公務船衛星數字電視系統設計及應用

王 琦

（中國船舶重工集團公司第七二二研究所，武漢 430079）

0 引言

公務船是維護海洋利益的海上綜合執法力量，船載衛星數字電視是保障船員學習和娛樂的主要信源，設計一套穩定可靠系統需要選擇合適的衛星信源、選擇好用易用耐用的船載衛星天線、架構合適的數字衛星電視接收前端和分配網絡，本文從上述幾個方面研究了市場上的主流產品，并結合公務船項目進行了應用設計。

1 衛星數字電視系統技術現狀與發展趨勢

休斯公司于1993年12月搶先開發并組建了采用數字壓縮技術的商用電視直播衛星系統，2000年后，全世界已經建立的衛星電視直播系統在北美有4～5個，在拉美有2～3個，在歐洲有4～5個，在亞洲或我國周邊國家有 9～10個，這些衛星系統都能向家庭直播幾十至150多個頻道的電視節目，所用衛視接收機天線口徑在 0.45～0.8 m之間。

數字衛星電視系統由于其獨特的優點，包括接收端的信號質量可與發送端的相比擬，傳輸電視節目路數是模擬電視節目的約6倍，功耗低、體積小、高可靠性、高穩定性，并易于聯網計算機，這都是得益于大規模集成電路的采用。從1993年起，歐洲數字電視廣播集團陸續制定了一系列數字電視標準，即 DVB（Digital Video Broadcast），其中包括適用于衛星鏈路的 DVB-S標準，地面波的DVB-T標準，同軸纜的DVB-C標準。歐洲的DVB-S標準在亞洲、澳洲、美國都得到了響應，我國在1996年頒布廣播電視數字傳輸技術體制、決定采用符合DVB-S標準的數字電視衛星廣播系統。DVB-S2為第二代DVB-S標準。

船載數字衛星電視系統通常有兩種接收方式，一種是天線接收的信號通過下變頻成L波段（950～2150 MHz）后，經過多路切換開關直接分配給多個數字衛星接收機，這種方式簡單直接，但由于L波段信號傳輸分配對線纜和分配器要求較高，不適合太多接收機的場合，在32個數字衛星接收機以內的小系統可以考慮，超過這個規模可以考慮采用以色列 FOXCOM公司的光纖分配系統，但船載光纜工程不易；另一種是天線接收的信號通過下變頻成L波段后，通過前端接收解調成ASI數據流再調制成DVB-T或DVB-C，通過非常成熟的860 M有線射頻分配系統傳輸，然后通過相應的機頂盒接收，有眾多廠家支持該技術，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碼視訊等。

挪威Appear TV推出的4U機框16+2槽位（XC-5000）和1U機框6+1槽位（XC-5100）的衛星數字電視綜合平臺具有典型意義，其具有豐富的功能模塊，包括用于多路衛星接收DVB-S/S2模塊、用于自辦節目的各種標準接口輸入的標清和高清編碼模塊、用于適配860M同軸電纜射頻分配網絡的DVB-T/T2和QAM再調制模塊，在一個機框中通過這些模塊的組合可以實現船載衛星數字前端的全部功能，實現上百路的衛星數字節目的接收、再復用和再調制，輸出的射頻信號可以適配大中小各種規模的860 M同軸電纜射頻分配網絡；該平臺還包括用于IP分配網絡的相關網關模塊，可以實現250路節目的傳輸。圖1顯示XC-5000設備。

圖1 XC-5000

2 應用需求

公務船需建設一套節目播發系統，在中國全海域、全時段，全工作活動期，從衛星上接收數字電視節目，混入自辦節目，經統一處理后調制播發，終端48個以上房間觀看數字電視節目。中國海域上空可以免費接收的衛星信源見表1。

中星9節目涵蓋央視全套和全國所有地方衛視節目，可看性強，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區域，可以選做主收衛星；中星 6B節目涵蓋大部分央視和地方衛視節目，可以覆蓋全海域，可以借用通信衛星地面站共收作為補充。形成應用需求如下：

1）中星9號衛星ABS-S直播星節目：接收5個頻點內的直播星標清節目流（約57套央視全套和地方電視節目，以及多套音頻廣播）；

2）中星6B衛星DVB-S2清流衛星節目：接收8個頻點衛星清流節目（約16套央視和地方電視節目，以及多套音頻廣播）；

3）自辦節目：2套自辦節目。

3 天饋設計

3.1 衛星天線口徑工程估算

工程上估算天線口徑主要是依據信源衛星在收視區域的輻射場強的最小值去查找對應的天線性能參數最小 EIRP就能確定天線，對于衛星接收站整體的性能要求通常依據不同用途選取合適的天線，常規分4級，家用、一般共用、優良共用和優秀共用衛星電視地面接收標準，天線增益需依次遞增2 dB。

中星 9號衛星 Ku波段在中國沿海地區的EIRP值為+46～+56 dBW，同時考慮中星9號采用ABS-S調制其接收機門限值比常規DVB-S2低2 dB，依據最小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星電視天線收視要求。

3.2 衛星天線口徑理論計算驗證

一個接收系統的優劣最終反映在圖象質量上，圖象質量的好壞是用信噪比S/N表示，而滿足接收條件前的設備增益用載噪比CNR(dB)來表示，數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。衛星下行信號的載噪比CNR(dB)計算公式

式中：EIRP為轉發器的等效全向輻射功率（dBW）；BO為轉發器輸出功率回退；m為轉發器的載波數；LF為電波的擴散損耗（dB）；GR為衛星天線的增益（dB）；GL為高頻頭（LNB）的增益，常規是60 dB；T為衛星接收系統的噪聲溫度（dB/k）；Rb為信號碼率，其値為：符號率*188/204*內編碼率*2；10lgk是常數，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號直播衛星已運行的轉發器（均屬Ku波段）均采用MCPC（多路單載波）方式傳送，對于 MCPC方式，理論上不考慮功率回退，則BO=0；一個轉發器用一個載波轉發節目，則m=1；Ku波段電波的擴散損耗LF為205.8 dB；衛星接收系統的噪聲溫度常規取值 150；符號率為28.8*106，內編碼率為3/4。將項值代入式（1），計算得0.8 m天線的載噪比CNR(dB)

中星9號直播衛星采用ABS-S傳輸系統，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)比接收機的門限（Eb/N0）大4.8 dB，滿足一般共用衛星電視天線收視要求。表2列出了中星9號直播星衛星地面站不同直徑天線的計算值和接收效果主觀評價。

3.2 天線選型

依據工程估算列出該項目可用的當今主流船載天線型號和主要技術參數，如表3，可以依據投資概算等綜合因數考慮選擇其一作為 Ku波段主收天線；借用C波段通信天線共收中星6B清流衛星節目。

3.3 雨衰余量估算

雨衰一般要考慮雨致溫噪和雨衰兩個方面對衛星電視接收系統的影響，雨致溫噪會直接影響載噪比CNR(dB)，就是導致衛星電視接收系統品質下降，后者會降低數字衛星接收機的輸入電平值。

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

數字衛星接收機的輸入電平值的計算公式

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

3.4 自動跟蹤系統

目前采用的天線自動跟蹤技術中，常用的有3種，步進跟蹤、圓錐掃描跟蹤和單脈沖跟蹤。近年發展的電子波束成形掃描跟蹤技術吸收了圓錐掃描和單脈沖跟蹤技術優點，形成主流應用。

步進跟蹤又稱為極值跟蹤，是根據衛星信標信號的極大值來判定天線是否對準衛星。跟蹤原理和設備都很簡單，就是按一定的時間間隔，使天線在方位面（俯仰面）內以一個微小的角度轉動，通過計算機在適當的積分時間內對接收電平的增減判別，驅動俯仰和方位方向電機依次重復交替進行，這樣就能使天線波束逐步對準衛星。這種體制的缺點是天線波束不能停留在對準星體的方向上，而是在該方向的周圍不斷地擺動，因而跟蹤精度不高，而且響應時間慢，信號幅度波動影響跟蹤精度。其優點是只需一個射頻信道，射頻相位穩定度不重要，對饋源無額外要求。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稱軸作圓周運動，或把副面傾斜旋轉，這樣天線波束呈圓錐狀旋轉，對信標產生偏離調制信號，調制信號的幅度和相位就能檢測出天線波束的指向誤差。這種體制的優點也是設備簡單，跟蹤精度和速度都優于步進跟蹤，但由于增加了機械旋轉機構，可靠性下降。

表2 常用天線性能計算表

表3 主流船載天線主要技術規格

單脈沖跟蹤制是一種先進的跟蹤體制，顧名思義，就是在一個脈沖的間隔時間內就能確定天線波束偏離衛星的方向，并能驅動伺服系統使天線迅速對準衛星。這種天線有四個饋源，按四個象限排列，每個饋源產生一個波束。這四個波束之組合成一個“和波束”，兩個“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體制和圓錐掃描體制要高出幾個數量級。由于饋源中沒有機械活動部分，從而減少了維護工作。但它要求具有良好的射頻相位穩定度，至少需要2個信道的相關接收機，饋源系統大而復雜，設備昂貴。

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而有效地實現信標同時空間測量，由此可確定出單時幀跟蹤誤差，它只需單信道跟蹤接收機(類似于步進跟蹤)，但是其跟蹤精度卻接近于單脈沖跟蹤體制。這種技術要求在饋源附近安裝電子掃描機構，利用掃描機構的不同的工作狀態來實現對天線波束五個位置的掃描，即上、下、左、右、中的偏轉。這種技術不用天線轉動，就可以判斷天線幾何中心軸與衛星信號的偏轉情況，因此以最簡單、經濟的方式實現快速電掃跟蹤。目前主流廠家推出的主流產品主要采用該技術，如美國的 Sea Tel，德國的EPAK等。

4 前端設計

中星 9號衛星采用了先進的調制方式ABS-S，不能與世界通用的 DVB-S/S2兼容，只有國內幾家廠家不僅提供DVB-S/S2模塊，而且提供ABS-S模塊，故本方案采用數碼視訊媒體綜合處理平臺 EMR作為數字衛星接收前端設備，整套設備只占用 5U空間，而且功耗極低，特別適合船載應用。

方案中主要采用媒體綜合處理平臺 EMR完成節目信號的接收處理與調制播發。媒體綜合處理平臺EMR，為1U插卡集成式設備，單臺設備最多能夠配置6塊功能板卡。信號處理流程圖見圖2。

如圖2所示，前端共計三種節目源，分別做如下處理：

圖2 信號處理流程圖

1）中星9號直播星節目：5個頻點的直播星節目經由衛星天線接收后，首先由功分器將信號不加變化地分為5路后，進入EMR 1#進行節目處理。EMR1#配置5張ABS-S解調卡，

該卡可通過加載CAM卡和IC卡實現對加密ABS-S節目的解調解密處理，單卡支持1個頻點內6～8套的節目解調接收。

2）中星6B衛星清流節目：接收8個頻點的衛星清流節目，信號接收后首先通過功分器分為相同的8路信號，進入EMR 2#進行節目處理。EMR 2#配置2張DVB-S2解調接收卡，單卡可完成4個頻點的衛星清流節目的解調接收。

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

EMR 1#的所有節目經過處理后由設備前面板的千兆IP接口輸出，進入EMR 2#完成信號的統一復用與調制。

EMR 2#配置2張6鄰頻QAM調制卡，單卡支持6個相鄰頻點的節目調制。調制后的節目通過網絡傳輸至終端機頂盒接收觀看。

5 結 語

公務船衛星數字電視系統需要依據受眾和工作海域特點選擇衛星信源，直播星中星9號由于信號強、節目齊全，可看性強，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，而且解決了單衛星站有時遭遇桅桿等遮擋問題。

船載衛星天線需要滿足共用衛星地面站接收標準，則需選擇足夠增益的天線面，為了船舶在復雜海況航行中穩定收視，應優先選擇采用先進的電子波束成形自動跟蹤技術的主流產品，這樣不僅提高了跟蹤精度和速度，而且提高了系統穩定性和可靠性。

衛星數字電視前端設備應該優先選擇模塊化綜合處理平臺，易于應對易變的船載環境，由于集成度高，降低了功耗和空間占用，提高了系統穩定性和維護性。

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