衛星通信基礎知識講義(已修改)

　

【正文】 衛星接收技術66 / 66一、衛星通信基礎知識1．無線電通信基本知識振動的電場和磁場在空間的傳播叫做電磁波。由收音機收到的無線電廣播信號，由電視機收到的高頻電視信號，醫院里物理治療用的紅外線，消毒和殺菌用的紫外線，透視照相用的X射線，以及各種可見光，都屬于電磁波。 電磁波的物理量 人們用頻率、波長和波速來描述電磁波的性質。頻率是指在單位時間內電場強度矢量E（或磁場強度矢量H）進行完全振動的次數，通常用f表示。波長是指在波的傳播方向上相鄰兩個振動完全相同點之間的距離，通常用λ表示。波速是指電磁波在單位時間內傳播的距離，通常用v表示。頻率f，波長λ，和波速v之間滿足如下關系： v=λf如果一電磁波在一秒內振動一次，該電磁波的頻率就是1Hz ，即發f=1/T在國際單位制中，波速的單位是m/s(米/秒) ，波長的單位是m(米) ，頻率的單位是Hz.對于無線電信號，它屬于電磁波，它的傳播速度為光速，即每秒約前進30萬公里。波長ＹＸＯ 圖11 電磁波圖例如：對于一個頻率為102MHz的調頻廣播節目，其波長為300,000,000米除102,000,000Hz。 電磁波的種類 不同頻率的（或不同波長）電磁波具有不同的性質用途。人們按照其頻率或波長的不同把電磁波分為不同的種類，頻率在300GHz(1GHz=109Hz)以下的波稱為無線電波，主要用于廣播，電視或其他通訊。頻率在31011Hz41014Hz之間的波稱為紅外線，它的顯著特點是給人以“熱”的感覺，常用于醫學上的物理治療或紅外線加熱，探測等，1014Hz之間的波為可見光，它能引起人們的視覺，頻率在81014Hz31017Hz之間的波稱為紫外線，具有較強的殺菌能力，常用于殺菌，消毒，頻率在31017 Hz51019Hz之間的波稱為X射線（或倫琴射線）它的穿透能力很強，常用于金屬探測，人體透視等，在原子核物理中還有頻率為1018Hz1022Hz以上的射線，其穿透能力就更強了。 波段與頻道的概念 由于利用頻率可以計算出波長，一個頻率范圍將對應一個波長范圍，所以頻段與波段具有同樣的意思。兩個叫法是對應的，也是通用的，在電視廣播領域中，更多使用波段。頻道是指傳送一個信號源節目所使用的頻率（或波長）范圍。通常一個頻段（或波段）能夠再分成多個頻道。 波段的劃分 按照波長和用途不同，人們把無線電波又分成許多波段。 無線電波波段的劃分名稱英文波長范圍頻率范圍極低頻（極長波）100000Km～10000Km3Hz～30Hz超低頻（超長波）10000Km～1000Km30Hz～300Hz特低頻（特長波）ULF1000Km～100Km300Hz～3000Hz甚低頻（甚長波）VLF100Km～10Km3KHz～30KHz低頻（長波）LF10000m～1000m30KHz～300KHz中頻（中波）MF1000m～100m300KHz～3000KHz高頻（短波）HF100m～10m3MHz～30MHz甚高頻（米波）VHF10m～1m30MHz～300MHz微波特高頻（分米波）UHF10dm～1dm300MHz～3000MHz超高頻（厘米波）SHF10cm～1cm3GHz～30GHz極高頻（毫米波）EHF10mm～1mm30GHz～300GHz至高頻（亞毫米波）～1um300GHz～1000GHz微波是指波長在微米級的無線電信號。 電磁波的極化方式當電磁波在空間傳播時，其電場強度矢量E的方向具有確定的規律，這種現象稱為電磁波的極化。在均勻無限空間中傳播的電磁波是一種橫波，其電場矢量E、磁場強度矢量H和波的傳播方向三者之間，兩兩互相垂直，常用電場強度矢量E的變化來代表電磁波的變化。極化方式即衛星電視信號的電磁場的振動方向的變化方式。按照極化方式的不同，電磁波可分為線極化波和圓極化波等各種不同的類型。所謂線極化波，就是其電場強度矢量E的尾端在一直線上改變的電磁波。當E與地面垂直時，稱為垂直極化波；當E與地面平行時，稱為水平極化波。考慮到發射天線和接收天線的架設方便，減少重影，以及避開其他電波的干擾等因素，一般垂直極化波大多用于中波廣播、移動通訊、衛星電視廣播等，水平極化波大多用于短波廣播、地面電視廣播、調頻廣播和衛星電視廣播等。 Ku波段衛星通信波段及其極化方式衛星通信使用微波頻段300MHz—30GHz，采用高頻信號的目的是保證地面上發射的電磁波能夠穿透電離層到達衛星。在衛星通信中，不同的衛星，或者同一顆衛星上的不同轉發器所使用的頻率范圍都不相同，不同頻率范圍有不同的代號。，該頻率范圍簡稱C波段；, 該頻率范圍簡稱Ku波段。，屬于微波范圍的Ku波段，極化方式為垂直線極化。 同步通信衛星簡介由于電視信號屬于微波信號，早期的電視廣播信號主要在地面傳播，其傳播方式為直線傳播。由于地球本身是一個球體，傳播距離受地球彎曲弧度的影響,一般傳播距離為4060公里。要使電視信號傳播得更遠，就需要加高天線或增加中繼站。天線高度的增加是有限的，中繼站的增加會使信號衰減，成本加大。要想減少中繼站的數量，只能增加天線的高度，當我們把中繼站搬到天上后，就變成了衛星。衛星通信的目的是擴大信息的覆蓋面，減少地面微波中繼站，減少信息傳播過程中的故障率，極大地提高信息的傳輸范圍，提高信號的傳送質量。圖1－2 當衛星的軌道是圓形且在赤道平面上，飛行方向和速度與地球自轉的方向和速度相同時，從地面上任意一點看，衛星都是靜止不動，這種對地靜止的衛星稱為同步通信衛星。利用三顆同步衛星，就能夠使信號覆蓋地球的表面。用于電視節目轉發的衛星一般都是同步通信衛星。所以不同國家發射的通信衛星都在赤道的上空，同步通信衛星所處的緯度都為0℃，經度在0360℃之間。2. 衛星IP數據廣播技術簡介 衛星數據廣播技術簡介衛星數據IP廣播是通過UDP協議將數據打包送上衛星，再通過衛星下發至接收端。接收端使用指定的PC卡/接收機和相應的接收軟件即可接收。IP廣播是基于新一代的衛星數據廣播方式，需要占用專門的IP頻道資源。在我國目前有取代VBI（電視逆程窄帶數據廣播）的趨勢。中國教育電視臺的遠程教育節目將由VBI轉移到IP數據廣播方式。衛星IP數據廣播每個通道的數據傳送速率可達1Mbps，甚至更高，可以在實時傳輸高清晰度的數字視頻信號的同時傳輸遠程教學所需的其他多媒體信息，完全能夠滿足遠程教學對帶寬的要求。由于是基于廣播方式傳輸，其帶寬不受上網人數的制約，每個用戶都能擁有同樣的帶寬。IP數據廣播不同于VBI，它可以根據需要，把衛星上的轉發器帶寬分成許多份，每一份叫一個IP通道，能夠用于傳送一組類型的數據內容，可以是計算機網站信息，多媒體數據等。IP數據廣播目前在我國基本上是單向，即只能接收，也可以是雙向，即學校或家庭利用地面衛星天線和雙向設備在接收信號的同時能夠向衛星發射數據信息。 衛星數字廣播常用術語 上行頻率：指發射站把信號發射到衛星上用的頻率，由于信號是由地面向上發射，所以叫上行頻率。 轉發器：指衛星上用于接收地面發射來的信號，并對該信號進行放大，再以另一個頻率向地面進行發射的設備。一顆衛星上可以有多個轉發器。 下行頻率：指衛星向地面發射信號所使用的頻率，不同的轉發器所使用的下行頻率不同，換句話說，當我們接收不同的節目內容時，所使用的下行頻率不同，在使用衛星接收機時所設置的參數也就不同，如果設置不正確，將不能接收相應的節目內容。例如：我國鑫諾一號衛星用于數據廣播的下行頻率之一為12,620MHz。一顆衛星上有多個轉發器，所以會有多個下行頻率。 符號率：衛星節目的符號率，指數據傳輸的速率，與信號的比特率及信道參數有關，單位為MB/s。目前市場上普遍使用的“諾基亞”、“菲力浦”、“現代”、“同洲”、“九洲”等衛星電視數字解壓機的Symbol rate值在 630MB／s。從世界上衛星發展趨勢看，衛星電視的符號率越來越高，當一個載波信號攜帶的節目數越多時，此值越大。 MPEG2: 是一種動態音、視頻信號的壓縮傳輸標準(Moving Pictures Experts Group)，它分為音頻、視頻，傳輸標準等多種形式。 DVB：DVB(Digital video broadcasting)指數字視頻廣播，其主要目的是找一種對所有傳輸媒體都適用的數字電視技術與標準，其核心是以MPEG—2音、視頻編碼，有三種標準：DVBS 數據廣播衛星方式DVBC 數據廣播閉路方式DVBT 數據廣播地面微波中繼方式 糾錯方式：FEC EP前向糾錯碼方式，不同的系統會有不同的設置，接收機的FEC方式的設置必須與上行站編碼方式一致才能正確解碼，目前亞洲2號衛星的FEC值為3／4。 本振頻率：C波段衛星接收機的LNB本振頻率一般為5150MHz，而Ku頻段高頻頭的本振頻率各不相同，常用的高頻頭的本振頻率為11250或11300，具體是多少需仔細查看高頻頭包裝盒上的說明。 DiSEqC：英文為Digital Satellite Equipment Control，直譯為：“數字衛星設備控制”，、是用數字衛星電視接收機控制，發出指令集(控制指令)給相應設備，如切換開關、切換器、天線驅動設備、LNB等。工作過程是數字衛星電視接收機內部在同步時鐘脈沖配合下，通過與LNB高頻頭相連的同軸電纜線，經調制于22KHz頻率上交替變化的數字信號串行轉送相關控制指令，；；；，外設就會有信息傳回數字衛星電視接收機。簡單地理解，可認為DiSEqC是數字衛星接收機中的一個設置參數，它能夠使一個衛星接收機接收多個不同衛星天線的信號。在只有一個衛星接收天線時，該值設置為關（OFF）狀態。 PID碼：PID碼是英文Packet Identifier簡稱,是包識別碼的意思。電視信號上傳至衛星首先要對音視頻及數據信號進行編碼，用MPEG2標準壓縮成PES包，再將PES包轉換成長度為188字節的傳送IP包，它代表每幀畫面的信息量。在188字節中，用3B來表示包開始前綴，以1B來表示包標識，2B表示PES包的包長度剩下的是實時壓縮的活動圖像聲音等可變PES包，PID在傳送包的包頭上。如果不知道PID值，就不能正確接收相應的節目。具體來講，PID可分視頻、音頻兩大類，其中視頻類又分圖像、圖文類，音頻類則分電視與廣播類。簡單理解，PID就是為衛星上傳送的節目加一個編號，數字衛星接收機或PC接收卡要根據這個編號來判斷所接收的信號屬于那一個節目。PID就是收信人的地址和姓名。在衛星數據廣播中，每一個節目都有自己的PID。項目扶貧頻道的PID=b2。總之，PID值是為了區分各種數據包的用途，DVB和MPEG2標準中規定在數據包中所加的標識符。要想接收所需IP數據頻道，必須添加相應的PID值。附錄4給出了中國教育衛星寬帶傳輸網各頻道編號和PID值,以及相應的遠程教育節目名稱。3. 中國教育衛星寬帶多媒體傳輸網簡介 鑫諾一號衛星“鑫諾一號”通信衛星于1998年7月18日發射成功，它是一顆服務于中國及亞太地區的廣播通信衛星,同時也是一顆專門為電視直播業務和衛星專用通信網業務設計的通信廣播衛星。176。E赤道上空，軌道位置優越，保證了高仰角、低雨衰。整個天線覆蓋區，最低仰角均大于30176。這使得它在實現電視“村村通”、“校校通”的任務中，更具有其他軌道位置(位于偏西或偏東的衛星)所不具備的優勢。該星在設計天線波束時，充分考慮了衛星直播電視業務的需求，波束覆蓋整個中國及周邊國家和地區。Ku頻段天線波束充分考慮了衛星直播電視業務的需求和國家各部委、各省市、各大公司及各行業專用通信網的需求，波束覆蓋整個中國及周邊國家和地區，并按照中國地區的不同分布，對波束覆蓋進行優化設計，使得在中國國土的絕大部分地區，衛星的EIRP均大于47dBw,東南部地區加權6dBw以上，衛星的EIRP可達52～。所具有的覆蓋區邊緣衛星EIRP較大、覆蓋區內EIRP功率分布合理等特點將有利于地面通信網、站的設計和選型，降低地面通信網、站的費用。由于以往衛星通信網以C頻段居多，Ku頻段通信是目前衛星的發展方向，為更好地支持衛星通信網用戶的業務發展，鑫諾一號衛星配置有一對CKu頻段互聯轉發器，即C頻段通信網(地球站)發上行信號，可直接由Ku頻段通信網(地球站)接收其下行信號，從而實現了C頻段通信網(地球站)與Ku頻段通信網(地球站)之間的互聯通信，有效支持了C頻段通信網向Ku頻段通信的過渡、兼容和發展。 中國教育衛星寬帶多媒體傳輸網為貫徹《中共中央國務院關于深化教育改革全面推進素質教育的決定》，落實《國務院批轉教育部面向21世紀教育振興行動計劃的通知》中“實施現代遠程教育工程”的總體部署，為構建中國教育衛星寬帶多媒體傳輸平臺，教育部于1999年9月份開始組織實施了“衛星電視教育網絡改造項目”。該項目集成和應用了衛星通信技術、數字電視壓縮技術、計算機及網絡技術、信息安全技術等新技術，將原租用的1個C波段36MHz帶寬的衛星轉發器，改為租用大功率的54MHz帶寬的Ku頻段轉發器，增加空間頻率資源，加大衛星轉發器傳送信號強度，減小地面接收天線的尺寸，利于推廣應用；將模擬電視傳送方式改為數字壓縮傳送方式，從而充分利用衛星轉發器的資源，增加電視頻道、語音廣播頻道、IP廣播頻道的數量，擴大多媒體廣播的應用規模，推進信息化教育和計算機技術的應用普及，實現電視網、計算機網的相融合。中國教育衛星寬帶傳輸網（CEBsat）于2000年7月1日開始試播。10月31日正式啟動了現代遠程教育衛星寬帶多媒體傳輸平臺。該網采用鑫諾一號衛星Ku波段傳送，主要接收參數為：下行頻率為12620MHz，符號率為32553KB/s ，極化方式為垂直。改造后的新系統具備播出6套電視、6套語音、20套以上IP數據廣播的能力，此外，還能開展衛星因特網接入服務實驗，重點是為