2525

требования к последующим устройствам аналого-цифрового и цифроаналогового преобразования и цифровой обработки. Реализовать значительную часть операций аналоговыми методами в настоящее время пока технически проще.

Подготовленный для преобразования аналоговый ТВ сигнал поступает на АЦП, который выполняет три операции дискретизацию, квантование и предварительное кодирование.

Дискретизация - замена аналогового сигнала последовательностью отдельных во времени отсчетов этого сигнала. При кодировании ТВ сигнала чаще всего применяют равномерную дискретизацию, имеющую постоянный период.

Квантование - замена полученных в результате дискретизации мгновенных значений отсчетов ближайшими значениями из набора отдельных фиксированных уровней. Квантование представляет собой дискретизацию ТВ сигнала по уровню.

Кодирование - преобразование квантованных по уровню значений отсчетов в соответствующие им стандартизованные последовательности кодовых комбинаций символов. Каждая кодовая комбинация представляет собой совокупность (группу) символов (цифр), соответствующих некоторому числу в заданной системе счисления. В простейшем случае таким числом может быть порядковый номер уровня квантования, до которого округлен передаваемый в это время отсчет /2/.

Аналогичные преобразования аналогового сигнала звукового сопровождения осуществляются в кодере сигнала звука (КСЗС).

После этого три вида цифровых информационных сигналов - телевизионный, звуковой и дополнительной информации - вместе со служебным, сигналом синхронизации объединяются (уплотняются) в общий цифровой сигнал (поток) ТВ программы в блоке БУ. Операцию реализуют методом временного разделения каналов.

Далее объединенный цифровой сигнал поступает на передающее устройство, состоящее в общем случае из кодера каналов (КК) и устройства преобразования сигнала. Под каналом здесь следует понимать не только линию связи, но и другие звенья тракта, в которых сигнал обрабатывается и корректируется (видеомагнитофоны, корректоры временных искажений и др.).

Кодирующее устройство канала предназначено для защиты цифрового ТВ сигнала от возможных помех в канале, приводящих к искажению символов и, следовательно, неверному их познаванию (ошибкам передачи). Главная операция, выполняемая кодером канала, - помехоустойчивое кодирование. Наиболее распространенным методом такого кодирования является введение в

цифровой сигнал избыточных символов, используемых для выполнения контрольных и проверочных операций. Необходимо отметить, что введение в

цифровой сигнал относительно малого числа избыточных символов позволяет снизить вероятность ошибочного приема на несколько порядков. Кодер канала часто называют кодером защиты от ошибок.

Помехозащищенность передачи цифрового ТВ сигнала зависит от вида модуляции и кода, применяемых для передачи информации по каналу связи, алгоритма декодирования сигнала в декодере канала и ряда других факторов /З/ Устройство преобразования сигнала (УЛС) осуществляют, согласование

характеристик цифрового сигнала с каналом связи.

На приемной части тракта цифрового телевидения осуществляются операции, обратные производимым на передающей стороне. В декодере канала (Д) с помощью переданных избыточных символов производится контроль правильности приема цифровой информации и исправление ошибок передачи. Затем из объединенного цифрового сигнала ТВ программы выделяются сигналы синхронизации с помощью синхроселектора (СС), которое управляют работой синхрогенератора (СГ). Выходные сигналы синхрогенератора используются для разделения суммарного цифрового потока по каналам. После разделения в блоке разделения (БР) цифровой ТВ сигнал, цифровой сигналы звукового сопровождения и дополнительной информации поступают на соответствующий декодер. Декодеры ТВ и звукового сигналов имеют идентичную структуру и содержат блок цифровой обработки (БЦО), цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) и блок аналоговой обработки (БАО).

В БЦР лишенный избыточной информации цифровой сигнал преобразуется в исходную цифровую форму. После, в ЦАП восстанавливается аналоговая форма сигнала. Затем в БАО производится нелинейная, линейная фазовая и линейная частотная коррекция. Выходной полный телевизионный сигнал формируется кодером системы цветного телевидения/3/.

Таким образом, на выходе декодеров ТВ и звукового сигнала получают аналоговые сигналы. На выходе декодера дополнительной информации в зависимости от ее назначения сигнал может быть аналоговым или цифровым.

Начало активного цифрового спутникового телевизионного вещания (ЦСТЗВ) относится к середине 1996 г. К этому времени был сформирован ряд цифровых пакетов и началось производство цифровых приемников.

Одним из ключевых вопросов развития ЦСТВ являются конструкция, режимы работы и особенно стоимость цифрового приемного оборудования. В настоящее время именно цена и выполняемые функции цифрового спутникового приемника стали определяющими для владельцев цифровых пакетов и фирм производителей оборудования. Стоимость всех остальных компонентов приемного комплекса - рефлектора, облучателя, конвертора и др. - значительно ниже и практически не влияет на стоимость всего цифрового оборудования.

Напротив, аналоговые спутниковые приемники высокого качества сейчас гораздо более доступны, чем 10 - 15 лет назад, прежде всего, благодаря их стандартизации и большим производственным объемам.

Создание и внедрение открытых стандартов, определяющих конструкцию и производство цифровых приемников - только первый шаг для снижения издержек. Без MPEG-2, который стал синонимом всего «цифрового телевизионного», цифровое спутниковое телевидение не достигло бы настоящего успеха. Однако это только начало, так как во всем мире

существуют несовместимые цифровые видеостандарты. Потенциальный успех MPEG-2, DVB и других перспективных стандартов может быть достигнут только при условии их взаимной совместимости.

При создании открытого стандарта становится решаемой проблема производства универсального цифрового приемника, что сделает цифровое вещание более доступным. Существенным недостатком первых версий цифровых приемников является то, что они разрабатывались под определенные платные пакеты телепрограмм и не принимали нешифрованные каналы.

Первой проблему приема этих каналов решила небольшая немецкая фирма Mascom, которая на базе спутникового приемника Media Master фирмы Nokia разработала программное обеспечение и выпустила модель Mascom 9500S, который может по праву считаться первым приемником, не привязанным к конкретному пакету и претендующим на определенную универсальность /1/.

3.3 Основные структурные схемы цифровых спутниковых приѐмников

Спутниковый приемник телевизионных сигналов, наряду с антенной и конвертором, является составной частью приемной установки (СТВ). Он предназначен для дальнейшего преобразования сигнала первой промежуточной частоты, поступающего с конвертора, во вторую промежуточную частоту, а также демодуляции с последующим формированием из выделенных сигналов изображения и звука телевизионного НЧ-сигнала и радиосигнала с амплитудной модуляцией в стандарте наземного телевидения.

Общепринятой для приемных установок СТВ н настоящее время является схема с двойным преобразованием частоты: первая промежуточная частота выбрана равной 0,95-1,75 ГГц, при этом гетеродин конвертора имеет фиксированную настройку, а канал выбирают перестройкой второго гетеродина, т.е. в приемнике /4/.

Цифровые спутниковые приемники существенно отличаются от аналоговых моделей. Рассмотрим базовую структурную схему. представленную на рис.5.

После того, как выделенный сигнал проходит цепи демодуляции, он преобразуется в информационный поток в виде цифровых пакетов и поступает в устройство исправления ошибок. В демулътиплексоре 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 макропроцессор, обрабатывая команды пользователя, переданные через блок управления (пульт дистанционного управления иди модуль приемника).

Рисунок 5 - Обобщенная структурная схема цифрового приѐмника

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 роста не будет, так как не смогут работать алгоритмы восстановления. Развитие цифровых приемников происходит с достаточно большой интенсивностью, хотя со времени принятия стандарта MPEG-2 прошло всего несколько лет. Разработчики и изготовители приемного спутникового оборудования координируют свои усилия для упрощения конструкции и снижения себестоимости. Следствием этого был выпуск в 1997 г. цифровых приемников уже третьего поколения.

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.

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.6). В этих моделях использовались дорогостоящие динамические оперативные запоминающие устройства (DRAM) с произвольным порядком выборки. Все используемые чипы имели достаточно большие размеры и стоимость (около 55 % стоимости всего устройства). Слабым местом этих конструкций был центральный процессор с 8 - или 16 - разрядной шиной данных /1/.

Приемники второго поколения (1996 г.), были разработаны с использованием уже всего трех типов, которые осуществляют все функции обработки сигнала.

Структурная схема цифрового приемника второго поколения приведена на рис.7. 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 coдержит MPEG-2 видео - и аудиодекодер. Еще одной особенностью этой конструкции стало уменьшение числа DRAM, а 32-битный центральный процессор имеет более высокое быстродействие /1/.

Третье поколение цифровых приемников (1997 г.) основано только на двух чипах. Структурная схема такого приемника приведена на рисунке 8. Первый модуль выполняет специфические задачи аналого-цифрового преобразования, демодуляции и коррекции ошибок. Объединение следующих двух чипов в один стало отличительной чертой приемника третьего поколения. Он содержит центральный процесс, контроллер ввода-вывода, процессор информационных потоков, МРЕG-2 видео и аудиодекодер. Уменьшено также число модулей оперативной памяти: один SDRAM объемом 16 Мбайт уверено обслуживает модифицированный чип. Следует добавить, что скорость работы центрального процессора увеличена с 45 до 150 млн. операций в секунду /1/.

Рисунок 6 - Структурная схема приѐмника первого поколения

Таким образом, в настоящее время типичный цифровой спутниковый приемник выполняет демодуляцию принятого сигнала и декодирование сжатого по технологии MPEG-2 сигнала. Имеется также возможность

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 Pet Carrier (SCPG) - 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 Pet Carrier (MCPC) - передача нескольких разных программ на одной несущей. При этой системе передачи сначала производится временное мультиплексирование элементарных потоков, с оставляющих 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 управляются защитные интервалы между несущими.

Аудио декодер Контролер SDRAM SDRAM 16MB

Рисунок 8 - Структурная схема цифрового приѐмника третьего поколения

Еще одним важным параметром является скорость передачи данных: (Symbol Rate-SR). B большинстве случаев скорость одиночных каналов (SCPC) колеблется от 3 до 5 Мбит/с, а для пакетов (МСРС) - до 30 1 Мбит/с. Ограничение нижнего предела скорости значениями 15 -16 Мбит/с является одной из причин неспособности некоторых приемников принимать каналы Free To Air многие из которых передаются поодиночке. Из этого следует, что SRдиапазон, воспринимаемый приемником, должен на сегодняшний день составлять 3-30 Мбит/с /1/.

Важным параметром любого цифрового канала являются PID - коды, которые определяют местонахождение отдельных элементарных потоков в структур транспортного потока. Информация об этих кодах хранится в таблице, называемой программируемой картой (таблицей), которая определяет местонахождения отдельных потоков, составляющих все трансляции, передаваемые в мультиплексированием 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 приема определенного пакета, не умеют считывать PID-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 доработки программного обеспечения при любом изменении длины элементарных потоков, входящих в состав пакета.

Другими специфические характеристиками цифрового приемника являются тактовая частота процессора, а также объем оперативной и перепрограммируемой памяти /3/.

Существенным недостатком, присущим многим европейским цифровым приемникам, является их жесткая ориентация на прием со спутников Astra, Eutelsat Hot Bird. Эта ориентация проявляется таким образом, что в приемниках или просто не предусмотрена возможность занесения в память каналов, передаваемых с других спутников, или можно запомнить только 1-2 канала. В более новых разработках ограничения на прием, связанные с возможностями программного обеспечения, постепенно исчезают, и все больше внимания уделяется вопросам скремблирования, организации условного доступа и методам персональной идентификации /1/.

Рассмотрим основные технические характеристики цифровых спутниковых приемников (табл.3).

Таблица 3 - Основные технические характеристики спутниковых приемников

4 Способы ретрансляции телевизионных программ

4.1 Основные принципы ретрансляции

Источником телевизионного сигнала, который подлежит ретрансляции передатчиками, размещенными на ИСЗ, и последующему приему телезрителями, является телепорт - наземный комплекс, в котором сосредоточены передатчики и антенны для канализации сводного объема информации (в том числе телевизионных программ) к спутнику. Телевизионные программы телепорт получает по кабельным линиям или по наземным телевизионным каналам от студий, телевизионных компаний или других арендаторов системы спутниковой ретрансляции.

Информацией, подлежащей ретрансляции, модулируется несущая частота и излучается антенной по линии «Земля-Космос», для которой выделены специальные диапазоны частот, например, для спутников «Галс» эта частота лежит в диапазоне 17,404...17,884 ГГц. Передача производится с помощью узконаправленных антенн телепорта, диаметр которых достигает 4...5 метров. Благодаря узкой диаграмме направленности антенны, нацеленной на геостационарный спутник, обеспечивается значительный поток мощности, и принятые антеннами спутника сигналы оказываются практически свободными от помех. Этому способствует также узкая диаграмма направленности приемной антенны спутника, диаметр которой составляет 1,2...1,5 метра.

В составе полного телевизионного сигнала сигнал яркости передается с частотной модуляцией в отличие от наземного телевидения, которое использует амплитудную. Частотная модуляция обеспечивает лучшую помехоустойчивость по сравнению с амплитудной, что гарантирует более высокое качество ретрансляции сигнала. Однако значительно более широкая полоса частот, которую занимает частотно-модулированный сигнал, не позволяет использовать частотную модуляцию сигнала яркости в наземном телевидении, где используются сравнительно узкие диапазоны метровых и дециметровых волн по сравнению с сантиметровым диапазоном.

Приемная антенна спутника, нацеленная на антенну земного передатчика, принимает сигнал, который далее преобразуется аппаратурой спутника на другую несущую частоту линии «Космос-Земля» и усиливается по мощности, после чего с помощью своей передающей антенны излучается обратно на Землю. В принципе передающая антенна геостационарного спутника могла бы облучать более 60 % поверхности соответствующего полушария Земли. Такова потенциальная зона видимости ИСЗ (зоной видимости спутника называется часть поверхности Земли, с которой ИСЗ виден под углом места больше некоторого минимального значения). Однако по целому ряду причин облучать всю зону видимости для ретрансляции телевидения нецелесообразно. Значительная часть поверхности Земли занята океанами. Нет смысла обслуживать редкие корабли, находящиеся в плавании. В крайнем случае, трансконтинентальные трассы, которые размещены в сравнительно узких коридорах океана, могут обслуживаться специально предназначенными спутниками. Чем шире диаграмма направленности передающей антенны, тем меньше плотность потока мощности, излучаемой в одном направлении. Поэтому для обеспечения необходимой напряженности электромагнитного поля для приема сигнала при широкой диаграмме направленности передающей антенны пришлось бы увеличивать мощность спутникового передатчика. Это требует увеличения мощности источников питания, то есть поверхности солнечных батарей. В результате увеличится масса спутника, что потребует увеличить мощность ракеты-носителя, чтобы обеспечить вывод ИСЗ на геостационарную орбиту. Необходимо также учитывать протяженность территории государства по долготе, так как для разных населенных пунктов наиболее подходящее время оказывается разным. Если для западных регионов страны обеспечить прием телевизионных передач в дневное время, то в восточных эти передачи будут приниматься глубокой ночью. В таких условиях вместо одного ИСЗ с широкой диаграммой направленности передающей антенны целесообразно использовать несколько спутников с узкими диаграммами или оборудовать спутник несколькими антеннами, которые будут обслуживать ограниченные территории, сдвинутые по долготе и со сдвигом по времени. Нет также необходимости излучать сигнал в пределах всей зоны видимости по широте. Таким образом, наиболее разумно сформировать ограниченные зоны обслуживания протяженной территории, оснастив один или несколько спутников антеннами, диаграммы направленности которых обеспечат излучение сигнала в пределах необходимых зон обслуживания. Кроме упомянутых причин сужения зон обслуживания относительно зоны видимости существуют международные соглашения, частично ограничивающие зоны обслуживания территориями своих государств. Таким образом, передающая антенна спутника обладает ограниченной шириной диаграммы направленности. Бортовые антенны относятся к типу остронаправленных и формируют на поверхности Земли заранее заданные зоны облучения.

Прием сигнала со спутника на Земле осуществляется также узконаправленными антеннами, что соответствует их высокому коэффициенту