Особенности построения приемопередающих устройств системы непосредственного телевизионного вещания

Функциональная схема цифровой спутниковой системы НТВ.Радиотелевизионный передающий центр системы НТВ состоит из следующих функциональных устройств: кодеров аудио- и видеоданных; мультиплексора, модулятора, радиопередатчика и передающей спутниковой антенны параболического типа (рис. 9.7). Назначение кодеров заключается в формировании транспортных потоков стандарта MPEG-2 и в их помехоустойчивом кодировании. Далее с помощью мультиплексора формируется результирующий транспортный поток данных, который непосредственно подается на вход QPSK-модулятора. Генерируемый с помощью радиопередатчика радиосигнал, несущий информацию об аудио- и видеоданных телевизионных программ, с помощью параболической антенны диаметром в несколько метров (практически до 10 м) излучается в направлении связного ИСЗ.

Радиоаппаратура спутникового ретранслятора включает в себя: общую антенну зеркального типа, частотно-разделительное устройство, СВЧ приемник, работающий в диапазоне частот, который отведен ФСС и РСС на участке Земля-ИСЗ и радиопередатчик, генерирующий радиосигнал в диапазоне частот 12 ГГц.

Приемная аппаратура в спутниковой системе НТВ может быть двух типов: абонентские устройства и приемные устройства, обеспечивающие коллективный прием спутниковых телевизионных программ.

В состав аппаратуры непосредственного приема спутниковых телевизионных сигналов индивидуального типа входят: антенная система представляющая собой в большинстве случаев параболическое зеркало с облучателем, устройство дистанционного управления антенной, поляризатор, обеспечивающий выделение радиосигналов с выбранным направлением круговой или линейной поляризации, преобразователь спутниковых радиосигналов (конвертер), спутниковый абонентский приемник, типовой телевизор.

1 — ИСЗ; 2 - передающая спутниковая антенна; 3 - радиопередатчик; 4 - QPSK-модулятор; Б - мультиплексор; 6, 7 - кодеры; 8, 12 - конверторы, сочлененные с поляризаторами; 9, 13 - приемные спутниковые антенны; 10 - абонентский спутниковый приемник; 11 - телевизор; 14 - головная станция; 15 -разветвитель на несколько направлений; 16,18- магистральные усилители; 17,19 - магистральные ответвители; 20,21- домовая распределительная сеть

Рис. 9.7. Упрощенная функциональная схема цифровой спутниковой системы НТВ

Неотъемлемой частью приемной аппаратуры спутниковых сигналов является позиционер, т.е. устройство дистанционного управления антенной системой. С помощью позиционера абонент имеет возможность перестраивать антенну на различные ИСЗ, находящиеся в разных позициях геостационарной орбиты. Иногда устройство дистанционного управления выполняется программируемым, что дает возможность перестраивать антенну по заранее составленному расписанию.

Обычно антенная система устанавливается в некотором удалении (на расстоянии нескольких десятков метров) от спутникового приемника, располагающегося, как правило, в непосредственной близости от телевизора. В этом случае стандартный антенный телевизионный коаксиальный кабель для передачи радиосигналов в диапазоне 12 ГГц не годится. Уже при передаче на расстоянии около 1 м радиосигнал столь высокой частоты таким кабелем будет полностью рассеян, так как верхняя критическая рабочая частота коаксиального кабеля в несколько десятков раз ниже несущих частот радиосигналов с ИСЗ. Для передачи таких высокочастотных сигналов необходимы специальные волноводы. Практически данная проблема разрешена за счет использования метода понижения несущих частот принимаемых сигналов, т.е. путем применения конверторов. Поэтому выпускаемая промышленностью аппаратура непосредственного приема спутниковых телевизионных сигналов в диапазоне 12 ГГц выполняется по общепринятой схеме с преобразованием частоты и конструктивно состоит из двух устройств: вынесенного (наружного), т.е. конвертера и внутреннего - спутникового приемника.

Наружный блок, выполняющий роль конвертера, укрепляется непосредственно у облучателя параболической антенны. В этом случае принимаемый антенной радиосигнал по отрезку волновода проходит через поляризатор на вход конвертера. В конвертере принятые радиосигналы после преобразования частоты переносятся в диапазон частот промежуточной частоты, усиливаются и передаются по коаксиальному кабелю на вход спутникового приемника.

Выбор промежуточной частоты должен удовлетворять нескольким требованиям [43]:

- промежуточная частота должна быть достаточно высокой, чтобы обеспечить одновременное пропускание всех радиосигналов спутникового телевизионного вещания;

- чем выше промежуточная частота, тем легче отфильтровать помехи зеркального канала и подавить обратное излучение гетеродина конвертера;

- промежуточная частота не должна быть слишком высокой, в противном случае заметно возрастет стоимость конвертера и коаксиального кабеля снижения;

- в полосу частот, выбранную для промежуточной частоты, и в соответствующую полосу частот зеркального канала не должны попадать частоты мощных наземных вещательных и других радиопередатчиков. С учетом всех перечисленных факторов для промежуточной частоты рекомендована полоса частот 0,95...2,15 ГГц, расположенная выше диапазонов частот наземного телевизионного вещания.

Напряжение питания на конвертер подается по центральному проводнику соединительного коаксиального кабеля со спутникового приемника.

В случае создания приемных спутниковых систем коллективного пользования, рассчитанных на обслуживание достаточно большого количества абонентов (сотни, тысячи абонентов), распределительная сеть имеет структуру типовых систем кабельного телевидения (см. рис. 9.7). В состав головной станции, представляющей собой центральное оборудование распределительной сети, которое осуществляет формирование вещательных телевизионных сигналов для абонентов, дополнительно вводятся QPSK-демодулятор и декодер формата MPEG-2, одновременно производящий помехоустойчивое декодирование. С помощью разветвителя на несколько направлений от головной станции отходят несколько магистральных линий, состоящих из однотипных кабельных участков, магистральных усилителей и ответвителей. К магистральным линиям подключаются домовые распределительные сети, содержащие домовые усилители, пассивные направленные абонентские разветвители, с помощью которых осуществляется присоединение типовых телевизоров.

Общие сведения о конверторах, используемых в системах НТВ. Средняя удельная мощность сигнала, попадающего на вход конвертера, составляет величину, примерно равную 10^-15 Вт/м². Следовательно, конвертер должен обладать очень низким уровнем собственных шумов. Это стало возможным только с созданием малошумящих транзисторов СВЧ на основе арсенида галлия (GaAs), без которых спутниковое телевизионное вещание не достигло бы современного уровня.

Технология производства конвертеров для систем НТВ основана на опыте, накопленном при создании малошумящих усилителей. Однако абонентский конвертер, помимо обеспечения необходимого усиления при минимально возможном уровне шумов, преобразовывает частоты принимаемых сигналов до значений, воспринимаемых спутниковыми приемниками, которые находятся в следующих диапазонах: 950... 1750 МГц или 950...2150 МГц.

В настоящее время имеются два типа СВЧ малошумящих транзисторов, доступных для изготовления аппаратуры систем НТВ: НЕМТ-транзисторы (High electron mobility transistor), обладающие высокой подвижностью электронов, и полевые транзисторы с барьером Шотки (ПТШ). Основное различие между ними состоит в том, что НЕМТ имеет меньший коэффициент шума на заданной частоте, чем ПТШ, однако последний обладает более высоким коэффициентом усиления. Например, основные параметры наиболее широко применяемых НЕМТ-транзисторов имеют следующие значения: коэффициент шума 0,4...0,6 дБ, усиление 10,5... 12,5 дБ на частоте 12 ГГц. В стадии внедрения находится новое поколение НЕМТ-транзисторов на основе фосфида индия (InP), имеющих коэффициент шума 0,3 дБ и усиление 17 дБ на частоте 12 ГГц [44].

Условия эксплуатации конверторев являются достаточно жесткими: на .них непосредственно воздействуют атмосферные осадки и перепады температур, зависящие от климата региона. Конвертер является необслуживаемым устройством, поэтому должна обеспечиваться их полная взаимозаменяемость без каких-либо дополнительных регулировок. Соединения и корпус должны быть пыле- и влагозащищенными.

Основными техническими характеристиками конвертера являются:

- диапазон частот принимаемых сигналов;

- коэффициент шума;

- нестабильность частоты гетеродина;

- коэффициент усиления;

- фазовые шумы.

Для обеспечения эффективной работы спутникового приемного устройства очень важным является усиление конвертера. Недостаточное усиление равнозначно применению спутниковой антенны меньшего диаметра, чрезмерное усиление приводит к перегрузке входных цепей приемного устройства. В целом же усиление конвертера должно быть согласовано с длиной соединительного коаксиального кабеля (с затуханием сигнала в нем) и чувствительностью приемного устройства. Практически рекомендуемое усиление должно составлять минимум 50 дБ, максимум 60 дБ. Следует отметить, что это значение уменьшается на 0,2...0,3 дБ при повышении температуры на каждые 10°С.

Структурная схема абонентского конвертера. В настоящее время существуют разнообразные схемотехнические решения, используемые при построении абонентских конвертеров, например, схемы с однократным или двойным преобразованием частоты принимаемых сигналов. Основной недостаток конвертера с однократным преобразованием частоты заключается в явлении интерференции сигналов близлежащих каналов. В этом случае приходится использовать дорогие и сложные схемы фильтрации. Использование схемы с двойным преобразованием сигнала позволило устранить недостатки, присущие конвертерам с однократным преобразованием. Однако в результате этого увеличилась сложность и стоимость конструкции за счет использования второго гетеродина и смесителя, а также возникла необходимость в применении второго полосового фильтра (ПФ) и усилителя промежуточной частоты.

Практически используемые в системах НТВ абонентские конвертеры имеют конструкцию LNB (Low Noise Blockconvertor) типа, основанную на использовании гетеродина, настроенного на фиксированную частоту и стабилизированного объемным диэлектрическим резонатором. По сравнению с конвертерами однократного и двойного преобразования, LNB имеет существенное преимущество: через него проходят сигналы всех каналов выбранного диапазона, что позволяет использовать один конвертер для приема сигналов разных телевизионных программ несколькими спутниковыми приемниками одновременно. Следует отметить также большую устойчивость настройки, так как выбор сигнала определенного канала производится с помощью тюнера, т. е. осуществляется в закрытом помещении, где электронные компоненты защищены от перепадов температуры и влажности.

Структурная схема типового абонентского конвертера (LNB типа) представлена на рис. 9.8.

По мере освоения Ки-диапазона для НТВ возникла необходимость в использовании спутниковых конвертеров, одновременно работающих в полосе частот принимаемых сигналов 10,7... 12,75 ГГц.

Рис. 9.8. Структурная схема абонентского конвертеера, используемого в системах НТВ:

ВПП - волноводно-полосковый переход; МШУ - малошумящий усилитель; ПФ - полосовой фильтр; См - смеситель; Гет - гетеродин (СВЧ генератор входящий в состав преобразователя частоты); ПУПЧ - предварительный усилитель промежуточной частоты; УП - устройство питания

Рис. 9.9. Функциональная схема полнодиапазонного конвертера с одним МШУ

Данная задача была решена с появлением широкополосных НЕМТ-транзисторов с низким коэффициентом шума. Структурная схема одного из вариантов построения полнодиапазонного конвертера представлена на рис. 9.9. Данный конвертер имеет один МШУ, а разделение принимаемых сигналов на два частотных поддиапазона осуществляется с помощью двух полосовых фильтров. Для обрабатываемых сигналов разных поддиапазонов (10,7... 11,7 и 11,7...12,75 ГГц) используется свой смеситель и гетеродин.

Схемотехника цифровых спутниковых приемников. Спутниковый приемник, наряду с антенной и конвертером, является третьей составной частью приемной установки системы НТВ. Он предназначен для дальнейшего преобразования сигнала промежуточной частоты, поступающего с конвертера, т.е. для его демодуляции с последующим формированием из выделенных сигналов изображения и звука телевизионного низкочастотного сигнала и радиосигнала с амплитудной модуляцией в стандарте наземного телевизионного вещания.

Цифровые спутниковые приемники существенно отличаются от аналоговых моделей. Например, в цифровом спутниковом телевизионном вещании нет понятия «плохое качество телевизионного изображения» - качество изображения на экране телевизора, подключенного к высокочастотному выходу профессионального или абонентского спутникового приемника, одинаково высокое. В том случае, если уровень ошибок превышает предельно допустимый, изображения на экране аналогового телевизора просто не будет, так как не смогут работать алгоритмы восстановления спутникового цифрового приемника.

Рис. 9.10. Обобщенная структурная схема цифрового спутникового приемника

Рассмотрим базовую структурную схему спутникового цифрового приемника, представленную на рис. 9.10. После того, как выделенный с выхода конвертера сигнал проходит цепи демодуляции, он преобразуется в информационный поток в виде цифровых пакетов и поступает в устройство исправления ошибок. В демультиплексоре производится разделение информационного потока на два канала: аудио и видео. ДекоДер поддерживает самые различные форматы и имеет большое количество выходов: цифровое видео, аналоговое видео, цифровое аудио (звук), аналоговое аудио (звук), RGB-выход и др.

Конечной целью специалистов различных фирм, совместно разрабатывающих аппаратуру спутникового телевизионного вещания, является создание модульной архитектуры спутникового цифрового абонентского приемника. В этом случае конструкция спутникового приемника состоит из универсальных чипов, которые по своим функциональным возможностям могут использоваться как в аппаратуре локальных многоточечных систем распределения (MMDS-системы), так и в приемных устройствах цифровых кабельных сетей. Особенность модульного подхода заключается в оптимальном разделении субблоков и организации связи между ними при помощи универсального гибкого интерфейса и программного обеспечения.

Организация условного доступа в спутниковых цифровых приемниках. В настоящее время в системах НТВ для защиты транслируемых коммерческих (платных) телевизионных программ от несанкционированного доступа используются различные способы цифрового скремблирования (кодирования). Скремблирование предполагает искажение вещательного телевизионного сигнала таким образом, что исключается возможность его приема в стандартном телевизоре.

Очевидно, что современный цифровой спутниковый приемник должен работать с любой системой скремблирования. Эта проблема решается несколькими способами. Один из них - создание универсального модуля условного доступа, в котором система скремблирования задается программным путем. Другой способ - реализация проекта создания общей системы скремблирования, при использовании которой расшифровка программ от разных источников может быть индивидуализирована за счет разных условий доступа. Выполнение этих условий проверяется специальной карточкой условного доступа (smart card).

Smart cards («умные карты») - это пластиковые карточки с встроенными электронными устройствами, используемые как средства идентификации, контроля доступа и оплаты. На сегодняшний день их можно условно разделить на два вида [41]:

- неинтеллектуальные карты, не осуществляющие обработку информации. Сюда входят различные карты памяти и идентификационных меток. Наиболее наглядным примером таких устройств являются телефонные карты. Основным недостатком подобных карт является сравнительно низкая степень из защиты;

- интеллектуальные карты, содержащие микропроцессоры, обрабатывающие информацию. Такие карты имеют значительно более высокую степень защиты.

По конструкции smart cards могут быть контактными или бесконтактными. В системах НТВ чаще всего используются контактные карты из-за их более низкой стоимости. Конструктивные особенности контактной, т.е. вставляемой, smart card, изготовленной в соответствии со стандартом Международной организации по стандартизации ISO-7816, поясняются рис. 9.11. Перенос криптопроцессора в smart card означает, что при любом несанкционированном взломе системы условного доступа ее восстановление осуществляется только заменой всех smart cards, находящихся у абонентов.

Использование общего алгоритма скремблирования в системах НТВ - это вопрос будущего, а сейчас для приема цифровых пакетов от разных источников телевизионных программ, как правило, требуются разные модули условного доступа. Более того, современные стандарты спутникового телевизионного вещания предусматривают возможность существования цифровых пакетов, в которых разные телевизионные программы (от разных источников) скремблированы различными способами. Такой тип скремблирования называется Multicrypt.

ППЗУ - перепрограммируемое запоминающее устройство

Рис. 9.11. Конструкция вставляемой интеллектуальной smart card

Рис. 9.12. Схема организации условного доступа с общим интерфейсом

С этой точки зрения более перспективным кажется использование общего интерфейса, посредством которого к базовому декодеру может подсоединяться один или несколько модулей условного доступа (несколько smart cards с различными системами декодирования) (рис. 9.12). В этом случае демодулированный поток данных последовательно проходит все модули условного доступа. Каждый модуль расшифровывает те элементарные потоки в цифровых пакетах, в которых используется соответствующая система скремблирования.