Структура и оборудование головных станций

Антенное оборудование, устанавливаемое на головной станции, предназначено для приема сигналов спутникового (СТВ) и наземного (НТВ) вещания. Для каждого из этих двух типов сигналов на головной станции устанавливается свой антенный комплекс, отличающийся рабочим диапазоном длин волн и, разумеется, конструктивно. Элементами приемного антенного оборудования, является антенна, малошумящий предварительный усилитель и понижающий конвертор. Если ширина рабочего диапазона составляет несколько процентов от средней длины волны диапазона, то антенна называется узкодиапазонной, а если она составляет десятки процентов, то антенна называется широкодиапазонной. Антенны для приема сигналов СТВ работают в диапазонах, указанных в табл. 12.1, наиболее популярными являются диапазоны С (3,70 - 4,20 ГГц) и Ки (10,7 - 12,75 ГГц). Антенны для приема сигналов НТВ работают в метровых и дециметровых диапазонах.

Основными техническими характеристиками приемной антенны являются ширина диаграммы направленности или коэффициент направленного действия (КНД), ширина боковых лепестков (защитное отношение), эффективная площадь или диаметр, отношение фокусного расстояния к диаметру, эквивалентная шумовая температура, поляризация, коэффициент усиления.

При установке антенны диапазона НТВ в городских условиях рекомендуется обращать внимание на ее защитное отношение и КНД, поскольку именно эти параметры определяют уровень мешающих отраженных сигналов на входе головной станции. Для повышения качества приема в крупных сетях следует применять канальные антенны в метровом диапазоне и широкодиапазонные в декаметровом.

Антенна диапазона СТВ (спутниковая) выполняется в виде параболического зеркала, фокус которого либо расположен в центре (прямофокусная антенна), либо смещен (офсетная антенна). С помощью параболического зеркала антенны сигнал со спутника фокусируется для повышения ЭИИМ. На выходе приемной антенны устанавливается предварительный малошумящий усилитель LNA (Low Noise Amplifier), который увеличивает уровни принимаемых сигналов, а также компенсирует потери в кабеле или волноводе антенного фидера и потери в делителе СВЧ мощности для подачи сигнала сразу нескольким приемникам. Без LNA уровень спутникового сигнала на выходе антенны может оказаться настолько низким, что с учетом потерь на входе приемника головной станции получится неудовлетворительное отношение C/N. Затем усиленный сигнал поступает на устройство, называемое малошумящим конвертором LNC (Low Noise Converter), который представляет собой гетеродинное устройство- и служит для понижения несущей частоты принимаемого сигнала из диапазона СТВ в диапазон, воспринимаемый спутниковым приемником 900-2150 МГц.

На рис. 12.3 схематически показано приемное антенное оборудование, включающее параболическую антенну, усилитель LNA и конвертор LNC.
Коэффициент направленного действия КНД антенны СТВ связан с ее эффективной площадью А следующим соотношением:

Так как антенна является входным устройством, то особое внимание следует уделять ее шумовым показателям, а именно, шумовой температуре и шумовому напряжению. Наибольшее отношение C/N на входе спутникового приемника, достигается либо посредством антенного усилителя с минимальной шумовой температурой, либо с помощью приемной антенны с высоким усилением или комбинацией этих способов. Через известный коэффициент усиления LNA и известное значение шумовой температуры ГшА антенны СТВ определяется шумовое напряжение ишА на выходе антенны. Затем по заданному отношению C/NA на выходе антенны СТВ, которое определяется через требуемое C/N на входе спутникового приемника, рассчитывается требуемый уровень сигнала на выходе антенны:

Кроме отношения C/N, для антенного оборудования существенны параметры нелинейных искажений. Интермодуляционные искажения отсутствуют только в одноканальном приемном оборудовании, но учитываются в LNA и понижающих конверторах, которые являются широкополосными приборами, обрабатывающими сигналы нескольких каналов. Увеличение усиления антенны достигается путем увеличения диаметра параболического зеркала антенны.

В спутниковом диапазоне принимаемые сигналы могут быть ослаблены во время сильных дождевых осадков, поэтому при разработке приемного оборудования обеспечивается достаточная чувствительность фидерной головки для допустимого граничного ЭИИМ. Как правило, это достигается использованием антенны большего размера и более высоким усилением головки. В условиях сильных снегопадов снег и лед накапливаются на поверхности тарелки и искажают параметры зеркала антенны, приводя иногда к серьезному снижению усиления антенны и ухудшению качества приема вплоть до пропадания изображения. Эти погодные факторы особенно существенны в тех географических областях, где зеркало антенны ориентировано почти горизонтально поверхности земли. При установке антенны СТВ необходимо знать величину ЭИИМ в точке приема. Исходя из этого значения (приводится в справочниках или измеряется) и требуемого отношения C/N на выходе спутникового приемника, можно определить нижнюю границу диаметра антенны D с помощью следующей оценочной формулы:

Чем больше диаметр антенны площадь, тем больше ее эффективная площадь и коэффициент усиления, а, следовательно, тем выше будет уровень принимаемого сигнала. Например, если значение ЭИИМ в точке приема составляет 44 дБ-Вт/м2, а нормативное значение C/N для профессиональной систем коллективного приема составляет 54 дБ, то антенна должна будет иметь диаметр не менее 3 м. В зависимости от уровня ЭИИМ, излучаемой разными спутниками, для уверенного приема сигналов СТВ на головной станции системы КТВ антенная должна иметь размер зеркала от 2 до 3,5 м. Для качественного приема на индивидуальную установку СТВ достаточно отношения C/N, равного 42 дБ, поэтому диаметр антенны может не превышать 0,8 м.

При выборе точки установки приемной антенны уровень ЭИИМ в этой точке и географическое расположение наземной приемной станции определяет необходимое усиление приемной антенны и вертикальный угол ее подъема над горизонтом, с которым она должна быть установлена. Широко используемая для наземных приемных спутниковых антенн полярная подвеска позволяет просматривать всю видимую часть геостационарной орбиты при повороте антенны в одной плоскости. Угол подъема ср для полярной подвески зависит от географической широты места установки антенны и определяется по следующей формуле:

При выборе приемной антенны следует обратить внимание не только на ее технические показатели, но также на ее конструкционные характеристики и стоимость. Антенны, изготовленные из стали, обладают хорошей прочностью, стабильностью геометрических параметров зеркала и низкой стоимостью, но низкой стабильностью электрических параметров. В этом смысле лучшим вариантом являются алюминиевые антенны, имеющие более высокую стоимость. Антенны с зеркалом из стеклопластика имеют малый вес, хорошую прочность стабильность электрических параметров, но могут менять геометрические параметры при изменении погодных условий. Самыми дорогими и качественными на сегодня являются антенны из термостойкого стеклопластика.

На рис. 12.3 изображена классическая схема антенного оборудования, в которой LNA и LNC выполнены как два отдельных блока. Такая схема использовалась ранее для приема сигналов СТВ и используется сейчас для приема сигналов НТВ. Как видно из рисунка, в ней блок LNC подключается к установленному на мачте антенному усилителю с помощью фидера, представлявшего собой отрезок коаксиального кабеля с некоторыми потерями. Предусилитель LNA обычно устанавливается непосредственно на антенной мачте, будучи соединен с ней, поэтому потери между антенной и LNA отсутствуют. В современном приемном антенном оборудовании предварительный усилитель и понижающий конвертор объединены в одном устройстве, называемом LNB (Low Noise Block). Устройство LNB называют также антенной фидерной головкой или малошумя-щим антенным конвертором, хотя в его состав входит не только конвертор. Потери в фидере между предусилителем и конвертором LNB отсутствуют, что повышает качество приема. Поскольку головка LNB является широкополосным устройством, одной головки и одной антенны, нацеленной на спутник, достаточно для приема всех каналов с данного спутника.

Проанализируем влияние характеристик LNA и LNC на показатели качества системы коллективного приема. Допустим, что длина кабеля, соединяющего LNC с антенной, составляет 100 м и потери в этом кабеле равны 5 дБ. Примем значение коэффициента шума F конвертора равным 3 дБ. Сначала рассмотрим случай, когда предусилитель не установлен. Уровень спутникового сигнала с выхода антенны примем равным -15 дБ-мВ. При потерях в фидерном кабеле 5 дБ уровень на входе конвертора будет равен -20 дБ-мВ.

Вычислим отношение C/N каждого блока по формуле:
C/N = Sвх-Sшо-F,
где Sвх - уровень на входе устройства, Sшо - пороговый термический шум в полосе канала (2,4 дБ-мкВ или -58 дБ-мВ), F - коэффициент шума устройства.

Таким образом, отношение C/N антенного оборудования равно: (-20) + 58 --3 = 35 дБ. Если теперь учесть шум, вносимый всей последующей распределительной кабельной сетью в целом (допустим, оно составляет 42 дБ), то результирующее отношение C/N в окончании системы, полученное комбинированием этих двух отношений, будет равно 34,3 дБ. Это совершенно неприемлемо с точки зрения нормативных показателей, поэтому предусилитель необходим.

Проделаем те же вычисления, предполагая, что на выходе приемной антенны установлен предусилитель. Допустим, что его F составляет 5 дБ, а его усиление равно 20 дБ. Проанализируем ситуацию при трех различных уровнях принимаемого спутникового сигнала: -15 дБ-мВ, -5 дБ-мВ и +10 дБ-мВ. Для этих трех случаев отношение C/N предусилителя будет равно соответственно:

C/N1 = (-15) + 58 - 5 = 38 дБ,
C/N2 = (-5) + 58 - 5 = 48 дБ,
C/N3= 10+ 58-5 = 63 дБ.

При входном уровне -15 дБ-мВ и усилении 20 дБ уровень на выходе предусилителя составляет +5 дБ-мВ. Потери в антенном кабеле были взяты равными 5 дБ, следовательно, на входе конвертора получим уровень 0 дБ-мВ. Тогда отношение C/N конвертора будет равно: C/N = 0 + 58 - 3 = 55 дБ. Комбинируя C/N гетеродина (55 дБ) с C/N предусилителя (38 дБ) при уровне сигнала 0 дБ-мВ, получаем, что C/N на входе головной станции равно 37,8 дБ. Комбинирование этого отношения с C/N кабельной структуры (42 дБ) дает общее C/N системы около 37 дБ. Хотя это отношение нельзя считать удовлетворительным, оно существенно лучше, чем полученное ранее отношение 31,6 дБ в отсутствии предусилителя.
Проделаем все эти расчеты с более высоким уровнем сигнала на выходе антенны -5 дБ-мВ. С учетом потерь в антенном кабеле 5 дБ уровень на входе гетеродина будет равен -10 дБ-мВ. Тогда C/N конвертора будет равно:

C/N = (-10) + 58-3 = 45дБ.

Комбинируя это отношение с C/N кабельной структуры (42 дБ), получим общее C/N системы около 39 дБ. Это также неприемлемо, но если использовать LNA с усилением 20 дБ, то уровень на его выходе составит +15 дБ-мВ, а после антенного кабеля с потерями 5 дБ на входе конвертора уровень составит +10 дБ-мВ. Рассчитанное для этого случая C/N равно 48 дБ, следовательно, C/N конвертора будет равно 62 дБ. Комбинируя C/N предусилителя (48 дБ) с C/N конвертора (62 дБ) и C/N кабельной сети (42 дБ), получим C/N всей системы, равное 41 дБ.
Из этих расчетов можно сделать несколько выводов. Использование малошу-мящих антенных усилителей, повышающих отношение сигнал/шум на входе головной станции, необходимо при приеме сигналов СТВ и практически всегда целесообразно при приеме сигналов НТВ. Если антенный комплекс расположен в местности с низким уровнем электромагнитных помех, то усиление в полосе приема играет решающую роль. Важно усиление во всей полосе, так как с повышением частоты влияние коэффициента шума антенного усилителя возрастает и снижается минимальный требуемый уровень сигнала на выходе антенны. 

Антенные конверторы (LNB)

От качественных характеристик конверторов в первую очередь зависит качество сигналов, поступающих от головной станции в распределительную сеть. За последние годы конверторы стали качественнее, компактнее и надежнее. К основным техническим характеристикам конверторов LNB относятся диапазон частот, коэффициент шума и эквивалентная шумовая температура, коэффициент усиления, стабильность частоты гетеродина. Также имеют значение вес, размеры, надежность. Современные конверторы могут иметь очень низкий коэффициент шума (до 0,5 дБ), шумовую температуру около 15 К и массу около 400 г. Надежность конвертора в большой степени зависит от степени его защищенности от климатических условий, поскольку он подвергается непрерывному воздействию атмосферной влажности и перепадов температуры. Требования к конвертору очень высоки, поскольку он должен быть пригоден для работы с аналоговыми и цифровыми спутниковыми приемниками различных диапазонов. Среди наиболее известных конверторы фирм Car-diner, Grundig, Oxford.

Частота гетеродина антенного конвертора рассчитывается для конкретного частотного поддиапазона СТВ и для определенной поляризации (горизонтальной или вертикальной линейной, правой или левой круговой). Для работы в С-диапазоне достаточно одного преобразования частоты вниз, поскольку всю его полосу (3,70 - 4,20 ГГц) можно перенести полностью в диапазон входных частот спутникового ресивера (950 - 2150 МГц) с помощью одного гетеродина с частотой 5150 МГц. Перенести сигналы всей полосы Ku-диапазона в диапазон входных частот спутникового ресивера одним гетеродином невозможно, поскольку ширина его полосы составляет более 2 ГГц (10,7 - 12,75 ГГц), что превышает диапазон входных частот спутникового ресивера. Для приема спутниковых сигналов в разных поддиапазонах и с разными поляризациями используется два принципиально различных подхода - для индивидуального и для коллективного приема.

Для индивидуального приема можно применять перестраиваемые универсальные (Universal LNB), которые имеют возможность приема в обоих направлениях поляризации и во всех поддиапазонах. Переключение поляризации в них осуществляется изменением питающего напряжения LNB с 13 В (вертикальная) на 18 В (горизонтальная). Переключение поддиапазонов выполняется аналогичным способом с помощью управляющего сигнала, формируемого ресивером. Например, при одной форме импульсов управляющего сигнала работает первый гетеродин с частотой

9750 МГц, осуществляя прием в поддиапазоне FSS (10,70 -11,70 ГГц), а при другой форме работает второй гетеродин с частотой 10600 МГц, осуществляя прием в поддиапазоне DBS (11,70 - 12,45 ГГц). Управляющий переключением поддиапазонов и поляризаций универсального конвертора сигнал подается вместе с напряжением питания по одному фидерному кабелю от спутникового ресивера. Такой подход неприемлем в профессиональных системах коллективного приема, поскольку если конвертор подключен к нескольким ресиверам, которые настроены на разные поддиапазоны и поляризации, то при его перестройке работа части ресиверов нарушится. В системах коллективного приема должна обеспечиваться возможность одновременного и независимого приема сигналов во всех направлениях поляризациями и во всех доступных поддиапазонах, разумеется, если в этом есть необходимость и на спутнике присутствуют эти сигналы.

Для коллективного приема применяется набор неперестраиваемых конверторов, каждый их которых настроен на свой фиксированный поддиапазон и свою поляризацию. В разных моделях используется отдельное устройство LNB для каждой поляризации или, что встречается более часто, используется одно LNB устройство с двумя выходами (V и Н). Одновременность приема в обеих поляризациях обеспечивается с помощью ортоплексора или специального конвертора с уплотнением поляризаций.

Ортоплексор является волноводным устройством, которое позволяет подать сигналы разных поляризаций на разные выходы. Конвертор с уплотнением поляризаций обрабатывает сигналы с одной поляризацией гетеродином 11250 МГц и конвертирует их в диапазон 950 - 1450 МГц, а сигналы с другой поляризацией переносит гетеродином 10675 МГц в диапазон 1525 - 2025 МГц. Такой конвертор имеет единственный выход, на котором присутствуют сигналы обеих поляризаций в диапазоне 950 - 2025 МГц. Полнодиапазонные конверторы с несколькими выходами устроены так, что они принимают сигналы во всех поддиапазонах и поляризациях, но внутри эти сигналы разделяются и на каждый выход подается сигнал одного поддиапазона и одной поляризации. Как правило, это просто несколько обычных конверторов, объединенных в одном корпусе. Частоты гетеродина Ku-диапазона лежат в диапазоне от 9750 МГц до 11475 МГц.

Сигнал с каждого выхода конвертора LNB может подаваться с помощью делителя мощности на несколько спутниковых ресиверов. В любой момент сигнал с нужного выхода нужного конвертора может быть подан на вход любого ресивера путем ручной коммутации кабелей или с помощью переключающего устройства, называемого мультисвитчем. Мультисвитч представляет собой матричный коммутатор с 2, 4 или 8 спутниковыми входами, на которые могут подаваться сигналы от разных выходов разных конверторов. К выходам мультис-витча подключаются спутниковые ресиверы.