Плотность потока мощности и эквивалентная изотропная излучаемая мощность

Чтобы наземные устройства могли принимать сигналы со спут­ника, необходимо создать у поверхности Земли определенную на­пряженность электромагнитного поля (или плотность потока мощ­ности электромагнитных волн). Мощность электромагнитных волн, излучаемых антенной, является важнейшей характеристикой пере­дающей системы. Излучать их равномерно во все стороны, то есть изотропно, при спутниковом телевизионном вещании нецелесооб­разно и в большинстве случаев недопустимо. Поэтому излучаемая энергия электромагнитных волн концентрируется антенной в узкий луч и направляется на выбранную земную поверхность.

В этом случае для ее оценки пользуются понятием эквивалент­ной изотропной излучаемой мощности ЭИИМ⁴, (Eguivalent isotropi-cally radiated power, EIRP). ЭИИМ (Е) показывает, какую мощность пришлось бы иметь передатчику искусственного спутника, если бы излучение велось изотропно, всенаправленно. Однако благодаря направленным свойствам антенны, требуемая мощность излучения меньше на коэффициент ее усиления. Уровень энергии электро­магнитных волн в точке приема на поверхности Земли зависит от рассеяния энергии по мере удаления от спутника и дополнительных ее потерь в атмосфере Земли. Уровень энергии, падающей на пер­пендикулярную к потоку поверхность, отнесенный к площади этой поверхности, называется плотностью потока мощности - ППМ (W). Для определения ППМ в месте приема, если известны значения ЭИИМ, пользуются формулой:

(2.2)

Первое вычитаемое определяет потери на рассеяние. Второе - учитывает потери в атмосфере Земли, поэтому приведенная фор­мула справедлива для любой погоды. При расчетах для ясной по­годы второе вычитаемое отсутствует. Расстояние до спутника при­нимается равным

d = 3,7-10⁷ м.

Более точно расстояние можно определить по формуле:

, (2.3)

где = 42164 км - расстояние от центра Земли до геостационарной орбиты (экваториальный радиус); Ь = (L - S) - разность между географической долготой точки приема (L) и долготой спутника (S); в,— географическая широта точки приема; 0,1513 - частное от де­ления радиуса Земли на траекторию движения спутника.

Для определения значения плотности потока мощности по из­вестной величине эквивалентно изотропной излучаемой мощности (без учета потерь) можно руководствоваться упрощенной формулой (2.4) или графической зависимостью, представленной на рис. 2.3

W(дБ Вт/м ) = Е (дБ Вт) - (2.4)

Плотность потока мощности является очень важной характери­стикой для приема со спутников-ретрансляторов. Она позволяет оценить возможность уверенного приема в данной географической точке на антенну соответствующего размера и при выбранных зна­чениях коэффициента шума и усиления малошумящего усилителя-конвертера. Величина плотности потока мощности влияет на сис­тему спутникового телевизионного вещания. Увеличение ее приво­дит к упрощению и удешевлению наземных приемных устройств, однако усложняет и повышает стоимость передающих систем спут­ника. Уменьшение ППМ, наоборот, удорожает наземные приемные устройства при одновременном удешевлении спутника. Необходи­мая ППМ у поверхности Земли определена путем экономических расчетов с оптимизацией стоимости как приемных наземных уст­ройств, так и передающих спутниковых систем и выбрана с учетом электромагнитной совместимости с наземными службами, т.е. с учетом минимальных взаимных помех

Е, дБ Вт

 

Рис. 2.3. Графическая зависимость ЭИИМ (Е) от плотности потока мощно­сти (W), позволяющая оперативно взаимно пересчитывать эти величины

Для индивидуальных приемных устройств значение ППМ согласно плана ВАКР-77 (Всемирной Административной Конференции по ра­дио) на границе зоны покрытия⁵ должно быть минус 103 дБ Вт/м², а для систем коллективного приема минус 111 дБ Вт/м².

Форма зоны покрытия зависит от точки пересечения (точки при­целивания) основного лепестка излучения антенны спутника с зем­ной поверхностью. Например, точка прицеливания российского спутника ГАЛС-1 находится между Москвой и Саратовом и форма зоны покрытия представляет собой вытянутый эллипс.

Границы зоны покрытия очерчены контурами на географической карте с определенными уровнями ППМ или ЭИИМ. Размеры ее стремятся сделать минимальными, чтобы снизить необходимую мощность передатчика спутника с целью его удешевления.

На практике для рассмотрения возможности приема в данном месте с выбранного спутника пользуются его трансляционными кривыми, нарисованными на контурной географической карте. Они представляют собой ряд замкнутых линий с одинаковыми значениями ППМ (ЭИИМ). В большинстве случаев на картах вме­сто плотности потока мощности отображаются значения ЭИИМ -проекция (Footprint EIRP) уровней ЭИИМ в диапазоне от 40 до 53 дБ Вт.

Следует отметить, что согласно предложениям ВАКР-77 норми­руются значения ППМ, а не ЭИИМ (табл.2.1). Нормирование вели­чины ППМ в зоне приема связывается с углом возвышения антен­ны (углом места) - в направлении на спутник. Допускаемая ППМ будет тем больше, чем больше угол , чем отвеснее падают элек­тромагнитные волны, т.е. чем ближе точка приема расположена к Экватору.

Согласно требованиям ВАКР-77 предельная плотность потока мощности частотно-модулированного телевизионного сигнала для всех видов телефонной связи в контрольной полосе не должна превышать - 152 дБ

Некоторые предельные мешающие значения ППМ от спутников-ретрансляторов для радиорелейных, сотовых, спутниковых теле­фонных систем и т.д. в зависимости от угла е (угла между направ­лением прихода мешающей электромагнитной волны и горизон­тальной горизонтальной плоскостью) приведены в табл.2.1

Зона покрытия - зона обслуживаемой территории Земли, внутри кото­рой создается необходимая для качественного приема плотность потока мощности.

Таблица 2.1

Предельная плотность потока мощности (W) для угла ,

 

Частота, ГГц
2,5...2,69	-152	-152 + 0,75	-137
3,4...7,75	-152	-152 + 0,5	-142
10,7... 11,7	-150	-150 + 0,5	-140
12,2... 12,75	-150	-150 + 0,5	-138
В полосе частот 4,0 кГц

Как видно, плотности потока мощности ограничиваются в диапа­зонах частот выделенных для спутников ФСС.

Требования к равномерности спектра передаваемого теле­визионного сигнала. Для снижения вероятных помех другим сис­темам связи и приемным устройствам всегда необходимо, чтобы спектральная плотность передаваемого сигнала была бы равно­мерной в занимаемой полосе частот, чтобы выбросы энергии не превышали предельно допустимое значение. Известно, что частот­но-модулированный телевизионный сигнал имеет неравномерный энергетический спектр, зависящий от передаваемых сюжетов изо­бражения. Энергия в его спектре распределяется не непрерывно, а в виде дискретных энергетических зон (выбросов,), которые распо­лагаются вокруг частот строчной и кадровой разверток (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Временная зависимость выбросов энергии аналогового сигнала на строчной развертке

Поэтому, при спутниковых, как и при наземных телевизионных передачах с частотной модуляцией для получения равномерного спектра прибегают к сглаживанию энергетических выбросов, их рассеянию - дисперсии.

 

 

 

Рис. 2.5. Временная зависимость амплитуды сигнала для дисперсии аналогового сигнала в системе D-MAC/packet

 

Дисперсия осуществляется сигналом треугольной формы не­большого уровня, который наилучшим образом подходит для сгла­живания энергетических выбросов дискретного спектра, как, напри­мер, показано на рис. 2.5⁶. Сигнал дисперсии накладывается до­полнительно на сигнал несущей строго синхронно с частотой строчной или кадровой разверток (обычно кадровой). Благодаря сглаживанию энергетических выбросов, спектральная плотность при передаче телевизионного сигнала становится равномерной или близко к равномерной.

Это позволяет установить значения ППМ на границе зоны по­крытия для приема индивидуальными приемными устройствами -103 дБ Вт/м², а коллективными - 111 (рис. 2.6), что снижа­ет взаимные помехи и помехи другим наземным средствам связи до требуемого уровня, и одновременно такой уровень дает возмож­ность вести прием телепрограмм через спутники внутри зоны по­крытия на простые приемные устройства.

Для исключения заметности на экране сигнала дисперсии, про­являющегося в виде мерцающих светлых точек, в приемных уст­ройствах применяют хорошо известные схемы построчной фикса­ции (схемы привязки) уровня, которые устанавливают по всему по­лю кадра равномерный уровень черного и тем самым практически подавляют сигнал дисперсии.

 

 

Рис. 2.6. Распределение плотности потока мощности спутника TDF-1

Шумы

В любой системе связи наряду с полезными сигналами всегда присутствуют и посторонние, ненужные, которые создают помехи приему. Такие сигналы - помехи, имеющие случайную природу и не передаваемые никакими другими системами, называются шумами. Шумы - это природное явление. В идеальных системах связи сиг­нал мог бы передаваться и приниматься без помех. Однако в лю­бом реальном приемном электронном устройстве всегда присутст­вуют шумы, от которых полностью избавиться невозможно. Они состоят:

□ из внешних принятых шумов (атмосферные шумы, галакти­ческие шумы, шумы Солнца, Земли и др.)

□ из внутренних шумов приемного устройства (эквивалентные
шумы антенны, шумы коаксиальной линии питания, шумы предва­рительного усилителя, смесителя и т.д.). Они вызывают ухудшение

приема, снижают чувствительность приемного устройства, так как ограничивают прием минимального полезного сигнала по уровню.