{ "@context": "http://schema.org", "@type": "Organization", "url": "https://www.arstel.com/", "logo": "https://www.arstel.com/public/images/header/Logo.png" }
Inter-M Системы профессионального звука Системы оповещения и трансляции
ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ
ПРОЕКТИРОВАНИЕ > ТЕЛЕВИЗИОННЫЙ ПРИЕМ > ТЕМАТИЧЕСКИЕ СТАТЬИ

Спутниковое телевизионное вещание. Общие принципы построения

Принципы построения спутниковых систем связи

Сегодня растут потребности в телекоммуникациях. Наземные радиорелейные линии не могут в полной мере удовлетворить обмен радиовещательных и телевизионных программ, особенно если они сильно удалены друг от друга. Между ретрансляторами не может быть больших расстояний, поэтому размещение наземных ретрансляторов связано со значительными техническими и экономическими сложностями, а связь через океаны и труднодоступные территории просто невозможна. От этих недостатков свободны спутниковые системы связи (ССС). Они могут ретранслировать сигналы с высоты в десятки тысяч километров. ССС обладают высокой пропускной способностью и позволяют обеспечить экономичную круглосуточную связь между любыми оконечными пунктами, обмен радиовещательными и телевизионными программами, одновременную работу без взаимных помех большого числа линий.

Рисунок 1.1 - Типы орбит КА

В основе построения спутниковой системы связи лежит идея размещения ретранслятора на космическом аппарате (КА). Движение КА длительное время происходит без затрат энергии, а энергоснабжение всех систем осуществляется от солнечных батарей. КА, находящийся на достаточно высокой орбите, способен «охватить» очень большую территорию — около трети поверхности Земли. Через его бортовой ретранслятор могут связываться любые станции, находящиеся на этой территории. Принцип спутниковой связи заключается в ретрансляции аппаратурой спутника сигнала от передающих наземных станций к приёмникам.

Значительные преимущества предоставляет использование КА, расположенного на так называемой геостационарной орбите, находящейся в плоскости экватора и имеющей нулевое наклонение круговой орбиты (рисунок 1.1) с радиусом 35785 км. Такой спутник совершает один оборот вокруг Земли точно за одни земные сутки. Если направление его движения совпадает с направлением вращения Земли, то с поверхности Земли он кажется неподвижным.

Ни при каком другом сочетании указанных параметров орбиты нельзя добиться неподвижности КА относительно наземного наблюдателя. Антенны станций, работающих с геостационарным спутником, не требуют сложных систем наведения и сопровождения, а в случае необходимости могут быть установлены устройства для компенсации небольших возмущений орбиты.

Благодаря этому обстоятельству в настоящее время почти все спутники связи, предназначенные для коммерческого использования, находятся на геостационарной орбите. Примерно в одной позиции на одной географической долготе могут находиться несколько КА, расположенных на расстоянии около 100 км друг от друга.

Спутниковая линия связи с ретранслятором на геостационарной орбите имеет ряд серьезных преимуществ:

  • Отсутствие устройства сопровождения КА в антенной системе наземного комплекса
  • Высокая стабильность уровня сигнала в радиоканале.
  • Отсутствие эффекта Доплера.
  • Простота организации связи в глобальном масштабе.

Недостатками такой линии связи являются перенасыщенность геостационарной орбиты на многих участках, а также невозможность обслуживания приполярных областей.

Вблизи полюсов геостационарный КА виден под малым углом места, а у самых полюсов не виден вообще. Ввиду малости угла места происходит затенение спутника местными предметами, увеличение шумовой температуры антенны за счет тепловых шумов Земли, повышение уровня помех от наземных радиотехнических средств. Уже на широте 75° прием затруднителен, а выше 80° — почти невозможен. Однако в широтном поясе от 80° ю.ш. до 80° с.ш. проживает практически все население Земли.

Спутниковое телевизионное вещание

Спутниковое телевизионное вещание — это передача через космический спутник-ретранслятор телевизионного изображения и звукового сопровождения от наземных передающих станций к приемным. В сочетании с кабельными сетями, спутниковая телевизионная ретрансляция сегодня является основным средством обеспечения многопрограммного высококачественного телевизионного вещания.

В зависимости от организации, спутниковое ТВ-вещание может осуществляться двумя службами:

  • Фиксированной спутниковой службой (ФСС). В этом случае передаваемые через КА телевизионные сигналы принимаются с высоким качеством наземными станциями, расположенными в зафиксированных заранее пунктах. С этих станций через наземные ретрансляторы телевизионный сигнал доставляется индивидуальным потребителям (рис. 2.1).
  • Радиовещательной спутниковой службой (РВСС). В этом случае ретранслируемые КА телевизионные сигналы предназначены для непосредственного приема населением (непосредственным считается как индивидуальный, так и коллективный прием, при котором телезрители принимают программу по кабельной сети) (рис. 2.2).

Рис.2.1. Ретрансляция спутниковых сигналов
наземным телецентром
Рис.2.2. Непосредственное
телевизионное вещание

Большое распространение получили относительно простые и недорогие установки с антеннами небольших размеров для непосредственного приема телевизионных сигналов со спутников. Система спутникового телевизионного вещания включает в себя следующие подсистемы (рисунок 2.3):

  • Передающий телевизионный центр.
  • Активный спутник-ретранслятор.
  • Приемное оборудование.
Рис.2.3. Применение спутниковой ретрансляции для ТВ вещания
Рис.2.4. Районы спутникового вещания

Современные технические средства позволяют сформировать достаточно узкий пучок волн, чтобы при необходимости сконцентрировать практически всю энергию передатчика КА на ограниченной территории, например, на территории одного государства. Часть территории, которую необходимо охватить вещанием при заданном уровне сигнала, называют зоной обслуживания. Ее вид и размеры зависят от диаграммы направленности передающей антенны спутника-ретранслятора. Несмотря на то, что антенна всегда направлена в точку прицеливания – за ней следят специальные устройства – зона обслуживания имеет сложную геометрическую форму. Если диаграммы направленности бортовых антенн КА достаточно широки чтобы охватить всю видимую с него часть Земли, то зона обслуживания является глобальной.

В спутниковом телевидении уровень излучаемого с космического аппарата сигнала принято характеризовать произведением мощности (в ваттах) подводимого к антенне сигнала на коэффициент ее усиления (в децибелах) относительно изотропного (всенаправленного) излучателя. Эту характеристику называют эквивалентной изотропно-излучаемой мощностью (ЭИИМ) и измеряют в децибелах на ватт. Уровень сигнала в точке приема определяется плотностью потока мощности у поверхности Земли относительно потока мощности 1Вт, проходящего через 1м2 (дБВт/м2).

В 1977 году состоялась Всемирная административная радиоконференция по планированию радиовещательной спутниковой службы, на которой был принят ныне действующий Регламент радиосвязи. В соответствии с ним земной шар разделен на три района, для вещания на каждый из которых выделены свои полосы частот. Как видно из рисунка 2.4, Россия и страны СНГ входят в Район 1.

В Регламенте указаны полосы частот метрового и дециметрового диапазонов, в которых работают радиопередающие средства телевизионного вещания.

Таблица 1.1. Полосы частот систем спутникового вещания
Наименование диапазона Полоса частот, ГГц
L - диапазон 1,452 - 1,550 и 1,61 - 1,71
S - диапазон 1,93-2,70
C - диапазон 3,40-5,25 и 5,725-7,075
X - диапазон 7,25-8,40
Ku - диапазон 10,70-12,75 и 12,75-14,80
Ka - диапазон 15,4-26,5 и 27,0-50,2
K - диапазон 84-86

Для систем спутникового вещания выделены полосы частот, представленные в табл. 1.1. Два последних диапазона — Ка и К — почти не используются и пока считаются экспериментальными. Однако вещание спутниковых телепрограмм в этих диапазонах позволит значительно уменьшить диаметр приемных антенн. Например, если антенны Ku-диапазона (10,70 — 12,75 ГГц) имеют характерные размеры 0,6 — 1,5 м, то антенны К-диапазона (84 — 86 ГГц) при том же значении коэффициента усиления будут иметь размеры 0,10 — 0,15 м. Кроме того, информационная емкость этих диапазонов значительно выше. Под информационной емкостью понимается количество телевизионных каналов, которые можно разместить в данном диапазоне частот.

Основная проблема в освоении этих диапазонов — экономическая, а именно – проблема создания недорогих массовых индивидуальных приемников.

Сформулированные в Регламенте радиосвязи основные положения, касающиеся систем непосредственного спутникового телевизионного вещания (СНТВ), сводятся к следующему:

  • В системах СНТВ используются спутники-ретрансляторы, расположенные на геостационарной орбите.
  • В данных системах рекомендуется передача частотно-модулированного сигнала.
  • Величина отношения сигнал/шум не должна быть меньше 14 дБ.
  • Плотность потока мощности в зоне обслуживания не должна превышать - 103 дБВт/м2 для индивидуального приема и - 111 дБВт/м2 - для коллективного.

Для увеличения объема передаваемой информации рекомендуется двукратное использование рабочих частот, что возможно благодаря развязке по поляризации.

В 1988г. наша страна присоединилась к «Конвенции по распространению несущих программ сигналов, передаваемых через спутники» (Брюссель, 1974г.). В связи с этим в нашей стране индивидуальный прием спутниковых телевизионных программ РВСС и ФСС может осуществляться без ограничений, если принятые программы не распространяются далее посредством эфира, по кабельной сети или в виде магнитных записей. Коллективный прием сигнала, предполагающий последующее распространение программ, может производиться только по разрешению их создателей.

Цифровой метод передачи спутниковых телевизионных сигналов

Возрастающие требования к качеству телевизионного вещания, дальнейшее совершенствование его технологии приводят к необходимости изыскания новых эффективных методов создания, записи и передачи сигналов телевизионных программ. В течение многих лет в телевидении используют аналоговый телевизионный сигнал, который преобразует свет-сигнал в электрический аналог изображения.

Основное требование к передаче телевизионных сигналов – обеспечение минимальных искажений. Однако в процессе формирования и записи сигналов ТВ-программ, а также при передаче их по линиям связи методами и средствами, используемыми в аналоговом телевидении, сигналы подвергаются искажениям, которые накапливаются с увеличением числа обработок и переприемов. Особенно сильно эти искажения проявляются при компоновке программ, осуществляемой путем электронного монтажа видеозаписей на магнитной ленте.

При многократной перезаписи фрагментов программ, неизбежной во время монтажа, происходит существенное ухудшение качества аналоговых сигналов. Аналоговый тип телевизионных сигналов лимитирует дальнейшее повышение качества изображения и возможности различных спецэффектов. Отмеченные ограничения могут быть преодолены путем перехода на цифровую форму телевизионного сигнала. Поэтому в последние годы все большее внимание уделяется цифровому телевидению.

Цифровое телевидение представляет собой область, в которой операции обработки, записи и передачи телевизионного сигнала связаны с его преобразованием в цифровую форму. Отметим преимущества перехода к цифровой форме представления и передачи телевизионных сигналов:

  • Прежде всего, появляется возможность создания унифицированного видеооборудования, которое использует единый стандарт цифрового кодирования и, в перспективе, вытеснит многочисленные, несовместимые между собой стандартные системы цветного телевидения — SECAM, PAL, NTSC.
  • Все цифровые сигналы обрабатываются по единой технологии. Повышается стабильность параметров оборудования, которое работает в бесподстроечном режиме. Так обеспечивается значительное повышение качества телевизионного изображения, особенно при цифровой видеозаписи с применением электронного монтажа. Качество цифровой видеозаписи чрезвычайно важно для создания фондовых и архивных материалов, а также для длительного их хранения. Внедрение единого стандарта цифровой видеозаписи значительно облегчает международный обмен телевизионными программами.
  • Применение цифровых сигналов значительно расширяет номенклатуру спецэффектов. Это и селективная обработка участков кадра, и электронный монтаж из фрагментов нескольких кадров, замена объектов в кадре, геометрические преобразования изображений и т.п.

Цифровая техника открывает совершенно новые возможности в художественном оформлении телевизионных программ. Таким образом, внедрение цифровых методов существенно обогащает технологию телевизионного вещания, делает ее исключительно гибкой и высокопроизводительной. Повышается качество передачи сигналов телевизионных программ по линиям связи благодаря значительному ослаблению эффекта накопления искажений и применению кодов, обнаруживающих и исправляющих ошибки передачи.

Рис.2.5. Обобщенная структурная схема цифрового тракта преобразования ТВ сигнала

На вход тракта цифрового телевидения (см. рисунок 2.5) поступает аналоговый телевизионный сигнал. В кодирующем устройстве (кодере) телевизионный сигнал преобразуется в цифровую форму и поступает на передающее устройство, которое состоит, в общем случае, из кодера канала и устройства преобразования сигнала. Пройдя через канал связи, цифровой сигнал поступает в приемник, состоящий из устройства обратного преобразования сигнала и декодирующего устройства (декодера). Он, декодер, осуществляет преобразование цифрового телевизионного сигнала в аналоговый. Кодер и декодер канала также обеспечивают защиту от ошибок в канале связи. В устройствах преобразования характеристики цифрового сигнала согласуются с характеристиками канала связи.

Рис.2.6. Кодирование ТВ сигнала

Кодирование ТВ сигнала включает три этапа:

  • Дискретизацию (по времени).
  • Квантование (по уровню).
  • Кодирование (цифровое представление отобран- ных уровней).

При дискретизации из аналогового телевизионного сигнала (рис.2.6, а) формируется импульсный сигнал (множество отсчетов) (рис.2.6, б). В соответствии с теоремой Котельникова, достаточно знать ряд его мгновенных (дискретных) значений через интервал времени Т, который связан с верхней граничной частотой fгр передаваемого спектра зависимостью Т<0,5/fгр. Таким образом, выборка мгновенных значений телевизионного сигнала должна производиться с частотой дискретизации, большей, по крайней мере, в 2 раза верхней граничной частоты видеоспектра.

В результате получается серия отдельных импульсов, т. е. телевизионный сигнал оказывается «разбитым» на множество дискретных значений. Интервал времени Т между отсчетами называется интервалом дискретизации.

Передавать точно значения отсчетов нет необходимости, поскольку глаз человека обладает конечной разрешающей способностью по яркости. Это позволяет разбить весь диапазон значений отсчетов на конечное число уровней. Если число таких дискретных уровней выбрать достаточно большим, чтобы разность между двумя ближайшими уровнями не обнаруживалась зрителем, то можно вместо передачи всех значений отсчетов передавать лишь определенное число их дискретных значений. Полученные значения отсчетов округляются до ближайшего из набора фиксированных уровней, называемых уровнями квантования (рис.2.6, в). Уровни квантования разделяют весь диапазон значений отсчетов на конечное число интервалов, которые именуются шагами квантования. Каждому уровню квантования соответствует определенная область значений отсчетов. Границы между этими областями называются порогами квантования (рис.2.6, в).

Комплекс операций, связанных с преобразованием аналогового телевизионного сигнала в цифровой (дискретизация, квантование, кодирование), называется цифровым кодированием телевизионного сигнала. Для передачи телевизионного сигнала с высоким качеством необходимо примерно 256 уровней квантования (рис.2.6, г).

Декодирующее устройство телевизионного сигнала осуществляет операции, обратные производимым в кодере.

Непрерывный аналоговый телевизионный сигнал несет информацию об отдельных элементах изображения и может принимать любое значение. В цифровом телевизионном сигнале каждому элементу изображения соответствует большая группа импульсов, принимающих только два значения — «О» или «1» (рис.2.6, д). Отсюда следует, что главное преимущество цифровой формы представления — высокая защищенность от искажений и шумов. Это обусловлено тем, что на приемной стороне важно обнаружить факт передачи импульса в заданный момент времени независимо от его формы. Решить такую задачу легче, чем обеспечить неискаженную передачу формы аналогового сигнала.

Главным недостатком цифрового телевидения является более широкая полоса пропускания канала связи по сравнению с аналоговым. Это объясняется тем, что скорость передачи цифрового сигнала довольно велика. Она измеряемая числом двоичных символов в секунду (бит/с). Поэтому на сегодня основная проблема в цифровом телевидении – уменьшение в несколько раз требуемой скорости передачи сигналов. Она решается путем устранения избыточности, имеющейся в телевизионном сигнале, и использования эффективных методов модуляции. Различают статистическую, визуальную (физиологическую) и структурную избыточность телевизионного сигнала.

Статистическая избыточность вызвана корреляционными связями и предсказуемостью между элементами сигнала в одной строке, в смежных строках и соседних кадрах. Эта избыточность может быть устранена без потери информации, а исходные данные при этом могут быть полностью восстановлены.

Визуальная избыточность заключается в той части информации, которая не воспринимается глазом человека (например, цветовая разрешающая способность зрения примерно в 4 раза ниже, чем яркостная). Ее можно устранить с частичной потерей данных, мало влияющих на качество воспроизводимого изображения.

Структурная избыточность определяется законом разложения телевизионного изображения и связана со способом передачи телевизионного сигнала. Например, передаются постоянные по форме сигналы гашения, которые нет необходимости передавать в цифровом сигнале. Устранение этих сигналов позволяет уменьшить объем цифрового потока примерно на 23 %.

Для борьбы с помехами, приводящими к неверному распознаванию символов цифрового сигнала (к ошибкам передачи), в состав тракта цифрового телевидения включается кодер канала — устройство защиты от ошибок (см. рис.2.5). При этом для передачи по каналу используется помехоустойчивое кодирование. Наиболее распространенным методом помехоустойчивого кодирования является введение в цифровой канал избыточных символов. Отметим, что современные методы помехоустойчивого кодирования позволяют при введении в цифровой телевизионный сигнал сравнительно малого числа избыточных символов значительно уменьшить вероятность ошибочного приема символа.

Кроме ошибок передачи, внешние помехи приводят к временной нестабильности кодовых импульсов. Эту временную нестабильность, называемую фазовым дрожанием, также часто именуют джиттером.

Помехоустойчивость передачи цифрового телевизионного сигнала зависит от вида модуляции и кода, примененных для передачи цифровой информации по каналу, алгоритма декодирования сигнала в декодере и ряда других факторов.

Коды в цифровом телевидении используются:

  • Для кодирования телевизионного сигнала.
  • Для эффективной передачи по каналу.
  • Для цифровой обработки сигнала в различных звеньях тракта цифрового телевидения.
  • Для обеспечения удобства декодирования и синхронизации при приеме.

Цифровой телевизионный сигнал должен передаваться с высокой достоверностью. Защита его от искажений актуальна как в условиях телецентра, так и на линиях связи. Коррекция ошибок заключается в восстановлении поврежденной информации цифровыми методами, а маскирование ошибок — в замене поврежденной информации предыдущими или проинтерполированными данными. В итоге, качество цифрового телевизионного сигнала должно отвечать лишь одному требованию — возможности правильного приема кодовых комбинаций, оцениваемой вероятностью ошибки Р.

Стандарты MPEG

В 1988г. Совместным Техническим Комитетом по Информационной Технологии (JTCI), объединяющим исследования Международной Организации Стандартизации (ISO) и Международной Электротехнической Комиссии (IEC), была организована специальная группа — Motion Pictures Expert Group (MPEG). Задача этой группы состояла в том, чтобы разработать методы сжатия и восстановления цифрового видеосигнала в рамках стандарта, позволяющего объединить потоки видео-, аудио- и иной цифровой информации. Результатом многолетних исследований в области цифрового кодирования сигналов изображения и звукового сопровождения явилось создание международных стандартов для сжатия телевизионного сигнала: MPEG-1, MPEG-2 и MPEG-4. В настоящее время они наиболее перспективны и реализованы на практике. Все стандарты MPEG базируются на стандарте CCIR-601 (базовый стандарт цифрового видео).

Стандарты были разработаны для удовлетворения потребностей в методах кодирования движущихся изображений и звука, а также других сопутствующих данных для различных приложений, таких как хранение цифровой информации, телевещание и связь. Использование этих стандартов для кодирования видеоинформации означает, что движущиеся изображения можно обрабатывать как компьютерные данные и хранить их в различных устройствах, передавать и получать по существующим и будущим сетям и каналам вещания.

При создании стандартов были учтены требования различных типовых приложений, развиты и собраны в единый синтаксис необходимые алгоритмические элементы. Таким образом, эти стандарты призваны облегчить обмен битовыми потоками между различными приложениями. Они поддерживают постоянную и переменную скорости передачи, произвольный доступ, переключение каналов, масштабируемое декодирование, редактирование битового потока, а также такие специальные функции, как быстрое воспроизведение, быстрое обратное воспроизведение, обратное воспроизведение с нормальной скоростью, медленное движение, пауза и неподвижные изображения.

Стандарт MPEG-1 (1992г.) предназначен для записи видеоданных на компакт диски (CD-ROM) и передачи ТВ изображений по сравнительно низкоскоростным каналам связи (скорость цифрового потока до 1 — 3 Мбит/с). В нем используется стандарт развертки с четкостью в 4 раза меньшей, чем в вещательном телевидении: 288 активных строк в ТВ кадре и 352 отсчета в активной части ТВ строки. Работы над стандартом MPEG-2 начались в 1990г. Разработанный специально для кодирования ТВ сигналов вещательного телевидения, он позволяет получить высокую четкость ТВ изображения, соответствующую Рекомендации 601МККР: 576 активных строк в кадре и 720 отсчетов в активной части строки. Стандарт предназначен для каналов связи, обеспечивающих скорость передачи данных 3—10 Мбит/с для обычного телевизионного стандарта и 15 — 30 Мбит/с для телевидения высокой четкости (ТВЧ).

Проект стандарта MPEG-2 вышел в начале 1994г., а в 1995г. были выпущены последние документы.

Стандарт MPEG-4 начали разрабатывать еще в первой половине 90-х годов прошлого века. В декабре 1999 года был представлен релиз этого формата, получивший официальный статус стандарта ISO/IEC. MPEG-4 задумывался как способ передачи потоковых медиа-данных, в первую очередь видео, по каналам с низкой пропускной способностью. Применение более сложных алгоритмов компрессии позволило размещать полнометражные фильмы длительностью полтора-два часа в приемлемом качестве всего на одном компакт-диске. При одном и том же битрейте и определённых условиях кодирования, качество изображения фильма в MPEG-4 может быть лучше MPEG-2. Однако применение новых алгоритмов сжатия повлекло за собой и существенное увеличение требований к вычислительным ресурсам.

Общие положения

Стандарт MPEG-2 состоит из трех основных частей: системной, видео и звуковой.

Системная часть описывает форматы кодирования для мультиплексирования звуковой, видео и другой информации. Она рассматривает вопросы комбинирования одного или более потоков данных в один или множество потоков, пригодных для хранения или передачи.

Системное кодирование в соответствии с синтаксическими и семантическими правилами, обеспечивает необходимую информацию, чтобы синхронизировать декодирование без переполнения или «недополнения» буферов декодера при различных условиях приема или восстановления потоков.

Системный уровень выполняет пять основных функций:

  • Синхронизация нескольких сжатых потоков при воспроизведении.
  • Объединение нескольких сжатых потоков в единый поток.
  • Инициализация для начала воспроизведения.
  • Обслуживание буфера.
  • Определение временной шкалы.

Видеочасть стандарта описывает кодированный битовый поток для высококачественного цифрового видео. MPEG-2 поддерживает черезстрочный видеоформат и содержит средства для поддержки ТВЧ.

Звуковая часть стандарта MPEG-2 определяет кодирование многоканального звука. MPEG-2 поддерживает до пяти полных широкополосных каналов плюс дополнительный низкочастотный канал и (или) до семи многоязычных комментаторских каналов. Он также расширяет возможности кодирования моно и стерео звуковых сигналов за счет использования половинных частот дискретизации (16; 22,05 и 24 кГц) для улучшения качества при скоростях передачи 64 Кбит/с и ниже.

Применение стандарта MPEG-2 в вещательном телевидении позволяет значительно снизить скорость передачи видео- и звуковых данных и за счет этого транслировать несколько цифровых программ в стандартной полосе частот радиоканалов эфирного, кабельного и спутникового телевизионного вещания. Например, большие преимущества MPEG-2 дает в системах спутникового телевизионного вещания. Сжатие позволяет передать по одному стандартному каналу от одного до пяти цифровых каналов при профессиональном уровне качества видеосигнала. Важно и то, что цифровые каналы по сравнению с аналоговыми предоставляют более широкие возможности для передачи дополнительной информации.

Пропускная способность стандартного спутникового канала при полосе 32 МГц составляет 55 Мбит/с. Для вещания с профессиональным качеством необходима скорость цифрового потока 5 - 8 Мбит/с. Таким образом, один стандартный спутниковый канал позволяет транслировать 4-5 телевизионных программ. Возможно использование цифровых каналов с более высокими коэффициентами сжатия. При этом в одном стандартном канале передается до десяти видеопрограмм. Однако в этих случаях заметна потеря качества изображения.

В общем случае переход к цифровому многопрограммному ТВ вещанию предполагает постепенный вывод из эксплуатации аналоговых систем вещания: SECAM, PAL, NTSC, освобождение за счет этого существующих радиоканалов и линий связи, а также их перепрофилирование для цифрового ТВ вещания. При этом система многопрограммного ТВ вещания должны быть встроена в существующий частотный план распределения ТВ каналов, который предусматривает полосу пропускания 8 МГц для эфирного и кабельного ТВ вещания, 27 МГц — для спутниковых систем непосредственного ТВ вещания и 33, 36, 40, 46, 54, 72 МГц — для фиксированных служб спутниковой связи. Необходимо также учитывать сложившуюся взаимосвязь между спутниковыми и наземными системами телевещания, предполагающую использование кабельных ТВ каналов и эфирных сетей вещания для доведения спутниковых программ до телезрителей.

При цифровом вещании взаимный обмен телепрограммами между наземными и спутниковыми вещательными службами существенно упрощается, если число цифровых ТВ программ в каждом (стандартном по полосе пропускания) спутниковом, кабельном и эфирном радиоканале будет одинаковым. Это требование было учтено при разработке международных стандартов на методы модуляции и канального кодирования в цифровых спутниковых и наземных каналах связи — DVB-S, DVB-C и DVB-T (Digital Video Broadcasting — Satellite, Cable, Terrestrial) — путем применения для более узкополосных радиоканалов более сложных и эффективных по плотности передачи информации методов модуляции.

При организации многопрограммного цифрового ТВ вещания весьма важно правильно выбрать скорость передачи, поскольку от этого непосредственно зависит качество изображения и звукового сопровождения.

Согласно экспертным оценкам, для получения изображения студийного качества, соответствующего рекомендации 601МККР, необходимо передавать видеоданные со скоростью около 9 Мбит/с. При этом декодированный видеосигнал будет пригоден для последующей цифровой обработки. Для получения качественного изображения на экране бытового телевизора, скорость передачи видеосигнала должна быть около 6 Мбит/с. В этом случае декодированный видеосигнал будет малопригоден для последующей обработки и повторного кодирования с информационным сжатием.

В настоящее время общепринятым стандартом воспроизведения звука служат аудио компакт-диски. Поэтому в стандарте MPEG-2 предполагается, что в системах цифрового ТВ вещания качество звукового стереофонического сопровождения субъективно не должно отличаться от звука с компакт-диска. Это условие выполняется для принятой в стандарте MPEG-2 системы информационного сжатия звуковых данных MUSICAM при скорости передачи по 128 Кбит/с на каждый моноканал звукового сопровождения. Таким образом, для самого низкого уровня — двухканального стереофонического звукового сопровождения — потребуется скорость передачи цифровых данных, равная 128 Кбит/с х 2 = 256 Кбит/с.

Цифровой поток для передачи дополнительной информации (ДИ) выбирается в зависимости от ее предполагаемого объема. Скорость передачи обычно выбирается кратной скорости цифрового потока телефонного канала — 64Кбит/с. Чтобы унифицировать каналы цифровой передачи данных звукового сопровождения, была выбрана скорость передачи (ДИ) – 128 Кбит/с.

Сжатие видеосигнала в стандарте MPEG-2

Стандарт MPEG-2 не регламентирует методы сжатия видеосигнала, а только определяет, как должен выглядеть битовый поток кодированного видеосигнала, поэтому конкретные алгоритмы являются коммерческой тайной фирм-производителей оборудования. Однако существуют общие принципы, и процесс сжатия цифрового видеосигнала может быть разбит на ряд последовательных операций (рис.3.1): преобразование аналогового сигнала в цифровую форму, предварительная обработка, дискретное косинусное преобразование, квантование, кодирование.

После аналого-цифрового преобразователя (АЦП) производится предварительная обработка сигнала, которая включает в себя следующие преобразования:

  • Удаление избыточной информации. Например, если фон изображения состоит из идентичных символов (пикселов), то совершенно не обязательно их все передавать. Достаточно описать один пиксел и послать его с сообщением о том, как часто и где он повторяется в изображении.
  • Если исходное изображение передается в виде черезстрочных полей, то они преобразуются в кадры с прогрессивной разверткой.
  • Сигналы цветности (RGB) преобразуются в цветоразностные сигналы U и V, и сигнал яркости У.
Рис.3.1. Последовательность операций при сжатии цифрового сигнала
Рис.3.2. Формирование цифрового потока
1 - Видеосигнал; 2 - Один или более каналов
звука; 3 - Телетекст и Субтитры; 4 - Набор
данных о подписке на телеканал
(для платных кодированных каналов);
5 - Синхронизация.
Рис.3.3. Порядок кодирования I-,
Р- и В-кадров стандарту MPEG-2

Все эти данные преобразуются в цифровые потоки с помощью различных алгоритмов. Видеоканал преобразуется в цифровой поток с помощью алгоритма MPEG-2. В спутниковом вещании в настоящий момент используется так называемый основной уровень с форматом разложения на 576 строк в кадре и 720 отсчетов на строку. Для сжатия видеоданных строятся кадры трех типов. Кадры типа - I (interfarme) - это полные кадры, сжатые по методу, аналогичному JPEG. Такой метод позволяет добиться различной степени компрессии – выше сжатие – больше потерь качества изображения и наоборот. Кадры типа - Р (predicted - предсказанные) получаются с использованием алгоритмов компенсации движения и предсказания вперед по предшествующим кадрам. В Р-кадрах, если сравнивать их с I-кадрами, в три раза выше достижимая степень сжатия видеоданных. Кадры типа - В (bidirectional – двунаправленные) получаются четырьмя различными алгоритмами в зависимости от характера видеоданных. B-кадры содержат изменения относительно предыдущих и последующих кадров, используемых в качестве опорных. Это наиболее сжатые кадры.

Кадры различных типов собираются в группу – GOP, состоящие обычно из 12 чередующихся кадров. Типичным является следующий порядок кадров:

I0, B1, B2, P3, B4, B5, P6, B7, B8, P9, B10, B11, I12, B13, B14, P15 и т. д., в которых I кадры следуют с интервалом: (1/25 Гц) х 12= 0,48 с.

При передаче порядок следования I, Р и В кадров меняется так, чтобы в декодер сначала поступили опорные I и Р кадры, без которых нельзя начать декодирование. Типичным является следующий порядок передачи:

I0, P3, B1, B2, P6, B4, B5, P9, B7, B8, I12, B10, B11 – P15, B13 и т. д.

Для правильного декодирования в поток видеоданных включаются Метки Времени декодирования – DTS и Метки времени показа – PTS.

В результате получается поток цифровых данных, требуемая скорость передачи для такого потока – от 6 до 1.5 Мбит/Сек (низкая скорость потока видеоданных соответствует стабильным сюжетам с малым количеством движении).

Звуковые каналы преобразуются в цифровой поток по нескольким алгоритмам. Вообще, звуковой канал с CD-качеством звука (дискретизация 44.1 кГц ) требует скорости передачи до 1400 бит/Сек, что недопустимо много. Использование сжатия по методу MPEG Audio Уровня 3(МР-3) позволяет добиться сжатия аудиоданных в 4-12 раз. Уровень 1 сжимает данные 1:4 и требует скорости 384 кБит/Сек. Уровень 2 сжимает данные в 6-8 раз и требует скорости 256..192 кБит/Сек, а Уровень 3 – в 10-12 раз и требует 128..112 кБит/Сек для стереосигнала.

В настоящее время широко используется Dolby AC-3, который обеспечивает многоканальную передачу звука и требует 384 кБит/Сек для 5+1 - каналов в формате Dolby Surround Digital или 192кБит/Сек для обычного стереосигнала. Dolby AC-3 интересен еще и тем, что в таком формате записан звук большинства современных фильмов в кинематографе.

Синхронизация обеспечивается эталонным генератором 27МГц на приемной стороне. Для подстройки частоты и фазы эталонного генератора периодически должно передаваться Поле Эталонных часов - PCR (Program Clock Reference). Кроме того, как уже говорилось, видеопоток содержит Метки Времени DTS и PTS. Последние два потока в MPEG принято называть системными.

Итак, для конкретного телеканала получено три потока сжатых данных - видео, аудио и системный. Все потоки требует различных скоростей передачи, по этому они мультиплексируются – то есть, режутся на блоки и складываются в один общий высокоскоростной поток. Блоки принято называть пакетами, а для того чтобы разделить потоки на приемной стороне, каждому цифровому потоку назначается Идентификатор Пакета PID. Каждый пакет в заголовке содержит идентификатор своего потока. Размер такого блока 188 байт.

Далее пакеты защищаются – к ним добавляется Reed-Solomon code – код Рида-Соломона, который позволяет скорректировать ошибки от выпавших или неправильно переданных бит на приемной стороне за счет избыточной информации, которую он несет. С добавленным RS-кодом длина пакета становится 204 байта. Полученный пакет представляет собой в MPEG единицу представления данных и его принято называть Упакованый Элементарный Поток (PES - Paketised Elementary Stream).

Вторая ступень защиты – это FEC (Forward Error Correction) - избыточность для возможной коррекции ошибок вводится еще раз. Применяется пять типов FEC - 0, 1/2, 3/4, 5/6, 7/8. Так 3/4 означает, что из 4 переданных бит только 3 несут информацию, а 1 – избыточный.

Совокупность таких пакетов образует Транспортный поток (TS - Transport Stream). Если поток образован одной телепрограммой, то его скорость 6-6.5Мбит/Сек. Формирование и декодирование такого потока было стандартизовано в MPEG-2. Однако, транспондеры современных спутников способны иметь полосу пропускания сигнала 33 - 72МГц. Поэтому в стандарте DVB была оговорена возможность включать в транспортный поток цифровые данные для нескольких телепрограмм сразу. Действительно, высокоскоростной транспондер в этом случае способен передать 6-9 телепрограмм сразу.

Для передачи дополнительной информации в DVB используются специальные таблицы, которые либо несут информацию сами, либо уточняют структуру других потоков. Эти таблицы с определенной периодичностью включаются в общий транспортный поток и могут быть выделены по PID, которые для конкретных таблиц специально зарезервированы.

Для более надежного распознавания таблицы имеют также Идентификатор, который находится в ее начале.

Для таблиц определен максимальный интервал, в течение которого она должна появиться в транспортном потоке. Если такой интервал не указан – таблица считается факультативной.


Наименование таблицы PID Hex Table ID Min Интервал Max Интервал
PAT - Таблица программ 0000 00 25ms 0.1 sec
CAT - Таблица условного доступа 0001 01 25ms 0.1 sec
PMT - Таблица структуры программы 0020 - 1FFE 02 25ms 0.1 sec
NIT - Таблица сетевой информации 0010 40-41 25ms 10 sec
BAT - Таблица групп программ 0011 4A 25ms 10 sec
SDT - Таблица описания сервисной информации 0011 42, 46 25ms 2 sec
EIT - Таблица событий ТВ 0012 4E-6F 25ms 2 sec
RST - Таблица запущенных программ 0013 71 25ms -
TDT - Таблица Дата/Время 0014 70 25ms 30 sec
TOT - Таблица смещения времени 0014 73 25ms 30 sec
ST - Stuffing Table - Служебная таблица 0010-0014 72 25ms -
Зарезервировано 0015-001F 43-45, 47-49,
4B-4D, 74-7F
- -

Такие таблицы периодически включаются в транспортный поток. С их помощью компьютер ресивера управляет демультиплексором потока. Выделить сервисную таблицу возможно по PID, которые зарезервированы только для этих таблиц. Наибольшую важность представляет PAT (Program Association Table). Это таблица программ, которая включается в поток с PID=0000. Данная таблица содержит названия всех программ в данном потоке и PIDы для их PMT (Program Map Table) – Таблиц Структуры Программы. Последние включаются в поток для каждой телепрограммы и содержат PIDы ее компонентов - видео, звука, синхронизации.

Кроме перечисленных таблиц в поток с PID=0001 включается CAT (Condition Access Table) - таблица условного доступа, которая несет PIDы всех EMM (Entitlement Management Message). Видеопотоки сжатые MPEG-2 с битрейтом 9 Мбит/сек используются при студийной записи и в высококачественном цифровом видеомонтаже.

С появлением первых DVD-проигрывателей, обладающих относительно доступной ценой, MPEG-2 был выбран в качестве основного формата компрессии видеоданных за его высокое качество и относительно высокую степень сжатия.

Как стало известно из исследований комитета MPEG, свыше 95% видеоданных, так или иначе, неоднократно повторяются в разных кадрах. Эти данные являются балластными или, если использовать термин, предложенный комитетом MPEG, избыточными. Избыточные данные удаляются практически без ущерба для изображения, а на место повторяющихся участков при воспроизведении подставляется один-единственный оригинальный фрагмент. После разбивки видеопотока на фреймы, данный алгоритм анализирует содержимое очередного фрейма на предмет повторяющихся избыточных данных. Составляется список оригинальных участков и таблица участков повторяющихся. Оригиналы сохраняются, копии удаляются, а таблица повторяющихся участков используется при декодировании сжатого видеопотока. Результатом работы алгоритма удаления избыточной информации является превосходное высокочеткое изображение при низком битрейте.

Но и у этого алгоритма есть ограничения. Например, повторяющиеся фрагменты должны быть достаточно крупными, иначе пришлось бы заводить запись в таблице повторяющихся участков чуть ли не на каждый пиксел, что свело бы пользу от таблицы к нулю, так как ее размер превышал бы размер фрейма. В MPEG-2 используется нелинейный процесс дискретно-косинусного преобразования. Теперь стало возможным в процессе кодирования задавать точность частотных коэффициентов матрицы квантования, что непосредственно влияет на качество получаемого в результате сжатия изображения (и на размер тоже). Используя MPEG-2, пользователь может задавать следующие значения точности квантования – 8, 9, 10 и 11 бит на одно значение элемента, что делает этот формат значительно более гибким по сравнению с MPEG-1, в котором было только одно фиксированное значение – 8 бит на элемент.

Также стало возможным загрузить отдельную матрицу квантования (quantization matrix) непосредственно перед каждым кадром, что позволяет добиться очень высокого качество изображения, хоть это и довольно трудоемко. Быстро движущиеся участки – традиционно слабое место для MPEG, в то время как статичные участки изображения кодируются очень хорошо. Отсюда следует вывод, что нельзя статику и участки с движением кодировать одинаково, поскольку качество изображения зависит от стадии квантования, которая во многом зависит от используемой матрицы квантования. Поэтому, меняя эти матрицы для разных участков видеоролика можно добиться улучшения качества.

Не обошли нововведения и алгоритмы предсказания движения. Данные алгоритмы существенно повысили качество картинки и, что немаловажно, позволили делать ключевые кадры реже, увеличив, таким образом, количество промежуточных кадров и повысив степень сжатия. Основной размер блоков, на которые разбивается изображение, может быть 8х8 точек, 16х16 и 16х8.

Необходимо, чтобы разрешение изображения по вертикали и горизонтали было кратно 16 в режиме покадрового кодирования, и 32 по вертикали в режиме кодирования полей (field-encoder), где каждое поле состоит из двух кадров. Помимо вышеперечисленных улучшений в формат MPEG-2 были введены еще несколько новых, нигде ранее не используемых, алгоритмов компрессии видеоданных.

Наиболее важные из них - это алгоритмы под названиями Scalable Modes, Spatial scalability, Data Partitioning, Signal to Noise Ratio (SNR) Scalability и Temporal Scalability.

Scalable Modes - набор алгоритмов, который позволяет определить уровень приоритетов разных слоев видеопотока. Поток видеоданных делится на три слоя – base, middle и high. Наиболее приоритетный на данный момент слой (например, передний план) кодируется большим битрейтом.

Spatial scalability (пространственное масштабирование) – при использовании этого алгоритма, базовый слой кодируется с меньшим разрешением. В дальнейшем полученная в результате кодирования информация используется в алгоритмах предсказания движения более приоритетных слоев.

Data Partitioning (дробление данных) – этот алгоритм дробит блоки размером в 64 элемента матрицы квантования на два потока. Один поток данных, более высокоприоритетный состоит из низкочастотных (наиболее критичные к качеству) компонентов, другой, соответственно, менее приоритетный состоит из высокочастотных компонентов. В дальнейшем эти потоки обрабатываются по-разному. Именно поэтому в MPEG-2 и динамические и статистические сцены смотрятся весьма неплохо.

Signal to Noise Ratio (SNR) Scalability (масштабирование соотношения сигнал/шум) – при действии этого алгоритма разные по приоритету слои кодируются с разным качеством. Низкоприоритетные слои более дискретизированны, более грубы, соответственно, содержат меньше данных, а высокоприоритетный слой содержит дополнительную информацию, которая при декодировании позволяет восстановить высококачественное изображение.

Temporal Scalability (временное масштабирование) – после действия этого алгоритма у низкоприоритетного слоя уменьшается количество ключевых блоков информации, при этом высокоприоритетный слой, напротив, содержит дополнительную информацию, которая позволяет восстановить промежуточные кадры, используя для предсказания информацию менее приоритетного слоя.

У всех этих алгоритмов много общего: они работают со слоями потока видеоданных. Использование этих алгоритмов позволяет достичь высокого сжатия при практически незаметном ухудшении картинки.

Системный уровень MPEG-2

Как уже отмечалось, системная часть стандарта MPEG-2 регламентирует порядок формирования единого (транспортного) потока данных из множества элементарных потоков и определяет порядок их кодирования. После сжатия звуковой и видеоинформации на выходе соответствующих кодеров формируются элементарные потоки (ES — Elementary Stream).

Рис.3.4. Структура ES, PES и транспортного потоков MPEG-2

Несколько элементарных потоков поступают на вход формирователя пакетированного элементарного потока (PES — Packetized Elementary Stream). В результате на его выходе образуется пакетированный элементарный поток одного телевизионного канала, который может состоять, например, из одного элементарного потока видеоданных и нескольких элементарных потоков звукового сопровождения.

Из всех подаваемых на вход мультиплексора пакетированных элементарных потоков формируется транспортный поток. Кроме PES, на мультиплексор поступают сигналы синхронизации и различные цифровые данные, например, телетекст, коды доступа и т. д. Структура ES, PES и транспортного потоков представлены на рис.3.4.

Элементарный поток содержит только один вид кодированной информации – звук или видео. Пакетированный элементарный поток состоит из заголовка пакета и следующего за ним пакета данных переменной длины (до 64 килобайт). Заголовок пакета состоит из следующих полей:

  • Стартовый код – три байта.
  • Код идентификации – один байт. Обеспечивает распознавание до 16 видео- и 32 аудиопрограмм.. Каждая из этих 48 программ может иметь «данные пользователя». Эта информация может использоваться для того, чтобы обеспечить адресность верхней части набора или другие функции.
  • Поле длины данных заголовка PES-пакета. Указывает количество байтов дополнительных данных заголовка, которые могут присутствовать до начала старта пакета. Дополнительные данные могут иметь длину до 200 байт.
  • Флаги 1 и 2 показывают: присутствуют или нет дополнительные поля (области). Они содержат информацию о зашифрованности сигнала, его приоритете, а также поля дополнительной коррекции ошибок и т. д.

Транспортный поток состоит из цепочки PES-пакетов фиксированной длины (188 байт), причем по окончании каждого из них находится 16 байт контрольной суммы. К ним предъявляются следующие требования:

  • Первый байт данных PES-пакета должен совпадать с первым байтом данных пакета транспортного потока.
  • Один пакет транспортного потока может содержать данные только одного PES-пакета. В случае, если данные одного PES-пакета заканчиваются в середине пакета транспортного потока, то оставшееся место заполняется полем дополнительной информации.

Качество кодирования и декодирования телевизионных сигналов по стандарту MPEG-2 определяется не только возможностями аппаратных средств, но и уровнем проработки специализированного программного обеспечения.

Стандарт MPEG-4

Разрабатывать данный стандарт начали еще в первой половине 90-х годов прошлого века. В декабре 1999 года был представлен релиз этого формата, получивший официальный статус стандарта ISO/IEC. MPEG-4 задумывался как способ передачи потоковых медиа-данных, в первую очередь видео, по каналам с низкой пропускной способностью. При одном и том же битрейте и определённых условиях кодирования, качество изображения фильма в MPEG-4 может быть лучше MPEG-2. Однако, применение новых алгоритмов сжатия повлекло за собой и существенное увеличение требований к вычислительным ресурсам.

Алгоритм компрессии видео в MPEG-4 работает по той же схеме, что и в предыдущих форматах. При кодировании исходного изображения кодек ищет и сохраняет ключевые кадры, на которых происходит смена сюжета. А вместо сохранения промежуточных кадров прогнозирует и сохраняет лишь информацию об изменениях в текущем кадре по отношению к предыдущему. Полученная, таким образом, информация сжимается по алгоритмам компрессии, аналогичным тем, что применяются в архиваторах. Компрессия звука чаще всего производится в формате MP3 или WMA. Однако, здесь возможно использование любого кодека, вплоть до применяемого в DVD шестиканального AC-3 потока.

Кардинальное нововведение при компрессии видео в MPEG-4 заключается в следующем. В отличие от предыдущих форматов, которые делили изображение на прямоугольники, новый кодек при обработке изображений оперирует объектами с произвольной формой. К примеру, человек, двигающийся по комнате, будет воспринят как отдельный объект, перемещающийся относительно неподвижного объекта – заднего плана. Естественно, алгоритмы поиска и обработки подобных объектов требуют гораздо больше вычислительных ресурсов, нежели в случае MPEG-2.

При кодировании телевизионных программ высокой чёткости (HDTV) как правило, используется алгоритм компрессии MPEG-4.

Приемные антенны

Приемная антенна предназначена для приема и концентрации электромагнитных волн, исходящих cо спутника-ретранслятора. Антенны, применяемые в установках непосредственного телевизионного вещания, не имеют каких-либо принципиальных отличий от антенн СВЧ, используемых в других радиосистемах. По мере развития спутниковой связи совершенствовалось и приемное оборудование. Новые достижения радиоэлектроники, повышение мощности ретрансляторов и установка на КА передающих антенн, формирующих узкий луч, позволили уменьшить размеры приемной антенны до 40 — 60 см. К современной антенне, кроме достаточно жестких технических требований, предъявляются также требования экономической целесообразности, эстетики, надёжности эксплуатации.

В настоящее время приемные антенны СНТВ можно разделить на 2 типа:

  • Зеркальные.
  • Плоские.

Существуют также антенны других конструкций (рупорные, линзовые), но, несмотря на ряд ценных качеств, из-за высокой стоимости они находят лишь ограниченное применение. Однако не исключена возможность, что в дальнейшем они будут использоваться более широко.

Основные электрические характеристики приемных антенн

Рис.4.1. Сферические
координаты точки
наблюдения

При рассмотрении общих электрических параметров, характеризующих качество антенны, необходимо отметить, что, как следует из теории антенных устройств, приемные и передающие антенны имеют одни и те же электрические характеристики.

Рабочий диапазон волн — это диапазон, в пределах которого антенна сохраняет с заданной точностью свои основные параметры (направленное действие, поляризационную характеристику, согласование). Требования к постоянству параметров в пределах рабочего диапазона могут быть различными в зависимости от условий использования антенны. Если ширина рабочего диапазона не превосходит нескольких процентов от длины средней волны диапазона, то антенна называется узкодиапазонной, а если составляет несколько десятков процентов и больше — широкодиапазонной.

Существенное значение имеют характеристики направленности. Благодаря возможности создания антенн с высокой пространственной избирательностью осуществляется прием программ спутникового ТВ вещания.

Наглядное представление о распределении энергии волн дает амплитудная характеристика направленности. Характеристика направленности приемной антенны определяется величиной наводимой в ней электродвижущей силы (ЭДС) в зависимости от направления в пространстве (или от угла падения приходящей волны). Направление определяется азимутальным φ и меридиональным θ углами сферической системы координат (рис.4.1). При этом поле измеряется на одном и том же (достаточно большом) расстоянии r от антенны и предполагается, что потери в среде отсутствуют.

Рис.4.2. Диаграммы направленности в полярной и декартовой системах координат

Графическое изображение характеристики направленности называют диаграммой направленности. Пространственная диаграмма направленности изображается в виде поверхности f (φ,θ). Пользоваться такой диаграммой неудобно. Поэтому на практике обычно строят диаграммы направленности в какой-нибудь одной плоскости, в которой она изображается плоской кривой f(φ) или f(θ) в полярной или декартовой системе координат.

Данное определение относится к диаграмме направленности по полю. В некоторых случаях используется понятие характеристики (диаграммы) направленности по мощности, которая определяется зависимостью плотности потока мощности от направления в пространстве.

Плотность потока мощности представляет собой мощность излучения, проходящего через единичную площадку, расположенную перпендикулярно направлению распространения волны. Поэтому диаграмма направленности по мощности пропорциональна f2 (φ,θ). Характеристика направленности, максимальное значение которой равняется единице, называется нормированной диаграммой и обозначается F (φ,θ). Она легко получается из ненормированной характеристики путем деления всех ее значений на максимальное: F (φ,θ) = f (φ,θ)/ f (φ,θ).

На рис.4.2 представлены нормированные f (φ, θ) диаграммы направленности в полярной и декартовой системах координат. Область 1 называют основным (главным) лепестком, области 2 — задними и боковыми лепестками. Чем меньше угол раствора главного лепестка и уровень заднего и боковых лепестков, тем больше уровень сигнала на выходе антенны и выше помехозащищенность приема.

Направленное действие антенны часто оценивают по углу раствора диаграммы направленности, который также называют шириной диаграммы. Под шириной 0,5 диаграммы (главного лепестка) подразумевают угол между направлениями, вдоль которых напряженность поля уменьшается в √2 раз по сравнению с напряженностью поля в направлении максимума излучения (рис.4.3). Поток мощности соответственно уменьшается вдвое. В некоторых случаях под шириной 0 подразумевают угол между направлениями (ближайшими к направлению максимума), вдоль которых напряженность поля равна нулю.

Для сравнения направленных антенн вводят параметр – коэффициент направленного действия (КНД). Коэффициент направленного дей-ствия D — это число, показывающее, во сколько раз пришлось бы увеличить мощность излучения антенны при переходе от направленной антенны к ненаправленной при условии сохранения одинаковой напряженности поля в месте приема (при прочих равных условиях):

D = PΣO/PΣ,

(4.1)

где PΣO — мощность излучения ненаправленной антенны; PΣ — мощность излучения направленной антенны.

Коэффициент направленного действия приемной антенны показывает, какому увеличению мощности передатчика эквивалентно даваемое направленной антенной превышение сигнала над уровнем помех (по сравнению с приемом на ненаправленную антенну) при условии равномерного распределения помех во всех направлениях.

Коэффициент направленного действия для реальных антенн достигает значения от единиц до нескольких тысяч. Он показывает выигрыш в мощности, который можно получить за счет использования антенны направленного действия, но не учитывает возможных в ней потерь.

Рис.4.3. Диаграммы направленности
приемной антенны

Эффективная площадь антенны А характеризует площадь поверхности, с которой приемная антенна собирает энергию, и определяется как отношение максимальной мощности, которая может быть отдана приемной антенной (без потерь) в согласованную нагрузку, к мощности , приходящейся на единицу площади в падающей (не искаженной антенной) плоской волне:

А = Рпр/∏,

(4.2)

где численно равно модулю вектора Пойтинга. Между эффективной площадью А и коэффициентом направленного действия D антенны существует следующая связь:

D = 4πA/λ2

(4.3)

или

A = D λ2/4π,

(4.4)

где λ - длина волны.

Поскольку параметр D применяется как к передающим, так и к приемным антеннам, постольку и параметр А также может быть использован для характеристики свойств любых антенн — и приемных, и передающих. Для суждения о выигрыше, даваемом антенной, при учете, как ее направленного действия, так и потерь в ней служит параметр, называемый коэффициентом усиления антенны.

Коэффициент усиления антенны равен произведению КНД на ее КПД:

G = Dη.

(4.5)

С учётом (4.1), получаем:

G = PΣO/PA.

(4.6)

Отношение мощностей в последнем выражении определяется при условии получения одинаковой напряженности поля в точке приема. Таким образом, коэффициент усиления показывает, во сколько раз нужно уменьшить (или увеличить) мощность, подводимую к направленной антенне, по сравнению с мощностью, подводимой к идеальной ненаправленной антенне без потерь, для того чтобы получить одинаковую напряженность поля в данном направлении. Если специальных оговорок не делается, то под коэффициентом усиления (так же, как и под коэффициентом направленного действия) подразумевается его максимальное значение, соответствующее направлению максимума диаграммы направленности.

Антенна должна иметь возможно больший коэффициент усиления G и, следовательно, большие геометрические размеры, что делает ее дорогостоящим сооружением. Поэтому при заданной геометрической площади важно получить максимальный коэффициент усиления G. Фактически, из-за неточностей, допускаемых при изготовлении антенны, из-за деформаций, вызываемых ветровыми нагрузками, односторонним солнечным нагревом и т. п., реальное усиление оказывается ниже максимального.

Рис.4.4. Колебания спутника-ретранслятора на геостационарной орбите

С увеличением значения G должна уменьшаться ширина главного лепестка диаграммы направленности. В случае уменьшения ширины диаграммы направленности до величин менее одного градуса необходимо снабжать антенну системой слежения, так как геостационарные спутники совершают сложные гармонические годовые и суточные колебания, которые с Земли наблюдаются в форме изменяющейся восьмерки (рис.4.4).

Увеличение ширины диаграммы направленности приводит к уменьшению коэффициента усиления GH, и как следствие, падению мощности сигнала на входе приемника. Исходя из этого, оптимальной диаграммой для индивидуальных приемных устройств следует признать диаграмму направленности с шириной главного лепестка в пределах 1 - 2°.

К уменьшению коэффициента усиления G приводит также наличие в диаграмме направленности антенны боковых лепестков. Еще одна причина, заставляющая уделять особое внимание боковым лепесткам, состоит в необходимости обеспечения высокой помехозащищенности приемной установки.

Через боковые лепестки на вход приемника могут попадать помехи от соседних спутников-ретрансляторов, от наземных радиолокаторов и радиорелейных линий связи, работающих в СВЧ диапазоне, и т. д. Таким образом, снижение уровня боковых лепестков (особенно уровня первого бокового лепестка) позволяет значительно повысить помехозащищенность приемной установки.

Большое значение имеют поляризационные свойства антенны. Распространяющаяся электромагнитная волна характеризуется векторами электрической Е и магнитной Н напряженности электромагнитного поля. Векторы Е и Н вдоль направления распространения волны непрерывно изменяют во времени свои значения в соответствии с законом, по которому изменялся ток в проводнике, возбудивший электромагнитную волну (рисунок 4.5). Особую роль при распространении волны играет пространственная ориентация этих векторов. Поляризация излучения определяется положением вектора Е. Зная направление этого вектора в пространстве и изменение этого направления во времени, можно составить представление о характере поляризации волны.

В случае линейной поляризации вектор напряженности электрического поля колеблется по направлению от положительного до отрицательного в вертикальной или горизонтальной плоскости (вертикальная или горизонтальная поляризация) (рис.4.5, а, б).

Более сложное представление имеет вращающаяся поляризация (рис.4.5, в). В этом случае вектор Е в точке наблюдения непрерывно меняет свою ориентацию. За период волны вектор Е делает один полный оборот в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. Кривая, которую описывает конец этого вектора в точке наблюдения за один период, называется поляризационной характеристикой.

Поляризационная характеристика антенны с вращающейся поляризацией представляет собой эллипс. Определяющими параметрами эллипса, являются коэффициент эллиптичности т и угол наклона а (рис.4.6). Коэффициент эллиптичности представляет собой отношение малой полуоси эллипса (ОА = а) к большой (ОВ = b):

m = а/b

(4.7)

Коэффициент m в общем случае может принимать значения от 0 до 1 (0 соответствует линейно поляризованному полю, 1 — полю с круговой поляризацией). Углом наклона а называется угол между большой осью эллипса и координатной осью X (рис.4.6, в). Для более полной оценки поля в точке наблюдения наряду с параметрами эллипса необходимо знать также направление вращения вектора Е и его начальную фазу (положение вектора Е в плоскости ХОY в момент времени t = 0).

В зависимости от направления вращения вектора Е различают поля правого и левого вращения. Полем левого вращения называется такое поле, вектор вращения Е которого вращается по часовой стрелке для наблюдателя, смотрящего навстречу направлению распространения волны. Вектор Е поля правого вращения вращается против часовой стрелки.

Рис.4.5. Структура электромагнитной волны:
а - вертикальная поляризация; б - горизонтальная поляризация; в - вращающаяся поляризация.

На рис.4.6 изображены различные поляризационные характеристики. Поляризационные характеристики, изображенные на рис.4.6, а, б, соответствуют линейно поляризованному полю (т = 0) и представляют собой прямую линию, ориентированную вдоль оси Y (вертикальная линейная поляризация) или вдоль Х (горизонтальная линейная поляризация). Показанная на рис.4.6, в поляризационная характеристика соответствует полю с вращающейся поляризацией и представляет собой эллипс (0 < m < 1). На рис.4.6, г представлена поляризационная характеристика поля с круговой поляризацией (m = 1) правого направления вращения (волна распространяется вдоль оси Z).

Рис.4.6. Поляризованные поля:
а - вертикально; б — горизонтально; в — эллиптически;
г — поле круговой поляризации правого направления вращения;
д — поле круговой поляризации левого направления вращения;
е — представление поля с вращающейся поляризацией двумя взаимно перпендикулярными векторами

Необходимо отметить, что поляризация волн, проходящих через направление максимального излучения (главный лепесток), называется главной, или основной. В других плоскостях имеется составляющая поля, поляризованная перпендикулярно основной поляризации. Эта составляющая называется кроссполяризационной и является нежелательной. Уровень кроссполяризационного излучения определяется как отношение мощности, излучаемой антенной в направлении максимума на рабочем виде поляризации, к мощности, излучаемой этой же антенной, на побочном виде поляризации в направлении максимума побочного излучения.

Поляризация сигнала, излучаемого спутником-ретранслятором, определяется конструкцией его передающей антенны. Для обеспечения качественной телевизионного приема необходимо (!) чтобы поляризация приемной антенны соответствовала поляризации принимаемого сигнала.

Таким образом, исходя из приведенных выше сведений, можно сформулировать требования к основным характеристикам приемных антенн непосредственного телевизионного вещания. Антенны должны обладать:

  • Высоким коэффициентом усиления (35 — 50 дБ) при достаточно высоком коэффициенте использования поверхности (0,5 — 0,7).
  • Низким уровнем боковых лепестков (—25...—35 дБ).
  • Малым значением шумовой температуры (20 — 30 К).
  • Низким уровнем кроссполяризации (—30... —35 дБ).
  • Необходимыми динамическими характеристиками и конструкцией, обеспечивающими сохранение электрических характеристик и надеж-ной работы в заданных климатических условиях.

Сегодня, приведенным выше требованиям, наиболее полно соответствуют зеркальные антенны, которые в основном и применяются в спутниковой радиосвязи.

Зеркальные антенны

Рис.4.7. Парабола y=x2/4F, где F=4
Рис.4.8. Передающая (а) и приемная (б)
зеркальные антенны

Практически все антенны, которые используются в индивидуальных установках — это параболические зеркальные антенны, выполненные по однозеркальной схеме. Зеркальная антенна - это система из одного или нескольких металлических зеркал. При прочих одинаковых характеристиках зеркальные антенны оказались самыми дешевыми и технологичными.

Поверхность зеркала представляет собой вырезку из параболоида вращения — тела, образованного вращением кривой y=x2/4F (параболы) вокруг оси OY. Такое зеркало концентрирует в точке (0; F) энергию радиоволн, если они приходят с направления, совпадающего с направлением оси OY.

Источником (приемником) электромагнитной волны обычно служит небольшая элементарная антенна, называемая, в этом случае, облучателем зеркала, или просто облучателем. Зеркало и облучатель являются основными элементами зеркальной антенны. На рис.4.8, а представлен вариант зеркальной антенны в качестве передающей. В случае построения такой антенны как приемной (рис.4.8,6) облучатель является уже не источником электромагнитного излучения, а приемником, который принимает сфокусированный антенной сигнал и передает его в конвертор.

Однозеркальные антенны

Широко известный и исторически первый тип зеркальных антенн — осесимметричный параболический рефлектор с расположенным в его фокусе облучателем. Достоинствами такой антенны являются простота и относительно невысокая стоимость. Именно поэтому такие антенны более всего подходят для индивидуальных приемных установок. Принцип работы зеркальных антенн проще всего рассмотреть с помощью метода геометрической оптики. Схема осесимметричной параболической антенны изображена рис.4.9.

Действие параболического зеркала заключается в том, что лучи, расходящиеся из фокуса, после отражения от поверхности становятся параллельными (см. рис.4.8,а). Параллельным лучам соответствует плоский фронт волны. Если в фокусе параболической антенны поместить источник сферической волны, то после отражения от зеркала она преобразуется в плоскую. В случае работы такой антенны в качестве приемной, падающая электромагнитная волна после отражения концентрируется в фокусе, в котором расположен облучатель. В качестве отражающих поверхностей, в основном, применяют металлические зеркала, дающие практически полное отражение падающих на них лучей.

Методы геометрической оптики, согласно которым каждый луч облучателя, падающий на какую-либо точку параболоида, создает определенный отраженный луч, являются приближенными. Строго говоря, геометрическая оптика справедлива, если длина электромагнитной волны бесконечно мала по сравнению с размерами зеркала и радиусами его кривизны. Более точное физическое объяснение принципа действия зеркальной антенны состоит в следующем. Энергия электромагнитного поля, направляемая облучателем на зеркало, возбуждает токи на его поверхности. Каждый элемент поверхности параболоида, обтекаемый током, может рассматриваться как элементарный источник, излучающий энергию в различных направлениях (широкая диаграмма направленности). Для получения узкой диаграммы направленности, необходимо распределить энергию между элементарными источниками так, чтобы в нужном направлении поля их излучений оказались синфазными. На рис.4.9 приведены основные геометрические характеристики параболоидного рефлектора: Ro — радиус антенны; f — фокусное расстояние; В — глубина рефлектора; F — фокус зеркала; 0 — угол раскрыва апертуры.

Часть плоскости z = z0, ограниченная кромкой параболоида (см. рис.4.9), называется раскрывом зеркала. Радиус Ro этого круга называется радиусом раскрыва. Угол 0, под которым видно зеркало из фокуса, называется углом раскрыва зеркала.

Рис.4.9. Геометрические характеристики
параболоидного рефлектора

Форму зеркала удобно характеризовать либо отношением радиуса раскрыва к удвоенному фокусному расстоянию (параметру параболоида) R0/2f, либо величиной половины угла раскрыва TQ. Зеркало называется мелким, или длиннофокусным (рис.4.10, а), если Ro< 2f(ψ0< π/2), и глубоким, или короткофокусным (рис.4.9, в), если Ro> 2f( ψ0 > π/2). При Ro = 2f(ψ0 = π/2) фокус зеркала лежит в плоскости его раскрыва. Иногда для оценки антенн используется параметр f/(2Ro), т. е. отношение фокусного расстояния к диаметру. В системах непосредственного телевизионного вещания целесообразно использовать длиннофокусные зеркала, так как с увеличением f/2Ro уменьшаются кроссполяризационные потери.

Диаграмма направленности параболической антенны полностью определяется распределением поля в ее раскрыве и соотношением между длиной волны и радиусом раскрыва зеркала. При фиксированном значении раскрыва зеркала главный лепесток диаграммы направленности будет наиболее узким при равноамплитудном распределении поля в раскрыве зеркала. Однако при таком распределении боковые лепестки будут большими.

Если амплитуда поля спадает к краям зеркала, то главный лепесток диаграммы направленности несколько расширяется, а уровни боковых лепестков уменьшаются. Во многих случаях уменьшение уровня боковых лепестков является весьма желательным, вследствие чего зеркало облучают так, чтобы амплитуда поля уменьшалась при перемещении от центра раскрыва к его краям. Однако уменьшение амплитуды поля к краям площадки ведет к уменьшению коэффициента использования поверхности раскрыва, что нежелательно. Вследствие этого ищется компромиссное решение вопроса о наиболее рациональном облучении зеркала. Если от зеркальной антенны стремятся получить наибольший коэффициент усиления, то зеркало облучают так, чтобы амплитуда поля на его краях была на 10дБ ниже, чем в центре раскрыва. Если стремятся, по возможности, уменьшить, уровень боковых лепестков и, следовательно, собственную шумовую температуру антенны, то понижение амплитуды поля к краям зеркала достигает 15 — 20 дБ. Как уже указывалось, распределение поля в раскрыве зеркала определяется диаграммой направленности облучателя и соотношением между радиусом раскрыва и фокальным параметром параболоида. Выбирая тот или иной облучатель, размер параболоида и значение фокусного расстояния, добиваются получения требуемой диаграммы направленности зеркальной антенны.

Рис.4.10. Зеркала различной глубины: — мелкое
(длиннофокусное); б — среднее по глубине;
в - глубокое (короткофокусное)

Диаграммы направленности зеркал различной глубины также различны. Это объясняется различием в распределении амплитуд поля в раскрыве зеркал. Менее глубокие зеркала облучаются более равномерно. Вследствие этого главный лепесток у них получается более узким, но зато боковые лепестки увеличиваются.

Получить заданное амплитудное распределение в раскрыве можно различными способами:

  • Выбором диаграммы направленности облучателя.
  • Введением в антенную систему дополнительных рефлекторов (например, использование двухзеркальных антенн).
  • Модификацией формы зеркала.
Рис.4.11. Использование цилиндрических
экранов для уменьшения бокового излучения

Как следует из вышеизложенного, снижение уровня боковых лепестков может быть обеспечено спадом амплитуды возбуждения от центра к краю антенны. Но существуют и другие факторы, влияющие на дальнее боковое излучение, среди которых наиболее существенный — «перелив» излучения облучателя. Наиболее эффективный и простой способ ослабления влияния этих факторов — использование цилиндрических экранов (бленд). Они размещаются по контуру раскрыва зеркала (рисунок 4.11, а) и позволяют снизить дальнее боковое излучение на 5 — 10 дБ.

Продольный размер экрана подбирают так, чтобы уровень возбуждения его кромки был близок к нулю. Для уменьшения боковых лепестков в переднем полупространстве (z > 0) внутреннюю поверхность экрана иногда покрывают материалом, поглощающим излучение. Дифракционные поля, возникающие на кромке бленды, являясь синфазными, создают высокий уровень поля в обратном направлении. Для снижения этого уровня кромке можно придать специальную форму, при которой дифракционные поля от отдельных участков кромки будут расфазированы. На рис.4.12 показаны возможные формы расфазирующих кромок. Аналогичного эффекта можно добиться применением скошенных бленд (рис.4.11,6).

Дифракционное излучение кромки может быть значительно уменьшено, если периферийную область зеркала сделать полупрозрачной. Это достигается ее перфорацией, причем диаметр отверстий должен увеличиваться по мере приближения к кромке, как это показано на рис.4.13.

Сравнительно простой способ подавления дифракционного поля заключается в использовании дополнительных экранов. Форма и число экранов могут быть самыми различными. На рис.4.14 показаны сечения параболических зеркал с экранами. Во всех случаях поле в заднем полупространстве формируется за счет дифракции поля облучателя на кромке экранов. Использование одиночного плоского экрана позволяет уменьшить величину напряженности поля в заднем полупространстве на 8 — 14 дБ, а двух экранов — на 20 — 25 дБ. При этом точность изготовления и установки экранов могут быть невысокими.

Рис.4.12. Расфазирующие кромки
Рис.4.13. Перфорация зеркала для
уменьшения дифракционного излучения
Рис.4.14. Параболическое зеркало уменьшения
дифракционного излучения

Коэффициент направленного действия D параболической антенны удобно определять через эффективную площадь ее поверхности А:

D = 4πА/λ2 = 4πS v/λ2,

(4.8)

где S = πRo2 — площадь раскрыва; v — коэффициент использования поверхности раскрыва.

Численное значение коэффициента использования поверхности раскрыва определяется не только законом распределения амплитуды поля по раскрыву антенн, но и рядом других факторов, обусловленных конструкцией антенны. К ним относятся: утечка части мощности облучателя за края зеркала (описывается коэффициентом vy), затенение части раскрыва антенны облучателем v3, интерференция поля антенны и поля облучателя vи, неточность совмещения фазового центра облучателя с фокусом зеркала Vф, потери на кроссполяризацию vK и ряд других. Суммарный коэффициент использования поверхности антенны может быть выражен через эти коэффициенты следующим образом:

v=vyvиv3vфvKva,

(4.9)

где va — коэффициент использования, определяемый законом распределения амплитуды облучения по раскрыву антенны. Отдельные сомножители этого выражения не могут одновременно принимать своих максимальных значений. Например, максимальный коэффициент усиления зеркальной антенны соответствует равномерному распределению поля в раскрыве (va= 1), при котором невозможно избежать утечки мощности облучателя за пределы зеркала. Широко распространенный компромиссный вариант состоит в том, что края антенны возбуждаются примерно на 10 дБ слабее, чем ее центр. При этом произведение va и vy составляет 0,7 — 0,8.

Коэффициент направленного действия не отражает потерь энергии на рассеивание, т. е. потерь излучения вследствие его прохода от облучателя мимо зеркала. Поэтому КНД параболических зеркал не является параметром, достаточно полно характеризующим выигрыш, получаемый от их применения. Для более полной характеристики следует использовать такой параметр, как коэффициент усиления антенны:

G= Dη,

(4.10)

где η — коэффициент полезного действия.

У зеркальных антенн с рупорным или волноводным облучателем кроссполяризационные составляющие небольшие. Из-за отсутствия симметрии уровень кроссполяризационного поля для зеркала со смещенным облучателем относительно высок. Возможность двукратного использования частот на основе развязки по поляризации ограничена деполяризующими факторами среды распространения: осадками, облаками и ионосферными слоями атмосферы. Для волн с ортогональными поляризациями капли дождя, которые имеют сплюснутую форму, обусловливают различные эффективные длины путей, что влияет на уровень порождаемого ими кроссполяризационного излучения. В ионосфере происходит поворот плоскости поляризации линейно поляризованной волны, вызванный эффектом Фарадея. Это приводит к поляризационным потерям, обусловленным рассогласованием поляризаций принимаемого поля и приемной антенны.

Зеркальные антенны с вынесенным облучателем

Кроме классических зеркальных рефлекторов в СНТВ большое распространение получили антенны с вынесенным из фокуса облучателем (офсетные антенны), схематически изображенные на рис.4.15.

При расположении фазового центра облучателя в фокусе параболоида фронт волны, отраженной от зеркала, будет плоским. Направление максимума излучения совпадает с направлением зеркала оптической оси. Смещение облучателя в направлении, перпендикулярном оптической оси зеркала, вызывает отклонение направления главного максимума излучения в сторону, противо-положную смещению облучателя. На рис.4.16 представлены геометрические характеристики зеркальной антенны в случае, когда облучатель смещен на величину ΔХ.

Рассмотрим фронт волны в раскрыве зеркала приемной антенны. Если облучатель находился в фокусе F, луч доходит от любой точки раскрыва до точки F примерно за одно и то же время t. При размещении облучателя в точке F (рис.4.16) луч придет из точки А раньше, чем из точки В. В результате поле из точки А будет опережать по фазе поле из точки В и фронт волны отклонится на некоторый угол α. Направление максимума излучения всегда перпендикулярно фронту волны, и, следовательно, вся диаграмма направленности отклонится на тот же угол а в сторону, противоположную смещению облучателя. Вынос облучателя приводит не только к отклонению диаграммы направленности, но и к ее искажению вследствие нарушения линейного закона изменения фазы поля в раскрыве (рис.4.17). Это расширяет главный лепесток и увеличивает уровень боковых лепестков, что ведет к снижению коэффициента усиления. Чем мельче зеркало, тем меньше будут искажения при том же угловом смещении облучателя, т. е. тем на больший угол можно отклонить диаграмму направленности, сохраняя, в основном, ее форму. К недостаткам офсетных антенн следует также отнести более высокий уровень кроссполяризации, приводящий к дополнительным помехам.

Рис.4.15. Приемная офсетная
зеркальная антенна
Рис.4.16. Отклонение диаграммы
направленности, вызванное смещением
облучателя в направлении,
перпендикулярном оси параболоида

Рис.4.17. Линии равных фаз
отраженного от зеркала поля
для различных смещений облучателя
Рис.4.18. Затенение облучателем
и опорами поверхности рефлектора
у неофсетной антенны

Рис.4.19. Ориентация прямофокусной (слева)
и офсетной (справа) антенн на спутник

Осевая симметричность зеркала учитывается при установке и ориентации антенны. Прямофокусная антенна ориентируется так, чтобы ее оптическая ось (ось симметрии) совпадала с направлением на спутник. Ось же офсетной антенны должна быть отклонена от направления на спутник на некоторый угол ΔХ, что более предпочтительно в условиях снежного и дождливого климата (рис.4.19).

Мультифокусные зеркальные антенны

Мультифокусные зеркальные антенны разработаны для обеспечения приема с нескольких (обычно 2 — 3) спутников ТВ программ одной антенной, не оснащенной поворотным устройством (рис.4.20). Облучатели крепятся при помощи дополнительного устройства (рис.4.21, 4.22).

В случае применения такой системы необходимо учитывать, что прием сигнала будет не так «чист», поскольку менее эффективно используется площадь рефлектора (см. рис.4.20).

Рис.4.20. Сферическая геометрия мультифокусной антенны

Рис.4.21. Вариант крепления
двух облучателей
Рис.4.22. Вариант крепления
трех облучателей

Неизбежные при этом потери сигнала можно компенсировать увеличением диаметра зеркала.

Особую популярность такие системы приобрели в Европе для просмотра ТВ каналов со спутников Hot Bird, Astra, Eutelsat и др.

Точность выполнения, технология изготовления и материалы рефлекторов

Изготовить зеркальную антенну, профиль которой полностью соответствовал бы выражениям, описывающим параболоид, невозможно, так же как невозможно сделать какое-либо устройство с абсолютной точностью.

Рассмотрим, как влияет отклонение формы поверхности зеркала от параболоида на характеристики антенны. Из анализа хода лучей в параболическом рефлекторе (рис.4.23) видно, что в результате отклонения формы поверхности изменяется расстояние, преодолеваемое лучами 1 и 2 от точки А до прямой БВ. В результате электромагнитное поле в раскрыве антенны оказывается несинфазным (возникают фазовые ошибки). Эти ошибки приводят к ухудшению практически всех электрических характеристик антенны:

  • Расширяется главный лепесток диаграммы направленности, и, как следствие, падает усиление антенны.
  • Увеличивается уровень бокового излучения.
  • Растет кроссполяризационная составляющая.

Кроме этого, при эксплуатации антенной системы возникает ряд нежелательных эффектов, приводящих к отклонению формы поверхности зеркала: деформация антенны под действием ветровой нагрузки; воздействие силы тяжести, приводящее к провисанию кромок зеркала, т. е. к его деформации; неравномерный нагрев поверхности зеркала под действием солнечных лучей, так же приводящий к деформации (перепад температур между поверхностью ориентированной к Солнцу, и поверхностью, ориентированной в область тени, может составлять до 15 °С). Суммарное отклонение профиля антенны определяется действием всех перечисленных факторов.

Рис.4.23. Ход электромагнитной
волны в деформированном
рефлекторе

Для индивидуальной зеркальной спутниковой антенны отклонение формы поверхности величиной 2мм приводит к снижению коэффициента усиления приблизительно на 10%. У лучших современных антенн, предназначенных для диапазона 10 - 12 ГГц, суммарно отклонение не превышает 0,5 мм. Для антенн с малой кривизной зеркала обеспечить высокую точность поверхности гораздо легче, чем для глубоких зеркал.

Рефлекторы могут быть:

  • Сплошные.
  • Перфорированные.
  • Сетчатые.

Определенный интерес вызывают перфорированные рефлекторы. Они представляют собой зеркало, по всей поверхности которого расположены отверстия.

В случае, если их диаметр много меньше длины волны (d << 1), то эти отверстия не оказывают никакого отрицательного влияния на отражающую способность поверхности (при высоком качестве изготовления), т.к. будут представлять собой волновод с размером менее критического, и практически вся падающая волна будет отражаться. Достоинством таких рефлекторов являются меньшие ветровые нагрузки и масса, а также то, что они мало задерживают влагу. Считается, что перфорированные рефлекторы лучше вписываются в архитектурный стиль исторических районов города. Однако в Кu-диапазоне коэффициент усиления таких рефлекторов меньше по сравнению со сплошными.

Рефлекторы должны удовлетворять следующим основным требованиям:

  • Отражающая поверхность должна соответствовать разработанной форме и оставаться неизменной в течение всего срока эксплуатации.
  • Индивидуальные антенны должны иметь достаточно простую конструкцию.

На срок службы рефлектора, в основном, влияет конструкция, материал и способ изготовления. Антенна функционирует с заданными параметрами пока она новая, но с течением времени, по мере воздействия внешних факторов, эффективность ее работы снижается. При расчетах и изготовлении рефлектора должны быть учтены допуски на расширение и сжатие материала, из которого он изготовлен, обусловленные воздействием ветра, тепла, коррозии и других факторов внешнего воздействия. Рефлектор — это наиболее критичный компонент приемного комплекса.

При изготовлении зеркал параболических антенн наибольшее распространение в настоящее время получили методы раскатки и штамповки металла, а также горячей прессовки композитных материалов (различных пластиков). Выбор технологии производится в зависимости от диаметра зеркал и особенностей формы их рабочей поверхности. Кроме того, на него влияет наличие производственной базы и объем выпуска. При изготовлении металлических рефлекторов чаще всего используются различные виды листовой штамповки: вытяжка с утонением и без утонения, штамповка взрывом, резиновым пуансоном и др. Очевидно, что применение каждого из этих методов должно быть обосновано с экономической точки зрения.

Снизить стоимость оборудования при обработке давлением позволяет использование гидравлической вытяжки и штамповки взрывом. Для формовки зеркал параболических антенн ведутся работы по применению штамповки резиной. Желание избавиться от одного из жёстких элементов штампа обусловлено сложностью изготовления и дороговизной крупногабаритной стальной детали (пуансона) параболической формы. При использовании указанных способов штамповки шероховатость поверхности зеркала доводится до допустимой величины путем обработки листовой заготовки, так как при последующей формовке она остается неизменной.

На холодной деформации листовой заготовки основана и ротационная раскатка, выполняемая стальными роликами по деревянной или металлической форме. Достигаемая при этом точность составляет ±0,1мм. Процесс ведётся либо на универсальных станках, либо на специальных приспособлениях.

При изготовлении зеркал параболических антенн получило распространение и литье. Оно позволяет выполнить заготовку зеркала с крепежными элементами конструкции, обеспечивающими его механическую прочность. Недостатками являются высокая стоимость форм (используется чаще всего литье под давлением) и необходимость доводки зеркала по шаблону.

Интересен метод формирования параболического зеркала во вращающейся (со скоростью до 1000 об/мин) круглой емкости с расплавленным металлом. Под действием вихревых токов металл (как правило, алюминий) расплавляется в ванне, после чего она приводится во вращение. Под действием центробежных сил поверхность металла приобретает форму параболоида. Затвердевание следует проводить в процессе вращения, как можно быстрее понижая температуру ванны, чтобы избежать искажения заготовки. Параметры параболического зеркала варьируются размерами ванны и скоростью вращения.

Материал, из которого изготовлено зеркало антенны, во многом определяет характеристики и гарантийный срок эксплуатации. В настоящее время антенны выполняют из стали, алюминиевого сплава и пластика. Стальные и алюминиевые рефлекторы имеют хорошие электрические и механические характеристики. Одним из существенных преимуществ таких рефлекторов особенно стальных) является невысокая стоимость.

Стеклопластиковые рефлекторы изготавливаются путем проклеивания многих слоев стеклоткани. Далее поверхность оклеивается алюминиевой фольгой. Основным недостатком таких антенн является нарушение геометрии зеркала, так как клеевые структуры со временем теряют свою форму, коробятся, особенно под воздействием солнечных лучей.

Антенны из литого термопластика изготавливаются следующим образом. На полученную методом прессования чашеобразную заготовку наносят трехслойное покрытие: грунт, токопроводящую никелевую краску и защитный лак. Иногда в пластик добавляют металлический порошок-наполнитель либо армируют проволочной сеткой.

Необходимо отметить, что в настоящее время зарубежные фирмы-производители достигли очень хороших результатов при изготовлении пластиковых рефлекторов методом горячей штамповки. Они гарантируют стабильность электрических характеристик рефлектора в течение 10 — 15 лет эксплуатации.

Например, антенны Euston выполнены из стекловолоконного армированного непропитанного полиэстрового композиционного материала – специального твердого и инертного диэлектрика, стойкого к механическим, химическим и температурным воздействиям. Электромагнитная волна отражается за счет специальной установленной внутри алюминиевой сетки, которая работает рефлектором (размер ячейки специально подобран, чтобы вес тарелки был малым, а волна отражалась полностью).

Облучатели

Совершенно очевидно, что облучатель является весьма ответственным узлом антенной системы, поэтому рассмотрению его конструкции необходимо уделить особое внимание.

Основные требования, предъявляемые к облучателям зеркальных антенн состоят в следующем:

  • Желательно, чтобы диаграмма направленности облучателя была однонаправленной, имела осевую симметрию и минимальный уровень боковых лепестков. Для получения оптимальных электрических характеристик антенны ширина 0 (рис.5.1) главного лепестка диаграммы направленности F(θ) ее облучателя должна быть согласована с углом 0 раскрыва антенны (в идеальном случае они должны быть равны).
  • Фазовый центр облучателя не должен быть «размытым». В идеальном случае он должен быть точечным и положение его не должно зависеть от направления. Нарушение этого условия приводит к нарушению синфазности поля в раскрыве зеркала и, следовательно, к искажению диаграммы направленности и снижению коэффициента усиления.
  • Облучатель должен быть расположен так, чтобы его фазовый центр находился в фокусе зеркала.
  • Облучатель должен в минимальной степени заслонять зеркало, так как затенение приводит к искажению диаграммы направленности зеркальной антенны, в частности, к увеличению уровня боковых лепестков.
Рис.5.1. Диаграмма направленности облучателя

Облучатель должен быть широкодиапазонным. Заметим, что диапазонность зеркальной антенны в целом полностью определяется диапазонностью облучателя и фидерного тракта, так как параметры самого зеркала либо совсем не зависят от частоты, либо зависят очень слабо. Диапазонность антенны зависит также от взаимного расположения облучателя и зеркала.

Наиболее простую конструкцию имеют облучатели в виде волновода с открытым концом. Волновод представляет собой устройство, осуществляющее передачу энергии сверхвысокочастотного поля от источника к нагрузке. Широкое распространение получили волноводы круглого и прямоугольного сечения (рис.5.2). Распределение поля в поперечном сечении волновода определяется геометрическими размерами этого сечения, частотой и порядковым числом волновода n.

Размеры волновода определяют некоторую нижнюю граничную (критическую) частоту. В волноводе распространяются только те волны, частота которых выше этой критической частоты. Данная особенность волноводов (запредельность) используется в приемных системах для дополнительного подавления сигнала зеркальной частоты. На частотах выше критической имеется бесконечное количество типов волн, которые характеризуются двумя индексами, соответствующими числу максимумов поля Е в поперечном сечении волновода.

Различают следующие основные типы волн:

  • Етп — волны, называемые также ТМ-волнами, у которых имеется составляющая поля Е, параллельная направлению распространения энергии.
  • Нтп — волны, называемые также ТЕ-волнами, у которых имеется составляющая поля Н, параллельная направлению распространения энергии.

Рис.5.2. Волноводы (прямоугольный и круглый),
применяемые в СНТВ

В прямоугольном волноводе индекс т соответствует числу максимумов вдоль широкой стенки а, индекс п — числу максимумов вдоль узкой стенки b. Если вдоль какой-либо стенки изменение Е-поля отсутствует, то используют индекс 0. В круглом волноводе индекс т соответствует половине числа максимумов вдоль окружности поперечного сечения, п — числу максимумов в радиальном направлении.

Если в волноводе возбудить (заставить распространяться) электромагнитную волну, то из его открытого конца в пространство начнет излучаться энергия. Эта особенность и позволяет использовать его в качестве простого облучателя зеркальных антенн. В случае работы антенны на прием облучатель является устройством для передачи энергии, сфокусированной рефлектором, в конвертор.

В качестве облучателя лучше выбрать волновод круглого сечения, так как он в большей степени удовлетворяет требованиям, предъявляемым к облучателям зеркальных антенн. Диаграммы направленности круглого волновода (рис.5.2) в главных плоскостях различаются незначительно, так что объемная диаграмма направленности практически осесимметрична. Вследствие этого диаграмма направленности зеркальной антенны с таким облучателем будет приближаться к поверхности тела вращения вокруг фокальной оси. Получить осесимметричную диаграмму непосредственно с помощью облучателя в виде открытого конца прямоугольного волновода нельзя.

Отметим также, что волновод круглого сечения имеет меньший уровень побочного и обратного излучения по сравнению с прямоугольным волноводом. Кроме того, в результате облучения зеркала открытым концом круглого волновода уменьшается уровень кроссполяризации антенны. Это происходит потому, что поле круглого волновода само создает кроссполяризационное излучение, но противоположной поляризации по сравнению с кроссполяризационным излучением зеркала, образующимся при облучении его линейно поляризованным полем.

Для обеспечения более узкой диаграммы волноводного облучателя, а также для его согласования с рефлектором к концу облучателя присоединяют рупор.

Рис.5.3. Конический рупорный облучатель Рис.5.4. Пирамидальный рупорный облучатель

В этом случае круглый волновод заканчивается коническим рупором (рис.5.3), прямоугольный — пирамидальным (рис.5.4). Синфазные конические и пирамидальные рупоры с гладкими стенками формируют диаграмму направленности, которая в плоскости Н несколько шире, чем в плоскости Е. Это связано с различными законами распределения амплитуд в указанных плоскостях, что приводит к неосесимметричному и неоптимальному распределению поля в раскрыве антенны.

Симметрию диаграмм в плоскостях Е и Н пирамидального рупора при низком уровне бокового излучения можно получить, если заменить ровную кромку рупора зубчатой. Высота зубцов берется близкой к средней длине волны рабочего диапазона, ширина — к половине длины волны. Изрезанность кромки рупора обеспечивает плавный переход от рупора к свободному пространству, что снижает отражение от границы раздела «рупор — свободное пространство». Кроме того, по периметру зубцов текут токи с различной фазе, поэтому средний уровень возбуждения кромки в плоскости Е меньше, чем в рупоре с плоской кромкой.

Рис.5.5. Рупор со спиральной канавкой

Одним из вариантов облучателей с узкой осесимметричной диаграммой является ребристый рупор. По аналогии с ребристым волноводом, поле внутри можно представить бесконечным рядом пространственных гармоник, а во многих случаях, пренебрегая высшими гармониками, ограничиться только основной волной, в данном случае сферической. На гофрированных стенках рупора токи проводимости ослабляются. В силу закона непрерывности полного тока это будет вызывать ослабление электрического поля у стенок рупора, к которым вектор Е нормален. В результате распределение электрического поля в плоскостях Е и Н становится одинаковым, что приводит к идентичности диаграмм направленности рупора в этих плоскостях.

Осесимметричную диаграмму направленности в широкой (почти двукратной) полосе частот можно получить, используя волновод с кольцевыми канавками. В литературе такой волновод называется также гофрированным, или ребристым.

Наивысшая эффективность подавления поверхностных токов достигается при высоте d ребер, превышающей λ/4. На подавление поверхностных токов число ребер влияет слабо, рекомендуется в начале рупора рёбра делать более тонкими, а в конце — более толстыми. С энергетической точки зрения отношение числа ребер к длине рабочей волны желательно уменьшать, а с точки зрения улучшения согласованности — увеличивать и плавно изменять их высоту от нуля до λ/4. Обычно в начале структуры делают 6 — 10 ребер на длину волны, а в конце — 2 — 4 ребра.

Другой способ улучшения согласованности гофрированных рупоров состоит в следующем. Вместо концентрических канавок на стенках рупоров прорезается спиральная канавка с шагом витка вдоль стенки рупора, равным половине длины волны. Каждой точке спирали соответствует диаметрально противоположная точка с постоянной разностью расстояний по стенке рупора, равной λ/4. Отраженные в этих точках волны возвращаются к питающему волноводу с одинаковой амплитудой и в противофазе и взаимно гасятся канавками. Глубина канавок такая же, как и у рупоров с концентрическими канавками. Схема рупора с одной спиральной канавкой показана на рис.5.5, а, а его диаграммы направленности в плоскостях Е и Н при угле раскрыва 2α = 90° — на рис.5.5,б. Сравнение этих диаграмм с диаграммами такого же по геометрии рупора с гладкими стенками позволяет сделать вывод о том, что рупор со спиральной канавкой обладает лучшими характеристиками.

К достоинствам ребристых рупоров относится также возможность получения диаграммы направленности с более крутыми скатами и кроссполяризационного излучения низкого уровня (30 — 35 дБ).

Отметим, что ребра могут быть не только прямоугольными, но и V-образной формы, что упрощает технологию их изготовления и предоставляет возможность использования ребристого рупора вплоть до диапазона миллиметровых волн. Необходимое распределение амплитуды поля можно получить при использовании облучателя с дополнительным рефлектором-экраном, служащим для переотражения части «переливаемой» энергии облучателя в направлении рефлектора. Типовая конструкция такого облучателя представлена на рис.5.6.

Диаграмма направленности облучателя, представленная на рис.5.1, имеет более плоскую вершину и достаточно крутые скаты. Облучатель этого типа можно использовать в антенных системах с достаточно большим диапазоном углов раскрыва. При этом коэффициент использования поверхности раскрыва антенны остается достаточно высоким (рис.5.7). Относительная простота и хорошие электрические параметры явились причинами широкого распространения облучателей такого рода.

Рис.5.6. Типовая конструкция
облучателя с рефлектором-экраном
Рис.5.7. Зависимость КИП антенны
от угла раскрыва

Достаточно распространены облучатели, работающие в С- и Ku-диапазонах одновременно. Принимаемое излучение разделяется в них на две части. Это удешевляет систему и упрощает процесс монтажа, но и у этой системы есть серьезные недостатки. Один из них - это потеря мощности сигналов Ku-диапозона, другой — меньшая надежность, особенно при низких температурах, из-за наличия движущихся частей электромеханического поляризатора.

Поляризаторы

Как уже отмечалось выше, приемный комплекс должен обеспечивать прием электромагнитных волн различной поляризации. Для этой цели в конструкции антенной системы предусмотрено устройство выбора поляризации – поляризатор.

Рис.6.1. Электромагнитный
поляризатор

Поляризатор антенны обеспечивает возможность преобразования поляризованных определенным образом электромагнитных волн в сигнал с требуемой для конвертора линейной поляризацией. Широкое распространение получила плавная подстройка поляризации. Потребность в плавном изменении поляризации возникает в системах, предназначенных для приема с нескольких спутников. Одна из причин состоит в том, что сигналы с некоторых спутников передаются не поляризованными в строго вертикальной или горизонтальной плоскости, а наклоненными к ним под определенным углом. Кроме того, сигнал принимается в той же плоскости, в которой был послан, только тогда, когда спутник и приемная антенна находятся на одной долготе. Если cпутник расположен на другой долготе, то, в силу того, что Земля имеет форму шара, плоскость поляризации принятого сигнала расположена под некоторым углом к исходной плоскости поляризации. Причем этот угол тем больше, чем сильнее различаются долготы спутника и приемной антенны.

Поляризаторы систем непосредственного телевизионного вещания могут быть электромагнитными или механическими. Физический принцип действия электромагнитного поляризатора (рис.6.1) основан на эффекте Фарадея. Электрический ток, протекающий в катушке, намотанной на ферритовый стержень, создает продольное магнитное поле. При распространении электромагнитной волны вдоль намагниченного феррита направление ее поляризации отклоняется на некоторый угол. Величина этого угла зависит от длины ферритового стержня и величины магнитного поля, т. е. от величины тока в катушке. Практически это означает, что, изменяя величину тока в катушке, можно добиться совпадения направления поляризации волны на выходе поляризатора с направлением, которое необходимо на входе внешнего блока.

Рис.6.2. Разделитель поляризации
(ортомод)

Сложность заключается в том, что для сигналов различной частоты значения тока в катушке должны быть различными, т. е. поляризационные характеристики электромагнитного поляризатора частотно зависимы. Наиболее просто эта проблема решается в том случае, если внутренний блок снабжен микропроцессором. Данные о необходимом значении величины тока для каждой программы хранятся в памяти микропроцессора. При выборе желаемой программы спутникового ТВ микропроцессор обеспечивает необходимое значение тока в катушке поляризатора.

На практике число витков катушки индуктивности делается достаточно большим, чтобы ток потребления не превышал 50 мА. Размеры ферритового стержня выбирают таким образом, чтобы направление поляризации изменялось максимум на 45°. При смене полярности тока, протекающего через катушку, направление поляризации изменяется также на 45°, но в противоположном направлении. В результате наблюдается смена поляризации.

Достоинство поляризатора (фазовращателя), основанного на использовании эффекта Фарадея, состоит в отсутствии подвижных элементов и в возможности осуществлять юстировку направления поляризации плавным изменением величины тока, протекающего через катушку. Потери, вносимые такими поляризаторами, составляют обычно 0,2 — 0,3 дБ. Недостатком поляризаторов является постоянное потребление энергии.

Рассмотрим механические способы корректировки поляризации. Если необходимо с помощью однозеркальной антенны осуществить одновременный прием сигналов двух поляризаций (например, в приемных системах коллективного пользования), то для линейно поляризованных сигналов в этом случае применяют специальные устройства — фазовращатели (разделители) поляризации — Ortomode Transducer). В подобных устройствах (рис.6.2) выполненных в виде волноводного тройника, волны вертикальной и горизонтальной поляризаций поступают на вход круглого волновода, а выходят разделенными по поляризации через основной и боковой выходы, выполненные в виде волноводов с прямоугольным сечением.

Рис.6.3. Прием сигналов вертикальной
и горизонтальной поляризаций
с помощью емкостных штырей

Если основной выход выполнен в виде волновода круглого сечения, то при подключении к нему конвертора пользуются специальным трансформатором. При использовании таких фазовращателей требуется два конвертора, подключаемых к соответствующим выводам. В свою очередь, выходы обоих конверторов соединяются со входами коаксиального переключателя поляризации, управляемого дистанционно. Сигнал ПЧ1 выбранной поляризации передается по общему коаксиальному кабелю в приемник.

В последних разработках СВЧ-конверторов делают сдвоенные СВЧ-тракты, а волны горизонтальной и вертикальной поляризаций принимают из кругло-входного волновода с помощью двух ортогональных емкостных штырей (рис.6.3). Лучшие результаты получаются, если один штырь расположен от короткозамкнутого конца волновода на расстоянии λ/4, а другой — 3 (λ/4), однако это удлиняет конвертор. Поэтому, пренебрегая взаимовлиянием емкостных штырей, их нередко располагают в одной плоскости. Часто применяются поляризаторы, в которых переключение плоскости поляризации осуществляется электромеханическим поворотом зонда, находящегося в круглом волноводе облучателя (рис.6.4). Волна с вертикальной поляризацией, сформировавшаяся в круглом волноводе облучателя, снимается ёмкостным зондом, выполненным в виде петли и находящимся в строго определенном положении. Поворот зонда на 90° в произвольном направлении обеспечивает прием сигналов горизонтальной поляризации.

Рис.6.4. Механический поляризатор

Блок дистанционного управления, поворачивающий зонд при помощи двигателя малой мощности, часто встроен в приемник. Угол поворота зонда определяется длительностью управляющих импульсов и периодом их следования. Потери в подобных поляризаторах также составляют 0,2 — 0,3 дБ, а развязка между волнами различной поляризации — 25 — 30 дБ. В некоторых вещательных спутниках используются лево- и правосторонняя круговые поляризации. Для приема сигналов с таких спутников применяются волноводные устройства, преобразовывающие круговую поляризацию в линейную. Один из вариантов такого преобразования может быть осуществлен с помощью фазирующих диэлектрических вставок, размещенных под углом 45° в круглом волноводе с волной Н11 (рис.6.5).

На рис.6.6,а,б показаны две ортогональные составляющие волны с круговой поляризацией на входе секции. Допустим, волна Н'11 отстает по фазе на 90°, но так как ее вектор Е перпендикулярен диэлектрической вставке, то ее фазовая скорость выше, чем волны Н"11.

Рис.6.5. Облучатель с диэлектрический
пластиной для преобразования
вращающейся поляризации
в линейную
Рис.6.6. Преобразование круговой поляризации
в линейную с помощью диэлектрической пластины

Поэтому в конце фазирующей секции фазы волн уравняются и результирующий вектор Е будет расположен вдоль вертикальной оси (рисунок 6.6,в). Для приема волн с круговой поляризацией встречного направления надо повернуть диэлектрическую пластину на 90°.

Поляризатор, преобразующий круговую поляризацию в линейную (и наоборот), можно сделать, деформируя круглый волновод до эллиптического сечения и используя тот факт, что через эллипсоидальный волновод ортогональные Н волны идут с разной скоростью. Надо отметить, что если облучатель с фазирующей секцией предназначен для приема волн с круговой поляризацией, а с его помощью будет приниматься линейно поляризованный сигнал, то будет потеряна половина мощности сигнала (т. е. мощность уменьшится на 3 дБ). Аналогичная потеря уровня сигнала будет наблюдаться при приеме антенной для линейной поляризации сигнала с круговой поляризацией.

Опорно-поворотные устройства

Одним из важнейших элементов антенны является устройство для ее крепления — опорно-поворотное устройство (ОПУ). ОПУ предназначено для подвески антенной системы и наведения ее луча на спутник-ретранслятор. При этом антенна может быть установлена как неподвижно, и принимать программы только с одного спутника, на который сориентирована, так и на специальном поворотном устройстве для перенацеливания со спутника на спутник.

Конструкция ОПУ должна позволять удерживать приемный луч антенны в направлении на ИСЗ с точностью не хуже одной десятой ширины диаграммы направленности. При малых значениях ширины диаграммы направленности выполнение этого требования является определяющим при конструировании системы наведения. Опорно-поворотные устройства классифицируются по схеме подвески зеркала. Рассмотрим важнейшие из них с учетом особенностей конструкции при наведении на геостационарный спутник связи.

Рис.7.1. Ориентация антенны с помощью полярной подвески

Полярная подвеска

Огромную популярность в СНТВ приобрела полярная подвеска, которая обладает важным преимуществом: поворотом в одной плоскости можно просматривать видимую часть геостационарной орбиты. Работу полярной подвески поясняет рис.7.1.

Допустим, приемная антенна расположена в точке А и ее азимутальная ось вращения параллельна полярной оси (что и обусловливает название подвески). В этом случае, очевидно, что если выбрать необходимый угол наклона φ и вращать антенну по азимуту, то можно осуществить прием с любого из геостационарных спутников, не затененных Землей. Вращение антенны осуществляется при помощи электропривода.

Угол наклона φ определяется географической широтой места В:

φ = arctg(RsinВ/(Н+2sin2В/2)),

(7.1)

где R — радиус Земли; Н — высота геостационарной орбиты (35785 км); В — широта места установки.

В расчетах необходимо учитывать, что Земля — это тело, по форме близкое к эллипсоиду вращения с экваториальным радиусом 6378 км и полярным радиусом 6356 км. Для приблизительных расчетов Земля принимается за сферу с радиусом 6371 км.

Первые попытки адаптации полярной подвески, оснащенной электроприводом, к перенацеливанию на все видимые геостационарные спутники не учитывали необходимости небольшого отклонения от истинной полярной оси, вследствие чего удавалось просматривать только часть геостационарной орбиты (рис.7.2).

Рис.7.2. Наведение антенны полярной подвеской
на геостационарную орбиту: 1 — без отклонения
от истинной полярной оси; 2 — с отклонением
от истинной полярной оси
Рис.7.3. Требуемое отклонение
азимутальной оси подвески
от полярной оси в зависимости
от широты места установки

Особую трудность при настройке такой системы вызывали антенны с шириной диаграммы направленности менее 1°, так как в этом случае удавалось обеспечить просмотр геостационарной орбиты в секторе около ±30°. Для устранения этого недостатка и обеспечения точности наведения до 0,01° по всей видимой части геостационарной орбиты необходимо произвести отклонение азимутальной оси антенны от истинной полярной оси на некоторый угол α (корректирующий угол), величина которого зависит от географической широты В (рис.7.3).

Величина этого небольшого смещения оси должна учитываться при окончательном расчете угла наклона φ (рис.7.4). Следует помнить, что после расчета φ необходимо от полученной величины отнять значение угла α и производить наклон антенны на угол φ':

φ' = φ - α.

(7.2)

Рис.7.4. Пояснение к расчету угла наклона антенны
к плоскости геостационарной орбиты
Рис.7.5. Геометрия полярной подвески

Электропривод полярной подвески

Большое количество спутников — ретрансляторов телевизионных программ сделало популярным индивидуальные приемные системы с возможностью дистанционного перенацеливания антенн (позиционирования). В отличие от профессиональных параболических антенн с электромеханическим слежением по двум координатам и очень точными сельсинными датчиками положения, в СНТВ используют только один простой электромеханический привод, обеспечивающий поворот антенны вокруг полярной оси. В настоящее время в большинстве конструкций антенных систем СНТВ применяются электроприводы двух конструкций: линейные и «горизонт — горизонт» (планетарного типа). Прежде чем начать рассмотрение электроприводов, необходимо отметить некоторые особенности терминологии. В России за линейным приводом закрепилось название «актуатор» — от неполностью произносимого английского словосочетания linear actuator, a привод «горизонт — горизонт» (Horizon-to-Horizon Actuators) получил название «супермаунт» (Supermaunt) из-за ярких наклеек с этим словом на корпусе устройства.

Рис.7.6. Конструкция линейного привода

В линейном приводе (рисунок 7.6) используется электродвигатель с редуктором, который представляет собой несколько (обычно 2 — 3) шестеренчатых передач и одну передачу «винт — гайка» для перемещения выдвижного штока в фиксированных пределах. Снаружи шток закрыт герметичным кожухом.

Привод работает в достаточно сложных условиях: больших перепадах температур и под воздействием осадков. Поскольку он используется в течение небольшого промежутка времени (во время изменения ориентации антенны), то для удешевления конструкции используют электродвигатели малой мощности, работающие в форсированном режиме. В случае сильного перегрева мотора термодатчик (биметаллическая пластина) разрывает цепь питания. Напряжение питания электродвигателя составляет, как правило, не более 36 В.

Линейный привод закрепляется на опорно-поворотном устройстве и рефлекторе антенны, как показано на рис.7.7. При выдвижении штока происходит вращение рефлектора вокруг полярной оси подвески.

Линейные приводы классифицируются по расстоянию, на которое выдвигается шток, и по величине нагрузки. Наиболее часто используются устройства, обеспечивающие выдвижение штока на 12, 15, 18, 24 и 36 дюймов. От мощности электродвигателя и материала, из которого изготовлены шестерни редуктора зависит величина допустимой нагрузки. Наиболее простые и дешевые устройства обеспечивают вращение антенной системы до 360 кг. В этих моделях установлены пластмассовые шестерни, а самосмазывающаяся передача «винт — гайка» изготовлена из сплава алюминия и бронзы. Более дорогие модели позволяют управлять подвеской весом до 700 кг: здесь уже используются стальные шестерни и шарико-винтовая передача, обладающая меньшей фрикционной нагрузкой и, следовательно, более высоким КПД, что позволяет при том же прикладываемом усилии, как и в случае передачи «винт — гайка», увеличить полезную нагрузку. Конструкции линейных приводов позволяют просматривать сектор геостационарной орбиты до 100°.

Устройства типа «горизонт — горизонт» имеют шестеренчатый механизм, способный вращать антенну от горизонта до горизонта по всему сектору геостационарной орбиты вокруг полярной оси (рис.7.8).

Рис.7.7. Линейный привод
фирмы COBER
Рис.7.8. Варианты конструкции полярной
подвески типа «горизонт-горизонт»

Контроль положения антенны

Ранние модели электроприводов разрабатывались для антенн С-диапазона, имеющих диаметр 3 - 4 м, так как их ручное перенацеливание даже при хорошей погоде является достаточно трудоемким занятием. Эти конструкции были очень просты и, как правило, имели переключатель направления вращения электродвигателя.

Рис.7.9. Схема управления электроприводом антенны

Более совершенным схемотехническим решением является использование системы управления с обратной связью (рис.7.9). Встроенный компаратор обеспечивает подачу напряжения питания на электродвигатель, в то время как элемент обратной связи передает сигнал рассогласования на один из входов компаратора. Характер сигнала рассогласования зависит от типа элемента обратной связи и положения антенны. Вращение электродвигателя будет продолжаться до тех пор, пока антенна не займет положение, соответствующее сигналу управления.

Выбор необходимого спутника и, следовательно, вывод антенны в требуемую позицию осуществляется при помощи специального устройства управления — позиционера.

Типы элементов обратной связи

Элемент обратной связи — один из компонентов электропривода, предназначенный для получения специального сигнала, известного в теории управления как сигнал рассогласования. Конструктивно элемент обратной связи представляет собой датчик, чувствительный к определенным внешним воздействиям. Наибольшее распространение получили следующие типы датчиков: резистивные, герконовые, оптические и датчики Холла.

Резистивный датчик

Одним из самых первых, использованных в цепи обратной связи, был резистивный датчик. Он представляет собой потенциометр, величина напряжения на выходе которого зависит от положения движка, механически связанного с электродвигателем. При вращении антенны двигатель поворачивает также и движок потенциометра, к которому обычно подводится напряжение питания 4-5 В. Выходное напряжение представляет собой сигнал рассогласования.

Сигналом управления для компаратора является опорное напряжение, подаваемое с позиционера. Компаратор сравнивает опорное напряжение с напряжением обратной связи и включает электродвигатель через реле. Когда оба напряжения сравняются, т. е. когда будет «нулевая, ошибка», компаратор отключит электродвигатель.

Использование резистивного датчика дает меньшую точность по сравнению с другими вследствие зависимости сопротивления потенциометра от воздействия погоды, степени износа и загрязнения контактных поверхностей.

Герконовый датчик

В качестве элемента обратной связи успешно применяются магнитоуправляемые герметичные контакты — герконы, представляющие собой два контакта из магнитного материала в стеклянном вакуумном баллоне, намагничивающиеся и замыкающиеся под действием магнитного поля.

На валу электродвигателя закреплен магнит, который вращается вместе с валом. В результате геркон замыкается при каждом обороте. Следовательно, сигналом обратной связи при использовании геркона является серия импульсов, соответствующая числу произведенных оборотов электродвигателя.

Положению каждого спутника соответствует определенное число импульсов, отличное от нуля. После выбора спутника требуемое значение количества импульсов загружается в контроллер, который определяет, является ли требуемое число больше или меньше текущего. В зависимости от полученного результата начнется вращение электродвигателя в ту или иную сторону на количество оборотов, соответствующее числу импульсов. Компаратор в этом случае включает электродвигатель, производит подсчет количества оборотов и, при совпадении с требуемым числом, отключает электродвигатель.


Оптический датчик

Аналогично рассмотренной выше схеме управления с герконом работает устройство с оптическим датчиком. Различие заключается в самой конструкции датчика. Здесь в качестве элемента обратной связи используются светодиод и фототранзистор.

В этой схеме непрозрачный с прорезью диск установлен в механизме электродвигателя. Светодиод и фототранзистор закреплены на противоположных сторонах диска так, чтобы излучение светодиода попадало на фототранзистор только через прорезь в диске. В результате фототранзистор генерирует импульс, который через буферный каскад (для придания ему соответствующей формы и амплитуды) поступает на компаратор.

Достоинством такой конструкции является более высокая точность в случае, когда на диске имеется несколько прорезей и, следовательно, каждому обороту будет соответствовать несколько импульсов, что делает эту схему также более помехозащищенной.


Датчик Холла

Рис.7.10. Влияние эффекта Холла на
траекторию электронов в полупроводнике п-типа

Работа схемы управления с использованием датчика Холла не отличается от схемы работы с герконом, различна лишь конструкция датчика. Принцип действия датчика Холла заключается в воздействии магнитного поля на электрические свойства полупроводника, по которому протекает электрический ток. Воздействие состоит в том, что при протекании тока в полупроводнике возникает поперечная разность потенциалов, если на этот полупроводник действует магнитное поле, вектор которого перпендикулярен направлению тока. Эффект Холла объясняется тем, что на подвижные носители заряда в магнитном поле действует сила Лоренца, вызывающая их отклонение (рис.7.10).

Электроны под действием силы Лоренца отклоняются к одной из граней полупроводниковой пластинки. На этой грани возникает отрицательный заряд, а на противоположной грани, откуда электроны уходят, — положительный. Между электродами на этих гранях создается разность потенциалов и электрическое поле, которое противодействует смещению электронов под воздействием силы Лоренца. Когда сила, действующая на электрон со стороны поля, становится равной силе Лоренца, дальнейшее смещение электронов прекращается и наступает равновесное состояние. Из равенства этих сил вытекает:

UH=dvB,

(7.3)

где UH — напряжение Холла между электродами на гранях; d — расстояние между гранями; v — скорость поступательного движения электронов; В — магнитная индукция.

Из формулы видно, что между напряжением, возникающим при эффекте Холла, и магнитной индукцией, вызывающей это напряжение, существует линейная зависимость. В результате при вращении электродвигателя с магнитом, на выходе датчика Холла образуется последовательность импульсов, число которых соответствует числу оборотов.

Опыт, накопленный при производстве подвесок антенн С-диапазона, оказал большое влияние на конструкцию приводов антенн Ku-диапазона. На его основе можно вывести три общих заключения:

  • Использование электронных датчиков более предпочтительно, т. к. с точки зрения теории (и практика это подтверждает), они являются более надежными. Однако их применение ограничивается климатическими условиями (в частности, перепадами температур). Поэтому в российских условиях большее распространение получили герконовые датчики.
  • В конструкцию подвески необходимо вводить ограничители вращения антенны для предотвращения механических повреждений.
  • Главным фактором, влияющим на работоспособность привода антенны, являются атмосферные воздействия. Основная причина всех отка-зов — проникновение влаги в конструкцию привода.

Конверторы

Типичная удельная мощность сигнала, попадающего на вход конвертора, при размерах рефлектора антенны 3м в С-диапазоне составляет 10-14Вт/м2. Следовательно, конвертор должен обладать очень низким уровнем собственных шумов. Это стало возможным только с созданием малошумящих транзисторов СВЧ.

Технология производства конверторов для СНТВ основана на опыте, накопленном при создании малошумящих усилителей (LNA — Low Noise Amplifier). Малошумящий усилитель только усиливает сигнал, тогда как конвертор (LNB — Low Noise Blockconvertor), помимо обеспечения необходимого усиления при минимально возможном уровне шумов, преобразовывает частоты сигнала до частоты, воспринимаемой спутниковым приемником: 950 — 1750 МГц или 900 — 2150 МГц (расширенный).

Первые СВЧ-усилители, использовавшиеся в радиоастрономии, были созданы на основе обычных параметрических усилителей. В них применялись туннельные диоды, которые охлаждались жидким азотом или гелием. Это позволяло значительно снизить уровень собственных шумов устройства за счет замедления движения молекул. Усилители имели большие габариты, вес, потребляли много энергии и работали в узкой полосе частот.

Использование арсенида галлия (GaAs) позволило создать транзистор с очень низким уровнем шума. Эти транзисторы работают почти так, как будто они охлаждены до температуры абсолютного нуля, когда прекращается всякое молекулярное движение. GaAs-транзисторы в настоящее время являются основными при производстве СВЧ-аппаратуры СНТВ.

В ранних спутниковых системах С-диапазона принятый сигнал сначала усиливался в LNAr а затем частота его понижалась в отдельном блоке, который носит название LNC (LowNoise Converter— малошумящий преобразователь). Это требовало применения дорогого коаксиального кабеля и разъемов с малыми потерями сигнала, максимально близкой установки антенны и спутникового приемника. В целом система имела ряд серьезных ограничений, была трудно устанавливаема и дорога.

Существенным конструктивным улучшением системы было выделение устройства понижения частоты в отдельный блок и его установка вблизи малошумящего преобразователя. Это позволило применить более дешевый коаксиальный кабель и увеличить его длину до 100 м без введения дополнительных линейных усилителей.

Следующим, вполне логичным шагом было объединение LNA и малошумящего преобразователя в одно устройство — LNB. Именно LNB подразумевается в настоящее время под словом конвертор. LNB первых выпусков весили почти 3кг и имели коэффициент шума в Ки-диапазоне 4 - 5 дБ. Современные конверторы С-диапазона имеют шумовую температуру до 15 К, а Ku-диапазона — коэффициент шума до 0,2 дБ. Их вес составляет 150 — 300 г.

Использование различных параметров для характеристики уровня собственных шумов, обусловлено следующим обстоятельством. Уровень собственных шумов конверторов С-диапазона варьируется весьма незначительно, поэтому, если его выразить в Кельвинах, будет обеспечена большая наглядность.

Источники шумов в конверторе

Понятие шума является одним из основных при рассмотрении спутников радиосвязи. Уровень шума определяет минимальную величину сигнала, который может быть принят приемным устройством, т. е. такую важнейшую его характеристику, как чувствительность.

Шумы, действующие в цепях приемного устройства, по своему происхождению могут быть внешними и внутренними. К первым относятся космические шумы, шумы атмосферы и квантовые шумы сигнала, ко вторым — э. д. с. и токи, возникающие в элементах приемного тракта за счет хаотического движения носителей электрических зарядов.

Источниками внутренних шумов приемного устройства являются резисторы, колебательные цепи, активные элементы.

Физическую природу собственных шумов можно пояснить на примере тепловых шумов, возникающих в проводниках. Как известно, кристаллическая решетка любого проводника содержит свободные электроны, находящиеся Е непрерывном тепловом хаотическом движении, интенсивность которого зависит от температуры. Во время движения электроны взаимодействуют друг с другом, в результате чего изменяются направление и скорость их перемещения. Каждое перемещение электрона между двумя взаимодействиями можно рассматривать как элементарный импульс тока. В сумме все элементарные импульсы (средняя длительность которых примерно 10-13 с) создают шумовое напряжение в проводнике.

Коэффициент шума конвертора измеряется при комнатной температуре и может отличаться от номинального значения на величину до 0,01 дБ/°С.

Условия эксплуатации конверторов являются весьма жесткими: на них непосредственно воздействуют атмосферные осадки и перепады температур, зависящие от климата региона. Конвертор является необслуживаемым устройством, поэтому должна обеспечиваться их полная взаимозаменяемость без каких-либо дополнительных регулировок. Соединения и корпус должны быть пыле- и влагозащищенными.

Основные технические характеристики конвертора:

  • Диапазон принимаемых частот.
  • Коэффициент шума.
  • Нестабильность частоты гетеродина.
  • Коэффициент усиления.
  • Фазовые шумы.

Усиление современного конвертора составляет 50 — 70 дБ. Для обеспечения эффективной работы приемного комплекса величина этого параметра очень важна.

Недостаточное усиление равнозначно применению антенны меньшего диаметра, чрезмерное усиление приведет к перегрузке входных цепей приемного устройства. В целом же усиление конвертора должно быть согласовано с длиной кабеля (затуханием в нем сигнала) и чувствительностью приемного устройства. По оценкам специалистов, рекомендуемое усиление должно составлять минимум 50 дБ, максимум 60 дБ. Следует отметить, что это значение уменьшается на 0,2 — 0,3 дБ при повышении температуры на каждые 10°С.

Технология изготовления конверторов

С точки зрения конструктивно-технологических методов исполнения конверторы можно разделить на три группы:

  • По технологии поверхностного монтажа.
  • По гибридной технологии.
  • По технологии монолитных интегральных схем СВЧ.

Схемы отдельных узлов конверторов первой группы выполняются на подложках из органических диэлектриков с использованием технологии поверхностного монтажа. Основное достоинство конверторов данного типа — дешевизна производства. Ввиду того, что недорогие органические диэлектрики типа дюроида, армированного фторопласта, арилокса с наполнителем имеют большие температурные коэффициенты расширения, при большом количестве термоциклов иногда возникают микротрещины и, как следствие, отказы.

Вторая группа конверторов изготовляется по технологии гибридных интегральных микросхем (ГИС) СВЧ. В качестве подложек в них используются неорганические диэлектрики из окиси алюминия или глиноземной керамики типа поликор. Эти подложки либо непосредственно, либо через термо-компенсирующие прокладки припаиваются к корпусу. Проводники, резисторы, индуктивности и, частично, конденсаторы выполняются в этом случае путем напыления методами тонко- или толстопленочной технологии. Активные элементы (диоды и транзисторы) изготовляются в виде отдельных кристаллов арсенида галлия и привариваются в соответствующие точки схемы с помощью коротких выводов. Достоинствами таких конверторов являются малые габариты, высокая надежность и возможность настройки.

В основе конверторов третьей группы лежит технология монолитных интегральных схем СВЧ. Преимущественно используются арсенидгаллиевые и реже кремниевые подложки. Преимущества подобных схем: крайне малые размеры, высокая надежность, воспроизводимость, минимальные реактивные параметры. Однако существуют технологические трудности, связанные с воспро-изводством многослойных структур из арсенида галлия, реализацией сложных элементов СВЧ-схем (сквозных контактов и воздушных перемычек), повышением добротности и расширением диапазона номиналов конденсаторов, катушек индуктивности и отрезков линии передачи. Последняя проблема имеет особое значение, так как для уменьшения размеров и стоимости микросхемы пассивные элементы приходится делать сосредоточенными, а это приводит к уменьшению их добротности.

Технологические трудности при производстве таких конверторов в основном и определяют их высокую стоимость. Разработка конверторов, несмотря на простоту выполняемых ими функций, достаточно сложна, так как должна решаться проблема массового производства недорогой техники сантиметровых волн.

По мере развития конструкции конверторов происходила отработка методов преобразования частоты.

Конвертор с однократным преобразованием частоты

Устройство понижения частоты в первых спутниковых системах С-диапазона работало по принципу однократного преобразования (рис.8.1,а).

Рис.8.1. Функциональная схема преобразования
частотыв конверторе: а — однократное преобразование;
б — двойное преобразование;
в — преобразование частоты в LNB

Выбор необходимого канала здесь осуществляется подачей управляющего напряжения на гетеродин, что вызывает его перестройку. Основной недостаток такой системы заключается в явлении интерференции на близлежащих каналах. Поэтому приходилось использовать дорогие и сложные схемы фильтрации.

Конвертор с двойным преобразованием частоты

Использование схемы с двойным преобразованием сигнала (рис.8.1,б) позволило устранить недостатки, присущие конверторам с однократным преобразованием. Однако в результате этого увеличилась сложность и стоимость конструкции за счет использования второго гетеродина и смесителя, а также возникла необходимость в применении второго полосового фильтра и усилителя промежуточной частоты.


LNB

Конструкция LNB основана на использовании гетеродина, настроенного на фиксированную частоту и стабилизированного объемным диэлектрическим резонатором (рис.8.1,в). Весь диапазон частот, принимаемый конвертором, понижается в смесителе и подается в спутниковый приемник, где происходит дальнейшее преобразование и выбор канала.

По сравнению с конверторами однократного и двойного преобразования, LNB имеет существенное преимущество: через него проходят все каналы данного диапазона, что позволяет использовать один конвертор для приема разных программ несколькими спутниковыми приемниками одновременно. Также следует отметить большую устойчивость настройки, так как выбор канала производится в закрытом помещении, где электронные компоненты защищены от перепадов температуры и влажности (устойчивость системы в основном определяется характеристиками гетеродина конвертора).

Элементы конвертора

В настоящее время существуют разнообразные схемотехнические решения, используемые при построении бытовых конверторов. Структурная схема типового конвертора представлена на рис.8.2.

Рис.8.2. Классическая структурная схема конвертора:
ВПП — волноводно-полосковый переход; МШУ — малошумящий усилитель;
ПФ — полосовой фильтр; См — смеситель; Гет — гетеродин
(СВЧ генератор, входящий в состав преобразователя частоты);
ПУПЧ — предварительный усилитель промежуточной частоты;
УП — устройство питания


Волноводно-полосковый переход

Рис.8.3. Волноводно-полосковый переход

Волноводно-полосковый переход предназначен для согласования входной микрополосковой линии первого каскада МШУ с выходом поляризатора облучателя антенны. Это наиболее распространенный элемент соединения волновода с микрополосковой линией, позволяющий добиться хороших электрических параметров при малом уровне отражений и потерь в заданной полосе частот.

Волноводно-полосковые переходы, строго говоря, являются переходами сначала на коаксиальный кабель, а затем уже на полосковую линию. Вносимые потери зависят от качества исполнения и составляют около 0,25 дБ. Важным условие является полная герметизация в месте погружения зонда. Примеры исполнения волноводно-полосковых переходов представлены на рисунке 8.3. Необходимое согласование в них производится путем подбора глубины погружения зонда (рис.8.3,а) или положения короткозамкнутого поршня (рис.8.3,б).

Малошумящий усилитель

МШУ должен обеспечивать равномерное усиление во всем рабочем диапазоне с неравномерностью амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) ±1 дБ и иметь линейную фазочастотную характеристику (ФЧХ). Необходимо также удовлетворить ряд противоречивых требований: обеспечить минимальный коэффициент шума, согласование усилителя по входу, максимальный коэффициент усиления.

Как известно, качество принятого сигнала в значительной степени определяется суммарной шумовой температурой приемной установки. При оценке шумовых характеристик конвертора используется как шумовая температура Тш, так и коэффициент шума кш, который связан с шумовой температурой соотношением:

Тш = (кш-1).

(8.1)

Графически данное соотношение представлено на рис.8.4.

Рис.8.4. Зависимость коэффициента
шума от шумовой температуры

Коэффициент шума многокаскадной схемы в основном определяется коэффициентом шума первых каскадов. Справедливость этого утверждения увеличивается с возрастанием коэффициентов передачи их номинальной мощности. Поэтому для получения малого коэффи-циента шума всего приемного тракта необходимо, чтобы его первые каскады имели малый уровень собственных шумов и обеспечивали большое усиление сигнала по мощности.

Из всего вышесказанного можно сделать вывод о чрезвычайной важности таких параметров конвертора (в частности, первых каскадов МШУ), как коэффициент усиления и коэффициент шума.

Практически входные и выходные согласующие цепи первого транзистора рассчитываются на минимальный коэффициент шума, второй каскад настраивается из компромиссных соображений: максимальное усиление при минимальном коэффициенте шума. Влияние коэффициента шума третьего каскада практически неощутимо.

Итак, классический МШУ состоит из трех усилительных каскадов: первые два выполнены на НЕМТ-транзисторах, третий — на транзисторе с барьером Шотки.

Все каскады МШУ строятся, как правило, на несимметричных полосковых линиях передачи, которые выполняются методом напыления проводящих материалов на керамическую подложку. В СВЧ-диапазоне паразитные реактивные элементы корпуса транзистора оказывают заметное влияние на характеристики МШУ. Чтобы исключить этот эффект, применяют транзисторы в бескорпусном исполнении.

Каждый усилительный каскад (рис.8.5) состоит из четырех цепей: входной и выходной цепей, цепи смещения и активного элемента.

Рис.8.5. Усилительный каскад МШУ

Входная цепь предназначена для согласования входного сопротивления активного элемента (транзистора) при обеспечении минимального коэффициента шума.

Выходная цепь служит для согласования выходного сопротивления усилительного каскада с сопротивлением последующего каскада. Цепь смещения обеспечивает режим работы транзистора по постоянному току. Наибольшее распространение в МШУ получила схема с общим истоком, так как она обладает большей устойчивостью по сравнению с другими способами включения полевых транзисторов. Активный элемент представляет собой НЕМТ-транзистор или ПТШ и обеспечивает усиление сигнала.

Полосовой фильтр

Полосовой фильтр обеспечивает прохождение только определенной полосы частот с потерями не более 3 дБ, а также ослабление зеркального канала и сигнала гетеродина на 30 — 40 дБ (рис.8.6).

Рис.8.6. Фильтры СВЧ: а — лестничные; б — шпилечные;
в — решетчатые
Рис.8.7. Частотная характеристика
полосового фильтра

В сантиметровом диапазоне волн ПФ выполняют на полосковых и микрополосковых линиях, так как спиральные индуктивности и сосредоточенные конденсаторы не обеспечивают необходимой добротности. Наиболее часто используются ПФ на микрополосковых параллельно связанных резонаторах.

Центральная частота фильтра зависит от длины полосковых элементов ширина полосы пропускания — от ширины линий и расстояния между ними. Чем больше число звеньев фильтра, тем круче его амплитудно-частотная характеристика, но также выше и вносимое затухание.

Амплитудно-частотная характеристика полосового фильтра, выполненного на связанных полуволновых резонаторах, представлена на рис.8.7.

Гетеродин

В большинстве современных конструкций гетеродин — это неперестраиваемый (в отличие от гетеродинов, используемых в радиовещательных приемниках) маломощный высокостабильный генератор электрических колебаний. Основной характеристикой гетеродина является нестабильность номинальной частоты fн.

Под нестабильностью частоты понимаются случайные и систематические изменения частоты во времени. Вследствие воздействия дестабилизирующих факторов (температуры, давления, вибрации, отклонения питающего напряжения) частота гетеродина отклоняется от номинального значения. При этом различают абсолютное и относительное отклонение частоты. Под абсолютным отклонением понимают разность между фактической частотой генератора и ее номинальным значением, под относительным отклонением — отношение абсолютного отклонения к номинальному значению частоты генератора.

Из множества дестабилизирующих факторов наибольшее влияние на отклонение частоты гетеродина оказывает изменение температуры окружающей среды.

В первых конструкциях гетеродинов применялись диоды Ганна, которые имели ряд недостатков: КПД генератора составлял 2 — 3% нестабильность частоты при термокомпенсации достигала 5 МГц, поэтому приходилось вводить цепь автоподстройки частоты.

Определенное распространение получили также генераторы, работающие на частоте 3 — 4 ГГц, выполненные на биполярном или полевом транзисторе с последующим умножением частоты на диоде с накоплением заряда. Эти конструкции применялись на этапе, когда добротность диэлектрических резонаторов в диапазоне частот 11 — 12 ГГц была недостаточной для обеспечения требуемой стабильности частоты, а резонаторы на более низкую частоту имели высокую добротность.

Сегодня огромную популярность приобрели генераторы, где в качестве активного элемента используется ПТШ. В настоящее время это практически единственный вид автогенераторов, используемых в бытовых конвертоpax. Они имеют целый ряд преимуществ: КПД 18 — 20%,нестабильность частоты 500—700 кГц в интервале температур от — 30 до + 60°С, невысокая стоимость, возможность регулировки мощности изменением напряжения питания.

Рис.8.8. Конструкция гетеродина
с диэлектрическим резонатором

Необходимое значение выходной мощности определяется конструкцией выбранного смесителя и составляет в современных конверторах 8—15 мВт. На рис.8.8 представлена конструкция гетеродина с диэлектрическим резонатором.

Стабилизация частоты в большинстве конверторов осуществляется при помощи диэлектрического резонатора из термостабильной керамики. Он представляет собой пассивное устройство (диэлектрический цилиндр, квадрат и т.п.), обладающее способностью запасать энергию СВЧ электромагнитных волн. Высокая добротность диэлектрических резонаторов позволяет успешно использовать их в качестве высокодобротных колебательных систем СВЧ. В результате удается добиться стабильности частоты до 700 кГц и обойтись без схемы автоматической подстройки частоты.

В конверторах применяют открытые диэлектрические резонаторы, в которых отражающей поверхностью является граница раздела диэлектрик — воздух. Вблизи резонатора существует небольшое внешнее электромагнитное поле, которое позволяет достаточно просто обеспечивать связь резонатора с полосковыми линиями передачи генератора и осуществлять подстройку частоты в сторону ее повышения путем приближения к одной из торцевых частей резонатора металлической плоскости, например, винта.

Большое распространение получили в настоящее время тороидальные диэлектрические резонаторы на основе титаната кальция и алюмината лантана. Они позволяют получить более чистый спектр сигнала гетеродина, что необходимо для создания конверторов с низким фазовым шумом и высокой стабильностью частоты гетеродина — до 20 — 30кГц. Необходимость в таких высоких характеристиках возникает при приеме цифровых телепрограмм в стандарте MPEG-2 и особенно при приёме программ HD TV в стандарте MPEG-4.



Рис.8.9. Спектр фазовых шумов гетеродина

Любое электрическое колебание, полученное с помощью известных современной науке методов, содержит составляющие фазовой (или частотной) модуляции случайного характера, а спектр шумов видоизменяется при прохождении колебания через электронные схемы.

Одной из основных характеристик, определяющей пригодность конвертора для приема цифровых программ, являются фазовые шумы, величина которых в основном определяется величиной фазового шума гетеродина.

Фазовый шум (флюктуация) — это случайное изменение фазы колебания на выходе гетеродина, вызванное частотной нестабильностью генератора, паразитной модуляцией в цепи обратной связи, изменением температуры, напряжения питания и другими дестабилизирующими факторами. Спектр фазовых шумов гетеродина представлен на рис.8.9.

Чистота спектра определяется уровнем всех как гармонических, так и шумовых побочных составляющих. Для оценки ухудшения чистоты спектра, т. е. определения шумовых свойств гетеродина, используется отношение мощности фазовых шумов в полосе 1 Гц при расстройке от несущей частоты на величину Fm к полной мощности колебания.

Величина фазового шума показывает, как быстро понижается мощность сигнала относительно центральной частоты. Например, если мощность сигнала при отклонении от центральной частоты на 1кГц снизится на 60дБ, то величина фазового шума составит — 60дБ. В техническом бюллетене Societe European des Satellites (1994г.) рекомендуемое значение фазового шума LNB при приеме цифровых телепередач следующее:

  • 50 дБ/Гц при смещении на 1 кГц.
  • 75 дБ/Гц при смещении на 10 кГц.
  • 95 дБ/Гц при смещении на 100 кГц.

Повышенная величина фазового шума конвертора способствует появлению межсимвольной интерференции сигнала, изменению чередования «0» и «1» при демодуляции и других нежелательных явлений, что приводит к невозможности декодирования принятой цифровой программы.

Смеситель

Смеситель в конверторах традиционно выполняется на полупроводниковых диодах или арсенидгаллиевых полевых транзисторах и решает задачу преобразования частоты сигнала 11 — 12 ГГц в диапазон частот 0,75 — 2,15 ГГц. Наиболее важным параметром смесителя являются потери преобразования. Величина этих потерь определяется схемным построением. Использование диодных преобразователей приводит к потерям 5—10 дБ. В случае, если нелинейным элементом преобразователя служит ПТШ, можно осуществить преобразование без потерь и даже с некоторым усилением (3—10 дБ). Стремление упростить конструкцию и улучшить технические характеристики привело к появлению таких схемных решений, которые позволяют использовать транзистор, работающий как смеситель и гетеродин одновременно.

Рис.8.10. Принцип построения
балансного смесителя СВЧ

Диодный смеситель обычно строится по балансной схеме на двух парноподобранных диодах с барьером Шотки (ДБШ), так как при этом обеспечивается меньший коэффициент шума по сравнению с однотактной (небалансной) схемой. Наиболее часто применяют балансные диодные смесители на трехдецибельных СВЧ-мостах. На рис.8.10 показан принцип построения подобных смесителей.

Трехдецибельный мост делит напряжение поступающего сигнала и сигнала гетеродина пополам и подает на диодные цепи. Кроме того, мост автоматически обеспечивает развязку между цепями сигнала и гетеродина и низкое значение коэффициента стоячей волны на входе в рабочей полосе частот. Чем широкополоснее мост, тем проще в настройке смеситель и стабильнее работает выходной каскад МШУ, так как он оказывается согласованным в более широкой полосе частот. Стоящие на выходах моста короткозамкнутые шлейфы (КЗШ) пропускают на диоды напряжения сигнала и гетеродина и шунтируют на землю напряжение промежуточной частоты, препятствуя его прохождению на вход смесителя. Шлейфы с холостым ходом (ХХШ) на концах, напротив, шунтируют напряжения сигнала и гетеродина, а для промежуточной частоты (ПЧ) составляют небольшую емкостную компоненту, которая вместе с индуктивностью L и выходной емкостью С создает полосовой фильтр для промежуточной частоты. Длины полосковых шлейфов должны составлять четверть длины волны для частоты гетеродина, так как сигнал гетеродина более мощный и его просачивание в усилитель промежуточной частоты труднее заблокировать.

Удачным вариантом балансного смесителя без использования трехдецибельного моста является конструкция, приведенная на рис.8.11. По сигнальной цепи оба диода размещены на расстоянии полуволны, поэтому их нагрузочные сопротивления включены параллельно. По гетеродинной цепи диоды включены параллельно, что тоже надо учитывать при согласовании этого смесителя с гетеродином.

Обладая многими достоинствами (низким коэффициентом шума, высокой линейностью, простотой конструкции), представленная схема смесителя имеет один существенный недостаток — ослабляет преобразуемый сигнал. Этого недостатка лишены транзисторные смесители, выполненные на ПТШ и обеспечивающие при приемлемом значении коэффициента шума (4,5 — 6,0 дБ) усиление сигнала на 5 — 10 дБ. Вначале использовались конструкции смесителей с однозатворными ПТШ, сигнал гетеродина на которые подавался одним из способов, показанных на рис.8.12.

Схема на рис.8.12,а требует слабой связи направленного ответвителя и, следовательно, повышенной мощности гетеродина. Недостатком схемы на рис.8.12,б является наличие в цепи обратной связи сопротивления, вносимого гетеродином, что приводит к снижению усиления и увеличению коэффициента шума. Схема на рис.8.12,в наиболее удобна с точки зрения подачи напряжения сигнала и гетеродина, однако колебания напряжения ПЧ на стоках оказываются противофазными и полоса пропускания ограничивается полосой суммирующей цепи. Кроме того, требуется тщательное согласование цепи затворов на частотах сигнала и гетеродина. Наилучшие результаты получаются при использовании смесителей с двухзатворными ПТШ. Напряжения сигнала и гетеродина прикладываются к разным затворам, и нужна только одна фильтрующе-согласующая схема в цепи стока (рис.8.12,г, где СЦ — согласующая цепь, ФНЧ и ФВЧ — фильтры нижних и верхних частот). Главное преимущество схемы с двухзатворным ПТШ — ее простота. Не требуется ответвителей, гибридных соединений, нужны лишь простейшие согласующие схемы. Это особенно важно для монолитных интегральных схем, где согласующие цепи должны быть компактными.

Необходимо отметить одну особенность рассматриваемых конструкций: почти во всех смесителях используется принцип регенерации энергии зеркальной частоты, который получил название «восстановление зеркального канала». В этом режиме полная проводимость нагрузки смесителя на зеркальной частоте имеет чисто реактивный характер, и зеркальная составляющая, полностью отражаясь, преобразуется в составляющую, синфазную с основным компонентом, что дает снижение потерь преобразования и шумовой температуры смесителя.

Основные требования к смесителям конверторов СНТВ:

  • Минимальный коэффициент шума.
  • Минимальные потери преобразования.
  • Линейность ФЧХ.
  • Равномерность АЧХ.

Рис.8.11. Балансный диодный смеситель Рис.8.12. Смесительные каскады на полевых
транзисторах с барьером Шотки

Предварительный усилитель промежуточной частоты

Усиление конвертора обеспечивается, главным образом, ПУПЧ. Поскольку к нему не предъявляется жестких требований по коэффициенту шума, он может быть выполнен на биполярных слабосигнальных транзисторах МОП-транзисторах, ПТШ и гибридных модулях усиления, а также их комбинациях. Так как усиление с увеличением частоты падает, ПУПЧ должен иметь соответствующие согласующие цепи для компенсации избыточного усиления на низких частотах. Неравномерность АЧХ должна быть не более ±2 дБ.

Устройство питания конвертора

Устройство питания предназначено для обеспечения высокостабильного разнополярного относительно корпуса напряжения питания, необходимого для нормального функционирования всех узлов конвертора. Напряжение питания +12 В относительно корпуса подается на конвертор с приемного устройства по центральной жиле коаксиального соединительного кабеля.

К узлу электропитания предъявляются следующие требования:

  • Не создавать электрических помех.
  • Обеспечить узлы конвертора стабильным напряжением питания.

На рис.8.13. представлена типовая функциональная схема устройства питания конвертора.

Рис.8.13. Функциональная схема устройства питания конвертора

Полнодиапазонные конверторы

По мере освоения диапазона 11,70 — 12,75 ГГц возникла необходимость появления полнодиапазонных конверторов (10,70— 12,75 ГГц), работающих в трех поддиапазонах: FSS (Fixec Satellite Servies) - 10,7 - 11,7 ГГц; DBS (DirectBroadcastServies) — 11,70 - 12,45ГГц и BSS (Broadcast Satellite Servies) — 12,45— 12,75 ГГц, причем последний часто называют Telecom от названия французских спутников, вещающих в этом диапазоне (рис.8.14).

Рис.8.14. Полосы частот С- и Ku-диапазонов

Данная задача была успешно решена с появлением широкополосных НЕМТ транзисторов с низким коэффициентом шума. Структурная схема полнодиапазонного конвертора представлена на рис.8.15. Он имеет один МШУ, а разделение диапазонов происходит в полосовом фильтре ПФ, при этом обработка сигналов в диапазонах DBS и Telecom совмещается. Каждая из зон (10,7—11,7 и 11,70—12,75 ГГц) имеет свой смеситель и гетеродин общий ПУПЧ.

Рис.8.15. Функциональная схема полнодиапазонного конвертора с одним МШ

Еще одним вариантом полнодиапазонного конвертора является конвертор с переключением поляризации, который также называется интегральным (рис.8.16). Для конверторов такого типа не надо применять магнитные или механические поляризаторы. Переключение поляризации происходит при изменении напряжения питания конвертора с 13 на 18 В.

Рис.8.16. Функциональная схема полнодиапазонного конвертора с переключением поляризации

Более низкое напряжение (13 В) включает вертикальную поляризацию V, а более высокое — горизонтальную Н. Для переключения с диапазона на диапазон применяется специальный компаратор, управляемый служебным сигналом частотой 22 кГц, который подается по тому же кабелю, что и напряжение 13/18В. В случае отсутствия сигнала работает первый диапазон 10,7 — 11,7 ГГц, а при его включении — второй диапазон 11,70 — 12,75ГГц. В первых моделях полнодиапазонных конверторов диапазоны переключались напряжением 13 (18) В. На рис.8.17 и 8.18 представлены полнодиапазонные конверторы фирмы GARDINER, на рис.8.19 — конвертор, совмещенный с излучателем, фирмы OXFORD. Использование интегральных конверторов позволяет исключить потери преобразования в поляризаторах (0,2 — 0,3 дБ) и добиться лучших шумовых характеристик за счет использования двух независимых МШУ.

Рис.8.17. Полнодиапазонный конвертор
Ku-диапазона
Рис.8.18. Полнодиапазонный конвертор
С-диапазона
Рис.8.19. Конвертор Ku-диапазона,
совмещенный с облучателем

Универсальные конверторы

Основное отличие универсальных конверторов от полнодиапазонных состоит в универсальности сигналов, управляющих переключением диапазонов и поляризации, а также тем, что эти сигналы передаются по одному кабелю с промежуточной частотой. Верхняя и нижняя частоты гетеродинов в большинстве универсальных конверторов имеют значения 10,60 ГГц и 9,75 ГГц соответственно.

Такая унификация значительно упрощает процесс настройки спутникового приемника на данный конвертор. Для этого в экранном меню достаточно выбрать опцию «универсальный конвертор», чтобы при смене канала приемник автоматически формировал необходимые управляющие сигналы.

Конверторы с несколькими выходами

При построении распределительной сети на несколько пользователей удобно использовать конверторы с двумя или четырьмя выходами. Как правило, они имеют встроенный поляризатор, управляемый напряжением 13/18 В. По характеру выходных сигналов такие конверторы делятся на два типа. Конверторы первого типа имеют два или четыре равноценных выхода с независимым переключением диапазонов и поляризации. Такие конверторы наиболее удобны для распределения сигнала для 2 — 4 пользователей. При большем числе потребителей лучше использовать конверторы второго типа. Если у такого конвертора 2 выхода, то на них выводятся соответственно сигналы вертикальной и горизонтальной поляризации, а если 4 — то сигнал делится еще и по диапазонам. Двухвыходные конверторы такого типа удобно использовать, если планируется осуществлять прием верхнего или нижнего поддиапазона. В таком случае на один СВЧ-вход спутникового приемника подается горизонтальная поляризация, а на другой — вертикальная. Сигналы с четырехвыходных конверторов второго типа используются в кабельных сетях или при организации небольших систем коллективного приема. В последнем случае сигналы с выходов конвертора подаются на входы коммутаторов для дальнейшей разводки потребителям.

В заключение необходимо отметить различные варианты конструктивного исполнения корпуса конвертора. В идеале он должен быть герметичным. В противном случае, за счет суточного колебания температуры внутри конвертора образуется конденсат, который приводит к ухудшению его параметров и, в конечном итоге, к выходу из строя. Высокий уровень герметичности достигается в конверторах, помещенных в запаянный, неразборный корпус. Недостатком такой конструкции является невозможность ремонта конвертора. Некоторые конверторы изготавливаются в двойном кожухе; внутренний металлический закрыт внешним пластмассовым кожухом. Поэтому большая часть конденсата выпадает между двумя оболочками и вытекает в предусмотренное для этого сливное отверстие.

Цифровой спутниковый приемник

Начало активного цифрового спутникового телевизионного вещания (Digital Broadcast Satellite — DBS) относится к середине 1996г. К этому времени был сформирован ряд цифровых пакетов и началось производство цифровых приемников. Цифровые спутниковые приемники существенно отличаются от аналоговых моделей. Рассмотрим базовую структурную схему, представленную на рис.9.1.

После того, как выделенный сигнал проходит цепи демодуляции, он преобразуется в информационный поток в виде цифровых пакетов и поступает в устройство исправления ошибок. В демультиплексоре производится разделение информационного потока на два канала: аудио и видео. Декодер поддерживает самые различные форматы и имеет большое количество выходов: цифровое видео, аналоговое видео, цифровое аудио, аналоговое аудио, RGB-выход и др.

Управление работой демультиплексора осуществляет микропроцессор, обрабатывая команды пользователя, переданные через блок управления (пульт дистанционного управления или модуль приемника). В цифровом приемнике нет понятия “плохое качество изображения” — качество картинки на экране телевизора при использовании профессиональной и бытовой аппаратуры одинаково высокое.

В том случае, если уровень ошибок превышает предельно допустимый, изображения на экране телевизора просто не будет, так как не смогут работать алгоритмы восстановления.

Конечной целью совместных усилий является создание модульной архитектуры приемника, которая состояла бы из универсальных чипов, применяемых не только в спутниковом телевидении, но и в системах MMDS-вещания, цифровых кабельных сетях и других видах телекоммуникаций. Ключ к успеху модульного подхода лежит в оптимальном разделении субблоков и организации связи между ними при помощи универсального гибкого интерфейса и программного обеспечения.

Рис.9.1. Обобщенная структурная схема цифрового приемника

Цифровые приемники первого поколения имели большое количество чипов, каждый из которых был ответственен за независимые задачи: коррекцию ошибок, демодуляцию, демультиплексирование цифрового потока, обработку данных (центральный процессор), MPEG-2-декодирование видео- и аудиосигналов (рис.9.2). В этих моделях использовались дорогостоящие динамические оперативные запоминающие устройства (DRAM) с произвольным порядком выборки. Все используемые чипы имели достаточно большие размеры и стоимость. Слабым местом этих конструкций был центральный процессор с 8- или 16-разрядной шиной данных.

Рис.9.2. Структурная схема цифрового приемника первого поколения

Рис.9.3. Структурная схема цифрового приемника второго поколения

Приемники второго поколения, были разработаны с использованием уже всего трех чипов, которые осуществляют все функции обработки сигнала (рис.9.3). Дополнительный четвертый чип обеспечивает прием цифровых программ кабельного ТВ. Спутниковый (или кабельный) модуль осуществляет демодуляцию сигнала и коррекцию ошибок. Центральный процессор встроен в следующий чип, который обеспечивает управление информационными потоками, дешифровку и контроль периферийных устройств и памяти. Последний чип содержит MPEG-2 видео- и аудиодекодер.

Рис.9.4. Структурная схема цифрового приемника третьего поколения

Рис.9.5. Структурная схема цифрового HDTV приемника

Технические характеристики цифровых спутниковых приемников

Рассмотрим основные технические характеристики цифровых спутниковых приемников. Кроме традиционного диапазона частот, существуют еще несколько параметров, присущих только цифровым системам.

В первую очередь это относится к возможности осуществлять одно- или многопрограммный прием на одной частоте.

Single Channel Per Carrier (SCPC) — способ передачи, при котором каждая программа модулирует отдельную несущую. Этот способ по сравнению с МСРС более энергоемок. Он используется в тех случаях, когда трансляционные точки разных программ географически разнесены. Частотное мультиплексирование таких программ происходит уже в антенно-фидерной линии спутникового бортового ретранслятора.

Multi Channel Per Carrier (MCPC) — передача нескольких разных программ на одной несущей. При этой системе передачи сначала производится временное мультиплексирование элементарных потоков, составляющих разные передачи, а затем полученный групповой транспортный поток модулирует одну несущую. Этот способ передачи позволяет более эффективно, чем при использовании SCPC-передачи, использовать полосу пропускания транспондера, так как упраздняются защитные интервалы между несущими.

Еще одним важным параметром является скорость передачи данных (Symbc Rate — SR). В большинстве случаев скорость одиночных каналов (SCPC) колеблется от 3 до 9 Мбит/с, а для пакетов (МСРС) — до 40 Мбит/с. Ограничение нижнего предела скорости значениями 15—18 Мбит/с является одной из причин неспособности некоторых приемников принимать каналы Free To Air, многие из которых передаются поодиночке. Из этого следует, что диапазон, воспринимаемый приемником, должен на сегодняшний день составлять 3 — 30 Мбит/с.

Важным параметром любого цифрового канала являются PID-коды, которые определяют местонахождение отдельных элементарных потоков в структуре транспортного потока. Информация об этих кодах хранится в таблице, называемой Programm Map Table. Она определяет местонахождение отдельных потоков, составляющих все трансляции, передаваемые в мультиплексированном транспортном потоке. Она содержит также необходимые аудио- и видеопараметры и другую вспомогательную информацию, которая может использоваться для формирования электронного гида, установки часов и т. д. Эта таблица передается в начале транспортного потока вместе с другой служебной информацией.

Program Identification (PID) — код, определяющий местонахождение определенного элементарного потока в общем транспортном потоке.

Некоторые приемники, предназначенные для приёма определенного пакета, не умеют считывать РID-коды из таблицы и пользуются готовыми кодами и, следовательно, не могут принимать ничего, кроме своего пакета.

Наиболее существенный минус такого подхода — неспособность принимать каналы Free To Air, достоинство — некоторая защищенность от приема других платных трансляций. Кроме того, такие приемники требуют доработок программного обеспечения при любом изменении длины элементарных потоков, входящих в состав пакета. Другими специфическими характеристиками цифрового приемника являются тактовая частота процессора, а также объем оперативной и перепрограммируемой памяти.

Организация условного доступа в спутниковых цифровых приемниках

В настоящее время в Европе используется, по крайней мере, девять различных систем цифрового скремблирования. Очевидно, что универсальный цифровой приемник должен уметь работать с любой системой скремблирования. Эта проблема решается несколькими путями. Один из них — создание универсального модуля условного доступа, в котором система скремблирования задается программным путем. Такие модули встраиваются в некоторые современные профессиональные и полупрофессиональные приемники. Система скремблирования задается в них через меню.

К базовому декодеру может подсоединяться один или несколько модулей условного доступа (рис.9.6). Демодулированный поток данных последовательно проходит все модули условного доступа.

Каждый модуль расшифровывает те элементарные потоки в программах пакета, в которых используется соответствующая система скремблирования. Для управления электроприводом разработан специальный протокол. В соответствии с ним после адресной информации, определяющей необходимое устройство, передается число импульсов, кратное необходимому количеству оборотов электродвигателя. В настоящее время наибольшее распространение получили системы, использующие протокол mini-DiSEqC (уже сейчас существуют версии 1.0, 2.0, 3.0). С его помощью станет возможным полное управление всем спектром оборудования.

Рис.9.6. Организация условного доступа с общим интерфейсом число импульсов

Организация управления электроприводом и выбором LNB

В настоящее время для организации управления электроприводом и выбором LNB используется специальный протокол управления DiSEqC (Digital Satellite Equipment Control или цифровое управление спутниковым оборудованием). Это специальный протокол связи для обмена данными между спутниковым ресивером и другими устройствами — такими, как: переключатели, поляризаторы, позиционеры и т. п. Для передачи сигнала используется коаксиальный кабель. Режим обмена данными через кабель — одно или двухсторонний, с возможностью подачи питания. Стандартом предусмотрена совместимость с традиционным переключением напряжения 13/17 вольт и тоном 22 кГц.

Система DiSEqC была задумана как универсальная технология для управления любым периферийным оборудованием, как существующим, так и тем, которое может появиться в будущем. Управление по стандарту DiSEqC обладает следующими достоинствами: Во-первых, для управления по DiSEqC не требуется никаких дополнительных кабелей и проводов, в качестве линии для передачи сигналов управления используется тот же коаксиальный кабель, по которому к ресиверу доставляется радиочастотный сигнал от спутниковой антенны (нескольких антенн). Во-вторых, сигналом управления служит все тот же тон (22 кГц, 0.6 В), только он передается не непрерывно, а модулируется цифровой последовательностью. С одной стороны, для формирования управляющего сигнала DiSEqC можно использовать аппаратные средства, уже разработанные ранее для формирования тона 22кГц. С другой стороны, тон 22кГц включается и выключается микропроцессором ресивера, поэтому модуляцию можно осуществлять "чисто программными" средствами. Изменяя только "прошивку" ресивера, можно адаптировать его для работы с теми или иными периферийными устройствами. Наконец, управление DiSEqC более выгодно с точки зрения минимизации мощности, потребляемой периферийными устройствами от ресивера. Например, для переключения поляризации "традиционным" способом необходимо изменить напряжение питания конвертора с 13 В на 18 В. Ток, потребляемый конвертором, при этом останется неизменным, значит, потребляемая мощность увеличится в полтора раза только за счет управления. Если используется управление DiSEqC, напряжение и ток могут оставаться постоянными независимо от передаваемой команды. Кроме того, стандарт DiSEqC предусматривает еще ряд технических решений, также направленных на уменьшение нагрузки в цепи питания конвертора. Например, в системе с несколькими конверторами и переключателем (переключателями) DiSEqC всегда существует единственная цепь постоянного тока, соединяющая вход ресивера только с одним конвертором, питание остальных конверторов отключается. Существует несколько вариантов DiSEqC: На данный момент существуют следующие группы протоколов:

  • DiSeqC 1.X - позволяет управлять включением или переключением определенного числа внешних устройств (конверторов, коммутаторов, позиционеров);
  • DiSEqC 2.X - дополнительно позволяет получать подтверждение выполнения команды. С его помощью, например, можно получать информацию о частоте используемого гетеродина конвертора;
  • DiSeqC 3.X - обеспечивает диалог между ресивером и периферийными устройствами. В будущем он позволит автоматизировать процесс настройки внешних устройств.

DiSEqC 1.0 - позволяет переключаться между 4 спутниками; DiSEqC 1.1 - позволяет переключаться между 16 спутниками; DiSEqC 1.2; 1.3 – позволяют производить контроль за позиционером.

Некоторые вариации DiSEqC часто используются производителями и магазинами для обозначения других протоколов (1.3, как правило, приёмники "USALS") - DiSEqC 1.0. Переключатель, работающий по этому протоколу, позволяет подключить до 4-х конверторов к одному ресиверу, что показано на рис.9.7.

Рис.9.7. Одна антенна с 4-мя конвертерами
(мультифид на четыре спутника)
Рис.9.8. Четыре переключателя
DiSEqC 1.0 и один DiSEqC 1.1

Протоколы DiSEqC 1.2 или DiSEqC 1.3

С помощью протоколов DiSEqC 1.2 или DiSEqC 1.3 ресиверы управляют мотоподвесами и позиционерами с актюаторами.

Рис.9.9. Подключение мотоподвеса

Функция USALS (DiSEqC 1.3)

USALS (сокращение от Universal Satellites Automatic Location System) часто присутствует на передней панели новых моделей приемников. Это означает, что приемник оснащен универсальной системой автоматического определения положения спутника, применимой для антенн до 120 см с полярным центральным DiSEqC-позиционером (полярную подвеску, DiSEqC-позиционер и мотор в одном корпусе).

Программа, разработанная компанией STAB, дополняет протокол DiSEqC 1.2 и позволяет приемнику рассчитать положение всех спутников на орбите с точностью 0.1°. Это упрощает самый сложный из этапов – ориентацию полярной оси в азимутальной плоскости. В ресивере указываются координаты места установки и выбирается спутник, ближайший к центру полярной дуги. На подвеске по шкале устанавливается угол места, равный широте места установки. Мотор повернется в нужную позицию.

Системы спутникового телевидения коллективного пользования (SMATV)

Спутниковое телевидение, так же как эфирное и кабельное, начинает приобретать все большее значение для жителей России. Спутниковые приемные антенны встречаются уже как на стенах городских многоэтажек, так и на крышах дач и деревенских домов. Это напоминает период 60-х годов, когда каждый владелец телевизора имел собственную антенну. При этом иметь деньги для покупки комплекта аппаратуры — это еще не все. Необходимо учесть несколько дополнительных факторов: ваша квартира не должна находиться на первом этаже, ее окна не должны выходить во «двор-колодец», и хотя бы одно окно, должно выходить на юг или, в худшем случае, на запад или восток. Соблюсти все эти рекомендации не всегда возможно по многим причинам (финансовым, эстетическим, техническим), поэтому более рациональным зачастую является создание системы коллективного приема SMATV.

SMATV — это система спутникового телевидения коллективного пользования, обеспечивающая независимый прием различных каналов с нескольких антенн (их число определяется частотным диапазоном и условиями данной местности). При пользовании SMATV ваши расходы по приему программ спутникового телевидения сократятся почти вдвое. На рис.10.1 хорошо видно, что у абонента сети личным должен быть только собственный спутниковый приемник, затраты же на установку и приобретение антенны делятся на всех. Абонентов может быть, в зависимости от оборудования, до 50 человек, т. е. одна система может обслуживать, например, один или два подъезда многоэтажного дома. Кроме того, по ее сети может распространяться сигнал местного эфирного телевизионного вещания. Абонент получает возможность самостоятельного и независимого выбора программ, транслируемых спутником или спутниками (так как спутниковых антенн может быть две, либо с одной антенны могут браться сигналы двух спутников одновременно). Кроме того, есть еще один положительный момент — фасад дома не будет покрыт панцирем из разных по размеру спутниковых антенн, не нужно ругаться с соседями, из-за того, что ваша антенна затеняет их окна.

Рис.10.1. Типовая распределительная сеть

Существуют жесткие требования, которые предъявляются не только к антенно-фидерному и усилительному оборудованию телевизионных приемных систем, но и к элементам распределительных сетей, обеспечивающих разветвление ТВ-сигнала и деление его энергии.

Основное различие систем коллективного и индивидуального приема телепрограмм связано с требованиями к качеству принимаемого изображения. Так, энергетическая добротность приемных станций систем коллективного приема, как правило, должна составлять не менее 14 дБ/К, а отношение сигнал/шум в полосе используемого телевизионного канала — не менее 57 дБ. Это вынуждает применять в составе коллективного приемного комплекса антенны с большим диаметром.

Параметры приемных систем и перспективы их совершенствования во многом зависят от качества и надёжности используемых ответвителей и делителей. Основной задачей абонентских ответвителей является распределение мощности ВЧ-сигналов между отводами. Домовые абонентские ответвители должны исключать взаимное влияние телевизионных приемников, создаваемое их гетеродинами, причем, если частоты сигналов гетеродинов или их гармоник не находятся в полосах частот каналов распределительной сети, то возможна развязка между отводами 20 дБ, но для многоканальных приемных сетей она должна быть не менее 40 дБ. Собственные потери ответвителей имеют серьезное значение, так как в распределительных сетях большое количество их включено последовательно.

В зависимости от состава оборудования приемный комплекс коллективного пользования может осуществлять прием не только спутниковых, но и программ эфирного телевидения и ЧМ-радиовещания (5 — 2150 МГц). Для создания такой распределительной системы необходимо большое количество разнообразных устройств: переключателей, диплексеров, сплиттеров, абонентских розеток, усилителей, аттенюаторов, мультисвитчей и др. (см. рис.10.1) Корпуса этих устройств выполнены из экологически чистых материалов и имеют антикоррозийную защиту, что позволяет устанавливать их в нежилых помещениях, на открытом воздухе (при условии защиты от прямого попадания на них воды). Применение таких устройств позволило разработать ряд простых и надежных схем сетей, емкость которых составляет до 50 аналоговых телевизионных каналов.

Оборудование систем коллективного пользования.
Сумматоры (диплексеры)

Функциональное назначение данных устройств ясно из их названия. Они предназначены для суммирования сигналов различных частотных диапазонов, поступающих от независимых устройств. Например, возможно объединение сигналов спутникового и эфирного телевидения для передачи их по одному общему кабелю, а затем их обратное разделение. На рис.10.2 представлена схема такого объединения сигналов. Входной диплексер представляет собой сумматор, объединяющий сигналы эфирного (47 — 860МГц) и спутникового (950 — 2150 МГц) телевидения. По общему коаксиальному кабелю принятые сигналы поступают на выходной диплексер, где происходит их разделение.

Необходимо отметить, что любые пассивные элементы распределительной сети (сумматоры, делители, ответвители) могут использоваться как для суммирования, так и для разделения сигналов. Применение этих элементов ограничивается их техническими характеристиками. Необходимо также отметить, что одни диплексеры позволяют подавать через них постоянное напряжение, а другие нет.


Сплиттеры (splitters)

Эти устройства, называемые также делителями мощности, разделяют сигнал на два и более каналов (рис.10.3). Каждая модель сплиттера предназначена для определенного диапазона частот. При делении сигнала, не входящего в его рабочую полосу, затухание увеличивается. Некоторые модели имеют также встроенные полосовые фильтры для подавления частот, лежащих ниже и выше их рабочего диапазона, что позволяет защищать входы коаксиальных кабелей от шумовых помех. Чем больше количество выходных каналов сплиттера, тем выше потери в нем. При установке сплиттера следует обратить внимание на уровень входного и выходного сигналов, а также на затухание, вносимое коаксиальным кабелем.

Рис.10.2. Включение диплексеров для
объединения и разъединения сигналов
Рис.10.3. Сплиттер фирмы IKUSI
с двумя выходами

Рис.10.4. Типовые принципиальные схемы делителей:
а — на два; б — на три; в — на четыре

При проектировании распределительной сети необходимо знать, не требуется ли подача постоянного напряжения, так как некоторые модели сплиттеров не позволяют этого делать.

Для компенсации вносимого затухания в состав сплиттера может входить усилитель. Такой сплиттер называется активным. Принципиальная схема делителя на два представлена на рис.10.4,а. Он состоит из двух ферритовых сердечников с двумя отверстиями (трансфлюкторов), обмоток, резистора R и конденсатора С. На рис.10.4,б,в показаны принципиальные схемы делителя на три и четыре соответственно. Из-за несимметричности схемы делитель на три имеет следующую особенность: на одном из выходов вносимые потери в два раза меньше, чем на двух других. Следует обратить внимание на то, что в делителях на четыре развязка между парными выходами примерно в два раза меньше, чем между непарными. В таблице 10.1 представлены величины потерь в различных делителях.


Таблица 10.1 - Потери в различных делителях
Количество выходов сплиттера Затухание, дБ
2 3,5
3 1 х 3 и 2 х 7
4 7
8 10,5
16 14

В последнее время все чаще строят универсальные распределительные сети, работающие в диапазоне 5 — 2150 МГц, что позволяет передавать по ним сигналы как эфирного телевизионного вещания, так и первой промежуточной частоты спутникового телевидения. Для реализации таких сетей необходимы соответствующие широкополосные устройства.

Особенностью приведенных схем делителей является возможность их использования (при обратном включении) в качестве широкополосных сумматоров. Однако величина потерь при этом не изменяется.

При использовании широкополосных делителей необходима так называемая «диодная развязка» по питанию, которая применяется в цепях питания (от нескольких источников, например, от спутниковых приемников) конверторов, переключателей типа поляризации и других устройств. Она несколько ухудшает электрические характеристики делителей, однако во многих случаях просто необходима. Стоимость широкополосных делителей примерно в два-три раза выше стоимости делителей, работающих только в телевизионном диапазоне. Зарубежные и отечественные фирмы выпускают широкий ассортимент делителей для спутниковых распределительных сетей. Как правило, такие устройства изготавливаются на основе либо ферритовых элементов, либо кольцевых печатных схем. Кольцевые делители обеспечивают лучшую развязку между выходами и возможность работы с источниками сигналов большой мощности. К их недостаткам можно отнести довольно большую неравномерность амплитудно-частотной характеристики.

Делители для спутниковых распределительных сетей выпускаются как с развязкой по питанию, так и без нее. В некоторых делителях питание подводится только через один выход. Стоимость делителей для спутниковых распределительных сетей сравнима со стоимостью широкополосных делителей.

При практическом использовании пассивных делителей на основе ферритовых элементов необходимо помнить, что эти приборы предназначены для работы в сетях с низким уровнем мощности. В линии с высоким уровнем мощности (например, после линейного усилителя с уровнем выхода более 120 дБ/мкВ) возможно резкое ухудшение электрических параметров делителя из-за перехода ферритовых элементов в нелинейный режим работы (насыщение). Применение специальных кольцевых делителей или, если это возможно, использование аттенюаторов обеспечивает в этих случаях лучшие результаты.


Направленные ответвители (Тар)

Под направленными ответвителями понимают устройства, предназначенные для отвода части энергии сигнала от магистральной линии передачи, причем затухание сигнала в отводе (или отводах) нормируется (рис.10.5). Нормирование затухания необходимо для выравнивания уровней сигналов в любой точке распределительной сети.

Ответвители бывают направленными и ненаправленными.

Рис.10.5. Направленный (слева) и ненаправленный (справа) ответвители

Как правило, направленные ответвители выпускаются с одним, двумя или четырьмя, реже с шестью и более отводами. Направленные ответвители имеют четкое обозначение входного и выходных каналов и подключение возможно только в указанном направлении.

Типовая принципиальная схема направленного ответвителя с одним отводом (одноплечевого) представлена на рис.10.6. В нем используется высокочастотный трансформатор, выполненный обычно на основе ферритового сердечника. Выбранным коэффициентом трансформации (зависит от количества витков вторичных обмоток) определяется затухание в отводе. Наиболее типичный ряд вносимых затуханий как для одноплечевых, так и для многоплечевых ответвителей следующий: 6, 8, 10, 14, 18, 20, 25, 30 дБ.

Характерной особенностью всех ответвителей является уменьшение прямых потерь с ростом величины затухания в отводе.

Многоотводные направленные ответвители, как правило, строятся по схеме одноотводных, с добавлением соответствующих делителей мощности на 2,3,4 и т. д.

На рис.10.7 представлена схема направленного ответвителя с двумя отводами, на трансформаторе Т1 собран одноплечевой ответвитель, а на трансформаторе Т2 — делитель мощности на два. Конденсаторы осуществляют необходимую частотную коррекцию.

Рис.10.6. Принципиальная схема направленного ответвителя с одним отводом Рис.10.7. Принципиальная схема направленного ответвителя с двумя отводами

Абонентские розетки

Абонентские розетки являются оконечными распределительными устройствами. Оконечные устройства подключаются к абонентскому кабелю непосредственно или через абонентские розетки, когда абоненту необходимо подключить к одному отводу. (Например, несколько телевизионных приемников и компьютер). Особенно важен тип подключения абонента, если приемная сеть предоставляет интерактивные услуги.

Рис.10.8. Абонентская розетка DU07 (WISI)
с аксессуарами для внешней и внутренней установки
и кабельными разъемами.

Розетки могут устанавливаться как в коробки для внешней проводки, так и в ниши для сетей с внутренней проводкой. Абонентские розетки рассчитаны на подключение коаксиальных кабелей с диаметром внешней оболочки до 7,5 мм. Существует широкая гамма розеток (рис.10.8) распределительной телевизионной сети, различающихся по конструктивному исполнению (наружные и внутренние), количеству отводов (1 — 3); назначению (проходные и оконечные), наличию блокировки (с блокировкой и без блокировки постоянного напряжения), а также используемым разъемам.

Различные типы розеток предназначены для работы в разных диапазонах частот:

  • 47-860 МГц (TV)
  • 47-860 и 87-108 МГц (TV FM)
  • 47 - 860 и 950 - 150 МГц (TV SAT)
  • 47-86; 87-108 и 950-2150 МГц (TVFM SAT)

Необходимо учитывать, что при использовании некоторых абонентских розеток зарубежного производства, невозможно будет просматривать программы 3-, 4- и 5-го каналов метрового диапазона.

Проходные розетки имеют встроенный ответвитель и предназначены для последовательного включения. Развязка между выходами одной или двух любых абонентских розеток должна быть не менее 22 дБ.

При распределении сигналов в каналах, подверженных воздействию помех от гетеродинов абонентских устройств, подключенных к сети, развязка между выходами одной или двух любых абонентских розеток должна быть не менее 46 дБ. Отношение сигнал/шум для телевизионного сигнала на выходе любой абонентской розетки должно быть не менее 43 дБ.

Аттенюаторы

Эти устройства предназначены для понижения уровня слишком мощного сигнала. Они включаются в кабельную линию через разъемы различных типов, например, F-коннекторы. Аттенюаторы могут обеспечивать компенсацию неравномерности затухания на различных частотах, а также подавать через них постоянное напряжение (рис.10.9).

Оконечная нагрузка

Любой выход коллективной телевизионной сети для обеспечения низкого значения коэффициента стоячей волны должен заканчиваться нагрузкой. Поэтому неиспользуемые выходы сплиттеров, диплексеров и других устройств заканчиваются специальной оконечной нагрузкой — сопротивлением 75 Ом (рис.10.10). Конструктивно она представляет собой разъем, выводы которого закорочены резистором 75 Ом.

Блокиратор постоянного напряжения

Это простое устройство, которое пропускает переменную составляющую и задерживает постоянную для изоляции различных компонентов распределительной сети от постоянного напряжения. Конструктивно он представляет собой конденсатор, установленный в разъеме (рис.10.11).

Рис.10.9. Аттенюаторы Рис.10.10. Оконечная нагрузка Рис.10.11. Блокиратор
постоянного напряжения

Источник постоянного напряжения (Power Supply/Injectors)

Предназначен для подачи в распределительную сеть постоянного напряжения. Такое устройство может использоваться в больших системах для восстановления уровня постоянной составляющей, питания усилителей, конверторов и других устройств (рис.10.12). Двойной источник питания используется при подключении к конвертору с двумя выходами для переключения поляризации и изоляции конвертора от распределительной сети.

Коммутаторы

Эти устройства предназначены для коммутации различных сигналов. Различают механические и электронные коммутаторы.

Механические переключатели позволяют производить подключение одного из двух входных сигналов. Особенностью их конструкции является значительная развязка между входами (до 90 дБ).

Электронные коммутаторы позволяют производить дистанционное переключение (например, поляризации, диапазонов частот и др.) и различаются по типу исполнительного элемента, в качестве которого могут быть использованы:

  • Электромагнитное реле.
  • PIN-диод.
  • Транзистор.

Комбинированное устройство, в состав которого входит несколько электронных переключателей, называется мультисвитчем (Multiswitch). Различные модели этого устройства представлены на рис.10.13.

Электромагнитное реле в зависимости от подаваемого напряжения производит соединение выхода с одним из двух входов. Такие схемы отличаются более низкой стоимостью и лучшими техническими характеристиками (хорошей развязкой между входами). Применение PIN-диодов в качестве электронных переключателей позволяет пропускать и блокировать передаваемый сигнал. Переключение осуществляется путем изменения постоянного напряжения на р-n переходе, что увеличивает или уменьшает его внутреннее сопротивление.

Основным недостатком мультисвитчей с PIN-диодными переключателями является их чувствительность (особенно в недорогих моделях) к импульсным помехам от молний, электросварки, контактных линий электротранспорта, электропередач и др. Особенностью применения транзисторов в мультисвитчах является их работа в режиме ключа, а также необходимость подключения нагрузки на все выходы устройства.

В системах коллективного приема практически не используются антенны с поворотным устройством. Для того чтобы абоненты такой сети могли принимать сигналы с двух спутников, существуют модели мультисвитчей, в которых управление осуществляется путем изменения напряжения и подачи специального сигнала частотой 22 кГц. Интерфейс с таким выходом имеют практически все современные спутниковые приемники. Некоторые модели мультисвитчей имеют отдельный вход для подключения эфирной антенны.

Рис.10.12. Источник постоянного напряжения Рис.10.13. Мультисвитчи

Усилители

Усилители предназначены для обеспечения требуемого уровня сигнала в конечной точке приема (на выходе абонентской розетки). Они компенсируют затухание сигнала, вносимое коаксиальным кабелем, делителем и другими устройствами. По функциональному назначению усилители для распределительной сети можно разделить на следующие основные группы:

  • Антенные.
  • Специального назначения.
  • Магистральные.
  • Индивидуального пользования.
Рис.10.14. Расчетные зависимости
отношения сигнал/шум на выходе антенного
усилителя как функции его коэффициента шума

Антенные усилители предназначены для усиления слабых сигналов, поступающих с антенны (или нескольких антенн). Основное требование, предъявляемое к антенным усилителям, — обеспечение минимального коэффициента шума с целью максимизации отношения сигнал/шум на выходе.

Шумовая температура антенны зависит от частоты принимаемого канала. Для некоторых каналов на рис.10.14 представлены расчетные зависимости отношения сигнал/шум на выходе антенного усилителя как функции его коэффициента шума. Анализ этих зависимостей показывает, что включение малошумящего антенного усилителя в диапазонах MB I, II нецелесообразно, так как это не приносит ощутимого выигрыша в отношении сигнал/шум. Включение же малошумящих антенных усилителей в диапазонах ДМВ очень желательно, потому что они позволяют значительно повысить это отношение.

В зависимости от назначения распределительной сети и ее класса в ней могут быть установлены канальные или диапазонные антенные усилители. Канальные усилители имеют преимущество перед диапазонными - в связи с меньшим значением их коэффициента шума и доступностью выравнивания амплитуд каналов по диапазонам. На входе в диапазонных антенных усилителях ycтанавливается реактивный диапазонный сумматор (частотный диплексер), позволяющий подключать к усилителю несколько диапазонных антенн (обычно MB, 1,2, 3, FM и ДМВ).

Как правило, антенные усилители устанавливаются в непосредственной близости от антенны (поэтому их часто называют мачтовыми). Это необходимо для уменьшения влияния потерь в кабеле и, как следствие, реализации возможно большего выходного отношения сигнал/шум. Антенные усилители имеют влагозащитное исполнение и внешнее питание, подаваемое по центральной жиле кабеля.

Магистральные усилители по зарубежной классификации подразделяются на дистрибьюторные, линейные и транкинговые. Основная функция дистрибьюторного усилителя — достижение максимального уровня выходного напряжения, достаточного для полной телефикации, как правило, одного объекта (например, жилого дома).

Линейный усилитель — это усилитель, предназначенный для компенсации затухания в линейном тракте и коррекции АЧХ линии. К линейным усилителям предъявляется требование обеспечить значительный коэффициент передачи при максимально достижимом динамическом диапазоне. Линейные усилители могут иметь в своем составе и устройство автоматического регулирования усиления (АРУ), поддерживающее постоянный уровень выходного напряжения при воздействии дестабилизирующих факторов (изменения питающего напряжения, влажности, давления, температуры окружающей среды и т. д.).

Транкинговые усилители дополнительно имеют в своем составе системные и кабельные эквалайзеры, пассивный или активный обратный канал (с обязательным полным набором всех аксессуаров), тестовые контрольные точки, фиксированные и переменные аттенюаторы. Непременным условием является возможность подключения дополнительных линейных и дистрибьюторных усилителей. Транкинговые усилители целесообразно включать в тех местах больших распределительных сетей, где организуются дополнительные субмагистрали.

Ко всем магистральным усилителям, как правило, предъявляются такие требования, как повышенная пыле-влагозащищенность, возможность дистанционного питания переменным напряжением 25 — 65 В, наличие активного обратного канала и встроенных аттенюатора и эквалайзера. С помощью активного обратного канала (5 — 30 МГц) можно формировать так называемые интерактивные кабельные сети, предназначенные для расширения функциональных возможностей системы без прокладки дополнительных проводов. Питание усилителя может осуществляться от источника постоянного напряжения прямо по коаксиальному кабелю, или от сети переменного тока. Большинство таких устройств работают в диапазоне первой ПЧ конвертора (950 — 2150 МГц) и устанавливаются между выходом конвертора и входом приемника (рис.10.15).

Рис.10.15. Усилитель с питанием по
коаксиальному кабелю

Основными техническими характеристиками линейного усилителя являются:

  • Диапазон частот.
  • Коэффициент усиления.
  • Коэффициент шума.
  • Коэффициент интермодуляционных искажений.
  • Коэффициент стоячей волны.

Некоторые типы усилителей, предназначенные для компенсации затухания кабельной линии, имеют неравномерную АЧХ. Как известно, с повышением частоты, потери сигнала в коаксиальном кабеле увеличиваются. Поэтому для обеспечения необходимого уровня сигнала в заданном диапазоне частот такие усилители имеют больший коэффициент усиления в верхней части рабочего диапазона.

Применение усилителей должно осуществляться с известной долей осторожности, так как они являются дополнительным источником шумовых помех. Лучше использовать коаксиальный кабель и другие компоненты с меньшим затуханием, чем устанавливать усилители.

Распределительные сети коллективного приема малой емкости

Для обеспечения приема спутниковых телевизионных программ сравнительно небольшим числом абонентов необходимы распределительные сети малой емкости, в которых используется специальный комплект радиотехнического оборудования. Наиболее часто на практике встречается построение сетей, обеспечивающее прием как эфирных, так и спутниковых программ. Это осуществляется, во избежание помех между спутниковыми и эфирными каналами, с помощью специального переключателя или канального сумматора.

Рассмотрим некоторые варианты построения распределительных сетей коллективного приема спутниковых и эфирных телевизионных программ.

Распределительная сеть с одним спутниковым приемником

Высокочастотный сигнал (950 — 2150 МГц) с выхода конвертора (рис.10.16) по коаксиальному кабелю подается на вход спутникового приемника. По этому же кабелю в конвертор поступают сигналы для управления работой поляризатора. С выхода приемника сигнал можно подавать либо непосредственно, либо через коммутатор на НЧ-вход телевизора. Предусмотрено так же подключение к приемнику видеомагнитофона. При подключении телевизора к широкодиапазонной антенне метрового или дециметрового диапазона необходимо соблюдать определенные требования к уровню сигнала. Если сигнал передается от удаленного источника или применяются кабели большой длины, необходимо использовать антенный усилитель.

Рис.10.16. Распределительная сеть с одним спутниковым приемником

Распределительная сеть с дальнейшей ретрансляцией

Такое построение распределительной сети может быть рекомендовано для локальной сети телевизионного вещания (рис.10.17). Принятый спутниковым приемником сигнал телевизионного вещания подается в модулятор. С выхода модулятора сигнал поступает либо на встроенную антенну, либо на внешнюю, установленную на крыше дома. В последнем случае модулятор, как правило, устанавливают в усилителе распределительной сети. При уровне сигнала на выходе усилителя в 50 дБм сигнал с внешней антенны можно принять простой комнатной антенной на расстоянии до 100 м. Это, в частности, позволяет не прокладывать длинные коаксиальные кабельные линии.

Рис.10.17. Распределительная сеть с дальнейшей ретрансляцией

Распределительная сеть с одним спутниковым приемником
и двумя антеннами для работы в двух диапазонах

С выходов конверторов (рис.10.18) двух антенн, работающих соответственно в диапазонах 3,7 — 4,2 и 10,70 — 12,75 ГГц, сигналы по коаксиальным кабелям подаются на мультисвитч. По этому же кабелю в конвертор поступают сигналы для управления работой поляризатора. Это позволяет принимать программы, передаваемые в С- и Ku-диапазонах. Заметим, что любая антенна может использоваться одновременно для двух диапазонов волн. Для этого следует разместить один облучатель в ее фокусе, а другой сместить относительно него.

Рис.10.18. Распределительная сеть с одним спутниковым приемником
и двумя антеннами для работы в двух диапазонах

Распределительная сеть с одним спутниковым приемником и внешним декодирующим устройством

В системе используется двухдиапазонная антенна с двумя конверторами, сигналы с выхода которых поступают на мультисвитч. На него же по общему коаксиальному кабелю подаются сигналы управления (рисунок 10.19). В результате на приемник подаются сигналы С- и Ku-диапазонов. В данной схеме предусмотрено декодирование сигнала внешним декодером на промежуточной частоте. С этой целью широкополосный недемодулированный сигнал ПЧ подается в декодер. К выходу декодера подключается телевизор. Если в системе предусмотрен позиционер, то сигналы управления подаются на него с приемника по специальной соединительной линии.

Рис.10.19. Распределительная сеть с одним спутниковым приемником
и внешним декодирующим устройством

Распределительная сеть с одной антенной на два абонента

Для обеспечения работы двух приемников с одной антенны часто применяют сплиттеры различных вариантов исполнения. Одно направление сплиттера заблокировано для прохождения постоянного напряжения (рис.10.20). Поэтому напряжение питания подается только от второго приемного устройства. При таком построении только с него можно осуществить выбор поляризации (горизонтальной или вертикальной, круговой левой или правой). К подобным распределительным сетям может быть подключено и большее количество абонентов. Для этого требуется лишь увеличить число сплиттеров и использовать линейный усилитель для компенсации неизбежных потерь сигнала.

Основным недостатком схемы, представленной на рис.10.20, является невозможность управления поляризацией каждым из абонентов.

Рис.10.20. Распределительная сеть с одной антенной на два абонента

Наиболее простым схемным решением для организации работы двух приемников с одной антенной является применение конвертора, в котором имеются два или четыре выхода (рис.10.21). В этом случае каждый абонент может осуществлять выбор вида поляризации независимо от других. Эта схема наиболее популярна в настоящее время. Однако конвертор с двумя или четырьмя выходами значительно дороже обычного конвертора.

Рис.10.21. Распределительная сеть с одной антенной
на два абонента с использованием двухвыходного конвертора

Распределительная сеть на 4 абонента

Сеть (рис.10.22) включает в себя спутниковую антенну, в фокусе рефлектора которой установлен конвертер. Он производит разделение сигналов с ортогональными поляризациями и осуществляет их усиление и понижение частоты. Конвертер имеет 4 раздельных выхода (вертикальный и горизонтальный поляризации на верхней частоте гетеродина) (вертикальный и горизонтальный поляризации на нижней частоте гетеродина). К выходам конвертера подключаются с помощью коаксиального кабеля мультисвитч. Он позволяет подавать на вход любого из приемников сигнал каждого конвертора. К выходам мультисвитча подключаются абонентские розетки. Кроме того, мультисвитч может иметь специальный вход для подключения обычной эфирной антенны. В случае необходимости, эфирная антенна может быть оснащена усилителем.

Распределительная сеть на 8 абонентов

Если выходы сплиттеров подключить к двум мультисвитчам, каждый из которых имеет по 4 выхода, то появляется возможность подключения восьми абонентов (рис.10.23). Выбрать канал с необходимой поляризацией можно с каждого приемника, управляя мультисвитчем.

Распределительная сеть на 12 абонентов

На рис.10.24 показана схема более сложной системы, рассчитанной на 12 абонентов. В этой системе используются мультисвитчи двух типов — оконечные и проходные, а питание конверторов осуществляется не от приемника, как обычно, а от специального усилителя.

Рис.10.22. Распределительная сеть на 4 абонента

Рис.10.23. Распределительная сеть на восемь абонентов

Рис.10.24. Распределительная сеть на 12 абонентов

Распределительные сети матричной структуры

Распределительные сети, представленные на рис.10.25 и 10.26, имеют матричную структуру, а число абонентов зависит от построения типовой матрицы.

Достоинством систем, построенных по приведенным схемам, является то, что каждый абонент может смотреть все программы, транслируемые с данного спутника. Главный их недостаток состоит в том, что каждому абоненту, а их число в такой системе относительно невелико (10 — 20), необходим свой приемник. Причина этого ограничения - разводка сигнала от антенны до абонентов ведется на частотах 950 — 2150 МГц, на которых потери в кабеле очень высоки (20 — 25 дБ/100м).


Распределительная сеть на основе головной станции

В тех случаях, когда число абонентов сети несколько десятков и более, целесообразно строить сеть по варианту, представленному на рис.10.27, по которому сейчас строятся сети коллективного приема эфирного ТВ.

Рис.10.25. Распределительная сеть матричной структуры

Рис.10.26. Распределительная сеть матричной структуры для приема эфирных
и спутниковых телевизионных программ

Рис.10.27. Распределительная сеть на основе головной станции

В этом случае сигналы с выходов конверторов поступают не на абонентские розетки, а на специальную головную станцию. Головная станция представляет собой фактически многоканальный тюнер, осуществляющий перенос спектра полного ТВ-сигнала каждого канала из диапазона частот 950 — 2150 МГц в дециметровый диапазон. Принимать такие сигналы можно уже обычным телевизором, имеющим вход ДМВ. При этом каждый абонент может смотреть любую из транслируемых в кабельную сеть программ независимо от других абонентов.

Коаксиальные кабели для индивидуального и коллективного приема

Коаксиальные кабели в значительной мере определяют возможности передачи высокочастотных телевизионных сигналов в системах коллективного телевизионного приема (СКТП) и кабельного телевидения (КТВ). Кабель — это пассивный элемент, в котором затухание сигналов пропорционально его длине и увеличивается с повышением частоты передаваемых сигналов. Он должен обеспечивать малое затухание при высокой стабильности в рабочем диапазоне частот, обладать высокой однородностью волнового сопротивления, механической прочностью и стойкостью к воздействию внешней среды, хорошей электропроводностью для тока, питающего линейные усилители. Эти качества должны сочетаться с механической прочностью и устойчивостью к повреждениям, которые могут возникать в процессе укладки и выполнения монтажных работ.

Коаксиальные кабели можно разделить на три категории:

  • Магистральные - для наружных и внутренних систем СКТП, ММСКТ, которые используются для передачи сигналов от головной станции до магистральных линий.
  • Распределительные - применяются в магистральных и домовых распределительных системах.
  • Абонентские - предназначенные для подключения абонентских розеток и оконечных устройств.

Отметим основные параметры, которые определяют категорию кабеля:

  • Затухание сигнала тесно связано с диаметром кабеля.
  • Затухание экранирования (эффективность экранирования), от этого значения зависит отношение сигнал/наведенная помеха.

Установлено, что создание систем СКТП в районах с напряженностью электромагнитного поля 90—100 мВ/м предполагает использование кабелей с затуханием экранирования не менее 60 дБ.

Конструктивное выполнение кабелей

Современный коаксиальный кабель состоит из следующих элементов:

  • Оболочки, которая служит для защиты от воздействия внешней среды. Обычно она изготавливается из полиэтилена или ПВХ. При укладке кабеля на открытом воздухе, для защиты от ультрафиолетового излучения, в материал оболочки вводят специальные добавки.
  • Внешнего проводника, который защищает внутренний проводник от внешнего электромагнитного воздействия и не пропускает излучение наружу. Для улучшения экранирующих свойств кабеля используют двойную экранировку: первый слой — это фольга из алюминия, которая нанесена на полиэфирную подложку, второй слой — медная оплетка с покрытием из олова различной плотности заполнения. Подобное сочетание внешнего и внутреннего проводников позволяет получить экранирование до 100%. Внешний проводник покрыт полиэфирной пленкой, которая предназначена для предотвращения миграции летучих веществ оболочки к медной оплетке и фольге, а также для обеспечения снятия оболочки с внешнего проводника.
  • Изолирующего слоя диэлектрика, разделяющего внутренний и внешний проводники. В современных кабелях в качестве диэлектрика применяется вспененный полиэтилен (РЕЕ) с низкой плотностью, что позволяет при одинаковых диаметрах уменьшить коэффициент затухания по сравнению с другими кабелями, в которых используется обычный полиэтилен. В целях защиты диэлектрика от влаги его покрывают специальной оболочкой из полиизобутадиена (PIB).
  • Внутреннего проводника, который, как правило, изготавливается из электролитической меди. Чем больше диаметр внутреннего проводника, тем меньше потери в кабеле.

Электрические параметры кабелей

  • Коэффициент затухания, измеряется в дБ/100м. Он прямо пропорционален частоте сигнала и диэлектрической проницаемости изолирующего материала и обратно пропорционален диаметру внутреннего проводника. То есть, с ростом частоты растет затухание, и чем больше диаметр внутреннего проводника, тем меньше затухание в кабеле.
  • Температурная зависимость коэффициента затухания. Чем ниже температура окружающей среды, тем меньше затухание в кабеле.
  • Затухание экранирования (эффективность экранирования), измеряемое в децибелах. Зависит от внешнего проводника. Эта величина показывает степень затухания в кабеле сигналов внешних помех.
  • Волновое сопротивление кабеля, или импеданс. Для СКТП и КТВ применяются кабели с волновым сопротивлением 75 Ом. Обратные потери, измеряемые в децибелах. Это «технологический» параметр, который характеризует меру отражения сигнала от неоднородностей и прочих структурных дефектов, т. е. качество изготовления кабеля. Чем выше значение обратных потерь, тем кабель лучше.

Выбор оборудования для приема спутникового ТВ

Начать формирование комплекта лучше всего с антенны.

При определении диаметра антенны можно порекомендовать произвести в месте ее установки замер уровня сигнала с различных спутников и, исходя из полученных значений, выбрать нужный размер.(рис.12.1) В процессе эксплуатации антенны под влиянием внешних условий (например, ветра) происходит ее деформация, что может привести к уменьшению коэффициента усиления. При выборе антенны это необходимо учитывать. Обычно рекомендуется приобретать антенну с небольшим запасом по диаметру (коэффициенту усиления). Для определения диаметра приемной антенны можно воспользоваться таблицей(см. табл.12.1), в которой учитывается мощность передаваемого сигнала в зоне покрытия того или иного спутника, а также уровень шума используемого конвертора.

Обратите внимание на материал, из которого изготовлена антенна. Как уже отмечалось ранее, в настоящее время антенны выполняются из стали, алюминиевого сплава, из стекло- и термопластика.

Рассмотрим их достоинства и недостатки.

Главным преимуществом стальных антенн является низкая стоимость. Металл очень хорошо держит приданную ему форму, а это для рефлектора очень важно, Основным же недостатком стали является нестойкость к атмосферным воздействиям.

Рис.12.1. Алгоритм выбора антенны для индивидуального приема

Таблица 12.1. Зависимость диаметра приемной антенны от уровня сигнала
Уровень сигнала, дБВт/м2 Диаметр индивидуальной антенны, м
при уровне шума конвертора, дБ
1,2 1,0 0,9 0,8
52,0 0,55 0,55 0,55 0,55
51,0 0,55 0,55 0,55 0,55
50,0 0,60 0,55 0,55 0,55
49,0 0,75 0,65 0,65 0,50
48,0 0,80 0,70 0,70 0,65
47,0 0,85 0,80 0,80 0,75
46,0 0,95 0,90 0,90 0,85
45,0 1,05 1,00 0,95 0,90
44,0 1,20 1,15 1,10 1,05
43,0 1,35 1,30 1,25 1,15
42,0 1,50 1,45 1,40 1,30
41,0 1,60 1,70 1,55 1,45
40,0 1,90 1,80 1,75 1,65
37,5 2,55 2,40 2,35 2,35
35,5 3,20 3,00 2,95 2,75
35,5 3,95 3,70 3,60 3,35

Коэффициент усиления зеркальной антенны в большой степени зависит от проводимости рабочей поверхности зеркала, причем речь идет не обо всей толщине зеркала, а лишь о поверхностном слое толщиной в несколько микрометров. Известно, что с увеличением час-тоты высокочастотных колебаний глубина проникновения токов в металл уменьшается (так называемое явление скин-эффекта) и составляет всего несколько микрометров для частот 10 — 12 ГГц. Поэтому, через некоторое время стальная антенна внешне может выглядеть как новая, но это вовсе не значит, что ее рабочие характеристики остались прежними. Ведь рабочий слой ее поверхности, отражающий электромагнитные волны, может быть поврежден коррозией. Способы защиты стальных изделий известны — оцинковка, грунтовка, покраска. Таким образом, можно сделать следующий вывод: покупайте стальную антенну, если для вас важна, прежде всего, ее низкая цена, а длительность ее качественной работы вас волнует меньше.

Алюминиевые антенны являются наиболее приемлемыми по показателю «цена — качество». Их стоимость несколько превышает стоимость стальных антенн, и они имеют отличные электрические характеристики. На поверхности рефлектора образуется тонкая оксидная пленка, надежно защищающая его от атмосферных воздействий. Жесткость антенны обеспечивается применением специальных алюминиевых сплавов. Недостатком же является необходимость защищать поверхность зеркала от ударов при перевозке и эксплуатации.

Стеклопластиковые антенны весьма трудоемки в изготовлении и требуют высокой точности профиля зеркала. Они ударопрочны, но имеют серьезный эксплуатационный недостаток: клеевые структуры изменяют свою форму под действием солнечного тепла, ухудшая электрические характеристики антенны.

Антенны из литого термопластика отлично сохраняют свою форму, стойки к атмосферным воздействиям, ударопрочны, обеспечивают высокие характеристики. К недостаткам следует отнести довольно большой вес конструкции. Важным фактором является качество нанесенного проводящего покрытия и eгo долговечность. Здесь особое внимание следует обратить на фирму-производителя. Как правило, антенны из литого термопластика самые дорогостоящие и имеют небольшой диаметр рефлектора. Некоторые фирмы производят измерение коэффициента усиления каждой изготовляемой антенны, значение которого указывают в паспорте изделия.

При выборе перфорированной антенны необходимо обратить внимание на диаметр отверстий: должно выполняться следующее условие - d≤λ/4. Только в этом случае коэффициент усиления антенны достаточно велик.

Далее необходимо определить, какая антенна вас устроит: прямофокусная или офсетная. Офсетные антенны имеют диаметр, как правило, до 2 м и обладают следующим преимуществом: облучатель и элементы крепления не затеняют раскрыва зеркала, что несколько увеличивает коэффициент усиления. К тому же, офсетная антенна располагается под большим углом к поверхности Земли и, следовательно, на ней меньше скапливаются осадки в виде дождя и снега.

Если вы разобрались с рефлектором антенны, в самый раз задуматься о ее подвеске. Наиболее экономичен вариант с азимутально-угломестной подвеской, правда, в этом случае можно принимать программы только с одного спутника. Существует также возможность установки двух-трех конверторов с облучателями на одну офсетную антенну для приема программ с близко расположенных спутников. В этом случае необходимо применить антенну несколько большего диаметра для обеспечения необходимого коэффициента усиления. Более интересным и значительно расширяющим возможности комплекта является вариант с полярной подвеской и системой позиционирования (имеющейся в приемнике либо поставляемой как отдельное устройство), позволяющий производить перенацеливание антенны. Цена такой системы несколько дороже.

После того, как вопрос с зеркалом и способом его крепления решен, можно заняться конвертором и поляризатором. Важнейшими характеристиками конвертора являются шумовая характеристика и диапазон принимаемых частот. Если вы хотите смотреть каналы в диапазоне от 10,70 до 12,75 ГГц, то конвертор должен быть полнодиапазонным. На настоящий момент уместно говорить о величине шума 0,2—0,7 дБ.

Особое внимание следует обратить на корпус конвертора, так как в нем могут быть дефекты. Помимо недостаточной герметичности, встречаются и другие варианты конструктивных недостатков, например, высокая повреждаемость под действием солнечных лучей или температурных перепадов.

Конверторы либо выпускаются отдельно, со встроенным поляризатором, либо конструктивно объединенные с поляризатором и облучателем. В первом случае конвертор заканчивается прямоугольным фланцем, во втором — круглым, а в третьем, разумеется, — облучателем. Последний вариант, как правило, встречается с офсетным облучателем. Это связано с тем, что подобные конструкции ориентированы на использование в индивидуальных системах с небольшими офсетными антеннами. При выборе облучателя или конвертора, совмещенного с облучателем, надо убедиться, что по форме он стыкуется с Вашей антенной. Необходимо обратить внимание не только на тип антенны — офсетная она или прямофокусная. Важен и такой параметр, как отношение фокусного расстояния к диаметру антенны (F/D). У офсетных антенн этот параметр может принимать значения от 0,6 до 0,8. Для них выпускаются два типа облучателей — с соотношением F/D, равным 0,6 — 0,7 или 0,7 — 0,8. У прямофокусных антенн это соотношение колеблется в диапазоне 0,3 — 0,5. Для таких антенн иногда выпускаются облучатели, подстраиваемые под конкретное соотношение F/D. Лучше всего купить антенну в комплекте с облучателем, так как в этом случае будет гарантирована их полная совместимость. Выбор поляризатора зависит от типа подвески. В случае использования полярной подвески с актуатором необходима плавная подстройка поляризации (магнитный или механический поляризатор). Если же перенацеливание антенны не предусмотрено, то подойдет конвертор с переключением вида поляризации У или Н.

Если вы решили осуществлять прием в С- и Ku-диапазонах, то возможны три варианта. В первом на антенне необходимо установить два конвертора, каждый со своим облучателем и поляризатором. При этом, если облучатель хотя бы одного конвертора окажется не в фокусе антенны, то это несколько снизит коэффициент направленного действия антенны. Во втором варианте необходимо установить C/Ku-ротор, в состав которого входят облучатели для С- и Ku-диапазонов, разделяющие принимаемый поток на две части. C/Ku-роторы выпускаются совмещенными с электромеханическими поляризаторами. Эта конструкция делает систему более дешевой и упрощает процесс монтажа. Однако в этом случае увеличиваются потери мощности сигналов Ku-диапазона. В третьем варианте возможна уста-новка совмещенного конвертора для С- и Ku-диапазонов, однако пока они имеют более низкие характеристики.

Следующий шаг — выбор приемника. Прежде, чем принять решение относительно какой-либо модели, необходимо разобраться, какими функциональными возможностями он должен обладать. Тем более, что одни и те же модели могут иметь различные сервисные возможности, что, естественно, сказывается и на цене.

Остановимся на основных функциональных возможностях, которыми должен обладать спутниковый приемник. Важным фактором является диапазон частот входного сигнала, который должен соответствовать ПЧ1 на выходе конвертора. В случае использования приемника с полосой частот 700 — 2150 МГц и универсального конвертора возможен прием во всем Кu- диапазоне (10,70-12,75 ГГц). Если антенна имеет фиксированную подвеску и направлена на один спутник, то для переключения вида поляризации спутниковый приемник должен обеспечить наличие коммутирующего напряжения 13/18 В, подаваемого по коаксиальному кабелю в конвертор. Если планируется использование подвески с электроприводом, то необходимо иметь возможность управления магнитным или механическим поляризатором.

Для переключения поддиапазонов конвертора в спутниковом приемнике предусмотрен тоновый сигнал 22 кГц, а для управления различными внешними устройствами — 0 (12) В. В современных моделях применяются протоколы DiSEqC, которые позволяют организовать управление несколькими конверторами, электроприводом и т. д.

В спутниковом приемнике могут быть предусмотрены следующие сервисные возможности:

  • таймер для включения и выключения приемника в определенное время;
  • «родительский ключ» для исключения допуска детей к некоторым программам;
  • память на определенное число каналов (99 — 1500 и более);
  • дисплей на передней панели, экранная графика, телетекст и др.

Установка и настройка приёмной системы спутникового телевидения

Выбор места установки

Установка спутниковой антенны должна начинаться с выбора места, к которому предъявляются следующие требования:

  • В направлении приема в пределах телесного угла ±5° не должно быть никаких затеняющих предметов: деревьев, крыш зданий, труб, линий электропередач и т. д., так как любая преграда может поглощать или отражать электромагнитные волны, что приводит к снижению уровня принимаемого сигнала.
  • Необходимо обеспечить, по возможности, минимальное расстояние между антенной и телевизором (до 70 — 100 м). От этого расстояния, а также от типа применяемого коаксиального кабеля зависит необходимость установки дополнительного усилителя. Этого, по возможности, следует избегать.
  • Необходимо иметь свободный доступ к антенне для вас и максимально затрудненный — для посторонних, поскольку антенна вполне может быть предметом посягательства со стороны незаконопослушных граждан.

Все эти требования часто могут противоречить друг другу, поэтому требуется найти компромиссное решение. При оценке места установки следует учитывать ряд факторов, которые в будущем могут повлиять на качество приема, например:

  • При установке зимой необходимо помнить, что летом на деревьях появятся листья, которые значительно ухудшат прием.
  • Если в направлении приема строится здание, то по завершении строительства возможен вариант полного затенения выбранного спутника.
  • В случае установки полярной подвески с возможностью перенацеливания на несколько спутников, должно быть обеспечено свободное вращение антенны в выбранном секторе обзора.

Установка опорного устройства

В зависимости от выбранного места установки, диаметра антенны и ее массы необходимо использовать соответствующее опорное устройство. Условно эти конструкции можно разделить на три группы, предназначенные для установки:

  • На стене здания.
  • На крыше.
  • На приусадебном участке.

Установка опорного устройства на стене здания

Технология монтажа опорного устройства на стене здания, а также сама опора должны обеспечивать надежное крепление антенны и выдерживать не только ее вес, но и дополнительно возникающие ветровые нагрузки. На рис.13.1 представлено типовое опорное устройство для антенн диаметром до 1 м. В зависимости от веса антенны с подвеской и толщины стены здания возможны два варианта крепления:

  • Перфоратором высверливаются сквозные отверстия в стене, и опора крепится обычными болтами, как показано на рис.13.1 (наиболее надежный способ)
  • Крепление опоры к стене производится при помощи саморасклинивающихся метизов (рис.13.2 и рис.13.3).

Рис.13.1. Типовое крепление
опорного устройства к стене здания
Рис.13.2. Саморасклинивающийся
болт цангового типа
Рис.13.3. Саморасклинивающийся
шуруп

Установка опорного устройства на крыше здания

Существуют разнообразные способы крепления опоры на крыше здания. При выборе окончательного варианта основное внимание следует уделить материалу и толщине перекрытий, особенно если это дом дачного типа. На рис.13.4 изображено типовое крепление опорного устройства на коньке крыши.

Рис.13.4. Установка опорного устройства на коньке крыши здания Рис.13.5. Установка опорного устройства на наклонном участке крыши
Рис.13.6. Установка вертикальной стойки вдоль стены здания

Особое внимание в этом случае следует обратить на толщину стропил, диаметр и вес антенного устройства, так как при сильных ветровых нагрузках возможно повреждение перекрытий. Для предупреждения аварийных ситуаций необходимо усилить опорное устройство дополнительными стойками.

Вариант крепления опоры на наклонном участке крыши представлен на рис.13.5. В этом случае также необходимо обеспечить требуемую жесткость конструкции. Особенностью такой установки является возможность регулирования одного плеча опоры в зависимости от угла наклона крыши, диаметра антенны и соответствующей ей высоты вертикальной стойки.

В случае, если конструкция и материал здания не позволяют обеспечить соответствующую жесткость крепления (например, летний дачный домик), то оптимальной будет установка вертикальной стойки вдоль стены здания (рис.13.6, а—в).

Установка опорного устройства на приусадебном участке

Рис.13.7. Способ установки
опорного устройства на земле

Различные конструкции опорного устройства для установки на земле подчинены одному общему требованию — обеспечению необходимой устойчивости, что возможно только на прочном фундаменте. Поэтому для надежного крепления опоры, как правило, применяют бетон. Наиболее простой способ установки опорного устройства представлен на рис.13.7. В этом варианте для достижения необходимой жесткости конструкции в земле роют специальный шурф глубиной около 1 м и диаметром 0,5 м. При помощи отвеса опору устанавливают строго вертикально и шурф заливают бетоном. Для увеличения прочности бетонное основание желательно армировать металлическим прутом.

Существуют разборные устройства для установки на асфальтированном участке земли (рис.13.8). Достоинством такого варианта является простота конструкции, мобильность и легкость настройки.

Подобный способ установки опорного устройства рекомендуется применять для не слишком тяжелых антенн диаметром до 1 м. В случае необходимости монтажа большей антенны, особенно с поворотным устройством, следует использовать вариант, изображенный на рис.13.9,а,б. Здесь большая степень устойчивости достигается благодаря четырем бетонированным опорам, размещенным в углах квадрата. Из каждой опоры выступает металлический прут с резьбой для крепления крестообразного металлического основания с жестко приваренной к нему вертикальной стойкой.

Размеры элементов крепления выбираются исходя из требований по нагрузке и характера почвы, так как во время эксплуатации возможно проседание фундамента.

Рис.13.8. Наземные разборные конструкции фирмы KTI (Kaul-Tronics, Inc.)

Рис.13.9. Установка опорного устройства повышенной устойчивости на земле

При помощи отвеса производится точная регулировка вертикальной оси, после чего конструкция закрепляется путем затягивания гаек. Достоинством конструкции является возможность подстройки вертикальной оси.

Укладка коаксиального кабеля

В зависимости от выбранного места установки и расположения спутникового приемника необходимо определить длину коаксиального кабеля для подключения антенны с учетом коэффициента усиления конвертора, выбрать тип коаксиального кабеля, основным параметром которого является коэффициент затухания. В любом случае наиболее предпочтительным будет наименьшее расстояние между антенной и приемником, а также минимальный коэффициент затухания коаксиального кабеля. При больших расстояниях следует использовать промежуточный усилитель, хотя по возможности этого следует избегать. Лучше установить антенну несколько большего диаметра (а следовательно, и коэффициента усиления), применить конвертор с большим коэффициентом усиления, а также использовать кабель с меньшим коэффициентом затухания.

Подвод кабеля к антенне в случае наземной установки производится по специально вырытой траншее. В нее укладывается труба с размещенным внутри кабелем и сверху засыпается землей. Наиболее целесообразно применение пластмассовых труб. Они, в отличие от труб металлических, не подвержены коррозии, а также дешевле по цене. Особое внимание следует обратить на вывод кабеля. Он должен производиться, как показано на рис.13.10.

Такой вывод требуется для предотвращения попадания влаги внутрь полости трубы, чем обеспечивается лучшая сохранность коаксиального кабеля. Желательно также применение кабеля во влагозащитном исполнении. В случае эксплуатации незащищенного кабеля во влажной среде, затухание в нем со временем увеличится, что приведет к увеличению потерь. При проектировании схемы укладки коаксиального кабеля следует избегать прямых и острых углов, а в случаях, когда это неизбежно, необходимо применять петлевое расположение, как показано на рис.13.11.

Рис.13.10. Вывод коаксиального
кабеля на поверхность земли
Рис.13.11. Укладка коаксиального
кабеля в углах

Сборка рефлектора, облучателя и конвертора

Рефлектор, облучатель и конвертор - наиболее критичные компоненты любой спутниковой приемной системы. Если они неправильно установлены или неточно настроены, то использование даже самого лучшего и дорогого спутникового приемника не позволит получить изображение на экране телевизора.

Сборка рефлектора должна производиться согласно прилагаемой к нему монтажной инструкции. Перед началом работы следует убедиться, что в наличии имеются все составные части, необходимый инструмент и вам понятны все действия по сборке.

В процессе сборки рефлектора особое внимание следует обратить на его крепление к элементам подвески. Штампованные зеркала всегда имеют для этого соответствующие отверстия. Затяжка болтов должна производиться с известной долей осторожности, чтобы на антенном отражателе не образовалась впадина. До и после установки рекомендуется проверить рефлектор на наличие искривлений. Делается это достаточно простым способом: вдоль диаметра зеркала натягиваются две нитки, как показано на рис.13.12. В случае отсутствия каких-либо искривлений нитки будут слегка касаться друг друга в точке их пересечения. К тому же, точка пересечения укажет на центр рефлектора, куда должен быть направлен облучатель. Искажение формы зеркала даже на несколько миллиметров приведет к заметному снижению уровня сигнала и ухудшению изображения.

Следующим этапом является сборка облучателя, конвертора и, если требуется, механического или магнитного поляризатора. Основным требованием при их монтаже является применение специальных прокладок между фланцами. Главное их предназначение заключается в защите от проникновения воды внутрь волновода. Следует избегать применения дополнительных слоев какого-либо материала, так как необходимо обеспечить контакт «металл-металл» между элементами волноводного тракта, а также не нарушить волновое согласование между ними.

Далее следует установить срез облучателя точно в фокусе антенны (рис.13.13). Как правило, такое положение облучателя предусмотрено устройством держателя, однако допускается некоторый люфт для точной настройки. Наиболее удобным является вариант, когда после установки имеется свободный доступ к элементам антенны и можно производить ее подстройку. Это относится как к прямофокусной, так и к зеркальной антенне.

Сложнее обстоит дело в случае, когда антенна в дальнейшем станет малодоступной, например, при установке на стене здания.

Рис.13.12. Проверка рефлектора
на наличие искривлений
Рис.13.13. Установка облучателя
в фокусе антенны

Если вы приобрели конвертор со встроенным поляризатором (V или Н), используемым для фиксированных систем, то часто необходимо осуществить поворот конвертора для более точной подстройки по поляризации. Для работы с достаточно мощным сигналом в зоне уверенного приема этой настройкой, в принципе, можно пренебречь, однако если вы находитесь на краю зоны обслуживания, а спутник-ретранслятор расположен невысоко над горизонтом, то лучше всего подстроить угол поворота по максимальному уровню сигнала.

Рис.13.14. Поворот конвертора относительно спутника-ретранслятора

Положение конвертора относительно спутника в конкретном месте установки поясняет рис.13.14, а рис.13.15 позволяет определить угол поворота α в зависимости от географических координат места установки антенны (широта и долгота) и расположения спутника (долгота).

Рис.13.15. Зависимость угла поворота конвертора
от места его установки и точки расположения
спутника-ретранслятора
Рис.13.16. Центровка облучателя
при помощи «фокального искателя»

Кроме точной установки среза облучателя в фокусе зеркала, необходимо обеспечить его центрирование. Точность проведения этой операции важна так же, как и точность установки облучателя. Наиболее удобно производить процесс настройки при помощи «фокального искателя» (рис.13.16), который закрепляется на облучателе. Телескопический стержень в выдвинутом положении при правильной установке должен точно указывать в центр зеркала. Для выполнения подобной операции необходимо предварительно найти центр зеркала, который должен быть помечен соответствующей меткой либо отверстием. В случае необходимости можно произвести настройку (если это позволяет конструкция) по максимальному уровню сигнала.

Одно из преимуществ (и одновременно недостатков) современных небольших антенн состоит в том, что рефлектор, крепление и облучатель являются цельными конструкциями. Их сборка совершенно проста, однако нет никакой возможности корректировать фокусное расстояние или проводить центрирование. Здесь уже все зависит от качества заводской сборки, так как все настройки исключены.

Установка электропривода полярной подвески

Монтаж линейного привода производится после того, как рефлектор закреплен на подвеске, а в этом случае возможен ее обрыв и, как следствие, попадание влаги внутрь механизма привода. Это может привести к скорому выходу привода из строя. Основной причиной неисправностей привода является наличие в нем воды.

Рис.13.17. Установка
линейного привода

При регулировке выдвижения штока необходимо помнить, что должен обеспечиваться просмотр всей видимой части геостационарной орбиты. Производится она путем выбора места крепления привода установочным хомутом подвески (рис.13.17), причем угол между штоком привода и тыльной частью рефлектора должен составлять примерно 30°. В случае установки электропривода «горизонт — горизонт» сначала производится его монтаж на опоре при помощи затяжных гаек, и только после этого — закрепление рефлектора. Кабели питания электропривода и поляризатора располагаются таким образом, чтобы при любом положении антенны не происходило их натяжения или зацепления элементами подвески, так как это может привести к обрыву. Все подключения производятся в соответствии с принципиальной электрической схемой и при отключенном напряжении питания. Выполнение этого требования необходимо, так как, несмотря на довольно низкое напряжение питания приводов (обычно 24 или 36 В), их источники питания рассчитаны на высокий выходной ток (1,5 — 6 А).

Дополнительную опасность может представлять работа на высоте, особенно влажными руками (например, о время дождя). Подключение элементов схемы под напряжением может привести к обгоранию контактов и выходу из строя элементов схемы. Кабели питания должны быть во влагозащитном исполнении, а место ввода в корпус привода — изолировано от попадания влаги.

Подключение кабелей

Подключение спутникового приемника к телевизору и видеомагнитофону может быть произведено как по высокой (рис.13.18,а), так и по низкой частоте (рис.13.18,б). Наиболее предпочтителен будет последний вариант, поскольку в этом случае отсутствует дополнительное преобразование частоты.

Рис.13.18. Подключение спутникового приемника:
а — по высокой частоте; б — по низкой частоте

Предварительная установка азимута и угла места

Наиболее просто установка азимута и угла места производится в фиксированной антенной системе. Для измерения угла места можно использовать либо простой отвес с транспортиром, как показано на рис.13.19, либо специальный угломерный прибор с магнитным основанием (рис.13.20). Определение азимутального угла производится при помощи компаса. Расчет азимута и угла места выбранного спутника в конкретном месте установки может быть произведен либо по формулам, либо при помощи специальных компьютерных программ.

Рис.13.19. Установка угла места при помощи
отвеса и транспортира
Рис.13.20. Угломерный прибор с
магнитным основанием.

После того, как требуемые углы предварительно выставлены, следует лишь слегка затянуть соответствующие болты, так как в дальнейшем будет производиться корректировка положения антенны.

Более сложной является установка углов в перенацеливаемой полярной подвеске. Перед началом работ необходимо ознакомиться с принципом действия полярной подвески и понять назначение каждого из углов. При настройке рекомендуется использовать угломерный прибор с магнитным основанием, как это показано на рис.13.20.

Точная настройка углов, рассмотренная ниже, производится после предварительного программирования спутникового приемника.

Предварительное программирование спутникового приемника

Перед началом точной настройки антенной системы необходимо произвести предварительное программирование спутникового приемника. Если производится установка фиксированной системы, то будет достаточно одного телевизионного канала. Хотя, для более точной настройки, можно настроить приемник на два канала: с максимальным и минимальным уровнями сигнала с данного спутника. Если производится установка полярной подвески, то необходима настройка, как минимум, на три канала: по одному с каждого из спутников, находящихся в середине видимой части геостационарной орбиты, в крайней левой и крайней правой позициях. Оптимальным вариантом будет настройка на шесть каналов — по два с каждого из спутников. Перед началом программирования следует внимательно ознакомиться с инструкцией по эксплуатации и следовать всем необходимым указаниям.

Для программирования требуется знать частоту канала. Эту информацию (таблицу частот) можно получить в журналах по спутниковому телевидению, либо в сети Internet.

Сначала производится установка частоты гетеродина. Как известно, существует несколько значений этого параметра, например: 9,75; 10,0; 10,75 и 11,475 ГГц — в однодиапазонных конверторах; 10,0 и 11,75; 9,75 и 11,475 ГГц — в полнодиапазонных конверторах. Напомним, что частота гетеродина вычитается из несущей частоты телевизионного сигнала (результат — первая ПЧ) и полученное значение лежит в пределах 0,70 - 2,15 ГГц.

Входные цепи спутникового приемника должны быть настроены на требуемую частоту. Например: канал вещает на частоте 11,919 ГГц. Частота гетеродина Вашего конвертора составляет 10,000 ГГц. Следовательно, приемник должен быть настроен на частоту первой ПЧ, равную 11,919-10,000 = 1,919 ГГц. Если используется полнодиапазонный конвертор с переключением вида поляризации, то перед настройкой необходимо включить требуемый диапазон и вид поляризации.

Юстировка антенны

После того, как завершены все предварительные работы по установке антенны и программированию приемника, можно переходить к окончательной, точной настройке антенны. При установке фиксированной системы необходимо затянуть фиксирующие болты таким образом, чтобы вращение антенны в азимутальном и угломестном направлениях производилось с небольшим усилием. Перемещая антенну вокруг направления возможного приема, в случае, если все вышеперечисленные действия по подключению и настройке были сделаны правильно, вы должны увидеть изображение с искомого канала.

Рис.13.21. Настройка антенной системы при помощи измерителя уровня сигнала

Для более точной настройки желательно использовать специальный измерительный прибор — измеритель уровня сигнала, подключенный, как показано на рис.13.21.

В случае необходимости настройку можно производить по изображению на экране телевизора.

При точной настройке системы с позиционированием начать работу лучше всего со спутника, находящегося в центре видимой части орбиты, а затем проверить настройку в крайней левой и крайней правой позициях. В случае необходимости следует изменить положение антенны путем подстройки соответствующих углов. Возможные варианты неточных установок для полярной подвески представлены на рис.13.22. Как видно из рисунка, процесс настройки, по сравнению с фиксированной системой, усложняется, так как в рассматриваемом случае, кроме азимутального и угломестного, необходимо принимать во внимание еще и корректирующий угол.

Проводя все настройки антенной системы, необходимо учитывать диаметр антенны, поскольку от него зависит ширина диаграммы направленности.

Рис.13.22. Настройка углов полярной подвески

ВНИМАНИЕ! Данная статья подготовлена специалистами компании «АРСТЕЛ» и является интеллектуальной собственностью «АРСТЕЛ». Любые публикации данной статьи, а равно ссылки на нее возможны только с разрешения правообладателя.