王 琦

（中国船舶重工集团公司第七二二研究所，武汉 430079）

0 引言

公务船是维护海洋利益的海上综合执法力量，船载卫星数字电视是保障船员学习和娱乐的主要信源，设计一套稳定可靠系统需要选择合适的卫星信源、选择好用易用耐用的船载卫星天线、架构合适的数字卫星电视接收前端和分配网络，本文从上述几个方面研究了市场上的主流产品，并结合公务船项目进行了应用设计。

1 卫星数字电视系统技术现状与发展趋势

休斯公司于1993年12月抢先开发并组建了采用数字压缩技术的商用电视直播卫星系统，2000年后，全世界已经建立的卫星电视直播系统在北美有4～5个，在拉美有2～3个，在欧洲有4～5个，在亚洲或我国周边国家有 9～10个，这些卫星系统都能向家庭直播几十至150多个频道的电视节目，所用卫视接收机天线口径在 0.45～0.8 m之间。

数字卫星电视系统由于其独特的优点，包括接收端的信号质量可与发送端的相比拟，传输电视节目路数是模拟电视节目的约6倍，功耗低、体积小、高可靠性、高稳定性，并易于联网计算机，这都是得益于大规模集成电路的采用。从1993年起，欧洲数字电视广播集团陆续制定了一系列数字电视标准，即 DVB（Digital Video Broadcast），其中包括适用于卫星链路的 DVB-S标准，地面波的DVB-T标准，同轴缆的DVB-C标准。欧洲的DVB-S标准在亚洲、澳洲、美国都得到了响应，我国在1996年颁布广播电视数字传输技术体制、决定采用符合DVB-S标准的数字电视卫星广播系统。DVB-S2为第二代DVB-S标准。

船载数字卫星电视系统通常有两种接收方式，一种是天线接收的信号通过下变频成L波段（950～2150 MHz）后，经过多路切换开关直接分配给多个数字卫星接收机，这种方式简单直接，但由于L波段信号传输分配对线缆和分配器要求较高，不适合太多接收机的场合，在32个数字卫星接收机以内的小系统可以考虑，超过这个规模可以考虑采用以色列 FOXCOM公司的光纤分配系统，但船载光缆工程不易；另一种是天线接收的信号通过下变频成L波段后，通过前端接收解调成ASI数据流再调制成DVB-T或DVB-C，通过非常成熟的860 M有线射频分配系统传输，然后通过相应的机顶盒接收，有众多厂家支持该技术，包括丹麦水手（Sailor）、挪威 Appear TV、加拿大ATX Networks、绵阳九洲、惠州伟乐科技和北京数码视讯等。

挪威Appear TV推出的4U机框16+2槽位（XC-5000）和1U机框6+1槽位（XC-5100）的卫星数字电视综合平台具有典型意义，其具有丰富的功能模块，包括用于多路卫星接收DVB-S/S2模块、用于自办节目的各种标准接口输入的标清和高清编码模块、用于适配860M同轴电缆射频分配网络的DVB-T/T2和QAM再调制模块，在一个机框中通过这些模块的组合可以实现船载卫星数字前端的全部功能，实现上百路的卫星数字节目的接收、再复用和再调制，输出的射频信号可以适配大中小各种规模的860 M同轴电缆射频分配网络；该平台还包括用于IP分配网络的相关网关模块，可以实现250路节目的传输。图1显示XC-5000设备。

图1 XC-5000

2 应用需求

公务船需建设一套节目播发系统，在中国全海域、全时段，全工作活动期，从卫星上接收数字电视节目，混入自办节目，经统一处理后调制播发，终端48个以上房间观看数字电视节目。中国海域上空可以免费接收的卫星信源见表1。

中星9节目涵盖央视全套和全国所有地方卫视节目，可看性强，不足的是只能覆盖到北纬15°以北海域，但覆盖海域是主要活动区域，可以选做主收卫星；中星 6B节目涵盖大部分央视和地方卫视节目，可以覆盖全海域，可以借用通信卫星地面站共收作为补充。形成应用需求如下：

1）中星9号卫星ABS-S直播星节目：接收5个频点内的直播星标清节目流（约57套央视全套和地方电视节目，以及多套音频广播）；

2）中星6B卫星DVB-S2清流卫星节目：接收8个频点卫星清流节目（约16套央视和地方电视节目，以及多套音频广播）；

3）自办节目：2套自办节目。

3 天馈设计

3.1 卫星天线口径工程估算

工程上估算天线口径主要是依据信源卫星在收视区域的辐射场强的最小值去查找对应的天线性能参数最小 EIRP就能确定天线，对于卫星接收站整体的性能要求通常依据不同用途选取合适的天线，常规分4级，家用、一般共用、优良共用和优秀共用卫星电视地面接收标准，天线增益需依次递增2 dB。

中星 9号卫星 Ku波段在中国沿海地区的EIRP值为+46～+56 dBW，同时考虑中星9号采用ABS-S调制其接收机门限值比常规DVB-S2低2 dB，依据最小EIRP值+44（46+2-4）dBW查找美国Sea Tel天线，则830 mm的80TV型天线（最小EIRP为42.5 dBW）就能满足一般共用卫星电视天线收视要求。

3.2 卫星天线口径理论计算验证

一个接收系统的优劣最终反映在图象质量上，图象质量的好坏是用信噪比S/N表示，而满足接收条件前的设备增益用载噪比CNR(dB)来表示，数字与模拟接收一样存在门限值，载噪比必须高于接收门限值才能正常接收。卫星下行信号的载噪比CNR(dB)计算公式

式中：EIRP为转发器的等效全向辐射功率（dBW）；BO为转发器输出功率回退；m为转发器的载波数；LF为电波的扩散损耗（dB）；GR为卫星天线的增益（dB）；GL为高频头（LNB）的增益，常规是60 dB；T为卫星接收系统的噪声温度（dB/k）；Rb为信号码率，其値为：符号率*188/204*内编码率*2；10lgk是常数，値为-228.6。

式中：f为载波频率（GHz），D为天线直径（m），η为天线效率，船载卫星站通常采用卡塞格伦天线，取值0.6，则0.8 m Ku天线增益

中星9号直播卫星已运行的转发器（均属Ku波段）均采用MCPC（多路单载波）方式传送，对于 MCPC方式，理论上不考虑功率回退，则BO=0；一个转发器用一个载波转发节目，则m=1；Ku波段电波的扩散损耗LF为205.8 dB；卫星接收系统的噪声温度常规取值 150；符号率为28.8*106，内编码率为3/4。将项值代入式（1），计算得0.8 m天线的载噪比CNR(dB)

中星9号直播卫星采用ABS-S传输系统，其门限（Eb/N0）为 3.5～4 dB，工程上取 4 dB。故0.8 m 天线载噪比CNR(dB)比接收机的门限（Eb/N0）大4.8 dB，满足一般共用卫星电视天线收视要求。表2列出了中星9号直播星卫星地面站不同直径天线的计算值和接收效果主观评价。

3.2 天线选型

依据工程估算列出该项目可用的当今主流船载天线型号和主要技术参数，如表3，可以依据投资概算等综合因数考虑选择其一作为 Ku波段主收天线；借用C波段通信天线共收中星6B清流卫星节目。

3.3 雨衰余量估算

雨衰一般要考虑雨致温噪和雨衰两个方面对卫星电视接收系统的影响，雨致温噪会直接影响载噪比CNR(dB)，就是导致卫星电视接收系统品质下降，后者会降低数字卫星接收机的输入电平值。

雨致温噪在载噪比CNR(dB)算式中的卫星接收系统的噪声温度部分做了常规考虑，约 2 dB,如果考虑极端情况4 dB，则卫星电视接收系统品质将降级。

数字卫星接收机的输入电平值的计算公式

式中：30 为dBW转换成dbm的常数；LC为电缆衰耗，按25 m考虑计5 dB；LS为天线防护罩和插入衰耗等，计3 dB；代入式（3），计算得 0.8 m天线站卫星接收机的输入电平值P（dbm）为-40（dbm），目前市场上，常见的中星9号卫星的数字卫星接收机的输入电平的典型数值是-65～-25 dbm，可见雨衰余量超过20 dB。一般暴雨雨衰约7 dB，瞬时雨衰可能超过20 dB，故本设计适合雨衰大的南中国海域。

3.4 自动跟踪系统

目前采用的天线自动跟踪技术中，常用的有3种，步进跟踪、圆锥扫描跟踪和单脉冲跟踪。近年发展的电子波束成形扫描跟踪技术吸收了圆锥扫描和单脉冲跟踪技术优点，形成主流应用。

步进跟踪又称为极值跟踪，是根据卫星信标信号的极大值来判定天线是否对准卫星。跟踪原理和设备都很简单，就是按一定的时间间隔，使天线在方位面（俯仰面）内以一个微小的角度转动，通过计算机在适当的积分时间内对接收电平的增减判别，驱动俯仰和方位方向电机依次重复交替进行，这样就能使天线波束逐步对准卫星。这种体制的缺点是天线波束不能停留在对准星体的方向上，而是在该方向的周围不断地摆动，因而跟踪精度不高，而且响应时间慢，信号幅度波动影响跟踪精度。其优点是只需一个射频信道，射频相位稳定度不重要，对馈源无额外要求。一般用在概算不高的场合。

圆锥扫描跟踪制是把馈源喇叭绕天线对称轴作圆周运动，或把副面倾斜旋转，这样天线波束呈圆锥状旋转，对信标产生偏离调制信号，调制信号的幅度和相位就能检测出天线波束的指向误差。这种体制的优点也是设备简单，跟踪精度和速度都优于步进跟踪，但由于增加了机械旋转机构，可靠性下降。

表2 常用天线性能计算表

表3 主流船载天线主要技术规格

单脉冲跟踪制是一种先进的跟踪体制，顾名思义，就是在一个脉冲的间隔时间内就能确定天线波束偏离卫星的方向，并能驱动伺服系统使天线迅速对准卫星。这种天线有四个馈源，按四个象限排列，每个馈源产生一个波束。这四个波束之组合成一个“和波束”，两个“差波束”。所以单脉冲体制的跟踪速度和跟踪精度都要比步进体制和圆锥扫描体制要高出几个数量级。由于馈源中没有机械活动部分，从而减少了维护工作。但它要求具有良好的射频相位稳定度，至少需要2个信道的相关接收机，馈源系统大而复杂，设备昂贵。

电子波束成形(Electronic Beam Forming，E.B.F)，也被称为电子波束倾斜(Electronic Beam Squint E.B.S)。电子波束成形使用电子开关而有效地实现信标同时空间测量，由此可确定出单时帧跟踪误差，它只需单信道跟踪接收机(类似于步进跟踪)，但是其跟踪精度却接近于单脉冲跟踪体制。这种技术要求在馈源附近安装电子扫描机构，利用扫描机构的不同的工作状态来实现对天线波束五个位置的扫描，即上、下、左、右、中的偏转。这种技术不用天线转动，就可以判断天线几何中心轴与卫星信号的偏转情况，因此以最简单、经济的方式实现快速电扫跟踪。目前主流厂家推出的主流产品主要采用该技术，如美国的 Sea Tel，德国的EPAK等。

4 前端设计

中星 9号卫星采用了先进的调制方式ABS-S，不能与世界通用的 DVB-S/S2兼容，只有国内几家厂家不仅提供DVB-S/S2模块，而且提供ABS-S模块，故本方案采用数码视讯媒体综合处理平台 EMR作为数字卫星接收前端设备，整套设备只占用 5U空间，而且功耗极低，特别适合船载应用。

方案中主要采用媒体综合处理平台 EMR完成节目信号的接收处理与调制播发。媒体综合处理平台EMR，为1U插卡集成式设备，单台设备最多能够配置6块功能板卡。信号处理流程图见图2。

如图2所示，前端共计三种节目源，分别做如下处理：

图2 信号处理流程图

1）中星9号直播星节目：5个频点的直播星节目经由卫星天线接收后，首先由功分器将信号不加变化地分为5路后，进入EMR 1#进行节目处理。EMR1#配置5张ABS-S解调卡，

该卡可通过加载CAM卡和IC卡实现对加密ABS-S节目的解调解密处理，单卡支持1个频点内6～8套的节目解调接收。

2）中星6B卫星清流节目：接收8个频点的卫星清流节目，信号接收后首先通过功分器分为相同的8路信号，进入EMR 2#进行节目处理。EMR 2#配置2张DVB-S2解调接收卡，单卡可完成4个频点的卫星清流节目的解调接收。

3）自办节目：2套自办节目，EMR 2#配置1张模拟视频编码卡完成对自办节目的编码压缩处理，单卡支持2路模拟标清节目的编码压缩。

EMR 1#的所有节目经过处理后由设备前面板的千兆IP接口输出，进入EMR 2#完成信号的统一复用与调制。

EMR 2#配置2张6邻频QAM调制卡，单卡支持6个相邻频点的节目调制。调制后的节目通过网络传输至终端机顶盒接收观看。

5 结 语

公务船卫星数字电视系统需要依据受众和工作海域特点选择卫星信源，直播星中星9号由于信号强、节目齐全，可看性强，作为主收；中星6B覆盖海域全，并可与通信天线共用天线，作为辅收，这样不仅解决了全工作海域覆盖问题，而且解决了单卫星站有时遭遇桅杆等遮挡问题。

船载卫星天线需要满足共用卫星地面站接收标准，则需选择足够增益的天线面，为了船舶在复杂海况航行中稳定收视，应优先选择采用先进的电子波束成形自动跟踪技术的主流产品，这样不仅提高了跟踪精度和速度，而且提高了系统稳定性和可靠性。

卫星数字电视前端设备应该优先选择模块化综合处理平台，易于应对易变的船载环境，由于集成度高，降低了功耗和空间占用，提高了系统稳定性和维护性。

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