Расчет линии связи для системы телевидения

Если истинное значение угла азимута вычислено, то магнитный азимут можно легко рассчитать путем обычного сложения или вычитания магнитного склонения в соответствии с местом приема сигнала. Для всех регионов Европы величина западного магнитного склонения добавляется к величине истинного азимута. Величина магнитного склонения будет меняться в зависимости от места расположения земной станции, и ее можно узнать из местных топографических карт. В некоторых случаях вместо применения компаса для установки азимута можно использовать положение Солнца в различное время дня, но на практике это возможно только в том случае, когда предусматривается одна крупная установка. При установке большого количества приемных систем применение данного метода не всегда удобно.

Протяженность линии связи вниз

Длина пути прохождения сигнала, иногда называемая наклонной дальностью, - это расстояние между земной станцией и рассматриваемым спутником. Чем дальше от экватора находится земная станция, тем длиннее будет путь прохождения сигнала. Для вычисления длины пути D используется следующее выражение:

(4)

Длина волны

Во многих выражениях для упрощения вычислений вместо частоты чаще используется величина длины волны.

Преобразование частоты в длину волны осуществляется следующим образом:

(5)

где с - скорость света (2, 998 х 108 м/с); f - частота, Гц.

Потери при прохождении сигнала в свободном пространстве

Потери при прохождении сигнала в свободном пространстве LFS, или потери на трассе распространения, выражают ослабление микроволновых сигналов по мере их продвижения к Земле и происходят из-за расходимости луча. В качестве аналогии можно представить падение с расстоянием интенсивности луча фары автомобиля. Потери на трассе распространения возрастают с увеличением частоты и становятся тем больше, чем ниже угол возвышения антенны (угол места). Подходящим выражением для вычисления величины потерь является следующее:

Коэффициент усиления антенны

Коэффициент усиления антенны (Ga) возрастает с увеличением действующего размера антенны, который учитывает ее эффективность (р) и выражается следующей формулой:

(7)

где d - диаметр антенны, м;

р - процент эффективности антенны (обычно 60-80%); - длина волны, м.

Примечание Эффективность антенны чаще приводится как нормированное значение меньше 1 (то есть 0, 67 или 0, 8), а не выражается в процентном отношении. В таких случаях из формулы следует удалить цифру 100, стоящую в знаменателе, и подставить значение нормированного коэффициента для р.

Общая шумовая температура приемной системы

Для наземной приемной станции общая шумовая температура приемной системы TSYS складывается из шумовой температуры всех входящих в приемную систему составных частей и включает шумы, внесенные блоком LNB, компонентами волновода, и эквивалентные, или приведенные, шумы антенны.

Главные составляющие, воздействующие на шумовую температуру приемной системы, показаны на рис. 5. 1. Плоскость PQ указывает точку, по отношению к которой приводятся общие шумы приемной системы. Обычно считается, что это точка, расположенная сразу перед входом блока LNB или точка соединительного фланца между компонентами волновода и блока LNB. Эквивалентная шумовая температура антенны ТА получается из всех внесенных шумов, попадающих на антенну, но уменьшенных частичной проницаемостью () облучателя.

Эффективная изотропно - излучаемая мощность

Изотропный излучатель определяется как излучающий равномерно по всем направлениям. Это невозможно получить в реальности, но легко представить наглядно. Используя отражатель, изотропный излучатель может концентрировать всю свою энергию в виде узкого луча, который кажется некоторому отдаленному наблюдателю, находящемуся на другом конце луча, изотропным источником со значительно большей выходной мощностью. Таким образом, понятие эффективной изотропно -излучаемой мощности (ЭИИМ) используется в качестве меры напряженности (силы) сигнала, который передается спутником на Землю. ЭИИМ измеряется в децибелах относительно одного ватта (дБВт) и достигает наивысшего значения в центре луча. Данная величина уменьшается логарифмически по мере удаления от центра луча. Значение ЭИИМ для любого спутника можно получить из соответствующих карт зоны обслуживания, где указаны контуры с равными значениями ЭИИМ. Современные спутники могут в определенной степени формировать контуры ЭИИМ, чтобы соответствовать желаемой зоне обслуживания. Применяемые для этого методы в данном случае не представляют интереса. Номинальное значение ЭИИМ для спутников средней мощности системы полу-СНВ, таких как системы Astra, составляет 52 дБВт. Спутники высокой мощности системы СНВ (DBS) имеют значения ЭИИМ, превышающие 60 дБВт.

Отношение несущая/шум

Для диапазонов частот Кu и Ка отношение несущая/шум (C/N) на входе приемной системы определяется следующим выражением:

(8)

где EIRP - эффективная изотропно - излучаемая мощность со спутника в направлении места расположения приемной системы, дБВт;

LFS - потери при распространении сигнала в свободном пространстве на участке от Земли до спутника связи, дБ;

С/Тusable - минимально пониженная величина коэффициента добротности приемной системы, дБ/К;

k - постоянная Больцмана (1,38 х 1СГ23 Дж/К);

В - полоса пропускания приемника до детектирования промежуточной частоты ПЧ, Гц;

Aatm - ослабление сигнала за счет поглощения в атмосфере, дБ;

Агаin - затухание сигнала в осадках для заданного процентного отношения времени, дБ.

Примечание При работе на частотах ниже 8 ГГц значениями Ааtm и Аrain можно пренебречь.

При вычислениях для условий ясного неба параметр Аrain исключается, a G/Tusab!e заменяется на номинальный коэффициент добротности G/Tпом.

5.2 Расчет цифровой линии связи

Данный раздел содержит информацию по распространению вычислений от ЧМ модуляции несущей до цифровой или фазовой модуляции. Теория информации классически делится на две отдельно определяемые области:

о кодирование источника информации; о кодирование канала связи.

Сигналы телевизионного изображения дискретизируются с частотой, как минимум вдвое превышающей верхнюю (граничную) частоту видеосигнала, и преобразуются в цифровой поток битов, называемый источником информации. Выход источника информации является входом источника кодирующего устройства. Функция последнего состоит в уменьшении среднего числа битов информации в секунду, которые необходимо передать пользователю через канал связи. Кодирование источника - другая тематическая область - включает в себя изучение методов сжатия информации, например методов, использующихся в стандарте MPEG-2. Нет необходимости затрагивать эту тему, так как интерес в данном случае представляет только конечный поток переданной информации для расчета линии связи. В таких случаях следует пренебречь подробностями кодирования и ссылаться на общий выход источника информации и кодирующего устройства как на источник информации.

Переданный сигнал, несущий полезную информацию, может быть неверно воспринят приемным устройством из-за искажений сигнала, возникающих при передаче по зашумленному каналу связи. Поэтому выход источника информации подсоединяется к кодеру канала связи, где в сигнал вводится избыточность (вставляются дополнительные биты информации). Это делается для того, чтобы уменьшить вероятность появления ошибочных битов. Такая практика называется предварительной коррекцией ошибок (FEC) и является единственным методом обеспечения коррекции ошибок без запроса повторной передачи информации. Вероятность появления ошибочных битов равна частоте ошибочных битов (ВЕR) декодера приемного устройства. Казалось бы, нет необходимости изучать методы цифрового сжатия только для того, чтобы еще раз прибавить дополнительные биты информации перед передачей по каналу связи. Однако для этого есть веские причины.

Пропускная способность канала связи согласно теореме Шеннона

Предварительная коррекция ошибок достигается введением избыточности в систему кодирования канала связи. Дополнительные биты добавляются предсказанным и предопределенным образом, чтобы декодер мог правильно интерпретировать передаваемые биты. Детали составления действительных (реальных) кодов слишком сложны, и в данном контексте их изучение не представляется необходимым.

В конце 1940-х годов американский инженер Клод И. Шеннон предложил научное обоснование теории информации. По существу, он показал, что пропускная способность (С) канала связи - это число битов информации в секунду, которое теоретически можно передать по каналу связи с условно низкой частотой появления ошибочных битов. Пропускная способность является функцией ширины полосы пропускания канала связи и отношения S/N.

В цифровых системах параметром, эквивалентным отношению S/N, является отношение Eb/N0, которое определяется как отношение количества энергии в бите информации к спектральной плотности шумов. Для данной цифровой модуляции и метода кодирования существует определенное значение отношения Eb/N0, которое соответствует заданной величине ВЕR, ожидаемой на выходе декодера. Экспериментально показано, что величина ВЕR лучше, чем 10 - 10, примерно соответствует оценке «5» по градации качества приема сигнала.

Предположим, что мощность на выходе кодера источника информации меньше, чем пропускная способность канала связи. Тогда можно уменьшить величину ВЕR до любого желаемого уровня, используя FEC, не увеличивая мощность передатчика выше значения, для которого была рассчитана пропускная способность. Другими словами, существует верхний предел скорости безошибочной связи, который может быть достигнут при передаче по любому заданному каналу связи. Однако здесь существует компромисс. Сложность систем кодирования канала связи стремительно растет при приближении к пропускной способности, и ширина полосы пропускания также возрастает. График, демонстрирующий зависимость пропускной способности канала связи по отношению к Eb/N0 и ширине полосы пропускания, приведен на рис. 5.2.1.

Эффективность кодирования

Шеннон не определил коды, которые позволили бы работать со скоростью, близкой к пропускной способности канала связи. Огромная работа была проведена с тех пор в попытке достижения этого теоретического предела. Из этого следует, что использование FEC выражается в коэффициенте эффективности кодирования (или коэффициенте эффективности декодирования) при демодуляции передаваемого сигнала. Коэффициент эффективности кодирования определяется как разность между величиной Eb/N0, требуемой для достижения определенного значения ВЕR без применения кодирования, и величиной Eb/N0, требуемой для достижения того же самого значения ВЕR с применением кодирования. Очевидно, что чем эффективнее кодирование, тем выше будет коэффициент его эффективности при демодуляции, но тем выше будет и сложность кодирования, и его стоимость.

Примечания к рисунку:

1. R - скорость передачи информации, бит/с, W - передаваемая полоса частот, Гц.

2. График показывает границу пропускной способности для безошибочной связи.

3. Рабочая область для безошибочной связи лежит выше кривой.

4. Для Eb/N0 -1, 6 дБ требуется бесконечная полоса частот.

5. Рабочее ограничение мощности лежит слева от оси еb/n0 (R < W).

6. Область ограничения полосы пропускания лежит справа от оси Eb /N0 (R > W).

Рис. 5.2.1. Граница пропускной способности канала связи по Шеннону

Постоянный внешний код, применяющийся в стандарте DBV - это код (188, 204) Рида-Соломона, связанный с внутренним непрерывным (сверточным) кодом, который был выбран для удовлетворения требований вещателей. В комплексе такое кодирование канала связи может дать коэффициент эффективности кодирования свыше 7 дБ. Не следует путать кодирование канала связи с кодированием источника информации (цифровым сжатием).

Предварительная коррекция ошибок

В системах спутниковой связи для модуляции цифровых несущих в подавляющем большинстве случаев используют либо QPSK, OQPSK (сдвиг QPSK), либо BPSK модуляцию с применением FEC. Обычно применяется QPSK с когерентной демодуляцией вместе с внутренним кодом частотой 0, 5 или 0, 75, и когерентно - демодулированная BPSK с внутренним кодом частотой 0, 5.

Потери при работе декодера

Демодулятор приемника является причиной определенного количества потерь в общем канале связи из-за нелинейности фильтров и т. д. Эти потери обычно малы по сравнению с коэффициентом эффективности декодирования, но все же составляют значительную величину и должны быть учтены при расчете линии связи. Порядок этих величин обычно составляет от 1 до 1, 5 дБ.

Цифровая модуляция

Цифровая модуляция, также называемая фазовой модуляцией, во многих отношениях очень похожа на ЧМ. Как и в случае с ЧМ, анализ спектра является достаточно сложным, а оба спектра оказались бы похожими. Наиболее подходящими методами цифровой модуляции для передачи сигналов цифрового ТВ через спутник связи являются BPSK (двоичная фазовая манипуляция), QPSK (квадратурная фазовая манипуляция), 8-PSK и, возможно, 16-QAM (квадратурная амплитудная модуляция). Из этих четырех методов наиболее часто используется QPSK. Он имеет преимущество, поскольку может работать при мощности транспондера, близкой к насыщению, то есть с эффективной отдачей энергии. В табл. 5. 2 приведены теоретические значения Eb/N0, требуемые для достижения величины ВЕR, равной 10 - 10, без кодирования канала связи для различных методов модуляции. Метод 64-QAM часто выбирается для системы кабельного распределения каналов, потому что он обладает высокой эффективностью использования полосы пропускания при постоянно доступной ширине полосы пропускания 6-8 МГц.

Таблица 5. 2. Сравнение методов цифровой модуляции для BER, равной 10 - '°

Модификации для системы DVB

В системе DVB (стандарт вещания цифрового телевидения) применяется фазовая модуляция, которая по своим свойствам близка к ЧМ. Поэтому параметры, которые относятся к аналоговым ЧМ сигналам, действительны и для расчетов линии связи цифровых систем за одним исключением. Точно так же, как отношение S/N служит показателем качества принимаемого сигнала в аналоговых ЧМ системах, отношение еb /n0, при котором достигается определенная величина ВЕR, является эквивалентом отношения S/N для цифровых систем. Соотношение между C/N и еb /n0 , выраженное в дБ, определяется следующей формулой:

(9)

где Eb/N0, дБ - отношение количества энергии в бите (Еь), Дж, к плотности потока мощности шумов, N0, Вт/Гц;

R - скорость передачи информации, бит/с;

В - передаваемая полоса частот, Гц;

C/N - отношение несущая/шум в полосе частот В, дБ.

Характерной чертой практических цифровых систем является следующее: для данного отношения скорости передачи бита информации к полосе пропускания канала существует отношение сигнал/шум (Eb/N0), выше которого возможен прием сигнала без ошибок и ниже которого прием невозможен. В отличие от аналоговых сигналов, которые постепенно ухудшаются под воздействием шумов, цифровые системы относительно неподвержены влиянию шумов вплоть до того момента, когда система коррекции ошибок уже не может действовать эффективно. В результате происходит резкое ухудшение или «крушение» системы. Это свойство цифровых систем устраняет необходимость градаций качества принимаемого изображения. Качество изображения относительно не пострадает, если суммарный ухудшенный уровень отношения Eb/N0 выше, чем некоторый требуемый уровень, соответствующий приемлемой «внутренней» вероятности появления ошибочных битов (Ре) или определенной величине ВЕR. ВЕR - это отношение числа битов информации, принятых ошибочно, к общему числу битов, переданных в секунду. Взаимоотношение между Ре и еb /n0 зависит от конкретных особенностей выбранного метода цифровой модуляции, поэтому операторы спутниковой связи обычно определяют (оговаривают) минимальный требуемый уровень отношения еb /n0. Значения, составляющие около 8 дБ, являются типичными для большинства телепрограмм DVB.

Список литературы

1. Банкет В.Д., Дорофеев В.М. Цифровые методы в спутниковой связи. - М.: Радио и связь, 2008.- 240с.

2. ГОСТ 19463 - 89. Магистральные каналы изображения радиорелейных и спутниковых систем передачи. Основные параметры и методы измерений.

3. ГОСТ Р 50788 - 95. Установки непосредственного приема спутникового телевизионного вещания. Классификация. Основные параметры. Технические требования. Методы измерений.

4. Кантор Л.Я., Микашин В.П.. Спутниковое вещание. - М.: Радио и связь, 2001. - 252с.

5. МСЭ. Рекомендации МККР, 1992 г. Серия RBT. Вещательная служба (телевидение). МККР. Международный консультативный комитет по радио. - Женева, 2002. - 220с.

6. МСЭ. МККТТ. Синяя книга. Т. III - 4. Общие аспекты цифровых систем передачи; Оконечное оборудование. Рекомендации G. 700 - G. 795. - 615с.

7. Регламент радиосвязи. Т 1. - М.: Радио и связь 2005. - 509с.

8. Стивенсон Д. Спутниковое ТВ. Практическое руководство: Пер. с англ.-М.: ДМК Пресс, 2001. - 496 с.

9. Спутниковая связь и вещание: Справочник. - 3-е изд., С74 перераб. И доп. / В.А. Бартенев и др; Под ред. Л.Я. Кантора.-М.: Радио и связь, 2007. - 528с.:ил.

Приложение

Получение последних данных о спутниках и уровнях ЭИИМ в их зовах обслуживания может оказаться проблематичным. Расчет линии связи тоже занимает много времени, особенно если необходимо учитывать затухание сигнала в дожде и его поглощение в атмосфере при прохождении через определенный участок пространства на пути к Земле. Подобные вычисления можно производить намного быстрее, используя специальные постоянно обновляемые пакеты компьютерных программ.

При выполнении упрощенного «каркасного» метода расчета линии связи, который выполняется с большими допущениями для условий приема сигнала при ясном небе, можно воспользоваться программным обеспечением “SMWLink 2.0.”.

Программа Satmaster Pro для Windows

Программа Satmaster Pro, предназначена для вещателей, тех, кто работает с системами SNG (Satellite News Gathering, спутниковая система сбора новостей, применяется видео- и тележурналистике), компаний, занимающихся установкой таковых антенн, и отдельных трейдеров, занятых в отрасли спутникового ТВ. С помощью этой программы производится расчет параметров по нацеливанию антенны и анализ линии связи, прогнозируются нарушения радиосвязи из-за воздействия солнечного излучения. При расчете линии связи можно моделировать затухание сигнала в дожде и прогнозировать поглощение сигнала в атмосфере даже для низких углов места. В возможности данной программы входит также вычисление полного (суммарного) магнитного склонения, хранение данных о координатах расположения десятков тысяч городов и деловых центров, что позволяет спроектировать и установить спутниковую систему в любом месте земного шара. Программа Satmaster Pro объединяет все необходимые исходные данные, средства проектирования и анализа системы в одном программном пакете. Она предоставляет следующие возможности:

вычисление углов обзора и значений устанавливаемых углов полярной подвески, включая магнитный азимут и дополнительное расположение двух облучателей. Редактируемая база данных по 25 000 городам и деловым центрам, расположенная в двухстах отдельных файлах, объединяющих данные по странам. Расчет установки двух облучателей;

выполнение краткой формы расчета аналоговой и цифровой линии связи вниз для ТВ вещания. Оптимизация минимального размера антенной тарелки для любого выбранного заданного значения C/N, C/N0, S/N, оценки по шкале МККР, или еb /n0 включая уровень несущей на выходе блока LNB для систем распределения сигналов ПЧ;

калькулятор расчета цифровой линии связи для режимов SCPC/ МСРС. Вычисляет минимальный уровень мощности, требуемый для линии связи вверх, ширину полосы пропускания транспондера и коэффициент использования мощности на одну несущую с учетом интерференции. При этом можно задавать скорость передачи информации от 56 Кбит/с до значительно превышающих 40 Мбит/с. Кроме того, задается применение распространенных методов модуляции при любой скорости FEC-кодирования;

отображение карт зон обслуживания, дождевых климатических поясов, плотности водяных паров и температуры земной поверхности;

прогнозирование нарушений радиосвязи под воздействием солнечного излучения, представление ежегодных данных по датам и времени перерывов для любого глобального сочетания спутника/земной станции. Определение направления север/юг с позиции Солнца для установки полярных подвесок;

вычерчивание графиков и большой выбор для генерирования (создания) различных таблиц;

контекстно-зависимая помощь (справка) во всех полях ввода данных и большой ассоциированный справочный файл;

генерирование графиков и таблиц, включая цифровую модуляцию, затухание сигнала в дожде и поглощение в атмосфере;

выполнение вычислений и преобразований, подключение редактируемой программы проверки более сложных математических выражений;

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8