Средства спутниковой связи

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Средства спутниковой связи

Спутниковая антенна

Спутниковая антенна -- это зеркальная антенна для приёма сигнала со спутника. Самыми распространёнными спутниковыми антеннами являются параболические антенны (их обычно и называют спутниковыми). Спутниковые антенны имеют различные типы и размеры. Наиболее часто подобные антенны используются для приёма и передачи программ спутникового телевидения и радио, а также соединения с Интернетом. Существует два вида параболических антенн -- прямофокусные и офсетные.

Прямофокусная антенна

Прямофокусная (осесимметричная) антенна является антенной классического типа параболоида вращения. Это способствует более точной ориентации на выбранный спутник. Обычно такие антенны используются для приёма сигнала в C-диапазоне, как более слабого, чем сигнал в Ku-диапазоне. Однако возможен приём сигнала и в Ku-диапазоне, а также комбинированный.

Офсетная антенна

Офсетная антенна -- наиболее распространена в индивидуальном приеме спутникового телевидения, хотя в настоящее время используются и другие принципы построения наземных спутниковых антенн. Офсетная антенна является эллиптическим параболоидом (в поперечном сечении эллипса). Фокус такого сегмента расположен ниже геометрического центра антенны. Это устраняет затенение полезной площади антенны облучателем и его опорами, что повышает ее коэффициент полезного использования при одинаковой площади зеркала с осесимметричной антенной. К тому же, облучатель установлен ниже центра тяжести антенны, тем самым увеличивая ее устойчивость при ветровых нагрузках. Офсетная антенна крепится почти вертикально. В зависимости от географической широты угол ее наклона немного меняется. Такое положение исключает собирание в чаше антенны атмосферных осадков, которые сильно влияют на качество приема. Обычно офсетные антенны используются для приёма сигнала Ku-диапазона (в линейной и круговой поляризации). Однако, возможен и приём сигнала в C-диапазоне, а также комбинированный.

Тороидальная антенна

Тороидальная параболическая антенна -- продукт новой категории, для приема спутникового сигнала с нескольких спутников без применения поворотных устройств. В отличии от обычных антенн эта парабола имеет более тщательно спроектированную отражающую поверхность. С помощью второго отражателя реализована возможность установки большего числа конвертеров для приема сигнала. В специфических условиях эта параболическая антенна открывает новые возможности для приема спутникового сигнала.Антенна изготовлена из гальванизированной стали покрытой полиэстеровым лаком. На держателе можно разместить до 16 конвертеров. Минимальный отступ между двумя соседними конвертерами: 3 градуса.Установка антенны требует точного соблюдения азимута, угла места, и наклона.

Для изготовления спутниковых антенн в основном используют сталь и дюралюминий. Любители спутникового ТВ иногда устанавливают мотоподвес (мотор), или позиционер. При помощи актюатора и по команде пользователя (или команде с тюнера) он позволяет повернуть антенну в позицию нужного вам спутника.

Какие бывают спутниковые антенны

В общем, пора приступить к написанию постов по конкретным элементам систем приема спутникового ТВ. Начну - с антенн.

Как я уже писал, уровень сигнала геостационарного спутника очень мал, поэтому для приема применяются узконаправленные антенны. Любая спутниковая антенна имеет в своем составе малошумящий деполяризатор-усилитель-конвертер (LNB - Low Noise Block). Фактически, сама “антенна” очень мала, а громадные “тарелки” - это всего лищь отражатели, фокусирующие сигнал в одной точке.

Самый простой и распространенный тип спутниковой антенны - это однозеркальная антенна с параболическим отражателем. Как известно, замечательное свойство параболы состоит в том, что параллельные ее оси лучи она фокусирует в одну точку. Если же изготовить металлический отражатель в форме параболы, то радиоволны от спутника, отразившись от него, сфокусируются в этой точке, в которой и размещается собственно приемная антенна, встроенная в LNB.

Выпускаются прямофокусные и оффсетные антенны. Прямофокусная антенна имеет осесимметричную форму, конвертер на ней располагается по центру. Принцип работы такой антенны наглядно можно показать на рисунке:

Подобная конструкция довольно проста, прямофокусные антенны можно собирать из отдельных “лепестков”, что дает преимущество при изготовлении больших антенн.

К сожалению, у прямофокусных тарелок имеются и недостатки. Во-первых, на рисунке “угол места” спутника (”высота” его над горизонтом) не очень большой. Если же спутник находится достаточно высоко (как чаще и бывает, например, в Москве угол места для Eutelsat W4 составляет 26 градусов), то “тарелка” смотрит высоко в небо и собирает внутри себя все осадки. Напомню, что СВЧ-сигнал через снег и воду не проходит. Во-вторых, у прямофокусной тарелки крепление конвертера находится довольно высоко, и для его обслуживания приходится куда-нибудь залезать.

Второй вариант - офсетные (то есть “смещенные”) тарелки, где “срез” делается не перпендикулярно оси параболы, а под некоторым углом. Выглядит это так:

Такая антенна отражает лучи не перпендикулярно своей плоскости, а “вниз”. Конвертер у нее находится не напротив центра антенны, а выносится в точку фокуса на “штанге”, прикрепленной к нижней части отражателя. В отличие от крепления конвертера на прямофокусной антенне, эта штанга с конвертером не “затеняют” полезную площадь отражателя, поэтому антенны небольших размеров (до метра в диаметре) преимущественно деляют офсетными.

Кстати, для жильцов дома напротив офсетная тарелка кажется направленной в их сторону, что пугает всевозможных параноидальных старушек. Они начинают писать письма во все инстанции с обвинениями владельца антенны в собственных болячках - “он нас облучает”. Не надо ставить очень большие антенны прямо перед чьими-то окнами.

Довольно важный показатель для параболической антенны - фокусное расстояние. В большинстве простых случаев оно не имеет значения, но при сборке систем для C-диапазона или установке мультифидов знание его будет очень полезно. Подробнее о влиянии фокусного расстояни речь пойдет в следующих записях, посвященных сложным приемным системам.

Отдельно следует упомянуть сетчатые или перфорированные антенны. Если “сетки”, особенно прямофокусные, довольно распространены и неплохо себя зарекомендовали в C-диапазоне, то для Ku-диапазона они не очень хороши. Из-за эффектов волновой оптики на отражение радиосигнала не влияют мелкие отверстия в рефлекторе, по размерам сравнимые с длиной волны. Для C-диапазона вполне допустимо изготовление антенн из мелкоячеистой сетки. Такие антенны получаются дешевле “сплошных” и выдерживают большую ветровую нагрузку, а это при диаметре полтора-два метра уже критично.

В Ku-диапазоне такие антенны уже не очень хороши. Впрочем, и здесь есть возможность снизить ветровую нагрузку. Питерская фирма Lans выпускает небольшие (60, 90 и 120 см) перфорированные антенны для Ku-диапазона. Они делаются не из сетки, а из металлического листа с небольшими (2-3 мм) отверстиями. Стоимость, правда, возрастает за счет использования перфорированного стального листа, но не критично. У меня стоят две такие антенны (60 и 90 см), я не жалуюсь.

Кроме однозеркальных параболических антенн, существуют и другие варианты антенн с отражателем. Я упомяну про антенны Кассегрена, Грегори и тороидальные антенны. Схемы Кассегрена и Грегори - это антенны с двумя рефлекторами. У Кассегрена первый рефлектор имеет параболическую форму, второй - гиперболическую, у Грегори оба рефлектора - параболы. Полезное свойств таких антенн - низкая кроссполяризация, то есть они эффективно предотвращают “смешивание” сигналов разных поляризаций. В большинстве случаев это неважно, но такие антенны используются некоторыми энтузиастами спутникового ТВ. Подробнее о них можно прочитать на форуме Альяно. На фотографии - антенна Грегори, сделанная на базе обычной офсетной “параболы”.

Отдельно стоит упомянуть про “тороидальные” антенны. Этот тип двухзеркальных антенн появился сравнительно недавно, но сразу получил большое распространение. Замечательное свойство тороидальной антенны состоит в том, что она нормально фокуирует всю “дугу Кларка”, а не один-единственный спутник, на который она направлена. Такая антенна позволяет одновременно принимать спутники с разбросом орбитальных позиций в 50 градусов. Согласитесь, звучит заманчиво. К сожалению, сейчас выпускаются только тороидалки, эквивалентные по параметрам 90 см антенне, а это не очень много для приема интересных “европейских” спутников. В Москве на 90 см можно принимать 9E, 13E, 36E и 80E - две “обычные” тарелки (одна с мультифидом 9+13+36) обойдутся дешевле.

В сытой и богатой Европе, над которой висит множество мощных спутников, иногда применяют диэлектрические антенны, в которых фокусировка осуществляется “линзой” из диэлектрика. Знающий физику поймет, не знающий - поверит на слово. Отражатель в таких антеннах - плоский, а LNB крепятся на специальном держателе.

Кроме того, недавно появились плоские антенны. В них нет LNB, а антенна состоит из множества одинаковых приемных “модулей”, работающих по принципу фазированной решетки. Контролер антенны может переключать эти модули в соответствии с заданным направлением и поляризацией сигнала.

Стоимость даже небольшой такой антенны довольно высока - представьте, сколько в ней напихано малошумящих СВЧ-транзисторов.

Напоследук упомяну о том, что в той же сытой и благополучной Европе для приема спутников можно применять и “обычные” направленные антенны (вариации на тему Яги, радиолюбители поймут). В таких антеннах LNB “встроен” в антенну - как усилитель в популярные “польские” антенны для эфирного ТВ.

Несмотря на обилие “экзотических” антенн, “любительские” системы приема спутникового ТВ обычно построены на базе однозеркальных параболических антенн. Поэтому дальше речь пойдет именно про них.

В России и на Украине доступно огромное количество спутниковых антенн разных производителей: польские Globo, Mabo, датские Triax, харьковские “Вариант”, ульяновские “Супрал”, петербургские Lans, немецкие Golden Interstar, и многочисленные китайские поделки на тему “2 метра из фольги”. Выбор богат, но сильно зависит от региона, поэтому ограничусь общими рекомендациями.

Большие антенны (более 120 см в диаметре) применяются в основном в C-диапазоне, для них важно знание фокусного расстояния для правильного выбора облучателя на конвертер. Эти антенны часто бывают прямофокусными. В C-диапазоне допустимо применение недорогих антенн из мелкоячеистой сетки.

Антенны диаметра 120 см и ниже чаще бывают офсетными и применяются для Ku-диапазона. Перфорированные антенны малых диаметров не распространены, но смотрятся необычно.

Основные размеры антенн - 40, 60, 90, 120, 150 и 180 см. Антенны больших диаметров применяются редко. Чем меньше диаметр антенны, тем проще ее настраивать - шире диаграмма направленности (легче “попасть” в спутник) и проще вращать антенну.

“Сплошные” металлические антенны делаются из стали или алюминия. Стальные антенны прочнее и выдерживают более сильный ветер. К сожалению, они довольно тяжелые и дорогие, а также подвержены коррозии при отсутствии обслуживания. Алюминиевые антенны не ржавеют, но менее прочны - особенно грешат этим китайцы, делающие антенны чуть ли не из фольги. При сильном ветре дешевую 120 см прямофокусную тарелку буквально “сворачивает в трубочку”.

Иногда “в хозяйстве” оказываются антенны от всевозможной военной или связной техники. При наличии прямых рук такие антенны идеально подходят для приема спутникового ТВ, а стоимость трехметровой “сетки” от списанной тропосферной станции может составить две бутылки водки.

Спутники, орбиты и диапазоны

спутниковая антенна офсетная параболическая

Впервые система спутниковой связи была описана в статье Артура Кларка (между прочим, известного писателя-фантаста) в 1948 году. Кларк предлагал разместить на геостационарной орбите три спутника, которые могли бы ретранслировать данные друг другу. Такая система обеспечивала бы круглосуточную глобальную связь, действующую везде, кроме приполярных районов.

Между прочим, в статье довольно реалистично описаны те проблемы, которые возникают и сейчас при использовании геостационарных спутников.

Конечно, современные системы спутниковой связи, такие как Iridium, устроены гораздо более сложно. Но именно геостационарные спутники сейчас применяются для телевещания и прочих систем стационарной спутниковой связи.

Основной недостаток геостационарных спутников - высота орбиты. Проходя многие тысячи километров, сигнал очень сильно ослабляется. Поэтому для его приема необходимы узконаправленные антенны довольно внушительных размеров. Раз уж речь зашла про антенны, надо упомянуть о выделенных для канала “спутник-земля” диапазонах.

Сейчас основные диапазоны, используемые для ретрансляции телепрограмм со спутников - это диапазоны C (Це) и Ku (K-upper, Ку). Первый из них охватывает частоты от 3650 до 4200 МГц, второй - от 10700 МГц до 12750 МГц. Естественно, сигнал такой частоты затруднительно передавать по кабелю, поэтому непосредственно на приемной антенне устанавливается малошумящий конвертер (LNB - Low Noise Block), предназначенный для понижения частоты до “спутниковой промежуточной частоты” - от 950 до 2150 МГц. Об устройстве приемных антенн я напишу отдельный пост. Как предсказывал Кларк, на геостационарных спутниках тоже применяются направленные антенны, что позволяет более эффективно использовать мощность установленных на спутнике передатчиков. Зона покрытия такой антенны называется лучом (beam). На большинстве спутников установлена одна или две антенны, иногда направленные в совершенно разные стороны.

Российский и африканский лучи спутника Eutelsat W4

Красная линия на карте - область геометрической видимости спутника, ограниченная проведенной к Земле касательной из точки, где тот находится. Как видно из карты, спутниковое телевидение недоступно разве что полярникам в Антарктиде и эскимосам в Гренландии, во всех остальных точках Земли есть возможность увидеть хотя бы один спутник.

Для того, чтобы указать геостационарный спутник, надо знать его орбитальную позицию - долготу меридиана, над которым тот находится. Например, Eutelsat W4, “висящий” над Восточной Африкой, обычно называют 36E - “36 градусов восточной долготы”, а то и просто - “тридцатишестиградусник”. Сейчас эксплуатируется несколько десятков геостационарных спутников, посмотреть на их зоны покрытия можно на сайте SatBeams.com.

Конечно, в реальной жизни не бывает ничего идеального, и реальные “геостационарные” спутники немного колеблются вокруг своего теоретически предсказанного положения. Дифференциальные уравнения, описывающие движение спутника на орбите, имеют особую точку типа центра - во как загнул! На самом деле это означает, что спутник будет двигаться в окрестности своей позиции по траектории, напоминающей эллипс. Это явление называется либрация.

Обычно спутник за сутки может отклониться от своей орбитальной позиции где-то на полградуса, но многие спутники “удерживаются” в своей позиции гораздо более точно. Колебания спутника обычно незаметны при использовании антенн с небольшими размерами - центральный лепесток их диаграммы направленности имеет “ширину” около 1-2 градусов, но в профессиональных системах с диаметром рефлектора в 3-5 метров приходится дополнять антенну автоматической следящей системой, которая подстраивает антену вслед за колебаниями спутника.

Явление либрации используется при эксплуатации орбитальных группировок - нескольких спутников в одной орбитальной позиции. Параметры либрации спутников согласовываются так, что они двигаются вокруг одной точки по одной траектории, не сталкиваясь друг с другом. Для наземной приемной станции все эти спутники выглядят, как один. Конечно, организация такой “карусели” - довольно сложное мероприятие, приходится постоянно корректировать движение спутников. Обычно спутники, работавшие в составе таких группировок, по мере расхода топлива выводятся в другие орбитальные позиции. На данный момент фирма Eutelsat - крупнейший европейский спутниковый оператор - может обслуживать группировки до пяти космических аппаратов.

Для спутникового телевещания сейчас используются стандарты DVB-S и DVB-S2. Они предусматривают использование цифровых видов модуляции (различные варианты PSK - Phase Shift Keying, передача со сдвигом фазы) с коррекцией ошибок. Ширина полосы сигнала при использовании их для телевещания составляет около 20-30 МГц, а частотный ресурс ограничен. Во-первых, на соседних спутниках не должно вестись вещания на близких частотах, во-вторых, даже в довольно внушительных на первый взгляд С и Ku диапазонах места на самом деле оказывается совсем немного. Положение спасает использование поляризованного сигнала. Обычно применяется “линейная” поляризация (два перпендикулярных направления - “вертикальная” и “горизонтальная”), в России чаще используется “круговая”, когда плоскость поляризации сигнала вращается вправо или влево. LNB позволяют выбирать поляризацию принимаемого сигнала.

Для того, чтобы “настроиться” на сигнал со спутника и декодировать его, необходимо знать частоту и поляризацию транспондера (проще говоря, установленного на спутнике передатчика), символьную скорость (Symbol Rate) - количество передаваемых в секунду символов, варьируется от 3000 до 40000 мегасимволов в секунду, обычно бывает около 27000 Мс/с и FEC - вариант алгоритма коррекции ошибок, указывается в виде дробного числа, например, 5/6 означает, что из 6 битов 5 - биты данных и 1 - проверочный. Декодеры обычно автоматически определяют вид модуляции, и выдают на выходе поток битов - то, что передается по радиоканалу.

В стандартах DVB-S и DVB-S2 предусмотрено мультиплексирование нескольких каналов на одном транспондере. Канал определяется своим номером SID (Service ID), который присутствует во всех пакетах с данными, относящимися к этому каналу. Также могут передаваться аудиодорожки к каналам и “транспортные потоки” - обычно содержащие служебную информацию для каких-либо целей. DVB определяет лишь содержимое аудио- и видеопотока - это тривиальные MPEG-2 и MPEG-4 для видео и MP-3 или AC3 для аудио. Транспортные же потоки могут содержать что угодно - вплоть до данных, используемых “спутниковым интернетом”.

Размещено на Allbest.ru