МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
(ФГБОУ ВПО «КубГУ»)
Физико-технический факультет
Кафедра оптоэлектроники
ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА
БАКАЛАВРА
Исследование
особенностей построения и применения спутниковых систем телевидения
Работу выполнил Величко Иван Александрович
Направление 11.03.01 Радиотехника
Научный руководитель
канд. техн. наук, доцент А.Н. Казаков
Нормоконтролер инженер И.А. Прохорова
Краснодар 2015
РЕФЕРАТ
Выпускная квалификационная работа 69 с., 15 рис., 2 табл., 13 источников.
ИСЗ, МОДУЛЯЦИЯ, ТВЧ, ГЕТЕРОДИН, ПОЛЯРИЗАТОР, ПАРАБОЛОИД, ОТРАЖАТЕЛЬ, ПРИЕМНИК
Объектом исследования данной выпускной квалификационной работы является исследование особенностей построения и применения спутниковых систем телевидения.
Целью данной работы является расчет высокочастотной части линии ИСЗ-Земля.
В результате выполнения выпускной квалификационной работы были изучены
классификации спутниковых систем; изучены наземные установки спутниковых
систем; выполнен расчет высокочастотной части ИСЗ - Земля; изучены основные
проблемы в производстве и эксплуатации систем приема спутникового телевидения;
предложены перспективы развития систем спутникового телевизионного вещания.
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. Классификация спутниковых систем телевидения
1.1 Фиксированные и вещательные системы
1.2 Аналоговые системы вещания
1.3 Системы вещания с временным разделением компонентов
1.4 Цифровые системы вещания
1.5 Системы телевидения высокой четкости (ТВЧ)
2. Наземная приемная установка
2.1 Состав установки непосредственного приема
2.2 Антенные системы
2.6 Поляризаторы
2.7 Высокочастотные головки
2.8 Внутренний блок
3. Расчет линии связи «Искусственный спутник Земли (ИСЗ) - Земля »
. Основные проблемы в производстве, установке и эксплуатации систем спутникового телевидения
5. Перспективы развития систем спутникового телевизионного вещания
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ВВЕДЕНИЕ
Открытие радио, внедрение в повседневную жизнь радиосвязи и радиовещания, магнитной записи и электронного телевидения, электроники и вычислительной техники с одной стороны, и грандиозный прорыв в области ракетно-космической техники с другой, позволил осуществить глобальное телевидение [1].
В отличии от радиовещания в диапазонах длинных, средних и коротких волн, которые характеризуются высокой «дальнобойностью», телевидение из-за широкой полосы частот телевизионного сигнала приходится передавать в диапазонах ультра коротких волн (УКВ), дальность приема которых ограничена. Поэтому для расширения зоны приема используют ретрансляция ТВ сигнала, излученного одним передатчиком, другими передатчиками (ретрансляторами), расположенными на допустимых расстояниях от первого. При космической ретрансляции используется телевизионные ретрансляторы, размещенные на искусственных спутниках земли (ИСЗ). Благодаря этому сегодня любая семья получила доступ к практически неограниченному числу ТВ программ, в том числе и передаваемым с другого края света. Однако неизбежные особенности космической ретрансляции не позволяют принимать ТВ передачи с ИСЗ так же просто, как это делается от наземных телецентра или ретранслятора. Необходимо иметь специальную антенну и электронную приставку к обычному бытовому телевизору. Построению систем непосредственного спутникового телевидения и посвящена данная работа.
Целью работы является исследование особенностей построения и применения спутниковых систем телевидения.
При этом важным является решение следующих задач:
Изучить классификацию спутниковых систем телевидения;
Изучить принцип работы наземной приемной установки;
Произвести энергетический расчет линии связи «Искусственный спутник Земли (ИСЗ) - Земля »;
Предложить перспективы развития спутниковых систем телевидения.
Спутниковое телевидение представляет собой один из видов практического использования ИСЗ. В области телевидения в настоящее время ИСЗ используются для международного обмена телевизионными программами, для распространения телевизионных программ среди вещательных организаций, наземных телевизионных передатчиков для ретрансляции, среди кабельных сетей, а так же непосредственного телевизионного вещания (НТВ), целью которого является передача телевизионных программ со спутников таким способом, который позволяет вести непосредственный прием телевизионных передач индивидуальными телезрителями. Кроме того, спутник используется для ретрансляции изображений текущих текстов газетных полос, телефонной междугородной и международной связи, программ звукового радиовещания и другой информации [2].
Выведенный на орбиту вокруг Земли ИСЗ содержит электронную аппаратуру, которая по радио каналу получает с Земли определенный объем информации. Сигналы принятой информации аппаратурой спутника усиливаются, преобразуются по частоте и излучаются обратно на Землю (ретранслируются). Для приема и передачи спутник оборудован антеннами, а для электропитания аппаратуры - солнечными батареями и аккумуляторами.
Вначале для указанных целей применялись искусственные спутники, которые обращались по эллиптическим орбитам, а затем нашли применение геостационарные спутники, что привело к упрощению и удешевлению аппаратуры, а круглосуточное освещение солнцем солнечных батарей позволило значительно увеличить мощность спутниковых передатчиков.
Исходя из своего назначения, согласно принятым международным соглашениям все спутниковые системы, передающие ТВ программы подразделяются на фиксированную спутниковую службу (ФСС), подвижную спутниковую службу (ПСС) и радиовещательную спутниковую службу (ВСС).
ФСС - служба радиосвязи через космическую станцию, расположенную на ИСЗ, между земными станциями, расположенными в определенных (фиксированных) точках. В системе ФСС транслируемые спутником ТВ сигналы могут принимать специальными наземными станциями с высоким качеством.
ПСС - служба радиосвязи между подвижными земными станциями через одну или несколько космических станций.
ВСС - служба радиосвязи, в которой сигналы космических станций предназначены для непосредственного индивидуального или коллективного приема населением с помощью сравнительно простых и недорогих установок с так называемым абонентским качеством.
К функциям ФСС относится не только ретрансляция ТВ передач: основной объем информации этой службы занимают дуплексная телефонная связь, телеграф, изображения газетных полос, а в перспективе - видеотелефонная связь. Для каждой из указанных служб выделены определенные полосы частот, которые различны для линий «Земля-Космос» и «Космос-Земля». Это необходимо для осуществления развязки между передатчиками и приемниками.
К фиксированной службе относятся первые отечественные системы «Орбита» и «Интерспутник», а также последующие «Экран» и «Москва», которые начали работать в 1976 и 1980 годах, а к зарубежным - «Intelsat» и «Eutelsat». К радиовещательной службе относятся получившая в настоящее время широкое применение отечественная система СТВ-12 (спутниковое телевизионное вещание в диапазоне 12 ГГц), а так же зарубежные системы TDF, TV-SAT и другие. Необходимо заметить, что разделение между системами ФСС и ВСС не совсем четкое. Так, система «Экран-М» также могла быть использована для приема ТВ передач индивидуальными телезрителями с помощью выпускавшегося промышленностью абонентского приемника «Экран». Это облегчалось тем, что телевизионный сигнал передавался спутниковым ретранслятором на частотах дециметровых волн в диапазоне 702-726 МГц.
Необходимо также заметить, что мощность спутниковых передатчиков ФСС, как правило, значительно меньше, чем передатчиков ВСС, так как наземные станции ФСС оснащены крупногабаритными антеннами, которые обладают значительно большими значениями коэффициента усиления. Диаметр параболических отражателей антенн наземных станций этих служб порой достигает 24 метров. Это позволяет использовать спутниковые передатчики мощностью порядка десятков ватт в отличии от мощности передатчиков ВСС, которая достигает 200 Вт.
В течении последних лет благодаря достигнутым успехам в развитии СВЧ техники появилась возможность создания сравнительно простых и недорогих установок с антеннами приемлемых размеров для индивидуального приема телевизионных передач не только радиовещательной, но и фиксированной службы. Поэтому многие телезрители разных стран приобретают установки для приема телепередач со спутников ФСС. В этом отношении наибольший интерес представляют те спутники ФСС, передатчики которых работают на частотах, смежных с частотами ВСС (11,7-12,5 ГГц). Таковы полосы частот 10,7-11,7 и 12,5-12,75 ГГц. В пределах этих частотных полос работают передатчики спутников международной организации спутниковой связи IntelSat, Европейская организация спутниковой связи EutelSat, а так же спутников, принадлежащих коммерческим ассоциациям Telecom (Франция), Kopernicus (ФРГ), Astra(Люксембург) и др.
В системах телевидения телевизионные радиосигналы,
излучаемые спутниковыми передатчиками, значительно отличаются от сигналов,
излучаемых наземными центрами. Главное отличие состоит в том, что яркостный
сигнал изображения передается спутниковым ретранслятором с частотной модуляцией
несущей частоты, в то время как в наземном телевидении он передается с
амплитудной модуляцией. Другой особенностью является использование в
спутниковых системах непосредственного телевизионного вещания несущей частоты,
расположенной в диапазоне сантиметровых волн, к которым относится диапазон 12
ГГц, в отличие от наземного телевидения, передачи которого ведутся только на
метровых волнах. На таких высоких частотах передача принятого сигнала от
антенны к телевизионному приемнику с помощью коаксиального кабеля, как это
принято в наземном телевидении, просто невозможна. Эти особенности требуют
соответствующего построения схемы телевизионного приемника или дополнительного
устройства (приставки) к стандартному телевизору, предназначенному для приема
наземного телевидения.
В аналоговых системах спутникового телевидения применяется ЧМ модуляция яркостного сигнала в отличии, от наземных, где используется амплитудная.
Частотная модуляция требует по сравнению с амплитудной модуляцией, используемой в наземном вещании, существенно меньшей мощности передатчика, что особенно важно для спутниковых систем. Преимуществами ЧМ являются также невысокие требования к линейности амплитудной характеристики тракта и возможность работы выходного каскада спутникового передатчика в режиме насыщения, в котором достигается высокий КПД [11].
При передаче ЧМ девиация частоты несущей выбирается исходя из полосы пропускания ВЧ тракта таким образом, чтобы избежать искажений передаваемого сигнала, связанных с отсечением части его спектра. Перекрестные помехи проявляются в искажениях типа "дифференциальное усиление" и "дифференциальная фаза". Для уменьшения этих искажений применяется рекомендованная МККР линейная обработка.
Наряду с линейными предискажениями сигнала изображения в спутниковых системах иногда, применяют нелинейную обработку, заключающуюся в ограничении размаха предискаженного сигнала за счет отсечения коротких выбросов, соответствующих крутым фронтам исходного сигнала. При сигнале SECAM допустимо ограничение на 2...3 дБ, на такое же значение можно увеличить девиацию частоты и отношение сигнал/шум на выходе канала. Искажения сигнала получаются незначительными даже при отсутствии нелинейного восстановителя на приеме. Описанный метод использован в отечественной системе ТВ вещания "Москва".
Еще один вид обработки, нашедший применение только в спутниковых системах вещания, - введение в состав ТВ сигнала на передающей стороне дополнительного низкочастотного модулирующего сигнала, обеспечивающего более равномерное рассеяние (дисперсию) энергии ТВ сигнала в полосе частот ствола с целью уменьшения помех другим системам связи, в первую очередь радиорелейным линиям. В связи с совместным использованием некоторых диапазонов частот (например, 4 и 11 ГГц) спутниковыми и радиорелейными системами в Регламенте радиосвязи установлены предельные нормы спектральной плотности потока мощности спутникового сигнала на единицу полосы (обычно 4 кГц) для разных углов прихода сигнала. При неблагоприятных сюжетах изображение (равномерно освещенное поле) почти вся мощность сигнала может сосредоточиться в узкой полосе частот и привести к многократному превышению указанной нормы. Добавление сигнала пилообразной или треугольной формы частотой от единиц герц до десятков килогерц позволяет добиться эффективного рассеяния независимо от сюжета. Девиация несущей сигналом дисперсии зависит от требуемой степени рассеяния и выбирается равной от 600 кГц (рекомендация МККР для всех спутниковых ТВ систем) до 4 МГц (в системе "Москва").
Исключение сигнала дисперсии на приеме достигается применением схем фиксации уровня видеосигнала: при девиации более 1 МГц дополнительно используются специальные следящие устройства. Сигнал звукового сопровождения телевидения в традиционных системах с ЧМ передается обычно совместно с сигналом изображения на поднесущей частоте, расположенной выше его спектра. Для достижения необходимой помехозащищенности передача осуществляется методом частотной модуляции поднесущей, причем девиацию частоты поднесущей выбирают, как правило, большей, чем в наземном телевидении - до 100 и даже 150 кГц. Значение поднесущей также выше и составляет 7,0...7,5 МГц при полосе видеосигнала 6 МГц, 5,8...6,8 МГц при полосе 5 МГц и 5...6 МГц при полосе 4,2 МГц, что позволяет уменьшить переходные помехи из канала изображения в канал звукового сопровождения и облегчить требования к фильтрации сигналов.
При необходимости передачи совместно с сигналом изображения более чем одного звукового сигнала (звуковое вещание, звуковое сопровождение на иностранных языках, стереозвук) используется несколько поднесущих частот, расположенных выше спектра видеосигнала. Их число ограничено возникновением перекрестных помех и ухудшением качества ТВ изображения из-за уменьшения доли девиации несущей, приходящейся на видеосигнал. Практически с удовлетворительным качеством удается передать два-четыре дополнительных сигнала. Например, в спутниковых ТВ каналах, организованных через европейские ИСЗ Eutelsat II и Astra наряду с основным каналом звукового сопровождения сформированы еще до четырех высококачественных звуковых каналов, используемых для передачи монофонических или стереофонических программ. Передача ведется методом ЧМ на поднесущих частотах 7,02, 7,20, 7,38, 7,56 МГц звуковой сигнал подвергается адаптивным предискажениям и компандированию (система Wegener Panda 1).
Компандирование применяется для повышения помехоустойчивости передачи звуковых сигналов. Оно подразумевает сжатие динамического диапазона передаваемого сигнала в соответствии с изменением огибающей звукового сигнала и восстановление исходного динамического диапазона на приеме. Различают "управляемые" компандеры, в которых информация об исходном динамическом диапазоне передается в отдельном канале управления, и "неуправляемые", в которых эта информация содержится в передаваемом сигнале.
Более эффективным энергетически и свободным от перекрестных помех способом передачи нескольких звуковых сигналов является передача на поднесущей в дискретной форме. Сигналы отдельных каналов преобразуются в цифровую форму и объединяются (мультиплексируются) в общий цифровой поток, который модулирует по фазе поднесущую частоту, расположенную выше спектра видеосигнала. Этот способ, например, используется в японской системе НТВ ВS-3. Поднесущая 5,73 МГц модулируется цифровым потоком со скоростью 2,048 Мбит/с, содержащим ИКМ звуковые сигналы, импульсы коррекции ошибок, контрольные импульсы. В системе образуются либо четыре звуковых канала с полосой 15 кГц, либо два канала очень высокого (студийного) качества с полосой 20 кГц.
Давно известен и применяется способ передачи звуковых
сигналов в спектре видеосигнала с разделением их во времени - в интервале
обратного хода луча или в свободных строках. Рассматриваемый способ применялся
в системе "Орбита", в которой с помощью широтно-импульсной модуляции
обеспечивалось формирование одного канала с полосой 10 кГц или двух каналов с
полосой 6 кГц. Современный уровень дискретной схемотехники позволяет существенно
увеличить пропускную способность метода. Эти возможности реализованы в
стандарте МАС.
В системах типа МАС аналоговые сигналы яркости и цветности сжимаются во времени и передаются поочередно, что позволяет избежать перекрестных искажений сигналов яркости и цветности, снизить шумы в канале цветности благодаря переводу его в область низких частот, повысить разрешающую способность изображения за счет более широкой полосы частот сигналов яркости и цветности. Сжатие аналогового сигнала осуществляется стробированием сигнала с некоторой тактовой частотой, преобразованием отсчетов в цифровую форму, накоплением их в буферной памяти, ускоренным считыванием с новой, более высокой тактовой частотой и обратным преобразованием в аналоговую форму.