Параметры конвертеров

Кроме «качественных» характеристик (частота гетеродина, рабочий диапазон входных частот, конструкция, угол облучения) каждый конвертер обладает рядом «количественных» характеристик.

Коэффициент шума или шумовая температура. Коэффициент шума (Noise Factor, NF) показывает, во сколько раз отношение сигнал/шум на выходе конвертера меньше, чем на его входе. Или, проще, насколько конвертер «портит» входной сигнал собственными шумами.
Кш = (Свх/Швх)/(Свых/Швых)
Где Свх, Швх, Свых, Швых— мощность сигнала и мощность шумов на входе и выходе конвертера. Для удобства коэффициент шума конвертеров Ки диапазона указывается не в абсолютных единицах, а в логарифмических — в децибелах:
Кш(дБ) = 10log[(Свх/Швх)/(Свых/Швых)]

Разумеется, чем меньше коэффициент шума, тем лучше конвертер. У современных конвертеров для индивидуального приема коэффициент шума составляет 0.6-0.7 дБ. Можно встретить и изделия, у которых в спецификации указан коэффициент шума 0.5 дБ или даже 0.3 дБ. Чаще всего эти цифры рекламные и либо вообще не соответствуют действительности, либо соответствуют ей лишь отчасти: например, заявленный коэффициент шума выдерживается только в небольшой части рабочего диапазона частот.

В диапазоне С борьба производителей идет уже не за десятые, а за сотые доли децибела. Поэтому в С-диапазоне для характеристики конвертера, как малошумящего прибора, используют другую величину — шумовую температуру (Noise Temperature). Известно, что в любом физическом теле, если его температура выше абсолютного нуля (—273° по Цельсию или 0° по Кельвину) происходит хаотическое движение частиц. Если это тело — проводник, то его свободные электроны также совершают беспорядочное тепловое движение, а движение электронов — это электрический ток. Таким образом, любой нагретый проводник является генератором беспорядочно изменяющегося тока — электронного шума. Реальный конвертер, который также имеет собственный шум, можно рассматривать как комбинацию идеального (не шумящего) конвертера, у которого на входе находится источник шума — проводник, нагретый до определенной температуры. Шумовой температурой конвертера Тшсчитается температура, на которую необходимо нагреть проводник на входе идеального конвертера свыше нормальной температуры Т0 = 290° К (+17° С), чтобы шум на выходе идеального конвертера был бы таким же, как шум на выходе реального конвертера. Шумовая температура и коэффициент шума связаны формулой:
Кш = 10log(1 + Тш/290°К)
Тш = 290°К-(10кш/10-1)
Чем ниже шумовая температура, тем лучше. Шумовая температура современных конвертеров С-диапазона составляет 15... 17° К.

Коэффициент усиления. Коэффициент усиления (Gain) показывает, во сколько раз мощность сигнала на выходе конвертера больше, чем мощность сигнала на его входе. Он измеряется сотнями тысяч и миллионами, поэтому, как правило, используются не абсолютные, а логарифмические единицы — децибелы:
Ку(дБ) = 10 log Ку

Усиление современных конвертеров составляет 50...65 дБ. Чем больше коэффициент усиления, тем длиннее может быть кабель, соединяющий конвертер с ресивером. Однако коэффициент усиления не является определяющим параметром при выборе конвертера. Более того, во многих ситуациях конвертеры с большим усилением работают хуже, чем их аналоги с меньшим усилением, например, в условиях воздействия индустриальных помех. Как и любой усилитель, конвертер имеет определенный максимальный выходной уровень. Пока выходной сигнал не достиг этого уровня, он линейно зависит от входного — происходит усиление. Как только выходной сигнал достигает предельного уровня, он перестает расти, вместо этого возникают нелинейные искажения — происходит перегрузка. Перегрузка конвертера входным сигналом маловероятна — он очень слабый. А вот сильная внешняя помеха может вывести конвертер из линейного режима, и тогда, даже если частота помехи не совпадает с частотой полезного сигнала, прием будет нестабильным или станет невозможным. Чем больше усиление конвертера, тем больше вероятность, что он перегрузится.

Абсолютная нестабильность частоты гетеродина. В конвертерах для индивидуального приема частота гетеродина задается диэлектрическим резонатором — «таблеткой» из диэлектрика определенной формы и размеров. При изменении температуры, давления, влажности свойства резонатора могут изменяться, в результате может изменяться частота гетеродина. Небольшие изменения частоты не страшны — они компенсируются в ресивере специальной системой автоматической подстройки частоты (Automatic Frequency Control, AFC). Однако при больших изменениях частоты гетеродина могут возникнуть проблемы с приемом. Поэтому, чем меньше абсолютная нестабильность частоты гетеродина, тем лучше конвертер.

Отклонение частоты гетеродина от номинальной тем больше сказывается на качестве приема, чем меньшую полосу частот занимает сам сигнал. Полоса цифрового сигнала прямо пропорциональна его символьной скорости. Чем меньше символьная скорость цифрового сигнала, тем большие требования к стабильности частоты гетеродина. Абсолютная нестабильность частоты гетеродина у современных конвертеров составляет + 1 ...3 МГц. Для приема телевидения в MPEG-2/DVB этого достаточно. В системах спутниковой связи, а также в приемных системах для приема данных и радио, где используются цифровые сигналы с малыми скоростями, применяются специальные конвертеры, у них стабилизация частоты гетеродина обеспечивается другими методами.

Фазовый шум гетеродина. Кроме того, что частота гетеродина может медленно меняться при изменении температуры и давления, она постоянно совершает быстрые колебания (флюктуации) вокруг своего номинального значения. Так как частота выходного сигнала конвертера является разностью частоты спутникового сигнала и частоты гетеродина, она также претерпевает изменения. При изменении частоты изменяется и фаза. В цифровом спутниковом телевидении для передачи логических «нулей» и «единиц» используется именно изменение фазы сигнала. Непредсказуемое изменение фазы из-за колебаний частоты гетеродина конвертера приводит к приему ошибочных битов. Таким образом, конвертер является источником дополнительных цифровых ошибок. Чтобы количественно оценить степень влияния колебаний частоты гетеродина на качество приема, используют понятие фазового шума конвертера (Phase Noise).

Предположим, что на вход конвертера воздействует синусоидальный сигнал с определенной частотой FBX. ВСЯ МОЩНОСТЬ ЭТОГО сигнала сконцентрирована на частоте FBX. ЕСЛИ бы конвертер работал идеально, то на его выходе выделился бы сигнал с частотой FH=FBX— FreT (в диапазоне С, наоборот, FH= FreT — FBX). ВСЯ МОЩНОСТЬ ЭТОГО сигнала также была бы сконцентрирована на одной частоте — FH. Однако из-за колебаний частоты гетеродина частота выходного сигнала уже не будет постоянной, а его мощность не концентрируется на одной частоте, а распределяется в некоторой области вокруг нее (рис. 2). Уровень фазового шума — величина, показывающая, как быстро убывает мощность со смещением от центральной частоты FH, если на вход конвертора подается немодулированный синусоидальный сигнал. Например, если на частоте, отличающейся от центральной частоты на 1 кГц, мощность сигнала в полосе 1 Гц на 60 дБ меньше мощности на самой центральной частоте в такой же полосе, говорят, что фазовый шум такого устройства - 60 dBc/Hz @ 1 kHz. Аббревиатура "dBc" означает, что мощность измеряется в децибелах (dB) относительно мощности на центральной частоте («с» - center frequency). Выражение «/Hz» означает, что уровень мощности на центральной частоте, равно как и на смещенной частоте, нормирован для полосы 1 Гц. Значок @ используется в технической литературе как признак условия измерения, он заменяет русский предлог «при».

Фазовый шум — не величина, а функция. Как правило, в спецификациях конвертеров приводятся несколько значений фазового шума для смещений 1 кГц, 10 кГц, 100 кГц и, реже, 1 МГц. Вот типичные значения фазового шума конвертера для индивидуального приема в диапазоне С: -70dBc/ Hz@lKHz; -90dBc/ Hz@10KHz;-100dBc/ Hz@100KHz. Для сравнения — данные коммерческого конвертера того же диапазона: -73dBc/Hz@ 1 KHz; -95dBc/Hz@ 1 OKHz; -110dBc/Hz@ 1 OOKHz. Разумеется, чем меньше уровень фазового шума при одном и том же смещении, тем лучше. Чем меньше символьная скорость цифрового сигнала, тем выше требования к фазовым шумам конвертера.