车载和箱载数字卫星传输系统设计与应用.doc

2012-07-13######## ########2012-07-13#######2 #012-07-13########车载和箱载数字卫星传输系统 设计与应用◎ 王昂王华强甘肃省广播电影电视总台无缝切换系统应具备对信号源、测试自环及卫星接收的模拟 / 数字 音频、视频的指标测试、监看、监听功能能提供满足现场 直播的通讯、通话功能车载采用小型化 EFP 系统，Flyaway 采用 ENG 设备多机 帧同步切换器，达到简约、实用的目的应严格控制 Flyaway 系统的载重、体积等指标，使其具 有机动、灵活、小型化、展开快捷、运输便利、拆卸装调方 便快捷等特点，适应多种气候条件、地理条件，保证在国内 各个地区的正常传输在技术上首先要保证设备的成熟、适用、高可靠性并兼 顾先进性，同时也要保证工作的实用性和易操控性，体现人 文关怀摘要 :本文围绕车载和箱载数字卫星传输系统的设计，分析了系统设计和合理构建数字卫星传输系统时，综合考虑的各种因素介绍了我台数字卫星传输系统设计与 构建，以及系统实际应用的情况关键词 : 车载 & Flyaway 卫星传输制作系统系统设计EFP1 系统设计思路系统设计思路是 ： 构建一套性能良好稳定、灵活可靠的车载和箱载（Flyaway）数字卫星传输系统，配合数字转播车 和 EFP 箱载系统完成大中型文体活动的现场直播和实时新闻 的传输任务，提高我台对各类大中型活动、重大事件及突发 事件的实时报道能力，填补我台无移动式卫星传输系统的空 白。

卫星传输链路采用 Ku 波 段，信号压缩 / 传输采用 MPEG-2/DVB-S 国际标准容量为 1 路视频、4 路音频视 频信号满足 625/525 的 SDI 串行数字分量格式和 PAL/NTSC 制的模拟复合格式，音频信号满足模拟平衡格式、AES/EBU 格式和 SDI 嵌入格式卫星上行系统是整个系统的核心部分，车载上行链路应 考虑备份，以提高系统的可靠性考虑广播卫星通信（传输视音信号）与应急卫星通信（传 输语音、图像和计算机数据等业务）结合，使该系统具有更 广泛的应用领域，适用于更多的现场环境2 卫星系统设计各种因素的考虑2.1 卫星工作频段的选择C 波段的工作频段 4GHz~8GHz， 带 宽 为 500MHzC 波段系统的天线口径较大，高功放也要求较大的输出功率 整个系统的体积较大，但传输链路受天气的影响较小Ku 波 段的工作频率是 12GHz~18GHz带宽是 800MHzKu 波段卫星数字广播的特点 ： 与以往的 C 波段卫星模拟 广播相比，由于使用了较高频率的 Ku 波段及先进的数字压缩 技术，Ku 波段卫星数字广播具有其突出的特点1. Ku 波段卫星单转发器功率一般比较大，多采用赋形波 束覆盖，卫星 EIRP 较大，加上 Ku 波段接收天线效率高于 C 波段接收天线，因此接收 Ku 波段卫星节目的天线口径远小于 C 波段，从而可有效地降低接收成本，方便个体接收 ；安装 卫星电视 Ku 波段系统天线体积较小，运输较为方便，但受天针对设备的故障诊断及灵活应用，系统应配备视音频、 2012-0高7频跳-线1板3，#实#现#在#面#板#上#能# #够#测#试#系#统各#环#节#设2备0的1信2号-07气-影1响3大#些#。

#####2 #012-07-13########干扰比较严重，必须限制地面的功率密度而 Ku 波段的地面 干扰很小，大大地降低了对接收环境的要求3. 降雨对 Ku 波段卫星广播的影响比较严重，其上下行 信号降雨衰耗远大于 C 波段，暴雨情况下 Ku 波段上行或下 行链路瞬间雨衰量可超过 20dB，而 C 波段最大雨衰量一般不 超过 1dB但如果选用合适的卫星轨道位置，通过增强功放 则 Ku 波段受天气条件限制的问题可以很好地解决由此可见，Ku 波段更适合车载和箱载卫星传输系统应用 的需求2.2 EIRP、天线的精度与材质考虑在卫星传输链路中，等效全向辐射功率 EIRP= 天线发射 增益 + 高功放输出功率 - 路径损耗它是衡量系统传送卫星 信号能力的重要指标因此在做系统设计时，要尽可能大的 获得 EIRP 值通常情况下，天线越大，天线发射增益越高， 但实际情况是天线不能无限制增大，因为还要考虑车辆的空 间和载重能力，所以 Ku 波段天线通常选用 1.2~1.8 米，最后 就是要考虑路径损耗，尽可能地缩短高功放输出口到天线馈 源口的距离，能有效减少路径损耗Ku 波段卫星数字广播上行系统所使用的上行天线波束 半功率角度很窄，对天线的机械精度和跟踪精度提出了更高 的要求。

对单波段而言，天线系统宜选择材质为碳纤维，尤 其车载和箱载卫星传输系统的应用，存在着天线须反复收展、 全天候工作的要求及运输过程中经常颠簸的特点，一般的铝 合金天线都易变形，造成旁瓣特性下降，而碳纤维则能更好 的长期保证其性能碳纤维天线整体强度强，质量轻，反射 面制作精度高，具有低的旁瓣辐射和高的 EIRP 值，并能在高 风速时保持优良的操作特性2.3 高功放的选择卫星传输系统中最常用的高功率放大器 (HPA) 是行波管 放大器 (TWTA) 和固态晶体管功率放大器 (SSPA)行波管是一种微波电真空器件，有较宽的带宽，功率大， 具有寿命长、重量轻和高效率 DC—RF( 直流电源功率到射频 功率 ) 转换的特点TWTA 在使用过程中要注意使用完后要等 待行波管冷却到环境温度后才能关闭电源，否则会降低行波 管的使用寿命SSPA 用 的 功 放 管 主 要 是 砷 化 镓 场 效 应 半 导 体 (GaAsFET)它性能稳定，可长时间工作而无须保养TWTA 和 SSPA 相比，SSPA 的饱和输出功率要比 TWTA 饱和输出功率低 3dB 左右，在单载波（SCPC）情况下，由 于 HPA 可工作在的饱和点输出，TWTA 不仅不会对视、音频信号产生较大影响，反而有利于获得更大的功率推动。

也就是说，在 SCPC 工作状态下，TWTA 比 SSPA 有更大的输出 功率 TWTA 热量在管子内部，发热部位集中，通过精心设 计排风管道， 可以较容易解决散热问题SSPA 安装使用麻烦， 整体体积较大，SSPA 是大面积均匀发热，必须靠整机对流解 决，无法使用专用风道，因此对车内空调要求高目前在车载和箱载卫星传输系统设计中，广泛采用室外 型行波管高功率放大器2.4 高功放功率的选择选择高功放输出功率的主要依据是传输业务所需的带宽、 通过链路计算得出的雨衰余量以及成本核算、功放体积重量 等因素1. 雨衰对高功放功率选择的影响 在链路计算中必须考虑雨衰的影响，频率越高，雨衰的 影响越大雨衰的大小与雨滴直径与波长的比值有着密切的 关系，大雨和暴雨对电磁波的衰减要比小雨大得多在 Ku 波 段中，中雨（雨量为 4mm/h）以上的降雨引起的衰耗相当严 重随着降雨强度的加大，在 Ku 波段降雨衰减系数也急剧增 加，其降雨衰减量与降雨强度几乎成正比 因此为了考虑雨衰影响，链路设计计算中必须考虑功率 储备如 C 频段卫星通信链路通常留 3dB 余量，Ku 频段卫 星通信链路通常留 6dB 余量。

从中国雨衰量分布图 （138E 轨，14.5GHz, 水平极化，99.9% 可用度 ) 可见，接近东南地带， 雨衰余量要求高 ； 远离东南地带，雨衰余量要求就低在一 些降雨较少的地区，完全可通过链路余量来满足系统可用度 要求 ； 在高降雨地区，仅靠提高备余量的方法是不现实，应 在具备适当链路余量的基础上，综合考虑其他方法2. 卫星功率覆盖对高功放功率选择的影响 通过查看卫星场强图得知，靠近东南方向，卫星信号覆 盖强， 在其他条件相同的情况下， 要求高功放输出的功率就低 远离东南方向，卫星信号覆盖逐渐减弱，在其他条件相同的 情况下，要求高功放输出的功率就高综合雨衰余量和卫星功率覆盖两种因素，通常 Ku 波段选 用 200W 或 400W 的行波管高功率放大器，C 波段选用 400W 或 750W 的行波管高功率放大器3 系统功能、技术特点及设备配置3.1 卫星传输系统 上行链路是卫星系统的核心，对于车载卫星系统它主要 的任务是承担大型直播的传输，必须考虑高可靠性因此首图 1 车载系统框图先要考虑备份上行链路设 备天线由于体积庞大、价 格昂贵，通常不采用备份方 式车载上行链路采用 1 ：1 完全热备份方式。

Flyaway 卫星系统采用 单通道方式，满足一般采制 新闻的传输和特殊环境（如 车载卫星无法到达）下新闻 事件报道直播同时两系统 可作为主、备系统进行传输整个系统上行系统（除天线外）构成 2:1 系统备份编 码 器 支 持 MPEG-2 4:2:0 MP@ML 1 to 15Mbit/s 及 MPEG-2 4:2:2 MP@ML 2.5 to 50Mbit/s 两种编码 ； 支持符合 DVB-S 标准的 QPSK 调制器，该调制器能将编码器输出的 DVB-ASI 码率信号进行信道编码和 QSPK 调制，输出一个 L 波段信号，用于信号监视 ； 支持 BISS 加扰 ； 提供模拟、数字 视音频输入 ； 模拟音频支持 4 声道，平衡音频接口 ； 内置测 试信号发生器（彩条和测试音车载系统两台编码调制器输 出的 L 波段信号的切换，具备“自动”和“手动”功能 ； 双 电源配置上变频器能将编码调制器输出的 L 波段信号变频到 Ku 波 段（14GHz 左右，频率在 Ku 波段可调 ； 高功率放大器频率 为 Ku 波段、功率为 200W、采用行波管设备性能稳定，工 作环境温度范围广泛，适于室外全天候工作环境。

车载上变 频器与高功率放大器按 1 ∶ 1 设计，具备 1 ∶ 1 热备份自动 倒换车载系统配置相应的控制面板，用于高功率放大器参 数设置和监看，Flyaway 系统通过高功放串行接口与 PC 机相 连，启动功放设备的专用软件，实现参数设置和监看综合考虑各种因素车载天线采用碳纤维 1.6 米口径尺寸， 天线控制器具备一键寻星的功能，定位精度高包含 GPS 定 位系统、电子罗盘、电子倾角仪、卫星载波信号接收机等 天线伸展、收藏、自动寻星工作流畅自如Flyaway 系统考虑 便捷灵活的需求，天线采用碳纤维 1.0 米口径尺寸，多瓣拼装 形式，天线控制器采用简易控制盒，具备自动寻星的功能考虑到系统使用效率和设备互换性，除天线系统和监视、 测试设备外，编码器、上变频器和高功放等上行链路设备采 用相同型号的配置，以实现两系统的设备共享和系统互为备 份系统设计时，考虑在接口、测试、监视、故障诊断及视音频信号的调度、分配等方面使用灵活，能够满足视音频、 高频节点检测和全路径自环测试，为技术测试和故障诊断带 来极大地方便室外设备能适应全天候工作环境系统框图 如图 1 和图 2 所示3.2 EFP 制作系统考虑到有些新闻事件或特殊环境大型转播车无法到达和 靠近，为了能全面反映事件的现场情况，在车载系统设计时 配置了小型 EFP 制作系统， 可进行多机位的拍摄、 切换、 制作， 并同时具备数字、模拟两种方式的切换，具备一般转播车的 功能。

配置线性对编系统、多路调音台，使现场编辑、及时 素材整理、 修正成为可能车载系统集现场拍摄、 制作、 编辑、 传输于一体，可谓真正意义上的移动卫星直播系统Flyaway 采用 ENG 设备多机帧同步切换器，达到简约、 实用的目的3.3 语音、文稿传输在系统设计时， 充分考虑各种特殊情况与应用， 配置语音、 文稿传输系统通过 IP 接入后调制解调，进行 L 波段信号合 并传输，实现语音、文稿的双向传输，解决特殊条件下前后方通讯、文稿编辑问题3.4 电源系统车载配电系统由交流、 直流两大部分组成交流由市电或 发电机两种方式供给，并二者可以转换（单相 220V/50Hz） ， 内部通过不间断电源——式。