第二章DVBS技术及其教学应用.docx
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第二章DVBS技术及其教学应用
第二章DVB-S技术及其教学应用
本章教学目标
1.了解DVB-S技术的基本特点和优势
2.初步掌握卫星教学站点的技术方案、系统组成和基本功能
3.了解Ku波段卫星数据接收天线的工作原理、类型及其性能特点
4.了解卫星数据接收机的基本工作原理、类型及其性能特点
5.了解卫星数据接收卡的基本工作原理、类型及其性能特点
第一节外交互式卫星数据通信技术简介
一、DVB-S技术
许多数据业务都有一个显著的特点：
用户接收和发送数据量具有不对称性，用户接收的数据量远大于发送的数据量。
接收数据量和发送数据量的比例至少在5∶1左右，如文件传输服务的收发数据流量的比值高达20∶1以上。
远程教育信息传输具有明显的不对称特点，项目采用的外交互式卫星通信能够很好地适应这一特点。
项目通信方案下行利用中国教育卫星宽带传输网,是单向数据广播形式，卫星教学收视点没有双向卫星设备，只能使用计算机和卫星接收卡接收数据，利用数字卫星接收机接收电视节目，无法利用卫星上传信号。
若想实现双向交互，必须另外增加上传方式，而交互的基本方式是利用拨号上网，本项目配备了Modem（俗称“猫”），是用普通电话线上网的设备，可以实现窄带双向交互，与卫星宽带传输网构成外交互式卫星数据通信。
二、常用外交互方式
作为卫星数据广播的交互手段，常用方式有拨号上网（PSTN）、一线通（ISDN）和超级一线通（ADSL）等。
1．拨号上网方式
PSTN即拨号上网，是接入因特网的最常用的方式。
拨号上网费用较低，比较适于个人和业务量小的单位使用。
用户所需设备简单，只需具备PC机一台、普通通信软件一个、Modem一台和电话线一条，再到ISP申请一个上网账号，即可使用。
用户需要在您的个人微机上安装调制解调器。
调制解调器（Modem）是通过电话连接Internet必不可少的设备，其主要功能是进行模拟／数字信号的转换，利用它可以通过普通电话线传送计算机上的数字信号。
随着计算机技术的发展，Modem的通信速率也在逐步提高，目前常见的传输速率为33．6kbps，最高速率则已达到56kbps。
2．一线通方式
ISDN中文名称是综合业务数字网,电信部门将其俗称为“一线通”。
它采用数字传输和数字交换技术,将电话、传真、数据、图像等多种业务综合在一个统一的数字网络中进行传输和处理。
ISDN一线通的突出优点在于，它可以在一条电话线上同时进行两路不同方式的通信。
也就是说，家里或办公室里只要装上一条ISDN线路，就可以一边打电话，一边发传真；也可以两个人同时向不同的地方打电话；还可以一边打电话、一边上网等等。
这就等于为用户装上了两条电话线。
目前我国的ISDN线路为2B+D模式，即2个基本数字信道，1个控制数字信道，每个B信道的带宽为64Kbps。
ISDN方式的特点如下：
⏹在各用户终端之间实现以64Kbps速率为基础的端到端的传输。
⏹ISDN能提供端到端的数字连接，用来承载包括话音和非话音在内的各种通信业务。
⏹客户能够通过有限的一组多用途用户／网络接口标准接入lSDN。
⏹ISDN能与现有电话网、分组网实现互通。
⏹ISDN采用两种标准的用户／网络接口，即基本速率接口（BRI）和基群速率接口（PRI）。
基本速率接口即2B+D，其中B为64Kbps速率的数字信道，D为16Kbps速率的数字信道；基群速率接口也称一次群速率接口30B＋D或23B+D。
B和D均为64Kbps的数字信道。
B信道主要用于传送信息流；D信道主要用于传送电路交换的信息，也用于传送分组交换的数据信息。
3．超级一线通方式
ADSL（AsymetricDigitalSubscriberLoop）技术即非对称数字用户环路技术，它可以利用现有的一对电话铜线，为用户提供上、下行非对称的传输速率（带宽），上行（从用户到网络）为低速的传输，可达640Kbps；下行（从网络到用户）为高速传输，可达8Mbps。
由于它采用了全新的数字调制解调技术，因而可以传送比Modem和ISDN带宽高得多的宽带技术，逐步成为了一种较方便的宽带接入技术。
ADSL接入技术最大的好处是不需要架设专用网络，它能利用当今世界上分布最广的电话铜线作为传输介质，并能在一对铜质双绞线（电话线）上得到三个信息通道：
一个为标准电话服务的通道、一个速率为640Kbps－1.0Mbps的中速上行通道、一个速率为1Mbps－8Mbps的高速下行通道。
这三个通道可以同时工作。
ADSL是靠先进的调制解调技术（CAP、DMT），其中DMT调制解调技术由于技术先进已经被ANSI组织定为标准，应用广泛。
在DMT调制解调技术中一对铜制电话线上0－4KHz频段用来传输电话音频，用26KHz－1.1MHz频段传送数据，并把它以4KHz的宽度划分为25个上行子通道和249个下行子通道。
输入的数据经过比特分配和缓存变为比特块，再经TCM编码及QAM调制后送上子通道，理论上每赫兹可以传输15bits数据，所以ADSL的理论上行速度为25×4×15=1.5Mbps，而理论下行速度为249×4×15=14.9Mbps（当然，这只是理论极值，实际中由于线路质量及传输距离的影响是难以达到如此高速的）。
DMT还具有良好的抗干扰能力，它可以根据实际中线路及外界环境干扰的情况，动态地调整子通道的传输速率。
即在有干扰存在的子通道上的传输速率可能降为8bits/Hz，而未受干扰或干扰较小的地方仍可保持较高的速率，同时DMT还可以把受干扰较大的子通道内的数据流转移到其它通道上。
这样既保证了传输数据的高速性又保证了其完整性。
ADSL方式的特点如下：
⏹可直接利用现有用户电话线，无须另铺电缆，节省投资
⏹渗入能力强，接入快，适合于集中与分散的用户
⏹能为用户提供上、下行不对称的传输带宽
⏹采用点对点的拓扑结构，用户可独享高带宽
⏹可广泛用于视频业务及高速INTERNET等数据的接入
此外，可作为卫星数据广播系统的交互方式，还可选择专线上网（DDN）、、无线上网（WAP）和闭路电视天线上网（Cable）等。
第二节卫星教学站点设计
1．系统设计与功能
依托中国教育卫星宽带传输网（CEBsat）、中国教育科研计算机网络（CERnet）和其他有关的基础通讯设施，本着适用、够用和好用的原则，采用较先进的信息与通讯技术集成方案，在西部地区中小学校建设卫星教学收视点。
通过接收、下载和播放优质的教育资源，提高当地中小学的教育教学质量，使这些学校能进入数字化环境。
卫星教学站点主要功能是：
⏹接收卫星数据广播
⏹播放多媒体教学资源
⏹连通因特网
⏹教务和教学的办公应用
2．设备组成
每个收视点由卫星数字接收、计算机数据处理和拨号上网等设备组成。
主要设备有：
接收天线1套（含高频头），功分器1只，IP数据接收卡1块，PC计算机1台，卫星接收机1台，电视机1台，打印机1台，调制解调器1只，光驱1件，有源音响1组,UPS不间断电源1台。
3．系统结构
带高频头
UPS电源
Modem
电话线
卫星教学收视点系统结构
第三节卫星数据接收天线常识
三、接收天线的组成与工作原理
天线是收集和处理远处的卫星发出的高频电磁波信号的装置，不同频率和不同发送方式的无线电波必须采用相应的接收天线，才能有效地将卫星发送的微弱信号接收下来，并达到高频头输入电平的要求。
它的通信器件主要包括反射器、馈源、高频头和馈线。
天线是无线电波的输入端口，
反射器（俗称“锅”）：
用于反射和聚焦卫星发送的高频电磁波信号，通常选择抛物面天线，即利用抛物面的聚焦特性，将卫星发送的电磁信号经过一次或二次反射到天线的焦点上，并通过馈源和波导将聚焦的电磁波传送至高频头（LNB）。
馈源：
位于天线反射面焦点处，是一个会聚卫星信号的装置，其作用是聚集卫星信号能量并馈送给高频头（低噪声降频放大器，简称LNB）。
高频头：
将接收到的卫星下行频率信号进行放大和变频处理的部件。
高频头的作用是先将卫星高频信号放大，再利用本机振荡电路将高频信号转换成中频950MHz-2050MHz，以利于同轴电缆传输和卫星接收设备处理（调制解调）。
Ku波段一体化高频头
功分器：
是将高频头接收的卫星信号分成两路或几路信号的设备，本项目功分器输出的两路信号分别送给数字卫星接收机和数据接收卡
馈线：
从高频头输出到接收机的射频输入插口的一段电缆线，一般选用75Ω同轴馈线，长度不宜超过30m，在室外环境条件下，最好用SYV－75－7电缆（通常室内-5室外-7，功分器为界）。
接头芯线的长度和粗细应适宜，以免过长损坏高频头，过短接触不上，过粗损坏高频头输出座簧片。
节目调好后，将接头拧紧，确保接头良好，做好防水处理，保护好高频头，固定好馈线。
卫星接收天线有以下几方面的作用：
⏹接收卫星发出的高频电磁波的能量
⏹选择所需要的卫星电视信号，抑制外界干扰信号
⏹放大接收到的微弱卫星高频信号
⏹进行降频变换处理，将卫星高频信号转换成中频信号
除通信器件外，机械部件也是卫星信号接收天线的重要组成部分。
天线的机械部件主要包括馈源支撑杆、俯仰角调整机构、方位转动机构和底座等。
如图2-1所示为1.2米偏馈天线，该天线选用固定式支座及支架，只能用来接收固定卫星的节目。
天线的支撑系统主要有立柱、底座支架、托架和角钢组成；反射面由两块角钢和一个托架相互固定；馈源及支撑系统由一付馈源支架和三根馈源支撑杆组成；俯仰调整机构由一根仰角调整杆，一个调整块组成；方位转动机构由方位套筒和三个顶丝组成。
图2－11.2mKu天线结构示意图
四、接收天线与高频头的分类
按接收波段划分，卫星通信接收天线一般可分为C波段天线和Ku波段天线。
C波段天线接收卫星信号的频率范围为3.7GHz-4.2GHz；Ku波段天线接收卫星信号的频率范围为10.7GHz-12.75GHz。
卫星数据广播接收系统装配和使用的天线为Ku波段天线。
在实际工作中，根据中国教育卫星宽带网（CEBsat）的信号特点和技术规范，收视点建设应选择直径（椭圆短半轴）从0.75到1.5米Ku频段卫星接收天线。
常用的抛物面天线按反射的体的结构形式主要可分为分瓣拼装式和整体式，按抛物面的选用的材料可分为网式和板式，根据馈源在反射体的上方或下方可分为前馈式和后馈式。
此外，根据馈源相对于反射体中轴线的位置，可将抛物面天线分为偏馈式和正馈式天线。
卫星数据广播接收系统选配的天线一般为Ku频段整体偏馈板式天线。
相应地，高频头一般也可分为C波段LNB和Ku波段LNB，接收卫星信号的频率范围同上。
项目收视点装配和使用的高频头为Ku波段LNB，由于这种高频头内置了馈源部分，所以一般称这种高频头为馈源一体化高频头。
五、天线的方位角
天线方向指向角（方位角）是指从接收点到卫星的视线在接收点的水平面上有一条正投影线，从接收点的正北方向开始，顺时针方向至这条正投影线的角度就是方位角。
在实际使用时应考虑当地的磁偏角数值。
计算结果方位角负值为南偏西，正值为南偏东，通常方位指向角以北极为基准，即正北为0°角边（规定北纬为正、南纬为负，东经为正、西经为负，顺时针为正）。
在实际计算方位角时，可根据下面的公式进行计算即为：
tg
–1
A=tg
sin
=（地面站所在地经度φ2－卫星定点经度φ1）—地面站所在地纬度
六、天线的俯仰角
天线俯仰指向角（俯仰角）是指从接收点仰望卫星的视线于水平线构成的夹角就是俯仰角。
在实际计算俯仰角时，可根据下面的公式进行计算即俯仰角为：
R
r
coscos
E=tg
1-（coscos）
2
式中：
r/R=0.1510
r——地球半径，取值6378km
R——同步轨道半径，取值42218km
=（地面站所在地经度φ2－卫星定点经度φ1）
—地面站所在地纬度
在计算方位角、仰角之前先从地图上查出本地站址的经度和纬度。
如果将本地的经纬度代入上面的计算公式，只要查出卫星的经度，就可以很方便地求出这颗卫星的方位角、仰角。
如果将要寻找的卫星的方位角、仰角求出后列表记录。
按照卫星的经度来分析记录列表，就可发现收视星的方位角、仰角的变化规律，即随经度的增加方位角由南偏西，向南偏东过渡，仰角逐渐升高。
有些天线，尤其是变形天线的实际焦距已经超过了馈源能在法兰盘中移动的距离，或者馈源中心轴线不是与抛物面中心轴重合，而是形成一定的夹角，不能够最大能量的吸收反射波。
上述情况均需要改变馈源支撑杆的长度来满足要求，最好是用带场强显示的接收机仔细寻找，挖掘出该天线的最大增益和效率。
七、影响天线效率的主要因素
天线效率可以说明有多少需要的输入信号到达馈源。
在天线结构和材质等因素一定的情况下，影响天线效率的主要因素如下。
天空噪声：
这是由星体中的能量变换和某些大气层活动造成的大宽带辐射。
这种噪声主要通过主瓣输入，与仰角的大小无关。
大地噪声：
温暖的地面中分子的激发造成的大带宽噪声称为大地噪声。
在高纬度的低仰角中，它对天线噪声的作用最大。
这是由于在较低仰角中，天线倾斜得更向着地面，所以增大在碟边衍射大地噪声的可能性。
在较低的纬度上碟形天线的仰角更倾向天空，大地噪声的作用就大大减弱了。
它主要是通过副瓣输入，而且对整个天线噪声起主要作用。
人为噪声：
机器和设备发出的噪声也会增大天线噪声。
例如汽车的打火系统、剪草机以及萤光灯的开和关。
这些设备都会由于瞬态高压发射大宽带的噪声，这种噪声主要也通过副瓣输入。
在绝对零度的温度下（0K或者-273.15℃）,所有分子的激发都会停止。
因此，温度越高，分子的活动越剧烈，因而噪声也越大。
正因为这样，噪声是以相应的噪声温度即以开氏温度表示。
天空噪声和人为噪声比起噪声的主要成份大地噪声的作用更小。
一般来说，在仰角低于30°左右时，天线噪声温度会迅速增加。
第四节卫星数据接收机及其主要性能
八、卫星数据接收机的概念与分类
卫星数据接收机，俗称机顶盒，目前没有标准的定义，传统的说法是"置于电视机顶上的盒子"。
它是利用卫星通信网络或有线电视网络作为传输平台，利用电视机作为用户终端，提高现有电视机的性能或增加其功能。
目前，已出现在市场上的接收机基本上可划分为数字电视接收机、网络电视（WebTV）接收机和多媒体（Multimedia）接收机三类。
其中，数字电视接收机的主要功能就是将接收下来的数字电视信号转换为模拟电视信号，使用户不用更换电视机就能收看数字电视节目，图像质量接近500线水平。
根据传输媒体的不同，数字电视接收机又分为数字卫星接收机（DVB-S）、地面数字电视接收机（DVB-T）和有线电视卫星数据接收机（DVB-C）三种。
九、卫星数据接收机的功能
卫星数据接收机的基本功能是接收数字电视广播节目，目前多数卫星接收机（包括本项目配备的）只具备这一功能。
有些接收机还具有广播和交互式多媒体应用功能，如：
（1）电子节目指南（EPG）。
给用户提供一个容易使用、界面友好、可以快速收看节目的一种方式；
（2）高速数据广播。
能给用户提供教育资源、经济信息、电子报纸、热门网站等各种消息；（3）软件在线升级。
软件在线升级可看成是数据广播的应用之一。
数据广播服务器按DVB数据广播标准将升级软件播出，卫星数据接收机能识别该软件的版本号，在版本不同时接收该软件，并对保存在存储器中的软件进行更新；（4）因特网接入和电子邮件。
卫星数据接收机可通过内置的电缆调制解调器方便地实现因特网接入功能。
用户可以通过接收机内置的浏览器上网，发送电子邮件。
同时接收机也可以提供各种接口与PC相连，用PC与因特网连接；（5）条件接收。
条件接收的核心是加扰和加密，卫星数据接收机可以提供解扰和解密功能。
一十、卫星数据接收机的工作原理
卫星数据接收机的关键技术有线电视卫星数据接收机的技术含量较高，它集中体现了多媒体、计算机、数字压缩编码、解扰算法、加解密算法、通信技术和网络技术发展水平，其工作原理如图2-2所示。
一十一、常用卫星数据接收机的选型与主要性能指标
1.技术要求
⏹符合我国卫星数字电视广播规范（GB/T17700-1999）标准
⏹符合广电总局GY/T148-2000行业标准
⏹符合国家有关电磁辐射及安全标准（GB13837-92，GB8898-88）
⏹视频码率：
1.5～15Mbps连续可调，MPEG-Ⅱ数据流格式
⏹接收速率：
1～50Mbps
⏹符号率：
1～45Msps
⏹分辨率：
720/576544/576480/576352/288可选
⏹R-S编码：
（204，188，T=8）
⏹Viterbi：
1/2，2/3，3/4，5/6和7/8约束长度K=7
⏹卷积交织深度：
I=12
⏹滚降系数：
35%
⏹电压范围：
120～260VAC频率：
47～63Hz，
2.基本功能
⏹SCPC，MCPC均可接收，不带最后帧记忆功能
⏹具备条件接收功能，有ISO7816SMART卡插槽，接口及读卡器
⏹频道预置数大于100，带红外遥控器
⏹中文菜单显示，操作简便
⏹场强显示，屏幕叠加显示，中文电子节目单显示
3.射频输入
⏹频率范围：
950MHz～2150MHz
⏹输入阻抗：
75Ω，F型头，2端口
⏹供给LNB极化切换电源，在12～24V范围内电流大于280MA
⏹输入电平：
-65～-30dB
4.输出端口
⏹射频调制输出
⏹2莲花座（音/视频）输出
⏹S端子输出
⏹RS232串口端子
第五节卫星数据接收卡及其主要性能
卫星数据接收卡是卫星数据接收系统的关键部件，是PC机标准插卡，安装后以网卡的形式存在，它的作用是将LNB变频下来的L波段的信号进行放大和变换到基带，并进行解调和信道译码得到所需数据，还原成IP数据包，最后通过PCI总线送入计算机。
卫星数据接收卡的相关程序包括驱动程序和卫星频道设置程序，驱动程序运行在计算机系统的核心层，是卫星数据接收卡与计算机的接口程序，为卫星数据接收卡分配IP地址；卫星频道设置程序运行在计算机系统的应用层，用于配置卫星频道信号的下行频率、符号率、极化方式和PID值等参数，在接收天线已经对准卫星，卫星卡驱动程序正常运行的情况下，检测信号电平，校验信号误码率，搜索并锁定卫星信号。
常用的Ku波段数字卫星接收卡（DVB-S）应达到如下主要性能指标。
一般要求：
⏹符合EN301192标准
⏹符合EN300421标准
⏹支持TCP/IP、DP/IP等协议
⏹具有nicast/Mltcast过滤功能
⏹RF滤波带宽：
54MHz（-3dB）
⏹输入阻抗：
75Ω
⏹接收频率范围：
950～2150MHz
⏹接收电平范围：
-65dBm～-25dBm
⏹符号率：
2～45Msps
⏹PID过滤器16个以上
⏹PCI接口、即插即用
功能要求：
⏹支持IP有条件接收系统
⏹可远程配置参数
⏹提供一个8位、用户不可更改的、唯一的ID，以及VC++接口程序
第六节卫星数据接收软件及其基本功能
安装并配置好卫星数据接收卡驱动程序，以及随卡附送的卫星频道设置程序后，仅是为卫星数据接收创造了通信频道和数据链路的必要条件，还不能立即接收卫星数据广播。
要想真正开始接收卫星DVB数据，还必须安装相应的卫星数据接收软件。
由于不同的卫星DVB数据，在编码、压缩、调制和加密等方面，往往采用不同的技术规范，所以在接收端用户应根据卫星播出部门和（或）数据资源提供部门的建议和要求，选用不同的卫星数据接收软件。
例如，近期对于中国教育卫星宽带多媒体传输网来说：
教育部现代远程教育扶贫示范工程项目用户应使用“远教IP数据接收软件”（详见第六章远教IP数据接收软件的使用）；北京大学远程教育资源和信息技术教育和培训资源的用户应选用“赛得康接收软件”；北京邮电大学和东南大学远程教育资源用户应选用“经天通讯接收软件”；公共信息和资源的接收一般建议使用“通视数据接收软件”（详见附录四、其他数据接收软件介绍）。
卫星数据接收软件属于应用软件，运行在计算机系统的应用层。
不同的卫星数据接收软件其界面特征和功能项目各不相同，但一般都应具备如下功能：
⏹系统初始化与注册（帮定接收卡IP地址;生成注册码；条件接收字段校验等。
）
⏹硬件驱动（启动DVB硬件，能自动识别本振频率）
⏹文件接收与浏览（自动获取PID并接收对应的IP数据包，同步更新电子节目单）
⏹流媒体数据接收与播放（自动维护MPEG4流媒体播出频道内容；通过更新.NSC文件列表，接收端同步更新列表。
）
⏹文件管理（设置文件存放目录；限定数据总量；删除过时的文件等。
）
思考与练习
1.常用卫星教学站点的基本功能是什么？
2.组成常用卫星教学站点的主要设备有那些？
3.试简要画出常用卫星教学站点的结构图。
4.DVB-S数据广播收视点装配和使用的高频头是什么类型的？
5.什么是天线的方位角和俯仰角？
6.影响天线效率的主要因素是什么？
7.卫星数据接收机信号的输入和输出端分别接到什么设备上？
8.简述卫星数据接收机的工作原理。
9.常用卫星数据接收卡的插口是什么类型的？
10.卫星数据接收卡信号的输入和输出端分别接到什么设备上？
11.卫星数据接收卡的主要作用是什么？
12.一般随卫星数据接收卡带的软件至少应有几个？
分别是什么？
13.卫星数据接收软件的基本功能有哪些？
14.要接收中国教育卫星宽带多媒体传输网播出的扶贫资源信息，应使用哪一个卫星数据接收软件？
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