Радиосвязь,_радиовещание,телевидение2

ций. Однако около половины связного потенциала будет представлено для решения социальных задач, т.е. для телевизионного вещания.

Для сравнения следует отметить, что если суточные угловые перемещения ИСЗ «Горизонт» на орбите составляют1°, ИСЗ «Галс» – 0,2°, то у спутников типа «Ямал» составят всего 0,1°. Недостаточно совершенная система позиционирования ИСЗ«Горизонт» требует дополнительной системы автоматического слежения антенн на ЗС. Для более совершенных ИСЗ типа«Галс» или «Ямал» дополнительная система слежения не требуется. Рабочий ресурс для ИСЗ «Горизонт», «Галс», «Ямал» составляет соответственно менее 5, 7 и 10 лет.

Применительно к условиям нашей страны важное практическое значение имеет орбита типа«Молния», на которую выводятся ИСЗ «Молния», используемые системой связи и вещания России. Данная орбита с периодом обращения 12 часов имеет вытянутую эллиптическую орбиту с высотой апогея около40 тыс. км и перигея – 500 км. Наклонение плоскости орбиты составляет i = 63,4°. В течение време-

ни суток, равного 6–8 часам, спутник в районе апогея сравнительно медленно перемещается по ограниченной области небесной сферы. Это хотя и требует наличия подвижных антенн и систем наведения на ЗС, но позволяет сделать антенны ЗС неповоротными и упростить требования к системам их наведения на ИСЗ [2].

Зона обслуживания ИСЗ на орбите типа«Молния» несколько больше зоны видимости геостационарного спутника (из-за большой высоты спутника в апогее). Причем она охватывает практически все северное полушарие, в котором находится наша страна. Для обеспечения круглосуточной работы необходимо запускать на орбиту три–четыре ИСЗ, следующих друг за другом через равные интервалы времени, и использовать их поочередно для передачи информации.

На высокоэллиптическую орбиту планируется запуск ИСЗ«Ямал200», предназначенных для создания национальной мобильной и персональной связи.

В последнее время наметилась тенденция использования связных ИСЗ, находящихся на низких орбитах (расстояние до Земли в пределах 700–1500 км). Системы связи с использованием ИСЗ на низких орбитах благодаря значительно меньшему(практически в 50 раз) расстоянию от Земли до спутника имеют ряд преимуществ перед системами связи на геостационарных спутниках. Во-первых, это меньшее запаздывание и затухание передаваемого сигнала, а во-вторых, более простой вывод ИСЗ на орбиту. Основным недостатком подобных систем является необходимость выведения на орбиту большого -ко личества спутников для обеспечения длительной непрерывной связи. Это объясняется сравнительно небольшой зоной видимости отдель-

держащий ИСЗ–ИСЗ . Затем передача и прием сигналов будут

5 2

осуществляться антеннами A1 и сегментом орбиты, состоящим из спутников ИСЗ6–ИСЗ3 и т.д.

Поскольку каждый ИСЗ может наблюдаться с достаточно большой территории на поверхности Земли, можно осуществить связь между несколькими ЗС через один общий связной ИСЗ. В этом случае спутник оказывается «доступным» многим ЗС, поэтому такая система называется системой связи с многостанционным доступом.

Использование ИСЗ, движущихся по орбите с малой высотой, упрощает аппаратуру ЗС, так как при этом возможно снижение усиления земных антенн, мощности передатчиков и работа с приемниками, имеющими несколько большую эквивалентную шумовую температуру, чем в случае геостационарных спутников. Однако в этом случае усложняется система управления движением большого числа ИСЗ по орбите.

Низкоорбитальные спутниковые системы связи найдут применение как средства подвижной радиосвязи в дополнение наземных сотовых радиосетей, так и в качестве фиксированной радиосвязи в удаленных

итруднодоступных районах. Кроме того, они будут использоваться:

-для передачи данных по типу электронной почты;

-для обмена деловой информацией;

-для персонального радиовызова;

- для определения местонахождения и передачи информации

оместонахождении подвижных объектов;

-для экономического, промышленного и научного мониторинга земной поверхности.

В стадии разработки находится новая система связи из совокупности низкоорбитальных спутниковTeledesic, с помощью которой планируется развернуть всемирную сеть передачи данных[4]. В первоначальном варианте проекта системыTeledesic предполагается запуск 840 связных спутников, оснащенных сканирующими антенными системами с высоким коэффициентом усиления, покрывающих всю поверхность Земли сетью из 20 000 больших зон обслуживания, каждая из которых будет состоять из 9 малых зон. В пределах любой малой зоны абоненты сети смогут принимать и пересылать информацию со скоростью от 16 кбит/с до 2 Мбит/с. Спутники будут связаны с наземной телекоммуникационной сетью посредством высокопроизводительных ЗС. Однако и сами низкоорбитальные спутники связи сформируют независимую сеть, где каждый из них будет обмениваться данными с девятью соседями, используя высококачественные каналы межспутниковой связи. Эта неиерархическая структура должна -со хранить работоспособность при отказах отдельных спутников, при локальных перегрузках и выходе из строя части средств связи с -на

земной инфраструктурой. В целом, с помощью системыTeledesic планируется реализация космической Интернет.

Прямым конкурентом проектаTeledesic является разрабатываемая фирмой Motorola новая спутниковая сеть связиCelestri. В новой системе в первую очередь планируется запустить70 низкоорбитальных и один геостационарный спутник связи.

12.3.Особенности передачи сигналов в спутниковых системах связи

Запаздывание сигнала. Большая протяженность линий связи между ЗС и рентранслятором, находящимся на борту ИСЗ, приводит к запаздыванию сигналов. Это определяется тем, что для прохождения расстояния между ЗС сигналу требуется время

t » 2Hc,

где Н – расстояние от спутника до поверхности Земли, c = 3 ´ 108 м/с – скорость света. Из данного соотношения следует, что при H = 36 000 км (случай геостационарного спутника) величина запаздывания составит приблизительно 250 мс. Запаздывание сигнала при передаче дуплексных телефонных разговоров приводит к появлению вынужденных пауз в разговоре, потере «контакта» между абонентами, т.е. ограничивает естественность беседы.

Эхосигналы. Запаздывание сигналов приводит к появлению -за метных для абонентов эхосигналов, возникающих при переходе с четырехпроводных цепей связи на двухпроводные из-за неидеальности дифференциальных систем. Эхосигналы проявляются в виде прослушивания абонентом своего разговора, задержанного на время, равное удвоенному времени распространения сигнала между абонентами, т.е. t эс » 4Hc. Особенно заметны эхосигналы при больших значениях t эс . Для систем связи, использующих геостационарные спутники, t » 500 мс. В этих случаях следует обеспечить затухание эхосигналов до величины, равной 60 дБ относительно уровня полезного сигнала. Необходимое затухание эхосигналов осуществляется с помощью эхозаградителей.

Эффект Доплера. Особенностью систем связи через ИСЗ является возникновение эффекта Доплера, вызываемого движением спутника относительно ЗС. Для примера обозначим через Vг ту компоненту скорости движения ИСЗ, которая совпадает с линией радиосвязи ИСЗ–ЗС, и условимся считать величину Vг отрицательной в случае уменьшения расстояния между ИСЗ и ЗС и положительной при увеличении этого расстояния. Тогда при движении источника сигнала со скоростью ±Vг частота принимаемых колебаний f связана с частотой излучаемых колебаний f0 соотношением

f = f0 (1±Vг с ),

где с – скорость света.

На практике всегда выполняется условиеVг с << 1, поэтому при движении источника сигнала в сторону приемника f = f0 (1mVг с ). Тогда изменение частоты Df0, вызванное эффектом Доплера, определяется выражением:

Df0 = f - f0 = mf0 Vг с.

Эффект Доплера в основном проявляется в системах связи, использующих эллиптические орбиты. Например, в системе «Молния» на рабочем участке орбиты Vг с Ф 10 -5 . В системах связи с геостационарными ИСЗ эффект Доплера может иметь место при коррекции положения спутника на орбите.

Эффект Доплера приводит не только к изменению частоты излучаемых колебаний, но вызывает деформацию спектра передаваемого сообщения, причем верхние частоты в спектре сигнала будут изменяться на большую величину.

Диапазоны рабочих частот систем связи через ИСЗ. Выбор по-

лос частот, выделяемых для работы систем связи через ИСЗ, определяется следующими основными условиями:

-особенностями распространения электромагнитных колебаний через атмосферу;

-интенсивностью шумов, вызванных радиоизлучениями различных внешних источников (Солнца, Луны, планет, атмосферы Земли и др.);

-простотой аппаратурной реализации антенн и приемных установок;

-возможностью локализации сверхвысокочастотного излучения бортовыми антеннами;

-возможностью работы систем связи через ИСЗ в выделяемых полосах частот совместно с другими радиослужбами при допустимых значениях радиопомех.

Детальное научно-техническое рассмотрение перечисленных -ус ловий, проведенное Международным Союзом Электросвязи на Всемирной административной радиоконференции в1979 г., позволило осуществить распределение радиочастот между различными радиослужбами. Согласно этому распределению, приведенному в Регламенте радиосвязи, для района 1 (Европа, Россия, Монголия, Африка) ФСС, к которой относятся системы связи через ИСЗ, отводятся следующие полосы частот:

– для передачи сообщений на участке ИСЗ– Земля 620...790 МГц, 2,5...2,69, 3,4...4,2, 4,5...4,8, 7,25...7,75, 10,7...11,7, 12,5...12,75, 17,7...21,2, 37,5...40,5, 40,5...42,5, 84...86 ГГц;

– для передачи сообщений на участке Земля– ИСЗ 5,725...7,075, 7,9...8,4, 12,5...13,75, 14...14,8, 17,3...18,1, 27,5...31 ГГц.

специальные ограничения (величины излучаемой мощности, введение сигналов дисперсии), обеспечивающие равномерное рассеяние мощности несущей частоты по спектру.

Особое значение придается выбору диапазона частот для спутникового ТВ вещания (СТВ), в том числе и непосредственного(НТВ), относящегося к РВСС.

Для осуществления НТВ в полном смысле этого понятия необходимо, чтобы излучаемый с ИСЗ сигнал соответствовал параметрам сигнала, на который рассчитаны телевизоры, – диапазону волн, способу модуляции, уровню сигнала. Но в метровом и дециметровом диапазонах, в которых работает наземная ТВ передающая сеть, реализовать НТВ по техническим причинам невозможно.

Например, на третьем ТВ канале пришлось бы на ИСЗ установить антенну диаметром 500 м и иметь источник питания в 1 кВт, а на 37 канале диаметр антенны можно было бы сократить до60 м, но потребляемую мощность передатчика пришлось бы увеличить до 30 кВт. Суммируя затраты по космическому комплексу и земной сети, можно определить затраты на всю систему СТВ. Результаты подобного расчета представлены на рис. 12.3, из анализа которого видно, что наиболее выгодным с экономической точки зрения -яв ляется диапазон 12 ГГц, где суммарная стоимость системы оказывается минимальной. Близким к нему по экономической эффективности является диапазон 0,7 ГГц. В остальных диапазонах стоимость создания систем СТВ оказывается на30–40 % выше. Поэтому для НТВ в ближайшем будущем наиболее перспективным является использование диапазона 12 ГГц, а телевизоры в этом случае должны дополняться специальными преобразующими устройствами (конверторами).

12.4.Многостанционный доступ в спутниковых системах связи

Ретрансляторы сигналов, устанавливаемые на ИСЗ, представляют собой многоствольные приемопередающие устройства. Число стволов в современных спутниках связи может достигать 24 и более.

Передача сигналов разных ЗС осуществляется по разным стволам ИСЗ. Если передаются сигналы различных ЗС через один ствол ретранслятора, то такое использование стволов называется многостанционным доступом (МД). МД позволяет создать сеть связи ,

вкоторой один ствол спутникового ретранслятора дает возможность одновременно организовывать как магистральные одно- и многоканальные системы передачи с центральной станцией, так и системы типа «каждый с каждым». Аналогичная задача решается, например,

всети телефонной связи.

Основными требованиями к системе МД являются следующие: эффективное использование мощности ретранслятора; максимальное использование полосы частот ретранслятора; допустимый уровень переходных помех; гибкость системы.

Возможны три способа управления МД: закрепленные каналы (определенные полосы частот в полосе группового сигнала постоянно выделены для определенных ЗС); программное распределение каналов (частотные полосы представляются станциям по расписанию); незакрепленные каналы (любая ЗС может получить любой частотный канал, не занятый другой станцией). С точки зрения гибкости системы и с учетом экономических факторов предпочтительной является работа с незакрепленными каналами, несмотря на то, что при этом приходится передавать корреспондентам сведения о наличии свободных каналов.

Как и в обычных системах передачи, при МД возможны три способа уплотнения сигналов: по частоте, времени и форме. Отличие состоит в том, что групповой сигнал образуется на ретрансляторе ИСЗ, ЗС, удаленных друг от друга на большие расстояния.

При МД с частотным уплотнением сигналов каждый сигнал имеет определенный участок общего группового СВЧ спектра частот. Все они передаются одновременно, а групповой сигнал, проходящий через ствол ретранслятора спутника, может быть образован из сигналов не только отдельных каналов (например, тональной частоты), но и из групп каналов. На рис. 12.4 приведен спектр группового сигнала с МД в случае частотного уплотнения. Здесь на каждый ЗС сигнал, образованный одним или группой каналов тональной частоты, разнесенных по частоте, модулирует свою несущую fн. При определенных значениях несущих на входе ретранслятора в пределах полосы ствола Dfр

в диапазоне СВЧ образуется групповой сигнал. Значение несущих

Рис. 12.4. Форма спектра группового сигнала системы МД с частотным уплотнением

частот и девиация частоты выбираются такими, чтобы между спектрами несущих оставались защитные интервалы Dfз для уменьшения взаимных помех между сигналами. При этом используются различные виды модуляции. В современных системах связи широко используется метод ЧМ, а также метод ИКМ сигналов каждого канала с последующей двукратной фазовой модуляцией.

Достоинство метода частотного уплотнения состоит в простоте аппаратуры. Кроме того, аппаратура МД в данном случае совместима с большей частью эксплуатируемой аппаратуры канального преобразования.

Недостатком способа частотного уплотнения является трудность обеспечения равномерного распределения мощности бортового -пе редатчика между отдельными ЗС. Они удалены от ИСЗ на разные расстояния и поэтому дают на входе ретранслятора сигналы с -раз личными уровнями. Для этого метода также характерно возникновение переходных помех между сигналами различных ЗС из-за несимметрии амплитудно-фазочастотных характеристик ретранслятора. Наконец, из-за нелинейности характеристики ретранслятора 10–15 % его мощности непроизвольно тратится на нелинейные составляющие. Однако несмотря на указанные недостатки метод частотного уплотнения нашел широкое применение в спутниковых системах передачи, находящихся в эксплуатации.

Интенсивное развитие цифровых систем передачи привело к созданию систем с МД с использованием временного уплотнения. В таких системах каждой ЗС для излучения сигналов выделяется определенный, периодически повторяемый интервал времени, длительность которого определяется трафиком станции.Интервалы времени излучения всех ЗС должны быть взаимно синхронизированы, чтобы не перекрывались разные сигналы.

Интервал времени, в течение которого все ЗС сети по одному разу излучают сигнал, называется кадром, а длительность пакета импульсов, излучаемых одной станцией, называется субкадром.

Одним из важнейших элементов системы МД с временнымуп лотнением является тракт синхронизации, исключающий взаимное

влияние сигналов ЗС на входе ретранслятора и обеспечивающий вхождение ЗС в функционирующую систему. Для этого часть пропускной способности ствола отводится для передачи сигналов кадровой синхронизации. В большинстве случаев применяется сигнал синхронизации в виде отдельного специализированного пакета– сигнал выделенной синхронизации. При этом синхросигналы всех ЗС передаются в кадре на фиксированных временных позициях отдельно от информационных пакетов. Структура и длительность кадровых синхросигналов постоянны, в то время как расположение и длительность информационных пакетов могут изменяться в соответствии с трафиком ЗС.

В спутниковых системах связи с МД могут найти применение также шумоподобные сигналы, которые являются широкополосными. В этом случае разделение сигналов производится по форме. Преимущества таких систем определяются высокой помехозащищенностью и скрытностью передачи информации. Однако их широкое использование ограничивается существенно меньшей, чем при временном или частотном уплотнении, пропускной способностью.

Очень перспективным представляется МД с коммутацией сигналов на борту спутника. Идея МД с коммутацией сигналов состоит в том, что на борту ИСЗ устанавливается кроме ретрансляторов коммутирующее устройство, обеспечивающее передачу полученных с ЗС сигналов только на те станции, которым эти сигналы адресованы(в отличие от обычных ретрансляторов, которые передают все сигналы на всю облучаемую поверхность Земли).

Сочетание этой системы с антеннами ИСЗ с узкой диаграммой направленности позволяет не только упростить и удешевить , ЗСно и многократно использовать для передачи на участке ИСЗ– Земля одни и те же частоты излучения для работы с различными районами земного шара.

12.5.Передача телевизионных сигналов по спутниковым системам связи

Создание сети центрального ТВ вещания в настоящее время возможно только с помощью связных ИСЗ. В нашей стране создано несколько систем СТВ«Орбита-2», «Экран», «Москва», относящихся к ФСС.

Всистеме спутниковой связи«Орбита-2», первые элементы которой были построены еще в 1967 г., используются как ИСЗ типа «Молния», так и геостационарные ИСЗ «Горизонт».

Всистеме «Орбита-2» прием на ИСЗ осуществляется в диапазоне 6 ГГц, передача в направлении Земли – в диапазоне 4 ГГц. Мощность передатчика ЗС составляет 5…10 кВт, ИСЗ – 8…40 Вт. Используется

Рис. 12.5. Спектр частот сигналов в спутниковой системе связи «Орбита-2»

ЧМ с девиацией 15 МГц, сигнал звукового сопровождения передается на поднесущей частоте 7 МГц с девиацией частоты150 кГц. На поднесущих частотах 7,5 и 8,2 МГц передаются сигналы звукового вещания и изображения газетных полос(ИГП). Сигналы ИГП передаются с целью обеспечения децентрализованного печатания центральных газет. Практически девиация несущей сигналом поднесущей ИГП составляет примерно 1,5 МГц (рис. 12.5).

Функциональная схема спутниковой системы передачи «Орбита-2» представлена на рис. 12.6. Активный ретранслятор ИСЗ типа«Молния» работает следующим образом (см. рис. 12.6, б). Принятый антенной 1 сигнал с частотой fпр поступает на разделительный фильтр 2 и далее на преобразователь частоты3. На второй вход преобразователя поступает сигнал от гетеродина5. Затем преобразованный сигнал с частотой fпч усиливается усилителем промежуточной частоты 4 и поступает на второй преобразователь частоты8, работающий совместно с гетеродином передатчика 6. На выходе второго преобразователя образуется радиосигнал с частотой fпер. Данный сигнал усиливается по мощности усилителем 7 и через разделительный фильтр поступает в антенну и передается в направлении Земли.

Для слежения за ИСЗ«Молния» в приемной ЗС используются параболические антенны с диаметром зеркала12 м, установленные на полноповоротном опорном устройстве. В целом ЗС представляет собой довольно сложное и дорогое сооружение.

Сигнал, поступающий на частотный модулятор передающей ЗС «Орбита-2», как и на РРЛ, предварительно подвергается частотным предыскажениям. Кроме линейных предыскажений передаваемого сигнала на спутниковой линии связи используется еще и нелинейная обработка ТВ сигнала. Ее целью является получение дополнительного выигрыша в помехоустойчивости на2…4 дБ без видимых искажений ТВ изображения. Структурная схема нелинейного корректора приведена на рис. 12.7. Входной ТВ сигнал U1 после цепи низкочас-