Спутниковое телевидение

 

 
 
Рисунок 4 - Прямофокусная параболическая антенна

 

По своим электрическим  параметрам параболоидное зеркало  во многом превосходит альтернативные типы антенн.

Одной из основных электрических  характеристик любой антенны  является коэффициент усиления G, пропорциональный эффективной площади антенны. Эффективная  площадь (или диаметр антенны) зависит  от мощности приходящей электромагнитной волны, измеряемой в децибелах (дБ) или  ваттах (Вт).

Параболические зеркала  имеют широкий угол раскрыва и принципиально достижимый высокий коэффициент использования поверхности (0.4-0.7). Это обеспечивает высокий коэффициент усиления при умеренных размерах антенны. Коэффициент использования поверхности параболоидных зеркал определяется многими факторами - затенением зеркала облучателем, неточностью профиля зеркала, несовпадением облучателя с фокусом, неравномерностью распределения поля в раскрыве зеркала и рядом других. Действие этих факторов зависит от исполнения, размеров и конкретной формы антенны.

Параболоидные зеркала различаются, в частности, по величине отношения  фокусного расстояния к диаметру раскрыва (f/D). К длиннофокусным относятся антенны с отношением f/D больше 0.5, а к короткофокусным - с отношением f/D менее 0.3. Фокусное расстояние, в свою очередь, связано с глубиной зеркала - чем ближе фокус, тем оно глубже.

Глубина зеркала заметно  влияет на электрические параметры  антенны. Мелкие зеркала облучаются более равномерно, чем глубокие, что позволяет получить более  высокий коэффициент усиления. С  другой стороны, широкий раскрыв  антенны приводит к увеличению уровня шума.

Короткофокусные антенны  находят широкое применение в  радиорелейных линиях, где первостепенное значение приобретает вопрос отстройки  от помех. Их также удобно использовать в передвижных системах приема.

Для приема телевизионных  спутниковых трансляций больше подходят длиннофокусные зеркала. Однако они  требуют более точного расчета  и настройки облучателя, поэтому, в основном, они производятся для  профессионального приема (рис. 5), а  в бытовых системах чаще используются антенны с отношением f/D порядка 0.3-0.5 дБ.

 

 
 
Рисунок 5 - Внешний вид прямофокусной спутниковой антенны

 

К достоинствам параболических антенн следует отнести их широкополосность. Еще одно несомненное достоинство параболических антенн - способность принимать сигналы любой поляризации. Разделение поляризаций, как правило, не сопряжено с потерями мощности. В спутниковых сетях это дает возможность использовать одну частоту дважды.

Недостатками этого типа антенн являются большое количество механических частей и подверженность действию атмосферных факторов. Воздействие  ветра может исказить форму зеркала  и понизить коэффициент использования  поверхности. Это налагает серьезные  требования к жесткости конструкции  зеркала и опорно-поворотного  устройства. На качество приема могут  оказать влияние неравномерный  обогрев антенны солнечными лучами, коррозия материала и ряд других факторов. Это особенно ощутимо для профессиональных антенн больших диаметров. Серьезной проблемой может стать накопление снега или воды на поверхности зеркала.

Проблема накопления осадков  на зеркале может быть решена использованием офсетных зеркал, представляющих собой  верхний сегмент параболоида (рис. 6). В северных широтах они располагаются  практически перпендикулярно земле, и осадки в них тоже почти не накапливается.

 

 
 
Рисунок 6. Офсетная параболическая антенна

 

Основным же преимуществом  офсетных антенн является меньшее затенение  поверхности зеркала облучателем  и, как следствие, больший коэффициент  использования поверхности (0.6-0.8). Выигрыш  особенно ощутим для антенн с небольшим  диаметром (рис. 7). Поле в раскрыве офсетной антенны имеет более сложную структуру, чем в раскрыве прямофокусной, что усложняет конструкцию облучателя. В большинстве случаев электрические параметры офсетных антенн несколько хуже, чем у прямофокусных. Однако длиннофокусные офсетные антенны при скрупулезном расчете облучателя могут иметь очень хорошие электрические параметры и использоваться в профессиональных системах.

Парусность конструкции  может быть снижена за счет использования  сетчатых или перфорированных антенн.

 

 
 
Рисунок 7 - Внешний вид офсетной параболической антенны

 

Прием с разных спутниковых  позиций в общем случае требует  переориентации параболической антенны. По теории зеркальных антенн сектор углов  вокруг фокуса, в котором можно  принимать сигнал без существенного  снижения коэффициента усиления, составляет +30. Именно на такой угол могут различаться  спутниковые позиции, с которых  можно вести прием на фиксированную  антенну без потери уровня сигнала. При большем разнесении позиций необходим поворот зеркала, что приводит к удорожанию подвески.

Задачу многоспутникового приема без механического поворота зеркала можно решить, используя сферические или сферопараболические зеркала. В таких конструкциях облучатель располагается на дуге радиусом r, центр которой совпадает с центром окружности R (рис. 8).

 

 
 
Рисунок 8 - Сферическая параболическая антенна

 

Дуга называется фокальной  линией. Если выбрать r более 0.56R, то волна, отраженная от зеркала, будет близка к плоской. Такие антенны находят применение в системах автоматического слежения за объектом (рис. 9). В них используются облучатели, передвигающиеся по фокальной линии, что дает возможность сканирования в широком секторе углов. Аналогичная конструкция может использоваться и для многопозиционного спутникового приема. Только вместо одного подвижного конвертора на фокальной плоскости устанавливаются несколько неподвижных, ориентированных на разные спутниковые позиции.

 

 
 
Рисунок 9. Внешний вид сферической  антенны

 

Сферические зеркала уступают параболическим в точности фокусировки и по ряду других электрических параметров. Однако, в некоторых случаях, они могли бы явиться удобной заменой целому парку неподвижных параболических антенн.

Какая антенна лучше - офсетная или прямофокусная? Каждая антенна хороша для своего применения.

Офсетные антенны характеризуются  удобством установки вдоль стены  дома. Для них требуется меньший  вынос от стены, кроме того, на них  не задерживается снег, облучатель не загораживает поверхность зеркала. Размер офсетной антенны оптимален  до 1,5-1,8 м.

Прямофокусные антенны имеют хорошие характеристики от 1,5 м, т.к. при таком размере антенны облучатель уже перестает "затенять" поверхность зеркала. У прямофокусной антенны электромагнитное пятно на облучателе не имеет искажений, отраженная электромагнитная волна от любой точки антенны приходит в одной фазе к облучателю. Параболические прямофокусные антенны - это антенны, используемые для профессионального приема.

Ниже приведены примерные  соответствия между уровнями сигнала  и размерами тарелок:

50 дБ - 60 см

47 дБ - 90 см

42 дБ - 120 см

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.Прием сигнала, преобразование частот

Как уже говорилось в предыдущей главе, для приема сигнала со спутника используется антенна, на которую устанавливаются  специальные устройства: рупорный облучатель, поляризатор и конвертор. Рассмотрим подробнее эти устройства.

Рупорный облучатель

Рупорный  облучатель используется для формирования электромагнитного пятна, которое  не должно выходить за пределы зеркала  и использовать всю его эффективную  площадь. Если используется не вся эффективная  площадь зеркала, то усиление, создаваемое  антенной, снижается. При выходе за пределы зеркала облучатель, кроме  сигнала со спутника, будет принимать  шумы от окружающих предметов, от этого  возрастет шум антенны, т.е. она  начнет принимать паразитные источники  электромагнитного сигнала. Поэтому  для каждого типа антенны нужен  специально рассчитанный тип облучателя (рис. 10).

 

 
 
Рисунок 10 - Правильно спроектированный облучатель

Поляризатор

Поляризатор предназначен для коррекции принимаемой поляризации электромагнитной волны. При круговой поляризации вектор напряженности электрического поля электромагнитной волны Е вращается вокруг оси (направления распространения) с частотой 4 000 000 000 оборотов в секунду.

   Поляризация - это характеристика поведения одного из векторов Е (напряженности электрического поля электромагнитной волны) или Н (напряженности магнитного поля электромагнитной волны), плоскости которых всегда взаимно перпендикулярны. Различают линейную, круговую и эллиптическую поляризацию. При линейной поляризации вектор Н (или вектор Е, что в данном случае одно и то же) распространяется вдоль одной оси (или направления распространения), находясь строго в плоскости. При круговой поляризации вектор Н, распространяясь вдоль оси, вращается также и вокруг этой же оси, не изменяясь по величине. При эллиптической поляризации вектор Н распространяется вдоль оси, вращается вокруг неё и постоянно меняет свое значение по определенному закону.

Вектор Е круговой поляризации можно представить в виде двух ортогональных векторов H и V, величина которых постоянно меняется в процессе вращения черного вектора (рис. 11). Из рисунка видно, что если принимать вместо вращающегося вектора один из ортогональных векторов, то величина сигнала будет в два раза меньше. Поэтому если принимать линейным конвертором сигнал с круговой поляризацией, то потери составят порядка 3дБ. Таким образом, чтобы принять весь сигнал, надо преобразовать круговую поляризацию в линейную, для чего и служит деполяризатор.

 
Рисунок 11 - Вращение вектора Е напряженности  электрического поля

Деполяризатор выполняется в виде пластины диэлектрика, которая выставляется под различными углами к вектору напряженности  электромагнитного поля (или к  электроду конвертора). Пластина диэлектрика, перпендикулярная к вектору поля Е или совпадающая с ним, не влияет на него. В случае расположения диэлектрического поляризатора под углом 45 градусов вектора H и V на выходе деполяризатора складываются. Таким образом, величина вектора Е в два раза больше, чем векторов V и H. Т.к. диэлектрик, расположенный перпендикулярно или продольно к векторам Н и V, не влияет на них, то с использованием механического или магнитного поляризатора можно принимать все виды поляризации (как правило, это имеет смысл в антеннах, которые направлены не фиксированно на один спутник, а могут поворачиваться, принимая сигнал от разных спутников). Поэтому, если требуется принимать круговую поляризацию, то надо установить электрод конвертора под углом 45 градусов к диэлектрику (рис. 12), а если линейную поляризацию, то параллельно или перпендикулярно диэлектрику.

 
 
Рисунок 12 - Пластина деполяризатора, установленная  под углом 45 градусов к электроду  конвертора

В России используется круговая поляризация  для спутникового вещания. Это сложилось  исторически, т.к. раньше СССР использовал  для ТВ-вещания спутники серии "Молния", находящиеся на высокоэлептических орбитах. Для приема сигнала и слежения за спутниками использовались станции, оснащенные очень большими антеннами и довольно дорогим высокочувствительным оборудованием. Т.к. эти спутники постоянно двигались, то в случае использования круговой поляризации не требовалось корректировать поляризацию в зависимости от положения спутника. Если бы поляризация была линейной, то ее пришлось бы постоянно менять. В США также за стандарт принята круговая поляризация. Европейские страны используют линейную поляризацию, т.к. все спутниковое вещание в Европе началось в конце 80-х годов, и для него были использованы спутники, находящиеся на стабильных геостационарных орбитах.

Конвертор

Конвертор служит для того, чтобы принять  поляризованную электромагнитную волну, преобразовать ее в электрический  сигнал, который, в свою очередь, усилить  и преобразовать в сигнал промежуточной  частоты (ПЧ). Это связано с тем, что со спутника передается очень  высокочастотный сигнал. Сигнал ПЧ занимает полосу частот 950-2150 МГц, тогда  как сигнал со спутника может занимать различную полосу частот. Для преобразования частоты сигнала со спутника в  конверторе находится перемножитель частоты и гетеродин (генератор частоты).

Для расчета ПЧ надо вычесть из частоты  сигнала со спутника частоту гетеродина для Ku-диапазона Fпч= Fсигн.-Fгет или для С-диапазона Fпч= Fгет-Fсигн. Например: частота гетеродина 5150 МГц, частота со спутника 3893 МГц. Fпч= 5150-3893=1257 (МГц.).

Диапазоны частот

Канал спутниковой связи, работающий на выделенных частотах приема и передачи, занимает определенную полосу частот (bandwidth), от ширины которой зависит количество информации, передаваемой по каналу в единицу времени. Типичный спутниковый приемопередатчик, работающий на частотах от 4 ГГц до 6 ГГц, занимает полосу частот шириной 36 МГц. Много это или мало? Например, для передачи телевизионного сигнала в цифровом стандарте MPEG-2 необходим канал с шириной полосы пропускания 6 МГц, для телефонного канала - 0,010 МГц. Следовательно, с помощью такого приемопередатчика можно организовать 6 телевизионных или 3600 телефонных каналов. Обычно на ИСЗ устанавливается 12 или 24 приемопередатчиков (в ряде случаев больше), что дает в результате 432 МГц или 864 МГц соответственно.

Диапазон	Полоса  частот, гГц
L	1,452-1,55 и 1,61-1,71
S	1,93-2,7
С	3,4-5,25 и  5,725-7,075
Х	7,25-8,4
Ku	10,7-14,8
Ka	15,4-26,5 и 27-50,2
K	84-86