ABC-ului receptiei prin satelit!

[gessle]

Broadcast Engineering Basics


This is mainly about broadcast engineering, and the elements of the system that software developers don't usually see. This is by no means complete, and is nothing more than a sketch to show you some of what goes on in the rest of the system. A typical digital TV transmission setup looks something like this:
The components that make up a typical broadcast system.
This equipment is normally all connected together using high-speed connections like SDI (Serial Digital Interface) or ASI (Asynchronous Serial Interface) which are standard in the TV field. In addition to this, all of the equipment will me connected via ethernet to a control system and monitoring equipment to make sure that nothing goes wrong (or that if something does go wrong, the viewer doesn't see it). There will normally be a large number of some of these components, including some redundant spares in the event of problems. A typical head-end will contain many MPEG encoders and multiplexers, for instance. Now that we've seen how it's put together, let's examine each of these components in more detail.
The encoder

The encoder is used to take an analog signal and convert it to MPEG-2. This is more commonly used in live shows - for other shows, we may have a selection of pre-encoded MPEG streams that we can play out from a dedicated playout system. This playout system is usually a highly customized PC or workstation with a large high-speed disk array and a number of digital interfaces for transmitting the data to the rest of the transmission system.
An encoder can generate two types of MPEG stream. Constant bit-rate streams always have the same bit-rate, no matter what the complexity of the scene they contain. If the signal is too complex to be coded at the specified bit-rate, the quality of the encoding will be reduced. If the scene takes less data to code than the specified bit-rate, it will be stuffed with null packets until the correct bit-rate is reached. This makes later parts of the processing easier, because the fact the bit-rate does not change makes things easier to predict later, but it does waste bandwidth.
Most encoders can now produce variable bit-rate MPEG streams as well. In this case, the bit-rate of the stream can be adjusted dynamically, as more or less bandwidth is needed to encode the images with a given picture quality. Since some scenes take significantly more bandwidth to encode than others, this lets the picture quality be maintained throughout a show while the bandwidth changes. The fact that the bit-rate of the stream can change doesn't mean that it will reach higher levels than a constant bit-rate encoding of the same stream of course: the operator can usually set the maximum bit-rate that the encoder can use, and the encoder will reduce the quality of the encoded output, if necessary to meet this.
Most broadcasters today use variable bit-rate encoding because it offers better quality while using lower bandwidth. In particular, variable bit-rate encoding lets us make maximum use of the available bandwidth at the multiplexing stage.




The multiplexer

One MPEG stream on its own isn't much use to us as a TV broadcast. Even several MPEG streams aren't terribly useful, because we have no way of associating them with each other. What we really need is a single stream containing all the MPEG streams needed for a single service, or ideally multiple services. A transport stream, in other words.
The multiplexer takes one or more MPEG streams and converts them into a single transport stream. The input streams may be individual elementary streams, transport streams or even raw MPEG data - most multiplexers can handle a range of input types.
The multiplexer actually does a number of jobs - multiplexing the data is one of the more complex of these, for a variety of reasons. Each transport stream typically has a fixed bandwidth available to it, which depends on the transmission medium and the way the transmission network is set up. One of the jobs of the multiplexer is to fit a set of services in to this bandwidth. The easy way of doing this is to use constant bit-rate MPEG streams, because then the operator knows exactly how much bandwidth each stream will take, and setting up the multiplexer is easy. This gets pretty inefficient, though, since some streams may be using less than their share of the bandwidth, while others may need to reduce the picture quality in order to fit in their allocated share. This wasted space is a real problem, since the transmission costs are high enough (especially in a satellite environment) that you want to make maximum use of your bandwidth.
The way round this is to use variable bit-rate MPEG streams and a technique known as statistical multiplexing. This system takes advantage of the statistical properties of the multiplexed stream when compared to the properties of the several independent streams. While the bit-rate of each individual stream can vary considerably, these variations are smoothed out when we consider ten or fifteen streams (video plus audio for five to seven services) multiplexed together. Each stream will have different bit-rate needs at each point in time, and these differences will partially cancel one another out at any given time. Some streams will need a higher bit-rate than average at that time, but others will probably need less than average. This makes the bit-rate problems easier to handle, since they are now less severe. By maintaining a separate buffer model for each stream, the multiplexer can decide how to order packets in the most efficient way, while making sure that there are no glitches in any of the services.
At some points, the streams being multiplexed may have a bit-rate that is higher than the available bandwidth. A statistical multiplexer will use another one of the statistical features on MPEG streams to handle this situation. Since most MPEG streams only reach their peak bandwidths at fairly wide intervals for fairly short periods, delaying one or more of the streams will move the peak to a point where the bandwidth is available to accommodate it. This is another reason to maintain a buffer model for each stream - to ensure that these peaks are not moved to a point where they would cause a glitch in the service.
In some older statistical multiplexing systems, the multiplexer and encoders are connected and can communicate with one another. In particular, the multiplexer can provide feedback to the encoders and set the bit-rate that they encode their streams at. The feedback from the multiplexer means that if one stream needs more bandwidth than it's currently getting, the bandwidth for that stream can be increased temporarily at the expense of the others. This doesn't use true variable bit-rate encoding, since in many cases the streams are actually constant bit-rate streams, where the bit-rate used to encode them changes from time to time.
Despite appearances, this system is less flexible than true statistical multiplexing, because if the total bit-rate of the streams is higher than the available bandwidth, then the quality of one of the streams must be reduced. This isn't necessary in the case of the latest generation of statistical multiplexers, where these peaks can often be moved slightly to accommodate them. The other place where flexibility is lost is in the need for a connection between the encoder and the multiplexer. In practical terms, this means that the multiplexer and encoder have to be on the same site, or at least that the encoder feeds only one multiplexer at a time. In these days of remote processing, that can cause problems. Without this need, a network can handle streams where they have no control over the encoder, such as streams from remote sites, from other networks or from a playout system. This offers some big advantages in terms of bandwidth saving.

[gessle]

Conditional access (CA)

Since we may not want to give our content away for free, we need some way of encrypting our services. This is handled by the conditional access (or CA) system. The algorithm that's used for this is proprietary to each CA vendor, although there are some open (but not publicly-known) algorithms such as the DVB Common Scrambling Algorithm. Manufacturers are understandably nervous about disclosing the algorithms they use, because the costs of having the algorithm cracked are huge - in some European markets, as much as 30% of subscribers were believed to be using hacked smart cards at one point. Even the DVB Common Scrambling Algorithm requires STB manufacturers to sign a non-disclosure agreement before they can use it.
In a DVB system, scrambling can work at either the level of the entire transport stream, or on the level of individual elementary streams. There's no provision for scrambling a service in its own right, but the same affect is achieved by scrambling all of the elementary streams in a service. In the case of scrambled elementary streams, not all of the data is actually scrambled - the packet headers are left unscrambled so that the decoder can work out their contents and handle them correctly. In the case of transport stream scrambling, only the headers of the transport packets are left unencrypted - everything else is scrambled.
As well as encrypting the data that's supposed to be encrypted, the CA system adds two types of data to the stream. These are known as CA messages, and consist of Entitlement Control Messages (ECM) and Entitlement management Messages (EMM). Together, these control the ability of individual users (or groups of users) to watch scrambled content. The scrambling (and descrambling) process relies on three pieces of information:

• The control word
• The service key
• The user key

The control word is encrypted using the service key, providing the first level of scrambling. This service key may be common to a group of users, and typically each encrypted service will have one service key. This encrypted control word is broadcast in an ECM approximately once every two seconds, and is what the decoder actually needs to descramble a service.
Next, we have to make sure that authorized users (i.e. those who have paid) can decrypt the control word, but that only authorized users can decrypt it. To do this, the service key is itself encrypted using the user key. Each user key is unique to a single user, and so the service key must be encrypted with the user key for each user that is authorized to view the content. Once we've encrypted the service key, it is broadcast as part of an EMM. Since there is a lot more information to be broadcast (the encrypted service key must be broadcast for each user), these are broadcast less frequently - each EMM is broadcast approximately every ten seconds.
Encapsulating code words and service keys in ECMs and EMMs.
One thing to note is that the encryption algorithms used may not be symmetrical. To make things easier to understand we're assuming that the same key is used for encryption and decryption in the case of the service and user keys, but this may not be the case.
When the receiver gets a CA message, it's passed to the CA system. In the case of an EMM, the receiver will check whether the EMM it intended for that receiver (usually by checking the CA serial number or smart card number), and if it is, it will use its copy of the user key to decrypt the service key.
The service key is then used to decrypt any ECMs that are received for that service and recover the control word. Once the receiver has the correct control word, it can use this to initialize the descrambling hardware and actually descramble the content.
While not all CA systems use the same algorithms (and it's impossible to know, because technical details of the CA algorithms aren't made public), they all work in basically the same way. There may be some differences, and the EMMs may or instance be used for other CA-related tasks besides decrypting service keys, such as controlling the pairing of a smart card and an STB so that the smart card will work correctly in that receiver.
In order to generate the EMMs correctly, the CA system needs to know some information about which subscribers are entitled to watch which shows. The Subscriber Management System, or SMS, is used to set which channels (or shows) an individual subscriber can watch. This is typically a large database of all the subscribers that is connected to the billing system and to the CA system, and is used to control the CA system and decide which entitlements should be generated for which users. The SMS and CA system are usually part of the same package from the CA vendor, and are tied together pretty closely.
The ECMs and EMMs are broadcast as part of the service (see the introduction to MPEG if you're unclear on the concept of a service). The PIDs for the CA data are listed in the Conditional Access Table (CAT), and different PIDs can be used for ECMs and EMMs. This makes it easier for remultiplexing, where some of the CA data (the ECMs) may be kept, while other data (the EMMs) may be replaced.

Error correction and error prevention

Before we can transmit our signal we need to make sure that it will be received correctly. This means some way of identifying and correcting errors in the stream. To do this we add some extra error correction data to the MPEG packets, in order to allow us to correct data. The most common requirement in DTV systems is for an MPEG stream to be quasi-error free (QEF), which means a bit error rate of approximately 1x10-10, or one erroneous bit every 1 hour of video for a 30 Mbits/sec stream. Since we have to be able to correct the errors in real-time, the process is called Forward Error Correction (FEC)
Different transmission mechanisms (cable, satellite or terrestrial) all have different characteristics including different noise levels. A satellite signal for instance can have a lot of errors introduced by conditions in the atmosphere. A terrestrial signal may have errors introduced by reflections from buildings, or by the receiving aerial not being aligned correctly. These different conditions mean that very efficient error correction mechanisms are needed. DVB and ATSC systems all use Reed-Solomon encoding to add a first layer of protection. This adds a number of parity bytes to each packet. Typically, this 16 parity bytes are added to a 188-byte packet, which means that an 8-byte error can be corrected. Larger errors can be detected but not corrected.
Once this is done, a further layer or error correction coding is added to improve things still further. Common coding mechanisms at this stage are trellis coding and viterbi coding. These exploit the fact that data is not sent one bit at a time, but is instead sent as 'symbols' that can carry several bits of data. In trellis coding, symbols are grouped together to form 'trellises.' For a group of three symbols, a modulation scheme that stores eight bits per symbol can store 512 separate values. By using a subset of these as 'valid' values, the network operator can introduce some extra redundancy into the signal. The effect of this is that each symbol may carry fewer bits of data, but for every group of three symbols, it's possible to correct one erroneous symbol by choosing the value for that symbol that gives a valid trellis. This is the approach used by US digital terrestrial systems. DVB systems use Viterbi coding instead, which is a modification of trellis coding that uses a slightly different algorithm to find the best matching trellis.
To strengthen the error correction, another technique called interleaving may be added. This helps avoid situations where a burst of noise (for example, a lightning strike causing electrical interference) can corrupt data past the point where FEC can fix it. After the data has FEC added, but before it is transmitted, the data is written to a RAM buffer and then read out in a different order. For instance, if we assume that our RAM buffer is a two-dimensional array with ten rows and ten columns, the data may be written to the buffer starting at row 1 and working down to row 10, then read from starting at the top of column 10 and working back to column 1. This means that bytes from the same packet (which will share error correction) are spread over a longer transmission period and are less vulnerable to burst noise.
At the receiver, the process is reversed, and the original order of the bytes can be restored. The interleaving scheme described here isn't the only possible one, and other (more memory-efficient) techniques will often be used instead.
Once we've added error correction, we need to do one more thing before it can be prepared for transmission. If the digital bitstream contains a large run of 1's, then there will be a (small) current flowing in the transmission and reception equipment. This is a Bad Thing, and so some randomization is needed to make sure that there is never a long run of 1's or 0's in the bitstream and to disperse the energy in the signal across all of its bandwidth. To do this, a simple randomizer is used, as shown in the diagram below. The process is symmetrical, so the same hardware is used to de-randomize the signal in the receiver.
A logical diagram of the DVB randomizer.
Every eight transport packets, the randomizer is reset and its register is loaded with the bit sequence 100101010000000. Of course, the randomizer and the de-randomizer must both reset themselves at the same point in the stream, or the input can't be recreated. This is done using the sync bytes from the transport packets. These are not scrambled, so the start of a packet can always be identified, and at every eighth packet, the value of the sync byte is inverted (from 0x47 to 0xB8). This is the signal for the de-randomizer to reset itself, making sure that both the randomizer and the de-randomizer are synchronized correctly.

[gessle]

Modulating the signal

Now we have a digital stream that is almost ready for broadcast. However, we can't directly broadcast digital data - first we have to modulate it - convert it to an analog signal so that we can broadcast it using radio signals or electrical voltages in a cable.
As we've already seen, each of the different transmission mechanisms has different characteristics, and different strengths and limitations. So, each type of signal uses a different modulation scheme. The modulation scheme is just the way of converting digital information into an analog signal so that it can be transmitted. I'm not going to examine these in too much detail, because it's really not interesting to us as MHP developers. The table below describes which modulation scheme is used by each of the transmission mechanisms in a DVB environment.


Cable and satellite use a similar modulation scheme (it's actually the same scheme, with different parameters). The main difference is that satellite signals are more prone to errors and so use a less efficient way of sending the data that provides a bigger difference between symbols, making correct demodulation easier. Terrestrial broadcasts use a different scheme in order to provide a much stronger resistance to errors caused by reflected signals.

The modulation is carried out by a device called, surprise, surprise, a modulator. This takes the digital transport stream as an input, and produces an analog output that can be passed onto the transmission equipment. The modulator is the last stage in the process that takes a digital input - after this, everything is analog and we're into the world of radio engineering.
Typically, signals are modulated to a lower frequency than they are broadcast at. Since the broadcast frequencies can be very high (up to 30GHz in the case of satellite transmissions, and up to 950MHz for cable signals), modulating the signals at these frequencies can be hard. So, what happens instead is that the frequencies are modulated at a lower frequency, which is then converted to a higher frequency before transmission. This is done using an upconverter. Basically, this does nothing else except convert the signal from one frequency to another, much higher, frequency. In this case, that other frequency is the one used by the network that you're broadcasting on. Each transport stream will be broadcast on a different frequency, and so the upconverter will have different settings for each transport stream that it handles.

Once you have a modulated signal, the signal is ready for transmission. All you need then is a transmitter, and antenna (in the case of terrestrial or satellite) or a cable network, and an audience...

[gessle]

LNB Teorie- Constructie-Performante-Exemple

LNB sau LNC este precurtarea de la Low Noise Block sau Low Noise Convertor si reprezinta unul din componentele importante ale
instalatiei de satelit de care depinde si performanta acesteia .
LNB-ul este un amplificator si convertor de zgomot foarte mic pentru semnalul captat de antena si primit de la feedhorn
si sondele pozitionate in ghidul de unda.Teoretic daca am avea un LNB mai bun ar trebui sa putem folosi o antena mai mica ca
diametru pentru a receptiona anumite posturi Tv dar diferenta intre un LNB de 0,2 dB si unul de 0,5 dB nu este prea vizibila practic
mai ales ca in majoritatea zonelor tarii ,semnalul mai ales pe DTH-uri este destul de puternic.
In momentul cand zgomotul LNB-ului este mai mare semnalul util este ,,inecat’’ si nu mai poate fi extras la un nivel convenabil
pentru a fi procesat de celelalte blocuri ale LNB-ului si mai departe in receptor.
este trimis spre doua preamplificatoare de zgomot foarte redus comutabile de semnalul de 22 khz al receptorului ce comanda o
anumita polaritate in functie de cum este on anumit post dorit.
Un al doilea bloc de amplificare ridica nivelul acesteia in asa fel sa compenseze pierderile pe etajul filtrului ,acesta avand rolul de
a lasa sa treaca numai spectrul necesar extragerii semnalului util pentru al trimite spre mixer.
Blocul Mixer executa o coborare a frecventei semnalului de la 10,7 Mhz-12,7 Mhz pana la intervalul 950-2150 Mhz ce poate fi transmis
pe un cablu coaxial spre receptorul de satelit .Utilzand aceste frecvente mai joase de coborare pe cablu pierderea de nivel pe cablu
este inca la o valoare relativ mica pentru a putea fi procesat de receptorul digital.Dupa cum se observa frecventa de coborare pe cablu
este totusi pana la de doua ori mai mare decat cea din zona CATV ( 50 Mhz-900 Mhz) si deci ne impune folosire unor cabluri coaxiale
cu pierderi mai mici in frecventa si daca se poate de lungimi mai mici.
Urmeaza un ultim bloc de amplificare mare a semnalului converit necesar a compensa eventualele pierdeii pe cablu si aducerii la un
nivel convenabil receptorului. Alimentarea LNB-ului si transmiterea semnalului de 22 Khz se face pe acelasi cablu coaxial de coborare
spre receptor .Exista in LNB un bloc simplu de alimentare stabilizata ce aduce tensiunea la valorile impuse montajului .
Mai avem cele doua oscilatoare comutabile de semnalul de 22 Khz necesare mixerului ,aceste sunt facute cu cristale speciale ce au
frecventa de rezonanta si stabilitate adaptate la montajul LNB-ului.Aceste oscilatoare trebuie sa fie extrem de stabile in functie de
temperatura ambianta ,posibile vibratii,tensiunea de alimentare ,de aceasta depinzand stabilitate semnalului de iesire.
Exista si posibilitate comandarii Lnb-ului de oscilatoare tip PLL mai stabile sau externe ,in cazul unor necesitati profesionale.
Din punct de vedere al performantelor LNB –urilor putem aminti cei mai importanti parametrii de care poate depinde calitatea acestora :
1. Zgomotul LNB-ului care se poate situa intre 1 dB si 0,1 dB in zilele noastre marja de fabricatie este intre 0,6 si 0,1 Db
cu cat avem zgomotul mai mic cu atat LNB-ul e mai bun,ca totul ce este scris sa fie si real(sau cat mai real).
2. Amplificarea LNB –ului care se situeaza in marja 50-60 Db trebuie sa fie mai mare la unul mai bun.
3. Stabilitatea in banda a amplificarii .Deoarece banda este cuprinsa intre 10,7 Mhz-12,7 Mhz ar putea aparea o variatie in
Banda a amplificarii mai ales la marginile spectrului ceea ce ar face sa nu putem capta anumite frecvente si implicit canale
Tv din aceasta cauza.
4. Efectul de microfonie ,acesta depinzand de cat de stabil este oscilatorul local al LNB-ului la vibratiile antenei determinate
de instabilitatile atmosferice ( vant ,ploaie etc)
5. Intermodulatia este un efect ce poate aparea in cazul utilizarii pe un satelit mai puternic si semnalul de intrare in preamplificatorul
de intrare il ineaca aparind intermodulatii .Se poate face o atenuare a semnalului dar nu e prea convenabila daca folosim o antena
mobila cu semnale diferite.
Din punct de vedere constructiv putem avea mai multe posibilitati :
1. Carcasa din metal impotriva coroziunii
2. Carcasa din plastic
3. Cu mufa F sau N de iesire a semnalului ,in ultimul timp mai mult F.
4. Cu mufa de iesire coliniara cu axa LNB –ului si intr-o parte ( mai agreata pentru a nu patrunde apa ).


Exista si LNB in banda C ce este cuprinsa in intervalul :3,4 -4,2 Ghz ,acestea se folosesc mai rar Romania deoarece tarile
europene nu prea folosesc acest tip de transmisie .Exista si avantaje ale acestei benzi cum ar fi influenta mult mai mica a
conditiilor atmosferice asupra stabilitatii semnalului si aria de raspandire a semnalului pe o suprafata mai mare si deci putere
de emisie ceva mai mica a satelitului.Dintre dezavantaje cel mai important ar fi necesitatea unei antene mai mari la receptia
a semnalului deci si costuri mai mari .Alt dezavantaj major ar fi si interferenta in anumite zone cu frecvente transmise terestru
intre anumite statii ale unor televiziuni locale si chiar ale radarelor.
Se folosesc in general de tarile asiatice si americane ce au de acoperit o suprafata mare de teren si unde ploile sunt mai dese,
prin zona noastra ajung si semnale din Rusia ,China ,Pachistan ,India ,tari arabe si chiar spre west din tari sudamericane.


Din punct de vedere constructiv LNB –urile le putem imparti in patru categorii mai importante si raspandite :
1.LNB-uri Universale cu flansa
2.LNB-uri Universale offset
3.LNB-uri de banda C
5. LNB-uri circulare
Acest tip de LNB poate fi de banda C sau Ku cu flansa sau offset si are o imagine asemanatoare cu cele de mai sus
singura diferenta fiind in dispunerea sondelor , intercalarii sau scoaterii unor placi depolarizatoare in ghidul de unda
Polaritatea si benzile LNB-urilor
Schimbarea polaritatilor LNB-urilor universale se face prin comanda din receptorul de satelit cu o tensiune variabila astfel :
A . Poarizarea verticala V se obtine cu o tensiune de comanda in intervalul 12,5 V-14,5 V
B . Polarizarea orizontala H se obtine cu o tensiune de comanda in intervalul 15,5 V-18 V
Pentru accesarea benzilor superioare semnalul de 22 Khz dat de receptor joaca un rol esential in cazul LNB-urilor universale astfel :
C. Banda superioara de la 11,6-12,75 Mhz cu polaritate V se obtine prin adaugarea unui semnal suplimentar de 22 Khz la varianta A
D. Banda superioara de la 11,6-12,75 Mhz cu polaritate H se obtine prin adaugarea unui semnal suplimentar de 22 Khz la varianta B

[gessle]

Antene si Feedhornuri


Caracteristicile antenelor

Antenele sunt printre cele mai importante componente ale sistemelor de comunicatii.Prin
definitie antena este dispozitivul ce transforma smnalul ce vine printr-un conductor in unde
electromagnetice in spatiul liber si invers din spatiul liber sunt preluate de antene si
transmise de cabluri spre dispozitivele ce transforma semnalul captat intr-un semal util(
audio ,video,date ,etc).Majoritatea antenelor sunt dispozitive rezonante ce lucreaza eficient
pe o banda relativ ingusta .Cand semnalul este primit de o antena ,aceasta il va emite pe o
anumita directie in spatiu.Graficul reprezentarii distributiei in spatiu a radiatiei se
denumeste caracteristica radiatiei.
Impedanta de intrare
Pentru un transfer optim de energie ,impedanta antenei si cablului de conectare trebuie sa
fie aceeasi.In general impedanta liniilor de transmisie este de 50 ohm ,iar cand exista o
diferenta trebuie sa intercalam un circuit adaptor.
Atenuarea de adaptare
Atenuarea de adaptare este o alta modalitate de cuantifica pierderea .Este fractie
logaritmica masurata in dB care compara puterea puterea reflectata de antena cu puterea
primita de feed de la linia de transmisie.
Return Loss (in dB) =20log10 SWR/ SWR-1
Largimea de Banda
Largimea de banda a unei antene se refera la domeniul de frecventa in care antena
functioneaza corect. Se poate transcrie matematic in procente ale frecventei centrale a
benzii astfel :
BW= 100 x Fh-Fl /Fc
Unde Fh este frecventa cea mai inalta a benzii , Fl este frecventa cea mai de jos a benzii iar
Fc Este frecventa centrala a benzii.Diferite tipuri de antene pot avea largimi de banda
diferita.
Directivitatea si castigul
Directivitatea este posibilitatea antenei de a focaliza energia intr-o anumita directie,sau de a
receptiona energie din directia cea mai buna.Intr-o situatie statica este posibil folosind
directivitatea antenei pentru concentrarea spotului intr-o directie dorita.Insa intr-un sistem
dinamic unde transferul nu e fix ,antena ar putea radia egal in toate directiile,aceasta fiind
denumita antena omnidirectionala .
Castigul nu este definit printr-o cantitate fizica cu ar fi V ,volti ,W,wati ci o marime
raportata.Castigul este exprimat fata de o antena standard numita antena izotropica ce
radiaza egal in toate directiile.Aceasta antena nu exista in realitate este numai un concept
teoretic pentru comparatie.Orice antena reala va radia energie mai multa intr-o directie dar
si ceva pe alta directie.Uzual suntem interesati de castigul maxim pe care antena radiaza
sau receptioneaza energie.
Modelul radiatiei pentru antena terestra
Radiatia sau modelul radiatiei descrie intensitatea relativa a campului in diferite directiei
ale antenei la o distanta constanta.Modelul radiatiei este tridimensional ,dar este uzual
reprezentata bidimensional.

Modelul radiatiei pentru o antena satelit
Dupa cum se vede in imaginea de mai sus o antena parabolica are un unghi de deschidere
foarte ingust ceea ce face ca daca antena se misca 2-3 grade stanga- dreapta semnalul sa
scada vizibil si chiar sa dispara de tot,depinzand de satelitul pe care suntem pozitionati ,
daca acesta este puternic ,gen Hotbird o scadere cu 20-30 % a semnalului nu afectea prea
mult majoritatea posturilor .In cazul unui satelit mai slab gen Astra 1 sau Nilesat chiar o
scadere de 10 % poate face sa dispara semnalul.Aceste scaderi pot aparea usor la o antena
mobila daca acesta nu se pozitioneaza exact pe satelit.
Daca avem o antena mai mare nivelul relativ creste si unghiul se mai ingusteaza ,si invers.
Deasemenea o antena este cu atat mai buna cu cat castigul relativ este mai mare .
La o antena bine facuta lobii secundari sunt de nivel mai mic.
Largimea fascicolului

Prin largimea fascicolului unei antene se intelege in mod curent injumatatirea puterii
acestuia.Jumatate din putere exprimata in dB este -3 d B/
Lobii secundari
Cunoscand faptul ca cea mai mare a radiatiei se divide la lobii secundari , directivitatea
castigului este invers proportionala cu banda ,atunci cand scade banda creste castigul ,si
invers.
Nulul
In modelul radiatie ,nulul reprezinta zona unde efectiv puterea radiatiei e minima.
Polarizarea
Polarizarea este definita ca fiind orientarea campului electric a undelor electromagnetice.
Polarizarea este descrisa in general ca o elipsa .Doua cazuri speciale ale acestuia ar fi
polarizarea liniara si cea circulara.In polarizarea liniara vectorul campului electric ramane
in acelasi plan tot timpul. La polarizarea circulara vectorul campului electric se roteste spre
directia de propagare facand o rotatie completa la fiecare ciclu RF.Rotatia poate fi spre
stanga sau spre dreapta.
Raportul fata -spate
Este util sa cunoastem ca raportul fata-spate este raportul dintre maximul de directivitate al
antenei pe directivitatea proprie fata de directia inversa la 180 grade.
Antena parabolica este o forma clasica de antena reflector folosita de receptoarele digitale
de satelit pentru receptionarea semnalului.Acest tip de antena are proprietatea ca razele
sosite in paralel cu axa de simetrie sunt reflectate intr-un punct comun numit focar .

O antena satelit este formata dintr-un reflector parabolic cu un feed mic aflat in focar unde
sunt reflectate undele incidente.Reflectorul este o suprafata metalica totala sau o insertie
pe un reflector parabolic.
Antenele tip prime focus au proprietatea de a avea un punct focar distinct .Undele venite
paralel cu axa de revolutie sunt reflectate intr-o zona numita focar, unde se afla feed-ul.
Antenele tip offset sunt antene de regula cu castig mai mic si au o forma mult mai
complexa .Forma reprezinta o decupare dintr-o suprafata a unui paraboloid mult mai mare.
La antenele tip Cassegrain undele reflectate de suprafata reflectorului principal in
reflectorul secundar sunt la randul lor reflectate in focar aflat in zona centrala .
Am putea zice teoretic ca fiind perfect ,dar in realitate antena genereaza o zona numita
focar care poate fi mai mica sau mai mare ,in functie de cat de precisa este realizata
parabola din punct de vedere a curburii,si de cat de corect a fost asmblata aceasta.
Este sarcina feedhornului de a reuni semnalul sosit in vecinatatea punctului focal si al
dirija spre primul etaj de de amplificare al convertorului de zgomot redus numit LNB
Miscarea moleculara genereaza un zgomot de fond care se intinde pe tot spectrul
electromagnetic ,inclusiv pe cel al frecventelor de satelit.Temperatura de zero absolut
sau 0 K ,este temperatura de zgomot unde miscarea moleculara se opreste.Chiar spatiul
cosmic temperatura este mai mare de zero absolut cu cateva grade in jur de 30 K.In
atmosfera temperatura de zgomot este in jur de 290 K.
Cu toate ca antena parabolica este inclinate spre spatiul ,,rece’’ pentru a receptiona
semnalul de la satelit,feedhornul este intors inapoi spre antena si spre spatiul din afara
acesteia .Prin urmare este extrem de important cum feedhornul ,,ilumineaza ‘’ reflectorul
Daca feedhornul ,,supralumineaza “ parabola ,feedhornul va vedea deasemenea si zgomotul
tare atmosferic din jurul acesteia .In acest caz temperatura de zgomot atmosferic se va
combina cu temperatura sistemului de receptie satelit astfel ca va scadea intensitatea
semnalului dorit.
Daca feedhornul va ,,subilumina” parabola ,acesta nu poate vedea o portiune exterioara
de antena si se va reduce astfel castigul acesteia .

Fedhornul se construieste de regula din duraluminiu ,dar poate fi facut si din alte metale
cum ar fi cupru,alama ,bronz ,dar aceste pot fi mai scumpe .Cercurile scalare conduc
semnalul venit din marginea exterioara a feedu-lui spre centrul acestuia unde se situiaza
ghidul de unda spre LNB.Dimensiunea si toleranta ghidului de unda sunt in legatura directa
cu lungimea de unda a semnalului de microunde si este conceput pentru fiecare dispozitiv
separat.Raportul intre distanta focala si diametrul antenei ,F/D , este o alta
caracteristica a antenei care direct impact asupra performantelor feedhornului.
Distanta intre inelele scalare si ghidul de unda adeschis este de multe ori ajustabila de catre
instalator pentru a putea potrivi cu F/D –ul antenei .Antenele prime-focus au F/D cuprins
intre :0,25-0,45.

Calcularea focarului unei antene se face in urmatorul fel ,unde D este diametrul
antenei parabolice ,d este adancimea acesteia masurate cum se indica acolo( F=D*D/16*d) .
O alta caracteristica a antenelor de satelit reprezinta apertura .Aceasta reprezinta proiectia
suprafetei frontale a unei antene ,in cazul unei antene prime focus este suprafata interioara
marginita de cercul cu diametrul D.
Castigul antenelor de satelit
Folosind formula pentru aria cercului,aria aperturii reflectorului parabolic este :
A= Π x D ² / 4
Iar castigul unei antene parabolice este dat de formula :
G =este in Db si λ lungimea de unda a undelor incidente , Π este 3,14
Dupa cum se observa castigul antenei este proportional cu apertura sau cu patratul
diametrului acesteia .
Lungimea de unda λ = c / f unde c reprezinta viteza de propagare a undei in mediul
respectiv ,se poate lua in vid ca 300 000 km /s ,iar f este frecventa acesteia.
Dupa inlocuirile respective se poate trage concluzia finala :
Castigul antenei parabolice este proportional cu
- eficienta acesteia
- cu patratul diametrului
- cu patratul frecventei
De aici ne dam seama de ce o antena in banda C unde frecventa este mai mica are castigul
mai mic si trebuie sa marim diametrul pentru compensare.
Antenele prime-focus sunt mai usor de construit si de reglat pe satelitul dorit dar au doua
mari dezavantaje :
-Feedhornul si suportul acestuia blocheaza o parte din undele ce vin spre antena
-Feedhornul priveste spre antena sub un unghi in care poate intercepta zgomotul di spatele
reflectorului., pentru a compensa acest lucru trebuie scazuta iluminarea antenei si deci
poate scadea si eficienta acesteia.Suportul feedhornului se poate face cu 3 sau patru tije
legate intre ele cu un suport specific ,sau un suport singular central rigid ce tine LNB –ul
in focarul predeterminat.In acest caz este foarte dificil de a regla LNB-ul in focar si poate
aparea o departare a acestuia din focar datorita greutatii suportate de o singura prindere.
La antenele cu motor feedhornul se poate misca la o deplasare de pe un satelit pe altul,sau
un vant puternic.
Pozitia inelelor scalare poate fi reglabila fata de tubul central pentru reglarea iluminarii si
implicit a zgomotului captat din exteriorul antenei...

Exista un tabel care ne arata cat de departe de gatul feedului trebuie sa fie inelele scalare
functie de raportul F/D
F/D --------Distanta in cm
0,42 ---------0.3 cm
0,40 ---------0,81 cm
0,38 ---------1,32 cm
0,36 ---------1,82 cm
0,34 ---------2,33 cm
0,32 ---------2,84 cm


Pentru determinarea practica a focarului unei antene in cazul in care nu mai avem suportul
original al LNB-ului sau vrem sa verificam daca este corespunzator ,lipim pe fiecare sfert
de antena niste bucati de oglinda sau alt material reflectorizant la marginea acesteia
pozitionam antena spre soare sau spre o alta sursa de lumina intensa coliniara cu axa
centrala a acesteia .In zona unde ar trebui sa fie focarul va aparea o pata reflectata care
trebuie sa fie cat mai concentrata .
Pierderi ale castigului antenelor parabolice
Tolerantele de executie a reflectorului parabolic se poate aprecia in figura mai de jos
tolerantele de executie ale reflectorului se poate aprecia in figura ,unde raportul rugozitate
supra lungimea de unda si fata de diferite rapoarte F/d adica fata de tipuri de antene mai
deschise sau mai inchise. Putem deduce ca :
-la o antena mai adanca sau focarul mai apropiat pierderea este mai accentuata la acceiasi
marime a rugozitatii
-cu cat scade frecventa cu atat efectul rugozitatii e mai mic,adica la o antena de banda C
efectul e mai redus decat la una de KU.
Pierderi mici ale castigului de ordinul 0,1-0,3 d B pot aparea si din cauza pierderii ohmice
In materialulu reflectorului,mai ales la cele din fibra sau plasic acoperite cu metalizare.Din
punct de vedere al executiei mecanice antenele parabolice pun probleme deosebite care
cresc exponential cu diametrul antenei.Problema principala este toleranta profilului
parabolic fata de cel teoretic,cat si plasarea feedhornului in focar,tolerante ce se micsoreaza
cu crestera frecventei,exemplu la 10 Ghz este necesara o toleranta de +- 1mm pentru o
antena cu un diametru de 1,2 m si F/d =0,3.

Legaturi pe semnal in domeniul microundelor
Comunicatiile in microunde prezinta diferente majore fata de cele in unde scurte sau
ultrascurte ,in primul rand datorita atenuarii mult mai mare de programare si datorita
nereflectarii microundelor de catre straturile superioare ale atmosferei.
Precipitatiile atmosferice introduc o atenuare suplimentara ,care depinde de intensitatea
fenomenului(ploaie,nori,ceata,ninsoare),atenuare ce devine importanta la frecvente de peste
10 Ghz. Datorita propagarii fara reflexii ,in principiul emitatorul si receptorul trebuie sa fie
plasate la limita de vizibilitate directa .Pierderile mari in atmosfera se compenseaza cu
antene directive cu castig mare,posibil de realizat datorita lungimii de unda mici.
Ca urmare a folosirii antenelor directive alinierea antenelor se face mai dificil ,deoarece
deschiderea unui fascicol de 10 Mhz pentru o antena cu diametrul de 1,2 m este de 1,6
grade la 3 dB.
Atenuarea de propagare in spatiul liber se poate calcula cu relatia experimentala :
-unde d este distanta intre antene in metri
- λ este lungimea de unda in metri
A{d B}= 96,6 +20 f / d
Conform acestei relatii rezulta ca pentru fiecare dublare de distanta implica adaugare a
6 d B la atenuarea totala .
Atenuare introdusa de precipitatii poate fi estimata cu relatia :
Ap{d B/Km }= γ R n
Unde: R–este intensitatea precipitatiilor in {mm/min}
γ si n sunt coeficienti depinzind de frecventa astfel :
γ= 2,3 si n =1,189 la f= 11,7 Ghz
γ=3,8 si n=1,116 la f = 15,25 Ghz
Practic o ploaie moderata poate determina o atenuare de 0,2-0,5 d B/Km ,iar o ploaie
torentiala 1-2 d B /Km la frecventa de 11 Ghz.Pentru frecvente sub 10 Ghz atenuarea
datorata precipitatiilor scade foarte mult

Reflectorul parabolic se executa din tabla de duraluminiu cu nervuri de rezistenta pe spate ,
din fibra de sticla metalizata sau prin inglobarea in stratul de fibra a unei folii sau plasa de
cupru.Stratul de metalizare trebuie sa aiba o grosime de minimum 0,2 mm continua pe
toata suprafata.Daca se foloseste plasa este necesar ca dimensiunile ochiurile sa respecte
relatia :
P < λ /20
Unde λ este lungimea de unda in mm .
Din aceasta relatie se deduce ca la frecvente mai joase se poate ca dimensiunile ochiurilor
sa fie mai mare si invers.
Se stie din practica ca la antenele de banda C unde frecventa de lucru e mai mica se
folosesc antene cu ,,gaurele ‘’,tip Mash.

Parabole Offset
Antena offset este un tip de antena parabolica ce se foloseste foarte mult in receptia
programelor de satelit de majoritatea populatiei.Este asa zisa receptie de satelit tip DTH.
aceste instalatii satelit larg raspandite folosec acest tip de antena denumita offset deoarece
este de o constructie relativ simpla ,sunt in general de un diametru sub 1 m,au o eficienta
foarte buna ,peste medie ,forma face ca zapada sa nu se aseze pe suprafata sa si deci
semnalul sa nu fie mult afectat .In general sunt construite din tabla de fier pentru ca pretul
sa fie cat mai mic.
Forma sa speciala este de fapt data din principiul de la care sa pornit pentru a putea
functiona .

Antenele offset sunt foarte folosite la DTH-urile actuale deoarece sunt in general mai
mici ,de regula sub 1m ,eficienta lor este mai mare comparativ cu antenele rotunde la
acelasi diametru.Sunt mai simple din punct de vedere al constructiei mecanice ,ceea ce
permite obtinerea unui pret mai mic de vanzare.Se asambleaza mai rapid deci o eficienta
a muncii de instalare mai mare.
La diametre peste 1,5 m ar fi de preferat cele rotunde datorita faptului ca la aceste marimi
antenele offset sunt destul de greu de executat exact pentru un castig maxim ,si pot fi
deformate usor la transport sau asamblare mai ales ca din economie tabla din care este
executata este destul de subtire,sub 2 mm.
Antenele offset se preteaza mult mai bine la receptionarea mai multor sateliti simultan
prin atasarea de LNB-uri pe un dispozitiv specific ,usor de adaptat si reglat.
Exista si antene offset semiprofesionale si profesionale din aluminiu executate de firme
mai de renume si cu un castig garantat ,putand depasi pretul receptorului digital .

[gessle]

MODULATOARE

ŞI

DEMODULATOARE

In scopul transmiterii la distanţă a semnalelor se utilizează semnale variabile in timp cu modulaţie in amplitudine (MA) sau cu modulaţie in frecvenţă (MF).
Un semnal periodic sinusoidal numit semnal purtător (sau purtătoare)
vp (t) = Vp cos w0t ,
este caracterizat prin amplitudinea V p şi frecvenţa f 0 (sau pulsaţia
w0=2 л f0 ).
Prin intermediul semnalului purtător se pot transmite diferite informaţii, exprimate prin valoarea amplitudinii purtătoarei sau valoarea frecvenţei.
Informaţia poate fi binară ,alocand o valoare pentru zero logic şi o valoare pentru unu logic. Spre exemplu dacă se recepţionează o putătoare cu amplitudinea de 10 V spunem că s-a recepţionat cifra 1, iar dacă amplitudinea este de 5 V spunem că s-a recepţionat 0 – logic.
Un alt exemplu se referă la transmiterea numerică, prin linia telefonică, unde un semnal cu frecvenţa de 2025 kHz este interpretat drept 0 - logic , iar un semnal cu frecvenţa de 2225 kHz este interpretat drept 1 – logic.
In multe din aplicaţii informaţia este reprezentată de un semnal variabil in timp , care are mai mult de două valori distincte (cum este in cazul semnalului binar) numit semnal modulator.
Dacă semnalul modulator acţionează asupra amplitudinii purtătoarei, frecvenţa purtătoarei fiind constantă, se obţine un semnal modulat in amplitudine (MA).
Dacă semnalul modulator acţionează asupra frecvenţei purtătoarei, amplitudinea purtătoarei fiind constantă, se obţine un semnal modulat in frecvenţă (MF).


Dacă semnalul modulator acţionează asupra fazei purtătoarei, amplitudinea purtătoarei fiind constantă, se obţine un semnal modulat in fază (MF). Dacă semnalul modulator acţionează asupra fazei purtătoarei şi asupra amplitudinii purtătoarei, se obţine un semnal modulat in cuadratură.
Transmiterea informaţiei prin atmosferă, in prezenţa unor semnale puternic pert 21421y245v urbatoare, se face cu ajutorul semnalelor modulate in frecvenţă, pentru că frecvenţa este mai puţin afectată decat amplitudinea semnalului la recepţie semnalul informaţional va fi decodat cu mai puţine erori .




Semnale modulate in amplitudine



Spunem că un semnal este modulat in amplitudine dacă semnalul util – numit semnal modulator, notat m - modifică amplitudinea Vp a purtătoarei.
Purtătoarea vp este un semnal sinusoidal
vp (t) = Vp cos w0t ,

a cărei frecvenţă (şi pulsaţie ω0) este constantă.
Presupunand că semnalul modulator este cosinusoidal
v m(t) = Vm cos (ωmt ) ,

atunci semnalul vp devine semnal purtător al informaţiei pe care o conţine semnalul modulator vm şi semnalul vp modulat de vm poate fi scris sub forma

v MA (t) = (V p + k a v m) cos (ω0t )
numit semnal modulat in amplitudine cu modulaţie MA normală.
Forma de undă a unui semnal modulat in amplitudine cu modulaţie MA normală este prezentată figura de jos:









Semnalul modulat in amplitudine poate fi descompus matematic
vMA = Vp cos (ω0t) + ka vm cos (ω0t)

in doi termeni din care primul „Vpcosω0t” reprezintă purtătoarea iar al doilea „Kavmcosω0t” reprezintă tot un semnal modulat in amplitudine.
S-a notat cu k a - factorul de comprimare.


Uneori nu se transmite purtătoarea vp şi spunem că avem un semnal modulat in amplitudine cu purtătoare suprimată

vMA.PS (t)=kavmcosω0t .
In condiţiile unui semnalul modulator armonic (vm= Vm cosωmt ) se poate scrie

vMA (t) = (Vp+kaVmcosωmt)cosω0t =Vp(1+mcosωmt)cosω0t ,

putand defini gradul de modulaţie
m= .
Matematic semnalul modulat in amplitudine poate fi exprimat astfel

vMA(t) =Vpcosω0t+mVpcosωmtcosω0t
=Vpcosω0t +cos(ω0+ωm)t + cos(ω0-ωm)t ,
incat să fie evidenţiate
Vpcosω0t - purtătoarea,
cos(ω0+ωm)t - componenta laterală stangă
cos(ω0-ωm)t - componenta laterală dreaptă.
Se constată că semnalul purtător al informaţiei Vm (definit prin
Vm = ) este prezent in componentele laterale ale semnalului modulat.


In figura de mai jos sunt reprezentate semnalele spectrale asociate unui semnal modulat in amplitudine (complet sau „normal” ).





Transmiterea semnalului modulat in amplitudine se poate face astfel :
- Cu modulaţie normală =>
vMA(t) = (Vp+kavm)cosω0t ;

-Fără purtătoare (MA- cu purtătoare suprimată) =>

vMAPS(t) = kavmcosω0t ;
-Fără purtătoare şi fără una din componentele laterale
(MA-PS-BLU), numită cu purtătoare suprimată şi bandă laterală unică =>
vMABLU(t) = cos(ω0+ωm)t
vMABLU(t) = cos(ω0+ωm)t ;

- Fără purtătoare cu o banda laterală şi un rest al celeilalte benzi laterale.

Observaţia 1 Puterea de emisie se repartizează

P= +2=+2,

o parte pe purtătoare (primul termen din relaţie) şi egal pe cele două componente laterale.
Expresia repartizării puterii a condus la introducerea sistemelor de transmisie a semnalelor modulate fără purtătoare şi numai cu una din benzile laterale (scade puterea necesară şi emiţătorul va avea un preţ de cost mai mic).
Numai că orice caştig (la emiţător) se soldează cu pierderi in altă parte (la receptor), in sensul că receptoarele pentru semnale MA-PS-BLU vor avea o schemă mai complicată decat cele pentru recepţia semnalelor MA normală – datorită faptului că trebuie să refacă purtătoarea – ceea ce conduce şi la un preţ de cost mai mare.

Observaţia 2 Concluziile desprinse considerand un semnal modulator armonic (ca mai sus) se extind şi in cazul semnalelor modulatoare de alta formă, pentru că orice semnal modulator v m se descompune intr-o sumă de semnale armonice
v m(t) =
a căror frecvenţă este multiplul frecvenţei semnalului nesinusoidal.

[gessle]

Demodularea (detecţia) - este procedeul de extragere a informaţiei utile , adică a semnalului modulator , din semnal recepţionat.
Avand in vedere că sunt mai multe procedee de transmitere a semnalului modulator , schemele electronice de detecţie sunt specifice tipului de modulare.
In cazul transmisiei “normale” (atat a purtătoarei cat şi a celor două benzi laterale) se utilizează doua tipuri de detectoare
-detectorul de valoare medie;
-detectorul de valoare de varf.
Dacă se utilizează un sistem care nu transmite şi purtătoarea (cu purtătoare suprimată) la recepţie aceasta trebuie să fie refăcută şi apoi, in etapa următoare, să se facă extragerea semnalului util.
Spre exemplu dacă semnalul recepţionat este MA-PS-BLU (cu modulaţie a amplitudinii, cu purtătoare suprimată şi bandă laterală unică) demodularea se realizează cu un aparat realizat conform schemei din figura de mai jos:




Semnalul modulat
vMA-PS = VP m f(t) cos ω0t,

care in cazul modulaţiei cu semnal sinusoidal ( f(t) = cosωmt ) se poate rescrie sub forma
vMA-PS =VP m cos ωmt cos ω0t

este inmulţit, in blocul “X”, cu purtătoarea

v0= V0cosω0t.
La ieşirea blocului de multiplicare se obţine semnalul produs notat “ v “

v= vMA-PS VpV0 m cos ωmt cosω0t =
v= cos ωmt [1+cos(2ω0t)] ,
v = cos ωmt + cos ωmt cos (2ω0t)

care se compune dintr-un semnal de joasă frecvenţă

cosωmt ,
şi un semnal de frecvenţă mare

cos ωmt cos (2ω0t) .
Filtrul trece-jos FTJ de la ieşirea circuitului de multiplicare are rolul de a permite trecerea semnalului de joasă frecvenţă, blocand componentele cu pulsaţia 2ω0 .


Circuite multiplicatoare analogice
Circuitele de multiplicare au rolul de a realizarea produsului a doua semnale vx(t) şi vy(t) pentru a obţine

v0(t)=k vx(t) vy(t).
Principiul de funcţionare al unui circuit de inmulţire se bazează pe caracteristica de intrare exponenţială a tranzistorului
IE=I0.,

unde IE este curentul de emitor al tranzistorului, VBE este tensiunea
bază –emitor, iar celelalte mărimi sunt constante pentru un tranzistor şi o temperatură dată.


Daca VBE se modifica la VBE+∆VBE atunci IE se modifica de la IE la
IE + ∆IE aşa incat, prin diferenţiere, avem

∆IE = ∆VBE = I0 ∆VBE = IE ∆VBE

∆IE= ∆VBE ,
unde VT= este tensiunea termică a tranzistorului
In schemele de multiplicare nu se foloseşte un singur tranzistor pentru modelarea ecuaţiei de mai sus ci se preferă montajele diferenţiale,
pentru a realiza o compensare a variaţiei parametrilor tranzistorului cu temperatura.



...mai multe la coltul electronistului(in curand).