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影响卫星数字视频广播信号传输因素

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卫星数字电视具有覆盖范围大、传送质量高、节约了卫星资源优点,提高了广播电视的人口覆盖率,有力地推动了广播电视事业的发展。虽然卫星数字视频广播具有很多优点,但是其信号的传输也受某些因素的影响,如自然现象的影响、卫星信号间的干扰、上行传输系统

  卫星数字电视具有覆盖范围大、传送质量高、节约了卫星资源优点,提高了广播电视的人口覆盖率,有力地推动了广播电视事业的发展。虽然卫星数字视频广播具有很多优点,但是其信号的传输也受某些因素的影响,如自然现象的影响、卫星信号间的干扰、上行传输系统以及下行接受系统的不完善所造成的影响等。以下对影响卫星数字视频广播(DVB-S)信号传输的主要因素分别予以介绍。

  当电波穿过降雨的区域时,雨滴会对电波产生吸收和散射,造成衰减,简称雨衰。雨衰的大小取决于雨滴的直径和电磁波的波长,电磁波的波长和雨滴直径越接近衰减越大。实测结果表明雨滴的半径约在0.025~0.3cm之间,在Ku波段内,电波的波长在2.5cm左右,因此在Ku波段雨衰的影响是比较大的;而在C波段,因波长在7.5cm左右,波长大于雨滴的半径,故雨衰比较小。降雨不仅会衰减电磁波,还会引起噪声温度的增加和去极化的发生,影响到接收信号的载噪比及导致正交极化信号的相互干扰加大。

  一般情况下,除非是暴雪,降雪对Ku及其以下频段的卫星信号不会产生明显的衰减(馈源上的积雪不要太厚),但在化雪过程,对于C波段及Ku波段的卫星传输来说,影响都是非常显著的。在化雪过程中,天线馈源及主反射面凹凸不平的积雪对电磁波产生强弱不同的散射和吸收,严重地破坏了卫星天线口面场分布函数的均匀性,大大降低了天线的增益,同时也增大了天线的噪声温度,上行链路的EIRP值或接收系统的G/T值均会因此而大大减小,影响了卫星信号的传输质量。由于自然化雪持续时间一般较长,对天线的增益影响显著,因此无论是上行站还是下行站,均须对此采取积极预防和克服措施。

  每年春分和秋分前后,卫星地球站所在地的每天中午时分,卫星将处在太阳与地球之间的直线上。这时卫星地球站天线在对准卫星的同时也对准太阳(如图一所示),使太阳产生的强大的电磁波直接投射在地球站天线上。由于太阳产生的电磁波频谱很宽,因此,对地球站来说,该电磁波是一个巨大的噪声源,会对其所接受的卫星信号造成干扰从而使接收链路严重恶化甚至中断,这种现象即称为卫星通信的“日凌现象”。

  日凌每天持续时间的长短由地球站接收天线的口径决定,接收天线的口径越大,日凌持续的时间就比较短;反之,天线的口径越小,持续的时间越长。日凌对接收信噪比的影响程度取决于太阳噪声的大小、频带宽度及工作频率的高低。太阳活动高峰期日凌干扰最严重;工作频带越宽收到的噪声越多,干扰也相对严重;工作频率越高,噪声强度也越大,例如:Ku频段的卫星信号受日凌干扰程度比C波段严重。在日凌时刻,太阳光能的加温还使前馈天线的高频头外壳温度升高,必要时应采取相应措施加以保护。

  当电波穿越电离层时,由于电离层结构的不均匀性和随机时变性,造成信号的振幅、相位、到达角等特性短周期的变化,形成电离层闪烁。电离层闪烁与工作频率、地理位置和太阳活动情况有关。通常,电离层闪烁最严重时发生在春分前后,较为严重在秋分前后。电离层闪烁现象通常持续30分钟到数小时,发生的时间通常在日落后(18:00)至深夜(24:00)结束。虽然电离层闪烁主要发生在3GHz频率以下,但在4GHz也有明显的影响。据ITU统计,在4GHz,电离层闪烁可能造成超过10dB的峰峰值变化。

  地球上有两个电离层闪烁较为严重的区域:磁赤道 20度内和高纬度区。我国长江以南地区以及长江以北的部分地区均属于电离层活动高峰区(见图二),电离层闪烁现象在上述地区在春分和秋分前后在4GHz表现非常明显,峰值超过10个dB,但通常情况下,电离层闪烁虽然会造成信号质量下降,并不会造成电路的中断。

  近几年太阳经常发生强烈的耀斑爆发,地球上的通信等设施会因此受到部分干扰。与耀斑爆发相伴,太阳表面还会产生一股强大的日冕物质喷射,喷射产生的带电粒子流与地球磁场作用后可能会形成比较强烈的地磁暴,对卫星运行和通信等造成干扰,严重的甚至会使卫星信号中断。

  卫星通信系统是一种开放系统,相对于其它通信方式较易受到干扰。当卫星信号受到了干扰,会影响卫星数字视频广播信号的传输。卫星信号间的干扰可分为以下几种:邻星干扰、极化干扰、相邻载波间的干扰、转发干扰和FM干扰、交调干扰、杂散干扰、恶意干扰等。

  b、下行邻星干扰。被干扰卫星和干扰卫星(邻星)具有重叠覆盖区,在重叠覆盖区,被干扰卫星地球站在接收正常信号的同时,其旁瓣接收到邻星信号。这种干扰与干扰卫星的下行信号功率密度和被干扰地球站尺寸有关,随被干扰地球站天线的尺寸的增加而减少。

  极化干扰是卫星通信最常见的干扰之一,即使经过开通测试的满足要求的地球站,随着时间的推移,也会由于各种原因造成极化隔离度下降,带来极化干扰。例如:地球站天线指向误差过大,也会带来极化干扰;由于各种原因,造成极化器偏离原来的位置;天线馈源膜损坏,馈源填充其它物质;载波上行功率密度较大,即使地球站天线极化隔离度满足要求,也会造成极化干扰。任何对天线的调整,都需要重新进行极化确认

  卫星公司的操作文件中规定载波频谱边带功率密度必须低于载波功率密度26dB,对于载波间(不同用户间)的保护带宽也有明确规定。实际操作中,由于在安排载波时,对载波间的保护带宽安排不足,另外用户个别载波功率太高,造成载波间的相互干扰。

  转发干扰和FM干扰是基于同一种原因的两种不同表现形式的同一类干扰。转发干扰是由于地球站收发隔离不满足要求,将接收到的信号转发到卫星转发器,从而造成对整个转发器甚至相邻转发器的干扰。由于地面调频广播使用88MHz-108MHz,而相当一部分地球站使用70MHz中频,如果地球站与周围环境的隔离不好,地球站就有可能将地面调频广播带到卫星转发器造成FM转发干扰。

  交调干扰包括由卫星地球站产生的交调干扰和卫星转发器产生的交调干扰两部分。对于多载波使用,为避免交调干扰,转发器必须工作在足够的回退点。例如:亚太卫星规定亚太一A号卫星多载波转发器必须工作在4.5dB的输出回退点,而亚太六号卫星转发器由于装配了线性化器,因此输出回退可减少为3dB。对于地球站的高功放,要求多载波情况下,交调必须满足-30dBC的要求。简单而言,对于SSPA高功放,需至少4-5dB的输出回退,对于TWTA高功放,需至少7-8dB的回退;如载波数目较多,回退还应该增加。

  杂散干扰主要是由于地球站站内连接电平分配不合理或设备的故障,造成过多的中频噪声或载波边带被带到卫星,影响转发器其它载波的正常操作等。任何可能导致上行参数变化的地球站上行设备的更换包括电路连接的改变均需重新进行开通测试。

  2002年6月底至11月初,通过“鑫诺”卫星转发的卫星数字广播电视受到多次、反复的严重的恶意干扰。由于卫星透明转发器的固有特点,而且电视信号的编码参数也是公开的,所以只要干扰源具有足够大的功率,或者大的天线增益,便可产生严重的恶意干扰。

  只有所有上行地球站严格按照操作规程使用转发器,才能保证合理,高效和安全地使用转发器,减小卫星信号间干扰的发生,保证卫星数字视频广播信号的安全可靠传输。 如果发现卫星信号受到干扰,应立即通知卫星公司卫星测控中心,请求他们查找干扰源,并协调解决卫星信号间干扰的问题。

  上行传输系统主要是将模拟的视频、音频信号通过数字压缩编码系统转换成符合MPEG-2/DVB标准的数字信号,经调制、上变频,以规定的频率和功率传送上卫星。上行传输系统是卫星数字视频广播系统中的一个重要环节。我们应该以下几个方面去完善上行传输系统,才能安全可靠、优质完整地传送卫星数字视频广播信号:

  1、上行传输系统应选用符合技术标准的、具有良好的特性参数、工作稳定可靠的设备。上行传输设备在装入系统前应测试,且必须符合技术要求。系统设备要有足够的备份,至少要有1:1冗余备份。同时应有完善的监测报警系统,出现故障能立即发出警报和显示出现故障的部位、原因,方便工作人员排除故障,防止由于设备故障造成信号的中断或影响信号的质量,提高系统的可靠性。为了保证系统信号畅通、稳定可靠,上行站的工作人员应认真负责地做好系统设备的维护工作。

  2、为了保证充足的上行EIRP,应选用具有高增益、低旁瓣、强辐射、低噪声等特性的大口径天线,通过对上行传输链路进行计算,同时考虑雨衰以及功率余量等因素,选用具有良好特性的、充足的输出功率的高功放。特别在Ku频段,因为雨衰对上行链路的影响更大,所以Ku频段的上行站都要配备上行功率控制器(UPC),以补偿Ku频段信号在发送过程中所受到的雨、雾、雪等衰减。上行功率控制器一般安装在上变频器之前。它通过检测上行线路信号的衰减程度,调整中频信号电平,从而提高高功放输出的上行功率,使到达卫星转发器的功率通量密度保持恒定。当上行站上空有降雨、降雪、雾或云层过厚等现象影响时,应与卫星测控中心联系,加大上行功率,保证上行EIRP值。

  3、系统设备配置要完善,不能存在不兼容的问题。各设备之间的电平参数要匹配,根据设备的输入输出特性参数调整电平参数,以确保系统的稳定可靠,保证信号优质完整地传送。例如:输入编码器的模拟视频、音频信号的电平幅度过大或过小(不符合编码器的输入特性),都会造成编码器出现故障(不能锁定、检测输入的视频、音频信号),接收的电视图像、声音就会停顿或中断。

  4、上行站工作人员要定期对上行传输系统进行测试,检查系统特性参数是否符合标准要求,及时发现故障,解决问题,确保系统保持良好状态。特别是数字压缩编码系统设备,要用码流分析仪进行检测,因为哪怕是一点点的错误都会造成信号传输失败。检测TS流的编码器、复用器是否符合MPEG-2/DVB标准,码流是否有错误,有那些方面错误,能否被接收端正确解码,以及分析传输流中的PSI/SI信息。

  影响接收图像质量的因素有很多,情况也十分复杂,一般根据实际情况采用针对性的有效措施来改善接受图像质量。我们知道卫星数字视频广播传输系统中的卫星数字接收机IRD有一项重要指标———Eb/No门限值(Eb为二进制码元信号能量, No为单位频谱的噪声功率),一般要求接收机的门限值小于等于5.5dB(FEC=3/4时)。在数字卫星电视接收中,当接收信号的Eb/No值高于门限值时,C/N的变化不会影响图像的信噪比S/N的变化,而在门限值附近时,C/N的下降会引起S/N的急据恶化,导致信号会出现误码率加大而引起“图像停顿”或“马赛克”现象,严重时会接收不到信号,这种现象称为“峭壁效应”。在门限值附近, C/N仅变化(0.1~0.2)dB就会使图像由正常到中断,因此在数字电视接收中,除要求采用具有低Eb/No门限的优质IRD接收机外,还必须使接收端留出足够的C/N裕量,这一点对Ku频段卫星信号接收尤为重要,因为Ku频段的雨衰量大。

  由此可见,接收高频头(LNB)输入端的载波功率/噪声功率(即C/N)大小决定了接收图像质量,根据公式[C/N]=[EIRP]-[Lp]-[△L]+[G收/T]-[K]-[B] (公式中的Lp为卫星信号源的空间传播损耗,K为波兹曼常数,△L为天线指向误差、极化误差、馈源损耗等)可知:

  2、接收天线增益G的大小直接影响到接收图像的质量。因此,应该选用满足系统要求、口径大小合适、高效率的天线(要留有充分的C/N余量),调整好天线的馈源位置、仰角和方位角,并调好天线的极化角,使其与卫星下行信号的极化方向相匹配。

  5、中频电缆选用线径较粗的国标同轴电缆,且连接电缆越短越好,以减少因传输线过长而造成的信号损耗。要选用质量较好的连接头,F连接头与电缆之间的连接也要讲究工艺,若连接不好会造成屏蔽网与芯线短路,或造成屏蔽网与F头断路,如防水处理不好,风吹雨淋日晒会造成氧化,与高频头接触不良而造成信号质量大幅下降。因此要讲究连接可靠与防雨。

  6、对于接收Ku波段卫星数字信号的,还必须考虑到Ku波段的雨衰大小及下雨时所引起的天空噪声温度的增加等因素,采用大口径的接收天线、在接收卫星数字信号时,首先要注意有否干扰源,如果有干扰,则必须首先排除对接收卫星信号的干扰。卫星电视接收系统最严重的干扰源来自地面微波中继通信C波段信号及C波段雷达信号。它们对卫星传送的电视信号可造成较严重的干扰,特别是雷达信号的瞬时脉冲功率有时可达兆瓦级。如果在地面站附近存在这样强大的干扰源,就会严重干扰电视信号的接收。同时还要注意高频电器设备(如电焊机、微波炉等)的高频辐射对卫星电视接收站造成的干扰。防干扰的方式有:寻找屏蔽、架设防干扰网、防干扰器。

  a、寻找屏蔽:就是寻找干扰电波的辐射死角。干扰波和卫星波都是成直线行进,遇障礙物则会被反射,而两种电波的差別在于干扰波的场强大于卫星波数千万倍,和卫星波如没被天线所反射,信号则被地表吸收,而干扰波遇到障礙物及建筑物则会四处反射。

  卫星数字视频广播系统是一个复杂的系统,影响卫星数字视频广播信号传输的因素也很多,我们只要对这些影响因素有了深刻的了解,不断完善系统,针对这些因素制定有效措施去克服、防止一切影响卫星数字视频广播信号传输的情况的发生。更好地应用和发展卫星数字视频广播系统,不断推进卫星数字广播电视的发展,为我国的广播电视事业的发展作出贡献。

  
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