衛(wèi)星電視廣播傳輸與接收系統(tǒng)的原理及實(shí)用技術(shù)

李學(xué)偉

1 衛(wèi)星電視廣播傳輸系統(tǒng)的組成

1.1 衛(wèi)星

在赤道上空圍繞地球與地面相對(duì)靜止的軌道運(yùn)行的同步衛(wèi)星。國(guó)際電聯(lián)（ITU）衛(wèi)星組織規(guī)定，將靜止軌道分為三個(gè)區(qū)，第一區(qū)：歐洲、非洲、阿拉伯半島、土耳其、原蘇聯(lián)、亞洲部分蒙古。第二區(qū)：南北美洲。第三區(qū)：中國(guó)在第三區(qū)ITU-3，該區(qū)包括亞洲和南太平洋地區(qū)（174W～72E），相鄰衛(wèi)星的經(jīng)度不小于3°，衛(wèi)星工作于C波段和Ku波段。

位置：衛(wèi)星的位置由其所在的經(jīng)度來(lái)定義，如中星6B位于115.5°E，即東經(jīng)115.5°。衛(wèi)星的位置與衛(wèi)星接收地點(diǎn)決定天線的仰角和方位角。

頻率：亞洲地區(qū)，衛(wèi)星下行工作頻率為C波段（3.7～4.2 GHz）和Ku波段（11.7～12.2 GHz），每個(gè)波段的帶寬為500 MHz，衛(wèi)星上行頻率C波段為6 GHz即（5.725～8.4 GHz）和Ku波段為14 GHz即（12.75～18.1 GHz）。

極化方式：衛(wèi)星電視廣播采用四種極化方式，即垂直極化（V）、水平極化（H）、左旋極化（L）和右旋極化（R），其中，垂直極化與水平極化、左旋極化與右旋極化為正交極化。水平極化是指電磁波傳播時(shí)電場(chǎng)矢量在水平面上的變化，垂直極化是指電場(chǎng)矢量在垂直面上的變化。圓極化：電磁場(chǎng)的電場(chǎng)矢量在垂直與傳播方向的平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)稱為圓極化，由于旋轉(zhuǎn)方向不同又分為左旋極化和右旋極化。為提高頻率資源使用效率，常在同一頻率上使用兩個(gè)正交極化電磁波來(lái)傳送信號(hào)。衛(wèi)星的下行頻率和極化方式確定了衛(wèi)星接收的饋源的本振頻點(diǎn)和極化方式。

轉(zhuǎn)發(fā)器及EIRP：在同一衛(wèi)星上有多個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器，每個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器都有自己的賦形波束和等效全向輻射功率（EIRP）。在接收地點(diǎn)的EIRP值決定了所使用的天線口徑大小和高頻頭的噪聲系數(shù)。

1.2 地球站

衛(wèi)星電視廣播信號(hào)由地面廣播電視系統(tǒng)播控中心將節(jié)目視頻和伴音信號(hào)經(jīng)過(guò)相關(guān)設(shè)備技術(shù)處理后，通過(guò)衛(wèi)星上行地面站發(fā)射到衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)器上。衛(wèi)星信號(hào)的傳送方式?jīng)Q定了衛(wèi)星接收的解調(diào)方式。

2 衛(wèi)星電視廣播地面接收系統(tǒng)的組成

衛(wèi)星電視地面接收系統(tǒng)主要包括：衛(wèi)星接收天線、饋源、高頻頭（LNB）、傳輸同軸電纜、功分器、線放、衛(wèi)星接收機(jī)、終端監(jiān)視器。

2.1 衛(wèi)星天線

2.1.1 作用與原理

由于微波信號(hào)在傳播過(guò)程中是直線傳播的，所以衛(wèi)星天線利用拋物面反射聚焦，增強(qiáng)接收的方向性和提高天線增益，使到達(dá)饋源的電磁場(chǎng)足夠強(qiáng)。

2.1.2 種類與特點(diǎn)

衛(wèi)星接收天線主要以拋物面為主，有前饋式、后饋式、偏饋式、多波束等幾種拋物面天線。天線的增益：G=10Lg[η（πD/γ）2]（dB），式中η為天線效率，一般為0.7～0.8，γ為波長(zhǎng)，D為天線直徑（m）。

現(xiàn)在的衛(wèi)視節(jié)目分布在C波段和Ku波段上，C波段信號(hào)接收使用正饋天線及后饋天線，正饋天線有1.35、1.5、1.8、2.1、2.4 m等這幾種規(guī)格天線基本可以滿足個(gè)體及集體接收。后饋天線一般常用規(guī)格有3、4.5、5、6、6.5 m等基本是廣播電視系統(tǒng)微波站、電視臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)傳輸接收用?？ㄈ駛愄炀€是典型的后饋天線，卡塞格倫天線是一種在微波通信中常用的天線。接收Ku波段信號(hào)一般使用偏饋天線，常用規(guī)格有0.35、0.45、0.6、0.75、0.8、0.9、1.0、1.2、1.5 m等可以滿足個(gè)體和集體接收用。與正饋天線不同，偏饋天線外形呈橢圓形，表面弧度較淺，采用正裝方式時(shí)仰角較正饋天線低20°左右。Ku波段偏饋天線具有高增益、高效率、窄波束等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)踐證明，相同直徑天線，Ku波段偏饋天線比C波段前饋天線增益高約10 dB，一個(gè)1.2 m Ku波段偏饋天線增益相當(dāng)于3.6 m C波段前饋型天線接收Ku波段信號(hào)的增益，其效率可達(dá)65%～70%（C波段前饋型天線約為55%左右）。

2.1.3 仰角與方位角

描述衛(wèi)星接收天線的方向參數(shù)，天線接收方向與水平面的夾角為仰角，天線接收方向與正南（北）的夾角為方位角。具體計(jì)算公式如下：

仰角：

θ=arctg[（cosΦcosγ-0.15127）/（1-（cosγcosΦ）1/2]

方位角：Φ=arctg（tgγ/sinΦ）

式中，γ=γp-γs，Φ為接收地點(diǎn)的緯度，γp為接收地點(diǎn)的經(jīng)度，γs為衛(wèi)星在軌的經(jīng)度。方位角以正南為基準(zhǔn)，偏西為正，偏東為負(fù)。以上具體計(jì)算公式，作為調(diào)星愛(ài)好者計(jì)算起來(lái)比較繁鎖，所以通常我們可以通過(guò)網(wǎng)上“在線尋星網(wǎng)”尋星參數(shù)計(jì)算軟件獲得詳細(xì)參數(shù)，只要輸入預(yù)調(diào)衛(wèi)星所在經(jīng)度、天線類型、當(dāng)?shù)亟邮盏乩砦恢妹Q，“確認(rèn)尋星”后即可獲得當(dāng)前地理位置經(jīng)緯度，天線方位角、仰角、高頻頭極化角等計(jì)算參數(shù)及截面圖方便實(shí)用。

2.2 饋源

饋源的作用是將在自由空間傳播的電磁波轉(zhuǎn)換成波道中傳輸?shù)碾姶挪ǎň匦尾ǖ乐蠺E10波），然后通過(guò)適當(dāng)耦合，將電磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成同軸電纜中傳輸?shù)男盘?hào)，以便高頻頭信號(hào)處理和后面的傳輸，主要有兩種類型：前饋式饋源和后饋式饋源。

2.3 高頻頭（LNB）

將饋源耦合來(lái)的微波信號(hào)先進(jìn)行低噪聲放大，然后通過(guò)混頻（降頻）成中頻950～1450 MHz的信號(hào)，再放大。高頻頭的供電通過(guò)輸出同軸電纜由衛(wèi)星接收機(jī)供電。高頻頭有單本振單極化單輸出、雙極化單輸出、雙極化雙輸出、還有雙本振雙極化4輸出，C/Ku復(fù)合高頻頭等種類繁多。以下是高頻頭各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)所代表的含義。

2.3.1 輸入頻率（INPUT）

輸入頻率是指高頻頭所能接收到的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器下行頻率范圍。C波段，有3.4～4.2 GHz和3.7～4.2 GHz兩種，早期使用3.7～4.2 GHz的較多，因前者的頻率范圍比后者寬，應(yīng)優(yōu)先選用。Ku波段，接收頻率范圍10.7～12.75 GHz；由于其接收頻率范圍較寬又將分為低頻段（10.7～11.7 GHz）和高頻段（11.7～12.75 GHz）。

2.3.2 輸出頻率（OUTPUT）

輸出頻率是指衛(wèi)星下行頻率與高頻頭本振混頻后所產(chǎn)生的信號(hào)中頻頻率。通常有以下幾種950～1 450 MHz、950～1 750 MHz及950～2 150 MHz（其中，950～2 150 MHz是目前C/Ku波段所通用的）選擇時(shí)應(yīng)使信號(hào)中頻頻率在衛(wèi)星接收機(jī)輸入頻率范圍內(nèi)，否則部分信號(hào)收不到。輸出頻率（即信號(hào)中頻頻率）計(jì)算方式如下：

C波段：輸出頻率=本振頻率-下行頻率

Ku波段：輸出頻率=下行頻率-本振頻率

2.3.3 本振頻率（L、O）

絕大多數(shù)C波段高頻頭本振頻率為5 150 MHz，也有雙本振的（5 150 MHz和5 750 MHz）。Ku波段高頻頭本振頻率較多，相應(yīng)的Ku波段高頻頭分為標(biāo)準(zhǔn)、寬帶、全頻帶三種?？梢愿鶕?jù)其本振頻率數(shù)據(jù)來(lái)決定適用接收頻率的范圍（見(jiàn)表1）

表1 Ku波段高頻頭本振頻率適用接收頻率范圍

Ku波段全頻帶高頻頭指的是可以接收10.7～12.75 GHz所有信號(hào)的高頻頭，這種高頻頭都是雙本振的，低本振是9.75 GHz，負(fù)責(zé)接收10.7～11.7 GHz頻段信號(hào)；高本振一般為10.75 GHz，用來(lái)接收11.7～12.75 GHz頻段信號(hào)。雙本振高頻頭需配合0/22 KHz電子脈沖切換開關(guān)來(lái)使用。本振頻率穩(wěn)定度：由于高頻頭工作在室外，溫度變化大，要求第一本振頻率穩(wěn)定度為10-4數(shù)量級(jí)。

2.3.4 噪聲系數(shù)

描述高頻頭噪聲性能的參數(shù)，由于饋源耦合來(lái)的微波信號(hào)很微弱，因此對(duì)高頻頭的噪聲系數(shù)要求很高，通常C波段以絕對(duì)溫度°K表示，如25 °K、17°K、15 °K、13 °K等。其數(shù)值越小越好；而在Ku波段以dB（分貝）表示，如0.8 dB、0.7 dB、0.5 dB，其中，數(shù)值越小越好，噪聲系數(shù)的參數(shù)指標(biāo)越小，則表示信號(hào)還原的程度越高。

2.3.5 增益（GAIN）

描述高頻頭的放大能力，增益用dB（分貝）來(lái)表示，常見(jiàn)的一般多為60 dB，精品高頻頭一般均在65 dB以上，此數(shù)值應(yīng)偏高一點(diǎn)好，但也不能太高，否則系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生自激而引發(fā)不穩(wěn)定現(xiàn)象。

2.3.6 輸入輸出駐波比

描述輸入輸出的匹配程度。輸入駐波大小反映了輸入信號(hào)的反射損耗的小，顯然輸入駐波越小越好，一般為2.5。輸出駐波反應(yīng)了高頻頭輸出的效率。同樣輸出駐波也是越小越好，一般為1.5～2.5。另外，在完全匹配的情況下，駐波系數(shù)為1。通常高頻頭駐波表示方法為：2.5∶1或 2.0∶1。

2.3.7 載波互調(diào)

由于寬帶放大器中存在非線性失真，產(chǎn)生諧波和差拍，且有互相交叉調(diào)制，影響圖像質(zhì)量，通常要求在兩個(gè)-70 dB的輸入信號(hào)時(shí)，互調(diào)比應(yīng)小于-40 dB。

2.3.8 鏡像抑制比

鏡像頻率與本振頻率信號(hào)差頻產(chǎn)生中頻信號(hào)進(jìn)入中頻放大器，使接收系統(tǒng)載噪比劣化。一般要求鏡像抑制比大于40 dB。電纜、線放與功分器從高頻頭到衛(wèi)星接收機(jī)之間的信號(hào)是通過(guò)電纜來(lái)傳送的，由于從高頻頭輸出的中頻信號(hào)是950～1 450 MHz，在電纜中衰減較大，一般衛(wèi)星天線的信號(hào)要通過(guò)功分器分配給不同的衛(wèi)星接收機(jī)，以便接收同一個(gè)衛(wèi)星上的不同頻道，信號(hào)還要進(jìn)一步衰減，為保證衛(wèi)星接收機(jī)的輸入信號(hào)電平，可采取縮短高頻頭到衛(wèi)星接收機(jī)的距離，采用適當(dāng)?shù)墓Ψ制骱图尤霛M足要求的線放等方法。

2.4 電纜

一般采用衰減較小的同軸電纜，由于距離較短，可采用傳輸特性較好，價(jià)格較貴的同軸電纜。

2.5 功分器

功分器主要的要求是隔離度高，插入衰減小、帶內(nèi)平坦、過(guò)電型等。分配數(shù)以滿足需要為準(zhǔn)，過(guò)多而不必要的分配數(shù)會(huì)造成不必要的信號(hào)衰減。

2.6 線放

在距離無(wú)法縮短和分配數(shù)無(wú)法減小，而信號(hào)電平又不夠時(shí)在功分器前可加入線放，對(duì)高頻頭傳來(lái)的中頻信號(hào)加以放大。線放的增益以滿足要求為準(zhǔn)，因?yàn)楦咴鲆?，容易帶?lái)噪聲和非線性失真。

2.7 衛(wèi)星接收機(jī)

衛(wèi)星接收機(jī)是將高頻頭傳來(lái)的中頻信號(hào)解調(diào)成視頻信號(hào)和伴音信號(hào)的設(shè)備，它完成調(diào)諧，放大和解調(diào)功能，有些數(shù)字衛(wèi)星工程接收機(jī)還帶有圖文數(shù)據(jù)輸出功能。衛(wèi)星模擬信號(hào)已停播，模擬接收機(jī)以不在使用。從MPEG-2標(biāo)清數(shù)字衛(wèi)星接收機(jī)，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到了MPEG-4高清數(shù)字衛(wèi)星接收機(jī)，衛(wèi)星數(shù)字接收機(jī)的主要指標(biāo)有以下幾方面。

2.7.1 輸入頻率范圍

頻率低端一般為950 MHz，而高端則有 1 450 MHz、1 750 MHz、2 050 MHz、2 150 MHz等，其中，950～2 150 MHz是目前C/Ku波段全兼容通用高頻頭數(shù)字衛(wèi)星電視廣播接收機(jī)，隨著衛(wèi)星下行的帶寬和頻道數(shù)不同而不同，中頻帶寬有20 MHz、27 MHz、36 MHz等幾種頻率。

2.7.2 靜態(tài)門限值

此項(xiàng)指標(biāo)反映衛(wèi)星接收機(jī)解調(diào)弱信號(hào)的能力。一般為2～7 dB左右。

2.7.3 特點(diǎn)

一款性能卓越的數(shù)字衛(wèi)星接收機(jī)，具有高靈敏度的信號(hào)接收功能的特點(diǎn)。具有C/Ku波段全兼容通用高頻頭：950～2 150 MHz，完全符合DVB-S以及MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)或MPEG-4高清標(biāo)準(zhǔn)接收。NTSC-PAL制式自動(dòng)識(shí)別，支持DisEqC1.0（四進(jìn)一出電子開關(guān)），0/22KHz開關(guān)，S-VHS視頻輸出，AV視頻高保真立體聲輸出，可編輯電視廣播節(jié)目功能，多語(yǔ)言菜單操作面板全自動(dòng)搜選臺(tái)，帶有便于對(duì)星的信號(hào)強(qiáng)度顯示等功能齊全的數(shù)字衛(wèi)星接收機(jī)。

2.8 終端監(jiān)視器

監(jiān)視器的作用是將各種標(biāo)準(zhǔn)輸入端口送來(lái)的視頻和伴音信號(hào)還原成原始的圖像和伴音信息的可視聽(tīng)設(shè)備。監(jiān)視器只要具備與衛(wèi)星接收機(jī)輸出的各種標(biāo)準(zhǔn)配套輸入端子接口功能即可，如射頻信號(hào)、AV視頻音頻高保真立體聲、S-VHS視頻、HDMI高清標(biāo)準(zhǔn)輸入接口等及可支持的多制式自動(dòng)識(shí)別多功能高清晰彩色監(jiān)視器。

3 衛(wèi)星地面接收站址的選擇

在我國(guó)大部份地區(qū)都能預(yù)接收到東經(jīng)60°～180°之間的同步衛(wèi)星電視廣播節(jié)目信號(hào)，根據(jù)預(yù)接范圍內(nèi)的衛(wèi)星軌道位置計(jì)算接收天線的仰角及方位角結(jié)果，到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，在天線面預(yù)接收的前方要求都能滿足開闊空曠的條件，無(wú)遮擋物如大樹、樓房建筑物、高山等，還要預(yù)留日后接收其它衛(wèi)星時(shí)調(diào)整方位角無(wú)影響。避開一些可能造成的干擾源的因素，如高壓電力線、通訊電纜高空架設(shè)物，飛機(jī)航道等，同時(shí)，避開一些無(wú)線電地面微波的干擾源，否則將影響衛(wèi)星信號(hào)的接收質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)甚至接收不到信號(hào)。此外，還要盡量避開風(fēng)口，防止大風(fēng)天氣對(duì)天線造成損害，不要選擇最高點(diǎn)，防止雷電擊毀設(shè)備，天線架設(shè)的地點(diǎn)要選擇在地層結(jié)構(gòu)堅(jiān)實(shí)、地質(zhì)穩(wěn)定的地區(qū)，避免日后地基發(fā)生沉陷而產(chǎn)生天線指向偏差。