Исследование особенностей построения и применения спутниковых систем телевидения

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВПО «КубГУ»)

Физико-технический факультет

Кафедра оптоэлектроники

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

БАКАЛАВРА

Исследование особенностей построения и применения спутниковых систем телевидения

Работу выполнил Величко Иван Александрович

Направление 11.03.01 Радиотехника

Научный руководитель

канд. техн. наук, доцент А.Н. Казаков

Нормоконтролер инженер И.А. Прохорова

Краснодар 2015

РЕФЕРАТ

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

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

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

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

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

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. Классификация спутниковых систем телевидения

1.1 Фиксированные и вещательные системы

1.2 Аналоговые системы вещания

1.3 Системы вещания с временным разделением компонентов

1.4 Цифровые системы вещания

1.5 Системы телевидения высокой четкости (ТВЧ)

2. Наземная приемная установка

2.1 Состав установки непосредственного приема

2.2 Антенные системы

2.6 Поляризаторы

2.7 Высокочастотные головки

2.8 Внутренний блок

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

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

5. Перспективы развития систем спутникового телевизионного вещания

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ

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

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

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

При этом важным является решение следующих задач:

Изучить классификацию спутниковых систем телевидения;

Изучить принцип работы наземной приемной установки;

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

Предложить перспективы развития спутниковых систем телевидения.

1. Классификация спутниковых систем телевидения

.1 Фиксированные и вещательные системы

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

1.2 Аналоговые системы вещания

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

1.3 Системы вещания с временным разделением компонентов

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

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

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

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

) с разделением по частоте;

) с разделением по времени на видеочастоте;

) с разделением по времени на несущей частоте.

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

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

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

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

1.4 Цифровые системы вещания

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

.5 Системы телевидения высокой четкости (ТВЧ)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

2. Наземная приемная установка

2.1 Состав установки непосредственного приема

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

Рисунок 1 - Структурная схема приемной установки

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Таблица 1 - Зависимость коэффициента усиления антенны от диаметра

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

Рисунок 2 - К определению параболы

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

                                                       (1)

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

и                         (2)

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

Рисунок 3 - Параболоид

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

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

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

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

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

TS = Tу + Tтр + Tа                                           (3)

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

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

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

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

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

Рисунок 4 - Допуск на точность установки облучателя на фокальной оси

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

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:

= 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,- 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

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 - λ. 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 λ₂, равного , но меньше λ₃, 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 (λ₁, λ₂, λ₃, 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)

) 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 -  

) 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 - D = 1,4

1) Расчет угла места b и азимута А антенны Земной станции

 (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 g - коэффициент, учитывающий большую энергетическую полосу шума приемного тракта по отношению к полосе пропускания по уровню 0,7 (g = 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

) Расчет высокочастотной части линии ИСЗ-Земля

.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;

h - 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

.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;

l - длина волны, l = 26,9 мм.

Бортовая станция:

 (21)

) 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

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.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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].