高频头在广电VSAT网中的应用

+ 段晓明 王莹 周凯

国家新闻出版广电总局无线电台管理局

一、高频头的分类

高频头主要分为3类：LNA，LNB和LNC。

1.LNA（Low Noise Amplifier）

LNA即低噪声放大器，这是最早期的“高频头”，框图如下：

（1）主要特点

1）波导输入，同轴电缆输出；

2）射频宽带输入（C波段3.4 GHz到4.2GHz，Ku波段12.2 GHz到12.75GHz 注1），射频宽带输出（C波段3.4 GHz到4.2GHz，Ku波段12.2 GHz到12.75GHz）；

3）LNA的高频头属于“专业”设备，所以对指标的要求很高。这里的指标主要体现在幅频特性上，即，在整个射频频段（500MHz或者750MHz频谱范围内）内的增益一致性要求较高；主要指标：增益；噪声温度。

图2 ：LNB框图

（2）LNA主要应用场合

1）作为独立使用的设备用于大型地球站，输出通过IFL传输到室内的下变频进行变频；这种LNA产品特点：价格昂贵；指标严格；往往带有独立的直流供电接口；产品考虑到1：1或者1：2热备份的功能，带有相关的接口（状态/告警输出，等）。

2）作为一些ODU产品的一部分，其输出直接送给ODU，经过ODU变频到中频后通过IFL传输到室内的Modem。这种LNA产品特点：价格适中（在“高频头”家族中仍然属于贵的行列）；通过同轴电缆接口提供直流供电；没有单独的热备份切换逻辑，热备份通过ODU来实现。

随着时代的发展，技术的演进，特别是L波段产品的大量问世并主流化，加之市场对射频产品降价的呼声高涨，各个RF产品厂家也逐渐将ODU所需要的高频头从LNA过渡到 LNB。这一切都使得LNA的应用越来越呈现下降的趋势。目前，LNA主要用于大型地球站和关口站和一些需要独立高频头热备份的场合，外加一些存在L波段干扰的场所。

2 LNB（Low Noise Block Downconverter）

LNB即低噪声变频模块，是我们俗称的高频头，是将卫星传来的极微弱的信号通过LNA放大后，通过混频器将接收到的信号频率和本机振荡器产生的本振频率相减，使得不同频段的高频率信号转换为适合卫星接收设备处理的、统一频段的信号，以利于同轴电缆的传输及卫星设备的解调和工作，其框图如下：

（1）LNB的特点

1）波导输入，同轴电缆输出；

2）射频宽带输入C波段3.4GHz到4.2GHz，Ku波段12.2GHz到12.75GHz的700MHz到800MHz范围内，L波段宽带输出（950MHz到1700MHz，共750MHz）；

3）采用同轴电缆的信号线供电（直流）；

4）无独立的热备份控制机制；

5）LNB在全频段范围内的幅频特性较差，频率响应曲线非常不平整；

6）主要指标：增益；噪声温度；频率稳定度；相位噪声。

（2）LNB主要应用场合

1）TVRO（卫星电视接收）。这是LNB的起源市场，也是其最主要的应用市场；

2）作为一些ODU产品的一部分，其输出的L波段信号直接送给ODU，经过ODU变频到中频后通过IFL传输到室内的Modem；

3）直接用于某些L波段的Modem的接收输入；

这里需要强调一下上面这3种应用中LNB的区别：

1）第1种应用是纯粹的TVRO应用，可以使用很便宜的TVRO高频头；

2）第2种和第3种应用属于通信应用，一般需要使用“档次较高”的LNB；

3）TVRO使用的高频头原则上不能用于通信应用。尽管也有些实际应用的案例（TVRO高频头用于通讯领域），但是这里强烈反对这样使用。后面的部分将会对这个观点予以解释。

（3）LNB分类及特点

由于LNB存在一个本振源，所以根据这个本振源的实现方式，LNB分成三种类型：介质共振振荡器，锁相环和外参考锁相环。三种LNB的框图如图3至图5所示。

图3 ：介质共振LNB

1）介质共振振荡器（DRO）型LNB，其振荡频率的产生和稳定性完全取决于一小块介质材料的自由振荡频率和稳定性，这种LNB相对频率稳定性差。

图4 ：锁相环LNB

2）内参考锁相环振荡器(Internal PLL)型LNB,其振荡频率的产生和稳定性完全取决于内置温度补偿晶体振荡器及数字锁相电路，（一般为1MHz/5MHz/10MHz）倍频实现的。

图5 ：外参考锁相环LNB

3）外参考锁相环振荡器（External PLL）型LNB,其振荡频率的产生和稳定性完全取决于外置振荡器，它的振荡频率是从卫星接收器通过同轴电缆传送到LNB内，通过锁相环倍频来实现的。一般这样的外振荡参考源为10MHz。

图6 C波段LNB

图7 Ku波段LNB

由于各个厂家的产品不同，LNB的本振频率也各不相同，在我国，应用的最普遍的频率是：C波段LNB本振频率5150MHz；Ku波段LNB本振频率11.3GHz；

图8 LNC框图

3 LNC（Low Noise Converter）

LNC即低噪声变频器，其框图如下所示：

（1）LNC的特点

1）LNC属于非通用设备，即LNC都是厂家自己生产并用于自己产品的一个射频组件，无法用于其他厂家的设备。即没有通用性，这一点是与LNA/LNB存在本质区别的；

2）波导输入，同轴电缆输出；

3）射频宽带输入（C波段3.4到4.2GHz，Ku波段12.2到12.75GHz 注1），中频窄带输出（70M+/-18MHz，1080MHz+/-36MHz）。

4）主要指标：增益；噪声温度。

(2)LNC应用场合

从图8可以看出，混频使用的本振频率不是由LNC产生的，而是通过同轴电缆馈入的。并且，本振频率是一个变值，因此才能够做到定频率输出。相当于：LNC是把ODU的接收方向的下变频功能（部分或者全部）转移到高频头中实现。故LNC必须伴随着一个ODU使用，无法单独应用，无法与其他厂家的ODU实现兼容，属于“非通用”设备。

4 三种高频头的对比

项目 LNA LNB LNC通用性 好 好 无通用性输入 射频宽带 射频宽带 射频宽带输出 射频宽带 L波段宽带 中频窄带频率稳定度 无指标要求 视类型 好相位噪声 无指标要求 视类型 好温度特性 好 视类型 好幅频特性 好 差 好对IFL的要求 极高 较高 较低价格 高 适中 无指标（非通用）

二、LNB在广电VSAT系统中的应用情况

上文所述LNB具有技术性能好、结构简单、成本较低等特点，所以在卫星广播电视和通信领域得到了较为广泛应用。对于不同种类的数字接收系统，对LNB的频率稳定度由不同的要求，宽频信号如MPEG-2数字电视广播需要频率稳定度较低的LNB,因为其传送的信号频宽较大，而接收器的自动频率调谐范围较宽。然而，窄频信号如SCPC广播则需要稳定度高得锁相环LNB，以使接收器能把信号锁定。各类LNB的稳定度和应用对比见下表：

LNB振荡器的种类 稳定度 应用介质共振 +/-1MHz～+/-250KHz数字电视广播宽带数字广播内参考锁相环 +/-100KHz～+/-5KHz SCPC数字广播VSAT数字通信外参考锁相环 +/-0KHz～+/-1KHz卫星传呼通信系统窄频宽数字通信

其中外参考锁相环LNB具有频率稳定度高、不受环境温度影响、相位噪声好等优点，大量在卫星通信系统中应用，但在特定的电磁环境下，其应用有着局限性。这里通过一个案例介绍来说明在外参考锁相环的LNB在某些短波发射台站的应用中存在的问题及其解决办法，从而让技术人员和网络设计者在今后的VSAT网络和电视接收网络设计中能够有所考虑。

广电VSAT网卫星站初期设计时，由于系统采用MF-TDMA技术体制，信号属于窄频宽数字通信，考虑到外参考锁相环LNB的优点，在全部的卫星站点中均采用了外参考锁相环LNB。但随着VSAT网络建成运行，出现了部分VSAT站工作不稳定，绝大部分时间能够正常使用，但是总是会无端掉网，多次更换设备无法得到解决，同时发现被更换下来的设备用在其他站点是正常的，并能够长时间稳定工作。

在VSAT网建设过程中对所有的站点进行过勘探（俗称测站）。在测站环节，考虑到并且对星上干扰，地面干扰（卫星下行频率和L波段）进行了干扰测量，并没有可对本通信网络的频率构成干扰的频率。通过大量仔细的排查，在排除了设备电源接地和星上干扰的可能后，最终确定站点的工作不稳定原因在于系统受到了较强的干扰。

通过对VSAT网运行数据分析，对各卫星站点进行分类，比较出现干扰站点的运行环境等因素，归纳出受干扰站点特点：

（1）问题不是全网性的，而是指在个别站点发生；

（2）这些站点设在广播发射台中；

（3）这些站点都有大功率短波节目的播出任务；

通过现场实际测试，发现只要部分短波发射机一开始播出，站点的误码率就开始大量增加，直到掉网。

通过调查发现，播出的短波都是在10MHz左右的信号。结合VSAT厂家提供的设备参数，初步怀疑是短波的播出频率与外参考锁相环LNB的参考信号（10MHz）比较接近，同时短波电台属于调幅信号，外加发射功率极高，从而通过VSAT的IFL电缆和接头馈入，干扰10MHz参考源，使得LNB的本振频率发生偏移，产生严重的相位噪声而造成掉网。

根据上述假设进一步开展故障处理实验：

（1）选用屏蔽特性好的电缆，有改善，但是没能彻底解决问题；

（2）将VSAT终端从室内拿到天线下，盘起IFL，有改善，但未彻底解决；

（3）再把盘起的电缆放到一个有屏蔽的铁盒中，同时对设备接地进行处理后，大大改善。

至此，可以确定短波电台发射台站的大功率短波信号干扰到了电缆中的10MHz参考信号，造成了严重的相位噪声从而引起通信中断。

最后通过将所有短波播出任务的台站的VSAT设备的RF由L波段换成70MHz中频，将外参考锁相环LNB更换成内参考锁相环LNB后，问题得以完全解决。

三.结论

在接收不同的卫星信号时，正确选用LNB非常重要，不同类型的LNB能提供不同的接收功能。以下提供一些如何正确选择LNB的参考意见：

1. 数字压缩视频MPEG-2需要稳定度较高的介质共振LNB，如Norsat的4000或8000系列；

2. 中央100路数字声广播节目因其速率较低频宽较窄，需选用内参考锁相环LNB，如Norsat的1000或3000系列；

3. 卫星新闻广播车采用锁相环的LNB，因其户外操作时环境恶劣，锁相环LNB可增加接收稳定度；

4. 对于窄频宽数字通信系统，建议选用外参考锁相环高频头，但因受电磁环境影响，应尽量使用70MHz或140MHz接口和射频设备，尽量做好屏蔽和接地。

注1：C波段的下行频率随着国际电联ITU的不断扩展，经历了3个阶段：①3.7GHz到4.2GHz，②3.625GHz到4.2GHz，③3.4GHz到4.2GHz；Ku波段的下行频率根据ITU的分区不同共有3段频率：①10.95GHz到11.7GHz，②11.7GHz到12.2GHz，③12.25GHz到12.75GHz。