Sự phát triển kỹ thuật LNB băng thông rộng: Các yếu tố thiết kế thiết yếu cho HTS High-Throughput Satellite Reception

Phân tích kỹ thuật về băng thông, nhiễu pha, độ ổn định tần số và thu đa chùm

Giới thiệu

Với việc triển khai thương mại quy mô lớn các vệ tinh thông tin băng thông rộng (HTS), các bộ chuyển đổi LNB băng hẹp truyền thống không còn đáp ứng được yêu cầu thu cho băng thông rộng, điều chế bậc cao và đồng thời nhiều chùm. LNB băng rộng đã trở thành phần cứng cốt lõi cho các thiết bị thu mặt đất. Bài báo này tổng hợp quá trình tiến hóa kỹ thuật của LNB băng rộng và phân tích các ràng buộc thiết kế chính cho các kịch bản HTS, cung cấp tài liệu tham khảo cho việc lựa chọn kỹ thuật và phát triển sản phẩm.

1. Tiến hóa công nghệ LNB

1. LNB dao động cộng hưởng điện môi (DRO): Giải pháp phổ biến ban đầu với cấu trúc đơn giản và chi phí thấp. Tuy nhiên, nó bị ảnh hưởng bởi sự trôi nhiệt nghiêm trọng của bộ dao động nội bộ và băng thông hoạt động hạn chế, chỉ phù hợp với các vệ tinh tốc độ bit thấp truyền thống và không thể thu điều chế bậc cao của HTS.
2. LNB PLL truyền thống: Sử dụng khóa pha dựa trên pha lê để cải thiện đáng kể độ ổn định tần số. Bị hạn chế bởi hiệu suất của bộ lọc và chuỗi RF, băng thông khả dụng một cổng của nó bị giới hạn, chủ yếu được áp dụng cho các vệ tinh phát sóng băng tần Ku truyền thống.
3. LNB PLL băng rộng thế hệ mới: Được tối ưu hóa cho các vệ tinh thông tin băng thông rộng (HTS) tốc độ cao. Nó có băng thông RF siêu rộng, hiệu suất nhiễu pha tuyệt vời và khóa tần số trong toàn bộ dải nhiệt độ. Nó hỗ trợ thu đa chùm, băng thông sóng mang lớn và giải điều chế các điều chế bậc cao như 16APSK / 32APSK, trở thành giải pháp phổ biến cho các thiết bị thu HTS hiện đại.

2. Yêu cầu kỹ thuật cốt lõi cho LNB tuân thủ HTS

Các vệ tinh thông tin băng thông rộng (HTS) tốc độ cao đặc trưng bởi các sóng mang băng rộng, điều chế bậc cao, tái sử dụng tần số đa chùm và biên độ liên kết chặt chẽ, đặt ra các thông số kỹ thuật nghiêm ngặt cho LNB khác với các vệ tinh phát sóng truyền thống.

2.1 Băng thông hoạt động siêu rộng

Các sóng mang đơn chùm của HTS chiếm phổ tần rộng hơn. Các chuỗi RF và bộ lọc IF của LNB băng hẹp truyền thống sẽ gây ra suy giảm trong băng và biến dạng tín hiệu. LNB băng rộng phải bao phủ hoàn toàn dải tần mục tiêu với độ phẳng trong băng tốt để tránh biến dạng biên độ cho các sóng mang băng rộng.

2.2 Hiệu suất nhiễu pha

Các điều chế bậc cao như 32APSK cực kỳ nhạy cảm với nhiễu pha. Nhiễu pha suy giảm trực tiếp làm tăng tỷ lệ lỗi bit, dẫn đến mất khóa và hiện tượng ảnh ghép ngay cả với SNR đủ. LNB định hướng HTS phải tối ưu hóa vòng lặp PLL và các thiết bị dao động nội bộ để triệt tiêu nhiễu pha ngoài băng.

2.3 Độ ổn định tần số toàn dải nhiệt độ

Các thiết bị đầu cuối ngoài trời đối mặt với sự thay đổi nhiệt độ lớn giữa ngày và đêm. Sự trôi nhiệt của kiến trúc DRO sẽ làm dịch chuyển các sóng mang băng rộng của HTS ra khỏi cửa sổ giải điều chế của bộ thu. Các ứng dụng HTS phải áp dụng kiến trúc khóa PLL để giới hạn chặt chẽ độ lệch tần số LO trong phạm vi hoạt động -40°C ~ +65°C.

2.4 Khả năng loại bỏ ngoài băng & chống nhiễu

Nhiễu giữa các chùm liền kề nổi bật trong môi trường đa chùm HTS. Các bộ lọc tiền khuếch đại RF của LNB yêu cầu khả năng loại bỏ ngoài băng tốt để triệt tiêu nhiễu tần số liền kề và nhiễu ảnh, ngăn chặn các tín hiệu gây nhiễu mạnh làm nén dải động của bộ thu.

2.5 Dải động

Mức tín hiệu thu được thay đổi lớn giữa các chùm HTS khác nhau. LNB phải cung cấp dải động tuyến tính đủ: hệ số nhiễu thấp cho tín hiệu yếu và không bị biến dạng bão hòa dưới đầu vào mạnh, đảm bảo khả năng tương thích thu cho các kịch bản đa chùm.

3. Các yếu tố thiết kế chính của LNB băng rộng cho HTS

1. Lựa chọn sơ đồ bộ dao động nội bộ PLL: Bỏ kiến trúc DRO; áp dụng giải pháp PLL hiệu suất cao cộng với TCXO để đạt được ổn định tần số toàn dải nhiệt độ và loại bỏ độ lệch tần số do nhiệt độ gây ra.
2. Thiết kế chuỗi RF băng rộng: Tối ưu hóa LNA, bộ lọc và bộ trộn để cải thiện độ phẳng trong băng trên toàn băng tần và giảm biến dạng biên độ cho tín hiệu băng rộng.
3. Tối ưu hóa nhiễu pha: Cấu hình dải tần vòng lặp PLL một cách hợp lý và chọn chip LO có nhiễu pha thấp để đáp ứng ngưỡng giải điều chế cho các điều chế bậc cao như 32APSK.
4. Lập kế hoạch đầu ra IF: Đối với các sóng mang băng rộng HTS, thiết kế phạm vi đầu ra IF một cách hợp lý để toàn bộ sóng mang có thể nằm trong cửa sổ thu IF của bộ thu.
5. Độ tin cậy về EMC & Môi trường: Hầu hết các thiết bị đầu cuối HTS được triển khai ngoài trời. Thiết kế bố trí mạch, che chắn, lão hóa nhiệt độ-độ ẩm phải đáp ứng yêu cầu hoạt động liên tục 7*24 giờ tại hiện trường.
6. Cân nhắc đa cổng: Khi LNB đa cổng được áp dụng trong các dự án HTS, hãy đánh giá độ cách ly giữa các cổng và tổn thất cổng để tránh suy giảm hiệu suất do chia tín hiệu đa đường.

4. Các lỗi kỹ thuật phổ biến

Hiểu lầm: Đạt được băng thông danh định là đủ cho việc thu HTS.

Hiểu lầm: Có thể sử dụng LNB DRO cho việc thu HTS.

Hiểu lầm: Tất cả LNB đa cổng đều phù hợp cho việc thu tập trung HTS.

5. Tóm tắt

Các vệ tinh thông tin băng thông rộng (HTS) tốc độ cao đặt ra ngưỡng phần cứng cao hơn nhiều cho LNB trạm mặt đất so với các vệ tinh phát sóng truyền thống. Hiệu suất của LNB băng rộng không chỉ được xác định bởi băng thông hoạt động. Khóa tần số PLL, nhiễu pha, độ phẳng trong băng, dải động và khả năng loại bỏ ngoài băng cùng nhau xác định hiệu suất thu HTS trong thế giới thực. Đối với triển khai kỹ thuật, ưu tiên LNB PLL băng rộng được tối ưu hóa cho HTS, tránh xa các sản phẩm DRO và LNB băng rộng cấp tiêu dùng. Luôn xác minh các thông số bảng dữ liệu chính để đảm bảo thu ổn định 7*24 giờ.