直播衛(wèi)星地面實際場強(qiáng)覆蓋測試探析

□趙 琰

(國家新聞出版廣電總局 監(jiān)管中心，北京 100866)

直播衛(wèi)星業(yè)務(wù)的開展?jié)M足了廣大人民群眾日益增長的精神文化生活需求?？紤]到衛(wèi)星直播業(yè)務(wù)在我國是首次應(yīng)用，整個端到端系統(tǒng)都是基于新研發(fā)的傳輸技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)和體制建立的。衛(wèi)星直播采用專用的廣播電視信號傳輸技術(shù)體制ABS-S(Advanced Broadcasting System-Satellite)，該標(biāo)準(zhǔn)是我國第一個擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的傳輸標(biāo)準(zhǔn)，在性能上與代表衛(wèi)星通信領(lǐng)域的最新技術(shù)發(fā)展水平的DVB-S2 相當(dāng)，部分指標(biāo)更優(yōu)，而復(fù)雜程度遠(yuǎn)低于DVB-S2。面對新技術(shù)、新業(yè)務(wù)、新體制和新政策，需要大量的科學(xué)調(diào)研，需要切實地掌握直播衛(wèi)星廣播電視播出的質(zhì)量和效果，因此進(jìn)行直播衛(wèi)星廣播電視監(jiān)測方法的研究和盡快實施是非常必要的。

一、測試方案概述

(一)測試意義

衛(wèi)星的EIRP 值按照慣例是以衛(wèi)星發(fā)射前的一系列測試和衛(wèi)星在軌時變化衛(wèi)星姿態(tài)測得在軌的相對值驗證獲得的，由于接收系統(tǒng)的不確定度、測試范圍廣、交通、設(shè)備運輸?shù)戎T多因素，此前從沒有開展過地面大規(guī)模實際覆蓋測試。而直播衛(wèi)星信號覆蓋場強(qiáng)技術(shù)科研工作通過實際測試，應(yīng)用降雨衰減模型，在保證一定可用度的情況下，分析在全國不同地區(qū)接收直播衛(wèi)星信號天線的口徑。所以說對直播衛(wèi)星提供的在軌測試數(shù)據(jù)進(jìn)行實際地面測試復(fù)核，為“村村通”工程提供技術(shù)支持和保證。

(二)測試目的

1.復(fù)核衛(wèi)星公司提供的等效全向輻射功率(EIRPs)理論值。

在直播衛(wèi)星覆蓋區(qū)內(nèi)選取具有代表性的多個測試地點，測試其實際覆蓋情況，并推導(dǎo)出衛(wèi)星在該接收點的等效全向輻射功率覆蓋值。

2.了解小口徑天線在各測試點的接收情況。

3.根據(jù)測試結(jié)果，推算在全國范圍內(nèi)不同可用度條件下接收天線的口徑。

(三)測試地點的選定和依據(jù)

根據(jù)中星9 號衛(wèi)星的EIRP 覆蓋圖如圖1 和主要城市的EIRP 值，覆蓋圖上共有4 條等值線，在每條等值線附近和第一條等值線(雨區(qū))內(nèi)部選擇測試點，共計27 個測試點。

圖1 中星9 號衛(wèi)星的EIRP 覆蓋圖

1.第一條等值線(雨區(qū))內(nèi)部(共2 個):上海、長沙。

2.第一條等值線(雨區(qū))附近(共4 個):廣州、?？?、南寧、廈門。

3.第二條等值線附近(共5 個):北京、丹東、威海、成都、昆明。

4.第三條等值線附近(共3 個):哈爾濱、西寧、撫遠(yuǎn)。

5.第四條等值線(邊境區(qū)域)附近(共12 個):滿洲里、漠河、西沙、拉薩、普蘭、札達(dá)、景洪、勐臘、阿勒泰、烏魯木齊、伊寧、喀什。

其他測試地點(1 個):呼和浩特。

(四)測試系統(tǒng)組成

1.主要測試儀器設(shè)備

為了確保測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可比性，各個測試組都統(tǒng)一配備了性能較佳以及同款的測試設(shè)備，主要有頻譜分析儀(安捷倫4440A 和4407B)、GPS、1.2米衛(wèi)星接收測試天線、LNA、LNB、0.45米和0.6米衛(wèi)星接收天線、衛(wèi)星接收機(jī)、便攜式電視機(jī)、羅盤、溫濕度計、雨量計等。

2.1.2米測試天線組成的測試系統(tǒng)

1.2米天線測試系統(tǒng)由以下幾部分組成:

·1.2米接收天線(偏饋式、可折疊);

·高頻頭、移相器、低噪聲放大器LNA 和LNA 電源;

·頻譜儀(4407B/4440A);

·Ku 頻段RF 電纜，4米;

·天線支架及扳手、軟榔頭、羅盤、萬用表。

3.60cm/45cm 接收天線組成的測試系統(tǒng)

60cm/45cm 接收系統(tǒng)由以下幾部分組成:

·0.6米/0.45米接收天線，及LNB;

·直播衛(wèi)星專用機(jī)頂盒;

·便攜電視;

·隔直器(75 歐姆F 頭-電源-50 歐姆N 頭);

·中頻電纜。

二、測試內(nèi)容和方法

(一)測試內(nèi)容

在27 個測試點對中星9 號進(jìn)行測試的內(nèi)容有:

·兩個極化單載波飽和電平:9A 轉(zhuǎn)發(fā)器(左旋園極化)和3B 轉(zhuǎn)發(fā)器(右旋園極化);

·單載波電平C/N 測試:9A 和3B 轉(zhuǎn)發(fā)器;

·正在工作的電視載波電平飽和功率:3A、4A、5A、6A共4 個轉(zhuǎn)發(fā)器(左旋圓極化);

·正在工作的電視載波電平C/N:3A、4A、5A、6A 共4 個轉(zhuǎn)發(fā)器(左旋圓極化);

·電視載波轉(zhuǎn)發(fā)器靜態(tài)功率:10A 轉(zhuǎn)發(fā)器(左旋圓極化)(定時測試);

·電視載波轉(zhuǎn)發(fā)器飽和功率:10A 轉(zhuǎn)發(fā)器(左旋圓極化)(定時測試)。

(二)測試方法

利用頻譜儀測量衛(wèi)星接收信號的各項技術(shù)指標(biāo)，詳細(xì)記錄到統(tǒng)一的收測表中。具體步驟如下:

1.選擇適合的場地(指向衛(wèi)星的方向無遮擋以及周圍電磁環(huán)境要好)，記錄測試時間、溫濕度、大氣壓、地理位置(經(jīng)緯度)和海拔高度等信息。

2.安裝測試天線，連接好測試系統(tǒng)。

3.調(diào)整天線到最佳的接收狀態(tài)。

4.通過寬帶掃頻(500MHz)判斷電磁環(huán)境是否符合測試要求。

5.按照收測表中的各項參數(shù)設(shè)置，進(jìn)行各項指標(biāo)的測試和記錄。

6.根據(jù)測得的單載波的功率電平值計算衛(wèi)星的等效全向輻射功率值。

等效全向輻射功率=功率電平測量值+自由空間損耗+大氣衰減+饋線衰減-接收天線增益-LNA 增益

7.根據(jù)測得的載噪比數(shù)據(jù)，檢查測試系統(tǒng)的噪聲，確保測試數(shù)據(jù)的可靠。

8.利用小口徑天線接收直播衛(wèi)星電視信號，通過電視機(jī)觀察接收效果、進(jìn)行主觀評價，并記錄到收測表中。

(三)測試重點和關(guān)鍵問題

1.測試重點:發(fā)射單載波信號的9A 和3B 轉(zhuǎn)發(fā)器;

2.關(guān)鍵問題:如何最大限度地減少由于測試設(shè)備和人員操作差別引起的系統(tǒng)誤差，這問題的解決方案決定了衛(wèi)星EIRPs 地面測試的成敗。由于顧忌這一問題，我國有關(guān)人士雖然多次設(shè)想過實施測試，在此之前卻沒有組織開展過較大規(guī)模的同類型測試。

3.解決關(guān)鍵問題的十項措施要點

為了最大限度地減小測試誤差，在開展測試工作前需要進(jìn)行一系列的準(zhǔn)備工作，主要有:

(1)為降低噪聲嚴(yán)格選購和驗收關(guān)鍵接收設(shè)備和測試儀器。

·1.2米接收天線選用了增益為41.5dB 左右，效率為62%左右的可折疊、偏饋式天線(鋁合金)。

·選用了噪聲溫度為70K，增益為60dB 的LNA 。

·頻譜儀使用了4440A 和4407B，都在標(biāo)校有效期內(nèi)。

·選購了損耗較低且經(jīng)過損耗標(biāo)定的測試線纜。

(2)規(guī)范各項測量參數(shù)的設(shè)置，定制統(tǒng)一的收測表，要求存儲測試頻譜圖。

(3)對6 組測量系統(tǒng)進(jìn)行同一時間、同一地點的測試和系統(tǒng)標(biāo)校。

(4)為滿足EIRP 測試晴天要求，排除對測試影響最大的降雨天氣因素，要求測試地所能目及的地區(qū)，沒有降雨和降雨云。

(5)對測試電磁環(huán)境提出明確要求。

(6)出發(fā)前編制初步分析軟件和分發(fā)測試點仰角、方位角預(yù)測值。

(7)每個測試點的測試數(shù)據(jù)當(dāng)天向測試工作指揮組匯報，經(jīng)初步分析驗證結(jié)果合理后，方批準(zhǔn)完成該測試點測試。如測試結(jié)果與預(yù)測值差別較大，需測試組分析原因，進(jìn)行復(fù)測。

(8)測試點完成后回到出發(fā)地的測試復(fù)測，以驗證測試系統(tǒng)是否完好。

(9)經(jīng)測試組研究、分析和計算，給出各測試組的誤差修正值。

三、測試結(jié)果

(一)C/N 測試結(jié)果

C/N 測試分為單載波和電視載波的測試。

單載波C/N:分別在9A 和3B 的兩個單載波中心頻率和距單載波30kH 頻率處進(jìn)行C/N 測試。

電視載波C/N:在3A 4A 5A 6A 四個轉(zhuǎn)發(fā)器的中心頻率和距中心頻率20MHz 處(電視載波頻帶外)分別測試電平;

各測試點的C/N 實測值表明:

·所有測試結(jié)果最小值為12dB，說明測試系統(tǒng)誤差控制有效，背景噪聲影響對載波測量影響可忽略不計;

·全部單載波C/N 均好于28dB，大部分值為50～60dB;

·電視載波電平C/N，均在12～25dB 之間，大部分值在17dB 左右;

·C/N 實測值可以說明測試系統(tǒng)誤差控制有效，背景噪聲影響對載波測量影響可忽略不計，測試數(shù)據(jù)有效且可信。

(二)實測EIRPs 值

實測EIRPs 值是由實測電平值計算得來的:

EIRPs=P+Lpaxh+L綜合表減-Gu-GLVA+Llm公式(1)

式中:P:修正后的實測電平值，dBm;

Lpaxh空間損耗，dB;

L綜合表減大氣、閃爍、云層等的綜合衰減，dB;

Gu接收天線增益，dBi;

GLVA低噪聲放大器增益，dB;

Llm饋線損耗，dB;

將實測的電平值加上修正值代入到公式(1)中即可得出各測試點的EIRPs 值。

在實測的數(shù)據(jù)中，電視載波的實測EIRPs 都在49dBW以上，大都在50～55dBW 之間，詳細(xì)的分析情況見表1。

表1 實測EIRPs 分析

其中9A 和3B 單載波的實測與理論差值在各測試點的變化情況如圖2 所示:

圖2 9A 和3B 單載波的實測與理論差值在各測試點的變化情況

(三)測試結(jié)論

1.在各測試點實際測試的衛(wèi)星等效全向輻射功率值與衛(wèi)星公司提供的理論值基本相符。其中9A、3B 單載波和6A 的電視載波在27 個測試點的實測值示意圖如圖3 所示。

圖3 9A、3B 單載波和6A 的電視載波在27 個測試點的實測值示意圖

2.從實測值與理論值偏差統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明:右旋極化比左旋極化的偏差要大;我國南部和新疆偏遠(yuǎn)地區(qū)的實測值要小于理論值;其中比理論值小1dB 以上的測試點有:西沙群島、孟臘、南寧、景洪、?？凇⒗ッ?、伊寧和昌吉。西藏及我國東北部邊遠(yuǎn)地區(qū)實測值偏大于理論值;其中比理論值大1dB 以上的測試點有:撫遠(yuǎn)、札達(dá)和滿洲里。

四、測試系統(tǒng)的不確定性分析

地面場強(qiáng)覆蓋測試系統(tǒng)的不確定性包括在軌衛(wèi)星EIRPs 的不確定性和地面測試系統(tǒng)的不確定性。其中地面測試系統(tǒng)根據(jù)形成原因，又可分為人員操作、儀器固有、設(shè)備儀器失配、測試環(huán)境等方面。其中人員操作的不確定性由統(tǒng)一要求、集中培訓(xùn)操練、固定操作人員等措施解決。

(一)在軌衛(wèi)星EIRPs 不確定性

根據(jù)直播衛(wèi)星公司提供的在軌衛(wèi)星EIRPs 不確定性分析表(表2)表明，轉(zhuǎn)發(fā)器3B 的不確定性最大值為1.55dB，9A 的相應(yīng)值為1.45dB?？紤]到衛(wèi)星在軌不確定分析的因素較地面測試條件更為嚴(yán)格，且大部分地區(qū)的不確定度在0.2～0.8dB 以內(nèi)，只有?？?、昆明、成都、滿洲里為0.85dB、0.94dB;西沙1.45dB，1.55dB;漠河1.08dB，共6 個點不確定度較大。

表2 在軌衛(wèi)星EIRPs 不確定性

(二)接收天線變形、頻率變化導(dǎo)致增益的變化

在11.7GHz～12.2GHz 頻率范圍內(nèi)地面接收天線作增益隨頻率變化情況見圖4，具體數(shù)據(jù)見表2，變化的最大差值為0.36dB，考慮到接收天線驗收測試情況，通過表2 中的數(shù)據(jù)，可以看出增益相對于11.95GHz 的不確定度為±0.18dB。

測試期間溫度最小值為22 度，最大值為37.8 度，鋁合金材料的熱變形不敏感。測試期間發(fā)現(xiàn)高仰角地區(qū)天線聚焦不如低仰角地區(qū)，需要深入研究改進(jìn)措施。

圖4 接收天線的增益隨頻率變化曲線圖

(三)頻譜儀的不確定性

在測試系統(tǒng)聯(lián)調(diào)時對比發(fā)現(xiàn):相同RBW，VBW 設(shè)置時，AGILENT 4440A 比AGILENT 4407B 最大值與最小值的差值小，噪聲低，即精度高。

其中，AGILENT 4440A 的不確定度見表3，AGILENT 4407B 的不確定度見表4。

表3 AGILENT 4440A 的不確定度情況表

表4 AGILENT 4407B 的不確定度情況表

五、總結(jié)

中國廣播電視直播衛(wèi)星“村村通”系統(tǒng)旨在采用直播衛(wèi)星技術(shù)擴(kuò)大我國農(nóng)村地區(qū)廣播電視覆蓋，解決全國已通電但廣播電視不通達(dá)的20 戶以上自然村收聽收看廣播電視節(jié)目的問題，是一個公益性節(jié)目平臺，直接服務(wù)于社會主義新農(nóng)村建設(shè)。

開展直播衛(wèi)星監(jiān)測是保證直播衛(wèi)星系統(tǒng)和業(yè)務(wù)正常運行的必然技術(shù)條件，而先進(jìn)的直播衛(wèi)星廣播電視監(jiān)測系統(tǒng)是實現(xiàn)準(zhǔn)確、及時、快捷、高效地進(jìn)行直播衛(wèi)星監(jiān)測的技術(shù)保障平臺。通過對我國直播衛(wèi)星技術(shù)體制的研究和多項測試，又基于現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動化技術(shù)及大型數(shù)據(jù)庫管理等技術(shù)的發(fā)展，我們根據(jù)新的形勢來開展直播衛(wèi)星廣播電視業(yè)務(wù)。

［1］國家廣播電影電視總局監(jiān)測中心.《直播衛(wèi)星監(jiān)測網(wǎng)可行性研究報告》［R］.

［2］車晴，王京玲.數(shù)字衛(wèi)星廣播系統(tǒng)［M］.北京:北京廣播學(xué)院出版社，2001.

［3］黃奕銘，王軍武，陳權(quán).衛(wèi)星電視接收中的技術(shù)研究與應(yīng)用［J］.中國有線電視，2009(3).