卫星数字电视线路性能设计

+ 汪洋溢　中国移动河北有限公司田议中电科技集团第54所

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卫星数字电视线路性能设计

+ 汪洋溢中国移动河北有限公司田议中电科技集团第54所

卫星数字电视线路设计对专业用户很重要，例如军用、电视台站等是十分必要的，是保障24小时不间断收视的必要条件。设计的重要依据是卫星地球接收站的地理位置，以此计算出线路性能并选择设备，文章从理论入手，以实例给出设计结果。还给出一个接收站接收两颗卫星的方法，可供业余爱好者参考。利用卫星广播电视，覆盖范围广，基本无死角，成本低，较地面广播有无法可比的优势，故在全世界得到广泛的应用。

电视、地理位置、仰角、方位角、噪声、自由空间损耗、 卫星、天线增益、雨衰、大气损耗、传输损耗。

概述

我国从70年代开始研究卫星电视，已走过40多年的历程，前期为模拟调频制，一个36MHz的转发器只能传一路电视节目。上世纪90年代末，我国采用欧洲标准DVB-S，开始了数字电视广播，在36MHz转发器带宽内可传6～7套标准清晰度电视节目，并以极快的速度在全国普及了卫星数字电视广播，各省、市都有电视节目上卫星，同时各省、市也进行了电视节目交换，极大地丰富了我国的文化娱乐生活，尤其是极大地推动了有线电视的快速发展。欧洲于2005年已进入第二代卫星数字电视DVB-S2，2009年我国也有了自己的卫星数字电视标准ABS-S，由于数字电视信源编码技术的进步，卫星数字电视已进入高清晰度时代，未来我国人民将享受到更加美丽多彩的优质卫星数字电视节目。

为了保证电视接收质量，进行线路设计是十分重要的，设计时要全面考虑影响性能的因素，以保证电视网中的用户满意。

1.静止卫星位置与地球站地理位置的关系

在静止轨道（赤道）上，若卫星上的天线设计成覆盖全球的，其波束宽度为17.4º，当卫星天线的波束主瓣指向赤道，则星下点在±81º经度范围内的地球站能观察到该卫星；在纬度方向上，即星下点的正南正北±81º纬度范围内的地球站也同样能看到卫星。故设计地球站时，设计其方位角与仰角是必须考虑的课题。

地球站的仰角是该地球站天线对准卫星时天线波束主轴和地平线之间的夹角。地球站的仰角是随该站的纬度和地球站与卫星之间的经度差的变化而变化。设地球站经度为，纬度为，卫星经度为，则地球站的天线仰角EL如式（1）所示，方位角如式（2）所示：

地球站天线仰角不能低于天际线仰角，所说的天际线，就是在地球站向四周远望所看到的地球表面与天空的交界线，当地球站天线的等效辐射中心与天线上任一点连线与地平线的夹角，称为地球站在该方向上的天际线仰角。

当天线的仰角接近天际线仰角时，天线的等效噪声温度将急剧上升，使地球站的值降低，影响通信（电视）系统性能。

2.卫星电视线路的传输损耗

卫星电视上行或下行线路，因为电波的传播主要是在大气层以外的自由空间传播，所以我们把收、发天线之间的电波传播当做自由空间传播对待，计算传输损耗时主要计算自由空间传输损耗。至于电波在大气中引起的各种损耗，可以作为修正值考虑，这样处理比较方便，例如将雨衰作最大考虑值。

2.1天线增益在卫星电视中使用定向天线，它是将电磁能量集聚在某一方向辐射出去，从而达到某方向上的最大功率是全向天线的G倍，这就是定向天线的增益。增益G可表示为：

f为工作频率，单位为Hz；

D为天线直径，单位为m似为：

式中单位同式（3）.

2.2有效全向辐射功率EIRP

当发射机使用定向天线发射时，其增益，为，发射机的输出功率为，将与的乘积称为有效全向辐射功率，并用EIRP来表示，即有：

在卫星电视或通信中，为表明地球站或卫星的辐射功率常采用这种表示方法，它代表着发射系统的功率发射能力。如果发射机与天线之间有馈线连接，其损耗为，则衰减后送入天线的功率为这时的EIRP为：

式中：d为自由空间距离，同步卫星到地球

站的距离取值为40000Km.

2.4大气损耗

在卫星电视或卫星通信线路中，电波除了在自由空间传播外，还要通过大气层传播，在大气层中通过电离层时，会受到自由电子和离子的吸收。通过对流层时会受到氧分子、水蒸汽分子和云、雾、雨、雪等的吸收而产生损耗。

大气损耗对接收信号质量影响最大的是降雨（雪），尤其是下大雨时，对电磁波的吸收相当严重，甚至会产生信号中断。因此，在设计线路时把雨衰要放在头等重要的位置，必要时要查阅多年的气象资料。雨衰对信号质量的影响与天线的仰角和频率密切相关。天线仰角越高，影响越小，但这不是主要的。雨衰是线路设计时主要考虑的内容，一般在G频段，雨量为100时，上行产生的衰减约为0.5dB，下行产生的衰减约为0.4dB，如果雨区的路程超过2Km，引起雨衰也不会超过1dB.但是对于频段就不一样了，当雨量还是100，雨衰可能会超过10dB，当频率达到20G时，雨衰可达到20dB.因此设计卫星电视或通信线路时必须根据工作频段和所处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时间是不多的，如果长期工作在最大雨衰状态会造成巨大的浪费，因此在卫星数字电视或卫星通信中，都采用自适应编码技术以保障资源不会浪费。

2.5天线的方向跟踪误差和天线的极化误差

由于卫星本体的轨道精度提高，卫星有效辐射功率的增加，地球站接收天线口径势必要减小，故天线的波瓣宽度较大，因此跟踪误差在目前设计线路时可不予以考虑。如果接收天线口径在10米以上还是要考虑的。

再则，目前天线的加工水平与技术水平较高，卫星的极化与地球站接收天线的极化都能满足设计要求，而且稳定性很好，故不会产生明显的影响。

3.接收系统噪声

卫星电视（或通信）接收系统的性能有两个基本因素决定，即接收带宽和系统噪声。当带宽一定时，噪声越大接收性能越差。相反，当接收系统噪声一定时，接收带宽越宽其接收性能越差。在接收系统中噪声悪化了信号，降低了有用信号的观测值和测量的可靠性。如果一个接收系统不存在噪声，由信息论的观点可知，发射站发射的功率可以很小，接收机仍能正常工作，因为信号中无噪声，只要我们将接收机的增益提高，即可满足信息的正常解调。在宇宙通信中，因宇宙噪声很小，所以通信距离可较地球上传的更远，就是这个道理。一个地球站的接收原理方框图如图1所示。

图1　地球接收站方框图

接收站系统噪 声主要是热噪声和交调噪声，热燥声是无法克服的，只有设法降低，它是接收系统噪声的主要来源。交调噪声只要将放大器的动态范围合理设计，它产生的噪声可以忽咯不计。若接收系统的工作带宽为，则在带宽内的噪声功率为；（10）

接收天线接收到来自卫星的信号时，也同时接收到来自各方向的自然界的辐射源产生的噪声，这是外部的噪声。天线本身也产生噪声，它是内部产生的热噪声，该噪声在天线接收信号的同时也进入接收机，它产生的噪声功率为：= K（11）

3.2馈线噪声

在上行站发射机与天线之间是接有馈

线的，在接收站，尤其是大型专业接收站，天线和接收机之间也接有馈线。馈线是有耗网络，它对信号会产生衰减，即使是衰减很小，他对高灵敏度接收系统噪声的影响也是很大的。例如0.1dB衰减就会产生6.6K的影响。

折算到馈线输入端的等效噪声温度为：

3.3 接收系统的噪声温度

卫星电视接收系统的原理方框图如图2所示。

图2　卫星电视接收系统方框

由图2可知，接收系统的噪声温度由天线噪声温度馈线噪声温度和接收机的噪声温度三部分组成。如果将这些噪声折算到馈线的输入端，则接收系统的噪声温度

如果折算到接收机的输入端，则接收系统的噪声温度为：

4.接收系统的载波噪声功率比

在卫星电视（通信）中，接收机收到的信号一般来说不是调频信号就是数字信号，在解调前称为载波信号，其能量大小称为载波功率（C）.对调频信号而言载波功率就是调频信号频谱范围内的总功率；对数字信号而言载波功率就是平均功率。故在已知接收系统噪声功率的前提下，接收系统的载噪比（C/N）就是接收系统设计的重要指标。

4.1 门限载噪比

在调频制中，解调器输出端的信噪比（S/N）随输入端的载噪比（?的降低而降低，当降低到一定值时，值就急剧恶化，故将这一点称为门限效应，这时的值就是门限值。如果接收到的信号是数字信号，则要求的信号质量不是以为准，而是以误码率来表示，当解调方式不同时，虽然误码率相同，但不同的解调方式所需的信号能量与噪声功率密谱度之比是不相同的，当接收系统所要求的最小误码率与之对应的（）称为门限值，一般用来表示。

4.3 下行线路的载波噪声比

设卫星转发器的有效辐射功率为EIRP，下行线路的自由空间传输损耗为，地球站的接收天线增益为，馈线的损耗为，则进入到接收机输入端的载波信号：

以分贝计为-228.6dB

这时下行线路的载波功率与接收系统的噪声温度之比为

在卫星电视下行线路应用中卫星对地面辐射多为区域性波束，其信号可以覆盖某一区域，例如可以是亚洲区、欧洲区或中国区等。因此，设计接收站应根据不同地区的卫星EIRP来考虑系统噪声温度，为了降低系统噪声温度，除了选用优质低噪声放大器外，还要降低天线噪声温度，降低应在满足接收电平的条件下，尽量减小天线口径，这样就可减少接受外界噪声的可能性。同时建站时应?尽量抬高天线仰角，这样可减少大气噪声，也就降低了一般情况设计卫星电视接收（通信）站，天线仰角应不低于否则会因大气干扰严重，影响正常工作。

5.卫星电视接收系统性能设计

系统性能设计是保障24h信号不中断的有效措施，对移动站尤为重要。本设计以石家庄接收中星9号卫星为例：卫星经度为东经，石家庄经度为东经，石家庄纬度为，将上述参数代入式（1）和式（2）求得天线仰角为：，方位角为：（即正南偏西）.

5.1 系统性能计算

已知卫星的有效辐射功率EIRP为：

中心区：56dBw

边缘区：46dBW

为留有余地以边缘区数值计算，

5.1.1自由空间传输损耗

卫星到地球的距离：取值40000Km

代入式（9），则自由空间埙耗为：

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

5.1.2大气损耗

为处理方便把雨衰引起的衰减考虑充分，其他引起的衰减忽略，根据广电的实验最大雨衰频段为13dB，以此为准设计。

5.1.3性能计算

由式（20）求得（不含雨衰）

加上雨衰计算结果-160改为-173dB.该系统以QPSK为主，符号率为28.8，内码率为，滚降系数为0.25，求得信息码率为=43.2，即10lg43.2=76.35dB，占用转发器带宽为28.8查标准按式（21）求得：

按式（20）、（21）计算的结果可求得

5.2 接收两颗卫星电视的方法

方案一

LNB（低噪声下变频器）为双输出，一个为水平极化，一个为垂直极化，两副天线配置相同，若为圆极化则应为左旋和右旋极化，每个输出接二功分器，这样两副天线可接两个四进四出切换器，若功分器用一分为三的，则可接三个四进四出切换器，能实现八个或12个用户同时接收电视。如图3所示

图3　双星接收方案一

方案二

LNB为单输出，一个天线 设置为水平极化，另一个天线设置为垂直极化，若为圆极化，则设置为左旋或右旋极化。切换器可用2（3）进多个输出口的，如2（3）进八出切换开关或2（3）进六出的切换开关。如图4所示。

图4　双星接收方案二

双星接收方式，已成功应用到由54所检验认证中心实施的信产部新农村建设示范项目中，应用“节目识别”发明专利能有效地抑制境外节目，并在全国进行推广。主要优点有：

1）适应于乡镇、农村、社区等有线电视建设，建设中主要解决信号电平问题，只要电平满足，就可接收到高质量图像。

2）无前端合路器和节目源，设备投资少，成本低，尤其适应于山区和贫困地区。

3）因无合路器设备调试简单，性能稳定可靠，图像质量高，大大减少了维修成本。

4）接收两颗卫星，节目增加一倍，是一种有线电视较好的建设方案。

5.3 设备选型及收视中常见问题

5.3.1 设备选型

1）选择有生产许可证的产品，因为这些产品质量有保障，有良好的售后服务。

2）天线面无碰伤，无脱漆，无锈蚀。

3）接收机应选择标清与高清兼容的设备因为高清节目在增加，产品使用寿命长。

5.3.2 收视中常见问题

1）日凌致信号中断。一年中有春分和秋分，太阳、卫星、地球在一条直线，卫星经过太阳前时，因太阳是一个强大的干扰源而致信号中断，每年出现两次，每次5天，每天哟10分钟。这时不要动设备，过一会就会复原。

2）下雨时会出现马赛克增加，影响收视效果，这时不要调整天线，等雨减小后会自动好转。

3）若出现画面不动，一般为死机，这时只要将电源重启，就可正常收视。

6　结束语

文章以理论为指导，结合工作实践，提出了设计中处理问题方法 ，设计方法对单星和双星接收都适用，可供从事卫星电视（通信）和有线电视工作的人员参考。

【1】吕海寰 卫星通信系统与工程 解放军通信工程学院 1983.6

【2】苏志武 广播电视传输网络与应用 2001.8

【5】陈丽萍 数字卫星电视接收定时同步的设计与实现 浙江大学硕士学位论文 20010201

【6】李伟 DVB-S2卫星数字电视发展的“极限” 有线电视技术 2004年第二期