ITU-R SA 1805 FRENCH-2007 Technical and operational characteristics of space-to-space telecommunication systems operating around 354 THz and 366 THz《运行在354 THz和366 THz范围内空对空电信系统的技术.pdf

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1、 Rec. UIT-R SA.1805 1 RECOMMANDATION UIT-R SA.1805 Caractristiques techniques et oprationnelles des systmes de tlcommunication espace vers espace exploits au voisinage de 354 THz*et 366 THz*(Question UIT-R 235/7) (2007) Domaine de comptence La prsente Recommandation spcifie les paramtres techniques

2、(frquences, sens des liaisons, caractristiques des signaux et des donnes, paramtres dantenne, etc.) et les caractristiques oprationnelles des systmes de tlcommunications fonctionnant dans le sens espace vers espace au voisinage de 354 THz et 366 THz, qui pourraient tre utiliss dans les tudes de part

3、age. LAssemble des radiocommunications de lUIT, considrant a) que lon planifie actuellement lutilisation de liaisons de tlcommunication sur certains systmes satellites en vue dassurer des tlcommunications interorbitales dans la rgion comprise entre 354 THz et 366 THz; b) que, sur la base des progrs

4、technologiques rcents, les astronomes uvrent de concert pour construire des tlescopes et faire des observations dans cette partie du spectre; c) que cette partie du spectre est galement utilise pour dautres services de Terre et spatiaux; d) que cette partie du spectre est galement utilise des fins s

5、cientifiques ou industrielles autres que celles lies aux tlcommunications, recommande 1 que, dans les tudes de partage relatives aux satellites de recherche spatiale fonctionnant dans le sens espace vers espace au voisinage de 354 THz et 366 THz, il soit tenu compte des paramtres techniques et oprat

6、ionnels exposs dans lAnnexe 1. *1 THz = 1 000 GHz. *Cette Recommandation doit tre porte lattention de la Commission dtudes 1 des radiocommunications. 2 Rec. UIT-R SA.1805 Annexe 1 1 Introduction La demande accrue de spectre lectromagntique et les progrs technologiques conduisent sintresser davantage

7、 lutilisation des frquences au-dessus de 3 000 GHz pour les tlcommunications en espace libre. Les tlcommunications en espace libre des frquences suprieures 3 000 GHz permettent, dune part, dacheminer des dbits binaires plus levs en utilisant des systmes moins lourds que les systmes radiolectriques c

8、lassiques et, dautre part, permettent de satisfaire aux spcifications de gain et de directivit applicables aux faisceaux utiliss pour les applications dans lespace lointain. 1.1 Considrations lies aux frquences A lheure actuelle, les liaisons de tlcommunication en espace libre au-dessus de 3 000 GHz

9、 qui suscitent le plus dintrt se situent au voisinage de 200, 283, 311 et 353 THz, ce qui correspond des longueurs donde denviron 1,5, 1,06, 0,965 et 0,850 m. Il sagit aussi des frquences les plus utilises pour les tlcommunications par fibres optiques. Dans le cas de tlcommunications interorbitales,

10、 on sintresse essentiellement lutilisation de lasers semi-conducteur de haute puissance au voisinage de 0,850 m ou lutilisation dun faisceau laser semi-conducteur amplifi par un amplificateur pour fibre optique dop lerbium (Er) (EDFA, erbium-doped fibre optical amplifier) la longueur donde de 1,5 m.

11、 Le systme quip de lasers semi-conducteur fonctionnant au voisinage de 0,85 m est suprieur celui qui est dot dun amplificateur EDFA en termes de fiabilit et de consommation dnergie lorsquil sagit dapplications dbit binaire relativement faible qui nexigent pas une puissance dmission leve. 1.2 Paramtr

12、es de mission types Pour dterminer les paramtres techniques qui se prtent aux analyses des brouillages, il convient de se fonder sur les liaisons de tlcommunication interorbitales types proximit de la Terre. Par consquent, les distances entre les liaisons seront comprises entre quelques centaines et

13、 plusieurs centaines de milliers de kilomtres. Un rcapitulatif des paramtres techniques fondamentaux dune liaison de tlcommunication interorbitale proche de la Terre au voisinage de 354 THz et 366 THz est fourni dans le Tableau 1. 2 Considrations relatives la liaison Des liaisons interorbitales sont

14、 tablies entre un satellite orbite terrestre gosynchrone (GEO, geosynchronous Earth orbit) et un satellite orbite terrestre basse (LEO, low-Earth orbit) dans le sens espace vers espace, fonctionnant au voisinage de 366 THz pour la liaison aller et de 354 THz pour la liaison de retour. Un signal de b

15、alise 374 THz est mis pour fournir une assistance en matire de pointage et de suivi par tlescope. 2.1 Qualit de fonctionnement de la liaison A linstar dun systme espace vers espace fonctionnant dans la gamme classique des frquences radiolectriques, la qualit de fonctionnement dune liaison exploite a

16、u voisinage de 354 THz et 366 THz est mesure en dbit binaire et en TEB. Elle est calcule en fonction de la puissance, de la qualit du tlescope, de considrations lies la propagation, du bruit et de la sensibilit du rcepteur. Chacun de ces paramtres dpend de variables additionnelles. Rec. UIT-R SA.180

17、5 3 TABLEAU 1 Paramtres techniques dun systme de tlcommunication interorbitale de rfrence fonctionnant au voisinage de 354 THz et 366 THz dans le sens espace vers espace Paramtre Liaison aller Liaison retour Puissance de lmetteur (mW) 10 40 Diamtre de lmetteur (cm) 25 26 Frquence dmission (longueur

18、donde) (THz) Comm: 366 (0,819 m) Balise: 374 (0,801 m) 354 (0,847 m) Modulation 2PPM NRZ Prcision du pointage (rad) 2,6 (3) Distance en espace libre (km) jusqu 40 000 Dbit binaire (Mbit/s) 2,048 49,3724 Diamtre du rcepteur (cm) 26 25 Type de dtecteur Dtecteur PDA Dtecteur PDA NRZ: non retour zro PDA

19、: photodiode avalanche PPM: parties par million 2.1.1 TEB Pour tre conserves, les trames de donnes doivent prsenter un TEB infrieur 106aprs correction. On estime que 99% des trames de donnes dune liaison doivent pouvoir tre conserves. 2.1.2 Spcification de la marge Une marge de lordre de 1 3 dB est

20、gnralement requise pour une liaison inter-satellites exploite au voisinage de 354 THz et 366 THz. 2.2 Modulation La liaison de retour exploite au voisinage de 354 THz utilise la technique NRZ. La liaison aller exploite au voisinage de 366 THz utilise 2PPM. Cette technique de modulation permet la dte

21、ction directe par le rcepteur, vitant ainsi lutilisation de rcepteurs cohrents. 4 Rec. UIT-R SA.1805 2.3 Signal reu La mthode gnrale pour calculer le niveau du signal de frquence au voisinage de 354 THz et 366 THz reu par la station terrienne espace vers espace est identique celle quon utilise pour

22、les systmes radiolectriques classiques: saprtrttSLLLLLGGPP += dBW (1) o: PS: puissance du signal reu (dBW) t: puissance moyenne de sortie du laser (dBW) Gt: gain de lantenne dmission (dBi) r: gain de lantenne de rception (dBi) Lt: affaiblissements dans lmetteur (dBi) r: affaiblissements dans le rcep

23、teur (dB) Lp: affaiblissements dus au pointage (dB) s: affaiblissement en espace libre (dB). 2.4 Affaiblissements sur la liaison les affaiblissements internes lmetteur, Lt, comprennent les effets des affaiblissements par absorption, diffusion et rflexion dans le systme optique de lmetteur; les affai

24、blissements internes au rcepteur, Lr, comprennent les effets des affaiblissements par absorption, diffusion et rflexion du train dimpulsions optiques dans le rcepteur; les affaiblissements dus au dpointage, Lp, comprennent les effets de gigue de lantenne ou du satellite et le dpointage de lantenne d

25、mission; laffaiblissement en espace libre, Ls, est d lespacement physique entre lmetteur et le rcepteur. Les valeurs de chaque source daffaiblissement varient en fonction de la conception des quipements, de leur anciennet, des spcifications et de la phase de la mission. Les valeurs daffaiblissement

26、utiliser pour une analyse de brouillage type sont proposes dans le Tableau 2. TABLEAU 2 Affaiblissements sur la liaison dun systme de tlcommunication interorbital de rfrence fonctionnant au voisinage de 354 THz et 366 THz dans le sens espace vers espace Mcanisme daffaiblissement Valeur type Affaibli

27、ssements dans lmetteur, Lt0,63 (= 2 dB) Affaiblissements dans le rcepteur, Lr0,5 (= 3 dB) Affaiblissements dus au pointage, Lp0,5 (= 3 dB) Rec. UIT-R SA.1805 5 Laffaiblissement en espace libre, Ls, est calcul au voisinage de 354 THz et 366 THz de la mme faon que pour les systmes radiolectriques clas

28、siques: 2244=fRcRLs(2) o: R: distance entre lmetteur et le rcepteur (m) : longueur donde (m) f: frquence optique (Hz) c: vitesse de la lumire (m/s). 2.5 Paramtres associs aux tlescopes dmission/de rception Les liaisons de tlcommunication exploites au voisinage de 354 THz et 366 THz utilisent des tle

29、scopes comme antennes dmission ou de rception. Les diagrammes dantennes dmission et de rception sont galement diffrents puisque le systme optique dmission est gnralement aliment par un faisceau distribution gaussienne alors que le systme optique de rception contient un dtecteur plan. On se reportera

30、 lAnnexe 2 de la Recommandation UIT-R SA.1742 pour obtenir les enveloppes de diagrammes de gain dantenne dmission ou de rception fonctionnant au voisinage de 354 THz et 366 THz. Un diagramme de gain dantenne de rfrence pour des systmes optiques espace vers Terre fonctionnant 283 THz est indiqu dans

31、la Recommandation UIT-R SA.1742. Ce diagramme sapplique aussi aux systmes espace vers espace fonctionnant au voisinage de 354 THz et 366 THz. 2.5.1 Diamtre Aux fins des analyses de brouillage, on supposera que le diamtre de lantenne optique est de 26/25 cm. Louverture sera ou non occulte par une occ

32、ultation de 5 cm de diamtre. 2.5.2 Diagramme de gain lmission Lmetteur utilise un tlescope aliment par un laser. Ce type de laser ne fonctionne en principe quau mode de cavit le plus bas, TEM00, ce qui correspond la gnration dun faisceau de distribution dnergie gaussienne prsentant une intensit maxi

33、male sur laxe dmission. Le diagramme de faisceau est conu de telle sorte que, lorsque lintensit du faisceau dcrot avec la sparation angulaire par rapport laxe dmission, seuls quelques pour cent de la puissance sont perdus. Les deux points de rfrence considrs sont ceux pour lesquels lamplitude du fai

34、sceau diminue de 37% ou 13% par rapport lamplitude sur laxe. Ils sont respectivement appels points 1/e et 1/e2et sont frquemment mentionns pour caractriser le diagramme dmission dun laser. La largeur de faisceau totale au point 1/e2est approximativement donne par: D 421/e= rad (3) o: 2e/1 : ouvertur

35、e angulaire du faisceau au point de 1/e2(rad) D: diamtre douverture (m). Dans le cas dun faisceau gaussien de frquence 354 THz mis depuis une ouverture de 26 cm, la largeur de faisceau 1/e2est approximativement gale 4,1 106rad. 6 Rec. UIT-R SA.1805 Pour le terminal dmission, on peut utiliser les qua

36、tions donnes ci-aprs pour calculer le diagramme de rayonnement en champ lointain dun laser ondes planes damplitude gaussienne alimentant un tlescope. Lutilisation de ces quations repose sur les hypothses suivantes: la source laser est caractrise par une mission gaussienne monomode; le diagramme de g

37、ain dantenne est mesur dans le champ lointain; et louverture est circulaire. Le diagramme de gain dun tlescope dmission de rayon a, aliment par une onde plane damplitude gaussienne de rayon de contour, , (distance entre laxe central du systme optique et le point dintensit 1/e2) et prsentant une occu

38、ltation centrale de rayon, b, est donn par lquation (4). Le terme, G0, correspond la limite suprieure du gain dantenne, obtenue pour une ouverture circulaire non occulte uniformment claire. Le second terme, gt(, , X), est un terme defficacit de gain, qui rend compte des effets doccultation, de tronc

39、ature, dintensit hors axe et de dfocalisation. ),(),(0gGGtt= (4) o: 2202 4=aAG (5) 2102de)(2),(22uuXJgut= (6) ab= (7) A: aire de louverture du tlescope (m2) a: rayon du miroir du tlescope (m) b: rayon du miroir secondaire (m) gt: efficacit de gain J0: fonction de Bessel du premier type dordre zro :

40、rapport, a/ : taux doccultation u: variable dintgration X: ()sin2a : angle par rapport laxe optique (rad). Sur laxe, X = 0 et lefficacit de gain donne par lquation (6) devient: =22222e e2)0,(tg (8) Rec. UIT-R SA.1805 7 Le gain maximal du faisceau principal sur laxe dans lquation (4) vaut alors: =222

41、222e e2 4)0,(AGt(9) Toute occultation, b, aura pour effet de rduire le gain du faisceau principal, de combler les valeurs nulles et daccrotre les lobes latraux. 2.5.3 Diagramme de gain la rception Le champ de visibilit dpend de la dimension du dtecteur et de la distance focale du tlescope. Il peut t

42、re calcul comme suit: Fd= (10) o: : champ de visibilit du dtecteur (rad) d: diamtre du dtecteur (m) (gnralement compris entre 104et 103) F: distance focale du tlescope (m). On adapte gnralement le diagramme dune antenne de rception aux caractristiques du dtecteur. Celui-ci est protg des brouillages

43、grce lutilisation dcrans et nest expos quaux missions moins de radians de laxe du faisceau principal. Par consquent, lnergie brouilleuse atteignant les lobes latraux de lantenne de rception ne parvient pas au dtecteur et peut tre nglige lors de lanalyse des brouillages. Si lon suppose que lantenne d

44、e rception se trouve dans le champ lointain de lantenne dmission, on peut considrer que lnergie reue correspond celle dune onde plane. Le systme de rception et le systme dmission peuvent utiliser la mme antenne ou des antennes diffrentes. La largeur du faisceau de lantenne de rception est gnralement

45、 mesure grce la donne du point 1/e2. Le gain maximal dans laxe de lantenne de rception, GR, est donn par: += )1( log 10 4log 1022AGRdBi (11) o: A: aire de louverture du tlescope (m2) : longueur donde (m) : affaiblissements dus au dbordement dnergie au-del des limites du dtecteur (dB) et: ab= (12) o:

46、 a: rayon du miroir du tlescope (m) b: rayon du miroir secondaire (m). 8 Rec. UIT-R SA.1805 Le gain obtenu par lquation (11) correspond la quantit dnergie incidente sur le dtecteur. Le calcul de GRsuppose que lantenne de rception se trouve dans le champ lointain de lmetteur et que lon considre une o

47、uverture et un dtecteur circulaires. Le premier terme de cette quation (11) correspond au gain classique dune antenne idale daire A sans occultation. Le deuxime terme correspond aux affaiblissements dus loccultation introduite par le miroir secondaire dun systme Cassegrain. En labsence de miroirs secondaires, b sannule dans lquation (12), ce