Спутниковое телевизионное вещание

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Спутниковое телевизионное вещание

спутниковый стандарт телевизионный ретранслятор

Спутниковое телевизионное вещание - это передача телевизионных и радиопрограмм от наземных передающих станций к приемным через космический спутник-ретранслятор [4].

Спутниковое ТВ вещание осуществляется двумя способами:

1) Принимаемый со спутника ТВ сигнал поступает па местный телецентр, который обеспечивает его дальнейшую ретрансляцию. В этом случае могут использоваться спутники с высокой мощностью передатчика и достаточно низкой точностью удержания КА на орбите. Такие ТВ сигналы, как правило не принимаются на индивидуальные приемные устройства из-за высокой стоимости и сложности приемной аппаратуры.

2) Прием спутникового ТВ сигнала осуществляется на индивидуальную приемную установку с антенной малого размера. Для обеспечения такого приема необходимо использовать спутник с относительно высокой мощностью передатчика и хорошей точностью удержания на орбите, чтобы исключить применение следующих устройств. Такой вариант вещания называется непосредственным телевизионным вещанием (НТВ).

С конца 80-х до начала 90-х годов, страны Европы, Япония и др. начали выводить спутники для непосредственного приема телевизионных программ на индивидуальные приемные устройства. Большие возможности спутникового вещания явились причиной интенсивного развития в этих странах спутникового ТВ. К середине 90-х годов активное участие в спутниковых проектах начали принимать некоторые восточноевропейские страны. В российском спутниковом телевидении этот проект, несмотря па определенные недостатки, сыграл революционную роль. Телезритель понял, во-первых, что спутниковое ТВ и спутниковая антенна - это не экзотика, а также не признак благосостояния. И, во-вторых, что телевидение может быть платным. Правда, тут хотелось бы иметь возможность выбора.

История развития СТВ в России

Первые опыты с передачей изображения производились со следующими параметрами: изображение разлагалось на тридцать строк и двенадцать с половиной кадров, длина волны 56,5 м. Уже после первых экспериментальных работ стало ясно: улучшить качество изображения можно за счет увеличения числа строк и кадров. Для того чтобы передавать изображение с большим, количеством строк и кадров, необходимо увеличить частоту передачи, и как следствие разрабатывать новую элементную базу, осваивать новые диапазоны длин волн. В 1937 г. на передаваемой картинке уже можно было без проблем отличить мужчину от женщины (343 строки, 25 кадров), а в 1948 г. домохозяйки могли уже обсуждать прическу и украшения увиденной накануне телеведущей (625 строк и 50 кадров). Качество изображения было вполне удовлетворительным, и данный стандарт используется до сих пор. Переход в диапазон ультракоротких волн (УКВ) существенно сузил радиус приема телепередач с сотен километров до десятков.

Дело в том, что длинные (ДВ), средние (СВ) и короткие (КВ) волны способны проходить очень большие расстояния за счет отражения от ионосферы Земли.

Кроме того, ДВ, СВ и KB после многочисленных переотражений становились малопригодными для телевизионного вещания - сказывались большие искажения сигнала, и нарушения связи из-за магнитных бурь вызываемых повышением солнечной активности, вплоть до полного пропадания сигнала и т.п. А для того, что этого не происходило необходимо было повысить мощность передатчика и установить ретрансляторы. При создании сети наземных ретрансляционных станций их иеобходимо установить на расстоянии 100-150 км друг от друга. В масштабах нашей страны это, конечно, нереально и абсурдно. Для радиорелейных и кабельных линий также существуют очень серьезные ограничения и радиус их действия ограничен. Очевидно, что увеличение дальности работы ретранслятора возможно на некотором возвышении над поверхностью Земли.

Одновременно с повышением качества телевизионного оборудования шла работа над увеличением дальности приема телевизионного сигнала. Как-то незаметно эта проблема стала не только технической, по и политической. Для жизнедеятельности государства стало крайне необходимо охватить телевизионным вещанием максимум населения страны. В 1957 г. во время проведения Московского международного Фестиваля молодежи и студентов взлетают самолеты типа ЛИ-2, напичканные разнообразной радиоаппаратурой. С высоты 4000 м они транслировали на Минск, Киев и Смоленск передачу проходившего тогда в Москве грандиозного форума. Успех был впечатляющим. Впервые жители других городов смотрели передачи из Москвы в прямом эфире.

Вслед за этим первым удачным опытом в 1961 - 65 гг. самолетная ретрансляция использовалась в США для передачи учебных телевизионных программ в школы. В Корее и Иране проводились опыты с подъемом телевизионных ретрансляторов на привязных аэростатах. В СССР началось строительство мощных радиопередающих центров (5-10 кВт) и небольших ретрансляторов (от 1 до 100 Вт). Они устанавливались в густонаселенных районах и давали большой прирост телезрителей.

На 1 января 1961 г. было создано 100 мощных и около 170 маломощных передатчиков, что обеспечивало охват телевизионным вещанием примерло 35% населения страны. Через пять лет число станций возросло до 170 и 480 соответственно, количество телезрителей увеличилось только на 20%. Стало очевидно, что для обеспечения оставшейся половины населения телевизионным вещанием необходимы огромные финансовые затраты и более 1000 мощных телецентров. Самым оптимальным решением проблемы было подъем ретранслятора как можно более выше над поверхностью Земли. В 1965 г. первый советский спутник связи «Молния» был выведен на околоземную орбиту. Задачи перед ним стояли самые актуальные - обеспечение бесперебойной телевизионной, радиотелефонной и телеграфной связи. Для трансляции программ со спутника была создана наземная приемная система «Орбита». Это были одни из первых шагов по использованию космической связи.

Спутник-ретранслятор вращается на вытянутой эллиптической орбите с апогеем в северном полушарии. Высота апогея составила 40 тыс. км, перигея - 500 км, угол наклона плоскости орбиты относительно плоскости земного экватора - 63,4°. Период обращения спутника «Молния» вокруг Земли составляет 12 часов. При этом в течений 8 -9 часов на каждом витке спутника охватывается большая часть территории страны. Из второго закона Кепплера следует, что относительно неподвижного земного наблюдателя спутник на большой высоте перемещается медленно, а в перигее, на малой высоте, наоборот, очень быстро. Для обеспечения круглосуточного действия такого вида связи необходимо иметь на орбите 3 спутника со сдвигом па 7 -8 часов.

Каждый наземный приемный комплекс имеет большую параболическую антенну диаметром 12 м, изготовленную из специального алюминиевого сплава, и массой 5,5 т. Кроме этого, она установлена на полноповоротном опорном устройстве, Общий вес этого устройства составляет почти 50 т. Но и это еще не все. Антенна должна все время перемещаться, отслеживая положение спутника. Поэтому она оснащена сложной системой автоматического и ручного наведения. Бортовой, передатчик имеет выходную мощность всего 40 Вт. Для уменьшения уровня внутренних шумов приемника и увеличения его чувствительности, па входе установлен специальный малошумящий параметрический усилитель, охлаждаемый жидким азотом.

С выхода наземной станции «Орбита» телевизионный сигнал поступает на местный передатчик, который и обеспечивает трансляцию принятой программы. Следует отметить, что уже в 1967 г. имелось 20 наземных станций.

Но вся эта система не могло обеспечить полный охват территории России. И вследствие этого появилось новое решение данной проблемы, стали использовать спутниковую ретрансляцию, максимально упрощенную и уменьшили приемный комплекс. Телевизионные программы можно стало принимать на антенну диаметром всего лишь 60 см.

Мощность бортовых передатчиков теперь составляет в среднем 100 Вт, т.е. на каждый квадратный метр поверхности Земли приходится порядка 50 нВт. Этого оказывается вполне достаточно, чтобы отказаться от применения охлаждаемого параметрического усилителя приемника. Но этого еще недостаточно. Необходимо отказаться от постоянного отслеживания спутника при его перемещении. То есть нужно спутник «остановить». Нет, движение ретранслятора остается прежним, около 3 км/с, а перемещение его относительно неподвижного наблюдателя на Земле будет равно нулю, если спутник будет выведен на так называемую геостационарную орбиту. Следовательно, антенну перемещать не надо, один раз поставил, настроил, и порядок!

Рассмотрим такое понятие как геостационарная орбита:

Самое главное качество этой орбиты состоит в том, что она имеет форму окружности, лежащей в плоскости экватора Земли, с высотой над ее поверхностью 35 875 км. Направление вращения спутника совпадает с направлением суточного вращения Земли, а период обращения равен 24 часам. Следовательно, для неподвижного наблюдателя на земной поверхности спутник кажется неподвижным, зависшем в строго определенной точке небосклона.

Так почему же не стали сразу выводить спутники-ретрансляторы нa геостационарную орбиту, вместо вытянутой эллиптической? А, собственно, потому, что ракеты подходящей не было. Первые искусственные спутники земли (ИСЗ) выводились носителями, мощности которых не хватало для вывода груза на геостационарную орбиту. Через несколько лет космической эры появились более мощные носители, которые, дополнив отдельным разгонным блоком, уже можно было использовать для вывода спутников на геостационарную орбиту. Сначала ракетоноситель выводит спутник па промежуточную орбиту, а затем с помощью разгонного блока - на геостационарную. В Советском Союзе работы по созданию геостационарных спутников были завершены только в начале 70-х годов, т.к. создание гражданских прикладных космических аппаратов не являлось приоритетным направлением государственной программы по освоению космоса. Использование спутника-ретранслятора на геостационарной орбите имеет ряд преимуществ:

- устройство и эксплуатация наземного комплекса упрощается, т.к. не требуется непрерывного слежения за спутником;

- повышается надежность систем электропитания, поскольку спутник находится вне радиационного поля Земли, вредно воздействующего на его солнечные батареи;

- неизменное (35 875 км) расстояние от спутника до Земли обеспечивает постоянство уровня сигнала па входе приемных устройств;

- упрощается использование спутника-ретранслятора, как звена в сети связи.

Общие сведения о системе спутникового приема

Система спутникового телевизионного вещания выглядит достаточно просто. В точно рассчитанное время па каком-либо космодроме производится запуск космического корабля со спутником-ретранслятором на борту. Если все расчеты были сделаны правильно, и техника не подвела, то через некоторое время аппарат зависает па геостационарной орбите. Правда для этого необходима безупречная работа систем навигации и

Спутник должен «зацепиться» своими приборами за определенные созвездия на небосклоне. Вследствие несферичпости Земли, неточности вывода спутника па орбиту, а также переменного влияния на него гравитационных сил Луны и Солнца, положение космического аппарата в пространстве относительно Земли все же непостоянно. Он совершает сложные гармонические годовые и суточные колебания, которые с Земли наблюдаются в форме изменяющейся восьмерки. Стабилизация положения спутника обеспечивается применением на нем специальных двигателей. Допустимая нестабильность положения космического аппарата (КА) является одним из важных его параметров и регламентируется соответствующими рекомендациями на основе международных соглашений. В настоящее время допустимой считается нестабильность 0,1°, что на геостационарной орбите соответствует колебанию КА в пространстве около150 км. Этот параметр учитывается при выборе и проектировании наземной антенны.

В случае благоприятного запуска КА ретранслятор будет ориентирован в определенной точке небосклона и начнет работать. По радиоканалу на него поступает телевизионный сигнал. С помощью передатчика-ретранслятора он перенаправляет эту передачу на Землю, по уже на другой частоте. Для приема сигнала со спутника не требуется сложной следящей системы. С геостационарного космического аппарата Земля видна под телесным углом около 18° в виде окружности, ограниченного по широте и 160° по долготе с центром на экваторе, что представляет максимальную зону покрытия одним КА. В зоне 80° по широте проживает практически все население Земли, что и обусловило преимущественное использование стационарных спутников.

В спутниковом телевидении уровень излучаемого с космического аппарата сигнала принято характеризовать произведением подводимой к антенне мощности в ваттах на коэффициент ее усиления относительно изотропного (всенаправленного) излучателя в децибелах. Этот уровень называют эквивалентной изотропно-излучаемой мощностью (ЭИИМ)/измеряемой в дБВт.

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

Зоне обслуживания зависит от угла раскрыва антенны. Так, при угле IV зола обслуживания, если ее центр находится на экваторе, будет представлять собой окружность диаметром около 650 км. Если зона обслуживания смещена на север или юг от экватора, то она примет яйцевидную или более сложную форму. Для обслуживания поверхности заданной формы па космическом аппарате применяются антенны сложной конструкции.

Таким образом, для характеристики КА обычно приводят зону его обслуживания или угол раскрыва передающей антенны и ее направление (центр прицеливания). Практически современные КА обеспечивают площадь зоны покрытия 2 - 3 тыс. км. Передающая антенна спутника всегда направлена в точку прицеливания, за этим следят специальные приборы.

Согласно международным соглашениям каждый спутник - ретранслятор может обслуживать только строго определенную территорию, причем с достаточно жесткими ограничениями.

Стандарты сигналов спутникового телевизионного вещание

Стандартом ТВ сигнала называют совокупность определяющих его основных характеристик, таких, как способ разложения изображения, число строк и кадров, длительность и форма синхронизирующих и гасящих импульсов, полярность сигнала, разнос между несущими частотами изображения и звукового сопровождения и метод модуляции последней, параметры предыскажающей цепи звукового сигнала и других. Для цветного телевидения сюда добавляется метод передачи сигналов цветности совместно с сигналом яркости.

До начала 80-х гг. в спутниковом вещании использовались стандарты формирования ТВ сигнала, сложившиеся к тому времени в наземном телевизионном вещании. Для черно-белого телевидения их существовало в разных странах 14, четыре из них к настоящему времени отменены. Оставшиеся 10 принято обозначать латинскими буквами В, D, G, H, I, K, K1, L, M, N. Все они характеризуются следующими одинаковыми для всех десяти параметрами: числом строк в кадре - 625; частотой кадров - 50 Гц; частотой строк - 15625 Гц; амплитудной модуляцией несущей изображения. В и D - стандарты метрового диапазона волн; G, H и K - дециметрового; I, K1, L, M и N - метрового и дециметрового вместе.

По способу передачи сигналов цветности различают три системы цветного телевидения: SECAM, NTSC и PAL. В принципе любая из трех систем может применяться с любым из 10 стандартов черно-белого ТВ вещания, давая 30 возможных комбинаций. На практике применяются 9 разновидностей PAL, 6 - SECAM и один стандарт из группы NTSC. Системы SECAM, NTSC и PFL были разработаны для наземных ТВ сетей, использующих амплитудную модуляцию несущей изображения, и не очень пригодны для спутниковых каналов, где основным видом модуляции является ЧМ. При прохождении ЧМ сигнала через тракты с неравномерной амплитудной и нелинейной фазовой характеристикой возникают перекрестные искажения сигналов яркости и цветности, ухудшающие качество изображения. К тому же из-за треугольного спектра демодулированного шума при ЧМ сигналы цветности оказываются в области повышенной спектральной плотности мощности шума, что снижает помехоустойчивость приема этих сигналов.

Во многих странах проводились поиски новых методов формирования ТВ сигнала, свободных от указанных недостатков. Наилучших результатов ожидали от цифровых методов передачи, обеспечивающих в общем случае высокую помехоустойчивость, возможность более полного использования пропускной способности канала за счет реализации оптимальных методов модуляции и кодирования, стабильность параметров передачи, возможность одновременной передачи нескольких сигналов без взаимных помех.

Однако для передачи цветного ТВ изображения с высоким качеством скорость цифрового потока должна составлять более 200 Мбит/с, что значительно превышает пропускную способность типового ствола спутникового ретранслятора с полосой пропускания 27-36 МГц. Существовавшие в середине 80-х гг. методы устранения избыточности не позволяли понизить эту скорость ниже 40-60 Мбит/с, аппаратурные решения получались громоздкими, дорогостоящими и не очень надежными. В качестве компромисса для первого поколения европейских систем непосредственного телевизионного вещания был разработан и принят комбинированный цифроаналоговый стандарт с поочередной передачей на периоде активной части строки сжатых во времени аналоговых сигналов яркости и цветности, получивший название МАС (Multiplexing Analogue Components - уплотнение аналоговых компонент). Сигналы звукового сопровождения, синхронизации, служебная и дополнительная информация передаются в цифровой форме. В зависимости от выбранного способа передачи звука и данных различают стандарты В-МАС, С-МАС, D- и D2-МАС.

Поиски эффективных алгоритмов сжатия телевизионного сигнала не прекращались и привели в конце 80-х гг. к поистине революционным результатам: было организовано преобразование Movihg Picture Experts Group. (MPEG). Задачей, которого была разработка методов сжатия и восстановления цифрового видеосигнала в рамках стандарта, позволяющего объединить потоки видео, аудио и иной цифровой информации, позволявший передать высококачественное изображение со скоростью 7-9 Мбит/с, изображение вещательного качества со скоростью 3,5 - 5, 5 Мбит/с и кинофильм (совокупность неподвижных изображений) со скоростью не более 1,5 Мбит/с. Результатом исследований и разработок в этой области было создание стандартов MPEG-1 и MPEG-2.

- MPEG-1 для телевидения с невысокой разрешающей способностью и прогрессивной разверткой (компакт-диски, компьютерные игры, мультимедиа) и MPEG-2 для вещательного телевидения с чересстрочной разверткой. Оба они чрезвычайно гибки и универсальны, могут работать со стандартами телевещания 525 строк, 30 кадров/с; 625 строк, 25 кадров/с; с форматами кадра 4:3; 16:9. Дальнейшим развитием MPEG-2 стал европейский стандарт цифрового ТВ вещания (DVB), содержащий нормы на параметры модуляции, кодирования и передачи по каналам связи.

В настоящее время ведется активная работа над стандартом MPEG-4

MPEG-1 оптимально работает в режиме 1,5 -8 Мбит/с, MPEG-2: 2-15 Мбит/с. Работа над стандартом MPEG-3 (скорость передачи до 40 Мбит/с) была прекращена, т.к. в процессе исследований стало ясно, что MPEG-2 исключает такую необходимость.

Как уже отмечалось, MPEG-4 предназначен для скорости передачи информации до 64 Мбит/с.

Все стандарты MPEG базируются на стандарте CCIR-601 (базовый стандарт цифрового видео).

Дальнейшим развитием MPEG-2 стал европейский стандарт цифрового ТВ вещания (DVB), содержащий нормы на параметры модуляции, кодирования и передачи по каналам связи.

Стандарт MPEG-2 предназначен в основном для телевидения, в то время как MPEG-1 ориентирован на применение в персональных компьютерах и системах мультимедиа. В проекте обеспечивается совместимость вниз, т.е. декодер MPEG-2 может декодировать поток данных формата MPEG-1.

Несмотря на то, что стандарты MPEG осуществляют очень большое сжатие информации (до 200 раз!) в процессе кодирования, качество изображения при декодировании значительно превосходит качество аналогового телевидения.

Для уменьшения объема информации применяется межкадровое и виутрикадровое кодирование.

Наши программы транслируются в стандарте MPEG-2.

Размещено на Allbest.ru