+7 (495) 797-3311
Узнать цену
Компания Решения Продукция
Сервис Новости Где купить

Узнать цену
ФИО *
E-mail *
Телефон *
Компания
Оборудование
* - поля, обязательные для заполнения
Отправить
QTECH - Quality Technology
Ethernet коммутаторы
Интеллектуальные решения
Оптические модули
Оборудование PON
Оборудование TDM
Мультимедиа
Транспортные сети передачи данных
Оборудование VoIP
Системы питания и контроля
Мобильные устройства и аксессуары
Пассивное телекоммуникационное оборудование
Абонентское оборудование
Беспроводные системы связи
Системы видеонаблюдения
Системы безопасности
Архив оборудования
 
РЕШЕНИЯ
ЗАЯВКА НА ТЕСТИРОВАНИЕ
СЕРТИФИКАТЫ
ВОПРОСЫ И ОТВЕТЫ
ПУБЛИКАЦИИ


 

Технология GaN HEMT: сверхмощные SSPA в приложениях Direct To Home

Введение

Технология спутникового вещания, широко известная как Direct To Home (DTH), была разработана для передачи сигналов цифрового телевидения напрямую конечным пользователям, используя спутниковые каналы вещания.

Этот сервис имеет большой коммерческий успех во всем мире благодаря хорошему покрытию, недорогому абонентскому оборудованию и разнообразию предлагаемого ТВ-контента. ETSI разработал единый стандарт, получивший название Digital Video Broadcasting over Satellite (DVB–S), который изначально использовался в DTH-приложениях. Этот стандарт дал возможность реализовать очень недорогие абонентские устройства и получил доминирующие позиции на рынке спутникового вещания.

С течением времени бизнес-модель DTH требовала все большего и большего количества ТВ-каналов, увеличивались также требования к качеству передаваемого видео. Это привело к тому, что DVB–S достиг насыщения своих функциональных возможностей. Результатом этого в 2005 году стала вторая редакция стандарта DVB–S2, в которой были сделаны существенные функциональные улучшения. В отличие от DVB–S, в котором вещание велось на модуляции QPSK, DVB–S2 позволял использовать модуляции более высокого порядка вплоть до 32APSK, что дало возможность существенного увеличения скорости передачи вещательного канала. Однако DVB–S2 предъявил более жесткие требования к оборудованию головных станций спутникового ТВ-вещания, особенно это коснулось радиочастотного тракта. Поскольку DVB–S2 поддерживает работу с модуляциями высокого порядка, то это наложило дополнительные требования к линейности усилителей мощности, что создало определенные трудности для операторов. На сегодняшний день проблема является очень актуальной, и однозначного ее решения до последнего времени не было. Различные производители усилителей мощности предлагают свои решения для данной задачи. Ниже в данной статье рассматривается текущая ситуация в отрасли и описывается инновационное решение компании Advantech Wireless на базе GaN SSPA.

Особенности реализации головных станций DTH-вещания

Дизайн головных станций DTH-вещания имеет ряд особенностей, которые необходимо принимать во внимание при организации передающего тракта антенной системы. Обычно DTH-мультиплекс передается, используя одну широкополосную несущую. В подавляющем большинстве случаев эта несущая занимает весь транспондер спутника. Этот режим работы называется одночастотным, и он гарантирует отсутствие взаимной интерференции между несущими частотами внутри транспондера, что позволяет увеличить выходную EIRP.

Второй важной особенностью является тот факт, что вещание в большинстве случаев осуществляется из единого центра вещания. Следствием этого является большое количество мультиплексов, которые необходимо передать из единой точки. Количество мультиплексов может достигать нескольких десятков. Типовое значение составляет 40—50 мультиплексов, передаваемых обычно в Ku-диапазоне в полосе 500 МГц.

Эти две особенности оказывают ключевое влияние на дизайн передающей части. Передача большого количества мультиплексов в широкой полосе частот накладывает очень серьезные требования к мощности передачи антенной системы. Эта мощность может составлять до нескольких кВт. При этом, совместно с очень высокой мощностью, должна быть хорошая линейность. В течение долгого периода времени эти два фактора были взаимоисключающими, что и привело к классическому дизайну DTH, головных станций, который описан ниже.

DVB–S: эпоха клистронов

Как было отмечено ранее, дизайн головной станции DTH вещания требует использования высокомощных усилителей, которые должны иметь хорошую линейность и низкий уровень интермодуляционных составляющих. Эти два параметра до последнего времени были взаимоисключающими. Усилители мощности с номиналом в несколько кВт и хорошими линейными характеристиками на момент появления DTH были аппаратно нереализуемы. Единственным решением, которое бы позволило достичь требуемого уровня выходной мощности, были усилители на базе клистронов. Клистроны позволяли достичь требуемого уровня мощности, но обладали очень плохой линейностью и высоким уровнем интермодуляционных помех. Это существенно ограничивало их использование в многочастотном режиме работы, более того, их использование было ограничено применением порядка модуляции не выше QPSK. Из-за таких существенных ограничений решение на клистронах было переведено в одночастотный режим, как это показано на рисунке 1. Для каждого транспондера использовался отдельный клистронный усилитель мощности. На выходе каждого усилителя использовалась схема объединения каналов.

1.jpg

Такая схема позволяла решить поставленную задачу, но обладала существенными недостатками, основными из которых являются:

  • Громоздкость исполнения. Структура передающего тракта очень громоздкая и негибкая. Как правило, такие системы обладают небольшим КПД и высоким энергопотреблением.
  • Внутреннее исполнение клистронов. Это приводит к дополнительным существенным потерям в волноводном тракте.
  • Система объединения транспондеров. Также вносит существенные потери в передающий тракт. При этом общая величина потерь растет пропорционально числу передаваемых транспондеров.

Второй недостаток является, пожалуй, самым важным. Если оператор, например, захочет передать через одну антенну 40 транспондеров, то он должен применять схему объединения на 40 каналов. Такая схема вносит огромные потери в тракт передачи (до 10 dB), что приводит к очень низкому КПД и огромному количеству электроэнергии, расходуемой впустую. Поэтому на ранних этапах в головных станциях строилось несколько антенных систем, каждая из которых обслуживала 6—8 транспондеров. Такое решение было компромиссом между капитальными затратами на строительство нескольких антенных систем большого диаметра и операционными затратами в силу низкого КПД.

На ранних стадиях развития DTH доминировало решение, использующее клистроны, просто потому, что альтернативы ему не было. При использовании в качестве стандарта вещания DVB–S такая схемная реализация функционировала достаточно качественно, и была, пожалуй, единственно возможным решением. При развитии DVB–S2 клистронное решение стало серьезным ограничивающим фактором, поскольку ограничивало порядок модуляции не выше QPSK.

Использование модуляций 8PSK и выше сделало использование клистронов практически невозможным, и тогда им на смену пришли системы с использованием Ламп Бегущей Волны.

DVB–S2: миграция в TWTA

После принятия DVB–S2 стандарта и начала его активного применения клистронные усилители мощности стали серьезным препятствием для дальнейшего развития DTH-индустрии.

Производители радиочастотного оборудования искали выход из сложившейся ситуации. Сначала было предложено усложнить конструкцию передающего тракта, включив туда дополнительные эквалайзеры. Однако коммерческого распространения такое решение не получило, в силу своей сложности, высокой стоимости и невысокой эффективности. На тот момент в качестве альтернативного решения могли выступить только TWTA. В отличие от клистронов, TWTA обладали существенно лучшей линейностью, что давало возможность работать на модуляциях более высокого порядка, таких, как 8PSK и 16APSK. Однако основным недостатком TWTA была существенно меньшая выходная мощность, чем у клистронов, а также не очень хорошая линейность в широкой полосе частот. Даже использование дополнительных встроенных линеаризаторов не дает требуемых параметров линейности в широкой полосе частот. Поэтому структурно решение не изменилось, оно так же подразумевало использование одного усилителя на транспондер и систему объединения каналов. Только вместо клистронов использовались TWTA.

Таким образом, несмотря на то, что TWTA позволили существенно увеличить скорости DTH мультиплексов, их использование не решало основной проблемы – возможность передачи всех транспондеров через одну антенну.

На сегодняшний день решение на базе TWTA является самым распространенным. Оно далеко от идеала, и операторы вынуждены вкладывать очень существенные инвестиции в строительство таких систем. Более того, эксплуатация таких систем является очень дорогостоящей. На сегодняшний день основные задачи, которые решают производители оборудования, связаны со следующими тремя функциями:

  • Передача сигналов всех транспондеров через одну антенную систему. Это позволит оператору существенно сократить инвестиции в строительство головной станции, а также снизит операционные расходы на эксплуатацию нескольких антенных систем.
  • Функционирование передающего тракта в широкой полосе частот, покрывающей все передаваемые транспондеры. Это дает возможность избежать использования цепей фильтрации и объединения в передающем тракте, что в 4—5 раз снизит потери в тракте. Автоматически это приведет к снижению энергопотребления в 4—5 раз.
  • Размещение усилителя мощности в непосредственной близости от антенны. Это позволяет избежать протяженного волноводного тракта, и снизить потери в 1.5—2 раза. Более того, это позволит существенно снизить требования к системам кондиционирования и отвода тепла узлов вещания, поскольку передающий тракт высокой мощности обладает высоким энергопотреблением, что, в свою очередь, приводит к большому количеству выделяемого тепла.

Для решения этих задач нужна была принципиально новая технология, которая сделала бы качественный прорыв в технологиях сверхмощных усилителей. И эта технология уже существует и в ближайшее время ожидается повсеместный переход на ее использование.

2.jpg

Системы фазового сложения на базе GaN HEMT: новый взгляд на проблему DTH головных станций

Полупроводниковые усилители мощности (SSPA) известны достаточно давно. Они развивались параллельно клистронам и TWTA, и постепенно вытесняли их с рынка систем спутниковой связи и вещания. Главным преимуществом SSPA по отношению к TWTA является их существенно лучшая линейность. При этом недостаток SSPA до последнего времени был связан с элементной базой, на которой они строились. GaAs-транзистор является механически очень хрупким, и он подвержен существенным внешним воздействиям, таким, как температура, радиация, механические воздействия. Более того, GaAs-транзисторы имеют небольшой коэффициент усиления, что приводит к необходимости создавать много каскадов для достижения высокой выходной мощности. Кроме этого, чувствительность GaAs к высокой температуре заставляла строить сложные схемы теплоотвода для выходных каскадов, что было критическим ограничением SSPA. Все это приводило к тому, что высокомощные SSPA имели очень громоздкие габариты и низкий КПД. Для Ku-диапазона максимальным пределом были SSPA мощностью 300 Вт. Чтобы решить эту проблему и повысить выходную мощность, разрабатывались разнообразные формы систем фазового сложения, которые позволяли существенно увеличить мощность (в 2—4 раза), но достичь значений, требуемых для DTH-приложений, разработчикам не удавалось.

Ситуация коренным образом изменилась, когда была открыта и исследована новая элементная база — GaN HEMT. Это достаточно новая технология микроэлектроники для СВЧ-транзисторов, возраст которой менее 10 лет. Несмотря на относительную молодость, в настоящее время GaN HEMT получили очень широкое распространение в системах спутниковой связи и вещания, военных радарах, системах радионавигации, а также в системах подвижной связи.

Основными достоинствами GaN HEMT являются высокий коэффициент усиления, устойчивость к внешним воздействиям и жесткая кристаллическая структура. Эти уникальные свойства стали ключевым движущим фактором использования GaN HEMT для решения задач передающего тракта в головных станциях DTH-вещания. Использование GaN HEMT - элементной базы дает разработчикам оборудования следующие преимущества:

  • Высокий коэффициент усиления позволяет реализовать высокомощные усилители в чрезвычайно компактном форм-факторе.
  • Прочность кристалла приводит к лучшей в индустрии линейности и низким фазовым шумам.
  • Устойчивость к высокой температуре (более 2000 С) упрощает дизайн согласования и систему теплоотвода выходных каскадов и решает, пожалуй, самую критическую проблему SSPA, использующих GaAs - элементную базу.

Для создания высокомощных передающих систем на базе GaN SSPA используется метод когерентного фазового сложения. Его упрощенная архитектура приведена на рисунке 2. В качестве примера выбрана система Ku-диапазона мощностью 3.5 кВт. Она состоит из 8 усилительных модулей, которые объединены системой фазового сложения. Каждый модуль имеет выходную мощность 500 Вт, и покрывает весь Ku-диапазон (500 МГц), 8 модуль используется для резервирования по схеме 7:1. Максимальная выходная мощность системы составляет 4 кВт, расчетная выходная мощность, с учетом резервирования, — 3.5 кВт.

Особенностью систем фазового сложения является безобрывное переключение. При выходе из строя одного из модулей никакого переключения на резервный тракт не осуществляется.

Просто сдвигается рабочая точка каждого усилителя. Данный процесс абсолютно незаметен для модуляторов DTH-мультиплексов, что существенно повышает надежность работы системы. Более того, компактный дизайн дает возможность разрабатывать высокомощные системы для наружного исполнения, что тоже очень важно для операторов.

3.jpg

Таким образом, использование GaN SSPA, объединенных системой фазового сложения, позволяет достигнуть мощностей, требуемых для реализации DTH - головных станций. При этом высокая линейность GaN позволяет осуществлять передачу во всем диапазоне вещания для всех вещательных транспондеров. В следующем разделе описывается такое решение, реализованное компанией Advantech Wireless для национального оператора Бразилии.

Case Study

Первый подобный проект был реализован компанией Advantech Wireless в 2011 году в Японии. На момент его реализации решение считалось экзотическим и неопробованным, и многие операторы относились к нему с опасением. Однако эксплуатация сети показала, что решение обеспечивает беспрецедентную надежность и качество, одновременно с этим позволяя экономить колоссальные средства на операционных расходах. Сегодня все больше и больше операторов проявляют интерес к решению, и было уже установлено несколько подобных систем. Наиболее интересный и показательный вариант соотношения стоимости решения и его качества может быть продемонстрирован на примере реализации головной станции DTH-вещания для национального оператора Бразилии.

Его сеть вещания состоит из двух DTH - головных станций, географически разнесенных между собой для организации резервирования. Вещание ведется в Ku-диапазоне. Для передачи сигнала на спутник на каждой станции была установлена двузеркальная антенна Кассегрена диаметром 13 метров. В качестве усилителя мощности используется 3.5 кВт система фазового сложения на базе GaN SSPA, аналогичная приведенной на рисунке 2. Система размещается на пьедестале антенны в непосредственной близости от облучателя, длина волноводного тракта от системы к облучателю не превышает 2 метров. Вещание ведется в двух поляризациях, для каждой поляризации используется своя система фазового сложения. В составе каждой системы применяется 1+1 резервируемый BUC, сигналы вещания подводятся к антенне в L-диапазоне. Каждая передающая система позволяет организовать вещание более 40 транспондеров через одну антенную систему. Проведенные измерения при загрузке 50% транспондеров показали беспрецедентные параметры линейности. Уровень интермодуляционных помех составил менее – 35 dB во всем диапазоне передачи. Это значение на 10 dB ниже, чем рекомендуемые параметры владельцев космических аппаратов. Ожидается, что при полной нагрузке уровень интермодуляционных помех не превысит – 30 dB. На рисунке 3 приведена фотография радиочастотного тракта одной головной DТН-станции.

Для того, чтобы оценить преимущества перехода на новое решение, оператор провел детальный анализ своих капитальных затрат, а также возможные операционные расходы. Результаты этого финансового анализа приведены на рисунке 4.

4.jpg

 

Полученные финансовые результаты показывают существенное сокращение капитальных и операционных расходов оператора при использовании GaN SSPA. По оценке, использование GaN технологии позволит оператору сократить операционные расходы на 20 млн. $ ежегодно.

Заключение

Использование систем фазового сложения на базе GaN SSPA дает возможность решения одной из самых сложных задач дизайна головных станций DTH-вещания. Это уникальное решение позволяет операторам значительно сократить свои капитальные и операционные расходы и повысить рентабельность своего бизнеса.

Применение систем фазового сложения на базе GaN SSPA не ограничивается DTH, такие системы потенциально представляют интерес для любого крупного оператора систем спутниковой связи, которому требуются высокомощные усилительные системы, обладающие беспрецедентной линейностью.

Основные экономическими аспектами использования подобных систем являются:

  • Существенное сокращение числа необходимых антенн большого диаметра.
  • Возможность работы на модуляциях высокого порядка.
  • Значительное снижение потребления электроэнергии за счет лучшего КПД усилителей, меньшего числа антенн с системами антиобледенения и автосопровождения.
  • Снижение мощности систем кондиционирования и теплоотвода за счет выноса высокомощных усилителей, имеющих высокое тепловыделение, за пределы помещения узла связи или вещания.


Все публикации

comments powered by Disqus
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ
Подписавшись на рассылку новостей, Вы будете 4-5 раз в месяц получать профессиональные обзоры сетевого оборудования QTECH, практичные готовые решения для организации сетей связи, информацию о новинках и специальных акциях компании.