Introduction to Satellite Communication 3rd Edition

particular type of digital modulation and FEC. For example, QPSK is a popular
form of digital modulation used on satellites, in which case
a
m
is nominally equal
to 0.6. The proportionality constant,
a
m
, also depends on the order of the modula-
tion. For example, going from QPSK to 16 QAM cuts
a
m
in half, to 0.3. Employing
FEC with a code rate of 3/4 increases
a
m
to 0.8 and 0.4 for QPSK and 16 QAM,
respectively.
The function of the upconverter is to translate the carrier without modification
from IF to the desired microwave frequency of transmission. Within the upconverter
are a microwave mixer and a local oscillator (LO). Translation is governed by a
simple mathematical relationship that states that the output frequency equals the
sum of the input IF and the frequency of the LO. For example, if the IF is at
70 MHz and the LO is at 6,030 MHz, the output RF is 6,100 MHz. (Although
in theory the difference between the LO and IF could be employed, this is not done
in practice due to more complex filtering.) From a practical standpoint, the RF
usually is assigned by someone else and the IF is fixed. Therefore, the LO frequency
must be selected properly to put the RF carrier in the right place (e.g., on the
assigned frequency, which is 6,100 MHz in the example). Modern upconverters
are frequency agile, which means that the LO can be tuned for a different RF
channel from the front panel in much the same way as a TV set or car radio. The
particular type of LO is called a frequency synthesizer because the frequencies are
generated digitally using computational techniques. A nonsynthesized type of agile
LO could cover the frequency range but would not be adequately stable over time
and temperature. The desired frequency would be selected either from the front
panel using an input keypad or remotely by computer over a data line.
The design of the IF aspect of Earth stations has evolved to a more flexible
concept using a wideband IF nominally within the L-band within the broad range
of 0.5 to 2.5 GHz. This is a continuous spectrum that is not directly radiated and
so does not interfere with MSS services within this range. Using low-cost coaxial
cable (coax), this L-band IF carries 500 MHz of bandwidth between the outdoor
antenna system and indoor electronics used to select the specific transponder and
frequency, and for carrier demodulation and baseband processing. The appropriate
receiving device at the antenna is called a low-noise block converter (LNB), which
contains a low-noise amplifier (discussed later in this chapter) and a block down-
converter. On the transmit side, there would need to be an upconverter and high-
power amplifier; if the transmit power required is less than about 10W, then it is
possible to obtain both functions within what is called a block-upconverter (BUC).
4.3.1.3
High-Power Amplification
The last active element of the transmitting station is the high-power amplifier
(HPA). Because all processing and frequency translation have been accomplished

---

138
Microwave Link Engineering
in prior stages, the only function of the HPA is to increase the power of the
microwave carrier from the low output of the upconverter to the power level needed
to achieve satisfactory uplink operation. The HPA must have sufficient bandwidth
to operate at the assigned microwave frequency and cover the active RF bandwidth
of any anticipated carrier type. Examples of typical microwave HPA devices and
their respective power capabilities are shown in Figure 4.25. Vacuum-tube HPAs,
which do not require water cooling, offer the highest power. They include the
klystron power amplifier (KPA) and the traveling wave tube amplifier (TWTA).
Low to moderate power is affected by solid state power amplifiers (SSPAs), which
are designed for a variety of power levels.
The KPA has a capability measured in kilowatts and is popular for video
uplinks. Within the klystron microwave tube there is a resonant waveguide cavity
that is tuned to the specfic frequency of operation. The operating bandwidth of a
KPA is in the range of 50 to 100 MHz, making it necessary to retune the internal
structure to change transponders. That difficulty is overcome with the TWTA,
another class of microwave amplifier that happens to be very common on satellites
as well (see Chapter 6). TWTAs have a higher-percentage bandwidth, which is the
ratio of usable bandwidth to the center operating frequency, than KPAs and so
can transmit over a total bandwidth of 500 MHz at C-band and as much as 2,000
MHz at Ku- and Ka-bands. Practical TWTAs can be found with power outputs
of from 50W to as much as 800W, although 10-kW water-cooled TWTAs were
used in early INTELSAT Earth stations. Being vacuum tubes, the TWTA and the
KPA require sophisticated high-voltage power supplies, and both employ heated
cathodes to emit electrons for use in the process of amplification. In the case of
HPAs used in Earth stations, it is unavoidable that both types of high-power tubes
will wear out and need to be replaced after a few years of operation. TWTAs used
in satellites must have longer lifetimes, lower mass, and greater dc-to-RF efficiencies