卫星电视C波段地面站CAD设计.docx
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卫星电视C波段地面站CAD设计
摘要
卫星电视是通过同步卫星向地面进行电视转播。
自1985年起,我国就租用位于东经65度的国际通信卫星来传送中央电视台和教育电视节目。
后来,我们又发射了通讯卫星,大大地提高了我国电视的覆盖率,我国电化教育因此得到了大力发展。
通过卫星传送的电视节目,图象清晰稳定,伴音悦耳动听。
同时,卫星传送还具有传输容量大,传送节目多的优点。
卫星通信作为一项传统的通信手段,具有容量大、传输质量较高、覆盖面广、通信距离远、组网灵活等特有的优势。
目前世界各国卫星电视广播普遍采用C频段(3.7~4.2GHz)和Ku频段(11.7~12.75GHz)。
因为C频段是和地面通信业务共用的,所以为了避免卫星电视信号对地面通信业务的干扰,卫星发射到地面的功率通量密度受到限制(一般EIRP=36dBW左右)。
为保证接收图像质量,通常采用口径为1.8~3.0m的接收天线。
另外,C波段卫星广播遭受地面微波等干扰源的同频干扰比较严重,这就大大地提高了对接收环境的要求。
本文介绍了选择卫星通信工作频段的原则,然后又叙述了电波传播的特点;对C波段卫星广播电视的上行发射站和调制参数进行了详细讨论。
由于卫星电视地面站的设计受到拟接收卫星的技术参数、建站点的地理条件、电磁环境及可选用的设备器材等诸多因素的制约,所以要在建站过程中进行精心的分析计算,以获得最佳的技术经济指标。
关键词:
卫星电视、C波段、地面站
Abstract
SatelliteTVissynchronoussatellitestothegroundbyTV.Since1985,Chinaislocatedinthe65degreeseastlongituderentinternationalcommunicationssatellitetotransmitCCTVandeducationTVprograms.Later,welaunchedacommunicationssatelliteTV,greatlyincreasedintheeducation,electrical-controlledcoverageasvigorouslydevelop.Thetelevisionprogramstransmittedviasatellite,imageisclearandbeautifulsoundstable.Atthesametime,thesatellitetransmissioncapacity,alsohasmanyadvantagesofprogram.Satellitecommunicationasatraditionalmeansofcommunication,largecapacityandhighqualitytransmission,coverage,communicationsandnetworkingdistanceasflexible.
NowasatelliteTVbroadcastingworldgenerallyusingCfrequency(3.7~4.2GHz)andKuband(11.7~12.75GHz).BecausethebandisandgroundcommunicationCbusiness,soinordertoavoidthecommongroundofcommunicationssatelliteTVsignalinterference,thebusinessofsatelliteintothegroundpowerlimited(averagedensityoffluxEIRP36dBW).Toensurethequalityofimages,usuallyadoptsdiameterof1.8-3.0mreceivingantenna.Inaddition,Cbandsatelliteradiointerferencefromthegroundmicrowaveetcwithfrequencyinterferenceisserious,itwillgreatlyenhancetheenvironmentofreceivingtherequest.
Thepaperintroducestheworkingbandselectionprincipleofsatellitecommunication,thendescribesthecharacteristicsofradiowavespropagation,SatelliteradioandtelevisioninCbanduplinkstationandmodulationparameterswerediscussed.Becausethegroundsatellitereceivingsatellitestodesignbythetechnicalparametersofbuildingsitesandgeographicconditions,electromagneticenvironmentandoptionalequipmentoffactorssuchasconstraints,thereforeintheprocessofestablishmentoftheanalysisandcalculationwerecarefully,toobtaintheoptimaltechnicalandeconomicindexes.
Keywords:
satelliteTV、Cband、groundstation
第一章绪论
1.1数字卫星电视系统简介
数字卫星电视是近几年迅速发展起来的,利用地球同步卫星将数字编码压缩的电视信号传输到用户端的一种广播电视形式。
主要有两种方式:
一种是将数字电视信号传送到有线电视前端,再由有线电视台转换成模拟电视传送到用户家中,这种形式已经在世界各国普及应用多年;另一种方式是将数字电视信号直接传送到用户家中即:
DirecttoHome(DTH)方式。
美国DirectTV公司是第一个应用这一技术的卫星电视营运公司。
与第一种方式相比,DTH方式卫星发射功率大,可用较小的天线接收,普通家庭即可使用。
同时,可以直接提供对用户授权和加密管理,开展数字电视,按次付费电视(PPV),高清晰度电视等类型的先进电视服务,不受中间环节限制。
此外DTH方式还可以开展许多电视服务之外的其他数字信息服务,如INTERNET高速下载,互动电视等。
DTH在国际上存在两大标准,欧洲的标准DVB-S和美国标准DigiCipher。
但DVB标准逐渐在全球广泛应用,后起的美国DTH公司DishNetwork也采用了DVB标准。
一个典型的DTH系统由六个部分组成:
(1)前端系统(Headend)
前端系统主要由视频音频压缩编码器,复用器等组成。
前端系统主要任务是将电视信号进行数字编码压缩,利用统计复用技术,在有限的卫星转发器频带上传送更多的节目。
DTH按MPEG-2标准对视频音频信号进行压缩,用动态统计复用技术,可在一个27MHz的转发器上传送多达10套的电视节目。
(2)传输和上行系统(Uplink)
传输和上行系统包括从前端到上行站的通信设备及上行设备。
传输方式主要有中频传输和数字基带传输两种。
(3)卫星(Satellite)
DTH系统中采用大功率的直播卫星或通讯卫星。
由于技术和造价等原因,有些DTH系统采用大功率通讯卫星,美国和加拿大的DTH公司采用了更为适宜的专用大功率直播卫星(DBS)。
(4)用户管理系统(SMS)
用户管理系统是DTH系统的心脏,主要完成下列功能:
A.登记和管理用户资料。
B.购买和包装节目。
C.制定节目记费标准及用户进行收费。
D.市场预测和营销。
用户管理系统主要由用户信息和节目信息的数据库管理系统以及解答用户问题,提供多种客户服务的CallCenter构成。
(5)条件接收系统(CA)
条件接收系统有两项主要功能:
A.对节目数据加密。
B.对节目和用户进行授权。
目前国际上DTH系统所采用的条件接收系统主要有:
美国NDS,以色列Irdeto,法国ViaAccess,瑞士NagraVision等。
美国DirectTV公司以及采用DirectTV技术的加拿大StarChoice公司使用的是NDS条件接收系统;美国DishNetwork(Echostar)公司以及采用Echostar技术的加拿大BellExpressVu公司使用的是NagraVission条件接收系统。
(6)用户接收系统(IRD)
(DTH用户接收系统由一个小型的碟形卫星接收天线(Dish)和综合接收解码器(IRD)及智能卡(SmartCard)组成。
IRD负责四项主要功能:
A.解码节目数据流,并输出到电视机中。
B.利用智能卡中的密钥(Key)进行解密。
C.接收并处理各种用户命令。
D.下载并运行各种应用软件。
DTH系统中的IRD已不是一个单纯的硬件设备,它还包括了操作系统和大量的应用软件。
目前较成功的IRD操作系统是OpenTV。
美国DishNetwork公司已开始逐步升级用户的IRD为OpenTV系统。
1.2研究意义
卫星电视是通过同步卫星向地面进行电视转播。
自1985年起,我国就租用位于东经65度的国际通信卫星来传送中央电视台和教育电视节目。
后来,我们又发射了通讯卫星,大大地提高了我国电视的覆盖率,我国电化教育因此得到了大力发展。
通过卫星传送的电视节目,图象清晰稳定,伴音悦耳动听。
同时,卫星传送还具有传输容量大,传送节目多的优点。
卫星通信作为一项传统的通信手段,具有容量大、传输质量较高、覆盖面广、通信距离远、组网灵活等特有的优势。
卫星电视通信系统由通信卫星和地面站两部分构成。
通信地面站的基本作用是向卫星发射信号,同时接收由其它地面站经卫星转发来的信号,是卫星通信系统中最重要的一个部分。
由于卫星电视地面站的设计受到拟接收卫星的技术参数、建站点的地理条件、电磁环境及可选用的设备器材等诸多因素的制约,所以要在建站过程中进行精心的分析计算,以获得最佳的技术经济指标。
1.3本章小结
本章首先简单地介绍了数字卫星电视系统,让我们对它有了一个大致的了解。
接着又讲述了本课题的研究意义所在,这个也是本设计的最终目标。
第二章卫星通信
2.1卫星通信的原理
从一个地面站发出无线电信号,这个微弱的信号被卫星通信天线接收后,首先在通信转发器中进行放大,变频和功率放大,最后再由卫星的通信天线把放大后的无线电波重新发向另一个地面站,从而实现两个地面站或多个地面站的远距离通信。
2.2简述卫星通信的发展史
自从1963年第一颗地球同步卫星发射入轨实现了人类使用卫星传送信息的梦想以来,卫星通信经历了发展应用的几个阶段,大体是:
第一阶段:
20世纪60年代初期至70年代中期,卫星通信尚属初创阶段,许多国际卫星通信组织,如Intelsat、Inmarsat等相继成立,并建立若干个国际卫星通信系统,展开了国际卫星通信和电视传输的新的一页;
第二阶段:
20世纪70年代中期至80年代初期,是卫星通信在国内通信领域里得到应用的旺盛时期,许多国家都相继建立了自己的国内卫星通信系统,我国也发射了东方红试验通信卫星,建立了STW系统;
第三阶段:
20世纪80年代初期至90年代初期,卫星通信迎来了一场革命性的变革,出现了VSAT系统的推广应用,为卫星通信的应用开拓了更加广阔的发展前景;
第四阶段:
20世纪90年代初期至90年代末,卫星通信又开始了新阶段,LEO和MEO移动卫星通信系统,如Iridium、Globalstar系统的采用,提供了面向手持机用户个人移动通信业务。
与此同时,利用通信卫星进行电视到用户的DTH传送以及直播广播卫星业务DBS的启用,为广大民众提供了丰富多彩的电视节目;
第五阶段:
20世纪90年代末,宽带卫星通信系统的出现和应用,提供了大容量、高速数据业务,因特网业务,多媒体业务等。
据统计,自20世纪60年代以来,全球已发射了300多颗GEO卫星,预计到2004年,全球发射的L、S、C、Ku、Ka、V和Q频段的GEO/MEO/LEO卫星总数将达2000颗左右。
随着第三代移动通信的不断发展,宽带卫星在3G业务中将会发挥更大的作用。
据了解,1997年全球卫星通信总收入为300亿美元,占该年度全球电信业总收入的5%。
有些权威研究机构预测,到2005年,全球卫星通信产业将占整个电信市场的10%之多,达到1000亿美元。
由此可见,卫星通信存在着很大的发展空间。
2.3卫星通信在我国的发展
卫星通信分为空间段和地面段两个段。
现阶段,我国经营的是空间段,经营卫星转发器业务的公司有:
中国鑫诺卫星公司、中国通信广播卫星公司、中国东方卫星公司、香港的中国亚洲卫星公司和中国亚太卫星公司等五家公司。
这五家公司现有10颗静止通信卫星在轨运行,共有370个转发器单元,其中C频段237个。
即将发射的亚星4号,定点在东经122度,具有C频段转发器28个,其中含有4个直播广播卫星转发器。
这些卫星主要为中国国内用户服务。
此外,为了扩展国际业务,有的公司还租用了国外系统通信卫星转发器。
据不完全统计,截止到2002年底,全国批准建立的卫星通信网有150多个,其中金融、证券、水利、电力、石油、铁路、交通、民航、气象、公安、教育、新闻等部门和企业集团公司建立的专用通信网80多个。
各类双向地球站1万多座,单收站4万多个。
在卫星公众通信网中,我国已建成几十座大中型地球站,国内卫星通信话路达7万多条,国际卫星通信活路近3万条。
2.4卫星通信理论
2.4.1如何选择卫星通信频段
卫星通信中工作频率的选择是一个十分重要的问题。
它直接影响到整个卫星通信系统的容量、可靠性、设备的复杂程度和整个系统成本的高低。
一般地说,卫星通信工作频段的选择应该根据需要与可能相结合的原则,着重考虑下列因素:
电波对电离层的穿透性大,传播损耗和外部噪声应尽可能地小;
应该具有较宽的可用频带,尽可能增大通信容量;
合理地使用无线电频谱,防止各种宇宙通信业务之间以及与其它地面通信业务之间产生相互干扰;
电子技术与器件的发展情况与现有通信技术相结合。
卫星通信中电磁波的衰减:
当电磁波在地球与卫星之间传播,穿过大气层时会受到电离层中自由电子和离子的吸收,还会受到对流层中的氧、水气、雨、雪、雾的吸收和散射,并产生一定的衰减,这种衰减的大小与工作频率、天线的仰角以及气候条件密切相关。
图2-1是这种关系的曲线图形,由图可以看出,在0.1GHz以下时,自由电子和离子的吸收起主要作用,而且频率越低衰减越大。
当频率高于0.3GHz以后,其影响便很小了,此时可以忽略不计。
水汽分子在22GHz左右发生谐振吸收而形成一个吸收衰减峰。
氧分子在60GHz附近发生谐振吸收,形成一个更大的吸收衰减峰。
天线仰角很小时,电磁波在大气层中的路径越长,造成的衰减也就越大。
当工作频率高于10GHz后,仰角大于5°时,天线仰角相关的衰减因素可以不考虑。
天线接收的宇宙噪声和大气噪声:
如图2-2所示,工作频率如果选择在0.1GHz以下,宇宙噪声会迅速增加,图中热空宇宙噪声是当接收天线指向银河系中心时,天线接收到的宇宙噪声,指向其它方向时接收的噪声为冷空宇宙噪声。
一般选择卫星通信工作频率时,考虑的减小外界噪声,工作频率通常不低于0.1GHz,通常都选择在1GHz以上。
这时宇宙噪声和人为干扰对通信的影响都很小。
不过,大气噪声由于氧和水汽吸收在10GHz以上频段都是很大的,因此从降低接收系统噪声的角度来考虑,工作频段在1GHz~10GHz是最理想的工作频段。
这也是为什么卫星通信发展的初期,人们普遍选用微波C波段(4GHz~6GHz)的原因。
不过现代卫星通信的发展,人类信息化时代的需求,使现有的C波段频带资源已经远远不能满足人类信息化社会发展的要求,因此人们开发了功率更大的通信卫星,同时已经开发并使用了更高的工作频段如Ku和Ka频段。
较高的工作频率,虽然引入了较大的传输损耗,不过大功率通信卫星的使用,完全可以补偿这种传输损耗;而高工作频率的使用,极大地增加了卫星通信的可用频段,同时还减小了天线及卫星站的尺寸。
选择卫星工作频段时还应考虑大气层中雨、雾、云对电磁波的吸收衰减。
一般当工作频率高于30GHz时,即使是小雨,引起的衰减也不能忽视。
当工作频率在10GHz以下时,则必须考虑中雨以上的影响。
而对于大雨、暴雨,其引起的衰减很大,设计卫星通信线路时必须给予考虑,一般在设计上应留有一定的功率余量,以保证在降雨等情况下,仍能满足传输质量要求。
目前卫星通信的频段都选择在下列频段
VHF波段400/200MHz
L波段1.6/1.5GHz
C波段6.0/4.0GHz
X波段8.0/7.0GHz
Ku波段14/11GHz、14/12GHz
Ka波段30/20GHz
按照世界无线电行政会议(WAPC)92和国际电信联盟(ITU)规定,C波段卫星通信上行频率为5850~6425MHz,下行频率为3625~4200MHz,频带宽度为575MHz。
Ku波段上行频率为12.75~14.8GHz,下行频率为10.7~12.7GHz。
Ka波段上行频率为27.5~31GHz,下行频率为17.2~21.2GHz。
Ka波段的可用频带宽度可以增加到3.5GHz,是C波段带宽的6倍。
考虑到大气、雨、雪、雾的衰减以及宇宙噪声的影响,C波段的性能最佳,但容量有限,Ka波段容量最大,但是受到降雨的影响最为严重。
2.4.2电波传播特点介绍
通信卫星主要由天线系统、通信系统、遥测指令系统、控制系统和电源系统五大部分组成。
通信系统的基本任务是传输和交换含有信息的信号。
卫星通信由于具有广播和大面积覆盖的特点,因此特别适用于多个站之间的同时通信,即多址通信。
多址通信是指卫星天线波束覆盖区内的任何地面站可以通过共同的卫星进行双边或多边通信联接,即“多址联接”。
信道的多路复用和多址联接方式都是利用一条信道同时传输多个信号,但两种信道复用的不同点在于:
多路复用是群频(即基带)信道的复用;而多址通信则是射频信道的复用。
多址方式:
1)频分多址(FDMA)方式:
是按频率高低不同,把各地面站发射的信号,排列在卫星工作频带内的某个位置上,类似于收音机中各个电台频率的排列。
频分复用:
常采用单边带频分复用制(SSB、FDM),把各话路的频谱搬移到基带的不同位置上,组成一个各话路频带按频率高低排列的基带信号。
多址联接:
建立频分多址通信,可采用两种方法:
第一种方法是每个地面站向其它各地面站均分别发射一个不同频率的载波。
如果有n个地面站,则每个地面站发向卫星的载波数为(n-1)个,n个地面站同时发向卫星的载波数将为n(n-1)个,因此,发射地面站和转发器的功率放大器会因非线性而产生较严重的交调噪声。
所以,只有地面站数目不多时才会采用这种方式。
另一种方法是把一个站要发送出去的所有话音信号全部经多路复用后再调制到一个载波上。
当其它各地面站接收时,则是利用带通滤波器从解调后的群信号中只取出与本站有关的信号。
这样,一个地面站只发射一个载波,卫星转发器的载波数目将明显地减少。
2)时分多址方式(TDMA):
就是各地面站发射的信号在通过转发器时是按时间排列的,即各站信号所占时隙互不重迭。
由于这种方式是按时间分割信号的,因而分给每一地面站的不再是规定的载波频率,而是一个指定的时隙。
换句话说,各地站的信号只是在规定的时隙内通过转发器。
因此,任何时间都只有一个地面站的载波通过转发器。
表2-1多址方式的比较
多址
方式
特点
识别
方法
主要优、缺点
适用场合
频
分
多
址
1)各站发射的载波所占频带互不重叠。
2)各载波的包络恒定
3)转发器工作于多载波
滤
波
器
优点:
可沿用地面微波通信的成熟技术和设备;不需要网同步。
缺点:
有互调噪声,不能充分利用卫星功率和频带;上行频率、功率要监控
大、中、小容量线路
时
分
多
址
1)各站的突发信号所占时隙互不重叠。
2)转发器工作于单载波
时
间
选
通
门
优点:
没有互调问题,卫星的功率与频带能充分利用;上行功率不需严格控制;便于大、小站兼容,站多时通信容量较大。
缺点:
需要精确网同步,低业务量用户需相同的EIRP。
大、中容量线路
空
分
多
址
1)各站发射的信号只进入该站所属通信区域中。
2)可实现频率多重复用。
3)转发器成为空中交换机。
窄
波
束
天
线
优点:
可提高卫星频带利用率,增加转发器容量或降低对地面站的要求。
缺点:
对卫星控制技术要求严格,星上设备复杂,需要交换设备。
大容量线路
码
分
多
址
1)各站使用不同的地址码进行扩展频谱调制。
2)各载波包络恒定,在时域和频域均互相混合。
相
关
器
优点:
抗干扰能力强,信号功率谱密度低,隐蔽性好,不需要网定时,使用灵活。
缺点:
频带利用率低,通信容量较小;地址码选择较难;接收时地址码捕获时间较长。
军事通信小容量线路。
VSAT和移动卫星通信系统。
2.5简介卫星通信参数
2.5.1简介补偿衰减
地面站发射机使用的高功率放大器(HPA)和卫星转发器常用的行波管放大器都是非线性器件,其增益(输出功率与输入功率之比)随输入信号电平而变化。
输入功率减小4dB,输出功率只降低1dB,有明显的功率饱和现象。
为了克服由于高功率放大器放大倍数的非线性所引起的交叉调制失真,必须将输入功率降低(补偿)几个dB,以使高功率放大器工作在线性区。
对输入电平的补偿相当于输山电平的衰减.常把它称为补偿衰减(
)。
2.5.2简介发射功率和位能量
为了尽可能提高效率,功率放大器的工作点应尽量靠近饱和区。
饱和输出功率表示为
或简化为
。
一般卫星地面站发射机的输出功率大干地面微波功率放大器。
因此,卫星系统一般用dBW(相当于1W的分贝数)作为
的单位,而不用dBm(相当于1mW的分贝数)。
现代卫星系统多采用相移键控(PSK)或正交调制(QAM),而不用传统的频率调制(FM)。
PSK和QAM的输入基带信号一般是PCM编码的时分多路复用信号,本质上是数字化的。
采用这类调制体制就可以将若干码位编码为单一的传输信令单元,因此,比载波功率更有意义的参数是每个码位的能量
,数学上表示为:
(2.5.2-1)
其中:
=每位的能量(J/b)
=总的载波功率(W或J/s)
=一位的时间宽度(s)
2.5.3简介有效全向辐射功率
有效全向辐射功率(EIRP)可定义为等效辐射功率。
数学表达式为:
(2.5.3-1)
其中:
EIRP=有效全向辐射功率(W)
=天线输入功率(W)
=发射天线增益(无单位)
2.5.4简介等效噪声温度
在地面微波系统中,进入接收机
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