Методика и критерий для оценки помех от передатчиков наземной системы беспроводного доступа/локальной радиосети*, создаваемых фидерным линиям негеостационарной подвижной спутниковой службы в полосе частот 5150–5250 мгц

2 Бортовой радиометр

Этот радиометр показан на рисунке 3. В этом случае единственным дополнением к приемнику диапазона 5 ГГц фидерной линии ФСС сети LEO-D являются:

– направленный ответвитель, расположенный непосредственно после спутниковой антенны диапазона 5 ГГц и перед приемником диапазона 5 ГГц одного из двух сигналов с круговой поляризацией;

– калибровочный источник шума с шумовой температурой 200 K, подключаемый каждые 2ξ мс на время ξ мс через направленный ответвитель к приемнику диапазона 5 ГГц и полосой пропускания 159 МГц. Сигнал от источника шума имеет эффективную шумовую температуру 200 K после прохождения через направленный ответвитель в приемник диапазона 5 ГГц;

– демодулятор и синхронный детектор каждого из восьми каналов с частотным разделением шириной 16,5 МГц в полосе приемника шириной 159 МГц. Каждые ξ мс берутся отсчеты восьми демодулированных, выпрямленных и интегрированных сигналов;

– коммутируемый генератор сигналов управляет работой и РЧ коммутатора диапазона 5 ГГц и восьми демодуляторов/интеграторов.

В результате, амплитуда шестнадцати сигналов, шириной 16,5 МГц каждый, измеряется каждые 2ξ мс и передается на наземную станцию по существующим линиям космос-Земля спутниковой сети LEO-D в диапазоне либо 7 ГГц, либо 2,5 ГГц.

РИСУНОК 3

Описанный здесь радиометр аналогичен тому, что описан в Приложении 2, в том что касается коммутируемого генератора сигналов, восьми демодуляторов/детекторов/интеграторов и трассы для передачи каждые 2ξ мс на землю шестнадцати цифровых результатов измерений, которые одинаковы для обоих приемников. Различия между этими двумя радиометрами заключаются в методе, при помощи которого вводится эталонный источник шума: в данном случае это осуществляется при помощи встроенного направленного ответвителя, тогда, как в радиометре, описанном в Приложении 2, он вводится при помощи встроенного коммутатора, который каждые ξ мс осуществляет переключение между входным сигналом и эталонным источником.

Радиометр одновременно измеряет восемь выходных сигналов детектора {S₁, S₂,..., S₇, S₈} через каждые ξ мс, в течение которых эталонный источник шума не подключается ни через коммутатор, ни через направленный ответвитель. В течение следующих ξ мс выходной сигнал эталонного источника шума добавляется к входному сигналу приемника диапазона 5 ГГц через закрытый коммутатор и направленный ответвитель. В течение этого интервала радиометр измеряет восемь выходных сигналов детектора {Y₁, Y₂,..., Y₇, Y₈}. Полученные 16 результатов измерений преобразуются в цифровой формат и передаются на землю для дальнейшей обработки. Этот процесс повторяется каждые 2ξ мс. Время и действие каждого компонента радиометра управляется переключающим генератором управления.

3 Обработка выходных сигналов радиометра при помощи встроенного направленного ответвителя

И в этом случае время измерения для этих шестнадцати значений поддерживается достаточно малым, равным примерно 2ξ мс, так, чтобы коэффициенты усиления на спутнике существенно не менялись. Первый этап обработки результатов на земле состоит в том, чтобы определить амплитуду калибровочного сигнала в каждом из восьми каналов, при помощи простого вычисления:

Ci = Yi  – Si,                для i = 4, 5, 6, 7 или 8 (11)

Эти значения {Ci} являются уровнями калибровочного сигнала в том месте, где выполняются измерения. Можно определить уровень калибровочного сигнала C₀ в точке, где он подается на направленный ответвитель (см. рисунок 3), на основании предыдущих измерений, выполненных до запуска спутника, таким образом можно определить коэффициенты усиления Gi в каждом из восьми каналов в течение периода 2ξ мс. Эти коэффициенты усиления равны:

Gi = Ci / C₀,                для i = 4, 5, 6, 7 или 8 (12)

Затем значения теплового шума в каналах 1 и 2 или значения "тепловой шум плюс помеха" в каналах 4, 5, 6, 7 и 8 могут быть отнесены к выходу спутниковой антенны диапазона 5 ГГц при помощи простого вычисления:

Qi = Si / Gi,                для i = 1, 2, 4, 5, 6, 7 и 8 (13)

Как и в вычислениях для радиометра, описанного в Приложении 2, уровни теплового шума {Mi} отдельно в каналах 1 и 2 определяются значениями Q1 и Q2 в уравнении (13). Здесь опять предполагается, что уровни шума отдельно в каналах 4–8 равны:

Mi = Q₁ + (i – 1) * Δ, (14)

где для данного случая:

Δ = Q₂ – Q₁. (15)

Теперь суммарную помеху Ii в каналах 4–8 можно определить при помощи простого вычисления:

Ii = Qi  – Mi,                для i = 4, 5, 6, 7 и 8 (16)

Эти значения являются уровнями помех, указанными в п. 3 раздела решает Резолюции 229 (ВКР-03). Отношения помеха-шум, указанные в Рекомендации МСЭ-R S.1427, могут быть достаточно просто определены из вычислений:

(I/N)i = Ii / Mi,                для i = 4, 5, 6, 7 и 8 (17)

Величина {(I/N)i, i = 4, 5, 6, 7, 8} может быть выражена в значениях результатов измерений {Si} и {Yi} при помощи уравнения:

(I/N)i = {(Si/Ci)/{(i – 1)(S₂ / C₂) – (i – 2)(S₁/C₁)}} – 1, (18)

где значения {Ci} определяются уравнением (11) в единицах измеренных значений {Si} и {Yi}. Отметим, что величина C₀ в уравнении (12) не встречается в общем уравнении (18) или в уравнении (11), что указывает на то, что оценки {(I/N)i, i = 4, 5, 6, 7, 8} не зависят от величины C₀.

И в этом случае тоже эти простые вычисления в уравнениях с (11) по (18) включительно могут выполняться на земле в реальном времени при помощи быстродействующего компьютера, находящегося в той точке, где принимается сигнал линии вниз диапазона 2,5 ГГц или 7 ГГц. Или же результаты измерений могут сохраняться для последующего усреднения и, возможно, для последующей обработки. Преимущества сохранения результатов измерений заключается в том, что впоследствии могут быть выполнены сравнительные вычисления для повторных измерений.

Интервалы наблюдения ξ мс слишком коротки, для того чтобы получить выигрыш в отношении сигнал-помеха при обработке сигналов (Bτ)^0,5 достаточный для получения точных оценок отношения помеха-шум, определяемых уравнением (17) или уравнением (18). Однако значения, полученные в ходе реализации вышеописанного алгоритма, являются точными оценками требуемых величин, поэтому для получения достаточно больших значений (Bτ)^0,5 может быть выполнено дальнейшее усреднение на земле, что позволит получить оценки с достаточно малыми случайными составляющими. И снова единственным ограничением в этом интегрировании является то, что измеряемые параметры будут меняться с движением спутника по его траектории, и поэтому будут меняться и шум, поступающий с земли, и суммарная помеха от ЛРС.

4 Ошибка в измерениях {Si} и {Yi}

– данный способ измерения дает в результате точные оценки величин {Si}, {Yi} и {(I/N)i}, поэтому усреднение уменьшает любые случайные или систематические ошибки в {(I/N)i};

– значения шумовой температуры в {Si} составляют примерно 550 K, но, когда к входному сигналу приемника добавляется эталонный источник шума, значения шумовой температуры в {Yi} составляют примерно 750 K. Этот факт учитывается при определении ошибок для значений {(I/N)i} в уравнении (11), но его необходимо учесть здесь при определении среднеквадратических ошибок для {(I/N)i}.

Как и в п. 4 Приложения 2, определение среднеквадратических ошибок в единицах {(I/N)i} выполняется для случая, когда время интегрирования ξ на спутнике равно 25 мс, и количество битов η в выходном сигнале аналогово-цифрового преобразователя равно 12. Среднеквадратические ошибки из-за детектирования и интегрирования случайных переменных {Si} и {Yi} даны в вышеприведенном уравнении (8), а среднеквадратические ошибки из-за квантования определяются уравнением (9).

Как и в ходе получения среднеквадратической ошибки в единицах {Si} или {Ri} в Приложении 2, среднеквадратические ошибки для {Si} и {Yi} определяются уравнениями (8) и (9). Среднеквадратические ошибки из-за детектирования и интегрирования – это математические ожидания соответствующих величин, поделенные на (B ξ)^0,5, или (16,5 ´ 10⁶ ´ 25 ´ 10^–3)^0,5, или 642. Среднеквадратическая ошибка квантования либо для {Si}, либо для {Yi} – это математическое ожидание соответствующей величины, поделенное на 2^(12–0,5), или 2896. Среднеквадратическая ошибка либо для {Si}, либо для {Yi} – это корень суммы квадратов этих двух величин, т. е. математические ожидания, умноженные на 0,00159. Математические ожидания для {Si} составляют примерно 550 K, поэтому среднеквадратическая ошибка для этих величин при времени интегрирования 25 мс и 12-битовом выходном сигнале аналогово-цифрового преобразователя составит 0,87 K. Математические ожидания величин {Yi} составляют примерно 750 K, поэтому среднеквадратическая ошибка для них будет равна 1,19 K.

Среднеквадратические ошибки значений {Ci} равны корню суммы квадратов среднеквадратических ошибок соответствующих значений Si и Yi, как указано в уравнении (11). Эти среднеквадратические ошибки для {Ci} после интегрирования и квантования на спутнике равны 1,474 K или 0,00737 от их математического ожидания, которое равно примерно 200 K. Среднеквадратические ошибки величин {Si/Ci} или {1/{(Yi/Si)-1}}^–1 в уравнении (18) равны также 0,00737 от их математических ожиданий.

Среднеквадратические ошибки для {(I/N)i, i = 4, 5, 6, 7, 8} зависят от значения "i", как указано в уравнении (18). Эти значения среднеквадратических ошибок, как долей от математических ожиданий величин {(I/N)i}, могут быть определены на основании соотношения:

Var {(I/N)i} = Var (Zi) + (i – 1)² * Var (Z₂) + (i – 2)² * Var (Z₁)

= Var (Zi) * {1 + (i – 1)² + (i – 2)²}, (19)

где Zi, по определению, должно быть идентично (Si/Ci) в уравнении (18). (Значения Z₁ и Z₂ представляют собой Zi, у которого i равно 1 и 2, соответственно.) Обратите внимание, что уравнение (19) имеет тот же вид, что и (10), хотя значения среднеквадратических ошибок 0,00737 для {Zi} в уравнении (19) несколько больше, чем значения среднеквадратических ошибок 0,00226 для {Xi} в уравнении (10). Это увеличение объясняется тем, что в такой конструкции радиометра шум от эталонного источника шума добавляется к шуму входной антенны радиометра, описанного в Приложении 2, а не заменяет его, и для такой реализации радиометра необходимы соответствующие вычисления.

Как показано в Приложении 2, изменение значений (I/N)i является функцией номера канала i, результатом оценки Ni, выполненной в уравнениях (14) и (15).

ТАБЛИЦА 3

ТАБЛИЦА 4

Как показано в таблице 4, среднеквадратические ошибки для неискаженных измерений значений {(I/N)i, i = 4, ...8} могут быть существенно уменьшены за счет усреднения на земле исходных результатов измерений, которые основаны на усреднении результатов измерений на спутнике в течение 25 мс. Отметим, что за 10 с спутник сместится на 72 км, а за 30 с он пролетит 216 км; существует предел степени, до которой можно усреднять результаты измерения во времени, поскольку реальные помехи, испытываемые спутником, будут меняться при существенном перемещении спутника. Учитывая, что антенны LEO-D является всенаправленной, усреднение на земле в течение 30 с является приемлемым, что дает результаты со среднеквадратическими ошибками, которые существенно меньше, чем величина 3% от агрегатного значения T_satellite/T_satellite, которая указана в п. 2 раздела рекомендует настоящей Рекомендации.

________________