+ 汪洋溢　中國(guó)移動(dòng)河北有限公司田議中電科技集團(tuán)第54所

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衛(wèi)星數(shù)字電視線路性能設(shè)計(jì)

+ 汪洋溢中國(guó)移動(dòng)河北有限公司田議中電科技集團(tuán)第54所

衛(wèi)星數(shù)字電視線路設(shè)計(jì)對(duì)專業(yè)用戶很重要，例如軍用、電視臺(tái)站等是十分必要的，是保障24小時(shí)不間斷收視的必要條件。設(shè)計(jì)的重要依據(jù)是衛(wèi)星地球接收站的地理位置，以此計(jì)算出線路性能并選擇設(shè)備，文章從理論入手，以實(shí)例給出設(shè)計(jì)結(jié)果。還給出一個(gè)接收站接收兩顆衛(wèi)星的方法，可供業(yè)余愛好者參考。利用衛(wèi)星廣播電視，覆蓋范圍廣，基本無死角，成本低，較地面廣播有無法可比的優(yōu)勢(shì)，故在全世界得到廣泛的應(yīng)用。

電視、地理位置、仰角、方位角、噪聲、自由空間損耗、 衛(wèi)星、天線增益、雨衰、大氣損耗、傳輸損耗。

概述

我國(guó)從70年代開始研究衛(wèi)星電視，已走過40多年的歷程，前期為模擬調(diào)頻制，一個(gè)36MHz的轉(zhuǎn)發(fā)器只能傳一路電視節(jié)目。上世紀(jì)90年代末，我國(guó)采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)DVB-S，開始了數(shù)字電視廣播，在36MHz轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬內(nèi)可傳6～7套標(biāo)準(zhǔn)清晰度電視節(jié)目，并以極快的速度在全國(guó)普及了衛(wèi)星數(shù)字電視廣播，各省、市都有電視節(jié)目上衛(wèi)星，同時(shí)各省、市也進(jìn)行了電視節(jié)目交換，極大地豐富了我國(guó)的文化娛樂生活，尤其是極大地推動(dòng)了有線電視的快速發(fā)展。歐洲于2005年已進(jìn)入第二代衛(wèi)星數(shù)字電視DVB-S2，2009年我國(guó)也有了自己的衛(wèi)星數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)ABS-S，由于數(shù)字電視信源編碼技術(shù)的進(jìn)步，衛(wèi)星數(shù)字電視已進(jìn)入高清晰度時(shí)代，未來我國(guó)人民將享受到更加美麗多彩的優(yōu)質(zhì)衛(wèi)星數(shù)字電視節(jié)目。

為了保證電視接收質(zhì)量，進(jìn)行線路設(shè)計(jì)是十分重要的，設(shè)計(jì)時(shí)要全面考慮影響性能的因素，以保證電視網(wǎng)中的用戶滿意。

1.靜止衛(wèi)星位置與地球站地理位置的關(guān)系

在靜止軌道（赤道）上，若衛(wèi)星上的天線設(shè)計(jì)成覆蓋全球的，其波束寬度為17.4o，當(dāng)衛(wèi)星天線的波束主瓣指向赤道，則星下點(diǎn)在±81o經(jīng)度范圍內(nèi)的地球站能觀察到該衛(wèi)星；在緯度方向上，即星下點(diǎn)的正南正北±81o緯度范圍內(nèi)的地球站也同樣能看到衛(wèi)星。故設(shè)計(jì)地球站時(shí)，設(shè)計(jì)其方位角與仰角是必須考慮的課題。

地球站的仰角是該地球站天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星時(shí)天線波束主軸和地平線之間的夾角。地球站的仰角是隨該站的緯度和地球站與衛(wèi)星之間的經(jīng)度差的變化而變化。設(shè)地球站經(jīng)度為，緯度為，衛(wèi)星經(jīng)度為，則地球站的天線仰角EL如式（1）所示，方位角如式（2）所示：

地球站天線仰角不能低于天際線仰角，所說的天際線，就是在地球站向四周遠(yuǎn)望所看到的地球表面與天空的交界線，當(dāng)?shù)厍蛘咎炀€的等效輻射中心與天線上任一點(diǎn)連線與地平線的夾角，稱為地球站在該方向上的天際線仰角。

當(dāng)天線的仰角接近天際線仰角時(shí)，天線的等效噪聲溫度將急劇上升，使地球站的值降低，影響通信（電視）系統(tǒng)性能。

2.衛(wèi)星電視線路的傳輸損耗

衛(wèi)星電視上行或下行線路，因?yàn)殡姴ǖ膫鞑ブ饕窃诖髿鈱右酝獾淖杂煽臻g傳播，所以我們把收、發(fā)天線之間的電波傳播當(dāng)做自由空間傳播對(duì)待，計(jì)算傳輸損耗時(shí)主要計(jì)算自由空間傳輸損耗。至于電波在大氣中引起的各種損耗，可以作為修正值考慮，這樣處理比較方便，例如將雨衰作最大考慮值。

2.1天線增益在衛(wèi)星電視中使用定向天線，它是將電磁能量集聚在某一方向輻射出去，從而達(dá)到某方向上的最大功率是全向天線的G倍，這就是定向天線的增益。增益G可表示為：

f為工作頻率，單位為Hz；

D為天線直徑，單位為m似為：

式中單位同式（3）.

2.2有效全向輻射功率EIRP

當(dāng)發(fā)射機(jī)使用定向天線發(fā)射時(shí)，其增益，為，發(fā)射機(jī)的輸出功率為，將與的乘積稱為有效全向輻射功率，并用EIRP來表示，即有：

在衛(wèi)星電視或通信中，為表明地球站或衛(wèi)星的輻射功率常采用這種表示方法，它代表著發(fā)射系統(tǒng)的功率發(fā)射能力。如果發(fā)射機(jī)與天線之間有饋線連接，其損耗為，則衰減后送入天線的功率為這時(shí)的EIRP為：

式中：d為自由空間距離，同步衛(wèi)星到地球

站的距離取值為40000Km.

2.4大氣損耗

在衛(wèi)星電視或衛(wèi)星通信線路中，電波除了在自由空間傳播外，還要通過大氣層傳播，在大氣層中通過電離層時(shí)，會(huì)受到自由電子和離子的吸收。通過對(duì)流層時(shí)會(huì)受到氧分子、水蒸汽分子和云、霧、雨、雪等的吸收而產(chǎn)生損耗。

大氣損耗對(duì)接收信號(hào)質(zhì)量影響最大的是降雨（雪），尤其是下大雨時(shí)，對(duì)電磁波的吸收相當(dāng)嚴(yán)重，甚至?xí)a(chǎn)生信號(hào)中斷。因此，在設(shè)計(jì)線路時(shí)把雨衰要放在頭等重要的位置，必要時(shí)要查閱多年的氣象資料。雨衰對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響與天線的仰角和頻率密切相關(guān)。天線仰角越高，影響越小，但這不是主要的。雨衰是線路設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮的內(nèi)容，一般在G頻段，雨量為100時(shí)，上行產(chǎn)生的衰減約為0.5dB，下行產(chǎn)生的衰減約為0.4dB，如果雨區(qū)的路程超過2Km，引起雨衰也不會(huì)超過1dB.但是對(duì)于頻段就不一樣了，當(dāng)雨量還是100，雨衰可能會(huì)超過10dB，當(dāng)頻率達(dá)到20G時(shí)，雨衰可達(dá)到20dB.因此設(shè)計(jì)衛(wèi)星電視或通信線路時(shí)必須根據(jù)工作頻段和所處的地理位置留足雨衰余量。由于引起最大雨衰在全年中所占的時(shí)間是不多的，如果長(zhǎng)期工作在最大雨衰狀態(tài)會(huì)造成巨大的浪費(fèi)，因此在衛(wèi)星數(shù)字電視或衛(wèi)星通信中，都采用自適應(yīng)編碼技術(shù)以保障資源不會(huì)浪費(fèi)。

2.5天線的方向跟蹤誤差和天線的極化誤差

由于衛(wèi)星本體的軌道精度提高，衛(wèi)星有效輻射功率的增加，地球站接收天線口徑勢(shì)必要減小，故天線的波瓣寬度較大，因此跟蹤誤差在目前設(shè)計(jì)線路時(shí)可不予以考慮。如果接收天線口徑在10米以上還是要考慮的。

再則，目前天線的加工水平與技術(shù)水平較高，衛(wèi)星的極化與地球站接收天線的極化都能滿足設(shè)計(jì)要求，而且穩(wěn)定性很好，故不會(huì)產(chǎn)生明顯的影響。

3.接收系統(tǒng)噪聲

衛(wèi)星電視（或通信）接收系統(tǒng)的性能有兩個(gè)基本因素決定，即接收帶寬和系統(tǒng)噪聲。當(dāng)帶寬一定時(shí)，噪聲越大接收性能越差。相反，當(dāng)接收系統(tǒng)噪聲一定時(shí)，接收帶寬越寬其接收性能越差。在接收系統(tǒng)中噪聲悪化了信號(hào)，降低了有用信號(hào)的觀測(cè)值和測(cè)量的可靠性。如果一個(gè)接收系統(tǒng)不存在噪聲，由信息論的觀點(diǎn)可知，發(fā)射站發(fā)射的功率可以很小，接收機(jī)仍能正常工作，因?yàn)樾盘?hào)中無噪聲，只要我們將接收機(jī)的增益提高，即可滿足信息的正常解調(diào)。在宇宙通信中，因宇宙噪聲很小，所以通信距離可較地球上傳的更遠(yuǎn)，就是這個(gè)道理。一個(gè)地球站的接收原理方框圖如圖1所示。

圖1　地球接收站方框圖

接收站系統(tǒng)噪 聲主要是熱噪聲和交調(diào)噪聲，熱燥聲是無法克服的，只有設(shè)法降低，它是接收系統(tǒng)噪聲的主要來源。交調(diào)噪聲只要將放大器的動(dòng)態(tài)范圍合理設(shè)計(jì)，它產(chǎn)生的噪聲可以忽咯不計(jì)。若接收系統(tǒng)的工作帶寬為，則在帶寬內(nèi)的噪聲功率為；（10）

接收天線接收到來自衛(wèi)星的信號(hào)時(shí)，也同時(shí)接收到來自各方向的自然界的輻射源產(chǎn)生的噪聲，這是外部的噪聲。天線本身也產(chǎn)生噪聲，它是內(nèi)部產(chǎn)生的熱噪聲，該噪聲在天線接收信號(hào)的同時(shí)也進(jìn)入接收機(jī)，它產(chǎn)生的噪聲功率為：= K（11）

3.2饋線噪聲

在上行站發(fā)射機(jī)與天線之間是接有饋

線的，在接收站，尤其是大型專業(yè)接收站，天線和接收機(jī)之間也接有饋線。饋線是有耗網(wǎng)絡(luò)，它對(duì)信號(hào)會(huì)產(chǎn)生衰減，即使是衰減很小，他對(duì)高靈敏度接收系統(tǒng)噪聲的影響也是很大的。例如0.1dB衰減就會(huì)產(chǎn)生6.6K的影響。

折算到饋線輸入端的等效噪聲溫度為：

3.3 接收系統(tǒng)的噪聲溫度

衛(wèi)星電視接收系統(tǒng)的原理方框圖如圖2所示。

圖2　衛(wèi)星電視接收系統(tǒng)方框

由圖2可知，接收系統(tǒng)的噪聲溫度由天線噪聲溫度饋線噪聲溫度和接收機(jī)的噪聲溫度三部分組成。如果將這些噪聲折算到饋線的輸入端，則接收系統(tǒng)的噪聲溫度

如果折算到接收機(jī)的輸入端，則接收系統(tǒng)的噪聲溫度為：

4.接收系統(tǒng)的載波噪聲功率比

在衛(wèi)星電視（通信）中，接收機(jī)收到的信號(hào)一般來說不是調(diào)頻信號(hào)就是數(shù)字信號(hào)，在解調(diào)前稱為載波信號(hào)，其能量大小稱為載波功率（C）.對(duì)調(diào)頻信號(hào)而言載波功率就是調(diào)頻信號(hào)頻譜范圍內(nèi)的總功率；對(duì)數(shù)字信號(hào)而言載波功率就是平均功率。故在已知接收系統(tǒng)噪聲功率的前提下，接收系統(tǒng)的載噪比（C/N）就是接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。

4.1 門限載噪比

在調(diào)頻制中，解調(diào)器輸出端的信噪比（S/N）隨輸入端的載噪比（?的降低而降低，當(dāng)降低到一定值時(shí)，值就急劇惡化，故將這一點(diǎn)稱為門限效應(yīng)，這時(shí)的值就是門限值。如果接收到的信號(hào)是數(shù)字信號(hào)，則要求的信號(hào)質(zhì)量不是以為準(zhǔn)，而是以誤碼率來表示，當(dāng)解調(diào)方式不同時(shí)，雖然誤碼率相同，但不同的解調(diào)方式所需的信號(hào)能量與噪聲功率密譜度之比是不相同的，當(dāng)接收系統(tǒng)所要求的最小誤碼率與之對(duì)應(yīng)的（）稱為門限值，一般用來表示。

4.3 下行線路的載波噪聲比

設(shè)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的有效輻射功率為EIRP，下行線路的自由空間傳輸損耗為，地球站的接收天線增益為，饋線的損耗為，則進(jìn)入到接收機(jī)輸入端的載波信號(hào)：

以分貝計(jì)為-228.6dB

這時(shí)下行線路的載波功率與接收系統(tǒng)的噪聲溫度之比為

在衛(wèi)星電視下行線路應(yīng)用中衛(wèi)星對(duì)地面輻射多為區(qū)域性波束，其信號(hào)可以覆蓋某一區(qū)域，例如可以是亞洲區(qū)、歐洲區(qū)或中國(guó)區(qū)等。因此，設(shè)計(jì)接收站應(yīng)根據(jù)不同地區(qū)的衛(wèi)星EIRP來考慮系統(tǒng)噪聲溫度，為了降低系統(tǒng)噪聲溫度，除了選用優(yōu)質(zhì)低噪聲放大器外，還要降低天線噪聲溫度，降低應(yīng)在滿足接收電平的條件下，盡量減小天線口徑，這樣就可減少接受外界噪聲的可能性。同時(shí)建站時(shí)應(yīng)?盡量抬高天線仰角，這樣可減少大氣噪聲，也就降低了一般情況設(shè)計(jì)衛(wèi)星電視接收（通信）站，天線仰角應(yīng)不低于否則會(huì)因大氣干擾嚴(yán)重，影響正常工作。

5.衛(wèi)星電視接收系統(tǒng)性能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)性能設(shè)計(jì)是保障24h信號(hào)不中斷的有效措施，對(duì)移動(dòng)站尤為重要。本設(shè)計(jì)以石家莊接收中星9號(hào)衛(wèi)星為例：衛(wèi)星經(jīng)度為東經(jīng)，石家莊經(jīng)度為東經(jīng)，石家莊緯度為，將上述參數(shù)代入式（1）和式（2）求得天線仰角為：，方位角為：（即正南偏西）.

5.1 系統(tǒng)性能計(jì)算

已知衛(wèi)星的有效輻射功率EIRP為：

中心區(qū)：56dBw

邊緣區(qū)：46dBW

為留有余地以邊緣區(qū)數(shù)值計(jì)算，

5.1.1自由空間傳輸損耗

衛(wèi)星到地球的距離：取值40000Km

代入式（9），則自由空間塤耗為：

Lf=92.45+20Log40000+20Log12=206dB

5.1.2大氣損耗

為處理方便把雨衰引起的衰減考慮充分，其他引起的衰減忽略，根據(jù)廣電的實(shí)驗(yàn)最大雨衰頻段為13dB，以此為準(zhǔn)設(shè)計(jì)。

5.1.3性能計(jì)算

由式（20）求得（不含雨衰）

加上雨衰計(jì)算結(jié)果-160改為-173dB.該系統(tǒng)以QPSK為主，符號(hào)率為28.8，內(nèi)碼率為，滾降系數(shù)為0.25，求得信息碼率為=43.2，即10lg43.2=76.35dB，占用轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬為28.8查標(biāo)準(zhǔn)按式（21）求得：

按式（20）、（21）計(jì)算的結(jié)果可求得

5.2 接收兩顆衛(wèi)星電視的方法

方案一

LNB（低噪聲下變頻器）為雙輸出，一個(gè)為水平極化，一個(gè)為垂直極化，兩副天線配置相同，若為圓極化則應(yīng)為左旋和右旋極化，每個(gè)輸出接二功分器，這樣兩副天線可接兩個(gè)四進(jìn)四出切換器，若功分器用一分為三的，則可接三個(gè)四進(jìn)四出切換器，能實(shí)現(xiàn)八個(gè)或12個(gè)用戶同時(shí)接收電視。如圖3所示

圖3　雙星接收方案一

方案二

LNB為單輸出，一個(gè)天線 設(shè)置為水平極化，另一個(gè)天線設(shè)置為垂直極化，若為圓極化，則設(shè)置為左旋或右旋極化。切換器可用2（3）進(jìn)多個(gè)輸出口的，如2（3）進(jìn)八出切換開關(guān)或2（3）進(jìn)六出的切換開關(guān)。如圖4所示。

圖4　雙星接收方案二

雙星接收方式，已成功應(yīng)用到由54所檢驗(yàn)認(rèn)證中心實(shí)施的信產(chǎn)部新農(nóng)村建設(shè)示范項(xiàng)目中，應(yīng)用“節(jié)目識(shí)別”發(fā)明專利能有效地抑制境外節(jié)目，并在全國(guó)進(jìn)行推廣。主要優(yōu)點(diǎn)有：

1）適應(yīng)于鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)村、社區(qū)等有線電視建設(shè)，建設(shè)中主要解決信號(hào)電平問題，只要電平滿足，就可接收到高質(zhì)量圖像。

2）無前端合路器和節(jié)目源，設(shè)備投資少，成本低，尤其適應(yīng)于山區(qū)和貧困地區(qū)。

3）因無合路器設(shè)備調(diào)試簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定可靠，圖像質(zhì)量高，大大減少了維修成本。

4）接收兩顆衛(wèi)星，節(jié)目增加一倍，是一種有線電視較好的建設(shè)方案。

5.3 設(shè)備選型及收視中常見問題

5.3.1 設(shè)備選型

1）選擇有生產(chǎn)許可證的產(chǎn)品，因?yàn)檫@些產(chǎn)品質(zhì)量有保障，有良好的售后服務(wù)。

2）天線面無碰傷，無脫漆，無銹蝕。

3）接收機(jī)應(yīng)選擇標(biāo)清與高清兼容的設(shè)備因?yàn)楦咔骞?jié)目在增加，產(chǎn)品使用壽命長(zhǎng)。

5.3.2 收視中常見問題

1）日凌致信號(hào)中斷。一年中有春分和秋分，太陽(yáng)、衛(wèi)星、地球在一條直線，衛(wèi)星經(jīng)過太陽(yáng)前時(shí)，因太陽(yáng)是一個(gè)強(qiáng)大的干擾源而致信號(hào)中斷，每年出現(xiàn)兩次，每次5天，每天喲10分鐘。這時(shí)不要?jiǎng)釉O(shè)備，過一會(huì)就會(huì)復(fù)原。

2）下雨時(shí)會(huì)出現(xiàn)馬賽克增加，影響收視效果，這時(shí)不要調(diào)整天線，等雨減小后會(huì)自動(dòng)好轉(zhuǎn)。

3）若出現(xiàn)畫面不動(dòng)，一般為死機(jī)，這時(shí)只要將電源重啟，就可正常收視。

6　結(jié)束語(yǔ)

文章以理論為指導(dǎo)，結(jié)合工作實(shí)踐，提出了設(shè)計(jì)中處理問題方法 ，設(shè)計(jì)方法對(duì)單星和雙星接收都適用，可供從事衛(wèi)星電視（通信）和有線電視工作的人員參考。

【1】呂海寰 衛(wèi)星通信系統(tǒng)與工程 解放軍通信工程學(xué)院 1983.6

【2】蘇志武 廣播電視傳輸網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用 2001.8

【5】陳麗萍 數(shù)字衛(wèi)星電視接收定時(shí)同步的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 20010201

【6】李偉 DVB-S2衛(wèi)星數(shù)字電視發(fā)展的“極限” 有線電視技術(shù) 2004年第二期