卫星电视信号的接收

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。图10.1卫星电视广播系统示意图（1）上行地球站（简称上行站）上行地球站的主要任务就是把电视广播中心的广播电视信号加以信号处理，并经过调制、上变频，然后对输出信号的功率进行放大处理，再通过定向发射天线向卫星发送上行微波信号。同时也接收由卫星下行微弱的微波信号，以监测卫星转播节目质量。通常将地面发送到卫星的信号称为上行信号，把卫星传送到地面的信号叫做下行信号。上、下行信号的载波频率是不一样的，这样就避免了上行信号和下行信号之间的相互干扰。上行地球站可以是一个或多个，根据它们的功能的不同又可分为：①上行主站：上行主站是固定的卫星电视信号发射中心，它具有发射电视信号给卫星和接收卫星转发回来的电视信号的功能；另外，它还能够监测卫星传输的信号和遥控卫星的状态以保证卫星传输信号的质量；②上行分站：上行分站的主要功能是和上行主站相似，当主站出现问题时，可以作为上行主站的备份，只不过上行分站不具备对卫星信号的监测功能和遥控功能；③上行移动站：上行移动站常用于现场直播或现场采访。上行移动站安装在专用的卫星电视转播车上，相当于一个移动的上行分站。其特点是设备移动性好，方便灵巧。（2）广播卫星电视广播卫星，它类似于一个电视差转站，将设置在地球上的上行站发射的电视载波信号接收放大和频率变换处理后，再向所服务的覆盖区域转发。为了实现广播电视信号的正常转发，要求卫星保持精确的姿态和轨道位置。并且卫星相对于地球是静止的，以便地面卫星接收站准确地接收卫星传送的信号。（3）卫星电视接收站它主要用来接收广播卫星下发的电视节目信号，由接收天线接收卫星电视调频载波信号，经解调后送出电视视频信号和伴音信号。各类接收站为用户提供不同传输方式来收看卫星电视节目。接收站可分为四种类型：①个体接收者：当卫星向服务区转发节目信号，电波到达地面的功率足够大时，用户可以用小型的卫星电视接收设备直接接收卫星转发的电视节目。②集体接收站：它是一种较大天线的接收装置，接收广播卫星转播的节目，供集体用户收看。如广播电视大学的远程教学接收点或一些单位的办公大厦等。③无线接收站：主要用来接收卫星电视信号，作为电视节目源，供设在该地区的电视台或转播台进行转播，即无线转播。④有线电视收转站：将接收到的卫星电视信号经放大、变频和调制变换后，以VHF或UHF调幅电视信号形式，通过有线电视系统分送到各用户收看卫星电视节目。（4）遥测遥控跟踪站该站的主要任务是测量卫星的各种参数，监测调整卫星上所有设备的工作状况。如卫星内部设备的电压、电流、功率、温度、压力等；对卫星实施各种功能状态的转换。测控卫星的姿态和轨道位置，调整卫星状态以保证卫星相对于地球静止，并使卫星天线波束对地球表面地覆盖区域保持不变等等。4．我国卫星电视广播发展简介（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7.5654.5432.42.01.81.51.2增益G（dB）不小于优等48.346.344.843.842.540.038.736.4935.5733.6331.7一等48.046.044.443.542.239.737.7236.1435.2233.2531.31合格47.645.744.143.241.839.337.3535.7634.8532.0430.9效率（%）不小于优等7070707065656565656060一等6565656560606060605555合格6060606055555555555050噪声温度Ta.(K)不大于优等2525252528283131313636一等3232323235353838384343合格4141414144444747475151（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；如果天线轴向偏离卫星的角度θ逐次变化，就可得到一系列相应的输出功率。输出功率与角度θ的关系即为天线方向图。图10.6天线的方向图天线的方向图（见图10.6）中包含许多波瓣，其中最大的增益方向的波瓣为主瓣，其余的为旁瓣，旁瓣中分为第一旁瓣、第二旁瓣、……、尾瓣。天线的旁瓣特性是指天线偏离主轴方向上增益的变化情况。在天线的要求中，要求旁瓣电平低，才能减少信号的干扰。（4）天线的频带要宽卫星电视系统有工作频段和频带宽度，如C频段（3.7～4.2GHz）的24个频道，总带宽为500MHz，因此要求卫星接收天线在一定范围内要有良好的带宽。（5）旋转性能要好一般希望一个卫星电视接收站能够接受多颗轨道位置不同的卫星的信号，所以，在底座固定不动的情况下，天线的方位角和仰角要能在很宽的范围内进行运动，并能迅速对准所需要接收信号的卫星。我国制定的标准要求卫星电视天线的仰角为0～900，方位±900。（6）机械精度和强度要高要求天线具有一定的抗风能力，要求在10级大风的条件下，天线仍能正常工作，在12级大风的时候天线不会受到破坏。（7）极化变频器灵活可调由于不同的卫星转发信号时采用的极化的方式不相同，有左、右旋、圆极化，水平线极化，垂直线极化等等。如果发射和接收的极化不匹配，就会影响接收效果，甚至收不到信号，因此，天线系统的极化要做到变换灵活、方便、易调。10.1.3卫星电视接收系统的室外单元1．室外单元的组成与功能（1）室外单元的功能卫星电视接收系统的室外单元，又称之为高频头，它的位置是在室外卫星电视接收天线的馈源之后。卫星电视接收天线接收到卫星转发的信号经过了约35786km左右的远距离传输，所以其信号极其微弱，高频头将天线接收到的下行微弱的电磁波信号进行放大，并将它变成频率为950～1450MHz（或1750MHz，最高可达2150MHz）的第一中频信号，以便通过射频电缆将它送给室内的卫星电视接收机进行电视信号的解调。所以，整个室外单元主要任务是完成微波信号的低噪声放大和降频变换。（2）室外单元的组成高频头的内部主要有两部分组成：微波低噪声放大器和微波下变频器，所以也称为低噪声下变频组件，英文缩写为LNB(LowNoiseBlock)。高频头的基本组成框图如图10.7所示，从图中可以看出，高频头由波导—微带转换器、微波低噪声放大器、本机振荡器、混频器、前置中频放大器、二次稳压器和直流—直流变换器等部分组成。图10.7高频头的基本组成框图（3）高频头处理信号的流程①波导—微带转换器的作用是将波导口输入的电磁波的场信号，转换成微带电路上的路信号，以便对信号进行放大和变频；②微波低噪声放大器一般有2～4级微波场效应管（FET，FieldEffectTransistor）放大器组成，提供约20～40dB的功率增益，以便将信号放大到足够的水平，供给混频电路进行下变频处理；③本机振荡器一般采用介质谐振器稳频的场效应管振荡器，产生高稳定的固定振荡频率（C频段为5.15GHz，Ku频段为10.75GHz），以便为混频器提供所需的本振信号；④混频器一般由微波二极管或微波场效应管组成，它利用二极管或场效应管的非线性特性，产生输入信号与本振的差拍信号，并通过低通滤波器选出所需的中频信号；⑤前置中频放大器一般由3～4级硅双极性晶体管放大器或集成电路组成，工作与第一中频频率（950～1450MHz）上，提供30～40dB的功率增益，以便将信号放大到足够的强度，在通过射频电缆传送到室内接收解调单元；⑥因为高频头在室外工作，它的供电由室内单元的卫星接收机提供。为了克服不同长度电缆对直流供电产生不同压降的影响，保证高频头各级电路静态工作点的稳定，并抑制外部干扰，在高频头内部要增加一个二次稳压电路。此外，由于高频头内微波场效应管电路通常需要负偏压，故还需要一个直流—直流变换器，以便将正电源变换成负电源，供各级场效应管电路使用。2．室外单元的一些主要技术要求由于高频头在卫星电视接收装置中所处在的特殊位置，因而对高频头的电性能提出了一些特殊要求，主要有以下几个方面：（1）噪声要低当外部噪声一定时，接收机的内部噪声就成为决定接收微弱信号能力（即灵敏度）的主要因素。所以接收机的内部噪声是衡量接收性能最重要的指标之一，常用噪声系数F或噪声温度TN来表示。对于一个接收系统来说，系统的总噪声系数主要取决于前级电路的噪声。由于高频头处于卫星电视接收系统的最前端，其噪声的大小对系统的性能影响最大，故要尽量降低高频头的噪声系数。目前的技术水平，在C频段，高频头的噪声温度可低达20～30K，在Ku频段，噪声系数可达0.5～0.8dB。（2）功率增益要高由于从卫星发送到地面的卫星电视信号，经过约35786km的传播衰减，到达地面时的场强非常低（约为﹣100dBm/m2左右）。该信号经过接收天线输送到高频头输入端的信号电平也仅为-90dBm左右。而室内接收机要求的输入信号电平约为35dBm。再加上考虑到中频电缆对信号的传输损耗，则要求高频头应具有高达50～65dB的功率增益才能满足要求。（3）频带要宽卫星电视广播的用的工作频率范围比较宽，其带宽达到500MHz左右，有些地区（如欧洲）则可达800MHz，甚至更宽。所以室外单元的带宽要保证相应带宽内的全部频道信号都能通过。因此，必须工作在宽频带。否则将会出现在某些地区收不到某些电视频道的问题。（4）本振频率稳定性好高频头的本机振荡信号与输入信号在混频器中差拍得到中频信号。如果本振频率不稳定，则输出的中频频率也会随之产生漂移，从而产生“跑台”现象。由于本振频率很高，为了保证不出现“跑台”的现象，就要求本振频率应有很高的相对稳定性，而室外单元安装在室外天线上，因随地理环境和季节的不同，环境的温度变化较大。如果要求在-30～+60oC的环境温度变化范围内，本振频率的最大频率漂移量在2MHz之间。目前常采用介质谐振器稳频或锁相环稳频等方法。（5）镜像抑制比要大在混频器中，凡是和本振频率相差一个中频的信号都可经混频输出中频信号。如设信号频率为，而的信号也可经过混频输出中频信号。这也就是镜像频率。它对信号产生的干扰称为镜像干扰。为了使镜像频带远离工作频带得到抑制，卫星电视接收站都采用两次变频的方式，并在混频器前加抑制镜频滤波器，以抑制镜像干扰。10.1.4卫星电视接收系统的室内单元室内单元又称卫星电视接收机，通常是指卫星电视接收装置中放置于室内的那一部分。根据其处理信号的种类，可分为模拟卫星电视接收机和数字卫星电视接收机。为适应卫星电视广播技术的发展和家庭使用的新要求，卫星电视接收机在新功能的开发方面有了很大的进展。多频道、多伴音、多制式、多功能的卫星电视接收机已是发展的趋势。下面主要介绍模拟卫星电视接收机和数字卫星电视接收机的基本组成和功能。1．模拟卫星电视接收机模拟卫星电视接收机的基本功能是将室外单元通过射频电缆送来的第一中频信号（950～1450MHz或950～2150MHz等），经变换处理后得到视频和音频信号并提供给用户。模拟卫星电视接收机通常包括以下几个部分：电子调谐选台器、中频放大与解调器、图像信号处理器、伴音信号解调器和射频调制器。其结构框图如图10.8所示。图10.8模拟卫星电视接收机的基本组成框图图中各个部分的主要作用和信号流程简介如下：（1）电子调谐选台器其主要功能是从室外单元通过射频电缆送来的第一中频信号（950～1450MHz或950～2150MHz等）中选出所要接收的某一卫星电视频道的频率，并将它转换成固定的第二中频频率（通常是479.5MHz），送给后面的中频放大与解调器。（2）第二中频放大与解调器它将输入的固定第二中频信号经过滤波、AGC放大后，再进行频率解调，得到包含图像和伴音信号在内的复合基带信号，同时还输出一个能够表征输入信号大小的直流信号，用于控制前级放大电路的增益，也可用于指示信号电平的大小。（3）图像信号处理器它从复合基带信号中分离出视频信号，并经过去加重、能量去扩散和极性变换等一系列处理之后，将图像信号还原并输出给监视器或电视机。（4）伴音信号解调器它从复合基带信号中分离出伴音副载频信号，并将它放大、解调后得到音频信号，再经过去加重、音频放大输出推动扬声器。（5）射频调制器为了使没有视、音频输入接口的老式电视机能够看到卫星电视节目，需将输出的图像和伴音信号再次调制在某一个电视频道上，以便通过电视机的射频输入端传送给电视接收机。2．数字卫星电视接收机数字卫星电视接收机是指数字卫星电视接收系统中放置于室内的那一部分设备，故又称为室内数字接收单元，或称为数字卫星电视机顶盒（Set-Top-Box），有时也称综合接收解码器（IRD，IntegratedReceiverDecoder）等。其基本功能是将室外单元通过射频电缆传送下来的第一中频信号（950～2150MHz），经本机变换器处理后输出视频和音频信号，提供给用户的电视机、监视器或其他调制转发设备。与模拟卫星电视接收机不同的是，为了适应卫星电视广播技术的发展、满足开展新的数字业务的需求和方便不同用户的使用，数字卫星电视接收机在接收和处理数据能力上、新增的操作功能上、以及用户交互界面的设计上都有了很大的进步。由卫星接收天线接收的数字卫星电视信号，经高频头进行下变频得到频率较低的第一中频信号，通过射频电缆送给数字卫星接收机。数字卫星电视接收机的系统组成见图10.9。图10.9数字卫星电视接收机系统的基本组成框图下面简要介绍各部分单元电路的工作原理和信号流程：（1）电子调谐选台器其主要功能是从室外单元通过射频电缆送来的第一中频信号中选出所要接收的某一卫星电视频道的频率，并将它变换成第二中频或零中频信号输出。在早期，该模块和模拟卫星电视接收机的对应调谐器一样，也是由低噪声放大器、跟踪滤波器、混频器、本机振荡器和声表面滤波器等电路组成，输出中频频率为479.5MHz的第二中频信号。但随着技术的进步，该电路已经逐渐被零输出中频方案所替代。所谓的零中频方案，就是在混频时，使本机振荡器的输出频率与输入信号频率相同，从而使混频电路的输出信号为零中频的基带信号。该基带信号可直接送到后面的数字解调和解码电路进行处理。其好处就是节省了中频处理电路和声表面滤波器等元器件，从而简化了电路，降低了成本。（2）信道解调和解码该模块对应于发射系统的信道解码模块，其功能