60Арена ИСЗ

предыдущая статья | оглавление | в архив | следующая статья



Расширение полосы частот клистронных усилителей мощности CPI и организация каналов для двухпакетной передачи ТВ-программ через спутники «Ямал-200»


Анвар Барамыков, начальник отдела центра спутниковых ТВ-систем ОАО «Газпром Космические системы», к.т.н. Теле-Спутник - 10(168) Октябрь 2009 г.


Постановка задачи и пути реализации двухпакетной трансляции
В 2004 году, после успешного запуска и ввода в эксплуатацию спутников «Ямал-200» нового поколения с большой пропускной способностью (вследствие 90% использования сетки частот с шагом 80 МГц и полосами ствольных ретрансляторов (транспондеров) 72 МГц), земные станции (ЗС) стали работать через новые ретрансляторы. Отметим, что в прежнем спутнике «Ямал-100» ствольные ретрансляторы имели полосу 36 МГц.
ЗС центра спутниковых ТВ-систем (ЦСТВС) (ул. С. Эйзенштейна, г. Москва) ОАО «Газпром Космические системы» (ранее — ОАО «Газком») с клистронным усилителем мощности (KHPA) передавала на спутниковый ретранслятор одну QPSK-несущую в режиме multiple channel per carrier (MCPC) с полосой 36 МГц для каналов передачи сигналов семи ТВ-программ. Основная проблема в увеличении пропускной способности путем размещения второй MCPC-несущей в свободной полосе частот используемого спутникового ретранслятора заключалась в недостаточной полосе пропускания KHPA (45 МГц при неравномерности peak-to-peak не более 1 дБ), рассчитанного на работу в стволах с полосами ретрансляторов 36 МГц.
На рис. 1 приведены типичные (штатные) частотные характеристики такого типа клистрона (VKC 7936Y24).


Отметим, что к тому времени в российской практике предоставления каналов для спутникового ТВ еще не использовалась передача двух MCPC цифровых несущих через широкополосные спутниковые ретрансляторы. Поэтому после экспериментальных работ по расширению полосы пропускания KHPA предстояли проверки взаимных подавлений и взаимных влияний между двумя QPSK-несущими в радиочастотном тракте.
Для расширения полосы пропускания существующих KHPA без перерыва передачи существующих каналов и с целью размещения двух широкополосных QPSK-несущих в ствольном ретрансляторе с полосой 72 МГц автором был проведен анализ существующей (штатной) конфигурации оборудования передающей станции и рассмотрено несколько вариантов расширения полосы пропускания существующего KHPA. Штатный путь увеличения пропускной способности состоял в приобретении двух дорогостоящих широкополосных клистронов, не менее дорогостоящих предварительных усилителей мощности и в последующем отказе от использования существующих клистронов и предварительных усилителей.
Учитывая, что оба комплекта KHPA (основной и резервный) используются в режиме малой выходной мощности, автором был предложен альтернативный путь, состоящий в расширении полосы существующих клистронов путем перестройки резонаторной системы за счет снижения коэффициента усиления и выходной мощности и без каких-либо замен оборудования KHPA.

Реализация двухпакетной трансляции через ретрансля-тор(транспондер) спутника «Ямал-200»
С привлечением опытных специалистов российского сервисного центра компании CPI (ранее компания VARIAN) и при непосредственном участии автора этой статьи полоса частот была расширена (см. рис. 2) с сохранением требований к амплитудно-частотной характеристике (АЧХ).


После такой работы автором была измерена неравномерность характеристики группового времени запаздывания (ГВЗ) — важнейшего параметра ВЧ-трактов систем связи с угловой модуляцией [1, 3-7], и уровень интермодуляционных искажений. Неравномерности АЧХ и, главным образом, ГВЗ линейных устройств (полосовых и разделительных фильтров) оказывают существенное влияние на соотношение сигнал/шум и на битовые ошибки, а также вызывают помеху в цифровых несущих Eb/No (отношение энергии бит к спектральной плотности шумов и помех).
По результатам измерений характеристики ГВЗ перестроенного KHPA, приведенной на рис. 3, видно, что неравномерность ГВЗ по сравнению с типовой (см. рис. 1) существенно не изменилась. Тем не менее, величина верхнего всплеска ГВЗ в дальнейшем была снижена/подкорректирована включением станционного эквалайзера/корректора в передающий тракт. Полученные результаты были достаточны для продолжения работ по размещению второго пакета ТВ-программ в том же спутниковом ретрансляторе.


Уровень интермодуляционных искажений/помех вида 2 fn — fk, где n = 1, 2; k = 1, 2, измеренный двухчастотным методом при номинальной выходной мощности 250 Вт, после частотной перестройки клистрона составил не менее 36 дБ, а при увеличении выходной мощности на 3 дБ оказался не хуже — 30 дБ (см. рис. 4). Полученный результат с запасом удовлетворяет и требованиям в глобальной международной спутниковой системе связи Intelsat (не менее 24 дБ) по маске для выходных усилителей мощности ЗС.


Режим передачи двух широкополосных ТВ-несущих в одном стволе спутникового ретранслятора, в отличие от передачи одной несущей, вносит дополнительные энергетические потери, связанные с механизмом взаимного подавления каждой несущей вследствие нелинейных искажений нечетных порядков. На рис. 5 и 6 приведены зависимости выходных уровней от входных после прохождения спутникового ретранслятора (F2-Channel 23, 22°) для случаев одной [IBO (input-back-off) vs OBO (output-back-off)] и двух несущих [IBOE (input-back-off-each-carrier) vs OBOE (output-back-off-each-carrier)], представленные компаниями RCA Americom и RCA Alascom по результатам опытных работ 1976-1977 гг. при организации первых передач двух ТВ-каналов через спутниковый ретранслятор с шириной полосы 36 МГц [1]. Точка насыщения (режим максимальной выходной мощности) сместилась с 0 (см. рис. 5) до 5 дБ (см. рис. 6) для каждой несущей.


Простое сложение мощностей двух несущих показывает, что в режиме передачи двух несущих общая выходная мощность использованного спутникового ретранслятора снизилась на 2 дБ по сравнению с передачей единственной несущей. Иными словами, взаимное подавление несущих составило 2 дБ. Тем не менее, успешные результаты в дальнейшем были развиты в системе спутниковой связи Intelsat, вначале для передачи аналоговых ТВ-сигналов (TV/FM), а затем и цифровых (DVB-S) через ТВ-ретранслятор с полосой 41 мГц. В [2] приводится величина 1,5 дБ для более позднего типа спутникового ретранслятора с иллюстрациями выходных характеристик в режимах с одной и двумя несущими и краткими пояснениями (см. рис. 7).


Как известно, в цифровом сигнале QPSK с 4-позиционной фазовой манипуляцией наибольший сдвиг фазы, 180°, возникает при одновременной смене символов в обоих каналах модулятора. Он приводит к появлению существенной АМ-огибающей сигнала, которая после фильтрации — прохождения полосового фильтра (ПФ) спутникового ретранслятора с реальными характеристиками АЧХ и, главным образом, ГВЗ — только увеличивается. А прохождение сигнала с переменной огибающей совместно с другими сигналами через общий ретранслятор с УЛБВ сопровождается переносом амплитудной модуляции одной несущей в виде фазовой модуляции на другую несущую [3]. В этой работе применением машинного моделирования детально проанализировано образование переменной огибающей после прохождения линейных устройств (ПФ) и перенос огибающей на другие вследствие прохождения нескольких сигналов через общий усилитель на ЛБВ с нелинейностями АМ-АМ и АМ-ФМ. Типичная характеристика паразитной АМ-ФМ конверсии выходного усилителя спутникового ретранслятора на ЛБВ, использованного в [1], приведена на рис. 8.


Отметим, что нелинейность только вида АМ-АМ (при отсутствии АМ-ФМ) безвредна и не приводит к снижению помехозащищенности (Eb/No) цифрового потока и образованию битовых ошибок. Минимизация паразитного переноса модуляции в спутниковом ретрансляторе достигается выравниванием характеристики ГВЗ входного полосового фильтра (входной элемент СВЧ-мультиплексора, именуемого IMUX) и оптимальным выбором рабочей точки выходного усилителя.

Коррекция характеристик ГВЗ
К настоящему времени не разработана методика расчета ожидаемых значений Eb/No и достоверности цифрового потока по реальным характеристикам АЧХ и ГВЗ линейных трактов кроме экспериментальных измерений влияний различных искажений ГВЗ [5].1 Поэтому корректирование (выравнивание) ГВЗ спутникового ретранслятора производится настройкой корректора ГВЗ, называемого «спутниковым», на максимальное приближение к обратной характеристике ретранслятора.
Идеальное корректирование/выравнивание характеристики ГВЗ входного линейного тракта спутникового ретранслятора в передающем оборудовании ЗС по своему определению может осуществляться путем включения «спутникового» корректора ГВЗ в линейную часть оборудования ЗС, то есть после мощного выходного усилителя, чтобы не вносились дополнительные нелинейные искажения. Однако это практически нереализуемо ввиду невозможности выполнить такой «спутниковый» корректор, с крутыми склонами ветвей ГВЗ в СВЧ-диапазоне и для передачи мощного СВЧ-сигнала. По этой причине «спутниковые» корректоры ГВЗ выполняются только в ПЧ-диапазоне (70 или 140 мГц в зависимости от ширины полосы спутникового ретранслятора 36 или 72 МГц соответственно) и включаются в передающий тракт ПЧ перед преобразованием ПЧ-сигнала в СВЧ-диапазон. Однако при таком вынужденном включении «спутникового» корректора цифровые несущие, содержащие введенные предыскажения ГВЗ, будут проходить мощный выходной усилитель ЗС с существующими нелинейностями вида АМ-АМ и АМ-ФМ. В результате, кроме положительного эффекта от компенсирующего выравнивания ГВЗ приемного фильтра спутникового ретранслятора происходит появление новых дополнительных фазовых искажений, величина которых будет определяться величиной паразитной АМ-ФМ конверсии выходного усилителя ЗС. Поэтому глубина корректирования, то есть размах введенной формы предкоррекции спутникового ГВЗ, подбирается расчетным и эмпирическим путями в зависимости от используемого типа мощного усилителя ЗС и рабочей точки (OBO).
По материалам компании CPI (ныне компания VARIAN), мирового производителя передающих устройств ЗС и электронных приборов (ЛБВ, клистронов и др.), коэффициент АМ-ФМ конверсии клистронов в среднем в два раза ниже, чем у ЛБВ. В результате включение «спутникового» корректора в передающий тракт ЗС с выходным усилителем на ЛБВ приводит к повышению соотношения Eb/No не более чем на 1-1,5 дБ.
Передающий тракт ЗС, помимо спутникового корректора ГВЗ, может содержать и станционный корректор, предназначенный для выравнивания ГВЗ собственных отдельных частотно-зависимых устройств (к примеру, частотно-зависимого усилителя мощности на клистроне) с тем, чтобы минимизировать собственные нелинейные продукты ЗС.

Полученные результаты и заключение
Двухпакетная передача спутниковых каналов для ТВ и радиовещательных (РВ) программ в спутниковой сети ОАО «Газпром Космические системы» впервые в российской практике действует с марта 2004 года и по настоящее время в стволе 3А спутника «Ямал-200», 90° в.д., с высоким качеством каналов доставки сигналов 12 ТВ-программ и полутора десятков РВ-каналов с Eb/No = 10,5-11,0 дБ и запасом (margin) = 5,0-5,5 дБ.
В дальнейшем двухпакетная передача стала широко применяться и в других стволах обоих спутников «Ямал-200», (90° в.д. и 49° в.д.) через другие ЗС с полным занятием полосы ретранслятора (72 мГц). Для выравнивания характеристик ГВЗ спутниковых ретрансляторов и повышения помехозащищенности (Eb/No) автором были настроены спутниковые эквалайзеры, которые затем были включены техническим персоналом в передающие тракты ЗС В заключение автор выражает искреннюю признательность руководству ОАО «Газпром Космические системы» (ранее ОАО «Газком») за внимание и поддержку в реализации первого проекта двухпакетной передачи сигналов ТВ-программ.

Литература:
1. L. Abbott, G.W. Beakley and W.T. Rowse. Parameter tradeoffs for transmitting two television channels per transponder. RCA Rev. Vol. 41. No. 3. Pp. 363-386, Sept. 1980.
2. Charan Langton. All About Traveling Wave Tube Amplifiers (TWTA). Intuitive Guide Principles of Communications, www.complextoreal.com
3. Modulation-transfer noise effects among FM and digital signals in memoryless nonlinear devices, Shimbo, O.; Nguyen, L. N.; Albuquerque, J. P. A.
IEEE, Proceedings (ISSN 0018-9219). Vol. 74. April 1986. P. 580-599.
4. Conditioning and Correction of Arbitrary Waveforms. Part 2: Other Impairments.
Mike Griffin, John Hansen, Agilent Technologies.
From September 2005 High Frequency Electronics. Copyright c 2005 Summit Technical Media, http://www.highfrequencyelectronics.com/Archives/Sep05/0905_HanGrif2.pdf
5. Degradation of BER by Group Delay in Digital Phase Modulation Azizzadeh, A.; Mohammadi, L.Telecommunications, 2008. AICT apos; 08. Fourth Advanced International Conference on Volume, Issue, 8-13 June 2008. Page(s) 350-354.
Digital Object Identifier 10.1109/AICT.2008.31.
6. С.В. Бородич. Искажения и помехи в многоканальных системах радиосвязи с частотной модуляцией. М.: Связь, 1976.
7. А.И. Барамыков. Теоретические и экспериментальные исследования переходных помех в звуковом канале ТВ-ствола РРЛ и разработка требований к радиостволу. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, ГосНИИР, 1985.


 
Теле-Спутник Октябрь 2009
наверх
 



Уважаемые посетители!
В связи с полной реконструкцией Архива, возможны ситуации, когда текст будет выводиться не полностью или неправильно (отсутсвие статей в некоторых номерах это не ошибка). Если заметите какие-то ошибки, то, пожалуйста, сообщите нам о них. Для связи можете воспользоваться специальной формой:

Номер журнала: *
Страница: *
Дополнительные сведения: *
Желательно четко опишите замеченную проблему - это поможет быстрее ее решить.
Мы не отвечаем на вопросы! Их следует задавать на нашем форуме!
Антиспам: * Нажмите мышкой на синий квадрат:


Поля, помеченные звездочкой (*)
обязательны для заполнения





Новый сайт