РЕТРАНСЛЯТОРЫ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ С ИЗМЕНЕНИЕМ ВИДА МОДУЛЯЦИИ И ИЗМЕНЕНИЕМ СПОСОБА РАЗДЕЛЕНИЯ СИГНАЛОВ ЗЕМНЫХ СТАНЦИЙ

Мурсаев Алексей Николаевич; Зинкин Сергей Владимирович; Вершинин Егор Андреевич

ТЕХНИКА, ТЕХНОЛОГИЯ, УПРАВЛЕНИЕ

УДК 621.37

РЕТРАНСЛЯТОРЫ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ С ИЗМЕНЕНИЕМ ВИДА МОДУЛЯЦИИ И ИЗМЕНЕНИЕМ СПОСОБА РАЗДЕЛЕНИЯ СИГНАЛОВ

ЗЕМНЫХ СТАНЦИЙ

А. Н. Мурсаев1, С. В. Зинкин2, Е. А. Вершинин3

1 2' 3Пензенский государственный университет, Пенза, Россия 1mursaev2012@yandex.ru 2sergius-@bk.ru 3egor.verschinin2011@yandex.ru

Аннотация. Среди ретрансляторов спутниковой связи с обработкой сигналов на радиочастоте особое место занимают ретрансляторы с изменением вида модуляции и изменением способа разделения сигналов земных станций. Проанализированы особенности каждого из них. В частности, ретрансляторы с преобразованием вида модуляции рассмотрены на примере преобразования вида ОМ-ФМ, а ретрансляторы с изменением способа разделения сигналов земных станции на радиочастоте - на основе дисперсионной линии задержки. В этом подклассе ретрансляторов определенный интерес представляют ретрансляторы с изменением вида модуляции и изменением способа разделения сигналов земных станций (ЗС).

Ключевые слова: ретранслятор с преобразованием вида модуляции, ретранслятор с изменением способа разделения сигналов земных станции на радиочастоте, спутниковая связь

Для цитирования: Мурсаев А. Н., Зинкин С. В., Вершинин Е. А. Ретрансляторы спутниковой связи с изменением вида модуляции и изменением способа разделения сигналов земных станций // Вестник Пензенского государственного университета. 2021. № 1. С. 67-72.

Ретранслятор с преобразованием вида модуляции

Ретранслятор данного типа рассмотрим на примере преобразования вида ОМ-ФМ. Такой принцип преобразования на основе искусственного активного нелинейного элемента, обладающего сильным эффектом амплитудно-фазовой конверсии [1]. Данный способ преобразования в ретрансляторе с многостанционным доступом и частотным разделением каналов (МДЧР) дает положительный эффект, обусловленный следующими факторами:

- эффективным использованием полосы частот при передаче земными станциями сигналов с однополосной АМ;

- подавлением шумов суммарным входным сигналом в нелинейных элементах тракта промежуточной частоты;

- полным использованием мощности бортового передатчика при отсутствии комбинационных помех и других эффектов нелинейного преобразования. Последнее обусловлено формированием группового сигнала с фазовой модуляцией, обладающего постоянной амплитудой.

Структурная схема преобразователя показана на рис. 1. Он включает сумматор, на входы которого поступают входной групповой сигнал ure(t), опорный сигнал Uo(t) от генератора Го и ограничитель амплитуды суммарного сигнала. На рис. 2 представлены спектры сигналов отдельных ЗС и спектр группового сигнала (ГС), сформированного на основе МДЧР. Принцип действия преобразователя ОМ-ФМ поясняется векторной диаграммой, изображенной на рис. 3, для произвольного фиксированного момента времени [2].

Рис. 1. Структурная схема преобразователя ОМ-ФМ

Рис. 2. Спектры сигналов ЗС и группового сигнала

Из теории электрических и радиотехнических цепей известно, что входной групповой сигнал иге(0 может быть представлен в виде

иге(0 = ЦсиМпСмсГ + П(£)], (1)

т.е. модулирующий сигнал для ГС с точностью до постоянного множителя имеет вид

иге(0 = ЦсЮБШШ. (2)

При сложении иге(0 с опорным сигналом

Ыо&) = (3)

при Юс = Юо на выходе сумматора в соответствии с векторной диаграммой получаем результирующее колебание щф с амплитудой

Up(t) = J[U0 + Uc(t)cosQ(t)]2 : = U0 + a2 (t) + 2a (t) cos Q(t),

(4)

где a(t) = Üc(t)/Ü0.

Рис. 3. Векторная диаграмма принципа действия преобразователя М-ФМ

Соответственно фаза результирующего колебания

, ч U (t) sin Q(t) a(t) sin Q(t)

9p(t) = arctg r тт -ТТТГТ = arctg-;

U + Uc (t) cos Q(t) 1 + a(t) cos Q(t)'

(5)

Из (5) следует, что фаза результирующего колебания будет изменяться по закону модулирующего сигнала (2) при соблюдении двух условий [3]. Во-первых, если в разложении

arctg = х - — +...

можно учесть только первый член

х =

a(t) sinQ( t) 1 + a(t) cosQ(t).

(6)

(7)

Во-вторых, если в этом члене в знаменателе пренебречь слагаемым a(t) cos^(t). Оба условия удовлетворяются неравенством dmax << 1 или Uc max << Uc maxU> В этом случае

9p * a(t)sin^(t). (8)

Устранение зависимости амплитуды результирующего колебания от времени осуществляется ограничителем с порогом ограничения

Цогр < U0 - Uc max = Ц)(1- amax). (9)

Анализ выражения для 9p (t) показывает, что если частота несущей сигнала ю не равна частоте опорного сигнала ю , т.е.

Qc - Q0 = Аю ф о, (10)

то

9p « a(í)sm[Q(í) + Aqí],

(11)

т.е. произойдет искажение выходного сигнала. Для обеспечения равенства указанных частот в схеме преобразователя необходимо использовать автоматическую подстройку частоты (АПЧ) опорного генератора [4].

Основным недостатком схемы является малое значение коэффициента фазовой модуляции. Действительно, из рис. 1-3 следует, что максимальное значение девиации фазы

3

лФтах = агат -ур- = штат атах « атах «1. (12)

При допустимом уровне искажений из-за нелинейной зависимости фр от модулирующего сигнала, которой оценивается мощностью переходных помех между каналами Рпер < (2-3) тыс. пВт, значение девиации фазы составляет величину порядка 0,3 рад. Для увеличения фр в т раз используется соответствующее умножение выходной частоты преобразователя.

Ретранслятор с изменением способа разделения сигналов ЗС на радиочастоте

В настоящее время большой интерес вызывает возможность преобразования способа разделения сигналов ЗС вида ЧДВР (комбинация частотного и временного разделения) на основе дисперсионной линии задержки (ДЛЗ). Зависимость выходного сигнала от входного для ДЛЗ определяется выражением

и„ых(£) = к ивх(£ - т (/)), (13)

т.е. величина задержки сигнала в ДЛЗ зависит от значения его частоты.

Характеристика ДЛЗ в осях «частота - задержка» представлена диаграммой на рис. 4. Очевидно, что при импульсном режиме работы ЗС и частотном доступе к ретранслятору на выходе ДЛЗ можно обеспечить временное разделение сигналов ЗС на выходе ДЛЗ.

/.

/' 3

П П (\

11 X,- Т„

Рис. 4. Характеристика ДЛЗ

Несмотря на простоту данного метода преобразования, реализация его связана с решением ряда серьезных проблем. Главная из них - обеспечение асинхронного доступа ЗС к ретранслятору [5, 6].

При неодновременном поступлении на вход ДЛЗ сигналов различных ЗС, как следует из диаграммы на рис. 5, возможно как взаимное наложение сигналов, так и произвольное временное их положение на выходе ДЛЗ.

й-!-• х2

Рис. 5. Диаграмма временного положения сигналов различных ЗС

В настоящее время ведутся поиски наилучших путей решения этой проблемы. Одним из путей, обеспечивающих возможность практической реализации устройства, причем при условии даже непрерывной работы каждой ЗС, является стробирование входных сигналов короткими импульсами [7]. Принцип обеспечения асинхронной работы ЗС поясняется с помощью диаграммы на рис. 6. Первые три диаграммы соответствуют передаче земными станциями двоичных информационных символов (показаны условно огибающие). Следующие три диаграммы показывают сигналы ЗС после их стробирования. На последней диаграмме показаны соответствующие сигналам различных ЗС (размещаются во времени на строго определенных местах, т.е. задача асинхронной работы ЗС практически решена).

щ

иг

щ

ис 1

Ис2

ИсЗ

МщДХ • • •• • • 1 1 II •

Рис. 6. Диаграмма принципа обеспечения асинхронной работы ЗС

Таким образом, в статье проанализированы ретрансляторы спутниковой связи с преобразованием вида модуляции на примере преобразования вида ОМ-ФМ, а также ретрансляторы с изменением способа разделения сигналов земных станции на радиочастоте - на основе дисперсионной линии задержки.

Список литературы

1. Немировский М. С., Локшин Б. А., Аронов Д. А. Основы построения систем спутниковой связи : учебник / под ред. М. С. Немировского. М. : Горячая линия-Телеком, 2017. 432 с.

2. Камнев В. Е., Черкасов В. В., Чечин Г. В. Спутниковые сети связи : учеб. пособие. 2-е изд., доп. М. : ВП, 2010. 603 с.

3. Кузин К. А. Применение ретрансляторов спутниковой связи на беспилотных летательных аппаратах // Инновационная наука. 2019. № 4. С. 58-61.

4. Назаров С. Н. Влияние основных характеристик приемников и передатчиков земных станций и геостационарных ретрансляторов на пропускную способность спутниковых каналов связи // Вестник УлГТУ. 2010. № 3. С. 41-445. Чипига А. Ф. Анализ возможностей практической реализации системы спутниковой связи

на участке космический аппарат - земля при работе на пониженных частотах // Наука. Инновации. Технологии. 2013. № 1. С. 63-70.

6. Ибрагимов Д. Ш. Расчет параметров направленной антенны для беспроводного доступа к станции сопряжения с сетью спутников-ретрансляторов // Сервис в России и за рубежом. 2009. № 2. С. 51-617. Спутниковые системы связи : учеб. пособие для вузов / под ред. А. М. Сомова. М. : Горячая линия-Телеком, 2012. 244 с.

Информация об авторах

Алексей Николаевич Мурсаев, кандидат технических наук, заместитель начальника кафедры радио- и спутниковой связи, Пензенский государственный университет.

Сергей Владимирович Зинкин, кандидат технических наук, доцент кафедры радио- и спутниковой связи, Пензенский государственный университет.

Егор Андреевич Вершинин, студент, Пензенский государственный университет. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Текст научной работы на тему «РЕТРАНСЛЯТОРЫ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ С ИЗМЕНЕНИЕМ ВИДА МОДУЛЯЦИИ И ИЗМЕНЕНИЕМ СПОСОБА РАЗДЕЛЕНИЯ СИГНАЛОВ ЗЕМНЫХ СТАНЦИЙ»