Спутниковое телевидение

 

 

3.Принцип построения спутниковых систем связи.

Спутниковая сеть связи (рисунок 4) включает в себя:

-космический сегмент, состоящий из нескольких спутниковых ретрансляторов;

-наземный сегмент, (центр управления  орбитальными спутниками, шлюзовые станции);

- абонентский сегмент (абонентские терминалы);

-интерфейсы сопряжения шлюзовых станций с наземными сетями связи.

С целью обеспечения отсутствия взаимных помех систем спутниковой связи использование частот и расположение спутниковых ретрансляторов регламентируется Международным консультативным комитетом по радио и Международным комитетом по регистрации частот. Диапазоны частот, выделенные под типы связи (см. рисунок 4) представлены в таблице 2.

Космический сегмент включает спутниковую группировку, состоящую из нескольких спутниковых ретрансляторов, равномерно размещенных на орбитах. Космические аппараты (КА) включают:

- центральный процессор;

-радиоэлектронное оборудование бортового радиотрансляционного комплекса;

- антенные системы;

- системы ориентации и стабилизации;

- двигательные установки;

-система электропитания (аккумуляторы и солнечные батареи).

Рисунок 4.Структура систем спутниковой связи.

Рисунок 5. Таблица 2.

Количество спутников в орбитальной группировке определяется из соображений полного охвата обслуживаемой территории. Например, для низкоорбитальной группировки с орбитой 1000 км и при скорости спутника 7 км/с время видимости спутника составляет 14 минут; после этого спутник «уходит» за линию горизонта и, для обеспечения непрерывности связи, на смену ему должен приходить следующий, за ним – третий и т.д. Т.о. количество спутников будет определяться отношением периода обращения спутника вокруг Земли к периоду нахождения спутника в зоне видимости. С увеличение высоты орбиты увеличивается время видимости спутника, соответственно, уменьшаются требования к численности орбитальной группировки, однако, из-за увеличения дальности связи требуется более сложное и дорогостоящее оборудование. Численность орбитальной группировки определяется компромиссом  между  стоимостью и объёмом оказываемых услуг и простотой и стоимостью подвижного спутникового терминала.

Обеспечение связи абонента, находящегося в зоне видимости одного спутника, с абонентом, находящимся в зоне видимости другого спутника, организуется посредством связи между спутниковыми ретрансляторами (по цепочке, пока информация не дойдёт до спутникового ретранслятора второго абонента). В некоторых системах эту функцию выполняют шлюзовые станции, транслирующие информацию с одного спутника на другой.

Наземный сегмент включает:

-центр управления системой;

- центр запуска КА;

- центр управления связью;

- шлюзовые станции.

Центр управления системой осуществляет слежение за КА, расчёт их координат, сверку и коррекцию времени, диагностику  бортовой аппаратуры, передачу командной информации и т.д. функции управления осуществляются на основе телеметрической информации, получаемой от каждого КА группировки. Благодаря использованию территориально разнесённых контрольно-измерительных станций центр управления системой с достаточно высокой оперативностью выполняет: контроль запуска и точность вывода КА на заданную орбиту, контроль состояния каждого КА, контроль и управление орбитой каждого КА, разрешение нештатных ситуаций, вывод КА из состава орбитальной группировки.

Центр запуска КА определяет программу запуска, осуществляет сборку ракеты-носителя, установку полезной нагрузки КА, предстартовую проверку; после запуска ракеты-носителя  - траекторные измерения на активном участке полёта, которые передаёт в центр управления системой для корректировки последующей траектории.

Центр управления связью планирует использование ресурса спутника, посредством шлюзовых станций контролирует и управляет связью. В нормальных условиях работы орбитальной группировки связь со шлюзовой станцией и пользовательскими терминалами осуществляется автономно. В нештатных ситуациях (неработоспособность КА, оборудования спутникового ретранслятора или шлюзовой станции) центр переходит в режим поддержания связи  с повышенной нагрузкой, или проводит реконфигурирование сети.

Абонентский сегмент определяется номенклатурой предоставляемых спутниковой системой связи услуг: связь абонентов спутниковой сети с абонентами спутниковой сети, пейджинговых и сотовых сетей, определение местоположения (координат) абонентов.

Абонентское оборудование разделяют на переносные спутниковые терминалы (весом до 700 г) и мобильные терминалы (весом порядка 2,5 кг). Спутниковые телефоны оборудованы антенной, не требующей ориентации на спутниковый ретранслятор. При установлении связи (что занимает порядка 2 с) система автоматически определяет свободный канал и закрепляет его за абонентом на период сеанса связи. Как правило, в телефонах используется временное или частотное уплотнение каналов, хорошо зарекомендовавшее себя в сотовой связи. Некоторые спутниковые телефоны способны работать с сотовыми сетями связи (устанавливается соответствующая SIM-карта).

 

4. Спутниковое телевизионное вещание.

Спутниковое телевидение – это множество каналов, большой выбор фильмов на любой вкус, детские, новостные, развлекательные, познавательные, спортивные передачи.

Спутниковое телевидение подразделяется на аналоговое и цифровое. На сегодняшний день аналоговое телевидение не способно в полной мере удовлетворить потребности современного человека: качество сигнала страдает, количество каналов периодически сокращается, существует проблемы с необходимым оборудованием (его попросту уже не выпускают). Ориентироваться на аналоговое спутниковое телевидение не имеет смысла. Цифровой формат вещания – это несколько тысяч каналов различных тематик на всех языках мира и отличное качество изображения и звука. Телезрители могут видеть в открытом доступе более 650 каналов с различных спутников.

Современные спутники имеют геостационарную орбиту. Это означает, что угловая скорость движения спутника равна скорости вращения земли по величине и направлению. Это значит, что относительно любой точки на земле, спутник "висит" неподвижно. Высота, на которой висит спутник, равна примерно 36 тысячам километров. Благодаря постоянному положению спутника, для приёма сигнала с него не надо перестраивать антенну. В течение всей своей жизни спутник будет находиться в одном и том же направлении от вас. Число мест на геостационарной орбите, где сегодня обитают спутники телевизионного вещания, ограничено. Сегодня таких мест около четырёхсот. В каждом месте, в каждой точке, могут висеть сразу несколько спутников, даже более десяти. Чтобы спутники не мешали друг другу помехами, их частоты вещания, зоны обслуживания и рабочие каналы выбираются, разбрасываются в определённых диапазонах. Сегодня спутники регулярно выводятся на орбиту и сводятся с неё. Это связано не только с истечением срока службы спутников, который колеблется от пяти до семи лет, но и с моральным старением оборудования, а также с поломками.

Кроме геостационарных спутников, могут использоваться ещё и так называемые низколетящие спутники. Разница между ними в том, что при применении низколетящих спутников связь организуется по принципу цепочки. Над землёй летают сотни спутников, сообщающихся между собой. При приёме данных с низколетящих спутников не обязательно иметь огромную параболическую антенну. Хватит и такой, что используется в сотовых телефонах, так как спутники излучают сигналы на очень высокой частоте. Преимущества использования низколётных спутников очевидны - в космос можно запустить восемь сотен сателлит, которые не будут мешать друг другу и будут равномерно распределять между собой всю полосу каналов, спутники висят низко, покрывают малую площадь большой мощностью передатчиков, а значит, с них можно принимать сигнал на маленькую антенну. Работать с низколетящими спутниками дороже, и пока что предпочтение отдаётся геостационарным. На каждом спутнике работают десятки передатчиков мощностью сотни ватт. Так как спутник сигналом покрывает достаточно большую площадь земли (пятно диаметром 2000 - 3000 км), то уровень сигнала в разных точках приёма различен и невысок.

Спутник (в  применении к  спутниковому телевидению)  - это управляемый с  Земли  космический  аппарат,  выполняющий  функции   телевизионного ретранслятора, то есть принимает телевизионный направленный  сигнал с Земли и транслирует его в виде на поверхность неким «пучком».

Для  обеспечения  трансляции  на  каждом спутнике имеется определенное число передатчиков ("транспондер"). Число   транспондеров  у   вновь  запускаемых   спутников постоянно растет. Спутниками,   а   значит   и   транспондерами,   владеют  определенные корпорации (например , EUTELSAT или  INTELSAT). Транспондеры  сдаются в аренду  вещательным  компаниям,  чьи  программы  (каналы)  мы с вами и смотрим. Сдача транспондера  в аренду не обязательно  производится на постоянное время.   Существует много  транспондеров, по  которым  днем идет  один  канал,  а  вечером  или ночью другой.

Таким  образом, на спутнике с 10 - 20 транспондерами может идти 20 - 30 каналов.

5. Стандарты MPEG.

Аббревиатура MPEG расшифровывается как "Moving Picture Coding Experts Group", дословно - "Группа экспертов по кодированию подвижных изображений". MPEG ведет свою историю с января 1988 года, она была создана Международной организацией стандартов (International Standards Organization или сокращенно ISO) и Международной электротехнической комиссией (International Electro-Technical Commission или сокращенно IEC). Группа была образована для создания стандартов кодирования подвижных изображений и аудио информации. Начиная с первого собрания в мае 1988 года группа начала расти и выросла до необычайно плотной группы специалистов. Обычно, в собрании MPEG принимают участие около 350 специалистов из более чем 200 компаний. Встречи проводятся около трех раз в году. Большая часть участников MPEG - это индивидуальные специалисты, занятые в тех или иных научных и академических учреждениях. Это из области истории. Теперь о практике. На сегодняшний день MPEG разработаны следующие стандарты и алгоритмы:

• MPEG-1 (ноябрь 1992) - стандарт кодирования, хранения и декодирования подвижных изображений и аудио информации;
• MPEG-2 (ноябрь 1994) - стандарт кодирования для цифрового телевидения;
• MPEG-4 - стандарт для мультимедиа приложений: версия 1 (октябрь 1998) и версия 2 (декабрь 1999);
• MPEG-7 - универсализованный стандарт работы с мультимедиа информацией, предназначенный для обработки, фильтрации и управления мультимедиа информацией. Не является новым стандартом кодирования, а представляет собой лишь переработанный и измененный набор инструментов для работы с мультимедиа данными.

По порядку.

1) Рассмотрим комплект MPEG-1 (ISO/IEC 11172-3). Этот комплект, в соответствии со стандартами ISO, включает в себя три алгоритма различного уровня сложности: Layer (уровень) I, Layer II и Layer III. Общая структура процесса кодирования одинакова для всех уровней. Вместе с тем, не смотря на схожесть уровней в общем подходе к кодированию, уровни различаются по целевому использованию и внутренним механизмам (что во многом определяет степень схожести алгоритмов, "вышедших" из MPEG-1). Для каждого уровня определен свой формат записи бит-потока и свой алгоритм декодирования. Алгоритмы MPEG основаны в целом на изученных свойствах восприятия звуковых сигналов слуховым аппаратом человека (то есть кодирование производится с использованием так называемой "психоакустической модели").

Комплект MPEG-1 предусмотрен для кодирования сигналов, оцифрованных с частотой дискретизации 32, 44.1 и 48 КГц. Как было указано выше, комплект MPEG-1 имеет три уровня (Layer I, II и III). Эти уровни имеют различия в обеспечиваемом коэффициенте сжатия и качестве звучания получаемых потоков. Layer I позволяет сигналы 44.1 КГц / 16 бит хранить без ощутимых потерь качества при скорости потока 384 Кбит/с, что составляет 4-х кратный выигрыш в занимаемом объеме; Layer II обеспечивает такое же качество при 194 Кбит/с, а Layer III – при 128 (или 112). Выигрыш Layer III очевиден, но скорость компрессии при его использовании самая низкая (надо отметить, что при современных скоростях процессоров это ограничение уже не заметно). Фактически, Layer III позволяет сжимать информацию в 10-12 раз без ощутимых потерь в качестве.

Кратко об алгоритме кодирования. Входной цифровой сигнал сначала разбивается на частотные подполосы. Дальнейший процесс зависит от Layer'a.

В случае Layer III сигнал раскладывается на частотные составляющие в каждой полосе (косинусное преобразование, MDCT). Дальнейшая обработка сигнала нацелена на упрощение сигнала с целью переквантования коэффициентов спектра. Полученный спектр очищается от заведомо неслышных составляющих – низкочастотных шумов и наивысших гармоник, то есть фактически фильтруется. На следующем этапе производится значительно более сложный психоакустический анализ слышимого спектра частот. Это делается в том числе с целью выявления и удаления «замаскированных» частот (частот, которые не воспринимаются слуховым аппаратом в виду их приглушения другими частотами), резких всплесков и проч. После всех этих манипуляций из цифрового аудио сигнала исключается больше половины информации. Кроме этого, базируясь на том, что человеческое ухо способно различать направление звучания только средних частот, то в случае, когда кодируется стерео сигнал, его можно превратить в совмещенный стерео (joint stereo). Это значит, что фактически происходит отделение верхних и нижних частот и их кодирование в моно варианте (средние частоты остаются в режиме стерео). Далее, в случае появления, например,  «тишины» в одном из каналов, «пустующее» место заполняется информацией либо повышающей качество другого канала, либо просто не поместившейся до этого. В довершение ко всему проводится сжатие уже готового бит-потока упрощенным аналогом алгоритма Хаффмана (Huffman), что позволяет также значительно уменьшить занимаемый потоком объем.

В случае Layer II идея упрощения сигнала остается той же, однако переквантованию подвергаются не коэффициенты MDCT, а амплитудный сигнал в каждой частотной подполосе.

В июле 2001 компании Coding Technologies и Tomson Mulimedia анонсировали продолжение кодека MP3 (MPEG-1 Layer III) - MP3 Pro. Этот кодек представляет собой доработанный вариант MP3. Подробнее об этом кодеке можно прочесть в обсуждении вопроса о существующих аудио кодеках.

 

2) Стандарт MPEG-2 был специально разработан для кодирования ТВ сигналов вещательного телевидения, поэтому на рассмотрении MPEG-2 мы бы не останавливались, если бы в апреле 1997 этот комплект не получил «продолжение» в виде алгоритма MPEG-2 AAC (MPEG-2 Advanced Audio Coding – продвинутое аудио кодирование, ISO/IEC 13818-7). Стандарт MPEG-2 AAC стал результатом кооперации усилий института Fraunhofer, компаний Sony, NEC и Dolby. MPEG-2 AAC является технологическим приемником MPEG-1. Поскольку между опубликованием MPEG-2 AAC и его стандартизацией прошло достаточно времени, свет увидели несколько разновидностей этого алгоритма: Homeboy AAC, AT&T a2b AAC, Astrid/Quartex AAC, Liquifier AAC, FAAC (Freeware Audio Coder), Mayah AAC, PsyTEL AAC, QuickTime AAC, Sorenson и другие (некоторые из этих кодеров даже не полностью соответствовали стандарту - например, Astrid/Quartex и HomeBoy AAC). Процесс стандартизации AAC был достаточно длинным, поэтому многие из приведенных кодеров первоначально были (а, многие, и до сих пор) не совместимы между собой в формате выходного потока.