Badanie wpływu mżawki na odbiór mikrofalowych sygnałów satelitarnych

Transkrypt

1 WILK Jacek 1 CIOSMAK Józef 2 Badanie wpływu mżawki na odbiór mikrofalowych sygnałów satelitarnych WSTĘP Politechnika Świętokrzyska w Kielcach uczestniczyła w programie badań międzynarodowego Europejskiego Projektu Badawczego ICT COST Action IC0802 Propagation tools and data for integrated Telecommunication, Navigation and Earth Observation systems [1, 2], w ramach którego zrealizowano szereg badań dotyczących analizy propagacji fal mikrofalowych w atmosferze ziemskiej w obszarze Polski z uwzględnieniem rozmaitych czynników [3]. W ogólnym znaczeniu wszelkie wysiłki naukowe podejmowane przez partnerów Projektu COST Action IC0802 skupiły się na pozyskiwaniu danych, tworzeniu zbiorów modeli oraz ich wykorzystywaniu na rzecz budowy i optymalizacji koherentnej, globalnej sieci przyszłości, scalającej różne metody przekazywania sygnałów na odległość GIN (ang. Global Integrated Networks) [2]. Nieodłącznym elementem wspomagającym funkcjonowanie sieci GIN jest zapewnienie wsparcia systemu w przypadku wystąpienia ekstremalnych zjawisk pogodowych oraz klęsk żywiołowych (system GMES & Disaster Management and Relief). Inicjatywa sieci przyszłości GIN umożliwia dostarczenie użytkownikom końcowym usług (w tym satelitarnych) na najwyższym poziomie. Przeprowadzone badania na Politechnice Świętokrzyskiej w Kielcach obejmowały m.in.: (1) wieloaspektową analizę warunków rozchodzenia się fal radiowych w otwartym środowisku propagacyjnym; (2) zagadnienia wolnej przestrzeni propagacyjnej jako: jednorodnego, idealnego, otwartego i wolnego od wszelkich przeszkód medium transmisyjnego; oraz (3) rzeczywiste warunki pracy systemów radiokomunikacji satelitarnej w atmosferze ziemskiej w szczególności przedstawiono wpływ hydrometeorów na propagację mikrofalowych sygnałów satelitarnych. W toku badań analizie poddano m.in.: refrakcję troposferyczną (powodującą zakrzywienie toru fali radiowej), tłumienie troposferyczne (zwłaszcza z uwzględnieniem wpływu opadów deszczu) oraz naturalne źródła szumów w transmisji satelitarnej. Kształtowanie wartości tłumienia w funkcji częstotliwości wyrażono dla fal o polaryzacji poziomej i pionowej za pomocą matematycznych metod statystycznych funkcji regresji. Całościowe zebranie wszystkich danych pozwoliło określić wpływ: (1) polaryzacji; (2) intensywności opadów deszczu; jak również (3) częstotliwości fal mikrofalowych na jakość odbioru mikrofalowych sygnałów satelitarnych. W niniejszym artykule skupiono się na zaprezentowaniu wpływu natężenia opadów deszczu (mżawki) na odbiór sygnałów satelitarnych z uwzględnieniem ich częstotliwości nośnej oraz polaryzacji (empiryczne badanie zjawiska hydrometeorów). Przedstawione wyniki ze stanowiska laboratoryjnego ilustrują poprzez diagramy konstelacji oraz podane parametry jakościowe sygnałów satelitarnych wpływ natężenia opadów deszczu na propagację fal radiowych. Liczne badania powtarzane w tych samych i innych warunkach atmosferycznych (obejmujące niewielkie zmiany natężenia opadów deszczu) oraz zgromadzone dane umożliwiły całościowe przedstawienie oddziaływania hydrometeorów na propagację mikrofalowych sygnałów satelitarnych oraz intensywności opadów deszczu zmierzonych w obszarze Polski. Ze względu na mnogość danych doświadczalnych oraz skończoną objętość artykułu nie sposób było zawrzeć w nim wszystkich wyników. W artykule zamieszczono zatem tylko przykładowe dane, które należy rozumieć jako ilustrację pewnych ogólnych prawidłowości dotyczących wpływu natężenia opadów deszczu na odbiór fal radiowych. Ograniczyły się one do mżawki nieprzekraczającej 1 mm/h (takie podejście koncepcyjne pozwoliło rozważyć oddziaływanie nawet niewielkich intensywności opadów na 1 Politechnika Świętokrzyska, Wydział Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki, Al Lecia Państwa Polskiego 7, Kielce, jwilk@tu.kielce.pl 2 Politechnika Świętokrzyska, Wydział Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki, Al Lecia Państwa Polskiego 7, Kielce, jciosmak@tu.kielce.pl 11108

2 propagację fal radiowych. Mżawka wprowadza bowiem niewielkie, ale długotrwałe tłumienie fali radiowej. Wyniki prac mogą być wykorzystane w metodzie łączenia wielu niezależnych sygnałów informacyjnych w jeden wspólny sygnał transmitowany łączem satelitarnym metodzie transmultipleksacji sygnałów. Obecnie, każda z metod propagacji informacji wymaga odpowiedniej filtracji sygnałów. Obok znanych filtrów typu FIR oraz IIR można zastosować innego typu filtry filtry różniczkujące, które cechuje minimalne wprowadzane opóźnienie, tak istotne w transmisji satelitarnej [4,5]. 1 POMIARY ZE STANOWISKA LABORATORYJNEGO W OBSZARZE KIELC W praktyce, dane transmitowane przy użyciu systemów satelitarnych ulegają znacznemu tłumieniu, szczególnie w warstwie atmosfery w której zachodzą zjawiska kształtujące pogodę i klimat na Ziemi w troposferze. Do badania wpływu warunków atmosferycznych na propagację mikrofalowego sygnału satelitarnego w obszarze Kielc, w ramach Europejskiego Projektu Badawczego ICT COST Action IC0802 Propagation tools and data for integrated Telecommunication, Navigation and Earth Observation systems, wykorzystano naziemną, stacjonarną stację satelitarną zlokalizowaną na Wydziale Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki Politechniki Świętokrzyskiej. Terminal ten: (1) korzysta z sygnałów rozsiewczej służby satelitarnej BSS; (2) wyposażony jest w datalogger, który umożliwia zdalne przekazywanie wyników pomiarowych; (3) wykorzystuje cyfrowe techniki teletransmisyjne. W warunkach wymaganej bezpośredniej widoczności anten, przeszkody terenowe nie powodują wzrostu tłumienia. W toku badań analizowano sygnały o polaryzacji poziomej i pionowej, transmitowane z konstelacji trzech satelitów EUTELSAT Hot Bird. Dla satelity Hot Bird 13A minimalna deklinacja wynosi 0,01º, zaś maksymalna 0,04º, dla satelity Hot Bird 13B 0,07º oraz 0,09º, z kolei dla satelity Hot Bird 13C 0,02º i 0,03º. Parametry geograficzne lokalizacji miejsca odbioru (stanowiska laboratoryjnego) są następujące: kąt azymutu wynosi 9,81º, kąt elewacji 31,34º, zaś kąt skręcenia płaszczyzny polaryzacji konwertera 6,17º. Wysokość umiejscowienia masztu antenowego na hali HD wynosi 283,07 m n.p.m. Fot. 1. Część wewnętrzna stanowiska laboratoryjnego do badań propagacji fal radiowych Należy podkreślić, że opady deszczu w obszarze Kielc z dużą dozą przybliżenia odzwierciedlają średnie natężenie opadów, jakie zmierzono w okresie 40 lat w Polsce. Już kiedyś dostrzeżono wiele korzyści wynikających z lokalizacji i położenia morfologicznego Kielc. W pobliżu miasta, w miejscowości Psary-Kąty, siedzibę miało jedyne w Polsce Centrum Usług Satelitarnych. Obszar Kielc objęto także badaniami w ramach Europejskiego Projektu Badawczego ICT COST Action IC0802. Przykładowe badania dotyczące odbioru sygnałów satelitarnych w warunkach mżawki dla łącza downlink zamieszczono w niniejszym artykule. Zaprezentowane wyniki stanowią wypadkowe parametry jakościowe sygnałów, otrzymane w ustalonych warunkach meteorologicznych: przy 11109

3 natężeniu opadów R = 0 mm/h ciśnienie atmosferyczne wynosiło 980,6 hpa, wilgotność powietrza 42%, temperatura 4,6 ºC; przy natężeniu opadów R = 0,3 mm/h ciśnienie wynosiło 973,2 hpa, wilgotność powietrza 85%, temperatura 5,1 ºC; zaś przy intensywności opadów R = 0,9 mm/h ciśnienie atmosferyczne wynosiło 969,7 hpa, wilgotność powietrza 89%, temperatura 10,3 ºC. 1.1 Badanie wpływu mżawki na propagację fal radiowych z modulacją PSK Dzięki wykorzystaniu stanowiska laboratoryjnego można było sprawdzić parametry jakościowe sygnałów satelitarnych w zróżnicowanych warunkach atmosferycznych, zależnie od rodzaju polaryzacji sygnałów mikrofalowych. Choć badaniem objęto odbiór sygnałów ze wszystkich transponderów konstelacji satelitów EUTELSAT Hot Bird (w tym celu posłużono się sygnałami telewizyjnymi), w artykule z racji ograniczonej objętości zaprezentowano jedynie przykładowe wyniki pomiarowe dla pasma górnego i dolnego, które ilustrują wpływ opadów deszczu na propagację fal radiowych w zależności od częstotliwości i rodzaju polaryzacji (pionowa i pozioma). Oszacowanie wpływu deszczu na odbiór mikrofalowego sygnału satelitarnego możliwe jest poprzez określenie wielu jakościowych współczynników, jak choćby: (1) poziom mocy kanału (ang. Channel Power); (2) CNR (ang. Carrier-to-Noise Ratio); (3) MER (ang. Modulation Error Ratio); (4) CBER (ang. BER before FEC Forward Error Correction, Channel BER); (5) VBER (ang. BER after Viterbi, Viterbi BER) i (6) LBER (ang. BER after LDPC Low Density Parity Check). W wynikach pomiarowych dla systemów satelitarnych pracujących w standardzie DVB-S przedstawiono dwie różne stopy błędów CBER (na wyjściu demodulatora QPSK) oraz stopę błędów VBER (na wyjściu dekodera Viterbiego). Zakłócenia przyczyniające się do powstawania błędów seryjnych zostały skorygowane przy użyciu dekodera Reeda-Solomona. Rys. 1. Odbiorczy system satelitarny Podobnie, w przypadku zastosowania standardu DVB-S2 zastosowano dwie różne stopy błędów (każdorazowo zastosowano korektor błędów dla sygnału cyfrowego). Bardzo dobre rezultaty (najbliżej granicy Shannona) otrzymano z wykorzystaniem kodów LDPC. Zaprezentowane wyniki przedstawiają stopę błędów CBER na wyjściu demodulatora QPSK/8PSK oraz stopę błędów LBER na wyjściu dekodera LDPC po sprawdzeniu parzystości na podstawie macierzy kontroli parzystości (ang. parity check matrix). Rys. 2. Odbiorczy system satelitarny W systemach satelitarnych powszechnie stosuje się kluczowanie fazy PSK (ang. Phase Shift Keying). Cechą charakterystyczną tej modulacji jest obecność stałej obwiedni mocy oraz wysoka skuteczność widmowa wykorzystania kanału w odniesieniu do 1 Hz (b/s/hz). W przypadku systemów telewizji satelitarnej używa się na ogół modulacji 4PSK i 8PSK. W dobie rosnącego postępu naukowo-technicznego możliwe stało się korzystanie z modulacji 8PSK w standardzie DVB-S2 z wykorzystaniem satelitów geostacjonarnych. Modulacja 8PSK umożliwia transmisję większej ilości danych w porównaniu z modulacją 4PSK, w takim samym zakresie częstotliwości, przy utrzymaniu stałej amplitudy. Z drugiej jednak strony, korzyści te obarczone są kosztem zmniejszenia odporności na błędy transmisji. Zwiększenie liczby stanów modulacji M-stanowej PSK skutkuje zwiększeniem amplitudy widmowej gęstości mocy oraz zmniejszeniem wykorzystywanego pasma częstotliwości. W przypadku idealnego kanału transmisyjnego, demodulator rozpoznaje symbole bezbłędnie (tworzą one wyraźnie osadzone punkty w tym samym obszarze diagramu konstelacji). W rzeczywistości fale radiowe transmitowane są w środowisku niejednorodnym i stratnym, a w konsekwencji demodulator nie rozpoznaje prawidłowo wszystkich symboli (pojawiają się różne kształty, symbole są 11110

4 przestrzennie rozproszone). W artykule przedstawiono otrzymane symbole cyfrowe w jednostce czasu w postaci diagramów konstelacji (analiza I-Q). Graficzne zobrazowanie wyników badań może nastąpić poprzez kolorystyczne przedstawienie gęstości uderzeń dla danego typu modulacji. Zakres barw przechodzi w kolejności rosnącej od koloru niebieskiego do koloru żółtego i zmienia się od czerni (brak symbolu) do czerwieni (maksymalna gęstość uderzeń). Większy rozrzut symboli oznacza większy poziom szumu. Jeżeli punkt nie znajdzie się w akceptowanym progu błędu, wówczas następuje nieprawidłowa interpretacja słowa. Na początku zaprezentowano przykładowe sygnały o polaryzacji poziomej. Na rysunku 3 przedstawiono konstelację sygnału o częstotliwości 11487,77 MHz (po przemianie 1737,77 MHz) w standardzie DVB-S o modulacji QPSK. Rys. 3. Wpływ intensywności opadów deszczu na odbiór mikrofalowego sygnału satelitarnego o polaryzacji poziomej (pasmo dolne) w standardzie DVB-S (modulacja QPSK) Na rysunku 4 przedstawiono konstelację sygnału o częstotliwości MHz (po przemianie 1760 MHz) w standardzie DVB-S2 o modulacji 8PSK. Rys. 4. Wpływ intensywności opadów deszczu na odbiór mikrofalowego sygnału satelitarnego o polaryzacji poziomej (pasmo górne) w standardzie DVB-S2 (modulacja 8-PSK) Jak wynika z rysunków 3 i 4, wzrost intensywności opadów deszczu R [mm/h] przekłada się na jakość odbioru mikrofalowych sygnałów satelitarnych, przy czym zauważalne jest, że sygnały o modulacji 8PSK są bardziej podatne na występowanie niekorzystnych zjawisk pogodowych. Poniżej zaprezentowano diagramy konstelacji sygnałów o polaryzacji pionowej otrzymane przy takich samych intensywnościach opadów deszczu (R = 0 mm/h, R=0,3 mm/h, R=0,9 mm/h), jak podczas badania sygnałów o polaryzacji poziomej. Na rysunku 5 zamieszczono diagram dla sygnału o częstotliwości MHz (po przemianie 1490 MHz) w standardzie DVB-S2 i modulacji 8PSK, z kolei na rysunku 6 przedstawiono diagram konstelacji dla sygnału o częstotliwości MHz (po przemianie 1996 MHz) w standardzie DVB-S i modulacji QPSK

5 Rys. 5. Wpływ intensywności opadów deszczu na odbiór mikrofalowego sygnału satelitarnego o polaryzacji pionowej (pasmo dolne) w standardzie DVB-S2 (modulacja 8PSK) Rys. 6. Wpływ intensywności opadów deszczu na odbiór mikrofalowego sygnału satelitarnego o polaryzacji pionowej (pasmo górne) w standardzie DVB-S (modulacja QPSK) Podobnie, jak w przypadku sygnałów o polaryzacji poziomej, wzrost intensywności opadów deszczu przełożył się na większą degradację sygnału spolaryzowanego pionowo, przyczyniając się do zwiększenia tłumienia. Analiza otrzymanych danych pozwala zauważyć prawidłowość, iż sygnały o modulacji 8PSK są bardziej podatne na wpływ niekorzystnych zjawisk pogodowych od sygnałów o modulacji 4PSK, niezależnie od zastosowanej polaryzacji. Do podobnych wniosków można dojść poprzez analizę komparystyczną wyników pomiarowych w zakresie częstotliwości środkowych transponderów: (1) poziomu mocy w dbμv (poziom wyrażony w dbμv jest odniesieniem do standardowej mocy odniesienia, w tym przypadku (1μV) 2 /75Ω); (2) stosunku średniej mocy sygnałów DVB-S/DVB-S2 do średniej mocy szumów obecnych w konstelacjach sygnałów MER; (3) marginesu szumów (dla standardu DVB-S) oraz marginesu łączy (dla standardu DVB-S2); (4) współczynników błędnych bitów przed zastosowaniem techniki korekcji błędów CBER oraz (5) po zastosowaniu mechanizmów korygujących: (A) Viterbiego (w standardzie DVB-S parametr VBER) lub (B) sprawdzeniu parzystości (w standardzie DVB-S2 parametr LBER). W praktyce, tłumienie sygnałów (o takich samych parametrach transmisyjnych) zależy od ich częstotliwości (wraz ze wzrostem częstotliwości, zwiększa się tłumienie). Wzrost natężenia opadów deszczu skutkuje zmniejszeniem poziomu odbieranego sygnału, a tym samym stosunku CNR (wzrost częstotliwości sygnału powoduje zwiększenie jego wrażliwości na warunki pogodowe), gdyż długość fali radiowej zbliża się do wielkości drobinek wody zawartych w opadach deszczu. Przykładowo dla częstotliwości MHz (transponder numer 83) przy zerowej intensywności opadów zmierzony poziom mocy wynosił 76,2 dbμv, przy intensywności opadów deszczu na poziomie 0,3 mm/h 75,3 dbμv, zaś przy natężeniu opadów deszczu R = 0,9 mm/h 74,3 dbμv. Trend spadkowy dotyczył również współczynnika MER. Zwiększenie intensywności opadów o 0,3 mm/h przełożyło się na jego zmniejszenie o 1 db, zaś wzrost intensywności opadów do 0,9 mm/h o niespełna 2 db. Wraz ze wzrostem intensywności opadów zmniejszył się margines bezpieczeństwa. Przy braku opadów deszczu wynosił on 6,6 db, przy intensywności opadów na poziomie 0,3 mm/h 5,6 db oraz 4,9 db przy intensywności 0,9 mm/h. Sukcesywnie, zależnie od natężenia opadów deszczu, otrzymano różne stopy błędów. Z transpondera numer 89, co odpowiada częstotliwości MHz, nadawany jest sygnał o takich samych parametrach transmisyjnych (Symbol Rate, FEC, Bit Rate) jak sygnał 11112

6 z transpondera numer 83. W przypadku braku opadów zmierzony poziom mocy wynosił 75,2 dbμv, przy natężeniu 0,3 mm/h 74 dbμv, zaś przy natężeniu 0,9 mm/h jego wartość zmniejszyła się do 73,2 dbμv. Trend spadkowy dotyczył również współczynnika MER oraz marginesu bezpieczeństwa. Dokonując analizy parametrów jakościowych sygnału o częstotliwości MHz, nadawanego z transpondera numer 63, zwiększenie natężenia opadów o 0,3 mm/h przełożyło się na spadek poziomu mocy o 0,6 dbμv, zaś przy intensywności opadu 0,9 mm/h odnotowano spadek poziomu mocy o 0,9 dbμv. W konsekwencji zmniejszeniu uległ wskaźnik CNR. Zwiększenie intensywności opadów spowodowało zmniejszenie współczynnika MER (o 0,6 db przy R = 0,3 mm/h oraz 0,8 db przy R = 0,9 mm/h) oraz marginesu bezpieczeństwa (o 0,6 db przy R = 0,3 mm/h oraz 0,8 db przy R = 0,9 mm/h). Ponadto, odnotowano różnicę w stopie błędów przed korekcją błędów (stopa CBER) oraz stwierdzono brak widocznego pogorszenia jakości sygnału po korekcji błędów (parametr VBER). Dokonano analizy porównawczej tego sygnału z sygnałem o takich samych parametrach transmisyjnych, ale nadawanym z transpondera numer 67 na częstotliwości MHz (pasmo górne). Przy braku opadów deszczu zmierzony poziom mocy wynosił 77,4 dbμv, przy intensywności opadów deszczu na poziomie 0,3 mm/h 76,6 dbμv, zaś przy intensywności opadów deszczu na poziomie 0,9 mm/h 76,4 dbμv (spadek o 1 dbμv). Trend spadkowy dotyczył również współczynnika MER. Zwiększenie intensywności opadów o 0,3 mm/h przełożyło się na zmniejszenie tego wskaźnika o 0,8 db, zaś wzrost intensywności opadów do 0,9 mm/h o około 1 db. Wraz ze wzrostem intensywności opadów zmniejszył się także margines bezpieczeństwa. Przy braku opadów deszczu wynosił on 6,6 db, przy intensywności opadów deszczu na poziomie 0,3 mm/h 5,8 db oraz 5,7 db przy intensywności R = 0,9 mm/h. O ile odnotowano różnice w stopie błędów przed korekcją błędów (CBER), o tyle zwiększenie natężenia opadów nie spowodowało (w rozpatrywanym zakresie częstotliwości) widocznego pogorszenia parametrów jakościowych sygnału po korekcji błędów (parametr VBER). Analizując inny sygnał transmitowany z transpondera numer 153 na częstotliwości MHz (pasmo dolne), wzrost natężenia opadów deszczu o 0,3 mm/h zaskutkował zmniejszeniem poziomu mocy odebranego sygnału o 0,7 dbμv, zaś wzrost natężenia opadów deszczu do 0,9 mm/h przyczynił się do spadku poziomu mocy sygnału 0,9 dbμv. Wzrost intensywności opadów deszczu spowodował zmniejszenie współczynnika MER (o 0,8 db przy R = 0,3 mm/h oraz o 0,9 db przy R = 0,9 mm/h) oraz spadek marginesu bezpieczeństwa (o 0,8 db przy R = 0,3 mm/h i o 0,9 db przy R = 0,9 mm/h). Dla tego transpondera nie odnotowano różnicy w stopie błędów przed korekcją błędów (CBER), jak i po korekcji błędów (VBER). Dokonano porównania otrzymanych wyników z sygnałem o takich samych parametrach transmisyjnych, ale nadawanym z transpondera numer 73 na częstotliwości MHz w paśmie górnym. Przy braku opadów deszczu odnotowano poziom mocy sygnału 74,2 dbμv, przy wzroście natężenia opadów o 0,3 mm/h 73,3 dbμv (spadek o 0,9 dbμv), zaś przy intensywności opadów deszczu 0,9 mm/h 72,5 dbμv (spadek o 1,7 dbμv). Również wartość współczynnika MER uległa zmniejszeniu. Zwiększenie natężenia opadów deszczu o 0,3 mm/h przełożyło się na spadek wskaźnika MER o 0,8 db, wzrost intensywności opadów do 0,9 mm/h spowodował jego zmniejszenie o 1,2 db. Konsekwencją wzrostu natężenia opadów był ponadto spadek marginesu bezpieczeństwa dla opisanego sygnału wyniósł on 8,2 db przy zerowym natężeniu opadów, 7,4 db przy natężeniu 0,3 mm/h oraz 7 db przy natężeniu R = 0,9 mm/h. Analiza wyników pomiarowych dla tego transpondera pozwoliła odnotować różnicę w stopach błędów przed korekcją błędów (CBER) oraz po korekcji błędów (VBER). Badaniem objęto także sygnały spolaryzowane pionowo. Analogicznie, jak w przypadku sygnałów o polaryzacji poziomej wraz ze zwiększeniem natężenia opadów, zauważalny był spadek poziomu mocy sygnału, wskaźnika MER oraz marginesu bezpieczeństwa. Otrzymano różne stopy błędów CBER (przed korekcją) oraz LBER i VBER (po korekcji błędów). Dokonując analizy sygnału o częstotliwości 11316,5 MHz, transmitowanego z transpondera numer 6, wzrost natężenia opadów deszczu o 0,3 mm/h spowodował spadek poziomu mocy sygnału o 1,3 dbμv, zaś przy zwiększeniu natężenia opadów deszczu do 0,9 mm/h 1,5 dbμv. Trend spadkowy dotyczył również współczynnika MER. Zwiększenie intensywności opadów o 0,3 mm/h przełożyło się na jego zmniejszenie o 0,9 db, zaś wzrost intensywności opadów do 0,9 mm/h o 1 db. Spadek wartości odnotowano również dla marginesu bezpieczeństwa (o 0,9 db przy R = 0,3 mm/h i 1 db przy R = 11113

7 0,9 mm/h). W przypadku tej częstotliwości (dla analizowanego zakresu wzrostu intensywności opadów deszczu) nie stwierdzono wyraźnej różnicy w stopach błędów przed korekcją (CBER), jak i po korekcji błędów (VBER). Porównano ten sygnał z sygnałem o takich samych parametrach transmisyjnych, nadawanym z transpondera numer 70 na częstotliwości MHz (pasmo górne). Przy braku opadów deszczu zmierzono poziom mocy 75,3 dbμv, przy natężeniu R = 0,3 mm/h 74,4 dbμv (spadek o 0,9 dbμv), przy natężeniu R = 0,9 mm/h 73,6 dbμv (spadek o 1,7 dbμv). Trend spadkowy dotyczył także wskaźnika MER. Zwiększenie natężenia opadów deszczu o 0,3 mm/h zaskutkowało jego zmniejszeniem o 0,7 db, zaś zwiększenie do 0,9 mm/h spowodowało spadek wskaźnika MER o 0,9 db. Tendencję malejącą odnotowano również dla marginesu bezpieczeństwa dla opisanego sygnału wyniósł on 7,9 db przy zerowej intensywności opadów deszczu, 7,2 db przy natężeniu opadów R = 0,3 mm/h oraz 7 db przy natężeniu opadów R = 0,9 mm/h. Dla omawianej częstotliwości stwierdzono różnicę w stopie błędów CBER. Niemniej jednak, wzrost natężenia opadów nie wpłynął na widoczny spadek jakości sygnału po korekcji błędów (VBER). Na częstotliwości MHz w paśmie dolnym nadawany jest kolejny analizowany sygnał (transponder numer 58). Zwiększenie natężenia opadów deszczu o 0,3 mm/h przyczyniło się do spadku poziomu mocy odebranej o 0,7 dbμv. Wzrost natężenia opadów do poziomu 0,9 mm/h wpłynął na spadek poziomu mocy o 1,5 dbμv. Wraz ze zwiększeniem intensywności opadów deszczu zmalała wartość współczynnika MER (o 0,8 db przy R = 0,3 mm/h oraz 1,6 db przy R = 0,9 mm/h) i marginesu bezpieczeństwa (o 0,8 db przy R = 0,3 mm/h i o 1,6 db przy R = 0,9 mm/h). Dla tej częstotliwości przyrost natężenia opadów do 0,9 mm/h nie spowodował widocznych zmian w stopach błędów przed korekcją (CBER) oraz po korekcji błędów (VBER). Takie same parametry transmisyjne posiada sygnał transmitowany z transpondera numer 76 na częstotliwości MHz (pasmo górne). Przy braku opadów deszczu zmierzony poziom mocy wynosił 76,8 dbμv, przy pojawieniu się mżawki o natężeniu opadów R = 0,3 mm/h 75,3 dbμv (spadek o 1,5 dbμv), zaś przy R = 0,9 mm/h poziom mocy wynosił 74,3 dbμv (spadek o 2,5 dbμv). Wraz ze spadkiem poziomu mocy sygnału odnotowano także zmniejszenie wartości współczynnika MER. Zwiększenie natężenia opadów deszczu o 0,3 mm/h przyczyniło się do jego zmniejszenia o 0,1 db. Przy intensywności opadów R = 0,9 mm/h odnotowano spadek wskaźnika MER wynoszący 1,3 db. Stopniowo malał również margines bezpieczeństwa, który odpowiednio wynosił: 7,5 db przy R = 0, 7,4 db przy R = 0,3 mm/h i 6,2 db przy R = 0,9 mm/h. O ile dla omawianej częstotliwości stwierdzono różnicę w stopie błędów przed korekcją (CBER), o tyle wzrost natężenia opadów nie przyczynił się do widocznego pogorszenia stopy błędów po korekcji (VBER). Zestawiając wszystkie wyniki eksperymentalne dla zbadanych intensywności opadów deszczu (mżawka poniżej 1 mm/h), maksymalny zmierzony margines bezpieczeństwa wynosił 9,8 db (przy braku opadów) oraz 9,4 db (przy R = 0,9 mm/h) dla sygnału w standardzie DVB-S (modulacja QPSK, Symbol Rate = 27500, FEC = 3/4). Z kolei minimalną wartość marginesu bezpieczeństwa 4 db, otrzymano dla sygnału w standardzie DVB-S2 (modulacja 8PSK, Symbol Rate = 27500, FEC = 3/4), przy R = 0,9 mm/h. Warto podkreślić, że wyposażając satelity w systemy AGC (ang. Automatic Gain Control), niekoniecznie musi zachodzić korelacja pomiędzy zmianami w poziomach mocy sygnałów nadawanych przez operatorów telewizyjnych oraz poziomach mocy sygnałów odbieranych przez użytkowników końcowych. Zjawisko to dotyczy zarówno zwiększania, jak i zmniejszania poziomu nadawanej mocy. W trakcie badań wzięto pod uwagę skończoną powierzchnię chmury (odnotowano sytuacje gdy antena i deszczomierz znajdowały się w centrum opadów, podczas gdy droga propagacji sygnału mikrofalowego w troposferze ziemskiej była relatywnie wolna od opadów atmosferycznych). Przeprowadzone badania wykazały, że większa intensywność opadów deszczu powoduje wzrost tłumienia sygnału, a co za tym idzie degradację jego parametrów jakościowych, jak choćby: poziom mocy sygnału, wskaźnik MER czy margines bezpieczeństwa. Oddziaływanie deszczu ujawniło się stopniowym spadkiem wartości stóp błędów przed korekcją błędów (CBER), jak i po korekcji błędów: (VBER) dla sygnałów w standardzie DVB-S i LBER dla sygnałów w standardzie DVB-S2, przy czym zależnie od parametrów sygnału oraz zastosowanej polaryzacji wpływ deszczu nie zawsze spowodował widoczne zmiany wskaźników: CBER, LBER oraz VBER

8 WNIOSKI Analiza porównawcza otrzymanych wyników w ramach całego Projektu COST pozwala zauważyć, że tłumienie fal o polaryzacji poziomej jest większe od tłumienia fal o polaryzacji pionowej. Wraz ze wzrostem częstotliwości obserwuje się wzrost różnicy tłumienia dla fal o polaryzacji horyzontalnej w stosunku do fal o polaryzacji wertykalnej. Dane ze stanowiska laboratoryjnego odniesiono do stosowanej powszechnie w środowisku projektantów systemów telekomunikacyjnych progowej wartości poprawnego odbioru QEF. Dalsze analizy umożliwiły wyznaczenie progowej wartości tłumienia fali radiowej, wzrostu szumów systemowych, całkowitej degradacji sygnału oraz parametrów jakościowych sygnału podczas transmisji fali radiowej w deszczu, w reprezentatywnym dla Polski obszarze Kielc. Uzyskano w ten sposób prognozy propagacyjne tłumienia spowodowanego wystąpieniem opadów deszczu zarówno dla fal radiowych o polaryzacji poziomej i pionowej. Przeprowadzone badania, wpisując się w zakres analiz jakości transmisji QoT (ang. Quality of Transmission), z pominięciem warstwy logicznej, pozwoliły ponadto potwierdzić eksperymentalnie słuszność teorii głoszącej, że sygnały o modulacji 8PSK są bardziej podatne na wpływ niekorzystnych zjawisk pogodowych od sygnałów o modulacji 4PSK. Wyniki badań będą mogły zostać w przyszłości wykorzystane do doboru sprzętu warunkującego prawidłowy (lub możliwie najlepszy) odbiór fal radiowych czy np. oszacowania tłumienia spowodowanego wystąpieniem opadów deszczu (w tym również mżawki). Zebranie danych pozwolić może na zgromadzenie zapasu sygnałowego, kompensującego wpływ niekorzystnych warunków atmosferycznych, w tym również na minimalizację ryzyka utraty sygnału satelitarnego (w przypadku wystąpienia skrajnie niekorzystnych warunków pogodowych). Streszczenie W artykule zaprezentowano wpływ opadów deszczu na odbiór mikrofalowych sygnałów satelitarnych z uwzględnieniem ich częstotliwości nośnej, modulacji oraz polaryzacji. Skupiono się na analizie propagacji fal radiowych w systemach łączności satelitarnej w troposferze ziemskiej. W praktyce, obecność opadów znacząco wpływa na jakość sygnałów mikrofalowych, szczególnie ze względu na zjawisko absorpcji i refrakcji występujące na kroplach deszczu, stanowiących silne źródło szumów. Przedstawione wyniki ze stanowiska laboratoryjnego są ilustracją oddziaływania natężenia opadów deszczu na propagację fal radiowych (na przykładzie mżawki). Badania są przydatne dla inżynierów łączności satelitarnej, gdyż mogą przyczynić się do optymalizacji i poprawy wydajności działania łączy satelitarnych, co w przyszłości może doprowadzić do minimalizacji ryzyka utraty sygnału lub przerw w ciągłości świadczenia usług, co jest zgodne z założeniami sieci GIN oraz Europejskiego Projektu Badawczego ICT COST Action IC0802 Propagation tools and data for integrated Telecommunication, Navigation and Earth Observation systems. Study of the effect of drizzle to receive the microwave satellite signals Abstract This article presents the influence of rainfall on the reception of microwave satellite signals with respect to their carrier frequency, modulation and polarization. It deals with propagation concerns for satellite communications systems in the troposphere. In practice, the presence of rainfall has a considerable influence on the quality of microwaves signals, especially due to absorption and reflection by raindrops, as rain acts as a rather strong source of noise. The results of the measurements for drizzle are the illustration of the impact of rainfall intensity on the propagation of radio waves. The research results can be useful to satellite communications engineers as they can contribute to optimize and improve the performance of satellite links, which, in the future, may lead to minimize the interruption or lack of communication between the terminal and the satellite, which is consistent with the scientific goals of the Global Integrated Networks and the European Research Project ICT COST Action IC0802 Propagation tools and data for integrated Telecommunication, Navigation and Earth Observation systems. BIBLIOGRAFIA 1. COST Action IC0802 (European Cooperation in Science and Technology Action IC0802), prd.fr/cost/ict_poster_ic 0802.pdf

9 2. Memorandum of Understanding for the implementation of a European Concerted Research Action designated as COST Action IC0802 Propagation tools and data for integrated Telecommunication, Navigation and Earth Observation systems, domain_files/ict/action_ic0802/mou/ic0802-e.pdf. 3. Wilk J. Ł., The measurment processing of satellite signal, CEEPUS CII-CZ M Brno Cedro L., Janecki D., Determining of Signal Derivatives in Identification Problems -FIR Differential Filters; Acta Montanistica Slovaca; 2011, R 16 (2011), cz. 1, str Janecki D., Cedro L., Wyznaczanie pochodnych sygnałów za pomocą regresyjnych filtrów różniczkujących; Przegląd Elektrotechniczny; 2011, R 87 NR 8/2011, s