Методы передачи видеоданных через спутниковые каналы связи

      Возможны  промежуточные, менее сложные режимы обработки сигнала на борту, используемые также на линиях магистральной связи: коммутация на сверхвысоких частотах (СВЧ), коммутация в групповом спектре частот с регенерацией и без регенерации сигнала. В спутнике с многолучевыми антеннами и коммутацией на борту бортовая коммутационная матрица осуществляет необходимые соединения между лучами линий вверх и вниз в соответствии с потребностями трафика. Недостатком метода обработки на борту является жесткая привязка конструкции ИСЗ к конфигурации сети и способам формирования передаваемых сигналов. 
 
 
 
 
 

      Глава 2. Оборудование для  организации спутникового канала 

     2.1. Земные станции (ЗС) спутниковых систем связи

      ЗС  принято разделять в зависимости  от выполняемых функций:

- приемо-передающие, работающие в сети магистральной  телефонной связи и обмена другими видами сообщений;

- приемные  станции распределительных систем (ТВ, звукового вещания, циркулярной  информации);

- передающие  ЗС и приемные установки систем  спутникового  телевещания (СТВ);

- абонентские  терминалы подвижных служб.

      Малые ЗС занимают промежуточное положение между первыми двумя категориями. Основными показателями для всех ЗС являются:

- диапазон  частот на передачу и прием;

- добротность  станции (отношение коэффициента  усиления к суммарной шумовой  температуре ВЧ-тракта);

- эквивалентная изотропно излучаемая мощность.

    2.1.1. Антенны ЗС

      Антенна ЗС должна иметь высокий коэффициент  использования поверхности, отличаться низкой температурой и уровнем боковых лепестков диаграммы направленности, не превышающим международных норм, давать возможность наведения луча на ИСЗ. В системах с разделением по поляризации антенна должна обеспечивать кроссполяризационную развязку более 27 дБ. Наилучшим образом этим требованиям удовлетворяет двухзеркальная антенная система Кассегрена, наиболее часто применяемая на ЗС. В простых приемных установках ТВ-вещания чаще используется однозеркальная схема. Для снижения уровня боковых лепестков антенну выполняют несимметричной с вынесенным облучателем, незатеняющим основное эеркало. Для снижения шумовой температуры фидерного тракта стремятся уменьшить потери в нем путем применения лучевода или выноса малошумящего усилителя (МШУ) к облучающей системе.

      2.1.2. Построение типовой  ЗС 

      Типовая ЗС Intelsat стандарта В работает в  диапазоне 6/4 ГГц и содержит двухзеркальную антенну Кассегрена с диаметром основного зеркала 9 - 14 м. Среднеквадратичное отклонение профиля зеркала от расчетного не превышает 1 мм. Уровень боковых лепестков диаграммы направленности удовлетворяет типовым нормам. Автосопровождение ИСЗ осуществляется методом экстремального регулирования, точность наведения составляет 0,06 град. В качестве МШУ, в зависимости от диаметра, используются неохлаждаемые параметрические усилители или транзисторные. Для работы в системе добротность станции должна быть более 31,7 дБ/К.

      Станция обеспечивает работу в режимах МДЧР/ЧМ с числом каналов в стволе до 252, МДЧР/ОКН с ИКМ-ФМ с разносом несущих 45 кГц, МДВР со скоростью 120 Мбит/с, передачу данных  со скоростями от 64 Кбит/с  до 44 Мбит/с, обмен ТВ-программами  в полосе ствола 36 МГц.

      Для работы в диапазоне 30/20 ГГц в Японии используются ЗС с антенной диаметром 5 м, что равносильно 25 м в диапазоне б/4ГГц. лая компенсации затухания в осадках применяется управление мощностью на передаче. Скорость передачи составляет 1,544 Мбит/с на несущую, что обеспечивает одновременную передачу речевых сообщений, данных, факсимиле, неподвижных изображений.

      В рамках Международного консультативного комитета по радиосвязи (МККР) проведены  работы по унификации требований к  ЗС, что позволило получить рациональные схемные решения. В настоящее время многими компаниями выпускаются специализированные интегральные микросхемы отдельных узлов приемных и передающих устройств, что снизило стоимость ЗС. Стоимость приемной установки с антенной диаметром 1,8 м составляет 1000 -2000 долларов.

      2.1.3. Малые ЗС

      Еще одной новой формой использования  спутниковой связи являются системы, ориентированные на пользователя. С  ростом энергетических возможностей ИСЗ, формированием многолучевых  диаграмм направленности бортовых антенн становится возможным применение, при скоростях передачи до 2 - 8 Мбит/с, простых и недорогих малых ЗС, размещаемых непосредственно на здании пользователя, что повышает оперативность, гибкость и надежность связи, исключает необходимость наземной соединительной линии и, в конечном счете, повышает экономическую эффективность использования спутниковых каналов. Малые ЗС могут использоваться для связи периферийных ЭВМ и персональных компьютеров с центральной большой ЭВМ, дирекции предприятия с филиалами, для периодической передачи собираемой информации и во всех других случаях, когда требуется обеспечить связь с большим числом станций, трафик которых невелик. По данным США, создание в рамках компании частной спутниковой сети оправдано в любом из следующих случаев: товарооборот превышает 500 млн. долл.; численность персонала более 10 тыс. человек; число производственных объектов более 500; затраты на услуги связи превышают 2 млн.  долл. в год; объем экспорта составляет более 20% от общего товарооборота.

      Первые  сети малых ЗС создавались в диапазоне 6/4 ГГц, однако, для подавления помех от соседних ИСЗ приходилось применять либо антенны довольно большого диаметра (3...4,5 м), либо неэффективные методы многостанционного доступа. Скорость передачи не превышала 9,6 Кбит/с. В этом диапазоне работают международные системы деловой связи и передачи данных IBS, VISTA, Intelnet. С переходом в диапазон 14/11 ГГц стало возможным обмениваться информацией со скоростью до 64 Кбит/с с малой станцией, имеющей антенну диаметром 1,2...1,8 м. Стоимость данной ЗС составляет около 10000 долларов и продолжает быстро снижаться.

      В зависимости от назначения и энергетики ИСЗ сеть малых ЗС может иметь  радиальную (с одним или двумя  скачками), смешанную или узловую  структуры. В сети с одним скачком периферийные станции связываются с центральной, а та, в свою очередь, соединяется по наземным линиям связи с телефонной сетью или сетью передачи данных. В сетях с двумя скачками периферийные ЗС могут связываться между собой через центральную ЗС, выполняющую функции коммутатора, при этом из-за большой задержки сигналов передачи речевых сообщений затруднена. В смешанной сети возможны два варианта организации связи. Наибольшей эффективностью обладает узловая структура сети, когда каждая станция может связываться с каждой напрямую, на одном скачке, а центральная станция выполняет функции контроля и предоставления каналов. В последнем варианте требуется наличие ИСЗ с повышенной энергетикой, например, за счет формирования узких направленных лучей, и обработкой сигналов на борту.

      2.2. Бортовые ретрансляторы  ССС

      Радиотехническое  оборудование космической станции - ретрансляторы и антенны - является важной составной частью ССС, от которой  в значительной степени зависят пропускная способность, надежность связи, искажения сигналов и другие показатели.

      Основные  показатели космической станции  те же, что и ЗС:

   - диапазоны  частот на приема и передачу;

   - добротность  приемной части;

   - число  стволов;

   - поляризационные  характеристики. 
 

      С учетом характера преобразований сигнала  различают:

- ретрансляторы  гетеродинного типа, где усиление  в основном происходит на ПЧ;

- ретрансляторы  прямого усиления (на частоте  приема или передачи);

- ретрансляторы  с обработкой сигнала на борту  в групповом спектре.

      Приемная  часть бортового ретранслятора обычно начинается с МШУ, в качестве которого могут использоваться транзисторные или параметрические усилители, либо непосредственно со смесителя. Основными требованиями являются малая масса, габариты и высокая надежность выходного устройства. Типовая выходная мощность составляет 5 - 15 Вт для маломощных ИСЗ, 30 - 60 Вт для ИСЗ средней мощности и 100 - 250 Вт для мощных вещательных ИСЗ.

      Условия выведения на орбиту и работы в  открытом космосе предъявляют к аппаратуре космических станций ряд специфичных требований:

- минимальная  масса при заданных требованиях  надежности и электрических показателях;

- ограниченные  габариты антенной системы, определяемые  диаметром обтекателя ракеты-носителя (2,5 - 3,5 м для самых больших современных ракет);

- способность  выдерживать ускорения и вибрации, возникающие при работе двигателей, резкие перепады температур, воздействие невесомости, радиационного облучения и других факторов космического полета;

- высокая надежность  в необслуживаемом режиме, длительный срок службы, достигающий 7-10 лет.

       2.2.1. Антенны

      Учитывая  перечисленные требования, для изготовления бортовых антенн используют легкие металлы: магний, титан, алюминий, а также композитные материалы на основе графита, обладающие большой жесткостью и малым коэффициентом линейного расширения. Слабо направленными антеннами, формирующими глобальные и полуглобальные зоны обслуживания, обычно служат рупорные, штыревые или спиральные антенны, при необходимости формирования специальной формы или узких лучей применяются зеркальные антенны со сложными облучателями.

       2.2.2. Ретрансляторы

      Бортовые  ретрансляторы ИСЗ также имеют  ряд существенных отличий от аналогичной  по выполняемым функциям аппаратуры, находящейся в наземных условиях. В первую очередь это относится к конструктивным особенностям, технологии изготовления, методам достижения высокой надежности.

       В ретрансляторах, обеспечивающих обработку  пакетов, наиболее сложным устройством является процессор, осуществляющий обработку высокоскоростных сигналов. Принятые пакеты МДВР поступают в демодуляторы, которые выбираются в соответствии с частотами несущих и скоростями передачи отдельных пакетов. Информационное содержание пакета записывается во входную память. В пределах кадра МДВР после приема эта информация подвергается декодированию   (если   на  передаче   применялось помехоустойчивое  кодирование), преобразованию по формату и через коммутатор группового спектра направляется в устройство памяти соответствующей линии связи вниз. В пределах второго кадра после приема пакеты, направляемые по линии вниз, формируются путем вывода информационного содержания выходной памяти на вход модулятора через декодер с исправлением ошибок на входе (если кодирование необходимо). Благодаря работе в режиме переключения лучей каждый пакет передается в направлении той ЗС, для которой он предназначен. Для элементов коммутации и обработки пакетов выдвигаются требования высокого быстродействия. Так в ССС типа ACTS  используется процессор фирмы Motorola (США), который обеспечивает работу со скоростью 3,5 Гбит/с 

      Глава 3. Спутниковое телевидение

      3.1. Принципы работы  спутникового телевидения

           Вещание ТВ со спутников происходит  таким образом - на земной станции  в направлении спутника передаётся  сигнал (передача вверх) на определённой  частоте. На спутнике этот сигнал принимается, определённым образом обрабатывается, усиливается и специальными антеннами передаётся на землю для приёма на наши спутниковые антенны (передача вниз).

       

       Спутники  эти находятся на геостационарной  орбите. Геостационарной она называется потому, что спутник, находясь над экватором, вращается вокруг земли со скоростью 1 оборот в сутки в том же направлении что и Земля. И поэтому для нас он находится неподвижно в одной точке. Поэтому получается, что все геостационарные спутники находятся для нашего полушария в южном направлении. Каждый спутник находится на своём, строго определённом месте орбиты и в зависимости от положения отмечается как Х градусов восточной или западной долготы. Если соединить одной линией местоположение всех спутников, то для наблюдателя с земли эта линия будет выглядеть дугой. Начиная с восточного направления, эта дуга будет подниматься к югу и опускаться к западу, краями теряясь за линией горизонта. Поэтому чем больше величина в градусах позиции спутника, тем ниже надо опускать спутниковую антенну.

           Спутниковая антенна устроенна  таким образом, чтобы энергия  высокочастотного излучения, которая  попадает на зеркало антенны  (поверхность тарелки), отражалась в фокус антенны, где расположен конвертер. Антенны бывают разных видов и типов в зависимости от формы и материала из которого её изготавливают.

         Два основных вида антенн это  прямофокусные и офсетные. Прямофокусные, как правило, круглой формы, и крепление конвертера находится в центре. Офсетные больше напоминают яйцо, они вытянуты по горизонтали и сужены по вертикали. Конвертер крепится внизу, зрительно намного ниже центра. Как правило, в основном применяют прямофокусные антенны, когда нужен большой диаметр, а офсетные при небольшом диаметре. Хотя встречались модели офсетных антенн 1.85 метра, а прямофокусных 0.60 метра. От диаметра антенны впрямую зависит коэффициент усиления. По уровню поля в точке приёма рассчитывается диаметр антенны. Например, при уровне 50 ДБ/ВТ диаметр антенны достаточно 0.60 метра, а при 40 ДБ/ВТ диаметр должен быть минимум 1.8 метра.