Размещено на http://www.allbest.ru/

66

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВПО «КубГУ»)

Физико-технический факультет

Кафедра оптоэлектроники

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

БАКАЛАВРА

Исследование особенностей построения и применения спутниковых систем телевидения

Работу выполнил Величко Иван Александрович

Направление 11.03.01 Радиотехника

Научный руководитель

канд. техн. наук, доцент А.Н. Казаков

Нормоконтролер инженер И.А. Прохорова

Краснодар 2015

РЕФЕРАТ

Выпускная квалификационная работа 69 с., 15 рис., 2 табл., 13 источников.

ИСЗ, МОДУЛЯЦИЯ, ТВЧ, ГЕТЕРОДИН, ПОЛЯРИЗАТОР, ПАРАБОЛОИД, ОТРАЖАТЕЛЬ, ПРИЕМНИК

Объектом исследования данной выпускной квалификационной работы является исследование особенностей построения и применения спутниковых систем телевидения.

Целью данной работы является расчет высокочастотной части линии ИСЗ-Земля.

В результате выполнения выпускной квалификационной работы были изучены классификации спутниковых систем; изучены наземные установки спутниковых систем; выполнен расчет высокочастотной части ИСЗ - Земля; изучены основные проблемы в производстве и эксплуатации систем приема спутникового телевидения; предложены перспективы развития систем спутникового телевизионного вещания.

СОДЕРЖАНИЕ

• ВВЕДЕНИЕ
• 1. Классификация спутниковых систем телевидения
• 1.1 Фиксированные и вещательные системы
• 1.2 Аналоговые системы вещания
• 1.3 Системы вещания с временным разделением компонентов
• 1.4 Цифровые системы вещания
• 1.5 Системы телевидения высокой четкости (ТВЧ)
• 2. Наземная приемная установка
• 2.1 Состав установки непосредственного приема
• 2.2 Антенные системы
• 2.6 Поляризаторы
• 2.7 Высокочастотные головки
• 2.8 Внутренний блок
• 3. Расчет линии связи «Искусственный спутник Земли (ИСЗ) - Земля »
• 4. Основные проблемы в производстве, установке и эксплуатации систем спутникового телевидения
• 5. Перспективы развития систем спутникового телевизионного вещания
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ
• СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ

Открытие радио, внедрение в повседневную жизнь радиосвязи и радиовещания, магнитной записи и электронного телевидения, электроники и вычислительной техники с одной стороны, и грандиозный прорыв в области ракетно-космической техники с другой, позволил осуществить глобальное телевидение [1].

В отличии от радиовещания в диапазонах длинных, средних и коротких волн, которые характеризуются высокой «дальнобойностью», телевидение из-за широкой полосы частот телевизионного сигнала приходится передавать в диапазонах ультра коротких волн (УКВ), дальность приема которых ограничена. Поэтому для расширения зоны приема используют ретрансляция ТВ сигнала, излученного одним передатчиком, другими передатчиками (ретрансляторами), расположенными на допустимых расстояниях от первого. При космической ретрансляции используется телевизионные ретрансляторы, размещенные на искусственных спутниках земли (ИСЗ). Благодаря этому сегодня любая семья получила доступ к практически неограниченному числу ТВ программ, в том числе и передаваемым с другого края света. Однако неизбежные особенности космической ретрансляции не позволяют принимать ТВ передачи с ИСЗ так же просто, как это делается от наземных телецентра или ретранслятора. Необходимо иметь специальную антенну и электронную приставку к обычному бытовому телевизору. Построению систем непосредственного спутникового телевидения и посвящена данная работа.

Целью работы является исследование особенностей построения и применения спутниковых систем телевидения.

При этом важным является решение следующих задач:

- Изучить классификацию спутниковых систем телевидения;

- Изучить принцип работы наземной приемной установки;

- Произвести энергетический расчет линии связи «Искусственный спутник Земли (ИСЗ) - Земля »;

- Предложить перспективы развития спутниковых систем телевидения.

1. Классификация спутниковых систем телевидения

1.1 Фиксированные и вещательные системы

Спутниковое телевидение представляет собой один из видов практического использования ИСЗ. В области телевидения в настоящее время ИСЗ используются для международного обмена телевизионными программами, для распространения телевизионных программ среди вещательных организаций, наземных телевизионных передатчиков для ретрансляции, среди кабельных сетей, а так же непосредственного телевизионного вещания (НТВ), целью которого является передача телевизионных программ со спутников таким способом, который позволяет вести непосредственный прием телевизионных передач индивидуальными телезрителями. Кроме того, спутник используется для ретрансляции изображений текущих текстов газетных полос, телефонной междугородной и международной связи, программ звукового радиовещания и другой информации [2].

Выведенный на орбиту вокруг Земли ИСЗ содержит электронную аппаратуру, которая по радио каналу получает с Земли определенный объем информации. Сигналы принятой информации аппаратурой спутника усиливаются, преобразуются по частоте и излучаются обратно на Землю (ретранслируются). Для приема и передачи спутник оборудован антеннами, а для электропитания аппаратуры - солнечными батареями и аккумуляторами.

Вначале для указанных целей применялись искусственные спутники, которые обращались по эллиптическим орбитам, а затем нашли применение геостационарные спутники, что привело к упрощению и удешевлению аппаратуры, а круглосуточное освещение солнцем солнечных батарей позволило значительно увеличить мощность спутниковых передатчиков.

Исходя из своего назначения, согласно принятым международным соглашениям все спутниковые системы, передающие ТВ программы подразделяются на фиксированную спутниковую службу (ФСС), подвижную спутниковую службу (ПСС) и радиовещательную спутниковую службу (ВСС).

ФСС - служба радиосвязи через космическую станцию, расположенную на ИСЗ, между земными станциями, расположенными в определенных (фиксированных) точках. В системе ФСС транслируемые спутником ТВ сигналы могут принимать специальными наземными станциями с высоким качеством.

ПСС - служба радиосвязи между подвижными земными станциями через одну или несколько космических станций.

ВСС - служба радиосвязи, в которой сигналы космических станций предназначены для непосредственного индивидуального или коллективного приема населением с помощью сравнительно простых и недорогих установок с так называемым абонентским качеством.

К функциям ФСС относится не только ретрансляция ТВ передач: основной объем информации этой службы занимают дуплексная телефонная связь, телеграф, изображения газетных полос, а в перспективе - видеотелефонная связь. Для каждой из указанных служб выделены определенные полосы частот, которые различны для линий «Земля-Космос» и «Космос-Земля». Это необходимо для осуществления развязки между передатчиками и приемниками.

К фиксированной службе относятся первые отечественные системы «Орбита» и «Интерспутник», а также последующие «Экран» и «Москва», которые начали работать в 1976 и 1980 годах, а к зарубежным - «Intelsat» и «Eutelsat». К радиовещательной службе относятся получившая в настоящее время широкое применение отечественная система СТВ-12 (спутниковое телевизионное вещание в диапазоне 12 ГГц), а так же зарубежные системы TDF, TV-SAT и другие. Необходимо заметить, что разделение между системами ФСС и ВСС не совсем четкое. Так, система «Экран-М» также могла быть использована для приема ТВ передач индивидуальными телезрителями с помощью выпускавшегося промышленностью абонентского приемника «Экран». Это облегчалось тем, что телевизионный сигнал передавался спутниковым ретранслятором на частотах дециметровых волн в диапазоне 702-726 МГц.

Необходимо также заметить, что мощность спутниковых передатчиков ФСС, как правило, значительно меньше, чем передатчиков ВСС, так как наземные станции ФСС оснащены крупногабаритными антеннами, которые обладают значительно большими значениями коэффициента усиления. Диаметр параболических отражателей антенн наземных станций этих служб порой достигает 24 метров. Это позволяет использовать спутниковые передатчики мощностью порядка десятков ватт в отличии от мощности передатчиков ВСС, которая достигает 200 Вт.

В течении последних лет благодаря достигнутым успехам в развитии СВЧ техники появилась возможность создания сравнительно простых и недорогих установок с антеннами приемлемых размеров для индивидуального приема телевизионных передач не только радиовещательной, но и фиксированной службы. Поэтому многие телезрители разных стран приобретают установки для приема телепередач со спутников ФСС. В этом отношении наибольший интерес представляют те спутники ФСС, передатчики которых работают на частотах, смежных с частотами ВСС (11,7-12,5 ГГц). Таковы полосы частот 10,7-11,7 и 12,5-12,75 ГГц. В пределах этих частотных полос работают передатчики спутников международной организации спутниковой связи IntelSat, Европейская организация спутниковой связи EutelSat, а так же спутников, принадлежащих коммерческим ассоциациям Telecom (Франция), Kopernicus (ФРГ), Astra(Люксембург) и др.

В системах телевидения телевизионные радиосигналы, излучаемые спутниковыми передатчиками, значительно отличаются от сигналов, излучаемых наземными центрами. Главное отличие состоит в том, что яркостный сигнал изображения передается спутниковым ретранслятором с частотной модуляцией несущей частоты, в то время как в наземном телевидении он передается с амплитудной модуляцией. Другой особенностью является использование в спутниковых системах непосредственного телевизионного вещания несущей частоты, расположенной в диапазоне сантиметровых волн, к которым относится диапазон 12 ГГц, в отличие от наземного телевидения, передачи которого ведутся только на метровых волнах. На таких высоких частотах передача принятого сигнала от антенны к телевизионному приемнику с помощью коаксиального кабеля, как это принято в наземном телевидении, просто невозможна. Эти особенности требуют соответствующего построения схемы телевизионного приемника или дополнительного устройства (приставки) к стандартному телевизору, предназначенному для приема наземного телевидения.

1.2 Аналоговые системы вещания

В аналоговых системах спутникового телевидения применяется ЧМ модуляция яркостного сигнала в отличии, от наземных, где используется амплитудная.

Частотная модуляция требует по сравнению с амплитудной модуляцией, используемой в наземном вещании, существенно меньшей мощности передатчика, что особенно важно для спутниковых систем. Преимуществами ЧМ являются также невысокие требования к линейности амплитудной характеристики тракта и возможность работы выходного каскада спутникового передатчика в режиме насыщения, в котором достигается высокий КПД [11].

При передаче ЧМ девиация частоты несущей выбирается исходя из полосы пропускания ВЧ тракта таким образом, чтобы избежать искажений передаваемого сигнала, связанных с отсечением части его спектра. Перекрестные помехи проявляются в искажениях типа "дифференциальное усиление" и "дифференциальная фаза". Для уменьшения этих искажений применяется рекомендованная МККР линейная обработка.

Наряду с линейными предискажениями сигнала изображения в спутниковых системах иногда, применяют нелинейную обработку, заключающуюся в ограничении размаха предискаженного сигнала за счет отсечения коротких выбросов, соответствующих крутым фронтам исходного сигнала. При сигнале SECAM допустимо ограничение на 2...3 дБ, на такое же значение можно увеличить девиацию частоты и отношение сигнал/шум на выходе канала. Искажения сигнала получаются незначительными даже при отсутствии нелинейного восстановителя на приеме. Описанный метод использован в отечественной системе ТВ вещания "Москва".

Еще один вид обработки, нашедший применение только в спутниковых системах вещания, - введение в состав ТВ сигнала на передающей стороне дополнительного низкочастотного модулирующего сигнала, обеспечивающего более равномерное рассеяние (дисперсию) энергии ТВ сигнала в полосе частот ствола с целью уменьшения помех другим системам связи, в первую очередь радиорелейным линиям. В связи с совместным использованием некоторых диапазонов частот (например, 4 и 11 ГГц) спутниковыми и радиорелейными системами в Регламенте радиосвязи установлены предельные нормы спектральной плотности потока мощности спутникового сигнала на единицу полосы (обычно 4 кГц) для разных углов прихода сигнала. При неблагоприятных сюжетах изображение (равномерно освещенное поле) почти вся мощность сигнала может сосредоточиться в узкой полосе частот и привести к многократному превышению указанной нормы. Добавление сигнала пилообразной или треугольной формы частотой от единиц герц до десятков килогерц позволяет добиться эффективного рассеяния независимо от сюжета. Девиация несущей сигналом дисперсии зависит от требуемой степени рассеяния и выбирается равной от 600 кГц (рекомендация МККР для всех спутниковых ТВ систем) до 4 МГц (в системе "Москва").

Исключение сигнала дисперсии на приеме достигается применением схем фиксации уровня видеосигнала: при девиации более 1 МГц дополнительно используются специальные следящие устройства. Сигнал звукового сопровождения телевидения в традиционных системах с ЧМ передается обычно совместно с сигналом изображения на поднесущей частоте, расположенной выше его спектра. Для достижения необходимой помехозащищенности передача осуществляется методом частотной модуляции поднесущей, причем девиацию частоты поднесущей выбирают, как правило, большей, чем в наземном телевидении - до 100 и даже 150 кГц. Значение поднесущей также выше и составляет 7,0...7,5 МГц при полосе видеосигнала 6 МГц, 5,8...6,8 МГц при полосе 5 МГц и 5...6 МГц при полосе 4,2 МГц, что позволяет уменьшить переходные помехи из канала изображения в канал звукового сопровождения и облегчить требования к фильтрации сигналов.

При необходимости передачи совместно с сигналом изображения более чем одного звукового сигнала (звуковое вещание, звуковое сопровождение на иностранных языках, стереозвук) используется несколько поднесущих частот, расположенных выше спектра видеосигнала. Их число ограничено возникновением перекрестных помех и ухудшением качества ТВ изображения из-за уменьшения доли девиации несущей, приходящейся на видеосигнал. Практически с удовлетворительным качеством удается передать два-четыре дополнительных сигнала. Например, в спутниковых ТВ каналах, организованных через европейские ИСЗ Eutelsat II и Astra наряду с основным каналом звукового сопровождения сформированы еще до четырех высококачественных звуковых каналов, используемых для передачи монофонических или стереофонических программ. Передача ведется методом ЧМ на поднесущих частотах 7,02, 7,20, 7,38, 7,56 МГц звуковой сигнал подвергается адаптивным предискажениям и компандированию (система Wegener Panda 1).

Компандирование применяется для повышения помехоустойчивости передачи звуковых сигналов. Оно подразумевает сжатие динамического диапазона передаваемого сигнала в соответствии с изменением огибающей звукового сигнала и восстановление исходного динамического диапазона на приеме. Различают "управляемые" компандеры, в которых информация об исходном динамическом диапазоне передается в отдельном канале управления, и "неуправляемые", в которых эта информация содержится в передаваемом сигнале.

Выигрыш в помехозащищенности благодаря компандированию достигает в среднем 12...13 дБ при наличии сигнала и по 20 дБ паузе сигнала. Управляемый компандер применялся в отечественных системах "Экран" и "Москва", неуправляемый - в системе "Москва - Глобальная".

Более эффективным энергетически и свободным от перекрестных помех способом передачи нескольких звуковых сигналов является передача на поднесущей в дискретной форме. Сигналы отдельных каналов преобразуются в цифровую форму и объединяются (мультиплексируются) в общий цифровой поток, который модулирует по фазе поднесущую частоту, расположенную выше спектра видеосигнала. Этот способ, например, используется в японской системе НТВ ВS-3. Поднесущая 5,73 МГц модулируется цифровым потоком со скоростью 2,048 Мбит/с, содержащим ИКМ звуковые сигналы, импульсы коррекции ошибок, контрольные импульсы. В системе образуются либо четыре звуковых канала с полосой 15 кГц, либо два канала очень высокого (студийного) качества с полосой 20 кГц.

Давно известен и применяется способ передачи звуковых сигналов в спектре видеосигнала с разделением их во времени - в интервале обратного хода луча или в свободных строках. Рассматриваемый способ применялся в системе "Орбита", в которой с помощью широтно-импульсной модуляции обеспечивалось формирование одного канала с полосой 10 кГц или двух каналов с полосой 6 кГц. Современный уровень дискретной схемотехники позволяет существенно увеличить пропускную способность метода. Эти возможности реализованы в стандарте МАС.

1.3 Системы вещания с временным разделением компонентов

В системах типа МАС аналоговые сигналы яркости и цветности сжимаются во времени и передаются поочередно, что позволяет избежать перекрестных искажений сигналов яркости и цветности, снизить шумы в канале цветности благодаря переводу его в область низких частот, повысить разрешающую способность изображения за счет более широкой полосы частот сигналов яркости и цветности. Сжатие аналогового сигнала осуществляется стробированием сигнала с некоторой тактовой частотой, преобразованием отсчетов в цифровую форму, накоплением их в буферной памяти, ускоренным считыванием с новой, более высокой тактовой частотой и обратным преобразованием в аналоговую форму.

Звуковые сигналы преобразуются в цифровую форму и передаются в интервале обратного хода луча. Высшая частота в спектре звукового сигнала составляет 15 кГц частота стробирования выбрана равной 32 кГц. В зависимости от требований к качеству звучания используется линейное аналого-цифровое преобразование с точностью 14 бит/отсчет либо почти мгновенное компандирование с точностью 10 бит/отсчет, помехоустойчивое двухуровневое кодирование обеспечивает эффективную защиту от ошибок. Скорость цифрового потока в разных вариантах составляет от 352 до 608 Кбит/с.

Для каналов с цифровой передачей звука рекомендовано использовать предыскажающие контуры с характеристикой, соответствующей Рек. J17 МККТТ, либо так называемой характеристикой "50/15 мкс". Считается, что предыскажения уменьшают субъективное восприятие шумов квантования и предотвращают ухудшение качества при низких отношениях сигнал/шум.

Сформированные тем или иным способом цифровые сигналы отдельных каналов, импульсы синхронизации, коррекции ошибок и другие дискретные сигналы сводятся в общий цифровой поток. Передача этого цифрового потока совместно с сигналом изображения в системах типа МАС может осуществляться одним из трех способов:

1) с разделением по частоте;

2) с разделением по времени на видеочастоте;

3) с разделением по времени на несущей частоте.

Первая буква, входящая в полное обозначение стандарта семейства МАС (например, С-МАС/packet), как раз и означает способ передачи цифрового сигнала.

В системе А, как уже отмечалось выше, без заметного ухудшения качества изображения удается передать цифровой поток со скоростью 1,5…2 Мбит/с, что соответствует трем-четырем высококачественным каналам. В системе В скорость передачи не превышает 1,5...1,6 Мбит/с, что позволяет организовать два четыре канала с ИКМ или до шести каналов с АДМ. Наилучшие результаты получаются в системе С при фазовой манипуляции несущей частоты ч интервале гасящего импульса. Средняя скорость передачи в этом случае достигает 3 Мбит/с, а пропускная способность в зависимости от способа кодирования составляет от четырех до восьми звуковых программ. Объединение цифровых потоков отдельных каналов в стандарте С-МАС осуществляется методом пакетного мультиплексирования, что отражено в полном названии стандарта: С-МАС/packet". Пакет представляет собой набор данных объемом 751 бит и содержит головную часть с адресом пакета (23 бита) и область полезных данных (91 байт).

Для сопряжения по полосе частот видеосигнала с сетями кабельного телевидения разработаны стандарты D-МАС и D2-МАС В стандарте D-МАС/packet" бинарный (двоичный) цифровой поток преобразуется в дуобинарный (трехуровневый), в котором, логическому 0 соответствует импульс нулевой амплитуды, а логической 1 - импульс положительной или отрицательной полярности Объединение видеосигнала и дискретной последовательности осуществляется по видеочастоте, как в системах типа В. Дальнейшее снижение занимаемой цифровым сигналом полосы частот в стандарте D2-МАС достигается снижением вдвое скорости цифрового потока н соответственно пропускной способности до двух-четырех туковых сигналов вместо четырех-восьми в D-МАС.

Появление в последнее время стандартов цифрового сжатия привело к тому, что стандарт D/D2-МAC/packet утратил свою роль преимущественного метода передачи в диапазоне 11,7...12,5 ГГц и вступает ее цифровым методам. В этом стандарте пока еще работают несколько спутниковых систем Франции и Скандинавских стран, передаются отдельные программы Голландии Бельгии. Великобритании, но область его применения заметно сокращается.

1.4 Цифровые системы вещания

Создание эффективного алгоритма цифровой обработки ТВ сигнала стало возможным на основе больших достижений в разработке и производстве сверхбольших интегральных схем (СБИС). Основным алгоритмом кодирования стал MPEG стандарт. Алгоритм, положенный в основу стандартов MPEG включает определенный базовый набор последовательных процедур.

В качестве исходного используется компонентный ТВ сигнал RGB, затем он матрицируется в сигнал YUV; дискретизация, как и в цифровом стандарте "4:2:2" осуществляется с тактовыми частотами 13,5 МГц для сигнала яркости и 6,76 МГц для цветоразностных сигналов. На этапе предварительной обработки удаляется информация, затрудняющая кодирование, но несущественная с точки зрения качества изображения Обычно используется комбинация пространственной и временной нелинейной фильтрации [3].

Основная компрессия достигается благодаря устранению избыточности ТВ сигнала. Различают три вида избыточности - временную (два последовательных кадра изображения мало отличаются один от другого), пространственную (значительную часть изображения составляют однотонные одинаково окрашенные участки) и амплитудную (чувствительность глаза неодинакова к светлым и темным элементам изображения).

Временная избыточность устраняется передачей вместо кадра изображения его отличий от предыдущего кадра. Простое вычитание кадров было значительно усовершенствовано, когда заметили, что большая часть изменений, появляющаяся на изображении, может быть интерпретирована как смещение малых областей изображения. Разбив изображение на небольшие блоки (16х16 элементов) и определив их расположение в предыдущем кадре, можно для каждого блока найти набор параметров, показывающий направление и значение его смещения. Этот набор называют вектором движения, а всю операцию - предсказанием с компенсацией движения. По каналу связи передаются только вектор движения и относительно небольшая разность между текущим и предсказанным блоком. На этом этапе устраняется пространственная избыточность - разностный сигнал подвергается преобразованию из пространственной в частотную область, осуществляемому с помощью двумерного дискретно-косинусного преобразования (ДКП). ДКП преобразует блок изображения из фиксированного числа элементов в равное число коэффициентов. Это дает два преимущества. Во-первых, в частотной области энергия сигнала концентрируется в относительно узкой полосе частот (обычно на НЧ) и для передачи несущественных коэффициентов достаточно небольшого числа битов. Во-вторых, разложение в частотной области максимально отражает физиологические особенности зрения.

Следующий этап обработки заключается в адаптивном квантовании полученных коэффициентов. Набор коэффициентов каждого блока рассматривается как вектор, и процедура квантования производится над набором в целом (векторное квантование). Оценка показывает, что описанная процедура сжатия близка к теоретическому пределу сжатия информации по Шеннону.

Амплитудная избыточность исходного сигнала устраняется на этапе кодирования сообщения перед подачей его в канал связи. Не все значения вектора движения и коэффициентов блока равновероятны, поэтому применяется статистическое кодирование с переменной длиной кодового слова. Наиболее короткие слова присваиваются событиям с наибольшей вероятностью. Дополнительная компрессия достигается кодированием в виде самостоятельного символа групп нулей. Отличительной чертой стандартов MPEG1 и MPEG2 является их гибкость. Они могут работать с параметрами разложение изображения 525 строк при 30 кадрах в секунду и 625 строк при 25 кадрах в секунду, пригодны для форматов изображения 4:3, 16:9 и др., допускают усовершенствование кодера без изменений в уже остановленных декодерах.

Для спутниковою телевидения более перспективным, безусловно, является MPEG2, рассчитанный на обработку входного сигнала с чересстрочной разверткой и различными скоростями цифрового потока (4 - 10 Мбит/с и более), каждой из которых соответствует определенная разрешающая способность. По этому параметру в стандарте определены четыре уровня: низкий (на уровне бытового видеомагнитофона), основной (студийное качество), телевидение повышенной четкости с 1440 элементами на строку и полное ТВЧ с 1920 элементами. По сложности используемого алгоритма обработки стандарт содержит четыре профиля: простой - согласно вышеописанному алгоритму; основной - с добавлением двунаправленного предсказания; улучшенный основной - с улучшением либо отношения сигнал/шум, либо пространственного разрешения и перспективный - с возможностью одновременной обработки цветоразностных сигналов.

Можно рассчитать, что в спутниковом канале с пропускной способностью 20-25 Мбит/г можно передать четыре-пять программ хорошего качества, соответствующего магистральным каналам подачи программ, или 10-12 программ с качеством, соответствующим видеомагнитофону стандарта VHS.

Составной частью в стандарты МРЕG1 и МРЕG2 входят алгоритмы передачи звуковых сигналов с цифровой компрессией, позволяющие уменьшить скорость цифрового потока в шесть-восемь раз без субъективного ухудшения качества звучания. Один из широко используемых методов получил название MUSICAM.

Исходным сигналом является ИКМ последовательность, полученная стробированием исходного звукового сигнала с тактовой частотой 48 кГц и преобразованием в цифровую форму с точностью 16 бит/отсчет. Признано, что такой цифровой сигнал соответствует качеству звучания компакт-диска (CD-quality). Для эффективного использования спектра необходимо снизить максимальную скорость цифрового потока. Новая техника кодирования использует свойства человеческого восприятия звука, связанные со спектральным и временным маскированием. Шумы квантования динамически приспосабливаются к порогу маскирования, и в канале передаются только те детали звучания, которые могут быть восприняты слушателем. Эта идея реализуется в кодере. Здесь с помощью блока фильтров происходит разделение сигнала на 32 парциальных сигнала, которые квантуются в соответствии с управляющими сигналами психоакустической модели человеческого слуха, использующей оценку порога маскирования для формирования этих управляющих сигналов. На выходе кодера из парциальных отсчетов формируется набор кодовых слов, объединяемый далее в кадр заданной длительности. Выходная скорость кодера в зависимости от требований качества и числа программ в канале может составлять 32, 48, 56. 64, 80, 96, 112, 128, 160 или 192 Кбит/с на монопрограмму. Скорость 32 Кбит/с соответствует обычному речевому каналу, 48 Кбит/с - наземному AM вещанию. При скорости 256 Кбит/с на стереопару не только обеспечивается качество компакт-диска, но и имеется значительный запас на последующую обработку.

Системная часть стандарта MPEG2 описывает объединение в единый цифровой поток отдельных потоков изображения, звука, синхронизации, данных одной или нескольких программ. Для передачи в среде с помехами формируется "транспортный" поток, включающий средства для предотвращения ошибок и обнаружения утерянных пакетов. Он содержит пакеты фиксированной длины (188 байт), содержащие стартовый байт, префикс (3 байта) и область полезных данных.

Перед подачей в канал связи сигнал подвергается дополнительному помехоустойчивому кодированию и поступает на модулятор. Эти операции не входят в стандарт MPEG и в разных спутниковых системах могут выполняться различными способами, что лишает эти системы аппаратурной совместимости. Европейским странам удалось решить эту проблему, разработав на базе MPEG2 стандарт многопрограммного цифрового ТВ вещания DVB, нормирующий вес операции на передающей стороне вплоть до подачи сигнала на вход СВЧ передатчика.

В стандарте DVB применяется каскадное помехоустойчивое кодирование. Внешний код - укороченный код Рида-Соломона (204.188) с t=8, обеспечивающий "безошибочный" прием (вероятность ошибки на выходе менее 10-10) при вероятности ошибки на входе менее 10-3. Внутренний код - сверхточный с относительной скоростью 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 или 7/8 и длиной кодового ограничения К=7, декодирование осуществляется по алгоритму Витерби с мягким решением. Вид модуляции - четырехпозиционная ФМ. На приемной стороне декодер осуществляет все вышеописанные операции в обратном порядке, восстанавливая на выходе изображение, весьма близкое к исходному.

Основной областью использования цифрового телевидения. как ожидается, станут системы непосредственного ТВ вещания в диапазоне 12 ГГц. В США уже функционирует первая такая система DirecTV / USSB, предоставляющая абонентам возможность приема более чем 170 ТВ программ. Планируется внедрение методов цифровой обработки в европейских спутниковых системах.

1.5 Системы телевидения высокой четкости (ТВЧ)

Под телевидением высокой четкости (ТВЧ) понимают передача изображения с числом строк, приблизительно вдвое превышающим тот показатель у существующих стандартов, и форматом кадра (отношение ширины кадра к его высоте) 16:9. Объем информации содержащийся в каждом кадре ТВЧ изображения, возрастает в пять-шесть раз по сравнению с обычным телевидением. На ТВЧ изображении отсутствуют дефекты, свойственные принятым сегодня стандартам ТВ вещания, - недостаточная разрешающая способность, заметность поднесущей, перекрестные искажения сигналов яркости и цветности, мерцание изображения из-за недостаточно высокой частоты кадров, дрожание строк и т.д. ТВЧ обеспечивает существенное повышение качества ТВ изображения, приближая его восприятие к зрительному восприятию естественных, натуральных сцен и сюжетов. Такое радикальное улучшение качества изображения не может быть достигнуто ни модификацией существующих стандартных систем цветного ТВ, ни ТВ системами повышенного качества [5].

В США, Японии, европейских странах в последние пять-семь лет ведутся многочисленные разработки новых ТВ стандартов с улучшенным качеством изображения. Разработаны совместимые системы телевидения повышенного качества (ТВПК), в которых устранены наиболее характерные искажения ТВ сигнала, несколько увеличена разрешающая способность, введен формат изображения 169 (стандарты МАС, PAL-плюс). Эти системы нельзя отнести к ТВЧ, так как параметры разложения изображения не изменяются.

Среди систем ТВЧ с временным разделением наиболее известна и одно время даже претендовала на роль мирового стандарта японская система MUSE (Multiple Sub-Nyquist Sampling Encoding -кодирование с многократной субдискретизацией), предназначенная для передачи сигналов ТВЧ по спутниковому каналу с полосой 27 (24) МГц. Передача сигналов изображения в спутниковом канале осуществляется с помощью ЧМ сигнала звукового сопровождения - методом четырехпозиционной ФМ. Основные характеристики сигнала MUSE:

Развертка	Чересстрочная с перемежением 2:1
Число строк исходного изображения	1125
Частота полей	60 Гц
Формат изображения	16:9
Разрешающая способность, пиксель
· в канале яркости	1496
· в канале цветности	374
Частота дискретизации	48,6 МГц
Полоса частот видеосигнала
· по уровню -3 дБ	8,1 МГц
Метод модуляции несущей	ЧМ
Девиация частоты	10,2 МГц
Полоса частот радиоканала	24 МГц
Отношение несущая-шум на приеме	17 дБ

Япония достаточно далеко продвинулась в деле внедрения ТВЧ. Разработано необходимое студийное оборудование, поступили в продажу ТВ приемники, ведутся регулярные передачи в стандарте MUSE через вещательный спутник BS-3.

Разработка стандарта ТВЧ в Европе проводилась с 1986 г. в рамках научно-технической программы "Эврика". Новый стандарт HD-МАС (High Definition МАС - МАК высокой четкости) основан на ранее разработанном D(D2)-МАС/packet и совместим с ним. Снижение роли стандартов МАС в спутниковом вещании ставит под сомнение и перспективы широкого внедрения HD-МАС.

В ближайшее время ожидается принятие национального стандарта ТВЧ в США, пригодного для использования, как в наземных, так и в спутниковых системах [6].

Принятие каждой группой стран своего собственного стандарта ТВЧ может затруднить международный ТВ обмен, как это произошло уже в прошлом со стандартами черно-белого ТВ и системами цветного телевидения. В последнее время под эгидой Международного союза электросвязи предпринимаются усилия по созданию единого мирового стандарта ТВЧ. Уже согласованы базовые параметры ТВЧ сигнала: формат изображения 16:9, колориметрические характеристики, световые параметры, пределы значений скорости передачи видеоданных 0,8...1,2 Гбит/с для чересстрочной развертки и 2...3 Гбит/с при прогрессивном разложении, число элементов в активной части строки и т.п.

Серьезной проблемой в ТВЧ вещании является поиск методов распределения сигналов. Существующие распределительные сети не располагают пропускной способностью, достаточной для передачи значительного числа высокоскоростных сигналов, поэтому на передающей стороне сигнал подвергают дополнительной обработке, имеющей целью сократить объем информации без заметного ухудшения качества изображения.

Разработанные в рамках стандарта MPEG-2 методы цифровой компрессии полностью применимы к ТВЧ и позволяют уже сегодня передать ТВЧ сигнал со скоростью цифрового потока 20-30 Мбит, что примерно соответствует пропускной способности спутникового ВЧ ствола с полосой пропускания 27-36 МГц.

2. Наземная приемная установка

2.1 Состав установки непосредственного приема

На рисунке 1 представлена структурная схема наземной установки для непосредственного приема телевизионных передач, ретранслируемых искусственными спутниками Земли [8].

Рисунок 1 - Структурная схема приемной установки

Сигналы телевизионных программ, излученные передающей антенной спутникового ретранслятора, представляют собой электромагнитное поле. В приемной установке для преобразования энергии электромагнитного поля в напряжение сигнала служит приемная антенна. Работа приемной антенны основана на явлении электромагнитной индукции: под воздействием переменного электромагнитного поля в любом проводнике возбуждается электродвижущая сила (ЭДС) индукции, уровень которой зависит от размеров и формы этого проводника. Уровень сигнала на выходе приемной антенны, ориентированной на ИСЗ, также зависит от ее размеров и формы. Антенна обычно состоит из отражателя, концентрирующего электромагнитное поле на облучателе.

В связи с тем, что принятый антенной сигнал может иметь один из используемых видов поляризации, на выходе антенны устанавливается поляризатор, который выделяет электромагнитные волны, имеющие ту поляризацию, которая необходима, и отсеивает сигналы других видов поляризации. Управление поляризатором обычно осуществляется дистанционно.

Принятый антенной сигнал должен быть подан, как обычно, на вход радиоприемника (тюнера), в котором он должен быть усилен, выделен из массы других сигналов и помех, неизбежно принятых антенной, и преобразован в такую форму, на которую рассчитан бытовой телевизионный приемник. Устанавливать тюнер в непосредственной близости от антенны нерационально, так как он будет подвергаться неблагоприятным климатическим воздействиям, и окажется затруднительно управлять его функциями, а дистанционное управление чрезмерно сложно. Поэтому тюнер устанавливают поблизости от телевизора в качестве его приставки.

Если сигнал диапазона сантиметровых волн с антенны подавать непосредственно на вход тюнера, пришлось бы между ними в качестве фидера устанавливать волновод во избежание сильного ослабления сигнала в кабеле. Но длинные волноводы очень трудоемки в производстве и крайне дороги. Поэтому между поляризатором и тюнером устанавливается преобразователь частоты (конвертер), в котором осуществляется предварительное усиление сигнала и преобразование несущей частоты из диапазона 12 ГГц в первую промежуточную частоту, которая обычно находится в диапазоне 950-1750 МГц. На этой частоте сигнал по коаксиальному кабелю подается на вход тюнера. На выходе тюнера образуется стандартный телевизионный сигнал дециметрового диапазона, пригодный для воспроизведения бытовым телевизионным приемником.

Таким образом, приемная установка для спутникового телевидения обычно состоит из антенны, облучателя с поляризатором, объединенных в одну конструкцию, короткого волновода, соединяющего облучатель с конвертером, коаксиального кабеля, соединяющего конвертер с тюнером, и самого тюнера. В современных конструкциях облучатель, поляризатор и конвертер образуют единое целое, называемого высокочастотной головкой (ВЧ-головка), что исключает необходимость использование волновода. Указанные составляющие установки конструктивно делятся на два блока: наружный блок, куда входят антенна с ВЧ-головкой и внутренний блок, состоящий из тюнера и блока питания всей установки [7].

Иногда в приемных установках высокого класса используется дистанционное управление направлением антенны на тот или другой спутник. Для этого антенна снабжается электродвигателями, а в состав тюнера входит устройство управления приводом антенны с запоминающим устройством, которое называется позиционером. Это позволяет сориентировать антенну на каждый необходимый спутник лишь один раз, а в последствии ориентирование осуществляется автоматически.

2.2 Антенные системы

Параболическая антенна

Известно, что напряжение сигнала на выходе любой приемной антенны пропорционален длине волны сигнала, который антенна должна принимать, и коэффициенту усиления этой антенны. Поэтому телевизионные антенны общепринятых в наземном телевидении конструкций в сантиметровом диапазоне, в котором работают передатчики ИСЗ, создавали бы чрезвычайно малое напряжение сигнала. В сравнении с первым частотным каналом наземного телевидения (длинна волны около 600 см) антенны аналогичной конструкции на длине волны 2,5 см должны создавать напряжение сигнала в 240 раз меньшее (на 48 дБ). Компенсировать, влияние уменьшения длинны волны можно увеличением коэффициента усиления антенны [13].

С другой стороны, мощность спутниковых передатчиков невелика, так как она сильно ограничена бортовыми источниками энергии, их допустимыми массой и габаритами. Достаточно упомянуть, что на каждый килограмм полезного груза ракеты носителя требуется порядка 10 килограммов дополнительного топлива. Поэтому мощность телевизионных ретрансляторов ИСЗ во много раз меньше мощности наземных передатчиков. К тому же расстояние между геостационарным спутником и поверхностью Земли превышает 35000 км, что также приводит к значительному ослаблению сигнала, несмотря на оснащение ИСЗ узконаправленными передающими антеннами.

По указным причинам напряженность поля принимаемого сигнала в точке приема на поверхности Земли также оказывается достаточно малой. Все это вынуждает использовать для непосредственного приема спутникового телевидения такие приемные антенны, которые должны иметь коэффициент усиления, которыми обладают обычные антенны для приема наземного телевидения.

В диапазоне сантиметровых волн нашли широкое применение приемные антенны, содержащие отражатель (или рефлектор) в виде параболоида вращения, который позволяет сфокусировать все падающие на его апертуру лучи, параллельные оси параболоида, в одну точку, называемую фокусом параболоида. Апертурой же называется воображаемая часть плоскости, которая ограничена кромкой параболоида. Антенный параболоид, строго говоря, не является антенной в ее понимании преобразователя напряженности электромагнитного поля в напряженность сигнала. Параболоида представляет собой лишь отражатель радиоволн, концентрируя их в своем фокусе, куда и должна быть помещена собственно антенна, которая в этом случае называется облучателем по аналогии с передающей антенной. Поэтому чем больше выбран диаметр апертуры параболического отражателя, тем большее количество энергии электромагнитного поля будет сконцентрировано на облучателе и тем больше окажется коэффициент усиления антенного устройства.

Для иллюстрации в таблице 1 приведена зависимость коэффициента усиления параболической антенны, выраженного в децибелах (дБ), и коэффициента усиления той же антенны по напряжению (К) от диаметра апертуры параболоида (D).

Таблица 1 - Зависимость коэффициента усиления антенны от диаметра

D, м	0,6	0,75	1,0	1,5	2,0	2,5
КдБ	35,3	37,3	39,8	43,3	45,8	47,7
К	58,4	73,0	97,3	146,0	194,7	243,3

Параболоид вращения, который используется в качестве отражателя антенны, образуется вращением плоской параболы вокруг ее оси. Основное свойство (определение) параболы: параболой называется геометрическое место точек, равноудаленных от заданной точки (фокуса параболы) и от заданной прямой линии (директрисы параболы). На рисунке 2 показаны точка F- фокус и линия AB - директриса. Точка М является одной из точек параболы. Расстояние между фокусом и директрисой называется параметром параболы и обозначается буквой р. Тогда координаты фокуса будут (р/2,0). Начало координат (точка 0) называется вершиной параболы, а ось абсцисс ОХ 0 осью параболы.

Рисунок 2 - К определению параболы

Согласно определению параболы отрезки MF и РМ равны. В соответствии с теоремой Пифагора MF²=FK²+KM². В то же время, FK=X-p/2, KM=Y и PM=X+p/2. Тогда:

(1)

Возведя в квадрат выражения в скобках и приведя подобные члены, окончательно получаем каноническое уравнение параболы:

и (2)

Для построения параболы при выбранном постоянном значении параметра р, задаются поочередно различными значениями координаты Х, вычитают значение подкоренного выражения и, после извлечения квадратного корня, получают координату Y (рисунок 3).

Рисунок 3 - Параболоид

Парабола представляет собой кривую линию, симметричную относительно оси абсцисс. проведем касательную НК к параболе в точке М и нормаль MD к той же точке, перпендикулярную касательной. Одним из свойств параболы является следующее: отрезок касательной к параболе, заключенный между точкой касания (М) и осью параболы (КМ), делится касательной к вершине параболы (OY) пополам. Значит, КЕ=ЕМ и также равны треугольники РМЕ и КЕF, откуда следует равенство сторон РЕ и EF. Рассмотрим теперь треугольник PMF, который по определению параболы является равнобедренным (РМ=MF). В связи с равенством отрезков РЕ=EF равны также углы РМЕ и EMF. С другой стороны, равны углы HMC и РМЕ, как вертикальные, откуда должны быть равны углы НМС и EMF. В связи с тем, что по построению равны прямые углы HMD и KMD, разности между ними и равными углами также будут равны. Значит, будут равны углы CMD (угол падения) и FMD (угол отражения).

Таким образом, получено доказательство того, что все лучи, которые падают на параболоид параллельно его оси, пересекаются в фокусе параболоида. Наконец, благодаря тому, что длина суммы отрезков СМ+МР равна длине суммы отрезков CM+MF, а расстояние между апертурой и директрисой - величина для данного параболоида постоянная, следует второй важнейший вывод: электромагнитные волны, падающие на апертуру параболоида параллельно его оси, поступают к фокусу синфазно. Это крайне важно для антенны, так как иначе лучи, отраженные разными точками поверхности параболоида, сходились бы в фокусе с разными фазами, и уровень суммарного сигнала оказался бы меньше, чем при синфазном сложении.

В промышленных условиях параболические отражатель вытягивают из дюралевого листа с помощью мощных гидравлических прессов. Одновременно в поверхности параболоида вырубается большое количество маленьких отверстий, которые не влияют на его работу, если их размеры значительно меньше длины волны сигнала, но уменьшают парусность и вес антенны. К другой разновидности относятся параболоиды, изготовленные из пластических масс методом литья с последующим покрытием поверхности напылением металла.

Выбор параметра параболы р в зависимости от радиуса апертуры R определяет глубину параболоида и положение облучателя в фокусе. Параболоид называется короткофокусным, если параметр параболы меньше радиуса апертуры (p<R), и длиннофокусным, если p>R. При одинаковом диаметре апертуры короткофокусные параболоиды имеют большую глубину, что делает крайне неудобным установку облучателя, так как фокус оказывается внутри объема, ограниченного поверхностью параболоида и апертурой. У короткофокусных параболоидов расстояние от облучателя до вершины зеркала значительно меньше, чем до его краев, что приводит к неравномерности амплитуд у облучателя для волн, отразившихся от кромки параболоида и от зоны, близкой к вершине. Кроме того, на поверхности параболоида образуется вредные зоны, наводящие на облучатель сигналы, противофазные наведенным основной частью отражателя. Глубина длиннофокусных параболоидов меньше и установка облучателя удобнее, а амплитудное распределение сигнала становится равномернее. Так, при диаметре апертуры 1200 мм и параметре параболы 400 мм глубина параболоида оказывается равной 450 мм, а фокус располагается на расстоянии 200 мм от вершины. При увеличении параметра до 750 мм глубина параболоида того же диаметра уменьшается до 240 мм, а расстояние между вершиной и фокусом увеличивается до 375 мм. Оптимальной считается такая форма параболоида, для которого параметр параболы в 1,54 раз больше радиуса апертуры. При таком соотношении получается максимальный коэффициент усиления параболической антенны данного радиуса апертуры.

Одной из важнейших характеристик наземных антенн является величина отношения коэффициента усиления антенн (G) к суммарной шумовой температуре (TS ) на входе приёмного устройства. Очевидно, что для увеличения отношения G/TS (коэффициент шумовой добротности приёмного устройства) следует увеличивать коэффициент усиления антенны и уменьшать суммарную шумовую температуру:

TS = Tу + Tтр + Tа (3)

Здесь Tу - шумовая температура малошумящего усилителя МШУ, к которому присоединена антенна (обычно Tу ~ 40-60К); Ттр -шумовая температура тракта СВЧ тракта, соединяющего антенну с МШУ; Tа - эквивалентная антенная шумовая температура. Все три составляющие соизмеримы, и для увеличения отношения G/TS при заданном значении G (а значит, и размере антенны) следует уменьшать составляющие Tтр и Tа . Уменьшение Tтр достигают, помещая МШУ возможно ближе к облучателю, т.е. сокращая длину тракта питания антенны, либо заменяя волноводный тракт лучеводом - системой перископических зеркал между облучателем и малым зеркалом, что существенно снижает потери в тракте питания.

Антенная температура Tа растёт при уменьшении угла места D (угол между направлением максимального излучения и горизонтальной плоскостью) из-за увеличения поглощения радиоволн в прилегающих к Земле слоях атмосферы и приёма шумов теплового излучения Земли. Для уменьшения влияния шумов Земли необходимо обеспечить низкий уровень боковых лепестков антенны. Это позволяет при D = 5-70 в диапазоне 4/6 ГГц достаточно сильно подавлять шумы Земли, поскольку их приём происходит через боковые лепестки, близкие к максимуму. Кроме того, при уменьшении угла D путь от ИСЗ до антенны, проходящий в плотных слоях атмосферы удлиняется, что ведёт к увеличению шумов, порождаемых потерями в атмосфере. В высокочастотных диапазонах 11/14 и 20/30 ГГц ввиду существенного возрастания потерь в атмосфере минимальный рабочий угол места D увеличивается до 10о .

Имеются факторы, препятствующие увеличению коэффициента усиления антенны путём увеличения её размеров. Это, во-первых, влияние случайных ошибок в выполнении поверхности зеркала, вызывающих расширение главного лепестка диаграммы направленности и увеличения уровня боковых лепестков, что приводит к снижению коэффициента усиления, увеличению Tа и ухудшению помехозащищённости. Для уменьшения этих вредных эффектов у антенн диапазонов 11/14 и 20/30 ГГц существенно повышена точность выполнения поверхности (среднеквадратическое отклонение формы поверхности зеркала от заданной составляет десятые или даже сотые доли мм, что соответствует относительному допуску 10-4 - 10-5). Очевидно, что повысить точность выполнения зеркала тем труднее, чем больше его размеры. В большинстве случаев считается, что отклонения от синфазного поля могут лежать в пределах от -p/4 до +p/4 [5].

Вторым фактором, ограничивающим возможность увеличения размеров, является осуществимая точность наведения луча на ИСЗ, которая должна составлять 0,1Dq0,5 . При недостаточной точности наведения связь осуществляется через круто спадающие участки диаграммы направленности, что приводит значительным потерям усиления. Поэтому максимальный диаметр раскрыва зеркала 2R0 следует выбирать из компромисса между технико-экономическими факторами, определяющими реализуемую точность наведения, и соответствующими этой точности потерям усиления.

Допуск на точность установки облучателя на оси зеркала должен соответствовать условию, что отклонение от синфазного распределения не превышает p/4. Это соответствует тому, что |DZ| < l /8(1-cosy0).

Рисунок 4 - Допуск на точность установки облучателя на фокальной оси

Таким образом, при постоянном диаметре зеркала с ростом фокусного расстояния что приводит к уменьшению угла y0 , требуемая точность в установке облучателя снижается. Такой вывод имеет важное значение для практики, если речь идёт, например, об установке облучателя, который не имеет фазового центра.