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卫星通信基础知识
卫星通信基础知识
第一节电磁波常识
一、电磁波
振动的电场和磁场在空间的传播叫做电磁波。
由收音机收到的无线电广播信号，由电视机收到的高频电视信号，医院里物理治疗用的红外线，消毒和杀菌用的紫外线，透视照相用的X射线，以及各种可见光，都属于电磁波。
二、电磁波的频率、波长
人们用频率、波长和波速来描述电磁波的性质。
频率是指在单位时间内电场强度矢量E（或磁场强度矢量H）进行完全振动的次数，通常用f表示。
波长是指在波的传播方向上相邻两个振动完全相同点之间的距离，通常用λ表示。
波速是指电磁波在单位时间内传播的距离，通常用v表示。
频率f，波长λ，和波速v之间满足如下关系：
v=λf
如果一电磁波在一秒内振动一次，该电磁波的频率就是1Hz，在国际单位制中，波速的单位是m/s（米/秒），波长的单位是m（米），频率的单位是Hz.
对于无线电信号，它属于电磁波，它的传播速度为光速，即每秒约前进30万公里。
例如：
对于一个频率为98MHz的调频广播节目，其波长为300,000,000米除98,000,000Hz，等于3.06米。
不同的频率的（或不同波长）电磁波具有不同的性质用途。
人们按照其频率或波长的不同把电磁波分为不同的种类，频率在300GHz（1GHz=109Hz）以下的波称为无线电波，主要用于广播，电视或其他通讯。
频率在3×1011Hz-4×1014Hz之间的波称为红外线，它的显著特点是给人以“热”的感觉，常用于医学上的物理治疗或红外线加热，探测等，频率在3.84×1014HZ-7.69×1014Hz之间的波为可见光，它能引起人们的视觉，频率在8×1014Hz-3×1017Hz之间的波称为紫外线，具有较强的杀菌能力，常用于杀菌，消毒，频率在3×1017Hz-5×1019Hz之间的波称为X射线（或伦琴射线）它的穿透能力很强，常用于金属探测，人体透视等，在原子核物理中还有频率为1018Hz-1022Hz以上的射线，其穿透能力就更强了。
三、波段与频道
由于利用频率可以计算出波长，一个频率范围将对应一个波长范围，所以频段与波段具有同样的意思。
两个叫法是对应的，也是通用的，在电视广播领域中，更多使用波段。
微波是指波长在微米级的无线电信号。
按照波长和用途不同，人们把无线电波又分成许多波段，如表1.1所示。
表1.1无线电波波段的划分
名称
英文
波长范围
频率范围
极低频（极长波）
100000Km～10000Km
3Hz～30Hz
超低频（超长波）
10000Km～1000Km
30Hz～300Hz
特低频（特长波）
ULF
1000Km～100Km
300Hz～3000Hz
甚低频（甚长波）
VLF
100Km～10Km
3KHz～30KHz
低频（长波）
LF
10000m～1000m
30KHz～300KHz
中频（中波）
MF
1000m～100m
300KHz～3000KHz
高频（短波）
HF
100m～10m
3MHz～30MHz
甚高频（米波）
VHF
10m～1m
30MHz～300MHz
微
波
特高频（分米波）
UHF
10dm～1dm
300MHz～3000MHz
超高频（厘米波）
SHF
10cm～1cm
3GHz～30GHz
极高频（毫米波）
EHF
10mm～1mm
30GHz～300GHz
至高频（亚毫米波）
0.3nm～1um
300GHz～1000GHz
频道是指传送一个信号源节目所使用的频率（或波长）范围。
通常一个频段（或波段）能够再分成多个频道。
四、极化方式
当电磁波在空间传播时，其电场强度矢量E的方向具有确定的规律，这种现象称为电磁波的极化。
在均匀无限空间中传播的电磁波是一种横波，其电场矢量E、磁场强度矢量H和波的传播方向三者之间，两两互相垂直，常用电场强度矢量E的变化来代表电磁波的变化。
极化方式即卫星电视信号的电磁场的振动方向的变化方式。
按照极化方式的不同，电磁波可分为线极化波和圆极化波等各种不同的类型。
所谓线极化波就是其电场强度矢量E沿一定角度方向的波，当E与地面垂直时，称为垂直极化波；当E与地面平行时，称为水平极化波。
考虑到发射天线和接收天线的架设方便，减少重影，以及避开其他电波的干扰等因素，一般垂直极化波大多用于中波广播、移动通讯、卫星电视广播等，水平极化波大多用于短波广播、地面电视广播、调频广播和卫星电视广播等。
（极化方式（Polarization）:
V垂直极化；H水平极化，即电磁场的振动方向，卫星向地面发射信号时，所采用的无线电波的振动方向可以有多种方式，目前所使用的有：
水平极化（H）：
水平极化是指卫星向地面发射信号时，其无线电波的振动方向是水平方向。
例如：
我们拿一条绳子左右抖动，产生的波是左右波动。
垂直极化（V）：
垂直极化是指卫星向地面发射信号时，其无线电波的振动方向是垂直方向。
例如：
我们拿一条绳子上下抖动，产生的波是上下波动。
极化方式有两类：
一种是线极化，一种是圆极化。
其中在线极化方式下又分为水平极化和垂直极化；在圆极化方式下又分左旋圆极化和右旋圆极化。
）
（垂直极化:
无线电波的极化，常以大地作为标准面。
凡是极化面与大地法线面（垂直面）平行的极化波称为垂直极化波。
其电场方向与大地垂直。
）
五、Ku波段卫星通信波段及其特点
卫星通信使用微波频段300MHz—30GHz，采用高频信号的目的是保证地面上发射的电磁波能够穿透电离层到达卫星。
在卫星通信中，不同的卫星，或者同一颗卫星上的转发器所使用的频率范围不同，不同频率范围有不同的代号。
如3.95-5.85GHz频率范围的代号是Ｃ，该频率范围简称C波段；12.24-18GHz频率范围的代号是Ku,该频率范围简称Ku波段。
项目卫星通信所用的电磁波在12.24-18GHz频率范围，属于微波范围的Ku波段，极化方式为垂直线极化。
六、同步通信卫星简介
由于电视信号属于微波信号，早期的电视广播信号主要在地面传播，其传播方式为直线传播。
由于地球本身是一个球体，传播距离受地球弯曲弧度的影响,一般传播距离为40-60公里。
要使电视信号传播的更远，就需要加高天线或增加中继站。
天线高度的增加是有限的，中继站的增加会使信号衰减，成本加大。
要想减少中继站的数量，只能增加天线的高度，当我们把中继站搬到天上后，就变成了卫星。
卫星通信的目的是扩大信息的覆盖面，减少地面微波中继站，减少信息传播过程中的故障率，极大的提高信息的传输范围，提高信号的传送质量。
当卫星的轨道是圆形且在赤道平面上，卫星离地面35786.6公里，飞行方向与地球自转方向相同时，从地面上任意一点看，卫星都是静止不动，这种对地静止的卫星称为同步通信卫星。
利用三颗同步卫星，就能够使信号覆盖地球的表面。
用于电视节目转发的卫星一般都是同步通信卫星。
所以不同国家发射的通信卫星都在赤道的上空，同步通信卫星所处的纬度都为0℃，经度在0-360℃之间。
第二节卫星IP数据广播技术简介
一、 卫星数据广播技术概述
卫星数据IP广播是通过UDP协议将数据打包送上卫星，再通过卫星下发至接收端。
接收端使用指定的PC卡/接收机和相应的接收软件即可接收。
IP广播是基于新一代的卫星数据广播方式，需要占用专门的IP频道资源。
在我国目前有取代VBI（电视逆程窄代数据广播）的趋势。
中国教育电视台的远程教育节目将由VBI转移到IP数据广播方式。
卫星IP数据广播每个通道的数据传送速率可达1Mbps，甚至更高，可以在实时传输高清晰度的数字视频信号的同时传输远程教学所需的其他多媒体信息，完全能够满足远程教学对带宽的要求。
由于是基于广播方式传输，其带宽不受上网人数的制约，每个用户都能拥有同样的带宽。
IP数据广播不同于VBI，它将根据需要，把卫星上的转发器带宽分成许多份，每一份叫一个IP通道，能够用于传送一组类型的数据内容，可以是计算机网站信息，多媒体数据等。
IP数据广播目前在我国基本上是单向，即只能接收，也可以是双向，即学校或家庭利用地面卫星天线和双向设备在接收信号的同时能够向卫星发射数据信息。
二、卫星数字广播常用术语
1. 上行频率：
指发射站把信号发射到卫星上用的频率，由于信号是由地面向上发射，所以叫上行频率。
2. 转发器：
指卫星上用于接收地面发射来的信号，并对该信号进行放大，再以另一个频率向地面进行发射的设备。
一颗卫星上可以有多个转发器。
3. 下行频率：
指卫星向地面发射信号所使用的频率，不同的转发器所使用的下行频率不同，换句话，当我们接收不同的节目内容时，所使用的下行频不同，在使用卫星接收机时所设置的参数也就不同，如果设置不正确，将不能接收相应的节目内容。
例如：
我国鑫诺一号卫星用于数据广播的下行频率之一为12,620MHz。
一颗卫星上有多个转发器，所以会有多个下行频率。
4. 符号率：
卫星节目的符号率，指数据传输的速率，与信号的比特率及信道参数有关，单位为MB/S。
目前市场上普遍使用的“诺基亚”、“菲力蒲”、“现代”、“同洲”、“九洲”等卫星电视数字解压机的Symbolrate值在6-30MB／S。
从世界上卫星发展趋势看，卫星电视的符码率越来越高，当一个载波信号携带的节目数越多时，此值越大。
5. MPEG-2:
是一种动态音、视频信号的压缩传输标准（MovingPicturesExpertsGroup），它分为音频、视频，传输标准等多种形式。
6. DVB：
DVB（Digitalvideobroadcasting）指数字视频广播，其主要目的是找一种对所有传输媒体都适用的数字电视技术与标准，其核心是以MPEG—2音、视频编码，有三种标准：
DVB-S 数据广播-卫星方式
DVB-C 数据广播-闭路方式
DVB-T 数据广播-地面微波中继方式
7. 纠错方式：
FECEP前向纠错码方式，不同的系统会有不同的设置，接收机的FEC方式的设置必须与上行站编码方式一致才能正确解码，目前亚洲2号卫星的FEC值为3／4。
8. 本振频率：
对C波段卫星接收机的LNB本振频率一般为5150MHz，而Ku频段高频头的本振频率各不相同，常用的高频头的本振频率为11250或11300，一般具体是多少，请仔细查看高频头包装盒上的说明。
9. DiSEqC：
英文为DigitalSatelliteEquipmentControl，直译为：
“数字卫星设备控制”，有1.0、1.1、1.2、2.0等不同版本的标准，是用数字卫星电视接收机控制，发出指令集（控制指令）给相应设备，如切换开关、切换器、天线驱动设备、LNB等。
工作过程是数字卫星电视接收机内部在同步时钟脉冲配合下，通过与LNB高频头相连的同轴电缆线，经调制于22KHz频率上交替变化的数字信号串行转送相关控制指令，DiSEqC1.0常用于控制多入一出的中频切换器的控制；DiSEqC1.1是1.0的扩充版本；DiSEqC1.2则加入驱动并控制推动杆或极轴座的功能；DiSEqC2.0就具有双向控制的功能，外设就会有信息传回数字卫星电视接收机。
简单的理解，可认为DiSEqC是数字卫星接收机中的一个设置参数，它能够使一个卫星接收机接收多个不同卫星天线的信号。
在只有一个卫星接收天线时，该值设置为关（OFF）状态。
10. PID码：
PID码是英文PacketIdentifier简称,是包识别码的意思。
电视信号上传至卫星首先要对音视频及数据信号进行编码，用MPEG-2标准压缩成PES包，再将PES包转换成长度为188字节的传送IP包，它代表每帧画面的信息量。
在188字节中，用3B来表示包开始前缀，以1B来表示包标识，2B表示PES包的包长度剩下的是实时压缩的活动图像声音等可变PES包，PID在传送包的包头上。
如果不知道PID值，就不能正确接收相应的节目。
具体来讲，PID可分视频、音频两大类，其中视频类又分图像、图文类，音频类则分电视与广播类。
简单理解，PID就是为卫星上传送的节目加一个编号，数字卫星接收机或PC接收卡要根据这个编号来判断所接收的信号属于那一个节目。
PID就是收信人的地址和姓名。
在卫星数据广播中，每一个节目都有自己的PID。
项目扶贫通道的PID=b2。
总之，PID值是为了区分各种数据包的用途，DVB和MPEG-2标准中规定在数据包中所加的标识符。
要想接收所需IP数据频道，必须添加相应的PID值。
附录4给出了中国教育卫星宽带传输网各频道编号和PID值,以及相应的远程教育节目名称。
第三节中国教育卫星宽带多媒体传输网简介
一、 鑫诺一号卫星
“鑫诺一号”通信卫星于1998年7月18日发射成功，它是一颗服务于中国及亚太地区的广播通信卫星、同时也是一颗专门为电视直播业务和卫星专用通信网业务设计的通信广播卫星。
该星定点在东经110.5°E赤道上空，轨道位置优越，保证了高仰角、低雨衰。
整个天线覆盖区，最低仰角均大于30°。
这使得它在实现电视“村村通”、“校校通”的任务中，更具有其他轨道位置（位于偏西或偏东的卫星）所不具备的优势。
该星在设计天线波束时，充分考虑了卫星直播电视业务的需求，波束覆盖整个中国及周边国家和地区。
C频段的天线波束覆盖中国和整个亚太地区，覆盖区内大部分地区卫星的EIRP均大于37dBw，最大可达39.5dBw，可很好地满足中国和整个亚太地区电视及通信业务的需求。
Ku频段天线波束充分考虑了卫星直播电视业务的需求和国家各部委、各省市、各大公司及各行业专用通信网的需求，波束覆盖整个中国及周边国家和地区，并按照中国地区的不同分布，对波束覆盖进行优化设计，使得在中国国土的绝大部分地区，卫星的EIRP均大于47dBw,东南部地区加权6dBw以上，卫星的EIRP可达52～54.5dBw。
即具有覆盖区边缘卫星EIRP较大，覆盖区内EIRP功率分布合理的特点，这将有利于地面通信网、站的设计和选型，降低地面通信网、站的费用。
考虑到以往卫星通信网以C频段居多，而Ku频段通信是目前卫星的发展方向，为更好地支持卫星通信网用户的业务发展，鑫诺一号卫星配置有一对C-Ku频段互联转发器，即C频段通信网（地球站）发上行信号，可直接由Ku频段通信网（地球站）接收其下行信号，从而实现了C频段通信网（地球站）与Ku频段通信网（地球站）之间的互联通信，有效支持了C频段通信网向Ku频段通信的过渡、兼容和发展。
二、中国教育卫星宽带多媒体传输网
为贯彻《中共中央国务院关于深化教育改革全面推进素质教育的决定》，落实《国务院批转教育部<面向21世纪教育振兴行动计划>的通知》中“实施现代远程教育工程”的总体部署，为构建中国教育卫星宽带多媒体传输平台，教育部于1999年9月份开始组织实施了“卫星电视教育网络改造项目”。
该项目集成和应用了卫星通信技术、数字电视压缩技术、计算机及网络技术、信息安全技术等新技术，将原租用的1个C波段36MHz带宽的卫星转发器，改为租用大功率的54MHz带宽的Ku频段转发器，增加空间频率资源，加大卫星转发器传送信号强度，减小地面接收天线的尺寸，利于推广应用；将模拟电视传送方式改为数字压缩传送方式，从而充分利用卫星转发器的资源，增加电视频道、语音广播频道、IP广播频道的数量，扩大多媒体广播的应用规模，推进信息化教育和计算机技术的应用普及，实现电视网、计算机网的相融合。
中国教育卫星宽带传输网（CEBsat）于2000年7月1日开始试播。
10月31日正式启动了现代远程教育卫星宽带多媒体传输平台。
该网采用鑫诺一号卫星Ku波段传送，主要接收参数为：
下行频率为12620MHz，符号率为32553，极化方式为垂直。
改造后的新系统具备播出6套电视、6套语音、20套以上IP数据广播的能力，此外，还能开展卫星因特网接入服务实验，重点是为西部地区、通信设施不发达地区的单位，提供双向远程教育服务。
第一个区域（左上）主要是对教育电视节目和语音广播节目进行编码压缩和统计复用。
因此，平台的第一个功能就是提供教育电视节目和语音广播节目的传输。
第二个区域包含有条件接收和EPG两部分。
EPG是电子节目指南的英文缩写，可以为观众提供各频道的节目时间表、节目介绍及与节目有关的其它信息等。
有条件接收（CA）系统主要是对用户进行授权管理。
也就是说，通过该系统可以对用户所能接受到的节目和信息进行限制。
符合接收条件的用户，可以合法地收看平台中传送的有关内容，而不符合条件的用户则无法接收。
第三个区域是IP数据广播。
简言之，IP数据广播就是一种基于网际协议的数据广播。
它通过卫星将大量的多媒体课件和计算机文件发送到学校的局域网服务器或学员和用户的计算机中去。
学员或用户可以不受时间限制地进行学习或浏览相关信息。
IP数据广播大体可分为两种形式：
一种是文件分发，它将以计算机文件形式存在的信息或多媒体课件连同目录结构一起发送出去，一种比较形象的说法是“文件分发，目录搬家”；另外一种形式是多媒体流分发或者是IP直播，主要是通过IP通道将视音频信息和相应的文本信息实时播放或转发出去，有点类似于电视的播出或直播。
IP播出再配合相应的软件，还可以在一定范围内实现点播服务。
第四个区域是因特网接入服务。
目前已进入试验阶段。
主要是利用卫星的高速传输能力以及非平衡传输的特点，与地面网络和通信资源相结合，构成天地合一的双向非平衡网络，实现Internet信息的高速访问。
此外，平台还保留了VBI数据广播，主要是为了方便有线电视台的转播和适应原有VBI数据广播接收单位的需求，为观众提供文化、科技、教育、经济、军事、娱乐等公众信息以及部分多媒体课件。
三、 中国教育卫星宽带多媒体传输网近期节目安排
中国教育卫星宽带传输网节目表
分类
PID值
频道编号
频道名称
频道内容
备注
电
视
节
目
CEBsat-TV-1
CEBsat
CEBsat介绍及测试
CEBsat-TV-2
CETV-1
综合教育节目
`
CEBsat-TV-3
CETV-2
中央电大教学节目
CEBsat-TV-4
CETV-SD
中小学教育节目
与C波段并发
CEBsat-TV-5
CCTV-1
中央电视台第一套节目
转发、加密测试
CEBsat-TV-6
CCTV-9
中央电视台英语频道
转发
I
P
节
目
信
息
类
B0
CEBsat-I-0
CEBsat播出信息
CEBsat播出的相关信息
B1
CEBsat-I-1
教育部信息
教育网站
B2
CEBsat-I-2
扶贫教育信息
基础教育、农业科技
信息、气象、报刊等
B3
CEBsat-I-3
星空放送
经济、文化、科技、
报刊等
B4
CEBsat-I-4
绿网工程
部队政治思想教育、
军事科技、报刊等
B5
CEBsat-I-5
青少年教育
校外活动、科技创新等
B6
CEBsat-I-6
数字图书
图书资料及信息等
B7
CEBsat-I-7
测试
课
件
类
D0
CEBsat-C-1
北京大学
国际经济与贸易、法学
专业教学等课业
D1
CEBsat-C-2
北京大学（医学部）
远程医学等课业
D2
CEBsat-C-3
北京邮电大学
先行代数、C语言、概率论等教学课件
D3
CEBsat-C-4
中央广播电视大学
电大课程多媒体教学课件
D4
CEBsat-C-5
东南大学
国内贸易、计算机应用
教学等课件
D5
CEBsat-C-6
信息技术教育和培训
计算机网络等技术课件
D6
CEBsat-C-7
自学考试
待定
D7
CEBsat-C-8
测试
节
目
类
F0
CEBsat-P-1
外语、科普
中小学学生及教师外语
远程学习与培训;科学知识普及、科技知识讲座
F1
CEBsat-P-2
中小教育
中国农业大学
全国各地中学名校优质
课展播;农业远程教育
F2
CEBsat-P-3
小学教育
小学同步教学
F3
CEBsat-P-4
测试
语音
节目
CEBsat-A-1
卫星英语课堂
初高中英语
与C波段并发
CEBsat-A-2
中央人民广播电视台（1套）
转发
CEBsat-A-3
测试
用户服务
CEBsat-S-1
教育双向
卫星因特网接入服务
实验阶段
注：
1、电视节目、语音节目传送和接收采用国家广电总局制定的数字卫星电视调制、接收标准。
2、IP信息、课件广播采用多路广播方式。
3、IP节目采用视频MPEG－4压缩方式。
4、接收方式：
北大、信息技术教育和培训等暂选用赛得康接收软件，
北京邮电大学、东南大学等暂选用经天通讯接收软件，
扶贫教育信息暂选用远教接收软件。
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