Средства спутниковой связи

Типичная схема оборудования радиоканала передачи данных приведена на рис. 4.8. Антенна служит как для приема, так и для передачи. Трансивер (приемопередатчик) может соединяться с антенной через специальные усилители. Между трансивером и модемом может включаться преобразователь частот. Модемы подключаются к локальной сети через последовательные интер­фейсы типа RS-232 или V.35 (RS-249), для многих из них такие интерфейсы являются встроенными. Длина кабеля от модема до трансивера лежит в пределах 30—70 м, а соединительный кабель между модемом и ЭВМ может иметь длину 100—150 м. Транси­вер располагается обычно рядом с антенной.

Рис. 4.8. Схема оборудования радиоканала передачи данных

Зеркальными называются антенны, у которых поле в их раскрыве формируется в результате отражения электромагнитной волны от поверхности специального рефлектора (зеркала). Ис­точником (приемником) электромагнитной волны обычно слу­жит небольшая элементарная антенна, называемая в этом случае облучателем зеркала или просто облучателем. Зеркало и облуча­тель являются основными элементами зеркальной антенны.

Однозеркальные антенны. Широко известный и исторически первый тип зеркальных антенн — осесимметричный параболи­ческий рефлектор с расположенным в его фокусе облучателем. Достоинствами такой антенны являются простота и относитель­но невысокая стоимость. Именно поэтому такие антенны более всего подходят для индивидуальных приемных установок. Дейст­вие параболического зеркала заключается в том, что лучи, расхо­дящиеся из фокуса, после отражения от поверхности становятся параллельными (рис. 4.9).

Рис. 4.9. Зеркальные антенны (а); зеркала различной глубины: б — мелкое (длиннофокусное); в — среднее по глубине; г — глубокое (коротко­фокусное); — радиус раскрыва; у — угол схождения; F — фокусное расстояние

Параллельным лучам соответствует плоский фронт волны. Если в фокусе параболической антенны поместить источник сферической волны, то после отражения от зеркала она преобра­зуется в плоскую. В случае работы такой антенны в качестве приемной падающая электромагнитная волна после отражения концентрируется в фокусе, в котором расположен облучатель. В качестве отражающих поверхностей в основном применяют металлические зеркала, дающие практически полное отражение падающих на них лучей.

Диаграммы направленности зеркал различной глу­бины различны (рис. 4.10). Это объясняется различием в распре­делении амплитуд поля в раскрыве зеркал. Менее глубокие зер­кала облучаются более равномерно. Вследствие этого главный

лепесток у них получается более узким, но зато боковые лепест­ки увеличиваются.

Получить заданное амплитудное распределение в раскрыве можно различными способами:

• выбором диаграммы направленности облучателя;

• введением в антенную систему дополнительных рефлекто­ров (использование двух зеркальных антенн);

• модификацией формы зеркала.

Снижение уровня боковых лепестков может быть обеспечено спадом амплитуды возбуждения от центра к краю антенны. Но существуют и другие факторы, влияющие на дальнее боковое из­лучение, среди которых наиболее существенный — «перелив» излучения облучателя. Наиболее эффективный и простой способ ослабления влияния этих факторов — использование цилиндри­ческих экранов (бленд).

Продольный размер экрана подбирают так, чтобы уровень возбуждения его кромки был близок к нулю. Для уменьшения бо­ковых лепестков в переднем полупространстве внутреннюю по­верхность экрана иногда покрывают материалом, поглощающим излучение. Для снижения этого уровня можно придать кромке специальную форму, при которой дифракционные поля от от­дельных участков кромки будут расфазированы. На рис. 4.11, а показаны возможные формы расфазирующих кромок. Аналогич­ного эффекта можно добиться применением скошенных бленд.

Дифракционное излучение кромки может быть значительно уменьшено, если периферийную область зеркала сделать полу­прозрачной. Это достигается ее перфорацией, причем диаметр отверстий должен увеличиваться по мере приближения к кром­ке, как это показано на рис. 4.11, б. Сравнительно простой спо­соб подавления дифракционного поля заключается в использо­вании дополнительных экранов. Форма и число экранов могут быть самыми различными.

Двухзеркальные антенны. Рядом достоинств по сравнению с однозеркальными антеннами обладают антенны, построенные по двухзеркальной схеме. Основными из этих достоинств являются:

• повышенный коэффициент использования поверхности раскрыва за счет наличия второго зеркала, облегчающего оптимизацию распределения амплитуд в раскрыве основ­ного зеркала;

• уменьшенная длина тракта питания между приемопередаю­щей аппаратурой и облучателем, например, за счет разме­щения аппаратуры за основным зеркалом вблизи его вер­шины;

• низкая шумовая температура антенны за счет повышения КПД тракта питания с уменьшением его длины;

• улучшенная конструкция антенны, а именно, уменьшены продольные размеры, упрощено крепление линии питания и облучателя;

• оптимизированная плоскость антенны посредством моди­фикации форм поверхности зеркал, обеспечивающих близ­кое к равномерному распределение поля в раскрыве двух­зеркальной антенны при заданной диаграмме направлен­ности облучателя.

Традиционно двухзеркальные осесимметричные антенны строятся по схеме Кассегрена и Грегори. Например, в двухзер­кальной антенне, состоящей из параболоида и гиперболоида (ан­тенна Кассегрена), основным зеркалом по-прежнему является параболоид вращения, а вспомогательное представляет собой ги­перболоид вращения.

Принцип действия этой антенны аналогичен принципу дей­ствия телескопических оптических систем, которые были пред­ложены в XVII в. французским физиком Кассегреном. Поэтому такие антенны иногда называют антеннами Кассегрена.

Для определения поля в раскрыве параболоидного зеркала необходимо учитывать диаграмму направленности облучателя, ослабление поля сферической волны при ее распространении от облучателя до гиперболоидного зеркала и от последнего до пара­болоида.

Расчет электрических характеристик двухзеркальных антенн сводится к расчету соответствующих характеристик простой од- нозеркальной антенны с параболоидным зеркалом. Для умень­шения затенения основного зеркала необходимо, чтобы вспомо­гательное зеркало имело как можно меньший диаметр.

Для повышения КПД производят оптимизацию двухзеркаль­ных антенн. Этот процесс заключается в определении форм по­верхностей зеркал, которые обеспечивали бы равномерное рас­пределение поля в раскрыве двухзеркальной антенны. Если раз­меры вспомогательного зеркала достаточно велики по сравнению с длиной волны, то удается обеспечить крутой спад поля у краев основного зеркала и значительно уменьшить перелив энергии. Оптимизированные зеркала имеют несколько отличный от пара­болоида профиль основного рефлектора. Такие зеркала получили название модифицированных (квазипараболических поверхно­стей). Обладая рядом достоинств по сравнению с однозеркаль- ными антеннами, двухзеркальные имеют существенные недос­татки: они более сложны и дорогостоящи.

Зеркальные антенны с вынесенным облучателем. Кроме класси­ческих зеркальных рефлекторов в СНТВ большое распространение получили антенны с вынесенным из фокуса облучателем (офсет­ные антенны), схематически изображенные на рис. 4.12, б.

При расположении фазового центра облучателя в фокусе па­раболоида фронт волны, отраженной от зеркала, будет плоским. Направление максимума излучения совпадает с направлением оптической оси зеркала. Смещение облучателя в направлении, перпендикулярном оптической оси зеркала, вызывает отклоне­ние направления главного максимума излучения в сторону, про­тивоположную смещению облучателя.

Преимущество такого построения антенны заключается в том, что устраняется затенение облучателем и опорами, этим обеспечивается более высокий коэффициент использования по-

Рис. 4.12. Ориентация прямофокусной (а) и офсетной (б) антенн на спутник

верхности раскрыва (рис. 4.12, а). Осевая симметричность зерка­ла учитывается при установке и ориентации антенны.

Прямофокусная антенна ориентируется так, чтобы ее оптиче­ская ось (ось симметрии) совпадала с направлением на спутник. Ось же офсетной антенны должна быть отклонена от направле­ния на спутник на некоторый угол Ах, что более предпочтительно в условиях снежного и дождливого климата (рис. 4.12, б).

Первая незаменима в Сибири и на Дальнем Востоке. Облада­ет большими размерами, а следовательно, и большей площадью приема. Смотрит почти вертикально вверх. Собирает осадки — снег, воду — и прекращает прием до очистки. Для Зауралья ха­рактерны модели с решетчатым отражателем внушительных раз­меров. В Европе, где сигналы со спутников значительно сильнее, в основном применяются офсетные антенны. Снег к ним не при­липает, но главное преимущество — полная совместимость с со­временными универсальными (совмещенными) головками.

Головка — важнейшая деталь антенны. Ставится в фокус от­ражателя. Преобразует высокочастотный сигнал со спутника (10—12 ГГц) в промежуточный (950—2150 МГц), который пере­дается по кабелю к ресиверу. Универсальные головки имеют функции переключения поляризации (на одной частоте может передаваться два пакета каналов — вертикальной и горизонталь­ной поляризации), а также переключение поддиапазонов прие­ма — от 10,7 до 11,7 ГГц и от 11,7 до 12,75 ГГц.

Мультифокусные зеркальные антенны. Мультифокусные зер­кальные антенны разработаны для обеспечения приема с не­скольких (обычно 2—3) спутников одной антенной, не оснащен­ной поворотным устройством (рис. 4.12). Облучатели крепятся с помощью дополнительного устройства. В случае применения та­кой системы необходимо учитывать, что прием сигнала будет не

Рис. 4.13. Варианты крепления трех облучателей

так «чист», поскольку менее эффективно используется площадь рефлектора (см. рис. 4.12). Неизбежные при этом потери сигнала можно компенсировать увеличением диаметра зеркала. Особую популярность такие системы приобрели в Европе для просмотра ТВ-каналов со спутников Astra, Eutelsat и др.

Позиционер полярной антенны. В то время как фиксированная антенна ловит один конкретный спутник, вращающаяся (поляр­ная) автоматически поворачивается и перестраивается на нужные спутники. В последнее время получили распространение а к т ю а - торы (устройства, поворачивающие антенну) для офсетных ан­тенн. Для вращающейся антенны необходим ресивер со встроен­ным позиционером для управления вращением (рис. 4.14). В лю­бом случае полезным окажется встроенный в ресивер протокол DiSEqC 1.2, позволяющий подключить внешний позиционер.

Периферийные устройства приемных антенных спутниковых систем, управление которыми осуществляется по протоколу DiSEqC, используют для обмена данными/командами тот же вы­сокочастотный коаксиальный кабель, по которому транслируются сигналы в диапазоне 1-й промежуточной частоты (950—2150 МГц)

Рис. 4.14. Позиционер Globus CD (Фирма «Глобус», Россия, С.-Петербург)

от конвертора к ресиверу. Версия DiSEqC 1.2 позволяет осущест­вить решение все в одном кабеле для приемной системы с пово­ротной антенной, управляемой позиционером, который получает соответствующие команды для перестройки и изменения положе­ния антенны от спутникового ресивера.

Протокол DiSEqC 1.2. Для кодирования DiSEqC-посылок применяется широтно-импульсная манипуляция тонового сигна­ла несущей частоты 22 кГц. За единицу кодирования принята длительность посылки 500 мкс. Группа команд, относящаяся к управлению позиционером, объединена в протоколе DiSEqC 1.2 в отдельное подмножество управляющих последовательностей (ко­манд). Команды управления позиционером в версии протокола DiSEqC 1.2 — «однонаправленные»: ресивер управляет позицио­нером, не нуждаясь в ответном сигнале от него.

В этом случае необходимо, чтобы ресивер вырабатывал ос­новные команды для системы с поворотной антенной, а блок по­зиционера обеспечивал их выполнение. Обычно ресивер форми­рует напряжения 13/18 В для питания конвертора и переключе­ния поляризации и смешанные с ними сигналы DiSEqC-команд.

Система команд управления движением антенны предназна­чена для контроля за перемещением антенны (в направлениях восток и запад) и остановки позиционирования в точках, огра­ничивающих зону безопасного перемещения. Говоря о переме­щении (повороте) антенной системы, обычно имеют в виду по­ворот вокруг оси полярной подвески. Дополнительно протокол DiSEqC 1.2 предусматривает команды перемещения антенны в угломестной плоскости для управления двухкоординатным пози­ционером.

DiSEqC-сигнал управления позиционером состоит по край­ней мере из трех байт:

• заголовок (значение EOh);

• адрес (31h — для полярной подвески, 32h — для двухкоор- динатной азимутально-угломестной подвески);

• команда (старший символ команды всегда равен 6).

Краткая характеристика системы команд управления пози­ционером (протокол DiSEqC 1.2):

• 60 — предписывает немедленную остановку перемещения антенны. Управляющая посылка, сформированная ресиве­ром, вырабатывается с задержкой относительно команды, поданной пользователем с пульта ДУ;

• 63 — перемещает антенну по полной траектории движения запад—восток, ограниченной механическими концевыми выключателями;

• 66, 67 — позиционер заносит в память текущую позицию антенны, как восточный или западный лимит. Перед вы­полнением этой команды следует выполнить команду 63 и переместить антенну в допустимое крайнее восточное или западное положение. Если необходимо изменить только один лимит, то до выполнения команды 66 или 67 следует выполнить инструкцию 6а — включить установленные ра­нее лимиты;

• 68, 6 9 — параметром команды служит следующий за ней байт данных, содержащий значение величины перемеще­ния или длительность процесса поворота антенны. Значе­ние этого байта 00 предписывает непрерывное перемеще­ние антенны в заданном направлении, значения от Olh до 7Fh задают интервал (в секундах), в течение которого пред­писано движение антенны. Значения от 80h до FFh опреде­ляют число «шагов», на которое следует переместить ан­тенну. Шаг, составляющий 5—10 % от ширины диаграммы направленности антенны — это интервал между поступле­нием импульсов датчика актюатора;

• 6А - параметр — номер спутниковой позиции, которому следует приписать текущее положение антенны. Значение параметра 00 может быть использовано как «текущая» по­зиция, которая применяется при настройке;

• 6В — последовательность 6Вхх вызывает перемещение ан­тенны на одну из сохраненных спутниковых позиций хх (командой 6Ахх). Команда с параметром 00 используется в процессе настройки антенны как «Переход на текущую по­зицию».

Ресиверы спутниковой связи. Основные функции ресиверов (рис. 4.15):

• телетекст — может быть встроен в ресивер (работает через сервис ресивера и управляется его пультом) или же рас­шифровывается из цифрового потока и встраивается в ви­деосигнал на выходе. В последнем случае необходим деко­дер телетекста в телевизоре и телевизионный пульт;

• субтитры на разных языках — атрибут канала. Они нужны не только людям с пониженным слухом, но и изучающим

иностранные языки. Некоторые каналы передают субтитры одновременно на четырех языках;

• EPG (Electronic Program Guide) — электронная программа передач на ближайшие часы или дни — название канала, краткое содержание фильма, информация об актерах, ве­щателе, других каналах;

Рис. 4.15. Ресивер спутниковой связи: а — вид сверху; б — пульт управления; в — задняя панель: 1 — специализирован­ный процессор (работает в режиме реального времени); 2 — флэш-память (хра­нит программное обеспечение); 3 — согласующая микросхема — чипсет; 4 — же­сткий диск для цифровой записи телепередач; 5 — слоты расширения для кодо­вых карт; 6 — селекторы каналов; 7— разъемы для соединения с конвертором; 8 — низкочастотные входы/выходы видео- и звукового сигналов (RCA); 9 — ев­ропейский разъем SCART; 10 — вход/выход для соединения с телевизором или видеомагнитофоном по ВЧ; 11 — порт RS-232 для соединения с компьютером; 12 — блок питания

• Open TV — стандарт для интерактивных действий — работа со счетом в банке, покупка товаров. Обратная связь — по модему (внешнему или встроенному в ресивер).

Полноценное подключение к Internet на высоких скоростях позволяет смотреть Web-страницы, получать и отправлять элек­тронную почту (для комфортного набора текста существует спе­циальная инфракрасная клавиатура). Для обратной связи нужны модем, телефонная линия и доступ в Internet. Встроенный порт RS-232, а также USB позволяют подключить ресивер к компью­теру. Некоторые модели позволяют копировать МРЗ-файлы с компьютера, превращая ресивер в персональный JukeBox. Есть модели со встроенным жестким диском.