第3章广播卫星与上行站VIP

1、第第2章内容的回顾章内容的回顾上行站上行站广播卫星广播卫星接收站接收站第第3章章 广播卫星与上行站广播卫星与上行站3.1 上行站上行站3.2 同步卫星同步卫星3.3 日凌与卫星蚀日凌与卫星蚀3.4 卫星广播使用的频率范围卫星广播使用的频率范围3.5 广播卫星广播卫星3.6 广播卫星的电参数广播卫星的电参数3.7 大气层对电波传播产生的影响大气层对电波传播产生的影响3.8 极化旋转效应极化旋转效应3.9 雨致衰减雨致衰减3.1 上行站上行站1.1.主要作用主要作用2.2.组成框图组成框图3.3.工作过程工作过程 3.1 上行站上行站-主要作用主要作用 在数字卫星广播系统中，上行地球站在数字卫星广

2、播系统中，上行地球站是一个十分重要的组成部分。是一个十分重要的组成部分。 它担负着把节目中心传送来的信号发它担负着把节目中心传送来的信号发送给广播卫星的任务。送给广播卫星的任务。 同时还要随时监测卫星下行信号的质同时还要随时监测卫星下行信号的质量；有些上行地球站还承担着对卫星进行量；有些上行地球站还承担着对卫星进行遥测、跟踪和遥控的任务遥测、跟踪和遥控的任务。 3.1 上行站上行站-组成框图组成框图(1)(1) 图图3.1是一个比较典型的数字卫星上行地球站的组是一个比较典型的数字卫星上行地球站的组成框图。成框图。 在这个卫星上行地球站内为了保证可靠性，采用了在这个卫星上行地球站内为了保证可靠性

3、，采用了双机备份的工作方式，一路为双机备份的工作方式，一路为主机主机，另一路为，另一路为副机副机，主副机之间是可以自动切换的，一旦主机发生了故主副机之间是可以自动切换的，一旦主机发生了故障，就自动切换到副机上，从而保证了工作的不间障，就自动切换到副机上，从而保证了工作的不间断性。断性。图中高功率放大器采用了主副机，调制器和图中高功率放大器采用了主副机，调制器和上变频器也采用了主副机。上变频器也采用了主副机。 图中显示的输入信号有两路，也就是说这个数字卫图中显示的输入信号有两路，也就是说这个数字卫星上行地球站采用的是星上行地球站采用的是MCPC工作方式，若采用工作方式，若采用SCPC工作方式，将

4、图中的另一路信源编码器略去工作方式，将图中的另一路信源编码器略去就可以了。就可以了。信源编码V1A1信源编码V2A2复接器Data信道编码QPSK调制上变频(主)信源编码V1A1信源编码V2A2复接器Data信道编码QPSK调制上变频(副)功放器高功放(主)高功放(副)图3.1 数字卫星上行地球站的框图3.1 上行站上行站-组成框图组成框图(2)上行站的室内部分上行站的室内部分上行站的室外部分上行站的室外部分 数字卫星电视的输入信号有三个，它们是音频信号数字卫星电视的输入信号有三个，它们是音频信号(A)、视频信号视频信号(V)和数据信号和数据信号(Data)。(1)模拟的音频信号和视频信号先送

5、入模拟的音频信号和视频信号先送入信源编码器信源编码器，生成经过压缩的数字信号。生成经过压缩的数字信号。 信源压缩编码的标准称为信源压缩编码的标准称为MPEG2，该标准是由该标准是由国际上的国际上的“运动图象专家组运动图象专家组”制订的，目前得到了制订的，目前得到了广泛地应用，如在数字卫星广播、高清晰度电视、广泛地应用，如在数字卫星广播、高清晰度电视、数字电视、数字电视、DVD等领域。信源编码器的作用是对经等领域。信源编码器的作用是对经过采样和量化后形成的数字信号进行压缩，未经压过采样和量化后形成的数字信号进行压缩，未经压缩的数字信号由于数据量太大，因此是不能传输的，缩的数字信号由于数据量太大，

6、因此是不能传输的，难以储存的。难以储存的。 3.1 上行站上行站-工作过程工作过程(1) 信源编码器输出的是压缩后的数字信号，称为信源编码器输出的是压缩后的数字信号，称为传输传输码流码流(TS,Transport Stream)，其中视频信息和音频其中视频信息和音频信息都被打成一定格式的数据信息都被打成一定格式的数据包包(分组分组)，每个数据，每个数据包的长度都是包的长度都是188字节，其中包括一个字节，其中包括一个同步字节同步字节。数据信号也要按照这个格式打包。数据信号也要按照这个格式打包。(2)复接器将音频数据包、视频数据包和数据数据包复接器将音频数据包、视频数据包和数据数据包按一定规律组

7、合在一起，形成一个整体的数据信号。按一定规律组合在一起，形成一个整体的数据信号。 显然由于视频信号的信息量最多，因此视频数据包显然由于视频信号的信息量最多，因此视频数据包的数目也就最多，而数据数据包的数量则最少。的数目也就最多，而数据数据包的数量则最少。 采用采用MCPC方式时，多路音频视频信号形成的数方式时，多路音频视频信号形成的数据包也是混合在一起的。据包也是混合在一起的。3.1 上行站上行站-工作过程工作过程(2)(3)复接器的输出送入信道编码器。复接器的输出送入信道编码器。 信道编码器的作用是尽量减少在传输过程中形成的信道编码器的作用是尽量减少在传输过程中形成的误码。当误码率大于一定的

8、数值之后，数字接收机误码。当误码率大于一定的数值之后，数字接收机就不能正常地对数字信号进行解码，因此在屏幕上就不能正常地对数字信号进行解码，因此在屏幕上就会出现所谓的就会出现所谓的“马赛克马赛克”现象，再严重一些接收现象，再严重一些接收机就要机就要“死机死机”，这是数字卫星接收机与模拟卫星，这是数字卫星接收机与模拟卫星接收机的区别之一。在传输信道中出现的噪声和各接收机的区别之一。在传输信道中出现的噪声和各种干扰是产生误码的原因，而这些干扰又是不可避种干扰是产生误码的原因，而这些干扰又是不可避免的，因此人们就要想办法对误码进行纠正，这些免的，因此人们就要想办法对误码进行纠正，这些工作就要靠信道编

9、码来解决，由此我们可以看出信工作就要靠信道编码来解决，由此我们可以看出信道编码环节的重要性。道编码环节的重要性。 信道编码器主要由信道编码器主要由能量扩散能量扩散、外码编码外码编码、卷积交织卷积交织、内码编码内码编码等几部分组成。等几部分组成。3.1 上行站上行站-工作过程工作过程(3)(4)经过信道编码之后，信号进入经过信道编码之后，信号进入QPSK调制器。调制器。 目前，各种数字卫星广播方式均采用目前，各种数字卫星广播方式均采用QPSK调制方调制方式，其式，其主要原因在于主要原因在于QPSK调制特别适合于弱信号调制特别适合于弱信号的场合，也就是说在输入的的场合，也就是说在输入的载噪比载噪比

10、比较低的情况下，比较低的情况下，能够获得比较低的误码率。由于卫星信号的传输距能够获得比较低的误码率。由于卫星信号的传输距离在离在40000km左右，信号当然是比较弱的，通常地左右，信号当然是比较弱的，通常地面的场强在面的场强在1530dBVm的范围之内，在这样的的范围之内，在这样的信号强度的条件下，采用信号强度的条件下，采用QPSK调制方式能够得到调制方式能够得到足够的信噪比。足够的信噪比。 QPSK调制属于中频调制，一般中频的频率为调制属于中频调制，一般中频的频率为70MHz。需要说明的是，经过需要说明的是，经过QPSK调制的载波信调制的载波信号又成为了模拟信号，数字卫星广播地球站其后的号又

11、成为了模拟信号，数字卫星广播地球站其后的设备与模拟卫星广播地球站的情况就很相近了。设备与模拟卫星广播地球站的情况就很相近了。3.1 上行站上行站-工作过程工作过程(4)(5)中频信号直接送入上变频器，上变频器输出的频中频信号直接送入上变频器，上变频器输出的频率就是卫星的上行频率，率就是卫星的上行频率，C波段卫星的上行频率为波段卫星的上行频率为6GHz，Ku波段卫星的上行频率为波段卫星的上行频率为14CHz。在图在图3.1所示的地球站系统中，上变频器共有两个，所示的地球站系统中，上变频器共有两个，一个为主机，另一个为副机，两个的输出接到一个切一个为主机，另一个为副机，两个的输出接到一个切换开关上

12、，以便自动切换，这样作的目的就是提高工换开关上，以便自动切换，这样作的目的就是提高工作的可靠性。作的可靠性。3.1 上行站上行站-工作过程工作过程(5)(6)上变频器输出的信号经过切换之后送入高功率放上变频器输出的信号经过切换之后送入高功率放大器，以便获得足够的功率。大器，以便获得足够的功率。模拟卫星地球站的输出功率可达模拟卫星地球站的输出功率可达100W以上，而数字以上，而数字卫星地球站的输出功率一般不超过卫星地球站的输出功率一般不超过100W。高功率高功率放大器往往采用速调管放大器，速调管也是一种微放大器往往采用速调管放大器，速调管也是一种微波电子管，它有两个或两个以上的谐振腔。它的工波电

13、子管，它有两个或两个以上的谐振腔。它的工作是利用电子的渡越时间，并采用速度调制的方式作是利用电子的渡越时间，并采用速度调制的方式来完成的。高功率放大器也有备份。来完成的。高功率放大器也有备份。(7)高功率放大器输出大功率射频信号通过天线发送高功率放大器输出大功率射频信号通过天线发送到位于同步轨道的广播卫星上去。到位于同步轨道的广播卫星上去。 通常卫星地球站的天线都是大口径天线，直径在通常卫星地球站的天线都是大口径天线，直径在620m的范围内。天线的形式大多为双反射面天线，的范围内。天线的形式大多为双反射面天线，有些采用卡赛格伦天线，有些采用格里高利天线，有些采用卡赛格伦天线，有些采用格里高利天

14、线，采用后者的好处是收发可以共用一副天线。采用后者的好处是收发可以共用一副天线。3.1 上行站上行站-工作过程工作过程(6)3.2 同步卫星同步卫星1. 卫星的分类卫星的分类2. 同步卫星轨道同步卫星轨道3. 同步卫星的摄动同步卫星的摄动4. 卫星接收天线的俯仰角和方卫星接收天线的俯仰角和方位角位角卫星的图片卫星的图片3.2 同步卫星同步卫星-卫星的分类卫星的分类(1)根据运行轨道的根据运行轨道的高度高度h、运转周期运转周期T、倾斜角度倾斜角度v的不的不同，可将人造地球卫星分为几种类型。同，可将人造地球卫星分为几种类型。 1.按轨道高度（指卫星距其正下方的按轨道高度（指卫星距其正下方的星下点星

15、下点的高度）的高度）划分划分 (1)低高度卫星：低高度卫星：h5000km，T4小时。小时。 (2)中高度卫星：中高度卫星：5000kmh20000km，T=412小小时。时。 (3)高高度卫星：高高度卫星：h20000km，T12小时。小时。3.2 同步卫星同步卫星-卫星的分类卫星的分类(2) 2.按运转周期划分按运转周期划分 (1)同步卫星同步卫星：T24恒星时恒星时。 (2)准同步卫星：准同步卫星：T24N恒星时或恒星时或T=24N恒星时，恒星时，N2，3，4，5。 (3)非同步卫星：其它情况。非同步卫星：其它情况。 恒星时是完全以地球自转周期为基准的时间计量系统，恒星时是完全以地球自转

16、周期为基准的时间计量系统，它与我们日常生活中使用的平太阳时有所区别。由于它与我们日常生活中使用的平太阳时有所区别。由于地球在自转的同时，还围绕着太阳公转，地球的公转地球在自转的同时，还围绕着太阳公转，地球的公转周期约为周期约为365.25天，因此地球的公转速度大约是天，因此地球的公转速度大约是59秒秒天。根据精确的测量，天。根据精确的测量，l恒星日恒星日(24恒星时恒星时)=23小时小时56分分4.0905秒秒(平太阳时平太阳时)。也就是说，按照我们日常使用。也就是说，按照我们日常使用的时间单位，同步卫星的运转周期为的时间单位，同步卫星的运转周期为23：56：04.0905。 由于由于同步卫星

17、同步卫星的运转周期与地球本身自转周期完全相的运转周期与地球本身自转周期完全相同，所以从地面上看，同步卫星在天空中是固定不动同，所以从地面上看，同步卫星在天空中是固定不动的，因此又被称为对地静止卫星，简称的，因此又被称为对地静止卫星，简称静止卫星静止卫星。静止卫星的运动静止卫星的运动3.2 同步卫星同步卫星-卫星的分类卫星的分类(3) 3.按轨道平面的倾斜角度划分按轨道平面的倾斜角度划分 (1)赤道轨道卫星：赤道轨道卫星：v=0度，卫星轨道平面与地球赤度，卫星轨道平面与地球赤道平面重合。道平面重合。 (2)极轨道卫星：极轨道卫星：v90度，卫星轨道平面与地球赤度，卫星轨道平面与地球赤道平面垂直。

18、道平面垂直。 (3)倾斜轨道卫星：倾斜轨道卫星：v其它，卫星轨道平面与地球其它，卫星轨道平面与地球赤道平面有倾角。赤道平面有倾角。 同步卫星属于高高度卫星，同时它又是赤道轨道卫星。同步同步卫星属于高高度卫星，同时它又是赤道轨道卫星。同步卫星无疑是最适合作为广播之用的，与其它的卫星相比，它卫星无疑是最适合作为广播之用的，与其它的卫星相比，它有如下的优点：有如下的优点： (1)接收天线容易对准卫星，同时天线的跟踪系统比较简单。接收天线容易对准卫星，同时天线的跟踪系统比较简单。 (2)由于卫星的位置固定，因此不存在由于卫星的位置固定，因此不存在多普勒频移现象多普勒频移现象。 (3)服务区域比较大，一

19、颗同步卫星大概可以覆盖地球表面的服务区域比较大，一颗同步卫星大概可以覆盖地球表面的42。 (4)广播信道大部分处于真空之中，因此工作相对稳定，信号广播信道大部分处于真空之中，因此工作相对稳定，信号质量高。质量高。 当前，卫星广播系统中都采用同步卫星。当前，卫星广播系统中都采用同步卫星。3.2 同步卫星同步卫星-卫星的分类卫星的分类(4)1842年，奥地利科学家多普勒年，奥地利科学家多普勒,发现声源与接收体发生相对运动时发现声源与接收体发生相对运动时,接收体所接收体所接收到的频率接收到的频率,与声源发射频率间能产生频移现象与声源发射频率间能产生频移现象,即移动声源由远到近即移动声源由远到近,接收

20、接收体所获频率由低转高。现实生活中最有代表意义的例子体所获频率由低转高。现实生活中最有代表意义的例子,就是迎面驶来的火就是迎面驶来的火车汽笛声由低到高车汽笛声由低到高;当远离我们而去时汽笛声调变低。此种频移现象就是著当远离我们而去时汽笛声调变低。此种频移现象就是著名的名的多普勒现象多普勒现象,或称或称多普勒效应多普勒效应。 3.2 同步卫星同步卫星-同步卫星轨道同步卫星轨道(1)分析方法分析方法:根据力学理论，地球和行星围绕太阳的旋转运动以及根据力学理论，地球和行星围绕太阳的旋转运动以及月亮围绕地球的旋转运动均可以归结为两体问题；月亮围绕地球的旋转运动均可以归结为两体问题；同样，同样，人造地球

21、卫星围绕地球的旋转运动也可以按人造地球卫星围绕地球的旋转运动也可以按两体问题来分析两体问题来分析。在两体问题中，将太阳与行星、在两体问题中，将太阳与行星、地球与其卫星均看作是两个质点，两者在万有引力地球与其卫星均看作是两个质点，两者在万有引力的作用下运动。的作用下运动。德国著名的天文学家开普勒德国著名的天文学家开普勒(Johannes Kepler，15711630)，仔细地分析和研仔细地分析和研究了前人对天体运动的观测资料，特别是丹麦天文究了前人对天体运动的观测资料，特别是丹麦天文学家布拉赫学家布拉赫(Tycho Brahe，15461601)记录下来的记录下来的大量精确观测数据后，在大量精

22、确观测数据后，在17世纪初，世纪初，开普勒提出了开普勒提出了科学史上有名的行星运动三定律，称为开普勒定律。科学史上有名的行星运动三定律，称为开普勒定律。开普勒定律为牛顿日后发现万有引力定律打下了良开普勒定律为牛顿日后发现万有引力定律打下了良好的基础。好的基础。3.2 同步卫星同步卫星-同步卫星轨道同步卫星轨道(2) 开普勒定律的具体表述如下：开普勒定律的具体表述如下： (1)行星沿椭圆轨道绕太阳运行，太阳位于椭圆的行星沿椭圆轨道绕太阳运行，太阳位于椭圆的个焦点上。个焦点上。 (2)对于任一行星来说，其位置矢量对于任一行星来说，其位置矢量(太阳中心至行太阳中心至行星中心的矢量星中心的矢量)在相等

23、时间之内扫过的面积相等。在相等时间之内扫过的面积相等。 (3)行星绕太阳运动周期的平方和椭圆轨道的半长轴行星绕太阳运动周期的平方和椭圆轨道的半长轴的立方成正比。的立方成正比。 人造地球卫星围绕地球的运动也遵循开普勒定律，人造地球卫星围绕地球的运动也遵循开普勒定律，我们在此处要解决的是同步卫星轨道参数问题。我们在此处要解决的是同步卫星轨道参数问题。 3.2 同步卫星同步卫星-同步卫星轨道同步卫星轨道(3) 开普勒第三定律的数学表达式为：开普勒第三定律的数学表达式为： (31) 其中，其中，T为卫星的周期，为卫星的周期，a为椭圆轨道的半长轴，为椭圆轨道的半长轴，G为为引力恒量，它是与物体性质无关的

24、普遍常数，引力恒量，它是与物体性质无关的普遍常数，ME为为地球的质量。根据对称的要求，地球的质量。根据对称的要求，同步卫星的轨道应该同步卫星的轨道应该是一个圆形轨道是一个圆形轨道，(31)式中的椭圆半长轴应改为圆式中的椭圆半长轴应改为圆的半径的半径RS，同时引力恒量与地球质量的乘积又称为地同时引力恒量与地球质量的乘积又称为地球引力常数，其数值为：球引力常数，其数值为： GME=3.986031014m3/s2 (32) 3.2 同步卫星同步卫星-同步卫星轨道同步卫星轨道(4) 由由(31)式可以解出同步卫星轨道的半径式可以解出同步卫星轨道的半径RS， (33) 将地球的自转周期将地球的自转周期

25、T86164s带入上式，便可得到带入上式，便可得到同步卫星的轨道半径数值，同步卫星的轨道半径数值， RS=42164km (34) 地球的半径为：地球的半径为： RE=6378km (35) 故同步卫星的高度为：故同步卫星的高度为： hRSRE35786km (36) 3.2 同步卫星同步卫星-同步卫星轨道同步卫星轨道(5) 同步卫星轨道的示意图见图同步卫星轨道的示意图见图3.2，其中卫星的，其中卫星的偏航偏航轴轴(Yaw)指向地心，指向地心，滚动轴滚动轴(Roll)指向卫星前进的方指向卫星前进的方向，向，俯仰轴俯仰轴(Pitch)则垂直于卫星轨道平面。则垂直于卫星轨道平面。 由于同步卫星是赤

26、道轨道卫星，卫星位置的纬度为由于同步卫星是赤道轨道卫星，卫星位置的纬度为00，因此，因此表明一颗同步卫星的位置仅使用经度就可表明一颗同步卫星的位置仅使用经度就可以了以了。 例如，例如，1100E表明卫星位于东经表明卫星位于东经1100的赤道正上方，的赤道正上方，56.60W则表明卫星的位置在西经则表明卫星的位置在西经56.60的赤道正上方。的赤道正上方。在本课程中，卫星的位置记为在本课程中，卫星的位置记为S。3.2 同步卫星同步卫星-同步卫星轨道同步卫星轨道(6)RE=6378km N S Satellite RollPitchYawh=35786km图图3.2 同步卫星轨道同步卫星轨道3.2

27、 同步卫星同步卫星-同步卫星的摄动同步卫星的摄动(1) 摄动产生的原因有：摄动产生的原因有：(1)太阳的引力太阳的引力(2)月球的引力月球的引力(3)地球引力的不均匀性地球引力的不均匀性(4)太阳的辐射压力太阳的辐射压力由于受到各种因素的影响，实际的同步卫星相对由于受到各种因素的影响，实际的同步卫星相对地面来说并不是绝对静止不动的，而是在其指定地面来说并不是绝对静止不动的，而是在其指定位置附近作小幅度的飘动，应该说绝对静止是一位置附近作小幅度的飘动，应该说绝对静止是一种理想的情况。同步卫星偏离理想同步轨道的现种理想的情况。同步卫星偏离理想同步轨道的现象称为象称为摄动摄动。1.含义含义2.原因原

28、因3.2 同步卫星同步卫星-同步卫星的摄动同步卫星的摄动(2)3.结论结论为了保证卫星电视的连续性，必须对卫星的摄为了保证卫星电视的连续性，必须对卫星的摄动加以动加以校正校正，使卫星位置的误差始终保持在，使卫星位置的误差始终保持在允许的范围之内。目前，同步卫星位置误差允许的范围之内。目前，同步卫星位置误差范围的典型数值在范围的典型数值在0.250左右。左右。3.2 同步卫星同步卫星-卫星接收天线的卫星接收天线的 俯仰角俯仰角和和方位角方位角(1)为了将接收天线对准广播卫星，在每一个卫为了将接收天线对准广播卫星，在每一个卫星接收地点都要确定该点接收天线的星接收地点都要确定该点接收天线的仰角仰角和

29、和方位角方位角。计算天线仰角和方位角时，一。计算天线仰角和方位角时，一般是采用球面三角和解析几何的方法，在般是采用球面三角和解析几何的方法，在本课程中则使用矢量代数法，其特点是概本课程中则使用矢量代数法，其特点是概念明确，几何关系清楚，同时可以推广到念明确，几何关系清楚，同时可以推广到其它一些与卫星有关的问题，如日凌问题、其它一些与卫星有关的问题，如日凌问题、极轴式天线问题、天线的极化角问题等。极轴式天线问题、天线的极化角问题等。仰角仰角和和方位角方位角的定义的定义3.2 同步卫星同步卫星-卫星接收天线的卫星接收天线的 俯仰角俯仰角和和方位角方位角(2) 设设接收地点的接收地点的纬度为纬度为，

30、经度为经度为R，卫星的经度为卫星的经度为S。为了便于分析，引入为了便于分析，引入相对经度相对经度（即接收地点与即接收地点与卫星的经度差卫星的经度差）：）： =Rs （37） 需要特别说明的是：在东半球经度取正值，在西半需要特别说明的是：在东半球经度取正值，在西半球经度取负值。球经度取负值。 我们知道地球的半径为我们知道地球的半径为6378km，同步卫星的高度同步卫星的高度为为35786km，以地球半径为单位长度，于是同步卫以地球半径为单位长度，于是同步卫星轨道的星轨道的相对半径相对半径为：为： =1+(35786/6378)=6.6108 （38）接收地点与同步卫星之间的几何关系，天线的方位角

31、、接收地点与同步卫星之间的几何关系，天线的方位角、仰角与卫星位置矢量和接收地点经度、纬度之间的仰角与卫星位置矢量和接收地点经度、纬度之间的几何关系都是确定的。几何关系都是确定的。 在地球上任何一个接收地点，接收天线到同步卫星在地球上任何一个接收地点，接收天线到同步卫星的距离的距离d的取值范围是的取值范围是3578641678km。 接收地点至同步卫星的实际距离接收地点至同步卫星的实际距离d的计算公式为：的计算公式为： (km) 接收天线仰角接收天线仰角EL的计算公式为：的计算公式为： (角度角度) coscos22.1370.446378d22coscos115127. 0coscosarct

32、gEL 3.2 同步卫星同步卫星-卫星接收天线的俯仰角卫星接收天线的俯仰角和和方位角方位角(3)接收天线方位角接收天线方位角AZ的计算公式为：的计算公式为： （角度）（角度） 注意：接收天线的方位角为代数量，根据上式有：南，注意：接收天线的方位角为代数量，根据上式有：南，AZ=00；西，西，AZ=900；东，东，AZ=900。3.2 同步卫星同步卫星-卫星接收天线的卫星接收天线的 俯仰角俯仰角和和方位角方位角(4)sintgarctgAZ 1.日凌日凌 2.卫星蚀卫星蚀日凌和卫星蚀都是由于日凌和卫星蚀都是由于地球地球、太阳太阳和和卫星卫星三者三者成为成为一条直线一条直线而产生的。在发生日凌和卫

33、星而产生的。在发生日凌和卫星蚀时，卫星电视和卫星通信会受到一定的影蚀时，卫星电视和卫星通信会受到一定的影响。响。3.3 日凌与卫星蚀日凌与卫星蚀3.3 日凌与卫星蚀日凌与卫星蚀-日凌日凌(1) 日凌的名称来自于天文学，意为内行星（水星或金日凌的名称来自于天文学，意为内行星（水星或金星）运行到太阳和地球的中间，地球上的观测者有星）运行到太阳和地球的中间，地球上的观测者有时可看到太阳上出现了小黑圆点的现象，如水星凌时可看到太阳上出现了小黑圆点的现象，如水星凌日、金星凌日等等。日、金星凌日等等。 当同步广播卫星在接收地点地球上的位置恰好与太当同步广播卫星在接收地点地球上的位置恰好与太阳的位置重合时，

34、就产生了阳的位置重合时，就产生了“卫星凌日卫星凌日”现象，亦现象，亦称日凌。称日凌。 在发生日凌时，卫星接收天线、同步卫星和太阳三在发生日凌时，卫星接收天线、同步卫星和太阳三者成了一条直线。由于卫星接收天线对准了太阳，者成了一条直线。由于卫星接收天线对准了太阳，而太阳本身又是一个巨大的无线电干扰源，因此太而太阳本身又是一个巨大的无线电干扰源，因此太阳的辐射将对卫星广播和卫星通信产生很大的影响。阳的辐射将对卫星广播和卫星通信产生很大的影响。3.3 日凌与卫星蚀日凌与卫星蚀-日凌日凌(2)根据实际的观测记录，对于模拟式卫星广播来说，日根据实际的观测记录，对于模拟式卫星广播来说，日凌使图象上出现很严

35、重的噪点干扰，图象几乎被噪凌使图象上出现很严重的噪点干扰，图象几乎被噪声完全淹没了，故造成广播或通信线路的中断；声完全淹没了，故造成广播或通信线路的中断；而而对于数字式卫星广播来说，只要干扰引起的误码率对于数字式卫星广播来说，只要干扰引起的误码率达到一定数值，信号就立即达到一定数值，信号就立即中断中断，类似于一种，类似于一种门限门限效应效应，同时很多数字式卫星接收机一旦信号中断，同时很多数字式卫星接收机一旦信号中断，它就它就“死机死机”，需要值班的工作人员手工启动，因，需要值班的工作人员手工启动，因此日凌对数字卫星接收产生的实际影响是比较大的，此日凌对数字卫星接收产生的实际影响是比较大的，特别

36、是在值班人员未能及时启动卫星接收机的情况特别是在值班人员未能及时启动卫星接收机的情况下。下。根据地球、卫星和太阳三者间的几何关系，可以分析根据地球、卫星和太阳三者间的几何关系，可以分析出来：在赤道上，日凌发生在春分和秋分的时候；出来：在赤道上，日凌发生在春分和秋分的时候；在本半球，日凌发生在春分之前及秋分之后，具体在本半球，日凌发生在春分之前及秋分之后，具体日期要根据接收点的纬度来确定；在南半球，日凌日期要根据接收点的纬度来确定；在南半球，日凌发生在春分之后及秋分之前。发生在春分之后及秋分之前。 3.3 日凌与卫星蚀日凌与卫星蚀-日凌日凌(3)3.3 日凌与卫星蚀日凌与卫星蚀-卫星蚀卫星蚀(1

37、)卫星蚀与月食类似，当同步卫星进入地球的阴影区域卫星蚀与月食类似，当同步卫星进入地球的阴影区域之后，卫星见不到太阳光，就发生卫星蚀。之后，卫星见不到太阳光，就发生卫星蚀。 由于同步卫星上使用的电源主要依靠太阳能电池板，由于同步卫星上使用的电源主要依靠太阳能电池板，在发生卫星蚀的期间内，太阳能电池不能提供电能，在发生卫星蚀的期间内，太阳能电池不能提供电能，卫星只能依赖蓄电池或燃料电池等备用电源来提供卫星只能依赖蓄电池或燃料电池等备用电源来提供电能。以前，卫星蚀对卫星广播的影响是很严重的，电能。以前，卫星蚀对卫星广播的影响是很严重的，因为太阳能电池不工作，卫星广播只能中断，每年因为太阳能电池不工作

38、，卫星广播只能中断，每年的春分和秋分前后的各的春分和秋分前后的各23天，都会发生卫星蚀，也天，都会发生卫星蚀，也就是说一年内，卫星广播在总共约就是说一年内，卫星广播在总共约92天的时间内会天的时间内会发生中断，而在春分和秋分的当天，中断的时间可发生中断，而在春分和秋分的当天，中断的时间可长达长达72分钟。现在广播卫星上的备用电源有了相当分钟。现在广播卫星上的备用电源有了相当的改进，在发生卫星蚀的期间内，可以保证卫星的的改进，在发生卫星蚀的期间内，可以保证卫星的正常工作，因此近年来人们不大关心卫星蚀的问题正常工作，因此近年来人们不大关心卫星蚀的问题了，但是卫星蚀本身是依然存在的。了，但是卫星蚀本

39、身是依然存在的。 根据地球围绕太阳转动的规律，在每年的春分根据地球围绕太阳转动的规律，在每年的春分和秋分时，卫星、地球和太阳三者就会形和秋分时，卫星、地球和太阳三者就会形成成条直线，因此当地球位于太阳和卫星之条直线，因此当地球位于太阳和卫星之间时就发生卫星蚀，也就是说卫星进入了地间时就发生卫星蚀，也就是说卫星进入了地球的阴影区之内。地球的阴影分为本影和半球的阴影区之内。地球的阴影分为本影和半影，在本影区域内太阳光完全被地球遮挡，影，在本影区域内太阳光完全被地球遮挡，而在半影区域内部分太阳光被地球遮挡，半而在半影区域内部分太阳光被地球遮挡，半影区域要比本影区域大得多。卫星一旦进入影区域要比本影区

40、域大得多。卫星一旦进入半影区域，卫星蚀就开始了。半影区域，卫星蚀就开始了。3.3 日凌与卫星蚀日凌与卫星蚀-卫星蚀卫星蚀(2)我们知道，频率是一种宝贵的资源。为了保证各种通我们知道，频率是一种宝贵的资源。为了保证各种通信和广播业务的正常进行，充分地利用频谱资源，信和广播业务的正常进行，充分地利用频谱资源，国际电信联盟国际电信联盟(ITU)在近三十年间召开过几届世界在近三十年间召开过几届世界无线电行政大会无线电行政大会(WARC)来规定并协调频率资源的来规定并协调频率资源的使用。使用。1 9 7 1 年 召 开 的 宇 宙 通 信 世 界 无 线 电 行 政 大 会年 召 开 的 宇 宙 通 信

41、 世 界 无 线 电 行 政 大 会(WARCST)规定了广播卫星优先使用的频率范围规定了广播卫星优先使用的频率范围是是11.712.5GHz，但是由于技术方面原因，起初卫但是由于技术方面原因，起初卫星广播使用的一直是分配给卫星通信的波段，直至星广播使用的一直是分配给卫星通信的波段，直至近年来卫星广播才开始使用近年来卫星广播才开始使用WARC分配给卫星广播分配给卫星广播业务业务(BSS)的波段。的波段。3.4 卫星广播使用的频率范围卫星广播使用的频率范围(1)3.4 卫星广播使用的频率范围卫星广播使用的频率范围(2) 国际电信联盟在分配无线电使用频率时，将全世界国际电信联盟在分配无线电使用频率

42、时，将全世界划分为划分为三个区域三个区域：第一区，范围是非洲、欧洲及伊：第一区，范围是非洲、欧洲及伊朗以西和中国以北的亚洲地区；第二区，范围是南朗以西和中国以北的亚洲地区；第二区，范围是南北美洲；第三区，范围是伊朗以东和蒙古以南的亚北美洲；第三区，范围是伊朗以东和蒙古以南的亚洲地区、大洋洲地区。我国处于第三区。洲地区、大洋洲地区。我国处于第三区。 表表3.1给出了卫星广播的下行频率，表给出了卫星广播的下行频率，表3.2给出了卫给出了卫星广播使用的上行频率，应该说明的是卫星上行频星广播使用的上行频率，应该说明的是卫星上行频率属于卫星固定业务的频率范围。率属于卫星固定业务的频率范围。3.4 卫星广

43、播使用的频率范围卫星广播使用的频率范围(3)表表3.1 卫星广播的下行频率卫星广播的下行频率频段频段频率范围频率范围（GHz）带宽（带宽（MHz）地区地区业务划分业务划分C3.44.2800一、二、一、二、三三卫星通信卫星通信（FSS）Ku11.712.2500三三卫星广播卫星广播（BSS）Ku12.112.5400二二卫星广播卫星广播（BSS）Ku11.712.5800一一卫星广播卫星广播（BSS）Ka21.422600一、二、一、二、三三卫星广播卫星广播（BSS）3.4 卫星广播使用的频率范围卫星广播使用的频率范围(4)表表3.2 卫星广播的上行频率卫星广播的上行频率频段频段频率范围（频率

44、范围（GHz）带宽（带宽（MHz） 地区地区业务划分业务划分C5.857.0751225三三固定业务固定业务Ku14.014.8800三三固定业务固定业务Ku17.317.8500三三固定业务固定业务3.4 卫星广播使用的频率范围卫星广播使用的频率范围(5)以我国中央电视台和若干地方电视台租用的亚洲以我国中央电视台和若干地方电视台租用的亚洲二号卫星为例，其二号卫星为例，其C波段转发器的上行频率范围波段转发器的上行频率范围是是58476421MHz，下行频率范围是下行频率范围是36224196MHz；Ku波段转发器的上行频率范围波段转发器的上行频率范围是是1400314297MHz，下行频率范围

45、是下行频率范围是1220312504MHz。1.广播卫星的组成广播卫星的组成2.天线子系统天线子系统3.广播子系统广播子系统4.电源子系统电源子系统5.跟踪遥测指令子系统跟踪遥测指令子系统(TTC系统系统)6.姿态控制子系统姿态控制子系统3.5 广播卫星广播卫星 根据用途根据用途，目前使用的同步卫星有通信卫星、广播卫，目前使用的同步卫星有通信卫星、广播卫星、海事卫星、数据中继卫星等几种，其中广播卫星星、海事卫星、数据中继卫星等几种，其中广播卫星与通信卫星的差别是很小的，很多卫星广播业务都是与通信卫星的差别是很小的，很多卫星广播业务都是租用了通信卫星。租用了通信卫星。实际上广播卫星与通信卫星的实

46、际上广播卫星与通信卫星的主要区别在于两点主要区别在于两点：(1)工作波段，广播卫星应该工作在国际电信联盟分配给工作波段，广播卫星应该工作在国际电信联盟分配给卫星广播业务的波段内。卫星广播业务的波段内。(2)等效全向辐射功率，与通等效全向辐射功率，与通信卫星相比，广播卫星的等效全向辐射功率要大一些，信卫星相比，广播卫星的等效全向辐射功率要大一些，对于直播卫星这点就显得更为重要了。对于直播卫星这点就显得更为重要了。 3.5 广播卫星广播卫星-广播卫星的组成广播卫星的组成(1)广播卫星可以分为广播卫星可以分为五个子系统五个子系统，它们是：，它们是：(1)天线子天线子系统；系统；(2)广播子系统；广播

47、子系统；(3)电源子系统；电源子系统；(4)跟踪遥跟踪遥测指令子系统；测指令子系统；(5)姿态控制于系统。各个子系统的姿态控制于系统。各个子系统的分工明确，各司其职。分工明确，各司其职。目前，世界上著名卫星制造厂家有马丁目前，世界上著名卫星制造厂家有马丁(MARTIN)公公司、劳拉司、劳拉(LORAL)公司、休斯公司、休斯(HUGHES)公司、法公司、法国宇航等几家，他们均可提供用于广播业务的大功国宇航等几家，他们均可提供用于广播业务的大功率、大容量、长寿命的卫星平台。同时，我国也初率、大容量、长寿命的卫星平台。同时，我国也初步具备了制造通信卫星、广播卫星的能力。步具备了制造通信卫星、广播卫星

48、的能力。3.5 广播卫星广播卫星-广播卫星的组成广播卫星的组成(2)3.5 广播卫星广播卫星-广播卫星的组成广播卫星的组成(3)太阳能电池太阳能电池蓄电池蓄电池电源控制电路电源控制电路传感器传感器遥控译码器遥控译码器遥测译码器遥测译码器本机振荡器本机振荡器变频器变频器轨道控制轨道控制姿态控制姿态控制遥测发射遥测发射遥控接收遥控接收发射机发射机接收机接收机双工器双工器双工器双工器执行机构执行机构图图3.3 广播卫星的组成广播卫星的组成 卫星上的天线有若干副，分别作为卫星上的天线有若干副，分别作为转播转播和和控制控制之用。之用。从事卫星转播的天线通常是收发共用的，所以在天从事卫星转播的天线通常是收

49、发共用的，所以在天线子系统中包含了线子系统中包含了双工器双工器。根据不同的用途，卫星。根据不同的用途，卫星上的天线可以分为上的天线可以分为全球波束天线全球波束天线、半球波束半球波束 天线天线、点波束天线点波束天线、赋形波束天线赋形波束天线等几种。等几种。 1.全球波束天线全球波束天线 全球波束天线用于覆盖同步广播卫星能够覆盖的全全球波束天线用于覆盖同步广播卫星能够覆盖的全部区域，它一般由喇叭天线加上一个金属反射平面部区域，它一般由喇叭天线加上一个金属反射平面构成，波束的中心对准星下点，星下点位于赤道上，构成，波束的中心对准星下点，星下点位于赤道上，其经度与卫星的经度相同。其经度与卫星的经度相同

50、。 理想的全球波束的几何形状应该是一个圆锥面，在理想的全球波束的几何形状应该是一个圆锥面，在地球表面上它所覆盖的区域成一个球冠的形状。地球表面上它所覆盖的区域成一个球冠的形状。 3.5 广播卫星广播卫星-天线子系统天线子系统(1)3.5 广播卫星广播卫星-天线子系统天线子系统(2) 2.点波束天线点波束天线 点波束天线与全球波束天线不同，它的半功率角很点波束天线与全球波束天线不同，它的半功率角很小，一般在几度的范围之内，主要用于覆盖地球表小，一般在几度的范围之内，主要用于覆盖地球表面一个范围很小的区域。点波束天线一般采用偏馈面一个范围很小的区域。点波束天线一般采用偏馈天线的形式，反射面为旋转抛

51、物面的一部分，为了天线的形式，反射面为旋转抛物面的一部分，为了保证足够小的半功率角，反射面的口径是比较大的。保证足够小的半功率角，反射面的口径是比较大的。点波束的横截面有圆形和椭圆形之分，两者在地面点波束的横截面有圆形和椭圆形之分，两者在地面上的覆盖区域形状有所不同。上的覆盖区域形状有所不同。3.5 广播卫星广播卫星-天线子系统天线子系统(3)3.赋形波束天线赋形波束天线赋形波束天线是近年来普遍使用的卫星广播天线的形式，赋形波束天线是近年来普遍使用的卫星广播天线的形式，采用赋形波束天线可以将辐射能量集中在卫星广播的服采用赋形波束天线可以将辐射能量集中在卫星广播的服务区域之内，减少对其它区域的干

52、扰，具有比较好的电务区域之内，减少对其它区域的干扰，具有比较好的电磁兼容特性。同时采用赋形波束天线，还可以减小卫星磁兼容特性。同时采用赋形波束天线，还可以减小卫星之间的间隔，从而在同步轨道之上可以放置更多的广播之间的间隔，从而在同步轨道之上可以放置更多的广播卫星和通信卫星。卫星和通信卫星。赋形波束天线通常是由几个馈源和一个反射面组成，每个赋形波束天线通常是由几个馈源和一个反射面组成，每个馈源发出的电磁波经反射面反射之后基本上相当于一个点馈源发出的电磁波经反射面反射之后基本上相当于一个点波束天线，而不同馈源的辐射方向有所不同，同时每个波束天线，而不同馈源的辐射方向有所不同，同时每个馈源的辐射功率

53、及馈电相位也不一定相等，因此赋形波馈源的辐射功率及馈电相位也不一定相等，因此赋形波束天线可以看作是一个天线阵。根据天线综合的方法，束天线可以看作是一个天线阵。根据天线综合的方法，可以将天线的覆盖区域设计成为所需的形状。通常，赋可以将天线的覆盖区域设计成为所需的形状。通常，赋形波束天线的反射面的曲率半径都比较大，也就是说反形波束天线的反射面的曲率半径都比较大，也就是说反射面比较平，这样有利于在不同的位置放置馈源。射面比较平，这样有利于在不同的位置放置馈源。3.5 广播卫星广播卫星-天线子系统天线子系统(4) 4.双工器双工器 广播卫星的实质是位于空间上的一个微波转发器，接收广播卫星的实质是位于空

54、间上的一个微波转发器，接收机和发射机共同使用一副天线，为了保证收发共用，卫机和发射机共同使用一副天线，为了保证收发共用，卫星天线要连接到双工器上。双工器是一种微波波导器件，星天线要连接到双工器上。双工器是一种微波波导器件，它的主体是金属波导，具备滤波、阻抗匹配、分波、功它的主体是金属波导，具备滤波、阻抗匹配、分波、功率合成等功能。率合成等功能。双工器首先要保证收发之间互不干扰，双工器首先要保证收发之间互不干扰，还要保证阻抗匹配，同时其接入损耗要比较小。还要保证阻抗匹配，同时其接入损耗要比较小。 以以C波段的广播卫星为例，卫星地球站发射的信号频率波段的广播卫星为例，卫星地球站发射的信号频率为为6

55、GHz，带宽一般为带宽一般为500MHz，卫星天线将此信号接卫星天线将此信号接收下来，经过双工器，通过高通滤波把信号送至差转机收下来，经过双工器，通过高通滤波把信号送至差转机的低噪声放大器内；经过变频、功率放大等环节，形成的低噪声放大器内；经过变频、功率放大等环节，形成了频率在了频率在3.74.2GHz范围之间的功率信号，然后通过双范围之间的功率信号，然后通过双工器，把此信号送到天线上，然后发射到地面上去。工器，把此信号送到天线上，然后发射到地面上去。广播子系统简单地说就是微波差转机，输入信号频率广播子系统简单地说就是微波差转机，输入信号频率为为614GHz，输出的信号频率为输出的信号频率为4

56、12GHz。早期的广播卫星广泛地采用早期的广播卫星广泛地采用二次变频型二次变频型的的转发器转发器，它，它由低噪声放大器、下变频器、中频放大器、上变频由低噪声放大器、下变频器、中频放大器、上变频器、功率放大器等几部分组成，由于二次变频型的器、功率放大器等几部分组成，由于二次变频型的转发器仅仅使用两个功率放大器，一个放大器对应转发器仅仅使用两个功率放大器，一个放大器对应于一种极化方式，所以每个功率放大器要同时放大于一种极化方式，所以每个功率放大器要同时放大12个载波，因此容易产生交调干扰。虽然二次变频个载波，因此容易产生交调干扰。虽然二次变频型转发器具有增益高，容易实施自动增益控制等优型转发器具有

57、增益高，容易实施自动增益控制等优点，但是由于它的非线性失真比较大，因此现代的点，但是由于它的非线性失真比较大，因此现代的广播卫星不采用此种形式。广播卫星不采用此种形式。3.5 广播卫星广播卫星-广播子系统广播子系统(1)3.5 广播卫星广播卫星-广播子系统广播子系统(2) 在当代的大容量、大功率的广播卫星中普遍使用在当代的大容量、大功率的广播卫星中普遍使用一一次变频型次变频型的转发器。一次变频型又称为的转发器。一次变频型又称为单变频型单变频型(RFRF)。 一次变频型转发器由低噪声放大器、混频器、本机一次变频型转发器由低噪声放大器、混频器、本机振荡、激励放大器、分波器、行波管放大器、多工振荡、

58、激励放大器、分波器、行波管放大器、多工器组成。器组成。 需要说明的是，广播卫星转发器是没有模拟和数字需要说明的是，广播卫星转发器是没有模拟和数字之分的，因为数字信号经过数字调制之后，就变成之分的，因为数字信号经过数字调制之后，就变成了模拟信号，所以广播卫星转发器处理的都是模拟了模拟信号，所以广播卫星转发器处理的都是模拟信号。信号。3.5 广播卫星广播卫星-广播子系统广播子系统(3) 1.低噪声放大器低噪声放大器(LNA) 低噪声放大器的特点是低噪声和高增益。整个卫星低噪声放大器的特点是低噪声和高增益。整个卫星转发器的载噪比是由低噪声放大器决定的。为了尽转发器的载噪比是由低噪声放大器决定的。为了

59、尽可能地减少噪声，低噪声放大器通常采用隧道二极可能地减少噪声，低噪声放大器通常采用隧道二极管、砷化镓场效应管、高电子迁移率晶体管作为放管、砷化镓场效应管、高电子迁移率晶体管作为放大器件，合理地选定其工作点，使得噪声小，并且大器件，合理地选定其工作点，使得噪声小，并且工作稳定。由于从地面到卫星的距离在工作稳定。由于从地面到卫星的距离在40000km左左右，因此传送到卫星处的信号是很微弱的，所以低右，因此传送到卫星处的信号是很微弱的，所以低噪声放大器还必须要有足够的增益，才能保证转发噪声放大器还必须要有足够的增益，才能保证转发器的正常工作。通常低噪声放大器是由多级放大电器的正常工作。通常低噪声放大

60、器是由多级放大电路组成的。路组成的。3.5 广播卫星广播卫星-广播子系统广播子系统(4) 2.本机振荡器与混频器本机振荡器与混频器 本机振荡和混频的作用是对上行的信号进行下变频。本机振荡和混频的作用是对上行的信号进行下变频。以以C波段卫星为例，卫星地球站发射的信号频率是波段卫星为例，卫星地球站发射的信号频率是59256425MHz，而广播卫星的下行信号频率是而广播卫星的下行信号频率是37004200MHz，因此标准的本机振荡频率是因此标准的本机振荡频率是2225MHz，这属于低本振类型，因为输入频率高于这属于低本振类型，因为输入频率高于本振频率。为了保证卫星转发器的正常工作，本机本振频率。为了