Фиксированные и вещательные системы спутниковой связи
Спутниковые системы, передающие радиотелевизионные программы, можно разделить на две службы: фиксированную спутниковую (ФСС) и вещательную спутниковую (ВСС).
ФСС — служба радиосвязи между земными станциями (называют телепорт), расположенными в определенных, фиксированных пунктах, при использовании одного или нескольких спутников. К ФСС относят также фидерные линии, по которым осуществляется подача программ в телепорт.
При передаче радиотелевизионных программ с помощью систем ФСС различают прямое и косвенное распределение программ. В случае прямого распределения программы подают от ФСС непосредственно на наземные вещательные станции без каких-либо промежуточных распределительных систем. В случае косвенного распределения программы поступают от земных станций ФСС для дальнейшего распределения по наземным сетям (радиорелейные линии и кабельные магистрали) к различным наземным вещательным станциям, работающим в диапазонах MB и ДМВ.
Из российских к службе ФСС относятся системы «Экран» и «Москва», которые начали работать в 1976 и 1980 гг. соответственно. На ГСО используются спутники типа ГОРИЗОНТ и ЭКСПРЕСС. Из зарубежных к ФСС относятся спутники организаций INTELSAT, EUTELSAT, ASTRA с аналогичными названиями.
Мощность передатчиков на спутниках ФСС меньше (например, спутники ГОРИЗОНТ имеют мощность ретранслятора 40 Вт и коэффициент усиления передающей антенны ИСЗ — 30 дБ), чем передатчиков спутников ВСС (до 100...120 Вт и более). Такие сигналы обычно не принимаются (или плохо принимаются) на индивидуальные приемные установки, так как для обеспечения высокого качества приема необходима аппаратура более высокой стоимости и сложности. Вот почему некоторые владельцы спутниковой аппаратуры с достаточно высокими ее параметрами для индивидуального приема, добиваясь тщательной ориентации антенны на спутник, не могут получить изображение на экране телевизора с хорошим качеством.
В качестве примера можно привести прием на территории Республики Беларусь программы НТВ со спутника ГОРИЗОНТ-35 (80° Е) и других ИСЗ этой серии. Стабильность положения таких ИСЗ на ГСО ниже, чем для спутников ВСС, так как прием должен обеспечиваться с помощью антенн диаметром 2.5...3 м и более. В результате после точной ориентации на спутник владелец аппаратуры замечает, что примерно через 4 ч качество приема снижается и возникает необходимость в новой корректировке антенны на этот ИСЗ. Некоторые радиолюбители для бесперебойного приема этой программы устанавливают две антенны с разной ориентацией на спутник. В случае ухода ИСЗ из «поля зрения» первой антенны осуществляется переход на вторую.
Следует отметить, что успехи развития техники сверхвысоких частот в последнее время позволяют создавать относительно простые и недорогие телевизионные установки с антеннами приемлемых размеров для индивидуального приема не только ВСС, но и фиксированной службы. Это привело к тому, что многие телезрители в разных странах приобретают приспособления для приема телевизионных программ со спутников ФСС, не имея для этого формального права. Поэтому некоторые владельцы телевизионных программ, которые передаются спутниками ФСС, зашифровывают свои передачи. Их прием возможен только после приобретения специального дешифровального приспособления и оплаты за прием.
ФСС работает в различных частотных диапазонах (С и Ки), однако для нас интерес представляют спутники ФСС, которые работают на частотах, смежных с частотами ВСС (11,7...12,5 ГГц). Это полосы частот 10,7...11,7 и 12,5...12,75 ГГц. В Европе на этих частотах работают передающие телевизионные программы ИСЗ Международной организации спутниковой связи INTELSAT, Европейская организация для спутниковой связи EUTELSAT, национальные спутники или ИСЗ, принадлежащие коммерческим организациям TELECOM (Франция), KOPERNIKUS (Германия), ASTRA (Люксембург).
Каждый спутник ВСС имеет несколько передатчиков-ретрансляторов, а спутники ФСС — до десяти и более ретрансляторов, передающих одновременно множество программ. В настоящее время передающая часть станций ФСС строится по принципу «много программ на одну несущую», что позволяет более экономно расходовать энергетический
и частотный ресурс транспондера. Большинство ретрансляторов имеет ограниченную зону обслуживания, поэтому не все программы можно принимать на территории Республики Беларусь (например, передачи со спутника KOPERNIKUS и др.).
К ФСС необходимо отнести многофункциональную спутниковую радиовещательную систему для стран СНГ, которая принята в эксплуатацию 1 октября 1996 г. Международная телерадиокомпания «Мир» была создана для обеспечения объективной информацией о суверенных государствах и сохранения информационного пространства. Технической основой для сбора и распространения информации был выбран восточный луч спутника INTELSAT 604 в точке стояния 60° Е.
Сеть сбора новостей работает следующим образом: центральная станция сети постоянно передает из Москвы четыре мультиплексированных канала и одновременно принимает один канал любой из шести земных станций, работающих в режиме передачи и теле- и радионовостей по расписанию. Земные станции, расположенные в Санкт-Петербурге, Алма-Ате, Бишкеке, Баку, Ереване и Минске, передают на центральную станцию свою программу, занимая по очереди одну и ту же частотную позицию. Одновременно они принимают четыре канала от центральной станции в Москве.
Удачное сочетание расположения зоны освещения восточного луча спутника INTELSAT 604, которая покрывает все страны СНГ, и представляемых компанией «Романтис» (Берлин) наиболее передовых технологий в области цифрового теле- радиовещания позволило на более качественном уровне и за короткий срок решить задачу построения системы сбора новостей для телерадиокомпании «Мир». Телевизионные сигналы передаются в цифровом виде по системе MPEG-2.
Рассмотрим устройство приемных установок спутникового телевидения «Экран» и «Москва» в системе ФСС.
Все приемные устройства спутникового телевидения построены по супергетеродинной схеме. Они подразделяются на две группы: установки одно- и двуствольные (одно- или двучастотные), принимающие сигналы только с одного спутника, и устройства, рассчитанные на большое число сигналов с нескольких спутников. В первой группе применяется одинарное преобразование частоты, во второй — двойное. В первом случае промежуточная частота (ПЧ) обычно равна 70 МГц, а полоса пропускания — 25...37 МГц. Во втором случае первая ПЧ может находиться в пределах 0,95... 1,75 ГГц при полосе пропускания 800 МГц. Вторая ПЧ может быть в интервале 70...850 МГц с полосой пропускания, как и в первом случае.
Антенная система кроме элементов конструкции антенны содержит облучатель (активная направленная антенна), узел выбора необходимой поляризации (поляризатор) и устройство наведения на выбранный спутник. Оно содержит механический привод (актуатор) и блок, называемый позиционером, для управления этим приводом.
Наружный блок (конвертер) представляет собой малошумяший усилитель или усилитель-преобразователь колебаний высокой частоты в сигнал ПЧ. Этот блок во всех установках, как правило, расположен на антенне, он часто выполнен в виде единой конструкции с облучателем и поляризатором.
Внутренний блок (приемник спутникового телевидения, или тюнер, или ресивер) для устройств первой группы (с одним преобразованием частоты) содержит усилитель ПЧ, демодулятор частотно-модулированного сигнала, тракты изображения и звука. Для установок второй группы (с двойным преобразованием частоты) — усилитель первой ПЧ, селектор каналов, усилитель второй ПЧ, демодулятор ЧМ сигнала, тракты изображения и звука.
Ремодулятор (формирователь стандартного телевизионного сигнала) обеспечивает получение обычного сигнала в диапазоне MB или ДМВ для подачи на антенный вход телевизора. Он может и отсутствовать, если внутренний блок установлен непосредственно в телевизоре, что уже делают в некоторых отечественных и зарубежных моделях. Для иллюстрации рассмотрим состав различных приемных устройств спутникового телевидения (рис. 5.1).
Установка системы «Экран» рассчитана для работы с одним из двух сигналов с несущими частотами 714 или 754 МГц. Принятый антенной системой (АС) сигнал поступает на малошумящий транзисторный усилитель (МШУ), расположенный непосредственно на антенне. После МШУ частотно-модулированный сигнал через усилитель радиочастоты (УРЧ) с полосовым фильтром поступает на преобразователь, включающий в себя смеситель (См1) и гетеродин (Г1). Преобразованный на частоту 70 МГц сигнал проходит через усилитель промежуточной частоты (УПЧ) на частотный детектор (ЧД). Выделенные после него сигналы изображения и звука приходят раздельно на амплитудный модулятор (AM) и смеситель (См2), на которые воздействуют колебания гетеродина (Г2). Полученные сигналы поступают на сумматор, где и формируется стандартный телевизионный сигнал для подачи на антенный вход телевизора.
Приемная установка «Москва» обеспечивает прием одного канала с центральной частотой 3675 МГц. Ее антенна — параболическое зеркало диаметром 1,5 или 2,5 м со спиральным облучателем для сигналов с круговой поляризацией (рис. 5.2). Наружный блок (усилитель-преобразователь) расположен на волноводном входе облучателя с тыльной стороны зеркала антенны. Он содержит МШУ, полосовой фильтр (ПФ), смеситель (См) с гетеродином (Г) и предварительный усилитель промежуточной частоты (ПУПЧ). Сигналы ПЧ с предварительного усилителя проходят на внутренний блок, состоящий из основного усилителя промежуточной частоты (УПЧ) с фильтром ПЧ, в котором сформирована необходимая полоса пропускания; частотного детектора (ЧА); видеоусилителя (ВУ) и тракта звука, содержащего демодулятор поднесущей звука (ДЗ) с системой обратной связи по частоте.
Рассмотрим более подробно типовую приемную установку для полосы частот 10,95...12,5 ГГц (рис. 5.3). Параболическая антенна (диаметр в зависимости от места расположения установки равен 0,9...1,2 м) принимает сигналы с двумя ортогональными проекциями (Н и V) для систем ФСС, в которых обычно используется линейная поляризация, или левого и правого направления вращения для радиовещательных систем (с круговой поляризацией LZ или RZ). Сигналы с ИСЗ принимаются антенной в интервале частот 10,95...11,7 или 11,7...12,5 ГГц и, пройдя узел выбор поляризации (ВП), поступают на наружный блок.
Наружный блок состоит из широкополосного малошумящего усилителя (МШУ); полосового фильтра помех (ПФ);
балансного смесителя (См1); гетеродина (П), представляющего собой генератор, частота которого стабилизирована диэлектрическим резонатором; предварительного усилителя промежуточной частоты (ПУПЧ). В упрощенных
радиолюбительских конструкциях МШУ и ПФ могут отсутствовать, и передаваемый со спутника сигнал поступает непосредственно на смеситель(См1),расположенный в фокусе зеркала параболической антенны. После первого преобразования принятый сигнал уже в интервале частот 0,95... 1,75 ГГц по коаксиальному кабелю с незначительным затуханием поступает во внутренний блок. Напряжение питания на наружный блок подается через разделительный фильтр
по центральному проводнику того же кабеля с внутреннего блока.
Во внутреннем блоке после основного усиления в усилителе (УПЧ1) осуществляются второе преобразование частоты в смесителе (См2), выбор необходимого канала, демодуляция, разделение видео- и звукового сигналов и перенос их в стандартный телевизионный канал.
Необходимый канал выбирают настройкой гетеродина (Г2) второго преобразователя посредством блока управления (БУ). Гетеродин представляет собой транзисторный генератор высокочастотных колебаний, управляемый напряжением, которое подается на включенный в контур варикап. Этот полупроводниковый диод предназначен для работы в качестве управляемой емкости. Действие его основано на зависимости барьерной емкости от величины приложенного к диоду обратного напряжения.
Тракт второй промежуточной частоты обеспечивает формирование полосы пропускания в фильтре сосредоточенной селекции (ФСС) и дополнительное усиление во втором усилителе промежуточной частоты (УПЧ2). В тракт обязательно входит эффективная система автоматической регулировки усиления (APУ) с глубиной регулировки усиления 25...30 дБ. Такой большой диапазон регулировки усиления необходим для того, чтобы установка могла хорошо работать в любых условиях приема, характеризующихся разными диаметрами приемных антенн, длинами соединительных кабелей между наружным и внутренним блоками, уровнями электромагнитных сигналов в данной местности с различных ИСЗ.
Демодуляция сигнала обычно осуществляется в синхронном фазовом детекторе (СФД), который состоит из основных узлов (рис. 5.4): фазового детектора (ФД); частотно-модулированного генератора (ЧМГ); устройства управления (УУ), включающее в себя специальный фильтр и видеоусилитель; входного видеоусилителя (BУ).
После устройства СФД (см. рис. 5.3) следует фильтр (Ф), разделяющий сигналы изображения и звукового сопровождения. В тракт изображения входят устройство привязки уровня, восстанавливающий контур системы предыскажений и устройство регулировки выходного уровня в усилителе видеосигналов (BY).
Тракт звука содержит смеситель с гетеродином, усилитель ПЧ и частотный детектор ДЗ. На частоту поднесущей настраиваются изменением частоты гетеродина. Для улучшения помехоустойчивости тракт звука охвачен цепью обратной связи по частоте или включает в себя СФД.
В зарубежных спутниковых приемных установках широко используются специальные модули, реализующие функции отдельных узлов внутреннего блока, таких, как селектор каналов, синхронный фазовый детектор, тракт звука, формирователь радиосигнала. Большое внимание уделяется сервисным функциям: автоматическому выбору нужного канала и поляризации, управлению положением антенны. Во всех установках предусмотрен пульт дистанционного управления (ПДУ).
К ВСС относится служба радиосвязи, где сигналы космических станций предназначены для непосредственного приема населением. При этом непосредственным считается как индивидуальный, так и коллективный прием. В последнем случае программа вешания доставляется индивидуальным абонентам с помощью той или иной наземной системы распределения — кабельной или эфирной — передатчиком небольшой мощности. Заметим, что термин «радиовещание» объединяет как телевизионное, так и звуковое вещание. Определенная таким образом радиовещательная спутниковая служба включает в себя не все виды систем спутникового вещания, а только те из них, которые предназначены для приема на сравнительно простые и недорогие приемные установки, но с более низким качеством, чем этого требуют магистральные линии подачи программ на наземные вещательные станции.
Такой тип вешания называется НТВ (непосредственное телевизионное вещание). Соответствующий английский термин — DTH (Direct-To-Home, что означает «прямо домой»). Такое сокращение и такой тип вешания повсеместно используются на Западе. Проблемам DTH и соответствующей аппаратуре будут посвящены последующие разделы этой книги.
Для DTH необходим следующий минимальный комплект аппаратуры (рис. 5.5). Это прежде всего параболическая антенна, в фокусе которой установлены малошумяший усилитель и преобразователь частот, а также специальный приемник.
Малошумящий преобразователь (внешний блок) обычно обозначают как LNB (Low Noise Blockonvertor). Он усиливает и конвертирует принимаемый сигнал в другой частотный диапазон — тот, в котором работает спутниковый приемник.
