卫星信号

卫星信号

浙江政务-亲仁

2023年2月17日发(作者：真菌性皮肤病)

卫星电视信号的接收

10.1卫星电视信号的接收

10.1.1卫星电视广播简介

1．什么是卫星电视广播

卫星电视广播就是利用静止卫星上的大功率转发器向特定的地区传送广播

电视信号，用户通过相应的接收设备直接收看电视和（或）收听相应的节目，一

般地称这种广播方式为卫星电视广播。

2．卫星电视广播的特点

（1）覆盖面积大，传输距离远，能量分布均匀，但信号弱。

同步卫星位于赤道上空约35786km的高空，一颗卫星的视区可达全球面积的

42.4%，三颗卫星可覆盖全球，由于卫星转发器是利用定向天线把电波聚集成窄

波束，能比较均匀的辐射到覆盖区域内，服务区中心和边缘地区的电场一般相差

2～4dB，同时在服务区域内不受地理条件限制，是解决边远地区和山区的电视覆

盖的最好办法。特别是我国幅员辽阔，地域复杂，用一个转发器就能均匀地覆盖

整个国土。

由于卫星的辐射功率小，而且卫星离地面距离远，因此，到达地面的场强要

比一般地面电视广播弱30dB以上，故要接收卫星电视信号需要较大的天线和低

噪声前置放大器。

（2）卫星电视广播质量高、传送节目套数多，信息容量大。

卫星电视广播采用的是调频，因而抗干扰能力强，输出信噪比高，失真小；

工作频率高，受工业干扰、无线电波等干扰较小，而且可实现较宽的工作频段。

如：KU频段（11.7～12.2）GHz、宽度达500MHz，能容纳24个模拟频道，每

个频道带宽可达27MHz.；卫星电视天线发射的波束窄，而且是直接视线接收，

不存在向地面电视广播那样多次中转和变换带来的失真以及信噪比下降的情况，

信号比较稳定。

（3）投资少，成效高。

根据亚洲广播联盟（ABU）估算，如果覆盖1000万平方公里的面积与微波

中继线路相比，总投资要节约60%，我国只需要一颗卫星即可覆盖全国，而相同

条件下则需要架设100米高的电视塔2400座和更多的微波中继站，而且卫星传

播还可以减少大量的维护人员。

3．卫星电视广播系统的组成

卫星电视广播系统主要有上行地球站、广播卫星、卫星电视接收站、卫星测

控站四大个主要部分组成。下面是卫星电视广播系统组成示意图，如图10.1所示。

图10.1卫星电视广播系统示意图

（1）上行地球站（简称上行站）

上行地球站的主要任务就是把电视广播中心的广播电视信号加以信号处理，

并经过调制、上变频，然后对输出信号的功率进行放大处理，再通过定向发射天

线向卫星发送上行微波信号。同时也接收由卫星下行微弱的微波信号，以监测卫

星转播节目质量。

通常将地面发送到卫星的信号称为上行信号，把卫星传送到地面的信号叫做下行

信号。上、下行信号的载波频率是不一样的，这样就避免了上行信号和下行信号

之间的相互干扰。上行地球站可以是一个或多个，根据它们的功能的不同又可分

为：

①上行主站：上行主站是固定的卫星电视信号发射中心，它具有发射电视

信号给卫星和接收卫星转发回来的电视信号的功能；另外，它还能够监测卫星传

输的信号和遥控卫星的状态以保证卫星传输信号的质量；

②上行分站：上行分站的主要功能是和上行主站相似，当主站出现问题时，

可以作为上行主站的备份，只不过上行分站不具备对卫星信号的监测功能和遥控

功能；

③上行移动站：上行移动站常用于现场直播或现场采访。上行移动站安装

在专用的卫星电视转播车上，相当于一个移动的上行分站。其特点是设备移动性

好，方便灵巧。

（2）广播卫星

电视广播卫星，它类似于一个电视差转站，将设置在地球上的上行站发射的

电视载波信号接收放大和频率变换处理后，再向所服务的覆盖区域转发。为了实

现广播电视信号的正常转发，要求卫星保持精确的姿态和轨道位置。并且卫星相

对于地球是静止的，以便地面卫星接收站准确地接收卫星传送的信号。

（3）卫星电视接收站

它主要用来接收广播卫星下发的电视节目信号，由接收天线接收卫星电视调

频载波信号，经解调后送出电视视频信号和伴音信号。各类接收站为用户提供不

同传输方式来收看卫星电视节目。接收站可分为四种类型：

①个体接收者：当卫星向服务区转发节目信号，电波到达地面的功率足够

大时，用户可以用小型的卫星电视接收设备直接接收卫星转发的电视节目。

②集体接收站：它是一种较大天线的接收装置，接收广播卫星转播的节目，

供集体用户收看。如广播电视大学的远程教学接收点或一些单位的办公大厦等。

③无线接收站：主要用来接收卫星电视信号，作为电视节目源，供设在该

地区的电视台或转播台进行转播，即无线转播。

④有线电视收转站：将接收到的卫星电视信号经放大、变频和调制变换后，

以VHF或UHF调幅电视信号形式，通过有线电视系统分送到各用户收看卫星电

视节目。

（4）遥测遥控跟踪站

该站的主要任务是测量卫星的各种参数，监测调整卫星上所有设备的工作状

况。如卫星内部设备的电压、电流、功率、温度、压力等；对卫星实施各种功能

状态的转换。测控卫星的姿态和轨道位置，调整卫星状态以保证卫星相对于地球

静止，并使卫星天线波束对地球表面地覆盖区域保持不变等等。

4．我国卫星电视广播发展简介

（1）起步阶段（20世纪70年代初期～20世纪80年代初）

我国从上世纪70年代初，就开始研究卫星广播领域中的相关技术和接收设

备，利用Intelsat卫星于30个国家建立话、报线路。1974年开始研究地面站，

1978年在南京、石家庄等地建立了实验性的地面站。我国于1976年参加了国际

通信卫星组织，并于20世纪70年代和80年代初，利用德、法联合研制的“交

响乐”等卫星进行了电视传输试验，取得了很多试验数据。

（2）初步发展阶段（20世纪80年代初期～20世纪80年代末）

1984年4月，我国发射了第一颗试验通讯卫星，实现了对新疆、西藏、内蒙

等边远地区传送中央电视台的电视节目，从1985年8月开始，我国试用了国际5

号卫星传送电视节目，随后租（购）了该卫星的4个卫星转发器，专供电视传输

之用。从1988年3月，我国成功地发射两颗实用通信卫星，从而开始了中央电

视台两套电视节目的卫星转播，并建立了数以千计的卫星地面接收站，这标志着

我国卫星电视广播开始进入了迅速发展阶段。

（3）迅速发展阶段（20世纪80年代末～至今）

我国中央电视台于1995年底，在国内率先采用数字传输技术，通过中星5

号卫星的一个C频段转发器同时传输5套数字电视节目。1995年发射的“亚洲

二号”卫星对我国的卫星电视事业有特殊意义，该星装有24个C频段转发器和

9个Ku频段转发器，覆盖了53个国家和地区，人口达35亿。我国租用了其中3

个Ku频段转发器，上述的中央电视台5套数字电视节目已于1996年6月转到该

星的一个Ku转发器上，此举使得我国卫星广播业务从C频段向Ku频段过渡、

从模拟方式向数字方式过渡开创了良好的开端。从1997年1月起，我国先后有

湖南、湖北、广东、广西、河南、福建、江西、辽宁、内蒙古（2套）、青海、陕

西、黑龙江、安徽、江苏、新疆（3套）、北京等16个省（区）、直辖市的电视节

目采用数字形式通过该卫星进行传送。目前，我国上星电视节目有40多套，形

成了覆盖全国、天地联网的电视广播系统。

随着科学技术的发展，特别是计算机技术、数据编码和压缩技术、数字调制

技术和超大规模集成电路技术的发展，全球进入了电子信息产业数字化的新时

代。尤其是在广播电视领域里，数字化传输的好处主要有三个：第一，采用数字

压缩技术和高效的调制方式，能够有效的减少传输频带宽度，从而提高传输信道

和无线电频率资源的利用率；第二，抗干扰性更强，能消除信号失真和噪声的积

累，从而提高图像质量；第三，采用多工复用技术，实现图像、语音和数据等多

媒体信息的兼容传输，从而促进了有线电视网、电信网和计算机网“三网”合一

的进程。

当前，我国卫星电视系统的发展趋势是：卫星广播电视逐渐从Ｃ频段向Ｋｕ

频段、从模拟到数字、从转播到直播、从非专用卫星到专用卫星的四个转变。这

也是世界卫星电视系统发展的方向。

10.1.2卫星电视接收天线

1．卫星地面接收站的组成

卫星地面接收站的基本组成可分为室外部分、室内部分两大部分。如图10.2

所示，

图10.2卫星电视地面接收站的基本组成

室外部分主要有天馈系统和高频头组成，天馈系统包括抛物面接收天线、馈

源、波导变换器等组成；室内部分主要是卫星电视接收机和接收终端组成。

2．卫星电视天线的作用

卫星电视接收天线是卫星电视接收站的前端设备，它实质上是一个电磁波收

集器，它的作用就是把反射面内收集到的卫星传送到地面的微弱的电磁波聚集起

来并转换成高频电流，然后传送至后面的处理电路处理，它在卫星电视广播系统

中是不可缺少的部分，它的性能好坏直接影响到整个系统的接收效果。

3．常用的卫星电视接收天线

目前，在国内外使用的卫星电视接收天线的种类较多，它们的类型一般和工

作频段有关，在U波段常用反射面天线和平面天线，C波段常用反射面天线，L

波段采用螺旋天线等。

具体可以分为五种：

①前馈天线：馈源位于天线反射面的正前方；②偏馈天线：馈源偏离反射

面的口径；

③后馈天线：馈源位于天线反射面的后方；④螺旋天线：用螺旋线作为信号接

收的导体；

⑤微带天线：用微带做成天线的形状。下面主要介绍种常用的卫星电视接收天

线。

（1）抛物面天线

抛物面天线是由金属的旋转抛物面形的反射镜和放在焦点上的馈源组成。

图10.3抛物面天线示意图

如图10.3所示，在xOy平面内，O为抛物线顶点，F为抛物线焦点，f为抛

物线的焦距，则抛物线方程为：

x2=4fz（10.1）

抛物线绕Oz轴旋转成抛物面的方程为：

x2+y2=4fz（10.2）

过F作一与x轴平行且足够远的直线MF作基准，抛物面具有下述两个特性：

①自焦点F到抛物面上任一点P的距离FP和P点到口面的垂直距离PQ

之和为常数；

②从任意一点P作抛物线的法线PN，在作出和角NPQ角度相等的线，则

该线穿过焦点F。

根据以上的原理可知，从卫星发射出来到达天线的电磁波虽然为球面波，但

是经过长距离的传输后，到达卫星接收天线时可看成是平行于天线轴向传播的平

面波，该波经过抛物面反射后，聚焦到抛物面焦点上的馈源上，大大提高方向性

和增益。所以，当天线的轴向对准卫星时，能获得电波能量的最大值。

由于抛物面天线结构简单，制造、安装、维护十分简单方面，而且，性能稳

定可靠，该天线的成本较低，所以，它是个体和小范围使用是最为常用的一种卫

星接收天线。

（2）卡塞格伦天线

标准的卡塞格伦天线是按照卡塞格伦望远镜制成的后馈式天线，构造如下图

10.4所示：

图10.4卡塞格伦天线原理图

卡塞格伦天线的工作原理：卡塞格伦天线的主反射面和双曲面的焦点重合在

F点上，并且位于轴线上，轴线对准卫星，由于卫星发送来的电磁波方向和轴线

方向平行，当卫星发射的电磁波到达时，首先由主反射面将电波进行反射到副反

射面，再由副反射面发射到馈源上并且聚焦于馈源上，馈源的位置位于副反射面

的另一个焦点上。

卡塞格伦天线的优点：天线各部分紧凑，减少了传输过程中产生的噪声和损

耗；主副反射面调整方便，效率高；抛物面的焦距很短，降低了整个天线的长度；

能很好的抑制噪声。

它的缺点是：由于副反射面的绕射和遮挡，限制了天线效率的提高；小口径天线

的效果反而变差；价格昂贵，不是于家庭和小范围使用。

（3）偏馈天线

由于抛物面天线焦点附近的馈源装置的影响，卡塞格伦天线副反射面和支撑

架遮挡的影响，从而导致天线的旁瓣增大，增益下降。为了减少这些因素的影响，

常常采用偏馈天线。偏馈天线的基本结构如图10.5所示，其中（A）是单反射面

天线，（B）是双反射面偏馈天线。

图10.5偏馈天线的示意图

偏馈天线并不是故意将馈源位置放偏，而是将抛物面天线的反射面截取一部

分作为天线的反射面，馈源的相位中心仍在原抛物面的焦点上，但馈源的最大接

收方向指向偏馈反射面的中心。目前KU频段的接收天线较多采用偏馈式天线。

4．天线主要性能要求

（1）天线的增益要高

天线的增益表示能量集中辐射能力的强弱，它是天线的一个重要参数。天线

增益的表达式为：

2

4



A

G

（10.3）

上式中，A为天线口面面积，为工作波长，为天线的效率，G为增益，

单位为dB。

从3.3可以看出，增益和天线的面积成正比，增大天线直径可以提高增益G，

但是考虑天线承受风力负载的因素，不能片面的增大直径，而是要尽量提高天线

效率和减小馈线传输损耗，提高信号质量和安全系数。

目前，我国采用C波段卫星传送广播电视节目，对各种口径天线的增益和效

率的要求列于表10.1中。

表10.1我国C波段卫星传送电视节目对天线的各种参数的标准（含国际标

准）

天线口径

（m）

国际标准国家标准

7.5654.5432.42.01.81.51.2

增益G

（dB）

不小于

优

等

48.346.344.843.842.540.038.736.4935.5733.6331.7

一

等

48.046.044.443.542.239.737.7236.1435.2233.2531.31

合

格

47.645.744.143.241.839.337.3535.7634.8532.0430.9

效率

（%）

不小于

优

等

7565656060

一

等

6565656565

合

格

6555555050

噪声温

度

Ta.(K)

不大于

优

等

2525252528283131313636

一

等

3232323235353838384343

合

格

44747475151

（2）天线的主瓣宽度要窄

天线的主瓣宽度用来反映天线接收信号的方向性，天线的主瓣宽度越小，天

线的方向性就越好。一般要求天线的主瓣宽度要窄。

（3）天线的旁瓣电平要低

在卫星通信与卫星电视广播中，由于信号经过上行和下行后，变成一定频率

的电磁波经过近40000km的传输，到达地面的信号极其微弱，卫星电视接收站

除了一定要采用低噪声放大器外，还必须要求天线旁瓣电平要足够的低，才能有

效抑制从旁瓣进入的地面噪声和大气噪声。

由于卫星天线具有方向性，每付天线都有它最大增益的方向，一般是在主反

射面的轴线方向。当轴向对准卫星时，天线输出最大信号功率；如果天线轴向偏

离卫星的角度θ逐次变化，就可得到一系列相应的输出功率。输出功率与角度θ

的关系即为天线方向图。

图10.6天线的方向图

天线的方向图（见图10.6）中包含许多波瓣，其中最大的增益方向的波瓣为

主瓣，其余的为旁瓣，旁瓣中分为第一旁瓣、第二旁瓣、……、尾瓣。天线的旁

瓣特性是指天线偏离主轴方向上增益的变化情况。在天线的要求中，要求旁瓣电

平低，才能减少信号的干扰。

（4）天线的频带要宽

卫星电视系统有工作频段和频带宽度，如C频段（3.7～4.2GHz）的24个频

道，总带宽为500MHz，因此要求卫星接收天线在一定范围内要有良好的带宽。

（5）旋转性能要好

一般希望一个卫星电视接收站能够接受多颗轨道位置不同的卫星的信号，所

以，在底座固定不动的情况下，天线的方位角和仰角要能在很宽的范围内进行运

动，并能迅速对准所需要接收信号的卫星。我国制定的标准要求卫星电视天线的

仰角为0～900，方位±900。

（6）机械精度和强度要高

要求天线具有一定的抗风能力，要求在10级大风的条件下，天线仍能正常

工作，在12级大风的时候天线不会受到破坏。

（7）极化变频器灵活可调

由于不同的卫星转发信号时采用的极化的方式不相同，有左、右旋、圆极化，

水平线极化，垂直线极化等等。如果发射和接收的极化不匹配，就会影响接收效

果，甚至收不到信号，因此，天线系统的极化要做到变换灵活、方便、易调。

10.1.3卫星电视接收系统的室外单元

1．室外单元的组成与功能

（1）室外单元的功能

卫星电视接收系统的室外单元，又称之为高频头，它的位置是在室外卫星电

视接收天线的馈源之后。卫星电视接收天线接收到卫星转发的信号经过了约

35786km左右的远距离传输，所以其信号极其微弱，高频头将天线接收到的下行

微弱的电磁波信号进行放大，并将它变成频率为950～1450MHz（或1750MHz，

最高可达2150MHz）的第一中频信号，以便通过射频电缆将它送给室内的卫星

电视接收机进行电视信号的解调。所以，整个室外单元主要任务是完成微波信号

的低噪声放大和降频变换。

（2）室外单元的组成

高频头的内部主要有两部分组成：微波低噪声放大器和微波下变频器，所以

也称为低噪声下变频组件，英文缩写为LNB(LowNoiseBlock)。高频头的基本组

成框图如图10.7所示，从图中可以看出，高频头由波导—微带转换器、微波低噪

声放大器、本机振荡器、混频器、前置中频放大器、二次稳压器和直流—直流变

换器等部分组成。

图10.7高频头的基本组成框图

（3）高频头处理信号的流程

①波导—微带转换器的作用是将波导口输入的电磁波的场信号，转换成微

带电路上的路信号，以便对信号进行放大和变频；

②微波低噪声放大器一般有2～4级微波场效应管（FET，FieldEffect

Transistor）放大器组成，提供约20～40dB的功率增益，以便将信号放大到足够

的水平，供给混频电路进行下变频处理；

③本机振荡器一般采用介质谐振器稳频的场效应管振荡器，产生高稳定的

固定振荡频率（C频段为5.15GHz，Ku频段为10.75GHz），以便为混频器提供

所需的本振信号；

④混频器一般由微波二极管或微波场效应管组成，它利用二极管或场效应

管的非线性特性，产生输入信号与本振的差拍信号，并通过低通滤波器选出所需

的中频信号；

⑤前置中频放大器一般由3～4级硅双极性晶体管放大器或集成电路组成，

工作与第一中频频率（950～1450MHz）上，提供30～40dB的功率增益，以便

将信号放大到足够的强度，在通过射频电缆传送到室内接收解调单元；

⑥因为高频头在室外工作，它的供电由室内单元的卫星接收机提供。为了

克服不同长度电缆对直流供电产生不同压降的影响，保证高频头各级电路静态工

作点的稳定，并抑制外部干扰，在高频头内部要增加一个二次稳压电路。此外，

由于高频头内微波场效应管电路通常需要负偏压，故还需要一个直流—直流变换

器，以便将正电源变换成负电源，供各级场效应管电路使用。

2．室外单元的一些主要技术要求

由于高频头在卫星电视接收装置中所处在的特殊位置，因而对高频头的电性

能提出了一些特殊要求，主要有以下几个方面：

（1）噪声要低

当外部噪声一定时，接收机的内部噪声就成为决定接收微弱信号能力（即灵

敏度）的主要因素。所以接收机的内部噪声是衡量接收性能最重要的指标之一，

常用噪声系数F或噪声温度TN来表示。

对于一个接收系统来说，系统的总噪声系数主要取决于前级电路的噪声。由

于高频头处于卫星电视接收系统的最前端，其噪声的大小对系统的性能影响最

大，故要尽量降低高频头的噪声系数。目前的技术水平，在C频段，高频头的噪

声温度可低达20～30K，在Ku频段，噪声系数可达0.5～0.8dB。

（2）功率增益要高

由于从卫星发送到地面的卫星电视信号，经过约35786km的传播衰减，到达

地面时的场强非常低（约为﹣100dBm/m2左右）。该信号经过接收天线输送到高

频头输入端的信号电平也仅为-90dBm左右。而室内接收机要求的输入信号电平

约为35dBm。再加上考虑到中频电缆对信号的传输损耗，则要求高频头应具有高

达50～65dB的功率增益才能满足要求。

（3）频带要宽

卫星电视广播的用的工作频率范围比较宽，其带宽达到500MHz左右，有些

地区（如欧洲）则可达800MHz，甚至更宽。所以室外单元的带宽要保证相应带

宽内的全部频道信号都能通过。因此，必须工作在宽频带。否则将会出现在某些

地区收不到某些电视频道的问题。

（4）本振频率稳定性好

高频头的本机振荡信号与输入信号在混频器中差拍得到中频信号。如果本振

频率不稳定，则输出的中频频率也会随之产生漂移，从而产生“跑台”现象。由

于本振频率很高，为了保证不出现“跑台”的现象，就要求本振频率应有很高的

相对稳定性，而室外单元安装在室外天线上，因随地理环境和季节的不同，环境

的温度变化较大。如果要求在-30～+60oC的环境温度变化范围内，本振频率的最

大频率漂移量在2MHz之间。目前常采用介质谐振器稳频或锁相环稳频等方法。

（5）镜像抑制比要大

在混频器中，凡是和本振频率

L

f相差一个中频

o

f的信号都可经混频输出中频

信号。如设信号频率为

oLs

fff，而

oLs

fff'的信号也可经过混频输出中

频信号

o

f。这'

s

f也就是镜像频率。它对信号产生的干扰称为镜像干扰。

为了使镜像频带远离工作频带得到抑制，卫星电视接收站都采用两次变频的

方式，并在混频器前加抑制镜频滤波器，以抑制镜像干扰。

10.1.4卫星电视接收系统的室内单元

室内单元又称卫星电视接收机，通常是指卫星电视接收装置中放置于室内的

那一部分。根据其处理信号的种类，可分为模拟卫星电视接收机和数字卫星电视

接收机。为适应卫星电视广播技术的发展和家庭使用的新要求，卫星电视接收机

在新功能的开发方面有了很大的进展。多频道、多伴音、多制式、多功能的卫星

电视接收机已是发展的趋势。下面主要介绍模拟卫星电视接收机和数字卫星电视

接收机的基本组成和功能。

1．模拟卫星电视接收机

模拟卫星电视接收机的基本功能是将室外单元通过射频电缆送来的第一中

该模块对应于发射系统的信道解码模块，其功能是对输入的零中频的模拟信

号进行模数转化，并进行载频和时钟的恢复，校正在模数转化过程中产生误差，

产生正确的抽样值。该模块的另一个作用是纠正传输过程中产生的误码，提高传

输的可靠性，为解多工复用电路提供无误的传输码流，从而保证了图像和伴音的

信号质量。

（3）解多工复用

该模块对应于发射系统的多工复用模块。它是根据传输码流中所定义的特殊

语法（主要是利用PAT和PMT表的相互关系）来进行解复用的。由于复用过程

是分两级进行的，故解多工复用过程也是两个层次：先对传送流解复用，得到独

立的节目流，接着对节目流进行解复用，分离出节目流中的视频、音频以及一些

服务信息数据，送给信源解码模块。

（4）信源解码模块

该部分包含了视频解压缩和音频解压缩两大部分。按照MPEG-2的解码算法

分别对压缩的视频码流和音频码流进行编码，从而得到正常的视频数据和音频数

据码流。

（5）视频编码和音频数模转换

视频解码器输出的色差信号和亮度信号是数字化的码流，它必须经过视频编

码器编码产生PAL或NTSC制式图像信号，以便送给普通的模拟电视机收看。

音频解码恢复出的信号也是数字形式，也通过D/A变换器将它转化成模拟的音频

信号，送给电视机重现伴音。

（6）射频调制器

该模块作用与模拟卫星接收机的对应模块一样，将视频和音频信号以残留边

频带调幅方式调制在UHF或VHF频段的载频上，以便送入电视机的天线输入口，

使不带AV输入端子的电视机也能收看到数字卫星电视节目。

（7）32bitCPU

数字卫星电视接收系统是一个庞大的复杂的系统，各个模块都有各自复杂的

处理算法，彼此之间的数据交换十分频繁，数据的处理和传输速度要求很高。此

外，为了实现设备与用户之间的良好的交互性，也需要功能齐全的屏幕图形交互

界面。因此，需要采用速度快、功能强大的32bitCPU。它所要完成的主要功能

有：控制电子调谐选台、信道解调和解码、解多工复用、信源解码等模块的工作，

并保证这些模块的相互协调，随时响应并处理用户的操作指令。

随着集成电路技术的发展，数字卫星接收机的整机构成芯片数量越来越少。

从七片方案到目前的单片方案，使得数字卫星接收机的体积不断减小，成本不断

降低，而功能不断增强。