Аналоговое телевидение

Спутниковое вещательное телевидение представляет собой одну из разновидностей системы спутниковой связи, при которой передаются односторонние сообщения, принимаемые одновременно большим числом земных станций.

В зависимости от типа земных станций и назначения системы различают следующие службы радиосвязи:

- фиксированная спутниковая служба радиосвязи между земными станциями, расположенными в определенных (фиксированных) пунктах, при использовании одного или нескольких спутников;

- радиовещательная спутниковая служба радиосвязи, в которой сигналы ИСЗ предназначены для непосредственного приема населением как индивидуального, так и коллективного (по кабельным сетям).

Радиовещательная спутниковая служба включает только системы, предназначенные для приема на сравнительно простые и недорогие приемные установки с качеством, достаточным для абонента. Фиксированной и вещательной службам выделены разные полосы частот и предъявляются различные требования по максимальной плотности потока мощности, создаваемой у поверхности Земли излучением станций, размещенных на ИСЗ.

Плотность потока мощности - излученная спутником мощность, которая приходит на 1 м2 поверхности антенны земной станции (дБВт/м2). В зависимости от размеров зоны обслуживания, содержания и источников формирования передаваемой телевизионной программы различают национальные (действующие в пределах одной страны) и региональные (действующие в пределах группы стран) системы спутникового вещательного телевидения.

Национальные системы спутникового вещательного телевидения, как правило, рассчитаны на прием населением той страны, которая организует передачи телепрограмм. Для таких систем в первую очередь предназначен диапазон частот 11,7...12,5 ГГц. Региональные системы действуют главным образом в диапазоне частот 10,95...11,7 ГГц, в основном, в рамках фиксированной спутниковой службы, допускающей подачу сигналов за пределы национальной территории.

Для систем спутникового аналогового вещательного телевидения (как фиксированной, так радиовещательной) выделены следующие полосы частот: 0,62...0,79; 2,5...2,69; 10,7...11,7; 11,7...12,5 ГГц. Однако в связи с тем, что полоса частот ДМВ 620...790 МГц предназначена для систем аналогового наземного вещательного телевидения, принимаемого эфирной антенной, ее использование для спутникового аналогового телевидения должно быть согласовано с ответственными службами соседних стран. Использование диапазона частот 2,5...2,69 ГГц для спутникового телевещания ограничено национальными или региональными системами коллективного приема на тех же условиях.

В полосе частот 10.7...11,7 ГГц на линии связи спутник-Земля могут работать системы фиксированной спутниковой службы любой страны мира. Полоса частот 11.7...12.5 ГГц предоставлена радиовещательной службе для государств Европы, Африки, СНГ, а также Турции и Монголии. Эта полоса частот разбита на 40 частотных каналов с разносом частот несущих 19,18 МГц, но благодаря многократному использованию их по дуге геостационарной орбиты от 37 град западной долготы (з. д.) до 170 град восточной долготы (в. д.) удалось обеспечить общее число каналов, равное 984.

Для спутников стран СНГ выделено пять позиций на геостационарной орбите: 23, 44, 74, 110 и 140 град в. д., а также 36 номиналов частот в полосе 11,7...12,5 ГГц. Достаточно большой разнос между спутниками по долготе, территориальное расстояние между зонами обслуживания, а также применение двух видов поляризации (горизонтальной и вертикальной) используемых сигналов позволили обеспечить общее число передаваемых одновременно телевизионных программ, равным 70.

Одной из первых систем спутникового вещательного телевидения была система «Экран», созданная в нашей стране в 1976 г., которая работала на линии спутник-Земля в диапазоне 0,7...0,8 ГГц. Площадь зоны обслуживания системой охватывала районы Сибири, Крайнего Севера, частично Дальнего Востока и не распространялась на остальные территории СССР во избежание помех действующим станциям наземного вещательного телевидения.

В 1979 г. была внедрена система «Москва» в диапазоне частот 4 ГГц, в которой удалось снизить мощность передатчика спутника и соответственно плотность потока мощности, создаваемой у поверхности Земли, что позволило уменьшить до требуемых уровней помехи наземным радиорелейным линиям. Эта система вещательного телевидения использовалась во всех районах СССР без опасения создать помехи наземным службам связи.

В конце 70-х годов XX столетия для спутникового вещательного телевидения были выделены полосы частот 10,7...11,7 и 11,7...12,5 ГГц, в которых было разрешено создавать достаточно высокую плотность потока мощности у поверхности Земли. Передача телевизионных сигналов - это распространение электромагнитных колебаний, которые имеют две взаимно перпендикулярные составляющие: электрического Е и магнитного Н полей.

Эти поля образуют плоскость, расположенную под прямым углом к направлению распространения волны (рис. 6.6). Ориентация Е-поля по отношению к земной поверхности определяет поляризацию электромагнитной волны. Если Е-поле горизонтально, то передаваемый сигнал горизонтально поляризован, если вертикально - вертикально поляризован. Если вектор Е-поля вращается, то передаваемый сигнал имеет круговую поляризацию. В спутниковом вещательном телевидении используются сигналы, излучаемые со спутников, чаще всего с вертикальной или горизонтальной поляризациями.

Пиковый характер ПЦТВ, особенно в периоды времени, относящиеся к передаче импульсов строчной синхронизации, вызывает неравномерность спектра частотно-модулированного сигнала. Это приводит к тому, что энергия излучения несущей концентрируется главным образом на фиксированных частотах уровня черного и импульсов синхронизации. Это порождает помехи для наземного вещательного телевидения.

Для уменьшения помех спектральную энергию модулируемого сигнала распределяют более равномерно, для чего перед модуляцией к сигналу добавляют треугольный сигнал с частотой, равной 1/2 частоты полей (25 Гц). Для получения небольшой девиации частоты 2 МГц берется треугольный импульс малой амплитуды. Мгновенные отключения, обусловленные рассредоточением энергии, добавляются к отклонениям, обусловленным сигналом, тем самым частотный спектр становится равномерным. На приемной стороне для восстановления уровня черного на каждой строке ПЦТВ используется устройство восстановления постоянной составляющей.

Приемные устройства сигналов телевизионных передач спутникового вещательного телевидения могут быть индивидуальными и коллективными. При индивидуальном приеме можно ограничиться антенной с параболическим рефлектором диаметром 0,9...2,5 м. Чем больше диаметр отражателя антенны, тем более высокое качество сигнала можно получить, обеспечив прием сигналов при максимальной наклонной дальности до 40 тыс. км.

При коллективном приеме сигналов достаточно большой группы пользователей программы в пределах дома распределяются по кабелю, а в пределах поселка - с помощью маломощного ретранслятора. Технические требования к параметрам приемной станции более высокие (по чувствительности, коэффициенту усиления и др.), поэтому размеры параболических антенн могут достигать 2,5...4 м. В коллективных станциях предусматривается одновременный прием сигналов двух ортогональных поляризаций (горизонтальной и вертикальной). Приемная наземная станция функционально разделена на два блока: наружный, расположенный вблизи антенны, и внутренний, размещенный в помещении. Наружный блок - преобразователь или конвертор СВЧ сигналов, а внутренний - тюнер.

Антенна спутника принимает частотно-модулированный сигнал частотой 14,25...14,5 ГГц, преобразует его в сигнал уменьшенной частоты 10,7...11,7 или 11,7...12,5 ГГц и посылает по линии связи спутник-Земля обратно на Землю. Изменение частоты в сторону уменьшения происходит на определенное значение (в среднем на ГГц).

ЧМ сигнал канала спутник-Земля принимается на наземную спутниковую антенну типа параболического зеркала и передается на преобразователь СВЧ сигналов после определения направления поляризации: Н - горизонтальная или V -вертикальная, при этом обеспечивается развязка двух сигналов в пределах 25...30 дБ. Малошумящие усилители снижают собственные шумы приемника до минимальных, а полосовой фильтр подавляет помехи от соседних каналов и собственного излучения гетеродина.

На вход смесителя преобразователя подается сигнал частотой Fern и напряжение гетеродина частотой Freri, а на выходе появляются сигналы частотой FCM = FCMrH±FreTl. Обычно выделяется сигнал разностной частоты, которая называется первой промежуточной Fmi- Ее диапазон значений составляет 950...2150 МГц. Этот сигнал усиливается в УПЧ1 до уровня 50...60 дБмкВт, что позволяет компенсировать потери в коаксиальном кабеле, соединяющем наружный блок с внутренним.

Отличительной особенностью УПЧ1 является его широкополосность: для приема сигналов спутникового вещательного телевидения общая полоса на выходе смесителя составляет 800... 1200 МГц. Это требует применения широкополосных согласующих цепей и специальных мер по поддержанию постоянства коэффициента усиления в рабочем диапазоне частот.

Тюнер, являясь частью приемного устройства спутникового вещательного телевидения, размещается в помещении, и выполняет функции выбора канала: частота сигнала преобразуется до второй промежуточной частоты Fn42> сигнал усиливается, фильтруется и демодулируется с последующей обработкой для подачи на один из входов стандартного телевизионного приемника или на вход маломощного ретранслятора.

Входной полосовой фильтр с полосой 950...1750 МГц подавляет помехи от других систем, работающих в этой полосе, а также помехи по зеркальному каналу. После усиления сигнал поступает на смеситель, на второй вход которого приходит напряжение перестраиваемого гетеродина. На выходе смесителя выделяется сигнал частоты Fn42- Имеющаяся здесь цепь АРУ выполняет функции ограничителя амплитуды. Общий частотный демодулятор выделяет видео и ЧМ звуковой сигналы. Видеосигнал после корректора предыскажений и восстановителя постоянной составляющей поступает на формирователь видеосигнала и генератор тактовых синхронизирующих импульсов.

Сигнал звукового сопровождения после прохождения полосового фильтра выделяет ЧМ поднесущую в полосе частот 4...10 МГц в зависимости от стандарта, в котором передается телевизионная программа.

В спутниковом вещании используется более одной звуковой поднесущей. Звук, связанный с видеопрограммами, обычно передается на основной поднесущей 6,6 МГц. Стереофонический звук передается с использованием двух поднесущих, например 7,02 и 7,2 МГц.

В некоторых программах звуковое сопровождение идет одновременно на двух языках, что обеспечивается двумя поднесущими. В широкополосных системах с частотной модуляцией мощность шума на выходе демодулятора повышается с увеличением частоты, поэтому соотношение сигнал/шум для верхних частот видеосигнала и поднесущих звука будет меньше, чем в низкочастотной части спектра.

Для выравнивания отношения сигнал/шум по спектру перед модулятором вводят предыскажение, т.е. восстанавливают амплитудно-частотную характеристику. После модуляции ЧМ сигнала звукового сопровождения разностной частоты в зависимости от стандарта звуковой сигнал поступает на амплитудный модулятор, куда приходит ПЦТВ, в котором на выбранной несущей формируется телевизионный УВЧ сигнал для стандартного телевизора.

В спутниковом телевидении используются все стандарты, которые применяются в совместимых системах телевидения черно-белого и цветного изображений. Выходной сигнал со спутника после приема антенной преобразуется по частоте до второй промежуточной 479,5 МГц (стандарты В, D, G, К, I) и 612 МГц (стандарт М) - диапазон ДМВ стандартного телевизионного приемника.

Прежде чем приступить к формированию приемного устройства системы спутникового вещательного телевидения, необходимо четко представлять возможность приема спутниковых телевизионных программ в соответствии с географическим районом расположения земной станции. Спутник, который работает на геостационарной орбите, имеет наибольшую дальность при углах места 10 град по долготе.

Зоны покрытия могут быть лишь на широтах, не превышающих 70 град. Уверенный прием не обеспечивается на широтах 70...80 град, а при приближении к полюсам он становится невозможным. Эти условия относятся к станциям, размещенным в равнинной местности. Для горных районов удовлетворительное качество сигналов может быть при углах места не менее 30 град, что соответствует широте 53 град.

Угол места образуется линией, соединяющей земную станцию со спутником, и касательной к поверхности Земли в этой точке. В течение 1990-1992 гг. были выведены на орбиту ряд спутников, охватывающих вещательным телевидением Европу, Ближний и Средний Восток, Азию. Сигналы от них могут приниматься и на территории стран СНГ: ASTRA 1А, ASTRA 1В, EUTELSAT II-F1 EUTELSAT II-F2, INTELSAT 601, INTELSAT 602 и др.

Спутники EUTELSAT II-F1 и EUTELSAT II-F2 выведены соответственно на орбиты 13 и 10 град в. д. и имеют на борту по 16 ретрансляторов, каждый из которых может принимать и передавать телевизионные программы и другую информацию. Большинство ретрансляторов сдано в аренду европейским радиовещательным кампаниям. Спутники EUTELSAT II-F3 и EUTELSAT II-F4 соответственно были выведены на орбиты 16 и 7 град в. д. в 1991-1992 гг. с 12-ю новыми каналами. Из них два - платные. На спутниках установлены многорупорные антенны, которые формируют лучи сложной формы для обеспечения вещательным телевидением территории всех стран Западной и Центральной Европы. Спутники EUTELSAT II-F1-F4 передают сигналы на линии спутник-Земля в диапазонах частот-10,95...11,2; 11,45...11,7; 12,5...12,75 ГГц.

В течение 1995-1997 гг. были выведены на орбиту 13 град в. д. три модернизированных спутника серии EUTELSAT с названием НОТ BIRD 1-3 с выходной мощностью сигналов 70...115 Вт, т.е. в 2 раза больше, чем у первого спутника EUTELSAT 11-1. Эти спутники передают сигналы на Землю в диапазонах частот: 11,2...11 S5; 11,55...11,70; 11,7...12,10; 10.95—11,2; 12,10...12,50 и 12,50...12,75 ГГц, т.е. перекрывают весь диапазон 10,95.-12,75 ГГц. На спутниках НОТ BIRD 2-3 установлены по 20 ретрансляторов в каждом. Распределение частот каналов и несущие частоты каналов спутников EUTELSAT II-F1 и НОТ BIRD 1-3 приведены в табл. 6.2 и 6.3 соответственно.

Упомянутые спутники, кроме передачи телевизионных программ, предназначены для сбора информации от наземных пунктов и навигации (особенно для местоопределения автотранспорта).

Для телезрителей европейской части СНГ (в том числе и Москвы) наибольший интерес представляет восточный луч спутника INTELSAT 601, находящегося в точке 27,5 град з. д., сигналы от которого можно принимать на антенны диаметром 1,5...2 м. В последние годы в разных странах мира ведутся интенсивные исследования возможностей передачи сигналов вещательного телевидения в цифровой форме. Эти сигналы обладают большей помехозащищенностью и менее чувствительны к нелинейности фазовой характеристики приемопередающего тракта.

Английскими специалистами был разработан и предложен для реализации в первом поколении систем спутникового вещательного телевидения комбинированный цифро-аналоговый метод передачи, при котором сигналы яркости и цветности сжимаются во времени и передаются поочередно в период активной части строк. Сжатие аналоговых сигналов производится дискретизацией с некоторой тактовой частотой, накоплением в буферной памяти, ускоренным считыванием с новой более высокой тактовой частотой и обратным преобразованием в аналоговую форму. Стандарт с такими преобразованиями называют MAC (Multiplexing Analogue Components) - уплотнение аналоговых компонент. Сигналы звукового сопровождения, данных и синхронизации передаются в цифровой форме.

В настоящее время предложено несколько модификаций стандарта MAC применительно к разным стандартам разложения изображения (625 и 525 строк), отличающимся тактовыми частотами, числом тактовых интервалов, структурой уплотнения сигнала, параметрами преобразования сигналов яркости и цветности, а также методами кодирования. При передаче данных используется метка непрерывного или пакетного типа. Цифровые потоки видеосигнала, несколько звуковых каналов (4-8) и текстовая информация объединяются пакетным методом, для чего в начале каждой строки передается кодовое слово.

Передачи спутникового телевидения в стандарте D2-MAC ведутся во Франции и Германии через спутники TV-SAT и TDF, в Англии принят стандарт D-MAC, а в Швеции и Норвегии ведутся экспериментальные передачи в стандарте С-МАС через европейские спутники.