Приемные устройства спутниковых систем вещания

Лекция №3

 

РПрУ систем спутникового вещания работают в диапазоне СВЧ и существенно отличаются от приемников более низких частот. В них широко используются элементы с распределенными параметрами: (отрезки линий, шлейфы и т.д.) и специфические активные электронные приборы: полевые транзисторы с затвором Шотки, диоды Ганна, лавинно – пролетные диоды, pin – диоды и т.д. Отдельные элементы предназначены для работы на одной фиксированной частоте, что также приводит к особенностям структурной схемы РПрУ. Отличаются и методы перестройки по частоте.

Главная особенность приемников спутниковых систем связи (ССС) и вещания – это необходимость получения максимально практически возможной чувствительности. Эта особенность обусловлена низким энергетическим потенциалом спутниковой радиолинии (ограниченность мощности бортового ретранслятора), большое затухание на трассе спутник – Земля, жесткие нормы на допустимую плотность потока мощности у поверхности Земли, связанные с необходимостью ЭМС различных систем. В то же время в диапазоне частот 0,7…15ГГц, в котором работает большинство ФСС и РВСС, уровень внешних помех чрезвычайно мал и повышение чувствительности оправдано.

Чувствительность РПрУ диапазона СВЧ оценивается минимальным значением мощности сигнала в антенне P_A, при которой на выходе детектора реализуется заданное отношение напряжения полезного сигнала к напряжению шума =U_C/U_Ш. Она связана с эквивалентной шумовой температурой земной станции Т_З.С. и эффективной шумовой полосой пропускания приемника f_ЭФ. соотношением:

P_A = kТf_ЭФ. ² N_Ш

где k= 1,38 ^.10^-23дж/_{град ,} - пост. Больцмана;

N_Ш – коэффициент шума.

Т_Ш = (N_Ш – 1)Т – шумовая температура.

Т_З.С. = Т_А.+Т_ПР.

Т_А.- шумовая температура антенны, включает ряд составляющих, характеризующих шумы различного происхождения: шумы атмосферы; шумы Земли; космические шумы. Методика количественной оценки значения Т_А приведена в специальной литературе [Спутниковая связь и вещание. Справочник под редакцией Л.Я.Кантора]. Типичные значения Т_А составляют 30…40К, при ориентации антенны в зенит и 100…150 при больших углах возвышения. Df_эф »20…40МГц.

Повышение чувствительности приемника достигается минимизацией Т_пр (собственных шумов приемника) и использование специальных методов детектирования и обработки сигналов, при которых снижается требуемое для нормальной работы детектора отношение сигнал/шум - g.

При приеме аналоговых ЧМ сигналов широко используют порогопонижающие схемы частотного детектирования, позволяющие на 4…6дБ снизить требуемое отношение сигнал/шум - g по сравнению со стандартной схемой.

Снижение шумов РПрУ достигается за счет рационального выбора его структуры: использование малошумящих активных приборов, минимизации потерь (прежде всего на входе), эффективного подавления шумов, возникающих по дополнительным каналам приема.

Известно, что при последовательном соединении четырехполюсников шумовая температура равна:

Для пассивных четырехполюсников, вносящих затухание a_i

Т_i =T_o (a_i -1); Т_ш =T (ш - 1);

Т_о – температура окружающей среды;

ш- коэффициент шума.

Применительно к РПрУ формула Т_S должна быть дополнена слагаемыми, учитывающими шумы, обусловленные дополнительными каналами приема.

Для оценки чувствительности РПрУ с одним преобразованием частоты его можно представить в виде обобщенной схемы:

 

Два пассивных четырехполюсника а₁ и а₂ учитывают потери в элементах связи между антенной и МШУ и между МШУ и смесителем (это: фильтры, преобразователи типов волн, циркуляторы, отрезки фидера)

 

DТ – добавка, учитывающая шумы дополнительных каналов приема.

Для уменьшения Т_з.с. необходимо уменьшать а₁ и а₂ и увеличить К_ру (МШУ), а также уменьшить Т_у.

Практически все приемники ССС содержат на входе полупроводниковые МШУ. В особо сложных случаях для уменьшения Т_S в РПрУ применяют охлаждение первых каскадов (МШУ).

Усиление МШУ выбирают таким, чтобы вклад шумов каскадов, следующих за МШУ, был существенно меньше Т_у и им можно было бы пренебречь.

Если задаться величиной a и считать, чтобы доля шумов каскадов за МШУ в Т_з.с не превышала a, то необходимо иметь МШУ с К_ру равным:

при можно считать, что

Для уменьшения потерь на входе, МШУ приемника стремятся приблизить к антенне. Во многих случаях его устанавливают за зеркалом антенны или непосредственно у облучателя. Следовательно, если потери между А и МШУ малы (т.е. а₁®1), то

Т_пр @Т_у, а Т_з.с. = Т_А + Т_у

Отметим, что в непосредственной близости с АУ располагают и СМ (т.е. весь наружный блок конвертера) и тогда потери а₂®1, а от конвертера к тюнеру сигнал передается на промежуточной частоте f_пч, на порядок меньшей f_с, т.е. потери в кабеле связи существенно уменьшаются.

В качестве примера построения структурной схемы РПрУ системы спутникового вещания рассмотрим приемную часть станции «Экран - М» - передающей сигналы ТВ и радиовещания.

Сигналы ЗС и ЗВ передаются на поднесущих частотах 6,5 и 7,0 МГц с частотной модуляцией. ЗС- сигнал звукового сопровождения телевидения, ЗВ- сигналы звукового вещания.

Станция «Экран – М» способна принимать сигналы на одной из двух частот: 714 или 754 МГц. Она имеет выходы звуковых сигналов ЗС и ЗВ, а также видеосигнала ВИ.

Выходная мощность ретранслятора 1Вт (Экран – М1) или 10Вт (Экран – М10). В станции используется многоэлементная спиральная антенна с коэффициентом усиления 21дБ, предназначенная для приема сигналов с круговой поляризацией. Приемник станции имеет шумовую температуру Т_ш £ 150К, Df_эф » 27МГц, f_пр = 70МГц, s_зк ³ 60дБ. При номинальном уровне входного сигнала – 112дБВт, отношение с/ш на выходе канала изображения не менее 50дБ, на выходе канала звука не менее 55дБ.

 

 

АУ – антенный усилитель,

УПрЧ1 – 1^й преобразователь 714 ® 70,

УПрЧ2 – 2^й преобразователь 754 ® 70,

БФ – блок фильтров,

Э – экспандер.

Большинство РПрУ РВСС имеют следующую структуру СВЧ части:

 

 

В спутниковых приемниках, выпускаемых зарубежными фирмами, функциональные узлы внутреннего блока (ВБ) выполняют на специализированных ИМС. Диаметр антенного устройства (АУ) от 0,6 до 2 метров.

В качестве ЧД широко используется схема порогопонижающего детектора на базе кольца ФАПЧ. Гетеродин Г2 представляет собой синтезатор частот, что позволяет автоматизировать процесс настройки.

Особенностью современного состояния спутникового вещания является значительное различие в параметрах сигналов, передаваемых ретрансляторами. Они отличаются полосой занимаемых частот, стандартом ТВ (PAL, D2-MAC, SECAM, NTSC), количеством и частотами поднесущих сигналов ЗВ и ЗС, режимами работы (моно/стерео). В связи с этим в зарубежных приемниках спутникового ТВ большое внимание уделяется вопросам последетекторной обработки сигналов (моно – стерео – шумопонижение). Имеется возможность выбора того или иного стандарта ТВ. Поднесущие ЗС вместе с продуктами их модуляции с помощью дополнительного преобразователя частоты переносятся в область частот 10,7 и 10,52 (при стерео) или только 10,7 ( при моно).

 

Тракт обработки сигнала