卫星数字电视系统的分析

卫星数字电视系统分析卫星数字电视系统分析与测试广播电视规划院2012年12月1目录1.卫星数字电视系统介绍2.卫星数字电视地球站的构成3.卫星数字电视系统测试简介4.卫星数字电视系统验收技术指标测试－射频5.卫星数字电视系统验收技术指标测试－视音频6.卫星数字电视系统验收技术指标测试－码流分析7.卫星数字电视系统验收技术指标测试－接收系统设备8.验收测试问题总结9.结束语2卫星数字电视系统分析与测试――刘长占教授级高工――广播电视规划院一卫星数字电视系统介绍利用卫星传输广播电视节目是卫星应用技术的重大发展，卫星通信同现在常用的电缆通信、微波通信等相比，有较多的优点，基本可概括为以下几个字：远：是指卫星通信的距离远。俗话说，“站得高，看得远”，同步通信卫星可以“看”到地球最大跨度达一万八千余公里。在这个覆盖区的任意两点都可通过卫星进行通信，而微波通信一般是50里左右设一个中继站，一颗同步通信卫星的覆盖距离相当于300多个微波中继站。多：指通信路数多、容量大。一颗现代通信卫星，可携带几十个转发器、可提供几十路电视和成千上万路电话。好：指通信质量好、可靠性高。卫星通信的传输环节少，不受地理条件和气象的影响，可获得高质量的通信信号。活：指运用灵活、适应性强。它不仅能实现陆上任意两点间的通信，而且能实现船与船、船与岸上、空中与陆地之间的通信，它可以结成一个多方向、多点的立体通信网。省：是指成本低。在同样容量、同样距离的条件下，卫星通信和其他通信设备相比，所耗的资金少，卫星通信系统的造价并不随通信距离的增加而提高，随着设计和工艺的成熟，成本还在降低。卫星电视广播的发展经历了三个阶段：（1）低功率卫星在起步阶段，采用上行频率为6GHz频段，下行频率为4GHz频段的C波段卫星，其卫星发射的等效全向辐射功率（EIRPs）33dBW。它的地面站天线口径为10英尺（3.3米）。由于价格较高，且安装架设一个数3米站，对站址有一定要求，所以要把它推广到个体接收，有一定的困难。（2）中功率卫星从1983起，采用了Ku波段卫星，其EIRPs＝47dBW，较之以前提高了很多，提高的3原因，主要是因为频率升高以后，相同口径的卫星天线的增益大为提高（天线增益正比于频率的平方）。其下行频率为12GHz频段，地面站天线口径可减小到1.2米，这就使得个体接收的TVRO大大发展起来，很多私人家庭中，使用电视机的家庭中，使用卫星电视者已占30％。（3）高功率卫星EIRPs达54dBW的大功率直播卫星，下行频率仍为12GHz。这样一来，使地面TVRO的天线口径可减小到0.45米，这将为卫星电视进入私人家庭创造了美好的前景。从卫星电视广播发展的历史来看，它经历了从低功率至犒功率，从C波段到Ku波段过渡，从“差转型”向“直播型”过渡的过程，天线逐步减小，直到0.45米，价格也逐步降低至私人家庭可承受的水平，终于从集体接收方式发展到了个体接收方式而进入了家庭。卫星电视广播现的主要应用：一是分卫星电视节目分配、二是特定节目传输、三是广播电视节目广播。我国的卫星数字电视系统的视频压缩格式采用的是MPEG-2，音频频压缩格式采用的是MPEG-1层II，信道编码与调制采用的DVB-S制式。在一个卫星转发器内，可以根据需要使用SCPC或MCPC方式开展卫星电视节目的传输。卫星数字电视上行系统的主要由编码器、复用器、调制器、上变频器、高功放和发射天线组成，下行系统由接收天线、下变频器和接收机组成。见图1所示。V1Adatan图1卫星数字电视系统示意框图卫星上行系统的工作流程：编码器应具有模拟（需要模数转换）或数字视音频接口，编码器复用器调制器上变频器高功放下变频器卫星接收机电视机4将数字视频信号按照MPEG-2格式进行压缩编码，将数字音频信号按照MPEG-1层II进行压缩编码，与数据信号共同打包复用形成TS节目信号，送入复用器或调制器。复用器将多路节目或数据TS信号再复用成一个新的多业务TS信号，通过ASI或SPI接口送入调制器。调制器通过RS编码、交织、维特比编码、基带成型和QPSK调制，形成卫星中频（70MHz或140MHz）信号。上变频器将卫星中频信号变频到需要的发射频率，并将射频信号放大，为高功放提供激励。高功放将射频信号放大到制定的发射功率，送入发射天线。卫星下行系统的接收天线收到的卫星射频信号，由下变频器变频放大后输出950MHz～1450MHz的卫星下行中频信号，送入接收机解调解码，恢复成模拟PAL信号或数字分量信号送入电视机。二卫星数字广播电视地球站的构成由于中央、省市卫星数字广播地球站的机构设置、隶属关系、业务类型等因素不同，卫星地球站的上行系统的设备配置也不同。主要有三种情况：第一种是卫星地球站接收的是已调制中频信号，其上行系统主要由上变频器、高功放和发射天线组成，地球站主要完成卫星上行信号发送任务。第二种是卫星地球站接收的是已复用TS流信号，其上行系统主要由调制器、上变频器、高功放和发射天线组成，地球站可以通过配置调制器的参数，优化上行系统性能指标。第三种是卫星地球站接收的是视音频信号，其上行系统主要由编码/复用器、调制器、上变频器、高功放和发射天线组成，地球站可以通过复用器、调制器的参数配置，优化上行系统性能指标，灵活配置广播电视节目与数据业务。我们以卫星地球站的第三种情况为例，介绍卫星数字广播电视地球站的结构和设备构成。卫星地球站的设备主要由节传系统、上行系统、天馈线系统、监测系统、功率控制系统、网管系统、配电系统等组成。图2为卫星广播地球站上行系统示意图。目前，省市级电视台的播出信号基本实现了数字化，各卫星地球站的节目源主用信号多为SDI信号，为保证播出安全，地球站的节目源系统应至少两个不同传输路由，最好采用光缆和数字微波结合形式建立节传系统。上行系统、天馈线系统、监测系统、功率控制系统、网管系统、配电系统5光缆信号源微波信号源分配器分配器编码器编码器复用器复用器调制器调制器上变频器高功放高功放上变频器备份信号源假负载监测系统控制系统网管系统图2卫星广播地球站上行系统示意图。三、卫星数字电视系统测试简介卫星数字电视系统的测试主要考虑到对卫星数字电视上、下行系统环节中的主要系统和设备进行测试，可以通过编码器、复用器、信道编码调制器、上变频器、高功放、下变频器、卫星接收机等系统设备进行测试，检查卫星地球站设备系统的运行状态，即使发现问题，保证系统播出信号的质量。图3为卫星数字电视系统测试框图6SDI70M天线1G图3卫星数字电视系统测试框图卫星数字电视上行系统的测试可以分为四个部分：系统射频技术指标、系统音视频技术指标、码流分析和天馈系统的测试。卫星数字电视下行系统的测试主要分为接收天线测试、下变频器测试和卫星接收机测试三个部分。四、卫星数字电视系统验收技术指标测试－射频部分卫星数字电视系统射频设备的技术指标测试比较复杂，很多测试项目要求测试条件比较苛刻，必须在专业的实验室才能完成测试工作。作为系统验收测试或日常维护测试，重点是测试反映设备的性能和工作状态的技术参数。由于很多指标与卫星数字电视系统的参数相关，具体的技术指标要求需根据实际播出系统特性和参数提出。下面列出了卫星数字电视系统射频部分验收和维护测试常用的测试项目：发射频率偏差和稳定度带内平坦度输出频谱电视接收机卫星数字音频分析仪监视系统图像质量评价系统码流分析与BER测试可变衰减器音频信号源视频信号源编码器视频分析仪频谱分析仪微波网络分析仪6G/70M测试变频器功率计数字录象机解码器复用器调制器6G变频器高功放下变频器7杂散输出相位噪声三阶互调增益变化与功率稳定度针对上述参数，本文将介绍相应参数的定义与测试方法。同时本文还将介绍调制器、上变频器/高功放其它参数的参数方法，供业内人员参考。4.1频率偏差和稳定度的测试说明：频率偏差是指调制器载波输出为单载波时，上行系统射频输出频率与标称发射频率的的差值；频率稳定度是指在一定周期内，上行系统射频输出频率变化最大值与最小值的差值与标称射频发射频率的比值。测试框图见图4所示。图4频率偏差和稳定度的测试框图测试方法：把调制器设置为无调制的单载波信号状态，将高功放的耦合输出送入频率计，读取的射频发射频率值与标称发射频率之差为频率偏差；记录24小时发射载波频率的变化值，射频载波频率变化的最大差值与标称载频之比为频率稳定度。频率稳定度参考技术要求：±1×10-7/天（14G:1400Hz,6G:600Hz）影响：由于卫星接收机频率捕捉范围为±2.5MHz左右，一体化下变频器的频率精度±2MHz左右，在实际应用中，可以允许卫星系统发射频率最大偏差0.5MHz。这个指标是由调制器和上变频器共同影响的，是调制器频率偏差和上变频器本振频率偏差的累计。4.2带内平坦度说明：以发射载波为中心频率的一定频带(18MHz或27MHz)内，高功放输出端的振幅频匹配负载上变频器调制器频率计高功放8率特性。测试框图见图5所示。图4带内平坦度的测试框图测试方法：方法1：用网络分析仪和标准测试下变频器测试上变频器/高功放系统的幅频特性。网络分析仪使用前必须校准，所获得的幅频特性扣除测试下变频器所引入的误差，就是上变频器/高功放系统的幅频特性关系。方法2：在上变频器/高功放系统正常工作的情况下，把额定电平、规定带宽的扫频信号（与调制器正常工作电平相同）送到上变频器/高功放系统的输入端，用频谱分析仪在高功放的输出端测量变频输出信号的幅度/频率响应。在测试过程中，要适当设置扫频信号源的扫频速度和频谱分析仪的扫描时间，使频谱仪显示的幅频特性曲线平滑。带内平坦度参考技术要求：0.5dBp-p（SCPC）,1dBp-p（MCPC）影响：幅频特性影响发射信号的肩带技术指标，造成发射信号频谱特性不平坦，影响接收信号的C/N。4.3输出频谱说明：上行系统输出的射频调制信号的频谱成形，决定上行系统需要的射频带宽。测试框图见图6所示。图6卫输出频谱测试框图匹配负载上变频器扫频信号源频谱分析仪高功放匹配负载上变频器调制器频谱分析仪高功放9测试方法：将高功放耦合输出的射频调制信号送入频谱分析仪，以载波中心频率处电平为参考，分别测量输出调制信号频谱两侧的跌落-3dB点和-30dB点所对应的带宽。输出频谱参考技术要求：-3dB带宽大约等于发射信号的符号率,-30dB带宽大约等于-3dB带宽1.20~1.35倍。影响：-3dB点和-30dB点所对应的带宽反应的是卫星系统发射信号所占用的带宽和余弦滚降率，如果-3dB带宽与符号率偏差比较大或输出频谱不对称，则说明发射信号在调制/变频/高放过程中存在非线性失真输出；如果发射信号达不到-30dB带宽，会影响接收信号的C/N比，进而影响接收机接收解调信号。4.4杂散输出说明：调制器输出的无调制载波信号经上变频和高功放后，除主载波外的无用辐射信号。测试框图见图7所示。图7输出频谱测试框图测试方法：上行系统在正常工作的条件下，将调制输出改为无调制单载波输出，高功放耦合输出的射频载波信号送入频谱分析仪，在规定频带内（C:5925～6425MHz），载频之外最大无用辅射信号（包括谐波）的电平与载频电平的差值之比就是杂散输出。杂散输出参考技术要求：带内要小于-55dBc,带外要小于-65dBc。影响：带内杂波过大，会干扰已调调制信号，影响信号质量；带外杂波过大，会干扰同转发器或同一卫星上其它载波信号。4.5相位噪声说明：调制器输出的无调制载波信号经上变频和高功放后，高功放输出的载波信号的单边带相位噪声。测试框图见图8所示。匹配负载上变频器调制器频谱分析仪高功放匹配负载上变频器调制器高功放10图8相位噪声测试框图测试方法：将高功放耦合输出的射频调制信号送入频谱分析仪，将频谱分析仪设置为相位噪声测试选项，中心频率设为需要测试的频率，分别读取距载波10Hz-100Hz、100Hz-1kHz、1kHz-100kHz、100kHz-4MHz处的相位噪声。如果频谱分析仪不带相位噪声测试选件，可以通过调整频谱仪的显示带宽和分辨率带宽至适当位置，测量对应频率点与主载波的电平差，再减