Преимущества телевизионного вещания на свч через спутники-ретрансляторы

В спутниковой системе телепередач "носителями" информации являются электромагнитные волны сверхвысоких частот (СВЧ) 1...30 ГГц (длина волны 30... 1 см). Сверхвысокие частоты привле­кают к себе внимание тем, что:

□ в этом диапазоне потенциально доступна широкая полоса частот ( f 800 МГц), что дает возможность передавать больше информации, чем на частотах коротковолнового диапазона. Здесь реализуется высокая пропускная способность, так как можно раз­местить значительное количество телевизионных каналов, что важно для передач со спутников;

□ электромагнитные волны тем лучше фокусируются, чем больше раскрыв антенны по отношению к длине волны ( ), что позволяет концентрировать энергию электромагнитных волн при применении антенн даже относительно небольшого диаметра на отведенную территорию и обеспечить тем самым требуемый для приема уровень плотности потока мощности;

□ позволяют использовать антенны с узкой, игольчатой диа­граммой направленности, которые могут наиболее эффективно пе­редавать информацию с Земли в направлении кажущегося "ма­леньким" спутника;

□ связь на этих частотах менее чувствительна к атмосферным помехам, чем связь на более низких частотах;

□ важным свойством электромагнитных волн СВЧ является их способность проходить через верхние слои атмосферы. Электро­магнитные волны, например, частот ниже 30 МГц, отражаются ими;

□ область СВЧ была относительно свободна для решения воз­никших задач по спутниковому вещанию.

Освоение диапазона СВЧ дало возможность на практике реали­зовать телевизионных программ через спутники.

Важным преимуществом передачи информации в СВЧ диапазоне является применение антенн небольших размеров. Так, например, если бы телевизионные программы передавались в метровом диа­пазоне на частотах 76...84 МГц, то для обеспечения приема на Земле на обычные телевизоры, на спутнике пришлось бы устано­вить антенну диаметром приблизительно 500 м и использовать пе­редатчик мощностью около 1,0 кВт, а при передаче в дециметровом диапазоне на частотах 598...606 МГц антенна нужна диаметром около 60 м и мощность передатчика около 30 кВт, так как электро­магнитные волны этого диапазона сильно поглощаются в атмосфе­ре. Очевидно, что сооружать такие передающие системы техниче­ски очень сложно и вряд ли оправдано экономически. В то же время при работе в диапазоне СВЧ (10,7...12,5 ГГц) размер антенны на спутнике не превышает в диаметре 3,0 м при мощности передатчи­ка около 200 Вт и для индивидуального приема нужны антенны не более 2,0 м в диаметре. При работе в диапазоне крайне высоких частот КВЧ (40,0...60,0 ГГц), на спутнике достаточно иметь пере­дающую антенну диаметром 0,3...0,4 м, но освоение этого диапазо­на дело будущего. Вероятнее всего он будет использован для те­левидения высокой четкости - ТВВЧ (HDTV).

Правовые вопросы телевизионного вещания по спутниковым каналам

Уже в конце прошлого века специалисты пришли к выводу о не­обходимости международного регулирования использования диа­пазона радиочастот. Для этого, с целью совершенствования всех видов электросвязи, был образован Международный телеграфный союз, который в 1932 г. был переименован в Международный союз электросвязи (МСЭ).

Для рассмотрения технических и административных вопросов по инициативе МСЭ созываются Всемирные Административные Кон­ференции по Радиосвязи - ВАКР (World Administrative Radio Conference - WARC), с 1992 г. они называются ВКР, которые опре­деляют технические, правовые, процедурные и эксплуатационные вопросы конкретных радиослужб.

Быстрое развитие спутниковых средств связи с конца 70-х годов потребовало разработки и принятия ряда международных соглаше­ний и норм. В 1977 году состоялась Всемирная административная конференция по радиосвязи (ВАКР-77), на которой был принят дей­ствующий ныне Регламент радиосвязи. В соответствии с ним весь земной шар разделен на три Района, для каждого из которых выде­лены отдельные полосы частот (рис. 2.11).

На специальной ВАКР в 1988 году были закреплены позиции действующих спутников на геостационарной орбите и в целях дальнейшего развития для каждой страны предусмотрены позиции спутников на орбите и частоты. Для новых спутников предусмотре­ны зоны обслуживания только в пределах национальных границ каждой страны.

Оперативная текущая работа проводится в рамках Сектора радиосвязи (МСЭ-Р), образованного в 1992 году на базе Междуна­родного консультативного комитета по радио (МККР) и Международ­ного комитета по регистрации радиочастот (МКРЧ). МСЭ-Р занима­ется техническими проблемами нормирования систем радиосвязи и разработкой рекомендаций, способствующих эффективному исполь­зованию частотного диапазона и предотвращению помех между службами связи.

Каждому запуску спутника предшествует публикация о нем ин­формации в специальных бюллетенях МСЭ-Р, и согласование (ко­ординация) с заинтересованными странами. Эта информация со­держит данные об орбите спутника, сведения о зонах обслужива­ния, диапазоне частот, о максимальной спектральной плотности потока мощности, подводимой к антеннам спутниковых и наземных

Рис. 2.11. Районы Земли и частоты, выделенные для спутников-ретрансляторов телевизионного вещания (распределение частот для трех Районов по Регламенту радиосвязи несколько отличается от рассмотренного)\

станций, об эквивалентной шумовой температуре приемников и т.п. Результаты согласования сообщаются в МСЭ-Р, который при от­сутствии разногласий регистрирует новый спутник. Период от пер­вой заявки до регистрации обычно длится от полугода до двух лет. Для каждой страны выделены:

□ позиции спутников на геостационарной орбите, с которых воз­ можно вещание на данную страну;

□ частотные каналы для ретрансляции телевизионных про­грамм;

• поперечное сечение основного лепестка диаграммы направ­ленности на уровне половинной мощности;

• направленность большой оси эллипса относительно приема в экваториальной плоскости;

□ поляризация электромагнитных волн: линейная (вертикаль­ная или горизонтальная) или круговая (левосторонняя или право­сторонняя);

□ максимальная излучаемая передатчиками спутника мощность в данном диапазоне частот.

План распределения частотных каналов принят в 1977 г. и вступил в силу в 1979 г. План и Регламент радиосвязи пере­сматриваются и дополняются только на компетентных конфе­ренциях, которые проводятся регулярно через каждые два года.

Распределение частотных диапазонов для спутников-ретрансляторов

Для ретрансляции по спутниковым каналам согласно Плана рас­пределения частотных каналов и Регламента радиосвязи выделе­ны следующие частотные диапазоны:

□ 620...790 МГц, - предназначен для наземных телевизионных систем. Он может быть использован и для спутникового вещания с частотной модуляцией. Здесь принято непременное условие, чтобы спутниковое вещание не создавало помех для приема наземных телевизионных передач, что обеспечивается ограничением мощно­сти, излучаемой передатчиком спутника. Преимущество этого диа­пазона в том, что в этой полосе частот можно вести прием частотномодулированных сигналов на простые приемные устройства. По­сле преобразования в стандартный наземный принятый со спут­ника ЧМ сигнал можно распределять абонентам через местные на­ земные телевизионные ретрансляторы. Однако требования по ог­раничению помех другим службам и службам, находящимся на тер­ритории соседних государств, приводят к тому, что данный диапазон может использоваться для вещания со спутников только внутри страны с большой территорией. Например, в этом диапазоне рабо­тает система "Экран", в которой спутник над Экватором с орбиталь­ной позиции 90° в.д. ретранслирует программы для Сибири;

□ 2500...2690 Мгц (S-диапазон, согласно международной клас­сификации). Данная полоса частот предназначена для националь­ных региональных систем спутникового вещания при ведении кол­лективного приема. Здесь также необходимо согласовывать ис­пользование частот и мощности с соседними странами;

□ 3400..,4200 МГц и добавленный к нему диапазон (С-диапазон) 4500...4800 МГц предоставлены спутникам ФСС - спутникам фик­сированных средств связи и оба широко используются для переда­чи программ многофункциональным приемным наземным станциям с антеннами диаметром 12...32 м. В этом диапазоне работают на­земные радиорелейные службы связи и радиолокационные стан­ции. Поэтому, применяя при передачах эффективную дисперсию, можно создавать высокую ППМ, благодаря чему в этом диапазоне могут вести прием станции распределительной сети. Распростра­нен в России и в США. Из-за необходимости применения антенн больших размеров (диаметром 2,0 м и более), а также больших за­трат на дополнительное оборудование в Западной и Центральной Европе не получил распространение;

□ 10,7... 10,95; 11,2... 11,45 ГГц (Ku-диапазон). Полосы частот выделены спутникам ФСС, которые могут вести также ретрансля­цию телевизионного вещания при малой (с целью исключения по­ мех другим системам: радионавигационным, радиорелейным и т.д.) плотности потока мощности у земной поверхности (на краю зоны покрытия ППМ в условиях дождя - 120 дБВт/м²);

□ 10,95... 11,2 ГГц; 11,45... 11,7 ГГц (Ku-диапазон). Указанные полосы частот также выделены спутникам ФСС, при условии, что они пройдут процедуру согласования;

□ 11,7... 12,75 ГГц (Ku-диапазон). Полоса частот выделена для спутников Непосредственного Телевизионного Вещания - НТВ (DBS). Освоение этого диапазона частот началось с 1980 г. В нем допускается большая плотность потока мощности у поверхности Земли и частотная полоса его распределена территориально по районам, изображенным на рис. 2.11:

• для Района 1 - территория бывшего СССР, Монголия, Европа, Африка - полоса частот 11,7... 12,75 ГГц ⁹;

коммерче­ского вещания BBS, сейчас относят к DBS (НТВ) и нем первоначально начали ретрансляцию спутники TELECOM, а сейчас Astra 1G, Hot Bird 4 и т.п.

• для Района 2 - Северная и Южная Америки, полоса частот 12,1...12,7 ГГц распределена: 12,1...12,3 ГГц службам НТВ и ФСС; полоса 12,3... 12,7 ГГц службе НТВ.

Кроме этого в Районе 2 для службы ФСС выделена полоса час­тот 11,7...12,1 ГГц:

• для Района 3 - Азия, Япония, Австралия, Океания отведена основная полоса частот 11,7... 12,75 ГГц. Из нее полоса 12,2... 12,5 ГГц распределена службе ФСС, а полоса 12,5... 12,75 ГГц – службе НТВ, при условии, что эта служба будет вести передачи рассчитан­ные на коллективный прием (с плотностью потока мощности - 111 дБ Вт/м² на границе зоны покрытия), по Плану, согласованному.. Региональной конференцией. Полоса 11,7... 12,2 ГГц для этого Района полностью выделена службе НТВ, т.е. на границе покрытия ППМ составляет - 103 дБ Вт/ м².

В полосах частот, выделенных для спутников НТВ допускается высокая плотность потока мощности, излучаемая его передатчи­ками. Поэтому можно вести прием на небольшие антенны диамет­ром 0,8... 1,0 м, что обеспечивает их дешевизну, доступность и мас­совость применения.

Полоса частот 11,7... 12,5 ГГц для Района 1 разбита на 40 частот­ных каналов (табл.2.2). Однако, благодаря многократному их исполь­зованию за счет пространственно-поляризационного разделения электромагнитных волн общее число каналов приема доведено до 984. Разнос между частотами несущих соседних каналов составляет A = 19,18 МГц. Такое частотное расстояние между соседними каналами выбрано не случайно - оно определено расчетным путем для получения максимальной пропускной способности (макси­мального количества каналов) при минимуме взаимных помехи при пространственном разносе между соседними спутниками = 6° для Районов 1, 3. Для Района 2 оптимальное значение составляет 4,5..5°. Ширина частотной полосы канала - 27 МГц, модуляция - частотная (допускается и другой вид модуляции, например, фазо­вая манипуляция при передаче информации цифровым способом, лишь бы не создавались помехи другим службам).

На рис. 2.12 показан принцип построения частотных каналов. В соседних каналах используются электромагнитные волны взаим­но ортогональных поляризаций (для спутников НТВ). При достаточ­ном пространственном разделении возможно использование со­седних частотных каналов с электромагнитными волнами однотип­ной поляризации. Значение несущей частоты для любого n-го кана­ла рассчитывается по формуле, МГц:

f_n= 11708 + . (2.6)

Для каждой страны выделяется не менее пяти телевизионных ка­налов в пределах полосы частот 400 МГц в верхней или нижней части диапазона. Для стран с большой численностью населения и большой территорией, а также многоязычным странам выделено большее коли­чество частотных каналов с разными поляризациями электромагнит­ных волн. Например, для России выделено 69 каналов. В 2002 г. ВКР (Стамбул) на плановой основе за Россией было закреплено 74 частот­ных канала на пяти позициях геостационарной орбиты.

В настоящее время диапазоны частот 22,5...23,0 ГГц; 41...43 ГГц, (К-диапазоны); 84...86 ГГц, (К-диапазон) не используются. Освое­ние их можно ожидать только в далеком будущем и в первую оче­редь, для передачи телевизионных программ высокой четкости с применением цифровых способов.

Таблица 2.2

Номер канала	Частота, МГц	Номер канала	Частота, МГц	Номер канала	Частота, МГц	Номер канала	Частота, МГц
1	11727,48	11	11919,28	21	12111,08	31	12302,98
2	11746,66	12	11938,46	22	12130,26	32	12322,06
3	11765,84	13	11957,64	23	12149,44	33	12341,24
4	11785,02	14	11976,82	24	12168,62	34	12360,42
5	11804,20	15	11996,00	25	12187,80	35	12379,60
6	11823,38	16	12015,18	26	12206,98	36	12398,78
7	11842,56	17	12034,36	27	12226,16	37	12417,96
8	11861,74	18	12053,54	28	12245,34	38	12437,14
9	11880,92	19	12072,72	29	12264,52	39	12456,32
10	11900,10	20	12091,90	30	12283,70	40	12475,50

Необходимо отметить, что частотам для передачи сигналов со спутника на Землю соответствуют частоты сигналов, передаваемых с Земли на спутник для ретрансляции. При этом, частоты сигналов, передаваемых в направлении Земля —> спутник выбираются выше, чем частоты сигналов передаваемых со спутника на Землю, так как большее ослабление на трассе Земля —» спутник легче компенси­ровать увеличением мощности передатчика наземной станции. Это принято записывать дробью, где в числителе - частота сигналов излучаемых передатчиком с Земли, а в знаменателе - со спутника, например, 18/12 ГГц. Для снижения интерференционных помех

Рис. 2.12. Принцип использования электромагнитных волн взаимно орто­гональных поляризаций (линейных или круговых, без их конкретизации) соседних частотных аналоговых каналов спутников НТВ

сигналы, как видно, разнесены друг от друга по частоте на далекое частотное расстояние.

Индивидуальный и коллективный прием спутникового телевизионного вещания

Цель службы спутникового телевизионного вещания - создать условия для приема телевизионных программ непосредственно со спутника, без введения промежуточной приемной наземной рас­пределительной сети. Выражение "непосредственный прием" оди­наково может означать как индивидуальный, так и коллективный прием программ. Индивидуальный прием - это прием на индивиду­альные устройства с помощью простой аппаратуры и малогабарит­ной антенны. О коллективном приеме говорится в том случае, если аппаратура значительно сложнее и антенна больших размеров. Кроме этого, необходимо отметить, что "индивидуальные" и "кол­лективные" приемные устройства отличаются не назначением, а возможностью вести прием. Коллективные приемники могут вести прием внутри зоны покрытия, предназначенной для индивидуаль­ного приема с лучшим качеством, чем индивидуальные. Вне этой зоны для приема с хорошим качеством уже нужны коллективные приемные устройства. Для обеспечения уверенного приема на ин­дивидуальные приемные устройства необходимая мощность пере­датчика спутника рассчитывается таким образом, чтобы на границе зоны покрытия в течение 99% времени (наихудшего для приема месяца) плотность потока мощности составляла -103 дБ Вт/м². Это значение определено с учетом электромагнитной совместимости с наземными службами (без создания взаимных помех) и близко к оптимальному по экономическим показателям, позволяет вести уверенный прием на индивидуальные приемные устройства.

Для приемных устройств коллективного пользования плотность потока мощности на границе зоны покрытия определена в —111 дБ Вт/м², то есть, намного ниже, и поэтому они должны иметь более высокую чувствительность, чем индивидуальные.

Параметром, характеризующим приемное устройство в целом, как для индивидуального, так и для коллективного приема, являет­ся коэффициент добротности (качества).

Коэффициент добротности (качества) - это отношение эффективного коэффициента усиления по мощности приемной антенны к эффективной шумовой температуре приемного устройства: G/T (дБ/KJ.

Коэффициент добротности индивидуальных устройств для приема телевизионного вещания со спутников составляет не менее 6 дБ/К, а для коллективных - 14 дБ/К. Коллективные приемные устройства обеспечивают лучшее качество принимаемого аналого­вого изображения по сравнению с индивидуальными при одном и том же уровне принимаемого сигнала и могут вести прием при меньшем уровне ППМ.