2.4.1. Giới thiệu
Tín hiệu thu từ vệ tinh về rất yếu, thường khoảng -150 dBW trên nền tạp âm lớn, vì vậy bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) có một vai trò quan trọng trong trạm mặt đất để vừa khuếch đại tín hiệu vừa không làm giảm chất lượng tín hiệu.
Vị trí lắp đặt LNA càng gần đầu thu càng có lợi về mức tín hiệu vì giảm tạp âm và suy hao do giảm được chiều dài ống dẫn sóng.
2.4.2. Các loại khuếch đại tạp âm thấp
Khuếch đại GaAs-FET: khuếch đại dùng transistor trường loại bán dẫn
hỗn tạp Gali-Arsenic (GaAs-FET) được sử dụng rộng rãi ở vùng tần số cao với đặc tính băng rộng, hệ số khuếch đại và độ tin cậy cao.
Khuếch đại thông số: Nguyên tắc hoạt động của loại này là khi một tín
hiệu kích thích đặt lên một điốt điện dung, các thông số mạch điện của nó thay đổi và tạo ra một điện trở âm, do đó khuếch đại tín hiệu vào. Như vậy, từ sự biến đổi điện dung của điốt do tín hiệu kích thích được dùng cho khuếch đại. Việc giảm nội trở của điốt sẽ tạo ra các đặc tính tạp âm thấp.
Bộ khuếch đại thông số có một hạn chế so với bộ khuếch đại GaAs-FET như sau:
- Cần có một mạch tạo ra tín hiệu kích thích.
- Khó điều chỉnh và không phù hợp với việc sản xuất hàng loạt. - Băng tần hẹp, bất lợi về độ tin cậy và bảo dưỡng.
Khuếch đại Transistor: có độ linh động điện tử cao HEMT (High Electron
Mobility Transistor): nguyên lý của bộ khuếch đại này là lợi dụng chất khí điện tử hai chiều với độ linh động cao phù hợp đối với khuếch đại tạp âm thấp tín hiệu tần số cao. Ưu điểm của nó là băng thông rộng, kích thước nhỏ, dễ bảo dướng và thuận lợi cho sản xuất hàng loạt.
2.5. BỘ ĐỔI TẦN 2.5.1. Khái niệm 2.5.1. Khái niệm
Cũng giống như vệ tinh, các trạm mặt đất cũng có các bộ đổi tần (FC) nhưng không phải là để đổi từ tần số hướng lên thành tần số hướng xuống mà là để đổi từ tần số cao của sóng mang thành trung tần và ngược lại. Vị trí của bộ đổi tần là thường ở đằng sau bộ khuếch đại tạp âm thấp của máy thu và sau bộ khuếch đại công suất cao của máy phát. Trong một số trường hợp để thuận tiện và tránh suy hao trên Feeder, người ta phối hợp LNA và bộ đổi tần thành một khối chung gọi là bộ đổi tần tạp âm thấp (LNC - Low Noise Convertor) đặt ngay sau anten. Bộ đổi tần của các trạm mặt đất được đánh giá bằng những thông số đặc trưng sau:
Tại trạm mặt đất các bộ đổi tần làm việc với hai băng tần tín hiệu là băng cao tần RF (Radio Frequency) và băng trung tần IF (Intermediate Frequency). Khi độ rộng băng RF khá hẹp, ví dụ như đối với một bộ phát đáp 36MHz, tần số IF thường vào khoảng 70 MHz hay dải IF bằng 7018 MHz. Nếu như RF rộng hơn thì tần số IF cũng thường được chọn lớn hơn (ví dụ như 14036 MHz ) để có thể lọc tốt hơn các tần số ảnh. Trong trường hợp này trạm mặt đất có thể thu phát luồng số có tốc độ 120 Mbit/s TDMA-PSK.
Một vệ tinh có nhiều bộ phát đáp. Vì vậy mà trong ES có thể có nhiều bộ đổi tần để làm việc với các bộ phát đáp đó. Đối với hệ thống vệ tinh đơn búp sóng (Mono Beam), vệ tinh phủ sóng đồng thời đến tất cả các ES trong mạng. Do đó tín hiệu đầu vào các trạm mặt đất là toàn bộ dải 500MHz của vệ tinh chứa tin tức của tất cả các trạm. Các trạm mặt đất thông qua bộ đổi tần và các bộ lọc BPF để lấy ra các tin tức của mình trong đó.
b) Độ linh hoạt tần số
Tần số cũng như độ rộng của các băng sóng (IF hoặc RF) có thể phải thay đổi ở một lúc nào đó vì nhu cầu gia tăng lưu lượng thông tin hay khi hệ thống thay vệ tinh mới. Vì vậy các bộ đổi tần cần phải có khả năng thay đổi các thông số làm việc một cách nhanh chóng, thuận tiện, dễ dàng và ít tốn kém nhất. Khả năng này gọi là độ linh hoạt và các bộ đổi tần kép đều có độ linh hoạt rất cao.
c) Độ tuyến tính
Trong những hệ thống SCPC một sóng mang chỉ mang duy nhất một kênh cho một bộ phát đáp. Để tiết kiệm, một số sóng mang tín hiệu có thể cùng được đưa vào một bộ đổi tần chung và do đó chúng có thể gây nên các thành phần xuyên điều chế hay là các tần số ảnh (Image Frequency). Để giảm đến mức tối thiểu sự ảnh hưởng này thì các bộ đổi tần phải có độ tuyến tính tốt và có một khoảng ngăn cách đủ lớn giữa các sóng mang. Đối với một sóng mang nhưng chứa một số lượng lớn các kênh thông tin như trong hệ thống MCPC thì độ tuyến tính của bộ đổi tần cũng cần phải cao để loại bỏ sự méo tín hiệu do can nhiễu giữa các kênh.
d) Độ dung sai tần số sóng mang
Trong quá trình truyền dẫn, tần số sóng mang có thể bị trượt bởi nhiều nguyên nhân ví dụ như do hiệu ứng Doppler. Khi đến máy thu của trạm mặt đất, các sóng mang bị di tần trong khoảng cho phép vẫn phải được thu một cách chính xác. Khoảng tần số có thể xê dịch được quy định cụ thể và thông số này càng nhỏ đối với các tần số càng thấp (ví dụ 40 KHz cho sóng mang 1.25 MHz; 50KHz cho cho sóng mang 2.5 MHz; 80KHz cho cho sóng mang 5 MHz; 250KHz cho cho sóng mang TV). Đối với hệ thống SCPC dung sai này yêu cầu thấp hơn nhiều (chỉ khoảng 250 Hz). Để có thể chấp nhận được dung sai tần số sóng mang các bộ dao động nội phải sử dụng các mạch dao động tinh thể tự động điều chỉnh.
2.5.2. Các bộ đổi tần kép
Bộ đổi tần đơn là bộ đổi tần đơn giản và rẻ tiền vì nó chỉ thực hiện đổi tần một lần, do đó chỉ cần sử dụng một bộ trộn tần và một bộ dao động nội. Tuy nhiên bộ đổi tần đơn lại có những nhược điểm lớn như thiếu độ linh hoạt, kém chính xác khi làm việc ở tần số cao, tạo ra nhiều thành phần xuyên điều chế. Khi thay đổi tần số làm việc, không những tần số dao động nội phải thay đổi mà đặc tuyến của bộ lọc BPF 36MHz cũng phải thay đổi.
Bộ đổi tần kép sử dụng hai bộ đổi tần đơn ghép nối tiếp nhau do đó việc đổi tần được thực hiện hai lần. Trong đó bộ dao động nội thứ nhất có thể thay đổi được tần số ngoại sai. Tính linh hoạt của nó thể hiện ở chỗ khi cần thay đổi tần số hay dải tần làm việc thì người ta chỉ phải điều chỉnh tần số của bộ dao động nội thứ nhất mà không phải thay đổi các bộ lọc BPF 36MHz. Các bộ đổi tần kép lên (Double Up Converter) và đổi tần kép xuống (Double Down Converter) có thể khắc phục được các nhược điểm chính của bộ đổi tần đơn nên thường được dùng rộng rãi trong các trạm mặt đất hiện nay.
Hình 2-7: Bộ hạ tần kép băng C độ rộng 36 MHz
Hình 2.7 cho ta một ví dụ về bộ hạ tần kép làm việc ở băng C có tần số trung tần bằng 70MHz độ rộng băng là 36 MHz. Sau khi được phân chia công suất nhờ bộ chia, tín hiệu thu được khuếch đại rồi đưa qua bộ BPF 500 MHz để lọc bỏ nhiễu sau đó đưa vào trộn tần. Thiết bị này có hai bộ hạ tần đơn trong đó LO1 (độ dao động nội) thay đổi được tần số ngoại sai. Khi thay đổi tần số làm việc F0 ta chỉ việc thay đổi tần số của LO1 mà không phải thay đổi bộ lọc BPF 36 MHz. Điều này được thể hiện trên hình 2.8.
Hình 2-8: Nguyên lý hai kiểu hạ tần: a) Đơn - b) Kép 2.5.3. Các bộ dao động nội (Local Ocsillators)
Bộ dao động dùng để tạo ra tần số ngoại sai nhờ một bộ dao động tinh thể hoặc nhờ phương pháp tổng hợp tần số (Synthesis). Trong trường hợp thứ nhất, khi thay đổi tần số của bộ dao động nội người ta cần phải thay thế bộ tinh thể
dao động hoặc chuyển sang dùng một tinh thể khác nếu sử dụng bộ đa tinh thể. Trong trường hợp thứ hai thì đơn giản hơn và có thể điều khiển từ xa. Độ ổn định tần số phải đạt được trong khoảng từ 10-5 cho tín hiệu FDM/FM và TV đến 310-9 cho hệ thống SCPC, IDR hoặc TDMA. Ngoài ra bộ dao động nội còn phải có mức độ tạp âm thấp để không gây ra các ảnh hưởng lớn tới các thiết bị xử lí ở đằng sau.
2.6. BỘ KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT CAO HPA (High Power Amplifer) 2.6.1. Khái niệm 2.6.1. Khái niệm
Một trạm mặt đất bao giờ cũng phải có bộ khuếch đại công suất. Chức năng cơ bản của một bộ khuếch đại công suất (Power Amplifier - PA) đối với một trạm mặt đất là dùng để nâng cao công suất của tín hiệu tạo bởi các thiết bị thông tin mặt đất tới mức công suất đủ lớn sao cho bằng một anten có hệ số tăng ích hiệu dụng đã biết thì tín hiệu sóng mang có thể truyền đến được vệ tinh với mức EIRP đạt yêu cầu. So với hệ thống thong tin vệ tinh do khảng cách chuyển tiếp dài khoảng 36000 km nên một trạm mặt đất lớn phát với công suất khoảng vài trăm W đến vài chục kW.
Hai loại HPA thường gặp nhất trong các trạm mặt đất là bộ khuếch đại công suất Klytron (KPA) và bộ khuếch đại đèn sóng chạy TWTA (Travelling Wave Tube Amplifier). Ngoài ra hiện nay người ta đang dần dần sử dụng rộng rãi bộ khuếch đại công suất bán dẫn SSPA (Solid State PA). Trong các loại này thì TWTA là bộ khuếch đại có công suất lớn dải rộng, KPA có công suất lớn dải hẹp còn SSPA có công suất nhỏ và dải rộng.
2.6.2. Bộ khuếch đại công suất Klytron (KPA)
Ta hãy xét những đặc điểm cơ bản của một bộ Klytron tiêu chuẩn đa hốc cộng hưởng (thông thường là gồm 5 hốc cho một bộ khuếch đại công suất 3 kW). Nó gồm một súng điện tử dùng để bắn ra chùm electron đi xuyên qua các khe hở của các hốc và những ống kim loại hình trụ gọi là các ống trượt (Dript Tubes) đặt giữa các khe hốc. Trong bộ khuếch đại này, tín hiệu cao tần có công suất thấp được đưa vào bộ cộng hưởng thứ nhất gọi là hốc hội tụ (Buncher
cavity). Tín hiệu này sẽ tạo ra các dòng điện chảy trong những thành hốc làm xuất hiện một điện trường xuyên ngang khe Buncher. Điện trường này lại được dùng để điều tiết tốc độ của chùm tia điện tử. Sau khi ra khỏi khe Buncher các electron tiếp tục bay qua hốc cộng hưởng trung gian và hốc thoát (còn gọi là hốc đón hay Catcher) để tới Collector. Hốc Catcher sẽ tạo ra rất nhiều dòng điện dao động tại các vách của nó để nâng cao được năng lượng của sóng cao tần phát nếu như kích thước của hốc chuẩn xác để cộng hưởng đúng tần số của sóng. Các hốc cộng hưởng trung gian (thường ở vị trí thứ hai và thứ ba) có vai trò hỗ trợ nhằm tạo ra khả năng khuếch đại lớn và nâng cao mức công suất bão hoà. Chùm electron khi bay qua các hốc cộng hưởng và các ống trượt phải được làm hẹp lại để nâng cao cường độ của chùm tia. Việc này được thực hiện bằng các thiết bị hội tụ (Focusing) gồm các thành phần từ trường cho ống ngắn hay một cuộn điện từ Solenoid cho ống dài (Hình 2.9).
Hình 2-9: Cấu trúc bộ KPA
Nói chung thì KPA là thiết bị khuếch đại công suất lớn dải hẹp. Độ rộng dải thông của nó thường vào khoảng dưới 100 MHz và hệ số tăng ích trong khoảng từ 3550 dB. Ví dụ như khi KPA làm việc ở băng C (5,925 - 6,425 GHz) trong hệ thống INTELSAT thì ứng với công suất ra 1000 W, hệ số tăng ích của KPA là 35 dB và dải thông rộng 40 MHz. Đối với băng Ku (14 - 14,5 GHz), khi công suất ra là 1500 W thì hệ số khuếch đại của KPA=40 và độ rộng dải thông là 100 MHz. Tần số làm việc của bộ khuếch đại công suất Klytron có
thể điều chỉnh được bằng việc thay đổi kích cỡ của các hốc cộng hưởng thông qua các núm vặn Tunning để nó cộng hưởng đúng tần số mà ta mong muốn.
2.6.3. Bộ khuếch đại đèn sóng chạy (TWTA)
Bộ khuếch đại công suất sóng chạy (TWTA) là một bộ khuếch đại dải rộng với hệ số tăng ích thông thường từ 25dB 50 dB. Hiệu suất của TWTA nói chung phụ thuộc vào từng băng tần nhưng thường có giá trị khoảng 20 40
trong đó hiệu suất 20 là phổ biến hơn.
Nguyên lý làm việc của TWTA là sử dụng một chùm electron được hội tụ bằng từ trường tương tác với một cơ cấu sóng chậm (Slow Wave Structure) ví dụ như một cuộn dây xoắn trên hình 2.9. Tốc độ của luồng electron được điều chỉnh sao cho nó gần như ngang bằng với vận tốc pha của sóng điện từ chảy dọc theo cuộn dây xoắn. Trong những điều kiện như thế, sẽ xảy ra một sự tác động qua lại rất mạnh mẽ giữa chùm tia điện tử và sóng điện từ trong cuộn dây làm cho năng lượng của sóng được tăng lên. Cơ cấu sóng chậm được đặt giữa súng điện tử và collector mang điện thế dương. Hình dáng và cấu trúc của chúng có thể rất đa dạng, ví dụ như dạng ống tròn bằng đá hay bằng điện môi, dạng vòng, dạng thỏi hoặc dạng xoắn... Trên hình 2.10 là sơ đồ một đèn sóng chạy sử dụng cơ cấu làm chậm hình xoắn (Helix).
2.6.4. Bộ khuếch đại công suất bán dẫn (SSPA)
Bộ SSPA là thiết bị sử dụng công nghệ bán dẫn chế tạo các FET công suất. Những bộ SSPA đặc biệt dùng GaAsFET hiện nay đều có khả năng thay thế TWTA trong những ứng dụng cần công suất nhỏ. Vì dùng bán dẫn cho nên SSPA nhỏ gọn và tiết kiệm năng lượng hơn TWTA khá nhiều, do đó nó rất thích hợp cho các trạm mặt đất hiện đại cũng như cho vệ tinh. Mức công suất ra tiêu chuẩn của SSPA nằm trong khoảng 2.5 Watts ở băng 14/11 GHz và 10 Watts ở băng 6/4 GHz. Hệ số tăng ích của nó vào khoảng 57.0 dB trên mọi tần số thuộc băng tần 5.9 đến 6.4 GHZ và có điểm bão hòa tại mức công suất vào -16 dBm.
Tuy nhiên hiện nay SSPA vẫn ít được dùng vì khả năng công suất còn thấp, chế tạo rất phức tạp và giá thành lại quá cao nhiều khi còn đắt hơn cả TWTA. Giá của thiết bị này vào thời điểm năm 1987 là khoảng từ 2000 đến 4000 US Dollars tuỳ thuộc vào băng tần và công suất ra.
2.6.5 Các đặc tính của bộ khuếch đại công suất
2.6.5.1 Tính phi tuyến
Hình 2.11 cho chúng ta thấy tính chất phi tuyến của các bộ khuếch đại công suất cao HPA. Khi công suất vào PIN tăng thì công suất ra POUT tăng không tuyến tính theo PIN, đường đồ thị POUT = f(PIN) là một đường cong. Khi PIN tăng đến một giá trị PSAT thì POUT đạt đến bão hoà (Saturation) và bắt đầu giảm đi nếu PIN tiếp tục tăng.
Mỗi bộ phát đáp thường có một bộ HPA. Khi một bộ phát đáp mang nhiều sóng mang (ví dụ như trong các hệ thống FDMA) thì bộ HPA phải làm việc đồng thời với nhiều tần số.
2.6.5.2. Các phương pháp bù tuyến tính cho HPA
Trong mục trên ta thấy các bộ HPA có đặc tuyến công suất không tuyến tính. Khi HPA làm việc gần tới điểm bão hòa thì nó sẽ làm méo dạng tín hiệu nghiêm trọng do các thành phần xuyên điều chế lúc này có năng lượng khá cao. Hiện tại không có biện pháp chế tạo nào cho phép khắc phục nhược điểm này của các bộ HPA. Do đó để giảm méo người ta bắt buộc phải hạ thấp điểm làm việc hay tạo ra một lượng dự phòng đầu vào (IBO - input back-off), mặc dù điều đó sẽ làm giảm công suất ra, hệ số khuếch đại, hiệu quả sử dụng và gia tăng giá thành. Lượng dự phòng đầu vào IBO được tính bằng tỉ số PIN/PSAT. Nó vào