«Разработка технических предложений по построению космической радиолинии для передачи информации с ИСЗ – ретранслятора на Землю»

Задание.

Вариант №9

Название РСПИ: Передача информации с ИСЗ – ретранслятора на Землю
Дальность: 40000 км
Частота: 600 МГц
Мощность ПРД: 15 Вт
Коэффициент усиления ПРД антенны: 10 дБ
Эффективная площадь приема антенны: 30 кв. м
Суммарная шумовая температура: 2800ºК
Число уплотняемых каналов: 250
Частота среза: 0.9 Гц

1. Уплотнение – циклическое временное.
2. Суммарные потери сигнала по мощности: –3 дБ.
3. Исходные аналоговые сообщения в каждом канале имеют нормальное распределение с дисперсией равной 1 и спектральной плотностью мощности процесса с выхода фильтра Баттерворта первого порядка.
4. Суммарная относительная погрешность передачи равна 1%.

Содержание:

Задание……………………………………………………………………………………………3
Введение………………………………………………………………………………………….4
Расчет энергетических соотношений…………………………………………………...………6
Ошибки при передаче и преобразовании сигнала………………………………………..……7
Расчет разрядности АЦП…………………………………………………………………….….9
Циклическое временное уплотнение каналов……………………………………………..…10
Расчёт помехоустойчивости………………………………………………………………...…11
Частотная манипуляция сигнала (FSK)…………………………………………….…11
Когерентный приём…………………………………………………………..…11
Некогерентный приём………………………………………………………..…12
Относительная фазовая манипуляция сигнала (DPSK)………………………………13
Когерентный приём…………………………………………………………..…13
Некогерентный приём………………………………………………………..…14
Помехоустойчивое кодирование………………………………………………………………16
Выводы……………………………………………………………………………………….…18
Список использованной литературы……………………………………………………….…21

Введение

На исследованиях теории и техники передачи сообщений основаны все успехи в освоении космоса, создание специальных высокоэффективных космических систем передачи информации.
Одной из основных и необходимых систем любого космического аппарата является радиосистема передачи информации (РСПИ). В основном на космическом аппарате устанавливаются несколько РСПИ: система передачи команд на космический аппарат, телеметрическая система, система для сбора, хранения и сброса специальной информации, определяемой целями запуска космического аппарата (КА). Большинство КА запускается с целью получения определенной информации, которая затем передается на Землю по радиолинии. Например, получение фотографий Луны и планет солнечной системы, получение данных о Марсе, также сюда относятся метеоспутники , спутники для исследования ресурсов Земли и т.д. Развитие систем РСПИ следует связывать с развитием космической техники, где они являются основными радиотехническими системами.
Специфика космической техники, широкий диапазон задач, решаемых космическими системами передачи информации, выдвинули ряд требований к системам передачи информации, определяющих их основные характеристики:
1) максимально возможная помехоустойчивость радиолиний, определяемая большой протяженностью радиолиний и жесткими ограничениями для бортовой аппаратуры по весу и потреблению энергии;
2) задача совмещения передачи информации от разных источников по одной многоканальной радиолинии, также желательность совмещения радиолиний передачи информации с радиолинией внешнетраекторных измерений;
3) в радиолиниях с активной ретрансляцией сигнала на спутниках-ретрансляторах обеспечение «свободного доступа» для связи корреспондентов между собой и с центром управления;
4) защищенность радиолиний от случайных и преднамеренных помех. Так как КА летают на относительно больших высотах и диаграммы направленности бортовых антенн часто довольно широки, то велика вероятность попадания, например, на вход бортового приемника помех от посторонних радиосредств (связных, радиолокационных и др.).
В данном курсовом проекте мы будем рассматривать радиосистему передачи данных предназначенную для передачи информации с ИСЗ – ретранслятора на Землю. Данная РСПИ относится к радиолиниям передачи данных, которые представляют весьма широкий класс радиолиний.
К данному классу относятся радиолинии для передачи информации с приборов радиолокационного наблюдения и обзора, датчиков инфракрасного наблюдения, передачи информации с фототелевизионных преобразователей и т.д. Так же сюда относятся радиолинии для передачи навигационных данных.
Радиолинии передачи данных, как правило, являются цифровыми, так как теория передачи аналоговых сообщений разработана в значительно меньшей степени, чем теория передачи цифровых сообщений. В настоящее время наблюдается тенденция использования цифровых радиолиний, так как они обладают лучшей помехоустойчивостью по сравнению с аналоговыми радиолиниями, а, следовательно, меньше вероятность ошибки при передаче информации.
При использовании ИСЗ – ретрансляторов в ряде случаев существенно упрощается бортовая аппаратура телеметрических радиолиний за счет исключения запоминающих устройств большой емкости.
Радиолинии «Ретранслятор – Земля» могут быть выполнены с достаточно высокой пропускной способностью. Так как приемная антенна, размещенная на Земле, не имеет строгих ограничений по весу и габаритным размерам, поэтому может быть сделана всенаправленной без провалов диаграммы направленности и с большой эффективной площадью при приеме радиосигнала.
Как правило, каждая радиосистема передачи информации обладает несколькими уплотняемыми каналами. Существуют разные методы уплотнения каналов, в основном различают частотное и временное разделение каналов. При разделении каналов по частоте каждому каналу отводится своя полоса частот в общей полосе ретранслятора. Данный способ уплотнения позволяет передавать информацию с очень широкой полосой, и прост в исполнении. Основными недостатками данного метода являются ограниченность линейного участка усилителя мощности передатчика ретранслятора, из-за чего не удается использовать его максимально возможную мощность для передачи, а также необходимость регулировать излучаемую мощность, чтобы поддерживать напряжение в каналах Ui одинаковыми. Так как увеличение амплитуды в одном из каналов автоматически приведет к уменьшению амплитуд сигналов в остальных каналах, потому что суммарный сигнал поддерживается постоянным.
При временном разделении каналов указанные недостатки частотного разделения каналов устраняются, однако, требуется несколько более сложная аппаратура. Системы с временным уплотнением каналов являются наиболее совершенными. При временном разделении каналов в общем кадровом сигнале каждому каналу отводится свое временное окно. Усилитель мощности в системе с временным разделением каналов может все время работать в режиме максимальной мощности, также отсутствуют взаимные помехи между каналами и не требуется регулировать мощность передатчиков, так как сигнал любой амплитуды каждого канала усиливается до ограничения. Но появляется необходимость синхронизации сигналов всех каналов по времени.

R=1.064∙106 бит/c
II. При использовании метода линейная интерполяции:
FS= 565.48Гц
TК= 1.76∙10-3 с
TСЛ= 7∙10-6 c
n = 4
n = 5
τc= 1.77∙10-6 с
τc=1.409∙10-6 с
h2=5.1
h2=4.08
R=5.677∙105 бит/c
R=7.097 ∙105 бит/c
Расчёт помехоустойчивости.
Рассмотрим помехоустойчивость основных методов передачи и приёма двоичной информации.
1. Частотная манипуляция сигнала (FSK).
Существует два метода FSK демодуляции: когерентный и некогерентный.
Когерентный приём.
Используется следующая схема модуляции (рис 5), где АЧХ фильтров – рис.6.
рис.5.
рис.6.
Вероятность аномальной ошибки будет рассчитываться по следующей формуле:
, где - интеграл вероятности.
I. При использовании метода ступенчатой экстраполяции:
n = 4
n = 5
Pош = 0.033
Pош = 0.05
ε2ан = 0.13
ε2ан = 0.198
ε2∑ = 0.138
ε2∑ = 0.203

II. При использовании метода линейная интерполяции:
n = 4
n = 5
Pош = 0.012
Pош = 0.022
ε2ан = 0.048
ε2ан = 0.087
ε2∑ = 0.055
ε2∑ = 0.091
Некогерентный приём.
Используется следующая схема модуляции (рис 7), где фильтр обладает АЧХ в виде функции sinc (но без боковых полос), центрированной по частоте сигнала mark или space.
рис.7.
Можно выбрать иной фильтр. Главное, для лучший фильтрации, круче склоны (меньше искажений).
Вероятность ошибочного приёма определяется следующим образом:
; ;
I. При использовании метода ступенчатой экстраполяции:
n = 4
n = 5
Pош = 0.0913
Pош =0.128
ε2ан =0.365
ε2ан =0.513
ε2∑ = 0.373
ε2∑ = 0.518

II. При использовании метода линейная интерполяции:
n = 4
n = 5
Pош = 0.039
Pош =0.065
ε2ан =0.156
ε2ан =0.26
ε2∑ =0.163
ε2∑ = 0.264
При некогерентном приёме требуется мощность сигнала, в некоторое число  раз больше по сравнению с когерентным приёмом при одной и той же вероятности ошибки. При нестабильности частоты и влиянии эффекта Доплера приходится расширять полосы пропускания фильтров до детекторов, а оптимальную фильтрацию осуществлять после детектора.
2. Относительная фазовая манипуляция сигнала (DPSK).
Рассмотрим два метода DPSK демодуляции: когерентный и некогерентный.
Когерентный приём.
Используют схему приёма по методу сравнения полярностей.
рис. 8.
В данной системе используется схема Пистолькорса. Удвоение частоты устраняет манипуляцию фазы, и после узкополосной фильтрации, уменьшается действие помех. После делителя частоты получается опорное напряжение, которое поступает в фазовый детектор. Результат с детектора – полярности. Затем в блоке сравнения производим сравнение текущей полярности с её предыдущим значением.
Вероятность аномальной ошибки будет рассчитываться по следующей формуле:
, где - интеграл вероятности.
I. При использовании метода ступенчатой экстраполяции:
n = 4
n = 5
Pош = 9.116∙10-3
Pош = 0.02
ε2ан = 0.036
ε2ан = 0.079
ε2∑ = 0.044
ε2∑ = 0.083

II. При использовании метода линейная интерполяции:
n = 4
n = 5
Pош = 1.404∙10-3
Pош = 4.282∙10-3
ε2ан = 5.618∙10-3
ε2ан = 0.017
ε2∑ = 0.013
ε2∑ = 0.021
Некогерентный приём.
Осуществляется по следующей схеме.
рис. 9.
В фазовом детекторе производится перемножение колебаний дух соседних посылок (из согласованного фильтра). Если фазы соседних посылок совпадают, на выходе появляется импульс положительной полярности, если фазы соседних посылок отличаются на 180, на выходе – импульс отрицательной полярности. Схема некогерентного приёма имеет то преимущество, что в приёмном устройстве не требуется время для вхождения в синхронизм по фазе, как при когерентных методах приёма.
Вероятность ошибочного приёма определяется следующим образом:
I. При использовании метода ступенчатой экстраполяции:
n = 4
n = 5
Pош = 0.017
Pош = 0.033
ε2ан =0.067
ε2ан =0.132
ε2∑ =0.074
ε2∑ =0.136

II. При использовании метода линейная интерполяции:
n = 4
n = 5
Pош = 3.048∙10-3
Pош =8.454∙10-3
ε2ан =0.012
ε2ан =0.034
ε2∑ =0.019