Kvant. Спутниковое телевидение
Шур А. Спутниковое телевидение //Квант. — 1991. — № 1. — С. 4-8.
По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"
Наземное телевидение известно всем. В наземном телевидении антенны наших домашних телевизоров направлены на местную радиопередающую телевизионную (ТВ) станцию. Но, вероятно, еще не все знают, что уже появилось спутниковое телевидение, где антенны направляются прямо на искусственный спутник Земли. На спутнике устанавливается приемник, принимающий ТВ сигнал от наземной передающей станции, и передатчик, излучающий его в сторону Земли.
Спутниковое телевидение охватывает весь земной шар. Оно вызывает большой интерес, поскольку предоставляет возможность принимать ТВ программы любой страны мира. Наземное телевидение удобно и более доступно для местных программ. Уже в настоящее время в США и Западной Европе миллионы телезрителей, используя ту и другую систему телевидения, могут принимать 15-20 ТВ программ.
Частота сигнала
Принцип телевидения, как известно, заключается в последовательной передаче электрических сигналов, соответствующих яркости элементов (точек) изображения. При амплитудной модуляции мощность полезного сигналаизменяется вместе с яркостью элемента. Обычно полоса частот сигнала изображения составляет 6,25 МГц. Для звукового сопровождения также требуется полоса частот до нескольких сот килогерц. В результате один частотный канал (одна ТВ программа) занимает полосу частот 8 МГц. При частотной модуляции мощность сигнала остается неизменной. Пропорционально яркости элемента изображения (и громкости звука) изменяется частота сигнала. Этот вид модуляции имеет некоторые преимущества, но один канал занимает полосу частот в 3-4 раза шире, чем при амплитудной модуляции.
Передача сигналов с такой широкой полосой частот возможна только в диапазоне высоких частот. В диапазоне метровых и дециметровых волн для телевидения выделены полосы частот от 50 до 230 МГц (длина волны λ = 6-13 м) и от 470 до 1000 МГц (λ = 0,63-0,3 м). Развитие телевидения привело сейчас к тому, что почти все эти частоты уже использованы и даже многократно. Всемирной административной конференцией по радио (ВАКР) специально для спутникового телевидения выделена еще одна полоса частот от 11,7 до 12,5 ГГц. Эта полоса относится к сантиметровому диапазону волн (λ ≈ 2,5 см). В полосе размещается 60 каналов шириной 27 МГц.
Радиоволны сантиметрового диапазона, так же, как и радиоволны других ТВ диапазонов, распространяются в свободном пространстве прямолинейно, как луч света. В зоне прямой видимости (т. е. при отсутствии преград между приемником и передатчиком) потери энергии сигнала минимальны. При «закрытии» луча зданием, деревьями или выпуклостью Земли прием практически прекращается. На радиоволнах короче примерно 5 см начинают сказываться потери сигнала в мокрых осадках, особенно в дожде. В спутниковых системах для индивидуального приема дождь в течение двух-трех часов может сильно ухудшить или даже «сорвать» изображение.
Антенны
На сантиметровых волнах представляется возможность использовать параболические антенны, позволяющие концентрировать и направлять энергию довольно узким пучком. По сравнению с «изотропной» антенной, которая излучает такую же энергию во все стороны равномерно, параболическая антенна обладает большим «усилением». Такая антенна работает как прожектор. Как показано на рисунке 1, сферическая волна, которая излучается из конца облучателя, после отражения от металлического зеркала, имеющего форму параболоида, превращается в плоскую. Иначе говоря, расходящийся пучок лучей собирается в параллельный[1].
Облучателем антенны служит открытый конец волновода. Волновод представляет собой трубу круглого или прямоугольного сечения и служит для передачи энергии. Использование для этой цели кабелей на сантиметровых волнах приводит к большим потерям сигнала. Направленность параболической антенны в пространстве характеризует диаграмма на рисунке 1. Максимум мощности излучается вблизи оси зеркала. По мере удаления от оси излучаемая мощность снижается. Под шириной диаграммы направленности понимают угол α, определенный по точкам, где мощность снижается вдвое относительно максимума. В область диаграммы направленности (внутрь конуса с углом α) антенна излучает примерно 60 % всей мощности. Ширина диаграммы будет тем уже, чем больше диаметр зеркала d (диаметр раскрыва) и чем меньше длина волны λ:
Например, при d = 100 см для λ = 2,5 см имеем α ≈ 0,3 рад. При подключении антенны к приемнику антенна «собирает» энергию радиоволн из окружающего пространства. Выигрыш по сравнению с «изотропной» антенной остается (как и при передаче). Узкая диаграмма направленности хороша еще тем, что ослабляет сигналы от посторонних (мешающих) станций. Для индивидуального приема применяют антенны с диаметром зеркала до 1-1,5 м. Антенны большего диаметра (3 м и более) слишком громоздки и очень дороги. В небольших антеннах облучатель, чтобы не затенять зеркало, выносится в сторону от него. При этом зеркало делают несимметричным. Оно представляет собой несимметричную часть параболы.
Зоны обслуживания
Наличие прямой видимости определяет зону обслуживания передающей ТВ станции, точнее говоря, территорию, где станция обеспечивает уверенный прием. Над земной поверхностью расстояние прямой видимости, в общем случае, зависит от высоты антенн и рельефа местности. Над ровной сферической земной поверхностью, когда высота антенны передатчика Н намного больше высоты приемной антенны, расстояние прямой видимости (см. рис. 2)
Зона обслуживания станции ограничивается видимым горизонтом. На мощных ТВ станциях высота антенн обычно не превышает 300 м, поэтому радиус зон обслуживания не превосходит 70 км. Для охвата телевидением всей страны построена обширная сеть многочисленных мощных и маломощных (с радиусом зоны несколько километров) станций. Однако есть еще населенные пункты, где, в силу их отдаленности или сложности рельефа местности, наземное телевидение отсутствует.
С появлением искусственных спутников Земли, естественно, возникла мысль — для расширения зоны обслуживания установить ТВ передатчик на спутнике. Спутник запускается на геостационарную орбиту, которая проходит строго над экватором на высоте h ≈ 36 000 км (т. е. радиус орбиты спутника ~ 42 400 км). Спутник вращается с такой же угловой скоростью, что и Земля вокруг своей оси, поэтому кажется с Земли неподвижным. Благодаря этому могут быть неподвижны антенны как на спутнике, так и на Земле. Если антенна бортового передатчика нацелена вертикально вниз, на подспутниковую точку, зона обслуживания будет ограничена окружностью, диаметр которой зависит, в основном, от ширины диаграммы направленности антенн (рис. 3):
При α = 1/57 рад = 1° имеем D ≈ 630 км. При α = 0,3 рад зона обслуживания охватывает почти все полушарие Земли (диаметр Земли ~ 12 800 км). Если нацелить антенну на какую-либо другую точку земного шара, то форма зоны приобретает вид искаженного эллипса (рис. 4).
Мощность сигнала
Для оценки мощности сигнала от спутника представим себе, что через центр зоны обслуживания, перпендикулярно направлению прихода волны, проходит диск. Диаметр диска D приближенно будем считать равным диаметру зоны обслуживания. Антенна, как мы уже говорили, излучает в область диаграммы направленности только 60 % мощности передатчика Р. Поэтому на единицу площади диска падает мощность \(~p = \frac{0,6P}{\frac{\pi D^2}{4}}\), a на приемную антенну с диаметром раскрыва d — мощность \(~p \frac{\pi d^2}{4}\). Но нужно еще учесть, что антенна извлекает только 60 % падающей на нее мощности. В результате в центре зоны
Мощность сигнала, как видим, прямо пропорциональна мощности передатчика и площади раскрыва приемной антенны и обратно пропорциональна площади зоны обслуживания. По мере удаления точки приема от центра зоны мощность сигнала будет уменьшаться в соответствии с диаграммой направленности передающей антенны.
На спутнике питание аппаратуры происходит от солнечных батарей. Солнечные батареи обычно не позволяют иметь мощность передатчика более 200 Вт. Для иллюстрации формулы предположим Р = 100 Вт, D = 700 км и d = 1 м. Расчет дает мощность сигнала в центре зоны Pc ≈ 0,7·10-10 Вт, на краю 0,35·10-10 Вт. Много это или мало? Ответить на этот вопрос можно лишь тогда, когда известна чувствительность приемника.
Чувствительность приемника
Эта характеристика приемника определяет его способность обеспечивать нормальный прием при минимальной мощности сигнала. Чувствительность тем выше, чем. меньшей величиной сигнала она оценивается. Может показаться, будто, увеличивая усиление, можно неограниченно улучшать чувствительность приемника и делать его способным принимать все более слабые сигналы. Однако предел чувствительности ставится наличием шумов. При недостаточной мощности сигнала на экране телевизора видны шумы в виде хаотически блуждающих черточек и точек. Изображение смотрится как бы за пеленой снега. Нормальный прием наступает лишь при определенном превышении сигнала над шумом.
Происхождение шумов двоякое: одни шумы возникают в самом приемнике, другие принимаются антенной из окружающего пространства. В приемнике шумы рождаются из хаотического теплового движения электронов в проводниках и при сложных процессах распределения токов в транзисторах. Чем выше температура проводника, тем сильнее шум. Наибольший шум вносят первые каскады приемника, поскольку он усиливается всеми последующими каскадами. Антенна принимает шумы, которые вызываются тепловым движением частиц атмосферы Земли, и шумы, связанные с радиоизлучением небесных тел. Шумы наблюдаются на всех частотах, полная их мощность зависит от полосы частот и возрастает с увеличением полосы пропускания приемника. Поэтому полоса пропускания не берется шире полосы, минимально необходимой для передачи сигнала. В результате на мощность шума самого приемника влияет только его схема и конструкция входных каскадов.
При частотной модуляции мощность принятого сигнала должна быть в 15-20 раз больше мощности шумов, при амплитудной — еще в несколько раз больше (по этой причине в спутниковых системах чаще всего выбирается частотная модуляция). Опыт показывает, что чувствительность приемного устройства должна быть выше еще в 2 раза для уменьшения влияния дождя. Надежность приема будет обеспечена примерно в 99 % времени, если использовать приемники, у которых мощность шума в 30-40 раз меньше мощности сигнала.
Особенности приема
Для спутникового приема обычный домашний телевизор может быть применен только с помощью специальной приставки. Приставка необходима для переноса сигнала из сантиметрового диапазона в дециметровый, для повышения чувствительности телевизора и для преобразования частотно-модулированного сигнала в амплитудно-модулированный. Первые «малошумящие» каскады и каскады, служащие для переноса сигнала на другую частоту, выполнены отдельно в выносной головке. Головка совмещена с облучателем. Благодаря такой конструкции, уровень шумов сводится к минимуму; отпадает необходимость в длинном волноводе. Помимо аппаратуры спутникового приема, владелец телевизора может иметь антенны метрового и дециметрового диапазонов для приема местного телецентра.
Спутники, рассчитанные на индивидуальный ТВ прием, обслуживают «небольшие» зоны, чтобы получить приемлемый уровень сигнала и, соответственно, умеренное по цене приемное устройство с антенной диаметром около 1 м. На территории Советского Союза, с пяти позиций на орбите, будет создано пять таких зон. Программа для зон будет формироваться со сдвигом во времени относительно московского.
При коллективном приеме используют антенны большого диаметра и высокочувствительный усилитель. Благодаря возможности приема слабых сигналов спутники могут обслуживать большие территории. Например, советская система «Экран-М» передает программы Центрального телевидения на сеть наземных передающих станций в районах Сибири и Крайнего Востока. Система «Москва Глобальная» обеспечивает прием советского телевидения на территории почти всех стран мира. Антенна, работающая на сантиметровых волнах, здесь имеет диаметр 4 м!
Прием с западноевропейских спутников на территории Советского Союза затруднителен. Это связано не, только с низким уровнем сигнала. У этих спутников используется другой стандарт телевидения, некоторые сигналы закодированы, чтобы препятствовать бесплатному просмотру. Интересное сообщение прессы: по договоренности с иностранными фирмами в Москве будет организован коллективный прием западноевропейских ТВ спутников по существующей кабельной сети.
Спутниковое телевидение интенсивно развивается во всех странах. Оно только на старте и, образно говоря, у порога нашего дома.
Примечания
- ↑ Это свойство параболического зеркала вы сможете легко объяснить, если вспомните, что парабола — это геометрическое место точек, каждая из которых равноудалена от некоторой точки (фокуса) и прямой (директрисы).
