Спутниковые сети радиовещания. Экскурс в историю

Трансляция программ радио через спутники первоначально осуществлялась с частотной модуляцией на поднесущей частоте видеосигнала. Спутниковые телевизионные программы должны были иметь звуковое сопровождение, и для передачи звука была использована поднесущая частота. Точно так же передается звук в обычном эфирном телевидении. Вскоре было замечено, что ширина полосы частот, отведенной для спутникового телевизионного канала, позволяет разместить в ней не одну, а несколько звуковых поднесущих. Это дало возможность передавать на одной несущей частоте одновременно с аналоговой телевизионной программой одну или несколько программ радио. Незадолго до этого, в начале 1960-х, появился новый вид эфирного радиовещания - FM (вещание с частотной модуляцией в диапазоне метровых волн). FM позволяла получить высокое качество звука, и использовавшиеся ранее проводные каналы связи по своим характеристикам оказались непригодными для раздачи программ радио от студии удаленным FM ретрансляторам. В связи с этим развитие сетей радиовещания несколько застопорилось - нужен был принципиально новый способ передачи новостей и спортивных репортажей с высоким качеством в реальном времени. Спутниковое аналоговое радио решило эти проблемы. Вещание на звуковой поднесущей позволяло передать диапазон частот до 15 кГц, поэтому спутниковое вещание в реальном времени стали использовать не только информационные, но и музыкальные радиостанции. Одна из первых музыкальных спутниковых радиосетей - Satellite Music Network, созданная Джоном Тайлером, и теперь владеет одной из самых больших аудиторий слушателей в мире, сегодня она входит в состав ABC Radio как одно из подразделений.

Некоторое время спустя вещатели начали использовать отдельные транспондеры спутников полностью только для передачи программ радио - полоса частот, традиционно занимаемая сигналом видео, использовалась для размещения нескольких десятков поднесущих звука. Такой способ получил наименование FM/FM. Пионером FM/FM вещания стала компания United Video / SpaceCom Systems. Передачи в таком формате остаются актуальными по сей день. Сигналы программ радио от множества студий по наземным каналам связи доставляются на спутниковую передающую станцию, где они уплотняются по частоте, групповым сигналом модулируется одна несущая и передается на спутник для ретрансляции. Ресиверы для приема радио в формате FM/FM имеют простую конструкцию и низкую стоимость. Так как транспондер спутника используется одновременно многими вещателями, арендная плата за использование транспондера делится между отдельными радиостанциями. Это дает существенную выгоду, особенно если сеть рассчитана на большое количество индивидуальных приемников.

Еще через некоторое время национальный департамент радиовещания США (National Public Radio Service, NRP) разработало принципиально новый способ организации спутниковых радиосетей. Эта технология получила название Analog SCPC или SCPC FM (передача аналогового радио с разделением каналов по частоте - Single Channel per Carrier - один канал на несущей). Такой способ позволяет использовать один транспондер спутника, передавая различные программы радио со множества передающих станций, находящихся в различных географических точках. Разработанная NPR технология позволила создать многоканальную сеть на основе компактных передающих станций с небольшими антеннами, разбросанных по всей территории США. Каждая передающая станция SCPC FM формирует сигнал в узкой полосе частот, намного уже, чем полоса частот полного транспондера. Сигналы отдельных передающих станций складываются непосредственно в антенно-фидерном тракте спутника-ретранслятора, это позволяет использовать разным передающим станциям один и тот же транспондер независимо друг от друга. В формате SCPC FM возможно передавать диапазон звуковых частот до 15 кГц на одной несущей. Для передачи двух стереоканалов необходимо сформировать сигнал на двух отдельных несущих. Для корректного приема сигналов SCPC FM необходимо довольно высокое отношение несущая / шум на входе приемника, хотя это требование удалось несколько снизить, используя технику компандирования звука (сжатие динамического диапазона на передающей стороне с последующим его восстановлением в приемнике). Отчасти из-за высоких требований к отношению сигнал / шум, для трансляции сигналов SCPC FM использовались преимущественно спутники, работающие в С - диапазоне, так как радиоволны этого диапазона менее подвержены затуханию в атмосфере из-за осадков и облачности.

В начале 80-х годов компанией Scientific Atlanta по заказу нескольких крупных коммерческих радиосетей была разработана технология передачи цифрового радио с частотным разделением каналов (Digital SCPC), получившая условное наименование DATS. Технология DATS предполагает непосредственное аналого-цифровое преобразование звукового сигнала методом импульсно-кодовой модуляции (Pulse Code Modulation, PCM), такая техника используется при записи звука на компакт диски. Цифровой сигнал далее передается на спутник методом SCPC, для передачи его требуется стандартный канал Т1 с пропускной способностью 1, 544 Мбит/сек. В технике DATS был использован принципиально новый вид модуляции - двухпозиционная фазовая манипуляция (Binary Phase Shift Keying, BPSK). При BPSK фаза несущей скачкообразно изменяется на 180 градусов при передаче бита "1" или не изменяется при передаче бита "0", таким образом, передается цифровой поток, содержащий данные звука. Для трансляции радио в формате Digital SCPC все еще использовались спутники, работающие в низкочастотном C - диапазоне. Однако для приема программ радио в этом формате минимально допустимое отношение сигнал/шум удалось снизить по сравнению с форматами FM/FM и Analog SCPC за счет цифровых технологий обнаружения и исправления ошибок. Кроме того, в цифровой поток легко можно мультиплексировать дополнительную дискретную информацию - двоичные файлы, команды управления удаленными приемниками и т. п. Несмотря на использование способа разделение каналов SCPC, для передачи нескольких каналов радио в формате DATS необходимо использовать единую передающую станцию. Поэтому технология DATS сохраняет необходимость собирать сигналы всех источников в одной географической точке с помощью наземных каналов связи.

Примерно в то же самое время небольшая компания из Южной Калифорнии, известная сегодня под именем Titan Linkabit, произвела революцию в спутниковой связи, разработав принципиально новую технологию передачи данных через спутники с использованием фазовой манипуляции (Phase Shift Keying, PSK). Эта технология широко известна как VSAT (Very Small Aperture Terminal - станция с антенной очень маленького размера). Под руководством доктора Эндрю Витерби, инженеры Linkabit разработали новую архитектуру спутниковых сетей для двусторонней передачи потоков данных с низкими и средними скоростями. Технология VSAT предполагает использование спутников, работающих в Ku - диапазоне. Терминал VSAT имеет небольшие размеры и относительно низкую стоимость. Благодаря этим качествам спутниковые сети VSAT для передачи данных и телефонии получили стремительное развитие. В 1986 году компанией Linkabit было смонтировано 150 терминалов VSAT, 10 годами позже во всем мире их насчитывалось уже более 150 000. Сейчас оборудование VSAT для организации сетей TDM/TDMA производится многими компаниями мира, специализирующимися в области спутниковой связи. Инженеры небольшой компании из Колорадо, National Supervisory Network Ltd, используя основы технологию VSAT в Ku - диапазоне, проводили эксперименты по передаче по низкоскоростным каналам цифровых звуковых сигналов. Для уменьшения скорости потока данных была использована технология цифровой компрессии звука ADPCM (адаптивная импульсно-кодовая модуляция). Сигнал передавался с модуляцией BPSK. Удовлетворительных результатов удалось достичь, только передавая и записывая данные с низкой скоростью, а затем считывая их с повышенной скоростью для декомпрессии. Организовать передачу звука в реальном времени с качеством CD, используя эту технологию сжатия и имевшуюся в то время пропускную способность спутниковых каналов VSAT, оказалось невозможным.

В то время, как специалисты NSN экспериментировали с передачей звука с помощью VSAT, несколько ведущих инженеров компании Linkabit покинули фирму из-за конфликтов с новым руководством и организовали новую компанию в Сан-Диего, Калифорния. Вновь организованная фирма получила название ComStream и вскоре получила всемирную известность как крупнейший разработчик и производитель высококачественных спутниковых модемов и VSAT станций. В 1989 - 1990 годах ComStream представила оборудование для сетей спутникового радиовещания, для передачи звука с качеством CD в Ku - диапазоне. Была использована технология цифровой компрессии, основанная на особенностях восприятия звуков человеческим ухом (психоакустический эффект), получившая название apt-X. Применение алгоритма apt-X для информационного сжатия данных позволило передавать звук с качеством CD в цифровом потоке со скоростью 256 Кбит/сек - в четыре раза меньше, чем требовалось для технологии DATS (1544 Кбит/сек). Первыми пользователями оборудования этого формата стали ABC Radio Networks и Gannett Broadcasting, обеим этим вещательным корпорациям требовалась сеть небольших, недорогих приемных станций для ретрансляции своих программ во множестве городов. В 1992 г. специалисты ComStream полностью отказались от компрессии звука по методу apt-X, и разработали оборудование для цифрового сжатия по стандарту MPEG. Компрессия MPEG позволила передавать два стереоканала звука с тем же качеством, что и apt-X, но в потоке со скоростью всего 128 Кбит/сек. Для передачи использовалась более экономичная (с точки зрения занимаемой полосы частот) четырехпозиционная фазовая манипуляция (Quadrature Phase Shift Keying, QPSK) и последовательное канальное кодирование для исправления ошибок передачи. NSN, которая к 1991 году стала одним из основных дистрибьюторов ComStream, инсталлировала первую сеть цифрового радиовещания в формате MPEG в 1993 году. Соединение алгоритма цифровой компрессии звука MPEG с технологией передачи данных VSAT произвело революцию в спутниковом радиовещании. Передача в формате MPEG с модуляцией QPSK занимает на транспондере полосу всего 200 кГц, требует совсем небольшой мощности передатчика - обычно прием обеспечивается при ЭИИМ транспондера 18 дБ/Вт и ниже - и позволяет получить диапазон звуковых частот до 20 кГц, качество CD, поток дополнительных данных со скоростью до 9600 бит/сек, передать дискретные команды управления внешним оборудованием удаленных ретрансляторов и команды адресного управления удаленными приемниками, и все это в 99,9% времени в 99,9% мест. И при такой используемой мощности транспондера и занимаемой полосе частот стоимость аренды спутникового канала оказалась беспрецедентно низкой - менее 1500 $ в месяц для вещания на всю территорию США! (Трансляция в аналоговом формате FM/FM обходилась более чем в 30 000 $ в месяц при худшем качестве и меньшем объеме услуг). Передающие станции могут располагаться где угодно в пределах зоны обслуживания спутника. Для передающих станций используются антенны диаметром менее 1 м, вопросы выделения частот и лицензирования для передачи в Ku - диапазоне решаются гораздо проще, так как в этом диапазоне нет необходимости учитывать электромагнитную совместимость с наземными радиоэлектронными средствами.

За последующие три года ComStream в партнерстве с NSN инсталлировали более 300 цифровых радиовещательных сетей формата MPEG VSAT, установив тысячи недорогих ресиверов-декодеров по всему миру. Большая часть из этих сетей - "мини" и "микро" сети, их вещатели до появления нового формата не имели финансовой возможности организовать сетевое вещание вообще. Теперь даже небольшие радиостанции смогли организовать дешевую доставку своего сигнала в любую точку страны и мира.

В 1995 году National Public Radio полностью отказались от вещания в формате Analog SCPC и начали вещание в формате MPEG SCPC, используя свои транспондеры С - диапазона. Примерно в это же время большинство коммерческих радиовещательных сетей, работавших в форматах FM/FM и DATS, начали постепенный переход к формату MPEG с фазовой модуляцией несущей, используя для нового формата часть полосы арендуемых ими транспондеров, или переводить полный транспондер для вещания в формате MPEG с разделением каналов не по частоте, а по времени. Такой способ передачи нескольких каналов одним транспондером известен как MCPC (Multi - Channel per Carrier) - несколько каналов на одной несущей. Другие производители оборудования для спутниковой связи, такие, как Wegener Communications и International Datacasting, разработали и начали поставлять на рынок оборудование для радиовещания в формате MPEG с модуляцией QPSK. Scientific Atlanta совместно с ABC Radio разработали свой собственный оригинальный алгоритм цифровой компрессии, названный ими SEDAT. По идее разработчиков, новый формат должен был повысить надежность и еще более снизить стоимость спутниковой трансляции.

К концу 1996 года термин "SCPC" уже перестал буквально обозначать "один канал на несущей", как было при использовании аналоговых форматов. Теперь система радиовещания SCPC предполагает на несущей один цифровой поток, однако в этом потоке содержатся, как правило, данные двух каналов звука, команды управления доступом к приему программ, команды управления внешним оборудованием удаленных ретрансляторов, дополнительные данные и идентификаторы сети. Почему такой способ передачи все еще обозначается SCPC? Видимо, по привычке. Кроме того, видимо, имеется в виду, что все передаваемые данные транслируются одним вещателем и предназначены одной определенной группе абонентов.

Коммерческие музыкальные радиокомпании, такие, как, например, DMX, используют формат вещания MCPC. При этом около 100 цифровых программ радио мультиплексируются по времени в единый цифровой поток со скоростью порядка 30 Мбит/сек. Для передачи такого потока требуется полоса частот полного транспондера. Затраты на аренду спутникового сегмента сети окупаются за счет большой аудитории подписчиков.

Также остается популярным формат Narrowband MCPC (MCPC с узкой полосой). Это промежуточный вариант между SCPC и MCPC, когда небольшое количество каналов мультиплексируется по времени. Для передачи такого цифрового потока требуется более широкая полоса частот, чем для SCPC, но все-таки намного уже, чем полоса полного транспондера. В результате один транспондер используют несколько передающих станций, на каждой из которых мультиплексируется несколько каналов радио. При этом стоимость ресивера получается значительно ниже, чем стоимость узкополосного приемника SCPC.

Сегодня каждый радиовещатель может выбрать технологию передачи сигнала, наиболее соответствующую концепции построения его сети. Небольшие сети (до 500 ретрансляторов), как правило, выбирают формат SCPC, так как в этом случае передающее оборудование имеет небольшие габариты и стоит относительно недорого, и, главное, аренда узкой полосы на транспондере обходится очень дешево. Правда, для работы в SCPC нужны довольно дорогие ресиверы-декодеры, но, так как их немного, общая стоимость оборудования сети получается приемлемой.

Крупные коммерческие сети обычно используют MCPC, мультиплексируя множество цифровых каналов по времени в единый поток. Для такой трансляции используется дорогостоящее передающее оборудование, кроме того, арендуется полный транспондер или значительная его часть (например, половина), что тоже стоит дорого. Зато стоимость абонентского ресивера в несколько раз меньше, чем ресивера SCPC, ресиверы просты по конструкции, и легко организовать их массовое производство. Большие затраты на передачу окупаются за счет большой аудитории подписчиков. До сих пор актуально использование традиционного аналогового способа передачи программ радио на звуковых поднесущих телевизионных каналов. Такой способ доставки сигналов абонентам используют радиокомпании, которые ориентируются на бесплатный сервис для многомиллионной аудитории. Принимать такие программы могут слушатели, использующие даже морально и физически устаревшие аналоговые приемные системы.

Формат Analog SCPC давно уже не используется. Он оказался неконкурентоспособным с цифровыми форматами ни по стоимости доставки сигнала, ни по качеству сервиса, и при этом не совместим со старым парком приемных систем.

По оценкам аналитиков компании NSN, большинство сетей радиовещания США, ориентированных на американскую аудиторию, уже перешли на полностью цифровые технологии. Видимо, с вводом в эксплуатацию мощных спутников непосредственного вещания (DBS), цифровое спутниковое радио получит еще некоторое развитие. В остальном, на ближайшие пять лет, революционных изменений (по сравнению с предыдущим пятилетием) в этой области бизнеса не предвидится.

В мире в целом ожидается увеличение объема продаж оборудования SCPC и Narrow MCPC, это связано прежде всего с тем, что мировой рынок радиовещания окончательно не поделен, и создание и реорганизация радиовещательных сетей продолжается. Видимо, формат MCPC с занятием полного транспондера не получит такого развития, как SCPC или Narrow MCPC, так как в Европе, в отличие от Америки, используются, как правило, транснациональные спутники. Обычно в зоне обслуживания таких спутников находится несколько стран с различными культурами, разными языками и разным уровнем жизни населения. Все это в совокупности ограничивает возможное число подписчиков, и, следовательно, затрудняет окупаемость доставки сигнала радио таким способом.

Другие статьи по профессиональным ресиверам читайте тут - САТПРО