C波段衛(wèi)星接收電視信號干擾案例分析

+任政 劉超（外交部通信總臺）

數(shù)字視頻廣播（Digital Video Broadcasting，DVB），是由“DVB Project”維護(hù)的一系列國際公認(rèn)的數(shù)字電視公開標(biāo)準(zhǔn)。DVB標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)前被廣泛應(yīng)用于世界上大部分的國家和地區(qū)。DVB系統(tǒng)按信號傳播的順序可以分成前端系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)和終端系統(tǒng)。其中前端系統(tǒng)一般位于節(jié)目生產(chǎn)部門（例如電視臺等部門），而終端系統(tǒng)一般位于用戶終端中（例如機(jī)頂盒）。DVB系統(tǒng)中的傳輸系統(tǒng)，主要是指數(shù)字電視的信道部分。最常見的三種傳輸系統(tǒng)是DVB-C、DVB-S和DVB-T。DVB-C用于數(shù)字有線電視系統(tǒng)，DVB-S用于數(shù)字衛(wèi)星電視系統(tǒng)，DVB-T用于數(shù)字地面電視廣播系統(tǒng)。其中，DVB-C使用的頻率范圍為51-858MHz。DVB-T使用的頻率范圍為470-860MHz。DVB-S使用的C波段頻率范圍為3G-4.2GHz，Ku波段頻率范圍為10.95G-12.15GHz。

圖1 干擾情況示意圖

數(shù)字衛(wèi)星電視已經(jīng)證明了其相對于其他信息、圖像和聲音的傳輸和接收源的優(yōu)越性，因此在遠(yuǎn)程信息處理和廣播聽眾中獲得了前所未有的普及。其優(yōu)越性主要體現(xiàn)在信號質(zhì)量好，陸地任何地方的安裝可用性，以及足夠好的抗噪能力。由于數(shù)字衛(wèi)星電視系統(tǒng)使用的頻率部分與C波段衛(wèi)星地球站、固定業(yè)務(wù)站和射電天文臺等傳統(tǒng)業(yè)務(wù)頻帶重疊，可能對其業(yè)務(wù)產(chǎn)生一定影響。而全球各地使用數(shù)字衛(wèi)星電視情況不同，各臺站有必要根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況及早考慮其干擾的預(yù)防解決措施。

本文根據(jù)實(shí)際工作中經(jīng)歷的一起C波段衛(wèi)星接收受到數(shù)字衛(wèi)星電視下行信號干擾的案例，說明數(shù)字衛(wèi)星電視信號干擾的某些特點(diǎn)及其頻譜特性，分析干擾產(chǎn)生的原因，也將探討鄰頻情況下，數(shù)字衛(wèi)星電視下行頻段干擾的解決方法。

1.C波段衛(wèi)星接收受數(shù)字衛(wèi)星電視下行信號干擾情況

1.1 數(shù)字衛(wèi)星電視信號干擾現(xiàn)象與頻譜特征

為了解決C波段衛(wèi)星接收受到數(shù)字衛(wèi)星電視下行信號干擾的問題，對A、B兩款調(diào)制解調(diào)器性能進(jìn)行了比較。在使用A款調(diào)制解調(diào)器時(shí)，接收情況很好，接收電平和接收信噪比非常穩(wěn)定。而在使用B款衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器時(shí)，發(fā)現(xiàn)接收電平和接收信噪比頻繁跳動。兩款調(diào)制解調(diào)器接收的載波信號采用8PSK調(diào)制，占用帶寬4MHz，頻點(diǎn)位于3.8GHz附近，射頻接收設(shè)備LNB（低噪聲變頻放大器）本振頻率為5150MHz。用頻譜儀仔細(xì)觀察接收到的信號，發(fā)現(xiàn)接收載波附近存在大功率寬頻信號，帶寬大約在40MHz左右，且位置穩(wěn)定，結(jié)合實(shí)際工作地點(diǎn)的周邊使用衛(wèi)星電視較多的實(shí)際情況，猜測這些寬頻信號為數(shù)字衛(wèi)星電視信號，B款調(diào)制解調(diào)器的接收跳動異常應(yīng)該就是這些數(shù)字電視信號所引起的。

由于國際通用數(shù)字衛(wèi)星電視信號使用的C 波段頻率范圍為3G-4.2GHz，正處于所用LNB的頻段范圍內(nèi)（3.4G-4.2GHz）。通過頻譜儀觀察，證實(shí)了在此頻帶上存在極高功率的信號。圖2為LNB接收到的3.5-3.6GHz頻段內(nèi)信號頻譜。

1.2 對干擾原理的判斷

經(jīng)判斷，此次跳動現(xiàn)象是數(shù)字衛(wèi)星電視信號通過LNB接收后，使B款調(diào)制解調(diào)器發(fā)生飽和失真造成的。判斷飽和失真的依據(jù)為：

A、所用LNB的工作頻段范圍為3.4-4.2GHz，增益為60dB。數(shù)字衛(wèi)星電視信號的頻段為3.0G-4.2GHz，部分落在其工作頻帶內(nèi)，進(jìn)入LNB的數(shù)字衛(wèi)星電視信號經(jīng)過放大又被送到B款調(diào)制解調(diào)器中。

B、B款調(diào)制解調(diào)器的接收范圍為1GHz，使其接收的信號包括有用的帶內(nèi)信號和無用的數(shù)字衛(wèi)星電視帶外信號。普通衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器基帶帶寬一般為10-40MHz。

C、自動增益控制機(jī)制（Automatic Gain Control，AGC）是放大器或放大器鏈中的閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)電路，其目的是在輸出端保持合適的信號幅度，盡管輸入端的信號幅度發(fā)生變化，通過自動增益控制可以動態(tài)調(diào)整放大器的增益，使電路能夠在更大范圍的輸入信號電平下令人滿意地工作。

圖2 3.5G-3.6GHz頻段內(nèi)下行接收的干擾信號頻譜

圖3 B款調(diào)制解調(diào)器的閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)電路

如圖3所見，AGC的采樣點(diǎn)是在基帶濾波器和放大鏈路之后。因故，基帶濾波器帶外信號無法被ADC所采樣并感知。但是，對于前端的下變頻器來說，會受到整個(gè)射頻輸入帶寬內(nèi)的信號影響（在此案例中為800MHz）。當(dāng)前端輸入功率過大時(shí)，會導(dǎo)致下變頻器輸入端飽和，進(jìn)而導(dǎo)致輸出信號失真，EVM（Error mean vector）惡化。EVM惡化到一定程度之后，就會導(dǎo)致解調(diào)器失鎖。本次異常事件中，帶外有一頻譜功率密度異常，高于正常信號20dB以上，誘發(fā)了這一現(xiàn)象。

D、實(shí)際上，自動增益控制是多級增益的結(jié)果，通過提高基帶側(cè)的增益可以降低射頻側(cè)的增益，可以避免調(diào)制解調(diào)器接收多余的帶外信號功率，從而避免前級放大電路（射頻部分）的飽和。解調(diào)器整條放大鏈路包括射頻端和基帶端。由于飽和發(fā)生在射頻側(cè)，因此可通過降低射頻增益，并于基帶側(cè)進(jìn)行補(bǔ)償來提高射頻鏈路動態(tài)范圍從而避免類似現(xiàn)象。

1.3 A款調(diào)制解調(diào)器與B款調(diào)制解調(diào)器電路設(shè)計(jì)的比較

A款調(diào)制解調(diào)器射頻鏈路基于超外差原理設(shè)計(jì)，框圖如圖4：

所使用的B款調(diào)制解調(diào)器為IQ下變頻器設(shè)計(jì)，框圖如圖5：

A款調(diào)制解調(diào)器的超外差設(shè)計(jì)抗干擾能力較強(qiáng)。由于前級放大器增益較低，第一級可調(diào)變頻器很難進(jìn)入飽和區(qū)。進(jìn)入第一中頻后，信號會通過帶通聲表濾波器（SAW），其帶寬為5MHz。然后進(jìn)入后級放大鏈路的信號，就只有最大5MHz帶寬，相對于500MHz-1GHz的射頻輸入信號，功率會下降20-23dB左右，這樣可以保證后級零中頻射頻鏈路不飽和。同時(shí)，此電路設(shè)計(jì)也有一些固有缺陷。超外差設(shè)計(jì)射頻鏈路較長，某些情況下會導(dǎo)致EVM惡化；元器件數(shù)量較多，導(dǎo)致射頻鏈路發(fā)熱量大，耗電量大；以及設(shè)備體積增大，成本較高等問題。超外差設(shè)計(jì)因?yàn)槠淇垢蓴_能力強(qiáng)，在20世紀(jì)50年代以后廣泛應(yīng)用于晶體管收音機(jī)中。

圖4 A款調(diào)制解調(diào)器使用的超外差射頻鏈路

圖5 B款調(diào)制解調(diào)器使用的IQ下變頻設(shè)計(jì)

21世紀(jì)以來，由于半導(dǎo)體元器件性能的進(jìn)步，出現(xiàn)了實(shí)用化的IQ下變頻器，也就是B款調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計(jì)。應(yīng)用IQ下變頻器的射頻鏈路體積小，功耗低，靈敏度相對于超外差電路更高。但是由于在射頻鏈路側(cè)不再有帶通濾波器對帶外信號進(jìn)行阻斷，對射頻側(cè)放大鏈路的設(shè)計(jì)要求更高。B款調(diào)制解調(diào)器由于放大鏈路設(shè)計(jì)不良，當(dāng)射頻輸入信號達(dá)到標(biāo)稱的-90dBm/Hz后，下變頻器已經(jīng)工作在臨界點(diǎn)上。在整個(gè)射頻帶內(nèi)功率密度接近的情況下可以正常工作，但是一旦有帶外高功率信號，極容易導(dǎo)致變頻器性能惡化。通過優(yōu)化射頻放大鏈路，在達(dá)到標(biāo)稱最大功率密度后給下變頻器保留15dB左右的功率余量，即可避免此類問題發(fā)生。

2.C波段衛(wèi)星接收受到數(shù)字衛(wèi)星電視信號干擾的解決方案

在常見的情況下（如本例），數(shù)字衛(wèi)星電視實(shí)際使用信道主要在窄帶C波段范圍，即3G-4.2GHz范圍，與此案例中使用的頻段是鄰頻關(guān)系。但早期配備的C波段接收LNB接收多是全頻帶C波段范圍，使得數(shù)字衛(wèi)星電視信號落入了LNB的工作頻帶。

數(shù)字衛(wèi)星電視信號作為干擾信號有兩種方式影響信號質(zhì)量。一方面可能會使射頻接收放大器（LNB）進(jìn)入飽和區(qū)，另一方面可能經(jīng)過LNB放大后會使調(diào)制解調(diào)器接收進(jìn)入飽和區(qū)。在全頻帶C波段LNB之前加入窄帶C波段濾波器，或者直接使用窄帶C波段LNB，抑制進(jìn)入LNB的數(shù)字電視信號干擾電平水平，可以有效緩解以上兩種干擾情況。

按此思路，我們找到了兩款適用設(shè)備，下面簡要介紹設(shè)備特點(diǎn)和性能。

A、窄帶C波段濾波器方面，有Norsat的BPF-C-1，從其幅頻特性可以看到雖然濾波器引入了0.5dB的插入損耗，但其在3.4-3.5GHz頻段有-65dB的抑制度，在3.5-3.6GHz頻段也有-50dB以上的抑制度。（參見圖6）

B、窄帶C 波段LNB 方面，有Norsat的5500RF，雖然其在3.4-3.6GHz頻段的抑制度比加上BPF-C-1U低10dB左右，但因其插損低，體積小，非常適合沒有額外空間添加濾波器的應(yīng)用場景。（參見圖7）

3.結(jié)語

由于數(shù)字衛(wèi)星電視在全球廣泛使用，而其信號傳輸使用的頻段與各C波段的衛(wèi)星地球站、固定業(yè)務(wù)站和射電天文臺等很有可能存在互為鄰頻的關(guān)系，為了保障信號傳輸?shù)陌踩院陀行?，對于其干擾的預(yù)防解決措施有必要進(jìn)行充分的解決方案準(zhǔn)備。

圖6 Norsat BPF-C-1濾波器幅頻特性圖

圖7 Norsat 5500RF LNB干擾抑制特性圖