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)....
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 ω 1, ω 2, ω 3 với biên độ A1, A2, A3 có
dạng:
Pin = A1cosω 1t + A2cosω 2t + A3cosω 3t (3.20)
Pou = C1 + 3/4C3 (2A12 + 2A22 + 2A32) A1cosω 1t
các thành
+ C1+ 3/4C3 (2A12 + 2A22 + 2A32) A2cosω 2t
phần tần
+ C1 + 3/4C3 (2A12 + 2A22 + 2A32) A3cosω 3t số mong
+ 3/4C3 A12A2cos(2ω 1- ω 2)t + A1A2 2cos(2ω 2- ω 1)t
+ A22A3cos(2ω 2- ω 3)t + A2A3 2cos(2ω 3- ω 2)t
các thành
+ A3A12cos(2ω 3- ω 1)t + A12A3cos(2ω 1- ω 3)t
phần tần
+ 3/4C3A1A2A3 cos(ω 1+ ω 2 + ω 3)t + cos(ω 1- ω 2 + ω 3)t số không
+ cos(ω 2+ ω 3 - ω 1)t (3.21)
Quá trình trên được minh hoạ bằng đồ thị hình 3.29
f1
f f2
1
f2 f3
f3
2f1f2 f1
–f2+f3 f2+f3f1
f1+f2f3
2f2f1
Hình 3.29: Nhiễu điều chế
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
cân
bộ suy hao trượt bằng
0o pha biên độ
bộ
bộ nối
chia ghép
3dB 3dB
K.Đ công
60 đường không
o suất
đường thẳng
Hình 3.30: Bộ tuyến tính hoá
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
Đặc tuyến méo trước Đặc tuyến của HPA
Đặc tuyến của HPA sau
của bộ tuyến tính hoá khi bù
Hình3.31: Quá trình tuyến
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
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
Si/Ni
F =
(3.22)
So/No
mạng 4 So/No
Si/Ni cực
Hình 3.36: hệ số
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
Nguồn tạp âm với
một nhiệt độ vật
lý nào đố có thẻ
không phải là T Giá trị công
có tạp âm N (W)
suất tạp âm
tạo ra:
N =
nhiệt
độ vật lý
T (K)
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:
Máy thu
hệ số
nguồn đầu vào k.đại G đầu ra
tạp Ni =kToB giải No
âm thông B
nhiệt tạp
Nhiệt
âm tương
đương Te
Hình 3.38: hệ số tạp âm và
nhiệt tạp âm
Si /Ni = Si/kToB, So/No = GSi/Gk(To + Te)B thay vào công thức 3.22 nhận
được:
S i/kT oB To + Te
F = = = 1 + Te/To
(3.25)
GSi/Gk(To + Te)B To
Từ 3.25 có thể rút ra:
Te = (F - 1)To (3.26)
G1 G2 G3
T1
T2
T3
H × 3. ¹ng cùc nhi t
nh 39:M 4 cã Òu Çng
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
