หน้านี้อธิบายถึงการออกแบบและการพัฒนาตัวรับส่งสัญญาณ RF ย่านความถี่ C โดยให้รายละเอียดเกี่ยวกับโมดูลต่างๆ ตามแผนภาพบล็อกของตัวรับส่งสัญญาณ RF โดยทั่วไปแล้ว ตัวรับส่งสัญญาณ RF จะประกอบด้วย:

• ตัวแปลงความถี่ RF ขึ้น
• ตัวแปลงสัญญาณ RF ลดความถี่
• ออสซิเลเตอร์คริสตัลควบคุมด้วยเตาอบ (OCXO) 10MHz
• เครื่องสังเคราะห์ RF
• ออสซิลเลเตอร์ท้องถิ่น
• ตัวแบ่งกำลัง RF
• ตัวแบ่งกำลัง IF
• การ์ด M & C (การตรวจสอบและควบคุม)
• แหล่งจ่ายไฟ

ตัวรับส่งสัญญาณ RF เป็นโมดูลหลักในระบบไร้สาย โดยพื้นฐานแล้วประกอบด้วยตัวส่งและตัวรับสัญญาณ ตัวรับส่งสัญญาณ RF ย่านความถี่ C ใช้ในระบบ VSAT (Very Small Aperture Terminal) หรือสถานีภาคพื้นดิน เพื่อให้การเชื่อมต่อไร้สายกับดาวเทียมจากภาคพื้นดิน

VSAT ใช้สำหรับการเชื่อมต่อการโทรด้วยเสียงและข้อมูลโดยผู้ใช้ทั้งในพื้นที่ภูเขาและพื้นที่ราบ

ข้อมูลจำเพาะของตัวรับส่งสัญญาณ RF

ในการออกแบบตัวรับส่งสัญญาณ RF ย่านความถี่ C ที่อธิบายไว้ในที่นี้ จะพิจารณาคุณสมบัติต่อไปนี้:

ข้อมูลจำเพาะของชิ้นส่วนตัวส่งสัญญาณ:

• ความถี่อินพุต: 52 ถึง 88 เมกะเฮิร์ตซ์
• ความถี่เอาต์พุต: 5925 ถึง 6425 เมกะเฮิร์ตซ์
• การเลือกความถี่ RF:ปรับได้ทีละประมาณ 1 MHz
• อัตราขยายการแปลงสัญญาณ:อย่างน้อย 20 dB
• ความเรียบของอัตราขยาย: +/- 1 dB ตลอดทั้งย่านความถี่
• การเปลี่ยนแปลงของอัตราขยาย: +/-1 dB ในช่วงอุณหภูมิ 0°C ถึง 50°C
• การปรับระดับเสียง: 10 dB
• ระดับกำลังไฟฟ้าขาเข้า: -5 ถึง -25 dBm
• ระดับสัญญาณรบกวนและฮาร์โมนิก:ดีกว่า -40 dBc
• จุดบีบอัด 1 dB:ดีกว่า +3dBm

ข้อมูลจำเพาะของชิ้นส่วนตัวรับสัญญาณ:

• ความถี่อินพุต: 3.7 ถึง 4.2 GHz
• ความถี่เอาต์พุต: 52 ถึง 88 เมกะเฮิร์ตซ์
• การเลือกความถี่ RF:ปรับได้ทีละประมาณ 1 MHz
• อัตราขยายการแปลงสัญญาณ:อย่างน้อย 40 dB
• ระดับสัญญาณอินพุต: -40dBm ถึง -85dBm
• ความเรียบของอัตราขยาย: +/- 1 dB ตลอดช่วงความถี่ 36 MHz
• การเปลี่ยนแปลงของอัตราขยาย: +/-1 dB ในช่วงอุณหภูมิ 0°C ถึง 50°C
• การปรับระดับเสียง: 10 dB
• ค่าสัญญาณรบกวน:ดีกว่า 14dB
• การลดสัญญาณรบกวนจากภาพ:ดีกว่า -50dBc
• ระดับสัญญาณรบกวนและฮาร์โมนิก:ดีกว่า -40 dBc

แผนภาพบล็อกของตัวรับส่งสัญญาณ RF

หน้าที่หลักของตัวรับส่งสัญญาณ RF คือการแปลงสัญญาณ IF (ความถี่กลาง) ที่ถูกมอดูเลตแล้ว ให้เป็นสัญญาณ RF (ความถี่วิทยุ) และในทางกลับกัน มันเชื่อมต่อกับโมเด็ม (ส่วนเบสแบนด์) ด้านหนึ่ง และกับ PA/LNA (เครื่องขยายกำลัง/เครื่องขยายสัญญาณรบกวนต่ำ) อีกด้านหนึ่ง เนื่องจากตำแหน่งของมันในระบบ VSAT จึงมักถูกเรียกว่า หน่วยภายนอก (ODU) โดยหลักๆ แล้วประกอบด้วยตัวแปลงสัญญาณขึ้น (Up Converter) และตัวแปลงสัญญาณลง (Down Converter)

ดังแสดงในรูปด้านล่าง ตัวแปลงความถี่ขึ้น (Up Converter) จะแปลงสัญญาณ IF IN ที่ถูกมอดูเลต (70+/-18 MHz) ไปเป็นสัญญาณ RF OUT ที่ถูกมอดูเลต (5925-6425 MHz) ตัวแปลงความถี่ลง (Down Converter) จะแปลงสัญญาณ RF IN ที่ถูกมอดูเลต (3700-4200 MHz) ไปเป็นสัญญาณ IF OUT (70+/-18 MHz)

รูปที่ 1 : แผนภาพบล็อกของตัวรับส่งสัญญาณ RF ย่านความถี่ C

ดังแสดงในแผนภาพบล็อก ตัวรับส่งสัญญาณ RF ประกอบด้วยโมดูลต่างๆ ดังนี้:

• ตัวแปลงขึ้น
• ตัวแปลงดาวน์
• โอซีเอ็กซ์โอ
• เครื่องสังเคราะห์เสียง
• ออสซิลเลเตอร์ท้องถิ่น
• ตัวแยกสัญญาณ RF
• ตัวแบ่ง IF
• บัตร M & C
• แหล่งจ่ายไฟ

คู่มือการออกแบบตัวรับส่งสัญญาณ RF ย่านความถี่ C

อย่างที่กล่าวไปแล้ว ตัวรับส่งสัญญาณ RF ประกอบด้วยโมดูลหลักสองโมดูล ได้แก่ ตัวแปลงสัญญาณ RF ขึ้น (RF Up Converter) และตัวแปลงสัญญาณ RF ลง (RF Down Converter)

• ตัวแปลงความถี่ RF Up Converter จะแปลงความถี่ต่ำให้เป็นความถี่สูงขึ้น
• ตัวแปลงความถี่วิทยุ (RF Down Converter) จะแปลงความถี่สูงให้เป็นความถี่ต่ำ

การออกแบบตัวแปลงความถี่ RF นี้ดำเนินการโดยใช้ส่วนประกอบ RF แบบแยกชิ้น มีการสลักเส้นไมโครสตริปบนแผ่น PCB เพื่อใช้ในการบัดกรีส่วนประกอบ RF

ตัวแปลงสัญญาณ RF ขึ้น และตัวแปลงสัญญาณ RF ลง

ดังแสดงในรูปด้านล่าง ตัวแปลงความถี่ RF Up Converter จะแปลงข้อมูล IF ที่ถูกมอดูเลตในช่วงความถี่ 52-88 MHz ไปเป็นย่านความถี่ C โดยใช้มิกเซอร์และฟิลเตอร์ ซึ่งใช้วิธีการแปลงแบบสองขั้นตอน

ในการแปลงครั้งแรก ความถี่ 70MHz จะเกิดการบีตกับความถี่ LO (Local Oscillator) 1112.5MHz ทำให้เกิดความถี่ผลรวมและความถี่ผลต่าง จากนั้นความถี่ผลรวมจะถูกเลือกและส่งผ่านตัวกรองความถี่ 1182.5+/- 18 MHz แถบความถี่ 1182.5 MHz นี้จะเกิดการบีตกับตัวสังเคราะห์ความถี่ RF 4680-5375 MHz ทำให้เกิดแถบความถี่ C ประมาณ 5925-6425 MHz มิกเซอร์ RF สองตัวในตัวแปลงความถี่ขึ้นและตัวแปลงความถี่ลงใช้สถาปัตยกรรมแบบเฮเทอโรไดน์

สำหรับการออกแบบตัวแปลงความถี่ RF ลง (RF down converter) ความถี่สัญญาณ LNA ประมาณ 3.7 GHz จะถูกแปลงเป็นความถี่ IF ประมาณ 70 MHz ซึ่งทำได้โดยใช้ตัวผสมสัญญาณ/ตัวกรองที่เหมาะสม ในขั้นตอนการแปลงครั้งแรก ย่านความถี่ 3.7 GHz จะถูกแปลงเป็นย่านความถี่ 1042.5 MHz หลังจากทำการบีตด้วยตัวสังเคราะห์ความถี่ (synthesizer) จากนั้นย่านความถี่ 1042.5 MHz นี้จะถูกแปลงเป็นสัญญาณ IF 70 MHz หลังจากทำการบีตด้วยออสซิลเลเตอร์ IF คงที่ที่มีความถี่ 1112.5 MHz

OCXO 10MHz

ออสซิลเลเตอร์ RF นี้ทำหน้าที่เป็นแหล่งอ้างอิงสำหรับทั้ง IFLO และซินเธไซเซอร์ในทรานซีฟเวอร์ RF วงจรแบ่งกำลังขนาดเล็กถูกออกแบบมาเพื่อแบ่งกำลังเอาต์พุตแบบไซน์ของออสซิลเลเตอร์ออกเป็นสองเส้นทาง เส้นทางหนึ่งป้อนเป็นอินพุตให้กับออสซิลเลเตอร์ IF และอีกเส้นทางหนึ่งป้อนเป็นอินพุตให้กับซินเธไซเซอร์ RF โมดูลนี้ได้รับการออกแบบโดยการจัดซื้อส่วนประกอบ RF ที่จำเป็น รวมถึงออสซิลเลเตอร์คริสตัล 10 MHz ชนิด OCXO และพัฒนาแผงวงจรแบบไมโครสตริป

เครื่องสังเคราะห์ความถี่วิทยุ

ตัวสังเคราะห์ความถี่ (RF synthesizer) ใช้สำหรับเปลี่ยนความถี่ในการทำงานของตัวรับส่งสัญญาณ RF ที่ใช้สำหรับ VSAT ตัวสังเคราะห์ความถี่ RF ในที่นี้ทำงานในช่วง 4680 ถึง 5375 MHz และสามารถตั้งค่าความถี่ได้ทีละ 1 MHz มีผู้ผลิตโมดูลตัวสังเคราะห์ความถี่ RF หลายรายที่สามารถซื้อมาใช้ในการพัฒนา หรือสามารถออกแบบและพัฒนาขึ้นเองได้

ออสซิลเลเตอร์ท้องถิ่น

ตัวกำเนิดสัญญาณความถี่วิทยุ (RF Local Oscillator) สร้างความถี่คงที่และไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้ ต่างจากตัวสังเคราะห์ความถี่วิทยุ (RF Synthesizer) ในการออกแบบนี้ใช้ค่าความถี่ของตัวกำเนิดสัญญาณความถี่วิทยุที่ 1112.5 MHz

ตัวแบ่งกำลัง RF

โมดูลตัวแบ่งสัญญาณ RF ถูกออกแบบโดยใช้แนวคิดไมโครสตริป มีวิธีการต่างๆ มากมายในการพัฒนาตัวแบ่งสัญญาณ RF โดยตัวแบ่งกำลังแบบวิลกินสันเป็นวิธีที่นิยมใช้ ตัวแบ่งสัญญาณ RF จะแบ่งสัญญาณ RF ที่ส่งออกจากเครื่องสังเคราะห์สัญญาณออกเป็นสองเส้นทาง เส้นทางหนึ่งใช้เป็นอินพุตไปยังมิกเซอร์สำหรับการแปลงสัญญาณ RF ขึ้น และอีกเส้นทางหนึ่งใช้เป็นอินพุตไปยังมิกเซอร์สำหรับการแปลงสัญญาณ RF ลง

ตัวแบ่งกำลัง IF

โมดูลตัวแบ่งความถี่ IF ก็ได้รับการออกแบบโดยใช้แนวคิดไมโครสตริปเช่นกัน มีวิธีการต่างๆ มากมายในการออกแบบและพัฒนาโมดูลนี้ ตัวแบ่งความถี่ IF จะแยกสัญญาณเอาต์พุต IF ของออสซิลเลเตอร์ภายในออกเป็นสองเส้นทาง: เส้นทางหนึ่งใช้เป็นอินพุตไปยังมิกเซอร์สำหรับการแปลงความถี่ IF ขึ้น และอีกเส้นทางหนึ่งใช้เป็นอินพุตไปยังมิกเซอร์สำหรับการแปลงความถี่ IF ลง

บัตร M & C

การ์ดตรวจสอบและควบคุม (Monitoring and Control card) ใช้สำหรับตรวจสอบและควบคุมพารามิเตอร์ต่างๆ เช่น ระดับกำลัง (Gain), ความถี่คลื่นพาหะ RF, การปรับค่าอ้างอิงของออสซิลเลเตอร์, การควบคุมความถี่ของซินเธไซเซอร์ และอื่นๆ การ์ด M&C ประกอบด้วยไมโครคอนโทรลเลอร์, RAM, EPROM, อินเทอร์เฟซ RS232, DAC/ADC และอื่นๆ อินเทอร์เฟซ RS232 ใช้สำหรับควบคุมพารามิเตอร์ต่างๆ จากระยะไกลผ่านพีซี บางครั้งอาจใช้ RS485 เนื่องจากมีข้อดีในด้านการเชื่อมต่อหลายจุดและการส่งสัญญาณระยะไกล

แหล่งจ่ายไฟ

แหล่งจ่ายไฟที่มีเสถียรภาพสูงเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งต่อการลดสัญญาณรบกวนเฟส ซึ่งเป็นข้อกำหนดสำหรับการทำงานร่วมกับเครือข่ายดาวเทียม แหล่งจ่ายไฟนี้แปลงไฟ DC -48V เป็นแรงดันไฟ DC อื่นๆ เช่น +/-12, +/-15, +/-5V ซึ่งจะจ่ายให้กับโมดูลอื่นๆ ในตัวรับส่งสัญญาณ RF แหล่งจ่ายไฟควรมีริปเปิลน้อยที่สุดเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพที่ดี

บทสรุป

ขั้นตอนการออกแบบตัวรับส่งสัญญาณ RF ที่อธิบายไว้ในบทความนี้ สามารถนำไปใช้กับตัวรับส่งสัญญาณ RF ในย่านความถี่อื่นๆ เช่น ย่านความถี่ L, Ku, K และ Ka ได้เช่นกัน