直播卫星地面实际场强覆盖测试探析

□赵 琰

(国家新闻出版广电总局 监管中心，北京 100866)

直播卫星业务的开展满足了广大人民群众日益增长的精神文化生活需求。考虑到卫星直播业务在我国是首次应用，整个端到端系统都是基于新研发的传输技术、标准和体制建立的。卫星直播采用专用的广播电视信号传输技术体制ABS-S(Advanced Broadcasting System-Satellite)，该标准是我国第一个拥有完全自主知识产权的传输标准，在性能上与代表卫星通信领域的最新技术发展水平的DVB-S2 相当，部分指标更优，而复杂程度远低于DVB-S2。面对新技术、新业务、新体制和新政策，需要大量的科学调研，需要切实地掌握直播卫星广播电视播出的质量和效果，因此进行直播卫星广播电视监测方法的研究和尽快实施是非常必要的。

一、测试方案概述

(一)测试意义

卫星的EIRP 值按照惯例是以卫星发射前的一系列测试和卫星在轨时变化卫星姿态测得在轨的相对值验证获得的，由于接收系统的不确定度、测试范围广、交通、设备运输等诸多因素，此前从没有开展过地面大规模实际覆盖测试。而直播卫星信号覆盖场强技术科研工作通过实际测试，应用降雨衰减模型，在保证一定可用度的情况下，分析在全国不同地区接收直播卫星信号天线的口径。所以说对直播卫星提供的在轨测试数据进行实际地面测试复核，为“村村通”工程提供技术支持和保证。

(二)测试目的

1.复核卫星公司提供的等效全向辐射功率(EIRPs)理论值。

在直播卫星覆盖区内选取具有代表性的多个测试地点，测试其实际覆盖情况，并推导出卫星在该接收点的等效全向辐射功率覆盖值。

2.了解小口径天线在各测试点的接收情况。

3.根据测试结果，推算在全国范围内不同可用度条件下接收天线的口径。

(三)测试地点的选定和依据

根据中星9 号卫星的EIRP 覆盖图如图1 和主要城市的EIRP 值，覆盖图上共有4 条等值线，在每条等值线附近和第一条等值线(雨区)内部选择测试点，共计27 个测试点。

图1 中星9 号卫星的EIRP 覆盖图

1.第一条等值线(雨区)内部(共2 个):上海、长沙。

2.第一条等值线(雨区)附近(共4 个):广州、海口、南宁、厦门。

3.第二条等值线附近(共5 个):北京、丹东、威海、成都、昆明。

4.第三条等值线附近(共3 个):哈尔滨、西宁、抚远。

5.第四条等值线(边境区域)附近(共12 个):满洲里、漠河、西沙、拉萨、普兰、札达、景洪、勐腊、阿勒泰、乌鲁木齐、伊宁、喀什。

其他测试地点(1 个):呼和浩特。

(四)测试系统组成

1.主要测试仪器设备

为了确保测试数据的准确性和可比性，各个测试组都统一配备了性能较佳以及同款的测试设备，主要有频谱分析仪(安捷伦4440A 和4407B)、GPS、1.2米卫星接收测试天线、LNA、LNB、0.45米和0.6米卫星接收天线、卫星接收机、便携式电视机、罗盘、温湿度计、雨量计等。

2.1.2米测试天线组成的测试系统

1.2米天线测试系统由以下几部分组成:

·1.2米接收天线(偏馈式、可折叠);

·高频头、移相器、低噪声放大器LNA 和LNA 电源;

·频谱仪(4407B/4440A);

·Ku 频段RF 电缆，4米;

·天线支架及扳手、软榔头、罗盘、万用表。

3.60cm/45cm 接收天线组成的测试系统

60cm/45cm 接收系统由以下几部分组成:

·0.6米/0.45米接收天线，及LNB;

·直播卫星专用机顶盒;

·便携电视;

·隔直器(75 欧姆F 头-电源-50 欧姆N 头);

·中频电缆。

二、测试内容和方法

(一)测试内容

在27 个测试点对中星9 号进行测试的内容有:

·两个极化单载波饱和电平:9A 转发器(左旋园极化)和3B 转发器(右旋园极化);

·单载波电平C/N 测试:9A 和3B 转发器;

·正在工作的电视载波电平饱和功率:3A、4A、5A、6A共4 个转发器(左旋圆极化);

·正在工作的电视载波电平C/N:3A、4A、5A、6A 共4 个转发器(左旋圆极化);

·电视载波转发器静态功率:10A 转发器(左旋圆极化)(定时测试);

·电视载波转发器饱和功率:10A 转发器(左旋圆极化)(定时测试)。

(二)测试方法

利用频谱仪测量卫星接收信号的各项技术指标，详细记录到统一的收测表中。具体步骤如下:

1.选择适合的场地(指向卫星的方向无遮挡以及周围电磁环境要好)，记录测试时间、温湿度、大气压、地理位置(经纬度)和海拔高度等信息。

2.安装测试天线，连接好测试系统。

3.调整天线到最佳的接收状态。

4.通过宽带扫频(500MHz)判断电磁环境是否符合测试要求。

5.按照收测表中的各项参数设置，进行各项指标的测试和记录。

6.根据测得的单载波的功率电平值计算卫星的等效全向辐射功率值。

等效全向辐射功率=功率电平测量值+自由空间损耗+大气衰减+馈线衰减-接收天线增益-LNA 增益

7.根据测得的载噪比数据，检查测试系统的噪声，确保测试数据的可靠。

8.利用小口径天线接收直播卫星电视信号，通过电视机观察接收效果、进行主观评价，并记录到收测表中。

(三)测试重点和关键问题

1.测试重点:发射单载波信号的9A 和3B 转发器;

2.关键问题:如何最大限度地减少由于测试设备和人员操作差别引起的系统误差，这问题的解决方案决定了卫星EIRPs 地面测试的成败。由于顾忌这一问题，我国有关人士虽然多次设想过实施测试，在此之前却没有组织开展过较大规模的同类型测试。

3.解决关键问题的十项措施要点

为了最大限度地减小测试误差，在开展测试工作前需要进行一系列的准备工作，主要有:

(1)为降低噪声严格选购和验收关键接收设备和测试仪器。

·1.2米接收天线选用了增益为41.5dB 左右，效率为62%左右的可折叠、偏馈式天线(铝合金)。

·选用了噪声温度为70K，增益为60dB 的LNA 。

·频谱仪使用了4440A 和4407B，都在标校有效期内。

·选购了损耗较低且经过损耗标定的测试线缆。

(2)规范各项测量参数的设置，定制统一的收测表，要求存储测试频谱图。

(3)对6 组测量系统进行同一时间、同一地点的测试和系统标校。

(4)为满足EIRP 测试晴天要求，排除对测试影响最大的降雨天气因素，要求测试地所能目及的地区，没有降雨和降雨云。

(5)对测试电磁环境提出明确要求。

(6)出发前编制初步分析软件和分发测试点仰角、方位角预测值。

(7)每个测试点的测试数据当天向测试工作指挥组汇报，经初步分析验证结果合理后，方批准完成该测试点测试。如测试结果与预测值差别较大，需测试组分析原因，进行复测。

(8)测试点完成后回到出发地的测试复测，以验证测试系统是否完好。

(9)经测试组研究、分析和计算，给出各测试组的误差修正值。

三、测试结果

(一)C/N 测试结果

C/N 测试分为单载波和电视载波的测试。

单载波C/N:分别在9A 和3B 的两个单载波中心频率和距单载波30kH 频率处进行C/N 测试。

电视载波C/N:在3A 4A 5A 6A 四个转发器的中心频率和距中心频率20MHz 处(电视载波频带外)分别测试电平;

各测试点的C/N 实测值表明:

·所有测试结果最小值为12dB，说明测试系统误差控制有效，背景噪声影响对载波测量影响可忽略不计;

·全部单载波C/N 均好于28dB，大部分值为50～60dB;

·电视载波电平C/N，均在12～25dB 之间，大部分值在17dB 左右;

·C/N 实测值可以说明测试系统误差控制有效，背景噪声影响对载波测量影响可忽略不计，测试数据有效且可信。

(二)实测EIRPs 值

实测EIRPs 值是由实测电平值计算得来的:

EIRPs=P+Lpaxh+L综合表减-Gu-GLVA+Llm公式(1)

式中:P:修正后的实测电平值，dBm;

Lpaxh空间损耗，dB;

L综合表减大气、闪烁、云层等的综合衰减，dB;

Gu接收天线增益，dBi;

GLVA低噪声放大器增益，dB;

Llm馈线损耗，dB;

将实测的电平值加上修正值代入到公式(1)中即可得出各测试点的EIRPs 值。

在实测的数据中，电视载波的实测EIRPs 都在49dBW以上，大都在50～55dBW 之间，详细的分析情况见表1。

表1 实测EIRPs 分析

其中9A 和3B 单载波的实测与理论差值在各测试点的变化情况如图2 所示:

图2 9A 和3B 单载波的实测与理论差值在各测试点的变化情况

(三)测试结论

1.在各测试点实际测试的卫星等效全向辐射功率值与卫星公司提供的理论值基本相符。其中9A、3B 单载波和6A 的电视载波在27 个测试点的实测值示意图如图3 所示。

图3 9A、3B 单载波和6A 的电视载波在27 个测试点的实测值示意图

2.从实测值与理论值偏差统计数据表明:右旋极化比左旋极化的偏差要大;我国南部和新疆偏远地区的实测值要小于理论值;其中比理论值小1dB 以上的测试点有:西沙群岛、孟腊、南宁、景洪、海口、昆明、伊宁和昌吉。西藏及我国东北部边远地区实测值偏大于理论值;其中比理论值大1dB 以上的测试点有:抚远、札达和满洲里。

四、测试系统的不确定性分析

地面场强覆盖测试系统的不确定性包括在轨卫星EIRPs 的不确定性和地面测试系统的不确定性。其中地面测试系统根据形成原因，又可分为人员操作、仪器固有、设备仪器失配、测试环境等方面。其中人员操作的不确定性由统一要求、集中培训操练、固定操作人员等措施解决。

(一)在轨卫星EIRPs 不确定性

根据直播卫星公司提供的在轨卫星EIRPs 不确定性分析表(表2)表明，转发器3B 的不确定性最大值为1.55dB，9A 的相应值为1.45dB。考虑到卫星在轨不确定分析的因素较地面测试条件更为严格，且大部分地区的不确定度在0.2～0.8dB 以内，只有海口、昆明、成都、满洲里为0.85dB、0.94dB;西沙1.45dB，1.55dB;漠河1.08dB，共6 个点不确定度较大。

表2 在轨卫星EIRPs 不确定性

(二)接收天线变形、频率变化导致增益的变化

在11.7GHz～12.2GHz 频率范围内地面接收天线作增益随频率变化情况见图4，具体数据见表2，变化的最大差值为0.36dB，考虑到接收天线验收测试情况，通过表2 中的数据，可以看出增益相对于11.95GHz 的不确定度为±0.18dB。

测试期间温度最小值为22 度，最大值为37.8 度，铝合金材料的热变形不敏感。测试期间发现高仰角地区天线聚焦不如低仰角地区，需要深入研究改进措施。

图4 接收天线的增益随频率变化曲线图

(三)频谱仪的不确定性

在测试系统联调时对比发现:相同RBW，VBW 设置时，AGILENT 4440A 比AGILENT 4407B 最大值与最小值的差值小，噪声低，即精度高。

其中，AGILENT 4440A 的不确定度见表3，AGILENT 4407B 的不确定度见表4。

表3 AGILENT 4440A 的不确定度情况表

表4 AGILENT 4407B 的不确定度情况表

五、总结

中国广播电视直播卫星“村村通”系统旨在采用直播卫星技术扩大我国农村地区广播电视覆盖，解决全国已通电但广播电视不通达的20 户以上自然村收听收看广播电视节目的问题，是一个公益性节目平台，直接服务于社会主义新农村建设。

开展直播卫星监测是保证直播卫星系统和业务正常运行的必然技术条件，而先进的直播卫星广播电视监测系统是实现准确、及时、快捷、高效地进行直播卫星监测的技术保障平台。通过对我国直播卫星技术体制的研究和多项测试，又基于现代网络技术、自动化技术及大型数据库管理等技术的发展，我们根据新的形势来开展直播卫星广播电视业务。

［1］国家广播电影电视总局监测中心.《直播卫星监测网可行性研究报告》［R］.

［2］车晴，王京玲.数字卫星广播系统［M］.北京:北京广播学院出版社，2001.

［3］黄奕铭，王军武，陈权.卫星电视接收中的技术研究与应用［J］.中国有线电视，2009(3).