Супутникові системи зв'язку (ССЗ) отримали широке поширення серед систем передачі інформації. Вони дозволяють отримувати доступ до послуг зв'язку там, де використання наземних або бездротових каналів не виправдане економічно або неможливе. Також ССЗ використовуються для організації каналу зв'язку між географічно віддаленими регіонами або країнами з нерозвиненою комунікаційною інфраструктурою. У супутниковому каналі забезпечується можливість обслуговування великої кількості абонентів видалених на значні відстані і при цьому, витрати на організацію зв'язку не залежать від відстані. ССЗ складається з космічного і наземного сегментів. Якість послуги у абонента залежить від супутникового оператора і приймальної земної станції (ЗС).

Особливістю ССЗ є необхідність працювати в умовах порівняно низького відношення сигнал/шум, викликаного значною віддаленістю приймача від передавача і обмеженою потужністю передавальної станції на супутнику. В процесі поширення слабкого сигналу по супутниковому каналу він неминуче піддається спотворенням через вплив атмосфери, ефект Доплера і високий рівень стискування інформації, що при прийомі призводять до сильних спотворень сигналу.

Кількість спотворених символів має бути дуже мала, тому застосовується двоступінчате завадостійке кодування і модуляція з невисокими когерентностями. Переважно використовується модуляція QPSK (Quaternary Phase Shift Keying) що забезпечує найкращий компроміс по співвідношенню потужність-смуга.

Зрив фазової синхронізації призводить до великої кількості помилок при QPSK демодуляції, де інформацію несе фаза сигналу. Тому для отримання синхронного опорного коливання необхідно забезпечити компроміс між зменшенням помилки стеження за режимом синхронізму і зменшенням часу встановлення режиму синхронізму.

Підвищення завадостійкої при прийомі сигналу супутникового каналу, за рахунок зменшення кількості помилок на вході QPSK демодулятора і поліпшення його характеристик.

– Вивчити склад і характеристики елементів приймальної ЗС супутникового каналу;

– Розглянути, який вплив роблять зовнішні і внутрішні шуми на сигнал супутникового каналу;

– Вивчити проблеми, виникаючі через втрату синхронізації в супутниковому каналі;

– Ознайомитися з можливими варіантами використання ФАПЧ (фазове автопідстроювання частоти) як способу фазової синхронізації;

– Розробити вдосконалений демодулятор Костаса для QPSK сигналу.

Основними компонентами приймальні ЗС є: антенна система (антена і кронштейн), конвертер (LNB, Low-Noise Block), кабель і тюнер.

Антена приймає слабкий сигнал і фокусує його на опромінювач. Поверхня повинна мати високу відбиваючу здатність по відношенню до мікрохвиль. В основному використовуються прямофокусні та офсетні антени. Вибір діаметру здійснюється згідно з картою покриття транспондерів. Чим більше поверхня рефлектора, тим вище посилення.

Супутникова антена повинна забезпечувати прийом електромагнітних хвиль різної поляризації (вертикальної, горизонтальної або кругової), для цього в конвертері встановлюється поляризатор.

Конвертер призначений для передачі сигналу від супутникової антени до ресівера. Існують різноманітні схемотехнічні рішення, використовувані для побудови конвертерів. Структурна схема типового конвертера представлена на рисунку 1.

Рисунок 1 – Структурна схема конвертера

Волноводно-полосковий перехід (ВПП) призначений для узгодження вхідної мікросмужної лінії першого каскаду малошумливого підсилювача з виходом поляризатора опромінювача антени.

Малошумливий підсилювач (МШП) призначений для рівномірного посилення в усьому робочому діапазоні, забезпечення мінімального коефіцієнта шуму і забезпечення максимального коефіцієнта посилення.

Смуговий фільтр (СФ) забезпечує послаблення дзеркального каналу і сигналу гетеродина.

З метою спростити передачу сигналу, гетеродин (Г) і змішувач (ЗМ) переносять сигнал С (3,4-4,2 ГГц) або Ku (10,7-12,75 ГГц) діапазону на проміжну частоту (ПЧ) в S діапазон (950-2050 Мгц), оскільки сигнал на частоті супутникового прийому сильно затухає у фідері.

Посилення прийнятого сигналу забезпечується попереднім підсилювачем проміжної частоти (ПППЧ). Конвертер посилює не лише корисний сигнал, але і шуми, що приходять з ним, вносить деякий рівень шуму.

Пристрій живлення конвертера (ПЖ) призначен для забезпечення високостабільної напруги живлення, необхідної для нормального функціонування усіх вузлів, яке подається по центральній жилі кабелю.

Наступною ланкою є ресівер, структурна схема якого зображена на рисунку 2.

Рисунок 2 – Структурна схема ресівера

Перетворювач ПЧ (ППЧ) потрібний для налаштування на необхідну частоту сигналів, що приймаються в діапазоні 70-140 Мгц. QPSK демодулятор працює за принципом демодуляції з нульовою ПЧ.

Сигнали I і Q через погоджуючий фільтр поступають на згортальний декодер Вітерби і потім на схему виділення синхробайтів. Імпульс синхробайта, імтульси I і Q складових впливають на схему відновлення тактових імпульсів які необхідні для синхронізації вузлів приймача.

Після цього сигнал піддається процесу деперемеження і поступає на зовнішній декодер Ріда-Соломона (РС). Відбувається компенсація енергетичної дисперсії і зворотна інверсія першого пакету. В результаті виходить нормалізований транспортний потік MPEG-2, який поступає в демультиплексор. Потік поступає на MPEG-2 декодер, де відбувається декомпресія і перетворення в аналогову форму.

Одним з найважливіших показників якості тракту прийому є чутливість приймача. Чутливість приймача характеризує здатність приймача приймати слабкі сигнали. Чутливість приймача визначається як мінімальний рівень вхідного сигналу пристрою, необхідний для забезпечення необхідної якості отриманої інформації. На рисунку 3 наочно показано, як сильно утруднюється ухвалення правильного рішення при демодуляції QPSK сигналу в умовах високої зашумленості.

Рисунок 3 – Анімація погіршення сигнального сузір'я при демодуляції QPSK сигналу з високим рівнем шуму

Якщо якість сигналу, що приймається, стабільно низька, тоді приймальна система несправна або погано налагоджена. Якщо дефекти з'являються при хорошій якості по індикатору або якість «скаче», то на сигнал впливає індустріальна перешкода. Найефективніший спосіб боротьби – перенесення антени в місце віддалене від джерела перешкод, але це не завжди можливо, адже антена має бути налаштована на необхідний супутник.

Якщо дія перешкод призводить до незначних дефектів, на приймальній стороні необхідно збільшити співвідношення сигнал/шум, але цей спосіб вимагає купівлі нового устаткування.

Перешкоди можуть впливати безпосередньо на вхід ресівера, на першій ПЧ. В цьому випадку необхідно змінити частоту гетеродина конвертера (змінюючи місткість настроювального конденсатора або поставити конвертер з іншою частотою гетеродина), оскільки від неї залежить положення дзеркального каналу на якому не повинно виявитися ніяких перешкод.

Існують два способи підвищення чутливості приймача – збільшення діаметру антени і зменшення рівня шуму приймача.

При збільшення розміру антени зростають її спрямовані властивості, тому, збільшується потужність корисного сигналу і зменшується потужність перешкоди, але росте вартість приймальної системи.

Відновлення синхронізації потрібне для правильного декодування сигналу, а для підвищення вірогідності правильного прийому інформації використовують коди, що виявляють і виправляють помилки. Необхідно забезпечити відновлення наступних видів синхронізації: циклової (кадрової), тактової (символьної) і фазової.

Відновлення циклової і тактової синхронізації забезпечує правильне витягання інформації з прийнятого сигналу.

Циклова синхронізація забезпечує правильне відділення одного циклу від іншого. Замкнута петля тактової синхронізації потрібна для визначення меж цифрових символів так, щоб зробити відлік прийнятого сигналу в найменш спотвореній його частині для підвищення завадостійкої розпізнавання переданого символу.

Відновлення фазової синхронізації між приймачем і передавачем – необхідна умова правильної роботи демодулятора і відновлення інших видів синхронізації.

Правильна демодуляція QPSK сигналів можлива тільки когерентним способом, для чого необхідно максимально точно виконати умову синхронізації по фазі місцевого опорного генератора приймального пристрою з тією, що несе, що приймається. У разі супутникового каналу немає можливості безпосередньо синхронізувати передавач і приймач, тому копію несе в приймачі необхідно відновлювати з сигналу, що приймається. У зв'язку з цим, демодуляцію можна розбити на дві частини: формування опорного коливання і безпосередньо демодуляція.

У конвертерах використовується дві схеми стабілізації частоти гетеродина: на основі діелектричного резонатора і синтезатора частоти PLL (Phase Lock Loop). Їх основна відмінність – досяжний рівень стабільності частоти і фази. Для якіснішого прийому використовуються стабільніші PLL конвертери з внутрішньою або зовнішньою опорною частотою 10 ГГц. Величина фазового шуму показує, як швидко знижується дисперсія фази сигналу відносно необхідної центральної частоти. Рекомендоване значення фазового шуму конвертера: - 50 dBc/Hz при ширині смуги 1 kHz, - 75 dBc/Hz при ширині смуги 10 kHz, - 95 dBc/Hz при ширині смуги 100 kHz.

У ресівері при когерентній обробці сигналів потрібна наявність опорного коливання. Це коливання може бути виділене системою ФАПЧ з вхідного сигналу. Існує декілька способів відновлення опорного коливання, за схемою Сифорова, Пістолькорса і Костаса. Часто використовується система ФАПЧ на основі схеми Костаса (рисунок 4).

Рисунок 4 – Структурна схема Костаса: а) для BPSK сигналу; б) для QPSK сигналу

Розглянемо принцип роботи схеми Костаса для BPSK сигналу. Опорні коливання виробляються в ГКН (генератор керований напругою). Частота ГКН підлаштовується за допомогою петлі ФАПЧ, роль ФД (фазовий детектор) виконують перемножувачі і ФНЧ (фільтр нижніх частот) в каналах I, Q. Різниця сигналів після других перемножувачей використовується для управління ГКН. ФАПЧ забезпечує точну установку частоти несучої.

Схема Костаса для QPSK сигналу має деякі відмінності в принципі роботи. У кожну гілку схеми включений регенератор і додатковий перемножувач. Друга пара перемножувачей виконує перемножування вихідної напруги синфазного і квадратурного каналів. Вихідна напруга перемножувачей складається в протифазі в суматорі. В результаті такої обробки напруга на виході суматора виявляється немодульованою. Воно служить для управління фазою опорного генератора. При цьому синфазний і квадратурний канали повинні мати однакові імпульсні характеристики і вносити однакову затримку.

За допомогою моделювання в програмі SystemView, на основі прикладу демодулятора Костаса для BPSK сигналу було з'ясовано, що слабким місцем, з точки зору мінімізації фазових шумів, є петлевий фільтр, спектр сигналу на виході якого представлений на рисунку 5.

Рисунок 5 – Спектр сигналу до (зелений) та після (жовтий) петлевого фільтру

Тому поліпшення характеристик цього фільтру в складнішій схемі для QPSK сигналу дозволить поліпшити роботу схеми в цілому.

Замість ФНЧ в ланцюзі перед ГКН використовується ПІ-регулятор (пропорційно-інтегральний), використовуваний для формування сигналу, що управляє. ПІ-регулятор формує сигнал, що управляє, який є сумою двох доданків, перший з яких пропорційний вхідному сигналу, другий – є результатом інтеграції вхідного сигналу. Спектр сигналу до і після ПІ-регулятора представлений на рисунку 6.

Рисунок 6 – Спектр сигнала до (зелений) та після (жовтий) ПІ-регулятора

Пропорційна складова виробляє вихідний сигнал, протидіючий відхиленню регульованої величини від заданого значення, спостережуваному в даний момент часу. Він тим більше, чим більше це відхилення. Чим більше коефіцієнт пропорційності між вхідним і вихідним сигналом (коефіцієнт посилення), тим менше статична помилка, проте при занадто великому коефіцієнті посилення можуть початися автоколивання.

Для усунення статичної помилки використовують інтегральну складову. Вона дозволяє регулятору запам'ятовувати попередні стани. Якщо система не випробовує зовнішніх обурень, тоді через деякий час регульована величина стабілізується на заданому значенні сигнал пропорційної складової дорівнюватиме нулю, а вихідний сигнал повністю забезпечуватиме інтегральна складова.

Щоб забезпечити низьку вірогідність помилки при прийомі сигналу супутникового каналу кількість спотворених символів на вході демодулятора в ресівері має бути мінімальна. Приймальні ЗС супутникового каналу використовують подвійне перетворення частоти – на гетеродині конвертера і на попередньому ПЧ в ресівері. Але пониження частоти в гетеродині здійснюється лише з метою спростити передачу сигналу, а в попередньому ПЧ – для налаштування на необхідну частоту прийому сигналу. Сама ж фазова синхронізація здійснюється в когерентному демодуляторі Костоса, характеристики якої і були поліпшені шляхом моделювання.

Як і предпологалось, використання в демодуляторі Пі-регулятора замість ФНЧ в ланцюзі управління ГКН дозволяє зменшити кількість помилково прийнятих символів, що підтверджується результатами моделювання. В якості подальших досліджень планується включити в ланцюг між попереднім ПЧ і QPSK демодулятором ще одно ланку – схему ФАПЧ. Ця модернізація дозволить зменшити кількість помилок на вході демодулятора, що підвищить завадостійку приймача.