Розділ 2

ТЕРМІНОЛОГІЯ, ВИЗНАЧЕННЯ

Структура ретрансляції телевізійного сигналу по супутникових каналах

З погляду передачі інформації основними складовими системи супутникового телевізійного віщання є: канал зв'язку Земля -> супутник і канал зв'язку між супутником-ретранслятором і приймальними пристроями на Землі. Найпривабливіша сторона передач через супутники - це можливість ретрансляції телепередач теоретично необмеженій кількості абонентів на Землі, незалежно від їх географічного місцеположення (мал. 2.1).

З супутника, що знаходиться на гіостаціонарній орбіті, Земля видно під тілесним кутом в 17,3° у вигляді кола, яке обмежене по широті ± 80° і довготі ±80°, з центром на Екваторі. Якщо тілесний кут основної пелюстки в діаграмі спрямованості антени супутника перевищує 17,3°, то випромінювана його передавачем енергія частково йтиме в космічний простір, за межі Землі, а при меншому - охопить лише частину поверхні Землі. Оскільки випромінювати електромагнітні хвилі на моря, океани, тундру і так далі, ймовірно, не має сенсу (за винятком деяких випадків), то для обслуговування певної території земної поверхні на супутнику застосовуються антени з гострою діаграмою спрямованості. У таких антен ширина основної пелюстки випромінювання, менше одного градуса, що дає можливість ефективно використовувати їх для напряму і концентрації електромагнітних хвиль на обмежену земну поверхню (наприклад, для обслуговування території однієї невеликої держави).

Канал зв'язку Земля-супутник у свою чергу теж складна система: одна антена великих розмірів, діаметром 10...20 м направлено випромінює із Землі електромагнітні хвилі СВЧ потужністю в декілька сотень ватів у бік "крихітного" супутника, що летить далеко в космосі. Зазвичай по кабельній або по наземній високочастотній

Мал. 2.1. Структура системи телепередач з супутників: 1 - центр формування програм; 2 - передавальна станція Земля-супутник; 3 - наземні телевізійні приймальні пристрої (для НТВ); 4 - наземні приймальні пристрої і кабельна мережа; 5 - наземні приймальні пристрої і наземний телепередавач

радіозв'язку інформація з телестудії передається на той, що знаходиться на віддалі, за межами міста передавач, який випромінює її в космос, на супутник для ретрансляції. Гіостаціонарні ретрансляційні супутники приймають електромагнітні хвилі, що випромінюють в їх сторону, змінюють їх частоту і, підсиливши, передають у напрямі вибраної земної поверхні.

Втрати при розповсюдженні електромагнітних хвиль від супутника до Землі і назад

На прийом з супутників сильно роблять вплив умови проходження електромагнітних хвиль в космічному просторі і в атмосфері Землі. Лінія супутникового зв'язку складається з двох ділянок: Земля супутник і супутник Земля. Випромінювані антеною супутника електромагнітні хвилі, розповсюджуючись у вільному, космічному просторі, значно слабшають за рахунок розсіяння. Із-за величезної відстані між супутником і Землею потужність їх катастрофічно зменшується, - втрати потужності досягши поверхні Землі складають близько 200 дБ. Ці втрати відносяться до основних ( ), їх можна розрахувати по формулі:

, (2.1)

де d - дальність ( відстань між супутником і наземною приймальнею антеною ) похилої, яку можна визначити користуючись формулою (2.3); - довжина хвилі.

Окрім розсіяння у вільному просторі на розповсюдження електромагнітних хвиль роблять вплив і інші чинники, такі як: поглинання в атмосфері, поворот площини їх поляризації, деполяризація і так далі Тому, окрім основних втрат на розсіяння при подоланні відстані, враховуються і додаткові втрати (Lfl0n). До них відносяться:

• втрати, обумовлені загасанням в атмосфері Землі із-за наявності в ній вологості;

• втрати із-за неточності наведення антен, в основному приймалень;

• втрати із-за деполяризації, обумовлені поглинанням електромагнітних хвиль в краплях дощивши, до чого схильні в основному електромагнітні хвилі кругової поляризації.

Додаткові втрати в атмосфері Землі особливо великі в малих проміжках часу, під час випадання опадів: дощивши, сніги, туману і тому подібне Вони залежать від географічного положення приймального пристрою і роблять сильний вплив на прийом в діапазоні частот 10,7... 12,7 ГГц. Окрім цього, додаткові втрати залежать від кута приходу (кута місця - ) електромагнітних хвиль (мал. 2.2), і при малих його значеннях помітно збільшуються, оскільки збільшується товщина атмосферного шару, через який вони вимушені проходити. Ці втрати визначаються також наявністю в атмосфері кисню, водяної пари, капіж дощивши і туману.

Мал. 2.2. Кут піднесення антени над горизонтом (кут місця )

Щільність потоку потужності і еквівалентна ізотропна випромінювана потужність

Щоб наземні пристрої могли приймати сигнали з супутника, необхідно створити у поверхні Землі певну напруженість електромагнітного поля (або щільність потоку потужності електромагнітних хвиль). Потужність електромагнітних хвиль, що випромінюються антеною, є найважливішою характеристикою передавальної системи. Випромінювати їх рівномірно на всі боки, тобто ізотропно, при супутниковому телевізійному віщанні недоцільно і в більшості випадків неприпустимо. Тому випромінювана енергія електромагнітних хвиль концентрується антенною у вузький промінь і прямує на вибрану земну поверхню.

В цьому випадку для її оцінки користуються поняттям еквівалентної ізотропної випромінюваної потужності Еіїм4 (Eguivalent isotropi-cally radiated power, EIRP). ЕІЇМ (Е) показує, яку потужність довелося б мати передавачу штучного супутника, якби випромінювання велося ізотропно, всенаправлений. Проте завдяки направленим властивостям антени, необхідна потужність випромінювання менше на коефіцієнт її посилення. Рівень енергії електромагнітних хвиль в точці прийому на поверхні Землі залежить від розсіяння енергії у міру видалення від супутника і додаткових її втрат в атмосфері Землі. Рівень енергії, падаючої на перпендикулярну до потоку поверхню, віднесений до площі цієї поверхні, називається щільністю потоку потужності - ППМ (W). Для визначення ППМ в місці прийому, якщо відомі значення ЕІЇМ, користуються формулою:

(2.2)

Перший від'ємник визначає втрати на розсіяння. Друге - враховує втрати в атмосфері Землі, тому приведена формула справедлива для будь-якої погоди. При розрахунках для ясної погоди другий від'ємник відсутній. Відстань до супутника приймається рівною

d = 3,7-107 м.

Точніша відстань можна визначити по формулі:

, (2.3)

де = 42164 км. - відстань від центру Землі до гіостаціонарної орбіти (екваторіальний радіус); Ь = (L - S) - різниця між географічною довготою точки прийому (L) і довготою супутника (S); у, - географічна широта точки прийому; 0,1513 - приватне від ділення радіусу Землі на траєкторію руху супутника.

Для визначення значення щільності потоку потужності по відомій величині еквівалентно ізотропній випромінюваній потужності (без урахування втрат) можна керуватися спрощеною формулою (2.4) або графічною залежністю, представленою на мал. 2.3

W(дБ Вт/м ) = Е (дБ Вт) - (2.4)

Щільність потоку потужності є дуже важливою характеристикою для прийому з супутників-ретрансляторів. Вона дозволяє оцінити можливість упевненого прийому в даній географічній крапці на антену відповідного розміру і при вибраних значеннях коефіцієнта шуму і посилення малошумливого підсилювача-конвертера. Величина щільності потоку потужності впливає на систему супутникового телевізійного віщання. Збільшення її приводить до спрощення і здешевлення наземних приймальних пристроїв, проте ускладнює і підвищує вартість передавальних систем супутника. Зменшення ППМ, навпаки, здорожує наземні приймальні пристрої при одночасному здешевленні супутника. Необхідна ППМ у поверхні Землі визначена шляхом економічних розрахунків з оптимізацією вартості як приймальних наземних пристроїв, так і передавальних супутникових систем і вибрана з урахуванням електромагнітної сумісності з наземними службами, тобто з урахуванням мінімальних взаємних перешкод

Е, дБ Вт

Мал. 2.3. Графічна залежність ЕІЇМ (Е) від щільності потоку потужності (W), що дозволяє оперативно взаємно перераховувати ці величини

Для індивідуальних приймальних пристроїв значення ППМ згідно плану ВАКР-77 (Усесвітній Адміністративній Конференції по радіо) на межі зони покрытия5 повинне бути мінус 103 дБ Вт/м², а для систем колективного прийому мінус 111 дБ Вт/м².

Форма зони покриття залежить від точки перетину (точки прицілювання) основної пелюстки випромінювання антени супутника із земною поверхнею. Наприклад, точка прицілювання російського супутника ГАЛС-1 знаходиться між Москвою і Саратовом і форма зони покриття є витягнутим еліпсом.

Межі зони покриття обкреслені контурами на географічній карті з певними рівнями ППМ або ЕІЇМ. Розміри її прагнуть зробити мінімальними, щоб понизити необхідну потужність передавача супутника з метою його здешевлення.

На практиці для розгляду можливості прийому в даному місці з вибраного супутника користуються його кривими трансляцій, намальованими на контурній географічній карті. Вони є рядом замкнутих ліній з однаковими значеннями ППМ (ЕІЇМ). В більшості випадків на картах замість щільності потоку потужності відображаються значення ЕІЇМ - проекція (Footprint EIRP) рівнів ЕІЇМ в діапазоні від 40 до 53 дБ Вт.

Слід зазначити, що згідно пропозиціям ВАКР-77 нормуються значення ППМ, а не ЕІЇМ (табл.2.1). Нормування величини ППМ в зоні прийому зв'язується з кутом піднесення антени (кутом місця) - у напрямі на супутник. ППМ, що допускається, буде тим більше, чим більше кут чим отвеснее падають електромагнітні хвилі, тобто чим ближче точка прийому розташована до Екватора.

Згідно вимогам ВАКР-77 гранична щільність потоку потужності частотно-модульованого телевізійного сигналу для всіх видів телефонного зв'язку в контрольній смузі не повинна перевищувати - 152 дБ

Деякі граничні значення ППМ, що заважають, від супутників-ретрансляторів для радіорелейних, стільникових, супутникових телефонних систем і так далі залежно від кута е (кута між напрямом приходу електромагнітної хвилі, що заважає, і горизонтальною площиною) приведені в табл.2.1

Зона покриття - зона обслуговуваної території Землі, усередині якої створюється необхідна для якісного прийому щільність потоку потужності.

Таблиця 2.1

Гранична щільність потоку потужності (W) для кута

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
У смузі частот 4,0 кГц

Як видно, щільність потоку потужності обмежується в діапазонах частот виділених для супутників ФСС.

Вимоги до рівномірності спектру передаваємого телевізійного сигналу. Для зниження вірогідних перешкод іншим системам зв'язку і приймальним пристроям завжди необхідно, щоб спектральна щільність передаваємого сигналу була б рівномірною в займаній смузі частот, щоб викиди енергії не перевищували гранично допустиме значення. Відомо, що частотно-модульований телевізійний сигнал має нерівномірний енергетичний спектр, залежний від передаваємих сюжетів зображення. Енергія в його спектрі розподіляється не безперервно, а у вигляді дискретних енергетичних зон (викидів), які розташовуються навколо частот рядкової і кадрової розгорток (мал. 2.4).

Мал. 2.4. Тимчасова залежність викидів енергії аналогового сигналу на рядковій розгортці

Тому, при супутникових, як і при наземних телепередачах з частотною модуляцією для отримання рівномірного спектру удаються до згладжування енергетичних викидів, їх розсіянню - дисперсії.

Мал. 2.5. Тимчасова залежність амплітуди сигналу для дисперсії аналогового сигналу в системі D-MAC/packet

Дисперсія здійснюється сигналом трикутної форми невеликого рівня, який найкращим чином підходить для згладжування енергетичних викидів дискретного спектру, як, наприклад, показано на мал. 2.56. Сигнал дисперсії накладається додатково на сигнал такою, що несе строго синхронно з частотою рядкової або кадрової розгорток (зазвичай кадровою). Завдяки згладжуванню енергетичних викидів, спектральна щільність при передачі телевізійного сигналу стає рівномірною або близько до рівномірної.

Це дозволяє встановити значення ППМ на межі зони покриття для прийому індивідуальними приймальними пристроями -103 дБ Вт/м², а колективними - 111 (мал. 2.6)що знижує взаємні перешкоди і перешкоди іншим наземним засобам зв'язку до необхідного рівня, і одночасно такий рівень дає можливість вести прийом телепрограм через супутники усередині зони покриття на прості приймальні пристрої.

Для виключення помітності на екрані сигналу дисперсії, що виявляється у вигляді мерехтливих світлих крапок, в приймальних пристроях застосовують добре відомі схеми відрядкової фіксації (схеми прив'язки) рівня, які встановлюють по всьому полю кадру рівномірний рівень чорного і тим самим практично пригнічують сигнал дисперсії.

Мал. 2.6. Розподіл щільності потоку потужності супутника TDF-1

Шуми

У будь-якій системі зв'язку разом з корисними сигналами завжди присутні і сторонні, непотрібні, які створюють перешкоди прийому. Такі сигнали - перешкоди, що мають випадкову природу і не передаваєму ніякими іншими системами, називаються шумами. Шуми - це природне явище. У ідеальних системах зв'язку сигнал міг би передаватися і прийматися без перешкод. Проте в будь-якому реальному приймальному електронному пристрої завжди присутні шуми, від яких повністю позбавитися неможливо . Вони полягають:

% із зовнішніх прийнятих шумів ( атмосферні шуми, галактичні шуми, шуми Сонця, Землі і ін.)

% з внутрішніх шумів приймального пристрою (еквівалентні шуми антени, шуми коаксіальної лінії живлення, шуми попереднього підсилювача, змішувача і так далі). Вони викликають погіршення

прийому, знижують чутливість приймального пристрою, оскільки обмежують прийом мінімального корисного сигналу по рівню.

Шумові параметри приймального пристрою

Існують два основні види внутрішніх шумів в електронних пристроях: тепловий шум і шум дробу (назву отримав за шум, подібний до шуму, що створюється при падінні дробу на металеву поверхню). Внутрішній шум дробу переривистий і носить випадковий характер. Утворюється безладними змінами струму в електричних ланцюгах приймальних пристроїв і в їх електронних компонентах (у діодах, транзисторах, мікросхемах і так далі при інжекції електронів і дірок). Шум дробу - це випадковий, непередбачуваний процес, що утрудняє його вимірювання. Він не залежить від частоти, тобто є білим шумом.

Інший вид шуму - тепловий. Він породжується хаотичним рухом вільних електронів в кристалічних решітках речовини, з якої складається провідник, точніше опір. Його рівень не залежить ні від величини струму, що протікає через опір, ні від величини напруги, прикладеної до цього опору. Тепловий шум є також білим шумом.

Унаслідок теплового руху молекул, тепловий шум присутній у всіх речовинах, що мають температуру вище за абсолютний нуль. Спектр теплового шуму дуже широкий і охоплює весь радіочастотний спектр. Тепловий шум змінюється із зміною температури навколишнього середовища. Тому для його характеристики використовується поняття "Шумова температура"8^.

При температурі абсолютного нуля ( Про До або -273 °С) шум припиняється, а при кімнатній ( 290 До або +17° З ) шум збільшується на + 3 дБ. Як шумові характеристики приймальних пристроїв уживаються поняття:

• - шумова температура, в До;

• - коефіцієнт шуму (шум-чинник, Noise figure) приймального пристрою, дБ. Він є складною функцією багатьох змінних: повного опору джерела сигналу - антени, параметрів електронних компонентів приймального пристрою і ін.

Коефіцієнт шуму - це відношення потужності шуму на виході приймального пристрою (перерахованою на його вхід) до потужності шуму на його вході (у точці підключення антени).

Поняття шумової температури і коефіцієнта шуму взаємозв'язані між собою графічною залежністю (мал. 2.7).

Ріс.2.7.Взаїмозавісимості шумової температури і коефіцієнта шуму

Їх аналітична залежність описується формулою:

(2.5)

Атмосферні шуми. Атмосферні шуми обумовлені присутністю в атмосфері кисню, водяної пари і, особливо, помітні у момент випадання опадів - дощивши, сніги і тому подібне Їх рівень підвищується із зростанням частоти і збільшується із збільшенням товщини атмосферного шару, через який вимушені проходити електромагнітні хвилі, що несуть інформацію, при зміні кута місця антени від 90 до 0 ° (тобто із збільшенням похилої дальності).

Галактичні шуми. Рівень галактичних шумів незначний і не перевищує 4 К. Більш високий рівень шумів приймають антени, направлені у бік Чумацького шляху, менший - у бік полярних областей Галактики. На мал. 2.8 приведена залежність космічних і атмосферних шумів від частоти для різних кутів місця антени.

Значний рівень шумів приймається, якщо антена "дивиться" безпосередньо на Сонці. Тому іноді використовують як генератор шуму антену, направлену прямо на сонячний диск.

Мал. 2.8. Залежність космічних і атмосферних шумів від частоти для різних кутів місця (ф) антени: До - температура в градусах До

Окрім цього, антена приймає також шум близько 60 До через свої бічні пелюстки, звернені до Землі. Чим антена менших розмірів і чим гіршого вона якості, тим більший рівень бічних пелюсток в її діаграмі спрямованості і тим більше шуму приймає система космічного і теплового. Необхідно відзначити, що антена, направлена на лінію горизонту неминуче приймає теплове випромінювання Землі і її ефективна шумова температура не може бути менше 200...300^о К.

Поверхня Землі, як і будь-яке нагріте тіло, є джерелом шуму і направлені на Землю супутникові антени приймають додатковий шум близько 290 ^о К. Наземні антени, направлені на супутник, також приймають шум з космічного простору близько 4 До через основну пелюстку діаграми спрямованості.

Поляризація електромагнітних хвиль

У неполяризованій електромагнітній хвилі коливання векторів напруженості електричних Е і магнітних Н полів відбуваються в кожній точці простору по всіляких напрямах (у площині перпендикулярною напряму розповсюдження хвилі). Вони швидко і безладно змінюють один одного і жодне з цих напрямів не є переважним.

У поляризованій електромагнітній хвилі в кожній точці простору напрям коливань векторів зберігається незмінним протягом напівперіоду або змінюється в часі по певному закону.

Поляризація - це фізична характеристика випромінювання, що описує спрямованість векторів, - моментів електричного поля, електромагнітної хвилі, що розповсюджується.

До першого випадку відносяться електромагнітні хвилі плоских поляризацій - вертикальною або горизонтальною. До другого - еліптичних і, як окремий випадок, кругових поляризацій.

За площину поляризації електромагнітної хвилі приймають площину, в якій знаходиться вектор її електричного поля Е і вісь, уздовж якої дана хвиля розповсюджується.

Напрям розповсюдження електромагнітної хвилі у вільному просторі і вектори її напруженості магнітного Н і електричного Е полів завжди взаємно перпендикулярні (ортогональні), тобто зрушені по відношенню один до одного на 90°.

Оскільки вектори Е і Н завжди взаємно ортогональні (мал. 2.9), то для напряму розповсюдження електромагнітної хвилі досить знати направлення одне з векторів і для цього вибраний напрям вектора Е. У плоскополяризованій електромагнітній хвилі електричне поле розповсюджується в площині, і його вектор Е змінюється лінійно від максимального позитивного значення до максимального негативного. Його проекція на площину перпендикулярної площини розповсюдження є лінією.

Звідси, що часто зустрічається інша назва плоскополяризованих хвиль - електромагнітні хвилі лінійної поляризації. За допомогою відповідних пристроїв - поляризаторів при передачі можна підсумовувати, а в пристроях прийому можна розділяти плоско (лінійно) поляризовані електромагнітні хвилі вертикальної і горизонтальної поляризації. Вони після розділення будуть незалежні один від одного.

Сума двох плоско (лінійно) поляризованих електромагнітних хвиль, що мають однакові частоти і амплітуди і зміщених один щодо одного на чверть довжини хвилі, - на 90°, приводить їх до кругової поляризації (мал. 2.10), що обертається або вліво, або управо. Якщо їх зсув відрізняється від 90°, то виникає хвиля еліптичної поляризації, також здатна обертатися або вліво, або управо у напрямі розповсюдження.

Мал. 2.9. Електромагнітні хвилі лінійних поляризацій: а - вертикальні; б - горизонтальні для одного і того ж напряму розповсюдження

Вектор напруженості електричного поля Е при круговій поляризації не змінюється по амплітуді і описує в часі круг в площині перпендикулярної розповсюдженню. Звідси і відповідна назва.

Поляризовані електромагнітні хвилі володіють найважливішою властивістю: електромагнітні хвилі взаємопротилежних плоских поляризацій при прийомі можна розділяти. Це знаходить застосування на практиці для передачі різних телепередач по одних і тих же частотних каналах.

Завдяки поляризаційним властивостям електромагнітних хвиль, виділений частотний діапазон може використовуватися повторно, що збільшує його пропускну спроможність і знижує вартість експлуатації частотного каналу.

При ретрансляції телепрограм через супутники використовуються електромагнітні хвилі:

• двох видів лінійних (плоских) поляризацій - вертикальною (V) і горизонтальною (Н);

Мал. 2.10. Виникнення хвилі кругової поляризації:

Ен - напруженість електричного поля хвилі горизонтальної поляризації;

Ev - напруженість магнітного поля хвилі вертикальної поляризації;

а - сумарна кругова електромагнітна хвиля і її напрям

• двох видів кругових поляризацій - з обертанням електромагнітного поля управо (RC) і вліво (LC).

Наприклад, західноєвропейські супутники INTELSTAT, ASTRA і ін. випромінюють в основному електромагнітні хвилі лінійних поляризацій: вертикальних або горизонтальних (V або Н), а російські супутники ГАЛС-1, ГАЛС-2, TDF-2 і тому подібне - тільки кругових поляризацій (правосторонніх - RC або лівобічних - LC). Теоретично найбільш відповідними для ретрансляції телевізійного віщання через супутники є електромагнітні хвилі лінійних поляризацій. Проте при проходженні електромагнітної хвилі лінійної поляризації через атмосферу під дією магнітного поля Землі вона може розщеплюватися на дві складові - електричну і магнітну, які розповсюджуються з різними швидкостями в іоносфері. В результаті між ними виникає зрушення по фазі, що приводить до повороту площини поляризації електромагнітної хвилі, зниженню її потужності в антені при прийомі і до появи додаткових (кроссполяризаціних) перешкод. Це явище помітне на частотах нижче 10 ГГц і тут застосовуються електромагнітні хвилі виключно кругових поляризацій, що в основному використовується на російських супутниках. На частотах вище 10 ГГц такі втрати незначні. В цьому випадку застосовуються і електромагнітні хвилі лінійних поляризацій.

Слід зазначити, що застосування електромагнітних хвиль взаємопротилежних поляризацій викликане необхідністю збільшення пропускної спроможності виділеного частотного діапазону для ретрансляції телепередач.

Можливість розділення електромагнітних хвиль по поляризації є найважливішою їх властивістю.

У первинному опромінювачі зовнішнього пристрою при прийомі електромагнітні хвилі кругової поляризації розділяються на електромагнітні хвилі горизонтальної і вертикальної поляризацій. Для цих цілей використовуються електромагнітні, механічні і інші поляризатори.