Приемники спутникового телевидения

Полный цветовой сигнал для передачи по спутниковому телевидению создается абсолютно так же, как изложено выше для наземного телевизионного вещания. При передаче по каналу связи используется частотная модуляция несущей частоты передатчика изображения.

Благодаря применению частотной модуляции несущей частоты телевизионного передатчика и ширине полосы канала передачи со спутника в 27 МГц качество изображения аналоговых систем оказывается выше, чем при наземном телевизионном вешании.

Для достижения необходимой помехозащищенности девиацию частоты поднесущей выбирают, как правило, большей, чем в наземном телевидении - до 100 и даже 150 кГц. Значения частоты поднесущей также выше и составляет 7,0...7,5 МГц при полосе видеосигнала 6 МГц, 5,8...6,8 МГц при полосе 5 МГц и 5...6 МГц при полосе 4,2 МГц, что позволяет уменьшить переходные помехи из канала изображения в канал звукового сопровождения и облегчить требования к фильтрации сигналов.

При необходимости передачи совместно с сигналом изображения более чем одного звукового сигнала (звуковое вещание, звуковое сопровождение на иностранных языках, стереозвук) используется несколько поднесущих частот, расположенных выше спектра видеосигнала. Их число ограничено возникновением перекрестных помех и ухудшением качества ТВ изображения из-за уменьшения доли девиации несущей, приходящейся на видеосигнал. Практически с удовлетворительным качеством удается передать два-четыре дополнительных сигнала. Например, в спутниковых ТВ каналах, организованных через европейские ИСЗ Eutelsat II и Astra наряду с основным каналом звукового сопровождения сформированы еще до четырех высококачественных звуковых каналов, используемых для передачи монофонических или стереофонических программ. Передача ведется методом ЧМ на поднесущих частотах 7,02, 7,20, 7,38, 7,56 МГц звуковой сигнал подвергается адаптивным предыскажениям и компандированию (система Wegener Panda 1).

Компандирование применяется для повышения помехоустойчивости передачи звуковых сигналов. Оно подразумевает сжатие динамического диапазона передаваемого сигнала в соответствии с изменением огибающей звукового сигнала и восстановление исходного динамического диапазона на приеме. Различают "управляемые" компандеры, в которых информация об исходном динамическом диапазоне передается в отдельном канале управления, и "неуправляемые", в которых эта информация содержится в передаваемом сигнале.

Выигрыш в помехозащищенности благодаря компандированию достигает в среднем 12...13 дБ при наличии сигнала и до 20 дБ в паузе сигнала. Управляемый компандер применялся в отечественных системах "Экран" и "Москва", неуправляемый - в системе "Москва - Глобальная".

Аналоговый ресивер представляет собой УКВ ЧМ приемник с полосой пропускания 30 МГц (рис.9.97). Сигнал от СВЧ преобразователя по коаксиальному кабелю поступает на входной перестраиваемый фильтр, подавляющий зеркальный канал. Малошумящий усилитель компенсирует потери сигнала в фильтре. Затем сигнал подается на смесительный каскад См1. На выходе смесителя выделяется сигнал первой промежуточной частоты 450 МГц и усиливается полосовым усилителем. Далее включается аттенюатор АТТ, входящий в состав системы АРУ. После аттенюатора сигнал усиливается и поступает на второй смеситель См2.

Рис.9.97

В результате первая промежуточная частота преобразуется во вторую 70 МГц. Для этого используется второй гетеродин, вырабатывающий сигнал с частотой 520 МГц.

Далее следует широкополосный усилитель ШУ, между каскадами которого включен фильтр нижних частот (ФНЧ), который подавляет спектр частот выше 84 МГц. Затем фильтр высоких частот (ФВЧ) подавляет все частоты ниже 54 МГц. Таким образом формируется полоса шириной 30 МГц, необходимая для пропускания полного цветового телевизионного сигнала (ПЦТС).

После ФВЧ сигнал поступает на УПЧ, который осуществляют дополнительное усиление ПЦTC перед подачей его на устройство ограничения.

Детектор обеспечивает полосу детектирования частотно-модулированного сигнала 30 МГц при средней частоте 70 МГц.

Демодуляция сигнала обычно осуществляется в синхронном фазовом детекторе (СФД) на основе петли ФАПЧ.

Полученный после ЧМ детектора сигнал усиливается видеоусилителем (ВУ), который обеспечивает полосу пропускания до 6 МГц. Далее включается видеофильтр, обеспечивающий компенсацию частотных предыскажений. В приемнике предусмотрена автоматическая подстройка частоты (АПЧ).

В системе спутникового телевизионного вещания по каналу связи кроме сигнала изображения передается и другая информация. Это обычное звуковое сопровождение, стереофоническое звуковое сопровождение, речевое сопровождение на другом языке, служебная информация и др. на поднесущих частотах в пределах 5...10 МГц. Сигналы звукового сопровождения с полосой 15 кГц на передающей стороне подвергаются сжатию динамического диапазона с помощью адаптивной компандерной системы “Panda-1”.

На звуковой тракт сигнал поступает с ЧМ детектора через полосовой фильтр, настроенный на среднюю частоту 6,5 МГц, и далее — на вход смесителя См 3. Гетеродин перестраивается в пределах 17,2...18,8 МГц. На выходе смесителя получаем стандартную ПЧ звука, равную 10,7 МГц.

После усиления и ограничения сигнал поступает на ЧМ детектор и далее — на усилитель звуковой частоты (УНЧ).

В настоящее время в спутниковом телевидении происходит переход от аналоговых к более совершенным системам передачи цветных телевизионных сигналов, которые основаны на принципе временного уплотнения сигналов яркости и цветности. Промежуточным звеном здесь является комбинированный аналого-цифровой стандарт, получивший название MAC (Multiplexed Analogue Components — система уплотнения аналоговых компонент). Общим для всех вариантов систем MAC является способ передачи аналоговых сигналов яркости и цветности с предварительным сжатием временного масштаба этих сигналов: для строки яркостного сигнала — в 1,5 раза, для строк сигналов цветности — в 3 раза.

Практическое применение получили несколько вариантов системы MAC. Для телевизионных стандартов, принятых в странах Западной Европы, Беларуси, России, на Украине и др., используется система D2-MAC. В ней применено дуобинарное (трехуровневое) кодирование, при котором в отличие от бинарного (двухуровневого) используются импульсы с тремя уровнями: «+1», «0» и «-1».

Систему D2-MAC можно разделить на две части: аналоговую и цифровую. Аналоговые сигналы яркости и один из цветоразностных сигналов цветности передаются в течение активной строки в сжатом во времени виде, а цифровая часть сигнала (звуковое сопровождение, сигналы синхронизации, телетекст и др.) объединены в пакеты, передаваемые в течение обратного хода разверток по строкам и полям.

Начальную часть строки (17,2 мкс) занимает один из цветоразностных сигналов Еr-у или Eb-y которые передаются поочередно через строку. Далее следует яркостная составляющая видеосигнала, которая занимает 34,4 мкс (рис.9.98).

Сжатие аналогового сигнала осуществляется путем стробирования с тактовыми частотами: 6,75 МГц для сигналов цветности и 13,5 МГц для яркостного сигнала. Полученные сигналы накапливаются в запоминающем устройстве, после чего происходит их ускоренное считывание с более высокой тактовой частотой — 20,25 МГц. Полученные цифровые данные передаются в дуобинарном коде.

Рис.9.98

По сравнению с традиционными аналоговыми системами система D2-MAC обладает рядом преимуществ. Отсутствуют перекрестные искажения сигналов яркости и цветности. Значительно снижены шумы в канале цветности благодаря работе в области низких частот (нет модуляции поднесущей частоты цветоразностными сигналами). Повышена разрешающая способность изображения за счет более широкой полосы частот сигналов яркости и цветности и отсутствию режекции сигналов цветности в яркостном сигнале. Сигналы синхронизации, звукового сопровождения, телетекста и другой информации передаются в цифровой форме. Ширина радиоканала для системы D2-MAC равна 7-8 МГц.

Многие спутники ведут телевизионное вещание по стандарту D2-MAC. Ни один из бытовых телевизоров не может принять передачи по этому стандарту, поэтому к ресиверу необходимо дополнительно подключить декодер D/D2-МАС. Некоторые ресиверы имеют встроенный декодер D/D2-MAC.

В ряде стран передача сигналов звукового сопровождения в полосе 15 кГц при телевещании осуществляется в цифровой форме с помощью системы NICAM-728 (рис.9.99). Для передачи звука используются две несущих частоты 5,5 и 5,85 МГц. Одна как обычно модулируется по частоте аналоговым монофоническим сигналом, вторая – цифровым стереофоническим сигналом в формате NICAM-728. Переходное затухание между каналами превышает 80 дБ. Частота дискретизации – 32 кГц при равномерном 14 битовом квантовании. Для сжатия сигнала используется почти мгновенное компандирование. Для устранения ошибок применяется помехоустойчивое кодирование.

Модуляция несущей с помощью дифференциальной квадратурной фазовой манипуляции (DQPSK). Структурная схема ТВ приемника системы NICAM-728 приведена на рис.9.100.

Рис.9.99

Рис.9.100

В настоящее время цифровое спутниковое телевидение полностью вытесняет аналоговое. Ещё в начале девяностых годов прошлого века был принят стандарт компрессии изображения MPEG-2. Появилась возможность по спутниковым каналам связи передавать видеосигнал со скоростью 1.5-15 Мбит/c, в зависимости от качества изображения. В 1993 году 200 организаций из 30 стран мира пришли к единому стандарту цифрового телевещания DVB (Digital Video Broadcasting). Проект DVB относится не только к спутниковому вещанию, но и к передаче по кабельным каналам и по эфиру. Проект DVB основывается на применении стандарта MPEG-2 для передачи видеоизображения с многоканальным звуковым сопровождением. В спутниковом канале с пропускной способностью 20...25 Мбит/с можно передать четыре-пять программ хорошего качества или 10..12 программ с качеством, соответствующим видеомагнитофону стандарта VHS.

В 1998 г. запущен российский спутник BONUM-1, который передает 17 программ телевидения в цифровом виде. Транспондеры ведут передачи в Ки диапазоне на частотах 12,226 ГГц и выше с круговой поляризацией.

Система спутниковой связи и вещания "Ямал" обеспечивает пользователей современными видами связи и цифровым телевещанием. По проекту "Ямал" телевизионное вещание ведется в C-диапазоне по принципу фиксированной спутниковой службы FSS (Fixed Satellite Services). Для линий связи Земля-спутник используется диапазон 6 ГГц, спутник-Земля - 4 ГГц. Спутник "Ямал-100" может обслуживать до 9 зон, одновременно - до 6. Это позволяет вести многозональное вещание со сдвигом во времени в соответствии с часовыми поясами. Рабочие полосы частот стволов внутрилучевой связи 27 и 36 МГц, межлучевой - 8 МГц. Цифровое телевизионное вещание по системе "Ямал" ориентировано на стандарт DVB/MPEG-2. Предусмотрена возможность передачи сигналов и аналогового телевизионного вещания.

Рассмотрим структурную схему цифрового спутникового приемника-декодера (рис.9.101).

Рис.9.101 - Структурная схема бытового цифрового спутникового приемника-декодера:
1 - ресивер; 2 - демодулятор (прямое исправление ошибок);
3 - демультиплексор, дешифратор; 4 - аудиодекодер;
5 - видеодекодер MPEG-2; 6 - кодер системы цветного телевидения;
7 - модулятор; 8- микропроцессор; 9 - модем; 10 - ИК-датчик;
11 - модуль цифрового управления; 12 - пакеты данных формата MPEG-2;
13 - цифровое видео 4:2:2; 14 - SECAM-PAL; 15 - Y/C; 16 - R-G-B;
17 - аналоговое аудио; 18 - цифровое аудио AES/EBU;
19 - RS-232; 20 - телефонная линия

Сигнал в полосе 950…2150 МГц с выхода МШУ-конвертера, обычно размещаемого вблизи антенны, поступает по кабелю снижения в приемник (1), предназначенный для усиления, преобразования и выделения нужной телевизионной программы на второй промежуточной частоте 480 МГц.

В демодуляторе (2) производится корректировка ошибок, а выделенный на его выходе цифровой поток далее поступает на демультиплексор, разделяющий общий поток на три: видео, звук и данные. В этом же блоке осуществляется дешифрование или устранение псевдослучайной последовательности, наложенной на сигнал в передатчике.

В блоке 5 видеосигналы декодируются из стандарта MPEG в декомпрессированные цифровые сигналы, из которых после цифроаналогового преобразователя (6) выделяются исходные видеосигналы в виде составляющих: яркостной (U) и трех цветовых – красной (R), зеленой (G) и синей (В).

Блок 6 выполняет также функции преобразователя стандартов, т.е. на его выход в соответствии с желанием пользователя можно подключить телевизионный приемник, работающий в одном из трех стандартов аналогового ТВ: PAL, SECAM или NTSC. Имеется выход сигнала для подключения модулятора ретранслятора наземной сети телевещания.

С выхода декодера звука (4), совмещенного с цифроаналоговым преобразователем, можно получить как аналоговые, так и цифровые сигналы.

Микропроцессор (8) управляет работой блока 3 (демультиплексор-дешифратор), выделяет телефонный сигнал в случае реализации интерактивной системы связи, а также выделяет интегрированные пакеты данных других служб, подводимые далее к блоку 12. Микропроцессор имеет выход для подключения стандартного интерфейса RS-232.

Модуль цифрового управления и инфракрасный датчик обеспечивают возможность дистанционного управления приемником-декодером.

В настоящее время в Европе через спутники в цифровом виде передается более 50% программ. Свидетельством растущей популярности цифрового телевизионного вещания в России является тот факт, что если в марте 1998 г. по каналам спутникового вещания передавалось всего три цифровых программы, то в октябре 1999 г. таких программ было уже 13, а в конце 2000 г. – около 40. Сигналы звукового сопровождения в этих каналах передаются на русском языке.

Любой ресивер может принимать звуковое сопровождение в моно- или стереоварианте, однако только некоторые модели имеют систему воспроизведения «объемного звучания». Для меломанов в некоторых моделях существует функция Dolby Pro-Logic surround sound, которая позволяет моделировать различные аудиоэффекты (студия, театр, стадион, космос и др.). Это ресиверы моделей Расе MSS 538G, Amstrad SRX2001 и др.

Цифровое спутниковое радиовещание осуществляется в системе DSR – Digital Satellite Radio. В DSR в общем цифровом потоке 20,48 Мбит/с передаются 16 стерео- или 32 моносигналов. Вид модуляции при передаче – 4 PSK (Phase Shift Keying) с четырьмя возможными состояниями несущей , , и . Формирователь четырехпозиционной ФМ представлен на рис.9.102,а. В модуляторах М1 и М2 двум возможным символам 0 или 1 цифровых сигналов А и В на входе ставится в соответствие два значения фазы несущей, отличающиеся на . После суммирования получаем сигнал с четырьмя состояниями фазы (рис.9.102,б)

Полоса первичного низкочастотного сигнала – 15 кГц. Частота дискретизации – 48 кГц с равномерным 16 битовым разрешением. Полоса радиоканала – 14 МГц.

Вещание ведется на частоте 11,997 ГГц через спутник ТV-SAT 2, на частоте 12,625 ГГц через спутник DFS -3 Kopernikus.

Вся информация в DSR передается в двух цифровых кадрах А и В. При формировании кадров для обнаружения и исправления ошибок применяется помехоустойчивое кодирование.

Рис.9.102

Рис.9.103

Рис.9.104

Структурная схема тюнера приведена на рис.9.103. Сигнал в полосе 950-2050 ГГц после конвертера усиливается и преобразовывается в частотный диапазон 118 МГц. После демодулятора 4-ФМ выделяются два цифровых потока со скорость 10,24 Мбит/с. Далее следуют устройства восстановления тактовой частоты, синхронизации цифровых кадров, демультиплексирования цифровых потоков и коррекции ошибок.

Структура демодулятора 4-ФМ на основе петли Костаса раскрывается на рис.9.104. С помощью генератора, управляемого напряжением, формируются квадратурные колебания несущей. В перемножителях они перемножаются с входным сигналом, в результате чего получаются квадратурные компоненты I и Q. Квадратурные компоненты еще раз перемножаются и результат фильтруются ФНЧ, на выходе которого формируется сигнал, пропорциональный разбалансу фаз несущей частоты передатчика и ГУН. Далее сигналы I и Q поступают на входы триггеров Шмидта, которые выдают сигналы для декодера DSR.