Передача телевизионных сигналов по спутниковым линиям связи

Создание сети центрального ТВ вещания в настоящее время возможно только с помощью связных ИСЗ. В нашей стране создано несколько систем СТВ "Орбита-2", "Экран", "Москва", относящихся к ФСС.

В системе спутниковой связи "Орбита-2", первые элементы которой были построены еще в 1967 г., используются как ИСЗ типа "Молния", так и геостационарные ИСЗ "Горизонт".

В системе "Орбита-2" прием на ИСЗ осуществляется в диапазоне 6 ГГц, передача в направлении Земли – в диапазоне 4 ГГц. Мощность передатчика ЗС составляет 5-10 кВт, ИСЗ - 8-40 Вт.

Рис. 12.5. Спектр частот сигналов в спутниковой системе связи
"Орбита-2".

Используется ЧМ с девиацией 15 МГц, сигнал звукового сопровождения передается на поднесущей частоте 7 МГц с девиацией частоты 150 кГц. На поднесущих частотах 7,5 и 8,2 МГц переда­ются сигналы звукового вещания и изображения газетных полос (ИГП). Сигналы ИГП передаются с целью обеспечения децентрализованного печатания центральных газет. Практически девиация несущей сигналом поднесущей ИГП составляет примерно 1,5 МГц (рис. 12.5).

Функциональная схема спутниковой системы передачи “Орбита-2” представлена на рис. 12.6. Активный ретранслятор ИСЗ типа "Молния" работает следующим образом (см. рис. 12.6, б). Принятый антенной 1 сигнал с частотой ƒ_пр поступает на разделительный фильтр 2 и далее на преобразователь частоты 3. На второй вход преобразователя поступает сигнал от гетеродина 5. Затем преобразованный сигнал с частотой ƒ_пч усиливается усилителем промежуточной частоты 4 и поступает на второй преобразователь частоты 8, работающий совместно с гетеродином пе-редатчика 6. На выходе второго преобразователя образуется радиосигнал с частотой ƒ_пер. Данный сигнал усиливается по мощности усилителем 7 и через разделительный фильтр поступает в антенну и передается в направлении Земли.

Для слежения за ИСЗ "Молния" в приемной ЗС используются параболические антенны с диаметром зеркала 12 м, установленные на полноповоротном опорном устройстве. В целом ЗС представляет собой довольно сложное и дорогое сооружение.

Сигнал, поступающий на частотный модулятор передающей ЗС "Орбита-2", как и на РРЛ, предварительно подвергается частотным предыскажениям. Кроме линейных предыскажений передаваемого сигнала

Рис. 12.6. Функциональная схема спутниковой системы передачи "Орбита-2".

а – функциональная схема передающей земной станции: 1 – устройство преобразования сигналов ИГП; 2 – устройство совмещения сигналов U _ИГП и U _зв; 3 – модулятор и передающий тракт промежуточной частоты; 4 – устройство совмещения ТВ сигнала и еж нала звукового сопровождения; 5 – передающий тракт ВЧ; 6 – передающая антенна.

б – структурная схема активного ретранслятора ИСЗ типа "Молния".

в – функциональная схема приемной земной станции: 1 – приемная антенна с автоматическим следящим устройством; 2 – приемный тракт ВЧ с малошумящим охлажденным параметрическим усилителем; 3- фильтры разделения; 4 –- приемный тракт ПЧ и демодулятор; 5 – устройство разделения сигналов U _игп и U _зв; 6 – демодулятор сигнала U _игп; 7 – устройство разделения ТВ сигнала и сигнала звукового сопровождения.

на спутниковой линии связи используется еще и нелинейная обработка ТВ сигнала. Ее целью является получение дополнительного выигрыша в помехоустойчивости на 2-4 дБ без видимых искажений ТВ изображения. Структурная схема нелинейного корректора приведена на рис. 12.7. Входной ТВ сигнал U ₁ после цепи низкочастотных предыскажений 1 и схемы ВПС 2 преобразуется в сигнал U₂ и подается на амплитудный ограничитель 3, срезающий экстремальные выбросы, полученные после дифференцирования сигнала. Размах ограниченного сигнала U₃ меньше максимально допустимого U _max = U ₁, поэтому его усиливают в усилителе 4 с коэффициентом усиления К = U _max/ U ₃,за счет чего и получают выигрыш в помехоустойчивости для низкочастотных составляющих ТВ сигнала. Напряжение с выходного усилителя U ₄и сигнал звукового сопровождения U _зс подаются на смеситель 5 и затем поступают к модуля-тору передатчика 6. При передаче сигналов цветного ТВ вводить нелинейные предыскажения в таком же виде, как при передаче сигналов черно-белого ТВ нельзя, так как вносимое ими ограничение цветовой поднесущей на

Рис. 12.7. Структурная схема устройства нелинейных предыскажений ТВ сигнала.

пиках сигналов яркости вызывает искажения типа дифференциального усиления. Выходом из создавшегося положения является устранение ограничения цветовой поднесущей при нелинейной обработке яркостного сигнала. Для этого в схему ограничителя включается широкополосный фильтр-пробка, перекрывающий диапазон изменения частот цветовой поднесущей.

В системе "Орбита-2" предусмотрена возможность временного уплотнения ТВ сигнала и звукового сопровождения. Метод временного уплотнения основывается на том, что в ТВ сигнале примерно 20 % времени отводится на передачу СИ и ГИ строк и полей. Это позволяет использовать данные интервалы для временного уплотнения канала связи сигналом звукового сопровождения. Такое уплотнение достигается размещением в интервале СГИ (до ССИ, длительность которого уменьшается с 4,7 до 2,5 мкс, и после него) двух звуконесущих импульсов, имеющих прямоугольную форму, располагающихся в ТВ сигнале от уровня черного до уровня белого. Звуконесущие импульсы модулируются по длительности звуковым сигналом (двусторонняя широтно-импульсная модуляция) (рис. 12.8). При передаче двух звуконесущих импульсов в каждом СГИ частота дискретизации звукового сигнала соответствует 2ƒ _z, т.е. 31 250 Гц. При этом в соответствии с теоремой Найквиста – Котельникова полоса пропускания сигнала звукового сопровождения расширяется до 15,6 кГц, что позволяет организовать сигнал звукового сопровождения первого или высшего класса качества. Однако при частоте дискретизации, равной 2ƒ _z, алгоритм обработки звукового сигнала усложняется. В этом случае один из звуковых отсчетов необходимо запомнить до момента прихода СГИ и с его приходом одновременно пере-

Рис. 12.8. Схема размещения звуконесущих импульсов в интервале СГ'И.

1 - СГИ; 2 – звуконесущие импульсы; 3 - ССИ; 4 - вреча; 5 - пакет цветовой поднесущей.

дать два отсчета. В приемном устройстве необходимо производить обратную операцию – запомнить один из принятых сигналов на время, равное примерно 0,5 Г, с тем, чтобы восстановить исходные интервалы между звуконесущими импульсами.

Для получения высокой помехоустойчивости при относительно малой длительности используемого ССИ применяется кодовая система синхронизации [5]. В этом случае ССИ содержит дополнительную врезку длительностью 0,5 мкс, которая располагается таким образом, что делит ССИ на три временных интервала в отношении 3:1:1 (рис. 12.9). Получившаяся при этом кодовая комбинация представляет собой последовательность пятизначного кода Баркера. В приемной аппаратуре производится двойная обработка сигнала синхронизации – амплитудная селекция, в ходе которой он отделяется от сигнала изображения, и де-кодирование кодовой комбинации с помощью согласованного фильтра (см. рис. 12.9). Откликом согласованного фильтра на кодовый синхросигнал является большой выброс напряжения U _∑ который ограничивается и обеспечивает устойчивую синхронизацию при больших шумах в СЛС. Фильтрация согласованным фильтром повышает помехоустойчивость строчной синхронизации на 12 дБ.

К настоящему времени в России построено около 90 приемных станций "Орбита". Приемная сеть системы "Орбита-2" является косвенной распределительной сетью, т.е. наземные станции принимают через ИСЗ ТВ сигнал и по наземным соединительным линиям передаются на ближайшие телецентры или мощные ретрансляторы, которые доводят их до абонентов в метровом или дециметровом диапазоне волн. Эксплуатация системы "Орбита-2" показала, что ее использование эффективно только в городах или в крупных населенных пунктах.

Рис. 12.9. Пояснение принципа согласованной фильтрации кодового ССИ.

а - структурная схема согласованною фильтра: 1 - ЛЗ с отводами; 2 - каскады, сохраняющие или изменяющие полярность сигналов; 3 - сумматор, б - временные диаграммы, поясняющие принцип согласованной фильтрации.

С целью повышения экономической эффективности была вве­дена в эксплуатацию спутниковая система передачи "Экран". В системе используется ИСЗ "Экран", находящийся на ГСО, зона обслуживания которого охватывает районы Сибири, Крайнего Севера и частично Дальнего Востока. Земная передающая станция излучает в сторону ИСЗ ЧМсигнал мощностью 5 кВт на частоте 6,2 ГГц. Этот сигнал принимается приемной антенной ИСЗ, преобразуется в диапазон дециметровых волн с несущей частотой 714 МГц и, усиленный до 200 Вт, излучается передающей антенной в направлении Земли. Ретранслированный ИСЗ сигнал принимается сетью приемных установок двух типов – упрощенные (II класс) и более сложные (I класс). Установки I класса комплектуются антеннами "волновой канал", содержащими 32 полотна. В комплект установки II класса входит антенна из четырех полотен и малогабаритное приемное устройство, в котором спектр сигнала с принятой частоты 714 МГц переносится в спектр одного из каналов метрового диапазона. При этом частотно-модулированный сигнал преобразуется в сигнал с амплитудной модуляцией. Данные приемные установки предназначены для подачи ТВ сигнала на маломощные ТВ ретрансляторы или в кабельную распределительную сеть.

Для расширения зоны обслуживания без опасности создания помех наземным службам в 1979 г. введена в эксплуатацию новая спутниковая система "Москва", работающая в диапазонах частот 6/4 ГГц. Подача ТВ сигналов на сеть земных приемных станций ведется в этом случае через геостационарный ИСЗ "Горизонт" или "Экспресс". Мощность бортового передатчика составляет 40 Вт при наличии узконаправленной бортовой передающей антенны. Особенностью системы "Москва" является то, что для улучшения электромагнитной совместимости с существующими наземными и спутниковыми средствами связи было использовано искусственное рассеяние мощности путем дисперсии несущей. Для этого несущая дополнительно отклоняется с частотой 2,5 Гц и девиацией ±4 МГц. Это позволило соблюсти установленные МСЭ нормы на допустимую мощность электромагнитного потока у поверхности Земли. В зону, обслуживаемую одним ИСЗ, входит 2-3 часовых пояса. Приемная параболическая антенна ЗС имеет диаметр зеркала 2,5 м с шириной диаграммы направленности +1˚. В качестве входного устройства стало возможным применить неохлаждаемый параметрический усилитель с температурой шума 100 К. Таким образом, создана распределительная ТВ система с приемом на сравнительно простые станции в диапазоне частот 4 ГГц, не требующие постоянного квалифицированного обслуживания. В комплект приемной станции "Москва" входит ТВ ретранслятор мощностью 1,10 или 100 Вт или устройство для работы на кабельную распределительную сеть. "Москва" является системой прямого распределения ТВ программ.

Создание современной многопрограммной ТВ сети, относя­щейся к РВСС, невозможно как с помощью системы "Орбита-2", вследствие ее высокой стоимости, так и систем "Экран", "Москва" из-за их однопрограммности. Поэтому перспективой ТВ вещания с помощью ИСЗ является НТВ при использовании наиболее выгодного в экономическом отношении диапазона частот 11,7-12,5 ГГц. В этой полосе частот создаются многопрограммные национальные системы СТВ. Например, для России предусмотрено 5 позиций на ГСО (23,44,74,110 и 140° в.д.) и 36 номиналов частот. Благодаря добавочному угловому разносу между зонами обслуживания, использованию двух видов круговой поляризации радиоволн (прямой и обратной) обеспечена возможность одновременной передачи в целом сигналов 70 национальных ТВ программ. В настоящее время в России для НТВ запускается на ГСО серия связных ИСЗ типа "ГАЛС".

Планируется запуск спутников типа "Ямал-300". Ряд российских телекомпаний начинают использовать многоканальную систему НТВ по стандарту MPEG-2. В этом случае по одному стандартному спутниковому ТВ каналу передается от трех до восьми ТВ программ.