衛星電視廣播傳輸與接收系統的原理及實用技術

李學偉

1 衛星電視廣播傳輸系統的組成

1.1 衛星

在赤道上空圍繞地球與地面相對靜止的軌道運行的同步衛星。國際電聯（ITU）衛星組織規定，將靜止軌道分為三個區，第一區：歐洲、非洲、阿拉伯半島、土耳其、原蘇聯、亞洲部分蒙古。第二區：南北美洲。第三區：中國在第三區ITU-3，該區包括亞洲和南太平洋地區（174W～72E），相鄰衛星的經度不小于3°，衛星工作于C波段和Ku波段。

位置：衛星的位置由其所在的經度來定義，如中星6B位于115.5°E，即東經115.5°。衛星的位置與衛星接收地點決定天線的仰角和方位角。

頻率：亞洲地區，衛星下行工作頻率為C波段（3.7～4.2 GHz）和Ku波段（11.7～12.2 GHz），每個波段的帶寬為500 MHz，衛星上行頻率C波段為6 GHz即（5.725～8.4 GHz）和Ku波段為14 GHz即（12.75～18.1 GHz）。

極化方式：衛星電視廣播采用四種極化方式，即垂直極化（V）、水平極化（H）、左旋極化（L）和右旋極化（R），其中，垂直極化與水平極化、左旋極化與右旋極化為正交極化。水平極化是指電磁波傳播時電場矢量在水平面上的變化，垂直極化是指電場矢量在垂直面上的變化。圓極化：電磁場的電場矢量在垂直與傳播方向的平面內旋轉時稱為圓極化，由于旋轉方向不同又分為左旋極化和右旋極化。為提高頻率資源使用效率，常在同一頻率上使用兩個正交極化電磁波來傳送信號。衛星的下行頻率和極化方式確定了衛星接收的饋源的本振頻點和極化方式。

轉發器及EIRP：在同一衛星上有多個轉發器，每個轉發器都有自己的賦形波束和等效全向輻射功率（EIRP）。在接收地點的EIRP值決定了所使用的天線口徑大小和高頻頭的噪聲系數。

1.2 地球站

衛星電視廣播信號由地面廣播電視系統播控中心將節目視頻和伴音信號經過相關設備技術處理后，通過衛星上行地面站發射到衛星的轉發器上。衛星信號的傳送方式決定了衛星接收的解調方式。

2 衛星電視廣播地面接收系統的組成

衛星電視地面接收系統主要包括：衛星接收天線、饋源、高頻頭（LNB）、傳輸同軸電纜、功分器、線放、衛星接收機、終端監視器。

2.1 衛星天線

2.1.1 作用與原理

由于微波信號在傳播過程中是直線傳播的，所以衛星天線利用拋物面反射聚焦，增強接收的方向性和提高天線增益，使到達饋源的電磁場足夠強。

2.1.2 種類與特點

衛星接收天線主要以拋物面為主，有前饋式、后饋式、偏饋式、多波束等幾種拋物面天線。天線的增益：G=10Lg[η（πD/γ）2]（dB），式中η為天線效率，一般為0.7～0.8，γ為波長，D為天線直徑（m）。

現在的衛視節目分布在C波段和Ku波段上，C波段信號接收使用正饋天線及后饋天線，正饋天線有1.35、1.5、1.8、2.1、2.4 m等這幾種規格天線基本可以滿足個體及集體接收。后饋天線一般常用規格有3、4.5、5、6、6.5 m等基本是廣播電視系統微波站、電視臺、網絡傳輸接收用。卡塞格倫天線是典型的后饋天線，卡塞格倫天線是一種在微波通信中常用的天線。接收Ku波段信號一般使用偏饋天線，常用規格有0.35、0.45、0.6、0.75、0.8、0.9、1.0、1.2、1.5 m等可以滿足個體和集體接收用。與正饋天線不同，偏饋天線外形呈橢圓形，表面弧度較淺，采用正裝方式時仰角較正饋天線低20°左右。Ku波段偏饋天線具有高增益、高效率、窄波束等優點。實踐證明，相同直徑天線，Ku波段偏饋天線比C波段前饋天線增益高約10 dB，一個1.2 m Ku波段偏饋天線增益相當于3.6 m C波段前饋型天線接收Ku波段信號的增益，其效率可達65%～70%（C波段前饋型天線約為55%左右）。

2.1.3 仰角與方位角

描述衛星接收天線的方向參數，天線接收方向與水平面的夾角為仰角，天線接收方向與正南（北）的夾角為方位角。具體計算公式如下：

仰角：

θ=arctg[（cosΦcosγ-0.15127）/（1-（cosγcosΦ）1/2]

方位角：Φ=arctg（tgγ/sinΦ）

式中，γ=γp-γs，Φ為接收地點的緯度，γp為接收地點的經度，γs為衛星在軌的經度。方位角以正南為基準，偏西為正，偏東為負。以上具體計算公式，作為調星愛好者計算起來比較繁鎖，所以通常我們可以通過網上“在線尋星網”尋星參數計算軟件獲得詳細參數，只要輸入預調衛星所在經度、天線類型、當地接收地理位置名稱，“確認尋星”后即可獲得當前地理位置經緯度，天線方位角、仰角、高頻頭極化角等計算參數及截面圖方便實用。

2.2 饋源

饋源的作用是將在自由空間傳播的電磁波轉換成波道中傳輸的電磁波（矩形波道中TE10波），然后通過適當耦合，將電磁場信號轉換成同軸電纜中傳輸的信號，以便高頻頭信號處理和后面的傳輸，主要有兩種類型：前饋式饋源和后饋式饋源。

2.3 高頻頭（LNB）

將饋源耦合來的微波信號先進行低噪聲放大，然后通過混頻（降頻）成中頻950～1450 MHz的信號，再放大。高頻頭的供電通過輸出同軸電纜由衛星接收機供電。高頻頭有單本振單極化單輸出、雙極化單輸出、雙極化雙輸出、還有雙本振雙極化4輸出，C/Ku復合高頻頭等種類繁多。以下是高頻頭各項參數指標所代表的含義。

2.3.1 輸入頻率（INPUT）

輸入頻率是指高頻頭所能接收到的衛星轉發器下行頻率范圍。C波段，有3.4～4.2 GHz和3.7～4.2 GHz兩種，早期使用3.7～4.2 GHz的較多，因前者的頻率范圍比后者寬，應優先選用。Ku波段，接收頻率范圍10.7～12.75 GHz；由于其接收頻率范圍較寬又將分為低頻段（10.7～11.7 GHz）和高頻段（11.7～12.75 GHz）。

2.3.2 輸出頻率（OUTPUT）

輸出頻率是指衛星下行頻率與高頻頭本振混頻后所產生的信號中頻頻率。通常有以下幾種950～1 450 MHz、950～1 750 MHz及950～2 150 MHz（其中，950～2 150 MHz是目前C/Ku波段所通用的）選擇時應使信號中頻頻率在衛星接收機輸入頻率范圍內，否則部分信號收不到。輸出頻率（即信號中頻頻率）計算方式如下：

C波段：輸出頻率=本振頻率-下行頻率

Ku波段：輸出頻率=下行頻率-本振頻率

2.3.3 本振頻率（L、O）

絕大多數C波段高頻頭本振頻率為5 150 MHz，也有雙本振的（5 150 MHz和5 750 MHz）。Ku波段高頻頭本振頻率較多，相應的Ku波段高頻頭分為標準、寬帶、全頻帶三種。可以根據其本振頻率數據來決定適用接收頻率的范圍（見表1）

表1 Ku波段高頻頭本振頻率適用接收頻率范圍

Ku波段全頻帶高頻頭指的是可以接收10.7～12.75 GHz所有信號的高頻頭，這種高頻頭都是雙本振的，低本振是9.75 GHz，負責接收10.7～11.7 GHz頻段信號；高本振一般為10.75 GHz，用來接收11.7～12.75 GHz頻段信號。雙本振高頻頭需配合0/22 KHz電子脈沖切換開關來使用。本振頻率穩定度：由于高頻頭工作在室外，溫度變化大，要求第一本振頻率穩定度為10-4數量級。

2.3.4 噪聲系數

描述高頻頭噪聲性能的參數，由于饋源耦合來的微波信號很微弱，因此對高頻頭的噪聲系數要求很高，通常C波段以絕對溫度°K表示，如25 °K、17°K、15 °K、13 °K等。其數值越小越好；而在Ku波段以dB（分貝）表示，如0.8 dB、0.7 dB、0.5 dB，其中，數值越小越好，噪聲系數的參數指標越小，則表示信號還原的程度越高。

2.3.5 增益（GAIN）

描述高頻頭的放大能力，增益用dB（分貝）來表示，常見的一般多為60 dB，精品高頻頭一般均在65 dB以上，此數值應偏高一點好，但也不能太高，否則系統會產生自激而引發不穩定現象。

2.3.6 輸入輸出駐波比

描述輸入輸出的匹配程度。輸入駐波大小反映了輸入信號的反射損耗的小，顯然輸入駐波越小越好，一般為2.5。輸出駐波反應了高頻頭輸出的效率。同樣輸出駐波也是越小越好，一般為1.5～2.5。另外，在完全匹配的情況下，駐波系數為1。通常高頻頭駐波表示方法為：2.5∶1或 2.0∶1。

2.3.7 載波互調

由于寬帶放大器中存在非線性失真，產生諧波和差拍，且有互相交叉調制，影響圖像質量，通常要求在兩個-70 dB的輸入信號時，互調比應小于-40 dB。

2.3.8 鏡像抑制比

鏡像頻率與本振頻率信號差頻產生中頻信號進入中頻放大器，使接收系統載噪比劣化。一般要求鏡像抑制比大于40 dB。電纜、線放與功分器從高頻頭到衛星接收機之間的信號是通過電纜來傳送的，由于從高頻頭輸出的中頻信號是950～1 450 MHz，在電纜中衰減較大，一般衛星天線的信號要通過功分器分配給不同的衛星接收機，以便接收同一個衛星上的不同頻道，信號還要進一步衰減，為保證衛星接收機的輸入信號電平，可采取縮短高頻頭到衛星接收機的距離，采用適當的功分器和加入滿足要求的線放等方法。

2.4 電纜

一般采用衰減較小的同軸電纜，由于距離較短，可采用傳輸特性較好，價格較貴的同軸電纜。

2.5 功分器

功分器主要的要求是隔離度高，插入衰減小、帶內平坦、過電型等。分配數以滿足需要為準，過多而不必要的分配數會造成不必要的信號衰減。

2.6 線放

在距離無法縮短和分配數無法減小，而信號電平又不夠時在功分器前可加入線放，對高頻頭傳來的中頻信號加以放大。線放的增益以滿足要求為準，因為高增益，容易帶來噪聲和非線性失真。

2.7 衛星接收機

衛星接收機是將高頻頭傳來的中頻信號解調成視頻信號和伴音信號的設備，它完成調諧，放大和解調功能，有些數字衛星工程接收機還帶有圖文數據輸出功能。衛星模擬信號已停播，模擬接收機以不在使用。從MPEG-2標清數字衛星接收機，現在已經發展到了MPEG-4高清數字衛星接收機，衛星數字接收機的主要指標有以下幾方面。

2.7.1 輸入頻率范圍

頻率低端一般為950 MHz，而高端則有 1 450 MHz、1 750 MHz、2 050 MHz、2 150 MHz等，其中，950～2 150 MHz是目前C/Ku波段全兼容通用高頻頭數字衛星電視廣播接收機，隨著衛星下行的帶寬和頻道數不同而不同，中頻帶寬有20 MHz、27 MHz、36 MHz等幾種頻率。

2.7.2 靜態門限值

此項指標反映衛星接收機解調弱信號的能力。一般為2～7 dB左右。

2.7.3 特點

一款性能卓越的數字衛星接收機，具有高靈敏度的信號接收功能的特點。具有C/Ku波段全兼容通用高頻頭：950～2 150 MHz，完全符合DVB-S以及MPEG-2標準或MPEG-4高清標準接收。NTSC-PAL制式自動識別，支持DisEqC1.0（四進一出電子開關），0/22KHz開關，S-VHS視頻輸出，AV視頻高保真立體聲輸出，可編輯電視廣播節目功能，多語言菜單操作面板全自動搜選臺，帶有便于對星的信號強度顯示等功能齊全的數字衛星接收機。

2.8 終端監視器

監視器的作用是將各種標準輸入端口送來的視頻和伴音信號還原成原始的圖像和伴音信息的可視聽設備。監視器只要具備與衛星接收機輸出的各種標準配套輸入端子接口功能即可，如射頻信號、AV視頻音頻高保真立體聲、S-VHS視頻、HDMI高清標準輸入接口等及可支持的多制式自動識別多功能高清晰彩色監視器。

3 衛星地面接收站址的選擇

在我國大部份地區都能預接收到東經60°～180°之間的同步衛星電視廣播節目信號，根據預接范圍內的衛星軌道位置計算接收天線的仰角及方位角結果，到現場進行測量，在天線面預接收的前方要求都能滿足開闊空曠的條件，無遮擋物如大樹、樓房建筑物、高山等，還要預留日后接收其它衛星時調整方位角無影響。避開一些可能造成的干擾源的因素，如高壓電力線、通訊電纜高空架設物，飛機航道等，同時，避開一些無線電地面微波的干擾源，否則將影響衛星信號的接收質量，嚴重時甚至接收不到信號。此外，還要盡量避開風口，防止大風天氣對天線造成損害，不要選擇最高點，防止雷電擊毀設備，天線架設的地點要選擇在地層結構堅實、地質穩定的地區，避免日后地基發生沉陷而產生天線指向偏差。