Спутниковый конвертер () — приёмное устройство, объединяющее в себе (МШУ, ) принимаемого со спутника сигнала и понижающий преобразователь частоты (). Конвертер устанавливается на облучателе спутниковой антенны и подключается к приёмному оборудованию коаксиальным кабелем, по этому же кабелю осуществляется питание конвертера и, если требуется, передача управляющих сигналов.
Усиление и шумовые характеристики Усиление конвертера — отношение уровня выходного сигнала (после преобразования) к уровню сигнала, принимаемого антенной конвертера, выражается в децибелах. Типичные значения усиления конвертеров — от 40 до 65 дБ. Чем длиннее кабельная трасса до конвертера, тем большее усиление требуется чтобы обеспечить достаточный уровень сигнала на входе приёмного устройства (требуемый уровень сигнала зависит от характеристик конкретного устройства, типичное затухание в кабеле типа RG-6 на частотах 1-2 ГГц — 2-2.5 дБ на каждые 10 метров).
При достаточном уровне сигнала на входе приёмного устройства использование конвертера с бо́льшим усилением не дает улучшения приёма, поскольку конвертер принимает и усиливает в одинаковой мере как полезный сигнал, так и тепловой шум эфира. Даже в идеальном случае отношение сигнал/шум, от которого и зависит возможность приёма, после конвертера не изменится. Реальный конвертер вносит дополнительный собственный шум. Собственный тепловой шум конвертера описывается либо его эквивалентной шумовой температурой в Кельвинах, либо «коэффициентом шума» в децибелах, который показывает, насколько ухудшится отношение сигнал/шум после усиления и переноса частоты. Также опорный генератор конвертера вносит дополнительный фазовый шум, который влияет в первую очередь на возможность приема сигналов с высокими индексами модуляции.
Преобразование частоты Необходимость преобразования частоты после усиления сигнала связана с тем, что в большинстве случаев для спутниковой связи используются радиодиапазоны с частотами в единицы и десятки Гигагерц (C, X, Ku, Ka). Передача таких радиочастот по коаксиальному кабелю приводит к большому затуханию сигнала, а использование длинных волноводов многократно усложняет и удорожает систему. Преобразование частоты в диапазон 1-2 ГГц (L-диапазон) позволяет отнести приёмное оборудование (спутниковый ресивер, спутниковый модем, карта DVB-S/S2 и т. п.) на значительное расстояние (десятки метров) от спутникового конвертера.
Если требуется отнести приёмное оборудование на еще большее расстояние от спутниковой антенны, то могут использоваться дополнительные усилители сигнала L-диапазона, устанавливаемые в разрыв кабельной трассы, либо волоконно-оптическая линия и дополнительные устройства — оптические передатчики и приемники L-диапазона. Оптический передатчик может быть интегрирован в спутниковый конвертер. Нужно учитывать, что и усилители и оптические передатчики и приемники вносят дополнительный собственный шум, увеличивая шумовой коэффициент системы в целом.
Преобразование частоты происходит путем смешения сигнала опорного генератора (гетеродина, ) спутникового конвертера и входного сигнала (), принятого со спутника. На выходе смесителя образуется сигнал промежуточной частоты (), равной разнице частот опорного генератора и входного сигнала. Конвертеры делят на два основных типа в зависимости от конструкции опорного генератора — c диэлектрическим резонатором (DRO) или с синтезатором частоты (PLL).
Конвертеры с диэлектрическим резонатором (DRO LNB)
Самые массовые спутниковые конвертеры имеют опорный генератор, построенный на основе ().
Недостатком таких опорных генераторов является зависимость частоты от температуры окружающей среды и старения резонатора. Типичный допуск отклонения частоты гетеродина DRO LNB — до 900 кГц в обе стороны от номинала (зависит от модели конвертера, у дешёвых телевизионных конвертеров может быть и больше). Соответственно, меняется и частота выходного сигнала конвертера. По этой причине DRO LNB плохо применимы для приёма узкополосных сигналов, поскольку сигнал на выходе конвертера может оказаться за пределами полосы, в которой его ищет приёмник. Минимальная ширина полосы, в которой может надежно использоваться DRO LNB, зависит от характеристик приёмника (диапазона, в котором демодулятор производит поиск сигнала) и обычно составляет несколько мегагерц (или несколько мегасимволов в секунду).
Преимуществами DRO LNB является меньший фазовый шум, чем у других типов конвертеров и меньшая цена.
DRO LNB используется в телевизионном спутниковом приёме и при приёме широкополосных каналов в спутниковой связи. Для приёма узкополосных сигналов (некоторых телевизионных несущих, SCPC-каналов и TDMA-каналов в сетях спутниковой связи) требуются конвертеры, обеспечивающие более высокую стабильность частоты.
Высокостабильные конвертеры (PLL LNB) Опорные генераторы высокостабильных конвертеров строятся как синтезатор частоты с автоподстройкой по образцовому источнику (). В качестве образцового обычно используется сигнал с частотой 10 МГц. Стабильность частоты опорного генератора у PLL LNB зависит от источника образцового сигнала.
С внутренней синхронизацией PLL LNB с внутренней синхронизацией () имеют собственный термостатированный или термокомпенсированный кварцевый генератор, использующийся как источник образцовой частоты. Стабильность опорной частоты конвертера с внутренней синхронизацией может составлять от +/-2 кГц до +/-500 кГц, в зависимости от модели.
С внешней синхронизацией PLL LNB с внешней синхронизацией () не имеют собственного источника образцовой частоты. В качестве такого источника используется внешний генератор, сигнал образцовой частоты подается по тому же кабелю, по которому передается сигнал от конвертера (на некоторых моделях конвертеров есть отдельный вход для подачи образцового сигнала). Стабильность конвертера с внешней синхронизацией может быть сколь угодно высокой и зависит только от внешнего генератора, в качестве которого могут использоваться приёмники сигналов GPS и ГЛОНАСС, рубидиевые атомные часы и т. п.
Рабочие диапазоны и частоты гетеродинов конвертеров Диапазоны частот, используемые для спутниковой связи и вещания, могут иметь бо́льшую ширину, чем входной диапазон частот используемого приёмника. Поэтому диапазоны спутниковой связи разбиваются на поддиапазоны, для каждого из которых выбирается конвертер с такой частотой опорного генератора, чтобы полученный после преобразования сигнал попадал в диапазон приёмника.
Некоторые модели конвертеров работают только в одном поддиапазоне, другие имеют несколько переключаемых опорных генераторов, что позволяет использовать их для приёма различных поддиапазонов. Переключение опорного генератора конвертера может производиться разными способами — изменением напряжения питания, подачей на конвертер тонального сигнала 22 кГц, а также механическим переключателем на конвертере. Существуют также сдвоенные LNB (фактически, два LNB в одном корпусе) позволяющие одновременно принимать сигнал двух поддиапазонов на два разных приёмных устройства.
Ku-диапазон
Для приёма сигнала в Ku-диапазоне используются частоты 10700-12750 МГц. Выпускаются конвертеры со следующими принимаемыми поддиапазонами и частотами генераторов (в том числе переключаемые и сдвоенные):
Входной диапазон (RF), МГц Частота опорного генератора (LO), МГц Выходной диапазон (IF), МГц 10700-11700 9750 950-1950 10700-11850 9750 950-2100 10950-11700 10000 950-1700 11700-12200 10750 950-1450 11700-12750 10600 1100-2150 11700-12750 10750 950-2000 12200-12750 11250 950-1500 12250-12750 11300 950-1450
C-диапазон
Для приёма сигнала в расширенном C-диапазоне используются частоты 3400-4200 МГц. В международной практике возможно применение частот до 4800 МГц. Выпускаются конвертеры со следующими принимаемыми поддиапазонами и частотами генераторов:
Входной диапазон (RF), МГц Частота опорного генератора (LO), МГц Выходной диапазон (IF), МГц 3200-4200 5150 950-1950 3625-4200 5150 950-1525 3625-4800 5750 950-2125 4500-4800 5950 1150-1450
Инверсия спектра в конвертерах C-диапазона В конвертерах С-диапазона входная (принимаемая со спутника) частота ниже, чем частота опорного генератора. Выходной сигнал конвертера получается путем вычитания входной частоты из частоты опорного генератора. Поэтому спектр сигнала на выходе конвертера инвертируется — более высокие частоты входного сигнала оказываются в нижней части выходного диапазона. Используемое вместе с конвертером оборудование спутникового приёма должно поддерживать режим инверсии спектра, чтобы принимать и декодировать сигнал.
Ka-диапазон
Для приёма сигнала в Ка-диапазоне используются частоты 18200-22200 МГц.
Конструкция и установка на антенне
Конвертер предназначен для установки непосредственно на облучателе антенны, имеет всепогодное герметичное исполнение. Вход конвертера — волноводный фланец (с герметизирующим кольцом). Интегрированные с облучателем конвертеры выполняются в виде герметичного моноблока. Выход конвертера — высокочастотный коаксиальный разъем, обычно типа F (с волновым сопротивлением 75 Ом) или типа N (50 Ом). Питание конвертера (и, если требуется, подача образцовой частоты и управляющих сигналов) осуществляются через этот же разъем.
Поляризация Приёмным элементом конвертера является штыревая антенна (зонд). Конвертер с одним зондом может принимать сигнал в одной поляризации (линейной вертикальной или горизонтальной), в зависимости от его ориентации на антенне. Некоторые модели конвертеров, предназначенных для телевизионного приёма, имеют два ортогональных зонда, переключение между которыми позволяет принимать две поляризации без изменения ориентации (поворота) конвертера. Существуют также сдвоенные конвертеры (фактически, два конвертера в одном корпусе с общим опорным генератором), антенны которых расположены в ортогональных плоскостях. Такие конвертеры позволяют принимать сигналы одновременно в двух поляризациях на два различных приемных устройства.
Для приёма сигналов с круговой поляризацией между облучателем антенны и конвертером должен быть установлен деполяризатор, преобразующий круговую поляризацию в линейную. Рабочая поляризация (правая или левая) определяется взаимным расположением деполяризатора и штыревой антенны конвертера. Конвертер с двумя ортогональными антеннами может принимать обе круговые поляризации без изменения его ориентации относительно деполяризатора.
В России в диапазоне С используется в основном круговая поляризация. Для спутниковой связи и вещания в диапазоне Ku используется линейная поляризация, круговая поляризация в диапазоне Ku используется в верхнем поддиапазоне (11700-12750 МГц) на спутниках, осуществляющих непосредственное вещание.
«Фланцевые» конвертеры LNB, используемые в спутниковой связи и предназначенные для работы в одной поляризации имеют прямоугольный волноводный фланец, размер и тип которого зависит от используемого диапазона. В Ku-диапазоне используется фланец WR75, в C-диапазоне WR229. Между такими конвертерами и облучателем антенны устанавливается преобразователь поляризации — (), выделяющий на двух портах две ортогональных поляризации (в VSAT-системах порт одной поляризации обычно используется для установки LNB, второй — для подключения BUC). При круговой поляризации между ортоплексором и облучателем устанавливается деполяризатор, тогда порты OMT соответствуют левой и правой поляризациям.
На спутниковых антеннах, предназначенных только для приёма, могут использоваться конвертеры с круглым фланцем, устанавливаемые непосредственно на облучатель антенны или деполяризатор, без ортоплексора. На входе такого конвертера присутствуют обе поляризации, а выбор требуемой осуществляется ориентацией штыревой антенны конвертера. При приёме круговой поляризации c такими конвертерами требуется деполяризатор, в качестве которого может использоваться пластина из диэлектрического материала, установленная в волноводе между облучателем и фланцем конвертера.
Конвертеры «общего назначения» (интегрированные с облучателем, LNBF)