652_Maglitskij_B.N._Printsipy_postroenija_sputnikovogo_televidenija_

Рис.2.5 – Принцип АСМ

В стандарте DVB-S2 возможности использования кодовых скоростей расширены до 1/4, 1/3, 2/5, 1/2, 3/5, 2/3, 3/4, 4/5, 5/6, 8/9 и 9/10. Это достигается использованием каскадного кодирования в состав которого входят код БЧХ (Боуза-Чоудхури-Хоквингема) и LDPC коды (код с малой плотностью проверок на четность)

Корректирующий код в DVB-S2 также представляет собой каскадный код. В качестве внешнего кода в нем применен код БЧХ, а в качестве внутреннего — LDPC.

Коды Боуза-Чоудхури-Хоквингема это двоичные, линейные, циклические, блочные коды. Они исправляют кратные ошибки, т. е. две и более ошибок в кодовой комбинации. БЧХ-код можно задать порождающим полиномом. Методика построения кодов БЧХ отличается от методики обычных циклических, выбором определяющего порождающего полинома g(x). Общее свойство кодовых слов циклического кода: их делимость без остатка на многочлен g(x). Если при делении есть остаток, то произошла ошибка.

31

ВDVB-S2 применяется систематическое кодирование. При систематическом кодировании кодовое слово образуется из двух подблоков: информационного и проверочного (как и в кодах РС). При этом информационный подблок повторяет вид информационного исходного слова.

LDPC — код с малой плотностью проверок на четность или низкоплотностный код с проверкой на четность. Это — линейный блоковый систематический код, задаваемый с помощью порождающей матрицы и с итеративным декодированием.

Проверка четности — простой метод для обнаружения ошибок в передаваемом пакете данных. С ее помощью нельзя восстановить данные, можно только обнаружить одиночную ошибку. Поэтому при кодировании и декодировании LDPC для определения разряда, в котором произошла ошибка, используют специальные проверочные матрицы, позволяющие найти синдромы ошибок в любом разряде кодового слова. Когда в проверяющей матрице LDPC количество единиц мало, это позволяет эффективнее организовать процесс хранения матрицы в декодере или же напрямую реализовать процесс декодирования

спомощью полупроводниковой схемы. Кодовое слово LDPC формируется умножением исходного информационного слова на порождающую матрицу G.

Взависимости от скорости кодирования LDPC, размер входного блока данных для БЧХ-кодера может различаться, однако выходной размер кодового слова после LDPC всегда составляет 64800 бит (8100 байт) или 16200 бит (2025 байт).

LDPC-коды эффективны в системах передачи информации, требующих максимальной скорости передачи при ограниченной полосе частот. Использование LDPC/БЧХ-кодов более эффективно по сравнению с каскадами кодов Ри- да-Соломона и сверточными кодами и тем самым дает возможность понизить отношение сигнал/шум для надежной работы системы. При использовании LDPC и БЧХ удается достичь выигрыша в несколько децибел в отношении сигнал/шум.

Но с другой стороны, LDPC/БЧХ - способ кодирования требует большей производительности и в первую очередь приемного оборудования, что приведет к более высокой стоимости приемников/декодеров [11].

3.Прием телевизионного сигнала со спутника

Стандартный комплект для приема спутниковых каналов состоит из спутниковой антенны, кронштейна (крепление антенны к стене или крыше), конвертера, кабеля и ресивера (спутникового приемника - устройства, принимающего сигнал цифрового телевидения и передающего его на экран телевизора). Рассмотрим элементы приемного комплекта более подробно.

32

3.1 Спутниковые антенны

Антенны для приема телевизионных сигналов со спутника деляться натри типа: прямофокусные (рисунок 3.1), офсетные (рисунок 3.2) и многолучевые

(рисунок 3.3).

Рис. 3.2 - Офсетная антенна

Рис. 3.1 – Прямофокусная антенна

Рис. 3.3 – Многолучевая антенна

33

Прямофокусные антенны (осесимметричные) представляются классиче-

скую круглую формы, где конвертор совмещается с облучателем и крепится в центре при помощи нескольких (обычно двух или трех) спиц. При этом конвертор и крепежные спицы затеняют часть отражающей поверхности зеркала, что приводит, естественно, к уменьшению коэффициента использования поверхности антенны. Однако, с ростом диаметра, этот эффект становится все менее значительным. Зимой на зеркало легко намерзают лед и снег, которые очень сильно ухудшают прием.

Отличительной особенностью офсетных (неосесимметричные) антенн

является смещение фокуса от центра зеркала вниз. Именно из-за смещенного фокуса при настройке необходимо учитывать, что направление на спутник у офсетных антенн выше перпендикуляра к плоскости антенны на некоторый угол. Для большинства конструкций офсетных антенн этот угол составляет ~2527°. Поэтому офсетные антенны крепятся почти вертикально, на них не налипает снег и не скапливается вода, конвертор и элементы крепления не затеняют антенну.

Многолучевая антенна — антенна, предназначенная для формирования множества диаграмм направленности (лучей). Такая антенна также может называться тороидальная. С помощью многолучевой антенны можно принимать сигнал с 16 спутников одновременно, при этом каждый конвертор будет находится непосредственно в фокусе антенны за счет геометрического исполнения. В антенне предусматривается два рефлектора, один из которых принимает сигнал со спутника и отражает на второй, который в свою очередь фокусирует сигнал в конверторе. Прием спутников возможен в пределах дуги 50 градусов.

Составные части спутниковой офсетной антенны приведены на рисунке 3.4. Данный рисунок справедлив и для других типов антенн.

Рис. 3.4 – Состав офсетной антенны

34

Впараболических неосесимметричных антеннах вынесенный облучатель

иконвертер находятся в стороне от падающего на рефлектор потока мощности принимаемого сигнала и не создают затемнения, однако существенного выигрыша в усилении у этих антенн не получается, так как их эффективная площадь будет меньше из-за неперпендикулярности попадания на поверхность раскрыва рефлектора лучей приходящего сигнала.

К тому же из-за неосесимметричного расположения ухудшается согласование облучателя с рефлектором. Поэтому отражения и стоячие волны между рефлектором и конвертером увеличиваются. В силу этих особенностей офсетные антенны очень популярны при диаметре зеркала до ~1.5 м. При больших диаметрах предпочтение отдают прямофокусным антеннам.

Одной из важнейших характеристик наземных антенн является величина

добротности станции на прием GT или шумовая добротность приемной сис-

темы – отношение коэффициента усиления антенны с учетом затухания в фидере (в децибелах на частоте приема) к суммарной шумовой температуре станции (в децибелах относительно 1 К. В настоящее время шумовая добротность достигает 42 дБ/К для самых больших применяемых на практике в земных станциях спутниковых систем связи антенн (диаметром 32 метра) и составляет 20…31,7 дБ/К для земных станций большинства национальных и региональных систем.

заданном значении G (а значит, и размере антенны) следует уменьшать составляющие Tтр и Tа . Уменьшение Tтр достигают, помещая МШУ возможно ближе к облучателю, т.е. сокращая длину тракта питания антенны, либо заменяя волноводный тракт лучеводом - системой перископических зеркал между облучателем и малым зеркалом, что существенно снижает потери в тракте питания.

Антенная температура Tа растёт при уменьшении угла места (угол меж-

ду направлением максимального излучения и горизонтальной плоскостью) изза увеличения поглощения радиоволн в прилегающих к Земле слоях атмосферы и приёма шумов теплового излучения Земли. Для уменьшения влияния шумов Земли необходимо обеспечить низкий уровень боковых лепестков антенны. Это позволяет при = 5…70 в диапазоне 4/6 ГГц достаточно сильно подавлять шу-

35

мы Земли, поскольку их приём происходит через боковые лепестки, близкие к максимуму. Кроме того, при уменьшении угла путь от ИСЗ до антенны, про-

ходящий в плотных слоях атмосферы удлиняется, что ведёт к увеличению шумов, порождаемых потерями в атмосфере. В высокочастотных диапазонах 11/14 и 20/30 ГГц ввиду существенного возрастания потерь в атмосфере минимальный рабочий угол места увеличивается до 10 градусов.

Имеются факторы, препятствующие увеличению коэффициента усиления антенны путём увеличения её размеров. Это, во-первых, влияние случайных ошибок в выполнении поверхности зеркала, вызывающих расширение главного лепестка диаграммы направленности и увеличения уровня боковых лепестков, что приводит к снижению коэффициента усиления, увеличению Tа и ухудшению помехозащищённости. Для уменьшения этих вредных эффектов у антенн диапазонов 11/14 и 20/30 ГГц существенно повышена точность выполнения поверхности (среднеквадратическое отклонение формы поверхности зеркала от заданной составляет десятые или даже сотые доли мм, что соответствует относительному допуску 10-4 .. 10-5 ). Очевидно, что повысить точность выполнения зеркала тем труднее, чем больше его размеры. В большинстве случаев считается, что отклонения от синфазного поля могут лежать в пределах от - до

+ .

Вторым фактором, ограничивающим возможность увеличения размеров, является осуществимая точность наведения луча на ИСЗ, которая должна составлять 0,1 . При недостаточной точности наведения связь осуществляется через круто спадающие участки диаграммы направленности, что приводит значительным потерям усиления. Поэтому максимальный диаметр раскрыва зеркала 2R0 следует выбирать из компромисса между технико-экономическими факторами, определяющими реализуемую точность наведения, и соответствующими этой точности потерям усиления.

3.2 Типы подвески антенн

Кроме размера и формы зеркала, очень важным параметром является тип подвески антенны. Подвеска бывает азимутальной и полярной. Азимутальная

— как правило, фиксированная подвеска, антенна при этом настраивается на единственный спутник и жестко фиксируется на кронштейне крепления. Для приема другого спутника должна быть проведена полная перенастройка антенны.

Полярная — значительно более сложная по конструкции и настройке подвеска и, соответственно, более дорогая. Обеспечивает возможность приема нескольких спутников, находящихся в разных орбитальных позициях, вращением антенны только вокруг одной вертикальной оси.

Чаще всего офсетные и многолучевые антенны имеют фиксированную азимутальную подвеску, а прямофокусные — полярную.

36

Наиболее популярным материалом для изготовления спутниковых антенн является алюминий, он легче стали и не подвержен коррозии, но он мягок, и при неаккуратном обращении (это особенно касается зеркал большого диаметра >1.2 м) алюминиевые антенны легко деформируются, что весьма пагубно влияет на их характеристики.

Стальные антенны прочнее, дешевле (правда, ненамного), но тяжелее и подвержены коррозии, которая снижает их отражающие свойства. Поэтому при покупке стального зеркала стоит обратить внимание на качество окраски.

Пластиковые зеркала легкие, но к ним легко прилипает снег. С течением времени такие антенны подвержены сильным деформациям под действием окружающей среды (резкие перепады температур, ультрафиолет).

Сетчатые антенны устойчивы к ветровым нагрузкам и часто незаменимы при монтаже на большой высоте и в ветреных районах. К тому же они значительно меньше портят пейзаж, особенно в исторических районах. К сожалению, они показывают более низкие характеристики при приеме сигналов Ku диапазона, и, следовательно, для этого требуется антенна большего диаметра, чем сплошное зеркало, обеспечивающее прием такого же качества .

3.3 Конвертер

Основные функции конвертора — усиление принимаемого сигнала и преобразование частоты принимаемого сигнала в более низкую, так называемую промежуточную частоту. По принятому стандарту, спектр промежуточной частоты занимает диапазон 900-2150 МГц. Именно такие частоты поступают по кабелю на СВЧвход спутникового ресивера.

Базовый параметр конвертора — коэффициент шума (Кш). Основным параметром, определяющим качество сигнала на входе приемного устройства, является отношение сигнал/шум. Конвертор – это первый элемент, который стоит в цепочке приема спутникового сигнала. Поэтому от коэффициента шума конвертора зависит дальнейшие качество обработки сигнала. У конверторов Кш измеряется в децибелах и колеблется в пределах от 0.5 дБ до 1 дБ.

Если обратиться к истории развития конверторов, можно выделить следующие основные этапы:

-параметрические усилители, использующие для усиления высокочастотную накачку;

-системы на туннельных диодах;

-транзисторные усилители.

Сегодня наиболее широко используются конверторы на транзисторных усилителях. Транзисторные конверторы сочетают в себе дешевизну и хорошие технические характеристики. Коэффициент шума для таких конвертор не превышает 0,5 дБ.

В начале развития спутникового ТВ все конверторы строились по классической схеме:

1 МШУ - малошумящий усилитель на GaAs-транзисторах. Как правило, имел 3 - 4 каскада.

37

каскадах. Поэтому, очень часто конвертор называют малошумящий усилитель (МШУ), а в англоязычной литературе конверторы обозначаются аббревиатурой LNB (Low Noise Block), подчеркивающей, что низкий уровень шума.

В приемном тракте, между антенной и конвертором существуют еще два звена — облучатель и поляризатор. Они монтируются с конвертором в единую конструкцию и размещаются в фокусе антенны. Облучатель устанавливается для более полного использования поверхности зеркала и реализации максимального коэффициента усиления антенны. Поляризатор предназначен для выбора необходимого вида поляризации.

Другой важной характеристикой антенны является соотношение фокус-

ного расстояния к диаметру антенны (F/D). У офсетных антенн этот параметр может принимать значения от 0.6 до 0.8. Для них выпускаются два типа облучателей с соотношением F/D 0.6-0.7 или 0.7-0.8. У прямофокусных антенн это соотношение колеблется в диапазоне 0.3-0.5. Для таких антенн иногда выпускаются облучатели, подстраиваемые под конкретное соотношение F/D.

3.4 Цифровой спутниковый ресивер

Современный цифровой спутниковый ресивер — это сложное многофункциональное устройство, которое позволяет декодировать цифровой сигнал спутниковой ПЧ диапазона 950-2150 мГц.

В зависимости от набора выполняемых функций современные цифровые спутниковые ресиверы можно условно разбить на четыре группы.

К первой группе относят ресиверы, способные обрабатывать только открытые (бесплатные) теле- и радиоканалы. Их еще называют FTA (Free To Air) ресиверами. Они имеют минимальный набор функций. Такие ресиверы снабжены индикаторами "Уровень" и "Качество". Индикатор "Уровень" показывает наличие и уровень сигнала со спутника. Индикатор "Качество" отражает уровень сигнала конкретного канала с заданными пользователем параметрами (частота, поляризация, скорость потока, FEC — Forward Error Correction — значение сверточного кода для прямой коррекции ошибок при обработке цифрового сигнала). Показания индикатора должны быть не ниже 90 %, иначе канал не откроется. Это требование связано с наличием в цифровом ресивере порогового устройства. При низком качестве сигнала декодирование невозможно. Ресиверы обеспечивают автоматический поиск. Настройка на FTA каналы происходит в соответствии с таблицей в транспондере, записанной в память на заводеизготовителе. В таблицу включены данные об открытых каналах на основных спутниках. Тюнер может настраиваться и по сетевой таблице, передаваемой со спутника в пакетах. При этом будут записаны все открытые теле- и радиоканалы с различной поляризацией и символьной скоростью по всем транспондерам. Недостаток — большое время поиска (до 10... 15 мин). Имеется и ручной поиск. Настройка на канал — по параметрам, заданным пользователем. Записывается один или несколько каналов, имеющих одинаковые частоту, поляризацию и символьную скорость. Возможны также "родительский контроль" и блокировка

39

каналов. В таких ресиверах можно редактировать список каналов и создавать фаворитный список. Число запоминаемых каналов может быть от 1000 до 2000. В некоторых ресиверах есть простые игры.

Ко второй группе относят ресиверы, способные открывать одну из кодировок. Большая их часть работает с кодировкой Viaccess. Это примерно половина всех скремблированных (закрытых) спутниковых каналов. Декодер Viaccess может быть встроен в ресивер или выполнен в виде отдельного блока САМ (Condition Access Module ) — модуля условного допуска. Для подключения модуля ресиверы оборудованы специальным разъемом — портом CI — Common Interface. В продаже есть САМ-модули на различные кодировки: Irdeto, Viaccess, CryptoWorks. Кроме декодера, для просмотра закрытого канала еще необходима смарт-карта. Ее вставляют в САМ-модуль. В ресиверах со встроенным декодером имеется слот картоприемника. Информация, записанная

вкарте, выводится на экран. Для расширения возможностей некоторые ресиверы со встроенным декодером оборудованы дополнительным портом С1. Ко второй группе относят ресиверы для каналов НТВ+, немецкой компании RTVi и др. В эту же группу входят ресиверы кодировки DRE, применяемые компанией ТРИКОЛОР. Телепрограмму на неделю можно увидеть на экране, используя

"электронный гид" программ EPG (Electronic Programme Guides). При слабом сигнале, когда автоматически или вручную настроиться на канал не удается, применяют настройку no PID (Packet Identificator) — идентификационным номерам. Каждый канал в информационном потоке имеет свой набор PID: Audio PID, Video PID, Sinxro PID, Text PID. Все ресиверы второй группы снабжены ВЧ модуляторами, которые позволяют подключить дополнительный телевизор по ВЧ, причем сигнал транслируют в диапазоне ДМВ. Ресиверы обеспечи-

вают управление несколькими антенными переключателями и поворотным устройством антенны. Предусмотрена возможность смены программного обеспечения (ПО) через порт RS232. Ввод новых ключей происходит не только через смарт-карты, но и непосредственно с ПДУ, для чего ресиверы оборудованы встроенным эмулятором кодировок. Просматривать некоторые закрытые каналы можно и без ввода новых ключей. На эти каналы в ПО установлен режим автоматического обновления, т. е. ввода ключей со спутника. Ключи поступают

вобщем потоке с видеосигналом.

Ктретьей группе относят ресиверы со встроенным мультидекодером, позволяющим декодировать несколько кодировок: Viaccess, Seca, Irdeto, BetaCrypt, Nagravision. Такие ресиверы устанавливают при приеме сигнала с нескольких спутников. Имея мощный процессор, они обладают очень большими возможностями. Их еще называют компьютерами для просмотра спутникового телевидения. Вот некоторые из дополнительных функций. Прежде всего

— встроенный модем, который позволяет подсоединить ресивер к сети Интернет. Оперативное подключение к серверу, транслирующему валидные (рабочие) ключи, позволяет просматривать закрытые каналы без использования официальной смарт-карты. Смену ПО можно сделать с сайта производителя, что дает полную уверенность в качестве прошивки. Имеется сетевой интерфейс

40