В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Известные проекты отечественных систем непосредственного подвижного спутникового радиовещания на базе спутников-ретрансляторов “ Экспресс-РВ”, “Полярная звезда" и др. предусматривают использование высокоэллиптических орбит (ВЭО). Ориентация на ВЭО обусловлена стремлением повысить рабочий угол места в высокоширотных областях, сделав возможным применение слабонаправленных абонентских антенн, не требующих позиционирования на спутник. Однако использование ВЭО для круглосуточного вещания предполагает необходимость разработки и запуска от трех до семи специализированных спутников с суммарным энергопотреблением каждого 14-16 кВт, что обойдется не менее чем в $1-2 млрд. Помимо затрат на создание и восполнение орбитальных группировок, стоимость каждой системы будет включать затраты на создание сетей наземных ретрансляторов, обеспечивающих подвижный прием в условиях городской застройки, а также финансовые вложения в разработку и производство абонентских станций. С учетом того, что ожидаемое число отечественных абонентов (автомобилистов) не превышает 150 тысяч, перспективы экономической окупаемости спутниковых радиовещательных систем с ретрансляторами на ВЭО достаточно сомнительны [1, 2].
Еще одним препятствием на пути практической реализации всех известных проектов является отсутствие в настоящее время свободных участков радиочастотного спектра в предусматриваемых для их работы S- и L-ди-апазонах. Задача высвобождения участка протяженностью до нескольких мегагерц в частотной области, традиционно занимаемой радиосредствами Министерства обороны РФ, и введения его в национальную таблицу распределения полос частот является, очевидно, непростой и быстро не разрешится [1, 2].
Таким образом, анализ существующих проектов отечественных систем непосредственного подвижного спутникового радиовещания с ретрансляторами на ВЭО позволяет сделать вывод о малой вероятности их практической реализации в ближайшее десятилетие. Косвенным подтверждением этого вывода является то обстоятельство, что ни один из ранее анонсированных проектов подобных систем от ведущих операторов спутниковой связи и вещания в последних публикациях данных организаций не упоминается [3, 4].
Возможной альтернативой радиовещательным системам со спутниками на ВЭО могут стать системы на базе геостационарных спутников вещательной и фиксированной служб, отработавших установленный ресурс [5]. Такие спутники, выработавшие запасы рабочего тела в системах стабилизации, дрейфуют вокруг своей орбитальной позиции, что делает невозможным работу с ними земных станций с фиксированными антеннами и служит причиной их вывода из эксплуатации, несмотря на то что бортовые подсистемы, как правило, находятся в работоспособном состоянии. Использование этих аппаратов в качестве ретрансляторов для систем непосредственного подвижного радиовещания решает практически все проблемы, присущие системам со спутниками на ВЭО.
Так, снимается главная проблема - необходимость многомиллиардных безвозвратных капитальных затрат на разработку специальных спутников и бортовых ретрансляционных комплексов непосредственного подвижного радиовещания, развертывание и восполнение соответствующих орбитальных группировок. Группировка отработавших свой ресурс спутников на геостационарной орбите (ГЕО) уже существует - операторы не спешат уводить старые спутники из точек стояния, стремясь продлить срок их эксплуатации или сохранить орбитальные позиции. Восполнение этой группировки происходит естественным образом по мере выработки рабочего тела в системах стабилизации новых космических аппаратов. Таким образом, единственной затратой на создание космического сегмента систем спутникового радиовещания будет оплата аренды частотного ресурса.
Проблема с выделением полосы частот под вновь создаваемую систему снимается за счет перехода на работу в Ku-диапазоне, изначально выделенном для вещательной службы. Основная масса транспондеров спутников вещательной и фиксированной служб на ГЕО работает именно в Ku-диапазоне, а зоны покрытия соответствующих антенных систем позволяют обеспечить вещанием практически любую область земного шара.
Естественно, что использование ретрансляторов на ГЕО приведет к снижению качества подвижного приема в высокоширотных областях, а вещание в Ku-диапазоне потребует использования в составе приемных станций направленных антенн, позиционируемых на спутник в движении. Однако число потенциальных пользователей услуг подвижного спутникового радиовещания в Заполярье невелико, а создание следящих антенных систем для абонентских станций не является в настоящее время сколь-либо сложной или дорогостоящей технической задачей. Преимущества концепции полностью перевешивают ее недостатки, ведь практически единственное, что требуется в этом случае для создания системы, - наладить серийное производство приемных станций.
Вариант приемной станции для радиовещательных систем на базе старых спутников, разработанный в рамках проекта Ku-Mobil, был представлен Европейским космическим агентством (ЕКА) на международной выставке космических технологий Space Expo в 2007 году [5]. Станция вела прием в формате собственной разработки ЕКА, реализующей концепцию “кэш-радио". Концепция предусматривала передачу вещательных программ в виде потока файлов, содержащих аудио- и управляющую информацию и накапливавмых в кэш-памяти приемника. Воспроизводимая программа составлялась процессором из принятых файлов и аудиоматериалов, хранимых в долговременной памяти приемника, - таким образом у абонента создавалась иллюзия непрерывного приема даже при потере сигнала из-за экранирования спутника зданиями в городских условиях, в тоннелях и т.д. Прием велся на малогабаритную зеркальную антенну с механическим сканированием и программным наведением на базе гиростаби-лизированной платформы с GPS-нави-гатором. В целом станция Ku-Mobil получилась достаточно сложной, дорогой и крупногабаритной.
Альтернативный проект приемной станции разработан на кафедре радиотехники и телекоммуникаций Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. В основе подхода СПбГПУ лежит предложение вести передачу через старые спутники в стандарте наземного цифрового радиовещания DRM - абонентские станции в этом случае будут представлять собой простые приставки к автомобильным приемникам DRM. Достоинствами подхода являются сокращение сроков и стоимости разработки приемных станций, а также отсутствие необходимости развертывания наземных ретрансляторов - при въезде в город абоненты системы смогут переключаться на эфирные антенны и продолжать вести прием с наземных станций DRM. Выбор стандарта DRM обусловлен его преимуществами перед другими стандартами цифрового радиовещания, рассмотренными в [6]. Дополнительным аргументом в пользу данного стандарта является то, что производство аппаратуры DRM уже осваивается отечественными предприятиями - так, например, устройства формирования сигналов DRM разрабатываются ОАО “МАРТ" (г. Санкт-Петербург), а автомобильные приемники -ОАО “Сарапульский радиозавод-холдинг". Поднятие группового сигнала стандарта DRM на спутник в техническом плане не представляет принципиальных сложностей и сводится к сдвигу его спектра в область Ки-диапазона и усилению.
Схема приемной станции разработки СПбГПУ приведена на рис. 1. Радиовещательные сигналы Ku-диапазона принимаются планарной фазированной антенной решеткой (ФАР) с электрическим сканированием луча, устанавливаемой на крыше транспортного средства. В качестве элементарных излучателей используются ортогональные ми-крополосковые вибраторы, позволяющие принимать сигналы линейной поляризации независимо от взаимной ориентации антенн приемной станции и спутника-ретранслятора. Сканирование луча обеспечивается за счет управления параметрами канальных фазовращателей (ФВ).
Позиционирование главного лепестка диаграммы направленности ФАР на спутник при маневрах транспортного средства осуществляется методом его автосопровождения (АС) по направлению с использованием пилот-сигнала (ПС), транслируемого вместо одной из DRM-станций или в промежутке между соседними станциями. Применение ПС позволяет использовать простую схему одноканального амплитудного пеленгатора, реализующего равносигнальный метод. В качестве антенн пеленгатора используются четыре квадранта ФАР, суммарные сигналы которых поочередно подключаются к приемнику канала АС pin-диодным коммутатором (КОМ). Период опроса квадрантов подобран таким образом, чтобы обеспечить реакцию системы АС на допустимые маневры транспортного средства. Приемник канала АС включает в себя малошумящий усилитель (МШУ), тракт промежуточной частоты (ПРЧ) и амплитудный детектор (ДЕТ). После оцифровки сигналы с детектора подаются на управляющий процессор (УПР), где рассчитываются значения отклонений главного лепестка диаграммы направленности ФАР от равносигнального направления в двух плоскостях и величины фазовых сдвигов ФВ, компенсирующих эти отклонения. Через преобразователь кодов (ПРК) управляющие сигналы поступают на ФВ непосредственно (для pin-диодных ФВ) или после цифро-аналогового преобразования (для сегнетоэлектрических ФВ). Функции преобразователя кодов включают буферизацию последовательного кода, поступающего из процессора, и одновременную выдачу сигналов управления ФВ в виде параллельных адресных кодов по сигналу считывания. Режиму АС предшествует режим поиска, инициируемый после включения станции и заключающийся в сканировании луча в рабочем секторе ФАР до обнаружения ПС “своего" спутника. Переход на прием с другого спутника может быть осуществлен изменением частоты ПС.
Канал приема радиовещательных программ включает в себя блоки МШУ и ПРЧ, в целом аналогичные используемым в приемнике канала АС. Отличие заключается в различной ширине полос пропускания: приемник канала АС узкополосный и настроен на ПС, вещательный приемник широкополосный и пропускает весь рабочий диапазон. Выходной сигнал, усиленный и преобразованный из Ки-диапазона в диапазон 0,15...30,0 МГц, поступает на оконечное устройство (ОУ), в качестве которого выступает приемник DRM. Настройка станции на рабочую частоту производится органами управления приемника.
Параметры ФАР, необходимые для устойчивого функционирования каналов приема и АС, определены по результатам компьютерного моделирования радиолинии “передающая земная станция - спутник - подвижная приемная станция”. В качестве исходныхданных бортовых ретрансляционных комплексов использовались характеристики старых спутников Hot Bird (вещательная служба) и “Экспресс-А" (фиксированная служба). Мощность передающей земной станции была принята равной 50 Вт, диаметр антенны -3,5 м. За исходные данные группового DRM-сигнала были взяты характеристики его наименее помехоустойчивой части - канала MSC, передаваемого с использованием метода модуляции QAM-16 и сверточного кодирования. Моделирование приема проводилось для наихудших условий, включающих максимально возможные интенсивности осадков на линиях “вверх" и “вниз”, минимальное усиление ФАР, соответствующее отклонению луча на 70° от нормали к антенне, и сопутствующее повышение ее шумовой температуры. Установлено, что прием со спутников вещательной службы на скорости 128 кбит/с с вероятностью битовой ошибки менее 106 обеспечивается 48-элементной планарной ФАР размером 65x65 см (при приеме со спутников фиксированной службы значение скорости снижается до 16 кбит/с). Суммарные сигналы с 12-элементных квадрантов, ответвляемые в канал АС, в наихудших условиях приема обеспечивают на входе детектора отношение “несущая-шум” не менее 10 дБ, что достаточно для нормальной работы канала. Таким образом, 48-элементные ФАР обеспечивают прием радиопрограмм и автосопровождение спутника при маневрировании транспортных средств на географических широтах до 65° включительно. Производство подобных антенн в технологическом плане не представляет сложностей и уже освоено отечественными предприятиями - в качестве примера можно привести изделия ООО “Резонанс” (г. Санкт-Петербург).Ширина полосы пропускания канала приема (и соответственно число станций, принимаемых без перестройки гетеродина) определяется минимально допустимым отношением “сигнал-шум” на входе оконечного устройства. При использовании в качестве ОУ приемника “Орленок-Авто" производства ОАО “Сара-пульский радиозавод-холдинг" эта величина должна быть не ниже 20 дБ. Расчетами показано, что данное отношение обеспечивается, если полоса пропускания канала приема не превышает 0,25 МГц. Таким образом, в полосе приставки может приниматься 27 станций DRM при ширине полосы частот одной станции 9 кГц, и 54 станции при полосе станции 4,5 кГц. Усилительно-преобразовательные тракты каналов приема и АС могут быть построены по схеме с двойным преобразованием частоты на базе технических решений, используемых в серийных малошумящих блоках Ки-диа-пазона - при втором понижении частоты с 900 МГц до 10,7 МГц обеспечивается перенос сигнала в центральную часть диапазона DRM.
Внешний вид приставки в рабочем и сложенном состоянии приведен на рис. 2. Нерегулируемая аппаратура каналов приема и АС является выносной и размещается на одном из квадрантов ФАР во влагонепроницаемом кожухе. Напряжение питания подается по радиочастотному кабелю, соединяющему выход приставки со входом приемника DRM. Крепление устройства на крышах транспортных средств может производиться болтовым или магнитным соединением. Небольшие габариты позволяют использовать приставку на личном автотранспорте, однако представляется, что основную массу абонентов отечественного спутникового радио будут составлять пассажиры поездов дальнего следования и водители грузовых автомобилей, осуществляющих дальние грузоперевозки.
Учитывая все вышеперечисленное, мы приходим к следующим выводам:
Задел кафедры радиотехники и телекоммуникаций СПбГПУ в области подвижного спутникового радиовещания может быть использован при проведении хоздоговорных научно-исследовательских работ по заказам заинтересованных организаций.
Литература
Опубликовано: Журнал "Broadcasting. Телевидение и радиовещание" #6, 2010
Посещений: 13816
Статьи по теме
Автор
| |||
В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
