Сети телевизионного вещания

Размещено на http://allbest.ru

Контрольная работа

Тема: Сети телевизионного вещания



Содержание

1. Сети телевизионного вещания

1.1 Структура сетей ТВ-вещания

1.2 Структурная схема телевизионного центра

1.3 Спутниковое ТВ-вещание

1.4 Приемная телевизионная сеть

2. Общие сведения о спутниковом телевидении

2.1 Принципы построения систем Сети телевизионного вещания

2.2 Международные соглашения по использованию спутниковых телевизионных каналов

3. Методы формирования и передачи телевизионного сигнала в системах спутникового телевидения

3.1 Аналоговый метод

3.2 Цифро-аналоговый метод

3.3 Цифровой метод

3.4 Цифровые телевизионные сигналы согласно Рекомендации ITU-R BT 601

4. Понятие о телевидении высокой четкости

4.1 Начало HDTV

4.2 Раннее телевидение

4.3 Наследие старого телевидения

4.4 Компрессия сигнала в HDTV

4.5 Стандарт кодирования MPEG-2



1. Сети телевизионного вещания

1.1 Структура сетей ТВ-вещания

Сеть ТВ-вещания (СТВ) - это комплекс технических устройств, осуществляющий формирование сигналов ТВ-программ, распределение их среди потребителей и воспроизведение изображения на экранах телевизоров.

Сеть ТВ-вещания состоит из четырех звеньев (рис. 1)^: телецентра (ТЦ), сети распределения сигналов ТВ-вещания (СРС), передающей ТВ-радиостанции (ПС) и приемной телевизионной сети (ПрС). Границы звеньев, а также их состав оговорены ГОСТ. Отдельные звенья связаны между собой телевизионными соединительными линиями (СЛ).

Рис.1. Состав сети ТВ-вещания (СТВ): ТЦ -- телецентр; ССС -- спутниковая система связи; ИСЗ -- искусственный спутник Земли; РРЛ -- радиорелейная линия; КЛС -- кабельная линия связи; ПС -- передающая станция; СЛ -- соединительная линия; ПрС -- приемная ТВ-сеть; СРС -- средства распределения ТВ-сигналов

СЛ включаются в состав звена. Они представляют собой кабельные линии, которые могут быть активными (с усилителями или преобразователями частоты) или пассивными.

Первое звено ТВ-вещания -- телевизионный центр (ТЦ). Это предприятие по производству и выпуску ТВ-программ.

ТВ-программа - совокупность передач, транслируемых в определенной последовательности, согласно расписанию, по одному частотному каналу. ТВ-программа выпускается ТЦ в виде полного цветного телевизионного сигнала, параметры которого регламентируются ГОСТ.

Второе звено СТВ, средства распределения сигналов ТВ-вещания, состоит из радиорелейных линий связи (РРЛ), спутниковых систем связи (ССС) и, в ряде случаев, кабельных линий связи (КЛС).

Третье звено СТВ -- передающая ТВ-радиостанция (ПС). В ее состав входит ТВ-передатчик, опора (башня или мачта) с размещенными на ней передающими антеннами, а также различные строения и службы, обслуживающие ПС.

Четвертое звено СТВ ~ приемная телевизионная сеть, состоит из совокупности индивидуальных устройств приема ТВ-программ, системы коллективного приема сигналов и систем кабельного телевидения (СКТБ).

Индивидуальные устройства приема ТВ-вешания -- это комнатная или наружная антенна, ТВ-приемник и кабель, соединяющий антенну с приемником.

Система коллективного приема ТВ-вещания состоит из одной или нескольких наружных антенн, устанавливаемых на крыше здания, домовой распределительной сети (ДРС) и включенными в нее десятков-сотен ТВ-приемников.

Простейшая система кабельного телевидения состоит из приемной антенны, усилителей, от которых по кабельным линиям связи сигналы передаются к телевизорам в пределах одного или нескольких домов. СКТВ применяют для расширения зоны обслуживания населения ТВ-вешанием. Это единственное средство обеспечения условий нормального приема сигналов на участках «радиотеней», возникающих в отдельных районах города вследствие застройки их разновысотными домами.



1.2 Структурная схема телевизионного центра

В зависимости от объема производства программ, а также от числа и размеров студий, размещаемых на ТЦ, телецентры разделяют на пять классов: внеклассные в Москве и Петербурге; телецентры первого и второго классов, которые могут создавать передачи всех форм, жанров и категорий сложности; телецентры третьего и четвертого классов, предназначенные в основном для создания информационных и общественно-политических передач.

Основная часть телецентра -- аппаратно-студийный комплекс (АСК). Он включает в себя основные и вспомогательные службы, предназначенные для производства и выпуска программ. Выходом АСК является вход соединительных линий, по которым передаются ПТЦС готовых программ на средства распределения сигналов ТВ-вещания или на передающую ТВ-радиостанцию.

Основными структурными единицами АСК являются (рис. 2): аппаратно-студийный блок (АСБ), аппаратно-программный блок (АПБ), видеомагнитофонная аппаратная (АВМ), телекинопроекционная аппаратная (ТКА), центральная аппаратная (АЦ).

Кроме АСК в состав телецентра входит цех передвижных технических средств (внестудийные средства ТВ-вещания (ВС)) и ряд вспомогательных цехов (энергоснабжения, сантехники, вентиляции, декорационно-постановочных работ, технического контроля и т. п.).

Аппаратно-студийный блок (АСБ). АСБ -- комплекс помещений и оборудования для производства ТВ-передач. Основная продукция АСБ -- видеозаписи ТВ-передач. В состав АСБ входят: студия, аппаратные видеозвукорежиссеров, техническая аппаратная.



Рис. 2. Обобщенная структурная схема телевизионного центра:

АСК -- аппаратно-студийный комплекс; АСБ -- аппаратно-студийный блок; АПБ -- аппаратно-программный блок; АВМ -- видеомагнитофон паи аппаратная; ТКА -- телекинопроекционная аппаратная; ВС -- внестудийные средства вещания; АЦ -- центральная аппаратная

Студия -- это специальное помещение, предназначенное для репетиций и съемочных работ. В ней установлены камеры, микрофоны, выносные мониторы, дикторский пульт.

В аппаратной видеозвукорежиссеров размешен стеллаж с мониторами, пульт управления видео- и звуковыми трактами, откуда можно набирать сигналы из других аппаратных, управлять телекинопроекторами и видеомагнитофонами, работающими на данный АСБ.

В технической аппаратной располагается пульт и стеллаж видеоинженера, а также техническое оборудование АСБ (синхрогенератор, измерительная аппаратура, кодирующее устройство системы SECAM, смесители сигналов от разных источников и т. п.)

Аппаратно-программный блок (АПБ) ~ комплекс помещений и оборудования, предназначенный для создания ТВ-программ главным образом из заранее подготовленных и записанных передач, и выдачи этих программ на передающую ТВ-радиостанцию или средства распределения ТВ-вещания. В состав АПБ входит небольшая студия для актуальных «живых» передач-интервью, объявлений диктора и т. п., оснащенная, как правило, всеми видами датчиков ТВ-сигнала.

Центральная аппаратная (AU) -- это коммутационно-распределительный узел телецентра, предназначенный для взаимного соединения аппаратных, входящих в состав АСК.

Телекинопроекционная аппаратная (ТКА) предназначена для демонстрации по

ТВ-кинофильмов, а также для использования киноматериалов в качестве вставок в передачи, подготовленные с помощью других источников ТВ-сигнала. телевидение сигнал канал спутниковый

Видеомагнитофонная аппаратная (АВМ). В настоящее время на ТЦ около 85 % программ формируются с помощью видеомагнитофонов (ВМ), АВМ бывают двух типов: аппаратные записи и воспроизведения и аппаратные электронного монтажа.

Внестудийные средства ТВ-вещания. Внестудийные средства ТВ-вещания (ВС) служат для формирования ТВ-передач с места событий путем записи или прямой передачи на телецентр. Различают два класса внестудийных средств ТВ-вещания: стационарные и передвижные.

К стационарным ТВ-средствам относят аппаратные, сооружаемые в местах событий, откуда часто осуществляются ТВ-трансляции: стадионы, театры и т. п.

К передвижным ТВ-средствам относят: передвижные ТВ-станции, репортажные ТВ-станции, журналистские комплексы. Передвижные станции предназначены для трансляции с места, репортажные -- в движении, журналистские -- для съемки с рук.

1.3 Спутниковое ТВ-вещание

Виды спутникового ТВ-вещания. В состав спутниковой системы передачи ТВ-вещания (ССТВ) входят: наземная передающая телевизионная станция (ПТС), приемопередатчик (ретранслятор) на искусственном спутнике Земли (ИСЗ) и приемная станция.

Для ТВ-вещания предусмотрены два вида спутниковой связи: фиксированная спутниковая служба (ФСС) и радиовещательная спутниковая служба (РВСС).

Фиксированная спутниковая служба -- служба радиосвязи между наземными станциями, расположенными в определенных фиксированных точках земной поверхности. Примером такой службы является сеть станций («Орбита»). Наземные станции этой сети принимают через ИСЗ программы из Москвы и по ТВ-соединительным линиям передают их на ближайший телецентр, который в метровом или дециметровом диапазонах волн доводит программы до местных телезрителей. При такой системе мощность передатчиков на спутнике-ретрансляторе может быть минимальной, а приемная станция довольно сложной. Такие системы применяют как для передачи национальных программ в странах с большими территориями, так и для международного обмена программами.

При большом числе приемных станций на сравнительно небольшой территории экономически оправдано усложнить ретранслятор ИСЗ и одновременно удешевить и упростить приемные наземные станции. Примерами таких систем являются распределительные системы «Экран» и «Москва». Такие системы экономически выгодно использовать для работы на кабельную сеть или радиорелейную линию.

ФСС регламентируется определенными правовыми положениями.

Радиовещательная спутниковая служба -- служба радиосвязи, в которой сигналы, передаваемые космическими станциями, предназначены для непосредственного приема населением. Термин «непосредственный» понимается не в смысле приема сигналов на обычные телевизоры, а как прием на упрощенные, дешевые устройства, с выхода которых сигнал поступает на обычные телевизоры. При этом возможны два вида приема в РВСС: индивидуальный и коллективный.

Индивидуальный прием в РВСС -- прием излучений ИСЗ с помощью простых бытовых установок с небольшими антеннами.

Коллективный прием в РВСС -- прием излучений ИСЗ с помощью приемных установок, предназначенных для использования группой населения в одном месте.

Правовых ограничений в приеме сигналов РВСС нет.

Использование ИСЗ для ТВ-вещания. Сети ТВ-вещания используют преимущественно стационарные ИСЗ на круговой орбите, расположенной в плоскости экватора.

Высота полета ИСЗ H36 000 км. С такой орбиты Земля видна под телесным углом 18° (рис. 3).

Рис. 3. Расположение стационарного ИСЗ над Землей

Период оборота спутника вокруг Земли составляет 24 часа, поэтому ИСЗ как бы неподвижно «зависает» над Землей.

Вся Россия разбита на 5 вещательных зон, каждая из которых охватывает территорию двух часовых поясов. Поэтому международными службами предусмотрено пять позиций (точек расположения) ИСЗ на орбите ТВ-вещания. При этом вся территория России оказывается охваченной спутниковым ТВ-вещанием.

Диапазоны частоты для ТВ-вещания. Для ТВ-вещания на участке ИСЗ--Земля для ФСС выделены следующие полосы частот, в ГГц: 2,5 - 2,69; 3,4-4,2; 4,5-4,8; 10,7-11,7; 12,5-12,75.

Для радиовещательной спутниковой службы отведены полосы частот, в ГГц: 0,62-0,79; 11,7--12,5.

В перечисленных выше частотных диапазонах ТВ-вещание сосуществует с другими радиослужбами. Для целей только ТВ-вещания выделены дополнительно диапазоны частот: 37,5--42,5; 81--86 (ГГц).

Для передачи сигналов ТВ-вещания с Земли на ИСЗ выделены другие полосы частот, в ГГц: 5,7--6,4; 14--14,5; 17,3--81,1.

Распределительные системы ФСС. В России разработаны и действуют в рамках ФСС три распределительных системы: «Орбита», «Экран», «Москва». В этих системах одновременно с сигналом ТВ-вещания передаются сигналы радиовещания и изображения газетных полос. Передача осуществляется методом ЧМ. Основные параметры систем приведены в табл. 1.

Таблица 1

Параметр	«Орбита»	«Москва»	«Экран»
Частотный диапазон, ГГц*	4/6	4/6	0,7/6
Мощность передатчика ИСЗ, Вт	15	40	200
Уровень сигнала у поверхности Земли**	-136	-120	-116
Ширина радиоканала, МГц	37	40	24
Девиация несущей частоты, МГц	15	17	12
Наличие сигнала дисперсии***	НЕТ	ЕСТЬ	ЕСТЬ
Приемная антенна наземной станции	Парабола 12 см	Парабола 2,5 м	Волновой канал

Примечания к таблице 1. * Диапазон частот в системах спутниковой связи записывают дробью, где в числителе -- частота сигнала, излучаемого с ИСЗ, а в знаменателе -- наземной станции в радиолинии земля -- ИСЗ.

** Уровень полезного сигнала в точке приема сигнала от ИСЗ принято выражать в децибелах относительно потока мощности в 1 Вт через 1 м². Этот уровень записывают как дБ Вт/м².

*** Для осуществления электромагнитной совместимости спутниковых систем связи с наземными радиосистемами важна не только полная мощность сигнала, принимаемого от ИСЗ, но и распределение спектральной плотности мощности этого сигнала по частоте. При передаче ТВ-сигналов методом ЧМ имеются явно выраженные максимумы в спектре сигнала. Они обусловлены наличием в ТВ-сигнале длительное время не изменяющихся уровней. Это уровни синхроимпульсов, гасящих импульсов, а также сигналов изображения с постоянной яркостью. Для ослабления таких участков спектра применяют искусственное рассеяние мощности по спектру, называемое дисперсией сигнала. Для этого несущая дополнительно отклоняется с частотой 2,5 Гц и девиацией частоты ±4 МГц.

В распределительных системах «Экран» и «Москва» применяются два варианта построения приемных устройств наземной станции.

В первом варианте на выходе приемного устройства получают сигналы изображения, звукового сопровождения и радиовещания, которые могут быть поданы на телецентр или передающую ТВ-радиостанцию (рис. 4, а).

Рис. 4. Упрощенные функциональные схемы наземных приемных устройств спутниковых распределительных ТВ-систем: А -- антенна; УВЧ -- усилитель высокой частоты; СМ -- смеситель; Г -- гетеродин; УПЧ -- усилитель промежуточной частоты; ЧД -- частотный демодулятор; AM -- амплитудный модулятор; Ф -- фильтры; КД -- компенсатор дисперсии частоты

Во втором варианте (рис.4, б) построения приемного устройства сигнал ТВ-вешания от ИСЗ демодулируется и преобразуется в сигнал метрового или дециметрового диапазона с АМ-модуляцией. Такие приемные устройства предназначены для подачи ТВ-радиосигнала на маломощные ретрансляторы или в кабельную сеть. Функциональные схемы приемных устройств приведены на рис. 4.

Распределительные системы РВСС. Спутниковые системы ТВ-радиовещания работают в диапазоне частот 11,7--12,5 ГГц. В этом диапазоне расположено 40 каналов и оставлены защитные поля на нижнем и верхнем конце диапазона, обеспечивающие надежную защиту для служб, использующих соседние диапазоны частот (рис. 5).

Ширина полосы частот, отводимая для одного канала, составляет 27 МГц. Разнос между соседними каналами равен 19,18 МГц. Нечетные каналы имеют один вид круговой поляризации радиоволн, четные -- противоположный. Однако на практике соседние каналы на одном спутнике обычно не задействуют, в целях ослабления помех от соседних каналов.

Рис. 5. Распределение каналов спутникового ТВ-вещания в диапазоне 11,7--12,5 МГц.

Индивидуальное приемное устройство РВСС состоит из: наружного блока, в состав которого входит антенна и конвертор частоты; внутреннего блока, называемого тюнером; и стандартного ТВ-приемника (рис. 6).

Сигнал, принятый от ИСЗ параболической антенной, проходит через поляризатор (П). Поляризатор пропускает сигнал только определенного вида поляризации на вход конвертора. В состав конвертора входит малошумящий усилитель (МШУ), смеситель (СМ) с гетеродином (Г) и усилитель УПЧ. После преобразования в СМ сигнал размещается в диапазоне 0,95--1,75 ГГц. Наружный блок имеет небольшие размеры и устанавливается непосредственно на антенну.

Во внутреннем блоке происходит второе преобразование частоты на 612 МГц или 480 МГц (стандарты США или Европы соответственно). Выбор программы осуществляется настройкой гетеродина второго преобразователя частоты.

В качестве демодулятора (ДЕМ) обычно используют частотные детекторы с обратной связью по частоте.

Рис. 6. Функциональная схема индивидуального приемного устройства:

П -- поляризатор; МШУ -- малошумящий усилитель; СМ -- смеситель; Г -- гетеродин; УПЧ -- усилитель промежуточной частоты; ДЕМ -- демодулятор; ДК -- декодирующее устройство; ЧМ и AM -- частотный и амплитудный модуляторы

Такие демодуляторы позволяют продетектировать малые по уровню ЧМ-сигналы. Сигнал дисперсии исключается из видеосигнала с помощью схем фиксации уровня. На выходе демодулятора получается сигнал изображения в стандарте PAL или SECAM совместно с сигналами звукового сопровождения на поднесущей звука. Из сигнала цветности выделяются видеосигналы основных цветов E_R, E_G, E_B, или сигналы E_Y, E_G-Y, E_B-Y в декодирующем устройстве ДК.

Эти сигналы через универсальный разъем «SCART» подводятся к стандартному ТВ-приемнику.

Для ТВ-приемников ранних поколений, не имеющих такого входа, тюнер снабжают AM и ЧМ модуляторами, позволяющими сформировать ТВ-радиосигнал в диапазоне УКВ, который подводится к антенному гнезду стандартного ТВ-приемника.

Для жителей многоквартирных домов наиболее приемлемым способом является коллективный прием. Оборудование для коллективного приема содержит те же составные части, что и для индивидуального приема. Отличие заключается в том, что в коллективных системах используется антенна большого диаметра (от 2 до 4 м) и наружный блок является общим, к которому подключаются через разветвитель внутренние блоки, имеющиеся у каждого абонента.

1.4 Приемная телевизионная сеть

Приемная телевизионная сеть предназначена для приема ТВ-программ. Она состоит из совокупности индивидуальных устройств приема, систем коллективного приема и систем кабельного телевидения.

Индивидуальные устройства приема -- это комнатная или наружная антенна, ТВ-приемник и кабель, соединяющий антенну с приемником.

Система коллективного приема ТВ -- это одна или несколько наружных антенн, устанавливаемых на крыше здания, домовая распределительная сеть и десятки -- сотни ТВ-приемников.

Система кабельного телевидения -- это головная станция приема ТВ-программ, кабельная распределительная сеть и сотни -- тысячи ТВ-приемников.

Принципы построения систем коллективного приема. Упрощенная функциональная схема системы коллективного приема (СКПТ) приведена па рис. 7.

Прием ведется на несколько коллективных многоканальных антенн (А), соединенных с домовой распределительной сетью (ДРС) кабелями снижения (КС).

Рис. 7. Функциональная схема СКПТ: -- устройство сложения;

К -- конвертор; А -- антенна; РД -- распределитель ломовой;

РА -- распределитель абонентский; PC -- распределительная система;

УД -- усилитель ломовой; R_H -- согласующее сопротивление

ДРС состоит из:

*конвертора (К), преобразующего программы дециметрового диапазона волн в метровый диапазон;

*сумматора (), служащего для подключения к общей сети антенн дециметрового (А2, A3), метрового (А1) диапазонов и конверторов;

*широкополосного домового усилителя (УД);

*домового разветвителя (РД), обеспечивающего распределение мощности сигнала между линиями ДРС;

*абонентских разветвителей (РА), расположенных на лестничной клетке каждого этажа здания;

*абонентских линий (АЛ), соединяющих РА с абонентскими розетками, в которые подключаются абонентские ТВ-приемники или УКВ ЧМ-приемники;

*нагрузочных резисторов R_Н, расположенных на первом этаже здания и имеющих сопротивление, равное волновому сопротивлению кабелей.

Прием сигналов дециметрового диапазона волн. Возможны два способа приема ТВ-программ в дециметровом диапазоне волн (ДМВ): первый способ заключается о том, что свободные каналы метрового диапазона, не используемые в данном районе для ТВ-вещания, заполняются сигналами ТВ-программ дециметрового диапазона путем их преобразования по частоте (конвертирования). Для каждого канала необходим свой конвертор. Достоинством этого способа является то, что не надо переделывать существующие сети СКПТ. Недостаток -- ограниченное число каналов метрового диапазона. Общее количество каналов метрового диапазона (действующих и конвертированных в метровый диапазон дециметровых каналов) составляет 5--6 (при этом учтено, что в целях повышения помехоустойчивости в метровом диапазоне между рабочими каналами располагается внерабочий» канал, по которому не ведется прием сигналов).

Упрощенная функциональная схема конвертора приведена на рис.8.

Она состоит из: усилителя высокой частоты (УВЧ-1), смесителя (СМ), усилителя высокой частоты преобразованного канала (УВЧ-2), гетеродина (Г).

Рис. 8. Функциональная схема конвертора: УВЧ-1. УВЧ-2 -- усилители высокой частоты; СМ -- смеситель; Г -- гетеродин; К -- конвертор

При втором способе приема сигналов ДМВ сигналы передаются по распределительно» сети без конвертирования до ТВ-приемника. Для приема таких сигналов в ТВ-приемнике должен быть дециметровый селектор каналов (СКД).

Принципы построения систем кабельного ТВ. Для обеспечения высококачественного ТВ-приема в районах с низкой напряженностью поля и в городах с разноэтажной застройкой, где велик уровень отраженных сигналов и существуют зоны «затенения», целесообразно ТВ-программы передавать по кабельным линям связи.

Для этого в отечественном ТВ-вещании предусмотрено восемь спецканалов (CK1...CK8), размешенных в диапазоне частот 110 -- 174 МГц, и восемь спецканалов (СК11...СК18) в диапазоне 230 -- 294 МГц.

Схема построения системы кабельного ТВ-вещания (КТВ) в соответствии с ГОСТ изображена на рис. 9.

Рис. .9. Древовидная система построения отечественной КТВ:

ГС -- головная станция; УМ -- усилитель мощности;

ОМ -- ответвитель магистральный;

УД - усилитель домовой; РД -- распределитель домовой;

РЛ -- распределитель абонентский

Она состоит из: головной станции (ГС); магистральной линии (МЛ); субмагистральных линий (СМЛ); ломовых распределительных систем (ДРС).

Магистральные и субмагистральные линии предназначены для передачи сигналов ТВ-вешания от головной станции к домовым распределительным сетям. Протяженность этих линий может составлять несколько километров, а число абонентов, подключаемых к системе КТВ, -- несколько тысяч.

В состав магистральной и субмагистральной линий входят: усилители мощности (УМ); ответвители магистральные (ОМ) и согласующие сопротивления R_Н, равные волновому сопротивлению кабелей.

Головная станция предназначена для одновременного приема нескольких программ ТВ в метровом и дециметровом диапазонах волн, преобразования программ ДМВ в стандартные каналы MB и последующей передачи принятых и преобразованных каналов в кабельную сеть МЛ.

В состав ГС (рис. 10) входят: канальные фильтры Ф1 -- ФК, каждый из которых настроен на частоту определенного канала ТВ-вешания; канальные усилители сигналов MB (УК); конверторы ДМВ (К); генератор пилот-сигналов с частотой 110 МГц, используемый для работы систем АРУ магистральных усилителей мощности; устройства сложения принятых и преобразованных сигналов (Z); блока питания магистральных усилителей (БП).

Рис. 10. Упрощенная функциональная схема отечественной головной станции КТВ: ГС -- головная станция; Ф1, ФК -- канальные фильтры; УК -- усилитель канальный; К -- конвертор; Г -- генератор; БП -- блок питания; МЛ -- магистральная линия



Многоцелевые системы КТВ. Системы КТВ при большой протяженности кабельной сети в будущем станут многоцелевыми. По этим системам ТВ-программы могут передаваться в полосе частот до 700 МГц. При этом возможна автоматизация процесса управления системой, организация дуплексной связи между источником программы и абонентом.

Такие системы КТВ могут предоставлять абонентам следующие виды услуг: коммерческое и учебное ТВ; передачу программ по заказам зрителей; видеотелефон; телеграф и фототелеграф; почтовая корреспонденция; газеты, журналы; доступ в библиотеку или вычислительный центр и т. п.

Примером такого КТВ могут служить эксплуатируемые в настоящее время в Англии системы кабельного телевидения с дистанционным выбором программ при помощи номерного диска телефонного типа (рис. 11).

Рис. 11. Система КТВ с дистанционной селекцией программ:

МЛ - магистральная линия; РК - распределительная коробка; КМ - коммутатор; У - усилитель; Н - номеронабиратель; К - конвертор; ТВП - ТВ-приемник; ТВК - ТВ-камера

Это КТВ работает следующим образом. Десятки различных программ по своим каналам поступают на станцию распределения программ (СРП) по магистральной кабельной линии (МЛ). В СРП ТВ-радиосигнал изображения каждого из каналов преобразуется на новую несущую, частота которой одинакова для любого преобразованного канала и равна 7,94 МГц. Сигнал звукового сопровождения преобразуется на частоты 12 - 15 000 Гц.

Преобразованные сигналы через многожильный кабель заводятся от СРП на коммутаторы (КМ) распределительных коробок (РК). К каждому контакту коммутатора подводится одна из принятых и преобразованных программ.

За абонентом закреплен свой коммутатор. Количество коммутаторов в системе может достигать нескольких тысяч.

Выбор программы осуществляется с помощью номеронабирателя (Н), имеющегося у каждого абонента. При этом выход коммутатора подсоединяется к тому контакту (КМ), за которым закреплен набранный номер. Таким образом ТВ-сигнал выбранной программы передается от РК к абоненту по экранированному кабелю. Если в кабель включены усилители (У), то передача сигнала возможна на расстояние до 8 км.

На входе ТВ-приемника абонента (ТВП) установлен конвертор (К) для преобразования сигнала в область высоких частот метрового диапазона.

В системе КТВ предусмотрена возможность передачи видеоинформации от абонента в СПР и далее - в магистральную линию. Для этого отведена полоса частот от 9,2 до 15,2 МГц (рис. 11), а абонент должен иметь типовую ТВ-камеру (ТВК).



2. Общие сведения о спутниковом телевидении

2.1 Принципы построения систем Сети телевизионного вещания

Под спутниковым телевизионным вещанием понимается такой вид телевизионного вещания, при котором в качестве ретранслятора используется искусственный спутник Земли (ИСЗ).

Известно, что исторически первым видом телевизионного вещания было обычное распространение телевизионных сигналов с передающего центра. При этом использовались аналоговые сигналы. В настоящее время такой вид телевизионного вещания называют эфирным.

Так как в системах эфирного телевидения используется УКВ-диапазон (АМ-сигнал изображения и ЧМ-сигнал звука), то для устойчивого приема телевизионного сигнала необходимо находиться на расстоянии прямой видимости от передающего центра.

Это расстояние может быть рассчитано по формуле:

, км,

где - высота подвеса передающей антенны, м; - высота подвеса приемной антенны, м.

Например, при установке передающей антенны на мачте высотой 100 м на холме высотой 200 м, а высота установки приемной антенны составляет 10 м, то расстояние прямой видимости составит 84.3 км. Если же, например, приемная антенна будет размещена на крыше девятиэтажного дома (=30 м), то расстояние прямой видимости увеличится до 94 км.

Данное обстоятельство приводит к тому, что передающие антенны располагают на достаточно высоких телевышках.

Однако очевидно, что при необходимости обеспечения эфирным телевизионным вещанием даже относительно небольшого района (например, области или края) требуется создание сети передающих центров. При этом эти центры должны быть расположены друг относительно друга либо на расстоянии прямой видимости, либо между ними должны располагаться ретрансляторы. Таким образом, любая телевизионная сеть предусматривает наличие ретрансляционных станций.

Именно стремление отказаться от чрезмерно большого количества ретрансляторов при передаче телевизионного сигнала на достаточно большие расстояния привело к разработке и появлению первых систем спутникового телевидения.

Приведенная выше формула для расчета расстояния прямой видимости применительно к системам спутникового телевидения остается справедливой, однако при этом существенно увеличивается расстояние прямой видимости, а, следовательно, и зона уверенного приема телевизионных сигналов.

Примерами таких систем могут служить системы «Орбита», «Экран», и ряд других. Основной задачей таких систем было обеспечение телевизионным вещанием регионы Урала, Сибири и Дальнего Востока. По сути, такие системы были смешанными, так как транслируемый этими спутниками сигнал затем распространялся с помощью эфирных телевизионных центров.

Основным недостатком таких систем являлся тот факт, что спутники-ретрансляторы располагались на эллиптических орбитах.

Эллиптической называется орбита, имеющая форму эллипса, в одном из фокусов которого располагается Земля.

Основными параметрами эллиптической орбиты являются апогей, перигей и угол склонения (угол между плоскостью орбиты и плоскостью экватора). У телевизионных спутников перигей составлял около 500 км, апогей - 40000 км, а склонение - 45 градусов. Для круглосуточного обеспечения телевизионным вещанием необходимо иметь на орбите 3 спутника со сдвигом 7-8 часов.

Наземный приемный комплекс при этом имеет большую параболическую антенну диаметром 12 м, и массой 5.5 т. Так как в процессе движения спутника по орбите антенна должна перемещаться, она устанавливается на специальном опорно-поворотном устройстве, масса которого составляет 50 т. Для обеспечения слежения за положением спутника на орбите опорно-поворотное устройство оснащается специальной системой автоматического и ручного наведения. Обслуживает всю эту систему расчет из 4-6 человек.

Следующим этапом развития систем спутникового телевидения явилось размещение спутников-ретрансляторов на так называемой геостационарной орбите.

Геостационарной называется круговая орбита с радиусом порядка 40000 км и с плоскостью, совпадающей с плоскостью экватора. При этом движение спутника происходит с той же угловой скоростью, что и движение Земли, вследствие чего наблюдателю, находящемуся на поверхности Земли кажется, что спутник «застыл» в небе.

Преимущества спутниковых систем, использующих геостационарные орбиты, очевидны. Прежде всего, отпадает необходимость переориентации приемной антенны, что существенно упрощает наземную приемную систему и сокращает состав обслуживающего персонала. Кроме того, для обеспечения непрерывного телевизионного вещания в каком-то определенном регионе достаточно не трех, а всего одного спутника-ретранслятора. И, наконец, неизменное расстояние от спутника до приемной антенны обеспечивает постоянство уровня входного сигнала.

К недостаткам таких систем можно отнести усложнение бортовой аппаратуры (вследствие необходимости постоянной корректировки положения ИСЗ), а также большая стоимость запуска, так как для вывода на геостационарную орбиту требуется гораздо более мощный ракета-носитель, чем для вывода на эллиптическую орбиту. Этот же факт стал причиной того, что системы с эллиптическими орбитами были первыми, так как предложение использовать для спутников-ретрансляторов геостационарную орбиту было сделано Артуром Кларком еще в 1945 году.

Примером системы спутникового телевидения, использующей геостационарные спутники, является система «Молния» и «Экран».

В настоящее время для приема телевизионных программ могут быть использованы спутники Ямал (90Е), Экспресс 3А (11W), Экспресс 1АМ (40Е), Экспресс АМ22 (53Е), LMI (75Е), Экспресс 6А (80Е) и Экспресс АМ-11 (96.5Е).

Данные спутники предназначены для передачи телевизионного сигнала на наземные передающие центры и приемные системы кабельного телевидения. Однако всех их можно использовать и для непосредственного приема на индивидуальные системы с антеннами диаметром 90-240 см.

Кроме перечисленных, существует достаточно большое количество других спутников, предназначенных для передачи сигнала в первую очередь индивидуальным абонентам.

В спутниковом телевидении уровень излучаемого со спутника сигнала принято характеризовать эквивалентной изотропно-излучаемой мощностью (ЭИИМ). Более подробно эта характеристика будет рассмотрена позже, сейчас отметим лишь, что ЭИИМ - это произведение мощности сигнала, подводимой к антенне, на коэффициент ее усиления.

От уровня ЭИИМ (или EIRP) зависит мощность сигнала в той или иной точке земной поверхности. При уменьшении ЭИИМ необходимо использовать антенны большего диаметра, более высококачественные усилители, и так далее.

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

Уровень ЭИИМ, обеспечиваемый тем или иным спутником, приведен на так называемых картах покрытия.

2.2 Международные соглашения по использованию спутниковых телевизионных каналов

Быстрое развитие систем спутникового телевидения потребовало разработки и принятия ряда международных конвенций, соглашений и норм. Технические вопросы, связанные с использованием частот и положением ИСЗ на орбите, решаются в рамках Международного консультативного комитета по радио (МККР) и Международного комитета по регистрации частот (МКРЧ).

Одним из важнейших вопросов является эффективное использование радиочастот, выделенных для телевизионного вещания.

В 1977 г. состоялась Всемирная административная радиоконференция по планированию радиовещательной спутниковой службы, на которой был принят действующий поныне Регламент радиосвязи. В соответствии с этим Регламентом поверхность земного шара была разделена на три района, для каждого из которых выделены определенные полосы частот. Россия, страны СНГ и Европа входят в первый район.

Для спутникового вещания выделены следующие полосы частот:

L-диапазон - 1.45-1.55 и 1.6-1.7 ГГц;

S-диапазон - 1.93-2.7 ГГц;

С-диапазон - 3.4-5.25 и 5.725-7.075 ГГц;

Х-диапазон - 7.25-8.4 ГГц;

Ku-диапазон - 10.7-12.75 и 12.75-14.8 ГГц;

Ка-диапазон - 15.4-26.5 и 27.0-50.2 ГГц;

К-диапазон - 84.00-86.00 ГГц.

Исторически первым (применительно к телевещанию) был освоен С-диапазон, так как с увеличением частоты технология изготовления элементов схемы значительно усложняется. В Российской спутниковой группировке и по сей день С-диапазон используют ИСЗ Ямал, Экспресс.

Экономически оптимальным является Ku-диапазон, который начал интенсивно осваиваться с упрощением производства, а, следовательно, и стоимости техники сверхвысоких частот (СВЧ). В настоящее время данный диапазон используется наиболее интенсивно. Необходимо отметить, что использование этого диапазона сделало спутниковое телевидение действительно массовым, так как требует приемные антенны значительно меньшего диаметра (0.6-1.2 м).

Два последних диапазона, К и Ка, в настоящее время широко не используются, их можно пока считать экспериментальными. При использовании этих диапазонов возможно значительное уменьшение диаметра антенны. Например, при размере антенны Ku-диапазона 0.6 м антенна К-диапазона при том же коэффициенте усиления будет иметь размер 10 см. Кроме того, с ростом частоты увеличивается информационная емкость канала.

Под понятием информационной емкости в спутниковом телевидении понимается количество телевизионных каналов, которое можно разместить в данном диапазоне частот.

Основная трудность освоения данных диапазонов состоит в проблеме создания недорогих массовых индивидуальных приемников.

Также были приняты следующие технические требования к спутниковому телевизионному вещанию:

- в системе спутникового телевидения предусмотрена частотная модуляция с девиацией 13.5 МГц;

- в полосе Ku-диапазона размещено 40 частотных каналов шириной по 27 МГц с разносом между центральными частотами 19.18 МГц;

- плотность потока мощности в зоне обслуживания не должна превышать 103 дбВт/м² для индивидуального приема и 111 дбВт/м² для коллективного.

- для повышения помехозащищенности предусмотрено использование двух поляризаций - вертикальной и горизонтальной (правой и левой при круговой поляризации);

- нестабильность положения ИСЗ на орбите не должна превышать 0.1 градуса.

Прогресс спутниковой радиосвязи требует международной координации. Это происходит следующим образом. Страна, желающая запустить спутник, разрабатывает техническую документацию и посылает в МКРЧ, который публикует эти данные в своем бюллетене. Заинтересованные страны изучают эту информацию. Если имеются замечания по возможности возникновения взаимных помех, то они доводятся до подателя заявки и МКРЧ. Начинается взаимное согласование (координация). Результаты согласования также направляются в МКРЧ. В случае положительного результата согласования МКРЧ в своем бюллетене делает соответствующую публикацию и разрешает запуск.

Другая организация, играющая важную роль в стандартизации - Международный Союз Электросвязи ( ITU - International Telecommunication Union). Документы, принимаемые ITU, называются рекомендациями, и могут быть преобразованы в международные стандарты решениями ISO (International Organization for Standartization), или в национальные стандарты решениями национальных органов стандартизации.

3. Методы формирования и передачи телевизионного сигнала в системах спутникового телевидения

3.1 Аналоговый метод

Телевизионный сигнал, при котором его форма повторяет распределение яркости на пути, по которому производится развертка изображения, называется электрическим аналогом изображения, или телевизионным аналоговым сигналом.

Телевизионный сигнал характеризуется совокупностью характеристик:

1. число строк;

2. число кадров;

3. длительность и форма синхроимпульсов;

4. полярность сигнала;

5. разнос между частотами изображения и звука;

6. метод кодирования сигналов цветности и способ их совместной передачи с сигналом яркости;

Совокупность этих характеристик составляет стандарт телевизионного сигнала.

Наземное телевизионное вещание (аналоговое) имеет десять вариантов стандартов, которые по международной индексации обозначаются латинскими буквами: B, D, G, H, I, K, K1, L, M, N. Все они характеризуются числом строк, равным 625, частотой кадров 50 Гц, амплитудной модуляцией несущей изображения и частотной модуляцией несущей звука. При этом В и D - стандарты метрового диапазона, G, H и К - дециметрового, остальные - метрового и дециметрового одновременно.

В зависимости от способа кодирования сигналов цветности различают три системы цветного телевидения - SECAM, NTSC и PAL.

Различные стандарты в сочетании с этими системами дают несколько вариантов стандартов телевизионного вещания (например, в России до недавнего времени - D/K SECAM).

Принципы передачи цветного изображения в различных системах рассматриваются в рамках другой дисциплины, поэтому отметим лишь их основные преимущества и недостатки.

Система SECAM совместима с черно-белой системой. Ее отличительной особенностью является поочередная передача двух цветоразностных сигналов через строку при непрерывной передаче сигнала яркости.

К недостатком системы можно отнести то, что цветовая четкость снижена вдвое, так как сигналы цветности передаются через строку, а в телевизионном приемнике недостающий сигнал замещается сигналом предыдущей строки.

Особенностью американской системы NTSС является то, что оба цветоразностных сигнала передаются одновременно в каждой строке развертки, причем без расширения полосы частот, занимаемой сигналом цветности в спектре сигнала яркости. Это достигается применением квадратурной модуляции, при которой результирующий сигнал изменяется и по амплитуде, и по фазе, при этом амплитуда характеризует насыщенность цвета, а фаза - цветовой тон.

Недостатком этой системы является большая чувствительность к фазовым искажениям, которые приводят к зависимости цветового тона от амплитуды сигнала яркости. Данная система обеспечивает самое высокое качество цветного изображения, но требует высокого технического качества используемой аппаратуры.

Основное отличие системы PAL от системы NTSC заключается в изменении на 180 градусов фазы сигнала одного из компонентов цветовой информации от строки к строке.

Все вышеперечисленные системы были разработаны для наземного телевещания, в котором используется амплитудная модуляция несущей изображения. Так как в спутниковых каналах используется частотная модуляция, то применение систем SECAM, NTSC и PAL становится затруднительным. Это связано с тем, что при прохождении ЧМ-сигнала через тракты с неравномерной АЧХ и ФЧХ возникают перекрестные искажения сигналов яркости и цветности, что приводит к ухудшению качества изображения.

В связи с этим исходный телевизионный сигнал перед передачей подвергается специальной обработке, а при приеме исходный сигнал восстанавливается.

Сигнал звукового сопровождения в наземных телевизионных системах передается на поднесущей частоте, расположенной выше его спектра.

Отличительной особенностью звукового сопровождения спутниковых каналов является передача совместно с сигналом изображения более чем одного звукового сигнала (стереозвук, вещание на нескольких языках). Располагаются они на различных частотных интервалах от спектра изображения. В ранних аналоговых спутниковых приемниках эту частоту надо было подстраивать вручную (например, НТВ+2000).

Однако практически с хорошим качеством удается передать 2-4 дополнительных звуковых сигнала.

Основными недостатками аналоговых методов формирования и передачи аналоговых сигналов являются:

1. Низкая помехоустойчивость, так как при прохождении всего телевизионного тракта он подвергается воздействию шумов, которые имеют свойство накапливаться (снег на экране - практически неизбежен);

2. Неэкономичное использование частотного ресурса;

3. Отсутствие возможности предоставления дополнительных сервисов (телегид, субтитры, цифровой звук, цифровой телетекст, и т.д.).

Бурное развитие цифровой техники, а также отмеченные выше недостатки привели к тому, что в системах спутникового телевидения аналоговый сигнал практически не используется.

3.2 Цифро-аналоговый метод

В качестве компромисса между аналоговым и цифровым методами передачи телевизионного сигнала по спутниковым каналам стал цифро-аналоговый стандарт МАС (мультиплексирование аналоговых компонент). Данная система позволяет получить улучшенное изображение по сравнению в системами SECAM, NTSC и PAL, но требует несколько большей полосы частот. Различают стандарты В-МАС, С-МАС, D-МАС, D2-МАС, Е-МАС.

Наиболее распространенным стандартом стал D2-МАС, который и рассмотрим подробнее.

Достоинства стандарта по сравнению с аналоговыми:

1. отсутствие перекрестных искажений сигналов яркости и цветности;

2. значительно снижены шумы в канале цветности за счет перевода его в область низших частот;

3. сигналы звукового сопровождения, синхронизации, телетекста и другой служебной информации передаются в цифровой форме;

4. повышена разрешающая способность изображения за счет более широкой полосы частот сигналов яркости и цветности.

Аналоговые сигналы яркости и цветности передаются в течении активной части строки в сжатом во времени виде. Цифровая часть, соответствующая звуку и другим сигналам, объединена в пакеты, передаваемые в течение обратного хода строки и кадра.

Сжатие осуществляется с помощью стробирования, при этом сначала передается сжатый цветоразностный сигнал, а затем - сжатый сигнал яркости.

Стандарт D2-МАС позволяет передавать изображение как в формате экрана 4:3, так и в формате 16:9. Кроме того, появляется возможность передачи высококачественного цифрового звука, телегида, цифрового телетекста, и т.д.

3.3 Цифровой метод

Во всем мире сейчас активно развивается цифровая передача информации. Качество цифровой передачи существенно выше, при этом цифровой канал позволяет предоставить массу дополнительных услуг.

В общем случае цифровой сигнал - это последовательность импульсов. Если условно принять факт наличия импульса за 1, а факт отсутствия - за 0, то импульсную последовательность можно представить как последовательность двух цифр: 0 и 1.

Отсюда появилось и название «цифровой сигнал». Число, которое принимает только два значения - 0 и 1 - называется двоичной цифрой. Эта двоичная цифра носит название «бит», что является сокращением английских слов «binary digit». Восемь бит составляют байт.

При передаче цифровых сигналов естественным образом вводится понятие технической скорости передачи - количество бит, передаваемых в единицу времени.

Очевидно, что исходные сигналы изображения и звука, подлежащие передаче, являются аналоговыми.

Для преобразования аналогового сигнала в цифровой производится его дискретизация, или оцифровка.

Рассмотрим сначала процесс оцифровки произвольного сигнала.

Процесс дискретизации непрерывного сигнала заключается в следующем. Если, например, в цепь микрофона, где ток является непрерывной функцией времени, встроить электронный ключ, и периодически на короткие интервалы времени замыкать его, то ток в цепи будет иметь вид периодических узких импульсов, амплитуда которых соответствует амплитуде исходного аналогового сигнала в те же моменты времени.

Полученный таким образом сигнал является дискретным. Однако он остается аналоговым, так как амплитуда импульсов может принимать бесконечное множество значений из некоторого диапазона. Такой сигнал называется сигналом с амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ).

Интервал времени , через который отсчитывается значения непрерывного сигнала, называется интервалом дискретизации. Обратная величина называется частотой дискретизации.

Если пропустить АИМ-сигнал через фильтр нижних частот, то получим исходный непрерывный сигнал. Однако на практике необходимо знать, насколько точно отфильтрованный сигнал соответствует исходному.

Ответ на этот вопрос дает теорема отсчетов (теорема Котельникова), которая формулируется следующим образом:

Сигнал с ограниченным спектром, не имеющий спектральных составляющих с частотами, выше , однозначно определяется своими значениями, выбранными через равные промежутки времени:

Подвергнем полученный АИМ-сигнал квантованию по уровню. Для этого диапазон возможных значений амплитуд поделим на отрезки, называемые шагами квантования . Границы этих отрезков являются разрешенными для передачи значений амплитуд импульсов. Таким образом, амплитуды передаваемых импульсов будут равны не мгновенным значениям исходного сигнала, а ближайшим разрешенным уровням. Такое преобразование называется квантованной амплитудно-импульсной модуляцией (КАИМ).

Особенностью КАИМ-сигнала является то, что его уровни можно пронумеровать и тем самым свести передачу КАИМ-сигнала к передаче номеров уровней, которые сигнал принимает в дискретные моменты времени. Если шаги квантования одинаковы и не зависят от уровня сигнала, то квантование называется равномерным. Если шаги квантования различны, квантование называется неравномерным.

В процессе квантования возникает ошибка вследствие того, что передаваемый квантованный сигнал отличается от исходного. Эту ошибку обычно рассматривают как специфическую помеху, которая называется шумом квантования. Шум квантования не превышает половины шага квантования. Очевидно, что чем меньше шаг квантования, тем меньше шум квантования, но тем больше количество передаваемых уровней.

Следующий шаг в преобразовании сигнала состоит в переводе КАИМ-сигнала в цифровой. Эта операция называется кодированием КАИМ-сигнала.

Для начала рассмотрим позиционность систем счисления.

Рассмотрим, например, число 777. В нем один и тот же знак 7 участвует 3 раза, но когда он стоит справа, то означает 7 единиц, в центре - 7 десятков, слева - 7 сотен.

Таким образом, при записи числа цифра может иметь начертание одно и то же, а цифровые значения - разные, в зависимости от места, позиции, на которой она стоит. Такой принцип построения чисел называется поместным, или позиционным.

Каждая позиция, или разряд, числа имеет определенный «вес», поэтому число 777 можно расписать как

777= 7*10² + 7*10 + 7,



т. е. как семь сотен плюс семь десятков плюс семь единиц. Если использовать алгебру, и вместо чисел записать буквы (переменные), то можно получить такую общую форму представления числа:

.

Можно записать сокращенно, только коэффициенты:

.

Число 10 в этом случае является основанием системы счисления. Коэффициенты при этом не могут превышать основания системы: от 0 до 9.

В 1665 г. Французский математик Паскаль показал, что за основание системы счисления можно принять любое число, следовательно, каждое число можно представить в виде комбинации степеней не числа 10, а любого другого целого числа.

Представим число 777 в семеричной системе счисления:

.

При сокращенной записи получим .

При представлении числа в системе счисления с основанием больше десяти (например, двенадцатеричная система) приходится вводить дополнительные символы, т. к. цифр всего десять. В качестве таких символов, как правило, используют латинские буквы.

Число 2 - это самое меньшее из чисел, которое можно взять за основание системы счисления. В такой системе всего две цифры: 0 и 1. Число в двоичной системе запишется так:

.

Если в десятичной системе «вес» каждой позиции равен числу 10 в некоторой степени, то в двоичной системе вместо числа 10 используют число 2. «Веса» позиций двоичного числа имеют следующие значения:

2⁰=1, 2¹=2, 2²=4, 2³=8, 2⁴=16, 2⁵=32, 2⁶=64, 2⁷=128, …

Запишем число 777 в двоичной системе. Получим: 1100001001.

Как видим, уменьшение основания системы счисления приводит к увеличению разрядности числа.

В 18 веке математик Эйлер показал, что с помощью набора гирь 1, 2, 4 и 16 кг можно взвесить любой груз с точностью до 1 кг. Взвешиваемый груз (обозначим его массу через М) математически можно представить как:

При этом каждый коэффициент равен 1, если соответствующую гирю кладем на чашку весов, и равен 0, если этой гирей не пользуемся. Таким образом, процедура взвешивания сводится к представлению десятичного числа в двоичной системе счисления.

...