Спутниковые системы связи



страница1/6
Дата11.02.2017
Размер2.82 Mb.
Просмотров1135
Скачиваний3
ТипРеферат
  1   2   3   4   5   6

Содержание

Введение………………………………………………………………………….3



  1. Спутниковые системы связи…………………………………………...…..5

    1. Принципы построения систем спутниковой связи……………5

    2. Орбиты искусственных спутников Земли……………………..6

    3. Особенности передачи сигналов в спутниковых системах связи………………………………………………………………….....8

    4. Принцип работы спутникового телевидения………………...11

    5. Стандарт DVB спутникового телевизионного вещания…….12

    6. Системы кодирования телевизионного изображения……….13

  2. Тракт передачи системы цифрового телевизионного вещания……..…15

    1. Формирование и обработка сигналов цифрового ТВ на передаче……………………………………………………………….15

    2. Методы сжатия исходного ТВ сообщения………........……...16

      1. Международный стандарт сжатия MPEG………..….....16

      2. Канальное кодирование…………………………………21

      3. Скремблирование………………………………………..22

      4. Внешнее помехоустойчивое кодирование……………..23

      5. Перемежение данных……………………………………24

      6. Свёрточное кодирование………………………………..25

    3. Способы модуляции в спутниковых системах ТВ вещания...26

      1. Методы модуляции……………………………………...26

      2. Методы борьбы с многолучевостью…………………...29

  3. Разработка структурной схемы приёмника спутникового цифрового телевизионного вещания………………………………………………………..31

    1. Приемный тракт спутникового телевизионного вещания…..31

    2. Обобщенная структурная схема приемника спутникового ТВ……………………………………………………………………...32

    3. Структурная схема конвертора………………………………..33

    4. Выбор структуры спутникового ресивера……………………35

      1. Структурная схема ресивера СТВ……………………...35

      2. Выбор элементной базы спутникового ресивера……...37

  4. Расчет составляющих принципиальной схемы конвертора……..……..42

    1. Расчет малошумящего усилителя……………………………..42

    2. Расчет фильтров с параллельно связанными микрополосковыми резонаторами…………………………………..45

    3. Согласование выхода УРЧ с характеристическим сопротивлением тракта СВЧ………………………………………...49

    4. Расчет ПУПЧ…………………………………………………...51

    5. Согласование выхода фильтра с входом ПУПЧ……………..52

    6. Расчет цепи питания по постоянному току…………………..54

  5. Принципиальная схема приёмника спутникового телевизионного вещания…………………………………………………………………………..56

  6. Безопасность жизнедеятельности………………………………………...58

    1. Наличие опасных и вредных факторов……………………….58

    2. Требования к микроклимату………………………………..…60

    3. Требования к освещенности…………………………………...61

    4. Защита от шума и вибрации…………………………………...62

    5. Электробезопасность…………………………………………..63

    6. Воздействие электромагнитного излучения………………….64

    7. Пожарная безопасность………………………………………..64

Заключение……………………………………………………………………...67

Приложение А…………………………………………………………………..68

Приложение Б…………………………………………………………………...79

Приложение В…………………………………………………………………..80

Приложение Г…………………………………………………………………...81

Приложение Д…………………………………………………………………..82

Приложение Е…………………………………………………………………..83

Список используемых источников …………………......……………………..84


Введение

В современном мире потребности в телекоммуникациях постоянно возрастают. Наземные радиолинии не в состоянии обеспечить качественный обмен информацией, так как обычно находятся на отдаленных расстояниях друг от друга. Связь между отдаленными территориями затруднена. Для этого созданы спутниковые системы связи (ССС), которые устраняют проблемы, возникающие при наземной передаче.

Сегодня спутниковые системы связи охватывают все службы связи и непрерывно взаимодействуют с ними.

В данном дипломном проекте мы рассмотрим отдельную ветвь спутниковых систем, а именно спутниковое телевидение.

Начиная с 1995 года, во всех странах мира началось активное внедрение цифрового спутникового телевидения. После успешного решения экспертной группой по стандартам задачи сжатия видеосигналов в десятки раз для передачи движущихся изображений (MPEG) переход на цифровое вещание стал возможным.



 Под спутниковым телевидением понимают систему передачи телевизионного сигнала от передающего центра к потребителю через искусственный спутник Земли, расположенный на геостационарной околоземной орбите над экватором. Стандартная система для приема спутниковых каналов состоит из спутниковой антенны, кронштейна, который представляет собой крепление антенны к стене или крыше, конвертора, кабеля и ресивера (спутникового приемника). Просмотр каналов осуществляется с помощью ресивера через специальную DVB-карту (Digital video broadcasting – карта цифрового видеовещания), а в качестве устройства вывода используется телевизор или монитор персонального компьютера.

Преимущества спутникового ТВ очевидны: это и высочайшее качество изображения, стереозвук, огромное количество каналов, прекрасный способ изучения иностранных языков и повышения эрудиции, и этот список можно дополнять и дополнять. Но у каждой системы есть недостатки, и данная не является исключением.  Каждая программа или пакет программ транслируется определенным провайдером, который, согласно своим планам или требованиям нормативных документов может изменять параметры трансляции, закодировать или вообще прекратить трансляцию определенных программ, а также взымать отдельную плату.

Работа заключается в разработке абонентского устройства на приемной стороне системы спутникового цифрового телевизионного вещания Ku диапазона 10,7... 12,75 ГГц.

По ходу выполнения проекта был произведен анализ научно-технической литературы по работе спутниковых систем связи, принципов телевизионного вещания и передаче его спутниками-ретрансляторами. Разработан и описан комплекс приемного оборудования как на аппаратном уровне, так и на элементном уровне (непосредственно разработка принципиальной схемы абонентского приемника).

Целью работы является изучение принципов построения систем спутникового цифрового телевизионного вещания (ТВ), методом формирования сигналов цифрового ТВ на передаче: методов кодирования, методов сжатия исходного ТВ сообщения, методов модуляции (QAM), методов борьбы с многолучевостью (OFDM); изучение методов обработки сигналов в приемнике; разработка структурной схемы приемника спутникового цифрового ТВ, выбор элементной базы и составление принципиальной схемы приемника.

Данная тема актуальна, потому как является неотъемлемой частью цифрового телевизионного вещания, которое стремительно развивается в наше время.

В результате данной работы необходимо представить элементную базу спутникового конвертора, расчет данного блока, выбрать элементы для ресивера, разработать принципиальную схему приёмника системы спутникового телевизионного вещания.




  1. Спутниковые системы связи

    1. Принципы построения систем спутниковой связи

Принцип спутниковой связи заключается в ретрансляции аппаратурой спутника сигнала от передающих наземных станций к приёмникам. Спутник - устройство связи, которое принимает сигналы от земной станции (ЗС), усиливает и транслирует в широковещательном режиме одновременно на все ЗС, находящиеся в зоне видимости спутника. Принцип связи с помощью ИСЗ заключается в передаче сигналов с одной или нескольких земных станций (ЗС) на ИСЗ с их последующей ретрансляцией всем ЗС системы. [5]

Спутниковые системы передачи (ССП) обладают рядом существенных особенностей, отличающих их от РРЛ. Так, функционирование ССП возможно при наличии ряда специальных подсистем. Ввиду этого ССП выделяют в самостоятельный вид систем передачи сообщений. Собственно, ССП, называемая связной системой, включает в себя ряд подсистем:



  • космическую, в состав которой входит ракета-носитель и стартовый комплекс, обеспечивающую вывод ИСЗ на соответствующую орбиту;

  • командно-измерительную, имеющую земную и бортовую (установленную на спутнике) части, предназначенную для измерения параметров орбиты спутника и передачи с Земли команд управления;

  • телеметрическую, передающая часть которой находится на борту ИСЗ, а приемная на Земле, служащую для передачи данных о состоянии аппаратуры спутника, а также о прохождении команд управления.

По способу ретрансляции сигнала ССП делят на системы с пассивной и активной ретрансляцией.

  1. Система с пассивной ретрансляцией (с пассивным спутником), это та система, которая работает без бортовой аппаратуры. В такой системе сигналы, посланные с Земли, отражаются поверхностью ИСЗ обратно без предварительного усиления.

  2. Система с активной ретрансляцией (с активным спутником) – это система радиосвязи, у которой в наличии есть бортовая аппаратура. Активная ретрансляция является основной в современных ССП.  Для примера рассмотрим структурную схему дуплексной связи между двумя ЗС при активной ретрансляции сигнала (рис. 1.1). В данном случае передаваемый в одном направлении сигнал U1 подводится к модулятору (9) земной станции 8 (ЗС 8), в результате чего осуществляется модуляция колебаний с несущей частотой f1. Эти колебания от передатчика (10) подводятся к антенне (11) и излучаются в сторону ИСЗ, где принимаются бортовой антенной (7) ретранслятора (1). Далее колебания с частотой f1 поступают на разделительный фильтр (6), усиливаются приемником (2), преобразуются в частоту f2 и поступают к передатчику (3) бортового ретранслятора. С выхода передатчика (3) колебания с частотой f2 через РФ подводятся к бортовой антенне и излучаются в сторону Земли. Эти колебания принимаются антенной (19) земной станции 15 (ЗС 15), подводятся к приемнику (20) и детектору (21), на выходе которого выделяется сигнал U1. Передача от ЗС 15 к ЗС 8 сигнала U2 происходит на частоте f3 аналогичным образом, причем на бортовом ретрансляторе осуществляется преобразование колебаний с несущей частотой f3 в колебания с частотой f4 .

Рисунок 1.1 Структурная схема дуплексной связи при активной ретрансляции сигнала



    1. Орбиты искусственных спутников Земли

В космическом пространстве над Землёй спутники движутся по определённым траекториям, называемые орбиты движения искусственных спутников Земли. Орбита – это траектория движения (или в переводе с латинского “путь, дорога”) какого-либо материального объекта (в нашем случае спутника) вперёд по заранее заданной системе пространственных координат с учётом конфигурации силовых полей, действующих на него.

Осуществляется движение искусственных спутников Земли (ИСЗ) по трём орбитам: полярной, наклонной и экваториальной (геостационарная).



  • Полярная орбита имеет угловой градус наклонения равный 90° (обозначается буквой "i" от англ. inclination) по отношению к плоскости экватора. Этот угол ещё измеряется в минутах и секундах.

  • Наклонная же орбита расположена между полярной и экваториальной орбитами искусственных спутников Земли, образующая смещённый острый угол.

Главный и существенный недостаток полярной и наклонной орбиты в том, что спутник постоянно находится в движении по своей орбите, поэтому для отслеживания его положения антенну необходимо постоянно подстраивать для получения спутникового сигнала.

  • Геостационарная орбита (её ещё называю экваториальной) имеет нулевое отклонение и находится в плоскости экватора нашей планеты. Спутник, движущийся по ней совершает полный виток, равный тому времени, за которое Земля вращается вокруг своей оси. То есть по отношению к наземному наблюдателю такой спутник будет казаться неподвижным в одной точке.

Виды орбит приведены на рис. 1.2, где 1 – геостационарная орбита, 2 – наклонная орбита, 3 - полярная орбита.


Рисунок 1.2 Виды орбит ИСЗ

Высота над поверхностью Земли геостационарной орбиты (ГСО) равна 35876 км, радиус 42241 км, а её протяжённость (длина) равна 265409 км. Необходимо учитывать эти параметры при выведении спутника на ГСО и тогда можно будет достичь такой неподвижности по отношению к наблюдателю, находящемся на Земле. Именно геостационарную орбиту используют для запуска большинства спутников коммерческого назначения. Скорость движения спутника по ГСО примерно равна 3000 м/с.

Помимо сильных есть у геостационарной орбиты и слабая сторона: на приполярных районах Земли угол местности очень мал, поэтому передача сигнала становится невозможным из-за скопления нескольких спутников с небольшим расстоянием друг от друга.

Для спутникового телевидения используются спутники, находящиеся на ГСО, поэтому антенна пользователя неподвижна. Обычно спутниковая антенна настраивается по двум координатам: азимуту (отклонение самого спутника от направления в сторону “Север” и плоскостью горизонта, определяемая по часовой стрелке) и углу места (угол между плоскостью горизонта и направлением на спутник).

В последнее время все чаще стали использовать связные ИСЗ, находящихся на низких орбитах (расстояние до Земли в пределах 700-1500 км). Такие системы связи благодаря значительно меньшему (практически в 50 раз) расстоянию от Земли до спутника имеют наименьшее запаздывание и затухание передаваемого сигнала, а также более простой вывод ИСЗ на орбиту. Недостаток таких систем - необходимость выведения на орбиту большого количества спутников для обеспечения длительной непрерывной связи. [6,8]


    1. Особенности передачи сигналов в спутниковых системах связи

В зависимости от конфигурации трафика архитектура сетей спутниковой связи разделяется на следующие типы:

  1. Сеть "точка - точка" позволяет обеспечивать прямую дуплексную связь между двумя удаленными абонентскими станциями по выделенным каналам. Преимуществом такой архитектуры является простота организации каналов связи и их полная прозрачность для различных протоколов обмена. Такая сеть не требует системы управления.

  2. Сеть типа "звезда" является наиболее распространенной архитектурой построения ССС с абонентскими станциями класса VSAT. Такая сеть обеспечивает много направленный радиальный трафик между центральной земной станцией (ЦЗС) и удаленными периферийными станциями (терминалами). 

  3. В сети "каждый с каждым" обеспечиваются прямые соединения между любыми абонентскими. Количество требуемых дуплексных радиоканалов равно N x (N - 1), где N - число абонентских станций в сети. При этом каждая абонентская станция должна иметь N-1 каналов приемо-передачи.

Рисунок 1.3 Топология типа «точка-точка»



Рисунок 1.4 Топология типа «звезда»



Рисунок 1.5 Топология типа «каждый-с-каждым»

Для систем спутникового вещания выделены полосы частот, представленные в табл. 1.1 Два последних диапазона – Ka и K – почти не используются и пока считаются экспериментальными. Однако вещание спутниковых телепрограмм в этих диапазонах позволит значительно уменьшить диаметр приемных антенн.

Таблица 1.1 Полосы частот систем спутникового вещания



Наименование диапазона

Полоса частот, ГГц

L – диапазон

1,452 – 1,550 и 1,61 – 1,71

S – диапазон

1,93 – 2,70

C – диапазон

3,40 – 5,25 и 5,725 – 7,075

X – диапазон

7,25 – 8,40

Ku – диапазон

10,70 – 12,75 и 12,75 – 14,80

Ka – диапазон

15,4 – 26,5 и 27,0 – 50,2

K – диапазон

84-86

Рассмотрим некоторые особенности передачи сигналов спутниковой связи:

  • Запаздывание сигнала. Большая протяженность линий связи между ЗС и ретранслятором, находящимся на борту ИСЗ, приводит к запаздыванию сигналов. Это определяется тем, что для прохождения расстояния между ЗС сигналу требуется время:

,

где H  расстояние от спутника до поверхности Земли; с = 3*108 м/с – скорость света. Таким образом, при H = 36 000 км (случай геостационарного спутника) величина запаздывания составит приблизительно:



t=250 мс. Запаздывание сигнала при передаче дуплексных телефонных разговоров ограничивает естественность беседы.



  • Эхосигналы. Запаздывание сигналов приводит к появлению заметных для абонентов эхосигналов, возникающих при переходе с четырехпроводных цепей связи на двухпроводные из-за не идеальности дифференциальных систем. Эхосигналы проявляются в виде прослушивания абонентом своего разговора, задержанного на время, равное удвоенному времени распространения сигнала между абонентами, т.е. 

Так для систем связи, использующих геостационарные спутники:





t http://ok-t.ru/studopediaru/baza6/3255008310880.files/image035.gif 500 мс. В этих случаях следует обеспечить затухание эхосигналов до величины, равной 60 дБ относительно уровня полезного сигнала.

  • Эффект Доплера. Это физическое явление, заключающееся в изменении частоты принятых колебаний при взаимном перемещении передатчика и приёмника этих колебаний. Эффект Доплера наибольший, если движение передатчика относительно приёмника происходит вдоль линии связи ():

Где f0 – частота несущего колебания; V – скорость передатчика. Таким образом, при сближении передатчика и приёмника частота радиоколебаний возрастает пропорционально V/c, при удалении – уменьшается по тому же закону. [5]



    1. Принцип работы спутникового телевидения

Принцип работы спутникового цифрового телевидения заключается в следующем: высокочастотный телевизионный сигнал излучается в направлении телевизионного спутника, расположенного на геостационарной орбите, находящейся над экватором на высоте 35875 км. Принятый спутником сигнал передающей телестанции усиливается и на другой частоте передаётся в направлении Земли.

Высокочастотный спутниковый сигнал по своим физическим свойствам близок к световому потоку, также отражается от зеркальной поверхности и преломляется на границе разных физических сред. Поэтому для усиления сигнала его фокусируют в одной точке с помощью параболической антенны. По форме рефлектора антенны бывают длиннофокусные и короткофокусные. В системах спутникового приема в основном используются длиннофокусные антенны.

Кроме того, спутниковые антенны подразделяются на прямофокусные и офсетные. Прямофокусные антенны фокусируют сигнал в центре рефлектора, а офсетные, в отличие от прямофокусных, фокусируют сигнал в стороне от центра рефлектора.

Рисунок 1.6 Типы антенн по форме рефлектора



Рисунок 1.7 Прямофокусная и офсетная антенны.



    1. Стандарт DVB спутникового телевизионного вещания

DVB (англ. Digital Video Broadcasting - цифровое видео вещание) -семейство стандартов цифрового телевидения, разработанных международным консорциумом DVB Project.

DVB Project (Digital Video Broadcasting Project – проект цифрового видеовещания) – это международная организация, занимающаяся разработкой стандартов в области цифрового телевидения для Европы. Она создана в 1993г. и ее членами в настоящее время являются более 300 компаний, производящих оборудование для телевизионного вещания, занимающихся телевизионным вещанием и связью, научно-исследовательских организаций и т.д. Штаб-квартира DVB Project находится в Женеве (Швейцария).

Стандарты, разработанные консорциумом DVB Project, делятся на группы по сфере применения. Каждая группа имеет сокращённое название с префиксом DVB-, например, DVB-H — стандарт для мобильного телевидения. В результате работы DVB Project уже в 1984г. были выработаны основные положения стандарта DVB-C (C – Cable – кабель, т.е. стандарт цифрового телевизионного вещания по кабелю), и стандарта DVB-S (S – Sattelite – спутник, т.е. стандарт спутникового цифрового телевизионного вещания).

Рассмотрим стандарты спутникового вещания.

Система А (стандарт DVB-S) разработана европейским консорциумом DVB Project и предназначена для доставки служб многопрограммного TV вещания или ТВЧ в частотных диапазонах фиксированной и радиовещательной SAT служб (10,7…12,75 ГГц) с их непосредственным приемом на домашние интегральные приемники-декодеры, а также на приемники, подключенные к системам с SAT коллективными ТВ антеннами SMATV (Satellite Master Antenna TV), и систем кабельного телевидения (СКТ) при первичном и вторичном распределениях программ TV вещания. Здесь применены алгоритмы кодирования сигналов изображения и транспортного мультиплексирования в соответствии со способом международного кодирования с информационным сжатием MPEG-4, прямая коррекция ошибок на базе кода Рида-Соломона, сверточный код, алгоритм декодирования Витерби с «мягким» решением, фильтры с характеристиками типа «приподнятый косинус», квадратурная фазовая модуляция QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) и построчное декодирование принимаемого сигнала. В настоящее время практическое все цифровое SAT TV вещание на все пять континентов осуществляется по стандарту DVB-S.

В настоящее время преимущественно используется стандарт DVB-S2. Стандарт системы второго поколения (DVB-S2) для видеовещания, интерактивных услуг, сбора новостей и других широкополосных спутниковых (SAT) приложений является дополнением к широко используемому стандарту SAT-вещания DVB-S. Система DVB-S2 разрабатывалась в основном для: услуг TV вещания стандартной четкости (SDTV) и TV высокой четкости (ТВЧ или HDTV); интерактивных услуг, включая доступ в Internet; профессиональных приложений.



Для всех этих приложений DVB-S2 использует последние достижения, как в модуляции, так и в кодировании канала, что позволяет увеличить пропускную способность порядка 30% и более в сравнении с DVB-S.


Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3   4   5   6


База данных защищена авторским правом ©nethash.ru 2017
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал