Расчет линии связи для системы телевидения

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, Гц .........................………............... 60

Формат изображения ..................…….................... 16:9

Разрешающая способность, пиксел:

--в канале яркости ........................…............ 1496

--в канале цветности ..................................... 374

Частота дискретизации, МГц …............................ 48,6

Полоса частот видеосигнала

по уровню -- 3 дБ, МГц. ................……................8,1

Метод модуляции несущей ......…......................... ЧМ

Девиация частоты, МГц. ........……....................... 10,2

Полоса частот радиоканала, МГц ......................... 24

Необходимое отношение несущая - шум

на приеме. дБ .....................................…………...... 17

Число звуковых каналов ................………………. 2/4

Цифровая фазовая модуляция или фазовая манипуляция

Чтобы передавать данные с высокой скоростью, требуемой для цифрового спутникового ТВ, необходимо либо уменьшить число циклов на положение передаваемого сигнала, либо увеличить частоту передачи сигнала. Ясно, что увеличивать частоту передачи сигнала неразумно, поскольку существует ограничение ширины полосы пропускания канала. Существует также ограничение числа циклов, поскольку обычные демодуляторы, такие, как демодуляторы с фазовой автоподстройкой частоты, обладают ограниченной переходной характеристикой, и процесс захвата новой частоты может занять у них несколько циклов. В связи с тем, что каждую цифру необходимо передать не более, чем за один цикл, для захвата частоты просто недостаточно времени, поэтому следует признать, что применение FSK для спутникового ТВ было бы нецелесообразным, так как потребовало бы слишком широкой полосы частот. В этом случае нужно использовать цифровую систему передачи, которая позволяет увеличить скорость передачи данных без необходимости увеличения полосы частот. Сам модулирующий сигнал перед передачей можно сжать при помощи различных методов, но остается проблема, связанная с применением более эффективного метода модуляции, чем FSK (частотно фазовая манипуляция ). Таким методом может служить одночастотный вариант модуляции - цифровая фазовая модуляция, которую также называют фазовой манипуляцией (PSK). При данном методе изменяется фаза несущей, а не ее частота.

Фазовая модуляция (ФМ) имеет близкое отношение к частотной и хорошо подходит для многопозиционной цифровой передачи сигнала. Как и при ЧМ, анализ спектра является достаточно сложным и оба спектра оказываются похожими. Основной процесс фазовой манипуляции показан на рис. 2.4,а. Фаза несущей изменяется по цифровому сигналу сообщения. В данном примере сигнал двоичного 0 передается в качестве сигнала о сдвиге фазы несущей на 0°, а сигнал двоичной 1 представляет сдвиг фазы на 180°. Сдвиг фазы несущей на 180° можно осуществить путем ее умножения на -1 (инверсии). Поэтому если в сигнале сообщения для изменения бинарных положений 1 и 0 в положения -1 и +1 используется преобразование с отрицательной логикой, то двухфазовая PSK может осуществляться при помощи простого умножителя, как это показано на рис. 2.5,а. Изменение фазы, происходящее под воздействием сигнала сообщения, называется девиацией фазы, и ее величина может меняться при изменении чувствительности (крутизны характеристики) модулятора. В принципе,

ЧМ может выполняться путем интегрирования сигнала сообщения и подачи его на фазовый модулятор. И наоборот, фазовая модуляция может осуществляться путем дифференцирования сигнала сообщения и подачи его на частотный модулятор. Этим и объясняется сходство.

Рис 2.4. Фазовая манипуляция PSK (a), относительная фазовая манипуляция DPSK (б).

Процесс демодуляции в приемнике, показанный на рис. 2.5.б, можно выполнить, используя детектор произведения (перемножающий демодулятор), который эффективно перемножает принятый PSK сигнал с местной генерируемой опорной несущей, восстанавливая таким образом оригинальный сигнал сообщения.



Рис. 2.5. Модуляция методом PSK (a), демодуляция методом PSK (б).

Относительная фазовая манипуляция

При демодуляции трудно точно генерировать сигнал опорной несущей, о которой говорилось в предыдущем примере с использованием метода PSK. поскольку фазовые соотношения на любой частоте из-за понижающего преобразования могут медленно меняться при прохождении сигнала по линии связи. Решение данной проблемы состоит в использовании относительной фазовой манипуляции (DPSK), где изменения фазы происходят по отношению к фазе предыдущего положения передаваемого сигнала. Принцип действия DPSK для сравнения с методом обычной PSK показан на рис 2.4.б. Частота опорной несущей во время демодуляции восстанавливается только из предыдущего принятого положения сигнала, что в значительной степени устраняет воздействие непредсказуемых (случайных) изменений фазы на линии связи. Система работает следующим образом. Фазой опорной несущей для сигнала В является фаза сигнала А. Фаза опорной несущей для сигнала С - это фаза несущей В, и т. д. В действительности, значений фазовых сдвигов на 0° следует избегать, так как приемник всегда принимает сдвиги фазы на скорости передачи данных. Например, +90° и +270° для 0 и 1 могут быть использованы вместо 0° и 180°; таким образом исключаются длинные периоды немодулированной несущей, которые могут привести к значительной концентрации энергии в определенных участках спектра, в результате чего возникает интерференция.

Квадратурная фазовая манипуляция

Квадратурная фазовая манипуляция (QPSK или 4-PSK) представляет собой дальнейшее развитие метода PSK, в котором для заданной частоты несущей скорость передачи данных эффективно удваивается без увеличения скорости передачи сигнала. Недостатком данного метода является падение отношения S/N при демодуляции. При QPSK каждая позиция сигнала кодируется дибитом. Обычно используются четыре позиции (положения) сдвига фазы на 90°: +45°, +135°, +225° и +315°. Не забудьте, что положение фазы 0° редко используют на практике, чтобы исключить длинные периоды немодулированной несущей. Переход от двухпозиционной системы передачи сигнала к четырехпозиционной означает, что скорость передачи данных, измеряемая в битах в секунду, больше, чем скорость передачи сигнала в бодах. Фазовые соотношения в системе QPSK, где четыре дибита кодируются четырьмя значениями сдвига фазы, приведены в табл. 2.2. Основной принцип возможной реализации QPSK-модуляции сигнала показан на рис. 2.6. Две несущие одной и той же частоты, сдвиг фаз между которыми составляет 90°, поступают на пару умножителей. На каждый умножитель с одинаковой скоростью подаются цифровые входные сигналы +1 (сигнал двоичного 0) или -1 (сигнал двоичной 1), использующие, как и в предыдущих примерах, отрицательную логику. Выходные сигналы умножителей представляют собой такой же кодированный сигнал, как и в описанном ранее простом случае. То есть двоичная единица представлена сдвигом фазы на 180°, а двоичный нуль -- сдвигом фазы на 0°. Основное отличие от обычной PSK состоит в том, каким образом эти выходные сигналы комбинируются сумматором. Сумматор создает окончательный выходной сигнал, соответствующий четырем возможным комбинациям сигнала сообщения, как это показано в табл. 2.2. Фазовая диаграмма (см. рис. 2.7.) представляет в фазовой форме положения табл. 2.3. и четко демонстрирует, как четыре значения сдвига фазы, или кодовых вектора, на +45°, +135°, +225° и +315° представляют дибит, получаемый от сложения двух выходных модулированных сигналов.



Рис. 2.6. Реализация метода QPSK модуляции.

Обратный процесс демодуляции приведен на рис. 2.8. Приходящие сигналы подключаются параллельно к двум перемножающим демодуляторам и генератору опорной несущей. Опорная несущая восстанавливается из принятого сигнала со скоростью передачи данных таким же образом, как это ранее было описано для метода DPSK. Эта несущая поступает непосредственно на один фазовый детектор и через схему сдвига фазы на 90° на другой фазовый детектор. Дибит восстанавливается путем проверки размера выходного сигнала с каждого перемножающего демодулятора со скоростью передачи данных, представленной в табл. 2.3. Преимущество метода QPSK заключается в возможности работы при мощности транспондера, близкой к насыщению (максимальное значение мощности), поэтому данный метод обладает высокой эффективностью использования энергии. Кроме того, он хорошо подходит для двойной поляризации, поскольку имеет очень низкую чувствительность к интерференции от других цифровых систем.

Рис.2.7. Фазовая диаграмма QPSK модуляции.

Таблица 2.2. Изменения фазы, производимые положениями передаваемого сигнала в QPSK.

Таблица 2.2. Таблица выходных сигналов демодулятора.

Рис. 2.8. Демодуляция сигнала QPSK.

2.2 Система DVB/MPEG-2

Международные стандарты для цифрового ТВ вещания были приняты в 1994 году. Это стандарты ISO/IEO 13818-1 (MPEG-2 Systems), 150/IEC 13818-2 (MPEG-2 Video) и ISO/IEO 13818-3 (MPEG-2 Audio).

Стандарт MPEG-2 определяет форматы кодирования для всех способов передачи цифровых сигналов ТВ вещания, позволяющих получить ТВ изображения высокого качества при скорости передачи данных от 4 до 9 Мбит/с. Он также эффективен при передаче данных с более высокой скоростью, которая требуется для HDTV (системы телевидения высокой четкости).

Сегодняшняя система аналогового ТВ использует чересстрочную развертку и содержит как поля, так и кадры. При кодировании сокращением избыточности блоки формируются либо на основе полей, либо на основе кадров, как было описано ранее, в зависимости от содержания изображения или от интенсивности перемещений в кадре. В вопросах внедрения систем, соответствующих требованиям стандарта MPEG-2, производители декодеров имеют достаточную свободу действий в пределах технических характеристик системы. Некоторые варианты реализации системы могут работать лучше, чем другие.

Существуют определенные положения концепции DVB (цифрового ТВ вещания), которые являются общими для всех составляющих ее систем. Они заключаются в следующем:

-- системы формируются из пакетов фиксированной длины, позволяющих гибко сочетать MPEG-2 видео, звук и данные;

-- все системы используют единый стандарт уплотнения транспортного потока MPEG-2;

-- все системы используют систему служебной информации (SI), обеспечивающую параметры программирования;

-- все системы используют общий внешний код (188, 204) Рида-Соломона с предварительной коррекцией ошибок;

-- метод модуляции и системы дополнительного канального кодирования выбираются в соответствии с требованиями службы провайдера;

-- во всех системах применяется общий метод скремблирования и система условного доступа.

Система DVB-S

Система цифрового ТВ вещания DVB-S (Digital Video Broadcasting -Satellite) предназначена для спутниковых каналов связи при ширине полосы пропускания транспондеров от 26 до 72 МГц, которая используется на подавляющем большинстве существующих ТВ спутников, таких как группы спутников Astra и Hotbird.

DVB-S представляет собой систему с одной несущей; ее удобнее описывать, используя аналогию с луковицей. Сердцевина «луковицы» - это материал программы (основная полезная нагрузка), а внешние слои надстраиваются сверху, чтобы защитить программу от ошибок во время передачи. Официальное название такой многослойной системы - «MPEG System Layer».

Полезная нагрузка может состоять из многих каналов, уплотненных с разделением во времени, располагающихся на одной несущей в режиме МСРС («много каналов на одну несущую»), или из одного канала при совместном использовании транспондера спутника в режиме SCPC («один канал на одну несущую»). Режим МСРС обеспечивает максимальное использование транспондера и позволяет оператору осуществлять передачу на полной мощности. Режим SCPC позволяет различным передающим станциям получить доступ к общему или поделенному транспондеру. Чтобы уменьшить интермодуляционную интерференцию между несущими при использовании одного транспондера, для режима SCPC применяется метод модуляции OQPSK (квадратурной фазовой манипуляции со сдвигом).

Видео-, аудио- и другие данные организуются в пакеты фиксированной длины (контейнеры) по 188 бит, включая 4-битовый заголовок. Затем предпринимаются следующие шаги:

1. В заголовок каждого восьмого пакета добавляется свой инвертированный байт синхронизации.

2. Содержимое пакета рандомизируется (перемешивается) заранее определенным образом.

3. Для пакетных данных применяется эффективный широкосистемный внешний код, заключающий в себе код (188, 204) Рида-Соломона с предварительной коррекцией ошибок и дополненный фиксированным 16-байтовым вспомогательным заголовком в виде (204 - 188) х 100/188 = 8, 51%.

4. Для содержимого пакета применяется сверточное чередование.

5. Добавляется второй (внутренний) код. Этот сверточный код может иметь размер вспомогательного заголовка, который регулируется в соответствии с требованиями вещателя.

6. Сигнал модулирует несущую спутникового вещания при помощи метода QPSK. Потоки многих каналов могут быть уплотнены с временным разделением (ТDМ) в единый MPEG-2 транспортный поток.

Система автоматически адаптируется к изменениям характеристик канала. В пределах параметров линии связи вещатель может варьировать двумя переменными: общим размером структуры сигнала и внутренним кодом, исправляющим ошибки. Приемник путем быстрого подбора будет автоматически настраиваться на передаваемые параметры. Например, вещатель может выбрать в качестве внутреннего кода сверточный код с коэффициентом 3/4.

Система DVB-SI

Стандарт MPEG-2 включает в себя программную специальную информацию (PSI), помогающую декодеру захватывать и декодировать структуру пакета. Эти данные передаются для автоматической конфигурации декодера вместе с видео и звуком и позволяют восстанавливать передаваемую видеоинформацию.

Стандарт MPEG-2 позволяет использовать вторую, но уже открытую систему служебной информации (SI). Данные о конфигурации декодера доступны в PSI, но система DVB-SI содержит дополнительную информацию, которая требуется для автоматической настройки приемника. Это необходимо из-за очень большого числа каналов, которые будут доступны в будущем. Понятно, что пользователю потребуется помощь в настройке. Дальнейшим применением для системы DVB-SI является развитие электронных программных путеводителей (EPG).

DVB-SI состоит из четырех главных таблиц и некоторого числа дополнительных:

-- NIT (Network Information Table) - таблица сетевой информации, в которой сгруппированы службы от конкретного вещателя. Здесь содержится вся информация по настройке для совмещенных приемников/декодеров (IRD). Она также используется для смены сигнала в информации о настройке;

-- SDT (Service Description Table) - таблица описания службы. Содержит список названий и систематизированных параметров, соответствующих конкретной службе;

-- EIT (Event Information Table) - таблица, использующаяся для передачи информации о технических параметрах уплотнения MPEG-2, например FEC и применяемый метод модуляции;

-- ТDТ (Time Date Table) - таблица, содержащая информацию о текущем значении времени и дате для обновления часов в IRD;

-- ВАТ (Bouquet Association Table) - дополнительная таблица соответствия, предоставляющая информацию о группах служб, связанных с конкретной службой провайдера (например, многоканальный пакет Sky). Конкретная служба может принадлежать более чем одному пакету программ;

-- RST (Run Status Table) - дополнительная таблица рабочего (текущего) состояния, обеспечивает подробную информацию о текущей программе или службе, а возможно также и информацию о других службах;

-- ST (Stuffing Table) - дополнительная таблица, которая используется для замены, аннулирования или модификации других таблиц SI.

Стандарт MPEG-2 Audio

Для кодирования звука используется спецификация 2 уровня MPEG (MUSICAM). MUSICAM (Masking pattern adapted Universal Sub-band Integrated Coding And Multiplexing) - универсальная интегрированная система поддиапазонного кодирования и мультиплексирования с маскированием, адаптированная к структуре сигнала. Система обеспечивает передачу звука CD качества на довольно низкой скорости, является очень гибкой в возможностях передачи моно-, стерео-, объемного звука или звука на нескольких языках. При использовании этого цифрового метода сжатия информации одна звуковая составляющая доминирует над другими составляющими, имеющими близкий, но более низкий уровень фоновых звуков или шумов, которые не будут слышны даже при воспроизведении с высоким качеством. Таким образом, избыточная информация не подвергается кодированию.

Стандарт MPEG-2 Video

В настоящее время стандарт MPEG-2 Video состоит из четырех исходных форматов:

-- Low level (низкий уровень). Это обычный формат качества VHS (или несколько лучше) со скоростью передачи информации примерно от 2 до 4 Мбит/с;

-- Main level (главный уровень). Формат студийного качества ITU-R ВТ601 со скоростью передачи информации около 9 Мбит/с;

-- High-1440 level (высокий 1440 уровень). Это формат высокой четкости, использующий 1440 отсчетов на строку;

-- High level (высокий уровень). Это формат высокой четкости, использующий 1920 отсчетов на строку.

Стандарт MPEG-2 Video также содержит гибкую систему методов сжатия данных, которая разделяется на профили. Каждый профиль определяет различный набор методов сжатия, возрастающих по сложности и стоимости реализации, и обладает полной обратной совместимостью с профилями, которые предшествуют ему по списку (например, декодер главного профиля будет также декодировать изображения простого профиля). Данные профили в общих чертах описаны ниже:

-- простой профиль. Использует минимум способов сжатия и применяется в самых недорогих моделях приемников;

-- главный профиль. Включает все способы простого профиля и дополнительно содержит предсказание по двум направлениям. Это обеспечивает лучшее качество изображения, чем при использовании простого профиля при одной и той же скорости передачи информации. Декодер главного профиля будет декодировать изображения простого профиля, однако он намного дороже. Строка последовательных цветоразностных сигналов может быть позже добавлена к этому профилю;

профиль, масштабируемый по отношению S/N. Обеспечивает дополнительные способы по улучшению отношения S/N, в настоящее время не поддерживается в системе DVB из-за возрастающей сложности декодера;

пространственно масштабируемый профиль. Проблемы его использования подобны описанным в предыдущем пункте; в настоящее время не поддерживается в системе DVB по тем же причинам;

высокий профиль. С его помощью можно кодировать строку одновременных цветоразностных сигналов. Он также предназначен для наиболее престижных систем, использующих очень высокую скорость передачи данных.

Первое поколение европейских моделей совмещенных приемников/декодеров IRD будет удовлетворять требованиям главного уровня, главного профиля вещания студийного качества с числом строк 625 и форматами изображения 4: 3, 16: 9 или 20: 9. Вещатели могут выбирать меняющуюся или постоянную скорость передачи данных, учитывая, что более высокие скорости передачи данных позволяют воспроизводить изображения с меньшими ошибками кодирования. Сегодняшнее качество изображений PAL и SECAM может быть получено при скорости передачи данных около 5-6 Мбит/с. Система MPEG особенно подходит для фильмов с частотой 24/25 кадров в секунду, поскольку их легче кодировать, чем видеофильмы, и они хорошо смотрятся даже при низкой скорости передачи данных. Типичная структурная схема полной системы передачи и приема сигнала DVB приведена на рис. 2.2.1

Система DirecTV

Система DirecTV, работающая в США и Европе, была создана в 1994 году и явилась первой системой непосредственного вещания сжатого цифрового ТВ сигнала. Система, использующая все 32 (или больше) лицензионные частоты спутника DBS, находящегося в позиции 101⁰ W, была предназначена для распределения 150 каналов потребителям, имеющим небольшие антенны диаметром 45 см и соответствующие модели IRD. Частоты вещания на линии связи вверх находятся в диапазоне 17, 3-17. 8 ГГц, а на линии связи вниз - 12, 2-12, 7 ГГц. Каждый транспондер способен обеспечить передачу четырех эфирных ТВ каналов или восьми каналов, передающих ТВ фильмы.

Рис. 2.2.1. Типичное построение системы передачи и приема сигнала DVB через спутник.

Каждый спутник имеет следующие технические характеристики:

Азимутальное расположение 101° западной долготы

Число транспондеров на борту 16

Мощность каждого транспондера 120 Вт

Ширина полосы каждого транспондера 24 МГц

Поляризация круговая

Зона обслуживания вся территория США и Европа.

Сжатая видеоинформация от любого источника уплотняется с временным разделением (TDM) в единый последовательный поток данных, что позволяет изменять число битов в секунду, выделенных для каждого источника, в соответствии с содержанием или форматом канала. До компрессии скорость передачи сигнала составляет 270 Мбит/с, а после MPEG-сжатия снижается до 3, 75-7, 5 Мбит/с, что соответствует коэффициенту сжатия в пределах от 36: 1 до 70: 1. Уплотнение с временным разделением обеспечивает скорость передачи, приближающуюся к 30 Мбит/с, что эквивалентно передаче от 4 до 8 ТВ каналов (в зависимости от содержания).

Достоверность сигнала DBS поддерживается мощной системой коррекции ошибок, базирующейся на сочетании сверточных кодов с кодом Рида-Соломона. Таким образом, сигнал DBS полностью защищен во время прохождения к декодирующей аппаратуре клиента, фактически гарантируется, что доступность сигнала составляет 99, 7% для среднего года. Канальное кодирование, которое имеет много особенностей, достаточно сложно с математической точки зрения. Но, поскольку все подробности реализации скрываются внутри микросхем, его детальное описание не входит в задачу данной книги. Поток данных модулирует несущую методом QPSK.

3. Качественные показатели каналов спутниковых линий

Качественные показатели каналов телевидения

Каналы и тракты спутниковых линий, входящие во взаимоувязанную сеть связи (ВСС) страны, нормируются на основе действующих в России единых для наземных и спутниковых систем связи и вещания норм и стандартов на каналы, групповые и цифровые тракты, а с учетом вхождения их в международные сети связи -- также в соответствии с документами международных организаций МККР (теперь Сектор радиосвязи МСЭ-Р) и МККТТ (теперь Сектор стандартизации МСЭ-Т), входящих в МСЭ.

Классификация спутниковых ТВ каналов

В спутниковых системах передачи организуются три типа ТВ каналов: магистральные каналы, распределительные для подачи ТВ программ в зоновые и местные ТВ сети и каналы для подачи (вещания) программ на установки индивидуального пользования.

Спутниковые магистральные ТВ каналы, организуемые на базе приемных станций «Орбита» и «Москва», по назначению и качественным показателям соответствуют магистральным ТВ каналам радиорелейных и кабельных линий, и обе линии вверх и вниз в них работают в диапазонах фиксированной спутниковой службы. Для организации телевизионных репортажей с мест актуальных событий широко применяются спутниковые транспортируемые видеорепортаж-ные станции. Эти каналы изображения телевидения и звукового сопровождения телевидения должны отвечать требованиям на магистральный канал.

Спутниковые системы распределительные или подачи (вещания) программ на индивидуальные приемные установки системы, как правило, организуются в диапазоне ФСС на линии вверх -- с помощью так называемых фидерных линий и в диапазоне вещательных служб -- на линии вниз.

Под ТВ каналом подразумевается совокупность двух каналов -- изображения и звукового сопровождения.

Спутниковые распределительные ТВ каналы с приемными установками I класса, например типа «Экран-ПП», должны быть эквивалентны по качественным показателям каналу наземной линии, состоящему из магистрального и внутризонового каналов.

Спутниковые распределительные ТВ каналы с приемными установками II класса для коллективного приема, например, типов «Экран-ПА», «Экран-КР», «Экран-КР10», предназначены для распределения программ центрального телевидения в населенные пункты с числом жителей 2.. .3 тыс. чел. (в местные сети распределения ТВ) с помощью маломощных (1; 10 Вт) ТВ ретрансляторов или сетей кабельного телевидения. К ним относятся и установки коллективного приема ТВ систем вещательного телевидения на базе отечественных спутников «Галс» или предназначенные для приема зарубежных программ, на базе спутников Astra, которые могут работать в разных диапазонах частот. Так, как известно, система «Экран» работает в диапазоне 700 МГц, а приемные установки новых разработок рассчитаны на прием программ в диапазонах фиксированной и вещательной служб в диапазонах 11 и 12 ГГц.

Спутниковые каналы для приема телевидения на установки индивидуального приема фактически состоят из канала подачи программ на линии вверх и канала вещания ТВ.

Гипотетические эталонные цепи

Рис.3.1.1. Гипотетическая эталонная цепь канала изображения спутниковой линии.

Для удобства нормирования и сравнения на общей основе каналов с различными структурами и длинами вводят гипотетические эталонные цепи (ГЭЦ); ГЭЦ магистрального канала изображения дана на рис. 3.1.1., содержит лишь одну линию Земля - спутник - Земля, причем она может содержать линию спутник - спутник. На земной передающей станции имеется модулятор для переноса модулирующего спектра основной полосы на ВЧ несущую, а на земной приемной станции -- демодулятор для переноса сигнала с ВЧ несущей на модулирующие частоты. Обычно при нормировании активные соединительные линии между земными станциями ЗС и коммутирующими центрами в ГЭЦ не включаются. С учетом средней длины спутниковых ТВ каналов и их функций принято, что спутниковый магистральный канал изображения по показателю отношение сигнал - взвешенный шум эквивалентен магистральному каналу наземной линии, состоящему из двух каналов длиной по 2500 км. По остальным показателям спутниковый канал изображения эквивалентен наземному магистральному каналу длиной 2500 км. В ГЭЦ канала

Рис. 3.1.2. Уровни в полном цветовом сигнале: L -- номинальный размах сигнала яркости от уровня гашения до уровня белого, 700 мВ; S -- номинальная амплитуда строчного синхронизирующего импульса, 300 мВ; М -- номинальный размах черно-белого сигнала от уровня синхронизирующих импульсов до уровня белого, 1 В; D -- мгновенное значение сигнала яркости по отношению к уровню черного; F -- мгновенное значение амплитуды цветового сигнала; G -- пиковая амплитуда сигнала цветности; Н -- размах полного цветового телевизионного сигнала от уровня синхронизирующего импульса до уровня установившегося максимального значения цветовой поднесущей на уровне белого, 1107 мВ; Н' -- мгновенное значение размаха полного цветового ТВ сигнала; J -- защитный интервал -- разность между уровнем черного и уровнем гашения (установочная -- O...SO мВ); К -- размах цветовой поднесущей -- 214 мВ в красных строках и 167 мВ в синих строках.

II класса дополнительно к элементам магистрального канала включают модулятор для получения стандартного ОБП-АМ вещательного сигнала на частоте стандартного наземного вещания в соответствии с ГОСТ 7845-92 и контрольный телевизионный демодулятор в соответствии с ГОСТ 20532-83, выделяющий ТВ модулирующий сигнал.

Уровни ТВ сигнала

Каналы изображения спутниковых линий предназначены для передачи сигналов черно-белого и цветного изображений, удовлетворяющих требованиям ГОСТ 7845-92. В России используется система цветного телевидения СЕКАМ, в которой информация о цветности передается методом ЧМ на поднесущих. Уровни полного цветового сигнала этой системы приведены на рис. 3.2.

Отношение сигнал-шум

Отношение сигнал-шум в канале изображения является важным показателем для энергетического расчета ТВ систем и планирования сетей вещания. В каналах изображения нормируются отношение сигнал - взвешенный шум, равное (в децибелах) отношению амплитуды от пика до пика сигнала изображения (параметр L на рис. 3.1.2) к эффективному значению шума, измеренному взвешивающим фильтром с полосой от 10 кГц до верхней частоты сигнала 6 МГц. Амплитудно-частотная характеристика взвешивающего фильтра позволяет учесть свойства зрения при восприятии флуктуационных помех в различных участках спектра. Используемый в настоящее время на новых спутниковых линиях подачи ТВ взвешивающий фильтр с т = 245 нс (рис. 3.1.3) в соответствии с Рек. МККР 567 позволяет захватить и область частот, в которой находятся поднесущие, содержащие информацию о цвете. Шумы измеряются прибором для измерения эффективных значений, их уровень определяется по формуле

где U_{эф ш} -- эффективное значение взвешенного шума, U_{c разм} -- размах видеосигнала между уровнями черного и белого (параметр L).

Нормированное отношение сигнал-шум должно выполняться в течение 99 % времени любого месяца. Допускается ухудшение нормированного отношения на 8 дБ в течение 0,1 % времени любого месяца. Нормирование в малом проценте времени особенно актуально для систем, работающих в диапазонах выше 10 ГГц.

В Рек. МККР 567-3 предлагается, чтобы полоса, в которой измеряется взвешенный шум, была равна 5 МГц. Но в нашей стране принято измерять шум в полосе 6 МГц, поскольку сигнал системы СЕКАМ занимает эту полосу. Полоса измерения формируется фильтром подавления НЧ помех (от сети питания и микрофонного шума) (АЧХ 1, рис. 3.1.4), взвешивающим фильтром с постоянной времени т = 245 нc (АЧХ 1, рис. 3.1.3). Во внедренных ранее системах применяется фильтр с постоянной времени t = 330 нс (АЧХ 2, рис. 3.1.3) и фильтром нижних частот, ограничивающим полосу измерения помех (АЧХ для f_в = 6 МГц, рис. 3.1.5).

Измерения с унифицированным для разных ТВ стандартов взвешивающим фильтром по Рек. МККР 567-3 с постоянной времени т = 245 нc для измерения флуктуационных помех в каналах черно-белого и цветного телевидения позволяют нормировать единое отношение сигнал - взвешенный шум при измерении в одинаковых условиях для разных ТВ стандартов. При этом шум для всех стандартов должен измеряться в полосе 5 МГц, формируемой фильтром нижних частот ФНЧ (АЧХ на рис. 3.1.6), схема которого аналогична схеме ФНЧ с полосой 6 МГц, но номиналы элементов другие. Низкочастотные помехи также подавляются специальным фильтром.

В табл. 3.1 приводятся нормы на отношение сигнал - взвешенный шум, получаемые при измерениях взвешивающим фильтром с т = 245 и 330 нc в полосе 6 МГц.

В системах передачи ТВ сигнала с частотной и амплитудной модуляцией для повышения помехоустойчивости сигналов применяют линейные частотные предыскажения видеосигнала на передающей стороне и частотное восстановление -- на приемной (Рек. МСЭ-Р 405, рис. 3.1.7).

Коэффициенты пересчета влияния контуров восстановления предыскаженного сигнала и взвешивающей цепи отдельно и вместе на значение защищенности от белого шума и шума с треугольной формой спектра приведены также в табл. 3.1. Треугольную форму имеет спектр шума на выходе спутникового канала, в котором сигнал ТВ передается ТВ методом ЧМ. На участке ретрансляции сигнала для потребителей применяется ОБП-АМ, спектр шума на выходе демодулятора AM сигнала равномерный.

Из табл. 3.1 следует, что при треугольной форме спектра шума совместное действие цепей восстановления и взвешивания унифицированной цепью с = 245 нс при передаче и измерении сигнала в полосе 6 МГц дает выигрыш 14,3 дБ и при белом шуме 1,7 дБ, при = 330 нс при передаче и измерениях в той же полосе -- соответственно 18,1 и 1,9 дБ. Эти выигрыши и учитываются при расчетах энергетики ЧМ и ОБП-ТВ систем.

Исходя из технических, организационных и экономических соображений и в соответствии с установленной эквивалентной длиной канала ГЭЦ в спутниковых каналах нормируются следующие отношения сигнал - взвешенный шум (с учетом контуров восстановления и унифицированного взвешивающего фильтра) на краю зоны обслуживания: в магистральных каналах -- 50 дБ, в каналах распределения ТВ с приемными установками I и II класса при эфирном вещании -- 46 дБ и в каналах распределения ТВ с приемными установками II класса при подаче на кабельные системы и приеме на индивидуальные установки -- 42 дБ. При использовании взвешивающего фильтра с постоянной времени = 330 нc значения отношения сигнал-шум увеличиваются примерно на 4 дБ.

Низкочастотная периодическая помеха (фон) измеряется при включении на выходе канала фильтра для выделения низкочастотных помех. Отношение размаха сигнала от уровня гашения до уровня белого к размаху фоновой помехи составляет 35. . .40 дБ (табл. 3.2).

Допустимые линейные и нелинейные искажения сигнала в магистральном канале нормируются в основном в соответствии с ГОСТ 19463-89. Спутниковые магистральные каналы изображения для распределения программ ТВ нормируются в соответствии с Правилами технической эксплуатации средств вещательного телевидения. Спутниковые магистральные каналы с установками коллективного и индивидуального приема систем непосредственного приема программ телевидения нормируются в соответствии с ГОСТ Р 50788-95.

В настоящее время в международных и национальных организациях интенсивно исследуются и активно разрабатываются стандарты цифрового стандартного, повышенного и высокой четкости качества телевидения с устранением избыточности ТВ сигналов и с соответствующим уменьшением скорости передачи, а также соответствующие методы передачи в ВЧ трактах, в частности спутниковых, формируются требования на канал изображения по аналоговым выходам. Проводятся большие исследования субъективного качества цифрового ТВ.

Разрабатывается семейство стандартов сжатия цифрового ТВ сигнала типа MPEG -- Moving Pictures Experts Group.



Стандарт MPEG-1, регламентирующий способ передачи цифрового ТВ сигнала на скоростях до 1,5 Мбит/с, в наибольшей степени подходит для электронной фотографии, видеоконференцсвязи, для мультимедиа, Т.е. для тех применений, где требуется передача неподвижных изображений с малой разрешающей способностью. Стандарт MPEG-2 оптимален для видеосистем с более высокоскоростными потоками. Первоначально предусматривалась скорость передачи от 4 до 15 Мбит/с, но для обработки видеопрограмм в студиях могут использоваться и скорости до 100 Мбит/с. В этих стандартах в едином информационном потоке передаются видеосигналы, звуковые сигналы и данные. Гибкость алгоритмов, используемых обеими системами MPEG, позволяет в будущем наращивать структуры оборудования для расширения функциональных возможностей только путем усовершенствования блока кодера. Все остальные функциональные элементы систем остаются прежними, и даже не требуется вносить изменений декодер на приемной стороне.

Существует до одиннадцати стандартов MPEG-2. Качество передачи в этих стандартах в основном оценивается субъективно: сложность субъективных испытаний состоит в отсутствии согласованных испытательных последовательностей изображений. Что касается нормирования каналов изображения, то в МСЭ-Р и МСЭ-Т согласовано мнение, что канал, составленный из аналоговых и цифровых секций, как и составленный только из аналоговых секций, должен отвечать рекомендациям на параметры и методы измерений Рек. МККР 567, в которую будут добавлены параметры и методы измерений для цифрового кодирования.

В связи с отсутствием согласованных решений по стандарту цифрового ТВ на международном и отечественном уровне требования к каналам изображения, организуемым цифровыми методами, постепенно пополняются и вносятся в Рек. МСЭ-Р 658. Заранее можно предположить, что в целом субъективное качество такого канала должно быть не хуже обеспечиваемого аналоговым каналом, отвечающим нормам Рек. МККР 567.

Универсальные блоки LNB

Теперь, когда цифровое ТВ вещание (DVB) становится общепринятым, существуют модифицированные разработки LNB, которые подходят для приема как аналоговых сигналов Кu-диапазона, так и цифровых сигналов во всем диапазоне частот 10,7-12,75 ГГц. Такие устройства стали называть универсальными LNB, и они хорошо приспособлены для приема сигналов со спутников Astra и Eutelsat.

Универсальные LNB охватывают (перекрывают) весь диапазон 10,7 - 12,75 ГГц и осуществляют понижающее преобразование сигнала при помощи местного генератора (гетеродина), который переключается в двух отдельных диапазонах ПЧ. Полученный сигнал затем может быть обработан приемником, находящимся внутри помещения, или совмещенным приемником/декодером (RD). Гетеродин частотой 9,75 ГГц переключается на выбранную спутниковую ПЧ нижней полосы (950-1950 МГц), а гетеродин частотой 10,6 ГГц используется для выбора спутниковой ПЧ верхней полосы (1100-2150 МГц) в распределительном устройстве.

Так как напряжение переключения 13/17 В уже используется для управления направлением поляризации, для управления частотой гетеродина во внутреннем приемнике применяется устройство дополнительного переключения. В недорогих блоках, распространяющихся на внутреннем рынке, применяется схемное решение, при котором по умолчанию включается гетеродин частотой 9,75 ГГц, а для включения по требованию гетеродина частотой 10,6 ГГц используется тоновый сигнал 22 кГц. Внутренний приемник вырабатывает все управляющие сигналы, необходимые как для поляризатора, так и для выбора полосы LNB, и посылает их вверх по коаксиальному кабелю к распределительному устройству, так что никаких дополнительных проводов не требуется. Имеются также варианты со сдвоенными выходами для питания двух отдельных приемников и двух полностью независимых переключаемых блоков LNB в одном и том же корпусе. Для таких недорогих блоков LNB номинальные значения коэффициента теплового шума в настоящее время составляют около 1,2 дБ.

Для приема сигналов всех расположенных рядом спутников SES системы Astra и Eutelsat Hotbird, находящихся соответственно в позициях 19,3°Е и 13°Е, необходим универсальный блок LNB, который покрывает все диапазоны FSS (10,7-11,7 ГГц), DBS (11,7-12,5 ГГц) и Telecom (12,5-12,75 ГГц). Спутники системы Astra имеют транспондеры с полосой пропускания 27 ГГц, а спутники Eutelsat Hotbird -транспондеры с полосой пропускания 33 ГГц. Распределение диапазонов и ввод в действие соответствующих станций спутников связи приведены в табл. 3.2.

Таблица 3.2. Ввод в действие станций спутников SES Astra и Eutelsat Hotbird

На свободном рынке и у кабельных операторов используются широкополосные двухвыходные устройства повышенного качества, в которых LNB обеспечивает два отдельных выхода для верхней (HI) и нижней (LO) полосы частот. Эти приборы обладают низким уровнем фазового шума, поэтому вполне подходят для приема сигналов нового цифрового ТВ стандарта. Для приема сигналов с двумя направлениями поляризации необходимо подключение ОМТ (разделитель поляризации - ортомод). Примером такого прибора является модель WDLNB 1000E производства фирмы Swedish Microwave которая обладает следующими основными параметрами:

-- Частота входного сигнала 10,7-12,5 ГГц

-- Коэффициент шума 0,8 дБ (номинальное значение), 1,0 дБ (максимальное значение)

-- Частота выходного сигнала 950-1950 МГц (нижняя полоса), 1100-2150 МГц (верхняя полоса)

-- Коэффициент усиления 52 дБ (±4 дБ)

-- Частота гетеродина 9,75 ГГц (нижняя полоса), 10,6 ГГц (верхняя полоса)

-- Фазовый шум гетеродина не более -75 дБ/Гц @ 10 кГц

-- КСВ на выходе (SWR) не более 2

-- Избирательность по зеркальному каналу не менее 40 дБ

-- Уровень сигнала гетеродина на выходе в полосе 1700 МГц не более -30 дБмВт

-- Источник питания постоянного тока 12-20 В при токе потребления (через любой соединитель) не более 300 мА

4. Спутниковые приемники

После понижающего преобразования в конверторе сигналы поступают на вход спутникового приемника (ресивера), где происходит выбор сигнала конкретного канала для просмотра. Кроме того, принятый сигнал необходимо преобразовать в форму, пригодную для подачи на вход обычного ТВ приемника и/или стереоаппаратуры. Приемники могут быть отдельными устройствами или входить в состав обычного телевизора в качестве дополнительного блока и содержать как минимум следующие схемные блоки:

о блок питания;

о блок спутникового тюнера/демодулятора;

о каскады обработки видеосигналов;

о каскады обработки звуковых сигналов;

о модулятор ВЧ диапазона ДМВ (UHF).

Используемые термины и сокращения

АПЧ (автоматическая подстройка частоты) - это метод, посредством которого частота настройки приемника автоматически удерживается в оптимальной точке. Это уменьшает возможность ухода настройки под воздействием изменений температуры и влажности.

АРУ (автоматическая регулировка усиления) - это метод автоматического поддержания уровня напряжения сильных сигналов по отношению к слабым. Таким образом цепи обработки сигналов защищаются от эффектов перегрузки и поддерживается постоянный уровень выходного сигнала.

ВЧ (высокая частота, или радиочастота) - высокая частота несущей, промодулированная частотой сигнала.

Гетеродин (местный задающий генератор) -- название синусоидального генератора (генератора синусоидального сигнала), который используется вместе с каскадом смесителя.

Девиация - мера того, насколько несущая частота отклоняется от своего номинального (центрального) значения модулирующим сигналом.

Коррекция предыскажений - процедура, обратная внесению предыскажений, методу, который применяется для подъема уровня (усиления) высоких частот перед передачей сигнала. Поскольку плотность шумов возрастает с частотой, последующая коррекция внесенных предыскажений (восстановление уровня) уменьшает уровень сигнала до номинальной величины и, следовательно, ослабляет высокочастотную составляющую шумов, приобретенную сигналом во время передачи.

MAC (уплотнение аналоговых составляющих) - ТВ система, применяющаяся для уменьшения эффекта перекрестной модуляции и совместимая с будущими ТВ разработками высокой четкости.

Основная полоса частот - термин, используемый для описания необработанных или исходных частот видеосигнала (до коррекции предыскажений и фиксации уровня) вместе с поднесущими частотами звука.

Полоса частот - общая ширина диапазона частот, занимаемая конкретным сигналом.

ПЧ (промежуточная частота) - термин, используемый для описания частоты сигналов на выходе понижающего преобразователя частоты (конвертора) или схемы смесителя (схемы изменения частоты).

Смеситель - схема, функцией которой является генерирование суммы и разности частот поступающего ВЧ сигнала и гетеродина.

ЧМ демодулятор - схема, с помощью которой происходит воссоздание исходного сигнала из ЧМ сигнала несущей. Данная схема иногда упоминается как дискриминатор.

РС - сокращение, применяемое для обозначения микропроцессора или предварительно запрограммированной интегральной схемы микроЭВМ (микроконтроллера), которые часто используются в системах управления и в системах настройки с синтезаторами частоты.

Тюнер/демодулятор

Спутниковый тюнер/демодулятор обычно изготавливается в виде единого блока или контейнера. Группа конвертированных с понижением частот (каналов) поступает от LNB через коаксиальный кабель на вход блока тюнера/демодулятора.

Внутри корпуса тюнера чаще всего размещаются следующие схемные блоки:

о инжектор напряжения питания постоянного тока для LNB;

о изолятор по постоянному току входа тюнера от источника напряжения питания LNB;

о ВЧ каскад, управляемый схемой АРУ, и фильтр;

о каскад второго понижающего преобразователя частоты (вторая ПЧ);

о ЧМ демодулятор;

о каскад АРУ;

о каскад АПЧ.

Типичная структурная схема модуля спутникового тюнера/демодулятора приведена на рис. 4.1.

Инжектор напряжения питания LNB

Напряжение постоянного тока, необходимое для питания блока LNB, составляет 15-24 В. Это напряжение, поступающее от источника питания приемника, вводится на вход кабеля для подачи на LNB. Вход ВЧ каскада приемника должен быть защищен от этого напряжения, поэтому в состав блока включается схема изоляции по постоянному току. Изоляция может осуществляться путем установки на входе конденсаторов или трансформаторов. В некоторых спутниковых приемных системах также применяется метод переключения поляризатора V/H при помощи изменения уровня напряжения. Это достигается за счет передачи вверх по кабелю напряжения постоянного тока. Например, напряжение 13 В может использоваться для переключения поляризатора на прием сигналов с вертикальной поляризацией, а напряжение 17 В - для переключения поляризатора на прием сигналов с горизонтальной поляризацией.

ВЧ каскад, управляемый схемой АРУ

Группа приходящих каналов поступает на вход ВЧ каскада. В этом каскаде часто происходит некоторая предварительная настройка выбранного канала и усиление сигнала по ВЧ. Усиление управляется напряжением, поступающим с выхода каскада второй ПЧ, поскольку сильные сигналы требуют меньшего усиления, чем слабые. Как правило, процесс настройки управляется микросхемой микроЭВМ или процессором настройки, вследствие чего управляющее напряжение заставляет изменяться напряжение смещения, которое прикладывается к варикапам (переменным конденсаторам) диодных схем. Однако основная настройка и фильтрация сигнала происходит в каскадах второго преобразователя частоты и ВЧ усилителя.

Каскады гетеродина и смесителя

Выходной сигнал гетеродина и приходящий ВЧ сигнал поступают на каскад смесителя, где генерируются как суммарные, так и разностные сигналы требуемого канала. Поскольку далее используется только разностный сигнал, полоса частот суммарного сигнала отфильтровывается каскадом ВЧ усилителя. Частота гетеродина меняется под воздействием управляющего напряжения, которое создается микро-ЭВМ или процессором настройки. Какой бы канал не был выбран, смешивание двух частот переносит поступающий сигнал в фиксированную полосу частот, центр которой располагается около номинальной частоты 460 МГц, хотя данное значение не является стандартизированным и может меняться в зависимости от конкретной модели приемника. Выходной сигнал смесителя называется сигналом второго преобразования частоты (второй ПЧ).

Усилитель второй ПЧ и фильтр

Назначением усилителя второй ПЧ (ПЧ2) является формирование сигнала в соответствии с требуемой характеристикой полосы пропускания и обеспечение основного усиления сигнала. Через каскад фильтра ПЧ могут пройти только частоты диапазона выбранного канала.

Ширина характеристики полосового фильтра ПЧ может меняться между 16 и 36 МГц, но обычно она составляет около 27 МГц. Например, спутниковые приемники системы Astra имеют характеристику, приведенную на рис. 4. 2. Приемники, предназначенные для работы со спутниками серии Eutelsat II, требуют более широкой характеристики фильтра ПЧ, составляющей 36 МГц. В принципе, каскад усилителя ПЧ можно рассматривать как полосовой фильтр канала с усилением. В некоторых моделях приемников высокого класса можно изменять ширину полосы пропускания усилителей ПЧ, чтобы обеспечить прием сигнала от большого количества различных спутников. Данная возможность имеет еще одно преимущество - уменьшение шумовой составляющей сигналов в условиях плохого приема путем ограничения полосы пропускания сигнала до величины, меньшей номинальной. Однако это достигается за счет потери качества изображения. В большинстве моделей усилитель сигнала ПЧ2 также управляется схемой АРУ. Таким образом автоматически поднимается уровень слабых сигналов по отношению к сильным. Выход каскада второй ПЧ используется как вход каскада детектора АРУ, выход которого, в свою очередь, используется для управления усилением каскадов ВЧ и ПЧ.



ЧМ демодулятор

Назначением ЧМ демодулятора является воссоздание исходной полосы частот видеосигнала и сопровождающих его звуковых поднесущих из полосы частот выбранного канала и удаление сигнала несущей. Выходной сигнал ЧМ демодулятора называется сигналом основной полосы.

Автоматическая подстройка частоты

Выходной сигнал с ЧМ демодулятора поступает на детектор автоматической подстройки частоты (АПЧ). Назначением данной схемы является формирование сигнала ошибки соответствующей полярности с целью получения требуемых значений корректирующих напряжений для подстройки входных каскадов схемы настройки частоты. Иногда управление осуществляется непосредственно процессором настройки или микроЭВМ. Отсутствие данной функции может привести к уходу настройки под воздействием температуры или влажности.

Приемники системы DVB

Структурная схема типичного спутникового приемника системы DVB/ MPEG-2 приведена на рис. 4. 22. Первое поколение приемников DVB представляет собой настольные модели совмещенных приемников/декодеров (IRD). Приемники имеют стандартные разъемы ВЧ и SCART плюс разъем (интерфейс) персонального компьютера для подключения к службам Internet через спутниковый канал связи. Каналы данных используются для получения технических параметров передачи и информации EPG (электронного путеводителя по программам). Приемник имеет слот (гнездо) для вставки смарт-карты. Система MPEG-2 является цифровым стандартом уплотнения звуковых и видеосигналов, который основывается на принципе дискретного косинусного преобразования с максимальной скоростью передачи данных 15 Мбит/с.

В состав принимаемых технических параметров входят частота вещания, параметры модуляции и описание услуг, предоставляемых при передаче объединенных сигналов различных служб. Настройка приемников производится автоматически при помощи встроенного программного обеспечения, что позволяет менять параметры вещания или даже переорганизовывать транспондеры спутника без перенастройки.