卫星电视接收的匹配与计算

所谓卫星广播，就是利用同步卫星上的大功率转发器向特定的地区转发无线电广播或电视信号，使广大用户能用较简单的接收设备直接收看电视或收听广播的一种广播方式。通常所称的卫星广播指的是卫星电视广播。

目前，中央电视台和三十余家电视台正在亚洲2号卫星和亚太6号卫星上进行卫星广播。

在卫星广播系统中为了充分利用频谱资源、增加传输通道，实施了频率复用，通常采用双极化方式，即在同一频带内传送两路信号。一般卫星的全球波束和半球波束往往采用左旋和右旋圆极化，而服务于局部地区的波束则往往采用水平和垂直极化。极化问题处理不当，则会出现水平极化和垂直极化之间相互干扰。

如今，极化调整已成为各CATV运营商经常遇到的一个实际工程问题，由于各CATV运营商在早年的前端机房工程设计中，卫星接收部分一般凭借经验估计或粗略计算，导致了系统指标余量不足，特别是近年来接收SCBC（单路单载波）方式下行的数字压缩节目时，由于其下行信号比模拟信号低10dB左右，人们会发现接收效果不理想或有不明干扰、严重的将导致图像信号误码率增大，出现马赛克现象。因此各CATV运营商，很有必要对其卫星接收部分进行重新匹配，以提高系统的稳定度及指标等级。

极化匹配

我们知道在接收极化波时，接收天线的极化方向应与电波的极化方向一致，这称为极化匹配。卫星接收天线的极化方向，是指连接在天线馈源上的，高频头中探针的方向，即高频头输入波导的窄边方向。

概括地说，卫星广播的线极化方向是按照地球的赤道平面来确定的，实际上卫星的轨道就是地球赤道平面。当卫星上天线口面电场矢量在赤道平面之内时就称为水平线极化；而垂直线极化是指天线口面电场矢量与上述的水平极化方向垂直且与天线口面垂直。

由于各接收地点经纬度的不同，卫星传送来的水平极化波或垂直极化波中的电场矢量与地平面的夹角也不同，这种因地球球面造成的夹角就称为卫星接收的极化角。

目前极化角的计算方法较多，有三角函数法、解析几何法、矢量代数法，本人经过多年实践结合基础理论，总结了一种方便工程技术人员随查随用的曲线图表法（见图1）。

图1中经度差是指相对经度差λ相，为接收点经度λr减去卫星经度λs，即：λ相＝λr－λs

当：λ相＜0时取其绝对值查图1，极化角＜0；λ相＞0时取其绝对值查图1，极化角＞0。

极化角的调整示意图如图2所示。注意图2是依照前馈天线，并站在天线前面，面对着天线画出的。

接收天线仰角、方位角和天际线仰角的计算

接收天线仰角、方位角和天际线仰角的计算选择地点或地址，一般总是希望能在天线基座方位不变的情况下能够方便接收多颗卫星下行的电视信号。因此，根据欲选址的地理经纬度，以及欲接收卫星轨道的位置（经度），可计算出接收天线对准这些卫星的相应方位角和仰角。卫星广播接收点的方位角和仰角也有几种方法，图表计算法简明实用（见图3）。

在选择架设接收天线场地的实际工作中，应观察接收前方视野是否开阔空旷，要求无树木、铁塔、高压线、建筑物或高山阻挡。并使天线接收仰角大于天际线仰角5°以上为宜。所谓天际线，即由台（站）址远望地球表面与天空的交界线。而由天线辐射中心O与前方天际线连线Om和地平线On之间的夹角α称为该方向的天际线仰角。如图4所示，图中A为遮挡物，OS为天线辐射中心指向卫星的轴线。当前方有遮挡物或天线仰角EL接近天际线仰角α时，天线的噪声将急剧增加。因此要求EL－α＞5°以上。这可用光学简易经纬仪在选址地点进行测量，以保证天线所指方向视野开阔，天线仰角达到要求。

应用实例

在江苏泰州，CATV运营商分别接收亚洲2号卫星C 、Ku 波段两波段的电视节目。已知现有高频头C波段噪声温度Ta＝25K、增益G高＝60dB，Ku波段噪声系数NF＝1dB、增益G高＝60dB，试设计两个卫星接收系统，要求图像等级高于4级。

系统考虑问题有：系统框图；天线仰角EL、方位角Az、噪声温度Ta、极化角 ；天线口经D天、效率η天、增益G天、天馈信噪比S/N、确定图像等级Q；的输入功率Bi。

1、系统框图

泰州CATV运营商接收亚洲2号星的Ku 波段和C 波段的节目，其方框图见图5所示。该星的技术参数如下：

等效全向辐射功率EIRBs：C波段的EIRBs＝39dBW；Ku波段的EIRBs＝52dBW。

卫星轨道位置：东经100.5°，即： λs＝100.5°。

极化方式：C波段为水平极化；Ku波段为水平和垂直两种极化方式。

下行频率：C波段3960MHz；Ku波段12305MHz（SCBC方式）。

泰州地理经纬度：东经119°54′即：λr≈120°。北纬32°29′即：?渍r≈32.5°。

相对经度λ相：λ相＝λr－λs＝120°－100.5°＝19.5°

可由公式计算出其D（波长）、d （地面站至卫星的直线距离）：

C波段：λD＝C/f＝3×108m/s÷3.96×109/s＝0.0758 m

Ku 波段：λD＝C/f＝3×108m/s÷12.305×109/s＝0.0244 m

d=35786.04×

=35786.04×

=34210.932km

将λD、d代入卫星下行链路传播损耗公式：Ls＝10Lg（4πd/λD）2得：

C波段：Ls＝195.07411≈195.07dB；Ku波段：Ls＝204.9197≈204.92dB

2、天线极化角B 、仰角EL、方位角Az、噪声温度Ta

查图1，从纵坐标上取?渍r＝32.5°；再从横坐标上取λr－λs＝19.5°，通过这两面点作与轴线相平行的直线，它们相交于A点，由A点可从极化角曲线簇上读得：

B≈27°

查图3，从纵坐标上取?渍r＝ 32.5°；再从横坐标上取λr－λs＝19.5°，通过这两面点作与轴线相平行的直线，它们相交于B 点，由B 点可从仰角曲线簇上读得：EL≈47.5°

从方位角曲线簇上可读得：AZ≈34°（正值为正南偏西）

查天线仰角与噪声温度的关系表（见表1）得：Ta＝19K

3、天线口经D天、效率η天、增益G天、天馈信噪比S/N、确定图像等级Q

选用一面D天＝3m前馈式优质天线使C波段、Ku波段合用，其技术参数见表2。

（1）天线增益

效率η天＝70%时，C波段：G天＝40.4dB；Ku波段：G天＝49.9dB。

考虑到雨衰和雪衰等因素，天线效率取η天＝60%即：η＝60%时，G＝0.7dB。

就是天线效率η天＝70%时的增益减去0.7dB则增益为：

C波段：G天＝40.4－0.7＝39.7dB；Ku波段：G天＝49.9－0.7＝49.2dB

（2）高频头

C波段：增益G高＝60dB，噪声温度Tr＝25K。Ku波段：增益G高＝60dB，噪声系数NF＝1dB。

NF（dB）＝10lg NF（B），NF（B）＝10 [ NF(dB)/10 ]

NF1（dB）＝1.2589254 （B）

由公式Tr＝ [ NF－ 1 ] T0 （NF 的单位是B（倍），T0指环境温度一般在290K300K之间，本文T0＝290K，噪声系数NF 与噪声温度Tr的转换见表3，得：噪声温度 Tr＝75K。

若高频头至功分器选用75-5 同轴电缆50m则其衰减值L缆 ：

C波段：L缆=α×=20×=34.6(dB/100m)=17.3(dB/50m)

Ku波段：L缆=17.3(dB/50m)

功分器选用4功分则其衰减值L分：L分＝8dB

由载噪比公式：C/N ＝ EIRBs－Ls＋G天－10lg（Ta＋Tr）＋154.3

式中：154.3 为常数，指高频头等效输入的噪声功率。

由公式：10lg（KB）

式中：K 为玻尔兹曼常数 1.38054×10-23，B 为卫星节目带宽27MHZ。

得：10lg（KB）≈154.3

C波段载噪比C/N或信噪比S/N：

C/N＝EIRBs－Ls＋G天－10lg（Ta＋Tr）＋154.3

＝39－195.07＋39.7－10 lg（19＋25）＋154.3

＝39－195.07＋39.7－16.434527＋154.3

＝21.495473≈22dB

S/N＝C/N＋20

因为在卫星电视广播中调制增益（MF）：MF＝S/N－C/N，调制增益规定为18.3dB，卫星接收机去加重增益为2.5dB，两者之和为20.8dB，经验计算时取MF＝20dB。

则：S/N＝42dB（高于4级图像标准见表4）

Ku波段载噪比C/N 或信噪比S/N：

C/N＝EIRBs－Ls＋G天－10lg（Ta＋Tr）＋154.3

＝52－204.9197＋49.2－10 lg（19＋75）＋154.3

＝52－204.9197＋49.2－19.731279＋154.3

＝30.849021≈31dB

S/N ＝ C/N＋20－10

式中10dB的由来：在接收卫星下行的数字信号时，应用误码率来计算，没有数字测试仪的CATV运营商，在测试接收卫星下行数字信号时，以测量中频（射频）电平来计算，经验计算法是：要想达到相同的图像等级或图像效果，SCBC方式所要求的C/N 比模拟方式所要求的C/N大约低10dB。

则：S/N＝41dB（高于4级图像标准见表4）

4、卫星接收机的输入功率Bi

全球卫星广播接收机的输入功率Bi，一般在－60dBmW至－30dBmW之间，较先进的在－65dBmW至－28dBmW之间。

设：系统插损L＝0.5dB

由公式：Bi＝EIRBs－Ls－L＋G天＋G高－L缆－L分得：

C波段：Bi＝EIRBs－Ls－L＋G天＋G高－L缆－L分

＝39－195.07－0.5＋39.7＋60－17.3－8

＝－82.17（dBW）＝－52.17（dBm）

Ku波段：Bi＝EIRBs－Ls－L＋G天＋G高－L缆－L分

＝52－204.9197－0.5＋49.2＋60－17.3－8

＝－69.5197（dBW）＝－39.52（dBm）

＝－39.52－3.952（SCBC方式低10dB）

10 dB衰减量的功率比为0.1

当Bi＝－39.52 （dBm），SCBC方式低10dB的情报况下，其功率比为－3.952（dBm），

Bi＝－39.52－3.952＝－43.472≈－44（dBm）

C波段、Ku波输入功率Bi均符合要求。

图6、图7为C波段、Ku波卫星接收天线直径工程计算曲线图，供工程技术人员参考。