ^о * cos ² 115,67 ^о)

             6,61 * 0,303 * (- 0,433) – 1              - 1,8676

= tan^-1 ---------------------------------- = tan ^-1 ------------- = tan ^-1 (- 0,285) = - 15,907 ^о

                      6,61 * 0,991                                6,551

ШАГ 4. Азимут

Истинный азимут  AZ (поворот рефлектора антенны) представляет собой угол направления, указывающего на выбранный спутник, который отсчитывается от истинного севера. Магнитный азимут измеряется в градусах от 0 до 360⁰. Север, восток, юг и запад имеют азимуты 0⁰, 90⁰, 180⁰ и 360⁰ соответственно. Геостационарная орбита спутников отслеживается магнитными азимутами между 90⁰ и 270⁰ в северном полушарии. Истинный азимут рассчитывается из следующего выражения:

tan B

               AZ = 180 + tan^-1    --------           , [ градусы ]          (3)

sin A

В расчетах для южного цифра 180 из формулы исключается

                              tan 115,67 ^о                        - 2,0806

AZ = 180 + tan ^-1 --------------- = 180 + tan ^-1 ------------- = 180 + tan ^-1 (- 2,184) =

                              sin  72,33 ^о                           0,9528

= 180 – 1,1414 = 178,86 ^о  

Магнитный азимут

Если данное значение угла азимута вычислено, то магнитный азимут можно легко рассчитать путем обычного сложения или вычитания магнитного склонения в соответствии с местом приёма сигнала. Величина магнитного склонения будет меняться в зависимости от места расположения земной станции, и её можно узнать из местных топографических карт.

ШАГ 5. Протяженность линии связи вниз

Длина пути прохождения сигнала называемая наклонной дальностью, - это расстояние между земной станцией и рассматриваемым спутником. Чем дальше от экватора находится земная станция, тем длиннее будет путь прохождения сигнала. Для вычисления длины пути D используется следующее выражение:

D  = 6378, 16  √ (m² + 1 – 2m cos A cos B)    ,  [ км ]              (4)  

D = 6378,16 * √ (6,61 ² + 1 – 13,22 cos 72,33 ^о * cos 115,67 ^о) = 6378,16 * √(44,69 – 13,22 * 0,303 * (- 0,433)) = 6378,16 * √ (44,69 + 1,734) = 43460,78 км   

ШАГ 6. Длина волны  

Во многих выражениях для упрощения вычислений вместо частоты чаще используется величина длины волны. Преобразование частоты в длину волны осуществляется следующим образом:

                                          λ = с / а                                          (5)

где с – скорость света (2,998 х 10⁸ м/c);

      f – частота, Гц.

λ = 2,998 * 10 ⁸ / 11,958 * 10 ³ = 0,0251 м = 2,51 см  

ШАГ 7. Потери при прохождении сигнала в свободном пространстве

Потери при прохождении сигнала в свободном пространстве L_FS, или потери на трассе распространения, выражают ослабление микроволновых сигналов по мере их продвижения к Земле и происходят из-за расходимости луча. Потери на трассе распространения возрастают с увеличением частоты и становятся тем больше, чем ниже угол возвышения антенны (угол места). Выражение для вычисления величины потерь:

L_fs = 20 log [(4000 π D) / λ] , дБ                     (6)

где π = 3,14159

      D – длина пути, км;

      λ  - длина волны, м.

L_fs = 20 log [(4000 * 3,14 * 43460,78) / 0,0251] = 20 * 10,3376 = 206,75 дБ

ШАГ 8. Определение шумовой температуры приемной системы

Основным выражением, применяемым для определения общей шумовой температуры приёмной системы, является

                 Т_sys = Т_LNB + (1 - σ) Т_C + σ Т_A               (7)

или его эквивалентное выражение, использующее величину затухания:

Т_sys = Т_LNB + (1 – 10^-0,1Аfeed) Т_C +  10^-0,1Аfeed Т_A       (8)

где Т_sys – общая шумовая температура приемной системы, К;

       Т_A  - эквивалентная шумовая температура антенны либо при условиях ясного неба, либо для заданного процента времени, К;

       Т_LNB – эквивалентная шумовая температура блока LNB, К;

       Т_C – физическая температура переходных (волноводных) компонентов, К;

        σ  - частичная проницаемость;

        А_feed – ослабление в облучателе или коэффициент внесенных потерь.

Эквивалентная шумовая температура LNB

Первая составляющая Т_LNB в выражениях (7), (8) представляет собой общий фактор шума LNB в виде эквивалентной шумовой температуры, который является главной составляющей в общей шумовой температуре приёмной системы. Если фактор шума выразить как отношение мощностей в децибелах, то он становиться коэффициентом шума. Шумовая характеристика LNB может выражаться как эквивалентная шумовая температура в градусах Кельвина, или чаще как коэффициент шума - в децибелах. В последнем случае для вычисления общей шумовой температуры приемной системы необходимо преобразовать коэффициент шума в эквивалентную шумовую температуру при помощи выражения:

                          Т_LNB = 290 (10^{(NF / 10)}  - 1)                         (9)

где Т_LNB – шумовая температура, К;

       NF – коэффициент шума LNB, дБ.

Как правило, чем выше частота, тем труднее достигнуть низких значений коэффициента шума. Для Ku – диапазона значения коэффициента шума недорогих блоков LNB составляют 1,2 – 1,5 дБ. Низкие значения коэффициентов шума можно получить в случае применения приборов на транзисторах с высокой подвижностью электронов (НЕМТ). Номинальные значения коэффициентов шума в Ku – диапазоне для таких приборов составляют 0,8 – 1,0 дБ.

NF = 0,5 дБ

F_LNB = 10 ^{0,7 / 10} = 1,1749

T_LNB = 290 * (F_LNB - 1) = 290 * 0,1749 = 50,721 К  

Эквивалентная шумовая температура антенны

Рассмотрим более подробно эквивалентную шумовую температуру антенны Т_А. Она определяется многими факторами – размером антенны, углом возвышения (места), внешними источниками шумов и условиями распространения сигнала в атмосфере. В условиях ясного неба основной шумовой составляющей являются фоновые шумы, поскольку без учета атмосферного влияния на распространение сигнала (дождь и т.п.) эти шумы фактически представляют собой все шумы, поступающие на вход антенны производители часто приводят в виде таблицы для диапазона значений углов места. Он может также включать также относительно небольшую составляющую, вносимую галактическими фоновыми шумами. Существует три главных составляющих общих шумов антенны.

Шумовая температура антенны, обусловлена фоновым шумом (Т_ANT) – чем меньше диаметр антенны, тем шире её диаграмма направленности и больше разброс боковых лепестков, улавливающих шума теплой земли, и, следовательно, тем больше фонового шума собирается антенной. Кроме того, при более низких значения угла места боковые лепестки (особенно первый боковой лепесток) антенны с меньшими размерами будут улавливать больше фонового шума, чем лепестки антенны с большими размерами. Поэтому при установке для заданного значения угла места антенна с меньшим диаметром будет представляет собой более «шумное» устройство. Поступление фонового шума можно уменьшить, правда за счет уменьшения коэффициента усиления антенны, путём неполного (недостаточного) облучения антенного зеркала. Таким образом, Данный фактор определяет эффективность антенны. Значение фонового шума, детектируемого прямофокусной антенной, будет большим по сравнению с детектируемым офсетной антенной (при условии разных размеров). Это объясняется тем, что головка облучателя, установленная в прямофокусной антенне непосредственно на пути прохождения сигнала, «видит» при температуре, равной температуре Земли, и будет вносить дополнительные шумы.

Поскольку шумовая температура антенны зависит от множества изменяющихся факторов, при отсутствии в документации изготовитея значений необходимых параметров лучше полагаться на их вычисление. Для расчета приближенного значения шумов антенны в условиях ясного неба можно воспользоваться выражением (10), которое учитывает угол места и диаметр антенны.

                   Т_ANT = 15 + 30 / D + 180 / EL , К             (10)

где D –диаметр антенны, м;

      EL – угол места антенны, градусы.

Составляющая космических, или галактических шумов, представляет собой фоновый космический шум, величина которого определяется в основном уровнем остаточного излучения от «большого взрыва». Она имеет небольшое значение шумовой температуры (около 2,7 К). Данная составляющая относительно не велика по сравнению с погрешностью вычисления составляющих фонового шума, и может быть опущена при практических расчетах. В любом случае, в зависимости от того, так шумы антенны определяется в документации изготовителя, она может быть введена.

Составляющие условий распространения сигнала в атмосфере – два главных влияния условий распространения сигнала на линии связи вниз. Во-первых, атмосферное газообразное поглощение сигнала водяными парами и кислородом, которое в основном происходит при ясном небе. Величина поглощения зависит от абсолютной влажности или плотности водяных паров, измеряемой в граммах на квадратный метр, от угла места антенны и используемой частоты сигнала. На частотах ниже 7,5 ГГц данная величина имеет относительно небольшое значение. Номинальные значения атмосферного поглощения для Европа приведены на рис № 6.

Конкретные значения для любого задания наклона пути прохождения сигнала и частоты для различных районов Земли можно легко рассчитать при помощи соответствующего программного обеспечения.

Вторая составляющая влияния условий распространения – это затухание сигнала в осадках. При распространении сигнала по линии связи вверх приемник на борту спутника будет «видеть» вполне постоянную, но высокую шумовую температуру, исходящую от теплой Земли. Её величина составляет около 290 К, поэтому дополнительное излучение тепловой энергии от дождя будет оказывать незначительное влияние. При распространении сигнала по линии связи вниз приёмник направлен в небо, имеющее относительно невысокую шумовую температуру. Поэтому дополнительная тепловая шумовая составляющая вносимая дождем уже не будет незначительной в общих шумах приёмной системы, особенно если приемник (LNB) является малошумящим прибором, работающим в Ku- и Ka- диапазоне. В S- и C- диапазонах влияние дождя и поглощения в атмосфере незначительно.

Осадки не только непосредственно ослабляют сигнал (данное явление называется замиранием сигнала в дожде), но и приводят к возрастанию шумовой температуры приемной системы, поскольку температура промежуточной среды приближается к температуре Земли. Важно, чтобы указанное возрастание шумов приемной системы было учтено, причем не только ослабление, вызываемое замиранием в дожде. Сочетание этих двух составляющих называется снижением эффективности линии связи вниз (DND).

Влияние условий распространения сигнала значительным на частотах выше 8 ГГц. Дождь, снег, туман, или облачность ослабляют и рассеивают микроволновый сигнал. Величина ослабления зависит больше от размера водных капель (в кубических единицах по отношению к длине волны), чем от интенсивности осадков. При более сильном дожде капли становятся крупнее, поэтому эти факторы обычно оказываются связанными. Как правило, температура физической среды при всех формах выпадения осадков принимается равной 260 К. В условиях облачности и при ясном небе используется значение 280 К. Конкретные значение для любого заданного пути прохождения сигнала в земном пространстве и доступности сигнала можно вычислить с помощью соответствующей программы. Номинальные значения для Европы при доступности сигнала 99,7% для среднего года (99% для наихудшего месяца) приведены на рис №6.

Вычисление общей температуры приёмной системы:

T_ANT = 15 + 30 / D + 180 / EL = 15 + 30 / 0,9 + 180 / (- 15,907) = 15 + 33,33 – 11,315 = 37,015 К

T_TOT = T_LNB + T_ANT = 50,721 + 37,015 = 87,736 К

ШАГ 9. Вычисление полосы частот шумов  

NB = 10 log (BW), дБГц

BW – полоса пропускания приемника, Гц.

BW = 30 – 0,5 = 29,5 МГц = 0,0295 * 10⁹ ГГц.

NB = 10 log (0,0295 * 10⁹) = 10 * 7,4698 = 74,698 дБ

ШАГ 10. Номинальный коэффициент добротности

G / T представляет собой отношение полного коэффициента усиления антенны к общей шумовой температуре приемной системы. Номинальный коэффициент добротности G / T_nom – это максимальный коэффициент, который можно получить для заданного значения угла места. Он содержит полный коэффициент усиления антенны (усиления антенны минус переходные потери), деленный на фактор шумовой температуры антенны, который получен из составляющих эквивалентной шумовой температуры приемника (то есть LNB), переходных шумов встроенных поляризаторов и компонентов волновода (таких, как разделитель поляризации ОМТ) и приведенной шумовой температуры антенны в условиях ясного неба. Математически это выражается с помощью формулы (11). Сюда включены рабочие запасы: запасы на потери антенны из-за рассогласования, старения, возрастания шумов антенны в условиях дождя для заданного процента времени. Это самая высокая величина отношения G / T, дающая возможность качественного сопоставления различных внешних устройств. Чем выше данное отношение, тем лучше будет функционировать приёмная система. По сути G / T – это коэффициент, который оказывает наибольшее влияние на окончательную величину отношения G / N на входе приемника. Как будет видно далее, все другие соответствующие факторы относительно постоянны.

           10^{0,1 (G + α)}

                G / T_nom = 10 log    -------------       , дБ / К          (11)

           T_SYS

где G – коэффициент усиления антенны, дБ;

α – переходные потери, дБ, создаваемые компонентами волновода (потери равны отрицательному усилению);

 T_SYS – шумовая температура приемной системы в условиях ясного неба, исключая влияние условий распространения сигнала.

Используемый коэффициент добротности

Необходимым для подробного расчета линии связи параметром G / T является используемый (пониженный или минимальный) коэффициент добротности G / T_usable. Он учитывает последующие потери при работе системы из-за ошибок наведения антенны, влияния поляризации, возрастания шумов приёмной системы в условиях осадков для заданного процента времени. Данный коэффициент представляет собой полный коэффициент усиления антенны (усиление антенны минус переходные потери и минус потери при работе системы), делённый на общую шумовую температуру приемной системы. Таким образом, данное отношение   G / T характеризует эффективность системы в процессе работы, и именно оно используется при подробном расчете линии связи. Чтобы учесть возрастание шумов приемной системы из-за выпадения осадков для определённого заданного процента времени, к шумовой температуре приемной системы T_SYS добавляется дополнительная составляющая шумовой температуры. Математически это выражается следующим образом:

                                                                                                   10^{0,1 (G + α + β)}

                                                                  G / T_usable = 10 log    ---------------             , дБ / К                (12)

                                                                                                       T_SYSrain

где G – коэффициент усиления антенны, дБ;

α – переходные потери, создаваемы компонентами волновода (потери равны отрицательному усилению), дБ;

β – потери из-за ошибок поляризации и старения (потери равны отрицательному усилению), дБ;

T_SYSrain – приведённая общая шумовая температур приемной системы, которая включает возрастание шумовой температуры в условиях дождя для заданного процента времени, К.  

Отношение несущая / шум

Для диапазонов частот Ku и Ka отношение несущая / шум (C / N) на входе приёмной системы определяется следующим образом:

                                                     C / N = EIRP – L_FS + G / T_usable – 10 log (kB) – A_rain – A_atm  , дБ         (13)

где EIRP – эффективная изотропно-излучаемая мощность со спутника в направлении места расположения приемной системы, дБВт;

L_FS – потери при распространении сигнала в свободном пространственна участке от Земли до спутника связи, дБ;

G / T_usable – минимально пониженная величина коэффициента добротности приёмной системы, дБ / К;

k – постоянная Больцмана (1,38 х 10^-23 Дж / К);

В – полоса пропускания приемника до детектирования промежуточной частоты ПЧ, Гц;

A_atm – ослабление сигнала за счет поглощения в атмосфере, дБ;

A_rain – затухание сигнала в осадках для заданного процентного отношения времени, дБ.

Из приведенных выражений можно вывести выражение для G / T, не учитывая ослабления сигнала за счет поглощения, а в атмосфере и не учитывая затухания сигнала в осадках для заданного процентного соотношения.

G / T = C / N – EIRP (ЭИИМ) + BC + NB + L_fs

Где BC = 10 log (постоянная Больцмана) = - 228,6 дБДж / К

G / T = 11 – 49 – 228,6 + 74,698 + 206,75 = 14,848 дБ

ШАГ 11. Коэффициент усиления антенны

Коэффициент усиления антенны (G_a) возрастает с увеличением действующего размера антенны, который учитывает её эффективность (р) и выражается следующей формулой:

   (π d)² p

                 G_a = 10 log    ----------            , дБ              (14)

  100 λ²

где d – диаметр антенны, м;

      р – процент (обычно 60 – 80%);

      λ  - длина волны, м;

                                                                             G_a = 10 log [10^GT/10 * T_TOT]     , дБ

G_a = 10 log (10^{14,848 /10} * 87,736) = 34,27978 дБ

ШАГ 12. Вычисление диаметра антенны

Диаметр антенны выведем из формулы коэффициента усиления антенны.

   (π d)² p

                 G_a = 10 log    ----------            , дБ              (15)

  100 λ²

                                                                                                                100 * λ² * 10^{Ga / 10}

                        d = √ (  -------------------------- )               (16)

                                                                                                                        π² * p

       10 λ           10^{34,27878 / 10}

d = -------    √    -------------   = 0,0799 * 6,68134 = 0,534 м

         π                  65

    Отношение сигнал / шум

В системе DVB (стандарт вещания цифрового телевидения) применяется фазовая модуляция, которая по своим свойствам близка к ЧМ. Поэтому параметры, которые относятся к аналоговым ЧМ сигналам, действительны и для расчетов линии связи цифровых систем за одним исключением. Точно так же, как отношение S / N служит показателем качества принимаемого в аналоговых ЧМ сигналах, отношение E_b / N₀, при котором достигается определённая величина BER, является эквивалентом отношения S / N для цифровых систем. Соотношение между C / N и E_b / N₀, выраженное в дБ, определяется следующей формулой:

E_b / N₀ = C / N + 10 log (1 / R) + 10 log B, дБ             (17)

Где E_b / N₀,- отношение количества энергии в бите, Дж, к плотности потока мощности шумов, Вт / Гц.

R – скорость передачи информации бит / c

В – передаваемая полоса частот, Гц

С/N – отношение несущая / шум в полосе частот B, дБ.

Характерной чертой практических цифровых систем является следующее: для данного отношения скорости передачи бита информации к полосе пропускания канала существует отношение сигнал / шум (E_b / N₀), выше которого возможен прием сигнала без ошибок и ниже которого прием не возможен. В отличие от аналоговых сигналов, которые постепенно ухудшаются под воздействием шумов, цифровые системы относительно не подвержены влиянию шумов вплоть до того момента, когда система коррекции ошибок уже не может действовать эффективно. В результате происходит резкое ухудшение или «крушение» системы. Это свойство цифровых систем устраняет необходимость градаций качества принимаемого изображения. Качество изображения относительно не пострадает, если суммарный ухудшенный уровень отношения E_b / N₀ выше, чем некоторый требуемый уровень, соответствующий приемлемой «внутренней» вероятности появления ошибочных битов (Р) или определённой величине BER. BER – это отношение числа битов информации принятых ошибочно к общему числу битов, переданных в секунду. Взаимоотношение между P и E_b / N₀ зависит от конкретных особенностей выбранного метода цифровой модуляции, поэтому операторы спутниковой связи обычно определяют (оговаривают) минимальный требуемый уровень отношения E_b / N₀. Значения, составляющие около 8 дБ, являются типичными для большинства телепрограмм DVB.

E_b / N₀ = C / N + 10 log (1 / R) + 10 log B = 11 + 10 log(1 / 27500000) + 10 log 36 * 10⁶ = 11 – 74,39 + 75,56 = 12,17 дБ

Дополнительно необходимо измерить, чтобы уровень выходного сигнала LNB  составлял не менее 78,5 дБмкВ.

ШАГ 13.            Поглощение сигнала в атмосфере = 0,14 дБ

                            Затухание сигнала в осадках = 0,9 дБ

                           Возрастание шумов из-за дождя = 1,13 дБ

                           Снижение эффективности линии связи вниз = 2,04 дБ

Доступность сигнала и рабочие запасы

Коэффициент затухании в дожде необходимо прогнозировать из статистических данных, полученных в результате многолетних наблюдений интенсивности выпадения осадков для рассматриваемого места приёма сигнала. Вместо того чтобы учитывать огромный рабочий запас по превышению порога помехоустойчивости приёмника для наихудшего случая ливневого дождя, обычно довольствуется определением приемлемой величины коэффициента доступности сигнала для среднего года. Или, другими словами, процента времени, в течение которого уровень сигнала не падает ниже некоторого определённого заранее отношения C / N (или S / N). Например, когда говорят, что прием сигнала, соответствующего по шкале МККР оценке «4» (хорошо), обеспечивается для 99,7% среднего года, имеют в виду, что ожидаемая величина отношения S / N не упадёт ниже 42,3 дБ для 99,7% времени (или 99% для наихудшего месяца). Однако иногда ожидается его падение ниже этого уровня для 0,3% времени во время сильных ливней. Чем выше доступность сигнала, заложенная при разработке приемной системы, тем лучше будет защита от влияния затуханий сигнала в дожде. При этом необходимый размер антенного зеркала также увеличивается по мере возрастания предусмотренного значения доступности сигнала. Затухание в дожде, или более специальный параметр эффективности линии связи вниз, является главной составляющей запасов на общие потери для приёмных систем в Ku- или Ka-диапазонах. Для типичных систем непосредственного приема спутниковых сигналов (direct- to- home- system - DTH)  коэффициент доступности сигнала 99,5% обычно признается приемлемым. Фактически большинство готовых фиксированных антенных систем для приема сигналов с общедоступных спутников разрабатываются с учетом этой цифры. Для систем спутникового ТВ с коллективным приемом (SMATV) может потребоваться более высокая величина (99,9%), а для систем кабельного распределения сигналов ещё выше. В конце концов выступает в силу закон убывания доходов, поскольку доступность 100% невозможна.

Возрастание шумов из-за выпадения осадков и поглощения в атмосфере

В условиях ясного неба единственной причиной ослабления сигнала на линии связи между спутником и земной станцией остаётся поглощение сигнала в атмосфере (А_atm) кислородом и парами воды. В условиях дождя ослабление сигнала будет определяться сочетанием двух факторов – поглощением газами атмосферы А_atm и затуханием в дожде А_rain (выраженном в децибелах). Общим следствием этого является возрастание эквивалентной шумовой температуры антенны Т_а при работе на частотах выше 8 ГГц. Для S- и C- диапазонов при расчетах нет необходимости учитывать данные факторы, поскольку их влияние существенно возрастает, особенно принимая во внимание получаемые в настоящее время низкие значения шумовой температуры приемных систем. Даже при условии ясного неба к эквивалентной шумовой температуре антенны Т_а следует добавить поправку на увеличение температуры из-за поглощения в атмосфере. Для вычисления данной величины можно воспользоваться выражением (6). В условиях дождя величина дополнительного возрастания шумовой температуры может быть вычислена при помощи выражения (7), которое учитывает влияние статических значений интенсивности выпадения осадков. Значения А_atm и А_rain для Европа можно получить, используя рис. №5 и №6. Для вычисления более точных значений стоит воспользоваться соответствующими  программами.

                  Т_{clear sky} = (1 – 10^-0,1Aatm) Т_m + 10^-0,1Aatm Т_g  , К                   (18)

         Т_rain = (1 – 10^{-0,1(Aatm + Amin)}) Т_m + 10^{-0,1(Aatm + Amin)} Т_g  , К             (19)

где Т_m – физическая температура среды (260 К для условий дождя, 280 К для ясного неба или облачности);

Т_g  - космическая, или галактическая шумовая температура (номинальное значение 2,7 К на частотах ≥ 4 ГГц);

А_atm – ослабление сигнала из-за поглощения глазами атмосферы, дБ;

А_rian  – затухание сигнала в осадках для заданного процента времени, дБ.

Добавление либо Т_{clear sky} , либо Т_rain  к эквивалентной шумовой температуре антенны Т_А и её пересечет с использованием выражения (10) даст в результате приведённую величину общей шумовой температуры приёмной системы Т_sys  , которая учитывает ослабление сигнала газами атмосферы и (или) осадками.

Для вычисления возрастания шумов в соответствии с заданной величиной замираний сигнала в дожде, выраженной как отношение мощности в децибелах, следует воспользоваться следующей формулой:

                                                                                            T_SYSrain

Возрастание шумов (из-за дождя)     =          10 log   -------------             , дБ    (20)

                                                                                         T_{SYS clear sky}

где - T_SYSrain – шумовая температура приемной системы в условиях дождя для определённого процента времени среднего года, К;

    T_{SYS clear sky} – шумовая температура приёмной системы, рассчитанная для условий ясного неба с учётом поглощения сигнала газами атмосферы, К.

Снижение эффективности линии связи вниз, которое происходит при заданном замирании сигнала в дожде, выражается следующей формулой:  

T_SYSrain

DND = A_rain + 10 log   ---------------------          , дБ              (21)

T_{SYS clear sky}

Возрастание шумов в соответствии с величиной замираний сигнала в дожде 0,83 дБ вычисляется во формуле (18) или по второй формуле (19). Оно равно 0,74 дБ Необходимо отметить, что, хотя величина замираний сигнала в дожде составляет 0,83 дБ, соответствующее снижение эффективности на линии связи вниз значительно выше из-за возрастающего детектирования шумов.

Вычисление потерь из-за неточного наведения антенны

Потери из-за неточного наведения антенны Р могут быть вычислены следующим образом:

  Θ₁²  +  Θ₂²  +  Θ₃²

                         Р = 12  ----------------------    , дБ                    (22)

Θ₀²

где Θ₁  - начальная погрешность наведения антенны с фиксированной подвеской на спутник, градусы. Номинальная величина погрешности составляет около 10 – 20 % ширины диаграммы направленности антенны по уровню половинной мощности;

Θ₂  - устойчивость (стабильность) наведения установки под воздействием факторов окружающей среды, таких, как ветер и старение, градусы;

Θ₃  - точность удержания станции спутника на орбите, градусы (номинально ± 0,16⁰);

Θ₀  - ширина диаграммы направленности приемной антенны по уровню половинной мощности, градусы;

Чем больше диаметр антенны, тем больше ошибка наведения из-за ветровой нагрузки; поэтому большие антенны, диаметр которых превышает 1 м , обладают в этом отношении значительным недостатком. Стабильность нацеливания для больших монолитных антенн в условиях ветра может быть не выше 1⁰. Применением сетчатых антенных рефлекторов можно значительно уменьшить данные эффект.

ШАГ 14.  Потери на расходимость луча L_s

L_s = 10 log(4 π D²) = 10 log (4 * 3,14 * (43460,78 * 10³)²) = 163,76 дБ м²

  ШАГ 15. Эффективная площадь антенны

А_Е = 10 log (π (D / 2)² h ) , дБ м²

А_Е = 10 log (3,14 * (0,534 / 2)² * 0,7) = - 8,0495 дБ

Где h = p / 100

  ШАГ 16. Вычисление мощности сигнала несущей

С = С / N – L_s + А_Е + G_LNB - Аrain – А_atm – α – β дБВт

С = С / N – L_s + А_Е + G_LNB - Аrain – А_atm – α – β = 49 – 163,76 – 8,0495 + 55 – 0,14 – 0,2 – 0,3 = - 68,45 дБ

  ШАГ 17. Вычисление уровня выходного блока LNB

V = √ ( 10^0,1C * R)

R – входное сопротивление системы = 75 Ом

V = √ ( 10^0,1C * R) = 10,716 * 10^-3 В

ШАГ 18. Вычисление уровня выходного сигнала

Уровень сигнала = 20 log (V / 10^-6) = 80,6 дБмкВ

  ШАГ 19. Полученное значение больше намеченной величины 78,24 дБмкВ, поэтому его следует признать адекватным для распределения сигнала ПЧ.  

Заключение

В настоящее время во многих странах мира наблюдается интенсивное использование радиосвязи СВЧ диапазона в различных целях. Данный диапазон используется для передачи спутниковой информации, а именно спутникового телевидения и интернета.  

Интенсивное использование радиосредств СВЧ диапазона обусловлено следующими его преимуществами:

 -   оперативность установления прямой связи на большие расстояния;

 -   простоту организации радиосвязи с подвижными объектами;

 - возможность обеспечения связи через большие труднодоступные  пространства;

 - высокую мобильность;

 - низкую стоимость оборудования;

 - простоту и оперативность развертывания поста;

Но кроме достоинств данный диапазон обладает следующими, характерными ему недостатками:

 - резкое изменение уровня сигнала при неблагоприятных условиях (при дожде и снеге);

 - при мобильном использовании поста – трудность настройки на сигнал;

Таким образом, средства связи СВЧ диапазона являются достаточно  мобильными и дешевыми по сравнению с другими. Однако каналы связи являются общедоступными и обеспечение связи в этом диапазоне с заданной надежностью очень зависит от погодных явлений, что приводит к необходимости перенастройки на сигнал, а в некоторых случаях прекращение связи. Формирование сигналов, передаваемых в СВЧ  диапазоне, производится по алгоритмам, заложенным аппаратно, либо программно, в применяемые радиосредства.

В итоге мы рассчитали параболическую антенну удовлетворяющую условиям приема нами необходимого спутника, а именно HOTBIRD 6.

Литература

1)  Стивенсон Д. «Спутниковое ТВ, практическое руководство», ДМК, Москва, 2001 год

2)  Характеристики спутника HOTBIRD 6 

3)  Зоны покрытия спутников (справочное руководство)

4)  Журнал «Спутниковое телевидение», 1999 год, статья «Вокруг параболической антенны»

5)  Журнал «Телеспутник», 2000 год.