卫星电视广播传输与接收系统的原理及实用技术

李学伟

1 卫星电视广播传输系统的组成

1.1 卫星

在赤道上空围绕地球与地面相对静止的轨道运行的同步卫星。国际电联（ITU）卫星组织规定，将静止轨道分为三个区，第一区：欧洲、非洲、阿拉伯半岛、土耳其、原苏联、亚洲部分蒙古。第二区：南北美洲。第三区：中国在第三区ITU-3，该区包括亚洲和南太平洋地区（174W～72E），相邻卫星的经度不小于3°，卫星工作于C波段和Ku波段。

位置：卫星的位置由其所在的经度来定义，如中星6B位于115.5°E，即东经115.5°。卫星的位置与卫星接收地点决定天线的仰角和方位角。

频率：亚洲地区，卫星下行工作频率为C波段（3.7～4.2 GHz）和Ku波段（11.7～12.2 GHz），每个波段的带宽为500 MHz，卫星上行频率C波段为6 GHz即（5.725～8.4 GHz）和Ku波段为14 GHz即（12.75～18.1 GHz）。

极化方式：卫星电视广播采用四种极化方式，即垂直极化（V）、水平极化（H）、左旋极化（L）和右旋极化（R），其中，垂直极化与水平极化、左旋极化与右旋极化为正交极化。水平极化是指电磁波传播时电场矢量在水平面上的变化，垂直极化是指电场矢量在垂直面上的变化。圆极化：电磁场的电场矢量在垂直与传播方向的平面内旋转时称为圆极化，由于旋转方向不同又分为左旋极化和右旋极化。为提高频率资源使用效率，常在同一频率上使用两个正交极化电磁波来传送信号。卫星的下行频率和极化方式确定了卫星接收的馈源的本振频点和极化方式。

转发器及EIRP：在同一卫星上有多个转发器，每个转发器都有自己的赋形波束和等效全向辐射功率（EIRP）。在接收地点的EIRP值决定了所使用的天线口径大小和高频头的噪声系数。

1.2 地球站

卫星电视广播信号由地面广播电视系统播控中心将节目视频和伴音信号经过相关设备技术处理后，通过卫星上行地面站发射到卫星的转发器上。卫星信号的传送方式决定了卫星接收的解调方式。

2 卫星电视广播地面接收系统的组成

卫星电视地面接收系统主要包括：卫星接收天线、馈源、高频头（LNB）、传输同轴电缆、功分器、线放、卫星接收机、终端监视器。

2.1 卫星天线

2.1.1 作用与原理

由于微波信号在传播过程中是直线传播的，所以卫星天线利用抛物面反射聚焦，增强接收的方向性和提高天线增益，使到达馈源的电磁场足够强。

2.1.2 种类与特点

卫星接收天线主要以抛物面为主，有前馈式、后馈式、偏馈式、多波束等几种抛物面天线。天线的增益：G=10Lg[η（πD/γ）2]（dB），式中η为天线效率，一般为0.7～0.8，γ为波长，D为天线直径（m）。

现在的卫视节目分布在C波段和Ku波段上，C波段信号接收使用正馈天线及后馈天线，正馈天线有1.35、1.5、1.8、2.1、2.4 m等这几种规格天线基本可以满足个体及集体接收。后馈天线一般常用规格有3、4.5、5、6、6.5 m等基本是广播电视系统微波站、电视台、网络传输接收用。卡塞格伦天线是典型的后馈天线，卡塞格伦天线是一种在微波通信中常用的天线。接收Ku波段信号一般使用偏馈天线，常用规格有0.35、0.45、0.6、0.75、0.8、0.9、1.0、1.2、1.5 m等可以满足个体和集体接收用。与正馈天线不同，偏馈天线外形呈椭圆形，表面弧度较浅，采用正装方式时仰角较正馈天线低20°左右。Ku波段偏馈天线具有高增益、高效率、窄波束等优点。实践证明，相同直径天线，Ku波段偏馈天线比C波段前馈天线增益高约10 dB，一个1.2 m Ku波段偏馈天线增益相当于3.6 m C波段前馈型天线接收Ku波段信号的增益，其效率可达65%～70%（C波段前馈型天线约为55%左右）。

2.1.3 仰角与方位角

描述卫星接收天线的方向参数，天线接收方向与水平面的夹角为仰角，天线接收方向与正南（北）的夹角为方位角。具体计算公式如下：

仰角：

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

方位角：Φ=arctg（tgγ/sinΦ）

式中，γ=γp-γs，Φ为接收地点的纬度，γp为接收地点的经度，γs为卫星在轨的经度。方位角以正南为基准，偏西为正，偏东为负。以上具体计算公式，作为调星爱好者计算起来比较繁锁，所以通常我们可以通过网上“在线寻星网”寻星参数计算软件获得详细参数，只要输入预调卫星所在经度、天线类型、当地接收地理位置名称，“确认寻星”后即可获得当前地理位置经纬度，天线方位角、仰角、高频头极化角等计算参数及截面图方便实用。

2.2 馈源

馈源的作用是将在自由空间传播的电磁波转换成波道中传输的电磁波（矩形波道中TE10波），然后通过适当耦合，将电磁场信号转换成同轴电缆中传输的信号，以便高频头信号处理和后面的传输，主要有两种类型：前馈式馈源和后馈式馈源。

2.3 高频头（LNB）

将馈源耦合来的微波信号先进行低噪声放大，然后通过混频（降频）成中频950～1450 MHz的信号，再放大。高频头的供电通过输出同轴电缆由卫星接收机供电。高频头有单本振单极化单输出、双极化单输出、双极化双输出、还有双本振双极化4输出，C/Ku复合高频头等种类繁多。以下是高频头各项参数指标所代表的含义。

2.3.1 输入频率（INPUT）

输入频率是指高频头所能接收到的卫星转发器下行频率范围。C波段，有3.4～4.2 GHz和3.7～4.2 GHz两种，早期使用3.7～4.2 GHz的较多，因前者的频率范围比后者宽，应优先选用。Ku波段，接收频率范围10.7～12.75 GHz；由于其接收频率范围较宽又将分为低频段（10.7～11.7 GHz）和高频段（11.7～12.75 GHz）。

2.3.2 输出频率（OUTPUT）

输出频率是指卫星下行频率与高频头本振混频后所产生的信号中频频率。通常有以下几种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）选择时应使信号中频频率在卫星接收机输入频率范围内，否则部分信号收不到。输出频率（即信号中频频率）计算方式如下：

C波段：输出频率=本振频率-下行频率

Ku波段：输出频率=下行频率-本振频率

2.3.3 本振频率（L、O）

绝大多数C波段高频头本振频率为5 150 MHz，也有双本振的（5 150 MHz和5 750 MHz）。Ku波段高频头本振频率较多，相应的Ku波段高频头分为标准、宽带、全频带三种。可以根据其本振频率数据来决定适用接收频率的范围（见表1）

表1 Ku波段高频头本振频率适用接收频率范围

Ku波段全频带高频头指的是可以接收10.7～12.75 GHz所有信号的高频头，这种高频头都是双本振的，低本振是9.75 GHz，负责接收10.7～11.7 GHz频段信号；高本振一般为10.75 GHz，用来接收11.7～12.75 GHz频段信号。双本振高频头需配合0/22 KHz电子脉冲切换开关来使用。本振频率稳定度：由于高频头工作在室外，温度变化大，要求第一本振频率稳定度为10-4数量级。

2.3.4 噪声系数

描述高频头噪声性能的参数，由于馈源耦合来的微波信号很微弱，因此对高频头的噪声系数要求很高，通常C波段以绝对温度°K表示，如25 °K、17°K、15 °K、13 °K等。其数值越小越好；而在Ku波段以dB（分贝）表示，如0.8 dB、0.7 dB、0.5 dB，其中，数值越小越好，噪声系数的参数指标越小，则表示信号还原的程度越高。

2.3.5 增益（GAIN）

描述高频头的放大能力，增益用dB（分贝）来表示，常见的一般多为60 dB，精品高频头一般均在65 dB以上，此数值应偏高一点好，但也不能太高，否则系统会产生自激而引发不稳定现象。

2.3.6 输入输出驻波比

描述输入输出的匹配程度。输入驻波大小反映了输入信号的反射损耗的小，显然输入驻波越小越好，一般为2.5。输出驻波反应了高频头输出的效率。同样输出驻波也是越小越好，一般为1.5～2.5。另外，在完全匹配的情况下，驻波系数为1。通常高频头驻波表示方法为：2.5∶1或 2.0∶1。

2.3.7 载波互调

由于宽带放大器中存在非线性失真，产生谐波和差拍，且有互相交叉调制，影响图像质量，通常要求在两个-70 dB的输入信号时，互调比应小于-40 dB。

2.3.8 镜像抑制比

镜像频率与本振频率信号差频产生中频信号进入中频放大器，使接收系统载噪比劣化。一般要求镜像抑制比大于40 dB。电缆、线放与功分器从高频头到卫星接收机之间的信号是通过电缆来传送的，由于从高频头输出的中频信号是950～1 450 MHz，在电缆中衰减较大，一般卫星天线的信号要通过功分器分配给不同的卫星接收机，以便接收同一个卫星上的不同频道，信号还要进一步衰减，为保证卫星接收机的输入信号电平，可采取缩短高频头到卫星接收机的距离，采用适当的功分器和加入满足要求的线放等方法。

2.4 电缆

一般采用衰减较小的同轴电缆，由于距离较短，可采用传输特性较好，价格较贵的同轴电缆。

2.5 功分器

功分器主要的要求是隔离度高，插入衰减小、带内平坦、过电型等。分配数以满足需要为准，过多而不必要的分配数会造成不必要的信号衰减。

2.6 线放

在距离无法缩短和分配数无法减小，而信号电平又不够时在功分器前可加入线放，对高频头传来的中频信号加以放大。线放的增益以满足要求为准，因为高增益，容易带来噪声和非线性失真。

2.7 卫星接收机

卫星接收机是将高频头传来的中频信号解调成视频信号和伴音信号的设备，它完成调谐，放大和解调功能，有些数字卫星工程接收机还带有图文数据输出功能。卫星模拟信号已停播，模拟接收机以不在使用。从MPEG-2标清数字卫星接收机，现在已经发展到了MPEG-4高清数字卫星接收机，卫星数字接收机的主要指标有以下几方面。

2.7.1 输入频率范围

频率低端一般为950 MHz，而高端则有 1 450 MHz、1 750 MHz、2 050 MHz、2 150 MHz等，其中，950～2 150 MHz是目前C/Ku波段全兼容通用高频头数字卫星电视广播接收机，随着卫星下行的带宽和频道数不同而不同，中频带宽有20 MHz、27 MHz、36 MHz等几种频率。

2.7.2 静态门限值

此项指标反映卫星接收机解调弱信号的能力。一般为2～7 dB左右。

2.7.3 特点

一款性能卓越的数字卫星接收机，具有高灵敏度的信号接收功能的特点。具有C/Ku波段全兼容通用高频头：950～2 150 MHz，完全符合DVB-S以及MPEG-2标准或MPEG-4高清标准接收。NTSC-PAL制式自动识别，支持DisEqC1.0（四进一出电子开关），0/22KHz开关，S-VHS视频输出，AV视频高保真立体声输出，可编辑电视广播节目功能，多语言菜单操作面板全自动搜选台，带有便于对星的信号强度显示等功能齐全的数字卫星接收机。

2.8 终端监视器

监视器的作用是将各种标准输入端口送来的视频和伴音信号还原成原始的图像和伴音信息的可视听设备。监视器只要具备与卫星接收机输出的各种标准配套输入端子接口功能即可，如射频信号、AV视频音频高保真立体声、S-VHS视频、HDMI高清标准输入接口等及可支持的多制式自动识别多功能高清晰彩色监视器。

3 卫星地面接收站址的选择

在我国大部份地区都能预接收到东经60°～180°之间的同步卫星电视广播节目信号，根据预接范围内的卫星轨道位置计算接收天线的仰角及方位角结果，到现场进行测量，在天线面预接收的前方要求都能满足开阔空旷的条件，无遮挡物如大树、楼房建筑物、高山等，还要预留日后接收其它卫星时调整方位角无影响。避开一些可能造成的干扰源的因素，如高压电力线、通讯电缆高空架设物，飞机航道等，同时，避开一些无线电地面微波的干扰源，否则将影响卫星信号的接收质量，严重时甚至接收不到信号。此外，还要尽量避开风口，防止大风天气对天线造成损害，不要选择最高点，防止雷电击毁设备，天线架设的地点要选择在地层结构坚实、地质稳定的地区，避免日后地基发生沉陷而产生天线指向偏差。