广播卫星
广播卫星(Broadcast Satellite)
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什么是广播卫星[1]
广播卫星是运营卫星电视广播业务的卫星，是为地面电视运营商提供节目源的一项专业业务，是最早开始的电视业务，是点对点、点对多点的广播卫星。
广播卫星的发展[1]
自从1964年8月19日，美国率先发射成功第一颗静止同步卫星“辛康-3”之后，在近20年里，C频段、低功率和中功率广播通信卫星发展很快，可以传送数千路电话和数十路电视节目。进入90年代，数字技术进入了广播电视领域，广播卫星得到了飞跃的发展。特别是数字视频压缩技术使广播卫星实现了多频道化，并能多工利用。
广播卫星的发展经历了三个阶段：
1)低功率卫星
广播卫星在起步阶段，采用上行频率为6GHz，下行频率为4GHz的C频段卫星，卫星发射的等效全向辐射功率，EIRP为33dBW。地面TVRO站天线口径为3．3m。由于价格较高，且安装架设一个3．3m站，对站址有一定要求，所以要把它推广到个体接收有一定的困难。
2)中功率卫星
从1983年起，广播卫星采用了Ku频段卫星，EIRP=47dBW，比以前提高了很多，提高的原因，主要是因为频率提高后，相同口径的卫星天线的增益大为提高(天线增益正比于频率的平方)。当下行频率为12GHz频段，地面站天线口径可减小到1．2m，卫星电视已占30％。
3)高功率卫星
广播卫星的大功率直播卫星的EIRP达54dBW，下行频率仍为12GHz，提高EIRP的主要措施是采用了200W的星上功率放大器。地面站天线口径可减小到0．35m～0．6m。为卫星电视进入家庭创造了条件。
广播电视卫星包括通信卫星、直播卫星，向“两多、两大、一长”的方向发展。
(1)多频段、多功能：多频段包括C频段、Ku频段、Ka频段；多功能包括传输数字广播电视节目信号(码率压缩、加扰)、通信、图文电视、数据广播、全球定位系统(GPS)等；
(2)大容量、大功率：大容量是指增加转发器数量，特别是采用码率压缩技术后可使频道容量扩展几倍到几十倍；大功率是指增大转发器功率；
(3)长寿命：采用新的材料、工艺、设备、燃料、控制技术，大大提高卫星的寿命。
广播卫星的特点[1]
典型的广播卫星的特点：
1)高功率发射
高功率发射可实现接收天线小型化。由于卫星的地面功率通量密度加大，Ku频段卫星直播(DBS／DTH)业务迅速发展，接收卫星电视所需的接收天线愈来愈小。
为了让地面站用直径0．6m～3m天线的简易设备直接收看、收听卫星广播节目，广播转发器比通信转发器的输出功率要大得多，一般均采用数十至数百瓦的大功率行波管放大器，如两个135W的行波管并联，输出功率达260W；广播天线采用高增益的窄波束或成形波束，将电波能量集中到卫星覆盖区内，提高到达地面的电波强度。因此广播卫星向地面发射的等效全向辐射功率比通信卫星的高数十倍到上千倍。用作集体接收型的广播卫星的等效全向辐射功率为50dB／W左右；个体接收型的则达到60dB／W多。
2)传输容量大
一般卫星只有50左右个转发器。卫星技术、运载技术的发展，卫星的功率增大，所带的转发器数量增多。2002年发射的劳拉公司研制的卫星，总功率将达25kW，携带150个转发器。
3)Ku频段转发器成为主导
Ku频段转发器是卫星电视的频率选择方向。目前世界上有近300颗静止轨道商业通信卫星，已提供的转发器中，C频段占36％；FSS的Ku频段占47％，BSS的Ku频段占17％。随着卫星直播、卫星宽带多媒体的广泛应用，正在建造的商业卫星业务Ka频段转发器迅速增加。
4)大面积太阳电池阵
广播转发器输出功率较大，要求太阳电池能提供千瓦量级以上的电源功率和大面积太阳电池阵。因此广播卫星多采用三轴姿态控制。大型太阳电池翼，并始终自动定向对准太阳，以提高太阳光照射效率。
5)数字压缩技术
DVB—S已成为世界统一的数字卫星电视传送标准。数字卫星电视传送的图像和声音质量高；节省频谱资源，可传送的节目套数多；可灵活地组合多种业务传送；降低节目传送的运行成本；易实现加扰加密，进行条件接收和对用户的授权管理。
6)高精度轨道控制
为了使地面接收设备简单和不要求地面天线具有跟踪能力，同时又能避免卫星之间的相互干扰，广播卫星均采用地球静止卫星轨道，并能精确地保持其所在轨道位置，国际电信联盟规定，Ku频段广播卫星的轨道位置保持精度应不低于4-0．1°。
7)高精度天线指向
为了使地面接收设备简单和不要求地面天线具有跟踪能力，同时又能避免卫星之间的相互干扰，天线波束相对其标称指向的偏移在任何方向上均不超过0．1°。
8)卫星食对轨道位置选择的影响
广播卫星处于地球阴影期间时，卫星将发生卫星食。卫星食时太阳能电池停止供电。为了避免携带大容量蓄电池又不使广播电视节目在午夜时中断，广播卫星采取定点位置西移的办法，推迟卫星食停电的起始时间。
9)卫星业务向综合方向发展
特别是由于数字技术的应用，可灵活地组合多种业务。除传送电视、声音广播节目外，还可开展数据广播业务、因特网和视频点播业务等。
广播卫星的技术要求[2]
(1)广播卫星必须是对地静止的，以便观众使用简单的、无需跟踪卫星而且定向性又强的接收天线，这不仅要求使用赤道同步卫星，还要求卫星能精确地保持它在轨道上的位置和姿态。
(2)广播卫星必须有足够的有效辐射功率，以简化地面接收设备。在覆盖面积较大、波束宽度为2。左右的情况下，个体接收的卫星电视广播所需的转发器发射功率是几百瓦，等效全向辐射功率是60多分贝(瓦)，集体接收方式所需的这两项数值是几十瓦和50多分贝(瓦)。
(3)广播卫星必须有足够长的使用寿命和可靠性，以降低停播率，并避免经常更换卫星所带来的停播和浪费。为此要求使用长寿命、高可靠度的元、部件，并须设置星上备份部件、备份转发器，以及发射备份卫星。
(4)广播卫星的重量应在保证工作需要的条件下尽量减轻，以节约发射费用。为此，星上各分系统所用材料的比重要小，耗电部件应尽可能提高效率，以减轻整个星体重量。已发射的以及近期内将发射的广播卫星的重量，大体在3000—8000公斤之间。
广播卫星系统[1]
1)上行发射站
上行发射站把节目制作中心送来的节目源信号(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频段信号。上行发射站同时接收由卫星下行转发的信号，监测卫星转播节目质量。
2)卫星转发器
星载转发器用于接收地面上行站送来的上行微波信号(C频段为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，星载转发器实际上是起一个空间中继站的作用，它应以最低附加噪声和失真传送电视广播信号。
3)地面接收站
地面接收站或电视台／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，通过有线网络或无线发射，将信号输出给用户。
电视广播卫星的无线电发射功率比通信卫星要大得多。通信卫星的无线电发射功率通常只有几瓦到几十瓦，而电视广播卫星的无线电发射功率可以达到几百瓦。由于电视广播卫星具有这样大的无线电发射功率，因此地面接收站不需要像通信卫星那样要有十几米直径的抛物面接收天线，而只需要半米或几米直径的抛物面接收天线。
广播卫星系统原理[1]
1)上行发射站
上行站的作用是向卫星发射需转发的电视信号、音视频信号。以C频段为例。低通滤波器滤去6MHz以上的分量，再混入受伴音调频的6．5MHz副载波，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；经预加重及视频放大、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。中频信号上变频至6GHz频段的上行频率，变为指定的发射频率后，送到高频功率放大器进行放大，再经过馈源部分的双工器，由发射天线发射给卫星。卫星地面上行站示意图如图2所示。
卫星下行信号经双工器分出所接收到的4GHz信号，包括卫星转发的下行信号及卫星发出的信标信号。下行信号经低噪声放大、变频及解调后还原成视频和音频信号，供上行站监测电视传输质量用。信标信号送至跟踪接收机，经放大处理后，送至天线驱动机构，天线即自动跟踪卫星，发射上行信号。
上行发射站向卫星传送多路信号，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。为克服无调制或单电平调制造成的功率谱密度过大，可以采用能量扩散技术。能量扩散是人为地在电视视频信号通路中叠送一个低频的三角波，这样不论是否有调制信号，信号载波都受到此三角波的调制，使能量扩散开来，显著地降低了功率谱密度，因而降低了干扰。在接收端可以采用视频钳位的办法来消除这个附加的三角波。
(1)视频信号处理过程
①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噪声的影响。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
①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—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。
2)卫星转发器
在电视广播卫星上有C、Ku频段转发系统，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。转发器由收、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、C、Ku频段功率放大器等组成。
3)地面接收站
卫星电视接收站由天线、高频头、卫星接收机等部分组成。
(1)天线：接收来自卫星的信号。
(2)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950MHz～1450MHz的第一中频信号。
(3)卫星接收机：卫星接收机把中频信号进行解调。选台器从950MHz～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。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。