衛(wèi)星上行站技術(shù)指標(biāo)及高功放系統(tǒng)的測試方法

文/金進(jìn)華

衛(wèi)星上行站技術(shù)指標(biāo)及高功放系統(tǒng)的測試方法

文/金進(jìn)華

上行站系統(tǒng)工作的穩(wěn)定對整個(gè)衛(wèi)星發(fā)射系統(tǒng)有著重要的影響。本文講述了數(shù)字衛(wèi)星上行站概況，系統(tǒng)視音頻通道技術(shù)參數(shù)；使用信號發(fā)生器、頻譜分析儀、微波功率計(jì)等測試儀器對高功放中的輸出功率增益、頻率響應(yīng)、輸出頻譜、雜散輸出、三階互調(diào)、相位噪聲等指標(biāo)測試方法，以提高我們對系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)指標(biāo)檢測和維護(hù)水平。

視音頻；衛(wèi)星上行系統(tǒng)；射頻高功放；技術(shù)指標(biāo)

引言

目前中央和各省廣播電視系統(tǒng)都建有數(shù)字衛(wèi)星上行站，肩負(fù)著中央和省級衛(wèi)視廣播信號傳輸和轉(zhuǎn)發(fā)的重要任務(wù)。對于廣播電視衛(wèi)星上行站來說，安全播出是重要的工作任務(wù)，在數(shù)字衛(wèi)星上行系統(tǒng)中，節(jié)目傳輸系統(tǒng)和衛(wèi)星上行。系統(tǒng)是保證信號質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，由于長期不間斷工作，故障出現(xiàn)的幾率相對較高，因而需要我們定期進(jìn)行技術(shù)指標(biāo)測量，檢查系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在問題，確保信息的安全優(yōu)質(zhì)播出。

1. 廣播電視數(shù)字衛(wèi)星上行站的構(gòu)成

廣播電視數(shù)字衛(wèi)星上行站主要由節(jié)目傳輸系統(tǒng)、上行系統(tǒng)、天饋系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、監(jiān)測網(wǎng)管系統(tǒng)和配電系統(tǒng)等部分組成。

上行系統(tǒng)的主要由光接收機(jī)、編碼器、復(fù)用器、射頻高功放系統(tǒng)等組成。如圖1所示。

廣播電視數(shù)字衛(wèi)星上行系統(tǒng)的工作流程為：播出中心送出的數(shù)字電視信號（SDI信號）由光發(fā)射機(jī)發(fā)送經(jīng)光纜傳送至上行站（一般有多個(gè)路徑），上行站的光接收機(jī)把（各路）收下SDI信號經(jīng)分配、放大和自動倒換后送入編碼器，由編碼器將數(shù)字視音頻信號按照MPEG-2格式進(jìn)行壓縮編碼，編碼后信號與其他數(shù)據(jù)信號如附加音頻廣播等數(shù)據(jù)等（廣播信號和電視信號相同，光接收機(jī)把收下AES數(shù)字音頻廣播信號分別送入復(fù)用器）一起進(jìn)入復(fù)用器產(chǎn)生基帶信號，調(diào)制器將復(fù)用器輸出的信號調(diào)制成70MHz的中頻信號（根據(jù)具體情況可采用QPSK、8PSK、16APSK和32APSK等調(diào)制方式），上變頻器把中頻信號變頻到衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器規(guī)定的上行頻率并適當(dāng)放大，為高功放提供激勵(lì)，高功放將上行射頻信號放大至額定值經(jīng)波導(dǎo)送至天線進(jìn)行發(fā)射。

圖1 衛(wèi)星廣播地球站上行系統(tǒng)框圖

2. 數(shù)字衛(wèi)星上行系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)要求

要全面準(zhǔn)確地評估數(shù)字衛(wèi)星上行系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)是比較困難的，在實(shí)際工作中主要是通過測試一些重要的技術(shù)指標(biāo)來正確反映設(shè)備的性能和工作狀態(tài)。下面就數(shù)字衛(wèi)星上行站系統(tǒng)中主要的技術(shù)指標(biāo)要求及部分測試方法等進(jìn)行詳細(xì)的闡述。

2.1 節(jié)目傳輸系統(tǒng)

對于節(jié)目傳輸系統(tǒng)中的光纜線路和視音頻通路，測試中需要考慮的技術(shù)指標(biāo)有：光纜線路平均衰耗（單模，波長1550nm）、光接收設(shè)備接收靈敏度及最小過載光功率、標(biāo)清和高清視頻輸出接口特性（光接收機(jī)輸出接口，視分接口等）、數(shù)字音頻接口特性測試等。

光纜線路參考的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有《GY/T 130-1998 有線電視用光纜入網(wǎng)技術(shù)條件》《GY/T 239-2009廣播電視光纜傳輸干線網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)規(guī)程》等，光纜線路（1550nm）平均衰耗要求≤0.25dB/km，光接收機(jī)的接收靈敏度及最小過載光功率根據(jù)光設(shè)備和光接口類型的不同，要求也不同。

高標(biāo)清視頻輸出接口特性參考的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有《GY/T 243-2010 標(biāo)準(zhǔn)清晰度電視數(shù)字視頻通道技術(shù)要求和測量方法》和《GY/T 157-2000 演播室高清晰度電視數(shù)字視頻信號接口》技術(shù)要求，如下表1所示。

數(shù)字音頻接口特性測試標(biāo)準(zhǔn)可參考《GY/T 182-2002 衛(wèi)星數(shù)字廣播電視地球站運(yùn)行維護(hù)規(guī)程》，其中，抖動要求＜0.07（UI），音頻幅度峰峰值（跨接110Ω電阻）要求在2至7 V之間。

由于數(shù)字電路每一級都可能存在時(shí)基校正系統(tǒng)，上一級不合格的指標(biāo)在下一級會得到修正，因此在數(shù)字系統(tǒng)檢測時(shí)就要求對每一級電路都要進(jìn)行接口特性的測試。

表1 標(biāo)清和高清數(shù)字接口特性技術(shù)要求

2.2 上行系統(tǒng)中的編碼器、復(fù)用器

對于上行系統(tǒng)中的編碼器、復(fù)用器，測試中需要考慮的技術(shù)指標(biāo)有：編碼器ASI輸出接口、復(fù)用器ASI輸出接口、數(shù)字電視復(fù)用器ASI輸入接口技術(shù)指標(biāo)等。參考的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有《GY/T 212-2005 標(biāo)準(zhǔn)清晰度數(shù)字電視編碼器、解碼器技術(shù)要求和測量方法》和《GY/T 226-2007 數(shù)字電視復(fù)用器技術(shù)要求和測量方法》。具體要求如表2～3所示。

表2 編碼器、復(fù)用器ASI輸出接口技術(shù)指標(biāo)要求

表3 復(fù)用器ASI輸入接口技術(shù)指標(biāo)要求

編碼器、復(fù)用器ASI輸出接口技術(shù)指標(biāo)：輸出幅度800±80 mV、上升時(shí)間（20%-80%）≤1200 ps、下降時(shí)間（20%-80%）≤1200 ps、確定性抖動≤10%。

復(fù)用器ASI輸入接口技術(shù)指標(biāo)：最大輸入電壓≥880 mV、最小接收靈敏度≤200 mV。

2.3 上行系統(tǒng)中的射頻高功放

對于射頻高功放系統(tǒng)，相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)參考國家新聞出版廣電總局對衛(wèi)星地球站驗(yàn)收的檢測報(bào)告，測試中需要考慮的技術(shù)指標(biāo)有：輸出功率（增益變化與功率穩(wěn)定度）、頻率響應(yīng)（帶內(nèi)平坦度）、輸出頻譜（帶寬）、帶內(nèi)帶外雜散、三階互調(diào)、相位噪聲等。如表4所示。

表4 射頻高功放系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)要求

3. 射頻高功放系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)的測試方法

由于上行站系統(tǒng)指標(biāo)很多，而射頻高功放系統(tǒng)在整個(gè)上行系統(tǒng)中相對薄弱，所以本文主要闡述射頻高功放系統(tǒng)的指標(biāo)測試。

測試采用的儀器為：信號發(fā)生器（10MHz--1GHz）、頻譜分析儀（C波段或Ku波段），還需要衰減量約50dB的波導(dǎo)耦合器及微波功率計(jì)等測試儀器。下面對主要指標(biāo)的測試作分析介紹。

3.1 輸出功率增益（及功率不穩(wěn)定度）

輸出功率增益是指高功放的功率增益；而功率不穩(wěn)定度是指高功放的實(shí)際增益隨時(shí)間（連續(xù)1小時(shí)內(nèi)或24小時(shí)內(nèi)）的變化，輸出功率最大值和最小值之差與標(biāo)稱輸出功率之比就是輸出功率不穩(wěn)定度。

輸出功率增益測試一般都采用直接測量的方法，測試時(shí)信號發(fā)生器輸出一個(gè)已知功率（是P0）的高功放輸入信號，在高功放輸出端口和負(fù)載之間接入一個(gè)適當(dāng)?shù)牟⑿?zhǔn)好的定向耦合器（G0是耦合器的衰減量），耦合器輸出信號接到功率計(jì)（測得功率P1），則高功放的輸出功率增益是G = P1 – P0 + G0。測試框圖如圖2所示。

圖2 高功放輸出功率增益測試框圖

具體測量步驟是先連接好測試設(shè)備，關(guān)閉信號發(fā)生器RF輸出，將輸入激勵(lì)調(diào)至最?。ǜ吖Ψ旁鲆孀畲螅?，信號發(fā)生器工作頻率為上行中心頻率，打開信號發(fā)生器RF輸出，逐漸增加激勵(lì)電平至高功放輸出達(dá)到額定功率，測量耦合器輸出信號功率，計(jì)算高功放輸出功率增益。

3.2 頻率響應(yīng)（帶內(nèi)平坦度）

高功放的頻率響應(yīng)是以發(fā)射載波為中心頻率的工作頻帶內(nèi)的振幅頻率特性，反映發(fā)射信號頻譜特性的平坦程度，會影響接收信號的信噪比（C/N）。要求帶內(nèi)平坦度是單路單載波傳輸0.5dBp-p（SCPC）， 多路單載波傳輸 1dBp-p（MCPC）。

頻率響應(yīng)使用頻譜分析儀和掃頻信號發(fā)生器組合測試，用掃頻信號源接入上變頻器，在高功放輸出端口和負(fù)載之間接入一個(gè)適當(dāng)?shù)牟⑿?zhǔn)好的定向耦合器，耦合器輸出接到頻譜分析儀。

圖3（a）顯示了頻率響應(yīng)的測試框圖， 圖3（b）是頻率響應(yīng)的測試界面，在試界面中，頻譜儀顯示的幅頻特性曲線平滑，在6.67MHz帶寬內(nèi)幅度/頻率響應(yīng)的起伏＜0.23dB。

圖3

3.3 輸出頻譜

上行系統(tǒng)輸出的射頻調(diào)制信號的頻譜主要反映的是衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)射信號所占用的帶寬和余弦滾降率，由-3dB帶寬和-30dB帶寬來表示，（-3dB帶寬約和發(fā)射信號的符號率相當(dāng)，-30dB帶寬大約等于-3dB帶寬1.20-1.35倍）。如果發(fā)射帶寬不足，會影響接收信號的C/N，如果頻譜形狀不對稱，說明信號在上行系統(tǒng)中存在非線性失真。圖4為輸出頻譜的測試框圖，圖5為測試界面。在輸出頻譜測試界面中顯示，其-3dB帶寬約為6.87MHz（Maker1-Maker1R），-30dB帶寬約為9.5MHz（Maker2-Maker2R）。

圖4 輸出頻譜的測試框圖

圖5 輸出頻譜的測試界面

3.4 雜散輸出

射頻高功放系統(tǒng)的雜散輸出是指當(dāng)高功放輸出中除主載波外的無用輻射信號。分帶內(nèi)雜散和帶外雜散，帶內(nèi)雜散是指上行信號頻帶內(nèi)的雜波信號，若它過大，會干擾已調(diào)調(diào)制信號；帶外雜散是指上行信號頻帶外又在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)通道內(nèi)的雜波信號，他會干擾其他載波信號，顯然雜散與載波信號相比應(yīng)足夠的小。

雜散的測試方法是將調(diào)制輸出改為無調(diào)制單載波輸出，把高功放的射頻載波信號經(jīng)耦合器衰減后送入頻譜分析儀，在規(guī)定頻帶內(nèi)讀取除載頻之外最大無用輻射信號（包括諧波）的電平，該電平與載頻電平的差值之比就是雜散輸出。

測試框圖和輸出頻譜的測試框圖一樣，如圖4所示。測試結(jié)果界面如圖6（a）所示。顯示是帶內(nèi)雜散，較大的雜散點(diǎn)輸出為-65.3dB（距主載波2.38MHz），圖6（b）所示是帶外雜散，較大的雜散點(diǎn)輸出為-66dB（距主載波19.83MHz）。

（a）帶內(nèi)雜散輸出測試界面

圖6

3.5 三階互調(diào)

當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)載頻信號輸入到射頻高功放時(shí)，由于射頻高功放的非線性特性，輸出除了載頻信號外，還會產(chǎn)生一些互調(diào)產(chǎn)物（2F1-F2，2F2-F1）。其中三階互調(diào)的產(chǎn)物往往落在射頻高功放的工作區(qū)域以內(nèi)，對放大器影響最大，反映了射頻高功放系統(tǒng)工作區(qū)域的非線性的嚴(yán)重程度。

測試時(shí)把調(diào)制器輸出的無調(diào)制中頻載波信號（70MHz）和與之相同電平頻率相差5MHz左右的單頻信號經(jīng)混合后送入上變頻器，在高功放的輸出端測試，其最大的互調(diào)電平與輸出載波電平之差就是三階互調(diào)。兩個(gè)輸入載波電平應(yīng)比單個(gè)額定輸入載波電平小3dB。

三階互調(diào)測試框圖如圖7所示，測試結(jié)果圖8所示，左右二個(gè)較小的單頻波是兩單頻載波通過射頻高功放系統(tǒng)后產(chǎn)生的三階互調(diào)產(chǎn)物，其中較大的那個(gè)波峰值（Maker1）是相對于載波幅值（Maker1R）的-41.88dB。

圖7 三階互調(diào)測試框圖

圖8 三階互調(diào)測試界面

3.6 相位噪聲

相位噪聲的的定義是指無調(diào)制載波信號經(jīng)高功放輸出后的載波信號單邊帶相位噪聲。相位噪聲過大，會干擾已調(diào)波的調(diào)制信號，影響信號質(zhì)量。

相位噪聲測試方法和輸出頻譜的測試方法相似，測試框圖和輸出頻譜的測試框圖一樣，如圖4所示。將調(diào)制器輸出的無調(diào)制單載波送入上變頻器，高功放經(jīng)耦合器輸出的射頻調(diào)制信號送入頻譜分析儀，分別讀取距載波10Hz-100Hz、100Hz-1kHz、1kHz-100kHz、100kHz-4MHz處的相位噪聲。相位噪聲測試結(jié)果界面如圖9所示。圖中結(jié)果顯示其相位噪聲是-85.89dB/Hz。

圖9 相位噪聲測試界面

4. 結(jié)束語

廣播電視數(shù)字衛(wèi)星上行系統(tǒng)的檢測項(xiàng)目還有很多，如控制監(jiān)測系統(tǒng)、網(wǎng)管系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、天饋系統(tǒng)等等，都需要定期進(jìn)行維護(hù)和測試；特別是在高功放測量中，我們應(yīng)盡量考慮測試環(huán)境與實(shí)際工作狀態(tài)相接近，保證調(diào)制器、上變頻器、高功放等的輸入與輸出電平盡可能在正常工作的中間范圍，盡量避免設(shè)備的極限工作狀態(tài)，使測試結(jié)果盡可能地反映高功放的實(shí)際工作狀態(tài)。要保證衛(wèi)星上行系統(tǒng)的健康工作，就必須根據(jù)維護(hù)規(guī)程，進(jìn)行例行的技術(shù)指標(biāo)測試，使我們能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理故障隱患，保證廣播電視的安全播出。

[1] GENIV2003大功率速調(diào)管功率放大器安裝使用說明書.

[2] 劉長占. MPEG-2 TS分析與衛(wèi)星系統(tǒng)射頻測試方法.衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò)，2007.

（作者單位：浙江廣播電視集團(tuán)傳輸發(fā)射中心）

TN939.13

A

1671-0134（2017）09-115-05

10.19483/j.cnki.11-4653/n.2017.09.043