Μάθηµα 3 ο : Το δορυφορικό τηλεπικοινωνιακό υποσύστηµα Στόχοι: Στο τέλος αυτού του µαθήµατος ο σπουδαστής θα γνωρίζει: Tη δοµή και τις βασικές λειτουργίες ενός δορυφορικού τηλεπικοινωνιακού υποσυστήµατος Τις αρχιτεκτονικές των διαφόρων δορυφορικών επαναληπτών Τις λειτουργίες που επιτελούνται από τις επιµέρους βαθµίδες των δορυφορικών επαναληπτών Το τηλεπικοινωνιακό υποσύστηµα αποτελεί τη καρδιά του δορυφόρου και είναι ουσιαστικά ένας ραδιοσταθµός αναµετάδοσης. Λαµβάνει ραδιοκύµατα σε µια συγκεκριµένη περιοχή συχνοτήτων (της τάξης των εκατοντάδων ΜHz µέχρι αρκετά GHz) από τη κεραία λήψης και αφού τα υποβάλλει σε συγκεκριµένη επεξεργασία τα αποδίδει στην κεραία εκποµπής. Το ωφέλιµο φορτίο επικοινωνίας απαρτίζεται σε γενικές γραµµές από δύο τµήµατα: τον επαναλήπτη ή αναµεταδότη (transponder) και τις κεραίες (antennas) Μάθηµα 3 1
Αρχιτεκτονική δορυφορικού τηλεπικοινωνιακού υποσυστήµατος LNA έκτης Mίκτης AΜP Τοπικός ταλαντωτής I M U X pa pa pa pa pa pa. Ο M U X f u f d ιαχωριστής συχνοτήτων f u / f d ιαχωριστής συχνοτήτων f u / f d... Kεραίες LNA: Ενισχυτής χαµηλού θορύβου pa: Προενισχυτής IMUX: Aποπολυπλέκτης εισόδου : Ενισχυτής υψηλής ισχύος AMP: Ενισχυτής ΟMUX: Πολυπλέκτης εξόδου Μάθηµα 3 2
Αρχιτεκτονική επαναλήπτη Από την κεραία λήψης (a) (b) f u f u LNA LNA Mίκτης Τοπικός ταλαντωτής IF IF AMP Προς την κεραία εκποµπής f d f d LNA: Ενισχυτής χαµηλού θορύβου : Ενισχυτής υψηλής ισχύος IF AMP: Ενισχυτής ενδιάµεσης συχνότητας D/C: Κύκλωµα ελάττωσης συχνότητας U/C: Κύκλωµα αύξησης συχνότητας DEMOD: Αποδιαµορφωτής MOD: ιαµορφωτής D/C U/C LNA DEMOD MOD MOD (c) f u Σήµα βασικής ζώνης f d (a) Απλή µετατροπή συχνότητας, (b) ιπλή µετατροπή συχνότητας, (c) Αναγεννητικός επαναλήπτης Μάθηµα 3 3
Βασικές λειτουργίες του υποσυστήµατος τηλεπικοινωνιών Να λαµβάνει τα ραδιοκύµατα που εκπέµπονται σε µια συγκεκριµένη περιοχή συχνοτήτων και µε προκαθορισµένη πόλωση από τους επίγειους δορυφορικούς σταθµούς, οι οποίοι βρίσκονται διάσπαρτοι σε δεδοµένη περιοχή πάνω στην επιφάνεια της γης (receive coverage). Να λαµβάνει όσο το δυνατό λιγότερες παρεµβολές (interference), οι οποίες είναι ραδιοκύµατα τα οποία είτε δε βρίσκονται στην προκαθορισµένη περιοχή συχνοτήτων λήψης είτε δε διαθέτουν τη συγκεκριµένη πόλωση. Να ενισχύει τα εξασθενηµένα ραδιοκύµατα που λαµβάνει περιορίζοντας το θόρυβο και την παραµόρφωση σε όσο το δυνατό χαµηλότερο επίπεδο. Να µετατρέπει τη συχνότητα πάνω ζεύξης (uplink) σε χαµηλότερη συχνότητα (downlink). Nα παρέχει την απαιτούµενη ισχύ σε µια συγκεκριµένη περιοχή συχνοτήτων στην κεραία εκποµπής (η ισχύς αυτή κυµαίνεται από µερικές δεκάδες µέχρι εκατοντάδες Watt). Να εκπέµπει την downlink δέσµη σε µια συγκεκριµένη περιοχή συχνοτήτων και µε προκαθορισµένη πόλωση, κατευθύνοντάς την σε δεδοµένη περιοχή πάνω στην επιφάνεια της γης (transmit coverage). Να εκπέµπει ελάχιστη ισχύ εκτός της παραπάνω περιοχής. Μάθηµα 3 4
Βασικά χαρακτηριστικά του υποσυστήµατος τηλεπικοινωνιών Οι περιοχές συχνοτήτων εκποµπής και λήψης καθώς και οι πολώσεις των διαφόρων καναλιών του επαναλήπτη. Οι περιοχές κάλυψης για την εκποµπή και για τη λήψη. Η ενεργός ισοτροπικά ακτινοβολούµενη ισχύς (EIRP, effective isotropic radiated power) σε µια συγκεκριµένη περιοχή κάλυψης εκποµπής του δορυφόρου. Η απαιτούµενη πυκνότητα ισχύος στην κεραία λήψης του δορυφόρου, για την επίτευξη της επιθυµητής απόδοσης στην έξοδο του επαναλήπτη. Ο δείκτης ποιότητας (G/T) του συστήµατος λήψης για µια συγκεκριµένη περιοχή. Η µη γραµµική συµπεριφορά των ενεργών και των παθητικών στοιχείων του τηλεπικοινωνιακού εξοπλισµού Η αξιοπιστία του συστήµατος, η οποία ορίζεται από την πιθανότητα σωστής λειτουργίας ορισµένου ποσοστού καναλιών του επαναλήπτη για µια δεδοµένη διάρκεια ζωής. Μάθηµα 3 5
Ta κύρια τµήµατα του επαναλήπτη Ενισχυτής χαµηλού θορύβου (LNA, low noise amplifier) Τα χαρακτηριστικά του LNA καθορίζουν το δείκτη ποιότητας G/T του επαναλήπτη. Ο LNA παρουσιάζει χαµηλή εικόνα θορύβου και υψηλή απολαβή ( 5-20dB) για να διατηρήσει σε χαµηλά επίπεδα το θόρυβο στις βαθµίδες που ακολουθούν. Στα πρώτα δορυφορικά συστήµατα χρησιµοποιήθηκαν ενισχυτές διόδων σήραγγας (tunnel diode amplifiers) που στη συνέχεια αντικαταστάθηκαν από παραµετρικούς ενισχυτές. Στους σύγχρονους δορυφόρους, οι ενισχυτές χαµηλού θορύβου χρησιµοποιούν τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (FET) GaAs και τρανζίστορ υψηλής κινητικότητας ηλεκτρονίων (HEMT). Τυπικές εικόνες θορύβου για σύγχρονους LNA στις διάφορες ζώνες συχνοτήτων δίνονται στον παρακάτω πίνακα: Uplink συχνότητα (GHz) 6 14 30 Εικόνα θορύβου (db) 1.6 1.9 2.2 Υποβιβαστής συχνότητας (D/C, Down converter) O υποβιβαστής συχνότητας περιλαµβάνει ένα µίκτη, φίλτρα και έναν τοπικό ταλαντωτή. Ο τυπικός µίκτης είναι διπλά ισοσταθµισµένος (double balanced) και χρησιµοποιεί διόδους Schottky. Οι βασικές του παράµετροι είναι: H απώλεια µετατροπής (5-7dB) και η εικόνα θορύβου (5-10dB). H σταθερότητα της συχνότητας του τοπικού ταλαντωτή. Το πλάτος των ανεπιθύµητων σηµάτων στην έξοδο του µετατροπέα Ο τοπικός ταλαντωτής βασίζεται στη χρήση κρυστάλλων quartz σε συνδυασµό µε πολλαπλασιαστές συχνοτήτων και βρόχο κλειδωµένης φάσης( phase-locked loop). Μάθηµα 3 6
Ενισχυτής µετά τη µετατροπή της συχνότητας (post conversion amplifier) Μετά τη µετατροπή της συχνότητας απαιτείται ενίσχυση υψηλής απολαβής για να ανέβει η στάθµη των σηµάτων σε ένα αρκετά υψηλό επίπεδο ικανό να οδηγήσει τις βαθµίδες εξόδου του ποµπού. Ανάλογα µε τη συχνότητα, η ενίσχυση επιτυγχάνεται µε διπολικά τρανζίστορ, FETs, ή TWTs. Καθώς η στάθµη του σήµατος ανεβαίνει, αρχίζουν να εµφανίζονται µη γραµµικά φαινόµενα τα οποία κάνουν επιτακτική την ανάγκη καναλοποίησης ( channelization) του συστήµατος για να περιορισθεί ο θόρυβος ενδοδιαµόρφωσης (intermodulation noise). Πολυπλέκτες εισόδου και εξόδου Οι συσκευές αυτές αποτελούν την είσοδο και την έξοδο του τµήµατος υποδιαίρεσης καναλιών του επαναλήπτη. Είναι παθητικά κυκλώµατα τα οποία βασίζουν τη λειτουργία τους σε ζωνοπερατά φίλτρα υψηλής επιλεκτικότητας. Αποπολυπλέκτης εισόδου (input demultiplexer, IMUX) O αποπολυπλέκτης εισόδου διαιρεί το συνολικό εύρος ζώνης του συστήµατος σε επιµέρους κανάλια. Ένα τυπικό κύκλωµα πολυπλέκτη αποτελείται από κυκλοφορητές (circulators) και ένα σύνολο ζωνοπερατών φίλτρων (BPFs, bandpass filters). Πολυπλέκτης εξόδου (output multiplexer, OMUX) O πολυπλέκτης εξόδου συνδιάζει ξανά τα κανάλια µετά την ενίσχυση ισχύος που υφίστανται σε µια έξοδο. Αυστηρές απαιτήσεις όσον αφορά στον περιορισµό των απωλειών του ΟMUX επιβάλλονται καθώς οποιαδήποτε απώλεια στη βαθµίδα αυτή περιορίζει την EIRP του δορυφόρου και παράγει θερµότητα. Μάθηµα 3 7
Ενισχυτής καναλιού (channel amplifier) O ενισχυτής καναλιού παρέχει την απαιτούµενη απολαβή ισχύος (20-50dB), ώστε να είναι δυνατή η οδήγηση του ενισχυτή υψηλής ισχύος στην έξοδο του καναλιού. H κατασκευή των σύγχρονων ενισχυτών καναλιού βασίζεται στη χρήση µικροκυµατικών ολοκληρωµένων κυκλωµάτων (monolithic microwave integrated circuits, MMIC). Στους ενισχυτές καναλιού απαιτείται καλή γραµµική συµπεριφορά, παρά το σχετικά περιορισµένο αριθµό των φερόντων ανά κανάλι, για την αποφυγή αύξησης του θορύβου ενδοδιαµόρφωσης του συστήµατος. Ο ενισχυτής υψηλής ισχύος (high power amplifier, ) O ενισχυτής υψηλής ισχύος παρέχει την απαιτούµενη ισχύ στην έξοδο κάθε καναλιού και καθορίζει την τιµή της EIRP του καναλιού. Η επιλογή του σηµείου λειτουργίας του ενισχυτή εξόδου προσδιορίζεται από το συµβιβασµό µεταξύ της διαθέσιµης ισχύος εξόδου, που παρέχεται σε ένα συγκεκριµένο κανάλι, και του επιπέδου του θορύβου ενδοδιαµόρφωσης. Οι ενισχυτές ισχύος που χρησιµοποιούν οι σύγχρονοι δορυφόροι ανήκουν στις παρακάτω δύο κατηγορίες: α) Ενισχυτές που βασίζουν τη λειτουργία τους στις λυχνίες οδεύοντος κύµατος (travelling-wave tubes amplifiers, TWTAs). Η αρχή λειτουργίας των ενισχυτών αυτών βασίζεται στην αλληλεπίδραση µεταξύ µιας δέσµης ηλεκτρονίων και ενός ραδιοκύµατος. β) Ενισχυτές ισχύος στερεάς κατάστασης (solid state power amplifiers, SSPAs) που χρησιµοποιούν τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (FETs). Μάθηµα 3 8