Спутниковые системы связи (ССС) получили широкое распространение среди систем передачи информации. Они позволяют получить доступ к услугам связи там, где использование наземных или беспроводных каналов не оправдано экономически или невозможно. Также ССС используются для организации канала связи между географически удаленными регионами или странами с неразвитой коммуникационной инфраструктурой. В спутниковом канале обеспечивается возможность обслуживания большого количества абонентов, удаленных на значительные расстояния и при этом, затраты на организацию связи не зависят от расстояния. ССС состоит из космического и наземного сегментов. Качество услуги у абонента зависит от спутникового оператора и приемной земной станции (ЗС).

Особенностью ССС является необходимость работать в условиях сравнительно низкого отношения сигнал/шум, вызванного значительной удаленностью приемника от передатчика и ограниченной мощностью передающей станции на спутнике. В процессе распространения слабого сигнала по спутниковому каналу он неизбежно подвергается искажениям из-за влияния атмосферы, эффекта Доплера и высокого уровня сжатия информации, что при приеме приводят к сильным искажениям сигнала.

Количество искаженных символов должно быть очень мало, поэтому применяется двухступенчатое помехоустойчивое кодирование и модуляция с невысокими когерентностями. Преимущественно используется модуляция QPSK (Quaternary Phase Shift Keying), обеспечивающая наилучший компромисс по соотношению мощность-полоса.

Срыв фазовой синхронизации приводит к большому количеству ошибок при QPSK демодуляции, где информацию несет фаза сигнала. Поэтому для получения синхронного опорного колебания необходимо обеспечить компромисс между уменьшением ошибки слежения за режимом синхронизма и уменьшением времени установления режима синхронизма.

Повышение помехоустойчивости при приеме сигнала спутникового канала, за счет уменьшения количества ошибок на входе QPSK демодулятора и улучшения его характеристик.

– Изучить состав и характеристики элементов приемной ЗС спутникового канала;

– Рассмотреть, какое влияние оказывают внешние и внутренние шумы на сигнал спутникового канала;

– Изучить проблемы, возникающие из-за потери синхронизации в спутниковом канале;

– Ознакомиться с возможными вариантами использования ФАПЧ (фазовая автоподстройка частоты) как способа фазовой синхронизации;

– Разработать усовершенствованный демодулятор Костаса для QPSK сигнала.

Основными компонентами приемной ЗС являются: антенная система (антенна и кронштейн), конвертер (LNB, Low-Noise Block), кабель и тюнер.

Антенна принимает слабый сигнал и фокусирует его на облучатель. Поверхность должна иметь высокую отражающую способность по отношению к микроволнам. В основном используются прямофокусные и офсетные антенны. Выбор диаметра осуществляется согласно карте покрытия транспондеров. Чем больше поверхность рефлектора, тем выше усиление.

Спутниковая антенна должна обеспечивать приём электромагнитных волн различной поляризации (вертикальной, горизонтальной или круговой), для этого в конвертере устанавливается поляризатор.

Конвертер предназначен для передачи сигнала от спутниковой антенны к ресиверу. Существуют разнообразные схемотехнические решения, используемые для построения конвертеров. Структурная схема типового конвертера представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Структурная схема конвертера

Волноводно-полосковый переход (ВПП) предназначен для согласования входной микрополосковой линии первого каскада малошумящего усилителя с выходом поляризатора облучателя антенны.

Малошумящий усилитель (МШУ) предназначен для равномерного усиления во всем рабочем диапазоне, обеспечения минимального коэффициента шума и обеспечения максимального коэффициента усиления.

Полосовой фильтр (ПФ) обеспечивает ослабление зеркального канала и сигнала гетеродина.

С целью упростить передачу сигнала, гетеродин (Г) и смеситель (СМ) переносят сигнал С (3,4-4,2 ГГц) или Ku (10,7-12,75 ГГц) диапазона на промежуточную частоту (ПЧ) в S диапазон (950-2050 МГц), поскольку сигнал на частоте спутникового приема сильно затухает в фидере.

Усиление принятого сигнала обеспечивается предварительным усилителем промежуточной частоты (ПУПЧ). Конвертер усиливает не только полезный сигнал, но и приходящие с ним шумы, вносит некоторый уровень шума.

Устройство питания конвертера (УП) предназначено для обеспечения высокостабильного напряжения питания, необходимого для нормального функционирования всех узлов, которое подается по центральной жиле кабеля.

Следующим звеном является ресивер, структурная схема которого изображена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Структурная схема ресивера

Преобразователь ПЧ (ППЧ) необходим для настройки на требуемую частоту принимаемых сигналов в диапазоне 70-140 МГц. QPSK демодулятор работает по принципу демодуляции с нулевой ПЧ.

Сигналы I и Q через согласующий фильтр поступают на сверточный декодер Витерби и затем на схему выделения синхробайтов. Импульс синхробайта, имтульсы I и Q составляющих воздействуют на схему восстановления тактовых импульсов, которые необходимы для синхронизации узлов приемника.

После этого сигнал подвергается процессу деперемежения и поступает на внешний декодер Рида-Соломона (РС). Происходит компенсация энергетической дисперсии и обратная инверсия первого пакета. В результате получается нормализированный транспортный поток MPEG-2, который поступает в демультиплексор. Поток поступает на MPEG-2 декодер, где происходит декомпрессия и преобразование в аналоговую форму.

Одним из важнейших показателей качества тракта приема является чувствительность приемника. Чувствительность приемника характеризует способность приемника принимать слабые сигналы. Чувствительность приемника определяется как минимальный уровень входного сигнала устройства, необходимый для обеспечения требуемого качества полученной информации. На рисунке 3 наглядно показано, как сильно затрудняется принятие правильного решения при демодуляции QPSK сигнала в условиях высокой зашумленности.

Рисунок 3 – Анимация ухудшения сигнального созвездия при демодуляции QPSK сигнала с высоким уровнем шума

Если качество принимаемого сигнала стабильно низкое, то приемная система неисправна или плохо настроена. Если дефекты появляются при хорошем качестве по индикатору или качество «скачет», то на сигнал влияет индустриальная помеха. Самый эффективный способ борьбы – перенос антенны в место удаленное от источника помех, но это не всегда возможно, ведь антенна должна быть настроена на необходимый спутник.

Если воздействие помех приводит к незначительным дефектам, на приемной стороне необходимо увеличить соотношение сигнал/шум, но этот способ требует покупки нового оборудования.

Помехи могут воздействовать непосредственно на вход ресивера, на первой ПЧ. В этом случае необходимо изменить частоту гетеродина конвертера (изменяя емкость настроечного конденсатора или поставить конвертер с другой частотой гетеродина), так как от нее зависит положение зеркального канала, на котором не должно оказаться никаких помех.

Существуют два способа повышения чувствительности приемника – увеличение диаметра антенны и уменьшение уровня шума приемника.

При увеличение размера антенны возрастают ее направленные свойства, поэтому, увеличивается мощность полезного сигнала и уменьшается мощность помехи, но растет стоимость приемной системы.

Одна из главных функций конвертера – перенос спектра входного сигнала в область более низких частот. При этом несущая частота выходного сигнала неизбежно будет подвергаться случайным смещениям. Очень эффективный способ увеличения запаса по качеству – использование конвертеров с более низким значением фазового шума. Ресивер оперирует с ПЧ поступающей с конвертера, точность и значение которой зависит от гетеродина в конвертере.

Различают медленные и мгновенные изменения частоты. Медленные (длительные) изменения частоты определяются температурной нестабильностью, давлением, влажностью окружающей среды или уходом со временем от старения или изначальным отличием от стандартных частот. Мгновенная нестабильность частоты вызвана случайным тепловым движением носителей зарядов в микроэлектронных компонентах конвертера. Поскольку частота сигнала на выходе конвертера равна разности входной частоты и частоты гетеродина – выходная частота конвертера также флюктуирует.

Современные конвертеры оптимизируются под минимальный фазовый шум (как следствие, уменьшается уровень аналоговых шумов). Аналоговые конвертеры, использовавшиеся ранее, по фазовому шуму не нормировались. Для них была определена только величина амплитудных шумов. Так как в основном используется модуляция QPSK, при которой информацию несет фаза сигнала, они абсолютно не пригодны для качественного приема. Даже небольшое изменение частоты приводит к тому, что изменяется фаза сигнала, причем это изменение растет от периода к периоду – появляется набег фазы. Если набег превышает 45° – происходит прием ошибочного символа. Таким образом, в приемной системе присутствует дополнительный источник цифровых ошибок, количество которых не зависит от отношения сигнал/шум на входе и определяется только характеристиками конвертера. Набег фазы тем больше, чем больше отклонение частоты гетеродина от номинала, и чем меньше символьная скорость цифрового потока.

Восстановление синхронизации необходимо для правильного декодирования сигнала, а для повышения вероятности правильного приема информации используют коды, обнаруживающие и исправляющие ошибки. Необходимо обеспечить восстановление следующих видов синхронизации: цикловой (кадровой), тактовой (символьной) и фазовой.

Восстановление цикловой и тактовой синхронизации обеспечивает правильное извлечение информации из принятого сигнала.

Цикловая синхронизация обеспечивает правильное отделение одного цикла от другого. Замкнутая петля тактовой синхронизации необходима для определения границ цифровых символов так, чтобы сделать отсчет принятого сигнала в наименее искаженной его части для повышения помехоустойчивости распознавания переданного символа.

Восстановление фазовой синхронизации между приемником и передатчиком – необходимое условие правильной работы демодулятора и восстановления других видов синхронизации.

Правильная демодуляция QPSK сигналов возможна только когерентным способом, для чего необходимо максимально точно выполнить условие синхронизации по фазе местного опорного генератора приемного устройства с принимаемой несущей. В случае спутникового канала нет возможности напрямую синхронизировать передатчик и приемник, поэтому копию несущей в приемнике необходимо восстанавливать из принимаемого сигнала. В связи с этим, демодуляцию можно разбить на две части: формирование опорного колебания и непосредственно демодуляция.

В конвертерах используется две схемы стабилизации частоты гетеродина: на основе диэлектрического резонатора и синтезатора частоты PLL (Phase Lock Loop). Их основное отличие – достижимый уровень стабильности частоты и фазы. Для более качественного приема используются более стабильные PLL конвертеры с внутренней или внешней опорной частотой 10 ГГц. Величина фазового шума показывает, как быстро понижается дисперсия фазы сигнала относительно необходимой центральной частоты. Рекомендуемое значение фазового шума конвертера: -50 dBc/Hz при ширине полосы 1 kHz, -75 dBc/Hz при ширине полосы 10 kHz, -95 dBc/Hz при ширине полосы 100 kHz.

В ресивере при когерентной обработке сигналов необходимо наличие опорного колебания. Это колебание может быть выделено системой ФАПЧ из входного сигнала. Существует несколько способов восстановления опорного колебания, по схеме Сифорова, Пистолькорса и Костаса. Часто используется система ФАПЧ на основе схемы Костаса (рисунок 4).

Рисунок 4 – Структурная схема Костаса: а) для BPSK сигнала; б) для QPSK сигнала

Рассмотрим принцип работы схемы Костаса для BPSK сигнала. Опорные колебания вырабатываются в ГУН (генератор управляемый напряжением). Частота ГУН подстраивается с помощью петли ФАПЧ, роль ФД (фазовый детектор) выполняют перемножители и ФНЧ (фильтр нижних частот) в каналах I, Q. Разность сигналов после вторых перемножителей используется для управления ГУН. ФАПЧ обеспечивает точную установку частоты несущей.

Схема Костаса для QPSK сигнала имеет некоторые отличия в принципе работы. В каждую ветвь схемы включен регенератор и дополнительный перемножитель. Вторая пара перемножителей выполняет перемножение выходных напряжений синфазного и квадратурного каналов. Выходные напряжения перемножителей складываются в противофазе в сумматоре. В результате такой обработки напряжение на выходе сумматора оказывается немодулированным. Оно служит для управления фазой опорного генератора. При этом синфазный и квадратурный каналы должны иметь одинаковые импульсные характеристики и вносить одинаковую задержку.

С помощью моделирования в программе SystemView, на основе примера демодулятора Костаса для BPSK сигнала было выяснено, что слабым местом, с точки зрения минимизации фазовых шумов, является петлевой фильтр, спектр сигнала на выходе которого представлен на рисунке 5.

Рисунок 5 – Спектр сигнала до и после петлевого фильтра

Поэтому улучшение характеристик данного фильтра в более сложной схеме для QPSK сигнала позволит улучшить работу схемы в целом.

Вместо ФНЧ в цепи перед ГУН используется ПИ-регулятор (пропорционально-интегральный), используемый для формирования управляющего сигнала. ПИ-регулятор формирует управляющий сигнал, являющийся суммой двух слагаемых, первое из которых пропорционально входному сигналу, второе – является результатом интегрирования входного сигнала. Спектр сигнала до и после ПИ-регулятора представлен на рисунке 6.

Рисунок 6 – Спектр сигнала до и после ПИ-регулятора

Пропорциональная составляющая вырабатывает выходной сигнал, противодействующий отклонению регулируемой величины от заданного значения, наблюдаемому в данный момент времени. Он тем больше, чем больше это отклонение. Чем больше коэффициент пропорциональности между входным и выходным сигналом (коэффициент усиления), тем меньше статическая ошибка, однако при слишком большом коэффициенте усиления могут начаться автоколебания.

Для устранения статической ошибки используют интегральную составляющую. Она позволяет регулятору запоминать предыдущие состояния. Если система не испытывает внешних возмущений, то через некоторое время регулируемая величина стабилизируется на заданном значении, сигнал пропорциональной составляющей будет равен нулю, а выходной сигнал будет полностью обеспечивать интегральная составляющая.

Чтобы обеспечить низкую вероятность ошибки при приеме сигнала спутникового канала, количество искаженных символов на входе демодулятора в ресивере должно быть минимально. Приемные ЗС спутникового канала используют двойное преобразование частоты – на гетеродине конвертера и на предварительном ПЧ в ресивере. Но понижение частоты в гетеродине осуществляется лишь с целью упростить передачу сигнала, а в предварительном ПЧ – для настройки на необходимую частоту приема сигнала. Сама же фазовая синхронизация осуществляется в когерентном демодуляторе Костоса, характеристики которой и были улучшены путем моделирования.

Как и предполагалось, использование в демодуляторе ПИ-регулятора вместо ФНЧ в цепи управления ГУН позволяет уменьшить количество ошибочно принятых символов, что подтверждается результатами моделирования. В качестве дальнейших исследований планируется включить в цепь между предварительным ПЧ и QPSK демодулятором еще одно звено – схему ФАПЧ. Данная модернизация позволит уменьшить количество ошибок на входе демодулятора, что повысит помехоустойчивость приемника.