Спутниковые ресиверы нового поколения

За десять лет развития цифрового спутникового телевещания спутниковые ресиверы прошли большой путь от простого аппарата для «распаковки» потока «MPEG-2» до сложного мультимедийного аппарата. Блок-схема современного спутникового ресивера показана на рис.31.22.

Рис.31.22.Структурная схема современного ресивера с возможностью приема сигнала «DVB-S2/MPEG-4»

Примечание. В отличие от своих ранних собратьев, в новых моделях ресиверов принятый со спутника обрабатывает не тюнер, а центральный процессор.

Нет, тюнер также как и раньше, принимает, усиливает и преобразует принятый сигнал в цифровую форму. Но обработка полученных цифровых данных выполняется в соответствующих узлах процессора ресивера. Благодаря таким нововведениям размеры тюнера очень сильно уменьшились (рис.31.23).

 

Рис.31.23.Современный тюнер спутникового ресивера

Рис.31.24.Специализированный процессор «СХ24303» (Пр-во «Conexant»)

Но это решение увеличило требования к скорости и возможностям центрального процессора. Если процессоры первых цифровых ресиверов работали со скоростями порядка 40…70 МГц, то многие нынешние монстры цифрового мира могут работать на частотах выше 200 МГц! В настоящий момент одним из популярных процессоров является изделие компании «Conexant» – «СХ24303» (рис.31.24).

Отличительной особенностью этой серии является интеграция большего количества модулей и новое 32-х битное ядро ARM с высокой рабочей частотой 150 МГц. Благодаря интеграции QPSK модулятора, USB-контроллера и других модулей в одном корпусе, удалось существенно снизить стоимость готового изделия.

В одной такой микросхеме совмещены модули, необходимые для работы цифрового спутникового ресивера (рис.31.25): декодер «MPEG-2»; транспортный демультиплексор; видео- и аудиодекодеры; сопроцессор двумерной графики; модуль управления CI-слотами; система управления памятью; порты ввода/вывода, в том числе порт USB; модуль управления индикаторами; модуль управления смарт-картами; другие необходимые узлы.

Рис.31.25.Архитектура процессора «Conexant СХ24303»

 

Изменения коснулись и других узлов ресивера. Многие производители процессоров интегрировали в свои изделия адаптеры САМ-модуля и смарт-карты. Видео- и аудиокоммутатор полностью изменил принципы своей работы: цифровой поток видеоданных никак не преобразуется и поступает на цифровой видеовыход HDMI. Хотя в ряде моделей имеется специальная микросхема для создания аналоговой «копии» видеосигнала и последующей ее передачи на компонентный или композитный видеовыходы ресивера.

Примечание. Многие производители предлагают спутниковые ресиверы со встроенным сетевым адаптером и адаптером беспроводной сети – «Wi-Fi».

Благодаря этому можно записывать выбранный на ресивере канал на жесткий диск компьютера, а также дистанционно управлять режимами работы ресивера и обновлять его программное обеспечение. Установленный в спутниковом ресивере USB разъем уже никого не удивляет. В ряде моделей можно встретить встроенный картридер для работы с модулями памяти «CompactFlash», картами «MMC» и «SD». Таким образом, к ресиверу можно подключить «флешку» или жесткий диск, просматривать фотографии, слушать музыку и смотреть фильмы без использования компьютера. Во многих моделях ресиверов производители установили адаптер жесткого диска и на заднюю панель ресивера установили разъем «E-SATA», к которому и подключатся внешний накопитель. Другие производители встроили в ресивер жесткий диск, на который можно производить запись понравившейся передачи или фильма и просмотреть запись в удобное время. Большинство ресиверов пишут данные в формате «TS» – (transport stream). Главный плюс этого формата – отсутствие сжатия записываемой информации, соответственно, и нет потери качества изображения. Хотя имеются ресиверы, сжимающие записываемые на диск данные в популярный формат «MPEG-2». Ресиверы, оснащенные жестким диском, очень часто имеют два независимых тюнера: сигнал с одного из них можно записывать на диск, используя второй в это же время просматривать другой канал. На рис.31.26 показан такой ресивер.

Рис.31.26.Внешний вид современного спутникового ресивера с жестким диском

 

В левом верхнем углу ресивера видим два тюнера спутникового сигнала, ниже – микросхему управления САМ-модулями и смарт-картой. В центре платы установлен центральный процессор, в данном случае это процессор производства компании «IBM». Справа установлен жесткий диск для записи понравившихся передач и фильмов. Блок питания данного ресивера расположен справа от жесткого диска и на фотографии не показан.

Примечание. Известные производители спутниковых ресиверов сделали большой шаг в сторону увеличения возможностей своих изделий: для управления работой ресивера они используют известную многим «компьютерщикам» операционную систему «Linux».

Многие программы для ОС «Linux» распространяются с исходными текстами. Т.е. эти программы открыты для изучения и модификации. Но имеется несколько нюансов. Можно получить исходные тексты многих программ. Многих, но не всех: исходные тексты ядра операционной системы, большинства драйверов и часть исходных текстов программы графического интерфейса распространяются только в виде исполняемых кодов для процессора. Т.е. их нельзя модифицировать простыми программными инструментами.

Примечание. «Прошивки» для ресиверов, работающих под управлением ОС «Linux», называют «программа имидж» или просто «имиджи» (от английского «Image» – образ).

Самым популярными ресиверами, работающими под управлением ОС «Linux», были и остаются ресиверы компании «Dreambox». Можно сказать, что именно эта компания задала тон в разработке новых моделей ресиверов, и все последующие модели ресиверов других производителей сравнивались именно с ресиверами от компании «Dreambox.

Примечание. Если верить многочисленным слухам, уже много лет блуждающих по форумам фанатов спутникового приема, в ближайшие годы в продаже могут появиться ресиверы под управлением операционной системы «Windows CE» специально разработанной для управления мобильными устройствами. Таким образом, вполне реальна ситуация, когда многолетняя монополия ОС «LINUX» пошатнется под натиском конкурентов.

Выделенные спутниковые каналы (SCPC)

 

SCPC (Single Channel per Carrier, один канал на несущую) - классическая технология спутниковой связи. Сущность ее очень проста: для связи двух земных станций А и В на спутнике выделяются две полосы частот: одна для передачи в направлении А-В, другая - для передачи в направлении В-А.

 

 

Эти полосы частот «монопольно» используются только станциями А и В и не могут быть использованы кем-то еще. Таким образом, SCPC - выделенный физический канал связи. Связь осуществляется только по схеме «точка-точка». Спутниковые сети SCPC с более сложной топологией (например, «звезда») строятся на основе нескольких отдельных каналов «точка-точка».

Исключение - симплексные каналы SCPC. Они используются для телевизионного и радиовещания, вещания данных. В сети вещания передающая ЗС всегда одна, а приемных станций может быть сколько угодно. Они вообще не используют спутниковый ресурс, соответственно, никоим образом не мешают друг другу.

 

Преимущества спутниковых сетей SCPC:

1 Гарантированное качество канала. Вся полоса канала

используется одной конкретной земной станцией, а не делится между многими ЗС, как в других технологиях. Поэтому пропускная способность канала SCPC всегда гарантирована.

2 Высокая готовность канала. Данные, поступающие на вход модема SCPC, передаются в канал немедленно.

Минимальная временная задержка. Данные передаются «в один скачок» и не «стоят в очередях» на передачу, поэтому задержка в каналах SCPC минимальная - около 250 мсек. Это время, которое необходимо сигналу, чтобы со скоростью света проделать путь от Земли до геостационарного спутника и обратно.

3 Максимально эффективное использование частотного ресурса на спутнике. Каналы SCPC организуются только по схеме «точка-точка», они представляют собой эдакий «виртуальный кабель». Поэтому в SCPC отсутствует адресация, а другая служебная информация сведена к минимуму (контрольные биты помехозащитных кодов, команды управления оборудованием удаленных ЗС). Это позволяет получить максимально возможную скорость передачи полезных данных в выделенной полосе частот. Соответственно, 1 Мбит/сек по технологии SCPC стоит дешевле, чем при использовании любой другой технологии (естественно, при прочих равных условиях - энергетике, зоне обслуживания и т.п.).

4 Автономность. Сеть спутниковой связи SCPC не требует централизованного управления. Надежность такой сети не зависит от работы центральной станции оператора, каждое направление «точка-точка» функционирует отдельно. Компания может купить в собственность оборудование, оформить разрешительные документы и самостоятельно эксплуатировать сеть SCPC, не прибегая к услугам операторов связи. Таким образом минимизируются затраты на связь - компания платит практически только за использование частотного ресурса спутника. Справедливости ради следует оговориться, что на деле имеет место и противоположный тренд: иные компании предпочитают заплатить больше денег, зато купить у оператора связи готовый канал «под ключ«и не заниматься непрофильной деятельностью.

5 Возможность выбора полосы и энергетики. SCPC предоставляет самый широкий выбор скоростей и энергетики канала. Пользователь может сэкономить на стоимости оборудования, применив простые схемы модуляции, слабый передатчик и недорогой модем. Зато для передачи данных потребуется более широкая полоса частот, соответственно, ежемесячные платежи будут относительно большими. Можно наоборот, минимизировать ежемесячные платежи, применив более сложные схемы модуляции, более «слабое» кодирование. Тогда для передачи данных с той же скоростью потребуется меньшая полоса частот на спутнике, соответственно, аренда спутниковой емкости будет дешевле. Зато для работы потребуются антенны больших размеров, мощные передатчики и более «умные» модемы. В сетях, построенных по другим технологиям, такой возможности нет - пользователь привязан к параметрам центральной станции сети. А в SCPC две земных станции работают друг с другом, и параметры обеих можно выбрать максимально соответствующими задачам пользователя.

 

Благодаря этим особенностям именно SCPC чаще всего используется для организации магистральных спутниковых каналов связи: междугородных телефонных каналов, каналов доступа в Интернет для крупных сервис-провайдеров, для телевизионного и радиовещания.

К недостаткам SCPC можно отнести довольно высокую стоимость оборудования земных станций и необходимость получения отдельных частотных присвоений на каждую станцию.

 

Оборудование

Каналообразующим оборудованием земной станции SCPC является спутниковый модем. Он преобразует последовательные данные в радиочастотный сигнал или наоборот. Со стороны клиентского оборудования модем имеет последовательный интерфейс - синхронный (G.703, V.35) или асинхронный (например, RS-449, RS-232). Со стороны антенны - вход и выход радиосигнала промежуточной частоты 70 МГц или L-Band (950…1450 МГц). Для преобразования сигналов промежуточной частоты в сигналы на частотах приема и передачи спутника (С или Ku диапазон) используются понижающий малошумящий конвертер (LNB) и повышающий конвертер - усилитель мощности (BUC). В современных земных станциях это два небольших устройства, расположенные непосредственно на антенне. Иногда для увеличения мощности на передачу после BUC устанавливается дополнительный полупроводниковый усилитель мощности (SSPA). В больших и мощных станциях, а также в центральных станциях, где на одну антенну работают сразу несколько модемов, схема несколько сложнее: между модемом (модемами), LNB и усилителем мощности устанавливается промежуточный повышающий/понижающий конвертер («трансивер») внутреннего или внешнего исполнения.

Антенны земных станций SCPC несколько больше по размерам, чем антенны, например, для «двустороннего спутникового Интернета». Это связано с тем, что станция «спутникового Интернета» работает в паре с центральной станцией сети с антенной диаметром 5…12 м и передатчиком в несколько сотен Ватт, поэтому абонентская станция принимает сильный сигнал, а сама может излучать слабые сигналы. Станция SCPC работает в паре с такой же точно станцией, поэтому они обе должны принимать относительно слабые сигналы, а излучать относительно сильные.

Конкретные размеры антенны и мощность передатчика зависят, в первую очередь, от требуемой скорости передачи данных, а также от параметров самого спутника.

 

Примеры использования

 

Подключение удаленной АТС

 

 

Это «традиционный» способ подключения коммутаторов фиксированной телефонной связи друг к другу через спутник. Используется пара модемов с последовательными синхронными интерфейсами G.703, через которые передается цифровой поток Е1 (2048 кбит/с), полный или дробный. Таким способом может быть подключен удаленный абонентский вынос большой АТС (номера абонентов выноса будут такие же, как и у локальных абонентов), либо удаленная самостоятельная АТС к опорной АТС (например, сельская к городской), либо две равноправных АТС (например, учрежденческих) объединены одна с другой. За исключением небольшой временной задержки спутникового канала связи (0,25 секунды), все оборудование работает точно так же, как при подключении медным или оптическим кабелем или с помощью радиорелейной линии.