Содержание
1.Введение
2.Историяспутниковоготелевидения
3.Приемнаясеть «Орбита»
4.Приемнаясеть «Москва»
5.Приемнаясеть «Экран»
6.Стандартысигналов спутниковогоТВ вещания
7.Аналоговыйметод передачис ЧМ
8.ТВсигнал с временнымразделениемкомпонентов
9.ПередачаТВ сигналовв цифровойформе с сжатием
10.Телевидениевысокой четкости
11.ЗасекречиваниеТВ сигнала
Историяспутниковоготелевидения
ИспользоватьИСЗ (искусственныеспутники земли) для передачителевизионных(ТВ) программстали послепервых запусковспутниковсвязи. Именнос ТВ трансляциииз Владивостокав Москву началасьэксплуатацияпервого в миреспутника связи"Молния" и деньего вывода наорбиту 23 апреля1965 г. Техноэкономическиерешения спутниковоговещания былинастолькоудачны, а егосоциальноезначение таквелико, чтопрактическоеприменениеИСЗ для передачиТВ программоказалось вцентре внимания.Сразу былапоставленазадача обеспечитьприем непосредственнона индивидуальныеприемникиметрового идециметровогодиапазонов,имеющиеся унаселения. Длявыполненияданного требованиябыло необходимо,чтобы излучаемыйс ИСЗ сигналсоответствовалпараметрамназемной передающейсети - диапазонучастот, методумодуляции,уровням сигналаи взаимныхпомех и другимпараметрам,для чего нужнобыло бы решитьряд техническихи правовыхпроблем.
Однако расчетыпоказали, чтодля реализацииперечисленныхвыше условийнепосредственногоТВ вещания(НТВ) в пределаходного европейскогогосударстваили временнойзоны вещанияРоссии нужнооборудоватьспутник передатчикоммощностью отединиц до несколькихдесятков киловатти антеннойдиаметром отдесятков досотен метров.Пока что достичьтаких параметровИСЗ нельзя,хотя со временемони, безусловно,станут возможными.
Еще более серьезнойоказаласьпроблема совместногоиспользованиячастотногоспектра системойНТВ и наземнымипередающимисредствами,что обусловленопрактическойневозможностьюсконцентрироватьизлучениеспутника впределах планируемойзоны обслуживания(территориигосударства),как в наземнойпередающейсети. Данноеявление получилоназвание"естественногоперелива".Облучая территориютой или инойстраны, спутниковаясистема ТВвещания создаетв соседнихгосударствахзначительныйуровень сигнала,в данном случаепредставляющегособой помеху.В Европе, например,выделенныхдля ТВ вещанияв метровом идециметровомдиапазонахканалов оказалосьбы недостаточнодля обеспеченияв каждой странедаже одно - илидвухпограммногоспутниковогоТВ вещания,причем в случаеего осуществленияназемную передающуюсеть пришлосьбы полностьюзакрыть. Послеизучения даннойпроблемыМеждународныйСоюз Электросвязипринял решениео выделениирадиовещательнойспутниковойслужбе (РВСС)для спутниковогоТВ вещанияспециальнойполосы частотв диапазоне12 ГГц.
В 1977 г. Был разработани принят Международныйплан спутниковогоТВ вещания.. вэтом диапазонедля стран районов1 и 3 (для странрайона 2 планбыл принят в1983 г.), в которомопределеныпозиции ИСЗна геостационарнойорбите, частотныеканалы, зоныобслуживания,уровни сигналови помех и другиепараметры. Плансоставленисходя из обеспечениявозможностиприема в каждойстране пятитолько национальныхпрограмм. Понятиямеждународноговещания в планенет.
По техническимпараметрам(диапазон частот,метод модуляции,уровень сигналаи др.) план необеспечиваетвозможностьНТВ. Термин"НТВ", однако,сохранился,но приобрелдругой смысл.В Радиовещательнойспутниковойслужбе былапринята следующаятерминология: "индивидуальныйприем" - приемизлученийрадиовещательногоспутника напростые приемныеустановки сдомовой иликоллективнойантенной, обычнонебольшихразмеров;"коллективнойприем" - приемизлучениярадиовещательногоспутника наболее сложныеустройства,имеющие большиеантенны, чемпри индивидуальномприеме, и предназначенныедля использованиягруппой пользователейсосредоточенныхв одном населенномпункте с небольшимчислом телевизоровили кабельнойраспределеннойсетью, обслуживающейограниченнуюзону. Естественно,такое делениеусловно, посколькутип (сложность)используемогоприемногоустройства,а значит и качествопринимаемогоизображения,определяютсястоимостьюспутниковойстанции, приобретаемойпотребителем.
На момент принятияплана HTВ-12 техническихвозможностейдля его реализацииеще не было.Когда же онипоявились, вбольшинстверазвитых странбыла создананаземная передающаясеть, обеспечивающаяповсеместноприем двух-четырехнациональныхпрограмм. Особойпотребностив дальнейшемразвитии этойсети не ощущалось,в связи с чемнаблюдаласьпассивностьстран по внедрениюплана НТВ-12 толькодля национальноговещания. В тоже время возросинтерес ктематическимпрограммамдля детей,домохозяек,любителей кино,музыки, новостей,спорта и др.Такие программыкак правило,рассчитанына прием населениянесколькихстран одновременно.В техническоми экономическомотношенияхнаиболее подходящимидля этого оказалисьспутниковыеканалы в сочетаниис многоканальныминаземнымикабельнымираспределительнымисетями. Подобноерешение обеспечиваеткак массовостьприема большогочисла программ,так и их "межгосударственность",а посколькуплан HTB-12 предусматриваетвозможностьорганизациитрансляциисигналов ТВпрограмм тольков пределахнациональныхграниц государств,для их международногораспределенияначали использоватьсясистемы Фиксированнойспутниковойслужбы (ФСС).Из выделенныхрегламентомрадиосвязидля систем ФССдиапазоновпрактическоеприменениедля передачиТВ сигналовполучили полосы4 и 11-12 ГГц.
По своему статусуФСС первоначальноопределяласькак системасвязи междуопределеннымификсированнымипунктами. Согласномеждународномуправу, не разрешалсянесанкционированныйперехват ираспространениеинформации,передаваемойпо каналам ФСС,выявленныйже перехватдолжен былпресекаться.На первых этапахразвития ФССданное требованиелегко выполнялось.посколькуземные станциипредставлялисобой сложныеи громоздкиеустройствас антенной,достигавшейдесятков метровв диаметре,которые легкообнаруживалисьи контролировались.
Однако по мереразвития техникиситуация изменилась.Земные станцииФСС, предназначенныетолько дляприема сигналов,упростились,их габаритыуменьшились,что существеннозатрудниловыявлениетаковых. Принеобходимостиже предотвратитьнесанкционированныйприем сталииспользоватькодирование(scrambling) ТВ сигнала.а для безыскаженноговоспроизведенияизображенияна приеме -соответствующийдекодер. Кодированиеобеспечиваеткак защитуавторских правтак и организациюплатного(коммерческого)телевидения.Все это привелок широкомуиспользованиюсистем ФСС дляпередачи ТВпрограмм набольшую сетьпростых земныхприемных станций.Были измененымеждународныеправовые положенияпо использованиюФСС и введеныдва новых термина:"косвенноераспределение"- использованиеФСС для ретрансляциивещательныхпрограмм изодного илиболее пунктовна разные земныестанции длядальнейшегораспределенияпо наземнымрадиовещательнымстанциям, включаяпередачу необходимыхслужебныхсигналов: "непосредственноераспределение"- использованиеФСС для ретрансляциивещательныхпрограмм изодного илиболее пунктовнепосредственноназемнымрадиовещательнымстанциям безпромежуточныхэтапов распределения,включая передачунеобходимыхслужебныхсигналов. ТрактуятерминологиюФСС и НТВ, неследует смешиватьпонятия "непосредственногораспределения"и "коллективногоприема". В тоже время, нетчеткого техническогоразличия междусистемами ФССи НТВ в планеих использованиядля передачиТВ сигналов.Применениетой или инойсистемы определяетсярешаемой задачейс учетом необходимыхдля ее реализациикапитальныхзатрат. СистемыФСС, предназначенныетолько дляприема сигналовТВ вещания.получили названиеTVRO (Television Receiver Only) или ТВПР- "ТВ прием только".В последниегоды они получилибольшое распространение,существенноопережая системыНТВ. Параметрыканала передачив диапазонеФСС, как правило,идентичны спринятыми вплане НТВ, чтопозволяетунифицироватьмногие схемныеи конструктивныерешения земныхприемных станций,работающихв системах ФССи НТВ даже вразличныхдиапазонахчастот. Последнеезамечаниеотносится кчасти оборудования,начиная с усилителяпромежуточнойчастоты. Существенноже различаютсятолько антенныи аппаратураСВЧ [входныецепи, малошумящиеусилители (МШУ)и первый преобразовательчастоты], которыеобычно называютконверторомили входнымустройством.Для диапазонов4 и 12 ГГц конверторыпока не унифицированы.Внутри же диапазона11-12 ГГц различаютсявходные устройства,МШУ и преобразователичастоты, обычноустанавливаемыенепосредственнона антенне.Однако постепеннопроисходити их унификация.На первом этаперазвития аппаратурыспутниковогоприема ееширокополосностьдостигаласьпутем использованиясменных входныхблоков приработе на разныхучастках диапазона10,7... 12,75 ГГц. Но посколькуприемная антеннас размещеннымина ней входнымиустройствамиобычно устанавливаетсявне помещения,такал конструкцияне всегда удобна,так как не позволяетоперативноменять блоки.Для повышенияоперативностина антеннеустанавливаетсянесколькодистанционнопереключаемыхвходных устройств.В последнеевремя былиразработаныболее широкополосныевходные устройства,главным образом,МШУ для работыво всем диапазонеФСС и НТВ (10.7...12,75ГГц). Излучаемыйс ИСЗ сигналможет иметьразличнуюполяризацию(линейнуювертикальнуюи горизонтальную,круговую право-и левостороннюю),что учитываетсяв конструкциивходных блоков.Кроме того, вслучае необходимостиработы с несколькимиИСЗ, применяютустройстводистанционногоперенацеливанияантенны земнойстанции наразличные ИC3.
Современныеприемные устройстваспутниковоготелевидениявыпускают сучетом возможностиего оперативнойперестройкипо частоте.Разработанытакже приемники,реализующиепрограммированнуюперестройкуне только почастоте, но ипо ориентациина ИСЗ.
Для обеспеченияТВ вещаниемрайонов Сибирии ДальнегоВостока в б.СССР был разработанИСЗ диапазона700 МГц с параметрами,близкими к НТВ.Передатчикна ИСЗ долженбыл иметь мощность1,5 кВт с амплитудноймодуляцией.Частотнаясовместимостьс наземнойсетью достигаласьудалением зонывещания отсопредельныхстран. Обеспечениюсовместимостиспособствовалатакже неразвитостьземной передающейсети дециметровогодиапазона б.СССР. Позжепараметры ИСЗбыли изменены- мощностьпередатчикаснизили до 200Вт и сталииспользоватьчастотнуюмодуляцию. Приэтом обеспечиваласьпростота конструкцииземных приемныхстанций, устанавливаемых.в основном,вместе с ретрансляторамималой мощности.Такой спутник,получившийназвание "Экран",был введен вэксплуатациюв 1976 г.
1980 г. запустилимногоствольныйИСЗ "Горизонт",имеющий специальныймощный (40-ваттный)передатчикдиапазона 4 ГГцдля передачиТВ сигналовна относительнопростые земныеприемные станциисистемы "Москва",устанавливаемыевместе с ретрансляторамиразличноймощности. НаИСЗ "Горизонт"имеется такжеодин стволдиапазона 11ГГц (ФСС), применяемыйдля передачиТВ программ.Использованиесистем "Экран"и "Москва" (9ИСЗ) позволилоорганизоватьраспределениедвух ТВ программ.формируемыхв Москве повсей территорииб. СССР с учетомвременногосдвига длявещания в удобноедля зрителейвремя.
По данным "Всемирногорадиотелевизионногосправочника"выпуска 1993 г.,использованиеспутниковыхсистем для ТВвещания характеризуетсяданными, приведеннымив таблице, изкоторой следует,что в конце1992 г. в мире дляприема ТВ программна относительнопростые земныестанции использовалось79 ИСЗ. На этихИСЗ имелось1029 лучей, направленныхв различныерегионы и имеющихразную зонупокрытия. Только58 лучей из них(около 5%) по техническимпараметрам(частоты. зоныпокрытия иуровни сигнала)соответствуютмеждународномуплану НТВ-12,остальные жебыли согласованына координационнойоснове в диапазонахФСС. Из 1029 лучей849 используютсядля регулярнойпередачи ТВпрограмм, а 180применяются"по требованию".Обычно под этимподразумеваютпередачу спортивныхсостязаний,концертов,новостей идругих разовых,нерегулярныхмероприятий.Из 819 передаваемыхрегулярнопрограмм 175кодируютсядля предотвращениянесанкционированногоприема и обеспеченияих коммерческогораспределения.Частотами планаHTВ-12 больше всегопользуютсяЯпония (21 луч)и Австралия(14 лучей). В Европев диапазонеНТВ-12 работаютФранция, ФРГ,Италия, Испанияи Скандинавскиестраны. В большинствеслучаев в Европепередают ТВсигналы повышенногокачества посистеме МАС(Multiplex analog component - уплотнениеаналоговымикомпонентами).В этой системепутем раздельнойпередачи сигналовяркости и цветностиисключаютсяперекрестныеискажения междуними и ограничениеспектра яркостногосигнала, однакотребуется болееширокая полосавидеоканала.
Тенденциясущественногоувеличенияиспользованиястранами каналовпо плану НТВ-12сегодня ненаблюдается.В странахАмериканскогоконтинентапреимущественноиспользуетсядиапазон ФСС4 ГГц, а в Европейскихгосударствах- 11...12 ГГц, что обусловленоисторическисложившимсяхарактеромразвития техническихсредств. В СШАдля примененияземной приемнойстанции ранеетребовалосьполучить специальноеразрешениеФедеральнойКомиссии посвязи и пройтисложную процедуруоформления.В 1984 г. этот фактическийзапрет былснят, и в течениенесколькихлет населениюбыло продано2,5 млн. приемныхстанций. Сегодняже в США населениеимеет более4 млн. спутниковыхстанций диапазона4 ГГц. Через ИСЗпередаетсяболее 100 ТВ программ.
Приемнаясеть «Орбита»
В 1967 г. в СоветскомСоюзе быласоздана приемнаясеть станций"Орбита" первойочереди, содержащая20 станций дляобслуживанияТВ вещаниемудаленныхрайонов КрайнегоСевера, ДальнегоВостока и СреднейАзии. Эффективностьсети была высокой,и число земныхстанций быстроросло: к началу1982 г. оно достиглопримерно 100 натерриторииСССР. В СССРэти станциирасположеныпреимущественнов районах,прилегающихк берегам СеверногоЛедовитогоокеана от Мурманскадо Анадыря ик южным границамСоюза от Каспийскогоморя до Сахалина.В настоящеевремя станцииработают с ИСЗ"Молния-1, -2, -З","Радуга", "Горизонт".
Сеть "Орбита"является косвеннойраспределительнойсетью, т. е. наземныестанции принимаютчерез ИСЗ Центральнуюпрограмму изМосквы и посоединительнымлиниям передаютна ближайшийТЦ, которыйдоводит ее доместных зрителейв своем метровомдиапазоне. Всестанции "Орбита"однотипные:круглое железобетонноездание, на крышекоторого наспециальномопорно-поворотномустройствеустанавливаетсяследящаяпараболическаяантенна диаметром12 м и фокуснымрасстоянием3 м. Перемещениеантенны обеспечиваетсяв двух плоскостях:по азимуту на±270° и по углуместа от 0 до90°. Жесткостьконструкцииантенны допускаетработу прискорости ветрадо 25 м/с в диапазонетемператур±50°С. Коэффициентиспользованияплощади антенныдо 0,65... 0,7 и шумоваятемпературане выше 40 К приугле места 5°.В центральномзале станциирасполагаетсявся приемнаяаппаратурас устройствамиоперативногоконтроля (рис.18.10), аппаратуранаведенияантенны исоединительнойлинии с местнымТЦ. В помещенияхвокруг центральногозала размещены:система вентиляциии кондиционирования,аппаратураэлектроприводовантенны, силовыешкафы и лабораторияс измерительнойаппаратурой.В качествемалошумящегоусилителяприменяетсядвухкаскадныйпараметрическийусилитель сохлаждениемжидким азотом.
Разработанатакже малаяретрансляционнаястанция "Марс".Это приемно-передающаяперевозимаястанция, позволяющаявести ТВ передачупрактическииз любого пунктаСССР через ИСЗили приниматьпередачу центральноготелевидениячерез ИСЗ вудаленномпункте. Это"космическаяпередвижка"обеспечиваетвысокое качестворетрансляциисигналов ТВ,а также организациюдвух каналовзвуковогосопровожденияи каналов служебнойсвязи. Вся аппаратураразмещаетсяв трех контейнерахРазвертываниестанции наработу в пунктесобытий занимаеттолько несколькодней В составстанции входятпараболическаяполноповоротнаяантенна с диаметромзеркала 7 м, смеханизмамивращения иантенно-волноводнымтрактом; широкополосноеприемное устройствос малошумящимиусилителями- первые двакаскада охлаждаютсяжидким азотом;передающееустройство,работающеев сантиметровомдиапазоне, вразличноевспомогательноеоборудованиеПомимо станции"Марс" рядназемных станций"Орбита" оборудованпередатчикамидля обратнойТВ связи с центромчерез ИСЗ.
Космическаястанция придвижении поэллиптическойорбите вокругЗемли в некоторыепериоды временибудет находитьсявне видимостиземного пунктаприема Этоведет к перерывамкосмическойсвязи. Для ликвидацииэтого нежелательногоявления требуютсянесколькоспутников(система спутников)или передвижныеретрансляторыв виде морскихкораблей, которыемогут курсироватьв любой акваторииМирового океанаВ СоветскомСоюзе для этогосоздан специальныйфлот Академиинаук СССР всоставе кораблей-флагман - "КосмонавтЮрий Гагарин"и исследовательскихкораблей - "АкадемикСергей Королев","КосмонавтВладимир Комаров".Оборудованиеэтих кораблейсостоит изантенн, приемныхи передающихрадиоустройствдальней связи,систем траекторныхизмерений,систем управленияи сложногокомплекса ЭВМ.В этом случаесвязь с Землейбудет осуществлятьсяпо схеме космическийобъект-морскойкорабль-ИСЗ"Молниях-центральныйприемный пункт.
Приемные станции"Орбита" былипостроеныпрактическиво всех крупныхгородах отдаленныхрайонов Сибири,Крайнего Севера,Дальнего Востока.В то же времястроительствотаких станцийв малых населенныхпунктах с населениемв несколькотысяч человекпрактическиневыгодно.Поэтому дальнейшееразвитие системы"Орбита" былопрекращено.
Приемнаясеть «Москва»
В 1979 г. была введенав эксплуатациюновая распределительнаяспутниковаясистема "Москва"в диапазонах6/4 ГГц. ПодачаТВ программна сеть земныхприемных станцийведется черезИСЗ "Горизонт",которые планируетсярасполагатьна геостационарныхорбитах в точках53, 90 и 140° в.д.
Повышеннаядо 40 Вт мощностьбортовогопередатчикав сочетаниис узконаправленнойбортовой передающейантенной обеспечиваетмаксимальнодопустимоезначениеэквивалентнойизотропно-излучаемоймощности ЭИИМ.Особенностьюсистемы "Москва"является то,что для электромагнитнойсовместимостиее с существующиминаземными испутниковымисредствамибыло использованоискусственноерассеяниемощности путемдисперсиинесущей. Несущаядополнительноотклоняетсяс частого" 2,5Гц и девиацией±4 МГц. Это позволилособлюстиустановленныеМККР нормы надопустимуюспектральнуюмощность потока(-152 дБВт/м2 в полосе4 кГц) при высокойинтегральнойплотностипотока мощностиу поверхностиЗемли -120 дБВт/м2.В зону, обслуживаемуюодним ИСЗ, входит2...3 часовых пояса,т. е. ее размервыбран с учетомпринятых принциповорганизациимногозоновогоТВ и звуковоговещания в СССР.
Приемная антенназемной станцииимеет небольшойдиаметр зеркала(2,5 м) и массу неболее 400 кг; ширинадиаграммынаправленности± 1°. В качествевходного устройствастало возможнымприменитьнеохлаждаемыйпараметрическийусилитель стемпературойшума 100 К. Всеостальноерадиотехническоеоборудованиеразмещаетсяв небольшойстойке. Такимобразом, созданараспределительнаяТВ система сприемом насравнительнопростые станциив диапазоне4 ГГц, не требующиепостоянногоквалификационногообслуживания.
Сигнал дисперсиив приемникеэффективновыводится спомощью устройстваузкополоснойобратной связипо частоте ОСЧ(рис. 18.11). Выбранноезначение частотыдисперсиипозволяетотделить егоот ТВ сигналаи замкнуть цепьобратной связи(См-УПЧ-демодуляторДм-узкополосныйфильтр УФ-управляемыйгетеродин УГ)только по сигналудисперсии. Приэтом девиациячастоты за счетсигнала дисперсиив значительнойстепени уменьшается,и полосу приемникарассчитываютна пропусканиеЧМ сигнала,модулированноготолько полезнымсообщением(около 40 МГц).Остаточныйсигнал дисперсииудаляется путемприменениясхем восстановленияпостояннойсоставляющейсигнала Общаяпиковая девиациячастоты в системе"Москва" составляет±15 МГц (±13 МГцдля ТВ сигналаи ±1 МГц длясигналов звуковогосопровожденияи радиовещания,передаваемыхметодом ЧМ наподнесущихчастотах 7 и7,5 МГц с девиацией±150 кГц). На поднесущейчастоте 8,2 МГцможно организоватьпередачу изображениягазетных полос.
В комплектприемной станциивходит ТВретранслятормощностью 1, 10или 100 Вт илиустройстводля работы накабельную сеть.Использованиестанции в комплексес передатчикоммощностью 100Вт эффективнопрактическидля любогонаселенногопункта страны.Разработантакже перевозимыйвариант приемнойстанции "Москва";все оборудованиеперевозимойстанции размещаетсяв кузове отгрузовогоавтомобиля.
В настоящеевремя новаясистема прямогораспределенияТВ программ"Москва" интенсивноразвивается.
Приемнаясеть «Экран»
ПерспективойТВ вещания спомощью ИСЗявляетсянепосредственноеТВ вещание НТВ.Промежуточныйэтап на путик НТВ - вещаниена коллективныеприемные устройства,которые будут,очевидно, совмещатьсяс ТВ узламисистем кабельногоТВ. Такие устройстваотносительноболее сложныеи поэтому нетребуют повышенноймощностиретранслятораспутника связи.Первые практическиешаги в этомнаправлениисделаны- нагеостационарныеорбиты запущеныИСЗ "Экран"(точка стояния99±1° в.д.), работающиев системе связис параметрами:fпер = 620±12 МГц; fпер= 714±12 МГц (52...54 ТВканалы); передачасигналов звуковогосопровожденияна поднесущей6,5 МГц с девиацией±50 кГц; частотнаямодуляциянесущей с пиковойдевиацией DfS =Dfиз+Dfзв=±9±2=±11 МГц;стандартныелинейныепредыскажениясигнала; мощностьретранслятора200 Вт (мощностьсолнечныхбатарей неменее 2 кВт);коэффициентусиления бортовойантенны 34 дБ;напряженностьполя на краюзоны обслуживания29 мкВ/м. В системе"Экран" используютсяприемные устройствадвух типов -упрощенные(II класса) и болеесложные (I класса)[61, 62].
Установки Iкласса комплектуютсяантеннами"волновойканал", содержащими32 полотна. Вкачествевысокочастотногоблока используетсянедорогоймалошумящийдвухкаскадныйусилитель насерийных транзисторахГТ362Б. Приемнаяустановкаобеспечиваетмодуляцию иразделениесигналов изображенияи звуковогосопровождения.Выходной ТВсигнал с высокимкачествомподается намощные ТВ станции,обслуживающиедостаточнобольшие населенныепункты. В комплектустановки IIкласса входятантенна изчетырех полотени малогабаритноеприемное устройство,в котором спектрсигнала с принятойчастоты 714±12 МГцпереноситсяв спектр одногоиз каналовметровогодиапазона исигнал ЧМпреобразуетсяв АМ. Установкипредназначеныдля подачи ТВсигнала намаломощныеТВ ретрансляторыили в кабельнуюсеть. Модифицированныеустановки IIкласса объединеныс передающимустройствоммощностью 1 или10 Вт.
Приемные установкисистемы "Экран"работают вдиапазоне 0,7ГГц. Они имеютнизкую стоимость,поэтому системаявляется весьмаэффективнымсредствоморганизацииТВ вещания врайонах Сибирии КрайнегоСевера СССР.Зона обслуживаниясистемы охватываетоколо 40% всейтерриториистраны (9 млн.км2). В настоящеевремя в странеустановленоболее 1500 установокэтой системы,и сеть станцийпродолжаетрасширяться.Однако в другихрайонах страныиспользоватьсистему "Экран"невозможноиз за большихпомех наземнымсредствам натерриторияхсопредельныхгосударств.
Стандартысигналов спутниковогоТВ вещания
СтандартомТВ сигналаназывают совокупностьопределяющихего основныххарактеристик,таких как способразложенияизображения,число строки кадров, длительностьи форма синхронизирующихи гасящих импульсов,полярностьсигнала, разносмежду несущимичастотамиизображенияи звуковогосопровожденияи метод модуляциипоследней,параметрыпредыскажаюшейцепи звуковогосигнала и др.Для цветноготелевидениядобавляетсяметод передачисигналов цветностисовместно ссигналом яркости.В спутниковомвещании традиционноиспользуютсястандартыформированияТВ сигнала,сложившиесяв наземномтелевизионномвещании. Длячерно-белоготелевидениясуществует10 стандартов,которые принятообозначатьлатинскимибуквами В, D, G, Н,I, К, К1, L, М, N.
По способупередачи сигналовцветностиразличают трисистемы цветноготелевидения:SЕСАМ, NTSC и РАL. Каждаяиз трех системможет применятьсяс любым из 10стандартовчерно-белогоТВ вещания,давая 30 возможныхкомбинаций.На практикеприменяютсядевять разновидностейРАL, шесть - SЕСАМи один стандартиз группы NТSС.
Системы SЕСАМ,NTSC и РАL были разработаныдля наземныхТВ сетей, использующихамплитуднуюмодуляцию (AM)несущей изображения,и не очень пригодныдля спутниковыхканалов, гдеосновной являетсячастотнаямодуляция (ЧМ).При прохожденииЧМ сигналачерез трактыс неравномернойамплитуднойи нелинейнойфазовой характеристикойвозникаютперекрестныеискажениясигналов яркостии цветностиухудшающиекачество изображения.К тому же из-затреугольногоспектра демодулнрованногошума при ЧМсигналы цветностиоказываютсяв области повышеннойспектральнойплотностимощности шума,что снижаетпомехоустойчивостьприема этихсигналов
В конце 80-х гг.был созданалгоритм цифровогосжатия, позволявшийпередатьвысококачественноеизображениесо скоростью7...9 Мбит/с, изображениевещательногокачества - соскоростью3,5...5,5 Мбит/с и кинофильм(совокупностьнеподвижныхизображений)со скоростьюне более 1,5 Мбит/с.На основе этогоалгоритмаМеждународнаяорганизациястандартизацииприняла двастандартаобработки ТВизображения:МРЕG1 для телевиденияс невысокойразрешающейспособностьюи прогрессивнойразверткой(компакт-диски,компьютерныеигры, мультимедиа)и МРЕG2 для вещательноготелевиденияс чересстрочнойразверткой.Дальнейшимразвитием МРЕG2стал европейскийстандарт цифровогоТВ вещания(DVB), содержащийнормы на параметрымодуляции,кодированияи передачи поканалам связи.
Аналоговыйметод передачис ЧМ
Частотнаямодуляциятребует посравнению самплитудноймодуляцией,используемойв наземномвещании, существенноменьшей мощностипередатчика,что особенноважно для спутниковыхсистем ПреимуществамиЧМ являютсятакже невысокиетребованияк линейностиамплитуднойхарактеристикитракта и возможностьработы выходногокаскада спутниковогопередатчикав режиме насыщения,в котором достигаетсявысокий КПД.
При передачеЧМ девиациячастоты несущейвыбираетсяисходя из полосыпропусканияВЧ тракта такимобразом, чтобыизбежать искаженийпередаваемогосигнала, связанныхс отсечениемчасти его спектра.Упоминавшиесявыше перекрестныепомехи проявляютсяв искаженияхтипа "дифференциальноеусиление" и"дифференциальнаяфаза". Для уменьшенияэтих искаженийприменяетсярекомендованнаяМККР линейнаяобработка.
Наряду с линейнымипредыскажениямисигнала изображенияв спутниковыхсистемах иногда,применяютнелинейнуюобработку,заключающуюсяв ограниченииразмаха предыскаженногосигнала за счетотсечениякоротких выбросов,соответствующихкрутым фронтамисходногосигнала. Присигнале SECAM допустимоограничениена 2...3 дБ, на такоеже значениеможно увеличитьдевиацию частотыи отношениесигнал/шум навыходе канала.Искажениясигнала получаютсянезначительнымидаже при отсутствиинелинейноговосстановителяна приеме. Описанныйметод использованв отечественнойсистеме ТВвещания "Москва".
Еще один видобработки,нашедший применениетолько в спутниковыхсистемах вещания,- введение всостав ТВ сигналана передающейстороне дополнительногонизкочастотногомодулирующегосигнала, обеспечивающегоболее равномерноерассеяние(дисперсию)энергии ТВсигнала в полосечастот стволас целью уменьшенияпомех другимсистемам связи,в первую очередьрадиорелейнымлиниям. В связис совместнымиспользованиемнекоторыхдиапазоновчастот (например,4 и 11 ГГц) спутниковымии радиорелейнымисистемами вРегламентерадиосвязиустановленыпредельныенормы спектральнойплотностипотока мощностиспутниковогосигнала наединицу полосы(обычно 4 кГц)для разныхуглов приходасигнала. Принеблагоприятныхсюжетах изображение(равномерноосвещенноеполе) почти всямощность сигналаможет сосредоточитьсяв узкой полосечастот и привестик многократномупревышениюуказаннойнормы. Добавлениесигнала пилообразнойили треугольнойформы частотойот единиц герцдо десятковкилогерц позволяетдобиться эффективногорассеяниянезависимоот сюжета. Девиациянесущей сигналомдисперсиизависит оттребуемойстепени рассеянияи выбираетсяравной от 600 кГц(рекомендацияМККР для всехспутниковыхТВ систем) до4 МГц (в системе"Москва").
Исключениесигнала дисперсиина приеме достигаетсяприменениемсхем фиксацииуровня видеосигнала:при девиацииболее 1 МГцдополнительноиспользуютсяспециальныеследящиеустройства.Сигналзвуковогосопровождениятелевиденияв традиционныхсистемах с ЧМпередаетсяобычно совместнос сигналомизображенияна поднесущейчастоте, расположеннойвыше его спектра.Для достижениянеобходимойпомехозащищенностипередачаосуществляетсяметодом частотноймодуляцииподнесущей,причем девиациючастоты поднесущейвыбирают, какправило, большей,чем в наземномтелевидении- до 100 и даже 150 кГц.Значение поднесущейтакже выше исоставляет7,0...7,5 МГц при полосевидеосигнала6 МГц, 5,8...6,8 МГц приполосе 5 МГц и5...6 МГц при полосе4,2 МГц, что позволяетуменьшитьпереходныепомехи из каналаизображенияв канал звуковогосопровожденияи облегчитьтребованияк фильтрациисигналов.
При необходимостипередачи совместнос сигналомизображенияболее чем одногозвуковогосигнала (звуковоевещание, звуковоесопровождениена иностранныхязыках, стереозвук)используетсянесколькоподнесущпхчастот, расположенныхвыше спектравидеосигнала.Их число ограниченовозникновениемперекрестныхпомех и ухудшениемкачества ТВизображенияиз-за уменьшениядоли девиациинесущей, приходящейсяна видеосигнал.Практическис удовлетворительнымкачествомудается передатьдва-четыредополнительныхсигнала. Например,в спутниковыхТВ каналах,организованныхчерез европейскиеИСЗ Eutelsat II и Astra нарядус основнымканалом звуковогосопровождениясформированыеще до четырехвысококачественныхзвуковых каналов,используемыхдля передачимонофоническихили стереофоническихпрограмм. Передачаведется методомЧМ на поднесущихчастотах 7,02, 7,20,7,38, 7,56 МГц звуковойсигнал подвергаетсяадаптивнымпредыскажениями компандированию(система Wegener Panda 1).
Компандированиеприменяетсядля повышенияпомехоустойчивостипередачи звуковыхсигналов. Оноподразумеваетсжатие динамическогодиапазонапередаваемогосигнала всоответствиис изменениемогибающейзвуковогосигнала ивосстановлениеисходногодинамическогодиапазона наприеме. Различают"управляемые"компандеры,в которых информацияоб исходномдинамическомдиапазонепередаетсяв отдельномканале управления,и "неуправляемые",в которых этаинформациясодержитсяв передаваемомсигнале.
Выигрыш впомехозащищенностиблагодарякомпандированиюдостигает всреднем 12...13 дБпри наличиисигнала и по20 дБ паузе сигнала.Управляемыйкомпандерприменялсяв отечественныхсистемах "Экран"и "Москва",неуправляемый- в системе "Москва- Глобальная".
Более эффективнымэнергетическии свободнымот перекрестныхпомех способомпередачи несколькихзвуковых сигналовявляется передачана поднесущейв дискретнойформе. Сигналыотдельныхканалов преобразуютсяв цифровуюформу и объединяются(мультиплексируются)в общий цифровойпоток, которыймодулируетпо фазе поднесущуючастоту, расположеннуювыше спектравидеосигнала.Этот способ,например,используетсяв японскойсистеме НТВВS-3. Поднесущая5,73 МГц модулируетсяцифровым потокомсо скоростью2,048 Мбит/с, содержащимИКМ звуковыесигналы, импульсыкоррекцииошибок, контрольныеимпульсы. Всистеме образуютсялибо четырезвуковых каналас полосой 15 кГц,либо два каналаочень высокого(студийного)качества сполосой 20 кГц.
Давно известени применяетсяспособ передачизвуковых сигналовв спектревидеосигналас разделениемих во времени- в интервалеобратного ходалуча или в свободныхстроках. Рассматриваемыйспособ применялсяв системе "Орбита",в которой спомощью широтно-импульсноймодуляцииобеспечивалосьформированиеодного каналас полосой 10 кГцили двух каналовс полосой 6 кГц.Современныйуровень дискретнойсхемотехникипозволяетсущественноувеличитьпропускнуюспособностьметода. Этивозможностиреализованыв стандартеМАС.
ТВ сигналс временнымразделениемкомпонентов
В системах типаМАС аналоговыесигналы яркостии цветностисжимаются вовремени и передаютсяпоочередно,что позволяетизбежать перекрестныхискаженийсигналов яркостии цветности,снизить шумыв канале цветностиблагодаряпереводу егов область низкихчастот, повыситьразрешающуюспособностьизображенияза счет болееширокой полосычастот сигналовяркости и цветности.Сжатие аналоговогосигнала осуществляетсястробированиемсигнала с некоторойтактовой частотой,преобразованиемотсчетов вцифровую форму,накоплениемих в буфернойпамяти, ускореннымсчитываниемс новой, болеевысокой тактовойчастотой иобратнымпреобразованиемв аналоговуюформу.
Звуковые сигналыпреобразуютсяв цифровуюформу и передаютсяв интервалеобратного ходалуча. Высшаячастота в спектрезвуковогосигнала составляет15 кГц частотастробированиявыбрана равной32 кГц. В зависимостиот требованийк качествузвучания используетсялинейноеаналого-цифровоепреобразованиес точностью14 бит/отсчетлибо почтимгновенноекомпандированиес точностью10 бит/отсчет,помехоустойчивоедвухуровневоекодированиеобеспечиваетэффективнуюзащиту от ошибок.Скорость цифровогопотока в разныхвариантахсоставляетот 352 до 608 Кбит/с.
Для каналовс цифровойпередачей звукарекомендованоиспользоватьпредыскажающиеконтуры схарактеристикой,соответствующейРек. J17 МККТТ, либотак называемойхарактеристикой"50/15 мкс". Считается,что предыскаженияуменьшаютсубъективноевосприятиешумов квантованияи предотвращаютухудшениекачества принизких отношенияхсигнал/шум.
Сформированныетем или инымспособом цифровыесигналы отдельныхканалов, импульсысинхронизации,коррекцииошибок и другиедискретныесигналы сводятсяв общий цифровойпоток. Передачаэтого цифровогопотока совместнос сигналомизображенияв системах типаМАС можетосуществлятьсяодним из трехспособов:
с разделениемпо частоте,как в японскойсистеме ВS-3(система А);
с разделениемпо времени навидеочастоте(система В);
с разделениемпо времени нанесущей частоте(система С).
Первая буква,входящая вполное обозначениестандартасемейства МАС(например,С-МАС/packet), как рази означаетспособ передачицифровогосигнала.
В системе А,как уже отмечалосьвыше, без заметногоухудшениякачества изображенияудается передатьцифровой потоксо скоростью1,5…2 Мбит/с, чтосоответствуеттрем-четыремвысококачественнымканалам. В системеВ скоростьпередачи непревышает1,5...1,6 Мбит/с, чтопозволяеторганизоватьдва четыреканала с ИКМили до шестиканалов с АДМ.Наилучшиерезультатыполучаютсяв системе С прифазовой манипуляциинесущей частотыч интервалегасящего импульса.Средняя скоростьпередачи в этомслучае достигает3 Мбит/с, а пропускнаяспособностьв зависимостиот способакодированиясоставляетот четырех довосьми звуковыхпрограмм. Объединениецифровых потоковотдельныхканалов в стандартеС-МАС осуществляетсяметодом пакетногомультиплексирования,что отраженов полном названиистандарта:С-МАС/packet". Пакетпредставляетсобой наборданных объемом751 бит и содержитголовную частьс адресом пакета(23 бита) и областьполезных данных(91 байт).
Для сопряженияпо полосе частотвидеосигналас сетями кабельноготелевиденияразработаныстандарты D-МАСи D2-МАС В стандартеD-МАС/packet" бинарный(двоичный) цифровойпоток преобразуетсяв дуобинарный(трехуровневый),в котором,логическому0 соответствуетимпульс нулевойамплитуды, алогической1 - импульс положительнойили отрицательнойполярностиОбъединениевидеосигналаи дискретнойпоследовательностиосуществляетсяпо видеочастоте,как в системахтипа В. Дальнейшееснижение занимаемойцифровым сигналомполосы частотв стандартеD2-МАС достигаетсяснижением вдвоескорости цифровогопотока н соответственнопропускнойспособностидо двух-четырехтуковых сигналоввместо четырех-восьмив D-МАС.
Появление впоследнее времястандартовцифровогосжатия привелок тому, что стандартD/D2-МAC/packet утратилсвою рольпреимущественногометода передачив диапазоне11,7...12,5 ГГц и вступаетее цифровымметодам. В этомстандарте покаеще работаютнесколькоспутниковыхсистем Франциии Скандинавскихстран, передаютсяотдельныепрограммыГолландииБельгии. Великобритании,но область егоприменениязаметно сокращается.
ПередачаТВ сигналовв цифровойформе со сжатием
Создание эффективногоалгоритмацифровой обработкиТВ сигналастало возможнымна основе достиженийтеории зренияи техникисверхбольшихинтегральныхсхем (СБИС).Алгоритм, положенныйв основу стандартовMPEG включаетопределенныйбазовый наборпоследовательныхпроцедур.
В качествеисходногоиспользуетсякомпонентныйТВ сигнал RGB, затемон матрицируетсяв сигнал YUV;дискретизация,как и в цифровомстандарте"4:2:2" осуществляетсяс тактовымичастотами 13,5МГц для сигналаяркости и 6,76 МГцдля цветоразностныхсигналов. Наэтапе предварительнойобработкиудаляетсяинформация,затрудняющаякодирование,но несущественнаяс точки зрениякачества изображенияОбычно используетсякомбинацияпространственнойи временнойнелинейнойфильтрации.
Основная компрессиядостигаетсяблагодаряустранениюизбыточностиТВ сигнала.Различают тривида избыточности- временную(два последовательныхкадра изображениямало отличаютсяодин от другого),пространственную(значительнуючасть изображениясоставляютоднотонныеодинаковоокрашенныеучастки) иамплитудную(чувствительностьглаза неодинаковак светлым итемным элементамизображения).
Временнаяизбыточностьустраняетсяпередачейвместо кадраизображенияего отличийот предыдущегокадра. Простоевычитаниекадров былозначительноусовершенствовано,когда заметили,что большаячасть изменений,появляющаясяна изображении,может бытьинтерпретированакак смещениемалых областейизображения.Разбив изображениена небольшиеблоки (16х16 элементов)и определивих расположениев предыдущемкадре, можнодля каждогоблока найтинабор параметров,показывающийнаправлениеи значение егосмещения. Этотнабор называютвектором движения,а всю операцию- предсказаниемс компенсациейдвижения. Поканалу связипередаютсятолько вектордвижения иотносительнонебольшаяразность междутекущим ипредсказаннымблоком. На этомэтапе устраняетсяпространственнаяизбыточность- разностныйсигнал подвергаетсяпреобразованиюиз пространственнойв частотнуюобласть, осуществляемомус помощью двумерногодискретно-косинусногопреобразования(ДКП). ДКП преобразуетблок изображенияиз фиксированногочисла элементовв равное числокоэффициентов.Это дает двапреимущества.Во-первых, вчастотнойобласти энергиясигнала концентрируетсяв относительноузкой полосечастот (обычнона НЧ) и для передачинесущественныхкоэффициентовдостаточнонебольшогочисла битов.Во-вторых, разложениев частотнойобласти максимальноотражаетфизиологическиеособенностизрения.
Следующий этапобработкизаключаетсяв адаптивномквантованииполученныхкоэффициентов.Набор коэффициентовкаждого блокарассматриваетсякак вектор, ипроцедураквантованияпроизводитсянад наборомв целом (векторноеквантование).Оценка показывает,что описаннаяпроцедурасжатия близкак теоретическомупределу сжатияинформациипо Шеннону.
Амплитуднаяизбыточностьисходногосигнала устраняетсяна этапе кодированиясообщения передподачей егов канал связи.Не все значениявектора движенияи коэффициентовблока равновероятны,поэтому применяетсястатистическоекодированиес переменнойдлиной кодовогослова. Наиболеекороткие словаприсваиваютсясобытиям снаибольшейвероятностью.Дополнительнаякомпрессиядостигаетсякодированиемв виде самостоятельногосимвола группнулей.Отличительнойчертой стандартовMPEG1 и MPEG2 являетсяих гибкость.Они могут работатьс параметрамиразложениеизображения525 строк при 30кадрах в секундуи 625 строк при25 кадрах в секунду,пригодны дляформатов изображения4:3, 16:9 и др., допускаютусовершенствованиекодера безизменений вуже остановленныхдекодерах.
Для спутниковоютелевиденияболее перспективным,безусловно,является MPEG2,рассчитанныйна обработкувходного сигналас чересстрочнойразверткойи различнымискоростямицифровогопотока (4...10 Мбит/си более), каждойиз которыхсоответствуетопределеннаяразрешающаяспособность.По этому параметрув стандартеопределенычетыре уровня:низкий (на уровнебытовоговидеомагнитофона),основной (студийноекачество),телевидениеповышеннойчеткости с 1440элементамина строку иполное ТВЧ с1920 элементами.По сложностииспользуемогоалгоритмаобработкистандарт содержитчетыре профиля:простой - согласновышеописанномуалгоритму;основной - сдобавлениемдвунаправленногопредсказания;улучшенныйосновной - сулучшениемлибо отношениясигнал/шум,либо пространственногоразрешенияи перспективный- с возможностьюодновременнойобработкицветоразностныхсигналов.
Можно рассчитать,что в спутниковомканале с пропускнойспособностью20...25 Мбит/г можнопередать четыре-пятьпрограмм хорошегокачества,соответствующегомагистральнымканалам подачипрограмм, или10. .12 программ скачеством,соответствующимвидеомагнитофонустандарта VHS.
Составнойчастью в стандартыМРЕG1 и МРЕG2 входяталгоритмыпередачи звуковыхсигналов сцифровой компрессией,позволяющиеуменьшитьскорость цифровогопотока в шесть-восемьраз без субъективногоухудшениякачества звучания.Один из широкоиспользуемыхметодов получилназвание MUSICAM.
Исходным сигналомявляется ИКМпоследовательность,полученнаястробированиемисходногозвуковогосигнала с тактовойчастотой 48 кГци преобразованиемв цифровуюформу с точностью16 бит/отсчет.Признано, чтотакой цифровойсигнал соответствуеткачеству звучаниякомпакт-диска(CD-quality). Для эффективногоиспользованияспектра необходимоснизить максимальнуюскорость цифровогопотока. Новаятехника кодированияиспользуетсвойствачеловеческоговосприятиязвука, связанныесо спектральными временныммаскированием.Шумы квантованиядинамическиприспосабливаютсяк порогу маскирования,и в канале передаютсятолько те детализвучания, которыемогут бытьвоспринятыслушателем.Эта идея реализуетсяв кодере. Здесьс помощью блокафильтров происходитразделениесигнала на 32парциальныхсигнала, которыеквантуютсяв соответствиис управляющимисигналамипсихоакустическоймодели человеческогослуха, использующейоценку порогамаскированиядля формированияэтих управляющихсигналов. Навыходе кодераиз парциальныхотсчетов формируетсянабор кодовыхслов, объединяемыйдалее в кадрзаданнойдлительности.Выходная скоростькодера в зависимостиот требованийкачества ичисла программв канале можетсоставлять32, 48, 56. 64, 80, 96, 112, 128, 160 или 192Кбит/с на монопрограмму.Скорость 32 Кбит/ссоответствуетобычному речевомуканалу, 48 Кбит/с- наземному AMвещанию. Прискорости 256 Кбит/сна стереопаруне толькообеспечиваетсякачествокомпакт-диска,но и имеетсязначительныйзапас на последующуюобработку.
Системная частьстандарта MPEG2описываетобъединениев единый цифровойпоток отдельныхпотоков изображения,звука, синхронизации,данных однойили несколькихпрограмм. Дляпередачи всреде с помехамиформируется"транспортный"поток, включающийсредства дляпредотвращенияошибок и обнаруженияутерянныхпакетов. Онсодержит пакетыфиксированнойдлины (188 байт),содержащиестартовый байт,префикс (3 байта)и область полезныхданных.
Перед подачейв канал связисигнал подвергаетсядополнительномупомехоустойчивомукодированиюи поступаетна модулятор.Эти операциине входят встандарт MPEG ив разных спутниковыхсистемах могутвыполнятьсяразличнымиспособами, чтолишает этисистемы аппаратурнойсовместимости.Европейскимстранам удалосьрешить этупроблему, разработавна базе MPEG2 стандартмногопрограммногоцифрового ТВвещания DVB, нормирующийвес операциина передающейстороне вплотьдо подачи сигналана вход СВЧпередатчика.
В стандартеDVB применяетсякаскадноепомехоустойчивоекодирование.Внешний код- укороченныйкод Рида-Соломона(204.188) с t=8, обеспечивающий"безошибочный"прием (вероятностьошибки на выходеменее 10-10) привероятностиошибки на входеменее 10-3. Внутреннийкод - сверточныйс относительнойскоростью 1/2,2/3, 3/4, 5/6 или 7/8 и длинойкодового ограниченияК=7, декодированиеосуществляетсяпо алгоритмуВитерби с мягкимрешением. Видмодуляции -четырехпозиционнаяФМ.
На приемнойстороне декодеросуществляетвсе вышеописанныеоперации вобратном порядке,восстанавливаяна выходеизображение,весьма близкоек исходному.
Основной областьюиспользованияцифровоготелевидения.как ожидается,станут системынепосредственногоТВ вещания вдиапазоне 12ГГц. В США ужефункционируетпервая такаясистема DirecTV / USSB,предоставляющаяабонентамвозможностьприема болеечем 170 ТВ программ.Планируетсявнедрениеметодов цифровойобработки вевропейскихспутниковыхсистемах.
Телевидениевысокой четкости
Под телевидениемвысокой четкости(ТВЧ) понимаютпередача изображенияс числом строк,приблизительновдвое превышающимтот показательу существующихстандартов,и форматомкадра (отношениеширины кадрак его высоте)16:9. Объем информациисодержащийсяв каждом кадреТВЧ изображения,возрастаетв пять-шестьраз по сравнениюс обычнымтелевидением.На ТВЧ изображенииотсутствуютдефекты, свойственныепринятым сегоднястандартамТВ вещания, -недостаточнаяразрешающаяспособность,заметностьподнесущей,перекрестныеискажениясигналов яркостии цветности,мерцание изображенияиз-за недостаточновысокой частотыкадров, дрожаниестрок и т.д. ТВЧобеспечиваетсущественноеповышениекачества ТВизображения,приближая еговосприятиек зрительномувосприятиюестественных,натуральныхсцен и сюжетов.Такое радикальноеулучшениекачества изображенияне может бытьдостигнутони модификациейсуществующихстандартныхсистем цветногоТВ, ни ТВ системамиповышенногокачества.
В США, Японии,европейскихстранах в последниепять-семь летведутся многочисленныеразработкиновых ТВ стандартовс улучшеннымкачествомизображения.Разработанысовместимыесистемы телевиденияповышенногокачества (ТВПК),в которых устраненынаиболее характерныеискажения ТВсигнала, несколькоувеличенаразрешающаяспособность,введен форматизображения169 (стандартыМАС, PAL-плюс). Этисистемы нельзяотнести к ТВЧ,так как параметрыразложенияизображенияне изменяются.
Среди системТВЧ с временнымразделениемнаиболее известнаи одно времядаже претендовалана роль мировогостандартаяпонская системаMUSE (Multiple Sub-Nyquist Sampling Encoding -кодированиес многократнойсубдискретизацией),предназначеннаядля передачисигналов ТВЧпо спутниковомуканалу с полосой27 (24) МГц. Передачасигналов изображенияв спутниковомканале осуществляетсяс помощью ЧМсигнала звуковогосопровождения- методомчетырехпозиционнойФМ. Основныехарактеристикисигнала MUSE:
| Развертка | Чересстрочнаяс перемежением2:1 |
| Числострок исходногоизображения | 1125 |
| Частотаполей | 60 Гц |
| Форматизображения | 16:9 |
| Разрешающаяспособность,пиксель | |
в канале яркости | 1496 |
в канале цветности | 374 |
| Частотадискретизации | 48,6 МГц |
| Полосачастот видеосигнала | |
по уровню -3 дБ | 8,1 МГц |
| Методмодуляциинесущей | ЧМ |
| Девиациячастоты | 10,2 МГц |
| Полосачастот радиоканала | 24 МГц |
| Отношениенесущая-шумна приеме | 17 дБ |
| Числозвуковых каналов | 2/4 |
Япония достаточнодалеко продвинуласьв деле внедренияТВЧ. Разработанонеобходимоестудийноеоборудование,поступили впродажу ТВприемники,ведутся регулярныепередачи встандарте MUSEчерез вещательныйспутник BS-3.
Разработкастандарта ТВЧв Европе проводиласьс 1986 г. в рамкахнаучно-техническойпрограммы"Эврика". Новыйстандарт HD-МАС(High Definition МАС - МАКвысокой четкости)основан наранее разработанномD(D2)-МАС/packet и совместимс ним. Снижениероли стандартовМАС в спутниковомвещании ставитпод сомнениеи перспективыширокого внедренияHD-МАС.
В ближайшеевремя ожидаетсяпринятиенациональногостандарта ТВЧв США, пригодногодля использования,как в наземных,так и в спутниковыхсистемах.
Принятие каждойгруппой странсвоего собственногостандарта ТВЧможет затруднитьмеждународныйТВ обмен, какэто произошлоуже в прошломсо стандартамичерно-белогоТВ и системамицветного телевидения.В последнеевремя под эгидойМеждународногосоюза электросвязипредпринимаютсяусилия по созданиюединого мировогостандарта ТВЧ.Уже согласованыбазовые параметрыТВЧ сигнала:формат изображения16:9, колориметрическиехарактеристики,световые параметры,пределы значенийскорости передачивидеоданных0,8...1,2 Гбит/с длячересстрочнойразвертки и2...3 Гбит/с припрогрессивномразложении,число элементовв активнойчасти строкии т.п.
Серьезнойпроблемой вТВЧ вещанииявляется поискметодов распределениясигналов.Существующиераспределительныесети не располагаютпропускнойспособностью,достаточнойдля передачизначительногочисла высокоскоростныхсигналов, поэтомуна передающейстороне сигналподвергаютдополнительнойобработке,имеющей цельюсократить объеминформациибез заметногоухудшениякачества изображения.
Разработанныев рамках стандартаMPEG-2 методы цифровойкомпрессииполностьюприменимы кТВЧ и позволяютуже сегодняпередать ТВЧсигнал со скоростьюцифровогопотока 20…30 Мбит,что примерносоответствуетпропускнойспособностиспутниковогоВЧ ствола сполосой пропускания27... 36 МГц.
ЗасекречиваниеТВ сигнала
Телевизионныесигналы соспутника впринципе могутбыть принятылюбым желающимв пределахобширной территориинезависимоот желанияпередающейстороны. Однаков некоторыхслучаях телекомпания- владелец программызаинтересованав предотвращениинесанкционированногоприема, например,при передачепрограмм платноготелевидения,деловых телеконференцийили для ограничениятерритории,на которойможно приниматьданную программупо условиямавторскогоправа. Наиболеешироко применяемыйметод ограничениядоступа - засекречиваниепередаваемыхпрограмм такимобразом, чтобысделать приемневозможнымбез специальногодекодера,предоставляемоговладельцемпрограммы. Напрактике используетсявосемь системкодированиядля PAL/SECAM, четыредля NTSC и шестьдля сигналаМАС.
Основные требованияк системезасекречивания- она должнабыть недорогой,надежной и"прозрачной".Первое требованиеочевидно иозначает, чтостоимостьдекодера недолжна существенновлиять на стоимостьвсей приемнойустановки.Высокая надежностьпредполагает,что сигналневозможнорасшифроватьпростой переделкойприемника итребуетсяспециальноеустройство- декодер, который,по крайнеймере, не можетбыть изготовленв домашнихусловиях исодержит ключили специальнуюкарту, защищенныеот копирования.Обычно приходитсяискать компромиссмежду надежностьюсистемы засекречиванияи ее стоимостью.Прозрачностьсистемы означает,что качествосигнала послекодирования/декодированияне должно ухудшаться.
Простейшийспособ засекречивания- искажениесинхросигналатак, что стандартныйТВ приемникне может восстановитьнормальноеизображение,оно появляетсяна экране ввиде отдельныхсегментов.Информацияо синхросмесипередаетсяв сигнале вскрытой формеи обнаруживаетсядекодером,который восстанавливаетстандартныесинхроимпульсы.Более высокаянадежностьдостигаетсядобавлениеминвертированиячасти сигнала,смещением егоуровня. Ещеболее сложныйпуть - сдвиг вовремени отдельныхстрок изображения,или рассечениестрок и перестановкаместами рассеченныхчастей, илиперестановкаместами строк.
В одной из первыхиспользовавшихсяв Европе системвместо строчногосинхроимпульсаподставлялсяпакет синусоидальныхколебаний счастотой 2,5 МГц,применялисьтакже различныевариантыинвертированияизображения.Разновидностьэтого методапод названиемIrdeto/Luscrypt используетсяпри кодированиипрограммы RTL-4на спутникеAstra. Схожий результатполучаетсяпри передачецифровых звуковыхсигналов винтервалеобратного ходалуча, используемойЕвропейскимвещательнымсоюзом в системе"Евровидение".Цифровой пакетнарушает структурустрочногосинхроимпульсаи сбивает работуамплитудногоселектора,поэтому наприеме необходимоспециальноеустройстворегенерациисинхросмеси.
Системы сосмещениемуровня отдельныхкомпонентоввидеосигналаоказались неочень надежнымии постепенноот них отказалисьв пользу болеесовершенныхметодов сосмещением вовремени отдельныхэлементовизображения,которые обеспечиваютзначительноболее высокуюнадежность.Среди систем,позволяющихраспознатьизображение,но затрудняющихего просмотрнаиболее известнаDiscret, где изображениекаждой строкизадерживаетсяна 0, 1 или 2 мкс спомощью дополнительныханалоговыхлиний задержки,подключаемыхк каналу напериод строкипо псевдослучайномузакону. На приемнойстороне закончередованиявосстанавливаетсяпо кодовомуслову, передаваемомусовместно ссигналом ирасшифровываемомудекодером.
В системе Videocryptзаложен болеесложный принципперемещениячастей строк.Кодер рассекаеткаждую строкув одной из 256 точек,выбранных попсевдослучайномузакону, и меняетместами частирассеченнойстроки. Приэтом полностьюразрушаетсяструктураизображенияпо вертикали,но частичносохраняетсягоризонтальнаяструктура -титры, надписи,меню программИнформацию,необходимуюдля восстановленияизображения,декодер получаетиз двух источников:один ключ передаетсяв закодированномвиде в интервалекадровогогасящего импульса,другой распространяетсяв виде специальнойабонентскойкарточки, рассылаемойподписчикамкаждые три-четыремесяца. СегодняVideocrypt - наиболеераспространенныйметод кодированияТВ сигналов,передаваемыхв системе PAL.
Более сложнаясистема Nagravision требуетна приеме памятиобъемом в полукадр.Изображениена передающейстороне записываетсяв буфер и передаетсяпострочно, нос "перемешиванием"порядка строкпо псевдослучайномузакону. На приемеоперации производятсяв обратномпорядке. В системеNagravision вертикальнаяструктураизображенияне нарушается,но любая горизонтальнаяполоска какбы размазываетсяпо всему экрану.Эта системавыбрана в качествеосновной испанскимивещательнымикомпаниями.
Более простаяразновидностьописаннойсистемы Syster требуетпамяти толькона часть поляи поэтому болееэкономичнав реализации.Ее используеткрупнейшаявещательнаякомпания ФранцииCanal Plus для передачипрограмм черезспутник Те1еcomНВ, а такжепопулярныйроссийскийпакет спутниковыхпрограмм НТВ-Плюс.
Все применяемыена североамериканскомконтинентесистемы засекречиванияимеют общуюособенность,повышающуюих надежность:абонентскийдекодер работаетв интерактивномрежиме и активизируетсятолько когда,когда получаетот центра управлениясоответствующуюкоманду. В наиболеераспространеннойсистеме Videocipher II,разработаннойкомпаниейGeneral Instruments из видеосигналаполностьюудаляютсяобычные сигналысинхронизации,полярностьсигнала инвертируется,а сигналы цветовогоопознаванияпереносятсяна нестандартнуючастоту.. ОбычныйТВ приемникне может принятьтакой сигнал,и требуетсяустановкаспециальногодекодера. Каждомудекодеру присвоениндивидуальныйномер н привключении онпосылает свойномер по телефоннымлиниям в центруправлениякомпании GeneralInstruments, где он опознаетсяи по спутниковомуканалу подаетсяспециальноесообщениесанкционирующееприем и содержащееинструкциипо декодированию.Таким способомпрактическиисключаетсяиспользование"пиратских"декодеров.
Сигналы двухзвуковых каналовв системе VideocipherII передаютсяв цифровом видесовместно ссигналамисинхронизациии другой служебнойинформациейв интервалестрочногогасящего импульса.Аналого-цифровоепреобразованиеосуществляетсяс точностью15 бит/отсчет,что обеспечиваетдинамическийдиапазон звучанияболее 75 дБ (теоретически92 дБ).
Для стандартовсемейства МАСразработанметод засекречиванияEurocrypt, базирующийся,как и Videocrypt на рассечениии перестановкечастей строки.Информацияо координатахрассеченияпередаетсяв строке 625 в видекодового числа.Для его расшифровкина приемеиспользуетсяабонентскаякарточка свмонтированнымв нее кристалломпамяти, в которойзаписаны ключик коду и инструкциипо дешифровке.Eurocrypt применяетсяболее чем в 80%всех ТВ каналов,использующихсигналы D2- и D2-МАС.
Засекречиваниесигналов вцифровом телевидениине представляетособой проблемы,здесь можетшироко использоватьсявесь арсеналметодов, разработанныхранее для цифровойрадиосвязи.В одной изпрактическиреализованныхсистем цифровойпоток зашифровываетсяс помощьюпередаваемоговместе с сигналомкодового словадлиной 56 бит,генерируемогопсевдослучайнымобразом и сменяемогос интерваломот долей донесколькихсекунд Кодовоеслово в своюочередь зашифровываетсяс помощью ключа,обновляемогораз в нескольконедель, а а тотпоследнийрассылаетсяабонентам поспутниковомуканалу такжев засекреченномвиде Алгоритмдекодированиязаписываетсяв кристаллемикропроцессора,помещаемомлибо в декодере,либо в абонентскойкарточке иработающемтолько приналичии ключаСтепень секретноститакого кодавесьма высока.
Из всего вышеперечисленногоможно делатьвывод: современноеспутниковоетелевидениедовольно сложное,но и в то же времяперспективнаяобласть развитиятелевещания
Владивостокскийсудостроительныйтехникум
Рефератна тему:
«Спутниковоетелевидение»
Студентгр. Р-310
Марчук А.В.
Преподаватель
ПрохорчукА.В.
2003