Переваги телевізійного віщання на свч через супутники-ретранслятори

У супутниковій системі телепередач "носіями" інформації є електромагнітні хвилі надвисоких частот (СВЧ) 1...30 ГГц (довжина хвилі 30... 1 см). Надвисокі частоти привертають до себе увагу тим, що:

• у цьому діапазоні потенційно доступна широка смуга частот ( f 800 МГц), що дає можливість передавати більше інформації, чим на частотах короткохвильового діапазону. Тут реалізується висока пропускна спроможність, оскільки можна розмістити значну кількість телевізійних каналів, що важливе для передач з супутників;

• електромагнітні хвилі тим краще фокусуються, чим більше розкривши антени по відношенню до довжини хвилі ( ), що дозволяє концентрувати енергію електромагнітних хвиль при застосуванні антен навіть відносно невеликого діаметру на відведену територію і забезпечити тим самим потрібний для прийому рівень щільності потоку потужності;

• дозволяють використовувати антени з вузькою, голчатою діаграмою спрямованості, які можуть найефективніше передавати інформацію із Землі у напрямі супутника, що здається "маленьким";

• зв'язок на цих частотах менш чутливий до атмосферних перешкод, чим зв'язок на нижчих частотах;

• важливою властивістю електромагнітних хвиль СВЧ є їх здатність проходити через верхні шари атмосфери. Електромагнітні хвилі, наприклад, частот нижче 30 МГц, відбиваються ними;

• область СВЧ була відносно вільна для вирішення виниклих завдань по супутниковому віщанню.

Освоєння діапазону СВЧ дало можливість на практиці реалізувати телепередач через супутники.

Важливою перевагою передачі інформації в СВЧ діапазоні є застосування антен невеликих розмірів. Так, наприклад, якби телепередачі передавалися в метровому діапазоні на частотах 76...84 МГц, то для забезпечення прийому на Землі на звичайні телевізори, на супутнику довелося б встановити антену діаметром приблизно 500 м і використовувати передавач потужністю близько 1,0 кВт, а при передачі в дециметровому діапазоні на частотах 598...606 МГц антена потрібна діаметром близько 60 м і потужності передавача близько 30 кВт, оскільки електромагнітні хвилі цього діапазону сильно поглинаються в атмосфері. Очевидно, що споруджувати такі передавальні системи технічно дуже складно і навряд чи виправдано економічно. В той же час при роботі в діапазоні СВЧ (10,7...12,5 ГГц) розмір антени на супутнику не перевищує в діаметрі 3,0 м при потужності передавача близько 200 Вт і для індивідуального прийому потрібні антени не більше 2,0 м в діаметрі. При роботі в діапазоні украй високих частот КВЧ (40,0...60,0 ГГц), на супутнику досить мати передавальну антену діаметром 0,3...0,4 м, але освоєння цього діапазону справа майбутнього. Найімовірніше він буде використаний для телебачення високої чіткості - ТВВЧ (HDTV).

Правові питання телевізійного віщання по супутникових каналах

Вже в кінці минулого століття фахівці прийшли до висновку про необхідність міжнародного регулювання використання діапазону радіочастот. Для цього, з метою вдосконалення всіх видів електрозв'язку, був утворений Міжнародний телеграфний союз, який в 1932 р. був перейменований в Міжнародний союз електрозв'язку (МСЕ).

Для розгляду технічних і адміністративних питань за ініціативою МСЕ скликаються Усесвітні Адміністративні Конференції з Радіозв'язку - ВАКР (World Administrative Radio Conference - WARC), з 1992 р. вони називаються ВКР, які визначають технічні, правові, процедурні і експлуатаційні питання конкретних радіослужб.

Швидкий розвиток супутникових засобів зв'язку з кінця 70-х років зажадав розробки і ухвалення ряду міжнародних угод і норм. У 1977 році відбулася Усесвітня адміністративна конференція з радіозв'язку (ВАКР-77), на якому був прийнятий Регламент радіозв'язку, що діяв нині. Відповідно до нього вся земна куля роздільна на три Райони, для кожного з яких виділені окремі смуги частот (мал. 2.11).

На спеціальній ВАКР в 1988 році були закріплені позиції супутників, що діяли, на гіостаціонарній орбіті і в цілях подальшого розвитку для кожної країни передбачені позиції супутників на орбіті і частоти. Для нових супутників передбачені зони обслуговування тільки в межах національних меж кожної країни.

Оперативна поточна робота проводиться в рамках Сектора радіозв'язку (МСЕ-Р), утвореного в 1992 році на базі Міжнародного консультативного комітету по радіо (МККР) і Міжнародного комітету з реєстрації радіочастот (МКРЧ). МСЕ-Р займається технічними проблемами нормування систем радіозв'язку і розробкою рекомендацій, сприяючих ефективному використанню частотного діапазону і запобіганню перешкодам між службами зв'язку.

Кожному запуску супутника передує публікація про нього інформації в спеціальних бюлетенях МСЕ-Р, і узгодження (координація) із зацікавленими країнами. Ця інформація містить дані про орбіту супутника, зведення про зони обслуговування, діапазон частот, про максимальну спектральну щільність потоку потужності, що підводиться до антен супутникових і наземних

Мал. 2.11. Райони Землі і частоти, виділені для супутників-ретрансляторів телевізійного віщання (розподіл частот для трьох Районів за Регламентом радіозв'язку декілька відрізняється від розглянутого)\

станцій, про еквівалентну шумову температуру приймачів і тому подібне Результати узгодження повідомляються в МСЕ-Р, який за відсутності розбіжностей реєструє новий супутник. Період від першої заявки до реєстрації зазвичай триває від на півроку до двох років. Для кожної країни виділені:

% позиції супутників на гіостаціонарній орбіті, з яких можливе віщання на дану країну;

% частотні канали для ретрансляції телепередач;

• поперечний перетин основної пелюстки діаграми спрямованості на рівні половинної потужності;

• спрямованість великій осі еліпса щодо прийому в екваторіальній площині;

% поляризація електромагнітних хвиль: лінійна (вертикальна або горизонтальна) або круг (лівобічна або правостороння);

% максимальна випромінювана передавачами супутника потужність в даному діапазоні частот.

План розподілу частотних каналів прийнятий в 1977 р. і набув чинності в 1979 р. План і Регламент радіозв'язку переглядаються і доповнюються тільки на компетентних конференціях, які проводяться регулярно через кожні два роки.

Розподіл частотних діапазонів для супутників-ретрансляторів

Для ретрансляції по супутникових каналах згідно Плану розподілу частотних каналів і Регламенту радіозв'язку виділені наступні частотні діапазони:

% 620...790 МГц, - призначений для наземних телевізійних систем. Він може бути використаний і для супутникового віщання з частотною модуляцією. Тут прийнята неодмінна умова, щоб супутникове віщання не створювало перешкод для прийому наземних телепередач, що забезпечується обмеженням потужності, що випромінюється передавачем супутника. Перевага цього діапазону в тому, що в цій смузі частот можна вести прийом частотномодульованих сигналів на прості приймальні пристрої. Після перетворення в стандартний наземний прийнятий з супутника ЧМ сигнал можна розподіляти абонентам через місцеві наземні телевізійні ретранслятори. Проте вимоги по обмеженню перешкод іншим службам і службам, що знаходяться на території сусідніх держав, приводять до того, що даний діапазон може використовуватися для віщання з супутників тільки усередині країни з великою територією. Наприклад, в цьому діапазоні працює система "Екран", в якій супутник над Екватором з орбітальної позиції 90° в.д. ретранслює програми для Сибіру;

% 2500...2690 МГц (S-діапазон, згідно міжнародної класифікації). Дана смуга частот призначена для національних регіональних систем супутникового віщання при веденні колективного прийому. Тут також необхідно погоджувати використання частот і потужності з сусідніми країнами;

% 3400..,4200 МГц і доданий до нього діапазон (С-діапазон) 4500...4800 МГц надані супутникам ФСС - супутникам фіксованих засобів зв'язку і обидва широко використовуються для передачі програм багатофункціональним приймальням наземним станціям з антенами діаметром 12...32 м. У цьому діапазоні працюють наземні радіорелейні служби зв'язку і станції радіолокацій. Тому, застосовуючи при передачах ефективну дисперсію, можна створювати високу ППМ, завдяки чому в цьому діапазоні можуть вести прийом станції розподільної мережі. Поширений в Росії і в США. Із-за необхідності застосування антен великих розмірів (діаметром 2,0 м і більш), а також великих витрат на додаткове устаткування в Західній і Центральній Європі не набув поширення;

% 10,7... 10,95; 11,2... 11,45 ГГц (Ku-діапазон). Смуги частот виділені супутникам ФСС, які можуть вести також ретрансляцію телевізійного віщання при малій (з метою виключення по хутро іншим системам: радіонавігаційним, радіорелейним і так далі) щільності потоку потужності у земної поверхні (на краю зони покриття ППМ в умовах дощу - 120 дБВт/м2);

% 10,95... 11,2 ГГц; 11,45... 11,7 ГГц (Ku-діапазон). Вказані смуги частот також виділені супутникам ФСС, за умови, що вони пройдуть процедуру узгодження;

% 11,7... 12,75 ГГц (Ku-діапазон). Смуга частот виділена для супутників Безпосереднього Телевізійного Віщання - НТВ (DBS). Освоєння цього діапазону частот почалося з 1980 р. У нім допускається велика щільність потоку потужності у поверхні Землі і частотна смуга його розподілена територіально по районах, зображених на мал. 2.11:

• для Району 1 - територія колишнього СРСР, Монголія, Європа, Африка - смуга частот 11,7... 12,75 ГГц ⁹;

комерційного віщання BBS, зараз відносять до DBS (НТВ) і йому спочатку почали ретрансляцію супутники TELECOM, а зараз Astra 1G, Hot Bird 4 і тому подібне

• для Району 2 - Північна і Південна Америки, смуга частот 12,1...12,7 ГГц розподілена: 12,1...12,3 ГГц службам НТВ і ФСС; смуга 12,3... 12,7 ГГц службі НТВ.

Окрім цього в Районі 2 для служби ФСС виділена смуга частот 11,7...12,1 ГГц:

• для Району 3 - Азія, Японія, Австралія, Океанія відведена основна смуга частот 11,7... 12,75 Ггц. З неї смуга 12,2... 12,5 Ггц розподілена службі ФСС, а смуга 12,5... 12,75 Ггц – службі НТВ, за умови, що ця служба вестиме передачі розраховані на колективний прийом (з щільністю потоку потужності - 111 дБ Вт/м2 на межі зони покриття), за планом, узгодженому.. Регіональною конференцією. Смуга 11,7... 12,2 ГГц для цього Району повністю виділена службі НТВ, тобто на межі покриття ППМ складає - 103 дБ Вт/ м2.

У смугах частот, виділених для супутників НТВ допускається висока щільність потоку потужності, що випромінюється його передавачами. Тому можна вести прийом на невеликі антени діаметром 0,8... 1,0 м, що забезпечує їх дешевизну, доступність і масовість застосування.

Смуга частот 11,7... 12,5 ГГц для Району 1 розбита на 40 частотних каналів (табл.2.2). Проте, завдяки багатократному їх використанню за рахунок просторово-поляризаційного розділення електромагнітних хвиль загальне число каналів прийому доведене до 984. Рознесення між частотами сусідніх каналів, що несуть, складає A = 19,18 Мгц. Така частотна відстань між сусідніми каналами вибрана не випадково - воно визначене розрахунковим шляхом для отримання максимальної пропускної спроможності (максимальної кількості каналів) при мінімумі взаємних перешкоди при просторовому рознесенні між сусідніми супутниками = 6° для Районів 1, 3. Для Району 2 оптимальне значення складає 4,5..5°. Ширина частотної смуги каналу - 27 МГц, модуляція - частотна (допускається і інший вид модуляції, наприклад, фазова маніпуляція при передачі інформації цифровим способом, аби не створювалися перешкоди іншим службам).

На мал. 2.12 показаний принцип побудови частотних каналів. У сусідніх каналах використовуються електромагнітні хвилі взаємно ортогональних поляризацій (для супутників НТВ). При достатньому просторовому розділенні можливе використання сусідніх частотних каналів з електромагнітними хвилями однотипної поляризації. Значення частоти, що несе, для будь-якого n-го каналу розраховується по формулі, Мгц:

fn= 11708 + . (2.6)

Для кожної країни виділяється не менше п'яти телевізійних каналів в межах смуги частот 400 Мгц у верхній або нижній частині діапазону. Для країн з великою чисельністю населення і великою територією, а також багатомовним країнам виділена більша кількість частотних каналів з різними поляризаціями електромагнітних хвиль. Наприклад, для Росії виділено 69 каналів. У 2002 р. ВКР (Стамбул) на плановій основі за Росією було закріплено 74 частотних каналу на п'яти позиціях гіостаціонарної орбіти.

В даний час діапазони частот 22,5...23,0 Ггц; 41...43 Ггц (К-діапазони); 84...86 Ггц, (К-діапазон) не використовуються. Освоєння їх можна чекати тільки в далекому майбутньому і насамперед, для передачі телепередач високій чіткості із застосуванням цифрових способів.

Таблиця 2.2

Номер каналу	Частота, Мгц	Номер каналу	Частота, Мгц	Номер каналу	Частота, Мгц	Номер каналу	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

Необхідно відзначити, що частотам для передачі сигналів з супутника на Землю відповідають частоти сигналів, передавальних із Землі на супутник для ретрансляції. При цьому, частоти сигналів, передавальних в напрямі Земля —> супутник вибираються вище, ніж частоти сигналів передавальних з супутника на Землю, оскільки більше ослаблення на трасі Земля —» супутник легко компенсувати збільшенням потужності передавача наземної станції. Це прийнято записувати дробом, де в чисельнику - частота сигналів випромінюваних передавачем із Землі, а в знаменнику - з супутника, наприклад, 18/12 Ггц. Для зниження інтерференційних перешкод

Мал. 2.12. Принцип використання електромагнітних хвиль взаємно ортогональних поляризацій (лінійних або кругах, без їх конкретизації) сусідніх частотних аналогових каналів супутників НТВ

сигнали, як видно, рознесені один від одного по частоті на далеку частотну відстань.

Індивідуальний і колективний прийом супутникового телевізійного віщання

Мета служби супутниковому телевізійному віщанню - створити умови для прийому телепередач безпосередньо з супутника, без введення проміжної приймальні наземної розподільної мережі. Вираз "безпосередній прийом" однаково може означати як індивідуальний, так і колективний прийом програм. Індивідуальний прийом - це прийом на індивідуальні пристрої за допомогою простої апаратури і малогабаритної антени. Про колективний прийом мовиться в тому випадку, якщо апаратура значно складніше і антена великих розмірів. Окрім цього, необхідно відзначити, що "індивідуальні" і "колективні" приймальні пристрої відрізняються не призначенням, а можливістю вести прийом. Колективні приймачі можуть вести прийом усередині зони покриття, призначеної для індивідуального прийому з кращою якістю, чим індивідуальні. Поза цією зоною для прийому з хорошою якістю вже потрібні колективні приймальні пристрої. Для забезпечення упевненого прийому на індивідуальні приймальні пристрої необхідна потужність передавача супутника розраховується так, щоб на межі зони покриття протягом 99% часу (якнайгіршого для прийому місяця) щільність потоку потужності складала -103 дБ Вт/м2^. Це значення визначене з урахуванням електромагнітної сумісності з наземними службами (без створення взаємних перешкод) і близько до оптимального за економічними показниками, дозволяє вести упевнений прийом на індивідуальні приймальні пристрої.

Для приймальних пристроїв колективного користування щільність потоку потужності на межі зони покриття визначена в —111 дБ Вт/м2, тобто, набагато нижче, і тому вони повинні мати вищу чутливість, ніж індивідуальні.

Параметром, що характеризує приймальний пристрій в цілому, як для індивідуального, так і для колективного прийому, є коефіцієнт добротності (якості).

Коефіцієнт добротності (якості) - це відношення ефективного коефіцієнта посилення по потужності приймальної антени до ефективної шумової температури приймального пристрою: G/T (дБ/KJ.

Коефіцієнт добротності індивідуальних пристроїв для прийому телевізійного віщання з супутників складає не менше 6 дБ/К, а для колективних - 14 дБ/К. Колективні приймальні пристрої забезпечують кращу якість аналогового зображення, що приймається, в порівнянні з індивідуальними при одному і тому ж рівні сигналу, що приймається, і можуть вести прийом при меншому рівні ППМ.