plik pdf - Serwis Elektroniki

WSTÊP DO CYFROWYCH SYSTEMÓW TELEWIZJI SATELITARNEJ
2. Zasada dzia³ania konwertera antenowego
(LNB)
LNB jest akronimem Low-Noise Block downconverter. Popularna nazwa polska to
konwerter antenowy SAT. Niskoszumny oznacza, ¿e do odbieranego przez LNB sygna³u
u¿ytecznego dodawany jest sygna³ szumu. Im ni¿szy poziom sygna³u szumu w ca³kowitym sygnale SAT, tym sprawniejszy system. Produkowane LNB dla pasma Ku pracuj¹ w
zakresie czêstotliwoœci od 10.95GHz ÷ 12.7GHz. Zadaniem LNB jest przetworzenie
wymienionego wy¿ej pasma na zakres czêstotliwoœci na przyk³ad od 950MHz ÷ 2150MHz
(stosowany w Europie) lub 950MHz ÷ 1450MHz (stosowany w USA). Proces ten umo¿liwia w dalszych stopniach instalacji SAT (odbiornik satelitarny) obni¿enie kosztów uk³adów elektronicznych, eliminacjê stosowania kosztownych komponentów mikrofalowych.
2.1. Czêœæ naziemna systemu SAT
Wczeœniejsze odbiorniki satelitarne pracowa³y w paœmie C, w zakresie czêstotliwoœci 3.4GHz ÷ 4.8GHz. Udoskonalenie technologii umo¿liwi³o wykorzystanie pasma Ku,
przy znacznie wy¿szej czêstotliwoœci pracy. Zaawansowane systemy z pasma Ku z³o¿one s¹ ze znacznie mniejszych i sprawniejszych elementów stacji, w porównaniu ze stacjami pracuj¹cymi w paœmie C. Systemy w paœmie Ku zapewniaj¹ minimalne interferencje z naziemnymi systemami mikrofalowymi, które w znacznej mierze zak³ócaj¹ pracê
systemów pracuj¹cych w paœmie C. Pasmo Ku jest jednak bardziej wra¿liwe na zaniki
sygna³u i odbierane szumy powodowane przez opady atmosferyczne deszczu oraz œniegu. Przyczyny te powoduj¹ degradacjê jakoœci odbieranego sygna³u, a w okreœlonych
sytuacjach ca³kowity brak mo¿liwoœci odbioru.
2.2. Satelity
Wiêkszoœæ satelitów pracuj¹cych w paœmie Ku przekazuj¹cych sygna³y dla celów
komercyjnych i odbiorców indywidualnych (instalacje odbiorcze domowe) umieszczonych jest na orbicie przebiegaj¹cej w p³aszczyŸnie równikowej. Satelity te okr¹¿aj¹ Ziemiê z prêdkoœci¹ k¹tow¹ równ¹ prêdkoœci k¹towej obracaj¹cej siê kuli ziemskiej. Ta
w³aœciwoœæ powoduje, ¿e satelita zajmuje sta³¹ pozycjê (stacjonarn¹) wzglêdem okreœlonego punktu na Ziemi.
Na umieszczonego na orbicie satelitê wp³ywaj¹ grawitacyjnie Ksiê¿yc oraz inne obiekty w przestrzeni kosmicznej, powoduj¹c odchylenia od w³aœciwej orbity. Naziemne sta-
Zasada dzia³ania konwertera antenowego (LNB)
cje sterowania monitoruj¹ pozycjê satelitów i wysy³aj¹ odpowiednie rozkazy uruchamiaj¹ce silniki korekcji po³o¿enia. Wczeœniejsze stacje odbiorcze wyposa¿one by³y w
systemy antenowe, œledz¹ce po³o¿enie satelity.
2.3. Anteny
Stosowane satelitarne anteny odbiorcze to: paraboliczna ko³owa, podœwietlana (offsetowa) antena p³aska i antena Cassegrain’a. Do najczêœciej stosowanych nale¿¹ anteny
paraboliczne i offsetowe. W antenie parabolicznej sygna³y s¹ skupiane w ognisku anteny w wyniku odbicia od powierzchni reflektora parabolicznego. W ognisku tym mieœci
siê promiennik odbiorczy. Zamontowanie promiennika w ognisku reflektora anteny ma
jednak tê wadê, ¿e promiennik wraz z towarzysz¹cym mu polaryzatorem, LNB oraz
elementami zamocowania przes³aniaj¹ „pole widzenia” anteny w wyniku czego nastêpuje czêœciowe zmniejszenie jej powierzchni skutecznej. Z tego powodu stosuje siê anteny paraboliczne o eliptycznym kszta³cie reflektora (offsetowe), w których promiennik
umieszczony jest w pewnej odleg³oœci od osi œrodkowej paraboli. Tego typu czasza ma
kszta³t eliptyczny, jednak „widziana” z kierunku satelity ma kszta³t ko³owy. Dziêki temu
wi¹zka o przekroju ko³owym padaj¹ca na czaszê anteny pod pewnym k¹tem zostanie po
odbiciu skupiona w promienniku.
Anteny Cassegrain’a te¿ posiadaj¹ reflektor paraboliczny, jednak droga sygna³ów
odbieranych z satelity jest nieco inna. Sygna³y odbite od powierzchni czaszy anteny
skupiaj¹ siê na drugim pomocniczym reflektorze hiperbolicznym. Odbite od reflektora
pomocniczego padaj¹ na promienniki, st¹d kierowane s¹ do LNB zainstalowanego za
czasz¹ anteny.
2.4. Schemat blokowy LNB
Schemat blokowy LNB przedstawiono na rysunku 1. Sygna³ wejœciowy doprowadzony jest do falowodu WR-75. W wielu aplikacjach promiennik (feedhorn) jest przymocowany do LNB i stanowi jego integraln¹ czeœæ. Wzmacniacz LNA jest przeznaczony do podwy¿szenia poziomu odbieranego sygna³u. Zadaniem filtru pasmowo-przepustowego (BFP) jest eliminacja sygna³ów niepo¿¹danych. Zadaniem stopnia mieszacza
(mixer) jest zmieszanie sygna³u wejœciowego z sygna³em oscylatora lokalnego (LO) w
celu otrzymania na jego wyjœciu sygna³u czêstotliwoœci poœredniej. Wzmacniacz poœredniej czêstotliwoœci (IF Amp) wzmacnia sygna³ wyjœciowy (IF) mieszacza. Z wyjœcia
LNB (IF Output) sygna³ doprowadzany jest do g³owicy odbiornika satelitarnego. Zasilanie LNB jest zrealizowane za pomoc¹ tego samego obwodu ³¹cz¹cego wyjœcie LNB z
wejœciem g³owicy odbiornika satelitarnego.
WSTÊP DO CYFROWYCH SYSTEMÓW TELEWIZJI SATELITARNEJ
Signal input
11,7GHz-12,2GHz
LNA
BPF
Mixer
IF amp.
IF output
LO
10,75 GHz
950MHz-1450MHz
Power
supply
DC 12V-20V
Rys.1. Schemat blokowy LNB.
2.4.1. Promiennik (Feedhorn)
Promiennik zabezpiecza LNB przed niekorzystnymi efektami powodowanymi przez
wodê, owady oraz inne zanieczyszczenia. Wlot promiennika jest „przezroczysty” dla energii
fal elektromagnetycznych skupionych przez antenê i doprowadzonej do wejœcia LNB.
2.4.2. Wzmacniacz niskoszumny (LNA)
Wzmacniacz niskoszumny zwiêksza poziom odbieranego sygna³u. Od LNA wymagany jest odpowiednio niski wspó³czynnik szumów, który zapobiegnie degradacji odbieranego sygna³u po¿¹danego. Wspó³czynnik szumów jest wyra¿any w decybelach lub w
temperaturze szumowej okreœlonej w stopniach (w skali Kelvina). Dobrej jakoœci LNB
posiada jak najni¿szy wspó³czynnik szumów. Najlepsze LNB osi¹gaj¹ wspó³czynniki szumów rzêdu 0.6 ÷ 0.7dB, przy czym istotne jest, czy podawane ich wartoœci s¹ wynikiem
pomiarów w okreœlonym paœmie czêstotliwoœci odbieranych sygna³ów satelitarnych.
Wspó³czynnik szumów jest wielkoœci¹ zmienn¹, zale¿n¹ od czêstotliwoœci odbieranego sygna³u. Najwiêksza wartoœæ tego wspó³czynnika wystêpuj¹ca w okreœlonym paœmie czêstotliwoœci decyduje o kwalifikacji LNB do odpowiedniej klasy konwerterów
antenowych. Jeszcze lepiej parametry LNB okreœla indywidualna „metryczka” zawieraj¹ca charakterystyki zale¿noœci wspó³czynnika szumów w funkcji czêstotliwoœci oraz
wzmocnienia mocy sygna³u w danym paœmie np. Ku.
2.4.3. Filtr pasmowo-przepustowy (BPF)
Filtr pasmowo-przepustowy (BPF) jest wykorzystany do usuniêcia niepo¿¹danych
sygna³ów odbieranych przez LNB. Zadaniem tego filtru jest wydzielenie po¿¹danego
sygna³u satelitarnego oraz odciêcie sygna³ów niepo¿¹danych, w tym równie¿ bêd¹cych
produktem mieszacza. Ca³kowity poziom szumów LNB jest funkcj¹ szerokoœci pasma.
Ze wzrostem szerokoœci pasma roœnie wartoœæ szumów w sygna³ach po¿¹danych. Ogra-
Zasada dzia³ania konwertera antenowego (LNB)
niczenie pasma sygna³ów powoduje obni¿enie szumu LNB, jednak¿e umo¿liwia odzyskiwanie sygna³ów przez to pasmo przepuszczanych.
2.4.4. Mieszacz (Mixer)
Zadaniem mieszacza jest przetworzenie sygna³ów wejœciowych z pasma 11.7 ÷
12.2GHz na pasmo sygna³u poœredniej czêstotliwoœci 950 ÷ 1450MHz. Sygna³ wyjœciowy mieszacza powstaje w wyniku zmieszania sygna³u wejœciowego z sygna³em oscylatora lokalnego (LO). Generalnie, na wyjœciu mieszacza s¹ wytwarzane sygna³y bêd¹ce
sum¹ i ró¿nic¹ czêstotliwoœci sygna³ów wejœciowych mieszacza.
2.4.5. Lokalny oscylator (LO)
Lokalny oscylator stanowi generator o ustalonej czêstotliwoœci przeznaczony do konwersji czêstotliwoœci. Oscylator ten dostarcza sygna³u o czêstotliwoœci odniesienia. Generowany w LO sygna³ powinien byæ odpowiedniej jakoœci. Jeœli w sygnale tym jest
znaczny poziom szumów, wp³ywa to równie¿ na ich poziom w sygnale wyjœciowym
mieszacza. Wa¿nym parametrem oscylatora lokalnego jest stabilnoœæ czêstotliwoœci.
Ka¿da zmiana czêstotliwoœci LO powoduje automatycznie odpowiedni jej dryft na wyjœciu mieszacza. St¹d wymagana jest sta³oœæ czêstotliwoœci od wp³ywu zmian temperatury i wilgotnoœci. Informacje dotycz¹ce stabilnoœci parametrów LO umieszczane s¹ w
specyfikacjach LNB.
2.4.6. Wzmacniacz poœredniej czêstotliwoœci (IF Amplifier)
Zadaniem tego stopnia jest wzmocnienie sygna³u wyjœciowego mieszacza. Zapewnia
tak¿e impedancjê wyjœciow¹ sygna³u równ¹ 75R, przystosowan¹ do przesy³ania sygna³u
wyjœciowego LNB do odbiornika SAT za pomoc¹ kabla koncentrycznego. Uk³ad wzmacniacza p.cz. (IF Amplifier) powinien byæ tak zaprojektowany, aby zapewnia³ sta³¹ impedancjê wyjœciow¹ w ca³ym paœmie wzmacnianych czêstotliwoœci.
2.4.7. Zasilanie (Power Supply)
Napiêcie zasilania LNB doprowadzone jest za pomoc¹ kabla koncentrycznego z odbiornika satelitarnego (z jego g³owicy). Zasilanie zrealizowane jest napiêciem sta³ym.
Wyjœcie wzmacniacza p.cz. jest po³¹czone zmiennopr¹dowo (AC) z kablem koncentrycznym. Jak przedstawiono na schemacie blokowym (rysunek 1) napiêcie sta³e doprowadzone jest do bloku zasilania (Power Supply). W bloku tym nastêpuje zmiana wartoœci napiêcia na napiêcia potrzebne do zasilania poszczególnych stopni LNB. Napiêcia te powinny
zawieraæ jak najni¿szy poziom szumów, poniewa¿ wp³ywaj¹ one na wzrost poziomu szumów w sygnale wyjœciowym LNB. Dotyczy to równie¿ jakoœci napiêcia przesy³anego z
g³owicy odbiornika oraz jakoœci u¿ytego kabla koncentrycznego zastosowanego do przesy³u napiêcia zasilania oraz sygna³u wyjœciowego LNB. Nie do pominiêcia jest wp³yw
WSTÊP DO CYFROWYCH SYSTEMÓW TELEWIZJI SATELITARNEJ
jakoœci po³¹czeñ (jakoœci z³¹czy i starannoœci wykonania po³¹czeñ) od strony LNB oraz
od strony g³owicy odbiornika satelitarnego.
2.4.8. Wzmocnienie przemiany (Conversion Gain)
Wszystkie LNB powinny zapewniæ minimaln¹ moc sygna³u wyjœciowego. Wzmocnienie mocy sygna³u wyra¿ane jest w dBs. Wzmocnienie mocy równe 40dB oznacza
wspó³czynnik wzmocnienia równy 10 000. Wzmocnienie przemiany stanowi minimalne wzmocnienie mierzone w pe³nym odbiorczym paœmie LNB. LNB z wysokim wzmocnieniem przemiany nie posiadaj¹ zazwyczaj dobrych w³aœciwoœci szumowych. Wielkoœæ wzmocnienia przemiany LNB powinna byæ kompromisem w stosunku do jego parametrów szumowych.
2.4.9. D³ugoœæ ogniskowej (Focal Length)
LNB jest umieszczany w punkcie stanowi¹cym ognisko reflektora czaszy. G³êbokoœæ
czaszy zaprojektowana jest tak, aby promiennik LNB by³ umieszczony w tym ognisku.
Stosunek d³ugoœci ogniskowej i œrednicy czaszy anteny powinien wynosiæ 0.25 ÷ 0.33.
2.4.10. LNB wielopasmowe (Multiple Band LNB)
LNB mog¹ byæ wykonane jako jednopasmowe, jak w przyk³adzie przedstawionym
na rysunku 1, dla zakresu odbieranych czêstotliwoœci 11.7 ÷ 12.2GHz. Oferowane s¹
LO
10,0 GHz
Signal input
LNA
BPF
Mixer
IF amp.
LO
10,995 GHz
IF output
14/18V
Comparator
5V
Power
supply
Rys.2. Schemat blokowy 2-pasmowego LNB.
Zasada dzia³ania konwertera antenowego (LNB)
równie¿ na inne zakresy np. 12.2GHz ÷ 12.7GHz, 12.25GHz ÷ 12.75GHz lub inne,
zale¿nie od potrzeb zwi¹zanych z przyjêtym standardem odbioru. Wiêkszoœæ wspó³czesnych modeli LNB przystosowana jest do odbioru dwóch lub trzech pasm. Schemat
blokowy dwupasmowego LNB przedstawiono na rysunku 2. Zakres odbieranych czêstotliwoœci LNB zmieniany jest za pomoc¹ napiêcia sta³ego doprowadzonego do LNB.
Ogólnie, mo¿e to byæ napiêcie +14V dla jednego zakresu oraz +18V dla drugiego zakresu. Uk³ad komparatora monitoruje wartoœæ napiêcia zasilania i wybiera w³aœciwy dla
danego zakresu oscylator lokalny (LO). Wyjœciowy sygna³ poœredniej czêstotliwoœci (IF)
jest produktem wybranego sygna³u LO oraz wybranego zakresu czêstotliwoœci sygna³u
wejœciowego.
2.4.11. Polaryzacja (Polarization)
Wiele satelitarnych systemów odbiorczych wykorzystuje liniow¹ polaryzacjê sygna³u pionow¹ lub poziom¹. Sygna³y jednej polaryzacji nie powinny interferowaæ z sygna³em drugiej, pomimo ¿e s¹ przekazywane na tej samej czêstotliwoœci. W systemach DBS
wykorzystywanych w Europie, Ameryce Pó³nocnej i w Azji stosowana jest równie¿ ko³owa polaryzacja sygna³ów, zarówno prawo-, jak i lewoskrêtna.
2.4.12. Polaryzatory (Polarizers)
W niektórych modelach LNB wykorzystywane s¹ polaryzatory mechaniczne umo¿liwiaj¹ce sterowanie polaryzacj¹ pionow¹/poziom¹ lub ko³ow¹ polaryzacj¹ prawo-/lewo
skrêtn¹. Ten rodzaj sterowania polaryzacj¹ nie nadaje siê dla LNB dwupasmowych. Przyk³ady schematów blokowych LNB z polaryzacj¹ sterowan¹ elektronicznie przedstawiono na rysunkach 3 i 4.
Signal input
polarizer
11,7GHz-12,2GHz
LNA
BPF
Mixer
IF amp.
IF output
Comparator
LO
10,75 GHz
950MHz-1450MHz
Power
supply
Rys.3. Schemat blokowy LNB z polaryzacj¹ sterowan¹ poprzez polaryzator.
WSTÊP DO CYFROWYCH SYSTEMÓW TELEWIZJI SATELITARNEJ
Signal input
LNA
BPF
11,7GHz-12,2GHz
Mixer
IF amp.
IF output
LO
10,75 GHz
Comparator
950MHz-1450MHz
Power
supply
Rys.4. Schemat blokowy LNB z polaryzacj¹ sterowan¹ poprzez LNA.
2.4.13. LNB z dwoma torami polaryzacji
W komercyjnych systemach odbiorczych stosuje siê LNB z dwoma niezale¿nymi
torami odbioru sygna³ów dla obydwu polaryzacji. LNB wyposa¿ony jest w dwa wyjœcia
sygna³u p.cz. przeznaczone oddzielnie dla ka¿dej polaryzacji. LNB zawiera dwa tory
przemiany czêstotliwoœci, których sygna³y wyjœciowe s¹ wybierane poprzez prze³¹cznik
(Switch) sterowany za poœrednictwem komparatora. Przyk³ad takiego rozwi¹zania LNB
przedstawiono na rysunku 5.
Signal input
LNA
Switch
H
10,95GHz-11,7GHz
IF amp.
IF output 1
V
BPF
Mixer
IF output 2
950MHz-1700MHz
Comparator
LO
10,0 GHz
Power
supply
Rys.5. Schemat blokowy LNB z polaryzacj¹ w dwóch niezale¿nych torach przemiany.