+ 汪洋溢　中國移動河北有限公司田議中電科技集團第54所

論文選登

衛(wèi)星數(shù)字電視線路性能設(shè)計

+ 汪洋溢中國移動河北有限公司田議中電科技集團第54所

衛(wèi)星數(shù)字電視線路設(shè)計對專業(yè)用戶很重要，例如軍用、電視臺站等是十分必要的，是保障24小時不間斷收視的必要條件。設(shè)計的重要依據(jù)是衛(wèi)星地球接收站的地理位置，以此計算出線路性能并選擇設(shè)備，文章從理論入手，以實例給出設(shè)計結(jié)果。還給出一個接收站接收兩顆衛(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，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36MHz的轉(zhuǎn)發(fā)器只能傳一路電視節(jié)目。上世紀90年代末，我國采用歐洲標準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套標準清晰度電視節(jié)目，并以極快的速度在全國普及了衛(wèi)星數(shù)字電視廣播，各省、市都有電視節(jié)目上衛(wèi)星，同時各省、市也進行了電視節(jié)目交換，極大地豐富了我國的文化娛樂生活，尤其是極大地推動了有線電視的快速發(fā)展。歐洲于2005年已進入第二代衛(wèi)星數(shù)字電視DVB-S2，2009年我國也有了自己的衛(wèi)星數(shù)字電視標準ABS-S，由于數(shù)字電視信源編碼技術(shù)的進步，衛(wèi)星數(shù)字電視已進入高清晰度時代，未來我國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，進行線路設(shè)計是十分重要的，設(shè)計時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)計成覆蓋全球的，其波束寬度為17.4o，當衛(wèi)星天線的波束主瓣指向赤道，則星下點在±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)計地球站時，設(shè)計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準衛(wèi)星時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望所看到的地球表面與天空的交界線，當?shù)厍蛘咎炀€的等效輻射中心與天線上任一點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。

當天線的仰角接近天際線仰角時，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，因為電波的傳播主要是在大氣層以外的自由空間傳播，所以我們把收、發(fā)天線之間的電波傳播當做自由空間傳播對待，計算傳輸損耗時主要計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

當發(fā)射機使用定向天線發(fā)射時，其增益，為，發(fā)射機的輸出功率為，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，會受到自由電子和離子的吸收。通過對流層時會受到氧分子、水蒸汽分子和云、霧、雨、雪等的吸收而產(chǎn)生損耗。

大氣損耗對接收信號質(zhì)量影響最大的是降雨（雪），尤其是下大雨時，對電磁波的吸收相當嚴重，甚至?xí)a(chǎn)生信號中斷。因此，在設(shè)計線路時把雨衰要放在頭等重要的位置，必要時要查閱多年的氣象資料。雨衰對信號質(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)計時主要考慮的內(nèi)容，一般在G頻段，雨量為100時，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，引起雨衰也不會超過1dB.但是對于頻段就不一樣了，當雨量還是100，雨衰可能會超過10dB，當頻率達到20G時，雨衰可達到20dB.因此設(shè)計衛(wèi)星電視或通信線路時必須根據(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間是不多的，如果長期工作在最大雨衰狀態(tài)會造成巨大的浪費，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)以保障資源不會浪費。

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)計線路時可不予以考慮。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)計要求，而且穩(wěn)定性很好，故不會產(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)的性能有兩個基本因素決定，即接收帶寬和系統(tǒng)噪聲。當帶寬一定時，噪聲越大接收性能越差。相反，當接收系統(tǒng)噪聲一定時，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，降低了有用信號的觀測值和測量的可靠性。如果一個接收系統(tǒng)不存在噪聲，由信息論的觀點可知，發(fā)射站發(fā)射的功率可以很小，接收機仍能正常工作，因為信號中無噪聲，只要我們將接收機的增益提高，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，就是這個道理。一個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態(tài)范圍合理設(shè)計，它產(chǎn)生的噪聲可以忽咯不計。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)星的信號時，也同時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的同時也進入接收機，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，天線和接收機之間也接有饋線。饋線是有耗網(wǎng)絡(luò)，它對信號會產(chǎn)生衰減，即使是衰減很小，他對高靈敏度接收系統(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，接收機收到的信號一般來說不是調(diào)頻信號就是數(shù)字信號，在解調(diào)前稱為載波信號，其能量大小稱為載波功率（C）.對調(diào)頻信號而言載波功率就是調(diào)頻信號頻譜范圍內(nèi)的總功率；對數(shù)字信號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)計的重要指標。

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，當降低到一定值時，值就急劇惡化，故將這一點稱為門限效應(yīng)，這時的值就是門限值。如果接收到的信號是數(shù)字信號，則要求的信號質(zhì)量不是以為準，而是以誤碼率來表示，當解調(diào)方式不同時，雖然誤碼率相同，但不同的解調(diào)方式所需的信號能量與噪聲功率密譜度之比是不相同的，當接收系統(tǒng)所要求的最小誤碼率與之對應(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，則進入到接收機輸入端的載波信號：

以分貝計為-228.6dB

這時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)星對地面輻射多為區(qū)域性波束，其信號可以覆蓋某一區(qū)域，例如可以是亞洲區(qū)、歐洲區(qū)或中國區(qū)等。因此，設(shè)計接收站應(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。同時建站時應(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)計衛(wèi)星電視接收（通信）站，天線仰角應(yīng)不低于否則會因大氣干擾嚴重，影響正常工作。

5.衛(wèi)星電視接收系統(tǒng)性能設(shè)計

系統(tǒng)性能設(shè)計是保障24h信號不中斷的有效措施，對移動站尤為重要。本設(shè)計以石家莊接收中星9號衛(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)廣電的實驗最大雨衰頻段為13dB，以此為準設(shè)計。

5.1.3性能計算

由式（20）求得（不含雨衰）

加上雨衰計算結(jié)果-160改為-173dB.該系統(tǒng)以QPSK為主，符號率為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查標準按式（21）求得：

按式（20）、（21）計算的結(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，一個為水平極化，一個為垂直極化，兩副天線配置相同，若為圓極化則應(yīng)為左旋和右旋極化，每個輸出接二功分器，這樣兩副天線可接兩個四進四出切換器，若功分器用一分為三的，則可接三個四進四出切換器，能實現(xiàn)八個或12個用戶同時接收電視。如圖3所示

圖3　雙星接收方案一

方案二

LNB為單輸出，一個天線 設(shè)置為水平極化，另一個天線設(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）進多個輸出口的，如2（3）進八出切換開關(guān)或2（3）進六出的切換開關(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所檢驗認證中心實施的信產(chǎn)部新農(nóng)村建設(shè)示范項目中，應(yīng)用“節(jié)目識別”發(fā)明專利能有效地抑制境外節(jié)目，并在全國進行推廣。主要優(yōu)點有：

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，因為這些產(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）接收機應(yīng)選擇標清與高清兼容的設(shè)備因為高清節(jié)目在增加，產(chǎn)品使用壽命長。

5.3.2 收視中常見問題

1）日凌致信號中斷。一年中有春分和秋分，太陽、衛(wèi)星、地球在一條直線，衛(wèi)星經(jīng)過太陽前時，因太陽是一個強大的干擾源而致信號中斷，每年出現(xiàn)兩次，每次5天，每天喲10分鐘。這時不要動設(shè)備，過一會就會復(fù)原。

2）下雨時會出現(xiàn)馬賽克增加，影響收視效果，這時不要調(diào)整天線，等雨減小后會自動好轉(zhuǎn)。

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

6　結(jié)束語

文章以理論為指導(dǎo)，結(jié)合工作實踐，提出了設(shè)計中處理問題方法 ，設(shè)計方法對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)星電視接收定時同步的設(shè)計與實現(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