Расчет линии связи для системы телевидения

1. Введение

1.1. Общее описание системы спутникового телевизионного вещания

1.2. Краткое описание параметров системы связи

1.3.Краткое описание технических средств, используемых в данной системе связи

1.4. Состав земных и космических станций

2. Принципы построения систем спутникового цифрового ТВ вещания

2.1. Методы формирования и передачи сигналов телевидения и звукового вещания

2.2. Система DVB/MPEG-2

3. Качественные показатели каналов спутниковых линий

4. Спутниковые приемники

5. Расчет линии связи

5.1.Общие сведения

5.2. Расчет цифровой линии связи Список используемой литературы Приложение

1. Введение

Идея использования космического пространства давно волновала лучшие умы человечества. Пока не могли вывести на околоземную орбиту летательный аппарат с отражателем на борту, космическая связь оставалась мечтой. Правда, было предложение использовать в качестве отражателя Луну, но этот проект имел ряд недостатков, и главным из них был слишком малый уровень отраженных сигналов.

Сейчас трудно восстановить, кому первому принадлежит идея спутниковой связи. Считается, что использование геостационарного спутника для целей радиовещания было предложено американцем А. Кларком в 1945 г. Первый спутник связи с пассивным отражателем Score был запущен в 1958 г. в США. Связь через активные спутниковые ретрансляторы осуществилась позже: с 1962 г. Через спутник Telsar и с 1963 г. через первый геостационарный спутник Syncom. Первый спутник связи Early Bird международной системы Intelsat был выведен на орбиту 6 апреля 1965 г., а 23 апреля 1965 г. был запущен советский спутник связи «Молния-1» для ретрансляции информации. Началось практическое освоение космического пространства для передачи информации на большие расстояния.

Преимущества спутниковой связи были сразу же по достоинству оценены. Линия связи через спутниковый ретранслятор обладает большой пропускной способностью, перекрывает огромные расстояния, вследствие низкого уровня помех может передавать информацию с высокой надежностью. Эти достоинства делают спутниковую связь уникальным и эффективным средством передачи информации.

Спутниковая система состоит из множества наземных станций и ретранслятора, находящегося на спутнике. При движении спутника относительно Земли наземные станции должны следить за его движением, пока он не скроется за горизонтом. При этом связь нарушается или же на небосклоне появляется другой спутник, принимающий эстафету у предыдущего.

Особый интерес представляет геостационарная орбита — круговая орбита, находящаяся в экваториальной плоскости и удаленная от поверхности Земли на расстояние около 36 тыс. км. В случае, когда направление движения спутника на этой орбите совпадает с направлением вращения Земли, спутник оказывается неподвижным относительно наземного наблюдателя. Такой спутник называют геостационарным. Геостационарная орбита уникальна, другой такой орбиты не существует.

Преимущества связи через геостационарный спутник прежде всего состоят в том, что передача и прием сигналов возможны при неподвижных антеннах наземных станций, а высота геостационарной орбиты такова, что спутник «видит» почти третью часть поверхности земного шара.

В то же время вследствие большой высоты орбиты на спутнике необходимо иметь антенны с большим усилением для компенсации потерь на распространение радиоволн. Кроме того, требуется удерживать спутник точно на орбите, для чего на спутнике необходимо иметь корректирующие двигатели и соответствующие системы управления, работающие по командам с Земли. Периодически включаемые реактивные двигатели компенсируют отклонения стационарного спутника от занимаемой позиции. Обычно запаса топлива хватает на 5 — 7 лет, что и определяет срок функционирования спутника.

Особую важность для потребителей представляет использование спутниковых систем для передачи данных, связи между компьютерами, связи между банками и учреждениями, сбора данных, распределения телевизионных программ. В качестве ориентира скажем, что диалог терминалов создает пиковый трафик 2400 бит/с, передача математических программ 50 кбит/с, передача массивов данных 1 Мбит/с.

1.1 Общее описание системы спутникового телевизионного вещания

Термин «спутниковое вещание» требует некоторого уточнения. В действующем Регламенте радиосвязи к радиовещательной спутниковой службе отнесены ССС, рассчитанные на подачу вещательных программ на индивидуальные и коллективные приемные установки для непосредственного приема населением (непосредственное телевизионное вещание), в то время как в системах фиксированной спутниковой службы (ФСС) допускается использование сигнала только тем органом для которого это сигнал предназначен.

Последующая практика показала, что технически стирается существовавшая ранее четкая грань между спутниками радиовещательной и фиксированной спутниковых служб, поскольку прием сигналов со спутников ФСС среднего уровня мощности (Astra, Eutelsat II, Telecom II) возможен на сравнительно недорогую приемную установку и вполне доступен индивидуальному пользователю. В этих условиях на смену понятию «непосредственное телевизионное вещание», связанному с радиовещательной спутниковой службой, приходит более широкое понятие «непосредственный прием», не связанное с конкретными службами и диапазонами частот (в англоязычной литературе ному термину соответствует DTH: direct-to-home). Легальность индивидуального приема (без последующего распределения) программ с любых спутников установлена Брюссельской конвенцией 1974 г. и закреплена в законодательстве большинства развитых стран. Концепция DTH предполагает не только техническую возможность приема сигнала на антенну небольшого диаметра, но и соответствующий подбор пакета программ по интересам средней семьи (фильмы, спорт, детская программа, передачи для женщин, новости), а также организацию подписки на пакет (программы передаются, как правило, в закодированном виде).

В отечественной практике, где до 1989 г. понятие индивидуальною приема со спутников отсутствовало, для обозначения любого процесса циркулярной передачи программ от передающих станции к приемным через ИСЗ использовался термин «спутниковое вещание».

Кратко рассмотрим некоторые спутниковые системы непосредственного телевизионного вещания диапазона 12 ГГц и системы типа DTH диапазона 11 Гц. Достаточно трудно выделить их из общего перечня систем спутниковой связи, так как более 60% трафика спутниковых систем в мире составляет передача телевидения, в отдельных системах эта доля достигает 90%. Выбраны те системы, подсистемы и конкретные ИСЗ, вся пропускная способность которых отдана под передачу телевидения и звукового вещания.

Несомненные преимущества спутникового вещания обусловили его широкое развитие во многих странах мира. В зависимости от размеров зоны обслуживания, содержания и источников формирования передаваемой программы принято различать национальные (действующие в пределах одной страны) и региональные (действующие в пределах группы соседних стран) системы спутникового вещания.

В национальной системе передаются, как правило, общедоступные ТВ программы некоммерческого характера на языках данной страны, рассчитанные на прием большей частью ее населения. Именно для таких систем в первую очередь предназначен диапазон 12 ГГц, хотя сегодня многие страны используют для национального ТВ вещания и диапазоны ФСС. Согласно решению Международного союза электросвязи (ITU), земной шар делится на три района. Для России, Европы, стран СНГ, Африки и Среднего Востока это район № 1. Которому соответствуют частоты фиксированной спутниковой службы: 10,70 — 11,70 ГГц

12,50 — 12,75 ГГц

17,70 — 21,20 ГГц Служба непосредственного ТВ вещания:

11,70 — 12,20 ГГц Служба спутникового вещания:

21,40 — 22,00 ГГц.

Региональные системы действуют в основном в рамках ФСС, допускающей подачу сигналов за пределы национальной территории. Программы носят преимущественно коммерческий характер, иногда передаются в закодированном виде, зачастую снабжены многоязычным звуковым сопровождением и формируются в расчете на определенные категории телезрителей по культурным запросам, профессиональным интересам и другим признакам.

Наиболее популярной в Европе региональной спутниковой системой передачи телевидения является, безусловно, Astra, включающая на сегодняшний день четыре спутника с индексами А, В, С, D, работающие в одной точке 19,2° в.д. в смежных участках полосы частот 10,7… 11,7 ГГц. Владельцем спутников является консорциум частных и государственных банков ряда европейских стран с участием правительства Люксембурга. Сигналы с ИСЗ ASTRA принимают более 90% приемных установок в Европе.

Спутники содержат по 16 одновременно работающих стволов, распределенных в четыре группы по 4 ствола. Каждая группа соединена со своим облучателем, формирующим слегка отличную диаграмму направленности. Зоны обслуживания охватывают почти всю Западную и Центральную и восточную Европу, обеспечивая в центральной части зоны ЭИИМ (англ. EIRP — эффективная изотропно — излучаемая мощность — параметр, объединяющий мощность передатчика (или транспондера) и коэффициент усиления передающей антенны) 51…52 дБВт, что достаточно для приема на антенну диаметром 60…80 см.

В ноябре 1995 г. запущен пятый ИСЗ из этой серии ASTRA-1E с 18 стволами в диапазоне 11,7. .12,1 ГГц, предназначенный для цифровых передач. Стволы с горизонтальной поляризацией на этом ИСЗ по примеру Eutelsat II имеют зону обслуживания, расширенную на восток до Москвы.

Технические данные спутников ASTRA приведены в табл. 1.1

Таблица 1.1. Технические данные спутников ASTRA.

Идея размещения в одной точке орбиты нескольких ИСЗ смежных диапазонов для организации ТВ вещания оказалась весьма плодотворной. По этому пути пошла организация Eutelsat, запустив в точку 13° в.д. в дополнение к работающему там с 1990 г. Eutelsat II F1 новый спутник Eutelsat II F6 (коммерческое название Hot Bird), стволы которого размещены в полосе частот 11,2… 11,53 ГГц, не используемой Eutelsat II F1. Все стволы на обоих ИСЗ предназначены для передачи телевидения, так что на одну антенну, ориентированную в точку 13° в.д., можно будет принять до 40 ТВ программ. Отличительной особенностью Eutelsat II F6 является специально разработанная передающая бортовая антенна широкого луча, обеспечивающая еще более широкую зону обслуживания на востоке с более равномерным распределением поля, чем у других спутников семейства Eutelsat.

Принято решение о запуске в 1996 г. и начале 1997 г. в эту же точку еще двух ИСЗ Hot Bird 2 и Hot Bird 3 с 20 стволами мощностью 110 Вт на каждом, предназначенных преимущественно для ТВ передачи в цифровой форме с компрессией. Спутники имеют лучи с европейским покрытием (от Лондона до Москвы) и ЭИИМ не менее 51 дБВт и более узкие лучи, охватывающие Центральную Европу с ЭИИМ 54 дБВт.

Принятие в 1977 г. Плана ВАКР-77 стимулировало создание в Европе национальных систем с мощными спутниками, работающими в диапазоне 12 ГГц. Примечательным в этом плане оказался 1989 г., когда была завершена работа над четырьмя такими системами.

Совместный проект TDF (Франция)-TVSat (ФРГ) разрабатывался с 1980 г. при полной поддержке правительств обеих стран. Параметры спутников полностью соответствуют Плану ВАКР-77. Спутники TDF и TVSat практически одинаковы и различаются в основном передающими антеннами. Каждый рассчитан на передачу ТВ-программ в пяти каналах, выделенных стране Планом ВАКР-77. После многочисленных задержек были запущены два спутника TDF (в 1988 и 1990 гг.) и один TVSat (в 1989 г.).

С 1980 г. в Швеции разрабатывался проект многоцелевого ИСЗ Tele-Х, предназначенного для ТВ вещания и связи. Через три рабочих ствола Tele-Х с большой выходной мощностью в каналах 26, 32, 40 планировалось передавать программы коммерческого телевидения в стандарте D-MAC. Однако как коммерческое предприятие Tele-Х успеха не имел и долгое время бездействовал. Лишь в 1991 г. началось использование его стволов для передачи шведских и норвежских программ.

Четвертой системой диапазона 12 ГГц, введенной в строй в 1989 г., явилась частная британская система BSB спутники которой Marco Polo 1 и 2 были выведены в точку 31° з. д в 1990 гг.

1.2 Краткое описание параметров системы связи

В данном пункте вводятся основные понятия цифрового ТВ вещания (DVB — Digital Video Broadcasting), которое более подробно освещено в основной части курсового проекта.

В ближайшее время ожидается быстрый переход к цифровому ТВ вещанию (DVB) с использованием международных стандартов сжатия данных и цифровой (фазовой) модуляции сжатых сигналов MPEG-2 (ISO/IEO 13 818) (MPEG - Moving Picture Expert Group. Специальная группа экспертов по вопросам кинотехники; алгоритм и группа стандартов сжатия видео изображений и звука). Эти стандарты приняты в Европе и многих других странах для передачи цифрового ТВ сигнала через спутники и кабельные системы. Поскольку применение данных стандартов обеспечивает экономное использование полосы частот и высокую помехоустойчивость, существуют планы по их распространению на наземное ТВ вещание.

Первое поколение бытовых приемных устройств DVB представляет собой настольные модели совмещенных приемников/декодеров (IRD). Приемники имеют стандартные разъемы ВЧ и SCART для подсоединения к антенне, кабелю и ТВ/ВМ (TV/VCR). В моделях высокого класса устанавливается разъем для подключения персонального компьютера, так что их можно использовать для мультимедийных средств и подключения к Internet. Спутниковые каналы идеально подходят для доставки страниц Всемирной паутины, поскольку они обеспечивают широкую полосу пропускания.

Скорость передачи данных, применяемая для ТВ вещания, может быть выбрана в зависимости от требований, предъявляемых ТВ вещателями к качеству сигнала. Видеосигналы VHS хорошего качества могут быть получены при скорости передачи данных 2 Мбит/с. Стандартное качество сигналов PAL/SECAM/NTSC получается при скорости передачи данных в диапазоне 4−6 Мбит/с. Студийное качество сигналов D2-MAC и PAL+ может быть получено на скорости в 8 Мбит/с. Для передачи сигналов телевидения высокой четкости (HDTV) понадобилась бы максимальная скорость передачи данных в 15 Мбит/с.

Для кодирования звука применяется алгоритм второго уровня MPEG 11 (ISО/IЕО 13 818−2), который основывается на системе поддиапазонного кодирования MUSICAM. Для обеспечения качества звука, примерно соответствующего качеству CD, необходима скорость передачи данных порядка 192 Кбит/с.

Стандарт MPEG-2 позволяет объединить потоки многих видеосигналов, звуковых сигналов и сигналов передачи данных в единый транспортный поток для передачи через спутниковый канал связи. Данный метод уплотнения позволяет передавать таким образом много различных программ через один поток 38.01 SM бит/с на одном транспондере спутника связи. Примерный состав транспортного потока, который используется в Европе, приведен в табл. 1.2.

Таблица 1.2. Состав транспортного потока Основным методом модуляции, принятым для передачи по спутниковым каналам, является метод QPSK (квадратурная фазовая манипуляция), а для передачи по кабельным сетям 64-QAM (квадратурная амплитудная модуляция).

1.3 Краткое описание технических средств, используемых в данной системе связи

Важнейшие показатели земных станций (ЗС).

Большинство ЗС ФСС работает в диапазонах 4 или 11 ГГц на прием и 6 или 14 ГГц на передачу.

Добротность станции на прием G/T — отношение усиления антенны (в децибелах на частоте приема) к суммарной шумовой температуре станции (в децибелах относительно 1 К); достигает 42 дБ/К для самых больших применяемых на практике антенн (диаметром 32 м) и составляет 20…31,7 дБ/К для ЗС большинства национальных и региональных систем.

Эквивалентная изотропно излучаемая мощность (ЭИИМ) — произведение мощности передатчика на усиление антенны (в полосе передачи) относительно изотропной антенны; обычно находится в пределах 50. .95 дБВт. Для упрощенного расчета помех, создаваемых другим сетям связи, часто указывают максимальную спектральную плотность излучаемой ЗС ЭИИМ (Вт/Гц), хотя точный расчет перекрестных помех требует знания структуры применяемых в системе сигналов (вида и параметров модуляции и т. п.).

Микроволны и место приема сигналов.

Передача сигналов от спутника на Землю осуществляется посредством микроволнового электромагнитного излучения, которое по частоте намного выше, чем сигналы обычного телевещания в диапазонах MB/ДМВ (VHF/UHF). Несмотря на волнообразную природу микроволны подвергаются сильному ослаблению из-за водяных испарений и других препятствий на линии прямой видимости антенны. Мощность передаваемого микроволнового сигнала ко времени достижения им Земли становится чрезвычайно слабой. Если не использовать специальное оборудование и не принимать соответствующие меры предосторожности при его установке, сигнал может быть подавлен окружающими его шумами. На месте приема телевизионной приемной системы (TVRO) устанавливается антенна, которая собирает и концентрирует сигнал в фокусе, где находится прецизионно установленный облучатель. Он направляет микроволны на электронный компонент, называемый малошумящим блоком (LNВ). Этот блок усиливает и преобразует сигнал вниз на частоту, которая более удобна для передачи далее по кабелю на приемник (ресивер), расположенный внутри жилого помещения.

Между облучателем и LNB может быть расположен поляризатор, назначение которого будет объяснено чуть позже. Комплект, состоящий из облучателя, поляризатора и LNВ, часто называют головкой облучателя. Типичная конфигурация линии связи вниз от спутника средней мощности до внутреннего помещения изображена на рис. 1.3.1.

Рис. 1.3.1. Типичная конфигурация линии связи вниз.

Антенна, или тарелка, собирает чрезвычайно слабый микроволновый сигнал и осуществляет его фокусировку. Поверхность антенны должна иметь высокую отражающую способность по отношению к микроволнам. Антенна имеет форму параболоида, который обладает уникальным свойством переносить все излучение, падающее параллельно его оси, в фокус (см. рис. 1.3.1). Существует два основных типа антенн — параболическая (прямофокусная) и офсетная (антенна со смещенным фокусом). В прямофокусной антенне датчик головки облучателя устанавливается в центре оси параболоида. При конфигурации со смещенным фокусом (см. рис. 1.3.1) головка облучателя устанавливается в фокальной точке параболоида значительно большего размера, а рассматриваемая тарелка представляет собой часть этого параболоида. Антенны обычно изготавливаются из стали, алюминия или оптоволоконного стекла с впрессованной отражающей фольгой.

Диаметр антенны оказывает решающее влияние на размеры и стоимость ЗС; он определяет добротность и ЭИИМ станции, а также ее пространственную избирательность; если в системе используется разделение сигналов по поляризации, необходимо знать кросс — поляризационные характеристики антенны и указывать, с какой поляризацией станция работает на передачу и на прием. На ЗС телефонного обмена применяют антенны диаметром от 1,5. .2,5 м до 12 м, иногда до 32 м, на ЗС приема циркулярной информации — от 0,45 до 2,5. .4м.

Антенна характеризуется также показателями опорно-поворотного устройства и всей системы наведения антенны на ИСЗ; различают антенны полноповоротные, способные направляться в любую точку небосвода, и неполноповоротные, имеющие ограниченную область оперативного наведения на источник сигнала; системы наведения антенн характеризуются также возможной скоростью и ускорением углового перемещения. В последние годы все чаще применяют неполноповоротные, медленно движущиеся и неподвижные антенны, пригодные для работы только с геостационарными ИСЗ.

Основные показатели космических станций (КС).

В основном космическая станция характеризуется теми же показателями, что и ЗС: рабочим диапазоном частот, добротностью, ЭИИМ каждого передатчика, поляризацией излучаемых и принимаемых сигналов. Однако значения ряда параметров существенно отличны от указанных для ЗС. Например, добротность приемного тракта КС обычно составляет -10 … + 6 дБ/К (что вызвано не только меньшими размерами антенны, но и применением более простого и обладающего большей шумовой температурой входного малошумящего усилителя), ЭИИМ, как правило, не превышает 23. .45 дБВт, достигая 52… 58 дБВт на спутниках непосредственного телевизионного вещания.

Важной характеристикой бортового ретранслятора космической станции является число стволов.

Стволом ретранслятора или ЗС, или стволом спутниковой связи, будем называть приемопередающий тракт, в котором радиосигналы проходят через общие усилительные элементы (общий передатчик) в некоторой выделенной стволу общей полосе частот. Весь диапазон частот, в котором работает спутник связи, принято делить на некоторые полосы (шириной 27. .36, 72… 120 МГц), в которых усиление сигналов осуществляется отдельным трактом — стволом. Несколько стволов могут иметь общие элементы — антенну, волноводный тракт, малошумящий входной усилитель. С другой стороны, на ЗС полоса одного ствола может разделяться фильтрами для выделения и последующего детектирования сигналов от различных земных станций, проходящих через общий ствол ИСЗ (при частотном многостанционном доступе).

Вместо термина «ствол» часто применяется английский термин «транспондер».

Число стволов, одновременно действующих на ИСЗ, может составлять 6−12, достигая 27- 48 на наиболее мощных ИСЗ. Сигналы этих стволов разделяются по частоте, пространству, поляризации, числом стволов, их полосой пропускания и ЭИИМ определяется в основном важнейший суммарный показатель ИСЗ — его пропускная способность, т. е. число телефонных и телевизионных каналов, либо в более общем виде число двоичных единиц в секунду, которое можно передать через данный ИСЗ. Разумеется, о пропускной способности ИСЗ можно говорить лишь условно, поскольку она зависит от добротности применяемых в системе земных станций, а также от вида применяемых радиосигналов; пропускная способность, по существу, — характеристика системы, а не ИСЗ. Тем не менее в литературе часто используется понятие пропускной способности (емкости) ИСЗ.

Отметим, что пропускная способность ствола ИСЗ зависит в некоторой степени не только от основных показателей — полосы пропускания и ЭИИМ, но и от других параметров, определяющих искажения передаваемых сигналов: неравномерности амплитудной характеристики, коэффициента АМ-ФМ преобразования, неравномерности ГВЗ в полосе ВЧ ствола и др. Эти параметры влияют на взаимные помехи между сигналами различных ЗС, на достоверность приема сигналов и тем самым на энергетические потери, обусловленные прохождением сигналов через неидеальный тракт бортового ретранслятора ИСЗ.

В зависимости от ширины диаграммы направленности бортовых антенн ИСЗ (или его отдельный ствол, если на борту несколько антенн и они различны) характеризуется зоной покрытия — частью поверхности земного шара, в пределах которой обеспечивается уровень сигналов от ИСЗ, необходимый для их приема с заданным качеством на ЗС определенной добротности, а также гарантируется способность принять на входе ИСЗ сигналы от ЗС, обладающих определенной ЭИИМ. Очевидно, что зона покрытия ИСЗ характеризует систему спутниковой связи, а не только собственно ИСЗ.

Зона покрытия определяется шириной диаграммы направленности антенны ИСЗ и рассчитывается как пересечение поверхности Земли конусом луча антенны. Форма этого сечения зависит от точки размещения ИСЗ, «точки прицеливания» — точки пересечения оси главного лепестка антенны ИСЗ с земной поверхностью, а также от нестабильности положения ИСЗ и ориентации его антенн. В связи с нестабильностью вводится понятие гарантированной зоны обслуживания, в которой обеспечивается сохранение указанных ранее условий приема и передачи при любых сочетаниях отклонений ИСЗ и антенны ИСЗ от среднего положения.

Точка размещения ИСЗ на орбите, точка прицеливания его антенны, нестабильности этих параметров существенны не только для расчета зон обслуживания, но и для расчета взаимных помех между ССС. Для упрощенного расчета взаимных помех часто также указывается максимальная спектральная плотность излучаемого ИСЗ потока мощности (Вт/м²Гц).

Наконец, важнейшим показателем ИСЗ, определяющим не только надежность и бесперебойность связи, но прежде всего экономические характеристики всей системы связи, является срок службы ИСЗ — время наработки до отказа спутника целиком либо допустимого числа стволов космической станции, определяемое с высокой вероятностью — обычно 0,9 и более. В современных ИСЗ достигнут срок службы 10… 12 лет и более благодаря высокой надежности элементов, гибкой и разветвленной схеме резервирования.

Основные показатели систем спутниковой связи.

Зона обслуживания системы — это совокупность (объединение) зон обслуживания отдельных ИСЗ, входящих в систему (рис. 1.3.2.). Слово «объединение» (а не «сумма») употреблено потому, что зоны отдельных ИСЗ обычно перекрываются между собой (что неизбежно при достижении сплошного покрытия и полезно для организации связи между земными станциями, расположенными в различных зонах), и поэтому общая зона оказывается по площади меньше суммы площадей отдельных зон.

Рис. 1.3.2. К определению зоны обслуживания системы спутниковой связи с несколькими ИСЗ.

Пропускная способность системы есть объединение пропускных способностей входящих в систему ИСЗ. В данном случае слову «объединение» (а не «сумма») придается тот же смысл. Пропускная способность системы оказывается меньше суммы пропускных способностей отдельных ИСЗ, поскольку для связи между собой станций, работающих через разные ИСЗ, часть каналов транслируется двумя КС последовательно — с помощью двухскачковых линий (Земля-ИСЗ-Земля-ИСЗ-Земля) или прямых межспутниковых соединений (Земля-ИСЗ-ИСЗ-Земля).

Если в ССС используется только один ИСЗ, зона обслуживания и пропускная способность системы и ИСЗ совпадают.

Пропускная способность системы зависит в некоторой степени от воздействия помех, создаваемых другими ССС; роль этих помех возрастает по мере увеличения числа спутников на орбите.

Далее, система спутниковой связи характеризуется числом и размещением ЗС, числом ИСЗ и типом их орбиты, точкой размещения на геостационарной орбите. Характеристикой системы являются также число стволов на ИСЗ, их полоса пропускания, полосы частот стволов на участках Земля-спутник и спутник-Земля.

Одной из важнейших характеристик системы является метод многостанционного доступа — метод совмещения сигналов, излучаемых различными ЗС, для их прохождения через общий ствол бортового ретранслятора космической станции. Многостанционный доступ (МД) применяют потому, что обычно оказывается неэкономичным создавать число стволов на ИСЗ, равное числу ЗС в системе. Применяют МД с разделением сигналов по частоте, форме и времени. Всякий способ МД приводит к потере пропускной способности ствола до 3… 6 дБ, хотя в наиболее совершенных системах (с временным разделением — МДВР) эти потери могут не превышать 0,5…2 дБ.

На энергетические характеристики системы связи, необходимую полосу частот, ее электромагнитную совместимость с другими системами существенно влияют применяемый метод модуляции; наиболее распространены частотная модуляция (ЧМ) при передаче сообщений в аналоговой форме и фазовая модуляция (ФМ) при передаче сообщений в дискретной форме. Из параметров модуляции важнейшее значение при ЧМ имеет девиация частоты, при ФМ — число фаз несущей (кратность модуляции), а при передаче программ телевидения — также способ передачи звукового сопровождения (временное или частотное совмещение с видеосигналом, частота поднесущей и т. п.). Метод модуляции и параметры модулированного сигнала должны быть согласованы с полосой пропускания и энергетикой стволов системы связи.

Другой важнейшей характеристикой системы является качество организуемых в ней каналов передачи сообщений — телевизионных, телефонных и др. Обычно ССС используется для создания международных либо междугородных каналов связи большой протяженности, и качество этих каналов соответствует требованиям, сформулированным в рекомендациях Международного союза электросвязи (МСЭ) или во внутригосударственных нормативных документах. Однако в некоторых системах спутниковой связи исходя из их специфического назначения или из экономических соображений достигаются более высокие либо допускаются более низкие показатели качества. Так, в системах телевизионного вещания с приемом сигналов простыми коллективными и особенно индивидуальными установками часто допускается пониженное отношение сигнал-шум; это, в частности, рекомендовано планом систем спутникового вещания, принятым Всемирной административной конференцией по радио в 1977 г.; аналогичное решение принято в советской системе «Экран». Причиной снижения отношения сигнал-шум является не только желание уменьшить стоимость приемной станции, но и возможность сохранить при этом достаточно высокое качество приема у абонента. Действительно, приемная станция такой системы приближена к абоненту, спутниковая линия заменяет не только междугородную наземную линию, но и часть распределительной сети, упрощается либо вовсе исключается наземный телевизионный передающий центр.

В некоторых ССС, построенных на основе частотного многостанционного доступа и передачи каждого канала на отдельной несущей, применяют шумоподавители (компандеры), действие которых основано на особенностях восприятия шумов при звуковом сигнале. Компандеры позволяют уменьшить заметность шумов на 10. .20 дБ и соответственно выиграть в энергетике линий связи и пропускной способности системы связи, но делают каналы не универсальными, поскольку указанный выигрыш не реализуется при передаче по каналам тональной частоты телеграфных сообщений, данных и др. С другой стороны, именно в спутниковых системах возможна и осуществляется передача телевизионных сигналов повышенного качества и высокой четкости.

1.4 Состав земных и космических станций

В этом пункте кратко опишем структурные схемы станций.

Рассмотрим простейшую земную станцию, предназначенную для приема однонаправленной информации — одноствольную приемную ЗС. Сигналы, излучаемые ИСЗ, принимаются (рис. 1.4.1,а) антенной 1 ЗС, перехватывающей электромагнитное излучение и преобразующей его в электрическое напряжение. Далее принятый сигнал усиливается малошумящим входным устройством 2, содержащим малошумящий усилитель, смеситель, предварительный усилитель промежуточной частоты. Необходимые для преобразования частоты колебания формируются гетеродинным трактом 3. Основное усиление сигнала осуществляется в усилителе промежуточной частоты УПЧ 4, в состав которого входит фильтр (или фильтры), формирующий полосу пропускания, оптимальную для приема сигнала (полоса либо близка к полосе ствола, если принимаемый сигнал занимает весь ствол, как при приеме программ телевидения, многоканальных телефонных сообщений с временным многостанционным доступом и т. п., либо составляет лишь часть полосы ствола, например при приеме телефонных сигналов в системе с частотным многостанционным доступом). За усилителем следуют демодулятор 5, выделяющий передаваемое сообщение, и оконечное каналоформирующее оборудование 6. Например, при приеме программ телевидения в устройстве 6 могут осуществляться регенерация синхросмеси, выделение канала звукового сопровождения, рассекречивание сигналов и т. п. Принятая информация поступает по наземной соединительной линии 7 к потребителю программ (или на телевизор, если это станция индивидуального приема). В современных приемных устройствах часто применяют двукратное преобразование частоты.

Рис. 1.4.1. Упрощенные структурные схемы одноствольной приемной (а) и многоствольной приемопередающей (б) ЗС, а также бортового ретранслятора КС (в).

Комплекс 8 служит для наведения антенн на ИСЗ; в него входят привод, перемещающий антенну, и аппаратура наведения, управляющая его движением. В простых приемных станциях антенна обычно неподвижна (имеется лишь механизм неоперативной первоначальной ориентации) или имеет механизм установки в несколько фиксированных положений (позиционер).

Более сложные земные станции, предназначенные для дуплексной связи и работающие в нескольких стволах ИСЗ, строятся по более общей схеме (рис. 1.4.1,б), где 1 — антенна с комплексом наведения, используемая обычно одновременно для приема и передачи; 2 — фильтр разделения приема и передачи; 3 — малошумящий усилитель; 4 — устройство сложения (фильтр сложения) сигналов передатчиков различных стволов; 5 — устройство разделения (фильтр разделения) принимаемых сигналов различных стволов; 6 — передающее устройство ствола; 7— приемное устройство ствола; 8 — каналообразующая аппаратура ствола; 9 — аппаратура соединительной линии. На схеме не показаны резервные комплекты и переключатели на резервные комплекты, обычно имеющиеся на ЗС.

Рассмотрим основные элементы радиотехнического комплекса космической станции, входящего в систему спутниковой связи. Этот комплекс состоит из двух основных частей — антенн и бортового ретранслятора.

На борту современных связных ИСЗ обычно устанавливают несколько приемных и передающих антенн. Это объясняется необходимостью сформировать различные зоны обслуживания с целью привести в соответствие излучение антенн с размещением земных станций на поверхности Земли, чтобы не рассеивать энергию бесполезно на те районы, где она используется. Высокая направленность приемных и передающих антенн ИСЗ способствует также уменьшению взаимных помех с другими системами связи — спутниковыми и наземными, повышает эффективность использования геостационарной орбиты.

Сигнал, принятый антенной КС, поступает на входное малошумящее устройство 1 (рис. 1.4.1,в), в качестве которого на ИСЗ применяют смесители, усилители на малошумящих ЛБВ или транзисторах. Принятый сигнал усиливается на частоте приема, промежуточной частоте и частоте передачи. В современных ИСЗ часто осуществляется не двух-, а однократное преобразование частоты, непосредственно с входной в выходную, при этом усилитель ПЧ отсутствует.

В схеме могут применяться устройства разделения, коммутации, объединения сигналов (коммутатор на рис. 1.4.1,в), цель которых — подать сигналы, адресованные тем или иным ЗС, на передающие антенны с соответствующей зоной обслуживания. Перспективны системы с быстродействующей переориентацией узкого луча антенны (с коммутацией луча), что позволяет осуществлять связь со многими ЗС через остронаправленные антенны, не увеличивая числа антенн на борту ИСЗ, многократно использовать полосу частот.

На рис. 1.4.1,е не показаны резервные элементы и устройства переключения на резерв; эти схемы обычно достаточно сложны, поскольку степень резервирования различна для разных элементов тракта в зависимости от их надежности, важности для жизнеспособности ИСЗ, срока службы.

В некоторых случаях на космической станции выполняется более сложная обработка сигналов, например преобразование вида модуляции, регенерация сигналов, передаваемых в дискретной форме.

2. Принципы построения систем спутникового цифрового ТВ вещания

2.1 Методы формирования и передачи сигналов телевидения и звукового вещания

Стандарты сигналов спутникового ТВ вещания.

Стандартом ТВ сигнала называют совокупность определяющих его основных характеристик, таких как способ разложения изображения, число строк и кадров, длительность и форма синхронизирующих и гасящих импульсов, полярность сигнала, разнос между несущими частотами изображения и звукового сопровождения и метод модуляции последней, параметры предыскажающей цепи звукового сигнала и др. Для цветного телевидения добавляется метод передачи сигналов цветности совместно с сигналом яркости. В спутниковом вещании традиционно используются стандарты формирования ТВ сигнала, сложившиеся в наземном телевизионном вещании. Для черно-белого телевидения существует 10 стандартов, которые принято обозначать латинскими буквами В, D, G, Н, I, К, Kl, L, М, N.

По способу передачи сигналов цветности различают три системы цветного телевидения: SECAM, NTSC и PAL. Каждая из трех систем может применяться с любым из 10 стандартов черно-белого ТВ вещания, давая 30 возможных комбинаций. На практике применяются девять разновидностей PAL, шесть — SECAM и один стандарт из группы NTSC.

Системы SECAM, NTSC и PAL были разработаны для наземных ТВ сетей, использующих амплитудную модуляцию (AM) нecущей изображения, и не очень пригодны для спутниковых канатов где основной является частотная модуляция (ЧМ). При прохождении ЧМ сигнала через тракты с неравномерной амплитудной и нелинейной фазовой характеристикой возникают перекрестные искажения сигналов яркости и цветности, ухудшающие качество изображения. К тому же из-за треугольного спектра демодулированного шума при ЧМ сигналы цветности оказываются в области повышенной спектральной плотности мощности шума, что снижает помехоустойчивость приема этих сигналов Во многих странах проводились поиски новых методов формирования ТВ сигнала, свободных от указанных недостатков Наилучших результатов ожидали от цифровых методов передачи. Однако для передачи цветного ТВ изображения с высоким качеством скорость цифрового потока должна составлять более 200 Мбит/с, что значительно превышает пропускную способность типового ствола спутникового ретранслятора с полосой пропускания 27. .36 МГц. В качестве компромисса для первого поколения европейских систем непосредственного телевизионного вещания был разработан и принят комбинированный цифроаналоговый стандарт с поочередной передачей на периоде активной части строки сжатых во времени аналоговых сигналов яркости и цветности, получивший название MAC (Multiplexing Analogue Components — уплотнение аналоговых компонент). Сигналы звукового сопровождения, синхронизации, служебная и дополнительная информация передаются в цифровой форме. В зависимости от выбранного способа передачи звука и данных различают стандарты В-МАС, С-МАС, Dи D2-MAC. Подробнее об этом будет рассказано ниже.

В конце 80-х гг. был создан алгоритм цифрового сжатия, позволявший передать высококачественное изображение со скоростью 7…9 Мбит/с, изображение вещательного качества — со скоростью 3,5…5,5 Мбит/с и кинофильм (совокупность неподвижных изображений) со скоростью не более 1,5 Мбит/с. На основе этого алгоритма Международная организация стандартизации приняла два стандарта обработки ТВ изображения: MPEG1 для телевидения с невысокой разрешающей способностью и прогрессивной разверткой (компакт-диски, компьютерные игры, мультимедиа) и MPEG2 для вещательного телевидения с чересстрочной разверткой. Дальнейшим развитием MPEG2 стал европейский стандарт цифрового ТВ вещания (DVB), содержащий нормы на параметры модуляции, кодирования и передачи по каналам связи.

Передача ТВ сигналов в цифровой форме со сжатием Создание эффективного алгоритма цифровой обработки ТВ сигнала стало возможным на основе достижений теории зрения и техники сверхбольших интегральных схем (СБИС). Алгоритм, положенный в основу стандартов MPEG, включает определенный базовый набор последовательных процедур, показанный на упрощенной структурной схеме цифрового кодера (рис. 2.1.).

Рис. 8.2. Упрощенная структурная схема цифрового кодера 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 6,75 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.

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 (16×16 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 разложения 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 установленных декодерах.

Для спутникового 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;

перспективный — с возможностью одновременной обработки цветоразностных сигналов.

На рис. 2.2. показаны соответствующие этим градациям максимальные значения разрешающей способности и скорости цифрового потока.

Рис. 2.2. Уровни и профили стандарта MPEG2: ТВЧ — телевидение высокой четкости; х — сочетание не используется.

Используемые алгоритмы позволяют гибко варьировать параметры сигнала в пределах одной градации шкалы рис. 2.2. В качестве примера на рис. 2.3 приведена зависимость качества изображения от, скорости цифрового потока (информационной) в режиме «основной уровень — основной профиль», наиболее употребительном сегодня в спутниковом телевидении.

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

Рис. 2.3. Зависимость качества изображения с цифровой компрессией от скорости цифрового потока.

Составной частью в стандарты MPEG1 и MPEG2 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 психо — акустической 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 все 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 — сверточный с относительной скоростью ½, 2/3, ¾, 5/6 или 7/8 и длиной кодового ограничения К — 1, 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 стали 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. Производится внедрение методов цифровой обработки в европейских спутниковых системах.

Телевидение высокой четкости

Под телевидением высокой четкости (ТВЧ) понимают передачу изображения с числом строк, приблизительно вдвое превышающим 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.

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 16:9 (стандарты MAC, PAL-плюс). Эти системы нельзя отнести к ТВЧ, так как параметры разложения изображения не изменяются.