南邮广播电视工程广测实验六-数字卫星电视射频信号测量

南邮广播电视工程广测实验六-数字卫星电视射频信号测量 ------------------------------------------------------------------------------------------------ 南邮广播电视工程广测实验六-数字卫星电视射频信号测量 通信与信息工程学院 2016 / 2017 学年第一学期 《广播电视测量技术》 实 验 报 告 实 验 名 称 数字卫星电视射频信号测量 专 业 广播电视工程 学 生 班 级 B130114 学 生 学 号 B1311413 学 生 姓 名 陈超 指 导 教 师 姚锡林 日 期: 2016 年 10 月 12 日 1.实验目的: 在了解卫星电视接收系统的组成、原理之后，利用矢量频谱信号分析仪观察卫星电视QPSK星座图特征，分析卫星电视传输环境的特征。 2.实验原理: (一)卫星电视接收系统的组成 一般的卫星电视接收系统主要包括:(1)天线;(2)馈源;(3)低噪声下变频器， 也称为高频头(是由低噪声放大器与下变频器集成的组件)，用LNB表示;(4)电 缆线;(5)端子接头;(6)卫星接收机;(7)电视接收机 1.抛物面天线:是把来自空中的卫星信号能量反射会聚成一点(焦点)。 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 2.馈源:设置在抛物面天线的焦点处，意思是馈送能量的源，要求将会聚 到焦点的能量全部收集起来。馈源又称波纹喇叭，主要功能有俩个:一是将天线接收的电磁波信号收集起来，变换成信号电压，供给高频头。二是对接收的电磁波进行极化。 3.高频头:(LNB亦称降频器)是将馈源送来的卫星信号进行降频和信号放大然后传送至卫星接收机。高频头的噪声度数越低越好。目前KU频道多采用馈源一体化高频头。 4.卫星接收机:是将高频头输送来的卫星信号进行解调，解调出卫星电视图像信号和伴音信号。 图1 卫星电视接收系统组成 (二)各部分组成原理说明 1)卫星接收天线 卫星接收天线有许多种:不同口径的，前馈型和后馈型的，板状和网的，Ku波段和C波段的，电动极轴和多馈源多波束的等。 1)在前馈天线和后馈天线的选择上，一般来说对收发合用的卫星通信站，选 购后馈天线是有利的，因后馈天线的增益比前馈天线的增益高，且容易与发射机 输出波导联接，馈损小，不会对天线形成阻挡。对一般的卫星接收站，可选前馈 天线，因前馈天线比后馈天线成本低。 2)在板状天线和网状天线的选择上，一般选用板状天线，因板状天线寿命长、增益高。但在风力较大的地区，宜选用结构强度较大的网状天线，因网状天线抗风能力强。网状天线增益虽比板状天线低一—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 些，但成本约减一半。 3)接收Ku波段一般采用前馈天线。前馈天线又分正馈和偏馈两种。现在生 产的Ku波段接收天线几乎都是偏馈式的，因为在相同尺寸的情况下，偏馈天线 比正馈天线的增益高，且偏馈天线一般使用一体化的馈源高频调谐器(双线极 化)，易于安装调试与使用。 4)在天线口径的选择上，应根据所接收信号的卫星等效全向辐射功率(EIRP 和接收图像质量需求(等级)，对接收系统G/T值提出要求，再根据室外单元的 噪声温度，计算出接收天线的增益和口径。天线增益与口径的关系如下式所示: ?D??G??????? 式中:G一一接收天线的增益;D一一接收天线的直径;?一天线效率;a一一工作波长。 2)高频调谐器(高频头) 高频调谐器又称卫星电视下变频器(高频头)，其作用是将天线接收到的卫星 信号进行低噪声放大和频率变换的装置。卫星电视低噪声下变频器又称为高频头 (也称卫星电视的室外单元)，它是由微波低噪声放大器，微波混频器，第一本振 和第一中频前置放大器组成。 2 图2 高频头原理框图 由于卫星电视接收系统中的地面天线接收到的卫星下行微波信号经过约 40000 km左右的远距离传输己是非常微弱，通常天线馈源输出载波功率约为-90dBmW。若馈线损耗为0.5 dB，则低噪声放大器—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 输入端载波功率为一90.5 dBmW。第一变频器和带通滤波器的损耗约为10 dB，第一中放的增益约为30 dB 这样，若低噪声放大器给出增益(40-50) dB，则下变频器输出端可以输出(30- -20) dBmW的信号。因此，卫星电视下变频器的作用是在保证原信号质量参数的 条件下，将接收到的卫星下行频率的信号进行低噪声放大并变频。高频调谐器有 许多种:C波段和Ku波段的，模拟和数字的，与馈源一体的，双极性的，双本 振的，双波段双极性的等。 本次试验用为Ku波段数字的与馈源一体高频头。对于Ku频段高频头的选 择，由于目前我国使用的通信卫星(鑫诺1号星、亚洲2号星、亚太1A星等)转 发器的下行工作频段都为(12.25-12.75) GHz，而国际电联分配给我国直播卫星 (三个轨位为620E, 800E, 920E)的下行工作频段为(11.7^12.2) GHz，因此所选 用Ku频段高频头的频宽范围一定要与所需接收卫星的下行工作频率范围相适 应。 3)接收机 接收机有模拟接收机和数字接收机。模拟接收机主要由第二变频器和调频信 号解调器组成。数字接收机也叫综合解码器(IRD)，它由QPSK解调器、前向纠 错(FEC)器、解复用器、视音频解码器、D/A转换器组成。其功能是:接收卫星 下行经QPSK调制的MPEG-2数据流，并解码出一套广播电视信号。 在接收不同卫星数字传输标准的数字信号时，需要使用不同标准的IRD来 接收信号。例如:在接收亚洲2号Ku频段转发器上的中3、中_5、中6、中8等 节目时，不但须用专用IRD(符合Digicipher且标—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 准)接收机，而且须经中央电视台卫星电视传播中心授权后才能接收;如果要接收亚洲2号C波段转发器上我 国省区卫视节目，则须采用符合MPEG-2/DVB-S标准的IRD接收机;如果要接 收鑫诺1号“村村通”的卫星电视节目，则必须购买带有智能卡(Smart Card)插槽的专用卫星数字接收机，并经插有附加的智能卡解密后才能正常接收;如果要接收境外的加密卫星数字电视节目，除须使用符合相应标准的卫星接收机外，还须购买一个专用的智能卡(Smart Card)，其中含有解密所必须的密钥，把此卡插入卫星接收机后才能正常接收; 如果IRD的用户还有接收卫星数据的需求，则还要选择带有数据接口的IRD, 并且要注意其数据输出的最大速率是否符合应用要求，同时其传输码流应符合 DVB标准。 当接收卫星数字电视信号时，在接收天线的仰角和方位角大致对准后，其细 调要比接收模拟信号更慢、更仔细。因为数字解码接收机在收到信号以后对其数 据包的标志、状态等进行检索、识别判断、运算处理等复杂工序后才能有视音频 输出，这个过程大约需要数秒钟的时间。 数字电视解码接收机有一项重要指标一一Eb/No门限值(Eb为二进制码元信号能量，No为单位频谱的噪声功率)，一般要求接收机的门限值小于等于5 .5 dB (FEC= 3/4时)。在数字卫星电视接收中，当接收信号的Eb/No值高于门限值时，C/N的变化不会影响图像的信噪比S/N的变化，而在门限值附近时，C/N的下降会引起S/N的急据恶化，信号会出现误码而引起“图像停顿”或“马赛克”现象，严重时会接—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 收不到信号，这种现象称为“峭壁效应”。在门限值附近，C/N仅变化(0.1 }-0.2)dB就会使图像由正常到中断，因此在数字电视接收中，除要求采用具有低Eb/No门限的优质IRD接收机外，还必须使接收端留出足够的C/N裕量， 这一点对Ku频段卫星信号接收尤为重要，因为Ku频段的雨衰量大。 由于上述原因，在卫星数字电视接收调试时，就不能采用像接收模拟电视那 样用观察图像的办法来调整天线，数字电视信号在数字接收机的门限值以下是不 会有图像的。所以在调试时应进入菜单，观察信号强度指示，若发现信号强度显 示有指示，调试就应放慢速度、减小幅度，进行微调，最终使信号强度指示最大。 4)接收参数 在接收卫星电视节目时，必须先搞清所要接收频道的接收参数，把接收参数 输入到接收机是接收数字卫星的一个重要环节。卫星电视接收参数一般包括: (1)下行频率，是指卫星电视信号从卫星转发器传送到地面接收站的频率。寻星时必须知道该星的下行频率，也可到有关专业报刊或网站中查询。需要注意的是，在报刊或网站中查找到的下行频率数值可能与频道运营商提供的稍有差别，在实际接收中可能导致数字机接收不到信号或出现停顿、马赛克现象，此时在排除器材质量及安装调试不当等因素的影响后，可将参数在小范围内稍加改动便有可能使节目顺利下载。 (2)极化方式，在同一接收地点，高频头的极化角因所接收卫—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 星的经度不 同的而发生变化，在接收中应根据所接收不同卫星适当调整高频头极化角。一般以正南方为基准，当接收正南方卫星的信号时，高频头的极化角为零，当接收南偏东方向的卫星信号时，要顺时针转动高频头来调整极化角。反之，当接收南偏西方向的卫星时要逆时针转动高频头来调整极化角。对于接收较弱的信号，细调高频头的极化角效果非常明显，如极化角调整不当很可能使弱信号的节目不能顺利下载。 (3)符码率，符码率的大小与传输图像的质量有关。符码率越大，图像传输的速率越大，图像质量也越高，允许的节目量也越大。频道运营商通过码率的设置和分配，满足不同的画质要求。 (4)前向纠错FEC，设置不同的前向纠错FEC根本目的是提高信号传输的可靠性。在DVB-S标准中，前向纠错FEC值有五种比率，即1/2, 2/3, 3/4,5/6和7/8，以前向纠错FEC为3/4为例，它表示在该节目码的总数中，3/4的数据为节目内容码，1/4的数据为纠错码。因目前生产的数字卫星接收机均可对前向纠错FEC进行自动侦测，在使用接收机时无需人工加入FEC值，因而该参数也常被人们忽视，导致不能很好地解释卫视接收中遇到的一些问题。例如用同洲3188A数字机接收亚太1A卫星上采用1/2前向纠错比的宁夏、甘肃、重庆和旅游卫视节目时，只要信号锁定灯点亮，Eb/No值为0也可流畅的收视。相反，当接收亚洲3S卫星上4000 H 268_50凤凰卫视一组节目时，其前向纠错比为7/8 ， Eb/No值达30%以上才不出现停顿、马赛克现象。 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 3.实验仪器: 卫星电视接收系统 Agilent MXA N9020A 矢量频谱信号分析仪 4.实验过程及数据 1)将卫星信号连接到N9020A; 2)按MODE键进入Vector Signal Analyzer(VXA)矢量信号分析仪模; 3)按MEAS键进入Digital Demod数字解调界面; 4)设置数字解调模式为QPSK; 5)选择测试目标为福建东南卫视，输入中心频率1. 444GHZ; 6)设置Symbol Rate符号率为4. 42MHZ; 7)按SPAN X Scale键设置SPAN为FULL SPAN; 8)按AMPTD Y Scale键设置Range为-40dBm。 图1 解调信号星座图 图2 解调信号误差矢量 图3 解调信号频谱 图4 解调信号误差分析 5.实验小结: 此次实验利用矢量频谱信号分析仪观察卫生电视QPSK信号并分析相关星座图、频谱等特征，其中星座图是判断相干干扰、噪声等的重要参考，解调后的卫星数字星座图只能大致看出在四个星座点之间跳动，且跳动剧烈，说明干扰导致解调出现巨大偏差，误码率大，从而不难得出卫星传输信道的干扰和衰落较为剧烈，准确可靠的解调恢—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 复应使各星座点均在四个着陆点圆圈内部跳动。实验操作时在解调模 式确定的情况下，先后设定的中心频率、符号速率、频扫范围和灵敏 度范围对解调信号的正确至关重要，缺一不可。 ——————————————————————————————————————