Из-за неточности в установке облучателя он может оказаться смещённым из фокуса не только по оси зеркала, но и в направлении, перпендикулярном этой оси. Такое смещение приводит к повороту диаграммы направленности антенны, при этом отклонение происходит в сторону противоположную смещению облучателя.

Коэффициент направленного действия D к направлению максимального излучения рассчитывается по формуле:

D = 4p kF/l2, (4)

где F - поверхность раскрыва параболоида, равная F = pr02. (r0 - диаметр зеркала.)

Множитель k является коэффициентом использования поверхности раскрыва параболоида. На рисунке 5 дана зависимость k от r0/f (f - фокусное расстояние), рассчитанная в предположении, что облучателем является элементарный вибратор с рефлектором.



Рисунок 5 - Зависимость коэффициента использования поверхности от r₀ / f.

Как видно, имеется оптимальное отношение r0/f = 1,3 при котором k и, следовательно, коэффициент направленного действия получается максимальным. При r0/f = 1,3, величина k равна 0,83. Оптимальное значение r0/f определяется следующими факторами. Часть энергии, излучаемой облучателем, проходит мимо зеркала. Количество теряемой энергии зависит от формы диаграммы облучателя и от отношения r0/ f. При заданной форме диаграммы облучателя потери энергии увеличиваются с уменьшением отношения r0/f.

Рисунок 6 - Оптимальная форма диаграммы облучателя

Это обстоятельство приводит к уменьшению коэффициента k по мере уменьшения отношения r0/f. Однако с другой стороны уменьшение отношения r0 / f сопровождается увеличением равномерности облучения зеркала, что сопровождается увеличением коэффициента k. В результате действия двух указанных факторов получается оптимальное соотношение r0/f, которое в случае элементарного вибратора с рефлектором равно 1,3.

Коэффициент усиления G по мощности антенны с параболическим рефлектором диаметром D повышается при увеличении эффективной площади рефлектора Sэф и при уменьшении длинны волны l принимаемого сигнала. Его находят по формуле (в относительных единицах):

G = 4p Sэф / l2 , где Sэф = hpD2/4,

h - коэффициент использования поверхности рефлектора, показывающий какая доля мощности сигнала, собранной рефлектором, попадает в облучатель. Из формулы следует, что сигналы на выходах антенн с рефлекторами, у которых одинаковые эффективные площади в диапазонах 4 ГГц (l=7,5 см) и 12 ГГц (l= 2,5 см), будут отличаться в 9 раз. однако на сомом деле такого отличия нет: в свободном пространстве происходит затухание энергии электромагнитных волн,определяемое уменьшением плотности потока мощности при удалении от источника (антенны передатчика).

Затухание L0 растёт при увеличении расстояния R и уменьшении длины волны l электромагнитных колебаний в соответствии с формулой: L0 = 16p 2R2/l2 . Для диапазона 12 ГГц (l = 2,5 см) и расстояния R, равного 36 000 км, затухание L0 достигает 3,25. 1020 (~203 дБВт).

В итоге, из двух приведённых формул следует, что при одинаковой площади параболических рефлекторов приёмных антенн и одинаковых мощностях передатчиков сигналы на выходах антенн в диапазонах 4 и 14 ГГц будут примерно одинаковы.

Ширину диаграммы направленности (j, в градусах) можно приблизительно оценить, пользуясь соотношением: j = 69l/D.

В качестве примера на рисунке 7 показана парабола с диаметром апертуры 2000 мм, параметром 1500 мм и фокусом, расположенным на расстоянии 750 мм от вершины.

Рисунок 7 - Параболоид рассчитанных размеров

Параболоид образованный параболой, показанной на рисунке 3.7, называется осесимметричным, так как его форма симметрична относительно оси параболы. Часто используются не полные параболоиды, а лишь сегменты, вырезанные из поверхности параболоида. Такие отражатели называются офсетными.

Осисимметричная антенна

При использовании длиннофокусных рефлекторов, оптимального облучения их поверхности удаётся достичь, применяя рупорные облучатели. При этом необходимо помнить, что рупоры, обладающие большим собственным углом раскрыва, имеют более узкие диаграммы направленности, а у рупоров с малым собственным углом раскрыва диаграмма направленности шире.

При использовании короткофокусных рефлекторов, оптимального их облучения удаётся достичь, применяя облучатели в виде рупоров, у которых собственный угол раскрыва очень мал или равен нулю. Рупором, у которого угол раскрыва равен нулю, может служить открытый конец волновода.

В качестве такой антенны удобно использовать осесимметричный параболический рефлектор, оборудовав его круглым волноводом из дюралюминиевых трубок. Для диапазонов 11 и 12 ГГц конвертер (смеситель, гетеродин и даже МШУ) можно выполнить в виде модулей из коротких отрезков стандартных прямоугольных волноводов, широко применяемых в радиолокационных и других СВЧ устройствах трёхсантиметрового диапазона. При этом для подключения такого конвертора к круглому волноводу антенны необходим модульный переходник (рисунок 8), имеющий плавный переход от круглого волновода к прямоугольному. Передачи спутникового телевидения ведутся как с горизонтальной, так и с вертикальной поляризацией радиоволн. Поэтому приём с той или иной поляризацией обеспечивается поворотом модуля-переходника и всего конвертера на конце круглого волновода, выведенного за заднюю поверхность параболического рефлектора.

Рисунок 8 - Осесимметричная параболическая антенна

В настоящее время нашли широкое распространение конструкции, в которых компактный конвертер расположен непосредственно в фокусе параболического рефлектора. Однако при расположении конвертера, состоящего из нескольких отдельных модулей, за рефлектором удобнее настраивать эти модули и экспериментировать, не затеняя некомпактным модульным конвертером, рукой или частью своего тела рабочей поверхности параболического рефлектора. В такой конструкции потери энергии принятого сигнала на коротком отрезке круглого волновода малы и ими можно пренебречь.

Офсетная антенна

В параболических офсетных (неосесимметричных) антеннах вынесенный облучатель и конвертер находятся в стороне от падающего на рефлектор потока мощности принимаемого сигнала и не создают затемнения (рисунок 9).

Рисунок 9 - Неосесимметричный параболический рефлектор

Офсетные отражатели обладают следующим преимуществом: облучатель, расположенный в фокусе параболической поверхности, и апертура его крепления к отражателю не затеняют отражатель, как это происходит при наличии осесимметричного параболоида. На рисунке 3. сплошной линией показана образующая офсетного отражателя, представляющая собой лишь часть параболы, показанной штриховой линией. Облучатель по-прежнему помещается в фокусе всей параболической поверхности, но его поворачивают на некоторый угол вверх, направляя на вырезанный сегмент. Если осесимметричный параболоид образуется вращением параболы вокруг ее оси на полный оборот, то офсетный отражатель образуется вращением части параболы лишь на ограниченный угол.

Рисунок 10 - Офсетный отражатель

Однако существенного выигрыша в усилении у этих антенн не получается, так как их эффективная площадь будет меньше из-за неперпендикулярности попадания на поверхность раскрыва рефлектора лучей приходящего сигнала. К тому же из-за неосесимметричного расположения ухудшается согласование облучателя с рефлектором. Поэтому отражения и стоячие волны между рефлектором и конвертером увеличиваются. Единственным заметным достоинством неосесимметричных антенн с вынесенным облучателем (Ofset Antenne) следует признать почти вертикальное к поверхности Земли расположение рефлектора, что позволяет уменьшить падение на него атмосферных осадков (дождя, снега, града и др.). Это очень важно в северных широтах, где такие осадки выпадают чаще, чем в южных.

Двухзеркальная антенна

Полностью собрать энергию принятого сигнала с поверхности короткофокусного параболического рефлектора с большим углом раскрыва одним облучателем не удаётся. Это можно обеспечить, применив дополнительное гиперболическое зеркало (контррефлектор). В такой двухзеркальной антенне (рисунок 3.11) собственно облучатель собирает энергию с гиперболического рефлектора. Несмотря на то, что контррефлектор создаёт значительное затемнение для падающих на рефлектор лучей принимаемого сигнала, коэффициент использования поверхности рефлектора за счёт эффективного сбора с него энергии оказывается довольно высоким (0,6 - 0,7). С контррефлектора энергия собирается рупорным облучателем с относительно малым углом раскрыва. Кроме того, такой двухэтапный сбор энергии приводит к более плавному, а следовательно, и более полному согласованию облучателя с основным рефлектором. Это, казалось бы, должно существенно уменьшить стоячие волны. Однако отражённые от входа конвертера волны, попадающие на центральную часть контррефлектора, не уходят в свободное пространство, из-за чего уровень стоячих волн увеличивается.

Рисунок 11 - Двухзеркальная антенна с гиперболическим рефлектором

Интересно отметить, что двухзеркальная антенна с гиперболическим контррефлектором названа именем Кассегрена, применившего в 1672г. такую систему для сбора энергии световых лучей от удалённых небесных светил, то есть в качестве телескопа. Ранее, в 1663г., Грегори предложил вариант двухзеркального телескопа с основным параболическим рефлектором и эллипсоидным контррефлектором. По схеме Грегори строятся лишь длиннофокусные двухзеркальные антенны, в которых к тому же, требуется более высокая точность исполнения контррефлектора, чем в антенне по схеме Кассегрена.

Плоские антенны

Трудоемкость изготовления параболического отражателя вынудила искать альтернативные конструкции антенн, более технологичные в производстве и, вместе с тем, обладающие достаточно приемлемыми характеристиками. К таким конструкциям, в частности, относятся зональный отражатель Френеля и плоская вибраторная синфазная решетка.

Огюстен Жан Френель (1788-1828) - французский физик, один из основателей волновой оптики, в процессе изучения дифракции использовал метод разделения фронта волны на кольцевые зоны, названые впоследствии его именем.

Зональная антенна Френеля по своему принципу действия существенно отличается от обычно используемых приемных спутниковых антенн, содержащих параболический отражатель. Параболоид вращения по принципу отражает все лучи, падающие на его поверхность параллельно оси параболоида, и концентрирует отраженные лучи в одной точке - в фокусе, где располагается облучатель. Антенный отражатель Френеля представляет собой проводящие концентрические кольцевые поверхности, расположенные в одной плоскости. Под воздействием падающей волны электромагнитной поля согласно принципу Гюйгенса, каждое кольцо становится источником вторичного излучения, которое направлено в разные стороны в отличие от параболоида, отражающего все лучи в направлении фокуса. Можно, однако, подобрать такую ширину каждого кольца зональной антенны и расстояние между ними, чтобы сигналы вторичного излучения от средних линий каждого кольца в определенной точке пространства совпадали по фазе. Для этого достаточно, что бы расстояния между средними линиями колец и указанной точкой отличались на длину волны сигнала - л. Эту точку по аналогии с параболоидом можно назвать фокусом. В фокусе, как и в параболической антенне, можно расположить облучатель.

Если в качестве фокуса выбрана точка F, которая находится на расстоянии f от плоскости с кольцами, то сигналы, излученные серединами колец, будут совпадать по фазе в фокусе при следующих значениях расстояний между краями колец и фокусом:

(5)

и т.д., то есть:

(6)

где n = 1, 2, 3 и т.д.

Рисунок 12 - Сечение зональной антенны Френеля

Тогда на поверхности первого кольца должна существовать такая окружность, расстояние от которой до фокуса будет больше л₂, равного , но меньше л₃, равного , то есть . Таким образом, сигнал, излученный этой окружностью, у фокуса окажется в фазе с сигналом, излученным центром диска. На поверхности второго кольца будет расположена окружность, расстояние от которой до фокуса окажется равным , на поверхности третьего кольца - и т.д. Все эти сигналы в фокусе будут складываться синфазно.

Зная значения гипотенуз (л₁, л₂, л₃, и т.д.) и каждого из катетов f, можно по теореме Пифагора легко вычислить вторые катеты треугольников (r₁, r₂, r₃, и т.д.) - то есть внутренние и наружные радиусы колец:

(7)

или в общем случае:

(8)

Основное достоинство зональной антенны Френеля перед параболической состоит в том, что она значительно технологичнее в любительском изготовлении так как является плоской. Такая антенна может быть легко выполнена из большого куска фольгированого пластика, либо методом травления, либо вырезанием промежутков между кольцами. Ее также можно изготовить наклейкой колец из фольги или из ровной жести на лист гетинакса или оргстекла. Главным же недостатком этой антенны, является меньший коэффициент усиления по сравнению с параболической, так как не вся энергия сигнала, падающая на антенну, направляется к облучателю.

2.6 Поляризаторы

В связи с тем, что разные программы передаются с разными направлением линейной или круговой поляризацией, как, например, транслируемые системой Eutelsat и Astra, возникает необходимость переключения поляризатора с приема сигнала вертикальной поляризации на прием горизонтальной и наоборот. Проволочная петля поляризатора является выводом сигнала, который соединяется с входной цепью конвертера. Магнитная составляющая электромагнитного поля внутри волновода наводит в петле связи ЭДС подобно тому, как магнитный поток в трансформаторе наводит ЭДС в каждом витке. В зависимости от поляризации принятого сигнала, то есть от направления вектора магнитной составляющей, петля связи устанавливается в определенной точке поперечного сечения волновода, что бы плоскость петли была перпендикулярна направлению магнитной составляющей поля. Аналогичную связь может выполнять изолированный от стенок волновода металлический зонд, который воспринимает электрическую составляющую электромагнитного поля [12].

Положение зонда определяется направлением поляризации сигнала: он должен быть установлен параллельно электрической составляющей поля внутри волновода. Переключение поляризации может осуществляться поворотом специального элемента волновода, содержащего петлю связи или зонд, с помощью шагового электродвигателя. Такая механическая система переключения из-за наличия подвижных элементов обладает недостаточно высокой надежностью и позволяет получить лишь два фиксированных направления поляризации: либо вертикальной, либо горизонтальной.

Более надежно в работе устройство электромагнитных поляризаторов, которое обеспечивает поворот плоскости поляризации сигнала в зависимости от изменения силы тока, протекающего по катушке с ферритовым сердечником. Такие устройства не содержат движущихся элементов конструкции и позволяют осуществлять плавную регулировку. Это оказывается необходимо в связи с тем, что излученный спутником сигнал имеет поляризацию параллельную или перпендикулярную поверхности Земли только в том случае, если спутник размещен на той долготе, что и точка приема. Если же долгота спутника не совпадает с долготой точки приема, направление поляризации из-за кривизны поверхности Земли становится наклонным, и чем больше разница долгот, тем больше угол наклона. Когда при этом необходимо принимать сигналы от нескольких спутников, для каждого из них приходится плавно изменять положение поляризатора изменением значения управляющего тока.

Управление поляризатором производится дистанционно с помощью пульта, размещенного у телевизионного приемника, переключением напряжения питания электромагнитного поляризатора: например при напряжении 13В принимается сигнал вертикальной поляризации, а при напряжении 18В - горизонтальной. В том случае, когда одной антенной обслуживается два раздельных телевизионных приемника, может оказаться, что зрители этих приемников выбирают программы, сигналы которых имеют разные направления поляризации. Для решения подобной проблемы используют более сложные поляризаторы, которые содержат две ортогональные (расположенные под углом 90^о) петли связи или два таких же зонда, сигналы с которых подаются на раздельные выхода, к которым и подключаются два раздельных выхода сигнала.

Передатчики некоторых спутников, в том числе и спутников системы «Галс», излучают сигнал с круговой поляризацией левого или правого направления. Если для приема сигнала круговой поляризацией использовать поляризатор, рассчитанный на линейную поляризацию, мощность сигнала уменьшится в два раза, что может повлиять на качество изображения, а порой может привести к невозможности приема антенной выбранных размеров. Поэтому в случае такого вида поляризации используют специальные преобразователи круговой поляризации в линейную. Один из таких преобразователей показан на рисунке 13.

Рисунок 13 - Поляризатор с диэлектрической пластиной

Его конструкция содержит элемент кругового волновода, внутри которого установлена пластина из высокочастотного волновода, внутри которого установлена пластина из высокочастотного диэлектрика и две петли связи или два зонда, расположенных под углом 45^о к диэлектрической пластине. В результате в зонах действия каждой петли связи или зонда существует уже линейная поляризация сигнала, соответствующая их положениям. Такой преобразователь может быть установлен так же внутри облучателя.

2.7 Высокочастотные головки

Антенны, предназначенные для непосредственного приема спутникового телевидения, располагаются, как правило, на сравнительно большом расстоянии от тюнера, которое исчисляется порой десятками метров. В наземном телевидении антенна соединяется с телевизионным приемником коаксиальным кабелем, который даже в диапазоне дециметровых волн приводит к заметному ослаблению сигнала. Так наиболее часто используемый коаксиальный кабель РК75-4-11 на частоте 10 ГГц обладает погонным затуханием по 2 дБ/м, так что при длине кабеля в 10 м затухание сигнала в нем достигнет 20 дБ, то есть по напряжению сигнал уменьшится в 10 раз. Для сохранения прежнего уровня сигнала это потребовало бы увеличить в те же 10 раз коэффициент усиления приемной антенны, что уже практически нереально. Дело в том, что для этого диаметр параболической антенны пришлось бы так же увеличить в 10 раз. Использование коаксиального кабеля другой марки, в меньшей мере ослабляющего напряжение сигнала, не спасает положения. Так значительно более толстый и дорогой кабель РК75-9-13 на той же частоте обладает погонным затуханием 1 дБ/м, при той же длине такой фидер ослабил бы сигнал на 10 дБ, то есть в 3.16 раз по напряжению. Значительно меньшее затухание происходит при прохождении сигнала такой высокой частоты по волноводу. Однако, волноводы достаточно дороги, а изготовить волновод длинной около 10 м крайне трудно. По указанной причине должно быть ясно, что передача сигнала сантиметрового диапазона от антенны непосредственно к приемному устройству вообще исключается [4].

Задача решается достаточно просто благодаря использованию преобразователя частоты. Рассмотрим структурную схему высокочастотной головки, образующей наружный блок. На рисунке 14 приведена полная структурная схема установки для непосредственного приема спутникового телевидения, в которой реализуется достоинства сантиметрового диапазона, позволившего применять сравнительно малогабаритные антенны и разместить в этом диапазоне большое количество каналов.



Рисунок 14 - Структурная схема приемного устройства

Теперь на пути от антенны к приемному устройству уже нет необходимости оставаться в пределах сантиметрового диапазона. Поэтому главным узлом высокочастотной головки является преобразователь частоты, подобный преобразователю супергетеродинного радиоприемника. Преобразователь состоит из первого гетеродина Г и первого смесителя См 1, который обычно собирается по балансной схеме. Особенность этого преобразователя состоит в следующем. В обычном супергетеродинном приемнике для настройки на разные радиостанции в преобразователе используется перестраиваемый по частоте гетеродин, а на выходе преобразователя сигнал любой принятый радиостанции имеет одну и ту же промежуточную частоту. Использовать перестраиваемый гетеродин в высокочастотной головке, расположенной у антенны, неудобно. Перестройку по частоте с одного канала на другой удобнее производить в приемном устройстве. Поэтому гетеродин головки работает на фиксированной частоте, примерно 10 ГГц, а преобразователь является конвертером. Подобные конвертеры часто используют для приема в КВ диапазоне в виде приставок к радиоприемникам, не имеющим этих диапазонов.

Частота первого гетеродина стабилизирована диэлектрическим объемным резонатором. На выходе конвертера первая ПЧ равна разности между частотой входного сигнала и частотой гетеродина и в отличии от супергетеродинного приемника не постоянна, а лежит в диапазоне 950-1750 МГц.

Любой преобразователь частоты вносит дополнительный уровень шумов, которые накладываются на сигнал. Для того что бы в процессе преобразования частоты не ухудшить отношение уровня сигнала к уровню шумов, между поляризатором П и конвертером устанавливается широкополосный малошумящий транзисторный усилитель входного сигнала МШУ.

Как известно, супергетеродинный прием обладает паразитными каналами приема. На рисунке 15 показано взаимное расположение частот при этом способе приема. ПЧ полезного сигнала Fпр равна разности между высокой частотой принятого сигнала Fс и частотой гетеродина Fг. Но такая же ПЧ может получиться, как разность между частотой гетеродина и частотой помехи Fп. Легко подсчитать, что частота помехи отличается от частоты сигнала на удвоенную ПЧ. Таким образом, с одной стороны от частоты гетеродина располагается частота сигнала, отстоящая от частоты гетеродина на величину ПЧ, а с другой стороны - частота помехи, отстоящая от частоты гетеродина так же на величину ПЧ.



Рисунок 15 - Зеркальные каналы приема

Поэтому такая помеха называется помехой по зеркальному каналу. Если помеха на частоте зеркального канала попадает на вход преобразователя частоты, она будет преобразована в ПЧ, наложится на сигнал и в последующем удалить ее уже не удастся. Поэтому необходимо отфильтровать помехи, лежащие в полосе зеркального канала еще до того как они смогут попасть на вход конвертера. Для этого служит полосовой фильтр ПФ, включенный между МШУ и конвертером. В нашем случае частота сигнала выше частоты гетеродина, значит зеркальный канал лежит ниже частоты гетеродина и находится в пределах 8250-9050 МГц. Полосовой фильтр должен иметь полосу прозрачности 10,7-12,8 ГГц и как можно сильнее подавлять помехи в полосе зеркального канала.

С выхода конвертера сигнал ПЧ должен быть подан по кабелю на внутренний блок. Для согласования большого выходного сопротивления конвертера с низким волновым сопротивлением кабеля, а так же для компенсации последующего затухания сигнала в кабеле используется предварительный усилитель ПЧ ПУПЧ. Усиленный сигнал ПЧ поступает далее по коаксиальному кабелю на вход внутреннего блока приемного устройства.

2.8 Внутренний блок

Внутренний блок, обычно называемый тюнером, представляет собой электронное устройство, назначением которого является формирование такого стандартного телевизионного сигнала, который пригоден для воспроизведения обычным бытовым телевизором изображения и звукового сопровождения, соответствующих ретранслируемой спутником программе. Сформированный сигнал должен также отвечать принципу совместимости со стандартом цветности, в который способен работать телевизионный приемник (PAL, NTSC и др.) [10].

Тюнер размещается в помещении, рядом с телевизионным приемником, представляя собой по сути дела, приставку к бытовому телевизору. Помимо выполнения функции формирования стандартного телевизионного сигнала тюнер содержит все органы регулировки, необходимые для приема ТВ-программ, ретранслируемых спутниками, а так же блок питания самого тюнера и наружного блока. При этом напряжение питания на наружный блок подается по тому же коаксиальному кабелю, по которому поступает сигнал с наружного блока на вход тюнера, без прокладки дополнительных проводов.

Устройство тюнера рассмотрим по типовой схеме. На вход тюнера установлен усилитель первой ПЧ УПЧ1, который характеризуется широкой полосой пропускания в пределах 950…1750 МГц, за которым следует второй преобразователь частоты, состоящий из второго смесителя СМ2 и второго гетеродина Г2. В процессе вторичного преобразования частоты осуществляется выбор необходимого частотного канала. Для этого второй гетеродин может перестраиваться по частоте изменением напряжения, которое подается на варикап, с помощью блока управления БУ. Перестройка производится либо вручную при каждом переходе с приема одной программы на другую, либо автоматически запоминающим устройством. В этом случае, как в современных телевизорах, оснащенных модулем синтезатора напряжений, достаточно один раз произвести поочередную настройку гетеродина на все принимаемые программы и каждый раз включать «Память». Впоследствии для переключения с одной программы на другую достаточно лишь нажать соответствующую кнопку.

Сигнал второй ПЧ с выхода второго смесителя поступает на фильтр сосредоточенной селекции ФСС, который обеспечивает необходимую форму частотной характеристики. Вторая ПЧ составляет обычно 70 МГц. Полоса пропускания фильтра около 30 МГц. Основное усиление тюнера обеспечивает усилитель второй ПЧ УПЧ2, оснащенный устройством эффективной автоматической регулировки усиления УАРУ с глубиной регулировки усиления до 30 дБ. Это означает, что АРУ поддерживает примерно постоянный уровень сигнала на выходе УПЧ2 при изменениях напряжения его входного сигнала в 32 раза. Глубокая АРУ необходима для компенсации изменения уровня входного сигнала за счет самых разных причин: размеров и коэффициента усиления антенны, уровня мощности спутникового передатчика, длинны коаксиального кабеля, напряженности электромагнитного поля в конкретной местности от разных спутников и других факторов.

Для демодуляции ЧМ сигналов в тюнере используется синхронно-фазовый детектор СФД, который обладает высокими помехоустойчивостью и линейностью характеристики детектирования. СФД содержит фазовый детектор, который сравнивает фазу входного ЧМ сигнала с фазой местного управляемого генератора, частота колебаний которого изначально выбирается примерно равной второй ПЧ. В зависимости от разности фаз на выходе ФД вырабатывается сигнал ошибки, который усиливается, проходит через фильтр нижних частот (ФНЧ) и управляет частотой генератора. ФНЧ отфильтровывает высокочастотные составляющие продетектированого напряжения. Если входной сигнала СФД не моделирован по частоте, сигнал ошибки подстраивает генератор под частоту входного сигнала. При наличии ЧМ СФД выделяет модулирующий сигнал.

Фильтр Ф предназначен для разделения сигналов изображения и звукового сопровождения телевизионной передачи. Канал изображения содержит видеоусилитель ВУ с устройством привязки уровня черного и контур компенсации предыскажений. С выхода ВУ сигнал поступает на входной разъем видеосигнала и на амплитудный модулятор АМ, где им модулируется несущая частота изображения, вырабатываемая отдельным генератором, не показанным на схеме. Канал звукового сопровождения содержит усилитель и частотный детектор звукового сигналаДЗ, с выхода которого напряжение ЗЧ поступает на выходной разъем сигнала звука и частотный модулятор ЧМ, где осуществляется ЧМ генератора несущей частоты звукового сопровождения. Генераторы несущих частот изображения и звукового сопровождения обычно стабилизированы кварцевыми резонаторами и работают на частотах, соответствующих одному из каналов, которые используются в наземном телевидении. С выхода модуляторов после суммирования стандартный телевизионный сигнал на частоте определенного канала поступает на выход, предназначенный для подключения к антенному гнезду бытового телевизионного приемника.

3. Расчет линии связи «Искусственный спутник Земли (ИСЗ) - Земля »

Исходные данные:

Орбита спутника - геостационарная

Ширина диаграммы направленности бортовой антенны -

КПД Антенно-Волнового Тракта (АВТ) -

1) Земная станция - 0,9 (- 0,5 дБ)

2) Бортовая станция - 0,8 (- 1 дБ)

Отношение сигнал/шум на выходе приемника - (46 дБ)

Метод модуляции - Частотная Модуляция (ЧМ)

Высшая частота ЧМ сигнала - 6 МГц

Процент времени, в течение которого нарушается норма в отношении - 0.1 %

Визометрический коэффициент - В_В = 27 (14 дБ).

Этот коэффициент учитывает особенности восприятия шумов на телевизионном изображении зрительным аппаратом человека.

Координаты Земной станции -

1) Широта -

2) Долгота -

Долгота под спутниковой точки (TeleX) -

Диаметр антенны Земных станций -

Частота излучения "вниз" - МГц (12 ГГц диапазон)

Дальность от ИСЗ до Земли - H = 42170км

Выигрыш за счет введения предыскажений - = 1,4

1) Расчет угла места и азимута А антенны Земной станции

(10)

(11)

2) Рассчёт дальности от ИСЗ до Земли

, (12)

где R=6831 км-радиус Земли

H=42170 км-расстояние от центра Земли до ИСЗ

Подставив численные значения в выражение (11) получим, что

3) Расчет требуемого отношения на входе приемника Земной станции

Отношение сигнал/шум на выходе приемника в случае телевизионных ЧМ сигналов связано с входным отношением сигнал/шум соотношением:

(13)

где А - коэффициент, учитывающий методику оценки взвешенного шума (А = 8), а В(ЧМ) - выигрыш в отношении сигнал/шум за счет частотной модуляции.

, (14)

где - эффективная (энергетическая) полоса частотного канала приемника.

, (15)

где - коэффициент, учитывающий большую энергетическую полосу шума приемного тракта по отношению к полосе пропускания по уровню 0,7 ( = 1,1 .. 1,2), а - девиация частоты от пика до пика (от "черного" до "белого").

Таким образом, получим:

(16)

Зададимся стандартным значением частоты девиации = 6 МГц

МГц

= 17.5 дБ

4) Расчет высокочастотной части линии ИСЗ-Земля

4.1) Рассчитаем дополнительные потери, обусловленные прохождением сигнала через атмосферу. Эти затухания обусловлены поглощением энергии молекулами кислорода и водяных паров, рефракцией волн (рассогласование диаграмм направленности антенн), неидеальностью поляризации, деполяризацией электро-магнитных волн при прохождении через тропосферу, а также наличием осадков.

, (17)

где L_{доп_11,5} - дополнительные потери на частоте 11,5 ГГц, обусловленные углом места и процентом времени, в течение которого нарушается норма в отношении , а f - частота излучения "вниз" в ГГц.

Из таблицы получим L_{доп_11,5} = 4,8 дБ, и тогда:

дБ(3,069раз)

4.2) Определим суммарную эквивалентную шумовую температуру:

, (18)

Где:

Т_А - эквивалентная шумовая температура антенны

Т₀ - номинальное значение (290 К);

Т_пр - эквивалентная шумовая температура приемника;

- КПД АВТ Земной станции.

Используя в приемной цепи транзисторный малошумящий усилитель, получим,что Т_пр 250 К.

Шумовая температура антенны, в свою очередь, складывается из нескольких составляющих:

, (19)

где Т_к - температура обусловленная космическими излучениями;

Т_атм - температура обусловленная атмосферными излучениями;

Т_з - температура Земли;

с - коэффициент, учитывающий долю энергии излучения принятую по боковым лепесткам диаграммы направленности.

Т_к также зависит от излучения галактик, излучения солнца и излучений луны и планет. Однако, на столь высоких частотах, влияние излучения галактик и планет ничтожно мало и ими можно пренебречь. Учитывая, что антенна спутника направлена соотвествующим образом, излучением солнца можно также пренебречь. По таблице определяем Т_атм для наихудших метеоусловий. Температура Земли приблизительно равна 260 К.

Итак:

Т_атм = 120 К

Т_з = 260 К

с 0,2

К

и

К

4.3) Расчитаем коэффициенты усиления антенн приемника и передатчика. Существует две взаимосвязанные формулы для расчета коэффициентов усиления, поэтому воспользуемся обеими в зависимости от заданных величин:

Земная станция:

, (20)

где q - коэффициент использования поверхности зеркала (КИП), q 0,5;

D_a - диаметр антенны;

- длина волны, = 26,9 мм.

Бортовая станция:

(21)

5) Расчет мощности передатчика

, (22)

где Р_ш - полная мощность шумов на входе приемника.

, (23)

где k - постоянная Больцмана:

Вт

4. Основные проблемы в производстве, установке и эксплуатации систем спутникового телевидения

Подведем итоги, следуя из описания принципов работы и устройства системы приема спутникового телевидения, о основных особенностях производства оборудования для приема и его эксплуатации [8].

Производство. Связано с некоторыми сложностями в отличии, от более низкочастотных систем вещания (метровых и дециметровых диапазонов), связано это с тем, что конструкция приемной антенны намного сложнее и требует более точного оборудования, ведь оно работает в СВЧ диапазоне. Сам отражатель антенной системы не представляет большой сложности в изготовлении благодаря отработанной технологии выпресовки зеркала из листа на специальных прессах или из специализированных непрозрачных (отражающих) для радиоволн пластиков, но так же приходится учитывать жесткость конструкции, так как работа его предусматривает в тяжелых условиях, под воздействием ветра, осадков, низких и высоких температур, это в основном решается внесением ребер жесткости и некоторой пластичности материала к временным воздействиям. Основная сложность заключается в конструкции облучателя. Он должен работать в тяжелых условиях под воздействием неблагоприятных условий окружающей среды и при этом соблюдать заданные параметры. Так же из-за сложной его конструкции он довольно трудоемок в производстве и требует специализированного оборудования, как для самого производства так и для настройки. Конструкция тюнера не представляет большой сложности для современных технологических линий и заключается лишь в обеспечении необходимых потребительских качеств - удобстве работы и управления им.

Установка и эксплуатация. Основная сложность заключается в установке и настройке оборудования. Установка связана со следующими трудностями - диаметр зеркала отражателя довольно громоздкий, поэтому должно быть значительно пространство на крыше, так же вес оборудование имеет довольно значительный вес, что требует достаточной жесткости самой конструкции и крепления, для выдерживания не только своего веса, но и воздействию ветра и осадков. Так же для настройки, т.е. наведения на спутник, нужно специальное оборудование и специалист. Сама эксплуатация установленного и настроенного оборудования больших затруднений не вызывает, т.к. производители тюнеров стараются сделать все максимально многофункционально, понятно и удобно для пользователя [13].

5. Перспективы развития систем спутникового телевизионного вещания

спутниковый телевизионный вещание

Главные преимущества, которое нам дают цифровые спутниковые технологии - это отличное изображение и звук, а также увеличение числа передаваемых каналов с расширением сервиса. Дело в том что теперь на спутниковом тpанспондеpе (передатчике), предназначенном для обычного аналогового канала, - можно передавать до 8-9-10 каналов цифрового телевидения вместе со стереозвуком. В результате выбор каналов уже заметно вырос, а со спутника теперь могут вещать каналы, которые раньше не могли себе это позволить, ведь аренда "места" стала в 8 раз дешевле. Появились также и новые ранее недоступные удобства, некоторые из которых уже введены, а некоторым еще предстоит появиться. Вместе с цифровым пакетом можно будет передавать также много сопутствующей информации [11].

Телетекст. Можно просматривать передаваемые вещателем текстовые станицы. Тут конструкторы аппаратов пошли двумя путями: телетекст бывает встроенным в сам pесивеp (тогда вы смотpите телетекст через сервисные возможности своего pесивеpа, пользуясь его пультом, а наличие декодера телетекста в вашем телевизоре не нужно) или же бывает, что телетекст расшифровывается в pесивеpе из цифрового потока, и вставляется в видеосигнал на выходе. Тогда необходим декодер телетекста в вашем телевизоре, и вы пользуетесь пультом от телевизора.

EPG - Electronic Program Guide. Это передаваемая программа передач на ближайшие часы или дни. Можно посмотреть, какой будет фильм и в какое время, краткий обзор и т.п. В некоторых продвинутых pесивеpах можно выбрать интересующую программу - и спутниковый pесивеp в нужное время сам напомнит о том что вы хотели посмотреть эту передачу.

Internet. Подключение к Интернету на высоких скоростях. Обратная связь все равно осуществляется через модем, нужна телефонная линия и доступ в Интернет. Возможно появление спутниковых тюнеров с возможностью приема не только аналогового, цифрового телевидения, но и потока цифровых данных, т.е. подключение к Интернету.

Замена программного обеспечения. Многие спутниковые pесивеpы имеют порт USB, который можно подключить к компьютеру, и с компьютера управлять некоторыми функциями, редактировать параметры, а также загрузить новое программное обеспечение. Это даёт возможность загрузить новую версию софта. Возможно появление возможности и получать новое программное обеспечение прямо со спутника.

Встроенные накопители. Спутниковые ресиверы с жесткими дисками все чаще исполняют роль аналоговых видеомагнитофонов. Вообще, в настоящее время едва ли кто-то хранит видеозаписи. Вместо этого, их чаще используют для записи фильмов или передач с целью просмотра их позже. Кому-то покажется фантастикой возможность записывать фильм, в то же время, просматривая передачу, которая была записана ранее. Имея в запасе жесткий диск размером, к примеру, в 250 Gb, вы сможете записать передач и фильмов протяженностью до 110 часов, и все с цифровым качеством. Это очень полезно тем, кто по каким-либо причинам вынужден часто отрываться от просмотра программ, как, например, если нужно поговорить по телефону. В таких случаях, запись можно включить простым нажатием кнопки. Позже, нажав кнопку "replay", вы включите программу на воспроизведение с того места, где она была остановлена. И программа, которую вы сейчас просматриваете не вживую, просто завершится на несколько минут позже. Так как на жестком диске размером 250 Gb может разместиться до 70 фильмов. Но 250 Gb это совсем не предел, сейчас вполне можно установить жесткие диски емкостью порядка 500Gb - 1Тb, на которые поместится порядка 500 фильмов среднего качества и 160 фильмов DVD качества.

Увеличение количества ретранслируемых каналов. Благодаря запуску все новых спутников с более современными и функциональными ретрансляторами позволит увеличить количество каналов вещаемых с одного спутника до достаточного высокого уровня способного удовлетворить самого требовательного пользователя.

Это небольшое количество тех нововведений и изменений, которые появятся в скором будущем.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты выпускной квалификационной работы состоят в следующем:

- Приведена и изучена классификация спутниковых систем телевидения, указаны их ключевые особенности и различия;

- Изучен принцип работы наземной приемной установки, приведено описание антенных систем, указаны их особенности и важнейшие характеристики;

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

- Предложены наиболее важнейшие перспективы развития спутниковых систем телевидения с учётом особенностей современного развития данного направления;
-Полученные в данной выпускной квалификационной работе результаты, будут использоваться при проведении лекционных, семинарских и лабораторных занятий по дисциплине «Радиотехнические системы» (бакалавриат РТ) и дисциплине «Электромагнитная совместимость устройств и систем» (магистратура ИТиСС).

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 В.А. Никитин, В.В. Пясецкий. Как принимать телепередачи со спутников. М.: Солон, 2005. - 170 С.

2 Драбкин А.Л., Коренберг Е.Б., Меркулов С.Е. Антенны. 2-ое издание. М.: Радио и связь 2007. -130 С.

3 Кочержевский Г.Н., Ерохин Г.А., Козырев Н.Д. Антенно-фидерные устройства. М.: Радио и связь 2008. -261 С.

4 Пясецкий В.В. Прием спутникового телевидения. - Минск, 2006.

5 Варбанский А.М. Телевидение через спутник// Радио. 2009, №5. С. 12-15.

6 Гавва А. Спутниковые телевизионные и радиовещательные программы// Радиолюбитель. 2001. №10. С 2-3.

7 Гольцов А. Тюнеры для приема СТВ// Радио 2004. №4. С. 10-13.

8 Злотникова Е., Листов И., Соколов А. Прием спутникового телевидения. Общие принципы построения// Радио. 2002. №1. С. 46-50.

9 Карнаухов Е. Непосредственное телевизионное вещание сегодня //Радио. 2012. №1. С.16-17.

10 Федотов А. Прием спутникового телевидения// Радиолюбитель. 2007. №6. С. 7.

11 Inter-M. 2014. http://www.arstel.com/details/proektirovanie/tv/statya-po-tv-priyemu_01.php [23.04.2015].

12 Телеспутник. 2015. №5: http://www.telesputnik.ru/archive/235.html [07.05.2015].

13 Agsat.com. 2014. http://www.agsat.com.ua [12.05.2015].

Размещено на Allbest.ru