数字卫星电视系统组成原理

数字卫星电视系统组成原理3.1卫星电视广播系统卫星电视广播简称“卫视”，通常是指利用同步卫星转发地球站传送的电视信号，并直接实现家庭收视或集体接收的一种电视广播方式。卫星电视广播系统是参和卫星电视广播链路各种设备的整合。完备的卫星电视广播系统通常由以下四部分组成：上行地球站（上行发射站）、广播卫星和星载设备、测控站和卫星地面接收站（参见图3-1）。3.1.1上行地球站上行地球站又称上行发射站或卫视地球站，简称上行站。上行地球站把节目制作中心送来的信号（可以是数字电视信号、数字广播、视频、音频、中频信号等）加以处理，经过调制、上变频和高功率放大，通过定向天线向卫星发射上行C、Ku波段信号，同时也接收由卫星下行转发的撅弱的微波信号，监测卫星转播节目的质量。因此，上行地球站是用以上行发射为主的地球站。电视台把所要传送的电视节目，通过微波中继或光纤传送到上行地球站，在这黑把所有需要传送的信息再进行编码和重新调制，然后用几百瓦的微波强功率发送到地球词步卫星。一、上行地球站分类上行地球站可以详细地划分为上行主站、上行分站和移动上行站。一般不加以说明的话，上行地球站通常是指上行主站。1．上行主站上行主站又称卫星电视广播中心站。上行主站除具有一般上行站的功用外，还有遥测、遥控和跟踪设施，可以直接监控卫星的姿态、轨道位置和各种工作状态；具有接收卫星转发下行电视信号的设备，以监视卫星广播电视信号的传输质量。2．上行分站上行分站一般作为主站的备份站。和主站相比，除不具备遥测、遥控和跟踪功能之外，其他应和主站设备相同，在主站有故障或某些特殊情况下可以像主站一样向广播卫星传送电视广播节目。3．移动上行站上行地球站（卫视地球站）既可建立固定站，也可采用移动站。上行移动站一般是车载式的上行站或是便于安装使用的可搬移式上行站。常用于现场新闻或实况的采访和转播，随时报道即时发生的新闻如战争、球赛等。二、上行地球站原理上行地球站的任务是将欲发送的广播电视信号进行必要的基带处理，经调制、上变频和高功率放大，然后通过天线向广播卫星发送。首先，经过视频处理电路处理后的视频信号和经过伴音处理电路处理的伴音信号相加混合成基带信号，然后对中频载波进行调制，将输入的基带信号变为70MHz的中频调谐波。中频信号再经过上变频，变为指定的发射频率后，送到高频功率放大器进行放大，再由发射天线发射给卫星。上行发射站可向卫星传送一路或多路信号，通常采用主瓣波束较窄的大口径发射天线发射，以提高上行站的抗干扰能力。1．视频信号处理过程(l）预加重技术调制信号在接收端解调时，白噪声电平随频率的升高呈线性增长，这种变化规律称为调制波的三角噪声特性，它使图像信号的高频成分容易受到嗓声的影响。为了提高图像信号高频端的信噪比，改善三角噪声特性，减少传输信号的微分增益和微分相位失真，在视频信道中对图像信号进行预加重处理。所谓预加重就是在发送端将图像信号先送入预加重网络，由于预加重网络具有高端增益高、低端增益低的特性，使得图像信号的高频成分得到增强。(2）能量扩散技术在带有行、场同步信号的视频信号中，大多数时间里信号电平都处于黑白电平上，而中间电平的时间较短。用这种视频信号对载波进行频率调制，就会造成频谱能量在两侧过于集中，分布不均匀，致使和它共用频段的某些地面通信受到较大干扰。为了减少这种干扰，在发射功率受到限制的同时，也应对信号频谱能量加以扩散。为此，人为将一个频率大约为30Hz的三角波加入基带信号中，组成复合信号。用此复合信号对载波进行调频，便可使信号频谱能量扩散，使其均匀分布。2．伴音信号处理过程(l）伴音信号的模拟传输方式模拟传输方式首先将伴音信号中高于视频信号的上限频率的伴音副载波进行频率调制，然后和经过预加重和能量扩散处理的图像信号，按照频分复用的方式进行相加混合成基带信号，再对中频载波进行调频。伴音信号的模拟传输采用FM一FM（两次调频）的传输方式。(2）伴音信号的数字传输方式数字传输过程首先将伴音信号进行模／数转换，即将伴音信号经过取样、量化、编码的一系列过程，将模拟的声音信号变为数字码流，并将多路数字化后的伴音信号按时分复用方式合成为一路数字信号，然后经过信号压缩、前向纠错编码及加扰码等一系列处理后，再对高于图像最高频率的伴音副载波进行相位调制。如此得到的伴音调制信号再和经过处理的图像信号合成为基带信号，最后一起对中频载波进行调制。三、上行地球站的组成典型的地球站组成简化方框图如图3一2所示。从图中可以看出，地球站大致可以分为：天线、馈线设备、发射设备、接收设备、信道终端设备、天线跟踪伺服设备、电源设备等几个主要部分。1．天线、馈线设备它的基本功能是将发射机送来的射频信号变成定向（对准卫星）辐射的电磁波；同时收集卫星发来的电磁波，送到接收设备。通常情况下，地球站的天线设备是收、发共用的，因此要有收发开关（或称为双工器）。从双工器到收、发信之间有一定长度的馈线连接。由于卫星通信主要工作在微波频段，因此，地球站的天线通常是抛物面天线，如图3一3所示。根据地球站使用天线的口径可以将天线分为几类。比如A类标准站的天线口径在30一32m，B类标准站为11一13m;C类站工作于6－8m；而D类站的天线口径分别为4.57m和3.05m。2．发射设备发射设备的基本功能是将己调制的中频（一般为70MHz）信号变换为射频信号，并将功率放大到一定的电平，经过馈线送到天线向卫星发射。发射设备中的功率放大器可以是单载波工作，也可以是多载波工作。功率放大器的输出功率最高可达数百或数千瓦。3．接收设备接收设备的主要任务是把天线收集的来自卫星转发器的有用信号经过变换后，送给解调器。通常情况下接收设备入口的信号电平极其微弱，为了减少接收机内部噪声的干扰影响，提高灵敏度，接收设备必须使用低噪音的微波前置放大器，为了减少馈线损耗的影响，该放大器一般安装在天线上，如图3－4所示。4．信道终端设备在发射端，信道终端设备的基本任务是将用户发送来的消息加以处理，变成适合所采用的卫星通信体制要求的信号形式；在接收端，则应进行和发射端相反的处理，使收到的信号恢复为原来的消息。5．跟踪和伺服设备由于种种原因，静止卫星并非绝对“静止”。因此地球站的天线必须经常校正自己的方位和仰角，才能对准卫星。按方式来说有手动和自动跟踪两大类。前者是每隔一定的时间对天线进行人工定位；后者是利用一套电子、机械设备，使天线对卫星进行自动跟踪。所有的地球站都能进行手动跟踪，而自动跟踪通常只有大站才有，以经常保持很高的跟踪精度。所示是天线跟踪控制示意图3-5。6．电源设备现代卫星通信系统要求能不间断地、稳定地工作。电源系统必须要能满足这一要求。特别是大型的地球站通常都有几套供电方案，以保证通信系统的正常工作。此外，地球站还应有整机监控等设备。3.1.2广播卫星和星载设备广播卫星和星载设备是整个卫星广播系统的核心。在电视广播卫星上有C、Ku波段转发系统，它接收来自上行发射站的信号，并且向卫星电视广播地面接收站转发下行信号，实质上是一个安装在赤道上空的中继站，其工作原理和地面差转机类似。转发系统由收、发天线、转发器和电源组成。转发器又由高灵敏度的宽带低噪声放大器、变频器以及C、Ku波段功率放大器等组成，是决定卫星电视广播质量的关键。一、广播卫星由上可知，广播卫星用于接收地面上行站送来的上行微波信号（C波段为6GHz,Ku波段为14GHz)，并将它放大、变频、再放大后，发射到地面服务区内。因此，广播卫星应以最低附加噪声和失真来传送电视广播信号。鉴于宇宙空间的卫星直接受到太阳风的压力而产生漂移，卫星本身应装有小型喷气推进系统来调节卫星轨道和姿态。一旦喷气推进的化学燃料用完，就相当于该颗卫星的寿命终止。广播卫星具有不同于一般的特别是早期通信卫星的技术特点：①发射功率较大，即等效辐射功率（EIRP）较高。广播卫星辐射功率越强，地面接收设备就越简单而廉价。广播卫星高功放输出功率通常在数百瓦量级。而一般通信卫星只有几瓦到几十瓦量级。②必须有足够长的使用寿命和高可靠性。为此，必须使用长寿命、高可靠性能的元器件，同时必须设置星上的备份部件、备份转发器以及备份卫星。③所需太阳能电池单元的数目多、体积和重量大，增加了卫星发射火箭的负荷和操纵系统的复杂程度。目前，大型综合性系统静止卫星，星上除有中、小功率的通信转发器外，还有大功率的专用广播转发器。这种卫星通常称为综合性通信广播卫星。二、星载设备广播卫星的星载设备通常包括转发系统、推进和姿态校正系统等。其中，转发系统由收发天线、转发器和电源组成。在星载设备中和电视广播最直接相关的是转发器，它接收各地球站传送来的电视信号进行放大、变频、增益控制和强功率微波放大等一系列处理，再由卫星天线向地面指定区域辐射。鉴于转发器采用微波直接变频、放大，从接收端输入较高频率的微波载频。显然信号的处理环节简单，并且不受载波的调制方式和信号状态的影响，因此无论是模拟制彩电，还是数字电视，均可采用相同的转发器进行信号传输。由于卫星广播电视是保证“点对面”的接收，所以需要的功率大。转发器输出功率的大小是衡量卫星广播电视工作能力大小的一项重要指标。转发器输出功率和工作频率密切相关，工作频率愈高，可获得大功率输出。星载转发器的功放级，以往普遍采用行波管放大器（TWTA）,用作通信和以集体接收为主体的卫星转发器的输出功率均在100W以下，如16w、20W、32W、46W和55W等，而用作直播卫星上的转发器的输出功率通常在100一300W之间。典型的单频道转发器的示意框图如图3一6所示。星载转发器在电路结构上一般有两种方式：一是直接变频式，它将上行的微波频率经过一次变频，变为下行微波频率。另一种为二次变频式，它将上行的微波频率变化为中频，经放大后再变频为下行频率。直接变频式电路简单，但由于工作频率高，因而对元器件要求高。二次变频式电路工作于中频，对元器件要求不高，容易实现高增益和AGC控制。3.1.3卫星地面接收站卫星地面接收站简称地面站。地面站由天馈部分、高频头、卫星接收机等部分组成。地面接收站接收来自卫星的信号，经过低噪声放大，下变频为中频信号，中频信号经过调频、解调后得到基带信号，分别送到视频恢复电路和伴音解调电路，重新得到正常的视频信号和伴音信号，直接送到电视监视器或电视机，重现彩色图像和重放伴音，也可以重新调制到电视频道上传送给用户。在星载设备的定向天线接收到信号后，由转发器进行频率变换和放大，然后再通过卫星天线向地球特定地区辐射电磁波，供卫星电视接收站（地面站）天线接收电视信号。卫星广播电视接收站主要用来接收广播卫星转发的广播电视节目信号。各种类型接收站为不同用户提供不同的信号传输方式，以满足不同的收视要求。一、卫星地面接收站类别按用途的不同接收站可以分为以下四类：1．个体接收系统（TVRO)个体接收系统又称电视单收地球站（TvRo)，即家庭收视系统。在广播卫星向服务区转发到地面的电视广播信号功率足够大的条件下，用户用小型天线的简易卫星电视接收系统和卫视彩电等直接收看广播卫星转发的电视节目。2．集体接收站（SMATV）这是采用较大口径天线的接收系统，接收广播卫星转发的电视节目，供集体用户直接收看或经转换成地面电视广播信号的形式，引入共用的闭路电视系统。3．无线收转站类似于前面的集体接收站，但它把接收的卫星广播电视信号作为电视节目源，供设在该地区的电视台或差转台进行转播。因为最终广播节目是以无线广播方式送出去的，所以称为无线收转站或称为差转站。为满足用户的收视质量，无线收转站要用较大口径天线的接收系统。4．有线电缆网收转站（CATV)也类似于集体接收站。它是将接收的卫星广播电视信号转换成vHF或UHF调幅电视信号的形式，通过同轴电缆分送到各用户。二、卫星地面接收站原理地面接收站天线接收来自卫星的信号，通过高频头将微弱的电磁波信号进行低噪声放大，并将它变换为频率为950一1450MHz的第一中频信号。中频信号经过电缆送到卫星接收机进行解调。选台器从950一1450MHz的输入信号中选出所要接收的某一电视频道的频率，并将它变换为固定的第二中频频率（