广播电视卫星传输技术

    作者：陈楠

    一、卫星通信的优势

    利用卫星传输广播电视节目是卫星应用技术的重大发展，卫星通信同现在常用的电缆通信、微波通信等相比，有较多的优点，具体表现在以下几个方面：

    ●卫星通信的传播距离远。

    同步通信卫星可以覆盖最大跨度达一万八千公里的区域。在这个覆盖区的任意两点都可通过卫星进行通信，而微波通信一般是50公里左右设一个中继站，一颗同步通信卫星的覆盖距离相当于300多个微波中继站。

    ●卫星通信路数多、容量大。一颗现代通信卫星，可携带几十个转发器，可提供几十路电视和成千上万路电话。

    ●卫星通信质量好、可靠性高。卫星通信的传输环节少，不受地理条件和气象的影响，可获得高质量的通信信号。

    ●卫星通信运用灵活、适应性强。它不仅能实现陆上任意两点间的通信，而且能实现船与船、船与岸上、空中与陆地之间的通信，它可以组成一个多方向、多点的立体通信网。

    ●成本低。在同样容量、同样距离的条件下，卫星通信和其他通信设备相比，耗费的资金少，卫星通信系统的造价并不随通信距离的增加而提高，随着设计和工艺的成熟，成本还在不断降低。

    二、卫星电视广播系统组成

    卫星电视广播系统主要由四部分组成：上行发射站、星载转发器、测控站、地球接收站。上行发射站把节目制作中心送来的信号（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波段信号；同时也接收由卫星下行转发的微弱的微波信号，监测卫星转播节目的质量。星载转发器用于接收地面上行站送来的上行微波信号（C波段为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。地面接收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传送给用户。

    三、广播电视卫星传输技术原理

    （一）上行发射站

    首先，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，然后对中频载波进行调制，将输入的基带信号变为70MHz的中频调谐波。中频信号再经过上变频，变为指定的发射频率后，送到高频功率放大器进行放大，再由发射天线发射给卫星。上行发射站可向卫星传送一路或多路信号，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。

    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轻易受到噪声的影响。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。

    （二）星载转发器

    在电视广播卫星上有C、Ku波段转发系统，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，实质上是一个安装在赤道上空的中继站，其工作原理与地面差转机类似。它由收、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波段功率放大器等组成，是决定卫星电视广播质量的要害。

    星载转发器在电路结构上一般有两种方式：一是直接变频式，它将上行的微波频率经过一次变频，变为下行微波频率。

    另一种为二次变频式，它将上行的微波频率变化为中频，经放大后再变频为下行频率。直接变频式电路简单，但由于工作频率高，因而对元器件要求高。二次变频式电路工作于中频，对元器件要求不高，轻易实现高增益和AGC控制。

    （三）地面接收站

    卫星电视接收站由天馈部分、高频头、卫星接收机等部分组成。天线接收来自卫星的信号，通过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950～1450MHz的第一中频信号。中频信号经过电缆送到卫星接收机进行解调。选台器从950～1450MHz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。所谓的去加重处理，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。

    四、我国卫星广播电视现状与发展方向

    我国卫星广播电视的现状是：模拟电视与数字电视节目并存；C波段卫星电视与Ku波段卫星电视并存；数字加密电视与数字非加密电视并存。

    今后应尽快建立广播卫星频段的大功率直播卫星系统（DBS）。Ku波段DBS的发展主要体现在以下三个方面：

    1．采用更大功率容量的Ku波段卫星开展直播卫星／直播到户（DBS／DTH）业务。使广大用户使用0.4m甚至更小口径的接收天线，即可收到数十套至上百套丰富多彩的广播电视节目。

    2．试播HDTV。将高清楚度电视节目通过直播卫星向全国发送，在大、中城市和有条件接收的地方，可用小型卫星接收天线进行高清楚度电视的集体和个人接收。

    3．依靠卫星网络进行多功能开发利用，并与地面有线网络结合开拓多媒体市场，建立综合信息服务平台，开展新闻采集（SNG）和数据广播等业务。逐步向用户提供视频点播（VOD）、互联网接入、家中银行、实时信息发布、远程诊疗、远距离教学、电视会议、电视购物等多种服务。