Конспект лекций по курсу: «Основы построения Земных станций и бортовых ретрансляторов». Часть 4: "Спутниковый транспондер (бортовой ретранслятор)" (Обработка сигналов в спутниковой системе связи)

Структуры систем, которые выполняют процедуры обработки сигналов с использованием отмеченного частотного сдвига, представлены на рис. 4.12.

Рис. 4.12а иллюстрирует метод непосредственного преобразования, выполняемого в области высоких частот (ВЧ): ВЧ-ВЧ с использованием одного смесителя.

На рис. 4.12b показана схема системы с двойным преобразованием частоты сначала, с ВЧ на более низкую промежуточную частоту (ПЧ), а затем – преобразование обратно на ВЧ с использованием смесителя. Последняя система традиционно позволяет осуществить более эффективные фильтрацию и усиление на ПЧ по сравнению с фильтрацией и усилением на ВЧ. В дополнение к этому отметим, что системы преобразования частоты преобразуют так же и шум, поступающий из канала линии связи вверх, и, следовательно, этот шум будет накладываться на спектр данных, передаваемых в канал вниз.

Устройства ремодуляции обеспечивают модуляцию несущего колебания, направляемого на Земную станцию. Процедуру ремодуляции осуществляют с помощью:

1)  переноса высокочастотного спектра сигнала, поступившего из канала вверх, на более низкую промежуточную частоту и затем выполняют модуляцию на ПЧ (см. рис. 4.12c); или

2)  2) непосредственной демодуляции несущей, поступившей из канала вверх, а затем – ремодуляции ВЧ сигнала, направляемого в канал связи вниз (см. рис. 4.12d).

Рис. 4.12. Структуры обработки сигналов в спутниковых системах связи. (а) Частотный сдвиг ВЧ-ВЧ. (b) Частотный сдвиг ВЧ-ПЧ-ВЧ. (c) Ремодуляция на ПЧ. (d) Демодуляция-ремодуляция.

Преобразование ВЧ-ВЧ

Запишем сигнал на выходе канала связи вверх в виде

,                               (4.4.1)

где  – несущее колебание в линии связи вверх, равное

                                    .                  (4.4.2)

Полосовой гауссов шум, поступающий из линии связи вверх представлен выше в формуле (4.2.5). Спектральный уровень этого шума в соответствии с (4.2.1) равен N₀. При методе преобразования ВЧ-ВЧ высокочастотный спектр сигнала x(t) просто перемещают на частоту несущего колебания, передаваемого вниз. Если колебание на выходе местного гетеродина равно

,                     (4.4.3)

то на выходе смесителя имеем

, (4.4.4)

где k_m – коэффициент усиления смесителя и n₂(t) – шум на выходе смесителя, сдвинутый по частоте. Высокочастотный спектр сигнала, поступившего из линии вверх, на выходе смесителя (см. выражение для x₂(t) в формуле (4.4.4)) имеет спектр, смещенный к двум частотам (ω_u ± ω_l). Полосовой фильтр, включенный на выходе смесителя, настроен так, чтобы выделить суммарную или разностную частоту. Поэтому спектр сигнала, поступившего из линии вверх, может быть перемещен к суммарной или к разностной частоте. Так, например, для коммерческих систем связи С-диапазона частоту 6 ГГц линии вверх преобразуют в частоту 4 ГГц линии вниз.

Из формулы (4.4.4) следует, что смеситель регулирует амплитуду несущей при формировании разностной частоты (в случае сдвига частоты вниз) и устанавливает фазовые соотношения в несущей канала вверх и в несущей местного гетеродина . Данные частотные и фазовые разностные процедуры позволяют построить модель фазо-частотного преобразования, представленную на рис. 4.13. Эта модель дает возможность наблюдать поведение несущей частоты и фазы на разных этапах преобразования сигнала.

Рис. 4.13. Фазо-частотная модель смесителя: а) одиночный смеситель; b) двойное преобразование частоты.

На входе смесителя мощность несущего колебания в (4.4.2) равна P_c, а мощность шума – N₀B_RF. Следовательно, отношение сигнал/шум (CNR) на входе смесителя равно

.                                     (4.4.5)

После смесителя несущее колебание и шум изменяются одинаково соответственно коэффициенту усиления смесителя k_m. Поэтому отношение сигнал/шум CNR остается таким же, как и в (4.4.5), и идеальное преобразование частоты не ухудшает величину CNR.

Напомним, что отношение сигнал/шум CNR_d, определяемое на Земной станции, рассчитывается при условии идеального усиления как

,                    (4.4.6)

и при этом величина CNR_u может соответствовать отношению сигнал/шум или до или после переноса частоты. Иными словами, преобразование частоты в идеальном транспондере не ухудшает отношение сигнал/шум приемника в линии связи вниз.