卫星电视接收系统

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原理说明（一）卫星电视接收系统的组成
一般的卫星电视接收系统主要包括：(1)天线；(2)馈源；(3)低噪声下变频器，也称为高频头(是由低噪声放大器与下变频器集成的组件)，用LNB表示；(4)电缆线；(5)端子接头；(6)卫星接收机；(7)电视接收机
1.抛物面天线：是把来自空中的卫星信号能量反射会聚成一点（焦点）。
2.馈源：设置在抛物面天线的焦点处，意思是馈送能量的源，要求将会聚到焦点的能量全部收集起来。馈源又称波纹喇叭,主要功能有俩个：一是将天线接收的电磁波信号收集起来，变换成信号电压，供给高频头。二是对接收的电磁波进行极化。
3.高频头：（LNB亦称降频器）是将馈源送来的卫星信号进行降频和信号放大然后传送至卫星接收机。高频头的噪声度数越低越好。目前KU频道多采用馈源一体化高频头。
4.卫星接收机：是将高频头输送来的卫星信号进行解调，解调出卫星电视图像信号和伴音信号。
卫星电视接收系统框图
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二）各部分组成原理说明
　2.1 卫星接收天线?
　　卫星接收天线有许多种：不同口径的，前馈型和后馈型的，板状和网状的，Ku波段和C波段的，电动极轴和多馈源多波束的等。
　　1)在前馈天线和后馈天线的选择上，一般来说对收发合用的卫星通信站，选购后馈天线是有利的，因后馈天线的增益比前馈天线的增益高，且容易与发射机输出波导联接，馈损小，不会对天线形成阻挡。对一般的卫星接收站，可选前馈天线，因前馈天线比后馈天线成本低。
　　2)在板状天线和网状天线的选择上，一般选用板状天线，因板状天线寿命长、增益高。但在风力较大的地区，宜选用结构强度较大的网状天线，因网状天线抗风能力强。网状天线增益虽比板状天线低一些，但成本约减一半。?
　　3)接收Ku波段一般采用前馈天线。前馈天线又分正馈和偏馈两种。现在生产的Ku波段接收天线几乎都是偏馈式的，因为在相同尺寸的情况下，偏馈天线比正馈天线的增益高，且偏馈天线一般使用一体化的馈源高频调谐器（双线极化），易于安装调试与使用。?
　　4)在天线口径的选择上，应根据所接收信号的卫星等效全向辐射功率（EIRP）和接收图像质量需求（等级），对接收系统G/T值提出要求，再根据室外单元的噪声温度，计算出接收天线的增益和口径。天线增益与口径的关系如下式所示。?
G＝(πD/λ)2 η
　　式中： G——接收天线的增益； D——接收天线的直径；η——天线效率；λ——工作波长。表1列出了C波段(4GHz)和Ku波段（12GHz）卫星接收天线直径与增益对应值。
2．2 高频调谐器（高频头）?
下变频器原理
高频调谐器又称卫星电视下变频器(高频头)，其作用是将天线接收到的卫星信号进行低噪声放大和频率变换的装置。
卫星电视低噪声下变频器又称为高频头(也称卫星电视的室外单元)，它是由微波低噪声放大器，微波混频器，第一本振和第一中频前置放大器组成。
    高频头的原理框图
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由于卫星电视接收系统中的地面天线接收到的卫星下行微波信号经过约40 000 km左右的远距离传输已是非常微弱，通常天线馈源输出载波功率约为-90dBmW［注］。若馈线损耗为0.5 dB，则低噪声放大器输入端载波功率为-90.5 dBmW。第一变频器和带通滤波器的损耗约为10 dB，第一中放的增益约为30 dB。这样，若低噪声放大器给出增益(40～50) dB，则下变频器输出端可以输出(-30～-20) dBmW的信号。因此，卫星电视下变频器的作用是在保证原信号质量参数的条件下，将接收到的卫星下行频率的信号进行低噪声放大并变频。高频调谐器有许多种：C波段和Ku波段的，模拟和数字的，与馈源一体的，双极性的，双本振的，双波段双极性的等。
    本次试验用为Ku波段数字的与馈源一体高频头。
    对于Ku频段高频头的选择，由于目前我国使用的通信卫星(鑫诺1号星、亚洲2号星、亚太1A星等)转发器的下行工作频段都为(12.25～12.75) GHz，而国际电联分配给我国直播卫星(三个轨位为62°E、80°E、92°E)的下行工作频段为(11.7～12.2) GHz，因此所选用Ku频段高频头的频宽范围一定要与所需接收卫星的下行工作频率范围相适应。
2．3 接收机?
　　接收机有模拟接收机和数字接收机。模拟接收机主要由第二变频器和调频信号解调器组成。数字接收机也叫综合解码器(IRD)，它由QPSK解调器、前向纠错(FEC)器、解复用器、视音频解码器、D/A转换器组成。其功能是：接收卫星下行经QPSK调制的MPEG-2数据流，并解码出一套广播电视信号。?
　　1)在接收不同卫星数字传输标准的数字信号时，需要使用不同标准的IRD来接收信号。
　　例如：在接收亚洲2号Ku频段转发器上的中3、中5、中6、中8等节目时，不但须用专用IRD(符合Digicipher Ⅱ标准)接收机，而且须经中央电视台卫星电视传播中心授权后才能接收；如果要接收亚洲2号C波段转发器上我国省区卫视节目，则须采用符合MPEG-2/DVB-S标准的IRD接收机；如果要接收鑫诺1号“村村通”的卫星电视节目，则必须购买带有智能卡(Smart Card)插槽的专用卫星数字接收机，并经插有附加的智能卡解密后才能正常接收；如果要接收境外的加密卫星数字电视节目，除须使用符合相应标准的卫星接收机外，还须购买一个专用的智能卡(Smart Card)，其中含有解密所必须的密钥，把此卡插入卫星接收机后才能正常接收；
　　如果IRD的用户还有接收卫星数据的需求，则还要选择带有数据接口的IRD，并且要注意其数据输出的最大速率是否符合应用要求，同时其传输码流应符合DVB标准。?
　　2)当接收卫星数字电视信号时，在接收天线的仰角和方位角大致对准后，其细调要比接收模拟信号更慢、更仔细。因为数字解码接收机在收到信号以后对其数据包的标志、状态等进行检索、识别判断、运算处理等复杂工序后才能有视音频输出，这个过程大约需要数秒钟的时间。
　　3)数字电视解码接收机有一项重要指标——Eb/No门限值(E?b为二进制码元信号能量， No为单位频谱的噪声功率)，一般要求接收机的门限值小于等于5.5dB（FEC＝3/4时）。在数字卫星电视接收中，当接收信号的Eb/No值高于门限值时，C/N的变化不会影响图像的信噪比S/N的变化，而在门限值附近时，C/N的下降会引起S/N的急据恶化，信号会出现误码而引起“图像停顿”或“马赛克”现象，严重时会接收不到信号，这种现象称为“峭壁效应”。在门限值附近， C/N仅变化(0.1～0.2)dB就会使图像由正常到中断，因此在数字电视接收中，除要求采用具有低Eb/No门限的优质IRD接收机外，还必须使接收端留出足够的C/N裕量，这一点对Ku频段卫星信号接收尤为重要，因为Ku频段的雨衰量大。?
　　4)由于上述2）、3）的原因，在卫星数字电视接收调试时，就不能采用像接收模拟电视那样用观察图像的办法来调整天线，数字电视信号在数字接收机的门限值以下是不会有图像的。所以在调试时应进入菜单，观察信号强度指示，若发现信号强度显示有指示，调试就应放慢速度、减小幅度，进行微调，最终使信号强度指示最大。?
2．4 接收参数
在接收卫星电视节目时，必须先搞清所要接收频道的接收参数，把接收参数输入到接收机是接收数字卫星的一个重要环节。卫星电视接收参数一般包括：
一、下行频率。下行频率是指卫星电视信号从卫星转发器传送到地面接收站的频率。寻星时必须知道该星的下行频率，也可到有关专业报刊或网站中查询。需要注意的是，在报刊或网站中查找到的下行频率数值可能与频道运营商提供的稍有差别，在实际接收中可能导致数字机接收不到信号或出现停顿、马赛克现象，此时在排除器材质量及安装调试不当等因素的影响后，可将参数在小范围内稍加改动便有可能使节目顺利下载。
二、极化方式。在同一接收地点，高频头的极化角因所接收卫星的经度不同的而发生变化，在接收中应根据所接收不同卫星适当调整高频头极化角。一般以正南方为基准，当接收正南方卫星的信号时，高频头的极化角为零，当接收南偏东方向的卫星信号时，要顺时针转动高频头来调整极化角。反之，当接收南偏西方向的卫星时要逆时针转动高频头来调整极化角。对于接收较弱的信号，细调高频头的极化角效果非常明显，如极化角调整不当很可能使弱信号的节目不能顺利下载。
三、符码率。符码率的大小与传输图像的质量有关。符码率越大，图像传输的速率越大，图像质量也越高，允许的节目量也越大。频道运营商通过码率的设置和分配，满足不同的画质要求。
四、前向纠错FEC。设置不同的前向纠错FEC根本目的是提高信号传输的可靠性。在DVB-S标准中，前向纠错FEC值有五种比率，即1/2、2/3、3/4、5/6和7/8，以前向纠错FEC为3/4为例，它表示在该节目码的总数中，3/4的数据为节目内容码，1/4的数据为纠错码。因目前生产的数字卫星接收机均可对前向纠错FEC进行自动侦测，在使用接收机时无需人工加入FEC值，因而该参数也常被人们忽视，导致不能很好地解释卫视接收中遇到的一些问题。例如用同洲 3188A数字机接收亚太1A卫星上采用1/2前向纠错比的宁夏、甘肃、重庆和旅游卫视节目时，只要信号锁定灯点亮，Eb/No值为0也可流畅的收视。相反，当接收亚洲3S卫星上4000 H 26850凤凰卫视一组节目时，其前向纠错比为7/8，Eb/No值达30%以上才不出现停顿、马赛克现象。
三．实验任务
1．天线的安装
     安装抛物面天线时，一般按厂家提供结构图安装。各厂家的天线结构都是大同小异基本相同。天线的结构反射板有整体成形和分瓣两种（ 2M以上的反射板基本为分瓣），脚架主要有立柱脚架和三脚架两种（立柱脚架较为常见），个别一点八米以下脚架为卧式脚架。以下是基本安装步骤：
    1.卧式脚架装在已准备好的基座上，校正水平，然后坚固脚架铁丝及焊接固定（卧式脚架须先调好方位角后方可固定脚架）。
    2.装上方位托盘和仰角调节螺杆。
    3.依顺序将反射板的加强支架和反射板装在反射板托盘上，在反射板与反射板相联接时稍为固定即可暂不紧固，等全部装上后，调整板面平整再将全部螺丝坚固。这里要注意的是分瓣反射板有些厂家是无顺序的可随意拼装，但有些三瓣是有安装馈源支杆的安装点，这三瓣须三分安装在里面，否则馈源支架装上后不对称馈源与天线的反射焦点不能重合影响信号增益甚至收不到信号。整体成形的反射板装上托盘架后直接将反射板装在方位托架上即可。
    4.装上馈源支架，馈源固定盘。
    5.馈源、高频头的安装与调整：把馈源和高频头和连接其矩形波导口必须对准、对齐、波导口内则要平整，两波导口之间加密封圈，拧紧螺丝防止渗水，将连接好的馈源高频头装在馈源固定盘上，对准抛物面天线中心位置集中焦点。
    6.介绍一种计算天线焦距简单计算方法：根据物面天线焦距比公式：F/D≈0.34~0.4，现以3M天线为例计算其焦距F=3ⅹ0.35+0.15=1.2（米），式中0.15为修正值。3M 天线焦距为1.2米。
2．系统调试
    2-1 调试准备
    在不知卫星方位角仰角，没有调试仪器情况下进行系统调试，必须把接收机、电视机拿到安装天线现场进行调试，安装现场必须有电源。以上准备工作做好后，下一步就是系统调试，步骤如下：
1、首先根据所要接收的卫星，把卫星接收机所接收的频道频率调准。有的卫星接收机频率显示为卫星频道的下行频率3.7GHz~4.2GHz,有的是显示高频头的输出中频 950MHz~1540MH，即是卫星接收机的接收输入中频频率。当碰上这情况时，用高频头的本震频率 5150MHz减去中频频率得出的是卫星频道的卫星下频率。
2、把所有的连接线接收，根据所要接收信号的极化方式粗调馈源，按极化要求调好馈源的波导口方向。
卫星电视信号的极化方式有四种：右旋圆极化、左旋圆极化、垂直极化和水平极化。因前两种极化不常用，现只介绍垂直极化（V）和水平线极化（H）的接收方式。     垂直极化和水平极化的接收，是改变馈源的矩形（长方形）波导口方向来确定接收的是垂直极化或水平极化。当矩形波导口的长边平行于地面时接收的是垂直极化，垂直于地面时接收的是水平极化。极化方向（极化角）又因地而异有所偏差。因为地球是个球体，而卫星信号的下行波束却是水平直线传播，这就造成不同方位角所收的同一极化信号有所不同，所以地理位置不同，所接收的信号极化方向也有所偏差。馈源的长形波导口（极化方向）将不完全垂直或水平于地面。调整极化方向时应注意这一点。
3、把天线反射面转向正南方向，松开仰角调节杠，让反射面上下调节灵活方便。然后根据所要捕捉的卫星定点的经度和调式所在地的地理位置，向东或向西一点一点转动天线反射面来改变反射面的方位。每转动一点方位后缓慢上下调节重复如此直至出现信号，确认是所要接收的卫星节目，然后保持信号强度暂固定仰角，进行下一步方位角微调。
4、使天线反射面朝单一方向水平转动，观察电视图像。使捕捉到卫星信号从有到无，从强信号到弱信号转至信号刚好消失，在脚架立术托盘交接处上下画一条直线与地面垂直作记号，再反转天线，使卫星信号图像在电视机中从弱到强，再从强到弱，转至信号图像刚好消失，在方位托盘记号处向下延伸立柱上画一直，这时立柱上已有两条直线作记号。重复以上步骤反复几次，确认立柱二记号点位置无误后，把方位托盘记号转至立柱二记号点之间的中心线位置，这就是所要调试卫星的方位角位置。把紧固方位角的螺丝坚固，方位角调试完毕。
5、微调仰角：用微调方位角的方法，在仰角调节杆上取二点作记号，用同样方法进行仰角微调。
6、馈源焦距及极化方向微调：用调方位角和仰角的方法微调焦距和极化方向。当馈源长度有限，焦距微调不适合以上方法时，这时电视图像画面噪声波点已委少或已没有了噪波点，可在馈源中塞点纸使画面出现较多的噪波点，然后调节馈源观察电视画面调至器噪波点减至最少，即调准了焦距。
7、至此，系统接收调试完毕，撤去现场调试设备，连接好高频头与室内接收机的同轴电缆，如果是多户接收或进CATV系统侧装上功分器，有必要时加装线路放大器。
2-2 卫星电视接收系统的调试?
　　2-2.1 按照接收点的地理位置（经度、纬度）和待接收信号的卫星位置（经度）计算出的数值设定好接收天线的方位角和仰角。其计算公式如下。?
　仰  角：?EL＝arctg［cos(Ed－Es)cosNd－0.1511－cos2(Ed－Es) cos2Nd )］
  方位角：?AZ＝arctgtg(Ed－Es) sinNd
  式  中： EL─—天线的仰角； Ed─—地球站经度；Nd——地球站纬度； Es─—卫星经度；AZ——天线的方位角。沈阳位于东经122度25分至123度48分，北纬41度12分至42度17分之间。
    2-2.2 连接好系统，调整好高频调谐器的极化方向、极化角和焦点。
　　2-2.3 打开接收机电源，同时高频调谐器馈电，按所要接收卫星电视信号的参数（波段、极化方式、下行频率、符号率、纠错率及本振频率等）在接收机菜单中进行设置。
    2-2.4 观察信号强度指示(接收模拟信号可直接从监视器观察图像)，结合微调方位角、仰角，直至信号强度指示最大。如果信号强度指示调不上去，可再次校准高频调谐器极化角及焦点，直至信号强度指示最大，退出菜单，应有图像质量满意的电视节目出现。
2-3 影响接收卫星数字电视质量的几个因素
　　3.1 卫星的等效全向辐射功率EIRP的大小直接影响接收图像质量。对接收系统，图像质量也与接收机的输入电平动态范围有关。?
　　3.2 环境的干扰，如雨、雪、冰、霜也是影响图像质量的一个重要因素。对接收系统，图像质量与接收信号裕量和接收机的门限电平有关，所以要选用符合标准要求的低门限电平的卫星数字接收机，并留有足够的雨衰储量，这一点对接收Ku频段信号
尤为重要。?
　　3.3 接收天线的增益（大小）直接影响接收图像质量，因此要选用满足系统要求、口径大小合适、高效的天线，调整好天线的馈源位置、仰角和方位角，并调好天线的极化角，使其与卫星下行信号的极化方向相匹配。?
　　3.4 要选用噪声温度低、本振相位噪声小、高频稳定和动态增益高的高频调谐器。?
　　3.5 卫星的漂移、日凌等也是影响卫星信号接收的因素。?