Глава 2

ТЕРМИНОЛОГИЯ, ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Структура ретрансляции телевизионного сигнала по спутниковым каналам

С точки зрения передачи информации основными составляю­щими системы спутникового телевизионного вещания являются: канал связи Земля -> спутник и канал связи между спутником-ретранслятором и приемными устройствами на Земле. Наиболее привлекательная сторона передач через спутники - это возмож­ность ретрансляции телевизионных программ теоретически неог­раниченному количеству абонентов на Земле, независимо от их географического местоположения (рис. 2.1).

Со спутника, находящегося на геостационарной орбите, Земля видна под телесным углом в 17,3° в виде окружности, которая огра­ничена по широте ±80° и долготе ±80°, с центром на Экваторе. Если телесный угол основного лепестка в диаграмме направленности антенны спутника превышает 17,3°, то излучаемая его передатчи­ком энергия будет частично уходить в космическое пространство, за пределы Земли, а при меньшем - охватит лишь часть поверхности Земли. Так как излучать электромагнитные волны на моря, океаны, тундру и т.д., вероятно, не имеет смысла (за исключением некото­рых случаев), то для обслуживания определенной территории зем­ной поверхности на спутнике применяются антенны с острой диа­граммой направленности. У таких антенн ширина основного лепе­стка излучения, меньше одного градуса, что дает возможность эф­фективно использовать их для направления и концентрации элек­тромагнитных волн на ограниченную земную поверхность, (например, для обслуживания территории одного небольшого государства).

Канал связи Земля-спутник в свою очередь тоже сложная сис­тема: одна антенна больших размеров, диаметром 10...20 м на­правленно излучает с Земли электромагнитные волны СВЧ мощно­стью в несколько сотен ватт в сторону "крохотного" спутника, летя­щего далеко в космосе. Обычно по кабельной или по наземной вы-

Рис. 2.1. Структура системы телевизионных передач со спутников: 1 - центр формирования программ; 2 - передающая станция Земля-спутник; 3 - наземные телевизионные приемные устройства (для НТВ); 4 - наземные при­емные устройства и кабельная сеть; 5 - наземные приемные устройства и наземный телепередатчик

сокочастотной радиосвязи информация из телестудии передается на находящийся в отдалении, за пределами города передатчик, который излучает ее в космос, на спутник для ретрансляции. Гео­стационарные ретрансляционные спутники принимают излученные в их сторону электромагнитные волны, изменяют их частоту и, уси­лив, передают в направлении выбранной земной поверхности.

Потери при распространении электромагнитных волн от спутника к Земле и обратно

На прием со спутников сильно оказывают влияние условия прохождения электромагнитных волн в космическом пространстве и в атмосфере Земли. Линия спутниковой связи состоит из двух участков: Земля спутник и спутник Земля. Излучаемые ан­тенной спутника электромагнитные волны, распространяясь в свободном, космическом пространстве, значительно ослабева­ют за счет рассеяния. Из-за огромного расстояния между спутни­ком и Землей мощность их катастрофически уменьшается, - по­тери мощности при достижении поверхности Земли составляют около 200 дБ. Эти потери относятся к основным ( ), их можно рассчитать по формуле:

, (2.1)

где d - наклонная дальность ( расстояние между спутником и на­земной приемной антенной ), которую можно определить пользуясь формулой (2.3); - длина волны.

Помимо рассеяния в свободном пространстве на распростране­ние электромагнитных волн оказывают влияние и другие факторы, такие как: поглощение в атмосфере, поворот плоскости их поляри­зации, деполяризация и т.д. Поэтому, кроме основных потерь на рассеяние при преодолении расстояния, учитываются и дополни­тельные потери (L_fl0n). К ним относятся:

□ потери, обусловленные затуханием в атмосфере Земли из-за наличия в ней влажности;

□ потери из-за неточности наведения антенн, в основном при­емных;

□ потери из-за деполяризации, обусловленные поглощением электромагнитных волн в каплях дождя, чему подвержены в основ­ном электромагнитные волны круговой поляризации.

Дополнительные потери в атмосфере Земли особенно велики в малых промежутках времени, во время выпадения осадков: дождя, снега, тумана и т.п. Они зависят от географического положения приемного устройства и оказывают сильное влияние на прием в диапазоне частот 10,7... 12,7 ГГц. Кроме этого, дополнительные по­тери зависят от угла прихода (угла места - ) электромагнитных волн (рис. 2.2), и при малых его значениях заметно увеличиваются, так как увеличивается толщина атмосферного слоя, через который они вынуждены проходить. Эти потери определяются также нали­чием в атмосфере кислорода, водяных паров, капель дождя и ту­мана.

Рис. 2.2. Угол возвышения антенны над горизонтом (угол места )

Плотность потока мощности и эквивалентная изотропная излучаемая мощность

Чтобы наземные устройства могли принимать сигналы со спут­ника, необходимо создать у поверхности Земли определенную на­пряженность электромагнитного поля (или плотность потока мощ­ности электромагнитных волн). Мощность электромагнитных волн, излучаемых антенной, является важнейшей характеристикой пере­дающей системы. Излучать их равномерно во все стороны, то есть изотропно, при спутниковом телевизионном вещании нецелесооб­разно и в большинстве случаев недопустимо. Поэтому излучаемая энергия электромагнитных волн концентрируется антенной в узкий луч и направляется на выбранную земную поверхность.

В этом случае для ее оценки пользуются понятием эквивалент­ной изотропной излучаемой мощности ЭИИМ⁴, (Eguivalent isotropi-cally radiated power, EIRP). ЭИИМ (Е) показывает, какую мощность пришлось бы иметь передатчику искусственного спутника, если бы излучение велось изотропно, всенаправленно. Однако благодаря направленным свойствам антенны, требуемая мощность излучения меньше на коэффициент ее усиления. Уровень энергии электро­магнитных волн в точке приема на поверхности Земли зависит от рассеяния энергии по мере удаления от спутника и дополнительных ее потерь в атмосфере Земли. Уровень энергии, падающей на пер­пендикулярную к потоку поверхность, отнесенный к площади этой поверхности, называется плотностью потока мощности - ППМ (W). Для определения ППМ в месте приема, если известны значения ЭИИМ, пользуются формулой:

(2.2)

Первое вычитаемое определяет потери на рассеяние. Второе - учитывает потери в атмосфере Земли, поэтому приведенная фор­мула справедлива для любой погоды. При расчетах для ясной по­годы второе вычитаемое отсутствует. Расстояние до спутника при­нимается равным

d = 3,7-10⁷ м.

Более точно расстояние можно определить по формуле:

, (2.3)

где = 42164 км - расстояние от центра Земли до геостационарной орбиты (экваториальный радиус); Ь = (L - S) - разность между географической долготой точки приема (L) и долготой спутника (S); в,— географическая широта точки приема; 0,1513 - частное от де­ления радиуса Земли на траекторию движения спутника.

Для определения значения плотности потока мощности по из­вестной величине эквивалентно изотропной излучаемой мощности (без учета потерь) можно руководствоваться упрощенной формулой (2.4) или графической зависимостью, представленной на рис. 2.3

W(дБ Вт/м ) = Е (дБ Вт) - (2.4)

Плотность потока мощности является очень важной характери­стикой для приема со спутников-ретрансляторов. Она позволяет оценить возможность уверенного приема в данной географической точке на антенну соответствующего размера и при выбранных зна­чениях коэффициента шума и усиления малошумящего усилителя-конвертера. Величина плотности потока мощности влияет на сис­тему спутникового телевизионного вещания. Увеличение ее приво­дит к упрощению и удешевлению наземных приемных устройств, однако усложняет и повышает стоимость передающих систем спут­ника. Уменьшение ППМ, наоборот, удорожает наземные приемные устройства при одновременном удешевлении спутника. Необходи­мая ППМ у поверхности Земли определена путем экономических расчетов с оптимизацией стоимости как приемных наземных уст­ройств, так и передающих спутниковых систем и выбрана с учетом электромагнитной совместимости с наземными службами, т.е. с учетом минимальных взаимных помех

Е, дБ Вт

Рис. 2.3. Графическая зависимость ЭИИМ (Е) от плотности потока мощно­сти (W), позволяющая оперативно взаимно пересчитывать эти величины

Для индивидуальных приемных устройств значение ППМ согласно плана ВАКР-77 (Всемирной Административной Конференции по ра­дио) на границе зоны покрытия⁵ должно быть минус 103 дБ Вт/м², а для систем коллективного приема минус 111 дБ Вт/м².

Форма зоны покрытия зависит от точки пересечения (точки при­целивания) основного лепестка излучения антенны спутника с зем­ной поверхностью. Например, точка прицеливания российского спутника ГАЛС-1 находится между Москвой и Саратовом и форма зоны покрытия представляет собой вытянутый эллипс.

Границы зоны покрытия очерчены контурами на географической карте с определенными уровнями ППМ или ЭИИМ. Размеры ее стремятся сделать минимальными, чтобы снизить необходимую мощность передатчика спутника с целью его удешевления.

На практике для рассмотрения возможности приема в данном месте с выбранного спутника пользуются его трансляционными кривыми, нарисованными на контурной географической карте. Они представляют собой ряд замкнутых линий с одинаковыми значениями ППМ (ЭИИМ). В большинстве случаев на картах вме­сто плотности потока мощности отображаются значения ЭИИМ -проекция (Footprint EIRP) уровней ЭИИМ в диапазоне от 40 до 53 дБ Вт.

Следует отметить, что согласно предложениям ВАКР-77 норми­руются значения ППМ, а не ЭИИМ (табл.2.1). Нормирование вели­чины ППМ в зоне приема связывается с углом возвышения антен­ны (углом места) - в направлении на спутник. Допускаемая ППМ будет тем больше, чем больше угол , чем отвеснее падают элек­тромагнитные волны, т.е. чем ближе точка приема расположена к Экватору.

Согласно требованиям ВАКР-77 предельная плотность потока мощности частотно-модулированного телевизионного сигнала для всех видов телефонной связи в контрольной полосе не должна превышать - 152 дБ

Некоторые предельные мешающие значения ППМ от спутников-ретрансляторов для радиорелейных, сотовых, спутниковых теле­фонных систем и т.д. в зависимости от угла е (угла между направ­лением прихода мешающей электромагнитной волны и горизон­тальной горизонтальной плоскостью) приведены в табл.2.1

Зона покрытия - зона обслуживаемой территории Земли, внутри кото­рой создается необходимая для качественного приема плотность потока мощности.

Таблица 2.1

Предельная плотность потока мощности (W) для угла ,

Частота, ГГц
2,5 ...2,69	-152	-152 + 0,75	-137
3,4 ...7,75	-152	-152 + 0,5	-142
10,7... 11,7	-150	-150 + 0,5	-140
12,2 ... 12,75	-150	-150 + 0,5	-138
В полосе частот 4,0 кГц

Как видно, плотности потока мощности ограничиваются в диапа­зонах частот выделенных для спутников ФСС.

Требования к равномерности спектра передаваемого теле­визионного сигнала. Для снижения вероятных помех другим сис­темам связи и приемным устройствам всегда необходимо, чтобы спектральная плотность передаваемого сигнала была бы равно­мерной в занимаемой полосе частот, чтобы выбросы энергии не превышали предельно допустимое значение. Известно, что частот­но-модулированный телевизионный сигнал имеет неравномерный энергетический спектр, зависящий от передаваемых сюжетов изо­бражения. Энергия в его спектре распределяется не непрерывно, а в виде дискретных энергетических зон (выбросов,), которые распо­лагаются вокруг частот строчной и кадровой разверток (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Временная зависимость выбросов энергии аналогового сигнала на строчной развертке

Поэтому, при спутниковых, как и при наземных телевизионных передачах с частотной модуляцией для получения равномерного спектра прибегают к сглаживанию энергетических выбросов, их рассеянию - дисперсии.

Рис. 2.5. Временная зависимость амплитуды сигнала для дисперсии аналогового сигнала в системе D-MAC/packet

Дисперсия осуществляется сигналом треугольной формы не­большого уровня, который наилучшим образом подходит для сгла­живания энергетических выбросов дискретного спектра, как, напри­мер, показано на рис. 2.5⁶. Сигнал дисперсии накладывается до­полнительно на сигнал несущей строго синхронно с частотой строчной или кадровой разверток (обычно кадровой). Благодаря сглаживанию энергетических выбросов, спектральная плотность при передаче телевизионного сигнала становится равномерной или близко к равномерной.

Это позволяет установить значения ППМ на границе зоны по­крытия для приема индивидуальными приемными устройствами -103 дБ Вт/м², а коллективными - 111 (рис. 2.6), что снижа­ет взаимные помехи и помехи другим наземным средствам связи до требуемого уровня, и одновременно такой уровень дает возмож­ность вести прием телепрограмм через спутники внутри зоны по­крытия на простые приемные устройства.

Для исключения заметности на экране сигнала дисперсии, про­являющегося в виде мерцающих светлых точек, в приемных уст­ройствах применяют хорошо известные схемы построчной фикса­ции (схемы привязки) уровня, которые устанавливают по всему по­лю кадра равномерный уровень черного и тем самым практически подавляют сигнал дисперсии.

Рис. 2.6. Распределение плотности потока мощности спутника TDF-1

Шумы

В любой системе связи наряду с полезными сигналами всегда присутствуют и посторонние, ненужные, которые создают помехи приему. Такие сигналы - помехи, имеющие случайную природу и не передаваемые никакими другими системами, называются шумами. Шумы - это природное явление. В идеальных системах связи сиг­нал мог бы передаваться и приниматься без помех. Однако в лю­бом реальном приемном электронном устройстве всегда присутст­вуют шумы, от которых полностью избавиться невозможно . Они состоят:

□ из внешних принятых шумов ( атмосферные шумы, галакти­ческие шумы, шумы Солнца, Земли и др.)

□ из внутренних шумов приемного устройства (эквивалентные шумы антенны, шумы коаксиальной линии питания, шумы предва­рительного усилителя, смесителя и т.д.). Они вызывают ухудшение

приема, снижают чувствительность приемного устройства, так как ограничивают прием минимального полезного сигнала по уровню.

Шумовые параметры приемного устройства

Существуют два основных вида внутренних шумов в электрон­ных устройствах: тепловой шум и дробовой шум (название получил за шум, подобный шуму, создаваемому при падении дроби на ме­таллическую поверхность). Внутренний дробовой шум прерывистый и носит случайный характер. Образуется беспорядочными измене­ниями тока в электрических цепях приемных устройств и в их элек­тронных компонентах (в диодах, транзисторах, микросхемах и т.д. при инжекции электронов и дырок). Дробовой шум - это случайный, непредсказуемый процесс, что затрудняет его измерение. Он не зависит от частоты, т.е. является белым шумом.

Другой вид шума - тепловой. Он порождается хаотическим дви­жением свободных электронов в кристаллических решетках веще­ства, из которого состоит проводник, точнее сопротивление. Его уровень не зависит ни от величины тока, протекающего через со­противление, ни от величины напряжения, приложенного к этому сопротивлению. Тепловой шум является также белым шумом.

Вследствие теплового движения молекул, тепловой шум присут­ствует во всех веществах, имеющих температуру выше абсолютно­го нуля. Спектр теплового шума очень широк и охватывает весь радиочастотный спектр. Тепловой шум изменяется с изменением температуры окружающей среды. Поэтому для его характеристики используется понятие "шумовая температура"⁸.

При температуре абсолютного нуля ( О К или -273 °С) шум пре­кращается, а при комнатной ( 290 К или +17° С ) шум увеличивается на + 3 дБ. В качестве шумовых характеристик приемных устройств употребляются понятия:

□ - шумовая температура, в К;

□ - коэффициент шума (шум-фактор, Noise figure) приемного устройства, дБ. Он является сложной функцией многих перемен­ных: полного сопротивления источника сигнала - антенны, пара­метров электронных компонентов приемного устройства и др.

Коэффициент шума - это отношение мощности шума на выходе при­емного устройства (пересчитанной на его вход) к мощности шума на его входе (в точке подключения антенны).

Понятия шумовой температуры и коэффициента шума взаимо­связаны между собой графической зависимостью (рис. 2.7).

Рис.2.7.Взаимозависимости шумовой температуры и коэффициента шума

Их аналитическая зависимость описывается формулой:

(2.5)

Атмосферные шумы. Атмосферные шумы обусловлены при­сутствием в атмосфере кислорода, водяных паров и, особенно, за­метны в момент выпадения осадков - дождя, снега и т.п. Их уро­вень повышается с ростом частоты и увеличивается с увеличением толщины атмосферного слоя, через который вынуждены проходить электромагнитные волны, несущие информацию, при изменении угла места антенны от 90 до 0 ° (т.е. с увеличением наклонной дальности).

Галактические шумы. Уровень галактических шумов незначи­телен и не превышает 4 К. Более высокий уровень шумов прини­мают антенны, направленные в сторону Млечного пути, меньший - в сторону полярных областей Галактики. На рис. 2.8 приведена за­висимость космических и атмосферных шумов от частоты для раз­ных углов места антенны.

Значительный уровень шумов принимается, если антенна "смот­рит" непосредственно на Солнце. Поэтому иногда используют в ка­честве генератора шума антенну, направленную прямо на солнеч­ный диск.

Рис. 2.8. Зависимость космических и атмосферных шумов от частоты для разных углов места (ф) антенны: К - температура в градусах К

Кроме этого, антенна принимает также шум около 60 К через свои боковые лепестки, обращенные к Земле. Чем антенна мень­ших размеров и чем худшего она качества, тем больший уровень боковых лепестков в ее диаграмме направленности и тем больше шума принимает система космического и теплового. Необходимо отметить, что антенна, направленная на линию горизонта неизбеж­но принимает тепловое излучение Земли и ее эффективная шумо­вая температура не может быть меньше 200...300 К.

Поверхность Земли, как и любое нагретое тело, является источ­ником шума и направленные на Землю спутниковые антенны при­нимают дополнительный шум около 290 К. Наземные антенны, на­правленные на спутник, также принимают шум из космического пространства около 4 К через основной лепесток диаграммы на­правленности.

Поляризация электромагнитных волн

В неполяризованной электромагнитной волне колебания векто­ров напряженности электрических Е и магнитных Н полей происхо­дят в каждой точке пространства по всевозможным направлениям (в плоскости перпендикулярной направлению распространения волны). Они быстро и беспорядочно сменяют друг друга и ни одно из этих направлений не является преимущественным.

В поляризованной электромагнитной волне в каждой точке про­странства направление колебаний векторов сохраняется неизмен­ным в течение полупериода или изменяется во времени по опре­деленному закону.

Поляризация - это физическая характеристика излучения, описывающая направленность векторов - моментов электриче­ского поля, распространяющейся электромагнитной волны.

К первому случаю относятся электромагнитные волны плоских поляризаций - вертикальной или горизонтальной. Ко второму - эл­липтических и, как частный случай, круговых поляризаций.

За плоскость поляризации электромагнитной волны принимают плоскость, в которой находится вектор ее электрического поля Е и ось, вдоль которой данная волна распространяется.

Направление распространения электромагнитной волны в сво­бодном пространстве и векторы ее напряженности магнитного Н и электрического Е полей всегда взаимно перпендикулярны (ортого­нальны), т.е. сдвинуты по отношению друг к другу на 90°.

Поскольку векторы Е и Н всегда взаимно ортогональны (рис. 2.9), то для направления распространения электромагнитной волны дос­таточно знать направление одного из векторов и для этого выбрано направление вектора Е. В плоскополяризованной электромагнитной волне электрическое поле распространяется в плоскости, и его век­тор Е изменяется линейно от максимального положительного значе­ния до максимального отрицательного. Его проекция на плоскость перпендикулярной плоскости распространения представляет собой линию.

Отсюда, часто встречающееся другое название плоскополяризованных волн - электромагнитные волны линейной поляриза­ции. С помощью соответствующих устройств - поляризаторов при передаче можно суммировать, а в устройствах приема можно раз­делять плоско (линейно) поляризованные электромагнитные волны вертикальной и горизонтальной поляризации. Они после разделе­ния будут независимы друг от друга.

Сумма двух плоско (линейно) поляризованных электромагнит­ных волн, имеющих одинаковые частоты и амплитуды и смещенных друг относительно друга на четверть длины волны - на 90°, приво­дит их к круговой поляризации (рис. 2.10), вращающейся или влево, или вправо. Если их смещение отличается от 90°, то возникает волна эллиптической поляризации, также способная вращаться или влево, или вправо в направлении распространения.

Рис. 2.9. Электромагнитные волны линейных поляризаций: а - вертикальные; б - горизонтальные для одного и того же направления распро­странения

Вектор напряженности электрического поля Е при круговой по­ляризации не изменяется по амплитуде и описывает во времени круг в плоскости перпендикулярной распространению. Отсюда и соответствующее название.

Поляризованные электромагнитные волны обладают важней­шим свойством: электромагнитные волны взаимнопротивоположных плоских поляризаций при приеме можно разделять. Это нахо­дит применение на практике для передачи разных телевизионных программ по одним и тем же частотным каналам.

Благодаря поляризационным свойствам электромагнитных волн, выделенный частотный диапазон может использоваться повторно,' что увеличивает его пропускную способность и снижает стоимость эксплуатации частотного канала.

При ретрансляции телепрограмм через спутники используются электромагнитные волны:

□ двух видов линейных (плоских) поляризаций - вертикальной (V) и горизонтальной (Н);

Рис. 2.10. Возникновение волны круговой поляризации:

Ен - напряженность электрического поля волны горизонтальной поляризации;

Ev - напряженность магнитного поля волны вертикальной поляризации;

а - суммарная круговая электромагнитная волна и ее направление

□ двух видов круговых поляризаций - с вращением электромаг­нитного поля вправо (RC) и влево (LC).

Например, западноевропейские спутники INTELSTAT, ASTRA и др. излучают в основном электромагнитные волны линейных поля­ризаций: вертикальных или горизонтальных (V или Н), а российские спутники ГАЛС-1, ГАЛС-2, TDF-2 и т.п. - только круговых поляриза­ций (правосторонних - RC или левосторонних - LC). Теоретически наиболее подходящими для ретрансляции телевизионного веща­ния через спутники являются электромагнитные волны линейных поляризаций. Однако при прохождении электромагнитной волны линейной поляризации через атмосферу под действием магнитного поля Земли она может расщепляться на две составляющие - элек­трическую и магнитную, которые распространяются с разными ско­ростями в ионосфере. В результате между ними возникает сдвиг по фазе, приводящий к повороту плоскости поляризации электромаг­нитной волны, снижению ее мощности в антенне при приеме и к появлению дополнительных (кроссполяризационных) помех. Это явление заметно на частотах ниже 10 ГГц и здесь применяются электромагнитные волны исключительно круговых поляризаций, что в основном используется на российских спутниках. На частотах выше 10 ГГц такие потери незначительны. В этом случае применя­ются и электромагнитные волны линейных поляризаций.

Следует отметить, что применение электромагнитных волн взаимнопротивоположных поляризаций вызвано необходимостью увеличения пропускной способности выделенного частотного диапазо­на для ретрансляции телевизионных программ.

Возможность разделения электромагнитных волн по поляри­зации является важнейшим их свойством.

В первичном облучателе внешнего устройства при приеме элек­тромагнитные волны круговой поляризации разделяются на элек­тромагнитные волны горизонтальной и вертикальной поляризаций. Для этих целей используются электромагнитные, механические и другие поляризаторы.