Кабельное телевидение
Наряду с эфирным телевидением широко используется передача телевизионных сигналов по кабельным сетям. Использование кабеля позволяет уменьшить влияние внешних помех на полезный сигнал и, следовательно, передать его более качественно, чем через эфир. На первом этапе развития кабельного телевидения передача сигналов осуществлялась в основном между телестанциями. В настоящее время широкое распространение получили локальные сети кабельного телевидения, предназначенные для доставки программ непосредственно телезрителям. Локальной называется кабельная сеть, расположенная в пределах небольшого населенного пункта, микрорайона, а иногда и одного здания, например многоквартирного дома или гостиницы. По этой сети, с небольшой приемной телевизионной станции, за абонентскую плату, предоставляются программы эфирного и спутниковоготелевидения, практически без помех и с хорошим качеством изображения и звука.
Более совершенные системы кабельного телевидения обеспечивают передачу сигнала не только от кабельной ТВ станции к абоненту, но и обратно. Это позволяет абоненту такой кабельной сети при помощи обратного канала пользоваться рядом дополнительных услуг. Например, обеспечивать охрану своей квартиры, вызывать тревожные службы, пользоваться сетью Интернет.
Спутниковое телевидение
Спутники сегодня составляют привычную часть мировой системы связи. Спутниковое телевидение, является на сегодняшний день самым динамично развивающимся способом передачи телевизионных сигналов на большие расстояния. Теоретически, спутник находящийся на высоте около 36000 км может охватить своим сигналом территорию приблизительно с радиусом 9000 км. После запуска первого искусственного спутника Земли в 1957 году появилась возможность воплотить эту идею на практике. Преимущества, связанные со спутниковой передачей, намного превышают затраты на запуск спутника в космос. Спутниковой связи по сравнению с наземной свойственны гибкость, надежность и низкие эксплуатационные расходы. Один спутник, например, обеспечивает покрытие очень большой территории, используя существенно меньшую мощность, чем наземный передатчик, для которого требуется много ретрансляционных станций, а также подземная и подводная прокладка кабелей. В некоторых районах земного шара спутники являются единственным средством связи. Наряду с передачей сигналов между телевизионными станциями с помощью спутников, широкое распространение получает индивидуальный прием программ непосредственно со спутников. Обладая комплектом оборудования спутникового телевидения, телезритель получает возможность смотреть множество программ с высоким качеством изображения.
Базовая система спутниковой связи состоит из двух наземных станций, передатчика и приемника, вместе со спутником, находящимся на геостационарной орбите (рис. 4). Спутник, который называют ретранслятором, действует как преобразователь частоты, принимая сигналы от передающей станции (линия связи Земля – спутник) на одной частоте и передавая их обратно (линия связи спутник – Земля) на наземную принимающую станцию на другой, более низкой, частоте. Для прохождения ионосферы, окружающей Землю, частоты линий связи Земля – спутник и спутник – Земля выбираются выше 100 МГц.
Спутниковое вещание включает два этапа. Сначала ТВ сигналы посылаются на спутник, находящийся на геостационарной орбите. Особенностью этой орбиты является то, что спутники, находясь на ней, перемещаются в пространстве синхронно с вращением Земли. Для наблюдателя находящегося на Земле они кажутся неподвижными, как бы «подвешенными» в определённых точках небосвода. Это значительно облегчает прием программ со спутника, так как нет необходимости отслеживать приемной антенной его перемещения.
Рис. 4. Базовая система спутниковая связи
После вывода спутника на орбиту он продолжает вращаться вокруг Земли с постоянной скоростью без посторонней помощи вследствие действия центробежной силы Fc, стремящейся оттянуть его от Земли, эта сила равна гравитационной силе Земли Fg(рис. 5). Чем ближе спутник к поверхности Земли, тем больше гравитационная сила Fg. Чтобы спутник оставался на орбите, центробежная сила также должна быть увеличена; это достигается путем увеличения скорости спутника, что заставляет его быстрее вращаться вокруг Земли. И наоборот, для спутника, находящегося на более удаленной от поверхности Земли орбите, потребуется меньшая скорость для удержания его на орбите; поэтому он будет реже совершать обороты вокруг Земли.
Рис. 5. Силы, действующие на вращающийся спутник: гравитационная FGи центробежная FC
На расстоянии 35786 км от поверхности Земли (и при скорости 3073 км/с) период вращения спутника вокруг Земли точно совпадает с периодом вращения Земли вокруг своей оси. В этом случае говорят, что спутник стационарен по отношению к Земле. Такую орбиту называют геосинхронной или геостационарной (ГСО). Если орбита располагается над экватором (рис. 6), то спутник будет стационарным по отношению к земному наблюдателю. Именно такие орбиты используют для спутникового телевещания. Геостационарную орбиту называют также орбитой Кларка, по имени инженера и писателя Артура Кларка, который впервые изложил требования к спутниковой связи в журнале Wireless World («Беспроводный мир») в октябре 1945 г.
Рис. 6. Геостационарная орбита
Принятый спутником сигнал передающей телестанции усиливается и на другой частоте передается в направлении Земли. Если спутниковая передача ориентирована на индивидуальных пользователей, так называемое вещание непосредственно на дом, то излучаемый спутником сигнал направлен не на конкретную приемную антенну, а на некоторую площадь, или зону, обслуживания. Для представления распределения испускаемой спутником мощности электромагнитного излучения используют контурные карты; каждый спутник формирует свою собственную зону обслуживания на земной поверхности. Применяют спутники высокой мощности, способные излучать мощность более 100 Вт. Эффективную излучаемую мощность, можно существенно увеличить, используя на борту спутника параболический рефлектор; это устройство увеличивает мощность более чем в 104 раз. Такие высокие значения излучаемой мощности обеспечивают высококачественное изображение в частных домах при приеме на параболическую антенну с зеркалом в виде параболоида вращения (тарелку) диаметром всего 30 см.
Спутниковым телевизионным передачам отведены частоты в микроволновом диапазоне (рис. 7). Используются два диапазона сверхвысоких частот С-диапазон (3,4–4,7 ГГц) и Кu-диапазон (10,95–17,7 ГГц). Рабочий диапазон, отведенный для европейского прямого спутникового вещания, составляет 11,7–12,5 ГГц; для телевидения высокой четкости (HDTV) предоставлен Ка-диапазон (21,4–22 ГГц).
Частоты, на которых передаются спутниковые программы гораздо выше частот наземного телевидения, поэтому для их приема необходима специальная параболическая антенна. СВЧ-сигналы спутника отражаются параболическим приемным зеркалом в точку, соответствующую главному фокусу (рис. 8). Круглый в сечении рупорный приемник антенны может собирать сигналы с вертикальной или горизонтальной поляризацией. Используемый обычно рупорный приемник позволяет уменьшить диаграмму направленности и предотвратить прием фонового шума. Волноводный приемник, установленный в главном фокусе, принимает сигналы и посылает их в резонатор на входе малошумящего блока (МШБ).
Рис. 7. Спектр электромагнитного излучения: ОНЧ – очень низкая частота; КВЧ – крайне высокая частота; (СВЧ)
Рис. 8. Спутниковая параболическая антенна
Антенна спутника принимает частотно-модулированный сигнал (14,25–14,5 ГГц) линии связи Земля – спутник, преобразует его в сигнал меньшей частоты (10,7–11,7 ГГц и 11,2– 11,45 ГГц) и посылает сигнал обратно на Землю (линия связи спутник – Земля). Изменение частоты происходит путем понижения частоты линии связи Земля-спутник на определенную величину (3 ГГц). Сигнал канала спутник – Земля принимается на домашнюю спутниковую антенну типа параболического зеркала и передается на малошумящий блок (МШБ), размещенный в самой приемной антенне. Основное назначение МШБ заключается в преобразовании сигналов сверхвысокой частоты (СВЧ) в более удобный для управления частотный диапазон 950–2150 МГц. После усиления преобразованный сигнал посылается по малошумящему коаксиальному кабелю в спутниковый приемник. Приемник выбирает канал, демодулирует сигнал и восстанавливает исходный видеосигнал.
Восстановленный таким образом исходный видеосигнал содержит две составляющие: полный видеосигнал и звуковой сигнал. Каждая составляющая обрабатывается отдельно.
После этого полный видеосигнал и звуковой сигнал принимает такую форму, что его можно передать по соединителю SCARTна телевизор.
В спутниковом телевидении используются как традиционные аналоговые системы цветного телевидения NTSC, PAL и SECAM, так и цифро-аналоговые и цифровые стандарты с улучшенным качеством изображения и звука.