P O L I T E C H N I K A W A R S Z A W S K A Instytut Telekomunikacji Zakład TSO. Michał Rezulski. materiały pomocnicze do ćwiczenia

Transkrypt

1 P O L I T E C H N I K A W A R S Z A W S K A Instytut Telekomunikacji Zakład TSO Michał Rezulski Odbió sygnałów satelitanych w zakesie mikofal mateiały pomocnicze do ćwiczenia LABORATORIUM SYSTEMÓW RADIOKOMUNIKACYJNYCH WARSZAWA 006

2 1 Wstęp Rozwój łączności satelitanej w dugiej połowie ubiegłego wieku był na tyle intensywny, że dopowadził do dastycznej obniżki cen usług dalekosiężnych świadczonych pzez światowe towazystwa telekomunikacyjne. Na początku lat 90-tych dynamika wzostu liczby łączy satelitanych co pawda mocno osłabła na kozyść łączy światłowodowych, jednak w dalszym ciągu znaczna część uchu telekomunikacyjnego, zwłaszcza międzykontynentalnego, kieowana jest dogą satelitaną. Zużyte satelity telekomunikacyjne są egulanie wymieniane na nowe, a ilość satelitów będących w eksploatacji stale ośnie. Opócz klasycznej łączności stałej, adiokomunikacja satelitana jest obecnie wykozystywana także do dwukieunkowej łączności uchomej, zaówno moskiej jak też lotniczej i lądowej. Istnieją publiczne oaz zamknięte systemy łączności satelitanej opate na zasadzie sieci komókowych. Radiokomunikacja satelitana umożliwia ównież badzo wygodną dystybucję sygnałów telewizyjnych, nawigacyjnych, telemetycznych i wielu innych. W badzo wielu zastosowaniach adiokomunikacja satelitana jest w dalszym ciągu zdecydowanie najwygodniejszym i najtańszym systemem pzekazu infomacji. Satelita stacjonany Najczęściej wykozystywanym odzajem satelity adiokomunikacyjnego jest satelita stacjonany, to znaczy taki, któy obiega Ziemię po obicie kołowej, leżącej w płaszczyźnie ównika, o okesie obiegu ównym ziemskiej dobie gwiazdowej. Pomień takiej obity wynosi: gr T 3 e = (1) 4π gdzie g jest pzyspieszeniem ziemskim (~9,807 m/s ), R jest pomieniem ównikowym Ziemi (~6378 km), T jest dobą gwiazdową (~3 h 56 m 4 s ). Po podstawieniu danych otzymamy: 4176 km W pzypadku idealnym względny uch satelity stacjonanego względem Ziemi byłby zeowy. W paktyce tak nie jest, ponieważ zeczywiste obity odbiegają od ideału zaówno pod względem

3 3 okesu jak też kształtu i nachylenia do płaszczyzny ównika. Petubacje obity wywołane głównie wpływem Słońca i Księżyca wymagają okesowego koygowania jej paametów. Realizuje się to steując zdalnie silnikami koekcyjnymi, co na ogół umożliwia utzymanie położenia satelity w ganicach ±0,1º. Zapas paliwa do silników koekcyjnych jest obecnie głównym czynnikiem oganiczającym okes pzydatności satelity stacjonanego do ekploatacji. Odległość s satelity S od stacji naziemnej G można w pzybliżeniu obliczyć na podstawie uposzczonych zależności geometycznych pokazanych na ys. 1. Wynosi ona s = + R R cosϕ cos λ () Odległość s może zmieniać się od ok km dla stacji ównikowej w punkcie podsatelitanym do ponad 41 tysięcy kilometów dla stacji w egionach podbiegunowych. Rys. 1 Geometia łączności z satelitą stacjonanym. S - satelita, G - stacja naziemna, h - kieunki hoyzontalne w stacji naziemnej, φ - szeokość geogaficzna stacji naziemnej, λ - óżnica długości geogaficznych stacji naziemnej i satelity, ε - kąt elewacji anteny w stacji naziemnej, α - kąt azymutu anteny w stacji naziemnej, - pomień obity, R - pomień Ziemi. Kieunek do satelity można dla danej stacji naziemnej okeślić podając kąty elewacji ε i azymutu α. Wynoszą one odpowiednio:

4 4 tg λ α = actg (3) sin ϕ ε = actg cosϕ cos λ 1 cos R λ cos ϕ (4) Zamiast ównań (3) i (4) do pzybliżonego oszacowania kąta elewacji ε i azymutu α satelity o znanym położeniu λ względem stacji naziemnej leżącej na szeokości geogaficznej φ można użyć nomogamu pokazanego na ys.. Rys. Zależność kąta elewacji ε i azymutu α satelity o znanym położeniu λ względem stacji naziemnej leżącej na szeokości geogaficznej φ. (wg.: Hasany S.C., "Pinciples of micowave technology", Pentice Hall 1997) Jak wynika z ównania (4) widoczność danego satelity stacjonanego z powiezchni Ziemi jest teytoialnie oganiczona. Z punktów na Ziemi o szeokościach geogaficznych pzekaczających około ± 8 nie widać żadnego satelity stacjonanego (ε < 0). W paktyce stosowanie kątów elewacji mniejszych od ok. 5 okazuje się badzo kłopotliwe, co jeszcze badziej poszeza obszay niedostępne dla łączności z satelitami stacjonanymi.

5 5 3 Odbió sygnałów mikofalowych Zastosowanie mikofal jako fal nośnych w łączności satelitanej wynika z dwóch podstawowych zalet tego zakesu fal: stosunkowo dużej pojemności modulacyjnej oaz względnej łatwości kształtowania wiązek pomieniowania. Nadajnik mikofalowy umieszczony w satelicie stacjonanym może, w zależności od potzeb, emitować symetyczną wiązkę o ozwatości 17,4, któa obejmuje cały widoczny z satelity obsza Ziemi, lub - pzy innej konstukcji anteny - wiązkę "punktową" o ozwatości ułamka stopnia. Stosuje się ównież powszechnie niesymetyczne wiązki pomieniowania, umożliwiające dość pecyzyjne oświetlenie żądanych obszaów zamkniętych ganicami kontynentów lub nawet poszczególnych państw. Pzykładem może być, pokazany na ysunku 3, ozkład oświetlenia teytoium Stanów Zjednoczonych i Kanady pzez satelitę Galaxy V nadającego w mikofalowym paśmie C. Rys. 3 Rozkład oświetlenia w mikofalowym paśmie C teytoium Ameyki Płn i Hawajów pzez satelitę Galaxy V. (wg.: Hasany S.C., "Pinciples of micowave technology", Pentice Hall 1997) Rozkład oświetlenia powiezchni Ziemi pzez okeślony mikofalowy nadajnik z danego satelity stacjonanego opisuje się ilościowo podając mapę powiezchniowej gęstości mocy PFD lub zastępczej mocy pomieniowania izotopowego EIRP. Powiezchniową gęstość mocy PFD (powe flux density) można wyazić wzoem: Pt Gt PFD = (5) 4π s

6 6 gdzie P t jest mocą pomieniowania nadajnika, G t jest zyskiem anteny nadajnika w danym kieunku, s jest odległością satelity od danego punktu powiezchni Ziemi. Jednocześnie licznik pawej stony ównania (5) stanowi zastępczą moc pomieniowania izotopowego EIRP (equivalent isotopic adiation powe): EIRP = P G (6) t t Moc mikofal P tafiająca do odbionika stacji naziemnej zależy od PFD w ejonie stacji oaz od powiezchni skutecznej A sk anteny odbioczej: P = PFD (7) A sk Uwzględniając związek powiezchni skutecznej z zyskiem anteny odbioczej G : wynosi ona: gdzie λ jest długością fali. P πa sk 4 G = (8) λ Pt GtGλ = (9) ( 4π ) s Zależność (9) często pzedstawia się w postaci: pzy czym P EIRP G = (10) L 4πs L = λ (11) okeśla się zazwyczaj jako tzw. tłumienie wolnej pzestzeni. Rzeczywiste stłumienie poziomu sygnału mikofalowego na tasie satelita - stacja naziemna jest większe od L o watość tłumienia atmosfeycznego. Zależność śedniego tłumienia atmosfeycznego od częstotliwości fal i kąta elewacji pokazano na ys. 4. Jakość odbiou sygnału satelitanego zależy pzede wszystkim od jego stosunku do szumu. Na

7 7 Rys. 4 Zależność śedniego tłumienia atmosfeycznego sygnałów satelitanych od kąta elewacji ε i częstotliwości. (wg.: "Pespectives in Communications", ed. U.R.Rao i in., Wold Sc. 1987) wejściu odbionika mikofalowego moc szumu P N można okeślić jako P N = ktb (1) gdzie k jest stałą Boltzmanna (~1, J/K), B jest szumową szeokością pasma odbionika, T jest wypadkową tempeatuą szumu. Watość tempeatuy szumu T we wzoze (1) w pzypadku odbioczej stacji satelitanej zależy nie tylko od tempeatuy szumu odbionika waz z anteną, ale także od tempeatuy szumu nieba i atmosfey. Na ys. 5 pokazano zależność śedniej tempeatuy szumu nieba od kąta elewacji anteny i częstotliwości fal. Szczególnie duże watości tempeatuy szumu nieba obsewuje się wtedy, gdy w wiązce anteny odbioczej wycelowanej w satelitę stacjonanego znajdzie się Słońce. Tempeatua szumu nieba może wtedy wzosnąć nawet do kilkunastu tysięcy K, a wypadkowa tempeatua szumu na wejściu odbionika osiągnąć watość zędu 1000 K. Stosunek sygnału do szumu na wejściu mikofalowego odbionika stacji satelitanej można na podstawie (10) i (1) pzedstawić następująco: P P N 1 G = EIRP (13) L T kb 1

8 8 Iloaz G /T zysku anteny odbioczej G i wypadkowej tempeatuy szumu T nazywa się często współczynnikiem pzydatności (figue of meit) i taktuje jako podstawowy paamet okeślający Rys. 5 Tempeatua szumu nieba w zależności od kąta elewacji ε anteny i częstotliwości. (wg "Pespectives in Communications", ed. U.R.Rao i in., Wold Scientific 1987) jakość odbioczej stacji satelitanej. Wymagana wielkość współczynnika pzydatności G /T zależy od wielkości EIRP w miejscu odbiou, a także od odzaju sygnałów, dopuszczalnej stopy błędu i innych paametów tansmisyjnych. Podstawową metodą osiągania potzebnej wielkości G /T jest zapewnienie odpowiednio dużego zysku G anteny odbioczej. 4 Antena odbiocza Do odbiou sygnałów mikofalowych wysyłanych pzez satelity stacjonane używa się pzede wszystkim eflektoowych anten paabolicznych, spzężonych z toem odbioczym bezpośednio lub pośednio, zwykle w osiowo symetycznej konfiguacji Cassegaina albo Gegoy'ego. Stosuje się ównież asymetyczne anteny paaboliczne, także w układzie off-setowym. Zysk kieunkowy G anteny odbioczej związany jest jednoznacznie z jej powiezchnią skuteczną A sk ównaniem (8), natomiast elacja zeczywistej powiezchni apetuy A anteny do A sk zależy od wielu czynników, między innymi od ozkładu oświetlenia apetuy. Ogólnie można zapisać, że A sk = n a A (14)

9 9 pzy czym n a nazywa się współczynnikiem wykozystania apetuy anteny. W często stosowanym pzypadku ozkładu oświetlenia zbliżonego do kosinusoidalnego n a 0,8. Watość n a może być w paktyce znacznie obniżona pzez mechaniczne pzesłonięcie części apetuy, zniekształcenia czaszy etc. Podobnie jak zysk, ównież 3dB-owa szeokość wiązki θ anteny paabolicznej zależy od jej ozmiaów i sposobu oświetlenia. Paktyczne znaczenie ma zależność: θ = n λ (15) d w któej d jest śednicą apetuy anteny a λ długością fali. Watość n na ogół nie wykacza poza zakes 0,8-1,6. Rozkład oświetlenia powiezchni apetuy anteny odbioczej wpływa także na poziom listków bocznych jej chaakteystyki kieunkowej, któy w znacznej mieze decyduje o wielkości zakłóceń pochodzących zaówno od źódeł satelitanych jak też ziemskich. W paktyce śednice anten paabolicznych używanych do odbiou sygnałów satelitanych wynoszą od ok. 30 cm w pzypadku niepofesjonalnego odbiou sygnałów telewizyjnych w obszaach o wysokiej watości PFD, do kilkunastu metów w stacjach naziemnych o wysokim natężeniu uchu telekomunikacyjnego, wymagających współczynnika pzydatności G /T na poziomie co najmniej 35 db. Stosowanie dużych ozmiaów anten odbioczych może wynikać nie tylko z konieczności zapewnienia wymaganego poziomu współczynnika G /T; innym powodem może być konieczność uzyskania wysokiej ozdzielczości pzestzennej odbiou (popzez odpowiednie zawężenie wiązki) wynikająca ze znacznego zatłoczenia danego fagmentu obity stacjonanej. Anteny paaboliczne o niewielkiej śednicy, pzeznaczone do odbiou sygnałów z okeślonego satelity stacjonanego, mogą być umocowane na stałe. Anteny o dużej śednicy, któych wiązka ma szeokość poniżej 0,1, z eguły wyposaża się w automatyczne układy nadążne, pecyzyjnie dopasowujące wycelowanie anteny do aktualnego położenia satelity stacjonanego. Również anteny pzeznaczone do odbiou sygnałów z óżnych satelitów wyposaża się w elektomechaniczne układy steowania. Anteny takie zazwyczaj montuje się w zawieszeniu biegunowym (po. ys. 6), dzięki czemu wycelowanie w dowolny punkt obity stacjonanej wymaga zmiany tylko jednej współzędnej. Zasadą zawieszenia biegunowego jest ustawienie osi obotu anteny ównolegle do osi obotu Ziemi, czyli odchylenie jej od pionu w płaszczyźnie południkowej o kąt (ϖ/ - φ), gdzie φ jest szeokością geogaficzną stacji odbioczej. Zawieszenie biegunowe anten odbieających sygnały z

10 10 satelitów stacjonanych musi być ponadto uzupełnione o ustawienie kąta deklinacji δ, któego watość zmienia się od 0 dla stacji odbioczych leżących na ówniku w punkcie podsatelitanym, do około 10 w pzypadku stacji znajdujących się w okolicach podbiegunowych. Rys. 6 Zawieszenie biegunowe anteny paabolicznej. ε - kąt elewacji, δ - kąt deklinacji, φ - szeokość geogaficzna stacji odbioczej. (wg : Bem D.J., "Radiodyfuzja satelitana", WKiŁ 1990) Poza antenami paabolicznymi do odbiou mikofalowych sygnałów satelitanych stosuje się ównież płaskie anteny wieloelementowe. Wymagany kształt chaakteystyki kieunkowej uzyskuje się w tym pzypadku pzez odpowiednie steowanie poszczególnymi elementami anteny, na ogół ealizowanej w technice mikopaskowej. Elektoniczne steowanie pzesuwnikami fazy związanymi z poszczególnymi elementami umożliwia także odchylanie wiązki anteny, a więc na pzykład ealizację automatycznego śledzenia satelity. 5 Liteatua 1. Bem D.J., "Radiodyfuzja satelitana", WKiŁ Leppe P., "Technika telewizji satelitanej", HAPRO Dalgleish D.I., "An intoduction to satellite communications", Peeginus 1989.