我国卫星数字电视已有十多年的历程，数字化传送不仅节省大量卫星转发器带宽资源，传送节目质量也有飞跃性的提高，应用领域不断扩展。
数字化技术促进卫星电视大发展，同时，也为卫星地球站节目传送工作提出新的挑战。如何监控节目的有效传送、保障节目传送安全?是从业人员一直在摸索与实践的主要内容。
笔者试图分析卫星数字系统及数字化节目本身所具有的特性，结合实践经验，探索基于传输流以及频谱分析的监控技术新思路。
卫星数字电视传输系统模型
目前，国内卫星数字电视系统采用DVB-S标准，其信源编码采用MPEG-II标准。如图1，典型卫星地球站，主要包含节目压缩编码、节目复用和QPSK卫星调制等地面设备，以及为保障节目安全传送所必需的监控和备份冗余设备。
1、上行设备
数字化的卫星电视上行系统与传统模拟系统没有差异，因为卫星频率资源的分配是确定的，不管基带是何种信号，都得依赖电磁波的空间传送来建立地空通道联系。
上变频器(Up convertor)，用于将已调制的中频信号转换成上行通道射频信号。固定卫星电视上行中频频率通常是70MHz，下行卫星中频为L波段。卫星转发器上下行频率必需严格符合空间频率划分规定的，C波段在 6GHz／4GHz，ku 波段在14GHz／12GHz，省级地球站大都租用C波段卫星转发器。
高功放(High power amplifier)，对小功率射频信号进行有源功率放大。使进入发射天线的信号有足够的功率，满足空间传送的需要。依据功率放大器件，常分为速调管功放、行波管功放和固态功放。这三种类型在功率增益、通道带宽、线性特性与使用寿命上各有优缺点。为有效抵抗非法信号的干扰，国内大都选用功率增益高的速调管功放。
2、信道编码设备
信道编码与调制一般集成于QPSK卫星调制器(QPSK modulator)中，是传输流与传送信号间的适配器，对传输流进行信道抗干扰编码处理，然后将数字基带信号调制成余弦波信号。
同步卫星离地面36000km。信号长距离的空间往返，自然衰落大，容易受自然界与其它通信链路的干扰。DVB规范对卫星数字电视系统的信道编码及调制方式有明确的规定，信道采用里得－所罗门(Reed-Solomon)码、帧交织和卷积编码等多级编码，提高检错纠错能力。调制采用正交四相相移键控(QPSK)，信号拾取能力较强。
3、信源编码设备
节目压缩编码器(Encoder)，对数字节目进行压缩编码处理，形成一定码率的压缩数字流，供存储或传输。
模拟信号需要通过采样、量化并且编码为格式化的数字信号，常见的编码器中都有这一功能模块。
卫星数字节目信源编码采样MPEG-2标准，压缩后的数字节目是以规范格式的节目流或传输流方式存在，许多节目可以互相嵌接在一个节目流中。因此，不管是单一节目还是多达几十套的节目形成—个数据流都必需受到系统层规范约束，完成这—功能的设备是节目复用器，有的直接含在编码器中。
传输监控方式改进思路的提出
1、数字化卫星地球站应关注的重点
复用器输出的信号是自带节目解码参数的数据流，根据保存或传送等不同的应用环境，被定义为节目流(Program streams，简称PS)或传输流(Transport streams，简称TS)，图2为我们表明了电视信号经过压缩及打包处理形成传输流的过程。传输流应用在卫星电视传送中，包含了卫星地球站需要传送的所有节目内容。
我们知道，数字节目移相键控调制与模拟节目频移调制两者在频谱上的表现完全不一样，正是因为传输流数字化的信号可以被伪随机处理，经QPSK调制形成的频谱图看起来也是非常有规律性，能量被均匀地分配到带内各频点见图3。
数字节目的接收解码具有“阀值效应”的特点。接收信号信噪比下降到一个阀值以下时，接收解码设备是完全无法解出信号的，这时所有信号与噪声无异，与模拟卫星信号的渐变过程有很大的区别。高于阀值时，节目质量并不是随着信号信噪比的增大而提高，节目质量取决于传输流信号本身。
2、监控方式与环节应有所改进
在卫星数字电视广泛应用之前，不管是无线还是有线，电视传输部门(如微波站、地球站)，接入的信号大都是模拟视频信号及伴音。久而久之，习惯上都以模拟电视信号作为传送质量监控的出发点和目的。依赖人眼看、入耳听以及模拟视音频测试来判断节目质量。
虽然节目数字化已广泛应用，但这种传统的监控方式仍然延续至今，大多数的地球站、有线站采用大量的人力来完成传输质量监控，在系统链路上，每一环节都以看到电视画面来判断传输质量好坏。我认为，这种仅依赖于最终节目的监控方式，实际上遗漏了信号传送过程许多中间细节，忽视了接收信号劣变过程中传输流、频谱等信号变化规律，是需要进一步改进的。实际信号质量在传输流阶段就已确定，却在信号监视上增加了解码环节，使判断增加不确定因素。
再复杂的传输流，在实际信号表现上，与普通计算机数据流一样，是以010101类型组成的数字码元串。这种信号便于计算机保存、比较和分析。
所以，以正确传送节目为主要任务的卫星地球站，可以抓住卫星数字电视系统内在规律，忽略掉原有监控方式的前后一些环节，建立智能化的的运行监控体系见图4。
传输流含义与内在参数分析
传输流是由MPEG-2系统部分规定的，按固定长度(188字节)打包的数据流信号。在—个传输流中，可能包含多达几十套电视的节目数据。清楚了传输流是如何管理各种数据信息、如何组织不同节目数据，将让我们有信心采用以传输流为基础的监测管理系统。
1、传输流结构
如果形象地将一路传输流想象成一列发往目的地的火车，我想并不过分。所有的内容都被分配在以188字节长度的一段段数据包中(见图5)，数据包由报头和载荷两部分组成。
载荷是传输流要传递的有用内容，以连续字节组成，可以是：节目基本流数据(PES)，节目特定信息(PSI)，以及其他的填充数据或空包。
报头则类似于车厢管理员及搭载货物清单和目的地址，将数据包有效地组织起来，是传输流有效的前提基础，主要有以下几部分组成：
(1)固定值为0×47的包同步字节，是传输包正确传送的同步信息；
(2)传送错误标志，表示所传送的包数据是否有误码，常用于判断误码率；
(3)包标识码(PID)，表示载荷数据的类型或节目归宿；
(4)适配场，是报头中灵活而且对传输流分析又非常有用的数据段。适配场进一步确定了载荷信息，如节目时钟参考(PCR)、传输私有数据以及时间标志等信息。
2、打包基本流(PES)
打包基本流是将基本流(ES)分隔打包形成的数据流。PES进一步分隔打包，成为TS的载荷部分。这样，在结构形式上逐层重组，使压缩形成的视频、音频等节目基本流能够被灵活地传递或保存。如图6，不同形式信号的对应关系，为我们将传输流作为分析判断基础提供了合理的依据。
3、节目特定信息(PSI)
节目特定信息规定了解码器能成功解复用，重新组成一路或多路节目基本流，或对节目解扰等应用所需的信息。PSI是TS所传递的重要内容，是进行传输流测量和分析的依据。
节目特定信息用于解码，在传送时是不可以加密的。如表1，实际传输流分析时，可以观测到PAT、PMT、NIT等传输流关键信息，了解系统前后端这些数据的一致性，用以快速判断传输流的传送质量。
卫星数字电视下行信号特点探讨
1、卫星数字信号衰落及受干扰因素分析
卫星通道优势在于通路建立灵活、覆盖范围广。但是，这种特点也决定了信号衰落大，并且容易受到干扰。从数字卫星电视系统整个环节来考虑，可以将引起信号衰减和链路干扰的主要情况总结如下：
(1)基带信号码间干扰：在处理、发送或接收基带时，码间互相干扰造成了数字信号无法正常重现，它依赖于设备性能，难以克服。
(2)带宽限制：调制、通道带宽的限制，都会将部分能量虑除，使信号衰落。
(3)相位噪声及交调干扰：由于本振相位噪声以及各种设备工作于非线性区域的实际存在，造成了难于克服的系统自身无用信号的产生。在实际系统组建及运行中，只能选择性能好的设备(包括发送与接收)、调整好各设备的信号工作点参数。
但是，为了防范非法信号的干扰，在实际传送时，卫星公司一般将转发器工作点设置在临近饱和点甚至直接工作于饱和区，使转发器的信号交调干扰非常严重，影响传送通路质量。
(4)天线因素：天线效率、旁瓣特性、馈源膜遮挡、端口间干扰，都影响发送或接收信号。
卫星漂动，天线指向及极化偏差也会引起信号衰减或引进干扰信号，是日常运行所需要注意的地方。
(5)大气因素：大气对空间信号的反射、吸收以及大气热噪声的存在一直是卫星通道链路中不确定因素。雨衰就是最经常碰到的一个现象，需要在系统运行适当微调发射功率克服。
(6)空间、馈线损耗：星地间距离远，C波段上行和下行损耗都近200dB，是该类系统所需要克服的主要信号衰落因素。
(7)宇宙、天体和地面噪声因素：天体噪声如直接进入发送或接收天线，对通道的影响是巨大的。如日凌现象就比较典型。地面自然或人工的电磁活动也是常见的噪声来源。
(8)同通道干扰：有客观形成的，也有人为造成的。
客观方面主要有临近卫星的信号进入带内、相邻信道的信号进入带内、交叉极化的信号进入带内，地面雷达或通信信号进入带内。
人为干扰主要可能是其它地球站无意间进入通道造成。近几年来，“法轮功”利用卫星通道这种特点，恶意地发射信号，影响卫星电视的正常传送，是系统监控与运行管理需要防范的—个重点。
2、Eb／No与误码率(BER)是反映通道质量的特征参数
比特能量与噪声功率谱密度的比值(Eb／No)用来分析数字链路性能，实际上是信噪比(S／N)在数字通信中的更容易理解的—种表示。因为数字信号可量化性，Eb可以看成信号功率(S)×比特持续时间(Tb)，而No可以看成噪声功率(N)÷带宽(W)。如果信号比特率为R，则可推导出它们之间关系：
比特误码率(BER)是表示数字信号质量的基本参数。在线方式下，一般是根据RS解码特性，在无法正确纠错时，传输包报头第9位错误标志被置o，经统计获得接收传输流BER。该值应接近于当时通道条件下理论比特错误概率(PB)。如图7反映了PB与Eb／No对应关系。可以看出，对于给定错误概率需求，Eb／No要求越小，则信号接收能力越强。从另一角度来看，到达接收端Eb／No值越大，则信号BER越小，接收性能越接近于无误码要求。卫星数字电视通道采用RS和维特比级联编码，编码增益可达到3-6dB。根据DVB-S规定，对于3／4维特比编码信道，要求RS译码后达到准无误码、或维特比译码后BER=2x?0-4所需的Eb／No≥5．5dB，这是用于判断系统性能的一个重要参考门限值。
实际卫星通信系统中，不管是何种原因造成的信号衰落，实际上都表现为接收信号功率(S)的下降，而各种干扰则表现为接收无用信号及噪声功率(N)的增大，从而使接收Eb／No下降。如果系统中，还存在严重的码间干扰，会使误码率进一步加大，最终影响电视接收质量。
3、对卫星频谱变化情况的实践观察
MPEG数字电视信号有相当高的压缩率(一般在30倍以上)，一路标准清晰度电视的传输流数据率大约4-7Mbps。调制载波所占用的通道带宽在8MHz以内。因此，省级卫星数字电视传送大都是几个省共用一个卫星转发器，图8是一个实际转发器卫星下行信号频谱。
实践表明，结合转发器饱和特性，通过分析信号接收频谱，能直观地找出与链路状态相关的有用信息，帮助我们快速判断传送质量、确定干扰。多载波共用转发器时，常见下行频谱特点有：
(1)正常，情况下，载波带内信号功率幅度和带外噪声功率幅度基本保持不变，与卫星信标幅度相对差值也保持恒定。
(2)正常情况下，几个载波的信号功率幅度基本保持一致。因为转发器功率局限以及交调情况的存在，任何载波实际幅值过大都会影响其它载波通道，而处于转发器中间区域又是交调干扰最严重的地方，在频谱上可以看到中间区域噪底往往高于两端。
(3)卫星转发器以极化隔离方式进行频率复用，常为线极化。如果发射端未对好正确的极化，或者接收端未有效隔离开交叉极化信号，或者地球大气电磁活动影响了正常信号极化，相邻极化信号往往会落人带内，这时
在频谱上的表现是被干扰的某一端载波幅值偏高或闯进新的载波，容易给通道实际情况造成误判。
(4)雨衰同时对信号上行和下行造成衰落影响，对于C波段信号，暴雨时信号上下行总雨衰可达3-5dB。这时频谱上的现象是噪底基本保持不变，但全部信号幅值快速下降。雨衰对信标的衰落接近于信号总衰落的一半。
(5)日凌现象，太阳在微波频段内的能量谱仍然是非常大，如果发射天线刚好对准太阳，一方面，天线将接收上行频段能量，被发射到卫星上，造成转发器饱和；另一方面下行频段能量被天线接收直接干扰到有用信号。卫星的覆盖区域非常大，离发射点较远的接收端，有时仅仅是受到下行频段太阳能量干扰。所以，日凌在接收频谱上表现较为复杂，一般呈现白噪声干扰现象，严重时现象是噪底大幅抬高而载波幅值变化不大。
(6)转发器饱和，有几种可能：卫星设置的工作点不在线性区，交调产生干扰信号，在频谱上表现为中间区域噪底抬高，这时整个转发器载波幅值包络也呈现中间高两边低；更多的情况是由某个频点的单载波干扰或某个载波幅突然增大造成的，在频谱上某个频点或载波幅值大幅提升，其它频点信号却呈现“被压缩”的幅值下降现象，噪底相对幅度大幅抬高；前面所述日凌以及其它白噪声严重干扰造成的饱和，频谱上与第一种情况类似。
(7)单载波干扰，有星上干扰和地面干扰两种情况。星上干扰频谱现象如上所述造成饱和，不是很严重时则表现为单频高幅值，也有可能被正常信号所掩盖，在频谱上看不出来。地面干扰则通常表现为某频点高幅值的单频信号，其它特征变化不大。
(8)调制载波干扰，通常表现为某一载波幅值提高。这时候，从频谱上会给我们一个错误的判断，以为自己发射功率偏大，如果直接进行下降功率操作，会使受干扰情况更为严重，甚至被非法信号利用。所以，这时必须依赖误码率或实际节目内容检测等其它手段加以区分。
(9)发射天线或接收天线指向有偏差，通常以信标电平下降为表征。在接收信号频谱上会看所有信号幅值下降，而且本系统传送信号幅值下降更多。这时，也会对自己发射功率产生错误判断，实际应用上应结合信标值和发射功率实际值予以区别。
(10)卫星姿态不稳、漂动或电离层摄动，这是卫星通信普遍存在的现象，只是表现的严重程度不一。正常情况下在频谱上呈现为信号幅值缓慢的长周期性高低变化，在极化上也会有细微的变化。严重时，则呈现信号幅值快速的短周期性变化，或者与邻极化信号互相干扰。
基于传输流与频谱变化特点的自动化播控方案
通过上述分析，我们知道卫星数字电视传送系统具有各种信号特征和频谱变化特点。实时采集各种特征参数，结合计算机网络和自动化技术，可以将我们日常监测和设备管理工作交由自动系统完成。
如图9，给出了C波段数字化卫星地球站传送质量自动控制逻辑的框架思路。可以说是一个经验程序，就如同一名值班工程师，在准确掌握了上下行传输流特征参数、掌握关键点的误码率、掌握接收频谱的变化等数据后，应该作出的判断以及控制操作。
如图9，系统运行中对干扰以及传送质量做出判断之前，首先应确保上行系统及信号的正确。对有源设备系统，可以采集设备工作状态，判断正常与否，自动提出报警、冗余切换、保存各类记录。对于无源的天线系统，实际状态是不容易获取的，这里通过实际指向的测定、以及信标接收电平，间接判断指向是否正确性能是否正常；通过人工的周期性检查，判断天线是否有严重的物理故障，补充自动判断的不足。
从两个方面来分析传送质量或判断干扰，一是采集接收信号误码率或Eb／NO值，二是采集接收转发器频谱，两者都会有一些明确的判断结论，如逻辑图。
对传输内容的分析则是对上下行传输流特征参数的比较和对传输流逐字节的比对，两种方法互相补充，可以比人更加准确、更加快速得出判断结果并采取对策，大大提高防范效率。
对空间信号频谱的分析，首先，可以依据日凌、单频干扰等特征，予以识别处理。然后，依据载波幅值的变化情况进一步分析，自动对系统电平做出适当的调整，自动跟踪其它载波幅值的不正常上升，避免受到其它载波影响。
如果将误码率与频谱结合起来分析，可以对带内隐藏的非法调制载波信号作出早期预测，及时采取措施，如图中所示(载波幅值偏高但接收误码率却超出门限的情况)。我认为在抗“法轮功”干扰的各种措施中，这项预测在时效及准确性上是有优势，值得进一步探讨。
综上所述，利用数字节目信号特征，利用卫星数字空间信号的变化特点，结合计算机技术的发展运用，作为系统运行管理的地球站可以对卫星数字电视传送系统及信号质量进行自动监控管理。
当然，如文中所探讨，卫星通信受自然界或人为影响的情况非常复杂，不同干扰以及不同程度干扰的表现也难以一一区分。监控逻辑框架图给出的方案并不能面面俱到，在程序实现上也应有各种不同的方法。需要在实践中不断改进提高。
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