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卫星广播电视技术福建广播电视干部学校2013.5.9,导 学 一、课程介绍 二、课程内容目录,一、课程介绍 数字卫星广播自从1994年诞生以来，由于 其优异的性能迅速在世界范围得到了采用，在 我国数字卫星广播已成为覆盖全国的主要广播 方式，中央电视台的各套节目以及省级电视台 的上星节目都采用了数字方式传输，同时数字 卫星节目业已成为了各地有线电视台的主要信 号源。,本课程力求对数字卫星广播进行全面和系统的介绍，其中重点分析了数字卫星广播（DVB-S）系统的传输原理，详细介绍了同步广播卫星、上行地球站、卫星电视接收天线和馈源、数字卫星接收机等技术内容，并从使用的角度出发阐述了卫星接收系统的工程设计方法。课程内容以卫星广播系统的各组成环节为线索，条理清晰，重点突出，引用的资料较为丰富和实用。,二、课程内容目录 全课程分为六章，课件中各章以节为单位，内容安排如下：第一章 概论 第一节 卫星广播的历史 第二节 卫星广播的特点 第三节 卫星广播系统的组成 第四节 模拟卫星广播 第五节 数字卫星广播 第二章 同步卫星广播系统 第一节 同步卫星 第二节 日凌与卫星蚀 第三节 卫星广播使用的频率范围 第四节 广播卫星 第五节 广播卫星的电参数 第六节 卫星上行地球站 第七节 卫星接收系统 第三章 卫星天线与高频头 第一节 卫星接收天线的主要参数 第二节 旋转抛物面天线 第三节 卡塞格伦天线 第四节 格利高利天线 第五节 偏馈天线 第六节 球形反射面天线 第七节 馈源 第八节 高频头 第九节 极轴式卫星接收天线 第十节 卫星接收天线的极化角,第四章 DVB-S系统 第一节 DVB-S系统概述 第二节 复用适配与能量扩散 第三节 RS码 第四节 卷积交织与去交织 第五节 卷积编码与维特比译码 第六节 基带成形 第七节 QPSK调制与解调 第五章 数字卫星电视综合接收解码器 第一节 综合接收解码器（IRD）组成框图与功能 第二节 IRD技术要求和指标测量 第三节 典型IRD介绍 第六章 数字卫星接收系统的工程设计 第一节 数字卫星链路主要参数和计算公式 第二节 数字卫星链路计算步骤 第三节 数字卫星链路实例计算 第四节 功分器与线路放大器,我国卫星广播的现状 目前国内卫星广播的基本情况如下：1亚太1A卫星(134E)亚太1A卫星的位置在134E，也就是在我国 最东部地区（黑龙江省抚远县）的正南方向上，因此对于我国绝大部分地区来说，这颗卫星位于 接收点的东南方向上。95年以来，中央电视台和 若干个省台一直租用亚太1A卫星的C波段转发器。目前，我国各个卫星接收站普遍接收这个卫星转 发的多套模拟电视节目和数字卫星电视节目。,亚太1A卫星C波段转发器的频道设置；转发的主要节目参数见表1，波束中心的等效全向辐射功率为36dBW。表1 亚太1A卫星C波段转发器的主要节目参数,亚太1A卫星C波段转发器的主要节目参数,2亚洲二号卫星（100.5E）亚洲二号卫星的位置在100.5E，大约在青 海湖的正南方向上，因此除了新疆、西藏和青 海的部分地区之外，这颗卫星均位于接收点的 西南方。对于我国各有线电视台来说，亚洲二号是 一个重要的节目来源，其上既有C波段信号，也 有Ku波段信号，即有水平极化，也有垂直极化。,亚洲二号卫星上Ku波段和C波段的 主要节目参数见表2和表3；频道设置如图2所示；Ku波段波束图见课件内容图2-10，波束中心 的等效全向辐射功率为53dBW；C波段转发器在我国全国范围的等效全向功率 约为39dBW。,亚洲二号卫星的频道设置,图2 亚洲二号卫星的频道设置,表2 亚洲二号卫星Ku波段转发器的主要节目参数,表3 亚洲二号卫星C波段转发器的主要节目参数,3 鑫诺一号卫星（110.5E）鑫诺一号卫星是法国宇航公司专门 为我国设计制造的，1998年由我国的运 载火箭送入同步轨道。,鑫诺一号卫星的的特点是：（1）容量大，（2）工作寿命长达15年，（3）可靠性高，（4）在Ku波段中，专门针对我国的 具体情况进行了抗雨衰设计。,国家广电总局的“村村通”工程（36个省级 台的卫视节目），就是通过鑫诺一号卫星上的 Ku波段转发器实施的；另外，鑫诺一号卫星还转发中央电视台的 8套节目和中央教育台的4套电视节目和各种教 育节目。鑫诺一号卫星的位置在海口市的正南方。,上海卫视节目是通过鑫诺一号的C波段 转发器发送的，在全国范围内其效全向辐射 功率为3637 dBW。,表4 鑫诺一号C波段的上海卫视技术参数,图3 鑫诺一号卫星 Ku波段的频道设置,鑫诺一号卫星Ku波段转发器的主要 节目参数见表5，频道设置见图3，波束图见图4。,图3 鑫诺一号卫星 Ku波段的频道设置,图4 鑫诺一号卫星 Ku波段的波束图,4亚太2R卫星（76.5E）亚太2R卫星的位置在76.5E，大约在 我国新疆喀什市的正南方向上，因此对于 我国绝大部分地区来说，这颗卫星均在 接收点的西南方上。,西藏电视台租用了亚太2R卫星的Ku波段 转发器，其技术参数见表6。亚太2R卫星的Ku波段转发器的波束图见图5。,图5 亚太2R卫星Ku波段的波束图,表6 亚太2R卫星Ku波段的西藏卫视技术参数,5亚洲3S卫星（105.5E）亚洲3S卫星1999年3月发射成功，定点于东经105.5，它替代了原来在这 个位置上的亚洲一号卫星（亚洲一号卫 星移至122E）。,中央电视台对海外广播的第四和第九频道 租用该卫星的C波段转发器，其技术参数见表7；亚洲3S卫星C波段转发器的波束图见图6。亚洲3S卫星的具体位置大约位于甘肃天水 的正南方向上。,图6 亚洲3S卫星C波段的波束图,表7 亚洲3S卫星C波段的中央电视台技术参数,卫星数字电视系列标准 1 GY/T 146-2000 卫星数字电视上行站通用规范 2 GY/T 148-2000 卫星数字电视接收机技术要求 3 GY/T 149-2000 卫星数字电视接收站测量方法系统测量 4 GY/T 150-2000 卫星数字电视接收站测量方法室内单元测量 5 GY/T 151-2000 卫星数字电视接收站测量方法室外单元测量,第一章 概论 本章学习要点：第一节 卫星广播的历史,一、卫星通信的历史 1.什么是卫星通信 卫星通信，简单地说，就是地球上（包括 地面、水面和低层大气中）的无线电通信站之 间利用人造卫星作中继站而进行的通信。,2.卫星通信是微波中继通信的一种特殊形式 微波频段：频率：f从300MHz-3000GHz 波长:从1m-0.1mm 微波通信特点：频段宽,通信容量大。频率高,直线传播。由于微波通信必须直线传播的这一特点，只有在视距范围内的两点才能利用微波通信。受地球曲率的限制，存在最大视距通信距离。,若要扩展视距，在发射功率足够的条件下，只有增加天线高度，但再架高天线受各种限制（经济、技术），一般微波通信天线铁塔 高50m左右。如果需要远程传输，则必须进行接力传输，即微波中 继通信。然而地面微波中继通信受到许多条件的限制。通信距离受中继 站数目和天线高度限制。中继通信网费用过大，传输质量随转接次 数的增加而明显下降，无法用于跨洋通信。因此，单靠增加接力站的数目并不能解决全部的问题。这就促 使人们去探索、寻求新的通信方式，即一种特殊形式的 微波中继通信-卫星通信。,3.利用静止卫星实现全球通信 1945年英国人阿瑟克拉克最先提出了利用静止卫星 进行全球通信的设想：向赤道上空约36000km高的同步 轨道上发射静止卫星，用它作为太空中继站，这样的中 继站波束可覆盖约1/3的地球表面。如果在静止轨道上发 射三颗间隔各为120度的卫星,那么除了高纬地区以外，几乎可以实现全球通信。1965年美国成功发射了晨鸟号半实验半实用通信 卫星，经历了20年的努力，卫星通信终于从设想变成了 现实。,二、卫星广播的概念 利用卫星进行电视广播有两种工作方式：1、卫星电视分配和卫星广播。2、卫星电视分配 利用通信卫星的某些信道向地球上的特定 地区发送电视信号，供较 大口径天线的接收站 收转。与通信兼容。,卫星广播 利用静止卫星的大功率转发器向地面播送 广播电视信号，使广大用户能用较简单的接收 设备直接收听、收看的广播方式。也叫卫星电 视直播（DBS）。,第二节 卫星广播的特点 一、与地面广播相比，卫星广播有如下优点：1.传输距离远，覆盖面积大；2.容量大，信道多；3.传输质量高；4.投资少，见效快。,需要说明的是，卫星转发器是没有模拟 和数字之分的，因为数字信号经过数字调制 之后，就变成了模拟信号，所以卫星转发器 处理的都是模拟信号。,二、当然卫星广播也有一些不足之处：1.研制、发射、控制和管理等方面的技术要 求高，且一次集中投资大；2.可靠性不高，卫星损坏或上行线路受干扰 时，将造成停播；3.寿命短，以前是几年，目前可以达到十年 以上。,第三节 卫星电视广播系统的组成 卫星广播系统，指的是参与卫星广播链路 运行的各种设备的整体系统。为保证系统正常 运行，它须由 1、节目播控中心、2、上行地球站、3、广播卫星、4、卫星电视接收站 5、遥测遥控跟踪站五部分组成。,图1-1 卫星电视广播系统,一、节目播控中心和站外传输设备 节目播空中心的主要任务是：制作、剪辑、播出广播电视节目，并利用传输线路如电缆、地面微波或光缆线路将节目送往上行地球站。,二、上行地球站（简称上行站）上行站的主要作用是：把来自节目中心的信 号加以基带处理，再经调制、上变频和高功率放 大，然后由天线向卫星发送上行信号。同时也接收卫星转发的下行信号，以监视节 目传输质量。上行站分为上行主站、上行分站和移动上行 站三种。,主站除有一般上行站功能外，还兼有遥测遥 控跟踪站功能，而上行分站无此功能。移动站如 车载型或组装型移动站，常用于特定活动或特定 地区的现场直播。,三、广播卫星（广播转发器）广播卫星是卫星广播系统的核心，其星载 广播天线和转发器的主要任务是：接收上行信 号，并经低噪声放大，下变频与功率放大后，再转发到服务区。,四、卫星电视接收站 接收卫星转发的下行信号。各种类型的接收站以不同的信号传输形式满足用户不同的收视方式。1、个体接收站（也叫TVRO）信号足够强时，可用小天线、简易接收机直接收看。2、集体接收站 较大天线接收设备，供集体用户接收。也可转换成地面VHF、UHF调幅信号，引入共用闭路电视系统。也叫卫星共用天线 电视（SMATV）。3、无线收转站 较大口径的接收设备，将接受信号作为节目源，供当地电视台或 差转台进行无线收转。4、有线电缆网收转站 类似于SMATV，接收信号后以VHF或UHF调幅形式，作为节目源 通过电缆网分配到用户。也叫卫星电缆电视（SCATV）。,五、遥测遥控跟踪站（简称测控站）主要任务是：与广播卫星的遥测遥控跟踪系统 相结合，测量卫星的各种工程参数和环境 参数，测控卫星的轨道位置和姿态，对卫 星实施各种功能和状态的切换。,第四节 模拟卫星广播 一、视频调制方式 由于传送到地面上的卫星信号的强度 十分微弱，为了保证接收信号的质量，卫 星电视广播中的视频信号采用了调频（FM）方式。,与调幅方式相比，调频方式有如下特点：1.能够获得信噪比的改善。对于调幅方式来说，调制解调器输出端的信 噪比要小于输入端的载噪比；而对于调频方 式来说，调制解调器输出端的信噪比要大于 输入端的载噪比。抗干扰的能力强。干扰信 号一般会使信号的幅度发生变化，从而影响 调幅的性能。而对于调频方式来说，在每个 调频接收机的解调器之前都设有限幅器，它 能形成等幅波，有效地抑制幅度干扰。,2.改变噪声的频谱。调频解调器的输出电压随着频率变化，频率 越高输出就越大，这样输入解调器的均匀分 布的白噪声在输出端变为三角噪声，即高频 噪声大而低频噪声小。高频噪声在图像上成细麻点，人眼对之不 大敏感；而低频噪声则往往形成长段的干扰 线条，对图像的损伤比较严重。这样通过解 调器之后，噪声的可见度就降低了。,3.节省卫星的发射功率。由于调频方式具有图像信噪比高和噪声可见度 低的特点，故在相同图像指标下，采用调频方 式所需的卫星发射功率仅为调幅方式的十几分 之一至几分之一。4.提高了总的频谱利用率。尽管每部调频发射机所占的频带宽度为调幅 发射机的3-4倍，但是调频卫星广播系统对同 一载频的复用次数比调幅方式的多，从而也 就提高了总的频谱利用率。,二、伴音信号的调制方式 卫星电视广播中的伴音信号分为模拟伴音 和数字伴音两种类型，它们各自有自己的特点，归纳起来大致有如下几种方式：1.单副载波模拟调频。它与地面广播采用的调频方式类似，只能传送 一路伴音信号，此信号的质量也与地面广播基 本相同。其频谱结构如图1-2（a）所示。,2.双副载波模拟调频。采用双副载波的方式可以传送两路伴音信号，比如可以传送立体声节目，也可以传送双语 节目。其频谱结构如图1-2（b）所示。,3.多副载波窄带动态压缩模拟调频。又称为熊猫伴音，因为其英文缩写恰好为 PANDA。采用熊猫伴音最多可以传送六路 质量较高的音频信号，这样可以同时传送 立体声节目、多种语言节目。其频谱结构 如图1-2（c）所示。,4.PCM数字伴音。在这种方式中，模拟的伴音信号经过脉冲编码调制形成数字信号后，再对伴音副载波进行四相差分相移键控调制（4DPSK），这个副载波在基带中与图像信号实施频分复用。其频谱结构如图1-2（d）所示。,第五节 数字卫星广播 一、优点 一颗卫星可以提供上百套的电视节目，降低了运营成本，从而 可以获得较好的经济效益。节目的传输质量高。1.数字信号在传输过程中噪声不累积。2.采用模拟电视广播时,电视接收机的水平清晰度只能达到300线 左右，而采用了数字卫星广播之后，在理论上卫星接收机输出的有 效像素可高达720576，图像质量有了很大的提高。所需的发射功率小。能提供多路多声道的优质音频信号。能提供多种服务，如图文电视、股票信息、电子报纸等等。便于实行节目的有条件接受。,二、我国数字卫星广播的现状 我国幅员辽阔，地形复杂，人口众多而分布 又很不均匀，要使电视有效覆盖约960万平方公 里的国土，完全依靠地面电视广播网是很难解决 的。只有采用卫星电视广播这种先进和有效的手 段，才能迅速较好的实现全国电视网的覆盖。我国中央和省区市数字卫星广播的技术参数 详见表1-1、表1-2。,表1-1 中央电视台、中央人民广播电台的数字卫星广播的技术参数,表1-2 各省区市电视台数字卫星广播的技术参数,三、发展趋势 1.从C波段逐步向Ku波段过渡 2.发展广播电视卫星直播技术 3.采用Ka波段,第二章 同步卫星广播系统 第一节 同步卫星 一、卫星的分类 根据运行轨道的高度h、运转周期T、倾斜角 度n的不同，可将人造地球卫星分为几种类型。1.按轨道高度划分（1）低高度卫星 h 20000km，T 12小时 轨道高度是指卫星距其正下方的星下点的 高度。,2.按运转周期划分（1）同步卫星 T24恒星时（2）准同步卫星 T24/N 恒星时或 T24N 恒星时，N2，3，4，5.（3）非同步卫星 其它 1恒星日（24恒星时）=23小时56分4.0905秒。由于同步卫星的运转周期与地球本身的自转周期完全相同，所以从地面上看，同步卫星在天空中是固定不动的，因此又被称为对地静止卫星，简称静止卫星。,3.按轨道平面的倾斜角度划分 同步卫星最适合作广播卫星，因为与其它的卫星相比，它有如下优点：(1)接收天线容易对准卫星，同时天线的跟踪系统比较简单。(2)由于卫星的位置固定，因此不存在多普勒频移现象。收发天线之间的相对位置变化导致接收信号频率偏离 发射信号频率。(3)服务区域比较大，一颗同步卫星大概可以覆盖地球 表面的42。(4)广播信道大部分处于真空之中，因此工作相对稳定，信号质量高。,二、同步卫星轨道 人造卫星围绕地球运行与行星围绕太阳运动 一样，都是遵循天体力学中著名的开普勒（Kepler）三大定律。对于人造地球卫星来说，它可以描述如下：1.卫星以地球的中心作为一个焦点作椭圆曲线运动 2.从地球到卫星的向径绕地球沿轨道在单位时间内 所扫过的面积相等 3.卫星运动周期的平方正比于轨道半长轴的立方,同步卫星轨道的条件和轨道位置的定义：同步卫星轨道的示意图如图2-1。,图2-1 同步卫星轨道 其中卫星的偏航轴(Yaw)指向地心，滚动轴(Roll)指向卫星前进的方向，俯仰轴(Pitch)则垂直于卫星轨道平面。,由于同步卫星是赤道轨道卫星，卫星位置 的纬度为0，因此表明一颗同步卫星的位置仅 使用经度就可以了。例如，110E表明卫星位于东经 110 的 赤道正上方，56.6W则表明卫星的位置在西 经56.6的赤道正上方。,根据卫星轨道的分类情况和开普勒定律可知，同步卫星轨道是一个以地心为圆心并与赤道面相 重合的圆形轨道，在此轨道上运动的卫星角速度 与地球自转角速度相等方向相同。将地球的自转周期 T=86164 s 带入开普 勒第三定律，可得 同步卫星的轨道半径：Rs42164 km 地球的半径为：RE=6378 km 故同步卫星的高度为：h=Rs RE=35786 km,第二章 同步卫星广播系统 第二节 日凌与卫星蚀 日凌和卫星蚀都是由于地球、太阳和卫星 三者成为一条直线而产生的，如图2-2所示。在发生日凌和卫星蚀时，卫星广播和卫星 通信会受到一定的影响。,图2-2 日凌和卫星蚀示意图,一、日凌 1.日凌及其影响 当同步卫星运行在太阳和地球的中间时，就发生了日凌。发生日凌时，由于卫星接收天线对准着同步卫星，因此也对准了太阳，而太阳本身 是一个巨大的无线电干扰源，因此太阳的辐射将 对卫星广播和卫星通信造成严重干扰甚至中断。,根据实际的观测记录，A.对于模拟式卫星广播来说，日凌使图象上出现很严重 的噪点干扰，干扰严重时，图象几乎被噪声完全淹没 了，故造成广播或通信线路的中断；B.对于数字式卫星广播来说，只要干扰引起的误码率到 达一定数值，信号就立即中断，类似于一种门限效应，同时很多数字式卫星接收机一旦信号中断，它就死机，需要值班的工作人员手工启动，因此日凌对对数字卫星 接收产生的实际影响是比较大的，特别是在值班人员未 能及时启动卫星接收机的情况下。,表2-1是北京地区1999年的实际观测记录。在3月6日亚洲二号的C波段转发器和Ku波段 转发器都受到很明显的影响，数字频道全部 中断，屏幕上出现卫星接收机给出的无信号 字样。,观测地点：北京,表2-1 日凌观测记录,2.日凌发生的规律 根据地球、卫星和太阳三者间的几何关系，可以分析出来：日凌发生在每年春分和秋分前后 几天的中午，每次持续数秒钟。,在赤道上，日凌发生在 春分（每年的3月21日或20日）和 秋分（每年的9月23日或24日）的时候；在北半球，日凌发生在春分之前及秋分之 后，具体日期要根据接收点的纬度来确定；在南半球，日凌发生在春分之后及秋分之前。另外，接收天线口径越大，日凌持续的时间 越短；反之，日凌持续时间越长。,第三节 卫星广播使用的频率范围 一、无线电波频段划分 无线电波可以按照波长来划分，称为波段，也可以按照频率来划分，称为频段。按照波长的不同，实际使用的无线电波可以分为 长波、中波、短波、超短波等等，而频率高于1GHz的 无线电波通常称为微波，微波的波长在0.03m以内，包 括分米波、厘米波、毫米波、亚毫米波，在工程上微波 波段又有其特殊的划分方式。见表2-2。,表2-2 微波波段,另外，电磁波的频谱见表2-3。微波波段 的划分最早是根据雷达的工作波段进行的，后 来又进行了一些修正。卫星广播使用的是微波 波段。,表2-3 电磁波频谱,二、区域划分 我们知道，频率是一种宝贵的资源，为了保证各种 通信和广播业务的正常进行，充分地利用频谱资源，国 际电信联盟（ITU）在近三十年间召开过几届世界无线电 行政大会（WARC）来规定并协调频率资源的使用。国际电信联盟在分配无线电使用频率时，将全世界 划分为三个区域：第一区，此区的范围是非洲、欧洲及伊朗以西和中国以 北的亚洲地区；第二区，此区的范围是南北美洲；第三区，此区的范围是伊朗以东和蒙古以南的亚洲地区、大洋洲地区。我国处于第三区。,三、卫星广播使用的频率范围 1971年召开的宇宙通信世界无线电行政 大会（WARCST）规定了广播卫星优先使 用的频率范围是11.7-12.5GHz，但是由于技 术方面原因，起初卫星广播使用的一直是分 配给卫星通信的波段，直至近年来卫星广播 才开始使用WARC分配给卫星广播业务（BSS）的波段。,表2-4给出了卫星广播使用的下行频率，表2-5给出了卫星广播使用的上行频率，应该说明的是卫星上行频率属于卫星固定业务 的频率范围。,表2-4 卫星广播的下行频率,*英文为band，国内有些书刊习惯称之为波段，如C波段、Ku波段等等。,表2-5 卫星广播的上行频率,*英文为band，国内有些书刊习惯称之为波段，如C波段、Ku波段等等。,以我国中央电视台和若干地方电视台租用 的亚洲二号卫星为例，C波段转发器的上行频率范围是：58476421MHz，下行频率范围是：36224196MHz；Ku波段转发器的上行频率范围是：1400314297MHz，下行频率范围是：1220312504MHz。,第四节 广播卫星的组成 广播卫星可以分为五个子系统，它们是：（1）天线子系统，（2）广播子系统，（3）电源子系统，（4）跟踪遥测指令子系统，（5）姿态控制子系统。各个子系统的分工明确，各司其职。下面对各子系统进行简单的介绍。,图2-4 给出了广播卫星的组框图,一、天线子系统 卫星上的天线是有若干副，分别作为转播和 控制之用。从事卫星转播的天线通常是收发共用 的，所以在天线子系统中包含了双工器。根据不 同的用途，卫星上的天线可以分为 1、全球波束天线、2、半球波束天线、3、点波束天线、4、赋性波束天线等几种。,1.全球波束天线 全球波束天线用于覆盖同步广播卫星能够覆盖的全部区域。,2.点波束天线 点波束天线与全球波束天线不同，它的半功率角很小，一般在几度的范围之内，主要用于覆盖地球表面一个范围很小的区域。点波束的横截面有圆形和椭圆形之分，两者在地面上的覆盖区域形状有所不同。,3.赋形波束天线 赋性波束天线是近年来普遍使用的卫星广播天线的形式，采用赋性波束天线可以将 辐射能量集中在卫星广播的服务区域之内，减少对其它区域的干扰，具有比较好的电磁 兼容特性。同时采用赋性波束天线，还可以减小卫星之间的间隔，从而在同步轨道之上 可以放置更多的广播卫星和通信卫星。,4.双工器 双工器是一种微波波导器件，它的主体是金属波导，具备滤波、阻抗匹配、分波、功率合成等功能。双工器首先要保证收发之间互不干扰，还要保证阻抗匹配，同时其接 入损耗要比较小。,二、广播子系统 广播子系统简单地说就是微波收发信机，作用是接收6/14GHz上行卫星信号，对其进行 低噪声放大，然后将其下变频为4/12GHz下行 信号，再经高功率放大后由天线向地球定向辐射。在当代的大容量、大功率的广播卫星中普 遍使用一次变频型的转发器。一次变频型又称 为单变频型（RF/RF）。它的框图如图2-7所示。,图2-7 一次变频型转发器框图 图中，行波管放大器为功率放大器，低噪声放大器和激励放大器为宽带放大，而高功率放大为每频道单独放大，上转发器数量实际上是指行波管放大器的数量。,需要说明的是，卫星转发器是没有模拟 和数字之分的，因为数字信号经过数字调制 之后，就变成了模拟信号，所以卫星转发器 处理的都是模拟信号。,第五节 广播卫星的电参数 本节讨论卫星的几项主要参数。一、等效全向辐射功率（EIRP）等效全向辐射功率是卫星转发器的一项 极为重要的参数，它反映了卫星的辐射能力，在进行卫星线路的工程计算时，必须要知道 此项参数。,等效全向辐射功率一般记为EIRP，它的定义是:EIRP10lgPTWTA(W)-LtGt(dBW)式中：PTWTA行波管放大器的输出功率，W；Lt行波管至卫星天线之间的功率损耗，dB；Gt卫星天线的增益，dB。在上式的三个参数中，行波管的输出功率和损耗是 常数，它不随接收地点改变，而卫星天线的增益不是常数，它随接收地点位置改变，卫星波束中心处的天线增益最高，因此等效全向辐射功率为最大值，可记为EIRPc。,二、波束图 工程上为了便于使用，通常将卫星的 等效全向辐射功率标注在地图之上，称为 卫星的波束图或称为卫星的覆盖区域。图2-10为卫星波束图的一个实例，它 是亚洲二号卫星Ku波段转发器的波束图，其中波束中心在我国的武汉，EIRPc为53dBW。,图2-10 亚洲二号卫星Ku波段转发器的波束图,三、品质因素（G/T）品质因素是衡量卫星转发器本身质量的 一项特性参数，它反映了卫星转发器接收弱 信号能力的大小。品质因素又称为系统优值，通常记为G/T，它的定义是:G/T=G-10lg(Ta+Tt)(dB/K)式中，G为卫星星载天线在上行工作频率（6/14GHz）时的增益，单位为dB；Ta为该天线的等效噪声温度，单位为K；Tt为卫星转发器的等效噪声温度，单位为K。,第六节 卫星上行地球站 一般大型的上行地球站都应包括：1、天线系统、2、跟踪系统、3、发送系统、4、接收系统、5、基带终端设备、6、电源系统、7、监控系统、8、站外传输设备。,上行地球站组成框图如图2-12所示。,上行站中发射信号的传输过程是：从播控中心传来的节目信号，途径站外 地面微波中继或光缆传输设备，送至 上行站的基带中终端设备，在此对电视 信号加以基带处理如：信源编码、节目复用、信道编码等，使之成为符合卫星传输要求的基带信号。,然后将基带信号送入发送系统，对 70MHz中频载波进行调制，再经中频放大、群时延均衡和带通滤波后上变频为14GHz 或6GHz上行微波信号，最后馈送到天线系 统向卫星发射。,接收信号传输过程与发射过程基本相反，经 低噪放、下变频、中放、滤波、解调后得到基带 信号，再由基带终端设备经与发端相逆的处理恢 复出节目信号，供监测使用或经站外传输设备送 往播控中心。为使上行站能可靠工作，一般关键设备均有 备份，供出现故障时倒换。跟踪系统是为了自动 跟踪卫星而设置的。整个上行站还必须有可靠的 电源供给系统。同时为了维护好上行站，站内一 定要设有通信线路、测试和控制系统，这一切也 是上行站中必须具备的辅助设备。,图2-13 是一个比较典型的数字卫星 电视上行地球站原理框图。,第七节 卫星接收系统 卫星接收系统又称为卫星接收站，可以 分成室外和室内两部分：室外部分包括了卫星接收天线、高频头、第一中频电缆，有时还设有线路放大器；室内部分包括了功分器、数字卫星接收机。作为集体接收系统来说，卫星接收机的输 出就是有线电视的信号源，所以它直接与射频 调制器连接；在个体接收时，卫星接收机则直 接与用户的电视机相连接。,图2-14 为一个典型的卫星接收系统的组成框图。,卫星接收天线的作用是将卫星传送的电磁波 接收下来，然后送至高频头。高频头接在天线输出端，其作用是低噪声放 大和下变频，经过下变频的信号在卫星接收站中 称为第一中频信号，按我国标准第一中频为 970-1470MHz。第一中频电缆的作用是将第一中频信号从室 外传送到室内，同时将直流电源由卫星接收机提 供给高频头。若天线和接收机间隔较远（如超过 500m），可以在电缆中部安装线路放大器补偿电缆衰减。,卫星接收机输入的是第一中频信号，输出 视频和音频信号供电视机收看或作为有线电视 前端的节目源。,卫星接收机内部设有调制器也可输出射频 信号供给电视接射频输入端。作为集体接收系统或有线电视前端，需要 同时收看一颗卫星上转发的各套节目，因此卫星天线应能输出两种极化方式（如水平和垂直极化）的信号，并分别使用两个高频头和两条中频电缆与室内相连。同时，室内需要多台卫星接收机，故在室内需用功率分配器（简称功分器）将一路信号均分为若干路。,第三章 卫星天线与高频头 卫星接收天线的类型有反射面天线和微带 天线两种。反射面天线是由反射面和馈源两部分组成 的，馈源本身就是一种天线。在工程上通常根 据馈源与反射面的相对位置，将反射面天线分 为前馈天线、后馈天线和偏馈天线三种形式，而从工作原理上来说，卫星广播系统中使用的 反射面天线可以分为旋转抛物面天线、卡赛格 伦天线、格里高利天线、球形反射面天线等 几种类型。,第一节 卫星接收天线的主要参数 卫星接收天线的作用是，有效地接收卫星 辐射到地面的电磁波，并将它传送到高频头之内。卫星接收天线的主要参数有：1、增益、2、方向图、3、半功率角、4、等效噪声温度。,一、增益（G）工作在发射状态下的天线称为发射天线，而工作在接收状态下的天线称为接收天线。1、发射天线的增益 当天线的输入功率与理想的无方向性天线（理想点源天线）的输入功率相同时，天线在某 一方向上某点产生的功率通量密度与理想点源 天线在该点产生的功率通量密度之比为发射天 线增益。发射天线增益最大的方向称为天线的最大 辐射方向。,2、接收天线的增益 设从空间各个方向上传来的电磁波的场强 相同，天线在某一方向上接收时向负载输出的 功率与一个理想的无损耗天线该处各个方向接 收时输入到负载中的功率平均值之比为接收天 线增益。接收天线增益最大的方向称为天线的最大 接收方向。,一般不特别进行声明的话，天线的增益是 特指最大辐射方向（最大接收方向）上的增益，也就是该天线增益的最大值。根据互易定理，可以证明接收天线的增益 与该天线工作在发射状态下的增益在数值上是 完全相同的，最大辐射方向与最大接收方向也 是一致的，故通常人们只说天线的增益。,在工程上，卫星接收天线增益通常采用分贝为单位，表达式 式中，天线工作波长，单位为m；A天线口面面积，单位为m；天线口面效率，理论最大值约为83，实际值在5070之间。,圆形口面卫星天线增益表达式。式中，D圆形口面的直径，单位为m。,表3-1和表3-2给出了 常用圆形口面卫星天线的增益数值。效率分别为50%，60%和70%。,表3-1 C波段圆形口面卫星天线的增益(dB),表3-2 Ku波段圆形卫星天线的增益(dB),第二节 旋转抛物面天线 旋转抛物天线是最常用的卫星天线形式，它是一种主瓣尖锐、副瓣电平比较低、高增益 天线，由一个反射面和馈源组成，广泛地应用 在卫星接收系统中，由于它的馈源位于反射面 的前方，故人们又称它为前馈天线，见图3-4。当反射面的直径不超过4.5m时，卫星接收 天线一般均采用前馈天线的形式。,图3-4 旋转抛物面天线,一、几何结构 将抛物线沿着其对称轴旋转一周就形成了所谓的旋转抛物面。旋转抛物面本身有四个几何参数：（见图3-5）：焦距f、口面直径d、口面半张角0 抛物面的厚度W，,图3-5 抛物线的几何关系图 式中，A抛物面顶点；F抛物面焦点；z抛物面对称轴；y抛物面准线；f焦距；d口面直径；0口面半张角；W抛物面厚度。,它们之间存在2个约束方程，这说明旋转抛 物面只有两个独立的几何参数。若已知焦距口径比 f/d的话，也就是说确定 了一个几何参数，抛物面的形状就确定了；而 当焦距和口面直径确定之后，旋转抛物面的几 何尺寸和形状就都确定了。,旋转抛物面天线的焦距口径比是该天线一项 基本的参数，其数值决定了反射面的曲率和形状。1、当f0.25d时，称为中焦天线，焦点正好位 于天线的口面上；2、当f0.25d时，称为长焦天线，焦点位于天 线口面以外，见图3-6。,(a)短焦抛物面(b)中焦抛物面(c)长焦抛物面 图3-6 不同焦距的抛物面,通常卫星接收天线的焦距口径比在 0.30.4之间，理论计算表明当f0.38d 时，旋转抛物面天线的性能为最好。,二、几何光学原理 根据几何光学的结论，旋转抛物面天线的 工作原理为：当旋转抛物面天线的轴线对准了 卫星之后，卫星发射出来的电磁波平行于天线 的轴线方向传播，经反射面反射之后在焦点处 同相聚焦，于是将馈源安放在反射面的焦点处，就可以接收到反射面所截获的电磁波。,同相聚焦有两层含义，当电波传播的距离 相同时，其相位相同；而所有反射线都经过焦 点，就称为在焦点处聚焦。相位相同是很重要 的，这样确保了在各条射线在迭加的过程中，彼此之间一点都不抵消，也就是聚焦。当旋转抛物面天线的轴线偏离卫星方向时，根据入射角等于反射角的规律，电磁波经反射 面反射之后就一定不经过焦点，因而就形成了 散焦。,三、公差 旋转抛物面天线的公差主要包括两部分：反射面的制造公差和馈源位置的安装误差。1.反射面的制造公差 反射面的制造公差是指实际反射面的形状与 理想旋转抛物面之间的差别。2.馈源的纵向安装误差 馈源的纵向安装误差是指馈源确实位于反射面的 轴线上（z轴），而与焦点存在一定的距离。3.馈源的横向安装误差 馈源的横向安装误差是指馈源位于图3-5中的 y轴上，与焦点存在一定的距离。,第三节 卡赛格伦天线 卡赛格伦天线是双反射面天线，它由主反射面、副反射面和馈源三部分组成(如照片所示)，多用作大口径的卫星接收天线 或卫星发射天线，当口面直径超过4.5m以上，往往就采用卡赛格伦天线。卡赛格伦天线又可 以进一步分为标准型和变形两种形式。由于卡赛格伦天线的馈源是安装在副反射 面的后面，因此人们通常称它为后馈天线，以 区别于前馈天线（旋转抛物面天线）。,一、标准型卡赛格伦天线 1.几何结构 标准型卡赛格伦天线的主反射面（简称主面）仍然是旋转抛物面，而它的副反射面（简称副面）是旋转双曲面，具体结构如图3-7所示。,图3-7 标准型卡赛格伦天线的几何关系,主面有3个几何参数：主面的直径d、主面的焦距f 和 主面的半张角0。,副面有4个几何参数：副面的直径dS、副面的焦距f1和 f2，从实焦点观察到的副面的半张角0。,主面有两个独立的几何参数，同样副面 也有两个独立的几何参数；也就是说，在卡赛格伦天线的7个几何参数：d，f，0，f1，f2，dS，0之间存在着 3个约束方程。,2、卡赛格伦天线的几何光学性质 根据卡赛格伦天线的几何光学性质，可以解释清楚副反射面的作用。卡赛格伦天线的几何光学性质是：,（1）对准虚焦点发出的射线经过双曲线反射之后，必然经过实焦点。作为接收天线来说，各条 反射线本应该同相聚焦在主面的焦点处，由 于存在副反射面，经过反射之后各条反射线 便同相聚焦在副面的实焦点处，也就是说，副面的作用是将焦点进行搬移。（2）从反射点到两个焦点的行程差为常数，对于 电磁波来说就是相位差为常数。,3.等效抛物面 采用几何光学的方法对卡赛格伦天线进行 分析可以引出一个等效抛物面，这个等效抛物 面的焦距比实际抛物面的焦距要长很多。这样一个实际焦距比较短的卡赛格伦天线 可以达到长焦距抛物面天线的特性，由于长焦 距抛物面的口面效率比较高，并对馈源的要求 也不苛刻，因此卡赛格伦天线的性能是比较好 的。,第四节 格里高利天线 格里高利天线也是一种双反射面天线，它通常在上行地球站中作为卫星发射天线 使用。,一、几何结构 格里高利天线由主反射面、副反射面和馈源 组成，其主面仍然是旋转抛物面，而其副面为凹 椭球面。格里高利天线的结构如图3-8所示，它也 属于后馈天线。,图3-8 格里高利天线的结构和凹椭球面,格里高利天线主面有3个几何参数：1、主面的直径d、2、主面的焦距f、3、主面的半张角0。副面就具有4个几何参数：1、副面的直径dS、2、副面的焦距f1和f2、3、从焦点F2观察到的副面的半张角0。,主面有两个独立的几何参数，同样副面 也有两个独立的几何参数；在格里高利天线的7个几何参数之间 存在着3个约束方程。,格里高利天线有两个实焦点，因此可以 安装两个馈源，一个用于发射，另一个用于接收。通常可以将接收馈源安放在焦点F1处，由于 这个位置同时也是主面的焦点，因此接收天 线就是一个旋转抛物面天线；而发射馈源则安放在焦点F2处。,二、格里高利天线的几何光学性质：（1）从一个焦点发出的射线经过凹椭球面反射之后，必然经过另一个焦点；（2）从反射点到两个焦点的行程之和为常数，对于电磁波来说就是相位为常数。于是对于发射天线来说，从焦点F2处发出的射线经过凹椭球面反射之后，同相聚焦在焦点F1处（即主面的焦点处），然后经过主面反射之后形成平面电磁波；也就是说，凹椭球面的作用是将发射馈源从焦点F2变换到主反射面的焦点处。由于格里高利天线可以收发共用，因此它可以在上行地球站内使