Công nghệ máy phát

Nhiệm vụ phát bao gồm: tín hiệu từ người sử dụng hay mạng mặt đất được đưa đến bộ ghép kênh rồi đến thiết bị xử lý tín hiệu, đến bộ điều chế dao động trung tần thường có tần số 70 MHz h

Công nghệ máy phát

Các trạm mặt đất thường làm việc ở chế độ song công có sơ đồ khối chung như đã giới thiệu trong tiết 3.1 Nhiệm vụ phát bao gồm: tín hiệu từ người sử dụng hay mạng mặt đất được đưa đến bộ ghép kênh rồi đến thiết bị xử

lý tín hiệu, đến bộ điều chế dao động trung tần thường có tần số 70 MHz hoặc

140 MHz, sauđó qua bộ nâng tần dể nâng lên tần số phát (ví dụ 6 GHz ở băng

C hoặc 14 GHz cho băng Ku) Các kênh với phổ tần vi ba khác nhau phụ thuộc băng tần quy định và loại dịch vụ thông tin sẽ được tập hợp lại lên băng tần phát chung nhờ bộ kết hợp, toàn bộ băng tần đó sẽ được đưa tới một bộ khuếch đại công suất cao (HPA) chung để khuếch đại lên công suất yêu cầu Trong trường hợp mỗi HPA khuếch đại một sóng mang thì mỗi tín hiệu có phổ tần vi

ba nhất định được đưa tới một HPA khác nhau sau đó mới đến bộ kết hợp Tín hiệu có công suất lớn qua bộ lọc song công theo bộ tiếp sóng ra anten để phát đến vệ tinh Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các bộ phận sẽ được lần lượi giới thiệu ở những phần sau

1 Phân loại bộ khuếch đại công suất cao

Trong thông tin vệ tinh, khoảng cách từ trạm mặt đất đến vệ tinh rất lớn nên suy hao truyền sóng lớn khoảng trên dưới 200 dB, do đó đòi hỏi trạm mặt đất phát phải cho ra công suất lớn, nghĩa là phải có tầng khuếch đại công suất cao (HPA) Trạm mặt đất cho thông tin quốc tế, tầng khuếch đại công suất cao

có công suất khoảng từ vài trăm Wat đến vài kilôWat Với các hệ thống thông tin vệ tinh nội địa HPA có thể có công suất khoảng 50 Wat hay nhỏ hơn đối với các trạm có lưu lượng thoại thấp.

Trong một số trường hợp bộ khuếch đại công suất cao dùng bán dẫn (SSPA) với công suất từ 1 Wat đến 10 Wat cũng được sử dụng cho dịch vụ một vài kênh thuê riêng (SCPC)

Nói chung hầu hết các trạm mặt đất máy phát đều sử dụng bộ khuếch đại công suất cao dùng klystron (KPA) và đèn sóng chạy (TWTA) Giữa chúng có những đặc tính khác nhau, khi sử dụng loại nào cần phải biết sự khác nhau này

để có thể lựa chọn loại HPA nào cho phù hợp với yêu cầu thực tế của thông tin.

Tuy nhỉên trong một số trường hợp yêu cầu công suất nhỏ như mạng VSAT và các trạm có dung lượng thấp hoặc sử dụng anten loại A cũ có hệ số tăng ích lớn bù lại cho công suất nhỏ thì có thể sử dụng bộ khuếch đại công suất tranzitor (SSPA)

2 Các đặc tính của bộ khuếch đại công suất

Mặc dù đặc tuyến truyền đat của bộ khuếch đại công suất cao nói chung

là tuyến tính nhưng ở vùng lân cận điểm bảo hoà là không tuyến tính, Bởi vậy khi một HPA khuếch đại đồng thời nhiều sóng mang nếu điểm làm việc nằm trong đoạn đặc tuyến đó thì sẽ xuất hiện các tần số mới là hài của các tần số sóng mang đó Hiện tượng đó gọi là “nhiễu điều chế”, sinh ra tạp âm ở tần số khác Điều này có thể giải thích như sau:

Ba tín hiệu được đưa đồng thời vào đầu vào HPA, đầu ra sẽ nhận được các thành phần sau:

Giả thiết đặc tuyến truyền đạt của HPA được biểu thị bằng biểu thức:

K = C1x + C3 x3

Ba sóng mang có các tần số góc ω1, ω2, ω3 với biên độ A1, A2, A3 có dạng:

Pin = A1cos ω1t + A2cos ω2t + A3cos ω3t (3.20)

Pou = C1 + 3/4C3 (2A12 + 2A22 + 2A32) A1cos ω1t

+ C1+ 3/4C3 (2A12 + 2A22 + 2A32) A2cos ω2t

+ C1 + 3/4C3 (2A1 + 2A2 + 2A3 ) A3cos ω3t

+ 3/4C3 A1 A2cos(2 ω1- ω2)t + A1A2 2cos(2 ω2- ω1)t

+ A22A3cos(2 ω2- ω3)t + A2A3 2cos(2 ω3- ω2)t

+ A3A12cos(2 ω3- ω1)t + A12A3cos(2 ω1- ω3)t

+ 3/4C3A1A2A3 cos( ω1+ ω2 + ω3)t + cos( ω1- ω2 + ω3)t

các th nh ph à ần tần

số mong muốn

các th nh phà ần tần số không mong muốn

+ cos( ω2+ ω3 - ω1)t (3.21)

Quá trình trên được minh hoạ bằng đồ thị hình 3.29

Có nhiều tần số điều chế được tạo ra do điểm làm việc nằm trong vùng đặc tuyến không đường thẳng, nhưng chỉ những tần số lân cận nằm trong giải thông của bộ lọc đối với các tần số tín hiệu f1, f2, và f3 là gây ra nhiễu điều chế

ở đầu ra của bộ khuếch đại.

Để khử nhiễu điều chế có nhiều biện pháp:

- Sử dụng một HPA chỉ khuếch đại một sóng mang

- Nếu một HPA khuếch đại đồng thời nhiếu sóng mang, điểm làm việc

của bộ khuyéch đại phải lựa chọn sao cho điểm làm việc nằm trên đoạn thẳng

của đặc tuyến Nghĩa là phải giảm công suất đầu vào một giá trị nào đó được

gọi là “độ lùi đầu vào” (IBO), lúc đó công suất ra cũng giảm đi một lượng

tương ứng gọi là “độ lùi đầu ra” (OBO) Thường công suất ra thấp hơn so với

mức công suất bão hoà 6 đến 10 dB Như vậy là không tận dụng hết khả năng

khuếch đại của HPA

- Một biện pháp khác để khử nhiễu xuyên điều chế là sử dụng bộ tuyến tính hoá bằng cách lắp vào trước HPA một mạch sửa méo trước như chỉ ra trên hình 3.30

f1+f2-f3 2f2-f1

phổ tần số đầu v o à đặc tuyến truyền đạt phổ tần số đầu ra

f1 f2 f3 f1 f2 f3

2f1-f2 f1 –f2+f3 f2+f3-f1

Hình 3.29: Nhiễu điều chế của HPA

cân bằng biên độ

v pha à

bộ suy hao trượt pha

đường không đường thẳng

0 o

60 o

bộ chia 3dB

bộ nối ghép 3dB

K.Đ công suất

Hình 3.30: Bộ tuyến tính hoá HPA

Bộ tuyến tính hoá có đặc tuyến không đường thẳng ngược với đặc tuyến của HPA để có một đặc tuyến đường thẳng như chỉ ra trên hình 3.31

3 Công nghệ máy thu

Như ở sơ đồ khối chung đã chỉ ra, tín hiệu thu được từ vệ tinh bởi anten thu qua bộ lọc phân hướng đến bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA), đến bộ biến đổi hạ tần ra trung tần, qua các tầng khuếch đại trung gian, đến bộ giải điều chế

ra tín hiệu băng tần cơ sở, qua bộ xử lý tín hiệu đến bộ phân kênh, ra thiết bị giao tiếp với mặt đất để đưa tới người sử dụng Công suất anten thu của trạm mặt đất thu được từ vệ tinh là vô cùng bé do bị suy hao truyền sóng rất lớn Giảm đi khoảng 1020 đến 1021 lần so với mức phát đi từ vệ tinh khoảng vài chục dến vài trăm wat An ten thu trạm mặt đất có thể tăng lên khoảng 105 đến 106

lần nhờ hệ số tăng ích của nó Tuy nhiên điều đó chưa đủ để các thiết bị trạm mặt đất làm việc Do đó cần phải khuếch đại chúng lên một mức có thể giải điều chế được, với mức tạp âm thêm vào là nhỏ nhất Bởi vậy bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) đóng một vai trò quan trọng trong việc bảo đảm chất lượng tín hiệu của trạm mặt đất

Đặc tuyến méo trước Đặc tuyến của HPA Đặc tuyến của HPA sau

Hình3.31: Quá trình tuyến tính hóa

4 Hệ số tạp âm

Tạp âm sinh ra trong một mạng bốn cực (có thể là bộ khuếch đại hay bộ tiêu hao) thường được biểu thị bởi hệ số tạp âm F

Hệ số tạp âm của một mạng 4 cực bằng tỷ tín hiệu trên tạp âm ở đầu vào trên tỷ số tín hiệu trên tạp âm ở đầu ra của mạng

Tuy nhiên khi làm việc với các tín hiệu yếu như trong thông tin vệ tinh thì tạp âm N thường được biểu thị bởi nhiệt tạp âm tương đương T (K: độ kelvin)

Tất cả các vật thể có nhiệt độ vật lý T (K) sẽ bức xạ ra sóng điện từ, một phần của bức xạ này nằm trong băng tần vibavà sẽ gây ra tạp âm như một nguồn tạp âm Vậy:

Nhiệt tạp âm tương đương là nhiệt độ của một điện trở tương đương sinh

ra tạp âm có công suất như của nguồn tạp âm tạo ra, như minh hoạ trên hình 3.37

Si/Ni

F = (3.22)

So/No

So/No

Hình 3.36: hệ số tap âm

Nguồn tạp âm với một nhiệt độ vật lý n o à đố

có thẻ không phải l T à

có tạp âm N (W)

nhiệt độ vật lý

T (K)

Giá trị công suất tạp

âm tạo ra:

N = kTB (W)

Hình 3.37: Nhiệt tạp âm tương đương

Công suất tạp âm trong một độ rộng băng tần B sẽ là:

N = kTB (W) (3.23)

Trong đó k là hằng số Boltzmann:

k = 1,3806 × 10-23+ W s/K = - 228,60 dBW/Hz.K (3.24)

T là nhiệt độ tuyệt đối (K), B giải thông của tạp âm (Hz)

Với nhiệt độ 290 K trong độ rộng băng 50 MHz công suất tạp âm sẽ là: 0,2 × 10-12 = 0,2pW Một anten có nhiệt độ mặt ngoài là 290 K sẽ thu được công suất tạp âm 0,2pW trong băng tần 50 MHz.

Quan hệ giữa hệ số tạp âm và nhiệt tạ âm của một mạng 4 cực sẽ là: Nếu nhiệt tạp âm đầu vào là To , mạng 4 cực có hệ số truyền đạt là G, nhiệt tạp

âm tương đương của mạng 4 cực là Te như biểu thị trên hình 3.38 thì:

Si /Ni = Si/kToB, So/No = GSi/Gk(To + Te)B thay vào công thức 3.22 nhận được:

Từ 3.25 có thể rút ra:

Si/kToB To + Te

GSi/Gk(To + Te)B To

đầu v o à

Ni =kToB

nguồn tạp âm Nhiệt độ T

o

Máy thu

hệ số k.đại G giải thông B nhiệt tạp âm tương đương

Te

đầu ra No

Hình 3.38: hệ số tạp âm v nhià ệt tạp âm

Te = (F - 1)To (3.26)

G1

T1

G2

T2

G3

T3

H×nh 3.39: M¹ng 4 cùc cã nhiÒu tÇng

Nếu mạng 4 cực gồm nhiều tầng như chỉ ra trên hình 3.39 thì tạp âm đầu ra sẽ được tính:

Tạp âm do nguồn ngoài tác động vào đầu vào ởđầu ra của mạng 4 cực 3 tầng:

N01 = G1G2G3kT0B Tạp âm của tầng thứ nhất ở đầu ra của mạng, được khuếch đại bởi tầng thứ hai và ba:

N02 = G2G3 (kTe1G1B) Tạp âm của tầng thứ hai được được khuếch đại bởi tầng thứ ba:

N03 = G3 (kTe2G2B) Tạp âm bản thân tầng thứ ba ở đầu ra của mạng:

N04 = kTe3G3B) Tạp âm tổng ở đầu ra của mạng sẽ là:

N0T = N01 + N02 + N03 + N04

N0T = G1G2G3 kB (T0 + Te1 + Te2/ G1 + Te3/ G1 G2) Nhiệt tạp âm tổng của 3 tầng ở đầu ra của mạng:

TeS = Te1 + Te2/ G1 + Te3/ G1 G2

Tổng quát một mạng có n tầng thì nhiệt tạp âm của hệ thống sẽ là:

TeS = Te1 + Te2/ G1 + Te3/ G1 G2 + + Ten/ G1G2 Gn-1 (3.27)

Trong đó Te1 n là nhiệt tạp âm tương đương của các tầng 1, 2, 3, n - 1

G1 n là hệ số khuếch đại của mỗi tầng

Từ công thức 3.27 ta có nhận xét là: Tạp âm đầu ra của một mạng 4 cực

có nhiều tầng được quyết định bởi tạp âm của tầng đầu tiên

Phân hệ thu của trạm mặt đất muốn có tạp âm nhỏ thì tầng đầu tiên phải

là tầng khuếch đại tạp âm thấp (LNA) Để giảm mức tạp âm đầu vào của LNA, chúng được đặt gần anten để giảm tạp âm của đoạn fide tiếp điện từ anten đến LNA

Hệ số phẩm chất của trạm mặt đất được đánh giá bằng tỷ số hệ số tăng ích của anten thu G trên nhiệt tạp âm của hệ thống TeS (G/TeS) hầu như được quyết định bởi hệ số tạp âm và hệ số khuếch đại của LNA cùng với hệ số tăng ích của anten Bởi vậy việc sử dụng một LNA có hệ số tạp âm càng nhỏ càng tốt Sau đây chúng ta sẽ nghiên cứu một số bộ khuếch đại tạp âm thấp sử dụng các linh kiện khuếch đại khác nhau được sử dụng phổ biến ở các trạm mặt đất trong hệ thống thông tin vệ tinh