+ 段曉明 王瑩 周凱

國家新聞出版廣電總局無線電臺管理局

一、高頻頭的分類

高頻頭主要分為3類：LNA，LNB和LNC。

1.LNA（Low Noise Amplifier）

LNA即低噪聲放大器，這是最早期的“高頻頭”，框圖如下：

（1）主要特點(diǎn)

1）波導(dǎo)輸入，同軸電纜輸出；

2）射頻寬帶輸入（C波段3.4 GHz到4.2GHz，Ku波段12.2 GHz到12.75GHz 注1），射頻寬帶輸出（C波段3.4 GHz到4.2GHz，Ku波段12.2 GHz到12.75GHz）；

3）LNA的高頻頭屬于“專業(yè)”設(shè)備，所以對指標(biāo)的要求很高。這里的指標(biāo)主要體現(xiàn)在幅頻特性上，即，在整個(gè)射頻頻段（500MHz或者750MHz頻譜范圍內(nèi)）內(nèi)的增益一致性要求較高；主要指標(biāo)：增益；噪聲溫度。

圖2 ：LNB框圖

（2）LNA主要應(yīng)用場合

1）作為獨(dú)立使用的設(shè)備用于大型地球站，輸出通過IFL傳輸?shù)绞覂?nèi)的下變頻進(jìn)行變頻；這種LNA產(chǎn)品特點(diǎn)：價(jià)格昂貴；指標(biāo)嚴(yán)格；往往帶有獨(dú)立的直流供電接口；產(chǎn)品考慮到1：1或者1：2熱備份的功能，帶有相關(guān)的接口（狀態(tài)/告警輸出，等）。

2）作為一些ODU產(chǎn)品的一部分，其輸出直接送給ODU，經(jīng)過ODU變頻到中頻后通過IFL傳輸?shù)绞覂?nèi)的Modem。這種LNA產(chǎn)品特點(diǎn)：價(jià)格適中（在“高頻頭”家族中仍然屬于貴的行列）；通過同軸電纜接口提供直流供電；沒有單獨(dú)的熱備份切換邏輯，熱備份通過ODU來實(shí)現(xiàn)。

隨著時(shí)代的發(fā)展，技術(shù)的演進(jìn)，特別是L波段產(chǎn)品的大量問世并主流化，加之市場對射頻產(chǎn)品降價(jià)的呼聲高漲，各個(gè)RF產(chǎn)品廠家也逐漸將ODU所需要的高頻頭從LNA過渡到 LNB。這一切都使得LNA的應(yīng)用越來越呈現(xiàn)下降的趨勢。目前，LNA主要用于大型地球站和關(guān)口站和一些需要獨(dú)立高頻頭熱備份的場合，外加一些存在L波段干擾的場所。

2 LNB（Low Noise Block Downconverter）

LNB即低噪聲變頻模塊，是我們俗稱的高頻頭，是將衛(wèi)星傳來的極微弱的信號通過LNA放大后，通過混頻器將接收到的信號頻率和本機(jī)振蕩器產(chǎn)生的本振頻率相減，使得不同頻段的高頻率信號轉(zhuǎn)換為適合衛(wèi)星接收設(shè)備處理的、統(tǒng)一頻段的信號，以利于同軸電纜的傳輸及衛(wèi)星設(shè)備的解調(diào)和工作，其框圖如下：

（1）LNB的特點(diǎn)

1）波導(dǎo)輸入，同軸電纜輸出；

2）射頻寬帶輸入C波段3.4GHz到4.2GHz，Ku波段12.2GHz到12.75GHz的700MHz到800MHz范圍內(nèi)，L波段寬帶輸出（950MHz到1700MHz，共750MHz）；

3）采用同軸電纜的信號線供電（直流）；

4）無獨(dú)立的熱備份控制機(jī)制；

5）LNB在全頻段范圍內(nèi)的幅頻特性較差，頻率響應(yīng)曲線非常不平整；

6）主要指標(biāo)：增益；噪聲溫度；頻率穩(wěn)定度；相位噪聲。

（2）LNB主要應(yīng)用場合

1）TVRO（衛(wèi)星電視接收）。這是LNB的起源市場，也是其最主要的應(yīng)用市場；

2）作為一些ODU產(chǎn)品的一部分，其輸出的L波段信號直接送給ODU，經(jīng)過ODU變頻到中頻后通過IFL傳輸?shù)绞覂?nèi)的Modem；

3）直接用于某些L波段的Modem的接收輸入；

這里需要強(qiáng)調(diào)一下上面這3種應(yīng)用中LNB的區(qū)別：

1）第1種應(yīng)用是純粹的TVRO應(yīng)用，可以使用很便宜的TVRO高頻頭；

2）第2種和第3種應(yīng)用屬于通信應(yīng)用，一般需要使用“檔次較高”的LNB；

3）TVRO使用的高頻頭原則上不能用于通信應(yīng)用。盡管也有些實(shí)際應(yīng)用的案例（TVRO高頻頭用于通訊領(lǐng)域），但是這里強(qiáng)烈反對這樣使用。后面的部分將會對這個(gè)觀點(diǎn)予以解釋。

（3）LNB分類及特點(diǎn)

由于LNB存在一個(gè)本振源，所以根據(jù)這個(gè)本振源的實(shí)現(xiàn)方式，LNB分成三種類型：介質(zhì)共振振蕩器，鎖相環(huán)和外參考鎖相環(huán)。三種LNB的框圖如圖3至圖5所示。

圖3 ：介質(zhì)共振LNB

1）介質(zhì)共振振蕩器（DRO）型LNB，其振蕩頻率的產(chǎn)生和穩(wěn)定性完全取決于一小塊介質(zhì)材料的自由振蕩頻率和穩(wěn)定性，這種LNB相對頻率穩(wěn)定性差。

圖4 ：鎖相環(huán)LNB

2）內(nèi)參考鎖相環(huán)振蕩器(Internal PLL)型LNB,其振蕩頻率的產(chǎn)生和穩(wěn)定性完全取決于內(nèi)置溫度補(bǔ)償晶體振蕩器及數(shù)字鎖相電路，（一般為1MHz/5MHz/10MHz）倍頻實(shí)現(xiàn)的。

圖5 ：外參考鎖相環(huán)LNB

3）外參考鎖相環(huán)振蕩器（External PLL）型LNB,其振蕩頻率的產(chǎn)生和穩(wěn)定性完全取決于外置振蕩器，它的振蕩頻率是從衛(wèi)星接收器通過同軸電纜傳送到LNB內(nèi)，通過鎖相環(huán)倍頻來實(shí)現(xiàn)的。一般這樣的外振蕩參考源為10MHz。

圖6 C波段LNB

圖7 Ku波段LNB

由于各個(gè)廠家的產(chǎn)品不同，LNB的本振頻率也各不相同，在我國，應(yīng)用的最普遍的頻率是：C波段LNB本振頻率5150MHz；Ku波段LNB本振頻率11.3GHz；

圖8 LNC框圖

3 LNC（Low Noise Converter）

LNC即低噪聲變頻器，其框圖如下所示：

（1）LNC的特點(diǎn)

1）LNC屬于非通用設(shè)備，即LNC都是廠家自己生產(chǎn)并用于自己產(chǎn)品的一個(gè)射頻組件，無法用于其他廠家的設(shè)備。即沒有通用性，這一點(diǎn)是與LNA/LNB存在本質(zhì)區(qū)別的；

2）波導(dǎo)輸入，同軸電纜輸出；

3）射頻寬帶輸入（C波段3.4到4.2GHz，Ku波段12.2到12.75GHz 注1），中頻窄帶輸出（70M+/-18MHz，1080MHz+/-36MHz）。

4）主要指標(biāo)：增益；噪聲溫度。

(2)LNC應(yīng)用場合

從圖8可以看出，混頻使用的本振頻率不是由LNC產(chǎn)生的，而是通過同軸電纜饋入的。并且，本振頻率是一個(gè)變值，因此才能夠做到定頻率輸出。相當(dāng)于：LNC是把ODU的接收方向的下變頻功能（部分或者全部）轉(zhuǎn)移到高頻頭中實(shí)現(xiàn)。故LNC必須伴隨著一個(gè)ODU使用，無法單獨(dú)應(yīng)用，無法與其他廠家的ODU實(shí)現(xiàn)兼容，屬于“非通用”設(shè)備。

4 三種高頻頭的對比

項(xiàng)目 LNA LNB LNC通用性 好 好 無通用性輸入 射頻寬帶 射頻寬帶 射頻寬帶輸出 射頻寬帶 L波段寬帶 中頻窄帶頻率穩(wěn)定度 無指標(biāo)要求 視類型 好相位噪聲 無指標(biāo)要求 視類型 好溫度特性 好 視類型 好幅頻特性 好 差 好對IFL的要求 極高 較高 較低價(jià)格 高 適中 無指標(biāo)（非通用）

二、LNB在廣電VSAT系統(tǒng)中的應(yīng)用情況

上文所述LNB具有技術(shù)性能好、結(jié)構(gòu)簡單、成本較低等特點(diǎn)，所以在衛(wèi)星廣播電視和通信領(lǐng)域得到了較為廣泛應(yīng)用。對于不同種類的數(shù)字接收系統(tǒng)，對LNB的頻率穩(wěn)定度由不同的要求，寬頻信號如MPEG-2數(shù)字電視廣播需要頻率穩(wěn)定度較低的LNB,因?yàn)槠鋫魉偷男盘栴l寬較大，而接收器的自動頻率調(diào)諧范圍較寬。然而，窄頻信號如SCPC廣播則需要穩(wěn)定度高得鎖相環(huán)LNB，以使接收器能把信號鎖定。各類LNB的穩(wěn)定度和應(yīng)用對比見下表：

LNB振蕩器的種類 穩(wěn)定度 應(yīng)用介質(zhì)共振 +/-1MHz～+/-250KHz數(shù)字電視廣播寬帶數(shù)字廣播內(nèi)參考鎖相環(huán) +/-100KHz～+/-5KHz SCPC數(shù)字廣播VSAT數(shù)字通信外參考鎖相環(huán) +/-0KHz～+/-1KHz衛(wèi)星傳呼通信系統(tǒng)窄頻寬數(shù)字通信

其中外參考鎖相環(huán)LNB具有頻率穩(wěn)定度高、不受環(huán)境溫度影響、相位噪聲好等優(yōu)點(diǎn)，大量在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中應(yīng)用，但在特定的電磁環(huán)境下，其應(yīng)用有著局限性。這里通過一個(gè)案例介紹來說明在外參考鎖相環(huán)的LNB在某些短波發(fā)射臺站的應(yīng)用中存在的問題及其解決辦法，從而讓技術(shù)人員和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)者在今后的VSAT網(wǎng)絡(luò)和電視接收網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中能夠有所考慮。

廣電VSAT網(wǎng)衛(wèi)星站初期設(shè)計(jì)時(shí)，由于系統(tǒng)采用MF-TDMA技術(shù)體制，信號屬于窄頻寬數(shù)字通信，考慮到外參考鎖相環(huán)LNB的優(yōu)點(diǎn)，在全部的衛(wèi)星站點(diǎn)中均采用了外參考鎖相環(huán)LNB。但隨著VSAT網(wǎng)絡(luò)建成運(yùn)行，出現(xiàn)了部分VSAT站工作不穩(wěn)定，絕大部分時(shí)間能夠正常使用，但是總是會無端掉網(wǎng)，多次更換設(shè)備無法得到解決，同時(shí)發(fā)現(xiàn)被更換下來的設(shè)備用在其他站點(diǎn)是正常的，并能夠長時(shí)間穩(wěn)定工作。

在VSAT網(wǎng)建設(shè)過程中對所有的站點(diǎn)進(jìn)行過勘探（俗稱測站）。在測站環(huán)節(jié)，考慮到并且對星上干擾，地面干擾（衛(wèi)星下行頻率和L波段）進(jìn)行了干擾測量，并沒有可對本通信網(wǎng)絡(luò)的頻率構(gòu)成干擾的頻率。通過大量仔細(xì)的排查，在排除了設(shè)備電源接地和星上干擾的可能后，最終確定站點(diǎn)的工作不穩(wěn)定原因在于系統(tǒng)受到了較強(qiáng)的干擾。

通過對VSAT網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，對各衛(wèi)星站點(diǎn)進(jìn)行分類，比較出現(xiàn)干擾站點(diǎn)的運(yùn)行環(huán)境等因素，歸納出受干擾站點(diǎn)特點(diǎn)：

（1）問題不是全網(wǎng)性的，而是指在個(gè)別站點(diǎn)發(fā)生；

（2）這些站點(diǎn)設(shè)在廣播發(fā)射臺中；

（3）這些站點(diǎn)都有大功率短波節(jié)目的播出任務(wù)；

通過現(xiàn)場實(shí)際測試，發(fā)現(xiàn)只要部分短波發(fā)射機(jī)一開始播出，站點(diǎn)的誤碼率就開始大量增加，直到掉網(wǎng)。

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，播出的短波都是在10MHz左右的信號。結(jié)合VSAT廠家提供的設(shè)備參數(shù)，初步懷疑是短波的播出頻率與外參考鎖相環(huán)LNB的參考信號（10MHz）比較接近，同時(shí)短波電臺屬于調(diào)幅信號，外加發(fā)射功率極高，從而通過VSAT的IFL電纜和接頭饋入，干擾10MHz參考源，使得LNB的本振頻率發(fā)生偏移，產(chǎn)生嚴(yán)重的相位噪聲而造成掉網(wǎng)。

根據(jù)上述假設(shè)進(jìn)一步開展故障處理實(shí)驗(yàn)：

（1）選用屏蔽特性好的電纜，有改善，但是沒能徹底解決問題；

（2）將VSAT終端從室內(nèi)拿到天線下，盤起IFL，有改善，但未徹底解決；

（3）再把盤起的電纜放到一個(gè)有屏蔽的鐵盒中，同時(shí)對設(shè)備接地進(jìn)行處理后，大大改善。

至此，可以確定短波電臺發(fā)射臺站的大功率短波信號干擾到了電纜中的10MHz參考信號，造成了嚴(yán)重的相位噪聲從而引起通信中斷。

最后通過將所有短波播出任務(wù)的臺站的VSAT設(shè)備的RF由L波段換成70MHz中頻，將外參考鎖相環(huán)LNB更換成內(nèi)參考鎖相環(huán)LNB后，問題得以完全解決。

三.結(jié)論

在接收不同的衛(wèi)星信號時(shí)，正確選用LNB非常重要，不同類型的LNB能提供不同的接收功能。以下提供一些如何正確選擇LNB的參考意見：

1. 數(shù)字壓縮視頻MPEG-2需要穩(wěn)定度較高的介質(zhì)共振LNB，如Norsat的4000或8000系列；

2. 中央100路數(shù)字聲廣播節(jié)目因其速率較低頻寬較窄，需選用內(nèi)參考鎖相環(huán)LNB，如Norsat的1000或3000系列；

3. 衛(wèi)星新聞廣播車采用鎖相環(huán)的LNB，因其戶外操作時(shí)環(huán)境惡劣，鎖相環(huán)LNB可增加接收穩(wěn)定度；

4. 對于窄頻寬數(shù)字通信系統(tǒng)，建議選用外參考鎖相環(huán)高頻頭，但因受電磁環(huán)境影響，應(yīng)盡量使用70MHz或140MHz接口和射頻設(shè)備，盡量做好屏蔽和接地。

注1：C波段的下行頻率隨著國際電聯(lián)ITU的不斷擴(kuò)展，經(jīng)歷了3個(gè)階段：①3.7GHz到4.2GHz，②3.625GHz到4.2GHz，③3.4GHz到4.2GHz；Ku波段的下行頻率根據(jù)ITU的分區(qū)不同共有3段頻率：①10.95GHz到11.7GHz，②11.7GHz到12.2GHz，③12.25GHz到12.75GHz。