Công nghệ máy phát

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 K u ). 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 = C 1 x + C 3 x 3 Ba sóng mang có các tần số góc ω 1 , ω 2 , ω 3 với biên độ A 1 , A 2 , A 3 có dạng: P in = A 1 cosω 1 t + A 2 cosω 2 t + A 3 cosω 3 t (3.20) P ou = C 1 + 3/4C 3 (2A 1 2 + 2A 2 2 + 2A 3 2 ) A 1 cosω 1 t + C 1 + 3/4C 3 (2A 1 2 + 2A 2 2 + 2A 3 2 ) A 2 cosω 2 t + C 1 + 3/4C 3 (2A 1 2 + 2A 2 2 + 2A 3 2 ) A 3 cosω 3 t + 3/4C 3 A 1 2 A 2 cos(2ω 1 - ω 2 )t + A 1 A 2 2 cos(2ω 2 - ω 1 )t + A 2 2 A 3 cos(2ω 2 - ω 3 )t + A 2 A 3 2 cos(2ω 3 - ω 2 )t + A 3 A 1 2 cos(2ω 3 - ω 1 )t + A 1 2 A 3 cos(2ω 1 - ω 3 )t + 3/4C 3 A 1 A 2 A 3 cos(ω 1 + ω 2 + ω 3 )t + cos(ω 1 - ω 2 + ω 3 )t các th nh phà ần tần số mong muốn các th nh phà ần tần số không mong muốn + cos(ω 2 + ω 3 - ω 1 )t (3.21) Quá trình trên được minh hoạ bằng đồ thị hình 3.29 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 f 1 , f 2 , và f 3 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 f 1 +f 2 -f 3 2f 2 -f 1 phổ tần số đầu v o à đặc tuyến truyền đạt phổ tần số đầu ra f 1 f 2 f 3 f 1 f 2 f 3 2f 1 -f 2 f 1 –f 2 +f 3 f 2 +f 3 -f 1 Hình 3.29: Nhiễu điều chế của HPA cân bằng biên độ v phaà bộ suy hao trượt pha đường không đường thẳng 0 o 60 o bộ chia 3dB bộ nối ghép 3dB K.Đ công suất Hình 3.30: Bộ tuyến tính hoá HPA 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 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 10 20 đến 10 21 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 10 5 đến 10 6 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 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 tính hóa 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 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 S i /N i F = (3.22) S o /N o S o /N o S i /N i mạng 4 cực Hình 3.36: hệ số tap âm Nguồn tạp âm với một nhiệt độ vật lý n o à đố có thẻ không phải l T à có tạp âm N (W) nhiệt độ vật lý T (K) Giá trị công suất tạp âm tạo ra: N = kTB (W) 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 T o , mạng 4 cực có hệ số truyền đạt là G, nhiệt tạp âm tương đương của mạng 4 cực là T e như biểu thị trên hình 3.38 thì: S i /N i = Si/kT o B, S o /N o = GS i /Gk(T o + T e )B thay vào công thức 3.22 nhận được: Từ 3.25 có thể rút ra: Si/kT o B T o + T e F = = = 1 + T e /T o (3.25) GS i /Gk(T o + T e )B T o đầu v oà N i =kT o B nguồn tạp âm Nhiệt độ T o Máy thu hệ số k.đại G giải thông B nhiệt tạp âm tương đương T e đầu ra N o Hình 3.38: hệ số tạp âm v nhià ệt tạp âm T e = (F - 1)T o (3.26) G 1 T 1 G 2 T 2 G 3 T 3 H×nh 3.39: M¹ng 4 cùc cã nhiÒu tÇng 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: N 01 = G 1 G 2 G 3 kT 0 B Tạp âm của tầng thứ nhất ở đầu ra của mạng, được khuếch đại bởi tầng thứ hai và ba: N 02 = G 2 G 3 (kT e1 G 1 B) Tạp âm của tầng thứ hai được được khuếch đại bởi tầng thứ ba: N 03 = G 3 (kT e2 G 2 B) Tạp âm bản thân tầng thứ ba ở đầu ra của mạng: N 04 = kT e3 G 3 B) Tạp âm tổng ở đầu ra của mạng sẽ là: N 0T = N 01 + N 02 + N 03 + N 04 N 0T = G 1 G 2 G 3 kB (T 0 + T e1 + T e2 / G 1 + T e3 / G 1 G 2 ) Nhiệt tạp âm tổng của 3 tầng ở đầu ra của mạng: T eS = T e1 + T e2 / G 1 + T e3 / G 1 G 2 Tổng quát một mạng có n tầng thì nhiệt tạp âm của hệ thống sẽ là: T eS = T e1 + T e2 / G 1 + T e3 / G 1 G 2 + . + T en / G 1 G 2 .G n-1 (3.27) Trong đó T e1 .n là nhiệt tạp âm tương đương của các tầng 1, 2, 3, .n - 1 G 1 .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 T eS (G/T eS ) 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 . 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. 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