卫星通信接收技术知识.docx
- 文档编号:18287020
- 上传时间:2023-08-15
- 格式:DOCX
- 页数:82
- 大小:1.93MB
卫星通信接收技术知识.docx
《卫星通信接收技术知识.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《卫星通信接收技术知识.docx(82页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
卫星通信接收技术知识
卫星接收技术
一、卫星通信基础知识
1.无线电通信基本知识
1.1电磁波的概念
振动的电场和磁场在空间的传播叫做电磁波。
由收音机收到的无线电广播信号,由电视机收到的高频电视信号,医院里物理治疗用的红外线,消毒和杀菌用的紫外线,透视照相用的X射线,以及各种可见光,都属于电磁波。
1.2电磁波的物理量
人们用频率、波长和波速来描述电磁波的性质。
频率是指在单位时间内电场强度矢量E(或磁场强度矢量H)进行完全振动的次数,通常用f表示。
波长是指在波的传播方向上相邻两个振动完全相同点之间的距离,通常用λ表示。
波速是指电磁波在单位时间内传播的距离,通常用v表示。
频率f,波长λ,和波速v之间满足如下关系:
v=λf
如果一电磁波在一秒内振动一次,该电磁波的频率就是1Hz,即发f=1/T
在国际单位制中,波速的单位是m/s(米/秒),波长的单位是m(米),频率的单位是Hz.
对于无线电信号,它属于电磁波,它的传播速度为光速,即每秒约前进30万公里。
Y
图1-1电磁波图
例如:
对于一个频率为102MHz的调频广播节目,其波长为300,000,000米除102,000,000Hz,等于2.94米。
1.3电磁波的种类
不同频率的(或不同波长)电磁波具有不同的性质用途。
人们按照其频率或波长的不同把电磁波分为不同的种类,频率在300GHz(1GHz=109Hz)以下的波称为无线电波,主要用于广播,电视或其他通讯。
频率在3×1011Hz-4×1014Hz之间的波称为红外线,它的显著特点是给人以“热”的感觉,常用于医学上的物理治疗或红外线加热,探测等,频率在3.84×1014HZ-7.69×1014Hz之间的波为可见光,它能引起人们的视觉,频率在8×1014Hz-3×1017Hz之间的波称为紫外线,具有较强的杀菌能力,常用于杀菌,消毒,频率在3×1017Hz-5×1019Hz之间的波称为X射线(或伦琴射线)它的穿透能力很强,常用于金属探测,人体透视等,在原子核物理中还有频率为1018Hz-1022Hz以上的射线,其穿透能力就更强了。
1.4波段与频道的概念
由于利用频率可以计算出波长,一个频率范围将对应一个波长范围,所以频段与波段具有同样的意思。
两个叫法是对应的,也是通用的,在电视广播领域中,更多使用波段。
频道是指传送一个信号源节目所使用的频率(或波长)范围。
通常一个频段(或波段)能够再分成多个频道。
1.5波段的划分
按照波长和用途不同,人们把无线电波又分成许多波段,如表1.1所示。
表1.1无线电波波段的划分
名称
英文
波长范围
频率范围
极低频(极长波)
100000Km~10000Km
3Hz~30Hz
超低频(超长波)
10000Km~1000Km
30Hz~300Hz
特低频(特长波)
ULF
1000Km~100Km
300Hz~3000Hz
甚低频(甚长波)
VLF
100Km~10Km
3KHz~30KHz
低频(长波)
LF
10000m~1000m
30KHz~300KHz
中频(中波)
MF
1000m~100m
300KHz~3000KHz
高频(短波)
HF
100m~10m
3MHz~30MHz
甚高频(米波)
VHF
10m~1m
30MHz~300MHz
微
波
特高频(分米波)
UHF
10dm~1dm
300MHz~3000MHz
超高频(厘米波)
SHF
10cm~1cm
3GHz~30GHz
极高频(毫米波)
EHF
10mm~1mm
30GHz~300GHz
至高频(亚毫米波)
0.3nm~1um
300GHz~1000GHz
微波是指波长在微米级的无线电信号。
1.6电磁波的极化方式
当电磁波在空间传播时,其电场强度矢量E的方向具有确定的规律,这种现象称为电磁波的极化。
在均匀无限空间中传播的电磁波是一种横波,其电场矢量E、磁场强度矢量H和波的传播方向三者之间,两两互相垂直,常用电场强度矢量E的变化来代表电磁波的变化。
极化方式即卫星电视信号的电磁场的振动方向的变化方式。
按照极化方式的不同,电磁波可分为线极化波和圆极化波等各种不同的类型。
所谓线极化波,就是其电场强度矢量E的尾端在一直线上改变的电磁波。
当E与地面垂直时,称为垂直极化波;当E与地面平行时,称为水平极化波。
考虑到发射天线和接收天线的架设方便,减少重影,以及避开其他电波的干扰等因素,一般垂直极化波大多用于中波广播、移动通讯、卫星电视广播等,水平极化波大多用于短波广播、地面电视广播、调频广播和卫星电视广播等。
1.7Ku波段卫星通信波段及其极化方式
卫星通信使用微波频段300MHz—30GHz,采用高频信号的目的是保证地面上发射的电磁波能够穿透电离层到达卫星。
在卫星通信中,不同的卫星,或者同一颗卫星上的不同转发器所使用的频率范围都不相同,不同频率范围有不同的代号。
如3.95-5.85GHz频率范围的代号是C,该频率范围简称C波段;12.24-18GHz频率范围的代号是Ku,该频率范围简称Ku波段。
项目卫星通信所用的电磁波在12.24-18GHz频率范围,属于微波范围的Ku波段,极化方式为垂直线极化。
1.8同步通信卫星简介
由于电视信号属于微波信号,早期的电视广播信号主要在地面传播,其传播方式为直线传播。
由于地球本身是一个球体,传播距离受地球弯曲弧度的影响,一般传播距离为40-60公里。
要使电视信号传播得更远,就需要加高天线或增加中继站。
天线高度的增加是有限的,中继站的增加会使信号衰减,成本加大。
要想减少中继站的数量,只能增加天线的高度,当我们把中继站搬到天上后,就变成了卫星。
卫星通信的目的是扩大信息的覆盖面,减少地面微波中继站,减少信息传播过程中的故障率,极大地提高信息的传输范围,提高信号的传送质量。
当卫星的轨道是圆形且在赤道平面上,卫星离地面35786.6公里,飞行方向和速度与地球自转的方向和速度相同时,从地面上任意一点看,卫星都是静止不动,这种对地静止的卫星称为同步通信卫星。
利用三颗同步卫星,就能够使信号覆盖地球的表面。
用于电视节目转发的卫星一般都是同步通信卫星。
所以不同国家发射的通信卫星都在赤道的上空,同步通信卫星所处的纬度都为0℃,经度在0-360℃之间。
2.卫星IP数据广播技术简介
2.1卫星数据广播技术简介
卫星数据IP广播是通过UDP协议将数据打包送上卫星,再通过卫星下发至接收端。
接收端使用指定的PC卡/接收机和相应的接收软件即可接收。
IP广播是基于新一代的卫星数据广播方式,需要占用专门的IP频道资源。
在我国目前有取代VBI(电视逆程窄带数据广播)的趋势。
中国教育电视台的远程教育节目将由VBI转移到IP数据广播方式。
卫星IP数据广播每个通道的数据传送速率可达1Mbps,甚至更高,可以在实时传输高清晰度的数字视频信号的同时传输远程教学所需的其他多媒体信息,完全能够满足远程教学对带宽的要求。
由于是基于广播方式传输,其带宽不受上网人数的制约,每个用户都能拥有同样的带宽。
IP数据广播不同于VBI,它可以根据需要,把卫星上的转发器带宽分成许多份,每一份叫一个IP通道,能够用于传送一组类型的数据内容,可以是计算机网站信息,多媒体数据等。
IP数据广播目前在我国基本上是单向,即只能接收,也可以是双向,即学校或家庭利用地面卫星天线和双向设备在接收信号的同时能够向卫星发射数据信息。
2.2卫星数字广播常用术语
2.2.1上行频率:
指发射站把信号发射到卫星上用的频率,由于信号是由地面向上发射,所以叫上行频率。
2.2.2转发器:
指卫星上用于接收地面发射来的信号,并对该信号进行放大,再以另一个频率向地面进行发射的设备。
一颗卫星上可以有多个转发器。
2.2.3下行频率:
指卫星向地面发射信号所使用的频率,不同的转发器所使用的下行频率不同,换句话说,当我们接收不同的节目内容时,所使用的下行频率不同,在使用卫星接收机时所设置的参数也就不同,如果设置不正确,将不能接收相应的节目内容。
例如:
我国鑫诺一号卫星用于数据广播的下行频率之一为12,620MHz。
一颗卫星上有多个转发器,所以会有多个下行频率。
2.2.4符号率:
卫星节目的符号率,指数据传输的速率,与信号的比特率及信道参数有关,单位为MB/s。
目前市场上普遍使用的“诺基亚”、“菲力浦”、“现代”、“同洲”、“九洲”等卫星电视数字解压机的Symbolrate值在6-30MB/s。
从世界上卫星发展趋势看,卫星电视的符号率越来越高,当一个载波信号携带的节目数越多时,此值越大。
2.2.5MPEG-2:
是一种动态音、视频信号的压缩传输标准(MovingPicturesExpertsGroup),它分为音频、视频,传输标准等多种形式。
2.2.6DVB:
DVB(Digitalvideobroadcasting)指数字视频广播,其主要目的是找一种对所有传输媒体都适用的数字电视技术与标准,其核心是以MPEG—2音、视频编码,有三种标准:
DVB-S数据广播-卫星方式
DVB-C数据广播-闭路方式
DVB-T数据广播-地面微波中继方式
2.2.7纠错方式:
FECEP前向纠错码方式,不同的系统会有不同的设置,接收机的FEC方式的设置必须与上行站编码方式一致才能正确解码,目前亚洲2号卫星的FEC值为3/4。
2.2.8本振频率:
C波段卫星接收机的LNB本振频率一般为5150MHz,而Ku频段高频头的本振频率各不相同,常用的高频头的本振频率为11250或11300,具体是多少需仔细查看高频头包装盒上的说明。
2.2.9DiSEqC:
英文为DigitalSatelliteEquipmentControl,直译为:
“数字卫星设备控制”,有1.0、1.1、1.2、2.0等不同版本的标准,是用数字卫星电视接收机控制,发出指令集(控制指令)给相应设备,如切换开关、切换器、天线驱动设备、LNB等。
工作过程是数字卫星电视接收机内部在同步时钟脉冲配合下,通过与LNB高频头相连的同轴电缆线,经调制于22KHz频率上交替变化的数字信号串行转送相关控制指令,DiSEqC1.0常用于控制多入一出的中频切换器的控制;DiSEqC1.1是1.0的扩充版本;DiSEqC1.2则加入驱动并控制推动杆或极轴座的功能;DiSEqC2.0就具有双向控制的功能,外设就会有信息传回数字卫星电视接收机。
简单地理解,可认为DiSEqC是数字卫星接收机中的一个设置参数,它能够使一个卫星接收机接收多个不同卫星天线的信号。
在只有一个卫星接收天线时,该值设置为关(OFF)状态。
2.2.10PID码:
PID码是英文PacketIdentifier简称,是包识别码的意思。
电视信号上传至卫星首先要对音视频及数据信号进行编码,用MPEG-2标准压缩成PES包,再将PES包转换成长度为188字节的传送IP包,它代表每帧画面的信息量。
在188字节中,用3B来表示包开始前缀,以1B来表示包标识,2B表示PES包的包长度剩下的是实时压缩的活动图像声音等可变PES包,PID在传送包的包头上。
如果不知道PID值,就不能正确接收相应的节目。
具体来讲,PID可分视频、音频两大类,其中视频类又分图像、图文类,音频类则分电视与广播类。
简单理解,PID就是为卫星上传送的节目加一个编号,数字卫星接收机或PC接收卡要根据这个编号来判断所接收的信号属于那一个节目。
PID就是收信人的地址和姓名。
在卫星数据广播中,每一个节目都有自己的PID。
项目扶贫频道的PID=b2。
总之,PID值是为了区分各种数据包的用途,DVB和MPEG-2标准中规定在数据包中所加的标识符。
要想接收所需IP数据频道,必须添加相应的PID值。
附录4给出了中国教育卫星宽带传输网各频道编号和PID值,以及相应的远程教育节目名称。
3.中国教育卫星宽带多媒体传输网简介
3.1鑫诺一号卫星
“鑫诺一号”通信卫星于1998年7月18日发射成功,它是一颗服务于中国及亚太地区的广播通信卫星,同时也是一颗专门为电视直播业务和卫星专用通信网业务设计的通信广播卫星。
该星定点在东经110.5°E赤道上空,轨道位置优越,保证了高仰角、低雨衰。
整个天线覆盖区,最低仰角均大于30°。
这使得它在实现电视“村村通”、“校校通”的任务中,更具有其他轨道位置(位于偏西或偏东的卫星)所不具备的优势。
该星在设计天线波束时,充分考虑了卫星直播电视业务的需求,波束覆盖整个中国及周边国家和地区。
Ku频段天线波束充分考虑了卫星直播电视业务的需求和国家各部委、各省市、各大公司及各行业专用通信网的需求,波束覆盖整个中国及周边国家和地区,并按照中国地区的不同分布,对波束覆盖进行优化设计,使得在中国国土的绝大部分地区,卫星的EIRP均大于47dBw,东南部地区加权6dBw以上,卫星的EIRP可达52~54.5dBw。
所具有的覆盖区边缘卫星EIRP较大、覆盖区内EIRP功率分布合理等特点将有利于地面通信网、站的设计和选型,降低地面通信网、站的费用。
由于以往卫星通信网以C频段居多,Ku频段通信是目前卫星的发展方向,为更好地支持卫星通信网用户的业务发展,鑫诺一号卫星配置有一对C-Ku频段互联转发器,即C频段通信网(地球站)发上行信号,可直接由Ku频段通信网(地球站)接收其下行信号,从而实现了C频段通信网(地球站)与Ku频段通信网(地球站)之间的互联通信,有效支持了C频段通信网向Ku频段通信的过渡、兼容和发展。
3.2中国教育卫星宽带多媒体传输网
为贯彻《中共中央国务院关于深化教育改革全面推进素质教育的决定》,落实《国务院批转教育部<面向21世纪教育振兴行动计划>的通知》中“实施现代远程教育工程”的总体部署,为构建中国教育卫星宽带多媒体传输平台,教育部于1999年9月份开始组织实施了“卫星电视教育网络改造项目”。
该项目集成和应用了卫星通信技术、数字电视压缩技术、计算机及网络技术、信息安全技术等新技术,将原租用的1个C波段36MHz带宽的卫星转发器,改为租用大功率的54MHz带宽的Ku频段转发器,增加空间频率资源,加大卫星转发器传送信号强度,减小地面接收天线的尺寸,利于推广应用;将模拟电视传送方式改为数字压缩传送方式,从而充分利用卫星转发器的资源,增加电视频道、语音广播频道、IP广播频道的数量,扩大多媒体广播的应用规模,推进信息化教育和计算机技术的应用普及,实现电视网、计算机网的相融合。
中国教育卫星宽带传输网(CEBsat)于2000年7月1日开始试播。
10月31日正式启动了现代远程教育卫星宽带多媒体传输平台。
该网采用鑫诺一号卫星Ku波段传送,主要接收参数为:
下行频率为12620MHz,符号率为32553KB/s,极化方式为垂直。
改造后的新系统具备播出6套电视、6套语音、20套以上IP数据广播的能力,此外,还能开展卫星因特网接入服务实验,重点是为西部地区、通信设施不发达地区的单位提供双向远程教育服务。
3.3中国教育卫星宽带多媒体传输网近期节目安排
中国教育卫星宽带多媒体传输网的节目包括电视节目、IP节目、语音节目和用户服务等四个栏目,其中IP节目又分为信息类、课件类和节目类。
电视节目、语音节目的传送和接收采用国家广电总局制定的数字卫星电视调制、接收标准。
IP信息、课件广播采用多路广播方式。
IP节目采用视频MPEG-4压缩方式。
详情参见表1-2。
表1-2 中国教育卫星宽带传输网节目表
分类
PID值
频道编号
频道名称
频道内容
备注
电
视
节
目
CEBsat-TV-1
CEBsat
CEBsat介绍及测试
CEBsat-TV-2
CETV-1
综合教育节目
`
CEBsat-TV-3
CETV-2
中央电大教学节目
CEBsat-TV-4
CETV-SD
中小学教育节目
与C波段并发
CEBsat-TV-5
CCTV-1
中央电视台第一套节目
转发、加密测试
CEBsat-TV-6
CCTV-9
中央电视台英语频道
转发
I
P
节
目
信
息
类
B0
CEBsat-I-0
CEBsat播出信息
CEBsat播出的相关信息
B1
CEBsat-I-1
教育部信息
教育网站
B2
CEBsat-I-2
扶贫教育信息
基础教育、农业科技
信息、气象、报刊等
B3
CEBsat-I-3
星空放送
经济、文化、科技、
报刊等
B4
CEBsat-I-4
绿网工程
部队政治思想教育、
军事科技、报刊等
B5
CEBsat-I-5
青少年教育
校外活动、科技创新等
B6
CEBsat-I-6
数字图书
图书资料及信息等
B7
CEBsat-I-7
测试
课
件
类
D0
CEBsat-C-1
北京大学
国际经济与贸易、法学
专业教学等课业
D1
CEBsat-C-2
北京大学(医学部)
远程医学等课业
D2
CEBsat-C-3
北京邮电大学
先行代数、C语言、概率论等教学课件
D3
CEBsat-C-4
中央广播电视大学
电大课程多媒体教学课件
D4
CEBsat-C-5
东南大学
国内贸易、计算机应用
教学等课件
D5
CEBsat-C-6
信息技术教育和培训
计算机网络等技术课件
D6
CEBsat-C-7
自学考试
待定
D7
CEBsat-C-8
测试
节
目
类
F0
CEBsat-P-1
外语、科普
中小学学生及教师外语
远程学习与培训;科学知识普及、科技知识讲座
F1
CEBsat-P-2
中小教育
中国农业大学
全国各地中学名校优质
课展播;农业远程教育
F2
CEBsat-P-3
小学教育
小学同步教学
F3
CEBsat-P-4
测试
语音
节目
CEBsat-A-1
卫星英语课堂
初高中英语
与C波段并发
CEBsat-A-2
中央人民广播电视台(1套)
转发
CEBsat-A-3
测试
用户服务
CEBsat-S-1
教育双向
卫星因特网接入服务
实验阶段
二、卫星接收天线
1.卫星数据接收天线常识
1.1接收天线的组成与作用
天线是收集和处理远处的卫星发出的高频电磁波信号的装置,不同频率和不同发送方式的无线电波必须采用相应的接收天线,才能有效地将卫星发送的微弱信号接收下来,并达到高频头输入电平的要求。
它的通信器件主要包括反射器、馈源、高频头和馈线。
天线是无线电波的输入端口。
反射器(俗称“锅”):
用于反射和聚焦卫星发送的高频电磁波信号,通常选择抛物面天线,即利用抛物面的聚焦特性,将卫星发送的电磁信号经过一次或二次反射到天线的焦点上,并通过馈源和波导将聚焦的电磁波传送至高频头(LNB)。
馈源:
位于天线反射面焦点处,是一个会聚卫星信号的装置,其作用是聚集卫星信号能量并馈送给高频头(低噪声降频放大器,简称LNB)。
高频头:
将接收到的卫星下行频率信号进行放大和变频处理的部件。
高频头的作用是先将卫星高频信号放大,再利用本机振荡电路将高频信号转换成中频950MHz-2050MHz,以利于同轴电缆传输和卫星接收设备处理(调制解调)。
图1-3Ku波段一体化高频头
功分器:
是将高频头接收的卫星信号分成两路或几路信号的设备,本项目功分器输出的两路信号分别送给数字卫星接收机和数据接收卡
馈线:
从高频头输出到接收机的射频输入插口的一段电缆线,一般选用75Ω同轴馈线,长度不宜超过30m,在室外环境条件下,最好用SYV-75-7电缆(通常室内-5室外-7,功分器为界)。
接头芯线的长度和粗细应适宜,以免过长损坏高频头,过短接触不上,过粗损坏高频头输出座簧片。
节目调好后,将接头拧紧,确保接头良好,做好防水处理,保护好高频头,固定好馈线。
卫星接收天线有以下几方面的作用:
●接收卫星发出的高频电磁波的能量
●选择所需要的卫星电视信号,抑制外界干扰信号
●放大接收到的微弱卫星高频信号
●进行降频变换处理,将卫星高频信号转换成中频信号
除通信器件外,机械部件也是卫星信号接收天线的重要组成部分。
天线的机械部件主要包括馈源支撑杆、俯仰角调整机构、方位转动机构和底座等。
如图1-2所示为1.2米偏馈天线,该天线选用固定式支座及支架,只能用来接收固定卫星的节目。
天线的支撑系统主要有立柱、底座支架、托架和角钢组成;反射面由两块角钢和一个托架相互固定;馈源及支撑系统由一付馈源支架和三根馈源支撑杆组成;俯仰调整机构由一根仰角调整杆,一个调整块组成;方位转动机构由方位套筒和三个顶丝组成。
图1-4 1.2mKu天线结构示意图
1.2接收天线与高频头的分类
按接收波段划分,卫星通信接收天线一般可分为C波段天线和Ku波段天线。
C波段天线接收卫星信号的频率范围为3.7GHz-4.2GHz;Ku波段天线接收卫星信号的频率范围为10.7GHz-12.75GHz。
卫星数据广播接收系统装配和使用的天线为Ku波段天线。
在实际工作中,根据中国教育卫星宽带网(CEBsat)的信号特点和技术规范,收视点建设应选择直径(椭圆短半轴)从0.75到1.5米Ku频段卫星接收天线。
常用的抛物面天线按反射体的结构形式主要可分为分瓣拼装式和整体式,按抛物面的选用的材料可分为网式和板式,根据馈源在反射体的上方或下方可分为前馈式和后馈式。
此外,根据馈源相对于反射体中轴线的位置,可将抛物面天线分为偏馈式和正馈式天线。
卫星数据广播接收系统选配的天线一般为Ku频段整体偏馈板式天线。
相应地,高频头一般也可分为C波段LNB和Ku波段LNB,接收卫星信号的频率范围同上。
项目收视点装配和使用的高频头为Ku波段LNB,由于这种高频头内置了馈源部分,所以一般称这种高频头为馈源一体化高频头。
1.3天线的方位角
天线方向指向角(方位角)是指从接收点到卫星的视线在接收点的水平面上有一条正投影线,从接收点的正北方向开始,顺时针方向至这条正投影线的角度就是方位角。
在实际使用时应考虑当地的磁偏角数值。
计算结果方位角负值为南偏西,正值为南偏东,通常方位指向角以北极为基准,即正北为0°角边(规定北纬为正、南纬为负,东经为正、西经为负,顺时针为正)。
在实际计算方位角时,可根据下面的公式进行计算即为:
α=(地面站所在地经度φ2-卫星定点经度φ1)β—地面站所在地纬度
1.4天线的俯仰角
天线俯仰指向角(俯仰角)是指从接收点仰望卫星的视线于水平线构成的夹角就是俯仰角。
在实际计算俯仰角时,可根据下面的公式进行计算:
式中:
r/R=0.1510
r——地球半径,取值6378km
R——同步轨道半径,取值42218km
α=(地面站所在地经度φ2-卫星定点经度φ1)
β—地面站所在地纬度
在计算方位角、仰角之前先从地图上查出本地站址的经度和纬度。
如果将本地的经纬度代入上面的计算公式,只要查出卫星的经度,就可以很方便地求出这颗卫星的方位角、仰角。
如果将要寻找的卫星的方位角、仰角求出后列表记录。
按照卫星的经度来分析记录列表,就可发现收视星的方位角、仰角的变化规律,即随经度的增加方位角由南偏西,向南偏东过渡,仰角逐渐升高。
有些天线,尤其是变形天线的实际焦距已经超过了馈源能在法兰盘中移动的距离,或者馈源中心轴线不是与抛物面中心轴重合,而是
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 卫星通信 接收 技术 知识