Конспект лекций по курсу: «Основы построения Земных станций и бортовых ретрансляторов». Часть 4: "Спутниковый транспондер (бортовой ретранслятор)" (Устройства ограничения в транспондерах. Нелинейные бортовые усилители)

4.5. Устройства ограничения в транспондерах

Часто обработка сигналов в транспондерах требует использование процедуры ограничения уровня сигнала при преобразовании частоты. Идеальным ограничителем может служить устройство с нелинейной зависимостью коэффициента усиления, схематично представленное на рис. 4.16. После ограничителя обычно включают полосовой фильтр, настроенный на частоту входного несущего колебания. Поэтому комбинированное устройство ограничитель-фильтр получило название полосовой ограничитель (BPL).

Рис. 4.16. Модель полосового ограничителя.

Запишем выражение, определяющее смесь несущей и шума на входе BPL, в виде

.                                (4.5.1)

На выходе BPL имеем

.                                  (4.5.2)

На выходе устройства получают ВЧ несущую, закон фазовой и частотной модуляции которой соответствует закону модуляции на входе, однако уровень амплитуды при этом становится постоянным.

Ограничитель устраняет амплитудную модуляцию, однако сохраняет угловую модуляцию. Отметим, что мощность на выходе BPL равна

.                            (4.5.3)

Так как уровень ограничения V_L может быть изменен, мощность на выходе BPL может быть точно установлена. Следовательно, BPL служит в качестве простого устройства управления амплитудой и мощностью. Ограничители обычно используют в транспондере для предотвращения больших девиаций амплитуды и для установки мощности определенного уровня.

Если на вход ограничителя поступает смесь в виде несущей с угловой модуляцией и шума приемника, то часто желательно знать предел, который соответствует сохранению формы несущего колебания при его прохождении через ограничитель. Это трудно определить из формулы (4.5.3) так как шум на выходе ограничителя превращается в фазовый шум несущего колебания. Мощность несущей на выходе ограничителя можно представить с помощью формулы вида

,                         (4.5.4)

где I₀(x) и I₁(x) – мнимые функции Бесселя порядка 0 и 1, соответственно, и CNR_i – отношение сигнал/шум на входе ограничителя, равное

.                                                        (4.5.5)

Так как полная мощность на выходе ограничителя равна согласно (4.5.3) P_L, то шум должен содержать разностный член. Поэтому шум на выходе ограничителя равен

                                                     P_n0 =P_L – P_c0.                                                 (4.5.6)

Тогда отношение сигнал/шум (CNR) на выходе полосового ограничителя можно записать в виде выражения

                           .                                (4.5.7)

Из формулы (4.5.4) получим

.                       (4.5.8)

График нормированного отношения

                                        (4.5.9)

представлен на рис. 4.17 в виде зависимости от величины сигнал/шум на входе CNR_i .

Рис. 4.17. Зависимость отношения сигнал/шум на выходе к отношению сигнал/шум на входе для полосового ограничителя.

Анализ зависимости, представленной на рис. 4.17, позволяет определить характер изменения CNR при прохождении сигнала через полосовой ограничитель. Отметим, что влияние ограничителя сводится к увеличению отношения сигнал/шум при условии, что входное отношение сигнал/шум велико, и к небольшому уменьшению отношения сигнал/шум (приблизительно на 2 дБ) в случае, когда величина CNR на входе мала. В то время как непосредственный перенос частоты не изменяет отношение CNR, полосовой ограничитель оказывает влияние на CNR. Это означает, что при ретрансляции влияние ограничителя на отношение сигнал/шум CNR_d приемника Земной станции в выражении (4.4.6) определяется следующей формулой

,                 (4.5.10)

в которой зависимость G от CNR_i определяется из рис. 4.17.

Так как величина CNR меняется при прохождении через ограничитель, мы можем интерпретировать процедуру ограничения как преобразование входной мощности несущей и шума на выходе устройства. Следовательно, обозначив коэффициенты ослабления несущей и шума, как  и , соответственно, получим

.                      (4.5.11)

Так как , то

                                    .                                               (4.5.12)

Следовательно отношение коэффициентов ослабления несущей и шума можно определить как

                                            .                                              (4.5.13)