廣播衛星
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廣播衛星(Broadcast Satellite)
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什麼是廣播衛星[1]
廣播衛星是運營衛星電視廣播業務的衛星，是為地面電視運營商提供節目源的一項專業業務，是最早開始的電視業務，是點對點、點對多點的廣播衛星。
廣播衛星的發展[1]
自從1964年8月19日，美國率先發射成功第一顆靜止同步衛星“辛康-3”之後，在近20年裡，C頻段、低功率和中功率廣播通信衛星發展很快，可以傳送數千路電話和數十路電視節目。進入90年代，數字技術進入了廣播電視領域，廣播衛星得到了飛躍的發展。特別是數字視頻壓縮技術使廣播衛星實現了多頻道化，並能多工利用。
廣播衛星的發展經歷了三個階段：
1)低功率衛星
廣播衛星在起步階段，採用上行頻率為6GHz，下行頻率為4GHz的C頻段衛星，衛星發射的等效全向輻射功率，EIRP為33dBW。地面TVRO站天線口徑為3．3m。由於價格較高，且安裝架設一個3．3m站，對站址有一定要求，所以要把它推廣到個體接收有一定的困難。
2)中功率衛星
從1983年起，廣播衛星採用了Ku頻段衛星，EIRP=47dBW，比以前提高了很多，提高的原因，主要是因為頻率提高後，相同口徑的衛星天線的增益大為提高(天線增益正比於頻率的平方)。當下行頻率為12GHz頻段，地面站天線口徑可減小到1．2m，衛星電視已占30％。
3)高功率衛星
廣播衛星的大功率直播衛星的EIRP達54dBW，下行頻率仍為12GHz，提高EIRP的主要措施是採用了200W的星上功率放大器。地面站天線口徑可減小到0．35m～0．6m。為衛星電視進入家庭創造了條件。
廣播電視衛星包括通信衛星、直播衛星，向“兩多、兩大、一長”的方向發展。
(1)多頻段、多功能：多頻段包括C頻段、Ku頻段、Ka頻段；多功能包括傳輸數字廣播電視節目信號(碼率壓縮、加擾)、通信、圖文電視、數據廣播、全球定位系統(GPS)等；
(2)大容量、大功率：大容量是指增加轉發器數量，特別是採用碼率壓縮技術後可使頻道容量擴展幾倍到幾十倍；大功率是指增大轉發器功率；
(3)長壽命：採用新的材料、工藝、設備、燃料、控制技術，大大提高衛星的壽命。
廣播衛星的特點[1]
典型的廣播衛星的特點：
1)高功率發射
高功率發射可實現接收天線小型化。由於衛星的地面功率通量密度加大，Ku頻段衛星直播(DBS／DTH)業務迅速發展，接收衛星電視所需的接收天線愈來愈小。
為了讓地面站用直徑0．6m～3m天線的簡易設備直接收看、收聽衛星廣播節目，廣播轉發器比通信轉發器的輸出功率要大得多，一般均採用數十至數百瓦的大功率行波管放大器，如兩個135W的行波管並聯，輸出功率達260W；廣播天線採用高增益的窄波束或成形波束，將電波能量集中到衛星覆蓋區內，提高到達地面的電波強度。因此廣播衛星向地面發射的等效全向輻射功率比通信衛星的高數十倍到上千倍。用作集體接收型的廣播衛星的等效全向輻射功率為50dB／W左右；個體接收型的則達到60dB／W多。
2)傳輸容量大
一般衛星只有50左右個轉發器。衛星技術、運載技術的發展，衛星的功率增大，所帶的轉發器數量增多。2002年發射的勞拉公司研製的衛星，總功率將達25kW，攜帶150個轉發器。
3)Ku頻段轉發器成為主導
Ku頻段轉發器是衛星電視的頻率選擇方向。目前世界上有近300顆靜止軌道商業通信衛星，已提供的轉發器中，C頻段占36％；FSS的Ku頻段占47％，BSS的Ku頻段占17％。隨著衛星直播、衛星寬頻多媒體的廣泛應用，正在建造的商業衛星業務Ka頻段轉發器迅速增加。
4)大面積太陽電池陣
廣播轉發器輸出功率較大，要求太陽電池能提供千瓦量級以上的電源功率和大面積太陽電池陣。因此廣播衛星多採用三軸姿態控制。大型太陽電池翼，並始終自動定向對準太陽，以提高太陽光照射效率。
5)數字壓縮技術
DVB—S已成為世界統一的數字衛星電視傳送標準。數字衛星電視傳送的圖像和聲音質量高；節省頻譜資源，可傳送的節目套數多；可靈活地組合多種業務傳送；降低節目傳送的運行成本；易實現加擾加密，進行條件接收和對用戶的授權管理。
6)高精度軌道控制
為了使地面接收設備簡單和不要求地面天線具有跟蹤能力，同時又能避免衛星之間的相互干擾，廣播衛星均採用地球靜止衛星軌道，並能精確地保持其所在軌道位置，國際電信聯盟規定，Ku頻段廣播衛星的軌道位置保持精度應不低於4-0．1°。
7)高精度天線指向
為了使地面接收設備簡單和不要求地面天線具有跟蹤能力，同時又能避免衛星之間的相互干擾，天線波束相對其標稱指向的偏移在任何方向上均不超過0．1°。
8)衛星食對軌道位置選擇的影響
廣播衛星處於地球陰影期間時，衛星將發生衛星食。衛星食時太陽能電池停止供電。為了避免攜帶大容量蓄電池又不使廣播電視節目在午夜時中斷，廣播衛星採取定點位置西移的辦法，推遲衛星食停電的起始時間。
9)衛星業務向綜合方向發展
特別是由於數字技術的應用，可靈活地組合多種業務。除傳送電視、聲音廣播節目外，還可開展數據廣播業務、網際網路和視頻點播業務等。
廣播衛星的技術要求[2]
(1)廣播衛星必須是對地靜止的，以便觀眾使用簡單的、無需跟蹤衛星而且定向性又強的接收天線，這不僅要求使用赤道同步衛星，還要求衛星能精確地保持它在軌道上的位置和姿態。
(2)廣播衛星必須有足夠的有效輻射功率，以簡化地面接收設備。在覆蓋面積較大、波束寬度為2。左右的情況下，個體接收的衛星電視廣播所需的轉發器發射功率是幾百瓦，等效全向輻射功率是60多分貝(瓦)，集體接收方式所需的這兩項數值是幾十瓦和50多分貝(瓦)。
(3)廣播衛星必須有足夠長的使用壽命和可靠性，以降低停播率，並避免經常更換衛星所帶來的停播和浪費。為此要求使用長壽命、高可靠度的元、部件，並須設置星上備份部件、備份轉發器，以及發射備份衛星。
(4)廣播衛星的重量應在保證工作需要的條件下儘量減輕，以節約發射費用。為此，星上各分系統所用材料的比重要小，耗電部件應儘可能提高效率，以減輕整個星體重量。已發射的以及近期內將發射的廣播衛星的重量，大體在3000—8000公斤之間。
廣播衛星系統[1]
1)上行發射站
上行發射站把節目製作中心送來的節目源信號(可以是數字電視信號、數字廣播、視頻、音頻、中頻信號等)加以處理，經過調製、上變頻和高功率放大，通過定向天線向衛星發射上行c、Ku頻段信號。上行發射站同時接收由衛星下行轉發的信號，監測衛星轉播節目質量。
2)衛星轉發器
星載轉發器用於接收地面上行站送來的上行微波信號(C頻段為6GHz，Ku波段為14GHz)，並將它放大、變頻、再放大後，發射到地面服務區內。因此，星載轉發器實際上是起一個空間中繼站的作用，它應以最低附加雜訊和失真傳送電視廣播信號。
3)地面接收站
地面接收站或電視臺／站接收來自衛星的信號，經過低雜訊放大，下變頻為中頻信號、中頻信號經過調頻、解調後得到基帶信號，分別送到視頻恢覆電路和伴音解調電路，重新得到正常的視頻信號和伴音信號，直接送到電視監視器或電視機，重現彩色圖像和重放伴音，也可以重新調製到電視頻道上，通過有線網路或無線發射，將信號輸出給用戶。
電視廣播衛星的無線電發射功率比通信衛星要大得多。通信衛星的無線電發射功率通常只有幾瓦到幾十瓦，而電視廣播衛星的無線電發射功率可以達到幾百瓦。由於電視廣播衛星具有這樣大的無線電發射功率，因此地面接收站不需要像通信衛星那樣要有十幾米直徑的拋物面接收天線，而只需要半米或幾米直徑的拋物面接收天線。
廣播衛星系統原理[1]
1)上行發射站
上行站的作用是向衛星發射需轉發的電視信號、音視頻信號。以C頻段為例。低通濾波器濾去6MHz以上的分量，再混入受伴音調頻的6．5MHz副載波，經過視頻處理電路處理後的視頻信號與經過伴音處理電路處理的伴音信號相加混合成基帶信號；經預加重及視頻放大、中頻載波進行調製，將輸入的基帶信號變為70MHz的中頻調諧波。中頻信號上變頻至6GHz頻段的上行頻率，變為指定的發射頻率後，送到高頻功率放大器進行放大，再經過饋源部分的雙工器，由發射天線發射給衛星。衛星地面上行站示意圖如圖2所示。
衛星下行信號經雙工器分出所接收到的4GHz信號，包括衛星轉發的下行信號及衛星發出的信標信號。下行信號經低雜訊放大、變頻及解調後還原成視頻和音頻信號，供上行站監測電視傳輸質量用。信標信號送至跟蹤接收機，經放大處理後，送至天線驅動機構，天線即自動跟蹤衛星，發射上行信號。
上行發射站向衛星傳送多路信號，通常採用主瓣波束較窄的大口徑發射天線發射，以提高上行站的抗干擾能力。為剋服無調製或單電平調製造成的功率譜密度過大，可以採用能量擴散技術。能量擴散是人為地在電視視頻信號通路中疊送一個低頻的三角波，這樣不論是否有調製信號，信號載波都受到此三角波的調製，使能量擴散開來，顯著地降低了功率譜密度，因而降低了干擾。在接收端可以採用視頻鉗位的辦法來消除這個附加的三角波。
(1)視頻信號處理過程
①預加重技術：調製信號在接收端解調時，白雜訊電平隨頻率的升高呈線性增長，這種變化規律稱為調製波的三角雜訊特性，它使圖像信號的高頻成分容易受到雜訊的影響。為了提高圖像信號高頻端的信噪比，改善三角雜訊特性，減少傳輸信號的微分增益和微分相位失真，在視頻通道中對圖像信號進行預加重處理。所謂預加重就是在發送端將圖像信號先送入預加重網路，由於預加重網路具有高端增益高、低端增益低的特性，使得圖像信號的高頻成分得到增強。
②能量擴散技術：在帶有行、場同步信號的視頻信號中，大多數時間里信號電平都處於黑白電平上；而中間電平的時間較短。用這種視頻信號對載波進行頻率調製，就會造成頻譜能量在兩側過於集中，分佈不均勻，致使與它共用頻段的某些地面通信受到較大幹擾。為了減少這種干擾，在發射功率受到限制的同時，也應對信號頻譜能量加以擴散。為此，人為將一個頻率大約為30Hz的三角波加入基帶信號中，組成複合信號。用此複合信號對載波進行調頻，便可使信號頻譜能量擴散，使其均勻分佈。
(2)伴音信號處理過程
①伴音信號的模擬傳輸方式：模擬傳輸方式首先將伴音信號中高於視頻信號的上限頻率的伴音副載波進行頻率調製，然後與經過預加重和能量擴散處理的圖像信號，按照頻分復用的方式進行相加混合成基帶信號，再對中頻載波進行調頻。伴音信號的模擬傳輸採用FM—FM(兩次調頻)的傳輸方式。
②伴音信號的數字傳輸方式：數字傳輸過程首先將伴音信號進行模／數轉換，即將伴音信號經過取樣、量化、編碼的一系列過程，將模擬的聲音信號變為數字碼流，並將多路數字化後的伴音信號按時分復用方式合成為一路數字信號，然後經過信號壓縮、前向糾錯編碼及加擾碼等一系列處理後，再對高於圖像最高頻率的伴音副載波進行相位調製。如此得到的伴音調製信號再與經過處理的圖像信號合成為基帶信號，最後一起對中頻載波進行調製。
2)衛星轉發器
在電視廣播衛星上有C、Ku頻段轉發系統，它接收來自上行發射站的信號，並且向衛星電視廣播地面接收站轉發下行信號。轉發器由收、發天線、轉發器和電源組成。轉發器又由高靈敏度的寬頻低雜訊放大器、變頻器、C、Ku頻段功率放大器等組成。
3)地面接收站
衛星電視接收站由天線、高頻頭、衛星接收機等部分組成。
(1)天線：接收來自衛星的信號。
(2)高頻頭：將微弱的電磁波信號進行低雜訊放大，並將它變換為頻率為950MHz～1450MHz的第一中頻信號。
(3)衛星接收機：衛星接收機把中頻信號進行解調。選台器從950MHz～1450MHz的輸入信號中選出所要接收的某一電視頻道的頻率，並將它變換為固定的第二中頻頻率(通常為479．5MHz)，經中頻放大和解調後得到包含視頻和伴音信號在內的複合基帶信號。視頻信號送到視頻恢覆電路先經過去加重處理。去加重處理，實際上是讓視頻信號通過一個頻率響應特性與預加重頻響特性相反的無源二埠網路，從而抵消預加重網路對信號產生的頻譜畸變，恢複原本信號。由於在發射端對信號進行了能量擴散處理，即在視頻信號中加入了30Hz的三角波擴散信號。因此必須在接收端進行能量去擴散處理，去除疊加在視頻信號上的三角波信號，恢復視頻信號的原來特性，得到正常的視頻信號。伴音信號送到伴音解調器經過放大、副載波解調，去加重後得到正常的伴音信號。
