Учебное пособие елец 2008 удк ббк з
 Скачать 1.64 Mb.
|
Антенны спутника-ретранслятора.В отличие от наземных станций, имеющих в своем составе одну антенну, на борту современных спутников устанавливают несколько приёмных и пере- дающих антенн. Антенны спутника-ретранслятора должны иметь:
спутниками и другими системами связи. Для реализации требуемых свойств на спутнике устанавливается несколь- ко параболических антенн больших размеров. Данные дистанционных изме- рений параметров ретранслятора, а также данные контроля и управления пе- редаются либо через специальные рупорные, либо через большие параболиче- ские антенны. Во время запуска и вывода спутника на орбиту для передачи команд управления и контроля применяется штыревая всенаправленная антенна, так как другие антенны в этот момент находятся в нераскрытом состоянии. Антенны современных спутников устанавливаются на индивидуальные поворотные устройства, что дает возможность по команде с Земли поворачи- вать каждую антенну независимо друг от друга на некоторый угол. Так, в рос- сийском спутнике «ГАЛС - 16Р» каждая из трёх антенн может индивидуально поворачиваться на угол в пределах ± 8°. Кроме этого, имеются две антенны, установленные на общую платформу, которые вместе можно повернуть на такой же угол. Такая конструкция позволяет обслуживать поочерёдно большие территории, расположенные в разных временных поясах, что для России очень важно. Приёмно-передающий блок спутника-ретранслятораПриёмно-передающий блок спутника вместе с антеннами представляет со- бой спутниковый ретранслятор (транспондер). Это главная часть передающей системы. Для того чтобы создать зону обслуживания, которая наилучшим об- разом соответствовала бы конфигурации обслуживаемой территории, боль- шинство спутников имеют несколько ретрансляторов и антенн с узкими диа- граммами направленности. Ретрансляторы в спутниковых системах связи обычно выполняются в виде отдельных частотных «стволов». Каждый «ствол» содержит тракт обработки сигнала и усилитель с ограниченной пиковой мощностью. Упрощённая струк- турная схема одного ствола (луча) типового ретранслятора приведена на рис.9.3. Здесь показаны самые важные, имеющие принципиальное значение, узлы.  Рис.9.3. Упрощённая структурная схема одноствольного ретранслятора: 1-приёмная антенна; 2-входное малошумящее устройство; 3-усилитель; 4-смеситель; 5-гетеродин; 6-усилитель мощности; 7-волноводный тракт; 8-передающая антенна. В рассматриваемой схеме осуществляется только одно преобразование частоты сигналов приёма в частоту сигналов передачи. В некоторых ретранс- ляторах используется двойное преобразование частоты. Принимаемые СВЧ- сигналы преобразуются в сигналы промежуточной частоты и обрабаты- ваются: усиливаются, ограничиваются, фильтруются, а затем передаются на Землю абонентам (приёмным устройствам). Но в современных спутниках, на- пример, «ГАЛС - 16Р», используется только одно преобразование.
Из оптики известно, что расходящиеся световые лучи от точечного источ- ника света, помещённого в фокусе вогнутого параболического зеркала, соби- раются таким зеркалом в пучок параллельных лучей. На этом основано дейст- вие прожектора. На основании принципа взаимности известно также, что приходящие параллельные световые лучи на поверхность вогнутого парабо- лического зеркала после отражения от поверхности собираются в точке фоку- са. Аналогично работают и параболические зеркала для радиоволн. Эти зерка- ла делаются либо из листового металла, либо из металлической сетки. Однако они не могут создать столь высокую направленность, какая получается для световых лучей. Геометрические размеры отражающих зеркал для световых лучей в огромное число раз больше длины волны световых волн, составляю- щих сотни микрометров. Явление дифракции у краёв зеркала, т.е. огибание границ зеркала световыми волнами практически не наблюдается. Создать па- раболическое зеркало для радиоволн (пусть даже миллиметровых) с таким же соотношением линейных размеров зеркала к длине радиоволны практически невозможно. На практике размеры параболоида лишь в несколько сотен раз больше длины радиоволны. Поэтому у краёв зеркала наблюдается довольно сильное явление дифракции (т.н. «затекание» радиоволн). Лучи радиоволн огибают края зеркала и расходятся в стороны; поэтому получить достаточно узкую диаграмму направленности (ДН) без боковых и задних лепестков не удаётся. Чем больше соотношение между линейными размерами зеркала и длиной волны, тем меньше влияние дифракции и тем лучше направленность параболической антенны. Ухудшение направленности на радиочастотах происходит ещё и потому, что фокусом зеркала может быть только одна точка, а излучатель радиоволн, помещённый в фокусе, обычно имеет определённые размеры. Применяются два основных типа параболических зеркал: параболоид и па- раболический цилиндр. Зеркало в виде параболоида позволяет создать луч, узкий как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости. Однако оно очень сложно в изготовлении, т.к. поверхность зеркала не должна отклонять- ся от поверхности правильного параболоида вращения более чем на 5 % от длины волны. Гораздо проще по устройству зеркало в виде параболического цилиндра (вернее, в виде вырезки из параболического цилиндра). Такое зеркало создаёт узкую ДН в одной плоскости и широкую – в другой. Разработано достаточно большое количество конструкций параболических цилиндров, применяемых в радиолокации, спутниковом телевидении и радиорелейной связи. Разработаны также отражатели, выполненные в виде зеркал двойной кри- визны: верхняя часть зеркала является параболоидом, а нижняя часть пред- ставляет собой плавно сопряжённую с этим параболоидом вырезку из обыч- ного цилиндра. Такие отражатели иногда называются «параболоид-бочка» (рис.9.4).  Рис. 9.4. Профиль параболического отражателя двойной кривизны Такая конфигурация позволяет сместить облучатель из фокуса вниз по фо- кальной плоскости, что исключает эффект «тени» от облучателя, а это осо- бенно важно при работе в диапазонах сантиметровых и миллиметровых волн. Зеркала двойной кривизны широко применяются в спутниковых приёмных антеннах и в радиолокации. Существуют также конструкции сферических и сферо-параболических зер- кал, которые действуют почти так же, как и параболические отражатели, но при определённом расположении облучателя относительно зеркала. Электромагнитные волны, распространяясь в свободном пространстве, на- водят в антенне токи, которые подаются во входные каскады радиоприёмных устройств. Антенны, предназначенные для приёма телевизионных сигналов от спутников-ретрансляторов, принимают электромагнитные волны СВЧ- диапазона (длина волны 1...3 см) весьма малой мощности, которая практиче- ски соизмерима с уровнем мощности естественных шумов и помех. Поэтому такие антенны должны иметь:
Приведенным условиям в полной мере удовлетворяют параболические (зеркальные) антенны, получившие наиболее широкое распространение в спутниковых ТВ-системах. В соответствии с принципом взаимности такие антенны могут быть как пе- редающими, так и приёмными. В качестве собирающей или отражающей по- верхности используется внутренняя поверхность параболоида вращения. К наиболее распространенным типам антенн для приема спутникового те- левизионного вещания относятся:
(рис.9.5а);
(рис.9.5б);
(рис.9.5в);
(рис.9.5г). а) б) в) г) Рис.9.5. Наиболее распространенные типы параболических антенн. Как видно, наиболее существенная часть, отличающая один тип антенны от другого, – это положение облучателя по отношению к основному зеркалу. Основное зеркало представляет собой параболоид. Для работы в диапазоне СВЧ очень важно качество отражающей поверхности, которая для принимае- мых электромагнитных волн должна быть зеркальной. Любая поверхность, способная отражать электромагнитные волны, будет зеркальной для длин волн много больших, чем размер неоднородностей отражающей поверхности. Однако для параболоидной поверхности, принимающей и отражающей элек- тромагнитные волны диапазона 10,5..12,5 ГГц, необходимо более высокое ка- чество поверхности, так как влияние неоднородностей здесь сказывается два- жды - при падении волн на поверхность и при отражении их от поверхности. Поэтому размеры неоднородностей не должны превышать λ / 15... λ / 20. Для высококачественных антенн требования к поверхности еще более строгие и размер неоднородностей у них не превышает λ / 25. От качества поверхности параболоида, точности его формы зависят ширина диаграммы направленно- сти антенны, её коэффициент усиления, уровень боковых лепестков и шумо- вые параметры. Антенны с передним питанием - прямофокусные, осесимметричные.Антенна с передним питанием, прямофокусная, осесимметричная имеет отражающую зеркальную поверхность параболического типа, в фокусе кото- рой находится облучатель. Параболическая поверхность определяет парамет- ры и качество прямофокусной антенны. Для максимального использования поверхности параболоида необходимо, чтобы в его раскрыве было равномерное по амплитуде распределение элек- тромагнитного поля. Для этого необходимо удалять от поверхности парабо- лоида точечный облучатель, а так как он всегда должен размещаться в фоку- се, то необходимо увеличивать фокусное расстояние или, по-другому, умень- шать угол раскрыва параболоида. Если угол раскрыва меньше 90°, то фокус находится вне параболоида и с уменьшением угла раскрыва поверхность от- ражателя “освещается” все равномернее. С другой стороны, при этом увели- чивается часть излучаемой облучателем энергии, которая "переливается" за края параболоида и рассеивается в свободном пространстве. В результате по- являются боковые и задние лепестки ДН. Рассеивание энергии снижает на- правленные свойства антенны, а равномерное освещение поверхности па- раболоида повышает коэффициент использования площади раскрыва. Здесь определенно существует компромисс между длиной фокусного расстояния и площадью раскрыва (апертурой) параболоида. Это искомое значение лежит в интервале (0,3...0,4) F/ D (где F – фокусное расстояние, D – диаметр антенны), и коэффициент использования поверхности раскрыва антенны при этом составляет 0,5...0,7. Для антенн со смещенным облучателем (офсетных) опти- мальное отношение F/ D (D - малая ось эллипса, принимаемая за условный диаметр) лежит в пределах 0,5...0,6. Меньшее значение соответствует антен- нам меньшего размера. Приведенное значение данного отношения и есть ис- комый компромисс между снижением действующей поверхности антенны и потерями энергии за счёт её "перелива". Двузеркальные осесимметричные антенны (антенны Кассегрена).Двузеркальные осесимметричные антенны – антенны Кассегрена – в силу своих достоинств нашли широкое применение в современных спутниковых и наземных передающих станциях. Используются они и для приёма. Так как поверхность параболоида освещается отражёнными от поверхно- сти контррефлектора электромагнитными волнами, направленными на него облучателем, то «освещение» параболоида (основного зеркала) будет таким, каким создает его облучатель через контррефлектор (рис.9.6.). Поэтому для «освещения» контррефлектора нужен облучатель больших размеров, чем для антенн с передним питанием. Антенны Кассегрена имеют следующие преимущества перед антеннами с передним питанием. Как известно, для максимального использования площади раскрыва антен- ны необходимо обеспечить равномерное «освещение» поверхности парабо- лоида, что, как видно из предыдущих суждений, у антенн с передним питани- ем получить довольно сложно, а у антенн Кассегрена получается относитель- но просто. Для этого изменяют (модифицируют) форму контррефлектора та- ким образом, чтобы некоторая часть энергии, попадавшая до модификации на центральную область основного зеркала (параболоида), перераспределялась бы к его краям и распределение электромагнитного поля по амплитуде в рас- крыве антенны было бы близко к равномерному. Так как размеры контррефлектора достаточно велики по сравнению с дли- ной волны, то оказывается возможным получить быстрый спад излучаемой энергии за краями основного зеркала и обеспечить тем самым малый её «пе- релив».  Рис.9.6. Принцип работы антенны Кассегрена: 1 – параболическая поверхность, 2 - контррефлектор, 3 – облучатель. Поэтому возникающие фазовые искажения компенсируются изменением формы основного зеркала так, чтобы за счет изменения длины пути, про- ходимого электромагнитными волнами, поле в раскрыве антенны стало бы синфазным. Особенно удобны для применения антенны Кассегрена, когда необходимо вести передачи на разных частотах. Это значит, что, если зеркало антенны не- обходимо «освещать» поочерёдно различными облучателями, которые имеют разные размеры и конструкцию, необходимо менять эти облучатели. У антенн с передним питанием замена облучателя – весьма трудоёмкий процесс, осо- бенно когда антенна установлена на высоте, а у антенн Кассегрена всё полу- чается намного проще. Если, например, имеются несколько типов облу- чателей пригодных для «освещения» одного и того же контррефлектора, то их поочерёдно можно помещать в центр параболоида. В то же время может быть необходима и замена контррефлектора. Тогда создаётся единая конструкция (контррефлектор-облучатель, жестко соединённые друг с другом), которую при необходимости можно снять и установить другую, если имеется доста- точно большое отверстие в центре отражателя. Отверстие не уменьшает эф- фективную поверхность антенны, так как эта её часть скрывается контрреф- лектором. У антенн Кассегрена более глубокий (короткофокусный) параболоид, т.е. более короткая антенна, поэтому выгодно использовать её в различных кли- матических условиях совместно с обтекателем. Обтекатель антенны - это ра- диопрозрачная пленка или кожух. Он служит для защиты внутренней поверх- ности параболоида и облучателя от атмосферных осадков и крепится впереди антенны. У антенн с непосредственным передним питанием фокус парабо- лоида удалён от поверхности и, следовательно, нужен в этом случае обтека- тель гораздо больших размеров. Неосесимметричные (офсетные) антенны.У антенн Кассегрена контррефлектор – вспомогательное зеркало, а у пря- мофокусных (осесимметричных) антенн – облучатель и конструктивно свя- занный с ним малошумящий усилитель-конвертор с узлом крепления закры- вают центральную часть основного зеркала, т. е. наиболее важную его об- ласть. Наличие в поле излучения антенны конструкций, поддерживающих об- лучатель (при сравнимых их геометрических размерах с длиной волны), и са- мого облучателя приводит к дополнительному рассеянию энергии и, как след- ствие, к уменьшению эффективной площади раскрыва, снижению усиления антенны и появлению боковых лепестков в диаграмме направленности, что особенно проявляется у небольших антенн, диаметр которых меньше одного метра. Перечисленные недостатки можно почти полностью исключить, применив неосесимметричную (офсетную) антенну рис.9.7. Как видно, зеркало в этом случае является усечённым параболоидом. Такое несимметричное усечение параболоида позволяет значительно снизить тене- вое влияние облучателя и реакцию зеркала на облучатель за счёт расположе- ния облучателя вне зоны интенсивного поля зеркала. В то же время смещён- ный в фокальной плоскости первичный облучатель по-прежнему находится в фокусе теоретического параболоида. Однако он не попадает в основной лепе- сток диаграммы направленности излучения, так как вообще не закрывает по- верхность зеркала. Благодаря этому параметры офсетной антенны очень хо- рошие, кроме наличия небольшого недостатка - появления у нее перекрестной поляризации электромагнитных волн из-за неосесимметричной конструкции.  Рис.9.7. Конструкция антенн со смещённым облучателем 1 – основное зеркало, 2 – облучатель. Кроме того, конструкция офсетной антенны позволяет устанавливать два облучателя-конвертора, располагая их в вертикальной фокальной плоскости. Это даёт возможность вести приём со спутников, находящихся на соседних позициях геостационарной орбиты. Следует отметить еще одно положитель- ное свойство офсетных антенн, дающее им преимущества перед прямофокус- ными, и особенно важное для пользователей в северных широтах: офсетные и прямофокусные антенны под разными углами места "смотрят" на ИСЗ. Вы- падающий зимой снег и другие осадки накапливаются в зеркале прямофокус- ной антенны и могут быть причиной помех, сильного затухания полезного сигнала и даже порой могут привести к прекращению приема. Этого не слу- чается при применении офсетных антенн, так как выпадающие осадки легко соскальзывают с поверхности зеркала или вообще не попадают на нее. Из-за большого количества функционирующих спутников, постоянно на- ходящихся на геостационарной орбите, предъявляются жёсткие требования к диаграммам направленности как передающих, так и приёмных антенн. Это приводит к необходимости замены широко распространенных двузеркальных антенн Кассегрена и приёмных прямофокусных антенн на классические - оф- сетные. 9.4. Принципы построения индивидуальных радиоприёмных устройств спутникового телевиденияВсе радиоприёмные устройства (РПрУ) спутникового телевидения по- строены по супергетеродинной схеме. Индивидуальное радиоприёмное уст- ройство состоит из двух частей: наружного блока, который располагается не- посредственно на антенне, и внутреннего блока – спутникового телевизион- ного приёмника (ресивера), устанавливаемого возле телевизора. На рис.9.8. приведена структурная схема РПрУ для приёма телевизионного вещания че- рез спутники-ретрансляторы.  Рис.9.8. Структурная схема наземного радиоприёмного устройства. Функциональная схема индивидуального приёмного устройства РВСС по- казана на рис. 9.9.  Рис. 9.9. Функциональная схема индивидуального приёмного устройства Такое конструктивное и схемное построение спутниковых РПрУ обуслов- лено диапазоном частот, в котором работают спутниковые системы. Объясня- ется это следующими соображениями.
2,5 – 2,56 см. Создать в этом диапазоне директорные антенны технически не- возможно. Наиболее эффективной антенной в этом диапазоне волн является зеркальная антенна (параболоид), имеющая большой коэффициент усиления и очень узкую («игольчатую») диаграмму направленности (ДН). Чем больше отношение диаметра раскрыва параболоида к длине волны, тем более остро- направленной формируется ДН и тем больше коэффициент усиления антен- ны. Зеркальные антенны достаточно просты в производстве и относительно дёшевы.
γ = (РС / РШ)ВХ Это соотношение не остаётся постоянным от входа до выхода приёмника. При распространении полезного сигнала по линии передачи полезный сигнал затухает в силу естественных потерь мощности. В то же время к входным шумам добавляются флуктуационные и тепловые шумы линии передачи. В результате на выходе линии передачи, т.е. уже на входе собственно приёмни- ка соотношение сигнал / шум ухудшается. Тем более это соотношение ухуд- шается на выходе линейной части приёмника. В результате увеличивается ко- эффициент шума и уменьшается чувствительность РПрУ. Конвертор спутникового радиоприёмного устройства.Одним из способов уменьшения коэффициента шума, и, следовательно, повышения чувствительности РПрУ, является усиление принятого сигнала сразу же после антенны. Устройства, выполняющие эту функцию, называются «антенными усилителями». Конструктивно антенные усилители размещаются как можно ближе к антенне. В спутниковых РПрУ антенные усилители рас- полагаются в облучателе параболоида и носят название «малошумящих уси- лителей» (МШУ). Малошумящий усилитель конструктивно объединяется с поляризатором и первым преобразователем частоты. Такой усилительно- преобразовательный блок называется «конвертором» (рис.9.9). Конвертор решает следующие задачи:
Сигнал, принятый от ИСЗ параболической антенной, поступает на поляри- затор (П). Поляризатор пропускает на вход конвертора сигнал только опреде- лённого вида поляризации. В состав конвертора входит малошумящий усили- тель (МШУ), смеситель (СМ) с гетеродином (Г) и усилитель первой промежу- точной частоты (УПЧ). В типовом конверторе принятый антенной сигнал усиливается в двух- или трёхкаскадном транзисторном МШУ, затем его час- тота понижается в первом преобразователе частоты до промежуточной часто- ты в диапазоне 950 – 1750 МГц. РПрУ для приёма сигналов ТВ-вещания через спутники-ретрансляторы выполняется по супергетеродинной схеме с двойным преобразованием часто- ты. Это обеспечивает хорошую избирательность по соседнему спутниковому каналу, практически полное подавление сигналов зеркального канала и сигна- лов обратного излучения гетеродина. Первое преобразование частоты, как уже было сказано, выполняется во внешнем блоке (конверторе). Первая про- межуточная частота преобразованных сигналов (точнее, полоса частот) выби- рается здесь достаточно высокой (950...1750 МГц), чтобы частота первого ге- теродина и частоты зеркальных сигналов не попадали в полосу частот сигна- лов со спутника. Первый гетеродин не перестраивается. Он генерирует сигнал одной фиксированной частоты, и преобразование осуществляется в полосе частот ∆ f = 800 МГц. Для преобразования в более широкой (∆f = 1200 МГц) полосе частот используются два гетеродина. Первое преобразование частоты принятых сигналов может осуществляться как при линейной поляризации (вертикальной или горизонтальной), так и круговой поляризации. Электромагнитные волны круговой поляризации предварительно преобразуются в волны линейной поляризации. Можно одно- временно вести обработку сигналов вертикальной и горизонтальной поляри- зации при наличии во внешнем блоке двух конверторов на входе демодулято- ра (рис.9.10).  Рис. 9.10. Структурная схема конвертора для одновременного приёма сигналов горизонтальной и вертикальной поляризации 1-приёмная антенна; 2-облучатель; 3-блок наведения на спутник; 4-поляризатор; 5-блок управления поляризатором; 6-полосовой фильтр СВЧ; 7-волноводно-полосковый переход; 8-малошумящий усилитель сигналов СВЧ; 9-первый смеситель; 10-первый гетеродин; 11,12-усилители сигналов первой промежуточной частоты (ПЧ); 13-усилитель сигналов пер- вой ПЧ по мощности; 14-коаксиальный кабель, соединяющий внешний блок с внутренним. Антенна. Приёмные антенны СВЧ-диапазона для спутникового телевизи- онного вещания применяются в основном двух видов: фазированные антен- ные решетки (ФАР) и параболические антенны. Наиболее широкое примене- ние нашли параболические антенны. Внутренняя поверхность параболоида вращения металлическая или металлизированная, предназначенная для прие- ма и отражения (переизлучения) падающих на неё электромагнитных волн и направления их в точку фокуса, где размещается облучатель. Облучатель служит для приёма отражённых от зеркала электромагнитных волн, преобразования их в электрические сигналы и направления их в волно- вод. При спутниковом телевизионном вещании приём электромагнитных волн, имеющих как линейную, так и круговую поляризацию. Поэтому к об- лучателю присоединяется волновод круглого сечения, в котором могут рас- пространяться электромагнитные волны любой поляризации. Поляризацией называется физическая характеристика излучения, описы- вающая направленность векторов-моментов электрического поля, распро- страняющейся электромагнитной волны. Поляризатор служит для выбора электромагнитных волн только одной (вертикальной или горизонтальной) поляризации и направления их в волно- вод. Важнейшей характеристикой переключателя является величина поля- ризационного затухания, т.е. показатель того, в какой мере проникают элек- тромагнитные волны нежелательной поляризации на выход. Типовое значе- ние затухания составляет 30...50 дБ. В системе индивидуального приёма вы- бор электромагнитных волн одной или другой поляризации осуществляется:
и выбор электромагнитной волны соответствующей поляризации происхо- дит одновременно с выбором частотного канала (телевизионной программ мы). Антенно-фидерная система, кроме указанных элементов, может содержать систему дистанционного наведения на ИСЗ, называемую позиционером. Полосовой фильтр СВЧ. Его назначение – защита входа МШУ конвертора от внешних помех и защита облучателя от проникновения сигналов комбина- ционных частот первого гетеродина в эфир, что может стать причиной появ- ления помех для других РПрУ. Волноводно-полосковый переход служит для подачи на вход первого каска- да малошумящего усилителя наведенной в нём ЭДС. Для этого в широкую плоскость волновода прямоугольного сечения на определённом расстоянии от края вставляется электрический штырь, в котором наводится ЭДС сигнала, который затем подаётся на вход малошумящего усилителя. Малошумящий предварительный усилитель. Основное требование к этому усилителю – обеспечить максимальное усиление сигнала по мощности, что обеспечивает уменьшение коэффициента шума. МШУ обычно выполняется двух- или трёхкаскадным. Коэффициент шума типового МШУ не превышает 1,2 дБ, но есть и такие, у которых он составляет не более 0,6 дБ. Однако кон- верторы с очень низким коэффициентом шума относительно дороги. Первый преобразователь частоты. Имеет в своём составе смеситель, пер- вый гетеродин и предварительный усилитель сигналов промежуточных частот (ПУПЧ). Функциональная схема первого преобразователя частоты (ПрЧ) по- казана на рис.9.11.  Рис. 9.11. Функциональная схема первого преобразователя частоты. Принимаемые со спутников электромагнитные волны СВЧ - диапазона на- водят в зонде, находящемся в прямоугольном волноводе, электрические сиг- налы этих же частот, которые затем усиливаются и в первом смесителе пре- образовываются в сигналы диапазона частот 950...1750 (2150) МГц. Ширина полосы частот после первого преобразования, как видно, составляет 800 (1200) МГц и поэтому все 40 выделенных частотных телевизионных каналов в нём помещаются. Выбор телевизионного канала осуществляется из этого диапазона частот. Расстояние по частоте между несущими частотами сосед- них каналов составляет 19,18 МГц. Первый гетеродин генерирует сигнал одной фиксированной частоты. Ос- новное требование к нему – обеспечение высокой стабильности частоты гене- рируемого сигнала. Однако его нестабильность не лучше ± 1,0 МГц. Для приёма цифровых многопрограммных передач нестабильность частоты гете- родина внешнего устройства должна быть не хуже ± 0,35 МГц. На практике приём цифровых передач ведётся с обычными конверторами, у которых не- стабильность частоты гетеродина достигает ± 1,0 МГц. Учитывая, что первый гетеродин находится на открытом воздухе (размещён на антенне) и подвер- жен влиянию больших колебаний температуры, применяются конструктив- ные меры для уменьшения нестабильности: термостабилизация, герметиза- ция, применение диэлектрических резонаторов и т.п. Приём сигналов СВЧ диапазона 10,7... 11,7 ГГц или 11,7... 12,75 ГГц осу- ществляется переключением гетеродинов. Усилитель сигналов промежуточных частот обеспечивает усиление по на- пряжению (а последний его каскад – и по мощности) преобразованного сиг- нала. Для качественного телевизионного изображения необходимое усиление порядка (50 ÷ 60) дБ в такой широкой полосе частот с одним каскадом полу- чить трудно, поэтому предварительный УПЧ (ПУПЧ) выполняется обычно трёхкаскадным. Это последний функциональный узел конвертора. К нему вы- сокочастотным коаксиальным кабелем подключается внутренний блок – спутниковый телевизионный приёмник (ресивер). При наличии двух конверторов наружный блок с ресивером соединяется двумя коаксиальными кабелями. Удельное затухание сигнала в кабеле не должно превышать 0,3 дБ/м. Однако затухание сигнала в нём неравномерно по всему диапазону: наибольшее затухание сигнала происходит в верхней части частотного диапазона 950...2150 МГц. Поэтому при большой длине ка- беля для компенсации затухания могут применяться специальные усилители- корректоры, у которых усиление растёт с увеличением частоты. Таким обра- зом, производится выравнивание передаточной характеристики конвертора. Блок управления наведением антенны на спутник (позиционер) даёт воз- можность ориентировать антенну на различные спутники. Исполнительным узлом поворота зеркала является актуатор. Датчиком положения (позиции) антенны служит электронная оптопара или герконовое реле. Импульсы с него подаются на сравнивающее устройство, на которое также подаются импульсы управления от запоминающего устройства, расположенного в ресивере. В случае несовпадения количества импульсов появляется сигнал рассогласова- ния и подаётся команда на поворот антенны. В запоминающее устройство мо- гут быть предварительно занесены позиции спутников, ретранслирующие те- левизионные и радиовещательные программы. Иногда для ориентирования антенны используется супермоут. В отличие от актуатора, он не имеет огра- ничений при повороте антенны вокруг своей оси. Он рассчитан на небольшие ветровые нагрузки и используется в конструкциях с небольшими антеннами (до 130 см в диаметре). Питание конвертора. Постоянное напряжение +12 В подаётся по цен- тральному проводу коаксиального кабеля из ресивера. В конверторе это на- пряжение преобразуется в двуполярное. Основное требование к питающему напряжению – его высокая стабильность. Ресивер спутникового радиоприёмного устройства.Структурная схема ресивера показана на рис.9.12.  Рис. 9.12. Структурная схема спутникового телевизионного ресивера: 1 – устройство переключения (выбора) сигналов поляризации; 2 – поло- совой фильтр перестраиваемый (или неперестраиваемый); 3 – предваритель- ный усилитель первой промежуточной частоты 950... 1750 (2150) МГц; 4 – второй гетеродин; 5 – второй смеситель; 6 – полосовой фильтр сигналов вто- рой ПЧ; 7 – усилитель сигналов второй ПЧ; 8 – полосовой фильтр, переклю- чаемый на полосу 27 или 36 МГц, или регулируемый; 9 – амплитудный огра- ничитель; 10 – широкополосный частотный демодулятор; 11 – каскад АПЧГ; 12 – каскад АРУ; 13 – узел управления выбором поляризации; 14 – блок выбо- ра частотного канала (программы); 15 – блок управления полосой фильтра; 16
После усиления в предварительном УПЧ на первой промежуточной часто- те сигнал из конвертора поступает на вход внутреннего блока, называемого «ресивером». В ресивере сигнал усиливается на первой промежуточной час- тоте (в УПЧ-1), после чего производится второе преобразование частоты. Значение второй ПЧ выбирается, исходя из требований защиты от помех по зеркальному каналу второго гетеродина. Выбор частотного канала (телевизи- онной программы) осуществляется с блока управления перестройкой частоты второго гетеродина и одновременной перестройкой включённого на его входе полосового фильтра, который отфильтровывает сигналы других частотных ка- налов, также поступающих на вход, но являющиеся уже помехой. Перестраи- ваемый полосовой фильтр на входе ресивера определяет избирательность по соседнему каналу. В качестве второй промежуточной частоты выбирается либо fПР2 = 479,5 МГц (Европейский стандарт), либо fПР2 = 612 МГц (стандарт США). После второго преобразования производится основное усиление сиг- нала на второй промежуточной частоте (в УПЧ-2). С выхода УПЧ-2 усилен- ный на второй промежуточной частоте сигнал подаётся на демодулятор (ДЕМ). В качестве демодулятора обычно используют частотные детекторы с обратной связью по частоте. Такие демодуляторы позволяют продетектиро- вать малые по уровню ЧМ-сигналы. В современных системах спутникового ТВ-вещания предусмотрена час- тотная модуляция комплексным ТВ-сигналом. Комплексный модулирующий ТВ-сигнал состоит из видеосигнала с сигналом дисперсии и частотно- модулированной поднесущей звукового сопровождения. Необходимость вве- дения в комплексный модулирующий сигнал сигнала дисперсии объясняется следующим. Для осуществления электромагнитной совместимости спутниковых систем связи с наземными радиосистемами важна не только полная мощность сигна- ла, принимаемого от ИСЗ, но и распределение спектральной мощности этого сигнала по частоте. При передаче ТВ-сигналов методом частотной модуляции имеются явно выраженные максимумы в спектре сигнала. Они обусловлены наличием в ТВ-сигнале длительное время не изменяющихся сигналов. Это уровни синхроимпульсов, гасящих импульсов, а также сигналов изображения с постоянной яркостью. С целью ослабления таких участков спектра приме- няют искусственное рассеяние мощности сигнала по спектру, называемое дисперсией сигнала. Для этого несущая дополнительно модулируется по частоте сигналами треугольной формы с частотой 25 Гц. На приёмной стороне возникает обратная задача – убрать сигнал дисперсии, так как при его наличии возможно нарушение синхронизации кадровой раз- вертки. Кроме того, сигнал дисперсии проявляется на изображении в виде штрихов, для подавления которых применяются схемы фиксации уровня чёрно- го. После демодулятора видеосигнал поступает на компенсатор дисперсии (КОМП. ДИСП.). Сигнал дисперсии исключается из видеосигнала с помощью схем фиксации уровня. На выходе демодулятора получается сигнал изображения в стандарте PAL или SECAM совместно с сигналами звукового сопровождения на несущей звука. Из сигналов цветности выделяются видеосигналы основных цветов ЕR, ЕG , ЕB или ЦРС ER – Y, EG – Y, EB – Y в декодирующем устройстве (ДК). Эти сигналы через универсальный разъём «SCART» подаются на вход ТВ- приёмника. Для телевизоров ранних поколений, не имевших такого разъёма, ресивер снабжают «ремодулятором» – устройством, которое формирует стандартный ТВ-сигнал в метровом или дециметровом диапазоне. Второй преобразователь частоты. Второй преобразователь частоты имеет в своём составе второй смеситель, второй гетеродин и усилитель сигналов второй промежуточной частоты. Функциональное и конструктивное построение преобразователя зависит от функций, выполняемых ресивером. Он должен:
Структура ресивера во многом определяется величиной промежуточной частоты (ПЧ). В общем случае сигналы из диапазона 950... 1750 МГц второй преобразователь конвертирует в сигналы второй ПЧ, величина которой может быть любой: 70; 134,2; 479,5; 612 МГц или регулируемой. В более поздних моделях из-за применения демодуляторов с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ) значение второй ПЧ в странах Европы выбрано 479,5 МГц, что равно 25-кратному значению несущей (25·19,18 МГц) спутникового частотного ка- нала. В странах американского континента значение второй ПЧ выбрано 612 МГц. Усилитель сигналов второй ПЧ представляет собой широкополосный рези- стивный усилитель с автоматической регулировкой усиления (АРУ). Чаще всего его выполняют двух-трёхкаскадным, с глубокой отрицательной обратной свя- зью, обеспечивающей равномерное усиление во всей полосе частот. Гетеродин второго преобразователя охвачен цепью автоматической под- стройки частоты (АПЧ). Применение АПЧ здесь необходимо, так как для эф- фективной работы демодулятора стабильность частоты первого гетеродина, расположенного во внешнем блоке, как уже говорилось, недостаточна (± 1,0 МГц). АПЧ используется для обеспечения более высокой стабильности второй промежуточной частоты, на которую настраивается "нулевая" частота дискриминатора. Сигнал рассогласования с частотного демодулятора подаётся на варикап, включённый в высокочастотный контур гетеродина, и изменяет ёмкость контура в сторону уменьшения ошибки при отклонении частоты. Автоматическая регулировка усиления (АРУ) выравнивает уровень сигнала внутри диапазона частот 950... 1750 (2150) МГц при приёме сигналов с раз- личными уровнями от различных спутников. Для этого сигнал с выхода час- тотного демодулятора дополнительно детектируется, усиливается и с некото- рой постоянной времени (задержкой) подаётся на входы усилительных каска- дов второй ПЧ. Выравнивание уровня сигнала регулируется изменением коэф- фициентов усиления этих каскадов. Полосовой фильтр перед демодулятором предназначен для подавления сиг- налов комбинационных частот, возникающих при ограничении сигнала, и оп- ределяет ширину частотной полосы канала приёма. При приёме со спутников частотная полоса фильтра выбирается переключателем: 27 МГц, 36 МГц или может быть регулируемой плавно или ступенчато. Широкополосный частотный демодулятор. Он предназначен для преобразования принимаемого широкополосного час- тотно-модулированного сигнала, несущего информацию, в амплитудный сиг- нал с более узкой частотной полосой, без изменения его первоначального спектра. Частотные демодуляторы характеризуются демодуляционным порогом, т.е. порогом помехоустойчивости, который является важным параметром ресиве- ра. От демодуляционного порога зависит чувствительность ресивера, т.е. то минимальное значение отношения сигнал/шум на входе демодулятора, при котором принимается изображение удовлетворительного качества. Частотные демодуляторы определяют также ширину частотной полосы и амплитуду выходного сигнала. Для демодуляции принятого со спутника и многократно преобразованного частотно-модулированного сигнала можно применять различные типы демодуляторов. Демодулятор должен иметь:
Частотный демодулятор (рис.9.13) состоит из:
 Рис. 9.13. Структурная схема частотного демодулятора: 1 - амплитудный ограничитель; 2 - полосовой фильтр; 3 – частотный дис- криминатор; ФНЧ - фильтр низких частот видеосигнала; УПЧ – усилитель второй промежуточной частоты; ФПЧ – фильтр промежуточной частоты. В типовых демодуляторах средняя частота полосового фильтра ПЧ и "нуле- вая" частота дискриминатора всегда совпадают. Они настраиваются точно на немодулированную несущую, частота которой при приёме в аналоговой систе- ме в ранних моделях может быть равной 70 МГц или 134,26 МГц, а в более поздних – 479,5 или 612 МГц. При появлении на входе дискриминатора немодулированной несущей на- пряжение на его выходе равно нулю. Если на вход дискриминатора подаётся частотно-модулированная несущая, то при отклонении её частоты в любую сторону от "нулевой" на его выходе появляется напряжение, пропорциональ- ное отклонению (девиации) частоты, соответствующей полярности и ампли- туды. Максимально возможная амплитуда на выходе зависит от ширины и кру- тизны выходной амплитудно-частотной характеристики дискриминато- ра.Ширина полосы частот дискриминатора определяется расстоянием на час- тотной оси между горбами характеристики. Для работы выбирается только её линейный участок. В общем случае полоса частот дискриминатора должна быть равна или немного превышать удвоенную девиацию частоты несущей. Выходное напряжение дискриминатора не должно зависеть от амплитуды ЧМ- несущей, подаваемой на его вход, так как это увеличивает нелинейные иска- жения выходного сигнала и снижает помехоустойчивость демодулятора. Одна- ко в частотных дискриминаторах такая зависимость реально существует и про- является весьма заметно, чего нельзя допускать. Поэтому типовые демоду- ляторы имеют высокоэффективный амплитудный ограничитель для ограниче- ния амплитуды модулированной несущей, если она превышает установленный уровень. Это обеспечивает подачу на вход дискриминатора несущей только определённого уровня. Контрольные вопросы:
10.Объясните назначение ресивера и по функциональной схеме объясните назначение его элементов. 11.Что такое поляризация электромагнитных волн? Объясните назначение поляризатора в конверторе спутникового РПрУ.
|