CC BY
0УДК 629.78
Голицин Н.А.
магистрант
Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (г. Санкт-Петербург, Россия)
ДЕМОДУЛЯТОР НАЗЕМНОЙ СТАНЦИИ СИСТЕМЫ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ
Аннотация: является разработка и исследование новых методов и подходов к проектированию демодулятора наземной станции системы спутниковой связи, направленных на повышение его производительности и надежности.
Ключевые слова: система связи, спутник, земные станции.
Система спутниковой связи является одной из наиболее важных и широко используемых технологий в современном мире. Она позволяет передавать данные и обеспечивать связь на большие расстояния, преодолевая ограничения, связанные с земными препятствиями и географическими пространствами. В данном разделе мы рассмотрим принципы функционирования систем спутниковой связи, а также основные компоненты и характеристики таких систем.
Система спутниковой связи состоит из трех основных компонентов: спутников, наземных станций и пользовательских устройств. Спутники являются ключевым элементом системы, так как они выполняют функцию ретрансляции сигналов между наземными станциями и пользовательскими устройствами. Наземные станции обеспечивают связь с спутниками и выполняют функции передачи и приема данных. Пользовательские устройства, такие как мобильные телефоны или спутниковые терминалы, используются конечными пользователями для обмена информацией [1].
1682
Принципы функционирования систем спутниковой связи основаны на использовании радиоволн и принципе трехшаговой коммуникации. Первый шаг заключается в передаче сигнала от наземной станции к спутнику. Наземная станция передает сигнал на определенной частоте и мощности, чтобы его можно было обнаружить и принять спутником. Сигнал проходит через атмосферу Земли и достигает спутника [2].
Второй шаг состоит в ретрансляции сигнала спутником. Как только спутник принимает сигнал от наземной станции, он усиливает его и перенаправляет в заданном направлении. Спутник имеет несколько антенн, которые могут быть направлены на разные области Земли. Это позволяет спутнику обеспечивать связь с различными наземными станциями и пользовательскими устройствами [3].
Третий шаг заключается в приеме сигнала пользовательским устройством. Когда спутник ретранслирует сигнал, пользовательское устройство, такое как мобильный телефон или спутниковый терминал, принимает его. Устройство имеет свою собственную антенну, которая может быть направлена на спутник для приема сигнала. После приема сигнала устройство может обрабатывать его и отображать информацию пользователю или выполнять другие функции, например, передавать данные обратно на наземную станцию.
Основной задачей наземной станции является прием и передача сигналов между спутниками и конечными пользователями. Для этого она состоит из нескольких основных компонентов, которые обеспечивают выполнение всех необходимых функций. Рассмотрим каждый из них подробнее
[4].
Первым и, пожалуй, самым важным компонентом наземной станции является антенна. Она представляет собой устройство, которое выполняет функцию приема и передачи радиосигналов. Антенна должна быть специально настроена на определенную частоту, на которой осуществляется связь с спутником. Она также должна иметь определенную диаграмму направленности,
1683
чтобы обеспечить эффективную передачу и прием сигналов. Антенны могут быть различных типов, включая параболические, плоские и массивные антенны
[5].
Далее следует блок приема и передачи сигналов, который называется трансивером. Он выполняет функцию модуляции и демодуляции сигналов, а также их усиления и фильтрации. Трансиверы обычно имеют несколько каналов связи для обеспечения одновременной передачи и приема данных. Они также могут иметь различные стандарты связи, такие как GSM, CDMA или Wi-Fi, в зависимости от требований системы спутниковой связи [6].
Для обработки и управления сигналами в наземной станции необходимы специальные устройства, такие как модемы и маршрутизаторы. Модемы выполняют функцию преобразования цифровых данных в аналоговый сигнал для передачи через спутник, а также обратное преобразование при приеме данных от спутника. Они также могут осуществлять сжатие и распаковку данных для более эффективной передачи. Маршрутизаторы, с другой стороны, обеспечивают маршрутизацию данных между различными устройствами в сети наземной станции.
Важным компонентом наземной станции является также система управления. Она отвечает за контроль и координацию работы всех компонентов станции. Система управления обеспечивает мониторинг и анализ работы станции, а также принимает решения об оптимальном использовании ресурсов. Она также может включать в себя специальные алгоритмы и протоколы для обеспечения надежной и безопасной связи.
Кроме того, наземная станция может иметь различные дополнительные компоненты, такие как системы питания, системы охлаждения и системы резервного копирования. Системы питания обеспечивают электроэнергию для работы всех компонентов станции. Они могут включать в себя генераторы, аккумуляторы и системы подключения к электросети. Системы охлаждения, в свою очередь, предотвращают перегрев компонентов станции и обеспечивают их нормальную работу. Системы резервного копирования, наконец,
1684
обеспечивают сохранность данных и возможность продолжения работы станции в случае сбоев или аварий.
В системах космической связи демодуляция сигналов играет важную роль, поскольку позволяет восстановить информацию, передаваемую от спутников к наземным станциям. Демодуляторы выполняют процесс обратный модуляции, преобразуя модулированный сигнал обратно в исходный информационный сигнал. Основными принципами работы демодуляторов являются детектирование, извлечение несущей частоты и демодуляция сигнала.
Детектирование является первым этапом демодуляции и заключается в преобразовании модулированного сигнала в аналоговый сигнал, который содержит информацию о низкочастотном сигнале. Для этого применяются различные методы детектирования, такие как детектирование синхронное по амплитуде (АМ), детектирование синхронное по фазе (ФМ) и детектирование синхронное по частоте (ФЧМ). В зависимости от типа модуляции используется соответствующий метод детектирования [7].
Извлечение несущей частоты является вторым этапом демодуляции и осуществляется с целью получения несущей частоты, которая была использована при модуляции сигнала. Для этого применяются различные методы, такие как фазовая автоподстройка (PLL), частотная автоподстройка (FLL) и фазо-частотная автоподстройка (PPLL). Эти методы позволяют извлечь несущую частоту из модулированного сигнала и использовать ее для дальнейшей демодуляции [8].
Демодуляция сигнала является финальным этапом демодуляции и заключается в восстановлении исходного информационного сигнала из модулированного сигнала. Для этого применяются различные методы демодуляции, такие как амплитудная демодуляция (АМ), частотная демодуляция (ФМ) и фазовая демодуляция (ФЧМ). В зависимости от типа модуляции используется соответствующий метод демодуляции [9].
Амплитудная демодуляция (АМ) основана на изменении амплитуды несущей частоты в соответствии с информационным сигналом. Для
1685
демодуляции АМ-сигнала используются методы, такие как синхронный детектор, детектор с двумя диодами и детектор с фазовым сдвигом. Эти методы позволяют восстановить информацию, передаваемую сигналом, путем извлечения амплитудной модуляции.
Частотная демодуляция (ФМ) основана на изменении частоты несущей частоты в соответствии с информационным сигналом. Для демодуляции ФМ-сигнала используются методы, такие как дискриминатор ФМ, фазовый дискриминатор и детектор с частотной автоподстройкой. Эти методы позволяют восстановить информацию, передаваемую сигналом, путем извлечения частотной модуляции.
Фазовая демодуляция (ФЧМ) основана на изменении фазы несущей частоты в соответствии с информационным сигналом. Для демодуляции ФЧМ-сигнала используются методы, такие как детектор с фазовым сдвигом, фазовый дискриминатор и детектор с фазо-частотной автоподстройкой. Эти методы позволяют восстановить информацию, передаваемую сигналом, путем извлечения фазовой модуляции.
При демодуляции сигналов в системах космической связи, необходимо учитывать шумы и искажения, которые могут возникать в канале связи. Шумы могут быть вызваны различными факторами, такими как атмосферные условия, электромагнитные помехи и другие источники. Искажения могут возникать из-за неидеальности оборудования и канала связи [10].
Для успешной демодуляции сигналов, демодуляторы наземной станции должны соответствовать определенным требованиям. Одно из основных требований к демодуляторам является высокая чувствительность. Чувствительность демодулятора определяет его способность извлекать слабые сигналы из шумового фона. Чем выше чувствительность демодулятора, тем лучше он справляется с демодуляцией слабых сигналов [11].
Еще одним требованием к демодуляторам является высокая точность восстановления исходного сообщения. Точность восстановления зависит от способности демодулятора извлекать информацию из модулированного сигнала
1686
с минимальными искажениями. Для достижения высокой точности восстановления, демодуляторы должны быть способными компенсировать искажения, вызванные шумами и искажениями в канале связи.
Еще одним требованием к демодуляторам является высокая скорость обработки сигналов. В системах космической связи, частота передачи данных может быть очень высокой, поэтому демодуляторы должны быть способными обрабатывать сигналы с высокой скоростью. Высокая скорость обработки позволяет уменьшить задержку в передаче данных и обеспечивает более эффективную работу системы связи.
Кроме того, демодуляторы наземной станции должны быть способными работать с различными типами модуляции. В системах космической связи могут использоваться различные типы модуляции, поэтому демодуляторы должны быть универсальными и способными работать с различными типами модуляции.
Разработка и исследование демодулятора наземной станции системы спутниковой связи является важной задачей, которая требует тщательного анализа и выбора структурной схемы. Демодулятор является ключевым компонентом системы спутниковой связи, который отвечает за восстановление передаваемого сигнала после его модуляции и передачи через канал связи.
Выбор структурной схемы демодулятора зависит от ряда факторов, таких как требования к качеству и скорости передачи данных, специфика модуляции, доступность и стоимость компонентов, а также ограничения по мощности и размерам устройства. В данной работе рассмотрим несколько наиболее распространенных структурных схем демодуляторов и обоснуем выбор наиболее подходящей для данной системы спутниковой связи [12].
Одной из самых простых и распространенных структурных схем демодулятора является когерентный демодулятор. Он основан на синхронизации сигнала приемника с фазой и частотой передаваемого сигнала. Когерентный демодулятор состоит из фазового детектора, фильтра нижних частот и блока управления фазой и частотой. Фазовый детектор выполняет
1687
умножение принятого сигнала на опорную фазу, а фильтр нижних частот выполняет фильтрацию выходного сигнала детектора. Блок управления фазой и частотой отвечает за поддержание синхронизации сигнала приемника с передаваемым сигналом [13].
Когерентный демодулятор является простым в реализации и обладает хорошей помехоустойчивостью, однако он требует точной синхронизации сигнала приемника с передаваемым сигналом. Это может быть сложно достичь в условиях низкого сигнал-шумового соотношения или при наличии сильных помех. Кроме того, когерентный демодулятор требует дополнительных ресурсов для реализации блока управления фазой и частотой.
Другой распространенной структурной схемой демодулятора является некогерентный демодулятор. Он не требует точной синхронизации сигнала приемника с передаваемым сигналом и может работать в условиях низкого сигнал-шумового соотношения или при наличии помех. Некогерентный демодулятор состоит из нескольких фильтров нижних частот, которые фильтруют различные компоненты передаваемого сигнала, а затем суммируют их для получения исходного сигнала.
Некогерентный демодулятор является более сложным в реализации по сравнению с когерентным демодулятором, однако он обладает лучшей помехоустойчивостью и может работать в условиях низкого сигнал-шумового соотношения. Кроме того, некогерентный демодулятор не требует дополнительных ресурсов для реализации блока управления фазой и частотой.
Однако, необходимо отметить, что выбор структурной схемы демодулятора зависит от конкретных требований и ограничений системы спутниковой связи. Например, если требуется высокая скорость передачи данных, то когерентный демодулятор может быть предпочтительнее, так как он может обеспечить более высокую пропускную способность. С другой стороны, если важна помехоустойчивость и работа в условиях низкого сигнал-шумового соотношения, то некогерентный демодулятор может быть более подходящим выбором.
1688
Таким образом, при выборе структурной схемы демодулятора наземной станции системы спутниковой связи необходимо учитывать требования к качеству и скорости передачи данных, специфику модуляции, доступность и стоимость компонентов, а также ограничения по мощности и размерам устройства. Когерентный демодулятор обладает простотой реализации и хорошей помехоустойчивостью, но требует точной синхронизации сигнала приемника с передаваемым сигналом. Некогерентный демодулятор не требует точной синхронизации и обладает лучшей помехоустойчивостью, но более сложен в реализации. Выбор структурной схемы демодулятора должен быть основан на компромиссе между требованиями и ограничениями системы спутниковой связи.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Артюшенко В. М., Аббасова Т. С., Кучеров Б. А. Современные направления развития корпоративных сетей спутниковой связи // Двойные технологии. - 2014. - №. 3. - С. 67-72;
2. Андреев А. М. АНАЛИЗ РАЗВИТИЯ СПУТНИКОВОЙ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ИДЕНТИФИКАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА ДВИЖЕНИЯ СУДОВ Часть 2. Средства мониторинга // Труды Военно-космической академии имени АФ Можайского. -2016. - №. 652. - С. 7-15;
3. Пантелеймонов И. Н. Система спутниковой связи с защитой канала удаленного управления работой. - 2018;
4. Дикарев А. С., Скобёлкин В. Н., Шахматов Д. Н. СТАНЦИЯ РАДИОМОНИТОРИНГА СИГНАЛОВ ГЕОСТАЦИОНАРНЫХ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ. - 2016;
5. Кулагин В. П., Кузнецов Ю. М., Оболяева Н. М. ДЕМОДУЛЯЦИОННЫЙ МОДУЛЬ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ ДЛЯ СИСТЕМ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ // Инновационные, информационные и коммуникационные технологии. - 2018. - №. 1. - С. 590-594;
6. Замарин А. И., Тавалинский Д. А., Гришин М. В. Спутниковые сети VSAT: Топология, состав, форматы представления мультимедиа данных (обзор, часть 2) // Информация и космос. - 2004. - №. 4. - С. 46-56;
1689
7. БЫХОВСКИЙ М. А. ЛЕВ ЯКОВЛЕВИЧ КАНТОР И РАЗРАБОТКИ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ СИСТЕМ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ И ВЕЩАНИЯ // Труды Научно-исследовательского института радио. - 2008. - №. 1. - С. 67-73;
8. Макаренко С. И., Иванов М. С., Попов С. А. Помехозащищенность систем связи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты. - 2013.
9. Вишневский В., Шахнович И., Портной С. Энциклопедия WiMAX. Путь к 4G. - Litres, 2022;
10. ГУСАКОВ Н. В., ЛОМАКИН А. А. Учредители: Национальный исследовательский университет" Московский институт электронной техники;
11. Грибанов А. Помехозащищенность систем связи. - Litres, 2023;
12. Воробьев О. В., Рыбаков А. И. Выбор и использование программной архитектуры действующего протокола передачи данных программно-конфигурируемого радиоканала // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. - 2019. - Т. 22. - №. 4. - С. 18-30;
13. Зубов Т. А., Баскова А. А., Сухотин В. В. Формирование структуры компьютерной модели для оценки влияния параметров бортового ретрансляционного комплекса на сигнал // Космические аппараты и технологии. - 2018. - №. 4 (26). - С. 192-197
Golitsyn N.A.
Saint Petersburg State University of Aerospace Instrumentation (Saint Petersburg, Russia)
GROUND STATION DEMODULATOR SATELLITE COMMUNICATION SYSTEMS
Abstract: the aim is to develop and research new methods and approaches to the design of a demodulator of a ground station of a satellite communication system aimed at improving its performance and reliability.
Keywords: communication system, satellite, Earth stations.
1690
