Принципы спутникового вещания

Впервые идею об использовании искусственных спутников Земли (ИСЗ), находящихся на геостационарной орбите, для телекоммуникационных целей и вещания высказал известный американский писатель-фантаст Артур Кларк в 1945 г. Появление в шестидесятых годах двадцатого века первых ИСЗ дало техническую основу для очень эффективного решения проблемы создания больших и даже глобальных систем связи и вещания. Первый отечественный спутник связи «Молния» был выведен на высокоэллиптическую орбиту в апреле 1965 г. Спутниковое телевизионное вещание (СТВ) является сегодня одним из самых экономичных и надежных способов передачи телевизионных сигналов высокого качества в любую точку обширной территории нашей страны. К преимуществам СТВ относятся: возможность приема сигнала практически неограниченным числом приемных установок, высокая надежность ИСЗ связного типа, независимость затрат на приемную установку от расстояния между источником телевизионного сигнала и абонентом (в пределах зоны обслуживания), незначительное влияние атмосферы и географических особенностей местности на устойчивость приема.

Эти преимущества обусловили развитие во многих странах мира работ по созданию СТВ. Некоторые системы рассчитаны на прием телевизионных сигналов непосредственно на простые индивидуальные или коллективные приемные установки с малой антенной и согласно классификации Регламента радиосвязи относятся к радиовещательной спутниковой службе (РСС). Это так называемые спутники непосредственного телевизионного вещания.

В то же время многими странами широко используются системы подачи и распределения телевизионных программ через ИСЗ малой и средней мощности, относящиеся к фиксированной спутниковой службе (ФСС или FSS). Первоначально эти системы обеспечивали прием телевизионных сигналов на головные станции кабельных сетей или эфирные ретрансляторы для последующего распределения абонентам. В последние годы благодаря техническому прогрессу стал возможен прием сигналов со спутников ФСС на сравнительно недорогую приемную анТенну типа VSAT (Very Small Aperture Terminal), вполне доступную корпоративным пользователям. Аббревиатура VSAT переводится как терминал с антенной очень малого размера. Корпоративные сети VSAT объединяют географически удаленных пользователей в единую шифровую двустороннюю сеть связи.

Все вещательные спутники размещаются на так называемой геостационарной орбите - круговой орбите высотой 35 786 км в плоскости экватора. Находясь на ГСО, спутник неподвижен относительно поверхности Земли, так как вращается с той же угловой скоростью, что и Земля. Зона видимости геостационарного ИСЗ - около одной трети земной поверхности. В то же время современные технические средства позволяют сформировать достаточно узкий луч электромагнитной энергии, «освещающий» сравнительно небольшую часть земной поверхности. Линии пересечения земной поверхности и конического луча передающей антенны ИСЗ определяют границы зоны покрытия при различных диаметрах приемной антенны земной станции. Очевидно, что чем дальше находится антенна от центра зоны, тем больше должен быть ее диаметр.

Важной характеристикой спутниковых телекоммуникационных систем является количество стволов спутникового ретранслятора. Стволом спутниковой связи называется приемопередающий тракт, в котором радиосигналы проходят через общие усилительные элементы (общий передатчик) в некоторой выделенной стволу общей полосе частот. Весь диапазон частот, в котором работают спутники связи, принято делить на некоторые полосы частот шириной 27...36, 72...120 МГц, в которых усиление радиосигналов осуществляется отдельным трактом-стволом. Вместо термина «ствол» часто применяется английское название - «транспондер». Число стволов, одновременно действующих на современных связных ИСЗ, может составлять от 6 до 12, достигая нескольких десятков на наиболее мощных ИСЗ. Радиосигналы этих стволов разделяются по частоте, пространству, поляризации. Числом стволов, их полосой пропускания определяется в основном важнейший параметр связных ИСЗ - их пропускная способность, т.е. число телефонных и телевизионных каналов, либо в более общем виде - число двоичных единиц в секунду, которое можно передавать через данный связной ИСЗ.

В спутниковом телевидении уровень излучаемого с ИСЗ сигнала принято характеризовать произведением мощности (в ваттах) подводимого к передающей антенне сигнала на коэффициент ее усиления (в дБ) относительно изотропного (всенаправленного) излучателя. Эту характеристику называют эквивалентной изотролно-излучаемой мощностью (ЭИИМ) и измеряют в дБ на ватт. Исследования показали, что значение ЭИИМ, равное 52 дБ∙Вт, является оптимальным с точки зрения стоимости абонентского спутникового приемника и удобства его установки, зоны обслуживания, количества стволов (транспондеров) на одном ИСЗ и себестоимости одного ствола. Например, для обеспечения такого значения ЭИИМ мощность бортового спутникового передатчика должна находиться в пределах 190...260 Вт в зависимости от позиции ИСЗ на геостационарной орбите.

Уровень сигнала в точке приема определяется плотностью потока мощности у поверхности Земли относительно потока мощности 1 Вт, проходящего через 1 м² (дБ Вт/м²).

Для спутникового вещания выделены специальные участки радиочастотного спектра в сантиметровом диапазоне волн, где допускается повышенная плотность потока мощности со спутника (радиовещательная спутниковая служба по терминологии МСЭ).

В 1977 г. состоялась Всемирная административная конференция по радио (ВАКР-77) 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 каждый из которых выделены свои полосы частот. Европа, Африка, Россия и страны СНГ и Монголия входят в Район 1.

В Регламенте радиосвязи указаны полосы частот различных диапазонов, в которых работают радиопередающие средства телевизионного вещания. В этих полосах частот частотные планы телевизионного вещания, разработанные на основании защитных отношений и других параметров, рекомендованных МСЭ-Р (сектором радиосвязи МСЭ), согласованы на международном уровне. В целом для систем спутникового телевизионного вещания выделены полосы частот, представленные в табл. 9.2. Два последних диапазона Ка и К - почти не используются, и пока считаются экспериментальными. Однако вещание спутниковых телепрограмм в этих диапазонах позволяет значительно уменьшить диаметр приемных антенн. Например, если антенны Ки-диапазона (10,70... 12,75 ГГц) имеют характерные размеры 0,6...1,5 м, то антенны К-диапазона (84...86 ГГц) при том же значении коэффициента усиления будут иметь размеры 0,10...0,15 м. Кроме того, информационная емкость, под которой понимается количество телевизионных каналов, размещаемых в данном диапазоне частот, значительно выше. Основная проблема в освоении этих диапазонов - экономическая, а именно, проблема создания недорогих абонентских спутниковых приемников.

Сформулированные в Регламенте радиосвязи основные положения, касающиеся систем спутникового НТВ, сводятся к следующему [41]:

- в системах НТВ используются ИСЗ-ретрансляторы, расположенные на геостационарной орбите;

- для спутниковых радиолиний Земля-ИСЗ и ИСЗ-Земля выделены фиксированные полосы частот, указанные в табл. 9.3. Причем, в первую очередь, рекомендуется использование диапазона частот 10,7... 12,5 ГГц. Это связано с тем, что в этом участке спектра практически мало сказываются метеорологические условия атмосферы на распространение радиоволн. Следовательно, приемо-передающая аппаратура системы НТВ оказывается сравнительно дешевой;

- отношение сигнал-шум в системе НТВ не должна быть меньше 14 дБ;

Таблица 9.2. Полосы частот систем спутникового телевизионного вещания

Таблица 9.3. Полосы частот в ГГц, выделенные спутниковому телевизионному вещанию ФСС и РСС для Района 1

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

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

- в качестве интегрального параметра, характеризующего в целом приемное устройство спутниковых телевизионных сигналов, принят коэффициент добротности G/Т, равный отношению коэффициента усиления антенны G к суммарной шумовой температуре всего приемного устройства Т (Т = Т_аз + Т_пр), где Т_аз, Т_пр - соответственно шумовые температуры антенной системы и непосредственно приемного устройства. Для установки индивидуального приема значение добротности G/Т выбирается равным 6 дБ/К, а для устройств коллективного приема спутниковых радиосигналов параметр G/Т =14дБ/°К.

Одной из особенностей применения ИСЗ является ограниченность энергетического потенциала спутникового ретранслятора, поэтому в спутниковом вещании традиционно используют методы обработки, требующие минимального отношения сигнал-шум на входе демодулятора в обмен, например, на полосу частот сигнала. В аналоговом вещании это был выбор частотной модуляции, а не амплитудной, в цифровом вещании приходится применять мощное каскадное помехо- устойчивое кодирование и модуляцию с невысокими кратностями (скорее ФМ-4, т.е. QPSK, чем ФМ-8 и более высокие кратности).

Еще одна специфическая особенность спутникового вещательного ретранслятора - работа в нелинейном режиме вблизи точки насыщения выходного усилительного прибора (лампы бегущей волны или транзисторного усилителя), так как именно в этом режиме удается получить максимальную выходную мощность и до предела снизить диаметр приемных антенн. Из-за существенной нелинейности работа в точке насыщения возможна только на одной несущей в стволе - это так называемый режим MCPG (Multiple Channels per Carrier - несколько каналов на одной несущей), когда цифровые потоки нескольких телевизионных программ объединяются (мультиплексируются) в общий поток и модулируют единственную несущую частоту, передаваемую с одной передающей станции. Нелинейный режим заставляет использовать виды модуляции с постоянной огибающей - смещенную ФМ и другие разновидности фазовой модуляции. Альтернативный вариант - SCPC (Single Channel per Carrier - один канал на одной несущей) требует перехода в линейный (точнее, квазилинейный) режим со снижением выходной мощности на 2,5...4 дБ и неэффективен в спутниковом вещании. Он применяется в спутниковых распределительных сетях, когда в одном стволе нужно передать на сеть профессиональных приемных станций несколько телевизионных программ, источники которых территориально разнесены и не могут собрать сигналы в одной точке, а потому вынуждены строить свои собственные передающие станции. Второй случай использования режима SCPC в спутниковом телевидении -передача телевизионного репортажа с небольшой перевозимой передающей станции. Ее энергетических возможностей обычно недостаточно для вывода ретранслятора в точку насыщения, и передача часто происходит далеко от насыщения, в линейном режиме. Этот вид передачи называется DSNG (Digital Satellite News Gathering - цифровая спутниковая видеожурналистика).