ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ ЦИФРОВОГО СПУТНИКОВОГО МУЛЬТИМЕДИЙНОГО ВЕЩАНИЯ

ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ ЦИФРОВОГО СПУТНИКОВОГО МУЛЬТИМЕДИЙНОГО ВЕЩАНИЯ. Спутниковое вещание представляет собой однонаправленную передачу телевизионных и звуковых программ, а также мультимедийных приложений, включая данные Интернет, от передающих земных станций (ЗС) к приёмному оборудованию через бортовые ретрансляторы спутника. В отличие от наземного вещания с помощью спутника могут покрываться значительные территории Земли с неограниченным числом приемных станций, расположенных как на суше, так и на море. Передача мультимедийных данных (каталоги, видеоматериалы, программные продукты, титры, финансовые и спортивные новости и др.) строится на использовании открытого стандарта MPEG-2/DVB-S. Доставка информационных данных по спутниковым каналам осуществляется как группам пользователей в форме потокового вещания (режим Multicast), так и одиночным пользователям в форме адресной доставки цифровых пакетов фиксированного объёма в определённое время (режим Unicast). Земные станции спутниковых систем вещания обычно вынесены за пределы городов и связаны с центрами формирования ТВ-программ и мультимедийной информации волоконно-оптическими, коаксиальными или радиорелейными линиями связи.

Структурная схема системы спутникового вещания приведена на рисунке 1.1. Число передающих ЗС в комплексе подачи программ на спутник может быть различным и определяться числом стран, участвующих в вещании через конкретный искусственный спутник Земли (ИСЗ). В целях контроля за качеством передач на каждой ЗС осуществляется прием сигналов, транслируемых через спутник.

Для наполнения цифровых пакетов информацией, передаваемой на несущих f1…fn, на ЗС дополнительно осуществляется прием данных Интернет, программ с других ИСЗ, а также формирование собственных программ на телерадиостудии.

Рисунок 1.1 – Структурная схема системы спутникового вещания Приём сигналов вещания с ИСЗ осуществляется на профессиональное оборудование телецентров (ТЦ), головные станции (ГС), приёмные установки (ПУ) индивидуального и коллективного пользования. Сигналы с профессиональных станций поступают к потребителям через местный телецентр, а с головных станций – по эфирным (MMDS, MVDS и др.) или кабельным распределительным сетям (КРС). При индивидуальном приёме осуществляется непосредственный приём сигналов с ИСЗ на недорогие ПУ с антеннами относительно малого диаметра (0,6…1,2 м). Антенны приемных систем (ПС) либо фиксируются в направлении на заданный спутник либо имеют возможность перестройки на другие ИСЗ посредством применения опорно-поворотного устройства (ОПУ). Спутниковое вещание в основном строится на использовании геостационарных ИСЗ, орбита которых является круговой и расположена в плоскости экватора Земли с удалением от её центра на расстояние, км, (1.1) где – r0 радиус орбиты; M – масса Земли, равная 5,976 ·1034 кг; G – постоянная гравитации, равная 6,67·10-11 Н·м2/кг2; T – период обращения спутника вокруг Земли, равный 23 ч 56 мин 04 с (86164 с). Выражение (1.1) получено из условия того, что на ГО сила гравитации FG, притягивающая спутник к поверхности Земли, и центробежная сила FЦ, действующая на спутник, уравновешены, т.е. FG = FЦ. Высота орбиты относительно поверхности Земли составляет 35786 км. При строгом подходе к форме и положению ГО в пространстве следует учитывать асимметричность гравитационного поля Земли, силу давления солнечного света на ИСЗ и гравитационное влияние Луны и Солнца.

Однако эти факторы, приводящие к небольшой эллиптичности орбиты и наклону её плоскости относительно экваториальной, в рамках рассматриваемых вопросов не являются существенными и могут не приниматься во внимание.

Уникальность орбиты заключается в том, что спутник, находясь на ней, движется по инерции со скоростью равной 3,064 км/c, не требуя расхода топлива.

Спутник, перемещаясь с запада на восток, для наземного наблюдателя кажется неподвижным, поскольку угловые скорости спутника и Земли совпадают.

Эти обстоятельства позволяют обеспечить круглосуточное вещание на неперестраиваемые приёмные антенны при стабильном уровне сигналов на их выходе.

С помощью трех равноудаленных спутников на ГО можно охватить вещанием до 95 % поверхности Земли (за исключением районов выше 81,30 северной и южной широт). Вследствие уникальности этой орбиты её отдельные участки уже перенасыщены вещательными ИСЗ. Их общее число в настоящее время превышает 250. Для увеличения числа ИСЗ на ГО и объёма вещания в требуемую зону некоторые операторы располагают на одной позиции несколько спутников.

Так, на позиции 13о в.д. располагается пять ИСЗ серии «HotBird», а на позиции 19,2о в.д. − семь ИСЗ серии «Astra». Для организации независимого приёма с требуемых ИСЗ используют частотное, поляризационное и пространственное разделение сигналов.

Чтобы предотвратить возможность столкновений спутников и обеспечить постоянство их положения на ГО, задействованы специальные системы контроля и управления орбитальными группировками. Требуемое положение спутников поддерживается с помощью корректирующих двигателей, включаемых по командам с наземных комплексов управления.

Точность удержания ИСЗ на заданной позиции обычно не хуже ±0,1º (соответствует отклонению ИСЗ на ГО до 70 км). Современные вещательные и многофункциональные спутники используют многоствольный принцип построения и содержат достаточно большое число (10…60) независимых приёмопередающих трактов (радиостволов), выполняющих функции ретрансляции сигналов.

Например, на российском спутнике Экспресс-АМ-22 (80º в.д.), располагается 29 радиостволов для работы в трех диапазонах частот. Вся совокупность ретрансляторов и антенн, расположенных на платформе спутника, образует модуль полезной нагрузки. Кроме этого модуля на платформе ИСЗ располагаются системы энергоснабжения, ориентации антенн на требуемые зоны вещания, наведения солнечных батарей в направлении на Солнце, устройства пространственной стабилизации и коррекции положения спутника на орбите.

Для контроля за функционированием устройств и систем спутника и управления их работой используется подсистема телесигнализации и телеуправления. Ретрансляция сигналов может быть прямой (прозрачной) или с обработкой и пакетированием информации на борту. Используемая на новых спутниках Eutelsat серии «HotBird» технология Sky Plex позволяет объединить в общий цифровой пакет отдельные сигналы, поступающие с различных ЗС стран Европы.

В состав цифрового пакета одного радиоствола входят 6…12 ТВ-программ и столько или более радиопрограмм. Ширина полосы радиоствола вещательных спутников обычно составляет 27, 33, 36, 42, 72 МГц. Прием и передача ретранслируемых сигналов осуществляется в разных диапазонах частот. Обычно значения частот для направления ЗС – ИСЗ выше значений частот ИСЗ – ЗС. Выходная мощность радиоствола в зависимости от назначения и диапазона частот находится в пределах 50…200 Вт. Эквивалентная изотропно излучаемая мощность (ЭИИМ) бортового ретранслятора составляет, дБВт, (1.3) где РПД – мощность передатчика радиоствола, Вт; gПД – усиление передающей антенны, дБ; аФ.ПД – потери в фидере передающего тракта, дБ. Основной объем спутниковых трансляций в направлении ЗС (линия вниз) осуществляется в диапазонах частот 3,4…4,2 и 4,5…4,8 ГГц (С-диапазон) и 10,7…12,75 ГГц (Ku-диапазон). Указанные полосы частот С-диапазона и полосы 10,7…11,7, 12,5…12,75 Ku-диапазона выделены Регламентом радиосвязи МСЭ для фиксированной спутниковой службы (ФСС). В рамках этой службы организуются международные, региональные и национальные сети связи и вещания. По этим сетям передаются различные виды информации, включая широкополосное вещание и высокоскоростные потоки данных Интернет.

Максимальная мощность передатчиков бортовых ретрансляторов этой службы обычно не превышает 100 Вт, что связано с обеспечением норм на допустимую плотность потока мощности (ППМ) у поверхности Земли, создаваемую спутником.

Допустимые значения ППМ определены Регламентом радиосвязи, при которых обеспечивается совместная работа спутниковых и наземных средств радиосвязи и вещания.

Обязательным решением при обеспечении электромагнитной совместимости радиосредств в цифровых системах является скремблирование (перемешивание) данных. Величина плотности потока мощности, создаваемая спутниковым ретранслятором в зоне приема на площади 1 м2, рассчитывается по формуле: , дБВт/м2, (1.4) где r – наклонная дальность между ИСЗ и точкой приема, м; адоп – дополнительные потери на спутниковой радиолинии из-за ослабления сигнала в атмосфере, дождях, неточного наведения антенны на ИСЗ и др дБ. Полоса частот 11,7…12,5 ГГц Ku-диапазона выделена Регламентом радиосвязи МСЭ для радиовещательной спутниковой службы (РСС). В рамках этой службы осуществляется прямое спутниковое вещание на приемные установки индивидуального и коллективного пользования.

По сравнению с ФСС в этой службе допустимая ППМ у поверхности Земли выше и, как следствие, возможно снижение размеров приемных антенн.

В полосе 11,7…12,5 ГГц размещается 40 каналов с шириной полосы 27 (33) МГц. Частотный разнос между соседними каналами с разной поляризацией установлен = 19,18 МГц. Поляризация сигналов принята круговой. Подача сигналов на ИСЗ (линия «вверх») осуществляется только в полосах ФСС. Планы распределения частотных радиоканалов в различных спутниковых системах отличаются друг от друга. 2 ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ Владельцем спутников Hotbird 6/7A/8 является французская компания "Alcatel". В зоне покрытия - Европа, Америка, Ближний Восток, Центральная Азия, Индия, Северная Африка.

Спутник Hotbird 6/7A/8 находится в орбитальной позиции 13 ° восточной долготы. С Hotbird транслируются каналы на различных языках мира: французский, немецкий, польский, китайский, корейский, хинди, сербский и многие другие.

Технические характеристики спутника HotBird 6 приведены в таблице 2.1. Таблица 2.1 – Технические характеристики спутника HotBird 6 Владелец Alcatel Space Платформа Spacebus 3000B3 Орбитальная позиция 13° в.д. Дата запуска начало августа 2002 г. Полезная нагрузка Ku-диапазон — 28 транспондеров Ka-диапазон — 4 транспондера Мощность транспондеров Ku-диапазон — 115 Вт, 130 Вт Ka-диапазон — 115 Вт Ширина полосы пропускания транспондеров 36 МГц ЭИИМ Ku-диапазон — 52 дБВт Ka-диапазон — 54 дБВт Срок службы 12,25 лет Зона покрытия данного спутника приведена на рисунке 2.1 Рисунок 2.1 – Зона покрытия спутника HotBird 6 Таблица 2.2 - Таблица частот Канал Частота, GHz Поляр. Видео Кодирование Скорость потока (SR) FEC 1 2 3 4 5 6 7 Cyfra+ 10.719 V MPEG-2 Mdg 27500 3/4 British Telecom 10.723 H MPEG-2 29900 3/4 N 10.723 H MPEG-4 Cnx 29900 3/4 TPS 10.758 V MPEG-2 Via 27500 3/4 AFN 10.775 H MPEG-2 PwV 28000 3/4 TPS 10.796 V MPEG-2 Via 27500 3/4 Duna TV 10.813 H PAL ® 10.813 H AUDIO Autonomia TV 10.83 H MPEG-2 3333 3/4 TPS 10.834 V MPEG-2 Via 27500 3/4 T-Systems 10.853 H MPEG-2 27500 3/4 TPS 10.873 V MPEG-2 Via 27500 3/4 Cyfra+ 10.892 H MPEG-2 Mdg 27500 3/4 TPS 10.911 V MPEG-2 Via 27500 3/4 Nova 10.93 H MPEG-2 Ird 27500 3/4 GlobeCast 10.949 V MPEG-2 27500 3/4 RR Satellite Communications 10.971 H MPEG-2 27500 3/4 RAI 10.992 V MPEG-2 Mdg 27500 2/3 RR Satellite Communications 11.013 H MPEG-2 27500 3/4 GlobeCast 11.034 V MPEG-2 27500 3/4 T-Systems 11.054 H MPEG-2 27500 5/6 Viacom 11.075 V MPEG-2 Crw 27500 3/4 MTV HD 11.075 V MPEG-4 Crw 27500 3/4 AFN 11.096 H MPEG-2 PwV 28000 3/4 GlobeCast 11.117 V MPEG-2 Nagr 27500 3/4 British Telecom 11.137 H MPEG-2 27500 3/4 Cyfrowy Polsat 11.158 V MPEG-2 Nagr 27500 3/4 Telespazio 11.179 H MPEG-2 27500 3/4 Network Teleport Italia 11.2 V MPEG-2 27500 5/6 Telespazio 11.179 H MPEG-2 27500 3/4 Network Teleport Italia 11.2 V MPEG-2 27500 5/6 Sky Italia 11.219 H MPEG-2 Vdg 27500 2/3 Eutelsat 11.24 V MPEG-2 27500 3/4 N 11.258 H MPEG-4 Cnx 27500 2/3 N 11.258 H MPEG-4 Cnx 27500 2/3 Cyfra+ 11.278 V MPEG-4 Mdg 27500 2/3 Telespazio 11.296 H MPEG-2 27500 3/4 TV 5 Monde Europe 11.32 V PAL Mediaset 11.334 H MPEG-2 Mdg 27500 1/2 Sky Italia 11.355 V MPEG-4 Vdg 27500 2/3 Sky Italia 11.355 V MPEG-2 Vdg 27500 2/3 Telespazio 11.296 H MPEG-2 27500 3/4 TV 5 Monde Europe 11.32 V PAL Mediaset 11.334 H MPEG-2 Mdg 27500 1/2 Sky Italia 11.355 V MPEG-4 Vdg 27500 2/3 Sky Focus Sky Italia 11.355 V MPEG-2 Vdg 27500 2/3 Sky Italia 11.355 V MPEG-2 Vdg 27500 2/3 Rete 4 11.373 H MPEG-2 Mdg 19636 2/3 Grupa ITI 11.393 V MPEG-2 Nagr 27500 3/4 Telecom Srbija 11.411 H MPEG-2 27500 5/6 Mediaset 11.432 V MPEG-2 27500 1/2 N 11.449 H MPEG-4 Cnx 27500 2/3 N 11.449 H MPEG-4 Cnx 27500 2/3 SatLink 11.47 V MPEG-2 27500 5/6 Cyfra+ 11.488 H MPEG-2 Mdg 27500 3/4 TVN 11.506 V PAL TVN 11.523 V MPEG-4 Cnx 5000 7/8 SRG SSR 11.526 H MPEG-2 Via 27500 3/4 M-Three satcom 11.541 V MPEG-2 22000 5/6 TBN Europe 11.566 H MPEG-2 27500 3/4 GlobeCast 11.585 V MPEG-2 27500 3/4 T-Systems 11.604 H MPEG-2 27500 5/6 GlobeCast 11.623 V MPEG-2 27500 3/4 Bloomberg TV 11.642 H MPEG-2 27500 3/4 TPS 11.662 V MPEG-2 Via 27500 3/4 AB Sat 11.681 H MPEG-2 Via 27500 3/4 British Telecom 11.727 V MPEG-2 27500 3/4 Discovery Channel 11.727 V MPEG-4 Cnx 27500 3/4 SamaCom 11.747 H MPEG-2 27500 3/4 RAI 11.766 V MPEG-2 27500 2/3 TSA 11.785 H MPEG-2 27500 3/4 RAI 11.804 V MPEG-2 27500 2/3 Nova 11.823 H MPEG-2 Ird 27500 3/4 Sky Italia 11.843 V MPEG-2 Vdg 27500 3/4 Sky Italia 11.862 H MPEG-2 Vdg 27500 3/4 Sky Italia 11.881 V MPEG-2 Vdg 27500 3/4 Sky Italia 11.9 H MPEG-2 Vdg 27500 3/4 Mediaset 11.919 V MPEG-2 27500 2/3 Nova 11.938 H MPEG-2 Ird 27500 3/4 Sky Italia 11.958 V MPEG-2 Vdg 27500 3/4 Sky Italia 11.977 H MPEG-2 Vdg 27500 3/4 Sky Italia 11.996 V MPEG-4 Vdg 27500 2/3 Arabesque 12.015 H MPEG-2 Via 27500 3/4 Sky Italia 12.034 V MPEG-2 Vdg 27500 3/4 Sky Italia 12.054 H MPEG-2 Vdg 27500 3/4 Sky Italia 12.073 V MPEG-2 Vdg 27500 3/4 TSA 12.092 H MPEG-2 Via 27500 3/4 Telespazio 12.111 V MPEG-2 27500 3/4 Magyar 2 12.13 H MPEG-4 27500 3/4 Magyar 2 12.13 H MPEG-2 27500 3/4 Antenna Hungaria 12.149 V MPEG-2 27500 3/4 Nova 12.169 H MPEG-2 Ird 27500 3/4 Cyfrowy Polsat 12.188 V MPEG-2 Nagr 27500 3/4 RR Satellite Communications 12.207 H MPEG-2 27500 3/4 VOA 12.226 V MPEG-2 27500 3/4 GlobeCast 12.245 H MPEG-2 Via 27500 3/4 Cyfrowy Polsat 12.265 H MPEG-2 Nagr 27500 3/4 Cyfrowy Polsat 12.265 H MPEG-4 Nagr 27500 3/4 Cyfrowy Polsat 12.284 H MPEG-2 Nagr 27500 3/4 Slovenian package 12.303 V MPEG-2 27500 3/4 Eutelsat 12.322 H MPEG-2 Via 27500 3/4 Sky Italia 12.341 V MPEG-2 Vdg 27500 3/4 GlobeCast 12.36 H MPEG-2 Via 27500 3/4 GlobeCast 12.38 V MPEG-2 27500 3/4 HD Suisse 12.399 H MPEG-4 Via 27500 3/4 SRG SSR 12.399 H MPEG-2 Via 27500 3/4 Sky Italia 12.418 V MPEG-2 Vdg 27500 3/4 IRIB 12.437 H MPEG-2 27500 3/4 Sky Italia 12.466 V MPEG-2 Vdg 27500 3/4 Belgacom 12.476 H MPEG-2 27500 3/4 OiV 12.52 V MPEG-2 27500 3/4 Eutelsat Skyplex 12.539 H MPEG-2 27500 3/4 Eutelsat Skyplex 12.558 V MPEG-2 27500 3/4 GlobeCast 12.577 H MPEG-2 Via 27500 3/4 GlobeCast 12.597 V MPEG-2 27500 3/4 Sky Italia 12.616 H MPEG-2 Vdg 27500 3/4 Sky Italia 12.635 V MPEG-2 Vdg 27500 3/4 Arabsat Package 12.654 H MPEG-2 27500 3/4 SNRT 12.673 V MPEG-2 27500 3/4 AB Sat 12.692 H MPEG-2 Via 27500 3/4 Sky Italia 12.713 V MPEG-2 27500 3/4 Sky Italia 12.731 H MPEG-2 Vdg 27500 3/4 3