Размещено на http://www.allbest.ru/

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СВЯЗИ

ИНФОРМАТИЗАЦИИ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

ТАШКЕНТСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

ТЕМА: ОРГАНИЗАЦИЯ ПРИЕМА HD-ЦИФРОВЫХ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИГНАЛОВ В ФОРМАТЕ DVB-S2 ЧЕРЕЗ СПУТНИКОВЫЕ КАНАЛЫ

Выпускник Шукуров Т.С.

Руководитель Алимов И.С.

Ташкент 2013

Аннотация

Выпускная квалификационная работа посвящена изучению структуры цифрового телевизионного вещания по спутниковым каналам в формате DVB-S2 и приему HD-цифровых телевизионных сигналов через спутниковые каналы, кроме этого рассмотрены вопросы по безопасности жизнедеятельности.

Abstract

Exhaust qualification work is dedicated to study of the structure digital television вещания on satellite links in format DVB-S2 and acceptance HD-digital television signal through satellite links, except this considered questions on safety of vital activity

Введение

Доклад Президента Республики Узбекистан Ислама Каримова на заседании Кабинета Министров, посвященном итогам социально-экономического развития страны в 2012 году и важнейшим приоритетным направлениям экономической программы на 2013 год.

Уже в этом году следует обеспечить реализацию проектов по развитию цифрового телевидения путем установки 5 цифровых телевизионных передатчиков в Джизакской, Ташкентской, Ферганской и Хорезмской областях и увеличить охват населения республики цифровым телевидением с 42 до 45 процентов.

Предстоит завершить строительство более 2 тысяч километров волоконно-оптических сетей широкополосного доступа по современной технологии с предоставлением услуг видеотелефонии, Интернет-телевидения, высокоскоростного Интернета, просмотра каналов HDTV и других.

Актуальность данной работы заключается в том, что передача и прием телевизионных сигналов через спутниковое (SAT) вещание было и остается самым быстрым, надежным и экономичным способом подачи ТВ сигнала высокого качества в любую точку обширного пространства.

Целью данной работы является анализ организации методов и алгоритмов HD-цифровых телевизионных сигналов в формате DVB-S2 через спутниковые каналы.

Искусственные спутники земли (ИСЗ) состоит из космической платформы и полезной нагрузки. Общая масса спутника в 2500...3000 кг, в то время как масса полезной нагрузки составляет 450...500 кг. Конфигурация геостационарных спутников тесно связана с радиотехническими и конструктивными параметрами полезной нагрузки.

Конструкция ИСЗ должна выдерживать статические и динамические нагрузки, возникающие при запуске ракеты-носителя, при включении апогейного двигателя, и различного рода орбитальные возмущения. Динамические нагрузки, вызываемые работой стартовой установки, очень велики и состоят из механических и акустических ударов и вибраций, связанных с работой двигателя и возникающих в процессе движения.

Обычно конструкция ИСЗ условно делится на две части:

главную и вспомогательную (или обеспечивающую).

Главную конструкцию (корпус) на ИСЗ выполняют из легких алюминиевых сплавов. Она содержит простую оболочку цилиндрической или конической формы с рамой или ребрами жесткости, а также различные фасонные опоры и перекладины для ячеистых панелей солнечной батареи, плоскостей антенн и других устройств.

1. Внедрение наземного цифрового телевизионного и звукового вещания в Республике Узбекистан

1.1 Последовательность перевода станций аналогового вещания на цифровой формат. Техническое регулирование переходного процесса

Внедрения наземного цифрового телевизионного и звукового вещания в Республике Узбекистан была разработана 2005 году и определяет подходы к решению основных вопросов создания наземных цифровых сетей радиовещательной службы (телевизионного и звукового вещания) в Узбекистане, которые в перспективе заменят существующие аналоговые сети.

Основной целью и задачей было:

- определение основных путей и этапов внедрения наземного цифрового телевизионного и звукового радиовещания, направлений развития наземного цифрового радиовещания в Узбекистане;

- выработка рекомендаций по внедрению цифровых технологий на сетях телевизионного и звукового вещания в Узбекистане на основе тенденций их внедрения в мире;

- обеспечение развития и модернизации существующей сети телевизионного и звукового вещания;

- создание технических и экономических предпосылок, и условий для ускоренного внедрения наземного цифрового телевизионного и звукового вещания в Узбекистане.

Обосновано необходимость замены существующих аналоговых сетей, которая связана как с прогрессом в области цифровых телекоммуникационных технологий, дающих возможность слияния средств вещания, связи, информационных служб и компьютерных систем, так и с потребностью в более эффективном использовании радиочастотного спектра. Проведен сравнительный анализ существующих стандартов цифрового телевизионного звукового вещания. В результате анализа опыта зарубежных стран и тенденции развития цифрового радиовещания (звукового и телевизионного), для внедрения и развития в Узбекистане ЦТВ выбран европейский стандарт DVB.

В результате анализа тенденции развития ЦТВ в мире и существующего состояния сети телерадиовещания Республики Узбекистан определены основные этапы внедрения ЦТВ и круг вопросов, которые должны быть решены в первую очередь.

Переход к телевизионному вещанию в цифровом формате требует решения целого ряда социальных, технических, организационных и правовых задач, в том числе:

- обеспечение возможности получения всем населением страны пакета обязательных общедоступных телевизионных каналов и радиоканалов и выбора других пакетов телевизионных каналов и радиоканалов;

- частотно-территориальное планирование цифрового вещания и конверсия радиочастотного спектра;

- определение технической политики вещания;

- модернизация существующих сетей телевещания;

- определение этапов и сроков перехода на цифровой формат вещания;

- обеспечение функционирования инфраструктуры аналогового эфирного вещания до полного перехода на цифровые технологии;

- определение новых правил взаимоотношений между субъектами рынка телерадиовещания путем совершенствования нормативной правовой базы;

- определение правил лицензирования деятельности в области оказания услуг связи для целей телерадиовещания;

- расширение масштабов промышленного производства телерадиовещательного оборудования, создание новых и использование неиспользуемых производственных мощностей, создание дополнительных рабочих мест, в том числе в сфере научно-технической деятельности.

1.2 Последовательность перевода станций аналогового вещания на цифровой формат

Очередность ввода стартовых мультиплексов необходимо определять с учетом доступности частот в течение разных стадий переходного периода и с учетом готовности регионов к вводу НЦТВ.

Увязка между соседними регионами необходима, чтобы не блокировать свободные частоты в регионе, который должен приступить к процессу перехода до того, как в приграничном к нему регионе освободятся частоты отключенных аналоговых станций. Если два соседних региона осуществляют переход в одно и то же время или разные стадии перехода перекрываются по срокам, необходимо согласовать использование частот и сроки отключения аналоговых станций в приграничных районах между двумя регионами.

В начале для всех регионов определяется статистика по количеству доступного спектра для внедрения НЦТВ. При этом целесообразно учитывать кол-во полных покрытий из числа свободных каналов в регионе, количество выделений, составляющих одно покрытие, и количество выделений, не имеющих каналов для организации стартового мультиплекса.

В первую очередь внедрения НЦТВ включаются регионы, имеющие хотя одно полное покрытие из числа свободных каналов.

Ко второй очереди относят регионы, в которых есть частотный ресурс, но его недостаточно для создания стартового мультиплекса для всей территории региона. В этом случае для поиска необходимого частотного ресурса необходимо проведение детальных исследований с использованием временных частотных схем и подбором каналов, не соответствующих плану.

Если в результате исследований не удается найти требуемый частотный ресурс, то необходимо рассмотреть вариант отключение аналоговых станций для обеспечения региона свободными каналами. Причем при выборе программ для начальных мультиплексов в данных регионах, необходимо учитывать возможность включения в мультиплекс таких программ, которые позволят освободить каналы, занятые аналоговым вещанием.

В регионах, где предполагается проводить единовременное переключение ряда каналов на цифровой формат с отключением некоторых аналоговых станций. В таких регионах необходимо предварительно запускать один тестовый мультиплекс на период подготовки и настройки приемной сети для приема цифрового вещания (установка и тестирование приставок, налаживание антенного хозяйства и т.д.).

В третью очередь включаются проблемные регионы с точки зрения запуска цифрового телевещания без выключения действующих аналоговых станций.

Учитывая, что частотный ресурс отсутствует, как правило, из-за нехватки частот в областных центрах и крупных городах, то для поиска частотного ресурса позволяющего начать внедрение цифрового телевизионного вещания в данных регионах, необходимо проводить дополнительные исследования загруженности частотного спектра в диапазонах частот, предполагаемых для использования вещательной службы.

Дополнительные исследования по поиску свободного ресурса для внедрения ЦТВ в регионе предполагают разработку временных частотных схем, позволяющих начать вещание в цифровом формате, используя каналы, защищаемые аналоговым вещанием на время переходного периода. Возможны исследования частотной ситуации в регионе для подбора каналов, не распределенных в данном регионе, но возможных к использованию для цифрового наземного телевизионного вещания с определенными условиями.

При разработке частотных схем и подбора каналов для возможности запуска цифрового наземного телевизионного вещания в регионе необходимо учитывать целесообразность включения в стартовый мультиплекс тех программ, которые позволят затем освободить каналы, занятые этими программами в аналоговом вещании, облегчая, тем самым, задачу поиска каналов для запуска следующих цифровых мультиплексов.

При разработке последовательности перевода аналоговых станций в цифровой стандарт целесообразно учитывать существующий международный опыт. Например, в Великобритании наземное цифровое телевизионное вещание началось сразу по всей стране, в первый день вещания охват населения составил 70%.

Сейчас в Европе получил распространение другой способ - регион за регионом. Примером служит Германия, где этот метод был успешно применен на практике.

Конечной целью НЦТВ в Германии является обеспечение приема ТВ-сигнала национальных, региональных и местных программ как приемниками со стационарными наружными антеннами, так и портативными и мобильными приемниками.

Схема переходного периода в Германии состояла из трех этапов:

1. Один канал аналогового вещания региона, имеющий мощный передатчик и большую зону охвата, переключается на цифру для демонстрации высокого качества цифрового вещания.

2. Все мощные передатчики национальных коммерческих вещателей переключаются на цифровое вещание, передатчики малой мощности остаются в аналоговом режиме работы для передачи программ общественного ТВ-вещания.

3. Все каналы переходят на цифровое вещание, и наземное аналоговое телевидение выключается.

Интересен опыт Нидерландов - страны с небольшой территорией и дефицитом частотного пространства для наземного цифрового телевизионного вещания. Лицензии на НЦТВ, которое началось в апреле 2003 года, были выданы при условии отсутствия интерференционных помех аналоговому вещанию в Нидерландах и окружающих странах. Была разработана следующая схема, обеспечивающая наиболее быстрый переход:

1. Параллельная передача в некотором регионе местной региональной программы общественного телевидения в формате DVB-T на временной частоте.

2. После полугодового переходного периода аналоговое вещание местной программы прекращается, а освободившаяся частота используется для передачи 3 национальных и 1 региональной программы общественного телевидения в формате DVB-T. На втором этапе одновременно идет вещание в этом регионе 3 национальных программ в аналоговом и цифровом формате в течение полугода.

3. После полугодового переходного периода параллельного вещания национальных программ аналоговое вещание в этом регионе прекращается.

Описанная схема применяется последовательно в разных регионах страны, чтобы достичь полного перехода к НЦТВ.

Изучая и оценивая процесс прекращения аналогового вещания и перехода к цифровому телевидению в отдельных регионах европейских стран, надо, конечно, принимать во внимание местные особенности развития телевидения. Так, быстрое отключение аналогового вещания в Берлине - это, несомненно, успех выбранной тактики перехода к цифровому вещанию. Однако надо иметь в виду, что в Берлине широко распространено кабельное и спутниковое телевидение. Из 1,8 млн берлинских домовладений только 160 тыс. (9%) принимали сигналы аналогового наземного вещания в качестве основных, еще 90 тыс. (5%) - использовали для приема программ аналогового ТВ второй и третий домашние телевизоры. К августу 2003 года в Берлине было продано уже около 180 тыс. приставок, что и позволило отключить аналоговое вещание. В странах, где наземное вещание смотрят, например 90% населения, переходный период может затянуться. Однако накопленный опыт подтверждает эффективность новых подходов к развертыванию систем НЦТВ.

1.3 Техническое регулирование переходного процесса

Важную роль в техническом регулировании переходного процесса играют вопросы стандартизации, особенно в рамках Европейского сообщества принято более 100 нормативных документов, регламентирующих вопросы развития телерадиовещания.

Таким образом, во избежание технических проблем на национальном уровне целесообразно разработка серии национальных стандартов, например стандартов для синхронных сетей, пунктов ретрансляции, мобильного телевидения и т.д.

В период перехода к цифровому телерадиовещанию должны быть приняты меры по поддержанию сети распространения и трансляции пакета обязательных общедоступных телевизионных каналов и радиоканалов, а также по строительству в конкурентных условиях сетей трансляции телевизионных каналов и радиоканалов свободного и условного доступа. При этом предлагается исходить из того, что строительство сетей телерадиовещания должно осуществляться за счет участников рынка связи, а государство должно создать понятную и приемлемую нормативную правовую базу, отвечающую потребностям вещателей, операторов и потребителей услуг телерадиовещания.

При создании сетей связи операторы должны руководствоваться:

- требованиями вещателей к качеству доставляемого до потребителя сигнала;

- правилами оказания услуг связи;

- правилами присоединения и взаимодействия сетей связи операторов;

- необходимостью завершения строительства сети в установленный срок в случае трансляции сигналов обязательных общедоступных каналов;

- принятыми национальными стандартами в области телерадиовещания и связи.

Для реализации модели функционирования рынка телерадиовещания необходимо принятие срочных мер государственного регулирования отношений между субъектами рынка, а также обеспечение экономически взвешенных и обоснованных действий участников рынка.

Существующие документы, регулирующие использования радиочастотного спектра для радиовещания, ориентированы на работу отдельных аналоговых станций, передающих одну программу. Цифровое вещание отличатся от аналогового как наличием многопрограммности, так и конфигурацией сетей вещания. Учет этих особенностей требует в ряде случаев корректировки существующих правовых актов.

Важнейшим вопросом является обеспечение равных прав граждан на получение социально значимой информации.

В целях сохранения и обеспечения единого информационного пространства и освещения государственной политики в сфере социально-экономического развития, сохранения и развития культурного наследия страны необходимо сформировать пакет телевизионных каналов и радиоканалов, предоставляющих совокупность социально значимой информации (социальный пакет).

В такой пакет телевизионных каналов целесообразно включить:

- национальный информационный канал;

- национальный информационно-развлекательный канал;

- национальный канал, освещающий события культурной жизни общества;

- детский канал;

- спортивный канал;

- региональный канал.

Данные каналы должны быть доступны для населения в режиме свободного доступа, что должно предусматриваться в лицензионных условиях операторов, осуществляющих трансляцию. Остальные каналы свободного и условного доступа распространяются на рыночных условиях.

1.4 Новые возможности предоставления услуг в цифровом телевизионном вещании

Одним из важнейших компонентов глобальной информационной структуры является вещание, самая массовая по охвату населения информационная служба. Внедрение же полностью цифровых технологий в эту отрасль и в особенности создание цифрового интерактивного ТВ вещания будет иметь неоценимое воздействие на социальное и экономическое развитие общества.

Сегодняшние цифровые технологии позволяют преобразовать традиционное аналоговое ТВ вещание в новую важную для информационного общества структуру, то есть цифровое многофункциональное ТВ вещание с обеспечением ряда инфокоммуникационных услуг. За счет цифрового сжатия сигналов ТВ программ, эта задача решается не только, не требуя дополнительных полос частот, а даже, наоборот, - с возможным высвобождением части аналоговых ТВ каналов в дефицитных диапазонах частот до нескольких десятков мегагерц. Эффективное использование этих полос также внесет существенный вклад в информатизацию общества, при создании новых систем наземного и спутникового вещания, подвижных и фиксированных служб.

Какие же возможности предоставляет нам цифровое телевизионное вещание?

Вот краткий перечень преимущественных возможностей, которые могут быть реализованы при создании полнофункциональной системы цифрового телевизионного вещания отражена на таб. 1.1

Табл. 1.1

Преимущественные возможности цифрового ТВ

Преимущества при вещании	Новые возможности предоставления услуг
Многопрограммность	е-коммерция
ТВЧ	е-торговля
системы с большим экраном	е-банки
вещание мультимедиа	е-медицина
вещание данных (включая Интернет)	е-образование
интерактивность	е-управление
измерение аудитории (медиаметрия)	е-игры
экологическая защита зрителей	е-архивы
архивирование
оповещение

Переход от аналогового к цифровому вещанию должен сопровождаться ростом эффективности использования радиоспектра. Каждый канал ТВ вещания, переводимый в режим цифрового вещания, должен кардинально увеличивать число, качество и номенклатуру услуг предоставляемых пользователю, т.е. канал должен обладать прозрачностью для всех видов данных в составе транспортного потока. Эти свойства кратко определяются как многопрограммность и многофункциональность системы цифрового ТВ вещания. Сигналы ЦТВ рассматриваются как часть общего телекоммуникационного «контейнера», в котором передается самая разная информация. Для приема такого контейнера предполагается применять новое интеллектуальное программно-управляемое устройство - Set Top Box (STB), которое позволяет принимать цифровые потоки из различных физических каналов - спутниковых, кабельных или наземных. Изображение может выводится на обычный телевизор, звук - на домашнюю стереосистему, а файлы - на персональный компьютер. При наличии обратного канала и специального программного обеспечения телезритель получает возможность выбирать любую из предлагаемых дополнительных услуг ЦТВ.

Таким образом, цифровое телевизионное вещание открывает новые потенциальные возможности предоставления услуг, которые будут рассмотрены в докладе.

Выводы

На этой главе рассмотрены внедрения наземного цифрового телевизионного и звукового вещания в Республике Узбекистан.

Также исследована последовательность перевода станций аналогового вещания на цифровой формат. Техническое регулирование переходного процесса в Узбекистане.

2. Спутниковые системы для телевизионного вещания

2.1 Структура спутниковых систем связи

Начинается новая эра дальнейшего развития спутникового телевизионного вешания. Для приема передач в системе MPEG-2, MPEG-4, необходима совершенно новая аппаратура. Но настоящее и будущее -- за спутниковым цифровым телевидением. Любая спутниковая система связи (рис.2.1) включает следующие составляющие:

-космический сегмент, который состоит из нескольких спутников-ретрансляторов;

-наземный сегмент - включающий центр управления системой, центр запуска, командно-измерительные станции, центр управления связью и шлюзовые станции;

-абонентский (пользовательский) сегмент, служащий для организации связи с персональных спутниковых терминалов;

-узловые (шлюзовые) станции спутниковых систем сопряжения с наземными сетями связи.

Рис. 2.1 Структура спутниковой системы связи

Расположение спутников-ретрансляторов на орбитах и использование частот, обеспечивающих отсутствие взаимных помех друг другу, решается в рамках Международного консультативного комитета по радио (МККР) и Международного комитета по регистрации частот (МКРЧ). Для спутниковых систем выделены следующие полосы, которые также показаны на рис 2.1. и таблице 2.1.

Таблица 2.1

Полосы частот для спутниковых систем

Наименование диапазонов	Полоса частот, ГГц
L	1,452-1,500 и 1,61-1,71
S	1,93-2,70
C	3,40-5,25 и 5,725-7,075
Ku	10,70-12,75 и 12,75-14,80
Ka	14,40-26,50 и 27,00-50,20
K	84,00-86,00

2.2 Космический сегмент

Спутники-ретрансляторы входящие в космический сегмент, образуют космическую группировку и как правило, размещаются равномерно на определенных орбитах.

Спутник-ретранслятор состоит из следующих основных элементов:

-центральный процессор;

-радиоэлектронное оборудование бортового ретрансляционного комплекса (БРТК);

-антенные системы;

-системы ориентации и стабилизации;

-двигательная установка;

-система электропитания (аккумуляторы и солнечные батареи).

Необходимое число спутников в низкоорбитальной группировке, для надежного охвата всей территории Земли, составляет обычно несколько десятков. Как известно, с увеличением высоты орбиты уменьшается необходимое количество спутников, т. к. увеличивается время и зона видимости, что в свою очередь снижает стоимость орбитальной группировки. Однако при этом усложняются и становятся более дорогими персональные спутниковые терминалы из-за увеличений расстояний. Таким образом, при выборе спутниковой системы персональной связи необходим компромисс между числом и стоимостью орбитальной группировки с одной стороны и сложностью, соответственно и стоимостью персонального спутникового терминала - с другой.

Рис. 2.2 Общая структурная схема спутника-ретранслятора

2.3 Наземный сегмент центра запуска и управления системой

Центр запуска определяет программу запуска и после запуска производит измерения траектории на активном участке полета, которые транслируются в центр управления системой для последующей корректировки. Затем управление передается центру управления системой, которое осуществляется при помощи командно-измерительных станций по следующей программе:

- разворачиваются солнечные батареи,

- кратковременно включаются корректирующие двигатели для перевода на основную орбиту,

- снимается телеметрическая информация для контроля состояния бортового оборудования.

Центр управления системой (ЦУС) на основе телеметрической информации, поступающей от каждого орбитальной группировки, осуществляет слежение, расчет их координат, сверку и коррекцию времени, диагностику работоспособности бортовой аппаратуры, передачу служебной информации и т.д. Состоит Центр управления системой, как правило, из территориально разнесенных командно-измерительных станций, что позволяет обеспечить с достаточно высокой оперативностью:

- контроль запуска и точность вывода спутника на заданную орбиту,

- контроль состояния каждого спутника,

- контроль и управление орбитой отдельно,

- контроль и управление в нештатных режимах работы,

- вывод спутника из состава орбитальной группировки.

Передачу служебной информации на спутник осуществляют через территориально-разнесенные основные и резервные станции командно-измерительной системы.

2.4 Центр управления связью и шлюзовые станции

В состав шлюзовых станций входит не менее трех приемопередающих комплексов со своими следящими параболическими антеннами. Необходимость нескольких приемопередающих комплексов связано с обеспечением непрерывности связи при переходе от одного спутника к другому. Например, если первый комплекс вступает в связь с i-м спутником, то второй комплекс с i+1-м. Затем первый комплекс, после ухода из зоны видимости i-го спутника, вступает в связь с i+2-м, а второй комплекс после ухода из зоны i+1-го спутника, вступает в связь с i+3-м спутником и т.д. Третий комплекс находится в резерве.

Основное назначение шлюзовой станции состоит в организации дуплексной телефонной связи, передачи факсимильных сообщений и данных больших объемов. Для выполнения этих функций в состав шлюзовых станций входят быстродействующие ЭВМ с банком данных персональных терминалов, а так же коммутационное оборудование (интерфейс связи) для соединения с различными наземными системами связи.

Центр управления связью осуществляет через национальные шлюзовые станции анализ и контроль связи, а так же управление.

Спутниковые системы персональной связи предназначены для оказания следующих видов услуг:

-связь между собой абонентов, имеющих персональные спутниковые терминалы;

-дуплексную связь абонентов персональных спутниковых терминалов с абонентами телефонной сети общего назначения, пейджинговых и сотовых сетей, а так же частных каналов связи, при условии их подключения к интерфейсам связи шлюзовых станций;

- определение местоположения (координат) абонентов спутниковых систем персональной связи.

При организации спутниковых систем персональной связи применяют переносные персональные спутниковые терминалы (весом до 700 г) и мобильные терминалы (весом до 2,5 кг). Данные терминалы способны устанавливать связь между абонентами за 2 с, как и в системе сотовой связи.

Существующие спутниковые терминалы подразделяются на следующие типы:

- портативные терминалы (спутниковый ТЛФ),

- переносные персональные терминалы,

- мобильные терминалы для автотранспортных, авиа - и морских средств,

- малогабаритные пейджинговые терминалы,

- терминалы для коллективного пользования.

Спутниковые системы персональной связи работает в диапазоне 137-900 и 1970-2520 МГц, что практически соответствует диапазону частот сотовой связи 450-1800 МГц. Мощность передатчика при спутниковой связи невелика (например, для спутникового терминала системы Iridium 15-400 мВт) и не превышает мощности сотового радиотелефона. Следует отметить, промышленные образцы персональных спутниковых терминалов еще дорабатываются. Однако спектр предоставляемых услуг достаточно широк, а форма приближается к обычному сотовому радиотелефону.

Все более широкое распространение в последнее время получают системы связи на основе технологии VSAT (система связи с малыми спутниковыми терминалами) с абонентами диаметром до 2,5 м. Скорость передачи информации в VSAT - терминалах может колебаться от 64 Кбит/с до 2048 Кбит/с, а сам терминал устанавливается в непосредственной близости от рабочего места пользователя.

Глобальные спутниковые системы связи представляют стандартный набор услуг:

- телефонную связь,

- передачу факсимильных сообщений,

- передачу данных,

- персональный радиовызов ( пейджинг ),

- определение местоположения абонента,

- глобальный роуминг.

Все эти услуги реализуются в режиме предоставления канала по запросу, причем время его предоставления не превышает 2 с.

Процесс контроля положения ИСЗ на орбите включает в себя следующие процедуры: измерение положения спутника по датчикам: сравнение результатов измерения с требуемыми значениями; вычисление поправок, которые должны быть сделаны для уменьшения ошибок; введение этих поправок включением в работу соответствующих двигательных установок.

Существует несколько методов получения данных по крену ИСЗ и тангажу (ось вращения стационарного спутника, параллельная оси Земли). Один из способов измерения и удержания ИСЗ, используемый в диапазоне Ки и дающий высокую точность, основан на применении специального пилот-луча, сформированного на земной станции и направленного в сторону приемной антенны космической станции. Этот сигнал фиксируется и обрабатывается на борту для получения информации по непосредственной ориентации бортовых антенн. Вдобавок если пилот-сигналы подавать от двух достаточно разнесенных земных станций, то прямым измерением можно выявить ошибку вращения радиолуча, а затем устранить недостатки ИСЗ.

Оказывается, что только теоретически при периоде обращения геостационарного спутника вокруг Земли, равного 24 ч, и совпадении направления своей оси вращения с направлением вращения Земли наблюдателю ИСЗ представляется неподвижным. В действительности возникает неизбежное отклонение реальных параметров орбиты от идеальных под воздействием внешних и внутренних дестабилизирующих факторов.

В первую очередь к ним относятся тяготения Луны и Солнца, аналогичные приливам и отливам морей и океанов на Земле. Другими факторами являются: гравитационный градиент (разность сил земного притяжения, вызванная разностью расстояний от центра массы Земли до различных частей ИСЗ); неровности формы и неравномерности поля сил тяжести Земли; магнитное поле Земли; давление солнечного излучения; некомпенсируемые движения внутренних двигателей, зубчатых передач, рычагов. Все силы, кроме внутренних крутящих моментов, хотя и малы, но оказывают постоянное воздействие. Внутренние крутящие моменты велики, но являются кратковременными.

В результате перечисленных дестабилизирующих факторов спутник не может лететь по математической орбите. Геостационарный спутник постоянно уходит с идеальной орбиты, совершает колебательные движения в виде «восьмерки», т. е. отклоняется по широте и долготе от точки стационарного положения.

На борту любого спутника имеются двигательные установки, которые по командам оператора с Земли стабилизируют его положение на геостационарной орбите. При необходимости с помощью двигателей-толкачей спутник изменяет свое положение на орбите в направлениях север -- юг и запад -- восток. Именно для работы двигателей коррекции на борту спутника находится определенное количество горючего.

В некоторых случаях горючее используется для изменения позиции спутника на геостационарной орбите.

Наземная служба наблюдения постоянно работает не для того, чтобы удержать спутник на идеальной орбите (это практически невозможно), а управляет им так, чтобы он оставался в допустимом окне, т. е. уходил не более чем на определенный угол от заданного положения на геостационарной орбите над экватором. Регламент радиосвязи рекомендует, чтобы нестабильность положения современных геостационарных ИСЗ по долготе и широте не превышала ± 0,1°. Углу 0,1° соответствует расстояние около 74 км.

Из-за маневров орбита геостационарных спутников будет не круговой, а слегка эллиптической. Геометрическое расстояние спутника от центра Земли колеблется в течение суток -- он приближается и удаляется. При этом перигей на 10...20 км ниже, а апогей на 10...20 км выше точного радиуса геостационарной орбите.

Траектория движения спутника является эллипсом, центр которого смещен на 10...20 км по радиусу от центра Земли наружу и на 20...40 км в направлениях запад -- восток. Этот эллипс называется относительной эллиптической орбитой. Его не следует путать с почти круговым абсолютным эллипсом, по которому спутник двигается вокруг Земли.

При контроле орбиты спутника окно допуска используется полностью, чтобы минимизировать расход топлива на сохранение позиции. Чтобы уменьшить число корректирующих маневров, допускается определенная болтанка спутников по долготе и широте в течение суток, так же как и определенный дрейф в пределах окна допуска.

Из-за неизбежных ошибок при выполнении маневров и определении орбиты спутники двигаются по не совершенно одинаковым траекториям и не совсем в фазе. По этой причине число спутников, которые можно разместить в окне допуска, ограничено. Сегодняшняя техника позволяет безопасно удерживать в окне 0,1° от четырех до шести спутников. С использованием бортовых измерений на спутниках их количество в окне допуска будет увеличиваться.

Управляющий центр учитывает и наклонение относительной эллиптической орбиты относительно экваториальной плоскости Земли. Эта степень свободы позволяет еще безопаснее удерживать спутники в окне допуска, так как даже при смешениях отдельных относительных орбит в восточно-западном направлении спутники постоянно остаются на удалении.

На борту спутника могут быть установлены автономные устройства стабилизации положения на геостационарной орбите. Существует два основных способа стабилизации геостационарного спутника: стабилизация вращением и трехосная, или непосредственная, стабилизация.

Стабилизация вращением -- простейший вид стабилизации ИСЗ в пространстве за счет вращения части ИСЗ с частотой 80...100 об/мин. При этом появляются гироскопическая жесткость и стабилизация углового положения, характеризующегося ориентацией оси вращения. Коррекция положения ИСЗ может быть выполнена путем периодических включений двигателя малой тяги, так как возмущающие факторы снижают частоту вращения части спутника, влияют на направление оси вращения.

Более широкое распространение получили ИЗС двойного вращения, когда в конструкции спутника используются вращающийся барабан и противовращательная платформа, т. е. направление вращения платформы постоянно противоположно направлению вращения барабана. За счет этого платформа имеет почти нулевую угловую скорость, занимает стабильное положение на ГСО.

Трехосная стабилизация осуществляется путем управления угловым положением спутника относительно каждой из его осей. Такое управление выполняется в результате непосредственного измерения угловых перемещений относительно всех трех осей, или за счет применения приборов с кинетическим моментом, например типа маховика, который действует одновременно как гироскоп и стабилизатор вращения. Быстроходный вращающийся маховик позволяет удерживать направление на Солнце панелей солнечных батарей, обеспечивая гироскопическую жесткость одной, двух или трех осей ИСЗ. Для поддержания постоянной ориентации спутника в условиях возмущений, которые всегда имеют место на геостационарной орбите, эти приборы снабжаются чувствительными элементами и датчиками.

Наиболее широкое распространение получили спутники с вращающимся маховиком, который благодаря гироскопическим свойствам стабилизирует одну ось спутника. Управление ориентацией таких спутников осуществляется изменением скорости вращения маховика, эпизодического использования двигателя малой тяги и стабилизации для поддержания постоянной ориентации оси собственного вращения маховика.

Приемной зоной считается участок поверхности Земли, на границах которого уровень сигнала уменьшается на 3 дБ по сравнению с центром.

Затухание сигнала в свободном пространстве L (дБ) определяется по формуле

(2.1)

где d - расстояние от поверхности Земли до спутника;

- длина волны передатчика

В интервале частот 11...12 ГГц затухание сигнала достигает 205...207 дБ. Причем для обеспечения необходимого количества приема в течение 99% времени при расчетах необходимо увеличить затухание на 4...5 дБ (с учетом действия атмосферных осадков).

Усиление параболической антенны G (дБ) вычисляют по выражению

(2.2)

где D -- диаметр приемной антенны; Ка -- коэффициент использования поверхности (КИП) зеркала антенны (обычно среднее значение равно 0,6).

Если известна плотность потока мощности сигнала у поверхности Земли, то мощность сигнала определяют умножением этой плотности потока на эффективную площадь поверхности зеркала параболической антенны.

Приемные спутниковые установки имеют полосу пропускания 25...37 МГц. Они оборудованы входными малошумящими усилителями с температурой шума Тш 120...130 К и антеннами, температура шума которых равняется 50...70 К.

Рис. 2.3 Упрошенная структурная схема бортового ретранслятора космической станции

Зная суммарную шумовую температуру и полосу пропускания, можно определить мощность шума Рш (Вт) на входе приемника:

Pш = к Тш f1 (2.3)

Где к - постоянная Больцмана (1,38 Дж/К); Тш- суммарная температура шума установки, включая шумы антенны; f- полоса пропускания, Гц.

Сужением полосы злоупотреблять не следует, так как при ее уменьшении до 12...14 МГц и меньше начинает исчезать звуковое сопровождение, сигнал которого обычно передается на поднесушей частоте 5,5...8,0 МГц. Затем пропадает цветность, поднесущие сигналов которой находятся в интервале 4,2...4,5 МГц, и, наконец, существенно теряется четкость с появлением других искажений.

Сигнал, принятый антенной космической станции, поступает на входное устройство (1), в качестве которого на ИСЗ применяют усилители на малошумящих лампах бегущей волны (ЛБВ) или транзисторах. В смесителе (2) с помощью гетеродина осуществляется преобразование принятого сигнала в сигнал промежуточной частоты, который усиливается в устройстве (3) (рис. 2.3).

На бортовом ретрансляторе космической станции могут использоваться устройства разделения, коммутации, объединения сигналов (4), цель которых -- подавать сигналы, адресованные тем или иным земным станциям, на передающие антенны с соответствующей зоной обслуживания. Коммутация сигналов может осуществляться в пределах как одного ствола, так и нескольких стволов.

Стволом ретранслятора или земной станции спутниковой связи называют приемопередающий тракт, в котором радиосигнал (радиосигналы) проходит через общие усилительные элементы (общий выходной каскад передатчика) в некоторой выделенной стволу общей полосе частот. Очевидна некоторая условность такого определения, во всяком случае для земных станций. Так, несколько стволов могут иметь общие элементы -- антенну, волноводный тракт, малошумяший входной усилитель. С другой стороны, на земной станции полоса одного ствола может разделяться фильтрами для последующего детектирования сигналов от различных земных станций, проходящих через общий ствол ИСЗ.

Более четкое значение понятия «ствол» сохраняется для бортового ретранслятора. Диапазон частот, в котором работает система связи, принято разделять на некоторые участки полосы (шириной 35...40, 80...120 МГц), усиление сигналов в которых осуществляется отдельным трактом -- стволом. В настоящее время вместо понятия «ствол» используют определение «транспондер».

Число транспондеров, одновременно действующих на ИСЗ, составляет обычно от 6 до 12, достигая на наиболее мощных ИСЗ нескольких десятков. Сигналы этих транспондеров разделяются по частоте, пространству и поляризации. Числом транспондеров, их полосой пропускания и ЭИИМ определяется в основном важнейший суммарный показатель ИСЗ -- его пропускная способность, т. е. число организуемых через ИСЗ каналов -- телефонных и радиотелевизионных. Пропускная способность, по существу, является характеристикой системы, а не ИСЗ.

Пропускная способность транспондера ИСЗ зависит в некоторой степени не только от основных показателей -- полосы пропускания и эквивалентной изотропно-излучаемой мощностью (ЭИИМ), но и от других параметров, определяющих искажения передаваемых сигналов -- линейности амплитудной характеристики, величины AM -- ФМ преобразования и др. Эти параметры влияют на взаимные помехи между сигналами различных земных станций, на достоверность приема сигналов и тем самым на энергетические потери, обусловленные прохождением сигналов через неидеальный тракт бортового ретранслятора ИСЗ.

После коммутатора (4) сигнал поступает на усилитель (2), смеситель (5), на оконечный усилитель мощности (6) и передающую антенну. На схеме не показаны резервные элементы и устройства переключения на резерв. Эти устройства достаточно сложны, поскольку степень резервирования различна для каждого элемента тракта в зависимости от его надежности, важности для жизнеспособности ИСЗ, продолжительности срока службы (рис. 2.3).

В околоземном пространстве на высотах ГСО спутник подвергается воздействию ряда факторов космической среды, сокращающих срок его службы. В самых трудных условиях эксплуатируются устройства, элементы и материалы, расположенные вне герметичных отсеков на внешней поверхности ИСЗ. Приборы, находящиеся внутри ИСЗ (в гермоконтейнерах), главным образом «атакует» проникающая радиация -- корпускулярные излучения большой энергии: космические лучи, в частности тяжелые ядра. Наиболее интенсивными первичными факторами, влияющими на внешнюю поверхность ИСЗ и его работоспособность, являются космический вакуум, потоки плазмы, корпускулярные и магнитные излучения, микрометеориты. Они способствуют созданию собственной атмосферы ИСЗ и его электризации на ГСО.

2.5 Приемные спутниковые антенны

Прием сигналов спутникового телевидения осуществляется специальными приемными устройствами, составной частью которых является антенна. Для профессионального и любительского приемов передач с ИСЗ наиболее популярны параболические антенны, благодаря свойству параболоида вращения отражать падающие на его апертуру параллельные оси лучи в одну точку, называемую фокусом. Апертура -- это часть плоскости, ограниченная кромкой параболоида вращения.

Параболоид вращения, который используется в качестве отражателя антенны, образуется вращением плоской параболы вокруг ее оси. Параболой называется геометрическое место точек, равноудаленных от заданной точки (фокуса) и заданной прямой (директрисы) (рис. 1.4). Точка F -- фокус и линия АВ -- директриса. Точка М с координатами х, у -- одна из точек параболы. Расстояние между фокусом и директрисой называется параметром параболы и обозначается буквой р. Тогда координаты фокуса F следующие: (р/2, 0). Начало координат (точка 0) называется вершиной параболы.

Рис. 2.4 Определение основных параметров параболы и фокусного расстояния

Параллельные оси параболоида, лучи (радиоволны) от спутника, отраженные от апертуры к фокусу, проходят одинаковое (фокусное расстояние). Условно два луча (1 и 2) падают на площадь раскрыва параболоида в разных точках (рис. 2.4). Однако отраженные сигналы обоих лучей проходят к фокусу F одинаковое расстояние. Это означает, что расстояние A+B=C+D. Таким образом, все лучи, которые излучает передающая антенна спутника и на которую направлено зеркало параболоида, концентрируются синфазно в фокусе F. Этот факт доказывается математически (рис. 2.5).



Рис. 2.5 Сходимость лучей в фокусе параболоида вращения

Выбор параметра параболы определяет глубину параболоида, т. е. расстояние между вершиной и фокусом. При одинаковом диаметре апертуры короткофокусные параболоиды обладают большой глубиной, что делает крайне неудобным установку облучателя в фокусе. Кроме того, в короткофокусных параболоидах расстояние от облучателя до вершины зеркала значительно меньше, чем до его краев, что приводит к неравномерности амплитуд у облучателя для волн, отразившихся от кромки параболоида и от зоны, близкой к вершине.

Длиннофокусные параболоиды имеют меньшую глубину, установка облучателя является более удобной и амплитудное распределение становится более равномерным. Так, при диаметре апертуры 1,2 м и параметре 200 мм глубина параболоида равна 900 мм, а при параметре 750 мм -- всего 240 мм. Если параметр превышает радиус апертуры, фокус, в котором должен находиться облучатель, располагается вне объема, ограниченного параболоидом и апертурой. Оптимальным считается вариант, когда параметр несколько больше, чем радиус апертуры.

Спутниковая антенна -- единственный усиливающий элемент приемной системы, который не вносит собственных шумов и не ухудшает сигнал, а следовательно, и изображение. Антенны с зеркалом в виде параболоида вращения делятся на два основных класса: симметричный параболический рефлектор и асимметричный (рис. 2.6, 2.7). Первый тип антенн принято называть прямофокусными, второй -- офсетными.

Рис. 2.6 Конструкция осесимметричной параболической антенны

Рис. 2.7 Конструкция офсетной параболической антенны

Офсетная антенна является как бы вырезанным сегментом параболы. Фокус такого сегмента расположен ниже геометрического центра антенны. Это устраняет затенение полезной площади антенны облучателем и его опорами, что повышает ее коэффициент полезного использования при одинаковой площади зеркала с осесимметричной антенной. К тому же, облучатель установлен ниже центра тяжести антенны, тем самым увеличивая ее устойчивость при ветровых нагрузках.

Выводы

На этой главе рассмотрены вопросы, спутниковые системы для цифрового телевизионного вещания, структура спутниковых систем связи и типы приемные спутниковые антенны. Подробно приведена полосы частот выделенные для спутниковых систем.

Спутники-ретрансляторы входящие в космический сегмент, образуют космическую группировку и как правило, размещаются равномерно на определенных орбитах. А также анализирована параболические антенны, для приема сигналов со спутника.

3. Организация приема HD-цифровых телевизионных сигналов в формате DVB-S2 через спутниковые каналы

3.1 Спутниковые системы цифрового телевизионного вещания

В действующих спутниковых системах связи уровни передаваемой мощности и спектральные характеристики сигналов имеют достаточно малые резервы для их оптимизации, в то время как методы кодирования-декодирования сигналов не достигли теоретических пределов. Поэтому для повышения энергетической и спектральной эффективности сигналов необходимо внедрение в создаваемых спутниковых мультисервисных телекоммуникационных сетях новейших методов многопозиционной модуляции и защиты от ошибок.

Сегодня наибольшее распространение получили системы цифрового спутникового вещания, соответствующие стандарту DVB-S, ставшему, своего рода, эталоном. В качестве основного метода модуляции в DVB-S применяется квадратурная фазовая модуляция (QPSK), благодаря которой удалось добиться высокой надежности передачи сигналов при относительно невысокой стоимости и простоте приемных устройств. Однако данный метод не позволяет использовать энергетический и частотный ресурсы транспондера с высокой эффективностью, что объясняется известным несовершенством стандарта DVB-S, разработанного достаточно давно для внедрения системы непосредственного телевизионного вещания со спутников (НТВ). Следует также отметить, что DVB-S был оптимизирован для режима работы с одной несущей на транспондере, хотя и допускает применение в режиме с несколькими частотно разделенными несущими.

При разработке проекта наряду с DVB-S были проанализированы современные стандарты цифрового спутникового вещания, такие, как

ISDB-S, DVB-DSNG и др., обеспечивающие более высокую эффективность использования энергетического и частотного ресурсов транспондера, но требующие применения более сложного и дорогостоящего оборудования.

Спутниковая система цифрового телевещания с интеграцией служб ISDB-S была разработана с учетом эксплуатации DVB-S как средства доставки нескольких различных программ мультимедиа и оптимизирована для вещания с применением статистического мультиплексирования. Она рассчитана на передачу данных различных служб с различным качеством и имеет средства адаптации к разнообразным условиям и возможностям вещания. Поэтому ISDB-S содержит более широкий набор схем модуляции и помехоустойчивого кодирования, которые могут гибко выбираться и комбинироваться. В системе допускается использование более спектрально-эффективной восьмипозиционной фазовой модуляции в сочетании с решетчатым сверточным кодированием, что позволяет обеспечить максимальную скорость передачи полезных сигналов 54,4 Мбит/с в полосе канала 36 МГц. Такая пропускная достаточна для передачи до 11 программ стандартного телевидения со скоростью 5,5 Мбит/с или 13 программ качества VHS со скоростью до 4 Мбит/с.

В европейской системе спутникового сбора новостей DVB-DSNG предусмотрено еще большее увеличение спектральной эффективности при сохранении максимально возможной совместимости с системой DVB-S. В каналах с достаточным энергетическим запасом можно использовать режимы передачи, основанные на модуляции 8-PSK и 16-QAM. Сочетание трех видов модуляции с пятью кодовыми скоростями внутреннего кодера позволяет получить различные режимы передачи, наилучшим образом удовлетворяющие специфическим особенностям конкретного спутникового канала.

Разработанный для системы цифрового спутникового вещания однокристальный широкополосный радиомодем обеспечивает передачу информации со скоростью до 155 Мбит/с.

Выбор наиболее эффективной системы передачи цифровой информации необходим, потому что создаваемая на первом этапе сеть распределения ТВ-программ в дальнейшем должна стать базой для внедрения на ее основе мультисервисной телекоммуникационной сети, которая требует максимально возможных скоростей передачи транспортных потоков. Цифровые потоки видео-, аудиосигналов различных телевизионных программ, потоки данных объединяются в мультиплексоре. В поток вводятся сигналы синхронизации, позволяющие различить их после демодулятора. В стандарте MPEG-2 различают три вида цифровых потоков: пакетный элементарный поток (ПЭП), программный поток (ПП) и транспортный поток (ТП). Пакетный элементарный поток относится к какому-то одному виду информации-сигналу изображения или звука, либо данным. Программный поток объединяет элементарные потоки, имеющие общую тактовую частоту, т.е. формируется при передаче n-телевизионных, m-радиовещательных и k-потоков данных. В стандарте предусмотрена возможность объединения до 16 потоков видео, 32 аудио и до 16 потоков данных. В каналах формируется транспортный.поток, в котором присутствует пакет длиной 188 байт, из них 187- информационные и 1 байт синхронизации.

На рис. 3.1 приведена упрощенная структурная схема спутниковой системы цифрового телевидения.

...