王 琦

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所，武漢 430079）

0 引言

公務(wù)船是維護(hù)海洋利益的海上綜合執(zhí)法力量，船載衛(wèi)星數(shù)字電視是保障船員學(xué)習(xí)和娛樂的主要信源，設(shè)計(jì)一套穩(wěn)定可靠系統(tǒng)需要選擇合適的衛(wèi)星信源、選擇好用易用耐用的船載衛(wèi)星天線、架構(gòu)合適的數(shù)字衛(wèi)星電視接收前端和分配網(wǎng)絡(luò)，本文從上述幾個(gè)方面研究了市場上的主流產(chǎn)品，并結(jié)合公務(wù)船項(xiàng)目進(jìn)行了應(yīng)用設(shè)計(jì)。

1 衛(wèi)星數(shù)字電視系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

休斯公司于1993年12月?lián)屜乳_發(fā)并組建了采用數(shù)字壓縮技術(shù)的商用電視直播衛(wèi)星系統(tǒng)，2000年后，全世界已經(jīng)建立的衛(wèi)星電視直播系統(tǒng)在北美有4～5個(gè)，在拉美有2～3個(gè)，在歐洲有4～5個(gè)，在亞洲或我國周邊國家有 9～10個(gè)，這些衛(wèi)星系統(tǒng)都能向家庭直播幾十至150多個(gè)頻道的電視節(jié)目，所用衛(wèi)視接收機(jī)天線口徑在 0.45～0.8 m之間。

數(shù)字衛(wèi)星電視系統(tǒng)由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，包括接收端的信號(hào)質(zhì)量可與發(fā)送端的相比擬，傳輸電視節(jié)目路數(shù)是模擬電視節(jié)目的約6倍，功耗低、體積小、高可靠性、高穩(wěn)定性，并易于聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)，這都是得益于大規(guī)模集成電路的采用。從1993年起，歐洲數(shù)字電視廣播集團(tuán)陸續(xù)制定了一系列數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)，即 DVB（Digital Video Broadcast），其中包括適用于衛(wèi)星鏈路的 DVB-S標(biāo)準(zhǔn)，地面波的DVB-T標(biāo)準(zhǔn)，同軸纜的DVB-C標(biāo)準(zhǔn)。歐洲的DVB-S標(biāo)準(zhǔn)在亞洲、澳洲、美國都得到了響應(yīng)，我國在1996年頒布廣播電視數(shù)字傳輸技術(shù)體制、決定采用符合DVB-S標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字電視衛(wèi)星廣播系統(tǒng)。DVB-S2為第二代DVB-S標(biāo)準(zhǔn)。

船載數(shù)字衛(wèi)星電視系統(tǒng)通常有兩種接收方式，一種是天線接收的信號(hào)通過下變頻成L波段（950～2150 MHz）后，經(jīng)過多路切換開關(guān)直接分配給多個(gè)數(shù)字衛(wèi)星接收機(jī)，這種方式簡單直接，但由于L波段信號(hào)傳輸分配對(duì)線纜和分配器要求較高，不適合太多接收機(jī)的場合，在32個(gè)數(shù)字衛(wèi)星接收機(jī)以內(nèi)的小系統(tǒng)可以考慮，超過這個(gè)規(guī)?？梢钥紤]采用以色列 FOXCOM公司的光纖分配系統(tǒng)，但船載光纜工程不易；另一種是天線接收的信號(hào)通過下變頻成L波段后，通過前端接收解調(diào)成ASI數(shù)據(jù)流再調(diào)制成DVB-T或DVB-C，通過非常成熟的860 M有線射頻分配系統(tǒng)傳輸，然后通過相應(yīng)的機(jī)頂盒接收，有眾多廠家支持該技術(shù)，包括丹麥水手（Sailor）、挪威 Appear TV、加拿大ATX Networks、綿陽九洲、惠州偉樂科技和北京數(shù)碼視訊等。

挪威Appear TV推出的4U機(jī)框16+2槽位（XC-5000）和1U機(jī)框6+1槽位（XC-5100）的衛(wèi)星數(shù)字電視綜合平臺(tái)具有典型意義，其具有豐富的功能模塊，包括用于多路衛(wèi)星接收DVB-S/S2模塊、用于自辦節(jié)目的各種標(biāo)準(zhǔn)接口輸入的標(biāo)清和高清編碼模塊、用于適配860M同軸電纜射頻分配網(wǎng)絡(luò)的DVB-T/T2和QAM再調(diào)制模塊，在一個(gè)機(jī)框中通過這些模塊的組合可以實(shí)現(xiàn)船載衛(wèi)星數(shù)字前端的全部功能，實(shí)現(xiàn)上百路的衛(wèi)星數(shù)字節(jié)目的接收、再復(fù)用和再調(diào)制，輸出的射頻信號(hào)可以適配大中小各種規(guī)模的860 M同軸電纜射頻分配網(wǎng)絡(luò)；該平臺(tái)還包括用于IP分配網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)網(wǎng)關(guān)模塊，可以實(shí)現(xiàn)250路節(jié)目的傳輸。圖1顯示XC-5000設(shè)備。

圖1 XC-5000

2 應(yīng)用需求

公務(wù)船需建設(shè)一套節(jié)目播發(fā)系統(tǒng)，在中國全海域、全時(shí)段，全工作活動(dòng)期，從衛(wèi)星上接收數(shù)字電視節(jié)目，混入自辦節(jié)目，經(jīng)統(tǒng)一處理后調(diào)制播發(fā)，終端48個(gè)以上房間觀看數(shù)字電視節(jié)目。中國海域上空可以免費(fèi)接收的衛(wèi)星信源見表1。

中星9節(jié)目涵蓋央視全套和全國所有地方衛(wèi)視節(jié)目，可看性強(qiáng)，不足的是只能覆蓋到北緯15°以北海域，但覆蓋海域是主要活動(dòng)區(qū)域，可以選做主收衛(wèi)星；中星 6B節(jié)目涵蓋大部分央視和地方衛(wèi)視節(jié)目，可以覆蓋全海域，可以借用通信衛(wèi)星地面站共收作為補(bǔ)充。形成應(yīng)用需求如下：

1）中星9號(hào)衛(wèi)星ABS-S直播星節(jié)目：接收5個(gè)頻點(diǎn)內(nèi)的直播星標(biāo)清節(jié)目流（約57套央視全套和地方電視節(jié)目，以及多套音頻廣播）；

2）中星6B衛(wèi)星DVB-S2清流衛(wèi)星節(jié)目：接收8個(gè)頻點(diǎn)衛(wèi)星清流節(jié)目（約16套央視和地方電視節(jié)目，以及多套音頻廣播）；

3）自辦節(jié)目：2套自辦節(jié)目。

3 天饋設(shè)計(jì)

3.1 衛(wèi)星天線口徑工程估算

工程上估算天線口徑主要是依據(jù)信源衛(wèi)星在收視區(qū)域的輻射場強(qiáng)的最小值去查找對(duì)應(yīng)的天線性能參數(shù)最小 EIRP就能確定天線，對(duì)于衛(wèi)星接收站整體的性能要求通常依據(jù)不同用途選取合適的天線，常規(guī)分4級(jí)，家用、一般共用、優(yōu)良共用和優(yōu)秀共用衛(wèi)星電視地面接收標(biāo)準(zhǔn)，天線增益需依次遞增2 dB。

中星 9號(hào)衛(wèi)星 Ku波段在中國沿海地區(qū)的EIRP值為+46～+56 dBW，同時(shí)考慮中星9號(hào)采用ABS-S調(diào)制其接收機(jī)門限值比常規(guī)DVB-S2低2 dB，依據(jù)最小EIRP值+44（46+2-4）dBW查找美國Sea Tel天線，則830 mm的80TV型天線（最小EIRP為42.5 dBW）就能滿足一般共用衛(wèi)星電視天線收視要求。

3.2 衛(wèi)星天線口徑理論計(jì)算驗(yàn)證

一個(gè)接收系統(tǒng)的優(yōu)劣最終反映在圖象質(zhì)量上，圖象質(zhì)量的好壞是用信噪比S/N表示，而滿足接收條件前的設(shè)備增益用載噪比CNR(dB)來表示，數(shù)字與模擬接收一樣存在門限值，載噪比必須高于接收門限值才能正常接收。衛(wèi)星下行信號(hào)的載噪比CNR(dB)計(jì)算公式

式中：EIRP為轉(zhuǎn)發(fā)器的等效全向輻射功率（dBW）；BO為轉(zhuǎn)發(fā)器輸出功率回退；m為轉(zhuǎn)發(fā)器的載波數(shù)；LF為電波的擴(kuò)散損耗（dB）；GR為衛(wèi)星天線的增益（dB）；GL為高頻頭（LNB）的增益，常規(guī)是60 dB；T為衛(wèi)星接收系統(tǒng)的噪聲溫度（dB/k）；Rb為信號(hào)碼率，其値為：符號(hào)率*188/204*內(nèi)編碼率*2；10lgk是常數(shù)，値為-228.6。

式中：f為載波頻率（GHz），D為天線直徑（m），η為天線效率，船載衛(wèi)星站通常采用卡塞格倫天線，取值0.6，則0.8 m Ku天線增益

中星9號(hào)直播衛(wèi)星已運(yùn)行的轉(zhuǎn)發(fā)器（均屬Ku波段）均采用MCPC（多路單載波）方式傳送，對(duì)于 MCPC方式，理論上不考慮功率回退，則BO=0；一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器用一個(gè)載波轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)目，則m=1；Ku波段電波的擴(kuò)散損耗LF為205.8 dB；衛(wèi)星接收系統(tǒng)的噪聲溫度常規(guī)取值 150；符號(hào)率為28.8*106，內(nèi)編碼率為3/4。將項(xiàng)值代入式（1），計(jì)算得0.8 m天線的載噪比CNR(dB)

中星9號(hào)直播衛(wèi)星采用ABS-S傳輸系統(tǒng)，其門限（Eb/N0）為 3.5～4 dB，工程上取 4 dB。故0.8 m 天線載噪比CNR(dB)比接收機(jī)的門限（Eb/N0）大4.8 dB，滿足一般共用衛(wèi)星電視天線收視要求。表2列出了中星9號(hào)直播星衛(wèi)星地面站不同直徑天線的計(jì)算值和接收效果主觀評(píng)價(jià)。

3.2 天線選型

依據(jù)工程估算列出該項(xiàng)目可用的當(dāng)今主流船載天線型號(hào)和主要技術(shù)參數(shù)，如表3，可以依據(jù)投資概算等綜合因數(shù)考慮選擇其一作為 Ku波段主收天線；借用C波段通信天線共收中星6B清流衛(wèi)星節(jié)目。

3.3 雨衰余量估算

雨衰一般要考慮雨致溫噪和雨衰兩個(gè)方面對(duì)衛(wèi)星電視接收系統(tǒng)的影響，雨致溫噪會(huì)直接影響載噪比CNR(dB)，就是導(dǎo)致衛(wèi)星電視接收系統(tǒng)品質(zhì)下降，后者會(huì)降低數(shù)字衛(wèi)星接收機(jī)的輸入電平值。

雨致溫噪在載噪比CNR(dB)算式中的衛(wèi)星接收系統(tǒng)的噪聲溫度部分做了常規(guī)考慮，約 2 dB,如果考慮極端情況4 dB，則衛(wèi)星電視接收系統(tǒng)品質(zhì)將降級(jí)。

數(shù)字衛(wèi)星接收機(jī)的輸入電平值的計(jì)算公式

式中：30 為dBW轉(zhuǎn)換成dbm的常數(shù)；LC為電纜衰耗，按25 m考慮計(jì)5 dB；LS為天線防護(hù)罩和插入衰耗等，計(jì)3 dB；代入式（3），計(jì)算得 0.8 m天線站衛(wèi)星接收機(jī)的輸入電平值P（dbm）為-40（dbm），目前市場上，常見的中星9號(hào)衛(wèi)星的數(shù)字衛(wèi)星接收機(jī)的輸入電平的典型數(shù)值是-65～-25 dbm，可見雨衰余量超過20 dB。一般暴雨雨衰約7 dB，瞬時(shí)雨衰可能超過20 dB，故本設(shè)計(jì)適合雨衰大的南中國海域。

3.4 自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)

目前采用的天線自動(dòng)跟蹤技術(shù)中，常用的有3種，步進(jìn)跟蹤、圓錐掃描跟蹤和單脈沖跟蹤。近年發(fā)展的電子波束成形掃描跟蹤技術(shù)吸收了圓錐掃描和單脈沖跟蹤技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，形成主流應(yīng)用。

步進(jìn)跟蹤又稱為極值跟蹤，是根據(jù)衛(wèi)星信標(biāo)信號(hào)的極大值來判定天線是否對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星。跟蹤原理和設(shè)備都很簡單，就是按一定的時(shí)間間隔，使天線在方位面（俯仰面）內(nèi)以一個(gè)微小的角度轉(zhuǎn)動(dòng)，通過計(jì)算機(jī)在適當(dāng)?shù)姆e分時(shí)間內(nèi)對(duì)接收電平的增減判別，驅(qū)動(dòng)俯仰和方位方向電機(jī)依次重復(fù)交替進(jìn)行，這樣就能使天線波束逐步對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星。這種體制的缺點(diǎn)是天線波束不能停留在對(duì)準(zhǔn)星體的方向上，而是在該方向的周圍不斷地?cái)[動(dòng)，因而跟蹤精度不高，而且響應(yīng)時(shí)間慢，信號(hào)幅度波動(dòng)影響跟蹤精度。其優(yōu)點(diǎn)是只需一個(gè)射頻信道，射頻相位穩(wěn)定度不重要，對(duì)饋源無額外要求。一般用在概算不高的場合。

圓錐掃描跟蹤制是把饋源喇叭繞天線對(duì)稱軸作圓周運(yùn)動(dòng)，或把副面傾斜旋轉(zhuǎn)，這樣天線波束呈圓錐狀旋轉(zhuǎn)，對(duì)信標(biāo)產(chǎn)生偏離調(diào)制信號(hào)，調(diào)制信號(hào)的幅度和相位就能檢測出天線波束的指向誤差。這種體制的優(yōu)點(diǎn)也是設(shè)備簡單，跟蹤精度和速度都優(yōu)于步進(jìn)跟蹤，但由于增加了機(jī)械旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，可靠性下降。

表2 常用天線性能計(jì)算表

表3 主流船載天線主要技術(shù)規(guī)格

單脈沖跟蹤制是一種先進(jìn)的跟蹤體制，顧名思義，就是在一個(gè)脈沖的間隔時(shí)間內(nèi)就能確定天線波束偏離衛(wèi)星的方向，并能驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)使天線迅速對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星。這種天線有四個(gè)饋源，按四個(gè)象限排列，每個(gè)饋源產(chǎn)生一個(gè)波束。這四個(gè)波束之組合成一個(gè)“和波束”，兩個(gè)“差波束”。所以單脈沖體制的跟蹤速度和跟蹤精度都要比步進(jìn)體制和圓錐掃描體制要高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)。由于饋源中沒有機(jī)械活動(dòng)部分，從而減少了維護(hù)工作。但它要求具有良好的射頻相位穩(wěn)定度，至少需要2個(gè)信道的相關(guān)接收機(jī)，饋源系統(tǒng)大而復(fù)雜，設(shè)備昂貴。

電子波束成形(Electronic Beam Forming，E.B.F)，也被稱為電子波束傾斜(Electronic Beam Squint E.B.S)。電子波束成形使用電子開關(guān)而有效地實(shí)現(xiàn)信標(biāo)同時(shí)空間測量，由此可確定出單時(shí)幀跟蹤誤差，它只需單信道跟蹤接收機(jī)(類似于步進(jìn)跟蹤)，但是其跟蹤精度卻接近于單脈沖跟蹤體制。這種技術(shù)要求在饋源附近安裝電子掃描機(jī)構(gòu)，利用掃描機(jī)構(gòu)的不同的工作狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)對(duì)天線波束五個(gè)位置的掃描，即上、下、左、右、中的偏轉(zhuǎn)。這種技術(shù)不用天線轉(zhuǎn)動(dòng)，就可以判斷天線幾何中心軸與衛(wèi)星信號(hào)的偏轉(zhuǎn)情況，因此以最簡單、經(jīng)濟(jì)的方式實(shí)現(xiàn)快速電掃跟蹤。目前主流廠家推出的主流產(chǎn)品主要采用該技術(shù)，如美國的 Sea Tel，德國的EPAK等。

4 前端設(shè)計(jì)

中星 9號(hào)衛(wèi)星采用了先進(jìn)的調(diào)制方式ABS-S，不能與世界通用的 DVB-S/S2兼容，只有國內(nèi)幾家廠家不僅提供DVB-S/S2模塊，而且提供ABS-S模塊，故本方案采用數(shù)碼視訊媒體綜合處理平臺(tái) EMR作為數(shù)字衛(wèi)星接收前端設(shè)備，整套設(shè)備只占用 5U空間，而且功耗極低，特別適合船載應(yīng)用。

方案中主要采用媒體綜合處理平臺(tái) EMR完成節(jié)目信號(hào)的接收處理與調(diào)制播發(fā)。媒體綜合處理平臺(tái)EMR，為1U插卡集成式設(shè)備，單臺(tái)設(shè)備最多能夠配置6塊功能板卡。信號(hào)處理流程圖見圖2。

如圖2所示，前端共計(jì)三種節(jié)目源，分別做如下處理：

圖2 信號(hào)處理流程圖

1）中星9號(hào)直播星節(jié)目：5個(gè)頻點(diǎn)的直播星節(jié)目經(jīng)由衛(wèi)星天線接收后，首先由功分器將信號(hào)不加變化地分為5路后，進(jìn)入EMR 1#進(jìn)行節(jié)目處理。EMR1#配置5張ABS-S解調(diào)卡，

該卡可通過加載CAM卡和IC卡實(shí)現(xiàn)對(duì)加密ABS-S節(jié)目的解調(diào)解密處理，單卡支持1個(gè)頻點(diǎn)內(nèi)6～8套的節(jié)目解調(diào)接收。

2）中星6B衛(wèi)星清流節(jié)目：接收8個(gè)頻點(diǎn)的衛(wèi)星清流節(jié)目，信號(hào)接收后首先通過功分器分為相同的8路信號(hào)，進(jìn)入EMR 2#進(jìn)行節(jié)目處理。EMR 2#配置2張DVB-S2解調(diào)接收卡，單卡可完成4個(gè)頻點(diǎn)的衛(wèi)星清流節(jié)目的解調(diào)接收。

3）自辦節(jié)目：2套自辦節(jié)目，EMR 2#配置1張模擬視頻編碼卡完成對(duì)自辦節(jié)目的編碼壓縮處理，單卡支持2路模擬標(biāo)清節(jié)目的編碼壓縮。

EMR 1#的所有節(jié)目經(jīng)過處理后由設(shè)備前面板的千兆IP接口輸出，進(jìn)入EMR 2#完成信號(hào)的統(tǒng)一復(fù)用與調(diào)制。

EMR 2#配置2張6鄰頻QAM調(diào)制卡，單卡支持6個(gè)相鄰頻點(diǎn)的節(jié)目調(diào)制。調(diào)制后的節(jié)目通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至終端機(jī)頂盒接收觀看。

5 結(jié) 語

公務(wù)船衛(wèi)星數(shù)字電視系統(tǒng)需要依據(jù)受眾和工作海域特點(diǎn)選擇衛(wèi)星信源，直播星中星9號(hào)由于信號(hào)強(qiáng)、節(jié)目齊全，可看性強(qiáng)，作為主收；中星6B覆蓋海域全，并可與通信天線共用天線，作為輔收，這樣不僅解決了全工作海域覆蓋問題，而且解決了單衛(wèi)星站有時(shí)遭遇桅桿等遮擋問題。

船載衛(wèi)星天線需要滿足共用衛(wèi)星地面站接收標(biāo)準(zhǔn)，則需選擇足夠增益的天線面，為了船舶在復(fù)雜海況航行中穩(wěn)定收視，應(yīng)優(yōu)先選擇采用先進(jìn)的電子波束成形自動(dòng)跟蹤技術(shù)的主流產(chǎn)品，這樣不僅提高了跟蹤精度和速度，而且提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。

衛(wèi)星數(shù)字電視前端設(shè)備應(yīng)該優(yōu)先選擇模塊化綜合處理平臺(tái)，易于應(yīng)對(duì)易變的船載環(huán)境，由于集成度高，降低了功耗和空間占用，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和維護(hù)性。

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