Особенности приема спутникового сигнала. Часть первая, геометрическая

Пролог

Несмотря на то, что спутниковое телевидение существует не одно десятилетие, а количество абонентов по всему миру измеряется сотнями миллионов, в своей работе мы часто сталкиваемся с непониманием технологии трансляции со стороны заказчиков и интеграторов. Иногда ошибки проектирования всплывают на этапе ПНР и происходит FAIL срыв сроков, непредвиденные расходы и другие неприятности. Надеемся, данный цикл статей позволит избежать подобных ситуаций в будущем. В данных статьях не будет теоретических выкладок – исключительно полезная с практической стороны информация.

Лучи

Идея использования спутников для телевизионного вещания заключается в том, что с помощью ретранслятора, находящегося в космосе, можно покрыть сигналом гораздо большую территорию, чем с помощью ретранслятора, находящегося близко к поверхности Земли. Но для того, чтобы пользователям не приходилось применять сложное оборудование позиционирования/слежения за спутником, последний всегда должен находиться в одном положении относительно поверхности Земли. То есть иметь постоянные координаты (широту, долготу и высоту).
Из постоянства высоты следует, что орбита должна быть круговой, из постоянства долготы – что период обращения спутника должен совпадать с периодом вращения Земли в направлении вращения планеты, а из постоянства широты – что спутник должен находиться над экватором (это легко представить себе, учитывая, что спутник должен обращаться вокруг центра Земли). Такая орбита называется геостационарной. Можно, почесав затылок, вспомнить школьный курс физики и рассчитать параметры такой орбиты. Или просто открыть Википедию и узнать, что радиус орбиты составляет 42 164 км (высота над поверхностью – 35 786 км), скорость движения – 3,07 км/с.

Так как для наблюдателя на Земле спутник неподвижен, его местонахождение называется точкой стояния. Широта для всех таких спутников всегда – 0°, поэтому для указания координаты спутника обычно используют только один параметр – долготу. Если встать лицом к экватору (к югу в северном полушарии), то перед нами откроется следующая картина

Вернемся к высоте. Спутник удален от планеты на расстояние практически в 3 диаметра, что позволяет ему "видеть" всю обращенную к нему сторону Земли с углом обзора всего около 18 градусов. Однако, есть нюансы:

1. Ввиду приплюснутости Земли сигнал со спутника, находящегося на геостационарной орбите, невозможно принять в крайних широтах. С 81 градуса до полюсов орбита не видна совсем. Фактически уже с 75 градуса принять сигнал становится сложно, так как спутник "висит" настолько низко над горизонтом, что скрывается за естественными или искусственными неровностями.

2. Трансляция тех или иных телеканалов происходит не на всю поверхность, видимую со спутника, а сфокусирована на определенной территории. Таким образом, нахождение в зоне видимости спутника ещё не означает возможность приема сигнала. А нахождение в зоне луча означает лишь возможность приема телеканалов в данном луче, но не всех телеканалов на данном спутнике. Основная причина пространственного разделения вещания кроется в ограниченности радиочастотного ресурса. Также используется поляризационное разделение, но о нем мы поговорим во второй части. Пространственное разделение позволяет использовать одни и те же частоты для вещания на различные территории. Сюда же часто накладываются энергетические и правовые ограничения. Вот пример так называемого отпечатка (footprint) для всеми любимого спутника Eutelsat W4 36E.

   

   Следует также обратить внимание на различия в силе сигнала в разных частях зоны покрытия. Исходя из силы сигнала можно рассчитать размер антенны, необходимой для стабильного приема.

   Уровень мощности, dbW	Диаметр антенны, м
   53	0.6
   48	0.8
   45	1.1
   42	1.5
   40	1.8

3. Еще один неприятный эффект, о котором нужно помнить, связан с солнечной засветкой (солнечной интерференцией), когда приемная антенна, спутник и Солнце встают на одну линию и солнечное излучение зашумливает сигнал, существенно снижая его качество. В некоторых случаях его не получается принять совсем, а лучи Солнца, сфокусированные антенной могут расплавить конвертер. Этот эффект свойственен для всех спутников, но для геостационарных проявляется особенно ярко. Проблема наблюдается дважды в год в периоды весеннего (20-21 марта) и осеннего (21-22 сентября) равноденствия и длится не более 15 минут.

Антенны

Существует множество видов спутниковых антенн: всенаправленные, бегущей волны, ФАР, но для приема спутникового ТВ обычно используются зеркальные – на них и остановимся. Называются эти антенны так потому, что содержат в своей конструкции зеркало (рефлектор), металлическая поверхность которого отражает спутниковый сигнал и фокусирует его на конвертере (он же LNB, он же "головка").
Зеркальные антенны делятся на осесимметричные и офсетные. Первые обладают симметричным зеркалом, а конвертер устанавливается в точке фокуса перед ним (прямофокусная антенна). Также могут использоваться двузеркальные схемы, когда в фокусе основного зеркала устанавливается контр-зеркало, а конвертер уже в его фокусе. Основная проблема подобных антенн в том, что облучатель и его крепеж затеняют часть основного зеркала антенны, поэтому такую схему применяют, как правило, на антеннах большого диаметра (от 1,5 метров).
Офсетные антенны вырезают из параболического зеркала. Облучатель смещен и не затеняет антенну, что позволяет изготавливать антенны малого размера. Кроме того, устанавливаются офсетные антенны более "вертикально", а иногда и вовсе с отрицательным наклоном, например для приема сигнала с 85Е в Москве. Благодаря такому положению они менее подвержены влиянию погодных условий – накоплению пыли, снега или обледенению. Однако офсетные зеркала большого размера сложнее в изготовлении, чем прямофокусные.

Нельзя не упомянуть про мультифид – специальное крепление, позволяющее установить несколько конвертеров на одно зеркало так, что каждый из них окажется в фокусе своего спутника. Но, увы, – принять сигнал получится лишь с близких орбитальных позиций, а также придется искать компромисс между разными направлениями и жертвовать качеством сигнала.

Итак,

если Вы решили построить антенный пост, то:

1. Найдите такое место установки антенны, где будет возможен прием нужного луча нужного спутника.
2. Убедитесь, что никакие объекты не попадают на линию спутник-антенна.
3. Определите необходимый размер антенны. Купите, смонтируйте и настройте её на нужный спутник.
4. Кроме того, Вам понадобится конвертер, но речь о нем пойдет в следующей части.

Продолжение:

Часть вторая. Радиоволновая.

Часть третья. Цифровая.