Конспект лекций по курсу: «Основы построения Земных станций и бортовых ретрансляторов». Часть 4: "Спутниковый транспондер (бортовой ретранслятор)" (Модель транспондера. Входной блок транспондера)

4. СПУТНИКОВЫЙ ТРАНСПОНДЕР (БОРТОВОЙ РЕТРАНСЛЯТОР)

4.1. Модель транспондера

Назначение спутникового транспондера: прием и ретрансляция сигнала.

Структура спутникового транспондера представлена на рис 4.1.

Рис. 4.1. Структурная схема спутникового транспондера.

Основные процедуры обработки сигнала в транспондере:

На входе после приема сигнал усиливают на частоте несущей линии связи вверх и выполняют фильтрацию (для подавления шума). После этого формируют сигнал с параметрами, требуемыми для передачи в линии связи вниз. Обработка сигнала на несущей частоте предполагает или непосредственный перенос спектра, или процедуру дополнительной модуляции (ремодуляции). При переносе спектра сигнала, принятого по линии связи вверх, спектр смещают в область несущей частоты линии связи вниз. В результате ремодуляции вид модуляции сигнала в линии связи вверх меняется на новый, согласованный с системами декодирования, а также обеспечивающий формирование узкого луча и помехоустойчивость в линии связи вниз.

Для приема сигнала в линии связи вверх и для передачи сигнала в линии связи вниз может быть использована одна и та же антенна, так как частотные диапазоны данных линий связи разнесены. Блок коммутации (диплексор) применяют для обеспечения режима одновременного приема и передачи данных.

После фильтрации на входе и соответствующей обработки, сигнал на несущей частоте канала линии связи вниз усиливают по мощности в усилителе, выполненном на основе ЛБВ. Иногда используют предварительное усиление сигнала. Так как уровень мощности несущей в канале вверх равен долям мкВт и поскольку обычно требуется обеспечить уровень мощности в канале вниз, равный единицам Ватт, транспондер должен иметь коэффициент усиления по мощности на уровне 80…100 дБ. С учетом потерь мощности в фильтрах и кабеле, требуемое усиление должно быть выше того уровня, который обеспечивает усилитель на ЛБВ. Следовательно, в транспондерах требуется применять промежуточное усиление. Обычно промежуточное усиление выполняют с использованием полупроводниковых усилителей.

Если спутниковый транспондер имеет коэффициент эффективности преобразования e (e – это отношение мощности несущей в канале вниз к исходной мощности, поступающей от солнечных батарей питания), тогда потребляемая транспондером мощность составляет 1/e от исходной мощности. Неиспользованная доля мощности (1–e) от исходной мощности питания рассеивается в виде тепла, которое поддерживает заданный уровень температуры на борту спутника.

4.2. Входной блок транспондера

Упрощенная структура входного блока спутникового транспондера представлена на рис 4.2.

Рис. 4.2. Структура входного блока спутникового транспондера.

Выход приемной антенны связан кабелем с коммутатором (диплексором) или сплиттером, после которого включены ВЧ фильтры и усилители. Кабель и диплексор являются элементами, которые вносят потери, фильтры определяют рабочую полосу частот, а усилители обеспечивают требуемый уровень усиления.

Шумы входных цепей

Основные источники шумов во входных цепях: 1) шум антенны, определяемый фоновой температурой , и 2) собственный шум входных цепей, который зависит от коэффициента шума F (noisefigure). Эти величины определяют спектральный уровень шума на входе, равный

,                                                                         (4.2.1)

где k – постоянная Больцмана и

.                                                        (4.2.2)

В антенну Земной станции, которая направлена вверх, попадает фоновой шум неба и Галактики со всех направлений, создавая шумовую температуру .

В антенну, находящуюся на борту спутника, попадает фоновое излучение Земли, создаваемое переотражением космического излучения. Эквивалентная шумовая температура излучения Земли приблизительно равномерна в широком частотном диапазоне и равна 300⁰ К.

Шумовое фоновое излучение с поверхности Земли попадает в основной лепесток ДН бортовой антенны, а через боковые лепестки ДН бортовой спутниковой антенны «просачивается» шум Галактики.

Отметим, что благодаря направленным свойствам антенна уменьшает шумовую температуру. Основная доля шума, попадающая в узкий основной лепесток ДН антенны, соответствует фоновой шумовой температуре Земли, равной 300⁰ К. Графики зависимости эквивалентной шумовой температуры приемника  от входного коэффициента шума приемника, приведенные на рис. 4.3, получены в результате подстановки данной шумовой модели в уравнение (4.2). Отметим, что с ростом входного коэффициента шума приемника возрастает эквивалентная шумовая температура приемника.