Учебное пособие 800186

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Воронежский государственный технический университет

А. К. Сенаторов, В. С. Скоробогатов

СПУТНИКОВОЕ И КАБЕЛЬНОЕ ТЕЛЕВИДЕНИЕ: УСТРОЙСТВА И ЭЛЕМЕНТЫ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия

Воронеж 2004

ББК 32.884

Сенаторов А. К.,Скоробогатов В. С. Спутниковое и кабельное телевидение: устройства и элементы: Учеб. пособие / Воронеж: Воронеж.гос.техн.ун-т, 2004. 149 с.

В учебном пособии рассмотрены наиболее перспективные виды спутниковых систем связи, принципы организации спутникового телевизионного (ТВ) вещания, способы формирования и передачи спутниковых ТВ сигналов. Подробно анализируется типовая приемная спутниковая установка и ее основные составляющие. Рассмотрены системы спутникового телевидения коллективного пользования и ряд систем кабельного телевидения.

Учебное пособие соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 210200 «Проектирование и технология электронных средств», специальности 210201 « Проектирование и технология производства РЭС», дисциплине «Приемоусилительные и видеотелевизионные системы». Предназначено для студентов 4, 5 курсов дневной и заочной форм обучения.

Учебное пособие подготовлено в электронном виде в текстовом редакторе

Microsoft Word 2000 и содержится в файле «Spyt. and Cab. TV.doc».

Табл. 16. Ил. 37. Библиогр.: 14 назв.

Научный редактор д-р техн. наук А. В. Муратов

Рецензенты: кафедра математического моделирования и вычислительной техники ГОУ ВПО ВГАСУ;

д-р физ.-мат.наук ВГУ А. М. Бобрешов

Сенаторов А. К. , 2004

Оформление. Воронежский государственный технический университет, 2004

ВВЕДЕНИЕ

Быстрое развитие нового направления средств связи и телекоммуникаций: спутникового и кабельного телевидения дает возможность рядовому потребителю информации массу новых возможностей. Отличительной особенностью спутникового телевизионного вещания (СПТВ) является возможность для телезрителя принимать интересующую его программу с любого спутника. Спутниковое вещание – это передача радиовещательных программ (ТВ и звуковых) от передающих земных станций к приемным через искусственный спутник земли, который часто называют «активный ретранслятор». В зависимости от типа наземных станций и назначения системы различают следующие службы спутниковой радиосвязи [1]:

-фиксированная спутниковая служба – служба радиосвязи между земными станциями, расположенными в определенных (фиксированных) пунктах, при использовании одного или нескольких спутников;

-радиовещательная спутниковая служба – служба радиосвязи, в которой сигналы космических станций предназначены для непосредственного приема населением. Непосредственным считается как индивидуальный, так и коллективный прием. В последнем случае телезрители принимают программу из

кабельной сети от ТВ передатчиков-ретрансляторов [1-3]. Фиксированной и вещательной службам выделены различные полосы

частот и предъявляются разные требования по максимальной плотности потока мощности, создаваемой у поверхности Земли излучениями космических станций

[1-3].

В данном учебном пособии рассмотрены: виды спутниковых систем связи, назначение систем, использующих геостационарную, эллиптическую орбиты (п.1), принципы организации спутникового ТВ вещания (п.2), способы формирования и передачи спутниковых ТВ сигналов (п.3). Уделено внимание техническим основам спутникового ТВ вещания (п.4), способам ретрансляции ТВ программ (п.5). Подробно анализируются типовая приѐмная спутниковая установка и еѐ основные составляющие (п.6), а также промышленные приѐмные установки и узлы СПТВ (п.7). Особое внимание уделено в пособии системам спутникового телевидения коллективного пользования (SMATV): оборудованию и распределительным сетям (п.8) и принципам выбора оборудования для приѐма спутникового ТВ (п.9).

Рассмотрены в пособии и способы установки спутникового оборудования (п.10), состав измерительных приборов для спутникового ТВ (п.11). В достаточно полном объеме рассмотрены состав и основные принципы построения структур кабельного телевидения (п.12)

1.СПУТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ СВЯЗИ

Воснове построения спутниковой системы связи лежит идея размещения ретранслятора на космическом аппарате (КА). Движение КА длительное время происходит без затрат энергии, а энергоснабжение всех систем осуществляется от солнечных батарей. КА, находящийся на достаточно высокой орбите, способен охватить очень большую территорию - около трети поверхности Земли, поэтому через его бортовой ретранслятор могут связываться любые станции, находящиеся на этой территории. Трѐх КА практически достаточно для создания глобальной системы связи.

Принцип спутниковой связи заключается в ретрансляции отражающей поверхностью или аппаратурой спутника сигнала от передающих наземных станций к приѐмным. Таким образом, в зависимости от характера обработки сигнала на спутнике ретрансляция может быть пассивной или активной. В первом случае функции ретранслятора выполняют развѐртываемые в космосе специальные отражатели, например, тонкостенные конструкции из металлизированных синтетических плѐнок. Такая конструкция имеет значительную площадь (несколько десятков квадратных метров), рассеивает падающие на нее радиоволны, а наземная приѐмная станция улавливает часть их энергии. Достоинствами такой системы являются: способность работать продолжительное время, надежность, простота управления. Следует также отметить возможность одновременного и независимого использования одного спутника практически неограниченным числом систем связи при условии, что они работают на разных частотах.

Опыт эксплуатации таких спутников - ретрансляторов выявил основной недостаток систем связи, в которых они используются, низкую эффективность вследствие слишком большого затухания сигнала, предопределяющего необходимость в большой (до 10 МВт) мощности передающих станций и очень высокой чувствительности приемных наземных устройств. Это обусловливает сложность и высокую стоимость приемопередающей аппаратуры и, следовательно, системы космической связи в целом. Кроме того, малая мощность отраженного сигнала приводит к низкому качеству связи из-за большого влияния шумов и помех. Еще одним серьезным недостатком является большая сложность создания системы с ограниченной зоной покрытия. Все это заставило отказаться от создания систем регулярной связи на основе пассивных ретрансляторов.

Спутниковая система связи с активным ретранслятором в энергетическом отношении более предпочтительна. Наличие на борту КА всего комплекса приемопередающей аппаратуры позволяет значительно уменьшить мощность наземной' передающей станции и чувствительность приемного устройства. Экономический эффект от эксплуатации такой системы определяется числом пользователей и дальностью связи.

Спутниковая связь с активной ретрансляцией универсальна в отношении передаваемой информации: вследствие широкополостности и большой пропускной способности спутниковой аппаратуры имеется возможность вести с высокой надежностью радиосвязь, обмен телевизионными и радиовещательными программами, передачу многоканальных телефонных телеграфных и фототелеграфных сигналов, цифровой информации между удаленными земными потребителями.

Спутники связи обращаются вокруг Земли по орбитам, плоскости которых проходят через центр земного шара. В зависимости от угла между плоскостями орбиты и земного экватора, называемого наклонением i, различают полярные (i=90o) экваториальные (i=0) и наклонные (0<i<90о) орбиты спутников.

В системах космической связи широко используются высокие эллиптические орбиты со следующими параметрами: высота апогея На 40000 км, перигея Нп=500 км, наклонение i 63o. Такая орбита характеризуется периодом обращения спутника вокруг Земли, равным 12 ч, поэтому еѐ апогей всегда находится над одним и тем же меридианом. Это облегчает сопровождение спутника и позволяет на каждом втором его витке организовывать сеансы связи в одно и то же местное время. Большая высота апогея обеспечивает длительное время полета над находящейся под ним территорией и, следовательно, большую продолжительность сеанса связи.

Преимуществами систем связи, в которых используются эллиптические орбиты, являются простота и незначительные энергетические затраты на запуск спутника, поэтому он может производиться небольшой ракетой носителем кроме того, эти системы связи могут обслуживать приполярные районы.

Однако, во-первых, для обеспечения круглосуточной связи такая система требует использования нескольких спутников - как минимум трех, что значительно усложняет управление ею. Во - вторых, для обеспечения непрерывной связи передающие и приемные антенны наземных станций должны быть все время направлены на КА. Для этого используются специальные устройства наведения и сопровождения, обеспечивающие поворот антенн одновременно с перемещением спутника. Наличие таких устройств увеличивает стоимость антенных систем, снижает надежность работы.

Значительные преимущества предоставляет использование КА, расположенного на так называемой геостационарной орбите, находящейся в плоскости экватора и имеющей нулевое наклонение круговой орбиты с радиусом 35785 км. Такой спутник совершает один оборот вокруг Земли точно за одни земные сутки. Если направление его движения совпадает с направлением вращения Земли, то с поверхности Земли, он кажется неподвижным. Ни при каком другом сочетании указанных параметров орбиты нельзя добиться неподвижности КА относительно наземного наблюдателя. Антенны станций, работающих с геостационарным спутником, не требуют сложных систем наведения и сопровождения, а в случае необходимости могут быть установлены устройства для компенсации небольших возмущений орбиты. Благодаря этому обстоятельству в настоящее время почти все спутники связи, предназначенные для коммерческого использования, находятся на геостационарной орбите. Примерно в одной позиции на одной географической долготе могут находиться несколько КА, расположенных на расстоянии около 100 км друг от друга. Например, семь спутников серии Astra размещены в позиции 19° в.д. Отметим, что в ближайшее время их число будет увеличено до восьми.

Спутниковая линия связи с ретранслятором на геостационарной орбите имеет ряд серьезных преимуществ, как-то:

-осуществление непрерывной круглосуточной связи;

-отсутствие устройства, сопровождения А - в антенной системе наземного комплекса;

-высокая стабильность уровня сигнала в радиоканале;

-отсутствие эффекта Доплера;

-простота организации связи в глобальном масштабе.

Недостатками такой линии связи является перенасыщенность гео-

стационарной орбиты на многих участках, а также невозможность обслуживания приполярных областей.

Вблизи полюсов геостационарный КА виден под малым углом места, а у самых полюсов не виден вообще. Ввиду малости угла места происходит затенение спутника местными предметами, увеличение шумовой температуры антенны за счет тепловых шумов Земли, повышение уровня помех от наземных радиотехнических средств же на широте 75 прием затруднителен, а выше 80почти невозможен. Однако в широтном поясе от 80 ю.ш. до 80 с.ш. проживает практически все население Земли. Поэтому использование ретранслятора, находящегося на геостационарной орбите, целесообразно, например, для передачи телевизионного изображения.

2. ОРГАНИЗАЦИЯ СПУТНИКОВОГО ТЕЛЕВИЗИОННОГО ВЕЩАНИЯ

Спутниковое телевизионное вещание - это передача через космический спутник-ретранслятор телевизионного изображения и звукового сопровождения от наземных передающих станций к приемным. В сочетании с кабельными сетями спутниковая телевизионная ретрансляция через спутники сегодня является основным средством обеспечения многопрограммного высококачественного телевизионного вещания.

В зависимости от организации спутниковое ТВ вещание может осуществляться двумя службами:

- фиксированной спутниковой службой (ФСС). В этом случае передаваемые через КА. телевизионные сигналы принимаются с высоким качеством наземными станциями расположенными в зафиксированных заранее пунктах. С этих станций через наземные ретрансляторы телевизионный сигнал доставляется индивидуальным потребителям;

-радиовещательной спутниковой службой (РВСС). В этом случае ретранслируемые КА. телевизионные сигналы предназначены для непосредственного приема населением (непосредственным считается как индивидуальный, так и коллективный прием, при котором телезрители принимают программу по кабельной сети).

Большое распространение в настоящее время получили относительно простые и недорогие установки с антеннами небольших размеров для непосредственного приема телевизионных сигналов со спутников. Система спутникового телевизионного вещания включает в себя следующие подсистемы:

-передающий телевизионный центр;

-активный спутник-ретранслятор;

-приемное оборудование.

Современные технические средства позволяют сформировать достаточно узкий пучок волн, чтобы при необходимости сконцентрировать практически всю энергию передатчика КА на ограниченней территории, например, на территории одного государства.

Часть территории, которую необходимо охватить вещанием при заданном уровне сигнала называют зоной обслуживания.

Ее вид и размеры зависят от диаграммы направленности передающей антенны спутника - ретранслятора. Несмотря на то, что антенна всегда направлена в точку прицеливания, за чем следят специальные устройства, зона обслуживания имеет сложную геометрическую форму.

Если диаграммы направленности бортовых антенн КА - достаточно широки, чтобы охватить всю видимую с него часть - земли, то зона обслуживания является глобальной. В спутниковом телевидении уровень излучаемого с космического аппарата сигнала принято характеризовать произведением мощности (в ваттах) подводимого к антенне сигнала на коэффициент ее усиления (в децибелах) относительно изотропного (всенаправленного) излучателя. Эту характеристику называют эквивалентной изотропно - излучаемой мощностью (ЭИИМ) и измеряют в децибелах на ватт. Уровень сигнала в точке приема определяется плотностью потока мощности у поверхности Земли относительно потока мощности 1 Вт проходящего через 1 м2(дБВт/м2).

В 1977 г. состоялась Всемирная административная радиоконференция по планированию радиовещательной спутниковой службы, на которой был принят ныне действующий Регламент радиосвязи. В соответствии с ним земной шар разделен на три района, для вещания на каждой из которых выделены свои полосы частот.

В Регламенте указаны полосы частот метрового и дециметрового диапазонов, в которых работают радиопередающие средства телевизионного вещания. В этих полосах частот ряд частотных планов, разработанных на основании защитных отношений и других параметров, рекомендованных МККР (Международным Консультативным Комитетом по Радиосвязи) согласован на международном уровне.

Для систем спутников вещания выделены полосы частот, представленные в таблице 1.

Таблица 1 - Полосы частот систем спутникового вещания

Два последних диапазона Ка и К - почти не используются, и пока считаются экспериментальными. Однако вещание спутниковых телепрограмм в этих диапазонах позволит значительно уменьшить диаметр приемных антенн. Например, если антенны Ku-диапазона (10,70-12,75 ГГц) имеют характерные размеры 0,6 - 1,5 м, то антенны К - диапазона (84-84 ГГц) при том же значении коэффициента усиления будут иметь размеры 0,10-0,15 м. Кроме того, информационная емкость этих диапазонов значительно выше. Под информационной емкостью понимается количество телевизионных каналов, которое можно разместить в данном диапазоне частот.

Основная проблема в освоении этих диапазонов - экономическая, а именно, проблема создания недорогих массовых индивидуальных приемников. Сформулированные в Регламенте радиосвязи основные положения, касающиеся

систем непосредственного спутникового телевизионного вещания, сводятся к следующему:

-в системах СНТВ используются спутники-ретрансляторы, расположенные на геостационарной орбите;

-для радиолиний Земля-Космос и Космос-Земля выделены фиксированные полосы частот (таблица 2);

-рекомендуется передача частотно-модулированного сигнала с предискажениями;

-величина отношения сигнал/шум не должны быть меньше 14 дБ;

-плотность потока мощности, в зоне обслуживания не должна превышать 103 дБВт/м2 для индивидуального приема и 111 дБВт/м2 для коллективного;

-для увеличения объема передаваемой информации рекомендуется двукратное использование рабочих частот, что, возможно благодаря развязке по поляризации;

-приемную установку необходимо характеризовать коэффициентом добротности, который определяется как отношение коэффициента усиления антенны к суммарной шумовой температуре станции G/T.

Таблица .2 - Полосы частот, ГГц, выделенные спутниковому ТВ вещанию ФСС и РВСС для Района I

3. СПОСОБЫ И СХЕМЫ ФОРМИРОВАНИЯ И ПЕРЕДАЧИ СПУТНИКОВЫХ ТЕЛЕВИЗИО

Качество телевизионного изображения во многом определяется методами его формирования и передачи, а также, параметрами электрических сигналов несущих информацию о яркости, цвете и звуковом сопровождении.

В середине 70-х годов, когда спутниковые системы только создавались, использовался аналоговый телевизионный сигнал, как и в наземном вещании. Однако такой тип сигналов не слишком хорош для спутниковых каналов. Поэтому активизировались работы по поиску новых, более совершенных методов. Становилось ясно, что наилучшего качества можно добиться только при использовании цифровых сигналов. 0днако из-за технических сложностей их использование не представлялось возможным. В связи с этим в начале 60-х годов был разработан и принят комбинированный цифроаналоговый стандарт,

получивший название MAC (Multiplexing Analogue Components).

Активные поиски продолжались, и в конце 80-х годов был создан алгоритм цифрового сжатия, на основе которого принят широко используемый сейчас в спутниковом вещании цифровой стандарт обработки телевизионного сигнала MPEG-2.Таким образом, сегодня используются три вида передачи телевизионного сигнала: аналоговый, цифроаналоговый и цифровой. Рассмотрим их подробнее.

3.1 АНАЛОГОВЫЙ СПОСОБ

Телевизионный сигнал, форма которого повторяет распределение яркости на, пути развертки изображения, называется электрическим аналогом изображения или телевизионным аналоговым сигналом.

Наземное телевизионное вещание осуществляется при помощи амплитудной модуляции (АМ) с частичным подавлением одной боковой полосы. Было бы очень удобно использовать этот же метод передачи и в системах СНТВ, поскольку представилась бы возможность непосредственно принимать сигналы со спутника на обычные телевизоры, не оснащенные дополнительными устройствами. Однако это невозможно в СВЯЗИ с тем, что мощность бортового передатчика при AM должна быть недостижимо большой - единицы и десятки киловатт. Кроме того, раздавались бы большие помехи наземным: службам радиосвязи. В системах СНТВ для передачи телевизионных сигналов используется частотная модуляция (ЧМ). При использовании ЧМ для передачи ТВ сигналов требуется значительная мощность. Уменьшая мощность бортового передатчика, однако, в этом случае приходится занимать большую полосу частот. ЧМ отличается от других помехоустойчивых видов модуляции тем, что при сравнительно простых технических средствах приема реальная помехоустойчивость незначительно отличается от теоретической. Возможность достижения высокой помехоустойчивости сравнительно простыми техническими средствами стало выигрышным моментом при создании простых и недорогих приемных установок СНТВ.

Телевизионный сигнал характеризует совокупность его параметров: число строк, число кадров, длительность и форма синхронизирующих импульсов, полярность сигнала, разнос между несущими частотами изображения и звукового сопровождения, метод кодирования сигналов цветности совместно с сигналом

яркости. Совокупность значения этих параметров составляет стандарт телевизионного сигнала.

Вназемном телевизионном вещании в настоящее время распространено десять видов стандартов передачи телевизионных сигналов, которые по международной индексации принято обозначать латинскими буквами: В, D, G, H, I, K, KI, L, M, N. Все они имеют следующие одинаковые параметры: число строк

вкадре - 625; частота кадров - 50 Гц; частота строк - 15625 Гц; амплитудная модуляция несущей изображения. При этом В и D - стандарты метрового диапазона волн, G, Н и К - дециметрового, I, KI, L, М и N - метрового и дециметрового одновременно. В настоящее время используются три системы цветного телевидения, различающиеся способом кодирования сигналов цветности: SECAM, NTSC и PAL. Различные стандарты в сочетании с этими системами дают несколько вариантов стандартов телевизионного вещания.

Встранах входящих в организацию OIRT (Organization International Radio and Television) действует стандарт SECAM D/K (Россия, страны СНГ, Венгрия, Болгария, Вьетнам, Польша и др.).

Вбольшинстве европейских стран, в государствах Ближнего Востока,

объединенных организацией IRCC (International Radio Consultative Committee)

используется стандарт PAL B/G (Австрия, Италия, Ирландия, Исландия, Кипр, Норвегия, Арабские Эмираты, Оман, Кувейт и др.). В США, на Филиппинах, в Канаде, Чили, Боливии, Мексике, Японии и др. телевизионное вещание регламентируется Комиссией по связи FCC (Federal Communication Commission)

использующей стандарт NTSC М .

Принципы передачи цветного изображения в системах SECAM, NTSC и PAL достаточно подробно рассмотрены в популярной и специальной литературе, поэтому отметим лишь их основные преимущества и недостатки.

Система SECAM (Seguentiel Couler a Memoire - последовательная цветная с памятью) - последовательная, совместима с черно-белой системой. Ее отличительным признаком является поочередная передача через строку двух цветоразностных сигналов на ЧМ-поднесущей при непрерывной передаче сигнала яркости.

Последовательная передача частотно-модулированных цветоразностных сигналов практически сводит на нет в системе SECAM фазовые искажения, присущие системе NTSC (из-за квадратурной модуляции), а также перекрестные искажения цветового тона (в каждый момент времени по каналу передается только один сигнал цветности).

Система SECAM разработанная совместна Советским Союзом и Францией,

отличается от первоначально созданной системы SECAM тем, что каждый цветоразностный сигнал модулирует по частоте свою поднесущую, чем достигается повышение качества воспроизведения цветного изображения. Кроме того, для повышения помехоустойчивости в передающую часть системы введены цепи предискажения цветоразностных сигналов до и после модуляции по частоте, а в приемное устройство - цепи коррекции.

Существуют два вида предискажения: низкочастотные и высокочастотные благодаря низкочастотным предискажениями сигнала достигается повышение отношения сигнал/помеха за счет увеличения глубины модуляции на верхних частотах. Благодаря внесению высокочастотных предискажений, во-первых, на черно-белом изображении менее заметна поднесущая и, во-вторых, повышается помехоустойчивость сигнала цветности.