компенсация эффекта доплера в спутниковой связи

Компенсация эффекта доплера в спутниковой связи

Блог про радио и Linux

Работа через FM и SSB спутники, коррекция эффекта Доплера

Про типы транспондеров

Все спутники используют кросс-бэнд двухдиапазонные ретрансляторы (передача в диапазоне 432 МГц, прием на 144 МГц или наоборот).

На спутниках бывают FM, линейные и линейные инвертирующие транспондеры.

Для работы через спутники в трансивере используют два VFO (генератора плавного диапазона)

Процедура работы через спутники

Приёмы работы через спутники

1. Исторически первый способ работы через линейные спутники

Для приёма используется второй трансивер или контрольный приемник. Это режим дуплекса (слышу и передаю одновременно).

2. Аппаратный способ работы через спутник в современных трансиверах

Коррекцией частот и приема и передачи для компенсации эффекта Доплера занимается трансивер (типа ICOM IC-820, IC-910, 2000, IC-9100, IC-9700 или Kenwood TS-2000). В памяти трансивера можно сохранить дуплексные пары приема и передачи.

Имеется возможность задания закона изменения частоты NORMAL или REVERSE.

Недостатки: В памяти трансивера хранятся лишь дуплексные пары частот спутников. Закон измения задается вручную нажатием кнопки NORMAL/REVERSE. При неверном нажатии станция будет не стоят на месте, а бежать в противоположном направлении, усиливая эффект Доплера.

Процедура:

Является вариантом самого первого способа. Но здесь вместо контрольного приёмника применяется USB «свисток» типа FunCube Dongle Pro (FCDP) или более дешёвый RTL-SDR 2832u (тюнер R820t) с программами вроде SDR# или GQRX. Для ответа на вызов (CQ) другой станции нужно также «подогнать» свой сигнал с помощью передатчика к частоте приёма (на которой работает зовущая станция), наблюдая на спектре или на слух. Далее, QSO проводится на одной частоте. Кроме простоты и дешевизны, способ выглядит стильно и молодёжно. Hi-Hi. Можно использовать планшет.

6. Способ работы через спутник, описанный в руководстве пользователя Yaesu FT-857

7. Вариант работы через FM-ретрансляторы с использованием двух радиостанций

Источник

1.3 Пз. Эффект Доплера и запаздывание сигналов

Эффект Доплера – это физическое явление, заключающееся в изменении частоты принятых колебаний при взаимном перемещении передатчика и приемника этих колебаний. Этот эффект может возникнуть при движении ИСЗ на орбите.

Рисунок 1.5 Диаграмма для расчета эффекта Доплера

Если передатчик неподвижен относительно приемника, то длина волны в системах отсчета, связанных с приемником либо передатчиком, равна:

(1.2)

Если же передатчик движется относительно приемника со скоростью υ, направленной под углом φ к направлению линии связи, то в системе отсчета, связанной с приемником ЗС, длина волны изменится на величину, равную изменению расстояния за время Τ =1/f₀ одного периода излучаемого колебания:

(1.3)

Длина волны колебания равна:

(1.4)

Частота приемника равна:

(1.5)

Эффект Доплера (относительное изменение частоты у приемника) наибольший, если движение передатчика относительно приемника происходит вдоль линии связи: (ψ = 0 или φ = π), тогда Δf равно:

(1.6)

При сближении передатчика и приемника частота колебаний возрастает пропорционально v/с, при удалении уменьшается, по тому же закону.

На линии связи через строго геостационарный спутник доплеровский сдвиг не возникает, в случае реальных геостационарных ИСЗ – малосуществен, а при сильно вытянутых эллиптических или низких круговых орбитах – может быть значительным. Расчет эффекта Доплера сводится к расчету отношения:

для некоторой траектории движения исз.

При этом в линии спутниковой связи необходимо учитывать сложное движение и ИСЗ, и расположенной на поверхности Земли ЗС; при этом следует принимать во внимание как участок ЗС – ИСЗ, так и участок ИСЗ – ЗС, причем на этих участках доплеровский сдвиг может быть различным по модулю и даже по знаку.

Суммарный доплеровский сдвиг максимален для линий связи между близко расположенными ЗС, когда на обоих участках (Земля – спутник и спутник – Земля) сдвиг примерно одинаков и потому на всей линии удваивается.

Влияние доплеровского сдвига на работу линии связи:

1. Доплеровский сдвиг проявляется как частотная f_нес обильность несущей частоты ретранслируемых спутником колебаний, добавляющаяся к аппаратурной нестабильности частоты, возникающей в бортовом ретрансляторе и ЗС. Эта нестабильность может существенно осложнять прием сигналов, особенно узкополосных, приводя к снижению помехоустойчивости приема.

2. Несколько изменяется частота f_мод. Действительно, если частота несущей f₀ сдвигается на Δf, то частота верхней боковой составляющей составит (f₀ + F)(1+v/с) = f₀ + f₀ v/c + F+ Fv/c, нижней боковой – соответственно f₀ + f₀ v/c – F – Fv/c. Таким образом, разность частот боковых и несущей, равная частоте колебания, образующегося после демодуляции, составляет F(1 + ν/c).

Это сжатие (или расширение) спектра передаваемого процесса практически невозможно компенсировать аппаратурными методами, так что если сдвиг частоты превысит допустимые пределы, то канал оказывается неприемлемым. К счастью, возникающая на практике нестабильность обычно меньше допустимых пределов.

Источник

Эффект Доплера и его значение в методах спутниковых определений

Наряду с кодовыми и фазовыми измерениями в спутниковых системах GPS и ГЛОНАСС находит также црименение метод, основанный на эффекте Доплера, который являлся основным методом измерений в предшествующих GPS и ГЛОНАСС системах «Транзит»

(США) и «Цикада» (Советский Союз). Как известно, доплеровский эффект проявляется в тех случаях, когда излучатель и приемник тех или иных колебаний перемещаются относительно друг друга. Отмеченная ситуация характерна и для систем GPS и ГЛОНАСС, поскольку спутник, являющийся источником излучения радиосигналов, непрерывно изменяет свое местоположение относительно установленного на земной поверхности приемника. Наблюдатель воспринимает эффект Доплера через изменение частоты принимаемых колебаний, которое обусловлено взаимным перемещением спутника и приемника. В общем случае применительно к спутниковым измерениям характерное для доплеровского эффекта расхождение между передаваемой и принимаемой частотами описывается следующим соотношением:

Величина vcos© в формуле (2.22) представляет собой скорость перемещения спутника в радиальном направлении, т. е. в направлении на приемник. Применительно к спутниковым дальномерным измерениям vcos0 = dp/dt. Поскольку v « с, то формула (2.22) с достаточной степенью приближения может быть записана в следующем виде:

Ар = Лс A/At. (2.25) Величина AfAt представляет собой фазовый сдвиг ДФа, относя- щийся к доплеровскому эффекту. С учетом этого формула (2.25) принимает следующий окончательный вид: Ар = ЯсАФд. (2.26)

Выполненный выше анализ свидетельствует о том, что эффект Доплера может быть использован для оценки скорости изменения измеряемого до спутника расстояния р. При такой оценке в приемном устройстве производится измерение доплеровского сдвига частоты Д/. Наряду с этим в спутниковых приемниках, приспособленных для выполнения фазовых измерений несущих колебаний, посредством фиксации обусловленного эффектом Доплера фазового сдвига АФд представляется возможным фиксировать последовательные изменения расстояния до спутника Др. Применительно к системе GPS такой дифференциальный метод получил название метода образования разности фазовых измерений между эпохами.

Существует несколько вариантов фиксации фазовых сдвигов несущих колебаний по мере орбитального движения спутника. При этом наибольшее распространение получил метод регистрации целого числа фазовых циклов ДФ = ANn при переходе спутника Sиз точки, соответствующей моменту времени tv в точку характерную для момента времени t2 (рис. 2.6). Обычно такие измерения выполняют на достаточно протяженном участке орбиты. При этом величину ANn называют интегральным доплеровским счетом (или сокращенно интегральным доплером).

При использовании фазовых измерений применительно к эффекту Доплера следует иметь в виду, что для оценки фазовых сдвигов ДФа наряду с принимаемыми от спутника сигналами в измерениях участвуют и местные опорные колебания, частота которых, как правило, несколько отличается от частоты излучаемых спутником колебаний. Рассмотрим, как отражается это неравенство на результатах выполняемых доплеровских измерений. Предположим, что за интересующий нас интервал времени At-t2-— tj по часам спутника зарегистрировано я-е число циклов, излучаемых спутником несущих колебаний (см. рис. 2.6). По истечении времени, необходимого для прохождения радиосигналом расстояния между спутником и приемником, это же количество циклов будет зарегистрировано и приемной аппаратурой, но по часам последней, в результате чего упомянутый выше интервал времени будет соответствовать At’=f2- f г Различие во времени прохождения между началом данного цуга т7 и его окончанием г2 объясняется

тем, что за время t2-tj расстояние между спутником и приемником изменилось

Первое слагаемое в квадратных скобках формулы (2.31) не связано с доплеровским эффектом и обусловлено неравенством частот не-сущих колебаний, генерируемых в приемнике и на спутнике. Для устранения влияния такого смещения необходимо или иметь информацию о точных значениях упомянутых частот (или показаний соответствующих часов) на спутнике и в приемнике, или использовать дифференциальный метод вторых разностей. Второе слагаемое ANn отображает регистрируемые фазовые циклы, рассматриваемые как следствие эффекта Доплера. Оно позволяет определить интересующую нас величину Ар (после соответствующей корректировки, связанной с расхождением частот несущих колебаний на спутнике и в приемнике). Позитивной стороной доплеровских измерений является то, что при их использовании не возникает необходимость разрешения неоднозначностей (в этом отношении данный метод имеет много общего с методом третьих разностей). Поскольку в системе GPS длина волны несущих колебаний равна примерно 20 см, то целочисленный счет таких длин волн обеспечивает дециметровый уровень точности, т. е. доплеровский метод по своей точности занимает промежуточное положение между фазовыми и кодовыми измерениями. Рассматриваемый метод используется на геодезических работах

пониженной точности или в качестве вспомогательного для определений приближенных значений расстояний при решении проблемы неоднозначности фазовых измерений.

Источник

Эффект Доплера в сетях: GSM, 3G, 4G

Прочитав вот эту статью я чуть не слетел со стула и не съел свой диплом радиотехника. Для прояснения ситуации и успокоения хаброжителей решился написать про эффект Доплера более подробно.

Начнем с основ. Эффект Доплера наблюдается только при наличии параллельной составляющей скорости движения, при тангенциальном движении доплеровского сдвига частоты не будет (по крайней мере, на до релятивистских скоростях).

В приведенной формуле:

будет фигурировать скорость Vp. Как несложно заметить, если тело будет двигаться по окружности — то эффект Доплера вообще наблюдаться не будет. По этому поводу есть очень хорошие иллюстрации на википедии


Так как большинству привычнее работать именно с частотой, я позволю себе выполнить некоторые очевидные преобразования над формулой доплеровского эффекта. Переведем длину волны в частоту, а также учтем угол направления на базовую станцию:

Но давайте дальше рассматривать случай, когда наше тело удаляется (или приближается) от БС по прямой. В таком случае расчеты из первой статьи будут верны:

Здесь с – скорость света, которую мы для простоты возьмем равной 3×10^8 а f – частота сигнала: 2.5Ггц
Таким образом, длина волны 3×10^8/2.5×10^9=0.12(м)
Для транспортного средства, движущегося со скоростью 122 км/ч (34 м/с), Доплерово изменение частоты будет равно 34/0.12 = 283 (Гц)

То есть, при движении абонента относительно базовой станции со скоростью 122 км/ч частота сигнала для него изменится на 272 Гц.

Ой! Что это? Скорости равны, а частоты разные. В пылу недоверия к автору пересчитываем. Результат составляет 34*2.5E9/3E8=283,3(3) Гц. Именно на это значение изменится частота сигнала: увеличится, если тело приближается или уменьшится, если тело удаляется. Так-же заметим, что при изменении направления движения эта частота будет изменятся, но никогда не будет больше 283,3(3) Гц, т.к. cos(x) не бывает больше 1. С эффектом Доплера вроде-бы все. Все нужные нам данные мы получили.

Теперь обратимся к такой вещи как радиоприемник.
В сетях GSM и 3G используется фазовая манипуляция с помехоустойчивым кодирование. Для нас важно именно то, что это фазовая манипуляция (дальше PSK). Любой PSK сигнал, кроме стандартного набора параметров, характеризуется такой вещью, как фазовое соцветие. Здесь я приведу соцветие для наиболее распространенного вида PSK, а именно QPSK:

С более подробной информацией что такое фазовая манипуляция можно ознакомиться на википедии.
Для приема таких сигналов используются синхронные либо цифровые детекторы, которые требуют для своей работы точного значения опорной частоты (более подробно с этой темой можете ознакомиться в книгах по приему и обработке сигналов или в спецификации на разработку диалап модемов). Поскольку в нашем мире нет ничего идеального, то такие виды приемников принципиально не могут работать без системы АПЧ (авто подстройка частоты). Характеристики работы такой системы можно увидеть в паспорте на приемник в графах: полоса захвата. Давайте обратимся к стандарту. По стандарту нестабильность частоты БС в системе GSM составляет порядка 10Е–6… 10Е–7 отсюда следует, что полоса захвата АПЧ должна быть в два раза (как минимум) шире этого значения и составлять 500..5000 Гц. Кроме того есть еще такое понятие как запас, и значение этого параметра явно больше. Видим что это значение явно больше чем 283,3(3) Гц, что указывает на возможность системы АПЧ полностью компенсировать эффект Доплера на таких скоростях и даже больших.

Для совсем не доверчивых, в качестве аргумента, предлагаю ознакомляться со статьей в очень уважаемом журнале IEEE.

Источник