A MŐHOLDVÉTELRİL ÁLTALÁBAN

Átírás

1 A MŐHOLDVÉTELRİL ÁLTALÁBAN Elızmények A mőholdas mősorsugárzás alapjának tekinthetı ötletet elıször Arthur C. Clarke írta le a Wireless World c. folyóiratban, 1945 októberében. A jelet egy égre "nézı" antenna sugározza ki egy Föld körüli pályán keringı mőhold felé. A jelet a mőholdon elhelyezett ismétlıállomás veszi, és több-kevesebb elektronikus feldolgozás után visszasugározza a földfelszíni vevıállomások számára. E vevıállomások bárhol lehetnek a mőhold által besugárzott területen, azaz a mőhold "lábnyomában". Geostacionárius pálya A hírközlési célokat szolgáló mőholdak többsége ún. geostacionárius pályán kering, mintegy km magasságban az Egyenlítı felett. Ez a mőholdpálya kitüntetett, mert az ott keringı mőholdak együtt forognak a Földdel, ezért a földfelszínrıl mindig azonos helyzetben lévınek látszanak. Alapfogalmak A mőholdas mősorátvivı rendszerek összetevıi: a Föld-mőhold (uplink) összeköttetés, valamint a mőhold-földfelszíni vevıállomások közötti (downlink) összeköttetés. A mőhold veszi a feléje sugárzott jelet, megváltoztatja a vivıfrekvenciát (keverés), és felerısítve a földfelszín kiválasztott részének irányába visszasugározza. A földi vevıállomásokon - a mőholdtól való nagy távolság miatt a vétel helyére érve erısen lecsökkent (szétszórodott) jelteljesítmény összegyőjtésére - egy antennát helyeznek el. Az antenna által összegyőjtött jel feldolgozását részben a vevınek az antennára épített elektronikus egysége végzi: ez az ún. külsıtéri egység. A vett jel a szükséges hosszúságú kábel közbeiktatásával az ún. beltéri egységbe jut, amely tovább csökkenti a vivıfrekvenciát, és a tv-készülék által feldolgozhatóvá alakítja. Mikrohullámok A mőholdas átvitelben a "hordozóeszköz" a mikrohullámú elektromágneses sugárzás. Valamennyi elektromágneses sugárzás (légüres térben) azonos sebességgel, fénysebességgel terjed. A frekvencia növekedésével a hullámhossz csökken. A mikrohullámok frekvenciája az 1-30 GHz-es tartományba esik, hullámhosszuk pedig 30 és 1 cm közé. Miért a mikrohullámot alkalmazzák? A nagyobb frekvenciájú elektromágneses hullámok potenciálisan nagyobb mennyiségő információt tudnak továbbítani, mivel a frekvencia növekedésével az információ átviteléhez szükséges sávszélesség a mőködési frekvencia egyre kisebb hányadává válik. Mivel a mikrohullámú sávban a kisebb frekvenciákhoz képest nagyobb sávszélességek állnak rendelkezésre, nagyobb csatornakapacitások is használhatók. A mikrohullámú sávban állnak rendelkezésre azok az élesen irányított antennák, amelyekkel a leghatékonyabban lehet a földi adók teljesítményét a parányinak látszó mőhold felé továbbítani. Az elektromágneses hullámok ugyanis annál jobban fókuszálhatók, minél nagyobb az antenna mérete a hullámhosszhoz képest. A mikrohullámú összeköttetések kevésbé érzékenyek a légköri zavarokra, mint a kisebb frekvenciájú összeköttetések. 1/6

2 A mikrohullámok fontos tulajdonsága, hogy át tudnak hatolni az atmoszféra felsı rétegein. A 30 MHz alatti hullámok pl. visszaverıdnek. Polarizáció A szabad térben terjedı elktromágneses síkhullám terjedési iránya, az elektromos és mágneses térerısség (vektora) minden pillanatban merılegesek egymásra. Polarizációs síknak nevezzük az elektromos tér síkját. Két egymásra merıleges (pl. vízszintes és függıleges) polarizációs síkú elektromágneses hullám az adás és vétel helyén megfelelı eszközökkel egymástól függetlenül létrehozható ill. szétválasztható. Két, egymástól negyed hullámhossznyira (lambda negyed) eltolt síkhullám összege ún. cirkuláris (forgó) polarizációra (körpolarizáció) vezet, amely lehet jobbra és balra forgó. A szembeforgó körpolarizált hullámok a merıleges síkhullámokhoz hasonlóan szétválaszthatók. E szétválaszthatóság az alapja annak, hogy az egyébként azonos hullámhosszúságú (frekvenciájú) merıleges síkhullámok vagy a szembeforgó körpolarizált hullámok különbözı információk (pl. tv-mősorok) hordozói lehetnek. Jelátvitel, moduláció Minden mőholdon keresztül továbbítandó üzenetet rádióhullámok által továbbíthatóvá kell alakítani. Analóg a kódolás akkor, ha az üzenetet hordozó jel nagyságával pillanatrólpillanatra arányos feszültséget továbbítunk. Digitális kódolás esetén a 0 és 1 szimbólumok (számok) sorozatával történik az információátvitel. Jelenleg elsısorban analóg formában történnek a tv-adások, de a tökéletesebb minıségő átvitel igénye és az elektronika teljesítıképességének növekedése lassan elvezet a digitális moduláció szélesebb körő alkalmazásához. Az analóg vagy digitális jelekkel rádióhullámokat modulálnak: a kódolt üzenetet hordozóra ültetik. Az üzenetet hordozó vivıhullám már továbbítható. Egy vivıhullám legegyszerőbben a modulálójelnek megfelelı be- és kikapcsolgatással modulálható. Ezt az eljárást a morzetávíró rövid és hosszú jeleinek, ill. szüneteinek (kikapcsolás) átvitelére használják. A moduláció másik közismert módja az amplitúdómoduláció (AM) és a frekvenciamoduláció (FM), mindkettıt kiterjedten alkalmazzák a mősorszórásban. Az amplitúdómoduláció a vivıhullám nagyságát változtatja az átvinni kívánt üzenetet hordozó jel pillanatnyi nagyságának megfelelıen. A frekvenciamoduláció a vivıhullám frekvenciáját változtatja pillanatról-pillanatra. Mindkét eljárásnak vannak elınyei és hátrányai. Egyrészt az AM jeleknek viszonylag nagy teljesítményőeknek kell lenniük, ha nagy távolságra kívánjuk eljuttatni ıket, különben túlságosan legyengülnek a légköri zavarokhoz és más zajforrások keltette zavarokhoz képest. Másrészt az FM jelek zavarmentes nagy távolságú továbbításához kisebb teljesítmény is elég, de ehhez azonos mennyiségő átvinni kívánt információ esetén lényegesen nagyobb sávszélesség (elfoglalt frekvenciatartomány) szükséges. A kisebb teljesítményszükséglet az oka annak, hogy a mőholdas hírközlésben gyakran alkalmaznak frekvenciamodulációt. A földfelszín és a mőhold közötti nagy távolságon a jelteljesítmény olyannyira lecsökken, hogy az amplitúdómodulált átvitel nem sok sikert hozhat. A frekvenciamoduláció viszont elszakadást jelent a földfelszíni tv-mősorszórási gyakorlattól, a jelenleg használatos tvkészülékek nem alkalmasak az FM jelek közvetlen demodulálására. Sávszélesség Egy nagyobb frekvenciasávot elfoglaló jel több információt hordozhat. Az elfoglalt frekvenciasávot sávszélességnek nevezzük. A földfelszíni sugárzásnál ill. kábelhálózatoknál egy tv-mősor sávszélessége 7-8 MHz. A mőholdas FM mősorátviteli gyakorlatban ennek négy-ötszörösét alkalmazzák (tipikusan 30 MHz körül). 2/6

3 Erısítés és csillapítás A jeleket útjuk során gyakran erısíteni kell, hogy meg lehessen ırizni az általuk szállított információk hőségét. Minden hírközlési berendezés demodulálás elıtt felerısíti a vett jelet. A földfelszíni adó által a mőhold felé sugárzott jelek pl. nagyon legyengülnek a mőholdig megtett útjukon a szétszóródás, a vízgız és a felhık miatt, valamint más anyagokban való elnyelıdés következtében. Elıfordul, hogy a jeleket szándékosan csillapítják. Ha pl. egy kábelhálózati fejállomás túlságosan nagy jelet adna a hálózatba, akkor a készülékek túlvezérlésének, a torzítások fellépésének elkerülésére csillapítókat iktatnak be a jelteljesítmény csökkentésére. Zaj Tökéletes rendszerben zavaró interferencia és zajok nélkül lehetne továbbítani a jeleket. A zaj azonban minden nem abszolút nulla hımérséklető anyagban jelen van a molekulák hımozgása következtében. Az ún. termikus zaj a környezet hımérsékletével együtt nı. A mőhold Föld felé irányított antennái zajt vesznek a Föld felületérıl. Egy átlagos napon ennek hımérséklete 290 K (Kelvin). Az antennával megcélzott mőhold mögötti őr is termel zajt, kb. 4 K-nek megfelelıen, az ısrobbanás, a "big bang" következtében. A vevıantennák annál többet vesznek a termikus zajból, minél nagyobb a vevırendszer sávszélessége. További zajok származhatnak a jelfeldolgozásra használt elektronikus eszközöktıl is. A nem a vevıberendezésnek szánt mesterséges jelek szintén zajként vehetık figyelembe, ezt interferenciának nevezzük. A földfelszíni hírközlı rendszerek jelei bejuthatnak pl. a mőholdvételre szánt vevıberendezésbe (TI: terrestrial interference). Mőholdas hírközlı rendszerekben a zaj mindig jelen van. Az összeköttetés minıségét a jel és zajteljesítmények viszonyával, a jel-zaj viszonnyal lehet jellemezni. Jó minıségő tv-mősorátvitelnél a jelnek kb szeresen kell meghaladnia a zajt (demodulátor utáni, alapsávi jel-zaj viszony). A mőholdak frekvenciaterve Három sávban engedélyezik a tv-mősorok sugárzását: 10,70-11,70 GHz: ECS (European Communication Satellite) sáv. 11,70-12,50 GHz: DBS (Direct Broadcasting Satellite) sáv. 12,50-12,75 GHz: TELECOM sáv. A mőholdvevı rendszer Kétfajta létezik: Egy mőholdat vevı rendszer. Ebben az esetben csak egy mőholdat kívánunk venni. Az antennát fixen rögzítjük. Több mőholdat vevő rendszer (motoros állítású). Ebben az esetben szükségünk van egy motorra és egy motorvezérlő készülékre. A motor állítja az antennát egyik mőholdról a másikra. Az antenna nincs fixen rögzítve, elfordítja a motor. Több mőholdat vevı rendszer (fix antennával). Ebben az esetben az antennába a szokásos 1 ill. 2 fej helyett többet helyeznek el. Természetesen a többi fej csak a "hamis fókusz"-ba kerülhet, így az általuk vett jel gyengébb az igazi fókuszpontban levı fej által vettnél. Megfelelı mőholdteljesítmény és vevıantenna-méret esetén nem okoz gondot ez a jelveszteség. Ez a megoldás csak egymáshoz közel levı mőholdak esetén hoz jó eredményt. Az Astra és Eutelsat azon mőholdja (Hot Bird) esetén, ahol a Duna TV és az MTV 2 található, az eltérés 6,2 fok. 3/6

4 Az antennarendszer A mőholdról jövı, erısen csillapított jeleket össze kell győjteni és egy pontba fókuszálni, hogy tv-jellé dolgozhassuk fel. Ha az antenna reflektora parabola alakú, akkor minden beérkezı hullámot a fókuszpontba győjt össze. Ide kell helyezni a fejegységet. A leggyakrabban használt antennatípusok Prímfókuszos antenna: szimmetrikus felépítéső, a sugárzót a középpontban helyezik el. o Elınyei: könnyebb beállíthatóság (a helyes fókuszpont könnyebben megtalálható). o Hátrányai: mivel a sugárzó középen helyezkedik el, eltakarja az antenna legjobban "világító" részét (ez kis jelveszteséget jelent); az emelkedési szöge nagyobb, így télen az esetleges hó könnyebben marad az antennában (ez is jelveszteség). Ofszetantenna: ez egy prímfókuszos antennából kivágott szegmens, mégpedig oly módon, hogy a fej ne takarja az antenna közepét. o Elınyei: kis emelkedési szög (nem áll meg benne annyira a hó). o Hátrányai: az aszimmetrikus elrendezés miatt erısen romló keresztpolarizációs jellemzık. Az antennák fı jellemzıi Nyereség: A bejövı hullámok fókuszálásának ugyanaz az eredménye, mintha felerısítenénk ıket. Ezért beszélhetünk az antenna nyereségérıl. Egy 180 cm átmérıjő antenna nyeresége kb. 45 db. Minél nagyobb az antenna átmérıje annál nagyobb a nyeresége. Minél nagyobb a beérkezı hullámok frekvenciája, annál nagyobb a nyereség. Ezt az magyarázza, hogy a nagyobb frekvenciájú hullámokat könnyebben lehet fókuszálni. Ezért a frekvenciát is meg kell adni, amikor egy antenna nyereségét megadjuk. Hatásfok: A felületi rendellenességek, az abszorpció (elnyelés), a takarás (amit a fej okoz), valamint a túlsugárzás ill. alulsugárzás következtében az antenna veszít a hatásfokból. A mai antennák hatásfoka % között mozog. Nyalábszélesség: meghatározza, hogy a mőholdat milyen pontosan lehet "megcélozni". Minél kisebb a nyalábszélesség (a fınyaláb félteljesítményő pontjainak fokokban megadott távolsága), annál kevésbé vesz az antenna zajokat más nem kívánt forrásokból és irányokból. f/d tényezı: a fókusztávolság és az antennaátmérı aránya jelzi, hogy mennyire "mély" az antenna. Általában, minél kisebb az f/d viszonyszám, annál védettebb a földfelszínrıl érkezı zajjal szemben. Értéke általában: 0,30-0,40. A sugárzó Feladata, hogy a lehetı legjobban összegyőjtse az antenna által koncentrált hullámokat a polarizátor, vagy az LNC hullámvezetı részébe, kiküszöbölve vagy csökkentve ezel a nem fıirányból jövı zajokat. A sugárzó f/d tényezıje: meghatározza, hogy a sugárzó milyen antennához tartozik: az antenna és a sugárzó f/d-jének azonosnak kell lennie. Ha eltérıek, túlsugárzás vagy alulsugárzás következhet be. Túlsugárzás akkor alakul ki, ha a sugárzó látószöge kisebb mint az antennáé, ekkor a sugárzó a rendelkezésre álló jelnek csak egy részét veszi, ami jelentıs veszteséghez vezethet. 4/6

5 A polarizátor Hogy növeljék a rendelkezésre álló csatornák számát, a mőholdon ellentétesen polarizálják az adók az egymás melletti csatornákon a hullámokat. Így a csatornák egymáshoz közelebb helyezkedhetnek el anélkül, hogy egymást zavarnák. Ezért a mőholdvevı rendszernek a csatornák között nemcsak a frekvencia, hanem a polarizáció szempontjából is megkülönböztetést kell tennie. Lineárisan polarizált hullámok: lehetnek függılegesen vagy vízszintesen polarizált hullámok. A polarizátor gondoskodik arról, hogy a bejövı hullám a megfelelı síkban érkezzen a kicsatoló szondára. Körkörösen polarizált hullámok: lehetnek jobbsodrásúak (RHC) vagy balsodrásúak (LHC). Elıször ezeket a hullámokat lineárisan polarizált hullámokká kell alakítani egy 1/4 hullámhosszú transzformátornak (ez rendszerint egy a polarizátor hullámvezetıjébe szerelt teflonlemez). Ezt követıen a feldolgozás a lineárisan polarizált hullámokhoz hasonló módon történik. Keresztpolarizációs csillapítás: egy polarizátor esetében a legfontosabb paraméter. Ez jelenti, hogy milyen mértékben tudja megkülönböztetni a kétféle polarizációt (pl. vízszintes és függıleges). Értéke általában db között van. Beiktatási csillapítás: a polarizátor kismértékben csillapítja a rajta áthaladó hullámokat. Ennek a veszteségnek a lehetı legkisebbnek kell lennie. Értéke általában 0,2-0,4 db. Polarizátortípusok Mechanikus: manapság inkább közösségi rendszerek fejállomásain használják, ahol szükség van a két polarizáció két külön fejjel történı vételére. Motoros: ezek belsejében motor található, amely a kicsatolószonda állását változtatja. A motort a beltéri egység vezérli 0,4-2,2 ms-os impulzusokkal. A vett impulzustól függıen a szonda jobbra vagy balra fordul el. Mágneses: ezeket a beltéri egység árammal vezérli. Belsejében egy tekercs mágneses erıteret hoz létre, amely a hullámot elforgatja. Elınye, hogy nem tartalmaz mozgó alkatrészt. Kis zajú blokk-konverter (LNC) Az LNC elıször a mőholdról érkezı gyenge jelet erısíti fel, ami nagyon kis zajú tranzisztorokkal történik, hogy a lehetı legtöbb zajt kiszőrje. Az erısítés értéke általában db, a zajtényezı pedig 1,0 db alatti. Ezután alacsonyabb frekvenciára keveri át a jelet. Itt különféle variációk lehetségesek, attól függıen, hogy az LNC hány sávot tud venni ill. milyen oszcillátor (oszcillátorok) vannak beépítve. Egy korszerő LNC amely 10,70-12,75 GHz között vesz (ezzel minden mostani és jövıbeli Ku sávú analóg és digitális adás vehetı) két oszcillátort tartalmaz. Pl. a felosztás lehet a következı: 1. Oszcillátor: 9,75 GHz, ezzel a 10,70-11,70 GHz közötti jeleket lekeveri MHz közé. 2. Oszcillátor: 10,75 GHz, ezzel a 11,70-12,75 GHz közötti jeleket lekeveri MHz közé. Így egy MHz bemeneti sávszélességő beltérivel mindent lehet venni. 5/6

6 Kábelek A fej és beltéri között koaxiális kábel, impedanciája jellemzıen 75 ohm. A csillapítást megadhatják pl. úgy, hogy 100 m-en mennyi a kábel csillapítása, ha 20 db-nél nagyobb, ajánlatos vonalerısítıt alkalmazni az LNC és a beltéri között. Egy jó, mőholdas koaxkábel csillapítása 100 m-en 900 MHz-en db, 1800 MHz-en db. Tehát elmondható, hogy otthoni körülmények között méteres maximális távolság esetén, általában nem szükséges erısítıt alkalmazni. A mőholdvevı beltéri egység Számos funkciója, tulajdonsága kell, hogy legyen, például: A ( , újabb típusoknál akár ) MHz közötti sáv jeleit átalakítja a tv-készülék számára "fogyaszthatóvá". Lehetıvé teszi videomagnó csatlakoztatását. Kompatibilis különféle dekóderekkel (pl. Videocrypt, Eurocrypt). Vezérli az LNC-t (sávváltás, polarizáció kiválasztása). Vezérli a polarizátort (külön polárváltó alkalmazása esetén). Lehetıleg távirányítható legyen. Megfelelı számú memóriahellyel rendelkezzen a venni kívánt programok számára. Fontosabb jellemzık: Küszöbszint: (threshold) azt határozza meg, hogy a készülék mennyire érzéketlen a zajjal szemben. Egy alacsony küszöbszintő vevı jó képminıséget tud biztosítani akkor is, ha a bejövı jel nagyon zajos. Értéke 6 db körüli, de vannak 4 db alatt tudó beltérik is. KF sávszélesség: ha értéke nagy, a vevı szép képet ad jó kontraszttal. Természetesen nagy KF sávszélesség mellett több a vett zaj is, de ez nem befolyásolja a kép minıségét, amíg a küszöbszint megfelelı. Ha értéke kicsi, a kontraszt már nem olyan jó, viszont kevésbé lesz érzékeny a vevı a zajra. Értéke általában 27 MHz. Dinamikatartomány: azt jelzi, hogy mennyit változhat a bemenı jel szintje anélkül, hogy ez észlelhetı változást okozna a kép minıségében. Értéke általában -60 és -30 dbm között van. 6/6