2.4Требования к равномерности спектра передаваемого телевизионного сигнала.

Для снижения вероятных помех другим системам связи и приемным устройствам всегда необходимо, чтобы спектральная плотность передаваемого сигнала была бы равномерной в занимаемой полосе частот, чтобы выбросы энергии не превышали предельно допустимое значение. Известно, что частотно-модулированный телевизионный сигнал имеет неравномерный энергетический спектр, зависящий от передаваемых сюжетов изображения. Энергия в его спектре распределяется не непрерывно, а в виде дискретных энергетических зон (выбросов), которые располагаются вокруг частот строчной и кадровой разверток (рис. 2.4).

Поэтому, при спутниковых, как и при наземных телевизионных передачах с частотной модуляцией для получения равномерного спектра прибегают к сглаживанию энергетических выбросов, их рассеянию — дисперсии.

Дисперсия, осуществляется сигналом треугольной формы небольшого уровня, который наилучшим образом подходит для сглаживания энергетических выбросов дискретного спектра, как, например, показано на рис. 2.5. Сигнал дисперсии накладывается дополнительно на сигнал несущей строго синхронно с частотой строчной или кадровой разверток (обычно кадровой). Благодаря сглаживанию энергетических выбросов, спектральная плотность при передаче телевизионного сигнала становится равномерной или близко к равномерной.

Это позволяет установить значения ППМ на границе зоны покрытия для приема индивидуальными приемными устройствами— 103 дБ Вт/м, а коллективными — 111 дБ. Вт/м (рис. 2.6), что снижает взаимные помехи и помехи другим наземным средствам связи до требуемого уровня, и одновременно такой уровень дает возможность вести прием телепрограмм через спутники внутри зоны покрытия на простые приемные устройства.

Для исключения заметности на экране сигнала дисперсии, проявляющегося в виде мерцающих светлых точек, в приемных устройствах применяют хорошо известные схемы построчной фиксации (схемы привязки) уровня, которые устанавливают по всему полю кадра равномерный уровень черного и тем самым практически подавляют сигнал дисперсии.

Шумы

В любой системе связи наряду с полезными сигналами всегда присутствуют и посторонние, ненужные, которые создают помехи приему. Такие сигналы — помехи, имеющие случайную природу и не передаваемые никакими другими системами, называются шумами. Шумы — это природное явление. В идеальных системах связи сигнал мог бы передаваться и приниматься без помех. Однако в любом реальном приемном электронном устройстве всегда присутствуют шумы, от которых полностью избавиться невозможно'. Они состоят:

- из внешних принятых шумов ( атмосферные шумы, галактические шумы, шумы Солнца, Земли и др.)

- из внутренних шумов приемного устройства (эквивалентные

шумы антенны, шумы коаксиальной линии питания, шумы предварительного усилителя, смесителя и т.д.). Они вызывают ухудшение

приема, снижают чувствительность приемного устройства, так как ограничивают прием минимального полезного сигнала по уровню.

Шумовые параметры приемного устройства

Существуют два основных вида внутренних шумов в электронных устройствах: тепловой шум и дробовой шум (название получил за шум, подобный шуму, создаваемому при падении дроби на металлическую поверхность). Внутренний дробовой шум прерывистый и носит случайный характер. Образуется беспорядочными изменениями тока в электрических цепях приемных устройств и в их электронных компонентах (в диодах, транзисторах, микросхемах и т.д. при инжекции электронов и дырок). Дробовой шум — это случайный, непредсказуемый процесс, что затрудняет его измерение. Он не зависит от частоты, т.е. является белым шумом.

Другой вид шума — тепловой. Он порождается хаотическим движением свободных электронов в кристаллических решетках вещества, из которого состоит проводник, точнее сопротивление. Его уровень не зависит ни от величины тока, протекающего через сопротивление, ни от величины напряжения, приложенного к этому сопротивлению. Тепловой шум является также белым шумом.

Вследствие теплового движения молекул, тепловой шум присутствует во всех веществах, имеющих температуру выше абсолютного нуля. Спектр теплового шума очень широк и охватывает весь радиочастотный спектр. Тепловой шум изменяется с изменением температуры окружающей среды. Поэтому для его характеристики используется понятие "шумовая температура"'.

При температуре абсолютного нуля ( 0 К или — 273 'С) шум прекращается, а при комнатной ( 290 К или +17' С ) шум увеличивается на + 3 дБ. В качестве шумовых характеристик приемных устройств употребляются понятия:

- Тэфф — шумовая температура, в К;

- Nf- коэффициент шума (шум-фактор, Noise figure) приемного устройства, дБ. Он является сложной функцией многих переменных: полного сопротивления источника сигнала — антенны, параметров электронных компонентов приемного устройства и др.

Коэффициент шума — это отношение мощности шума на выходе приемного устройства (пересчитанной на его вход) к мощности шума на его входе (в точке подключения антенны).

Понятия шумовой температуры и коэффициента шума взаимосвязаны между собой графической зависимостью (рис. 2.7).

Атмосферные шумы. Атмосферные шумы обусловлены присутствием в атмосфере кислорода, водяных паров и, особенно, заметны в момент выпадения осадков — дождя, снега и т.п. Их уровень повышается с ростом частоты и увеличивается с увеличением толщины атмосферного слоя, через который вынуждены проходить электромагнитные волны, несущие информацию, при изменении угла места антенны от 90 до 0 ' (т.е. с увеличением наклонной дальности).

Галактические шумы. Уровень галактических шумов незначителен и не превышает 4 К. Более высокий уровень шумов принимают антенны, направленные в сторону Млечного пути, меньший- в сторону полярных областей Галактики. На рис. 2.8 приведена зависимость космических и атмосферных шумов от частоты для разных углов места антенны.

Значительный уровень шумов принимается, если антенна "смотрит" непосредственно на Солнце. Поэтому иногда используют в качестве генератора шума антенну, направленную прямо на солнечный диск.

Кроме этого, антенна принимает также шум около 60 К через свои боковые лепестки, обращенные к Земле. Чем антенна меньших размеров и чем худшего она качества, тем больший уровень

' боковых лепестков в ее диаграмме направленности и тем больше шума принимает система космического и теплового. Необходимо отметить, что антенна, направленная на линию горизонта неизбежно принимает тепловое излучение Земли и ее эффективная шумовая температура не может быть меньше 200...300 К.

Поверхность Земли, как и любое нагретое тело, является источником шума и направленные на Землю спутниковые антенны принимают дополнительный шум около 290 К. Наземные антенны, направленные на спутник, также принимают шум из космического пространства около 4 К через основной лепесток диаграммы направленности.

Поляризация электромагнитных волн

В неполяризованной электромагнитной волне колебания векторов напряженности электрических Е и магнитных Н полей происходят в каждой точке пространства по всевозможным направлениям (в плоскости перпендикулярной направлению распространения волны). Они быстро и беспорядочно сменяют друг друга и ни одно из этих направлений не является преимущественным.

В поляризованной электромагнитной волне в каждой точке пространства направление колебаний векторов сохраняется неизменным в течение полупериода или изменяется во времени по определенному закону.

Поляризация — это физическая характеристика излучения, описывающая направленность векторов — моментов электрического поля, распространяющейся электромагнитной волны.

К первому случаю относятся электромагнитные волны плоских поляризаций — вертикальной или горизонтальной. Ко второму — эллиптических и, как частный случай, круговых поляризаций.

За плоскость поляризации электромагнитной волны принимают плоскость, в которой находится вектор ее электрического поля Е и ось, вдоль которой данная волна распространяется.

Направление распространения электромагнитной волны в свободном пространстве и векторы ее напряженности магнитного Н и электрического Е полей всегда взаимно перпендикулярны (ортогональны), т.е. сдвинуты по отношению друг к другу на 90'.

Поскольку векторы Е и Н всегда взаимно ортогональны (рис. 2.9), то для направления распространения электромагнитной волны достаточно знать направление одного из векторов и для этого выбрано направление вектора Е. В плоско поляризованной электромагнитной волне электрическое поле распространяется в плоскости, и его вектор Е изменяется линейно от максимального положительного значения до максимального отрицательного. Его проекция на плоскость перпендикулярной плоскости распространения представляет собой

линию.

Отсюда, часто 'встречающееся другое название плоско поляризованных волн — электромагнитные волны линейной поляризации. С помощью соответствующих устройств — поляризаторов при передаче можно суммировать, а в устройствах приема можно разделять плоско (линейно) поляризованные электромагнитные волны вертикальной и горизонтальной поляризации. Они после разделения будут независимы друг от друга.

Сумма двух плоско (линейно) поляризованных электромагнитных волн, имеющих одинаковые частоты и амплитуды и смещенных друг относительно друга на четверть длины волны — на 90, приводит их к круговой поляризации (рис. 2.10), вращающейся или влево, или вправо. Если их смещение отличается от 90, то возникает волна эллиптической поляризации, также способная вращаться или влево, или вправо в направлении распространения.

Вектор напряженности электрического поля Е при круговой поляризации не изменяется по амплитуде и описывает во времени круг в плоскости перпендикулярной распространению. Отсюда и соответствующее название.

Поляризованные электромагнитные волны обладают важнейшим свойством: электромагнитные волны взаимно противоположных плоских поляризаций при приеме можно разделять. Это находит применение на практике для передачи разных телевизионных, программ по одним и тем же частотным каналам.

Благодаря поляризационным свойствам электромагнитных волн, выделенный частотный диапазон может использоваться повторно, что увеличивает его пропускную способность и снижает стоимость эксплуатации частотного канала.

При ретрансляции телепрограмм через спутники используются электромагнитные волны:

- двух видов линейных (плоских) поляризаций — вертикальной и горизонтальной;

- двух видов круговых поляризаций — с вращением электромагнитного поля вправо и влево .

Например, западноевропейские спутники INTELSTAT, ASTRA и др. излучают в основном электромагнитные волны линейных поляризаций: вертикальных или горизонтальных (V или Н), а российские спутники ГАЛС-1, ГАЛС-2, TDF-2 и т.п. — только круговых поляризаций (правосторонних — RC или левосторонних — LC). Теоретически наиболее подходящими для ретрансляции телевизионного вещания через спутники являются электромагнитные волны линейных поляризаций. Однако при прохождении электромагнитной волны линейной поляризации через атмосферу под действием магнитного поля Земли она может расщепляться на две составляющие — электрическую и магнитную, которые распространяются с разными скоростями в ионосфере. В результате между ними возникает сдвиг по фазе, приводящий к повороту плоскости поляризации электромагнитной волны, снижению ее мощности в антенне при приеме и к появлению дополнительных (кросс поляризационных) помех. Это явление заметно на частотах ниже 10 ГГц и здесь применяются электромагнитные волны исключительно круговых поляризаций, что в основном используется на российских спутниках. На частотах выше 10 ГГц такие потери незначительны. В этом случае применяются и электромагнитные волны линейных поляризаций.

Следует отметить, что применение электромагнитных волн взаимно противоположных поляризаций вызвано необходимостью увеличения пропускной способности выделенного частотного диапазона для ретрансляции телевизионных программ.

Возможность разделения электромагнитных волн по поляризации является важнейшим их свойством.

В первичном облучателе внешнего устройства при приеме электромагнитные волны круговой поляризации разделяются на электромагнитные волны горизонтальной и вертикальной поляризаций. Для этих целей используются электромагнитные, механические и другие поляризаторы.