卫星电视信号的接收.docx
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卫星电视信号的接收
卫星电视信号的接收
10.1卫星电视信号的接收
10.1.1卫星电视广播简介
1．什么是卫星电视广播
卫星电视广播就是利用静止卫星上的大功率转发器向特定的地区传送广播电视信号，用户通过相应的接收设备直接收看电视和（或）收听相应的节目，一般地称这种广播方式为卫星电视广播。
2．卫星电视广播的特点
（1）覆盖面积大，传输距离远，能量分布均匀，但信号弱。
同步卫星位于赤道上空约35786km的高空，一颗卫星的视区可达全球面积的42.4%，三颗卫星可覆盖全球，由于卫星转发器是利用定向天线把电波聚集成窄波束，能比较均匀的辐射到覆盖区域内，服务区中心和边缘地区的电场一般相差2～4dB，同时在服务区域内不受地理条件限制，是解决边远地区和山区的电视覆盖的最好办法。
特别是我国幅员辽阔，地域复杂，用一个转发器就能均匀地覆盖整个国土。
由于卫星的辐射功率小，而且卫星离地面距离远，因此，到达地面的场强要比一般地面电视广播弱30dB以上，故要接收卫星电视信号需要较大的天线和低噪声前置放大器。
（2）卫星电视广播质量高、传送节目套数多，信息容量大。
卫星电视广播采用的是调频，因而抗干扰能力强，输出信噪比高，失真小；工作频率高，受工业干扰、无线电波等干扰较小，而且可实现较宽的工作频段。
如：
KU频段（11.7～12.2）GHz、宽度达500MHz，能容纳24个模拟频道，每个频道带宽可达27MHz.；卫星电视天线发射的波束窄，而且是直接视线接收，不存在向地面电视广播那样多次中转和变换带来的失真以及信噪比下降的情况，信号比较稳定。
（3）投资少，成效高。
根据亚洲广播联盟（ABU）估算，如果覆盖1000万平方公里的面积与微波中继线路相比，总投资要节约60%，我国只需要一颗卫星即可覆盖全国，而相同条件下则需要架设100米高的电视塔2400座和更多的微波中继站，而且卫星传播还可以减少大量的维护人员。
3．卫星电视广播系统的组成
卫星电视广播系统主要有上行地球站、广播卫星、卫星电视接收站、卫星测控站四大个主要部分组成。
下面是卫星电视广播系统组成示意图，如图10.1所示。
（1）起步阶段（20世纪70年代初期～20世纪80年代初）
我国从上世纪70年代初，就开始研究卫星广播领域中的相关技术和接收设备，利用Intelsat卫星于30个国家建立话、报线路。
1974年开始研究地面站，1978年在南京、石家庄等地建立了实验性的地面站。
我国于1976年参加了国际通信卫星组织，并于20世纪70年代和80年代初，利用德、法联合研制的“交响乐”等卫星进行了电视传输试验，取得了很多试验数据。
（2）初步发展阶段（20世纪80年代初期～20世纪80年代末）
1984年4月，我国发射了第一颗试验通讯卫星，实现了对新疆、西藏、内蒙等边远地区传送中央电视台的电视节目，从1985年8月开始，我国试用了国际5号卫星传送电视节目，随后租（购）了该卫星的4个卫星转发器，专供电视传输之用。
从1988年3月，我国成功地发射两颗实用通信卫星，从而开始了中央电视台两套电视节目的卫星转播，并建立了数以千计的卫星地面接收站，这标志着我国卫星电视广播开始进入了迅速发展阶段。
（3）迅速发展阶段（20世纪80年代末～至今）
我国中央电视台于1995年底，在国内率先采用数字传输技术，通过中星5号卫星的一个C频段转发器同时传输5套数字电视节目。
1995年发射的“亚洲二号”卫星对我国的卫星电视事业有特殊意义，该星装有24个C频段转发器和9个Ku频段转发器，覆盖了53个国家和地区，人口达35亿。
我国租用了其中3个Ku频段转发器，上述的中央电视台5套数字电视节目已于1996年6月转到该星的一个Ku转发器上，此举使得我国卫星广播业务从C频段向Ku频段过渡、从模拟方式向数字方式过渡开创了良好的开端。
从1997年1月起，我国先后有湖南、湖北、广东、广西、河南、福建、江西、辽宁、内蒙古（2套）、青海、陕西、黑龙江、安徽、江苏、新疆（3套）、北京等16个省（区）、直辖市的电视节目采用数字形式通过该卫星进行传送。
目前，我国上星电视节目有40多套，形成了覆盖全国、天地联网的电视广播系统。
随着科学技术的发展，特别是计算机技术、数据编码和压缩技术、数字调制技术和超大规模集成电路技术的发展，全球进入了电子信息产业数字化的新时代。
尤其是在广播电视领域里，数字化传输的好处主要有三个：
第一，采用数字压缩技术和高效的调制方式，能够有效的减少传输频带宽度，从而提高传输信道和无线电频率资源的利用率；第二，抗干扰性更强，能消除信号失真和噪声的积累，从而提高图像质量；第三，采用多工复用技术，实现图像、语音和数据等多媒体信息的兼容传输，从而促进了有线电视网、电信网和计算机网“三网”合一的进程。
当前，我国卫星电视系统的发展趋势是：
卫星广播电视逐渐从Ｃ频段向Ｋｕ频段、从模拟到数字、从转播到直播、从非专用卫星到专用卫星的四个转变。
这也是世界卫星电视系统发展的方向。
10.1.2卫星电视接收天线
1．卫星地面接收站的组成
卫星地面接收站的基本组成可分为室外部分、室内部分两大部分。
如图10.2所示，
图10.2卫星电视地面接收站的基本组成
室外部分主要有天馈系统和高频头组成，天馈系统包括抛物面接收天线、馈源、波导变换器等组成；室内部分主要是卫星电视接收机和接收终端组成。
2．卫星电视天线的作用
卫星电视接收天线是卫星电视接收站的前端设备，它实质上是一个电磁波收集器，它的作用就是把反射面内收集到的卫星传送到地面的微弱的电磁波聚集起来并转换成高频电流，然后传送至后面的处理电路处理，它在卫星电视广播系统中是不可缺少的部分，它的性能好坏直接影响到整个系统的接收效果。
3．常用的卫星电视接收天线
目前，在国内外使用的卫星电视接收天线的种类较多，它们的类型一般和工作频段有关，在U波段常用反射面天线和平面天线，C波段常用反射面天线，L波段采用螺旋天线等。
具体可以分为五种：
①前馈天线：
馈源位于天线反射面的正前方；②偏馈天线：
馈源偏离反射面的口径；
③后馈天线：
馈源位于天线反射面的后方；④螺旋天线：
用螺旋线作为信号接收的导体；
⑤微带天线：
用微带做成天线的形状。
下面主要介绍种常用的卫星电视接收天线。
（1）抛物面天线
抛物面天线是由金属的旋转抛物面形的反射镜和放在焦点上的馈源组成。
图10.3抛物面天线示意图
如图10.3所示，在xOy平面内，O为抛物线顶点，F为抛物线焦点，f为抛物线的焦距，则抛物线方程为：
x2=4fz（10.1）
抛物线绕Oz轴旋转成抛物面的方程为：
x2+y2=4fz（10.2）
过F作一与x轴平行且足够远的直线MF作基准，抛物面具有下述两个特性：
①自焦点F到抛物面上任一点P的距离FP和P点到口面的垂直距离PQ之和为常数；
②从任意一点P作抛物线的法线PN，在作出和角NPQ角度相等的线，则该线穿过焦点F。
根据以上的原理可知，从卫星发射出来到达天线的电磁波虽然为球面波，但是经过长距离的传输后，到达卫星接收天线时可看成是平行于天线轴向传播的平面波，该波经过抛物面反射后，聚焦到抛物面焦点上的馈源上，大大提高方向性和增益。
所以，当天线的轴向对准卫星时，能获得电波能量的最大值。
由于抛物面天线结构简单，制造、安装、维护十分简单方面，而且，性能稳定可靠，该天线的成本较低，所以，它是个体和小范围使用是最为常用的一种卫星接收天线。
（2）卡塞格伦天线
标准的卡塞格伦天线是按照卡塞格伦望远镜制成的后馈式天线，构造如下图10.4所示：
图10.4卡塞格伦天线原理图
卡塞格伦天线的工作原理：
卡塞格伦天线的主反射面和双曲面的焦点重合在F点上，并且位于轴线上，轴线对准卫星，由于卫星发送来的电磁波方向和轴线方向平行，当卫星发射的电磁波到达时，首先由主反射面将电波进行反射到副反射面，再由副反射面发射到馈源上并且聚焦于馈源上，馈源的位置位于副反射面的另一个焦点上。
卡塞格伦天线的优点：
天线各部分紧凑，减少了传输过程中产生的噪声和损耗；主副反射面调整方便，效率高；抛物面的焦距很短，降低了整个天线的长度；能很好的抑制噪声。
它的缺点是：
由于副反射面的绕射和遮挡，限制了天线效率的提高；小口径天线的效果反而变差；价格昂贵，不是于家庭和小范围使用。
（3）偏馈天线
由于抛物面天线焦点附近的馈源装置的影响，卡塞格伦天线副反射面和支撑架遮挡的影响，从而导致天线的旁瓣增大，增益下降。
为了减少这些因素的影响，常常采用偏馈天线。
偏馈天线的基本结构如图10.5所示，其中（A）是单反射面天线，（B）是双反射面偏馈天线。
图10.5偏馈天线的示意图
偏馈天线并不是故意将馈源位置放偏，而是将抛物面天线的反射面截取一部分作为天线的反射面，馈源的相位中心仍在原抛物面的焦点上，但馈源的最大接收方向指向偏馈反射面的中心。
目前KU频段的接收天线较多采用偏馈式天线。
4．天线主要性能要求
（1）天线的增益要高
天线的增益表示能量集中辐射能力的强弱，它是天线的一个重要参数。
天线增益的表达式为：
（10.3）
上式中，A为天线口面面积，为工作波长，为天线的效率，G为增益，单位为dB。
从3.3可以看出，增益和天线的面积成正比，增大天线直径可以提高增益G，但是考虑天线承受风力负载的因素，不能片面的增大直径，而是要尽量提高天线效率和减小馈线传输损耗，提高信号质量和安全系数。
目前，我国采用C波段卫星传送广播电视节目，对各种口径天线的增益和效率的要求列于表10.1中。
表10.1我国C波段卫星传送电视节目对天线的各种参数的标准（含国际标准）
天线口径
（m）
国际标准
国家标准
7.5
6
5
4.5
4
3
2.4
2.0
1.8
1.5
1.2
增益G（dB）
不小于
优等
48.3
46.3
44.8
43.8
42.5
40.0
38.7
36.49
35.57
33.63
31.7
一等
48.0
46.0
44.4
43.5
42.2
39.7
37.72
36.14
35.22
33.25
31.31
合格
47.6
45.7
44.1
43.2
41.8
39.3
37.35
35.76
34.85
32.04
30.9
效率
（%）
不小于
优等
70
70
70
70
65
65
65
65
65
60
60
一等
65
65
65
65
60
60
60
60
60
55
55
合格
60
60
60
60
55
55
55
55
55
50
50
噪声温度
Ta.（K）
不大于
优等
25
25
25
25
28
28
31
31
31
36
36
一等
32
32
32
32
35
35
38
38
38
43
43
合格
41
41
41
41
44
44
47
47
47
51
51
（2）天线的主瓣宽度要窄
天线的主瓣宽度用来反映天线接收信号的方向性，天线的主瓣宽度越小，天线的方向性就越好。
一般要求天线的主瓣宽度要窄。
（3）天线的旁瓣电平要低
在卫星通信与卫星电视广播中，由于信号经过上行和下行后，变成一定频率的电磁波经过近40000km的传输，到达地面的信号极其微弱，卫星电视接收站除了一定要采用低噪声放大器外，还必须要求天线旁瓣电平要足够的低，才能有效抑制从旁瓣进入的地面噪声和大气噪声。
由于卫星天线具有方向性，每付天线都有它最大增益的方向，一般是在主反射面的轴线方向。
当轴向对准卫星时，天线输出最大信号功率；如果天
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