漫谈卫星电视接机器收技术

漫谈卫星电视接机器收技术世界上第一颗人造卫星上天已有半个世纪，随着科学技术的发展，而今人造卫星被广泛应用于科学、气象、地球物理、军事和其它研究用途。掌握卫星应用技术多少及卫星科技含量的高低，是象征一个国家是否迈向世界强国的标志。而广播卫星(BS)缘于通信卫星(CS)还要晚几年，而实用的广播卫星应用于70年代，80年代卫星直播电视、高清晰电视等进入实际使用阶段。90年初数字技术的成熟推动了卫星数字电视的迅猛发展。我国和亚洲地区较西方发达国家在卫星领域又要晚一、二十多年。我国的卫星广播起源于70年代初，而后起之秀的卫星大国中国，在卫星领域有研发现代卫星的能力，现在同世界卫星大国的差距是越来越小。卫星电视我们今天谈的广播电视卫星(简称广电卫星)，就是人造卫星中的同步卫星(又称静止卫星)。在卫星通信等电信业务中的一种主要用途，是用来传送声音和图象的广播电视卫星。它位于赤道上空35786Km，绕地球同步运转，地面观察者看卫星是相对静止，俗称同步卫星运行的轨道为同步轨道或静止轨道。静止卫星其实就是一个高空定点微波差转台，可实现点到点、点到面的卫星通信。早期的通信卫星转发器功率较小，地面站接收天线需几十米大的天线。进入广播卫星时代，地面站接收天线达到实用阶段。现代的直播卫星地面站接收0.5米天线是标准配置。就Intelsat卫星而言现在也发展到第九代了，现代卫星集通信卫星、广播卫星、直播卫星为一体，全面担负卫星通信的工作。由地面无线传输、有线传输和卫星传输三大主流传输电视信号，组成完善的电视信号服务系统。而卫星电视广播具有覆盖面广、传输距离远、信息量大、信号质量高、不受地理条件限制等优点，近几年发展迅速。特别是直播卫星数字电视(DTH)用户使用很小的天线，安装维护简单，可靠性高是卫星电视发展的方向、个体接收用户的首选。今后Q波段(40.5-42.5GHz)以上V(84-86GHz)卫星广播频段的开通应用，卫星天线还会小许多，名副其实碟形将会出现。少年时代的我就痴迷于无线电。70年代始我国的第一颗人造卫星上天，就购过第一本卫星书籍，《同步卫星》的科普读物。也曾记得中美建交美国总统访华，实况转播自带上星设备，微波传送到广洲上星，后听说这套设备还赠送了我国，而当时的我才第一次见到黑白电视的模样。此后一直关注我国的卫星发展，84年“东方红二号”同步卫星上天，标志作我国的广播电视卫星的开始，85年租用国际通信卫星开始向全国转播CCTV-1模拟电视节目，当时县级收转需6米天线，以后“东二甲”上天，亚洲一号的播出，购买漂来的卫星(中星5号)，教育、中央、省市台的模拟电视节目上天了，90年代中期中央、省市台开始了卫星数字电视广播。至今已实现中央、省市卫星电视全面数字化，模拟电视已在历史长河中消失，上百套数字电视在自已的几颗广播卫星上播出。中星九号的卫星发射.使我国进入了直播卫星数字电视时代。而我国个体电视接收(TVRO)源于80年代初714荧光屏的L波段，也算我国卫视发烧的起源。90年代初亚洲一号升空，掀起了卫星电视实用收视热潮，有着电子爱好又一直从事这方面工作的我，自然是会赶时髦、凑热闹、随大潮紧跟形势走。随着90年代中期亚洲上空数字电视的不断增多，从C波段向Ku波段迅速发展，Ku波段无疑是直播卫星的最佳选择。一大批卫星电视发烧友不论城镇乡村，为探索卫星接收技术，确实是悄然存在。面对卫星电视的普及发展，卫星电视接收技术也不再是广电部门、卫星电视发烧友掌握的专利，而要向电子爱好者、卫星电视用户普及这方面的科学知识。科学技术的发展既便你是卫视领域的专家教授，也得要不断地学习新的技术，况且卫星广播电视是门年轻学科。前些年，卫星电视接收技术的专业书籍相当贫乏，只有报刊杂志卫视器材商的另碎介绍，加之卫视器材制造商的技术封锁和高得出奇的价格，使普通人诸如一般电子爱好者很难有机会探索卫星电视接收的奥秘。现在的情况与昔日完全不同，互联网上可查到卫星电视的最新信息，专业书刊不再难求，普通卫星接收器材也非当初，昔日你喜爱电子技术、有点电工基础，或从事家电行业，学点卫星电视接收的专业知识，会很快掌握卫星电视接收技术，达到一个较高的接收水平。本人近年来所化心血一直在卫星电视接收技术上，拥有SVEC2.4米网状极轴卫星天线，一网打尽了从东(174°E)到西(36E°)四十多颗卫星上的C、Ku节目，由于四川中部处于亚洲卫星多波束交汇处，独特的地理环境，创造了亚洲2.4米天线收视卫星之最；在本地(全文下同:东径104°、北纬29.5°)首次收下了日星的东北亚波束，为内地收视这些卫星和波束提供了一手资料。在馈源技术方面，涉及圆极化、正馈天线Ku收视技术及极轴天线一网打尽(C/Ku)接收技术方面化过不少心血，有自创实用的收视理论及实践和方法，后面将逐一详解。希望共同提高卫星电视接收水平就是我的创作本意。广播卫星波束与场强同步广播卫星由星体、转发器及其天线、太阳能电源糸统、姿态控制与轨道控制糸统、遥测与遥控糸统等组成。本文只简介核心部分转发器及其发射天线的基本工作原理。转发器接收地面发来的电视信号(上行信号)，将其变频并放大到足够的功率，大功率的功率放大管由行波管担任。大功率广播卫星一般C波段行波管放大器功率超过55W、Ku波段功率更高达150W以上。现代大功率卫星有数十个转发器，通过技术处理用多工器将各频道的下行信号遥测合并，再经环行器送到发射天线(卫星发射天线属通信类定向天线)向地面覆盖区转发卫星电视信号(下行信号)，为提高地面卫星信号强度，有效利用下行信号资源，发射天线的方向图应根据地面服务区的形状来确定。卫星发射天线按其覆盖区的大小，可分为全球波束天线、区域波束天线、点波束天线、赋形波束天线，卫星波束示意图见图1。卫星发射天线其形状属定向发射天线，其张角的大小决定波束面积的大小，对广播卫星而言，全球波束的半功率宽度约17.4°、点波束的半功率宽度只有几度或更小、而赋形波束天线，覆盖区轮廓不规则，视服区的边界而定。为使波束成形，通过修改反射器或用多个馈源从不同方向经反射器产生多波束的组合来实现。在大容量广播卫星中往往用多副天线产生多个波束，还备用了可移动波束及波束扩展技术。卫星信号传送的极化方式有两种标准:线极化和圆极化，利用垂直极化(V)与水平极化(H)、左旋圆极化(L)和右旋圆极化(R)相互隔离之特性传送不同的电视节目。这两种极化有各自的优缺点。圆极化雨、雪衰减小，穿透电离层能力强，不受地球两极磁场产生的法拉第效应，安装调试简单(不用调整极化)；制造性能较好的线极化LNB比圆极化容易的多，其效率较高，线极化10GHz以上频段法拉第效应甚微，在中纬度地区广泛应用，缺点需调整极化。这也就不难理解，新型俄星C波段用圆极化，Ku波段用线极化的原因。而我国中星九号直播卫星采用的是圆极化，一是国际规定受保护的波束、频段、极化方式避免可能引起的干扰，二还有降低雨、雪及电离层的衰减。广播卫星通过转发器-发射天线，将电视信号发送到达地面的微波电磁波信号的强度，技术用语称等效全向辐射功率，简称场强(EIRP)，其功率大小值由dBw表示。由于卫星发射天线定向地面发射，功率分布并不均匀、再加“自由空间路经损失”，因此卫星覆盖区域中心位置的功率，要大于其边缘位置的功率。我们将这些相同与不同糸例EIRP等值线重叠在地图上，得到一个完整的波束覆盖图，简称场强图。常见的场强见图2、图3、图4。卫星电视场强图的作用，是为接收者提供收视参考。通常我们看到的卫星场强图都是理想值，即单一转发器的最大功率。有些卫星场强图提供的数据，实际收视与计算值误差较大，这与上行、下行信号的功率有关，而影响功率的因素多多。如卫星器件的老化，空间损失等。由于C频段(3.4～4.2GHz)与地面微波(中继信号)共用这一频段，为防止相互干扰，早期限制C频段广播卫星地面场强在36dBw左右，也限制了小型接收天线(1米以下)收视C频段的可能，近年这些限制有所放宽，C频段场强值大于40dBw卫星也常见，为小型天线收视C频段提供了方便。而Ku频段地面场强就不受此限制，现代直播卫星的Ku场强高达55dbw以上，直播场强覆盖区用0.35米天线就可满意接收。我们要了解卫星场强图，看懂卫星场强图，要根据场强图选择合适的接收器材，收视相应的卫星节目，是广大读者所期待的。以后将遂一介绍。要获取卫星频道场强图，最方便的是上网查询。国内有几个专做卫星参数的网站，不太全面。我喜欢上www.省略/查询卫星参数，方便准确，在卫星参数栏后Beam栏附有该参数的波束场强图，点击C、Ku、NEAsia、India字样打开链接，调出该波束的场强图，看地图上波束是否覆盖本地，覆盖本地波束场强值是多少，以作收视参考。另一途径是直接访问卫星公司获取场强图，顺便还可查一下该卫星的全部资料。我国上空的广播卫星信号资源在赤道上空的同步轨道上，有几百颗同步卫星在轨工作，其中有导航、军事、科研、广播等多种用途同步卫星，而在这几百颗卫星中，广播电视卫星占有相当数量，这些广播卫星用不同的波束为全球不同的地区和国家服务。以前为防止卫星的相互干扰，相邻卫星之间间距须相隔3度以上，科学的发展为充分利用有限的同步轨道资源创造了条件，现代卫星间距相隔小于3度甚至0.5度也不足为奇，一点多星技术也在广泛应用。我国地大物博，幅员辽阔，东西横跨(135°－73°E)62个经度，南北纵横(3°－58°N)55个纬度，周边与近廿十个国家相邻，是亚洲版图最大的国家。如果在我国东西点外做极限仰角收视，将会收到超过200个经度的广播卫星信号，有近百颗广播卫星波束资源可利用。在我们漫游广播卫星资源网站时，会发现以下波束覆盖、或邻近波束部分覆盖我国的疆土，有丰富的广播卫星信号资源可利用，为卫视发烧友收视这些卫星信号创造了极好的条件，也为在华工作的外藉人员收视本国卫星信号提供了方便。为了便于查阅我国上空的卫星资源，用表格整理列出，备有国内收视场强参考，具体收视点场强网上查询，收视点天线大小可参阅www.省略/网站场强图中附表值，实际场强以收视天线为准。从表中资料及实际收视看，在东径105度、北纬30度，是部分卫星东、南、西、北波束的交汇处，在这一区域内是亚洲寻星最好的地方。卫星电视接收天线卫星电视接收器材的主要部件是卫星接收天线、高频调谐器、接收机所组成。它们有各自的功能和任务，通过馈线连接调试，完成卫星广播信号的接收。对于专业工作者或卫星电视发烧友，须对卫星电视接收器材的原理、性能、作用有全面的了解，才能很好接收广播卫星信号。下面分章介绍这三个主要设备的情况。卫星接收天线的作用是收集由卫星传来的微弱信号，尽可能去除杂波。卫星天线从外型上看一般两类，抛物面天线和平板天线。抛物面天线从材料上看，分金属和玻璃钢制品，金属材料又分铝质和铁质（编者注：一般用天线很采用铁质，业余和烧友常采用这低质价廉的天线），铁质的强度好，铝质和玻璃钢不易锈蚀。从机械结构上有一次成型整体型和分瓣拼装型，整体型的天线精度高，大尺寸的天线运输不方便。天线面又分板状和网状形，网状天线的抗风性好，铝质网面轻在极轴天线上应用可有效解轻推杆负荷。在网上还见到有头盔天线和发烧友制作的号筒天线。卫星电视信号的极化有两种极化(圆极化和线极化)方式，其天线是一样的（编者注：实质上不是一样的）。具体的卫星天线又分以下类型：①正馈天线，C波段应用最多。②后馈式天线，商用天线，在4.5米以上大天线上应用。③偏馈天线，设计用于Ku波段接收，常见的是1.2米以下整体型天线，改造馈源后可用于C波段接收。④平板天线，分有源和无源两种。有源平板天线采用的是微电路技术，国内合资厂商也在生产，去年底在媒体上有多篇文章介绍过，终因价格偏高、极化单一、增益有限难以推广。而无源平板天线是在透明表面中覆盖了很多由金属构成的同心圆，形成电子透镜用于聚焦信号，在国外网站见过叫透视天线。不过平板天线用于直播卫星的接收是最理想的选择。（编者注：这种天线由于外观形似平面板块，烧友们错误的称其为平板天线。它实际上是多螺旋天线，用于同极化电波接收的一种专用天线，它也不是透视天线，透视天线是一种介质天线，其原理和多螺旋天线完全不同）。⑤多焦点天线，是由球面和抛物面组合而成，同时接收多颗卫星的信号。而发烧友用单焦点天线实行多颗卫星的接收，最头痛的问题是大偏角偏焦衰减难以克服。多焦点天线就不存在这一问题，但天线面积较大。（编者注：多焦天线是由多个抛物面天线组合而成，在设计上保证了每个焦点的接收，而发烧友的单焦点天线的接收，由于使用了低价劣质天线，由于它的方向性系数极差，再加上卫星信号很强，因此才阴差阳错的获得成功）⑥电动马达驱动天线。分极轴链条式天线、单推杆极轴天线和仰角方位式驱动天线，电动天线寻星、换星最方便。网上的头盔天线，应属全向聚焦天线类，与军事上球型无源远程监控雷达类同。而我们使用最多还是技术成熟，相对价格便宜的抛物面天线，C波段收视以正馈天线为主，Ku波段接收以偏馈天线为主。根据具体使用情况合理选择卫星天线是卫星接收技术人员最基本的技能，如固定接收某颗卫星，首先了解卫星的频段、场强，卫星接收者的使用环境和条件，是一般或广播级收视、自然环境中的雨雪风等，及工程造价合理选择相应尺寸的C、Ku天线。如果你是TVRO首推网状极轴天线是最佳选择。卫星接收天线的性能，体现在天线性能的参数上，这些参数包括增益、效率、主波瓣宽度及旁瓣（编者注：应为方向性系数）、噪声温度及天线深度。在说天线参数之前，有必要先弄明白一个物理量分贝(db)。分贝是国家选定的非国际单位制单位。它是我国法定计量单位中的级差单位。分贝是表示电气、机械和声学等信号在传输过程中的功率增加(增益)与减小(损耗)的计量单位。不少工程技术人员都熟知它，但很多人都对它感到生疏和奥秘，为此，有必要重温这一术语，弄请它的涵义。在电磁学中其定义为：两个同类功率量或可与功率类比的量之比值的常用对数乘以10等于1时的级差。其放大量级表达式为:Nd=10(P/Po)，由于其数值较大，不便记忆。换用分贝表达式为:Nd=10Nb=10Lg(P/Po)。（编者注：电平的基本单位为贝尔Bel著名的科学家名字命名，常用它的十分之一分贝1／10dB表征电文信号的大小，dB不能书写为db，因为dB是个特定单位）例如，若传输分别增加1、10、20、30dB时，表示被测功率比基准功率分别增大1.259、10、100、1000倍，若传输减小当然就是负值。而我们在卫视收视中常用到的分贝(db)有以下:卫星场强(dbw)、天线增益及天线噪声、高频头中的增益和噪声系数、数字接收的载噪比(C/N)等。这些分贝有各自的含义，敬请注意!1.天线增益天线增益指卫星信号经天线聚焦后增大的倍数，信号越弱，要求的增益就越大。①天线增益与天线直径有关。直径越大接收面积越大，接收的卫星信号多增益就大，与天线的半径的平方成正比。②天线的增益与信号频率有关。信号频率越高，增益就越大。与天线增益的信号频率的平方成正比。③天线增益与天线的精度有关。精度越高，增益就越大。精度不良聚焦差，高频率信号要求更高。因此Ku波段天线精度要求比C波段天线更高。2.天线效率天线效率指有百分之多少的信号真正地被天线馈源所收集。理想值是100％，实际上不可能，正馈天线LNB与馈源阻挡，制造上天线的反射面不可能绝对精确，而根据理论值计算天线效率最高可达83％。通常把天线效率的高底分为三个等级，优质70％以上、良好60％、合格50％。顶级的精品Ku偏馈天线最高达80％。而一个等级之差约0.6db，合格天线到顶级差三个等级近2db。相当于一个顶级的0.75米与合格的0.9米Ku天线增益成等值。可见选择优质天线的重要性。当然天线精度好，效率也自然高。为了便于查找及资料收藏，我把常用天线增益及天线场强门限值二表合一，见表2。在表中可方便查阅天线口径的增益与场强的对应关系，对卫星收视很有参考价值。详文可查阅本人之作《门限接收载噪比C/N及其应用》(注1)注:表中的天线效率为70％；C、Ku均为数字信号门限值C/N=6dbw、模拟信号门限值加2dbw即可。收视一般、良好、优质、收转，C波段在门限值上依次递增1.5；Ku依次递增2db即可。3.天线主波瓣宽度及旁瓣在有的书上称天线的方向性，天线方向图如图6所示，天线接收的信号主要来自于主波瓣，主波瓣中心最大功率为0db，波瓣宽度定义为功率下降一半即3db时主波瓣的宽度（编者注：主波瓣宽表征，所以主瓣宽度又用丰功率大角表述，此角度越小，表示天线的方向性越强，指向性越尖锐，抗干扰能力越好，低价劣质天线半功率角很大，会大达二三十度，抗干扰能力差，因此，可以实现一局多星的接收）。天线主波瓣的宽度与天线口径、精度、频率有关，天线口径越大，频率越高，波瓣宽度会变窄。同口径的天线精度越高，波瓣越窄。现在的广播卫星相隔经度很近，相互干扰严重，选择精度高的大天线可大幅度降低邻星干扰。同样星载发射天线也有它的方向性与接收天线类同。4.天线噪声温度、深度（编者注：应称天线焦比）卫星天线接收卫星信号的同时，天线也会接收自然界或人为产生的杂波，这些杂波主要来被旁瓣接收。天线的噪声温度与天线仰角、波瓣宽度、天线深度、频率有关。天线仰角低(小于15度)、波瓣宽(小天线)、浅碟天线、低频段(C波段)等状况下天线噪声会增加，通常情况下天线噪声很小，计算时都被忽略。但现在有一个不可忽视的问题，通信发达，地面微波增多，轻则影响天线效率，重则如雷达干扰，数字图象中断。而准确的卫星场强值是排除干扰了噪声信号的。天线深度（编者注：通常称为天线焦距或焦比）通常分浅碟和深碟，天线的深度用来反映天线的馈源位置，术语叫焦径比值(f/D)，通常这个值在0.25～0.45d间。当f=0.25d时，称为中焦天线，焦点正好在天线口面上。大于0.37d这个值一般叫长焦天线。天线设计综合考虑效率和抗干扰性，理论计算当抛物面天线取值0.38时天线性能最好，普通天线多取这个值。如1.5米天线焦距f=1.5X0.38=0.57(米)。另外还有一个根据碟深计算计算焦距的公式，天线反射面的半径平方与4倍天线深度之比值即正焦天线的焦距。我虽是一个普通的卫视发烧友，有机会多次到过视频天线生产厂家，看过卫星天线的生产作业流程。分瓣天线和偏馈天线，1.8米以下选用0.8mm宝钢板材，经上百吨的液压机一次冲压成型。整体正焦天线采用旋压成型，精度相当高。再下来是模具定位开孔、酸洗除锈清洗、三次烘干、中途两次喷塑，质检包装入库。而网状天线龙骨用的是异形铝质方管材，按规格下裁，在模具上人工定位焊接，其精度取决于异形管材的弧度、人工焊接的准确定位上，如焊接成型后，在特定的模具上轻压二次整形，相信网状天线的精度还有所提高。了解场强、天线增益后，读者关心的是它们间的收视关系。场强值表示卫星信号到达地面的最大功率，而卫星天线的增益表示该天线的聚焦功率。表1中门限值(C/N=6db)是根据链路公式计算出来的理论值(即极限收视值)，而实际收视天线的增益还要大3～8db才行。不难发现天线增益值和场强值有紧密的关系，要达到一定的载噪比(C/N)，场强值大，天线增益值就可小些，反之弱场强就要用大天线。它们的和值(场强值+增益值)有一个恒定的系数。如门限值时:C≈67(db)、Ku≈80(db)，就是最低门坎系数。此系数方便记忆，对估测场强或天线增益极有帮助。有人异想天开想用LNB对准卫星直接收视，是否可行?当卫星场强值大于以上和值时，这个梦想就可能实现。为了证实天线接收门限值场强的正确性，特购了0.35米偏馈天线，0.9米正馈天线作极限收视实验。查表推算0.35米天线门限值约49dbw，也就是说它可以收下本地卫星场强49dbw以上个别最强信号，试收达到比较满意的效果(注2)，收下了本地Ku场强47～53dbw8颗卫星的个别强信号。如108.2E的原银河直播，查阅本地Ku场强约52dbw，见图2。收下三个频点讯噪比在8.3～10.6db间，过FEC=3/4有3～5db的余量。现在的接收机门限在5db右右，0.35米收视门限值场强还可下调1dbw(48dbw)，而数字接收机讯杂比分贝值与场强、天线分贝值近似(在数字卫星接收机章节再专题讨论讯杂比)，因而可大胆预测，该卫星中国波束本地场强在52～53dbw间，与网上查阅场强值相符。现代卫星有数十个转发器，其转发器信号强弱差别较大。就亚S3C波段信号而言，本地最好信号0.55米能找到影子，照单全收一般天线、普通配置过门限需1.4米天线，可见卫星的频点信号强弱之差达7～8db之多。（编者注：严格的讲，卫星上的转发器本身的功率基本上是一致的，但由于转发器处在各个不同的波束，其辐射到地面的位置不同，因此在同一地点就会感觉到接收同一卫星的转发器信号强弱差异会很大）根据卫星信号场强合理选择天线有多个版本，表2是理论计算值；图8、图9是www.省略提供的C/Ku波段收视参考值；图10是国内发烧友整理的实际收视参考值。而真正达广播级载噪比取值很高，C波段大于15，Ku波段高达20。在卫视报刊和网上谈论天线使用的文章话题不少，也存在不少误区。归纳如下:①如发烧友用0.75米小天线一头双星收相隔3径度内Ku波段的卫星容易做到，但某些频点在门限附近，心想如能换大一点天线，增益有所提高此问题能解决，其不然大天线增益提高了，而天线波瓣却变窄了，还不如原来的小天线一头双星的效果好而