数字卫星电视系统组成原理.docx

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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与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）、广播卫星与星载设备、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。

与主站相比，除不具备遥测、遥控和跟踪功能之外，其他应与主站设备相同，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与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，致使与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，然后与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与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，则应进行与发射端相反的处理，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广播卫星与星载设备

  广播卫星与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，其工作原理与地面差转机类似。

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、推进与姿态校正系统等。

其中，转发系统由收发天线、转发器和电源组成。

在星载设备中与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。

转发器输出功率与工作频率密切相关，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（通常为479.5MHz），经中频放大和解调后得到包含视频和伴音信号在内的复合基带信号。

视频信号送到视频恢复电路，先经过去加重处理。

所谓的去加重处理，实际上是让视频信号通过一个频率响应特性与预加重频响特性相反的无源二端口网络，从而抵消预加重网络对信号产生的频谱畸变，恢复原本信号。

由于在发射端对信号进行了能量扩散处理，即在视频信号中加入了30Hz的三角波扩散信号。

因此必须在接收端进行能量去扩散处理，去除叠加在视频信号上的三角波信号，恢复视频信号的原来特性，得到正常的视频信号。

伴音信号送到伴音解调器经过放大、副载波解调，去加重后得到正常的伴音信号。

 3.1.4地面测控站地面测控站

又称跟踪遥测指令站。

地面测控站是测试卫星轨道、姿态，并予以校正的地面测控站系统。

地面测控站系统包括主控站和相配合的辅助测控站，其主要任务是一方面对卫星轨道位置、姿态、星载设备的性能进行全面测试，另一方面进行调整和控制，特别是轨道位置和姿态的校正。

地面测控站同广播卫星上的跟踪遥测指令分系统相结合，共同完成对卫星的工作状态、星体的姿态和定点位置等方面的参数进行遥测，发现异常情况及时进行遥控，以保证广播卫星的正常工作。

                                  3.2数字卫星广播电视系统

数字卫星广播电视系统的整体结构如图3一7所示。

与传统的模拟卫星广播电视系统相比较，其中天线、上行线设备和室外单元设备二者均相同，主要区别在于上行站和卫星电视接收机。

数字系统采用的是数字卫星地球站和数字卫星电视接收机。

由于数字卫星电视接收机后面有专门章节介绍，下面主要介绍数字卫星地球站。

3.2.1数字卫星地球站组成原理

数字卫星电视地球站又称数字卫星电视地球站，是数字卫星电视广播系统的发端和信号源，对于整个系统的质量与性能有着举足轻重的作用。

此外，在卫星电视广播系统的数字化各个环节中，地球站（又称上行站）的数字化也最为关键。

这是由于星载设备中与电视广播最直接相关的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，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。

为了保证24小时不间断地工作和高质量的信道传输，数字卫星电视地球站整个系统每一种部件均配备两套，并实施分段检测，包括始端检测、中间检测、发射端检测、天馈系统检测和接收效果的综合检测，以便及时进行切换。

普及型数字卫星电视地球站的组成框图如图3召所示。

整个数字卫星电视地球站分成以下几个部分：

①压缩编码单元；②中频／射频（IF/RF）单元；③天线馈电系统和天线伺服机构；④低噪声放大和其控制部件；⑤监视和监控机房，含各部分数字视频接收机、监视器、主控计算机和工作站；⑥收信检测单元，含不同尺寸接收天线和相关的数字接收系统。

一、压缩编码单元

从电视台传送来的电视信号分两路送入相应的分路器，再引入MPEG一2编码器进行图像和伴音的压缩编码。

已压缩的信号分双路送到两部QPsK调制器，同时把编码后的压缩数据送到数字视频接收机IRD进行中继检测。

在QPSK调制器内完成基带的抗干扰处理，再进行QPSK调制。

已调波又分成两路传到中频／射频部件（IFIRF），中频开关仅切换其中的一路输入，另一路作为备用。

当然经QPsK调制后的输出信号也要进行中间监控，为此，先把该调制信号加到上变频器（UP/C），再送到综合数字视频接收机IRD和监视器上观察。

压缩编码单元和QPsK调制器以及监钡叮监控系统均采用双套工作，并实施热机备用，以便一旦发生故障时能自动或手动更换其中一些单元。

二、中频／射频（IF/RF）单元

由压缩编码部件送入到IF/RF部件的中频频率为70/140MHz。

进入的一路QPsK信号经分配器又分成双路传送至两个独立的上变频器单元（UP/C），使其载频上升到地球站上行频率，然后通过环流器选择一路加到微波分功器（DIV），又分成两路送到强功率微波放大。

地球站的发射单元强功率放大可采用行波管功放（TWTA）、多腔速调管、固态高功放（SSPA）等。

目前固态器件已在高功率微波段有很大进展，因此，新型卫视地球站广泛采用固态器件。

由于地球站上行发射功率约在150-400W，而目前固态器件尚无法采用单管满足这一输出要求，加之单管的效率也较低，因此地球站固态高功放采用环形电路。

固态器件的使用寿命远大于行波管，这也是目前地球站广泛使用固态器件的原因之一。

三、天线馈电系统和天线伺服机构

两路高功放仅选一路信号送入天馈系统，而另一路传入假负载，在这里同样采用热备份方式。

为了监测强功率输出信号的质量，在中频／射频（IF/RF）部件的输出端采用定向耦合器，从中取出一部分能量传到IRD进行监测。

在这里天馈系统也采用两套设备，一套是9m直径的卡赛格伦型抛物面天线，另一套是7.3m直径的卡赛格伦型抛物面天线，前者天线增益约为50.3dB（4GHz），后者天线增益约为48.5dB（4GHz）。

天线系统既用于发射卫视节目的强微波信号，同时也接收由卫星转发器所转发的本站信号，为了避免收发之间的相互干扰，不单在收、发频率加以区分，而且收、发电磁波的极化方向也采用相互正交的措施，如发射采用水平极化波H，而接收采用垂直极化波v，并采用收发滤波装置和极化选择器来分离收、发信号，然后加到低噪声放大及其控制单元（LNA\LNB\CTRL）o

四、地球站的监测和监控

为了使天线波束时刻跟踪卫星，在地球站内要设置一套天线的跟踪系统，它是根据卫星转发器发出的旗标信号来控制天线的指向。

通常旗标信号的极化方向与地球站上行频道的极化方向一致，以免旗标信号对广大的接收用户产生干扰。

地球站在接收转发器卫视节目的同时，也接收用于天线跟踪的旗标，当然旗标信号载频不同于电视信息的载频，以便实现频分，所以在这里采用了频分、时分、极化分的方法，从而确保旗标信号传送到跟踪接收机并分离出空间方位的误差信号，再通过伺服执行机构（ACU、MDU和机械系统）实施天线自动跟踪。

卫星的漂移量是微小的，而发射天线的波束宽度也很细（2°一3°）。

为了获得最佳的传输效果，天线必须实施精密跟踪。

若9m主发射天馈系统出现故障，则监控系统立即切换到备用的7.3m天馈系统。

作为地球站必须了解图像发射后的接收情况，为此地球站在收信检测体系中配置了1.5m、1.8m和3m的卫视接收监测系统，用以观察不同G/T下的电视图像和伴音的质量，并通过实时频谱监测来分析发射、传输和接收中存在的问题。

收信检测系统中还配置了Ku波段的卫视接收系统，同时监测该星其他转发器的情况。

此外，在这里还专门设置6m天线接收系统，主要用于分析旗标信号。

整个地球站的监测和监控，包括相应的数据信号的收发，均由计算机和工作站来记录和控制，每一个大单元均分别采用专门计算机来管理，如中频单元、压缩编码单元、射频和天馈单元等。

在这里还必须提到的是供电系统，除了采用多路市电外，也应配置专门的发电设备，以应付突发事件。

数字卫星电视地球站与模拟卫视地球站一样，均采用能量扩散技术，使得无调制信号时的功率频谱与有信号调制时大体相当，不允许集中在一两个单频上。

当地球站的QPsK调制器加上能量扩散电路后，无论MPEG-2数据流有无输入或在图像内容出现暗场（数据连续为O）或亮场（数据连续为l）时，输出的功率谱密度均近似于均匀分布。

一般情况下不允许关闭能量扩散电路发射单载波信号，即使卫星公司需进行测试，也应降低输出电平，以免影响其他地球站的工作。

3.2.2数字地球站系统功能

我们知道在卫星电视系统中，地球站即上行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。

因此，上行地球站的系统功能也就是卫星电视发射系统功能。

数字地球站的系统功能就是系统对数据流的处理过程，也就是数字卫星电视发射系统功能。

其系统功能框图如图3一9所示。

由上面数字地球站系统功能框图可知，数字地球站系统对数据流的处理过程主要为两大部分：

信源编码与复用，即MpEG一2源编码与复用；信道编码与调制，即卫星信道适配器。

如果按照顺序分步进行排队的话，具体过程包含以下部分：

 ①传送用于能量扩散的随机化处理并进行复用适配；

 ②采用截短RS码进行外编码；

 ③进行卷积交织；

 ④采用截短卷积的内编码；

 ⑤形成适合于调制的基带信号；

⑥进行QPsK调制。

一、两种编解码方式数字地球站应用的数字压缩编解码技术有两种方式：

 ①单路单载波方式，即SCPC（singlechannelPercarrier）方式；②多路单载波方式，即MCPC（multiplechannelPercarrier）方式。

所谓单路单载波SCPC方式，即每套节目调制在一个载波上，送上卫星，适合于上行站各自发射一个载波，多个上行站共用一个转发器的情况，目前我国各省电视台的节目就是以这种方式播送的。

多路单载波MCPC方式是将几套节目的数据流合成一个数据流去调制一个载波后送上卫星，这种方式适合于几套节目共用一个上行站的情况。

我国中央电视台的数字卫星广播电视节目就是这种方式。

MCPC方式比SCPC方式转发器的利用率要高，采用MCPC方式时，一个带宽为36MHz的转发器，可同时传送6套节目，SCPC方式只能传送5套节目。

  二、信道编码

数字卫星电视的发射部分先进行信源编码，作为第一步把模拟的图像和声音信号经模数变换ADC转为数字信号，再进行MPEG－2的压缩编码。

随后把这些数字信号实施信道编码，也就是抗干扰编码。

由MPEG－2传送来的码流具有固定长度的数据包，内含一个字节的同步字，还有187个数据字节。

发射端的处理顺序总是从同步字1字节（01,000,111）的MSB（即O）开始，并进行能量扩散的随机化处理和传送复用适配TMA处理。

这种扰码处理不仅在调制器输入位流不存在时仍在运行，而且当输入位流与MPEG一2传送流格式（188字节）不兼容时也在运行，从而避免了发射未经调制的载波。

MPEG一2的帧结构基于输入的数据包结构，为了纠错加入了截短RS码，它是由原码RS（255,239）截短而得，图3-10中展示了含Rs码的数据包。

同时，进行外码交织深度I=12的卷积交织处理，使其形成一个交织帧。

系统还使用了一系列约束长度K=7，内码编码率（或称信息率、收缩率）为3/4的收缩卷积码。

选择合适的编码率可达到最佳的误码纠错能力