浅谈数字广播电视卫星上行站的配置

卫星传输广播和电视节目，作为一种提高广播电视人口覆盖率、改进传输质量的最有效、最经济、最先进的手段。二十年来在我国广播电视事业中得到了蓬勃发展和广泛应用，其重要性不言而喻。随科学技术的发展，卫星数字广播已经迅速取代了模拟卫星广播，随之而来，我国也建立了多个卫星数字广播电视上行站。为了满足播出形式的需要，确保安全优质播出，每个上行站都配置了这样那样的监控系统。本文就上行站播出系统的制式、设备及其配置做简单探讨。

卫星数字广播制式DVB-S

目前，广泛应用的卫星数字广播的制式可大致分为两种：一种是欧洲广播联盟的数字视频广播方式，通常称为DVB-S方式；另一种是美国通用仪器公司开发的方式，称为digicipher方式。两种方式有差别，互不相容。它们之间的区别主要在于数字信号的传输方式上，换句话说就是信道编码有所不同，而信源编码部分都采用了所谓的MPEG-2压缩方式。我国普遍采用DVB-S方式，DVB-S方式目前已经称为卫星数字广播的主流方式。(编者注：我国即将开展的直播电视将采用我国自主研发的ABS-S制式)

DVB-S系统定义了从MPEG-2复用器输出到卫星射频信道、能对电视基带信号进行适配处理的的设备功能模块，也可称之为卫星信道适配器，如图1所示。

DVB-S系统采用了级联的卷积码和RS码的前向纠错控制方式，并且在外码编码之前进行了传送复用适配和用于能量扩散的随机化处理，在外码编码后、内码编码前进行了卷积交织处理以提高系统抗脉冲干扰的能力。

DVB-S系统采用QPSK调制方式，调制器把数字信息变换成适合传输的波形。通常调制器输出频谱以某一中频为中心，其带宽与传输速率有关。在地球站范围内，中频通常为70MHz。QPSK(四相移相键控，也称为正交移相键控)是目前最常用的一种调制方式，它具有较高的频谱利用率，较强的抗干扰性，在电路实现上也较简单。

由于卫星传输业务功率受限，因此强的抗干扰和抗噪声性能是系统设计的主要目标。系统采用QPSK调制方式以及级联的卷积码和RS码的前向纠错控制方式，在接收载噪比高于误码门限的条件下，可以提供准无误码（QEF）质量指标，即在一个小时的传输时间里不可纠正的错误少于一个，相当于在MPEG-2解复用器输入端的误比特率（BER）为10e-10到10e-11。

卫星数字地球站

卫星数字地球站的配置如图2所示，为了保证系统的可靠性，采用了双机备份的工作方式，一路为主路，一路为备路可以互相倒换。一旦主路发生了故障，就可以切换到备路播出，保证播出不间断。从图中可以看出，电视台制作好的音视频、数据信号首先送入编码器进行 MEPG-2编码，输出压缩后的数字信号，称为元素流（ES），其中音、视频、数据信息都被打成一定格式的数据包。然后送往复用器进行复用，按一定规律组合在一起，形成一个整体的数据信号，称为传输流（TS）。

传输流再送入调制器，在调制器中完成能量扩散、外码编码、卷积交织、内码编码、基带成形，最后进行QPSK调制。QPSK调制属于中频调制，中频频率为70MHz，经过调制后的载波信号又成为了模拟信号，在上变频器中将频率提升为6G（C段）或14G（Ku段），变频后的信号进行功率放大后被送往天馈线系统发送到卫星。

1、引接电路

在实际配置中，图2所示设备不一定都放在地球站播出机房。根据各站实际情况，信号引接电路又以下几种方式。一种是图2所有设备均在地球站机房，音视频模拟或数字信号经过微波或光缆直接从播控中心送到地球站机房，这种情况下地球站配置灵活、维护量大。第二种是将传输流信号经微波或光缆送到地球站机房。这种情况适合微波干线或光缆干线附近建设的地球站。第三种情况是将调制后的信号送往地球站机房。各站根据实际情况，采用不同的引接方式，其中第一、二种情况被广泛采用。

2、上行系统设备

(1)编码器

在编码器中，输入的是视频信号和伴音信号首先经模/数变换成为适合数字系统处理和传输的数字信号，然后进行压缩编码，减少信号的冗余度，输出MPEG-2传送复用包。

(2)复用器

在实际应用中，复用可分为节目复用和系统复用两种方式。节目复用是将一路数字电视节目的视频PES包、音频PES包和其它辅助数据的PES包按照一定的比率时分复用成一路节目的TS传输流；系统复用是将多路数字电视节目的TS流进行再复用，实现节目的动态带宽分配，提供各种增值业务，以适合传输的需要。

编码器输出的节目码流送至节目复用器，按照节目复用的方式，重新打包，嵌入PID，加入同步等数据处理后，将节目流复用成节目传输流。对于MCPC方式的节目流，则还要使用系统复用手段，提高带宽利用率，将各个不同基准时钟的TS传输流按照时分的方式复用在一起，成为新的多节目传输流。

(3)调制器

为了使数字信号在带通信道中传输，必须使用数字信号对载波进行调制。在卫星数字广播电视传输中，通常采用QPSK调制方式，它具有较高的频谱利用率和较强的抗干扰性能。

输入的串行二进制ASI码流首先要进行能量扩散，然后经过外编码、卷积交织、内编码后再进行QPSK调制。QPSK正交调制器由两个BPSK调制器构成，串行二进制码流经串/并转换后分成两路速率减半的I、Q信道序列，经基带成形滤波后形成I(t)Q(t)信号，然后进行BPSK调制，相加后得到QPSK信号。已调信号经过适当信号放大即成为可传输的中频信号。

调制器一般为1:1冗余保护配置，采用中频切换开关对调制器故障进行冗余保护。在实际应用中，首先要设置好符号率、FEC、滚降系数等调制参数，其次要设置适当的输出电平，使其满足上行系统和上变频器输入电平要求，并选择合适工作点，使电调衰减器的衰减值尽可能在可调范围的中间部分。备机参数配置应与主机一致。

(4)上变频器

上变频器的主要作用是将已调制的中频信号无失真地变换成上行微波射频信号。通过改变上变频器本振源的频率，可以在发射频带内选择通信卫星全部转发器中的任何一个作为工作频率，同时，还把射频信号放大到所需要的接口电平以推动高功率放大器工作。

变频是通过中频信号与本振信号进行非线性混频，取其和频或差频，前者称为上边带上变频，而后者称为下边带上变频，一般使用和频上变频以保证电路的稳定。通常上变频其可分一次变频和二次变频两种方式。因一次变频方式中带宽有限，不利于宽带系统的实现，在目前的上行站中，普遍采用的是二次变频方式的上变频器。所谓二次变频，即从中频（如70MHz或140MHz）先变到较高的中频（如1GHz左右），然后再由此高中频变到微波射频（如从C波段6GHz）。它的优点是调整方便、易于实现宽带要求，而缺点则是电路较为复杂。

上变频器的输入电平较高，要求器件具有大的动态范围和良好的线性特性，特别是多载波工作的情况下，互调产物和组合频率干扰电平应该小到可以接受的程度。对于二次变频，还应适当选择中频，使干扰频率分量落在带外。

(5)高功率放大器

地球站信号上行需要使用能够稳定输出大功率高频信号的高功率放大器（简称高功放），卫星传输系统中所用高功放主要分为速调管高功放、行波管高功放和固态高功放等三种类型。在微波频段，目前千瓦级输出的高功放一般采用行波管和速调管，其具有输出功率大、工作电压高等特点。

高功放主要由射频、电源、冷却、控制等部分构成。对于固态模块化高功放系统，信号首先要经过功率分配系统，分别输入至每个功率模块进行放大，然后通过相位合成技术，将放大后的信号合成至足够强的微波信号输出。对于速调管和行波管高功放系统，输入的射频信号经固态中功率放大器预放大后，送入速调管或行波管进行高功率放大，再经过谐波滤波器后输出大功率的微波信号。上变频器输出的射频信号功率一般在豪瓦级，当高功放输出功率达数千瓦时，要求管子输入功率接近瓦级，因而需要在管子前面加固态中功率放大器，使高功率放大器的总增益达８０ｄＢ左右。

高功放配置中均为1：1或1：N系统。主备高功放间要求设置完全一致，并能自动倒换，在倒换时备用高功放应能自动跟随主路高功放输出功率，从而保证上行功率稳定。高功放的放大能力直接决定了地球站的上行能力，在系统配置中一定要留出足够的储备功率，保证特殊情况下使用。

（6）天馈线系统

天馈线系统也称天馈分系统。它是地球站的重要组成部分之一，是实现自由空间传播的电磁波能量与发射或接收的导行波能量之间联系的设备，也是决定地球站容量、传输质量的关键设备之一。它把发送设备产生的大功率微波信号以微波的形式向卫星方向辐射；并接收卫星转发的微波信号，送至接收低噪声放大器。天馈系统有伺服控制系统，保证天线轴始终对准卫星方向。

目前国内广播电视传输使用的卫星发射天线主要有卡赛格伦、格里高利两种类型的双反射面天线。两者主面均为抛物面、馈源为后馈类型，卡赛格伦天线的副反射面为双曲面，而格里高利天线副反射面为椭球面。

３、监控系统

为了确保上行系统的正常工作，卫星地球站都装有监控系统，完成对上行系统的状态监测，记录播出状态，根据不同的播出状态给予不同的处理，如：故障状态下进行声音告警、记录故障情况。对于一些异态情况进行分析后采取相应措施，如功率提升、设备切换等措施。

通常监控系统的配置有如下几种方式，在实际的搭建过程中有以下几种方式，建议采用图4和图5的方式，这两种方式中播出设备直接相连，不受监控设备影响。尽量不要采用图3和图6方式，因为在图3中，监控设备成了传输链路的一个环节，容易对播出系统造成影响；图6是一个很普遍的现象，这种方式凭空的增加了信号分配设备，在信号传输中，多一个设备就多一份危险，所以传输链路中尽量减少。如果必须增加分配器，要注意尽量让播出设备用在分配器输入的环出口，并且试验断电可以接通，而监控设备可以随便接到分配输出口（如图7）。

监控系统根据监控目的不同分为很多种，有对音视频监测、频谱监测、码流监测、信号质量监测，无论那种监控手段都是上行系统的辅助系统，都是给上行系统保驾护航的。在卫星地球站中，虽然监控系统的重要性越来越突出，但是我们在配置中一定要注意分清主次，尽量保持上行系统的单纯性，避免监控系统对上行系统造成影响。

4、电源系统

地球站均为两路专线外电，互为备份，同时还备有发电机以备急用，通常两路外电、发电机三路互投，并且自投不自复，最大限度的降低外电停电时间。播出系统前一般都备有UPS电源，多为在线式。正常工作时，外电经整流器给蓄电池组进行充电，同时经逆变器送给设备使用。当外电发生故障时候，蓄电池组进行放电，经逆变器后供给设备使用。UPS电源保证了设备供电的不间断。

电源系统在设计上要求主备到底，也就是说对于主备设备分路、分相供电，现在普遍存在的机柜供电方式其实没有做到电源的备份，因为如果主备设备通常在同一机柜上，这样当机柜没有电时，主备系统就会陷入瘫痪，正确的配置应该是将主备两路设备分别供电。对于双电源设备一定要用上两个不同路电源，保证双路电源发挥作用。

结束语

随着科学技术的发展，现在又有新的卫星广播制式出现如：DVB-S2、以及我国自主知识产权的AVS等，它们采用更新的信源编码、信道编码方式，大大提高了频带利用率和系统抗干扰能力。随着这些新技术的应用，卫星广播将迎来更大的发展。地球站是卫星传输中重要的一环，正确处理各系统之间的关系，构建完善的播出系统是地球站安全运行的基础，只有地球站的安全运行才能卫星电视的正常播出，保证广大卫视用户的正常收视。