5. Конвертор спутникового радиоприёмного устройства

Одним из способов уменьшения коэффициента шума, и, следовательно, повышения чувствительности РПрУ, является усиление принятого сигнала сразу же после антенны. Устройства, выполняющие эту функцию, называются «антенными усилителями». Конструктивно антенные усилители размещаются как можно ближе к антенне. В спутниковых РПрУ антенные усилители рас­полагаются в облучателе параболоида и носят название «малошумящих уси­лителей» (МШУ). Малошумящий усилитель конструктивно объединяется с поляризатором и первым преобразователем частоты. Такой усилительно-­преобразовательный блок называется «конвертором» (рис.9).

Конвертор решает следующие задачи:

• осуществляет поляризационную селекцию принимаемых от спутника - ретранслятора сигналов;

• осуществляет защиту радиоприёмного устройства по зеркальному кана­лу;

• производит усиление по мощности сигналов, принятых на высокой частоте;

• производит первое преобразование частоты принятых сигналов;

• производит предварительное усиление преобразованных сигналов на первой промежуточной частоте.

Сигнал, принятый от ИСЗ параболической антенной, поступает на поляри­затор (П). Поляризатор пропускает на вход конвертора сигнал только опреде­лённого вида поляризации. В состав конвертора входит малошумящий усили­тель (МШУ), смеситель (СМ) с гетеродином (Г) и усилитель первой промежу­точной частоты (УПЧ). В типовом конверторе принятый антенной сигнал усиливается в двух- или трёхкаскадном транзисторном МШУ, затем его час­тота понижается в первом преобразователе частоты до промежуточной часто­ты в диапазоне 950 - 1750 МГц.

РПрУ для приёма сигналов ТВ-вещания через спутники-ретрансляторы выполняется по супергетеродинной схеме с двойным преобразованием часто­ты. Это обеспечивает хорошую избирательность по соседнему спутниковому каналу, практически полное подавление сигналов зеркального канала и сигна­лов обратного излучения гетеродина. Первое преобразование частоты, как уже было сказано, выполняется во внешнем блоке (конверторе). Первая про­межуточная частота преобразованных сигналов (точнее, полоса частот) выби­рается здесь достаточно высокой (950...1750 МГц), чтобы частота первого ге­теродина и частоты зеркальных сигналов не попадали в полосу частот сигна­лов со спутника. Первый гетеродин не перестраивается. Он генерирует сигнал одной фиксированной частоты, и преобразование осуществляется в полосе частот A f = 800 МГц. Для преобразования в более широкой (Af = 1200 МГц) полосе частот используются два гетеродина.

Первое преобразование частоты принятых сигналов может осуществляться как при линейной поляризации (вертикальной или горизонтальной), так и круговой поляризации. Электромагнитные волны круговой поляризации предварительно преобразуются в волны линейной поляризации. Можно одно­временно вести обработку сигналов вертикальной и горизонтальной поляри­зации при наличии во внешнем блоке двух конверторов на входе демодулято­ра (рис.10).

Рис.10. Структурная схема конвертора для одновременного приёма сигналов горизонтальной и вертикальной поляризации:

1-приёмная антенна; 2-облучатель; 3-блок наведения на спутник; 4-поляризатор; 5-блок управления поляризатором; 6-полосовой фильтр СВЧ; 7-волноводно-полосковый переход; 8-малошумящий усилитель сигналов СВЧ; 9-первый смеситель; 10-первый гетеродин; 11,12-усилители сигналов первой промежуточной частоты (ПЧ); 13-усилитель сигналов пер­вой ПЧ по мощности; 14-коаксиальный кабель, соединяющий внешний блок с внутренним.

Антенна. Приёмные антенны СВЧ-диапазона для спутникового телевизи­онного вещания применяются в основном двух видов: фазированные антен­ные решетки (ФАР) и параболические антенны. Наиболее широкое примене­ние нашли параболические антенны. Внутренняя поверхность параболоида вращения металлическая или металлизированная, предназначенная для приема и отражения (переизлучения) падающих на неё электромагнитных волн и направления их в точку фокуса, где размещается облучатель.

Облучатель служит для приёма отражённых от зеркала электромагнитных волн, преобразования их в электрические сигналы и направления их в волно­вод. При спутниковом телевизионном вещании приём электромагнитных волн, имеющих как линейную, так и круговую поляризацию. Поэтому к об­лучателю присоединяется волновод круглого сечения, в котором могут рас­пространяться электромагнитные волны любой поляризации.

Поляризацией называется физическая характеристика излучения, описы­вающая направленность векторов-моментов электрического поля, распро­страняющейся электромагнитной волны.

Поляризатор служит для выбора электромагнитных волн только одной (вертикальной или горизонтальной) поляризации и направления их в волно­вод. Важнейшей характеристикой переключателя является величина поля­ризационного затухания, т.е. показатель того, в какой мере проникают элек­тромагнитные волны нежелательной поляризации на выход. Типовое значе­ние затухания составляет 30...50 дБ. В системе индивидуального приёма вы­бор электромагнитных волн одной или другой поляризации осуществляется:

• механическим способом - поворотом на 90° магнитной петли или электрического зонда;

• электромагнитным способом - подачей определённого напряжения на обмотку феррита, вдоль которого распространяется электромагнитная вол­на. Этим управляет электронная схема, которая находится в ресивере,и выбор электромагнитной волны соответствующей поляризации происхо­дит одновременно с выбором частотного канала (телевизионной программ мы).

Антенно-фидерная система, кроме указанных элементов, может содержать систему дистанционного наведения на ИСЗ, называемую позиционером.

Полосовой фильтр СВЧ. Его назначение - защита входа МШУ конвертора от внешних помех и защита облучателя от проникновения сигналов комбинационных частот первого гетеродина в эфир, что может стать причиной появ­ления помех для других РПрУ.

Волноводно-полосковый переход служит для подачи на вход первого каска­да малошумящего усилителя наведенной в нём ЭДС. Для этого в широкую плоскость волновода прямоугольного сечения на определённом расстоянии от края вставляется электрический штырь, в котором наводится ЭДС сигнала, который затем подаётся на вход малошумящего усилителя.

Малошумящий предварительный усилитель. Основное требование к этому усилителю - обеспечить максимальное усиление сигнала по мощности, что обеспечивает уменьшение коэффициента шума. МШУ обычно выполняется двух- или трёхкаскадным. Коэффициент шума типового МШУ не превышает 1,2 дБ, но есть и такие, у которых он составляет не более 0,6 дБ. Однако кон­верторы с очень низким коэффициентом шума относительно дороги.

Первый преобразователь частоты. Имеет в своём составе смеситель, пер­вый гетеродин и предварительный усилитель сигналов промежуточных частот (ПУПЧ). Функциональная схема первого преобразователя частоты (ПрЧ) по­казана на рис.11.

Рис.11. Функциональная схема первого преобразователя частоты.

Принимаемые со спутников электромагнитные волны СВЧ - диапазона на­водят в зонде, находящемся в прямоугольном волноводе, электрические сиг­налы этих же частот, которые затем усиливаются и в первом смесителе пре­образовываются в сигналы диапазона частот 950...1750 (2150) МГц. Ширина полосы частот после первого преобразования, как видно, составляет 800 (1200) МГц и поэтому все 40 выделенных частотных телевизионных каналов в нём помещаются. Выбор телевизионного канала осуществляется из этого диапазона частот. Расстояние по частоте между несущими частотами сосед­них каналов составляет 19,18 МГц.

Первый гетеродин генерирует сигнал одной фиксированной частоты. Ос­новное требование к нему - обеспечение высокой стабильности частоты гене­рируемого сигнала. Однако его нестабильность не лучше ± 1,0 МГц. Для приёма цифровых многопрограммных передач нестабильность частоты гете­родина внешнего устройства должна быть не хуже ± 0,35 МГц. На практике приём цифровых передач ведётся с обычными конверторами, у которых не­стабильность частоты гетеродина достигает ± 1,0 МГц. Учитывая, что первый гетеродин находится на открытом воздухе (размещён на антенне) и подвер­жен влиянию больших колебаний температуры, применяются конструктив­ные меры для уменьшения нестабильности: термостабилизация, герметиза­ция, применение диэлектрических резонаторов и т.п.

Приём сигналов СВЧ диапазона 10,7... 11,7 ГГц или 11,7... 12,75 ГГц осу­ществляется переключением гетеродинов.

Усилитель сигналов промежуточных частот обеспечивает усиление по на­пряжению (а последний его каскад - и по мощности) преобразованного сиг­нала. Для качественного телевизионного изображения необходимое усиление порядка (50 ^ 60) дБ в такой широкой полосе частот с одним каскадом полу­чить трудно, поэтому предварительный УПЧ (ПУПЧ) выполняется обычно трёхкаскадным. Это последний функциональный узел конвертора. К нему вы­сокочастотным коаксиальным кабелем подключается внутренний блок - спутниковый телевизионный приёмник (ресивер).

При наличии двух конверторов наружный блок с ресивером соединяется двумя коаксиальными кабелями. Удельное затухание сигнала в кабеле не должно превышать 0,3 дБ/м. Однако затухание сигнала в нём неравномерно по всему диапазону: наибольшее затухание сигнала происходит в верхней части частотного диапазона 950...2150 МГц. Поэтому при большой длине кабеля для компенсации затухания могут применяться специальные усилители- корректоры, у которых усиление растёт с увеличением частоты. Таким обра­зом, производится выравнивание передаточной характеристики конвертора.

Блок управления наведением антенны на спутник (позиционер) даёт воз­можность ориентировать антенну на различные спутники. Исполнительным узлом поворота зеркала является актуатор. Датчиком положения (позиции) антенны служит электронная оптопара или герконовое реле. Импульсы с него подаются на сравнивающее устройство, на которое также подаются импульсы управления от запоминающего устройства, расположенного в ресивере. В случае несовпадения количества импульсов появляется сигнал рассогласова­ния и подаётся команда на поворот антенны. В запоминающее устройство могут быть предварительно занесены позиции спутников, ретранслирующие те­левизионные и радиовещательные программы. Иногда для ориентирования антенны используется супермоут. В отличие от актуатора, он не имеет огра­ничений при повороте антенны вокруг своей оси. Он рассчитан на небольшие ветровые нагрузки и используется в конструкциях с небольшими антеннами (до 130 см в диаметре).

Питание конвертора. Постоянное напряжение +12 В подаётся по цен­тральному проводу коаксиального кабеля из ресивера. В конверторе это на­пряжение преобразуется в двуполярное. Основное требование к питающему напряжению - его высокая стабильность.

Ресивер спутникового радиоприёмного устройства.

Структурная схема ресивера показана на рис.12.

Рис.12. Структурная схема спутникового телевизионного ресивера:

1 - устройство переключения (выбора) сигналов поляризации; 2 - поло­совой фильтр перестраиваемый (или неперестраиваемый); 3 - предваритель­ный усилитель первой промежуточной частоты 950... 1750 (2150) МГц; 4 - второй гетеродин; 5 - второй смеситель; 6 - полосовой фильтр сигналов вто­рой ПЧ; 7 - усилитель сигналов второй ПЧ; 8 - полосовой фильтр, переклю­чаемый на полосу 27 или 36 МГц, или регулируемый; 9 - амплитудный огра­ничитель; 10 - широкополосный частотный демодулятор; 11 - каскад АПЧГ; 12 - каскад АРУ; 13 - узел управления выбором поляризации; 14 - блок выбо­ра частотного канала (программы); 15 - блок управления полосой фильтра; 16 - индикатор грубой настройки на выбранный канал; 17 - блок включения АПЧГ; 18 - индикатор точной настройки на выбранный канал.

После усиления в предварительном УПЧ на первой промежуточной часто­те сигнал из конвертора поступает на вход внутреннего блока, называемого «ресивером». В ресивере сигнал усиливается на первой промежуточной частоте (в УПЧ-1), после чего производится второе преобразование частоты. Значение второй ПЧ выбирается, исходя из требований защиты от помех по зеркальному каналу второго гетеродина. Выбор частотного канала (телевизионной программы) осуществляется с блока управления перестройкой частоты второго гетеродина и одновременной перестройкой включённого на его входе полосового фильтра, который отфильтровывает сигналы других частотных ка­налов, также поступающих на вход, но являющиеся уже помехой. Перестраи­ваемый полосовой фильтр на входе ресивера определяет избирательность по соседнему каналу.

В качестве второй промежуточной частоты выбирается либо fn_P2 = 479,5 МГц (Европейский стандарт), либо fn_P2 = 612 МГц (стандарт США). После второго преобразования производится основное усиление сиг­нала на второй промежуточной частоте (в УПЧ-2). С выхода УПЧ-2 усилен­ный на второй промежуточной частоте сигнал подаётся на демодулятор (ДЕМ). В качестве демодулятора обычно используют частотные детекторы с обратной связью по частоте. Такие демодуляторы позволяют продетектировать малые по уровню ЧМ-сигналы.

В современных системах спутникового ТВ-вещания предусмотрена частотная модуляция комплексным ТВ-сигналом. Комплексный модулирующий ТВ-сигнал состоит из видеосигнала с сигналом дисперсии и частотно-модулированной поднесущей звукового сопровождения. Необходимость вве­дения в комплексный модулирующий сигнал сигнала дисперсии объясняется следующим.

Для осуществления электромагнитной совместимости спутниковых систем связи с наземными радиосистемами важна не только полная мощность сигна­ла, принимаемого от ИСЗ, но и распределение спектральной мощности этого сигнала по частоте. При передаче ТВ-сигналов методом частотной модуляции имеются явно выраженные максимумы в спектре сигнала. Они обусловлены наличием в ТВ-сигнале длительное время не изменяющихся сигналов. Это уровни синхроимпульсов, гасящих импульсов, а также сигналов изображения с постоянной яркостью. С целью ослабления таких участков спектра приме­няют искусственное рассеяние мощности сигнала по спектру, называемое дисперсией сигнала. Для этого несущая дополнительно модулируется по частоте сигналами треугольной формы с частотой 25 Гц.

На приёмной стороне возникает обратная задача - убрать сигнал дисперсии, так как при его наличии возможно нарушение синхронизации кадровой раз­вертки. Кроме того, сигнал дисперсии проявляется на изображении в виде штрихов, для подавления которых применяются схемы фиксации уровня чёрного.

После демодулятора видеосигнал поступает на компенсатор дисперсии (КОМП. ДИСП.). Сигнал дисперсии исключается из видеосигнала с помощью схем фиксации уровня.

На выходе демодулятора получается сигнал изображения в стандарте PAL или SECAM совместно с сигналами звукового сопровождения на несущей звука. Из сигналов цветности выделяются видеосигналы основных цветов E_R, E_g , Е_в или ЦРС E_r _ y, E_g - _Y, E_B - _Y в декодирующем устройстве (ДК). Эти сигналы через универсальный разъём «SCART» подаются на вход ТВ- приёмника. Для телевизоров ранних поколений, не имевших такого разъёма, ресивер снабжают «ремодулятором» - устройством, которое формирует стандартный ТВ-сигнал в метровом или дециметровом диапазоне.

Второй преобразователь частоты.

Второй преобразователь частоты имеет в своём составе второй смеситель, второй гетеродин и усилитель сигналов второй промежуточной частоты.

Функциональное и конструктивное построение преобразователя зависит от функций, выполняемых ресивером. Он должен:

• выбирать частотные каналы из полосы частот A f = 800 МГ ц;

• иметь высокую избирательность по соседнему спутниковому частотно­му каналу;

• обеспечить усиление сигналов второй промежуточной частоты не менее 80 дБ.

Структура ресивера во многом определяется величиной промежуточной частоты (ПЧ). В общем случае сигналы из диапазона 950... 1750 МГц второй преобразователь конвертирует в сигналы второй ПЧ, величина которой может быть любой: 70; 134,2; 479,5; 612 МГц или регулируемой. В более поздних моделях из-за применения демодуляторов с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ) значение второй ПЧ в странах Европы выбрано 479,5 МГц, что равно 25-кратному значению несущей (25-19,18 МГц) спутникового частотного канала. В странах американского континента значение второй ПЧ выбрано 612 МГц.

Усилитель сигналов второй ПЧ представляет собой широкополосный рези­стивный усилитель с автоматической регулировкой усиления (АРУ). Чаще всего его выполняют двух-трёхкаскадным, с глубокой отрицательной обратной свя­зью, обеспечивающей равномерное усиление во всей полосе частот.

Гетеродин второго преобразователя охвачен цепью автоматической под­стройки частоты (АПЧ). Применение АПЧ здесь необходимо, так как для эф­фективной работы демодулятора стабильность частоты первого гетеродина, расположенного во внешнем блоке, как уже говорилось, недостаточна (± 1,0 МГц). АПЧ используется для обеспечения более высокой стабильности второй промежуточной частоты, на которую настраивается "нулевая" частота дискриминатора. Сигнал рассогласования с частотного демодулятора подаётся на варикап, включённый в высокочастотный контур гетеродина, и изменяет ёмкость контура в сторону уменьшения ошибки при отклонении частоты.

Автоматическая регулировка усиления (АРУ) выравнивает уровень сигнала внутри диапазона частот 950... 1750 (2150) МГц при приёме сигналов с раз­личными уровнями от различных спутников. Для этого сигнал с выхода час­тотного демодулятора дополнительно детектируется, усиливается и с некото­рой постоянной времени (задержкой) подаётся на входы усилительных каска­дов второй ПЧ. Выравнивание уровня сигнала регулируется изменением коэф­фициентов усиления этих каскадов.

Полосовой фильтр перед демодулятором предназначен для подавления сиг­налов комбинационных частот, возникающих при ограничении сигнала, и оп­ределяет ширину частотной полосы канала приёма. При приёме со спутников частотная полоса фильтра выбирается переключателем: 27 МГц, 36 МГц или может быть регулируемой плавно или ступенчато.

Широкополосный частотный демодулятор.

Он предназначен для преобразования принимаемого широкополосного частотно-модулированного сигнала, несущего информацию, в амплитудный сигнал с более узкой частотной полосой, без изменения его первоначального спектра.

Частотные демодуляторы характеризуются демодуляционным порогом, т.е. порогом помехоустойчивости, который является важным параметром ресиве­ра. От демодуляционного порога зависит чувствительность ресивера, т.е. то минимальное значение отношения сигнал/шум на входе демодулятора, при котором принимается изображение удовлетворительного качества.

Частотные демодуляторы определяют также ширину частотной полосы и амплитуду выходного сигнала. Для демодуляции принятого со спутника и многократно преобразованного частотно-модулированного сигнала можно применять различные типы демодуляторов.

Демодулятор должен иметь:

• высокую линейность амплитудно-частотной характеристики, при кото­рой сохраняется спектр демодулированного полезного сигнала и ис­ключается появление искажений;

• необходимую ширину полосы частот;

• низкий демодуляционный порог, от которого зависит величина отноше­ния сигнал/шум на выходе (при заданной частотной полосе на входе), что определяет качество принимаемого видеоизображения и звука в аналоговой системе.

Частотный демодулятор (рис.13) состоит из:

• амплитудного ограничителя и полосового фильтра с полосой пропуска­ния 27 или 36 МГц (или регулируемой). Он включается на входе дис­криминатора для подавления сигналов комбинационных частот, обра­зующихся при ограничении амплитуды частотно-модулированной несу­щей до требуемого уровня;

• дискриминатора с амплитудно-частотной характеристикой высокой ли­нейности;

ФНЧ для подавления высокочастотных составляющих, лежащих выше выбранной его частоты среза.

Рис.13. Структурная схема частотного демодулятора:

1 - амплитудный ограничитель; 2 - полосовой фильтр; 3 _ частотный дис­криминатор; ФНЧ - фильтр низких частот видеосигнала; УПЧ _ усилитель второй промежуточной частоты; ФПЧ _ фильтр промежуточной частоты.

В типовых демодуляторах средняя частота полосового фильтра ПЧ и "нуле­вая" частота дискриминатора всегда совпадают. Они настраиваются точно на немодулированную несущую, частота которой при приёме в аналоговой систе­ме в ранних моделях может быть равной 70 МГц или 134,26 МГц, а в более поздних _ 479,5 или 612 МГц.

При появлении на входе дискриминатора немодулированной несущей на­пряжение на его выходе равно нулю. Если на вход дискриминатора подаётся частотно-модулированная несущая, то при отклонении её частоты в любую сторону от "нулевой" на его выходе появляется напряжение, пропорциональ­ное отклонению (девиации) частоты, соответствующей полярности и ампли­туды.

Максимально возможная амплитуда на выходе зависит от ширины и кру­тизны выходной амплитудно-частотной характеристики дискриминатора. Ширина полосы частот дискриминатора определяется расстоянием на час­тотной оси между горбами характеристики. Для работы выбирается только её линейный участок. В общем случае полоса частот дискриминатора должна быть равна или немного превышать удвоенную девиацию частоты несущей. Выходное напряжение дискриминатора не должно зависеть от амплитуды ЧМ- несущей, подаваемой на его вход, так как это увеличивает нелинейные иска­жения выходного сигнала и снижает помехоустойчивость демодулятора. Однако в частотных дискриминаторах такая зависимость реально существует и проявляется весьма заметно, чего нельзя допускать. Поэтому типовые демоду­ляторы имеют высокоэффективный амплитудный ограничитель для ограниче­ния амплитуды модулированной несущей, если она превышает установленный уровень. Это обеспечивает подачу на вход дискриминатора несущей только определённого уровня.