数字卫星广播与微波技术(1)

1、 数字卫星广播与微波技术第1章 概论11卫星广播1.1.1 简史通信网络和广播电视覆盖的三种基本传输方式为：光缆、卫星、和微波。目前，广播电视三种传输方式主要有：地面无线的传输形式、有线网络传输、卫星传输。微波中继最早出现在20世纪40年代，卫星广播诞生于20世纪60年代。数字卫星广播于1994年首次出现在美国，我国于1995年引入。目前，数字卫星广播已经成为覆盖全国的主要方式。微波是指频率高于1000MHz（1GHz）的无线电波，按照波长可分为分米波，厘米波，毫米波等波段。微波中继站一般间距在50km左右。微波中继具有抗重大自然灾害的特点。卫星通信由英国科幻小说家阿瑟 C 克拉克 于1945

2、年首次提出。1984年4月8日，我国成功发射第一颗试验通信卫星“东方红一号”。1.1.2模拟卫星广播：模拟卫星广播系统可以分为上行地球站、通信卫星、卫星接收站三个子系统。上行地球站的功能：首先对电视台播控中心传来的信号进行基带处理，然后进行中频调制，形成中频信号，其后通过上变频与高功率放大环节产生足够强的微波信号馈送至天线上，进一步将卫星广播上的信号送到在同频轨道上的卫星上。通常上行地球站还具有遥测、监控和跟踪功能。广播卫星的功能：接收发自地球站上的信号，经过低噪声放大，下变频和功率放大等环节，生成卫星广播的下行信号，通过天线将此信号转发到服务区域内。卫星接收站的功能：通过天线接收来自卫星的下

3、行信号，首先经过低噪声放大，下变频和中放等环节，生成卫星接收系内的第一中频信号，该信号通过同轴电缆传送到室内一个或多个卫星接收机。在接收机内进一步产生第二中频信号，经过中放，解调，视频处理，伴音解调和伴音处理等环节，分别还原出视频信号与音频信号。卫星电视广播中的视频信号采用调频方式（FM），地面电视广播采用的是残边带调幅方式（AM/VSB）。调频方式具有接收弱信号能力强，抗干扰能力强，所需卫星发射功率小的特点。卫星电视广播中的伴音信号分为模拟伴音与数字伴音两种类型。模拟卫星广播的伴音与地面电视广播的区别在于：1.副载波不同。2.采用的伴音预加重和去加重方式不同。数字伴音的优点是：传输容量大，声

4、音质量高，声音与图像信号间的串扰比较小。1.1.3 数字卫星广播与模拟卫星广播系统类似，数字卫星广播系统也是由上行地球站、广播卫星与卫星接收站三部分组成的。数字卫星广播的优点：1 一颗卫星可以提供上百套电视节目。通常一个卫星装备24个C波段转发器，每个转发器的带宽为36MHz。采用数字压缩和数字传输技术后，每个电视频道的带宽大约7M左右。2 经济效益好。3 节目传输质量高。4 所需发射功率小。5 能提供多路多声道的优质音频信号。6 能提供多种服务。7 便于实行节目的有条件接收。数字卫星广播的制式：目前，数字卫星广播的制式大至分为两种：DVB-S（欧洲广播联盟的数字广播视频方式）； （美国通用仪

5、器公司开发的方式）两种制式互不兼容，主要差别在于数字信号的传输方式上（信道编码有所不同）。信源编码都采用MPEG-2压缩方式。DVB-S系统中采用的信号调制方式称为四相相移键控（QPSK）。为尽量减少误码对数字信号传输的影响，采用了卷积码和里德-索罗门码（RS码）的编码方式组成的误码保护方式。DVB-S系统适用于不同带宽的卫星转发器。DVB-S系统允许实行节目的复用。在数字卫星广播系统中根据节目复用的情况，有单路单载波和多路单载波方式之分。单路单载波（SCPC）：多路信号有多个载波。每路信号对各自的载波进行调制，多路信号在射频上频分复用，各路信号可从不同地点上星。由于每个载波只传送一套电视节目

6、，因此卫星上行站传输的符号率就比较低，4-7Mbps，占用的频带也比较窄，一般不超过7MHz。多路单载波（MCPC）：多路信号只有一个载波。多路信号在调制前复用，通过信道编码环节后对载波调制。该方式适用于从一个地点上星的多路信号。由于传送节目多，与SCPC相比，上行站传输的符号率比较高，占用频带也比较宽。直播卫星利用工作在专用卫星广播频段的广播卫星，将广播电视节目直接送到家庭的一种广播方式。又称卫星直接到户（DTH）。技术上两项措施：1. 采用Ku波段；2.采用大功率卫星转发器。1.1.4 卫星广播的频率范围世界无线电行政大会将卫星通信和广播细分为三大类：固定卫星业务（FSS）、广播卫星业务（

7、BSS）和移动卫星业务（MSS）。1.2 微波通信1.2.1 微波通信的特点微波是指波长为1米至1毫米或频率为300MHz至300GHz范围内的电磁波。微波通信是指用微波波段的电磁波进行的通信。 波长*频率=波速（3*108 m/s）微波通信是一种比较先进的通信技术，与短波通信相比，具有通信容量大、传输质量高、抗干扰能力强、投资较少、建设速度快等优点。微波通信主要有以下几个特点：1. 频带宽2. 传输质量及稳定性好。不受天电干扰、工业干扰、太阳黑子的变化及电离层变化的影响。3. 直线传播，视线距离内通信。4. 天线方向性强，通信中相互干扰小。所需要的发射功率小（几瓦功率就够了）。微波、多路、中

8、继是微波通信最基本的特点。1.2.2 多路复用原理微波中继通信系统分为模拟微波通信系统和数字微波通信系统。它他都是利用一条通信电路进行多路通信。称为多路复用。频分多路复用（FDM）：按照频率分路的复用系统，为模拟微波通信系统采用。时分多路复用（TDM）：按照时间分路的复用系统，为数字微波通信系统采用。频分多路复用简单原理：原理：不同的传输媒体具有不同的带宽，频分多路复用技术对整个物理信道的可用带宽进行分割，利用载波调制技术，实现原始信号的频谱迁移，使得多路信号在整个物理信道带宽允许的范围内，实现频谱上的不重叠，从而共用一个信道，为了防止多路信号之间的相互干扰，使用隔离频带来隔离每个子信道。工作

9、过程：按频率高低来划分电路。将各个话路信号变换到不同的频率上，然后用滤波器将他们合并成为多路信号，在接收端，将多路信号再分离成各个话路的信号。如下图所示：左边是发信端，右边是收信端。在发信端，话路1的基带信号加到调制器1上，对载频1进行调幅并抑制其载频，在频制器输出得到残余载频及上、下两个边带，用带通滤波器取出一个边带，得到单边带信号。同理话路2、3得到位于不同频带的单边带信号。各路载频间隔4KHz。然后将各话路的单边带信号合并起来，就成为频分多路电话信号。通常又称为群信号。在收信端，先由带通滤波器从信号中分离出各话路的高频边带信号，然后送到解调器，与各路相应的载频差拍变频，还原出各个话路的基

10、带信号，并用低通滤波器滤出。调制1载频1带通1调制2载频2带通2带通1解调1载频1低通1带通2解调2载频2低通2话路1话路2话路1话路2频分多路复用设备原理频分多路复用的特点是：各路信号在公共信道上占用的频率是错开的，即：频域分开，时域重叠。视频频分多路复用系统中，电视基带信号由图像信号、伴音信号和导频信号组成。时分多路复用：原理：将该理信道划分成若干时间片，并将各个时间片轮流地分配给多路信号，使得他们在时间上不重叠。工作过程：如下图：各路语音信号经过低通滤波器，其频带限制在3400Hz内，然后由抽样开关以8000Hz的速率对其抽样，各抽样开关在定时器控制下按一定顺序轮流抽样。各路信号取样值（

11、PAM信号）顺序在公共量化编码器中量化、编码、变换为PCM（ 脉冲编码调制）信号、码型变换、经信道传输到接收前端。在接收端正好相关，先对信号进行再生，码型反变换，将其还原为PCM信号，再经分路开关将各路信号分离。收端定时器的控制信号与发端完全同步。CH 1时分多路复用设备原理低通低通低通量化编码码型变换信道CH 2CH n再生码反变换解码CH 1低通低通低通CH 2CH n发信定时收信定时CH1 2nCH1 2n时分多路信号的特点：各路信号在公共信道上占用的时间是错开的。即：时域分开，频域重叠。1.2.3 模拟微波通信系统微波站可以分为两类：一类是终端站，一类是中继站。终端站的任务：调制与解调

12、。一方面将机房来的信号调制到微波频率发射出去；另一方面将接收到的微波信号解调出来，送至用户，中继站的任务：完成微波信号的转发与分路。中继站又可分为主站、中间站和分路站三种类型。主站：需要分出或加入话路与电视信号的站，在进行话路转接时，群路信号要经过超群解调。分路站：分出或加入一部分话路。话路转接时，不解调群路信号，而是用滤波器将需要分出或加入的话路滤出后进行解调。可以分出电视信号，一般不加入电视信号。中间站：不分出或加入话路和电视信号。将收到的微波信号加以变频、放大。以另外的频率再向下一站转发。整个微波中继线路上共有：终端站，主站，分路站和中间站四种类型，前三种都要进行调制与解调，又称为调制站

13、。模拟通信系统有两项主要性能指标：通信容量和保真度。与数字通信相比，模拟通信的主要优点是频带利用率较高。缺点是抗干扰能力差，不易保密，设备不易大规模集成，不适应飞速发展的计算机通信的要求。1.2.4 数字微波通信系统在通信系统中，如果传输的信号是数字信号，这个通信系统就叫数字通信系统。数字通信系统中，通信的有效性与可靠性是最主要的技术性能指标。即传输速度与传输质量。数字通信系统最主要的性能指标有两项：即一定信号带宽下的传输容量和一定中断概率下的传输差错率。码元与比特：码元在数字通信中常常用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字，这样的时间间隔内的信号称为二进制码元。码元，承载信息量的基本信号单

14、位。比特信息量的单位，一个二进制码元的信息量为1bit ，中文翻译是“位”。字节计算机内专用的数据计量单位8bit=1Byte数字信号的传输速率一般有如下两种方法表示：比特速率：指系统每秒传送的比特数，单位是bit/s。码元速率：指系统中每秒传送的码元数，单位是波特（Band）。真正衡量数字通信系统的有效指标，通常采用每赫信道带宽内的比特速率来衡量。单位是bit/s/Hz。数字信号的传输差错率一般有如下两种表示方法：误码率：又称码元差错率。是指在传输的码元总数中，错误接收的码元所占的比例。误比特率：又称比特差错率。是指在传输的比特总数中，错误接收的比特所占的比例。数字微波与模拟微波相比较，有如

15、下几个特点：1. 系统性能要求，质量评价标准不同。模拟微波传输质量是以信噪比作为衡量指标，数字微波电路则以误码率作为传输质量指标。2. 模拟微波系统主要考虑的是波形保真度，接收机的功能只是将基带信号检波出来。数字微波系统接收机的功能不仅要对基带信号进行检波，更重要的是对其取值进行判断。所以解调器的构成也不同。3. 数字微波传输信息可进行再生接力方式。避免了模拟微波接力系统中出现的噪声积累。4. 模拟微波多路复用通常采用频分多路（FDM）。数字微波多路通信系统采用时分多路复用（TDM）。信号同步系统是数字微波设备中的重要组成部分。5. 数字微波信号频谱比模拟微波信号宽，信号占用的频带也宽6. 数

16、字微波系统抗干扰能力强，对基带信号便于根据需要进行处理，有利于实现集成化和数字化电路以及综合业务数字网的建立。第2章 同步卫星广播21卫星广播系统的组成2.1.1 卫星上行地球站一个卫星上行地球站由发送、天线、接收、监控、电源等几个子系统组成。卫星上行地球站的天线都是大口径天线，一般为6m-20m。天线的形式大多为双反射面天线，也有些采用卡塞格伦天线或格里高里天线。采用后者的好处是收发可以共用一副天线而无需使用双工器。信源编码器复接器V1A1信源编码器V2A2Data信道编码器QPSK调制上变频器（主）信源编码器功分器V1A1信源编码器V2A2Data信道编码器QPSK调制上变频器（副）高功放

17、（主）高功放（备）复接器天线数字卫星上行地球站发送系统框图数字卫星广播的输入信号有三个：音频信号（A）、视频信号（V）和数据信号（Data）。模拟的音频信号与视频信号先输入信源编码器，生成经过压缩的数字信号。（压缩标准：MPEG-2）信源编码器压缩后输出的数字信号叫传输流（Transport Stream）,其中视频信息和音频信息都被打成一定格式的数据包，每个数所包的长度都是188字节，其中包括一个同步字节，数据信号也要按照这个格式打包。复接器将音频数据包、视频数据包和数据数据包按一定的规律组合在一起，形成一个整体的数据信号送入信道编码器。在信道编码器中采用纠错编码方式尽量减少传输过程中形成的

18、误码，信道编码器主要由能量扩展、外码编码、卷积交织、内码编码、基带成形等几部分组成。经过信道编码后，信号进入QPSK调制器。经过QPSK调制后的信号又成了模拟信号。经过上变频、高功率放器后，馈送至卫星天线发射到同步卫星上。为什么要用QPSK调制？因为QPSK特别适合弱信号的场合，也就是说在输入的载噪比比较低的情况下，能够获得比较高的输出信噪比。由于卫星信号的传输距离在4000Km左右，通常地面能达到的场强在15-30dBV/m的范围之内，显然信号是相当弱的。在这样的信号强度条件下，采用QPSK调制方式往往能够得到足够的信噪比。QPSK属于中频调制，一般的中频频率为70MHz。2.1.2 卫星接

19、收系统卫星接收系统分为两种：集体接收系统与个体卫星接收系统。两者的主要差别在于是否使用功分器。集体卫星接收系统又称为卫星接收站，它由卫星接收天线、高频头、第一中频电缆、功分器和卫星接收机等几部分组成，有时还包括线路放大器。模拟卫星接收系统与数字卫星接收系统的组成形式是完全一样的，因为两种接收机接收的都是第一中频信号，而第一中频信号为已调波，它属于模拟信号的范畴。卫星接收天线将广播卫星传送的电磁波接收下来，然后送入高频头。高频头的作用有两个：低噪声放大与下变频。原因是：卫星到地面距离远，信号弱，高频头需要高增益，同时为保证接收质量，又要求低噪声。下变频的目的是为了减少信号传输到室内的衰减。频率越

20、高，衰减越大。经过下变频后的信号称为第一中频信号。我国为卫星接收机的第一中频信号为970-1470MHz。第一中频电缆的作用是将卫星信号从室外传送到室内，同时给高频头提供18V的直流电源。线缆长度一般不超过50m。如果确实距离远，可以电缆中部安装线路放大器。线路放大器也是依靠电缆供电。功分器的作用是将一路信号分为若干路，以便给各卫星接收机提供信号，同时它还要保证各卫星接收机之间互不干扰。功分器分为有源和无源功分器。2.1.3 通信广播卫星目前使用的同步卫星有通信卫星、广播卫星、海事卫星、数据中继卫星等几种。通信卫星与广播卫星的差别很小，主要差别在于工作波段与等效全向辐射功率。广播卫星的等效全向

21、辐射功率要大一些。一般来说，通信广播卫星可以划分为五个子系统：天线子系统、广播子系统、电源子系统、跟踪遥测指令子系统和姿态控制子系统。卫星上的天线有若干副，分别作为转播和控制之用。从事转播的天线往往是收发共用的。卫星天线分为：全球波束天线、半球波束天线、点波束天线、赋性波束天线。全球波束天线覆盖卫星能够覆盖的全部区域。点波束天线的半功率角很小，覆盖地球表面一个小范围的特定区域。点波束天线一般采用偏馈天线的形式。赋性波束天线普遍使用，可以将辐射能量集中在卫星广播的服务区域内，减少对其它区域的干扰，具有比较好的电磁兼容特性。双工器是一种微波波导器件，主体是金属波导，它具备滤波、阻抗匹配、分波、功率

22、合成等功能。双工器首先要保证收发间互不干扰，还要保证阻抗匹配，同时其插入损耗也要小。低噪声放大器的特点：低噪声，高增益。卫星的姿态控制可分为自旋稳定和三轴稳定两种方式。22同步卫星同步卫星是指运转周期与地球自转同步的卫星。地球自转一周时间为23小时56分4.0905秒。同步卫星的特点，为什么广播系统中采用同步卫星？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. 由于卫星位置固定，因此不存在多普勒频移现象。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。同步卫星高度为35786Km。由于太阳引力、月球引

23、力、地球磁场变化等外界因素的影响，同步卫星相对地面来说并不是绝对静止不动的，而是在其指定位置附近作小幅度的飘动。同步卫星偏离理想同步轨道的现象称为摄动。摄动的主要原因是太阳引力。从地面上看太阳引力引起的同步卫星摄动现象是卫星沿南北方向缓慢地飘动。为保证卫星广播的连续性，必须对卫星摄动加以校正。卫星接收天线口径越大，其方向图就越尖锐，因此卫星漂移的影响就越大。所以大口径卫星天线应具备有自动跟踪能力。23 日凌也星蚀2.3.1日凌每年春分和秋分前后，太阳穿过赤道，这段时间太阳位于地球赤道上空。由于通讯卫星多定点在赤道上空运行，在这期间，如果太阳、通信卫星和地面卫星接收天线恰巧又在一条直线上，那么太

24、阳强大的电磁辐射会对卫星下行信号造成强烈的干扰，这种现象称为日凌。在北半球，日凌发生在春分之前及秋分之后；在南半球，日凌发生在春分之后及秋分之前。纬度影响每年日凌开始和结束的日期。春分时，地球站的纬度越高(北)，则日凌开始和结束的日期越早；秋分时，纬度越高，则日凌开始和结束的日期越晚。如果两地经度一样，那么纬度每相差3度左右，则这两地日凌开始和结束的日期就会相差一天。经度影响每天日凌开始和结束的时间。地球站的经度越往西，则每天日凌开始和结束的时间越早；经度越往东，则每天日凌开始和结束的时间越晚。如果两地纬度一样，那么经度每相差2度，则两地日凌开始及结束的时间会相差约1分钟。 卫星经度越大，则每

25、天日凌开始和结束的时间越晚。接收天线的口径越大，其半功率角就越小，日凌持续时间就越短。反之就越长。接收频率越高，其半功率角就越小，则日凌持续时间越短。2.3.2卫星蚀卫星蚀与月食类似，当同步卫星进入到地球的阴影区域之后，卫星见不到太阳光称为卫星蚀。每年的在春分与秋分前后各23天，都会发生卫星蚀。发生卫星蚀后，太阳能电池不能为卫星提供电能，卫星依靠蓄电池工作。24 广播卫星的电参数等效全向辐射功率等效全身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，等效全向辐射功率一般记为EIRP。功率单位是dBW，0dBW相当于1W，10dBW相当于10W，20dBW相当于100WdB 是

26、一个纯计数单位：dB = 10logX。dB的意义其实再简单不过了，就是把一个很大（后面跟一长串0的）或者很小（前面有一长串0的）的数比较简短地表示出来。对数的概念 如果a(a>0，且a1)的b次幂等于N，即ab=N，那么数b叫做以a为底N的对数，记作：logaN=b,其中a叫做对数的底数，N叫做真数. loga1=0 logaa=1 a logaN=N logaab=b 特别地，以10为底的对数叫常用对数，记作log10N,简记为lgN；以无理数e(e=2.718 28)为底的对数叫做自然对数，记作logeN，简记为lnN. 公式：EIRP=10 lg PTWTA(W) Lt + Gt

27、 PTWTA ：行波管放大器的输出功率，为常数。单位为瓦，其数值通常在5W-200W之间。Lt ：行波管至卫星天线之间的功率损耗，常数。单位为dB，数值为正数。它包括馈线损耗、多功器的接入损耗、双工器的接入损耗等几部分。行波管放大器的输出功率经过各种中间损耗，就成为卫星天线的输入功率。Gt：卫星天线的增益，单位为dB。随接收地点位置改变，卫星波束中心处的天线增益最高。（疑点：上述两点卫星天线是指太空的还是地面的？）一颗广播卫星的等效全向辐射功率是随着接收地点而改变的。在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上，称为卫星的波束图或卫星的覆盖区域。品质因素品质因素又称为系统优值

28、，记为G./T，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性号能力的大小。公式：G/T=G 10 lg(Ta-Tt) (dB/K)G：卫星星载天线在上行工作频率时的增益。Ta：该天线的等效噪声温度。单位K。Tt：卫星转发器的等效噪声温度。单位K。功率通量密度卫星发射出的电磁波达到地面时的功率能量密度记为，单位是dBW/m2，它反映了卫星信号到达地面时的强度。=EIRP 20 lg d(m) 10 lg(4) - L （dBW/m2）d：卫星至地而的距离，单位为m。L：在电波传输过程中由于各种原因产生的附加损耗。如雨衰，大气吸收衰等。地面场强E（dBV/m） = + 134

29、.8极化方式极化是卫星广播中一个极为重要的概念，是电磁波的一项基本参数，通信广播卫星采用的电波极化方式有圆极化和线极化两种。国际通信卫星通常为圆极化方式，而区域性的广播卫星大多采用线极化的方式。电波的极化反映了电场矢量的失端随时间变化的规律。而天线的极化则反映了该天线辐射或接收的无线电波的极化方式。频率复用在卫星广播中，为了充分利用宝贵的频谱资源，采用了所谓的“频率复用”技术，即在同一频带内利用两种不同的极化方式传送两套不同的信号，两种不同的极化波之间存在所谓的“极化隔离”。线极化方式优点：设备相对简单；缺点：接收天线调整略微复杂一点。圆极化方式优点：接收天线调整相对简单；缺点：设备复杂一些。

30、25模拟卫星广播系统地面电视广播采用的是残边带调幅方式，在我国采用的是PAL-D制式中，电视频道的带宽是8MHz，伴音副载波的频率是6.5MHz。模拟卫星广播采用的是调频方式，卫星电视频道的带宽为27MHz，伴音副载波的频率为6.6MHz。2.5.1视频的调制方式卫星广播要解决的主要问题是弱信号接收问题。由于卫星转发器的功率比较小，离地面距离又很远，所以信号很弱。模拟卫星广播系统中视频信号的调制方式采用了调频方式。优点：接收弱性号能力强；抗干扰能力强。调频信号的带宽：与调幅波相比，调频波占用的频带是比较宽的B = Fv + Fe + 2Fa + 2fbB：模拟卫星信号的频带宽度。Fv：对应1V

31、峰峰值的视频频偏。典型数值为：16.8MHz。Fe：能量扩散频偏。典型数值为1MHz。Fa：伴音副载波对主载波的频偏。典型数值为1.15MHz。fb：基带信号的最高频率。典型数值为6.6MHz。综上可算出，模拟卫星电视频道的理论带宽为33.3MHz。实际接收机使用的频带宽度典型值为30MHz、27MHz。调频解调器的调制增益调频解调器的调制增益Mf又称为调频改善系数。是模拟卫星接收机的一项重要参数。定义为输出端的信噪比与输入端的载噪比之差。Mf = S/NdB C/NdB图像等级与信噪比（图像质量应达到4级） 等级54.543.532.52S/N(dB)45.540.836.633.029.9

32、27.425.4调制解调器的调制增益计算公式：MF = 10 lg 3/2 * (Fv/fv)2 * B/ fv (dB)B：接收机带宽； Fv视步步偏；fv视频信号最高频率。2.5.2预加重与去加重在调频系统中，通常采用预加重和去加重的方式来提高系统的载噪比。预加重网络出现在卫星上行地球站内，而去加重网络出现在卫星接收机中。去加重的频率特性曲线正好与预加重的频率特性曲线相反。预加重和去加重网络为电容、电阻和电感构成的桥T型网络。26卫星广播中的电波传播问题2.6.1极化三种极化方式：线极化；圆极化；椭圆极化线极化：当时间变化时，若电场矢量的方向始终平行于某一直线，这样的电波就称为线级化波。在

33、正弦电磁场中，线极化波的大小随时间作正弦变化；在前半个周期内，电场矢量的方向指向直线的一端，在后半个周期，电场矢量则指向直线的另一端，简单的说就是在一个周期内电场的“大小变，方向不变”。线极化分为水平极化与垂直极化两种。在区域性的卫星广播中，普遍采用水平和垂直两种极化方式。与地面通信广播不同，在卫星通信广播中参考平面为地球的赤道平面，平行于赤道平面的极化称为水平极化，而垂直于水平极化且又垂直于电波传播方向的线极化称为垂直极化。这种定义方式称为赤道线极化。圆极化：沿着电波的传播方向看，圆极化波中电场矢量端点的运动轨迹是一个圆。在正弦电磁场中，在一个周期内，电场的大小不变，而电场矢量的方向随时间旋

34、转一周。任何一个线极化波均可分解为两个方向上相互垂直的线极化波，而两者的强度相等，相位相差90度。圆极化波分为左旋圆极化与右旋圆极化两种方式。顺着波的传播方向看，若电场矢量顺时针旋转，就称为右旋极化波；若场场矢量逆时针旋转，就称为左旋极化波。圆极化波主要用于洲际间（全球波束、半球波束）的卫星通信与卫星广播。椭圆极化：电场矢量的矢端轨迹是一个椭圆。在一个周期之内，电场的大小和方向都发生变化。通常，在广播和通信领域是不采用椭圆极化波的。第3章 DVB-S系统31系统概述3.1.1 DVB-S系统定义DVB-S系统定义了从MPEG-2复用器输出到卫星射频信道、能对电视基带信号进行适配处理的设备功能模

35、块，也可称之为卫星信道适配器。它对数据流作以下处理：视频编码器节目复用器DVB-S系统框图音频编码器数据编码器节目复用器复用适配和能量扩散外编码器卷积交织器内编码器基带成形QPSK调制器12MPEG-2源编码与复用卫星信道适配器至卫星射频信道1传送复用适配和用于能量扩散的随机化处理；2外编码（RS编码）；3卷积交织；4内编码（即删除型卷积码）；5基带面形；6调制。由于卫星传输业务功率受限，因此强的抗干扰和抗噪声性能是系统设计的主要目标，采用QPSK调制方式以及级连的圈积码和RS码的前向纠错控制方式，在接收载噪比高于误码门限的条件下，可以提供准无误码（QEF）的质量指标。3.1.2 信道编码方式

36、数字信号在通过有噪声干扰的信道时会产生差错，使用差错控制技术即信道编码技术可以保证所造成的差错减少到最低程度。卫星广播中为何要使用前向纠错控制（FEC）作为信道编码差错控制技术？答：差错控制技术可以分成三类：前向纠错控制（FEC）、自动要求重发（ARQ）以及FEC与ARQ的混合技术。方式中，发送端发出能够检测错误的码，接收端收到通过信道传来的码后，在译码器根据该码的编码规则，判决收到的码序列中有无错误产生，并通过反馈信道把判决结果用判决信号告诉发端。发端根据这些判决信号，把接收端认为有错的消息再次传送，直到接收端认为正确接收为止。而FEC方式中，发端送能够被纠错的码，接收端收到这些码后，通过纠

37、错译码器不仅能够自动地发现错误，而且可以自动地纠正接收码传输中的错误。由上可见，ARQ方式必须有一反馈信道，而卫星广播信道是单向信道，必须使用FEC技术。卫星信道上基本上是高斯白噪声信道，差错是随机出现的，但也会出现少量的突发性错误。所以，卫星传输系统采用差错控制技术主要考虑的是抗随机性错误，也要考虑采用抗突发性差错的纠错码。FEC的两大类即分组码与卷积码以及他们的级联使用，在卫星传输中均有使用。高斯白噪声：如果一个噪声，它的幅度分布服从高斯分布，而它的功率谱密度又是均匀分布的，则称它为高斯白噪声。热噪声和散粒噪声是高斯白噪声。为什么要使用级连码的差错控制方式？答：信道编码定理指出，随着码长的

38、增加，译码错误概率将按指数接近于零。因此，为了使码有效，就必须使用长码，但是，随着长码的增加，在一个码组中要求纠错的数目也相应增加，译码器的复杂性与计算量也相应增加以至难以实现，为了解决性能与设备复杂性的矛盾，可以构造级连码把编码的过程分两级完成。级连码工作过程：外编码器内编码器信道内译码器外译码器利用级连码的差错控制系统输入输出级连码由内码和外码组成，外码通常采用分组码，内码即可以采用分组码也可以采用卷积码。当信道产生少量的随机错误时，通过内码就可以纠正；当产生较长的突发错误或随机错误很多，以至于超过内码的纠错能力时，则内译码器产生错译，输出的码字有几个错误，但这仅相当于外码的几个符号错误，

39、外码译码器能够较容易的纠正。理论分析和计算模拟表明，在高斯白噪声信道中，外码用RS码，内码用卷积码并用维特比译码，能够获得很大的编码增益，特别适合卫星信道中。因此，DVB-S系统采用了级连的卷积码和RS码的前向差错控制方式。并且在外码编码之前进行了传送复用适配和用于能量扩散的随机化处理，在外码编码后、内码编码前进行了卷积交织处理，以提高系统的抗脉冲干扰能力。3.1.3 调制方式目前数字卫星电视传输系统调制方式以QPSK为主导地位，也有采用8PSK的。32传输复用适配和能量扩散随机化处理3.2.1 随机化处理的作用随机化处理即为“扰码”。即用较长的伪随机序列与数字基带信号序列一个比特一个比特地模

40、2加（即异或），以改变原信号的统计特性使其具有伪随机性质；解扰：在接收端使用相同的伪随机序列与解调出的数字基带信号序列接发端相同的规律模2加，从而恢复出原来的数字序列。在DVB-S系统中，进行随机化处理主要有两个作用：1.能量扩散；2.改善位定时恢复质量。3.2.2 扰码器现解扰器完成扰码与解扰的电路相应地称为扰码器与解扰器。扰码器实际上就是伪随机系列发生器。an-1an-2a0C0=1C1C2伪随机序列发生器输入序列S/G输出序列G/R伪随机序列P扰码器与解扰器对于扰码器，输入序列为“S”，输出序列为“G”，满足如下关系：G=SP对于解扰器, 输入序列为“G”，输出序列为“R”，满足如下关系

41、R=GP=SPP=S33外码、交织和成帧3.3.1 RS码RS码属于纠错码中的线性分组码的子类，具有很强的纠突发错能力。分组码是把信源输出的信息序列按每段k个码元分为一个信息组，并以一定规则对每一信息组增加r=n-k个监督码元，组成长为n的码字。在分组码中若码字的信息码元与监督码元之间有某种线性关系则称为线性分组码。线性分组码的几个重要参数：编码效率、汉明重量、汉明距离和最小距离。编码效率（码率）定义为R=k/n，它表明在（n,k）分组码中信息位在码字中所占比重。比重越大，码的传输信息的有效性越高，但纠错能力越差。因此，编码效率是衡量分组码有效性的一个基本参数。汉明重量定义为一个码字中非零码元

42、的数目，简称码重。汉明距离定义为两个码字之间对应码位上具有不同二进制码元的位数。简称码距。在分组码中，各码字之间的汉明距离可能会不相同，但必定有一个是最小的，把这个最小的距离定义为该分组码的最小距离dmin，dmin越大，检错和纠错能力越强。线性分组码的两个重要性质：1.任意两个许用码字之和（逐位模2和）仍为一许用码字，即线性码具有封闭性。2.码的最小距离等于非零码的最小重量。循环码是一种具有特殊性质的线性分组码，即循环码中任一许用码字经任意循环移位后所得的码字仍为许用码字（除全零码外）。RS码是一种循环码。3.3.2 卷积交织什么是交织技术？假设所传输的每个数据码字有N个时隙，问题是连续的时

43、隙不能被认为是独立的。但是如果在传输前将时隙重组，这样属于一个码字的N个时隙将不再连续传输。当他们以足够大的时间间隙传输后，这N个时隙中的每一个的幅度和相位在衰落过程的时间变化中将是相互独立的，因而具有抗突发错误的能力。这种重新组合序列的方法称为交织。由交织构造出来的编码又称为交织码，从某种意义上来说，交织是一种时间分集技术。然而通过时间分集达到独立需要付出时延的代价。两种常用的交织技术：分组交织和卷积交织。DVB-S系统采用的是卷积交织技术。卷积交织与分组交织在基本思想、构造方法及性能分析上相同，不同的是卷积交织的码元交错方法不同。卷积交织-去交织的总时延为约为分组交织-去交织的一半。为了符

44、合国际电联的无线电管理规定并保证有足够的二进制转换，对从MPEG-2来的输入数据将进行随机化处理，随机化处理只作用于传送包的信息字节，不作用于同步字节。34内码删除型卷积码就是通过周期地删除低效率卷积编码器输出中的某些符号而实现的高效率编码。在DVB-S系统中允许使用一系列基于（2，1，7）卷积码的删除型圈积码。35基带成形和调制3.5.1 基带成形基带成形的作用是产生适合信道有效带宽范围内传输的，不会产生畸变或失真的基带信号。3.5.2 QPSK调制为了使数字信号在带通信道中传输，必须用数字信号对载波进行调制，在卫星数字传输中，四相相移键控（也称正交相移键控，QPSK）是目前最常用的一种调制

45、方式，它具有较高的频谱利用率，较强的抗干扰性，在电路实现上也较为简单。由于QPSK的4种不同输出相位要求有4种不同的输入条件，因此二进制输入数据必须以2bit一组输入，双比特有4种可能的取值：00，01，10，11。每输入一组双比特，输出相位就产生一次变化，输出变换的速率是输入比特率的一半。串/并转换I两种方式的QPSK正交调制器基带成形滤波基带成形滤波Q-/4+/4f03S(t)串/并转换I基带成形滤波基带成形滤波Q-/2f0输入S(t)B方式210符号双比特码元载波相位IQ000111100o90o180o270oA方式参考相位00011110A方式相位与IQ的关系3210符号双比特码元载

46、波相位IQ0001111045o135o225o315oB方式相位与IQ的关系参考相位00101101由上图可见，QPSK正交调制器有两个BPSK(2PSK)调制器构成，输入的串行二进制序列经串/并转换后，分成两路速率减半的I/Q信道序列，也就是双比特序列中的一个比特直接加到I信道、另一个加到Q信道，经基带在形滤波后形成I(t)和Q(t)信号，然后对cosct和sinct进行BPSK调制，相加后即得QPSK信号。得到的波形如下图所示：t101100100100t1011001001003/203/2/203/45/4/43/47/4/4B方式A方式QPSK信号波形输入信号序列绝对调相信号输入信

47、号序列绝对调相信号36误码性能要求3.6.1 理论误码率所谓理论误码率是指没有使用差错编码且差错源只有信道中的高斯噪声条件下的误码率。在数字调制系统中，误码率与每比特性号能量与单边噪声功率谱密度之比（Eb/N0）有关，而且与调制方式有关。对于所采用的调制技术希望它能满足各种系统限制条件，同时对规定的门限误码率所要求的Eb/N0最小。通过对各种数字调制方式比较可知，QPSK调制对规定的误码门限有较小的Eb/N0值。3.6.2 编码增益当选用了某种调制解调方式后，若误码率仍不能满足要求，那么必须采用信道编码即差错控制编码，以进一步降低误码率。差错编码后的Eb/N0与编码前的Eb/N0分贝数之差，就

48、是编码增益。由信道编码理论可知，在传输功率受限但带宽可能增加的高斯无记忆卫星信道上，采用FEC的卷积编码、维特比译码的QPSK方式与采用未编码的QPSK方式比较，误码性能大大改改也即获得了编码增益。3.6.3 误码性能的恶化为保证卫星链路的误码性能达到一定要求，必须使所要求的Eb/N0对系统性能恶化因素留有一定余量。3.6.4 Eb/N0门限在给出数字卫星系统传输质量要求Pb后，可根据实际卫星传输系统所采用的调制方式和差错控制方式确定Eb/N0门限：(Eb/N0)th = (Eb/N0)m Gc + M dB第4章 卫星接收系统本章主要调论卫星接收系统各个组成部分的基本概念，重点介绍它们的特性

49、参数，这对工程技术人员来说是必须掌握的内容。41卫星接收天线当前广泛使用的卫星接收天线为反射面天线。反射面天线是由反射面和馈源两部分组成的，馈源本身叫作喇叭天线，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。从工作原理上来说，常见的卫星接收天线可分为旋转抛物面天线、卡赛格伦天线、格里高里天线、球形反射面天线几种类型。4.1.1 工作原理分析反射面天线的工作原理，通常可以采用的方法有：几何光学法、口面场积分析法、口面电流分析法等。工程上往往采用几何光学法。几何光学法的基本出发点有两条：1.光线沿直线传播。2.入射角等于反射角。旋转抛物面天线：旋转抛物面天线是最常

50、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。由于它的馈源位于反射面的前方，所以又叫前馈天线。反射面积在1-4.5m范围内的天线多采用前馈天线的形式。旋转抛物面天线的焦距口径比是该天线的一项基本参数，其数字决定了反射面的曲率和形状。当f=0.25d时，称为中焦天线，焦点正好位于天线的口面上;当f<0.25d时为短焦天线；当f>0.25d时为长焦天线。短焦抛物面中焦抛物面长焦抛物面抛物线有两个重要的几何光学性质：1.平行于抛物线对称轴方向入射的射线经抛物线反射之后一定经过焦点。2.平行于抛物线对称轴方向入射的射线经抛物面反射之后达到焦点时，所

51、走过的路程是相同的。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，多用作大口径的卫星接收天线或卫星发射天线。当口径超过4.5m以上，往往就采用卡赛格伦天线。卡赛格伦天线的几何关系卡赛格伦天线结构如上图抽示，它的主反射面仍是旋转抛物面，而它的副反射面是旋转双曲面。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。副面有两个焦点，一个为虚焦点F1，另外一个为实焦点F2，虚焦点的位置是与主反射面的焦点重合在一起的，卡赛格伦天线的馈源放置在副反射面的实焦点F2处。双曲面的几何光学性质：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。2.从反

52、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。副反射面的作用实际上就是将焦点搬移。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。它由主反射面，副反射面和馈源组成。属后馈天线。主面仍然为旋转抛物面，而其副面为凹椭球面，格里高利天线可以安装两个馈源，这样接收和发射就能同时共用一副天线。格里高利天线原理图F1F2如上图所示，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。副面有两个实焦点， F1和F2，焦点F1的位置是与主反射面的焦点F重合在一起的。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

53、。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。椭球的几何光学性质是：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，对于电磁波来讲是相位为常数。对于发射天线来说，从焦点F2发出的射线经过凹椭球面反射后同相聚焦在F1处（即主面的焦点处），然后经过主面反射后形成平面电磁波。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用。环焦天线对卫星通信天线的总要求是在宽频带内有较低的旁瓣

54、、较高的口面效率及较高的G/T值，当天线的口面较小时，使用环焦天线能较好地同时满足这些要求。因此，环焦天线特别适用于VSAT地球站。环焦天线由主反射面、副反射面和馈源喇叭三部分组成，结构如图4所示。主反射面为部分旋转抛物面，副反射面由椭圆弧CB绕主反射面轴线OC旋转一周构成，馈源喇叭位于旋转椭球面的一个焦点M上。由馈源辐射的电波经副反射面反射后汇聚于椭球面的另一焦点M， M是抛物面OD的焦点，因此，经主反射面反射后的电波平行射出。由于天线是绕机械轴的旋转体，因此焦点M构成一个垂直于天线轴的圆环，故称此天线为环焦天线。环焦天线的设计可消除副反射面对对电波的阻挡，也可基本消除副反射面对馈源喇叭的回射，馈源喇叭和副反射面可设计得很近，这样有利于在宽频带内降低天线的旁瓣和驻波比，提高天线效率。缺点是主反射面地利用率低，如图4所示，AA间的区域没有作用。环焦天线原理图偏馈天线偏馈天线是相对前馈天线和后馈天线而言的，具有比较高的效率。在前馈天线中，由于馈源位于反射面的正前方，因此它对反射面会产生一定程度的遮档，而在后馈天线中，副反射面对主反射面会主生比较明显的遮档，从而导致天线的效率有所降低。偏馈天线是截取前馈天线或后馈天线的一部分而构成的，馈源或副反射面偏离反射面的正前方，因此对反射面没有遮档，故提高了天线的口面效率。另外，由于馈源或副反射面不产生遮档，所以偏馈天线方向