直播衛星地面實際場強覆蓋測試探析

□趙 琰

(國家新聞出版廣電總局 監管中心，北京 100866)

直播衛星業務的開展滿足了廣大人民群眾日益增長的精神文化生活需求。考慮到衛星直播業務在我國是首次應用，整個端到端系統都是基于新研發的傳輸技術、標準和體制建立的。衛星直播采用專用的廣播電視信號傳輸技術體制ABS-S(Advanced Broadcasting System-Satellite)，該標準是我國第一個擁有完全自主知識產權的傳輸標準，在性能上與代表衛星通信領域的最新技術發展水平的DVB-S2 相當，部分指標更優，而復雜程度遠低于DVB-S2。面對新技術、新業務、新體制和新政策，需要大量的科學調研，需要切實地掌握直播衛星廣播電視播出的質量和效果，因此進行直播衛星廣播電視監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

衛星的EIRP 值按照慣例是以衛星發射前的一系列測試和衛星在軌時變化衛星姿態測得在軌的相對值驗證獲得的，由于接收系統的不確定度、測試范圍廣、交通、設備運輸等諸多因素，此前從沒有開展過地面大規模實際覆蓋測試。而直播衛星信號覆蓋場強技術科研工作通過實際測試，應用降雨衰減模型，在保證一定可用度的情況下，分析在全國不同地區接收直播衛星信號天線的口徑。所以說對直播衛星提供的在軌測試數據進行實際地面測試復核，為“村村通”工程提供技術支持和保證。

(二)測試目的

1.復核衛星公司提供的等效全向輻射功率(EIRPs)理論值。

在直播衛星覆蓋區內選取具有代表性的多個測試地點，測試其實際覆蓋情況，并推導出衛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.根據測試結果，推算在全國范圍內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

根據中星9 號衛星的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)內部選擇測試點，共計27 個測試點。

圖1 中星9 號衛星的EIRP 覆蓋圖

1.第一條等值線(雨區)內部(共2 個):上海、長沙。

2.第一條等值線(雨區)附近(共4 個):廣州、海口、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。

5.第四條等值線(邊境區域)附近(共12 個):滿洲里、漠河、西沙、拉薩、普蘭、札達、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)測試系統組成

1.主要測試儀器設備

為了確保測試數據的準確性和可比性，各個測試組都統一配備了性能較佳以及同款的測試設備，主要有頻譜分析儀(安捷倫4440A 和4407B)、GPS、1.2米衛星接收測試天線、LNA、LNB、0.45米和0.6米衛星接收天線、衛星接收機、便攜式電視機、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

1.2米天線測試系統由以下幾部分組成:

·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

60cm/45cm 接收系統由以下幾部分組成:

·0.6米/0.45米接收天線，及LNB;

·直播衛星專用機頂盒;

·便攜電視;

·隔直器(75 歐姆F 頭-電源-50 歐姆N 頭);

·中頻電纜。

二、測試內容和方法

(一)測試內容

在27 個測試點對中星9 號進行測試的內容有:

·兩個極化單載波飽和電平:9A 轉發器(左旋園極化)和3B 轉發器(右旋園極化);

·單載波電平C/N 測試:9A 和3B 轉發器;

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

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

·電視載波轉發器靜態功率:10A 轉發器(左旋圓極化)(定時測試);

·電視載波轉發器飽和功率:10A 轉發器(左旋圓極化)(定時測試)。

(二)測試方法

利用頻譜儀測量衛星接收信號的各項技術指標，詳細記錄到統一的收測表中。具體步驟如下:

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

2.安裝測試天線，連接好測試系統。

3.調整天線到最佳的接收狀態。

4.通過寬帶掃頻(500MHz)判斷電磁環境是否符合測試要求。

5.按照收測表中的各項參數設置，進行各項指標的測試和記錄。

6.根據測得的單載波的功率電平值計算衛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.根據測得的載噪比數據，檢查測試系統的噪聲，確保測試數據的可靠。

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

(三)測試重點和關鍵問題

1.測試重點:發射單載波信號的9A 和3B 轉發器;

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

3.解決關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行一系列的準備工作，主要有:

(1)為降低噪聲嚴格選購和驗收關鍵接收設備和測試儀器。

·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，都在標校有效期內。

·選購了損耗較低且經過損耗標定的測試線纜。

(2)規范各項測量參數的設置，定制統一的收測表，要求存儲測試頻譜圖。

(3)對6 組測量系統進行同一時間、同一地點的測試和系統標校。

(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，沒有降雨和降雨云。

(5)對測試電磁環境提出明確要求。

(6)出發前編制初步分析軟件和分發測試點仰角、方位角預測值。

(7)每個測試點的測試數據當天向測試工作指揮組匯報，經初步分析驗證結果合理后，方批準完成該測試點測試。如測試結果與預測值差別較大，需測試組分析原因，進行復測。

(8)測試點完成后回到出發地的測試復測，以驗證測試系統是否完好。

(9)經測試組研究、分析和計算，給出各測試組的誤差修正值。

三、測試結果

(一)C/N 測試結果

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 頻率處進行C/N 測試。

電視載波C/N:在3A 4A 5A 6A 四個轉發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:

·所有測試結果最小值為12dB，說明測試系統誤差控制有效，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，測試數據有效且可信。

(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。

在實測的數據中，電視載波的實測EIRPs 都在49dBW以上，大都在50～55dBW 之間，詳細的分析情況見表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)測試結論

1.在各測試點實際測試的衛星等效全向輻射功率值與衛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計數據表明:右旋極化比左旋極化的偏差要大;我國南部和新疆偏遠地區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、?？?、昆明、伊寧和昌吉。西藏及我國東北部邊遠地區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、札達和滿洲里。

四、測試系統的不確定性分析

地面場強覆蓋測試系統的不確定性包括在軌衛星EIRPs 的不確定性和地面測試系統的不確定性。其中地面測試系統根據形成原因，又可分為人員操作、儀器固有、設備儀器失配、測試環境等方面。其中人員操作的不確定性由統一要求、集中培訓操練、固定操作人員等措施解決。

(一)在軌衛星EIRPs 不確定性

根據直播衛星公司提供的在軌衛星EIRPs 不確定性分析表(表2)表明，轉發器3B 的不確定性最大值為1.55dB，9A 的相應值為1.45dB。考慮到衛星在軌不確定分析的因素較地面測試條件更為嚴格，且大部分地區的不確定度在0.2～0.8dB 以內，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 在軌衛星EIRPs 不確定性

(二)接收天線變形、頻率變化導致增益的變化

在11.7GHz～12.2GHz 頻率范圍內地面接收天線作增益隨頻率變化情況見圖4，具體數據見表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 中的數據，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。測試期間發現高仰角地區天線聚焦不如低仰角地區，需要深入研究改進措施。

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

在測試系統聯調時對比發現:相同RBW，VBW 設置時，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

中國廣播電視直播衛星“村村通”系統旨在采用直播衛星技術擴大我國農村地區廣播電視覆蓋，解決全國已通電但廣播電視不通達的20 戶以上自然村收聽收看廣播電視節目的問題，是一個公益性節目平臺，直接服務于社會主義新農村建設。

開展直播衛星監測是保證直播衛星系統和業務正常運行的必然技術條件，而先進的直播衛星廣播電視監測系統是實現準確、及時、快捷、高效地進行直播衛星監測的技術保障平臺。通過對我國直播衛星技術體制的研究和多項測試，又基于現代網絡技術、自動化技術及大型數據庫管理等技術的發展，我們根據新的形勢來開展直播衛星廣播電視業務。

［1］國家廣播電影電視總局監測中心.《直播衛星監測網可行性研究報告》［R］.

［2］車晴，王京玲.數字衛星廣播系統［M］.北京:北京廣播學院出版社，2001.

［3］黃奕銘，王軍武，陳權.衛星電視接收中的技術研究與應用［J］.中國有線電視，2009(3).