Учебное пособие 1897

телевизионный приемник, рассчитанный на амплитудную модуляцию, не в состоянии пропустить более широкий частотный спектр сигнала, промодулированного по частоте, а содержащийся в таком телевизоре амплитудный детектор не способен выделить промодулированный по частоте сигнал яркости из принятого высокочастотного сигнала.

Возникает естественный вопрос: если частотная модуляция так хорошо противодействует различным помехам, почему же она не используется в наземном телевидении для модуляции несущей частоты сигналами яркости? Дело в том, что это привело бы к значительному расширению полосы частот телевизионного канала. В наземном телевидении для каждого канала отведена полоса частот в 8 МГц. А в спутниковом телевидении - почти в 4 раза больше. Поэтому в диапазоне метровых волн, в котором ныне размещаются 12 каналов, удалось бы разместить всего три (один в диапазоне 48…100 МГц и два в диапазоне 174…230 МГц), а в диапазоне дециметровых волн вместо 80 каналов - только 16. Когда создавались основы современного телевидения, рассчитанного тогда исключительно на использование низкочастотной части метрового диапазона (1…5 каналы), ограничить перспективу передачей только одной программы было неразумно. Поэтому в наземном телевидении частотная модуляция используется для передачи звукового сопровождения и сигналов цветности, а сигналы яркости передаются с амплитудной модуляцией. Это не требует расширения полосы частот, занимаемой каждым каналом, по следующим причинам. Сигналы звукового сопровождения телевизионной передачи занимают очень узкую полосу частот. Сигналы же цветности по сравнению с сигналами яркости более узкополосны (1,5 МГц против 6 МГц) и, кроме того, оказалось возможным совместить частотные спектры сигналов цветности с сигналами яркости. Такое совмещение частотных спектров обеспечивает лишь удовлетворительное качество цветного изображения, с которым приходится мириться во имя сохранения узкой полосы частот. В современных системах спутникового телевидения частотные спектры сигналов яркости и цветности разделены.

Еще одно отличие состоит в том, что видеосигнал в аппаратуре спутникового передатчика подвергается специальным предварительным частотным искажениям (предискажениям). Такая обработка состоит в подъеме высших видеочастот, что позволяет улучшить воспроизведение мелких деталей изображения и резких переходов от белых элементов изображения к черным и от черных элементов к белым в условиях приема на фоне шумов.

В наземном телевидении сигнал, принятый антенной, передается на вход телевизионного приемника с помощью коаксиального кабеля, потери сигнала в котором сравнительно невелики. Наиболее часто используемый коаксиальный кабель марки РК75-4-11 даже на частоте 80-го канала дециметрового диапазона обладает сравнительно небольшим удельным затуханием, которое составляет около 0,4 дБ/м. Таким образом, на этой частоте при длине кабеля 10 метров уровень сигнала на входе телевизора оказывается на 4 дБ меньше, чем на выходе антенны или по напряжению всего в 1,58 раз. На частоте 10 ГГц кабель

41

этой же марки обладает удельным затуханием 2 дБ/м и при той же длине сигнал в нем будет ослабляться на 20 дБ, т.е. по напряжению в 10 раз.

Напряженность электромагнитного поля, созданного у поверхности Земли спутниковым ретранслятором, мала из-за огромного расстояния от спутника и ограниченного значения излучаемой передатчиком мощности.

Наконец, спутниковые передатчики, предназначенные для непосредственного приема телевидения, в настоящее время работают в диапазоне 12 ГГц, которому соответствует средняя длина волны порядка 2,5 см. На такой высокой частоте неприменимы обычно используемые в наземном телевидении конструкции телевизионных антенн и совершенно недостаточны их реально достижимые коэффициенты усиления.

Из приведенных различий следует, что для реализации непосредственного приема телевидения со спутникового ретранслятора необходимо:

-наличие приемной антенны, направленной на источник сигнала (спутниковый ретранслятор), обладающий очень большим коэффициентом усиления;

-соединение антенны с входом телевизионного приемника при помощи волновода;

-радиочастотный тракт телевизионного приемника (усилители высокой и промежуточной частоты) должен иметь более широкую полосу пропускания по сравнению с телевизором для наземного приема;

-детектирование яркостного сигнала должно осуществляться с помощью частотного детектора;

-схема телевизора должна содержать более сложную систему для коррекции предискажений сигнала.

Внастоящее время мировой парк телевизионных приемников у населения исчисляется многими сотнями миллионов, и все они приспособлены исключительно для приема сигнала, сформированного по принципам наземного телевидения. Существующая разница между этими принципами в национальных системах телевидения незначительна и состоит лишь в небольших отличиях стандарта разложения изображения, в использовании одной из трех различных систем цветного телевидения и в разносе между несущими частотами изображения и звукового сопровождения передачи. Но разница успешно преодолена промышленностью практически всех стран мира, которая сегодня выпускает многостандартные и многосистемные бытовые телевизоры, пригодные для работы в любой стране, независимо от принятых в этой стране телевизионного стандарта и системы цветного телевидения.

Требовать, чтобы желающие принимать телевизионные программы спутникового телевидения были вынуждены покупать специальный телевизор, совершенно нереально. Поэтому был избран путь использования сравнительно несложной и недорогой приставки к обычному бытовому телевизору (называемой тюнером), которая позволяет с его помощью принимать программы спутникового телевидения специальной индивидуальной антенной, нацеленной на выбранный геостационарный ИСЗ.

42

поглощения энергии сигнала возрастание технических трудностей при увеличении частоты сверх 12 ГГц.

Итак, и рассеяние энергии излученной передатчиком спутника в пространстве, и поглощение ее в атмосфере представляют собой постоянные факторы и не зависят от мощности передатчика. Поэтому по величине ЭИИМ того или иного спутникового передатчика можно оценить напряженность поля в точке приема: чем больше ЭИИМ, тем выше напряженность поля при прочих равных условиях. Отсюда можно путем сравнения определить возможность приема передач и качество изображения, а также необходимость увеличения или возможность уменьшения коэффициента усиления приемной антенны, т.е. ее размеров. В качестве примера можно привести значения ЭИИМ некоторых спутников: в системе «Москва»- 43 дБВт, в системе «Astra»- немного более 50 дБВт, в системе «Галс»- 53...57 дБВт. Отсюда ясно, что условия приема сигнала со спутников «Галс» лучше, чем со спутников «Astra».

Электромагнитное поле представляет собой взаимозависимые переменные электрическое и магнитное поля. Электрическая и магнитная составляющие электромагнитного поля соответственно характеризуются взаимно перпендикулярными векторами Е и Н. В зависимости от положения вектора электрического поля Е относительно поверхности Земли радиоволне присваивается направление ее поляризации. Так, если вектор электрического поля горизонтален, имеет место горизонтальная поляризация волны, если же он вертикален, - вертикальная. Как известно, в большинстве случаев наземное телевидение осуществляется с горизонтальной поляризацией радиоволн.

От направления поляризации радиоволн зависят тип и положение приемной антенны, необходимой для приема сигнала. Различие поляризации должно позволить в одном и том же пункте вести телевизионные передачи двух разных программ по одному и тому же частотному каналу, но с разной поляризацией радиоволн, а разделение программ при приеме осуществлять за счет использования приемных антенн соответствующей поляризации. В действительности в условиях наземного телевидения полного разделения программ в таких условиях осуществить не удается из-за паразитного поворота плоскости поляризации радиоволн при их отражениях от самых разных предметов, расположенных на пути распространения сигнала. Однако, на линиях передачи «Земля - Космос» и «Космос - Земля» паразитный поворот плоскости поляризации оказывается во много раз меньше из-за отсутствия на трассе местных предметов. Поэтому на этих линиях используются не только оба вида линейной поляризации радиоволн (горизонтальной и вертикальной), но и круговая поляризация, при которой векторы электрического и магнитного полей, оставаясь перпендикулярными один другому, вращаются в плоскости, перпендикулярными один другому, вращаются в плоскости, перпендикулярной направлению распространения. Вращение может быть либо в одну сторону, влево - L или LZ (от английского слова Left), либо вправо - R или RZ (Right).

6. ПРИЕМНАЯ СПУТНИКОВАЯ УСТАНОВКА И ЕЕ ОСНОВНЫЕ УЗЛЫ

44

6.1 СТРУКТУРА ТИПОВОЙ ПРИЕМНОЙ УСТАНОВКИ СПУТНИКОВОГО ТВ

Устройства для приема сигналов СТВ могут быть коллективными и индивидуальными. В первом случае они проектируются с таким расчетом, чтобы обеспечить прием сигналов со спутников для достаточно большой группы пользователей (многоквартирный дом, небольшой поселок и т.п.). Распределение программы в пределах дома производится по кабелю, а в пределах поселка - с помощью маломощного ретранслятора метрового диапазона. Технические требования к такой приемной установке по чувствительности приемника, коэффициенту усиления антенн и другим параметрам более высокие, например размеры параболических антенн могут достигать 2,5...4 м. Кроме того, в коллективных станциях обычно предусматривается одновременный прием сигналов двух ортогональных поляризаций (две программы). В этом случае между антенной и фидером включаются поляризатор, разделяющий сигналы по поляризации, и два конвертера на разные программы.

В состав оборудования для коллективного приема входят также широкополосные делители мощности для подключения канальных блоков и устройства распределительной сети.

При проектировании индивидуальной установки можно ограничиться антеннами с параболическим рефлектором диаметром 0,9...2,5 м. При этом, очевидно, что чем больше диаметр отражателя антенны, тем более высокое качество сигнала можно получить, и обеспечить прием сигналов при максимальной наклонной дальности до 40 тыс. км.

Структурная схема приемной установки (рис.10) функционально разделяется на два блока: наружный, располагающийся вблизи антенны, и внутренний, размещаемый в помещении.

Наружный блок включает следующие элементы: поляризатор, малошумящий усилитель МШУ, преобразователь частоты вниз, предварительный усилитель первой промежуточной частоты УПЧ1 и гетеродин

G1.

Выбор значения ПЧ1 определяется конкретными условиями: наличием комплектующих элементов или узлов для создания УПЧ1, имеющимся типом кабеля, которым сигнал ПЧ1 подается на внутренний блок, необходимостью эффективного подавления помехи по зеркальному каналу и некоторыми другими факторами.

Для индивидуальных приемных установок применяют по крайней мере три варианта построения структурных схем.

Первый вариант включает два преобразования частоты: в конвертере сигнал из полосы частот 10,95...12,5 ГГц преобразуется в полосу 0,95...2,05 ГГц, усиливается в УПЧ1 и далее коаксиальным кабелем подается во внутренний блок, где с помощью второго преобразователя сигнал СТВ преобразуется в ПЧ2, выбираемую в пределах 480...612 МГц. Дальнейшая обработка сигнала происходит на этой частоте.

45

Второй вариант структурной схемы отличается выбором более низких значений ПЧ2 (в пределах 70...230 МГц).

Рис. 10 - Структурная схема приемной установки спутникового ТВ

И наконец, в третьей разновидности схем сигнал ПЧ2 транспонируется в ПЧЗ, которая выбирается в пределах 35...70 МГц.

Первая схема в настоящее время имеет широкое распространение в серийно выпускаемых за рубежом приемных установках, причем в большинстве европейских стран значение ПЧ2 равно 480 МГц, в США - 612

МГц.

Вариант структурной схемы с ПЧ2 в пределах 70...230 МГц из-за доступности комплектующих изделий и простоты настройки широко применялся в более ранних конструкциях приемных установок. Однако следует иметь в виду, что в этой схеме зеркальный канал приема второго преобразователя оказывается в полосе ПЧ1 и для подавления его необходимо применять перестраиваемый фильтр на входе внутреннего блока.

В схеме с тремя преобразованиями частоты, когда ПЧЗ выбирается в пределах 35...70 МГц, имеется возможность использовать принципиальные схемы и модули, применяемые в радиорелейном оборудовании наземных сетей связи и земных станциях спутниковых систем связи.

Общим принципом для рассмотренных трех вариантов структурных схем является разделение схемы на два блока (наружный и внутренний), соединяемых между собой коаксиальным кабелем длиной до 40 м.

К наиболее сложным для реализации в радиолюбительских конструкциях является наружный блок. Это объясняется высокими требованиями к шумовой температуре всей приемной установки и суровыми климатическими условиями эксплуатации наружного блока. Суммарная шумовая температура Т ЗС не должна превышать 75 К, все технические параметры должны сохраняться при перепаде температуры окружающей среды от -40 до +50°С, а также при воздействии дождя, снега, гололеда, тумана и т.п.

Выбор ТВ программы и вида поляризации, а также ориентация антенны на соответствующий, спутник осуществляется дистанционно из помещения, где расположен внутренний блок (ресивер) и ТВ приемник.

В соответствии со структурной схемой (рис. 10) сигнал, принятый антенной земной станции в полосе частот 10,95...11,7 или 11,7...12,5 ГГц,

46

проходит через блок выбора поляризации и далее поступает в конвертер, состоящий из малошумящего усилителя, фильтра, первого преобразователя частоты и УПЧ1. Далее сигнал ПЧ1 в полосе 0,95...1,75 ГГц подается на вход внутреннего блока.

Во внутреннем блоке сигнал дополнительно усиливается на частоте ПЧ1 и преобразуется в ПЧ2, усиливается на ней и демодулируется. На выходе частотного демодулятора выделяются видеосигнал и ЧМ сигнал звукового сопровождения. Последний подается на частотный демодулятор звука.

Видео- и звуковые сигналы с выходов демодуляторов могут быть поданы на видеомагнитофон или специальные входы телевизора (если они имеются), а также на вход модуляторов ЧМ и АМ сигналов для формирования программы чаще всего в полосе каналов 1-12 наземного ТВ вещания.

При передаче аналоговых сигналов по спутниковому каналу для повышения помехозащищенности и выполнения требований электромагнитной совместимости на входе частотного модулятора вводятся предискажения и сигналы дисперсии.

В приемной установке восстановление предискажений и подавление сигналов дисперсии происходят после частотного демодулятора.

Предискажения позволяют оптимально согласовывать амплитудночастотную характеристику видеоусилителя с восприимчивостью видеосигнала зрением среднего наблюдателя. Визометрический коэффициент, выражающий выигрыш от введения предискажений на передаче и восстановления частотной характеристики видеосигнала на приемной стороне, оценивается в пределах

16...18 дБ.

Введение сигналов дисперсии позволяет рассеивать энергию сосредоточенных компонент энергетического спектра в достаточно большой полосе частот.

Дискретные составляющие в спектрах сигналов возникают как при малых индексах частотной модуляции и при отсутствии модулирующего напряжения, так и в случае передачи ТВ сигналов с постоянной яркостью.

Канал звукового сопровождения в зависимости от ТВ стандарта и принадлежности спутника формируется на поднесущей частоте, которая может изменяться в пределах 5...9 МГц. В этой связи в тракте звукового сопровождения предусматривается возможность настройки на соответствующую поднесущую звука, а частотный демодулятор звука должен обеспечивать неискаженное детектирование ЧМ сигналов при изменении девиации частоты поднесущей в пределах 50...150 кГц.

Выбор необходимой программы производится с помощью блока управления, который перестраивает второй гетеродин на частоту принимаемого сигнала.

47

установка на КА передающих антенн, формирующих узкий луч, позволили уменьшить размеры приемной антенны до 40-60 см.

В настоящее время приемные антенны СНТВ можно разделить на 2 типа:

-зеркальные;

-плоские.

Существуют также антенны других конструкций (рупорные, линзовые) но, несмотря на ряд ценных качеств, из-за высокой стоимости они находят лишь ограниченное применение. Однако не исключена возможность, что в дальнейшем они будут использоваться более широко.

Прежде чем начать рассмотрение устройства этих антенн, необходимо дать определение их основных электрических характеристик.

Рабочий диапазон волн - это тот диапазон, в пределах которого антенна сохраняет с заданной точностью свои основные параметры (направленное действие, поляризационную характеристику, согласование). Требования к постоянству параметров в пределах рабочего диапазона могут быть различными в зависимости от условий использования антенны. Если ширина рабочего диапазона не превосходит нескольких процентов от длины средней волны диапазона, то антенна называется узкодиапазонной; а если составляет несколько десятков процентов и больше - широкодиапазонными.

Существенное значение имеют характеристики направленности. Именно благодаря возможности создания антенн с высокой пространственной избирательностью осуществляется прием программ спутникового ТВ вещания. Графическое изображение характеристики направленности называют диаграммой направленности. Пространственная диаграмма направленности изображается в виде поверхности f( , ). Пользоваться такой диаграммой неудобно. Поэтому на практике обычно строят диаграммы направленности в какой-нибудь одной плоскости, в которой она изображается плоской кривой f( ) или f( ) в полярной или декартовой системе координат.

Данное определение относится к диаграмме направленности по полю. В некоторых случаях используется понятие характеристики (диаграммы) направленности по мощности, которая определяется зависимостью плотности потока мощности от направления в пространстве.

Направленное действие антенны часто оценивают по углу раствора диаграммы направленности, который также называют шириной диаграммы, Под шириной 2 0.5 диаграммы (главного лепестка) подразумевают угол между направлениями, вдоль которых напряженность поля уменьшается в 2 раз по сравнению с напряженностью поля в направлении максимума излучения (рис.12), а поток мощности соответственно уменьшается вдвое. В некоторых случаях под шириной 2 0 подразумевают угол между направлениями (ближайшими к направлению максимума), вдоль которых напряженность поля равна нулю.

49