652_Maglitskij_B.N._Printsipy_postroenija_sputnikovogo_televidenija_

Федеральное агентство связи

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики» (СибГУТИ)

Б.Н. Маглицкий, А.С. Сергеева, А.С. Синявская

Принципы построения спутникового телевидения: теория и практика

Учебное пособие

Рекомендовано УМО по образованию в области Инфокоммуникационных технологий и систем связи в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки

11.03.02– Инфокоммуникационные технологии и системы связи (уровень высшего образования – бакалавриат)

Новосибирск

2016

УДК 621.396.4.001.2

Утверждено редакционно-издательским советом СибГУТИ

Рецензенты: д-р техн. наук, проф. Пальчун Ю.А.,

канд. техн. наук Сидельников Г.М.

Маглицкий Б.Н., Сергеева А.С., Синявская А.С. Принципы построения спутникового телевидения: теория и практика : Учебное пособие / Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики. – Новоси-

бирск, 2016. – 95 с.

Рассматриваются основные принципы построения сети спутникового телевидения. Приведены схемы формирования сигнала, рассмотрены стандарты сжатия информации. Приведено описание стандартов DVB-S и DVB-S2.

Рассмотрена структурная схема цифрового спутникового ресивера, приведено описание конструктивного выполнения ресивера. Приведены характеристики спутников Ямал-401 и ABS-2. Рассмотрены основные параметры спутникового канала, приведено описание процесса измерения показателей качества спутникового канала с помощью анализатора сигналов ИТ-12.

Для специальностей 210400 «Телекоммуникации» дневной и заочной формы обучения.

Кафедра СРС

В авторской редакции

©Маглицкий Б.Н., Сергеева А.С., Синявская А.С., 2016

©Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, 2016

2

Введение

Сети связи представляют собой комплексы технических средств, которые обеспечивают обмен информацией по каналам связи между совокупностью территориально распределенных объектов и являются обобщением систем связи на случай большого количества отправителей и получателей информации. В настоящее время в мире создаются сети связи со сложной структурой, зависящей как от назначения и требуемых характеристик сети, так и от технических возможностей средств, используемых при их реализации [1].

Концепция спутниковой связи проста и заключается в том, что промежуточный ретранслятор радиосети устанавливается на борту искусственного спутника Земли, который движется по орбите почти без затрат энергии на это движении. На практике незначительные энергозатраты обычно необходимы лишь для коррекции параметров орбиты спутника-ретранслятора, которые могут меняться под влиянием различных дестабилизирующих факторов. Энергообеспечение бортового ретрансляционного комплекса осуществляется от солнечных батарей и подзаряжаемых от солнечных батарей аккумуляторов, которые питают бортовую аппаратуру в периоды затенения Солнца Землей. Таким образом, спутник-ретранслятор представляет собой в значительной степени автономную систему и способен предоставлять услуги связи в течение длительного времени. Срок службы современных спутников-ретрансляторов составляет 5 – 15 лет.

Спутниковые системы связи имеет достаточно большую область применения: организация телефонных, телеграфных, факсимильных каналов связи, а также организацию передачи данных и телевизионного вещания. Это обусловлено следующими преимуществами:

обеспечение области обслуживания значительных размеров, вплоть до глобальной, полностью охватывающей поверхность Земли;

обслуживание отдалённых, малонаселённых и труднодоступных территорий, где развёртывание наземных сетей связи экономически не оправдано, либо просто невозможно;

высокая пропускная способность спутниковых каналов связи при приемлемо высоком качестве передачи;

большая гибкость спутниковых сетей связи, позволяющая в случае необходимости достаточно просто изменять область обслуживания путём изменения пространственной ориентации луча (лучей) бортовых антенн;

относительно малые сроки развёртывания спутниковых сетей связи и наладки оборудования и аппаратуры.

Данное учебное пособие знакомит с основами передачи телевизионного сигнала по спутниковым каналам связи, составом приемного оборудования, методами оценки качества принимаемых сигналов. Практическая часть позволит получить навыки настройки премного оборудования.

4

1. Спутниковые системы связи

История первого в мире искусственного спутника Земли началась с 4 октября 1957 года в Советском Союзе, что положило начало бурному развитию спутниковой сети связи как в нашей стране, так и за рубежом. С этого момента возникла практическая возможность создания сетей связи с ретранслятором (пассивным или активным), расположенным на спутнике. Эффективность такого размещения ретранслятора была уже к тому времени очевидна, поскольку получили широкое распространение радиорелейные линии связи прямой видимости с ретрансляционными станциями на высоких башнях, а для увеличения дальности связи неоднократно осуществлялся подъем ретранслятора на большую высоту с помощью самолетов и других летательных аппаратов. В качестве космической ретрансляционной станции искусственный спутник Земли оказался более удобным, чем другие средства подъема активного ретранслятора, из-за большой (практически не ограниченной) высоты, длительного срока существования без заметных затрат энергии (спутник движется по орбите как небесное тело), эффективной работы солнечных батарей, не затеняемых атмосферными образованиями – облаками.

1.1. Общие понятия и определения

Порядок использования любого радиоустройства определяется Регламентом радиосвязи – основным документом Международного союза электросвязи. В [2] дано понятие космической связи – любая радиосвязь, при которой используется одна или несколько космических станций, или один или несколько отражающих спутников, или другие объекты в космосе. Поскольку в спутниковой системе используется как космическая, так и земная станции, определение последних можно найти в [2]:

космическая станция – станция, расположенная на объекте, который находится или находился за пределами основной части атмосферы Земли или предназначен для вывода за эти пределы.

земная станция – станция, расположенная либо на поверхности Земли, либо в основной части атмосферы и предназначенная для связи с одной или несколькими космическими станциями, или с одной или несколькими подобными ей станциями с помощью одного или нескольких отражающих спутников или других объектов в космосе.

Таким образом, спутниковую систему связи можно разделить на космический и земной сегменты (рисунок 2.1) [3].

На рисунке 2.1 приведены следующие блоки:

РН – ракета-носитель; СП – стартовая площадка; ТП – техническая площадка; ЦУП – центр управления полётом; КИП – командно-измерительный пункт; БС – бортовые системы; КА - космический аппарат; СР – спутниковый ретранслятор;

5

ОЗС, ЦЗС, УЗС и АЗС – оконечная, центральная, узловая и абонентская земные станции; ЗР – земной ретранслятор; КС – координирующая станция; СКУ – станция контроля и управления.

Ракетно-стартовый комплекс и наземный комплекс управления осуществляют подготовку, запуск и сопровождение полета новых искусственных спутников.

Орбитальный комплекс определяет тип орбиты, бортовые системы и космический аппарат. При проектировании спутниковой системы эти параметры являются первоочередными.

При построении спутниковой сети связи могут быть использованы следующие типы орбит:

геостационарная орбита (GEO – Geostationary Earth Orbit);

низкие круговые орбиты (LEO – Low Earth Orbit);

средневысокие круговые орбиты (MEO – Medium Earth Orbit);

эллиптические околоземные (EEO – Elliptical Earth Orbit).

Важными параметрами, характеризующими околоземную орбиту спутника связи, являются:

угол наклонения плоскости орбиты ι – угол между плоскостью экватора Земли и плоскостью орбиты, отсчитываемый от плоскости экватора в направлении на север. По этому параметру различают экваториальные (ι=0), полярные

(ι=90˚), наклонные (0 < ι < 90˚, 90˚ < ι < 180˚) орбиты. Если 0 < ι < 90˚,

говорят, что спутник запущен в восточном направлении, если же 90˚ < ι < 180˚ - в западном. Спутники связи запускаются исключительно в восточном направлении, поскольку их запуск в западном имеет только отрицательные стороны: возрастает скорость перемещения спутника относительно земной поверхности, а для вывода на орбиту требуется более мощный носитель;

долгота восходящего узла – долгота точки пересечения траектории подспутниковой точки с линией экватора при движении спутника с юга на север;

эксцентриситет орбиты, равный e 1 b2 a2 , где a и bсоответственно

большая и малая полуоси эллипса орбиты. Величина эксцентриситета может принимать значения в диапазоне 0 ≤ e < 1. Чем больше эксцентриситет, тем более «узкой и вытянутой» является орбита спутника. При e=0 эллиптическая орбита вырождается в круговую с постоянной высотой h;

время обращения спутника по орбите (время вращения спутника) – интервал времени между соседними прохождениями спутником одной и той же точки орбиты [1].

Важным параметром при проектировании является зона видимости (зона покрытия) искусственного спутника Земли - часть поверхности Земли, с которой искусственный спутник Земли виден под углом места больше некоторого минимального значения (например, 5˚), поскольку при малых углах велика вероятность затенения луча антенны местными предметами или рельефом, внесения ими (и самой Землей) дополнительного вклада в шумы приемной системы.

7

Всостав бортового ретранслятора одного космического аппарата могут входить приемо-передающие, или приемные и передающие бортовые антенны, которые имеют в своем составе облучатели, поворотные устройства, антеннофидерные тракты и приемо-передающие оборудование с элементами обработки, модуляции-демодуляции, регенерации и коммутации сигналов.

Земной сегмент делится два типа земных станций: пользовательские и специализированные.

Согласно [4] к специализированным станциям можно отнести:

- станции служебного канала управления космическими аппаратами (ЗС

СКУ);

- измерительные ЗС; - мобильные станции – переносимые и перевозимые;

- ЗС для работы через негеостационарные спутники связи. Пользовательские земные станции – это оконечное или узловое обору-

дование для доставки сообщений абонентам.

Всостав оборудования любой земной станции входят:

- антенно-фидерное устройство, при необходимости оснащенное системой наведения антенны и автосопровождением;

-усилители радиочастоты и промежуточной частоты, гетеродины, синтезаторы и преобразователи частоты;

-каналообразующая аппаратура (при необходимости аппаратура многостанционного доступа): модемы, кодеки, устройства уплотнения, разделения, формирования и обработки сигналов;

-интерфейс для соединения с наземными сетями и линиями связи;

-аппаратура для предоставления каналов управления, контроля и сигнализации;

-оборудование электропитания и энергосбережения.

В соответствии с [2] в зависимости от назначения и типа используемых земных станций различают три основных службы спутниковой связи:

фиксированная спутниковая служба – служба радиосвязи через косми-

ческую станцию, расположенную на искусственном спутнике Земли, между стационарными земными станциями, расположенными в определенных (фиксированных) местах.

подвижная спутниковая служба – служба радиосвязи между подвижными земными станциями через одну или несколько космических станций. Различают морскую подвижную, воздушную подвижную, сухопутную подвижную спутниковые службы.

радиовещательная спутниковая служба – служба радиосвязи, в которой сигналы космической станции предназначены для непосредственного приема населением. Непосредственным считается как индивидуальный, так и коллективный прием. В случае коллективного приема программ вещания (телевизионного и звукового) поступает к абонентам с помощью неземной системы распределения, кабельной или эфирной.

8

Кроме перечисленных выше перечисленных основных видов служб, существуют так же службы, относящиеся к космической радиосвязи: межспутниковая служба, метеорологическая спутниковая служба, служба космических исследований, навигационная спутниковая, любительская спутниковая, служба исследования Земли, служба космической эксплуатации. Назначение этих служб ясно из их названия.

1.2. Диапазоны частот

Для планомерного распределения частот в пространстве вся земная поверхность разделена на три района (рисунок 2.2):

Район 1 – включает зону, ограниченную на востоке линией А и на западе линией В, за исключением части территории Ирана, расположенной между этими границами. В этот район также включается территории Турции и бывшего Советского союза, расположенная вне этих границ, территория Монгольской Народной Республики и зона между линиями А и С, расположенная к северу от бывшего Советского Союза.

Район 2 – включает зону, ограниченную на востоке линией В и на западе линией С, то есть Северная и Южная Америка.

Район 3 – включает зону, ограниченную на востоке линией С и на западе линией А, за исключением территории Монгольской Народной Республики, Турции, территории бывшего Советского Союза. В этот район так же включается часть территории Ирана, расположенная вне этих границ.

Рис. 1.2 - Карта районов распределения частот

9

Затемненная часть на карте представляет собой Тропическую зону. Причем в Районе 2 тропическая зона может быть расширена до параллели 33˚ северной широты при условии заключения специального соглашения между заинтересованными странами этого Района.

Помимо всего сказанного, Регламентом Радиосвязи определена «Европейская зона радиовещания», которая ограничивается западной границей Района 1, на востоке меридианом 40˚ восточной долготы от Гринвича, а на юге параллелью 30˚ северной широты, включая, таким образом, западную часть бывшего Советского Союза и территории, прилегающие к Средиземному морю, за исключением частей Аравии и Саудовской Аравии, входящих в этот сектор. Кроме того, в Европейскую зону радиовещания включается Ирак [5].

В диапазонах частот до 275 ГГц, для различных служб спутниковой связи в зависимости от Района и направления связи выделены специальные полосы. При этом их можно использовать на исключительной основе (исключительно только в интересах одной службы) и на совместной основе (совместно с другими радиослужбами). В последнем случае необходимо соблюдение определенных условий совместной работы в общих полосах частот. Некоторые полосы частот можно использовать лишь при условии предварительного согласования с заинтересованными администрациями соответствующих стран.

На данный момент развития спутниковой связи известно 6 диапазонов частот (L-диапазон – 0,5÷1,5 ГГц, S-диапазон – 1,5÷2,5 ГГц, C-диапазон – 4÷8 ГГц, Ku-диапазон – 12÷18 ГГц, Ka-диапазон – 20÷40 ГГц, Q/V-диапазон – 40÷74 ГГц). В таблице 2.1 приведены частотные полосы диапазонов спутниковой связи и их применение на территории Российский Федерации.

Табл. 1.1 – Диапазоны частот спутниковой связи

1 Полосы частот выделяемые в диапазонах спутниковой связи в разных источниках могут отличаться

10