CC BY
72Системы, сети и устройства телекоммуникаций
DOI УДК 621.396.49
ПРОЕКТИРОВАНИЕ БОРТОВОЙ АППАРАТУРЫ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ РАДИОЛИНИИ
ПЕРЕДАЧИ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
Славянский Андрей Олегович
советник заместителя генерального директора по космическим и авиационным системам
АО «ЦНИРТИ им. академика А. И. Берга»1. E-mail: andrev.slavvanskiv@gmail.com
Шпак Александр Васильевич
доктор технических наук, профессор кафедры телекоммуникаций Института радиоэлектроники и
информатики МИРЭА - Российский технологический университет2.
E-mail: alexandr.shpack@vandex.ru 1Адрес: 107078, Российская Федерация, г. Москва, ул. Новая Басманная, д. 20, стр. 9. 2Адрес: 119454, Российская Федерация, г. Москва, проспект Вернадского, д. 78.
Аннотация: В статье рассмотрены вопросы создания бортовой аппаратуры высокоскоростной радиолинии передачи информации с интегральным значением скорости передачи данных не менее 800 Мбит/с. Параметры предлагаемой разработки, в том числе скорость передачи, массогабаритные характеристики и энергопотребление, позволяют потенциальные потребности космической отрасли в радиолиниях, обеспечивая, например, возможность оперативной передачи больших объемов информации с новейших космических аппаратов ДЗЗ на Землю. Дана оценка достижимых характеристик аппаратуры при работе в различных диапазонах частот, при этом учитывались существующие ограничения на ширину спектра сигнала, а также определялся энергетический потенциал радиолинии. Для обеспечения выполнения требования к передаче по высокоскоростной радиолинии мониторинговой информации со скоростью 8001000 Мбит/с предлагается использовать фазоманипулированный сигнал с модуляцией 8PSK. Для обеспечения возможности изменения скорости передачи информации в зависимости от энергетического состояния радиолинии и помеховой обстановки предлагается парциальное построение высокоскоростного канала в диапазоне частот 10,7...11,7 ГГц. При проектировании бортовой аппаратуры учитывалось требование по ее функционированию в составе перспективной мало массогабаритной бортовой аппаратуры с малыми энергопотреблением (до 300 Вт) и массой (до 80 кг), ориентированной на использование в составе малых космических аппаратов.
Ключевые слова: высокоскоростная радиолиния, космический аппарат, бортовая аппаратура, пункт приема информации, парциальные сигналы.
Введение
Высокоскоростная радиолиния передачи информации (ВРЛ ПИ) предназначена для передачи целевой информации от космического аппарата (КА) на наземные пункты приема информации (ППИ).
В соответствии с Международным Регламентом Радиосвязи для передачи данных в направлении космический аппарат - земная
станция фиксированной спутниковой службы отведены следующие полосы частот [1]:
- в пределах С-диапазона частот — от 3,4 до 3,6 ГГц, от 3,6 до 4,2 ГГц, от 4,5 до 4,8 ГГц, от 7,25 до 7,3 ГГц, от 7,3 до 7,45 ГГц, от 7,45 до 7,55 ГГц, от 7,55 до 7,75 ГГц;
- в пределах Х-диапазона частот — от 10,7 до 11,7 ГГц;
- в пределах Ки-диапазона частот — от 12,5 до 12,75 ГГц, от 17,3 до 17,7 ГГц, от 17,7
до 18.1 ГГц;
- в пределах Ки-диапазона частот — от 18,1 до 18,4 ГГц, от 18,4 до 18,6 ГГц, от 18,6 до 18,8 ГГц, от 18,8 до 19,3 ГГц, от 19,3 до 19,7 ГГц, от 20,2 до 21,2 ГГц;
- в пределах Ка-диапазона частот — от 37,5 до 40,0 ГГц; от 40,0 до 42,5 ГГц.
Особенностью проектирования радиолиний ВРЛ ПИ является необходимость учета дополнительного ослабления сигнала в тропосфере Земли, а также флуктуаций и искажений сигнала в ионосфере.
Методы прогнозирования различных параметров распространения радиосигнала, необходимые при планировании систем связи «Космос-Земля» и «Земля-Космос» изложены в рекомендации Международного Союза Электросвязи Recomendation [2, 3].
Проектирование радиолинии ВРЛ ПИ производилось с учетом следующих параметров, заданных исходными данными:
- максимальное значение высоты орбиты КА - 600 км;
- минимальное значение угла наблюдения КА над горизонтом — 7 град.;
- интегральное значение скорости передачи данных — от 800 до 1000 Мбит/с;
- диаметр рефлектора антенной системы на ППИ — до 5 м;
- вероятность ошибки передачи данных -не более 1*10-6 на бит;
- коэффициент оперативной готовности ВРЛ ПИ - не менее 0,98.
При определении оптимального частотного диапазона был проведен расчет энергетических характеристик радиолинии «КА-ППИ» с учетом потерь в атмосфере Земли, обусловленных поглощением сигнала в атмосферных газах, в облаках и в дожде, потерь, обусловленных быстрыми замираниями сигнала, определяемых наличием мелкомасштабных изменений индекса рефракции в атмосфере Земли, и шумовым излучением от поглощающей среды, а также влияния ионосферы на флуктуации амплитуды и фазы, а также временные параметры сигнала [4].
Также в ходе проектирования были определены оптимальные значения ширины полосы для каждого из рассмотренного диапазона с учетом ограничений на увеличение полосы частот за счет увеличения энергии сигнала, определяемые мультипликативным характером помехи [5], возникающей в дисперсном канале, и ограничений, вызванные бюджетом системы энергопитания КА.
Оценка характеристик в различных диапазонах частот
Для обеспечения интегрального значения информационной скорости высокоскоростной радиолинии передачи информации 1000 Мбит/с на наземные ППИ в диапазоне частот 3,4 ГГц...3,9 ГГц в условиях существующих ограничений на ширину спектра сигнала необходимо применение метода частотного уплотнения парциальных сигналов [6], при этом максимальное значение скорости передачи данных для каждого из парциальных сигналов не может превышать 144 Мбит/с. При формировании парциальных сигналов целесообразно применение модуляции типа 8PSK, обеспечивающего эффективное использование частотного ресурса в совокупности с приемлемыми энергетическими характеристиками [7]. Применение модуляции типа QAM не предполагается в связи с необходимостью обеспечения существенно более высоких требований к усилителю мощности, как в части уровня выходной мощности, так и линейности амплитудной характеристики [8]. При этом регулирование скорости передачи информации на наземные ППИ может осуществляться как посредством изменения количества парциальных сигналов в групповом сигнале, так и снижением скорости передачи данных в любом из парциальных сигналов, что обеспечит увеличение энергетического запаса ВРЛ ПИ.
В диапазоне частот 7,25...7,75 ГГц для обеспечения интегрального значения информационной скорости необходимо осуществлять передачу данных на одной несущей с применением модуляции QAM16 и современ-
ных методов помехоустойчивого кодирования [9] с параметрами, соответствующими максимальному значению ширины спектра сигнала не менее 430 МГц. В случае невозможности технической реализации демодулятора сигнала с указанными характеристиками вид модуляции должен быть изменен на 8PSK. При этом с учетом защитных частотных интервалов между спектрами парциальных сигналов потребуется дополнительно задействовать полосу частот от 7,75 ГГц до 8,15 ГГц.
Для диапазона частот 10,7... 11,7 ГГц характерным является повышенный уровень дополнительных потерь в атмосфере и незначительное воздействие на характеристики сигнала физических явлений, происходящих в ионосфере Земли [10]. Передача информации на наземные ППИ в диапазоне частот 10,7 ГГц... 11,7 ГГц с интегральным значением информационной скорости 1000 Мбит/с может осуществляться как посредством группового сигнала, состоящего из нескольких парциальных сигналов с энергетически более эффективной модуляцией QPSK с применением метода частотного уплотнения, так и сигнала со сложным видом модуляции (16QAM, 8PSK). Максимальное значение информационной скорости передачи СИ для каждого из парциальных сигналов — 150 Мбит/с. При суммировании сигналов в антенно-фидерном тракте [11] расстановка несущих в пределах диапазона частот может быть эквидистантной, при формировании сигнала до усилителя мощности - неэквидистантной.
Для диапазона частот 20,2...21,2 ГГц характерным является высокий уровень дополнительных потерь в атмосфере и их существенная частотная зависимость, приводящая к искажениям амплитудного спектра сигнала [12, 13]. Воздействием на характеристики сигнала физических явлений, происходящих в ионосфере Земли, можно пренебречь, поэтому на КА и ППИ возможно применение линейно-поляризованных антенных систем. Частичная компенсация искажений амплитудного спектра сигнала может быть решена, по аналогии с
диапазоном частот 10,7 ГГц... 11,7 ГГц, применением амплитудно-частотного корректора в передающем или приемном тракте. Величина остаточной неравномерности, которая не может быть устранена вследствие недетерминированного изменения во времени ослабления сигнала в атмосфере Земли [14], в совокупности с допустимым уровнем искажений определяют предельно допустимое значение максимальной ширины спектра сигнала и, соответственно, максимальное значение информационной скорости. Для более точной компенсации потребуется применение системы контроля величины неравномерности в реальном масштабе времени, что потребует существенного усложнения аппаратно-программных средств как бортовой, так и наземной аппаратуры.
Принимая во внимание величину дополнительных потерь в атмосфере Земли в диапазоне частот 37,5...42,5 ГГц (50,4 дБ при угле в = 7 град) [15], можно сделать однозначный вывод о невозможности реализации ВРЛ ПИ с требуемыми характеристиками в рассматриваемой полосе частот.
Для обеспечения выполнения требования к передаче по высокоскоростной радиолинии мониторинговой информации со скоростью 800-1000 Мбит/с предлагается использовать фазоманипулированный сигнал с модуляцией 8PSK. Для обеспечения возможности изменения скорости передачи информации в зависимости от энергетического состояния радиолинии и помеховой обстановки предлагается парциальное построение высокоскоростного канала. Итоговый сигнал формируется путем суммирования в модуле суммирования каналов 7 сигналов, который переносится на выходную частоту 10700...11700 МГц в повышающем конвертере.
Бортовая аппаратура высокоскоростной радиолинии
При разработке бортовой аппаратуры (БА) ВРЛ передачи информации с борта КА учиты-
валось, что она должна обеспечивать решение следующих задач:
- передача по высокоскоростной радиолинии (800-1000 Мбит/сек) мониторинговой информации;
- прием и хранение предварительно обработанной, сжатой, зашифрованной и закодированной мониторинговой и иной информации от бортового комплекса обработки сигналов и бортового комплекса управления;
- прием и размножение опорной частоты 100 МГц от бортового синхронизирующего устройства;
- функционирование от бортовой сети ± 24 В;
- функционирование в составе перспективной мало массогабаритной бортовой аппаратуры с малыми энергопотреблением (до 300 Вт) и массой (до 80 кг), ориентированной на использование в составе малых космических аппаратов.
В соответствии с заданными требованиями определен следующий состав бортовой аппаратуры ВРЛ:
- модуль управления и хранения данных;
- модуль размножения опорной частоты;
- модуль цифро-аналоговых преобразователей;
- модуль высокоскоростного квадратурного модулятора;
- модуль суммирования каналов;
- повышающий конвертор;
- усилитель мощности;
- вторичные источники питания.
Управление базовыми элементами ВРЛ ПИ
осуществляет бортовой комплекс управления (БКУ) КА по командному интерфейсу. От БКУ поступают команды на запись в память мониторинговой информации, на ее считывание и выдачу по ВРЛ ПИ на ППИ. От модуля управления и хранения данных в БКУ поступает информация функционального контроля (ИФК) о состоянии аппаратуры ВРЛ ПИ и квитанции на команды управления (КУ), поступившие от БКУ.
Информация, поступающая от аппаратуры предварительной обработки информации, записывается параллельно в 7 модулей памяти. Восьмой модуль резервный.
Синхронизация базовых элементов ВРЛ ПИ осуществляется по синусоидальному сигналу 100 МГц, поступающему от БКУ. Опорный сигнал размножается и усиливается до требуемого уровня в модуле размножения опорной частоты и поступает в аппаратуру ВРЛ ПИ.
В соответствии с текущей конфигурацией программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) модуля управления и хранения информации осуществляется установка соответствующих частот синтезаторов канальной частоты в модуле высокоскоростных канальных модуляторов, синтезатора несущей частоты в повышающем конвертере.
После получения сигналов готовности от модулей квадратурного модулятора, повышающего конвертера, усилителя мощности ПЛИС модуля управления и хранения данных начинает передачу мониторинговой информации из семи модулей памяти на входы цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) модуля ЦАП, которые производят перенос цифровых данных в аналоговые синфазные и квадратурные модулирующие сигналы для формирования в модуле высокоскоростного квадратурного модулятора сигнала промежуточной частоты с заданным видом модуляции и шириной полосы частот.
Сформированные в семи ЦАП сигналы поступают на соответствующие квадратурные модуляторы для формирования сигналов промежуточной частоты в диапазоне частот от 1700 до 2700 ГГц. Номиналы промежуточной частоты для каждого квадратурного модулятора задаются ПЛИС модуля управления и хранения данных в соответствии с текущей конфигурацией.
Модулированные сигналы с выходов квадратурных модуляторов усиливаются и поступают на сумматоры модуля суммирования каналов. Усиление необходимо для компенсации потерь в модулях.
Модуль суммирования каналов осуществляет суммирование парциальных сигналов, поступающих от 7 квадратурных модуляторов (7 каналов) в сигнал с единой полосой от 1700 до 2700 МГц и выдачу его в модуль повышающего конвертера.
В повышающем конвертере производится перенос модулированного сигнала промежуточной частоты на частоту 10700.11700 МГц с целью ее последующего усиления в усилителе мощности.
Усиленный в усилителе мощности до необходимого уровня сигнал поступает в антенно-фидерное устройство.
Модуль управления и хранения данных
В состав модуля управления и хранения данных входят:
- ПЛИС управления ХС2У6000;
- 8 модулей хранения информации по 32 Гб каждый;
- параллельный интерфейс для взаимодействия с аппаратурой предварительной обработки мониторинговой информации;
- параллельный интерфейс для взаимодействия с БКУ;
- оперативная память;
- конфигурационная память;
- модуль отладки ПЛИС управления;
- преобразователи питания.
Модуль управления и хранения данных осуществляет взаимодействие с БКУ КА и аппаратурой предварительной обработки мониторинговой информации; запись данных, поступающих из аппаратуры предварительной обработки мониторинговой информации, в устройство хранения и считывание записанной информации и передачу в ЦАП для преобразования цифровых данных в аналоговый сигнал, необходимый для квадратурной модуляции; управление модулем ЦАП, модулем высокоскоростного квадратурного модулятора, повышающим конвертером с целью формирования из принятых данных широкополосного сигнала для передачи на ППИ мониторинговой информации по сигналу, поступающему из
БКУ КА; хранение типовых конфигураций аппаратуры высокоскоростной радиолинии передачи информации с борта КА и реконфигурацию аппаратуры высокоскоростной радиолинии передачи информации с борта КА по командам из БКУ КА; также реализуется сбор и выдача в БКУ информации функционального контроля о состоянии аппаратуры. Функциональная схема модуля управления и хранения данных представлена на рис. 1.
Опорный сигнал 100 МГц поступает с модуля размножения опорной частоты. Сигнал от БКУ по командному параллельному интерфейсу поступает в ПЛИС управления семейства У1йех-П. По сигналу от БКУ происходит запись данных, поступающих из аппаратуры предварительной обработки мониторинговой информации по параллельному информационному интерфейсу в устройства хранения данных емкостью 256 Гбит каждый. Во время проведения сеанса с ППИ по команде из БКУ производится считывание и передача записанной информации в модуль ЦАП для преобразования цифровых данных в аналоговые синфазный и квадратурный сигналы.
Сформированные сигналы поступают на квадратурные модуляторы модуля высокоскоростного квадратурного модулятора, в котором ПЛИС осуществляет управление синтезатором канальной частоты, построенном на микросхемах синтезатора с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ). Также ПЛИС осуществляет управление синтезатором несущей частоты типа ADF4108 в повышающем конвертере осуществляющем преобразование промежуточной частоты в несущую частоту с модуляцией 8PSK для дальнейшего усиления и передачи информации на ППИ.
В конфигурационной памяти ПЛИС хранятся конфигурации для загрузки ПЛИС управления аппаратуры высокоскоростной радиолинии передачи информации для изменения скорости передачи информации в зависимости от энергетических характеристик высокоскоростной радиолинии передачи информации.
Рис. 1. Функциональная схема модуля управления и хранения данных
Модуль отладки ПЛИС управления состоит из ПЛИС CPLD, памяти М25Р объемом 128 Мбит, вспомогательного генератора серии СБРТ-126, преобразователя FT232RL И8Б-иАЯТ, и предназначен для отладки, контроля функционирования модуля управления и хранения данных и остальных базовых элементов ВРЛ ПИ, взаимодействия их с базовыми элементами аппаратуры обработки мониторинговой информации, БКУ на этапе отладки и проведения испытаний. Для возможности отладки модуля управления и хранения данных при отсутствии опорного сигнала от БСУ в его состав входит кварцевый генератор.
Модуль размножения опорной частоты Модуль размножения опорной частоты предназначен для обеспечения элементов высокоскоростной радиолинии передачи информации с борта КА высокостабильной опорной частотой 100 МГц, поступающей от бортового синхронизирующего устройства (БСУ). Выбор значения опорной частоты определяется значением опорной частоты, поступающим от БСУ. Функциональная схема модуля размно-
жения опорной частоты представлена на рис. 2.
В состав модуля размножения опорной частоты входят 4 сплиттера (делители/сумматоры) на три канала каждый и 3 широкополосных, линейных усилителя с фиксированным коэффициентом усиления, работающий на частотах до 1000 МГц. Сигнал высокостабильной опорной частоты поступает на делитель от БСУ. На усилителях происходит усиление сигнала на 16,5 дБ для компенсации ослабления входного сигнала на первом делителе и усиления до уровня, достаточного для компенсации ослабления выходного сигнала на выходных делителях.
С девяти выходов модуля размножения опорной частоты опорный сигнал требуемого уровня не менее 0,5...0,9 В поступает на ПЛИС управления, синтезаторы высокоскоростного квадратурного модулятора и повышающего конвертора.
Модуль цифро-аналоговых преобразователей Модуль ЦАП предназначен для формирования из данных, поступающих от модуля управления и хранения информации, аналогового син-
16,5 дБ 100 МГц
Рис. 2. Функциональная схема модуля размножения опорной частоты
фазного и квадратурного модулирующего сигнала для формирования в модуле высокоскоростного квадратурного модулятора сигнала промежуточной частоты с заданным видом модуляции и шириной полосы частот. Функциональная схема модуля ЦАП представлена на рис. 3.
В состав модуля ЦАП входят линейные преобразователи питания, семь двухканальных 16-разрядных цифро-аналоговых преобразователей с частотой тактирования до 1200 МГц по числу поддиапазонов (каналов) и фильтры нижних частот (НЧ).
В модуле ЦАП происходит формирование из данных, поступающих от модуля управле-
ния и хранения информации, аналогового синфазного и квадратурного модулирующего сигнала для формирования в модуле высокоскоростного квадратурного модулятора сигнала промежуточной частоты с заданным видом модуляции и шириной полосы частот.
Модуль высокоскоростного квадратурного модулятора Модуль высокоскоростного квадратурного модулятора предназначен для формирования сигнала промежуточной частоты с заданным видом модуляции и шириной полосы частот.
Необходимо сформировать модулированный сигнал промежуточной частоты в диа-
Рис. 3. Функциональная схема модуля цифро-аналоговых преобразователей
От ЦАП Л=50МГц
К=16,9 дБ
Рис. 4. Функциональная схема высокоскоростного квадратурного модулятора
пазоне частот от 1700 до 2700 ГГц. В качестве синтезатора канальной частоты предлагается использовать интегрированный синтезатор с целочисленным коэффициентом деления и генераторы, управляемые напряжением (ГУН), серии ADF4360 с диапазоном выходных частот 2400.2725 МГц, 2050.2450 МГц, 1850.2170 МГц, 1600.1950 МГц соответственно. Модуль высокоскоростного квадратурного модулятора состоит из семи модулей по числу поддиапазонов (каналов), на которые разбит выходной сигнал. В состав каждого модуля квадратурного модулятора входят синтезатор канальной частоты, согласующий фильтр, квадратурный модулятор, предназначенный для работы в диапазоне частот от 400 МГц до 6 ГГц, и выходной усилитель ВЧ диапазона 400 МГц...2700 МГц с выходной мощностью % Ватт. Функциональная схема высокоскоростного квадратурного модулятора представлена на рис. 4.
На квадратурный модулятор каждого канала поступают два дифференциальных модулирующих сигнала от ЦАП и несимметричный сигнал гетеродина. На синтезаторах формируются промежуточные частоты гетеродинов: 1770 МГц, 1910 МГц, 2050МГц, 2190 МГц, 2330 МГц, 2470 МГц, 2610 МГц. Модулированные сигналы высокой частоты с выхода квадратурных модуляторов усиливаются на 16,5 дБ на усилителях и поступают на сумматоры модуля суммирования каналов.
Модуль суммирования каналов Модуль суммирования каналов предназначен для обеспечения суммирования сигналов, поступающих от семи квадратурных модуляторов (каналов) в сигнал с единой полосой от 1700 до 2700 МГц и выдачу его в модуль повышающего конвертера. Функциональная схема модуля суммирования каналов представлена на рис. 5.
К=16,9 дБ
Рис. 5. Функциональная схема модуля суммирования каналов
От сумматора
+ 15 В
„Гот. Упр. , 100 МГц
Синтезатор
К=120дБ
Усилитель
Фазовращатель
I 1,7-^2,7 ГГц
4,5 ГГц
Генератор
9 ГГц
Преобразователь
10,74-11,7 ГГц
Рис. 6. Функциональная схема повышающего конвертера
В состав модуля суммирования каналов входят сплиттеры (делители/сумматоры) на четыре и два канала соответственно и усилители, обеспечивающие мощность выходного сигнала более 17 дБм при частоте 2140 МГц и напряжении смещения 5 В, поддерживая при этом коэффициент мощности в соседнем канале на уровне минус 55 дБн. В модуле суммирования каналов происходит суммирование сигналов, поступающих от квадратурных модуляторов в сигнал с единой полосой от 1700 до 2700 МГц, после чего парциальные сигналы, поступающие с выходов сумматоров, усиливаются на 16,9 дБ. Усиленные сигналы с выходов широкополосных усилителей поступают на вход широкополосного сумматора и после суммирования с поступают в модуль повышающего конвертера.
Повышающий конвертер Повышающий конвертер предназначен для переноса модулированного сигнала промежуточной частоты 1700...2700 МГЦ на частоту 10700...11700 МГЦ с целью ее последующего усиления в усилителе мощности. Функциональная схема повышающего конвертера представлена на рис. 6.
В состав повышающего конвертера входят синтезатор частоты с шириной полосы 8 ГГц, управляющий элемент с фильтром низких частот (ФНЧ) на базе прецизионного усилителя семейства AD867, ГУН на базе микросхемы серии НМС510 и повышающий конвертер на 10.16 ГГц.
Синтезатор частот используется для реализации гетеродина в каскаде повышения частоты. Для реализации полнофункционального ФАПЧ, на основе данной микросхемы, используется внешний петлевой фильтр и ГУН. В качестве управляющего элемента в кольце ФАПЧ используется прецизионный усилитель серии AD867. ГУН формирует частоту гетеродина, необходимую для формирования в повышающем конвертере модулированного сигнала на частотах 10700.11700 МГц. В качестве повышающего конвертера используется микросхема серии НМС924. Для получения на входе 1 и входе 2 повышающего конвертера сигналов промежуточной частоты, смещенных по фазе на 90° применяем фазовращатель, работающий в частотах от 1700 до 2700 МГц.
Усилитель мощности Усилитель мощности состоит из арсенид-галлиевых усилителей мощности серий БММ5061 и FLM1011. Усилитель мощности построен по каскадной схеме. Функциональная схема усилителя мощности представлена на рис. 7.
Усилитель мощности на входе представляет собой монолитную СВЧ интегральную схему и предназначен для работы в полосе частот 9,5.13,5 ГГц. Коэффициент усиления мощности на 1 дБ составляет 25 дБ. Выходная мощность до 2 Вт (33 дБм). Выходные каскады построены на арсенид-галлиевых (GaAs) усилителях мощности серии FLM1011, предназначенные для работы в полосе частот
6 ЛБ
Рис. 7. Функциональная схема усилителя мощности
10,7.11,7 ГГц. Коэффициент усиления мощности на 1 дБ составляет 7 дБ. Выходная мощность до 15 Вт (42 дБм).
Вторичные источники питания Для обеспечения базовых элементов аппаратуры для высокоскоростной радиолинии передачи информации с борта КА необходимо использовать вторичные источники питания (ВИП) +12 В и ± 12 В, запитанные от напряжения бортовой сети ± 24 В. Схема питания аппаратуры ВРЛ ПИ представлена на рис. 8.
Ориентировочная потребляемая мощность базовых элементов аппаратуры ВРЛ ПИ составляет 65,35 Вт. Предлагается использование двух типов ВИП: с выходным напряжением + 12 В и с выходным напряжением ± 15 В. От ВИП 12 В через импульсные преобразователи запитываются модуль ЦАП, модуль размножения опорной частоты, высокоскоростной квадратурный модулятор и модуль суммирования каналов. Ориентировочное потребления этих элементов составляет 50 Вт. От ВИП ± 15 В запитывается модуль управления и хранения
±24 В
12В
±24 В
± 15В
Модуль питания
ЙЕН
ТтШ 5Б
I.TM
LTM
LTM
LTM
Модуль .'пг'~ел?ния и кранэнмя
Д5ННЬК
1 а -?В
| PEG
56 ПоЕЬ ХЗК Vй кэ^изтер
"REGl 3.3В
И"
EtEOHKEDKCTriai кэадратуЕньи моа/г!=тор
¡ГШ SB
±24 В
- Усилитель мощности
Рис. 8. Функциональная схема вторичных источников питания
данных и повышающий конвертер.
Потребляемая мощность усилителя мощности составляет 245 Вт при мощности выходного сигнала 30 Вт, 340 Вт при мощности выходного сигнала 40 Вт, 470 Вт при мощности выходного сигнала 50 Вт. Питание усилителя мощности происходит отдельно от бортовой сети ±24 В. Таким образом, потребляемая мощность для одного комплекта аппаратуры ВРЛ ПИ, включая усилитель мощности составит 310.535 Вт.
Заключение
В ходе работы проведен анализ основных исходных данных на проектирование бортовой аппаратуры для высокоскоростной радиолинии передачи информации с борта КА, анализ требований к составу и назначению базовых элементов БА ВРЛ ПИ. Проведен расчет энергетических характеристик высокоскоростной радиолинии передачи информации КА — ППИ.
В статье приведена оценка достижимых характеристик аппаратуры в различных диапазонах частот. Для обеспечения выполнения требования к передаче по высокоскоростной радиолинии мониторинговой информации со скоростью 800-1000 Мбит/с предлагается использовать фазоманипулированный сигнал с модуляцией 8PSK на частоте диапазона 10700.11700 МГц, либо 20700.21700 МГц. Преимущество диапазона частот
20700.21700 МГц состоит в его малой используемости диапазона потребителями и, как следствие, более мягкими требованиями по электромагнитной совместимости с другими средствами. Но, вследствие малой используемости данного диапазона и отсутствия элементной базы с необходимыми параметрами предлагается использование диапазона частот 10,7.11,7 ГГц.
Допустимый уровень излучения в сторону Земли бортовых антенн ограничен из-за недопустимости излучения в этом направлении мощных сигналов, которые могут создать помехи другим радиотехническим системам. По-
этому целесообразно увеличивать коэффициент усиления антенно-фидерных устройств на передачу за счет применения зеркальных (двухзеркальных) антенн, либо антенн на основе активных фазированных антенных решеток. Необходимо учесть, что с увеличением частоты сигнала происходит пропорциональное уменьшение ширины диаграммы направленности основного лепестка и при конструировании системы наведения необходимо обеспечить весьма высокую точность наведения луча антенны.
Для реализации возможности изменения скорости передачи информации в зависимости от энергетического состояния радиолинии и помеховой обстановки предлагается парциальное построение высокоскоростного канала.
В ходе работы определены основные результаты технического проектирования экспериментальных образцов базовых элементов бортовой аппаратуры для высокоскоростной радиолинии передачи информации с борта КА, структурная схема базовых элементов ВРЛ ПИ и принципы функционирования.
Литература
1. Таблица распределения полос частот между радиослужбами Российской Федерации (утв. Постановлением Правительства РФ от 18 сентября 2019 № 1203-47). Москва. 2019.
2. Recommendation ITU-R P.618-13 «Propagation data and prediction methods required for the design of Earth-space telecommunication systems». Geneva. 2017.
3. Recommendation ITU-R Р.1057-6 «Probabil-ity distributions relevant to radiowave propogation modeling». Geneva, 2019.
4. Андрусенко Ю.А, Котлов М.А., Малов А.А. Расчет канала связи НПУ-БПЛА с учетом реального рельефа местности с использованием имитационной модели // Наука и образование в современном обществе: актуальные вопросы и инновационные исследования : сборник статей II Международной научно-практической конференции, Пенза, 17 января 2021 года. Пенза: «Наука и Просвещение», 2021. С. 37-40.
5. Артюшенко В.М., Воловач В.И. Статистические характеристики смеси сигнала и аддитивно-мультипликативных помех с негауссовским характером распределения // Радиотехника. 2017. № 1. С. 95-102.
6. Охрименко А.А, Крюков Я.В., Покаме-стов Д.А. Исследование влияния погрешности оценки канала передачи на расчет мощности при уплотнении пользовательских каналов методом РБ-МОМЛ // Электронные средства и системы управления. Материалы докладов Международной научно-практической конференции. 2019. Т. 1. № 1-1. С. 28-30.
7. Ершов А. Н., Березкин В. В., Петров С. В. Экспериментальная отработка комплексов высокоскоростной передачи информации для КА ДЗЗ // Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы. 2018. Т. 5. № 4. С. 56-64. БО1: 10.30894^п2409-0239.2018.5.4.56.64.
8. Волхонская Е. В., Коротей Е. В., Рушко М. В. Модельная оценка влияния формы созвездия на помехоустойчивость приема радиосигнала рЛМ-8 в среде МаНаЪ // Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. Серия: Физико-математические и технические науки. 2018. № 3. С. 23-29.
9. Иванова Е. Ю., Фадеев Д. К. Совместное применение неоднородной модуляции и помехоустойчивого кодирования // Б8РЛ: Вопросы применения цифровой обработки сигналов. 2017. Т. 7. № 2. С. 89-93.
10. Шершнев К. А., Бастракова М. И. Классификация и исследование моделей ионосферы // Научному прогрессу - творчество молодых : материалы X международной молодежной научной конференции по естественнонаучным и техническим дисциплинам, Йошкар-Ола, 17-18 апреля 2015 года / Поволжский государственный технологический университет. Йошкар-Ола: Поволжский государственный технологический университет, 2015.
С. 84-85.
11. Банников И. М., Салтыков О. В. Цифровое формирование диаграммы направленности антенн СГД // Техника радиосвязи. 2008. № 13. С. 97-112.
12. Якушенко С. А., Забело А. Н., Антонов В. В. Учет особенностей планирования сетей спутниковой связи работающих в Ka/q-диапазонах частот // Colloquium-journal. 2020. № 15-1(67). С. 25-29. DOI: 10.24411/2520-6990-2020-11929.
13. Дубина М. В., Афонин И. Л. Прием служебных сигналов искусственных спутников Земли в Ku- и Ka-диапазонах // 27-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо'2017) : Материалы конференции : В 9 томах, Севастополь, 10-16 сентября 2017 года. - Севастополь: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Севастопольский государственный университет», 2017. С. 1723-1728.
14. Анишин М. М., Жбанков Г. А. Расчет поляризационных потерь при планировании радиолиний коротковолнового диапазона (часть 1) // Техника радиосвязи. 2021. № 2(49). С. 42-52. DOI: 10.33286/2075-8693-2021-49-42-52.
15. Васильев С. В., Кащеев Н. А., Кравченко А. С. Методы и результаты синтеза характеристик оперативности обмена информацией между абонентами информационно-управляющих комплексов на основе низкоорбитальных информационных сетей // Надежность и качество сложных систем. 2016. № 3(15). С. 3-10. DOI: 10.21685/2307-42052016-3-1.
Поступила 11 мая 2022 г.
English
CALCULATION METHODS' ANALYSIS OF POTENTIAL NOISE IMMUNITY OF DIGITAL DEMODULATORS IN OPERATING WITH NOISE INTERFERENCE
Evgeny Sergeevich Gerasimenko — Lecturer of the Department of Mathematics and Systems Modeling, Voronezh Institute of the Ministry of Internal Affairs of Russia. E-mail, jenya35353@yandex.ru
Sergey Anatolyevich Sherstyukov — Grand Dr. in Engineering, Professor of the Department of Infocommunication Systems and Technologies, Voronezh Institute of the Ministry of Internal Affairs of Russia.
E-mail, sherserge@gmail.com
Address: 602264, Russian Federation, Vladimir region, Murom, Orlovskaya st, 23.
Abstract: The article examines a new proposed algorithm scheme of fast digital demodulation of binary phase-shift keyed signals, distinct in implementing minimum possible number of simple mathematical operations for one period of incoming signal. Noise interference is mathematically described that affect received signals' distortion. A computing experiment was performed based on statistical simulation that enables to analyze signal distortions when it passes through a narrowband radio path. Simulation survey findings and cumulative calculations as per common methods enable to conclude about optimality of proposed algorithms and calculations. Calculation methods for po-
tential noise immunity of demodulators when operating with noise interference of various types is examined. Mathematical calculations and applied known formulas proved its validity and efficiency. Developed methods for calculating potential noise immunity of proposed digital demodulators is applicable to noise interference of various statistical properties. MATLAB program is an effective tool for comprehensive simulation of radio devices. When implementing FPGA-based electronic device by Xilinx Co., it is possible to set-up its simulation in ISE program and introduce it into Matlab program. It makes sense using MathCAD program for statistical simulation modeling with small values of signal periods for information symbol L < 105, which provides program developer with a variety of functions to generate and statistically process pseudo-random numbers, but calculation time increase is retribution for this convenience. When L is big it makes sense using object-oriented programming systems, for example, Delphi ensuring high speed simulation. An example is given for proposed algorithms' analysis of digital demodulation of phase-shift keyed signals. The program of statistical simulation was prepared within the research that implements the proposed calculation methods for potential noise immunity. Work view is presented in this article.
Keywords: demodulator, signal demodulation, phase-manipulated signal, noise immunity calculation method, noise interference.
References
1. Sovetov B.Ya., Yakovlev S.A. Modeling of systems: textbook. For universities. Moscow: Vyshaya shkola, 2009. 343 p.
2. Shelukhin O.I., Tenyakshev A.M., Osin A.V. Modeling of information systems: textbook. manual. Moscow: Raditehnika, 2005. 368 p.
3. Bakalov V.P. Digital modeling of random processes. Moscow: Science Press, 2002. 88 p.
4. Ermakov S.M. Statistical modeling. Part 1.: Modeling of distributions.. St. Petersburg: NIIMM St. Petersburg
State University, 2006. 63 p.
5. MakarovE.G. Mathcad: training course. St. Petersburg: St. Petersburg, 2009. 394 p.
6. Valpa O.D. Borland C++ Builder: Express course. St. Petersburg: BHV-Petersburg, 2006. 224 p.
7. ArkhangelskyA.Ya. Delphi 2006 : Reference manual: Delphi language, classes, Win32 and .NET functions.
Moscow: Binom-Press, 2006, 1152 p.
8. Wentzel E.S., Ovcharov L.A. Probability theory and its engineering applications. Moscow: Vyshaya shkola,
2000. 483 p.
9. GihmanI.I., SkorokhodA.V. Introduction to the theory of random processes. Moscow: 1977. 568 p.
10. Kendall M., Stewart A. Theory of distributions. Moscow: Nauka, 1966. 587 p.
