6Встречи с интересными людьми

оглавление | в архив | следующая статья



Путешествие электромагнитного сигнала с земли на спутник и обратно


И. Шаренков Теле-Спутник - 3(5) Март 1996 г.


Спутниковое телевидение шагает по нашей стране семимильными шагами. Армия обладателей спутниковых приемных телевизионных систем растет день ото дня, нашествие "орды двунадесяти языков" на Россию продолжается в совершенно гигантских масштабах, но не об этом сейчас речь. И мы не будем сейчас рассуждать, что принесет нам это "нашествие" - только вред, или в бочке дегтя удастся отыскать еще и ложечку меда. Поговорим о чисто технической стороне вопроса, а именно о принципах спутникового телевидения и элементах приемно-передающих спутниковых систем.

Многие уже догадываются, что информация - а теле- и радиопрограммы тоже к таковой имеют отношение - передается на большие и огромные расстояния посредством электромагнитных волн. Они, эти волны, обладают удивительной способностью преодолевать любые преграды - и леса, и моря-океаны, и горы, и даже проходить сквозь стены. И вот эти волны везде идут и идут, и не просто идут, а еще и несут с собой (а точнее - в себе) всякие фильмы, музыку, разные сообщения и таким образом осуществляют связь.

А связь - все, безусловно, это уже понимают, - является нервной системой современного человечества, одной из важнейших систем его жизнеобеспечения. Проблема обмена информацией стоит уже давно, и естественно, с появлением искусственных спутников Земли появились и системы спутниковой связи (ССС). Основная идея спутниковых систем связи состоит в том, что промежуточный ретранслятор, в отличие от других систем радиосвязи, находится на искусственном спутнике Земли. Таким образом, ССС состоит из трех компонентов:

  • передатчик, или передающая земная станция (ЗС);
  • ретранслятор на борту спутника Земли;
  • приемник, или приемная земная станция.



В некоторых случаях приемная и передающая земные станции могут быть совмещены, образуя таким образом проиемно-передающую ЗС. Главные и неоспоримые достоинства спутниковой связи состоят в следующем:

Искусственный спутник Земли виден с большой части территории (при достаточно высокой орбите) - около трети земной поверхности,- а значит уже всего три спутника обеспечивают функционирование глобальной системы связи, охватывающей весь земной шар. С другой стороны, можно направлять луч связи на строго определенную территорию (зону обслуживания) - конструкции современных антенн позволяют это.

Для передачи информации используются высокочастотные диапазоны (малые длины волн) - наиболее информативноемкие.

Линия связи Земля - Космос проходит под значительным углом к поверхности Земли, что уменьшает время следования луча в атмосфере, и вследствие этого потери сигнала в атмосферной влаге тоже уменьшаются. Снижается также влияние шумового излучения Земли при приеме, а все это дает выигрыш в энергетике канала связи.

Спутник движется по орбите, постоянно освещенный ничем не затененным Солнцем, что позволяет осуществить энергоснабжение ретранслятора от солнечных батарей.

Спутниковыми средствами связи наиболее просто организовать обмен информацией с труднодоступными районами.

Принципы спутникового телевидения

Спутник, движущийся по околоземной орбите, может одновременно наблюдаться большим количеством приемных станций. Для практической организации сеансов связи со спутниками важное значение имеют орбиты их движения, конфигурация которых определяется исходя из законов Кеплера. В общем случае орбита движения спутника вокруг Земли представляет собой эллипс. Угол между плоскостью орбиты и плоскостью экватора называют наклонением орбиты, и в зависимости от величины этого угла различают три вида орбит:

  • экваториальные, i=00;
  • полярные, i=900;
  • наклонные, 00.



Прямая видимость между спутником и приемными установками в течение максимально возможного промежутка времени обеспечивается круговой экваториальной орбитой. Такая орбита называется геостационарной. Угловая скорость движения спутника по геостационарной орбите равна угловой скорости вращения Земли вокруг своей оси, поэтому при наблюдении с Земли спутник представляется почти неподвижным. Почти - из-за того, что возникает неизбежное отклонение реальных параметров орбиты от идеальных под воздействием внешних дестабилизирующих факторов - тяготения Луны и Солнца (аналогично приливам и отливам морей и океанов на Земле). С другой стороны, невозможно идеально точно вывести спутник на геостационарную орбиту - это уже из-за чисто технических проблем. В результате мы наблюдаем некие колебательные движения спутника в виде восьмерки вокруг стационарного положения.

Итак, основные достоинства геостационарной орбиты, делающие ее наиболее удобной для организации спутникового телевещания, состоят в следующем:

  • непрерывность вещания со спутника на геостационарной орбите;
  • неподвижное положение антенн (для индивидуальных приемников);
  • неизменное - 35 875 км - расстояние от спутника до Земли, что обеспечивает постоянство уровня сигнала на входе приемных установок.

Выбор частотных диапазонов для работы систем связи определяется:

  • особенностями распространения э/м волн через атмосферу;
  • интенсивностью шумов Солнца, Земли, Луны, других планет и т.п.;
  • информационной емкостью частотного диапазона;
  • экономическими факторами;

Прежде всего отметим, что диапазон волн наземного телевещания не подходит для спутниковой связи, и принимать спутниковые программы без дополнительных технических средств нельзя. Главная тому причина - невозможность реализации высоконаправленных антенн в этом диапазоне. Мощность сигналов спутниковых телепрограмм гораздо меньше мощности сигналов наземных передающих станций, а поскольку они вещают равномерно по всем направлениям, то сигналы спутникового ТВ в данном диапазоне оказались бы подавленными - особенно сильно около крупных телецентров.

С точки зрения распространения радиоволн в атмосфере наиболее предпочтительна полоса частот 620-790 МГц, однако в этом диапазоне в большинстве стран работают мощные наземные телепередатчики. Использование диапазонов 23 ГГц, 42 ГГц и особенно 85 ГГц относится к перспективе, именно в этих диапазонах возможно значительное уменьшение диаметров антенн в системах непосредственного телевещания. Так, если антенны непосредственного ТВ вещания диапазона 10-12 ГГц имеют размеры 0.6-1.5 м, то для диапазона 84-85 ГГц при том же коэффициенте усиления (40 дБ) достаточно будет диаметра 0.10-0.15 м. Основная же трудность освоения этих диапазонов - экономическая, а именно проблема создания недорогих массовых индивидуальных приемников.

В настоящее время вещание со спутников ведется в следующих частотных полосах:

  • 1452-1559 МГц и 1610-1710 МГц - L-диапазон;
  • 1930-2690 МГц - S-диапазон;
  • 3.4-5.25 ГГц и 5.725-7.075 ГГц - С-диапазон;
  • 7.25-8.4 ГГц - Х-диапазон;
  • 10.7-12.57 и 12.7-14.8 - Ku-диапазон;
  • 15.4-27.5 ГГц и 27-50.2 ГГц.



Прием программ спутникового телевещания осуществляется специальными приемными устройствами, первой составной частью которых является антенна. А для антенн особо важное значение имеют характеристики направленности. Именно благодаря возможности реализовать антенны с высокой пространственной избирательностью осуществляется прием спутникового ТВ. Основными характеристиками направленности являются:


  • диаграмма направленности антенны - зависимость амплитуды напряженности электрического поля Е, создаваемой антенной в точке Z, от направления на эту точку при простоянном расстоянии от антенны до этой точки;
  • эффективная площадь раскрыва - полезная площадь антенны, участвующая в сборе энергии Sэфф = jS, j<1. S - геометрическая площадь антенны, j - коэффициент использования поверхности раскрыва;
  • коэффициент направленного действия - отношение мощностей направленной и ненаправленной антенн, создающих в данном направлении на одинаковом расстоянии одинаковую напряженность поля. Этот коэффициент показывает энергетический выигрыш применения направленной антенны по сравнению с ненаправленной, D = 4hSэфф/л, и практически равен коэффициенту усиления антенны.



Довольно очевидно, что увеличение коэффициента усиления антенны влечет за собой сужение главного лепестка диаграммы направленности, а сужение его до величины менее одного градуса приводит к необходимости снабжать антенну системой слежения, ибо геостационарные спутники совершают колебания вокруг своего положения на орбите. Ну а увеличение ширины диаграммы направленности ведет к снижению коэффициента усиления, а значит, и уменьшению мощности сигнала на входе приемника. Исходя из всего этого, оптимальной шириной главного лепестка диаграммы направленности является ширина 1-2 градуса.

Наличие боковых лепестков в диаграмме направленности тоже уменьшает коэффициент усиления антенны, а кроме того, еще и повышает - если можно так сказать - помехоулавливаемость приемной установки. Во многом ширина и конфигурация диаграммы направленности зависит от формы зеркала принимающей антенны. В принципе все антенны параболические, но существуют некоторые нюансы.

Широко известны и применяемы два основных типа зеркал принимающих антенн - симметричный параболический рефлектор и асимметричный, который является как бы вырезанным сегментом параболы, фокусная точка такого сегмента расположена ниже геометрического центра антенны. Это устраняет затенение полезной площади антенны облучателем и опорами. Первый тип антенн принято называть прямофокусными, второй - офсетными.



Изготовить антенну с поверхностью идеального параболоида, безусловно, очень трудно, да и вообще практически невозможно. Любое же отклонение реальной формы параболического зеркала от идеальной влияет на характеристики антенны. Возникают фазовые ошибки, ухудшающие качество принимаемого изображения, падает коэффициент усиления антенны. Кроме погрешности изготовления антенных зеркал, искажение формы происходит и в процессе эксплуатации антенн - деформация под воздействием ветра; под действием силы тяжести; как следствие неравномерного прогрева поверхности солнечными лучами. С учетом всех этих факторов определяется допустимое суммарное отклонение профиля антенны

В последнее время определенную популярность приобретают плоские антенны, построенные на основе полосковых линий. Они, безусловно, обладают рядом достоинств, главные из которых - высокая технологичность, а значит, и воспроизводимость параметров; минимальные ветровые нагрузки; возможность электрического управления диаграммой направленности (т.е. отпадает необходимость применения опорно-поворотных систем для переориентировки антенны).

Что касается опорно-поворотных устройств, то они занимают довольно важное место в антенной системе спутникового телеприема, ведь именно от них зависит простота и эффективность наведения антенны на вещательный спутник. Устройства эти можно разделить на снабженные электрическим приводом и простые, в которых наведение на заданный спутник производится вручную. Электромеханические устройства предусматривают наличие позиционера - системы управления во внутреннем блоке - и актюатора, т.е. электродвигателя, с помощью которого происходит перемещение антенны. Позиционеры могут быть попроще и посложнее - от этого зависит удобство пользования ими, количество позиций спутников и пр.

Направление антенной системы на спутник определяется двумя углами - азимутом и углом места (между направлением на спутник и плоскостью горизонта). Прием сигналов спутникового телевидения возможен при величинах угла места не менее 50-70 - иначе будут сильно влиять шумы Земли и атмосферы. Максимальный же угол места - 900, когда антенна располагается прямо под спутником.

Кроме возможности обеспечивать необходимую ориентацию антенны опорно-поворотное устройство должно иметь достаточно прочную конструкцию, ибо на антенную систему приходятся значительные ветровые нагрузки, достигающие не только что десятков, но и сотен килограммов (кгс). Причем из-за порывов ветра создаются не только статические, но и динамические нагрузки.

Принимающая головка, расположенная в фокусе параболического зеркала антенны, состоит из трех частей - облучателя, поляризатора и конвертора. Эти три функционально разных части конструктивно вполне могут буть объединены и выполнены в одном корпусе - попарно или вообще все три элемента вместе. Облучателями параболических антенн служит широкий класс слабонаправленых антенн - рупора, щелевые антенны, спирали, диэлектрические антенны и еще всякие другие, из чего ясно, что это довольно ответственный узел антенной системы. Основные требования к облучателям следующие:

  • диаграмма направленности облучателя должна быть однонаправленной, т.е. не иметь боковых лепестков;
  • диаграмма направленности должна быть осесимметричной;
  • облучатель не должен сильно затенять антенну, так как это приводит к искажению диаграммы направленности антенны и уменьшает коэффициент использования поверхности.



Наиболее простыми являются облучатели в виде открытого конца волновода (это устройство, передающее энергию СВЧ поля от источника к нагрузке). Волноводы эти бывают круглого и прямоугольного сечения, и параметры облучателей во многом определяются их геометрическими пропорциями. Волновод круглого сечения в большей степени удовлетворяет требованиям к облучателям антенных систем - диаграмма направленности практически осесимметрична, чего трудно добиться от прямоугольного волновода; меньше уровень побочного излучения. Для согласования и обеспечения более узкой диаграммы направленности к облучателю присоединяют рупор - конический (к круглому) или пирамидальный (к прямоугольному).

Распространяющаяся в пространстве электромагнитная волна характеризуется поляризацией, т.е. ориентацией вектора напряженности электрического поля Е. В практике телекоммуникационной связи применяются два вида поляризации сигналов - линейная и круговая. В линейно поляризованной волне вектор электрического поля колеблется по величине от положительного до отрицательного значения в плоскости - вертикальной или горизонтальной (вертикальная и горизонтальная поляризации). Если вектор электрического поля сохраняет свою величину во времени и при этом вращается по окружности - влево или вправо - то это круговая поляризация (левая или правая).

Поляризатор является как раз таким устройством, которое обеспечивает выбор поляризации. По принципу своего действия поляризаторы могут быть электромагнитными или механическими. Не вдаваясь в подробности их работы, скажем только, что выбор поляризации в электромагнитном поляризаторе происходит посредством изменения величины тока, протекающего в катушке, намотанной на ферритовый сердечник; в механическом поляризаторе выбор осуществляется механическим перемещением - поворотом вокруг своей оси - петлеобразного проводника (элемента связи) с помощью шагового двигателя. Надежность механических поляризаторов из-за наличия движущихся элементов, конечно же, ниже, но зато они и дешевле - примерно в 3-4 раза.

Третья часть принимающей головки - конвертор, то есть преобразователь. И не простой преобразователь, а малошумящий (он так и называется - Low Noise Blockconvertor, LNB). Он усиливает и конвертирует принимаемый сигнал в другой частотный диапазон - тот, в котором работает ресивер, и должен обладать минимально возможными шумами и обеспечивать необходимое усиление. В современных спутниковых приемниках около 70% от общих шумов приемной установки приходится на долю конвертора. Если бы удалось создать идеальный нешумящий внешний блок, то возможно было бы принимать спутниковые программы на территории нашей страны на антенны диаметром не больше 60 см.

Основной деталью конвертора является арсенидогаллиевый полевой транзистор Шоттки.

Вот так шаг за шагом мы проследили весь нелегкий далекий путь электромагнитного сигнала, спешащего его пройти для того, чтобы Вы, включив ресивер, увидели на экране Вашего телевизора передачу аж с другого конца света. Дай Бог, чтобы она была хорошей!



 
Теле-Спутник Март 1996
наверх
 



Уважаемые посетители!
В связи с полной реконструкцией Архива, возможны ситуации, когда текст будет выводиться не полностью или неправильно (отсутсвие статей в некоторых номерах это не ошибка). Если заметите какие-то ошибки, то, пожалуйста, сообщите нам о них. Для связи можете воспользоваться специальной формой:

Номер журнала: *
Страница: *
Дополнительные сведения: *
Желательно четко опишите замеченную проблему - это поможет быстрее ее решить.
Мы не отвечаем на вопросы! Их следует задавать на нашем форуме!
Антиспам: * Нажмите мышкой на синий квадрат:


Поля, помеченные звездочкой (*)
обязательны для заполнения





Новый сайт