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广播电视卫星地球站设备控制、监测、管理系统设计实施方案

文张启
福建省广播影视集团卫星上行站
福建广电集团卫星上行站担负着福建东南卫视电视信号及两套广播信号的卫星传送任务。
众所周知，卫星上行站担负着极其重要的安全播出任务，仅仅依靠传统的人力监看，将会给值班维护工作带来更多的压力。因此，建立一个具备地球站干扰监测、设备监测及设备控制、管理功能的体系，实现自动监测及自动操作，尽量减少对人的依赖，对提升安全播出的可靠性具有十分重要的意义。本文对实现这些功能的技术方案的设计与实施情况进行论述。
1卫星信号上行系统情况
卫星上行站卫星信号上行系统包括一套9M天线上行系统及一套12M天线上行系统，两套上行系统1:1冗余备份、相互独立。如图1所示，播出总控送来的不同路由的节目信号经过编码、复用、调制，并进行中频放大和滤除干扰，送至上变频器变换成射频信号，经高功放放大后通过波导馈线送往抛物而天线发向卫星。

2监测参数的选择 现今的传输设备多数配有通信接口，可以通过通信接口采集设备的相关信息实现对于设备状态的监测。而对于传输信道信号质量的监测，则需要按照卫星数字广播的原理选取合适的参数，配合相关硬件设备实现对信号质量的监测。
1.1误码率
DVB-S传输系统采用的是内、外两层级联纠错编码，中间加一次交织的方案。纠错时，内层使用卷积码纠错先纠正误码，在发生无法纠正的误码时，由于这种误码常常呈现连续发生的状态，通过采用数据交织环节来改变信号的传输顺序，将这种连续发生的误码打散，而后使用外层RS码纠错纠正误码。DVB-S对卷积的解码，通常使用Viterbi判决方法，所以对卷积的解码又称为Viterbi解码，图2是DVB-S接收系统的典型结构：
根据资料可知，正常接收情况下，BER2（Viterbi后误码率）远低于2×10-4，BER1（纠错前误码率）在正常的门限范围内。在出现传输信道上的干扰时，如果干扰强度不大，BER2仍低于2×10-4，这时干扰不会在接收信号上反映出来，但干扰信号必然会造成BER1变化，对BER1设置合理的门限就可以判断出干扰的存在，通过其数值的变化还可以判断干扰信号的强弱；而在干扰信号强度增加后，还会引起BER2的变化，此时可以根据BER2的变化情况判断干扰对信号的影响情况。
由上述分析可见，数字通信系统的可靠性可以用误码率来表示的，只要对所传输的码字不发生错判就不会造成信息丢失，其它方面如信号波形等的失真都是无所谓的。可以通过监测纠错前( BERl)／纠错后(BER2)误码率来判断信号质量，发现受到的干扰情况。
1.2接收信号频谱
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，如图3。由于数字化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。因此，可以通过监测数字节目频谱来判断信号传输过程中所受到的干扰情况。出现雨衰时，频谱电平将会出现明显下降；出现单载波和窄带干扰时，频谱波形表现明显；当出现与正常信号相同参数、相同帧结构的干扰时，虽不能从频谱上明显地观测到干扰信号波形，但仍可以通过结合上行功率值的情况来判断干扰，有利于采取相关的后续措施。

1.3传输码流
编码复用设备输出的信号是自带节目解码参数的数据流，即为传输码流，传输码流是由MPEG一2标准规定的，按固定长度(188字节)打包的数据流信号。在一个传输码流中，可能包含多达几十套电视的节目数据。
按DVB-S标准，传输码流中的载荷部分包含有节目基本流数据(PES)，节目特定信息(PSI)，以及其他的填充数据或空包。
1)打包基本流(PES)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；
2)节目特定信息(PSI)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是传输码流所传递的重要内容，是进行传输码流测量和分析的依据。
由上看见，通过对于传输码流的分析，可以判断信号传输的质量。 通过以上分析可知，这三个参数的采集、监测对实现信号传送质量及干扰的判断是必不可少的。
3监控管理系统的功能模块
要提升安全播出的可靠性，卫星信号监控管理系统需要具备完善的功能，可靠的为值班人员提供判断依据。对监测、控制以及管理三个方面功能，可细分为：
3.1设备状态监测[来自WwW.L]、控制模块
对传输链路上的视音频处理切换器、编码器、调制器、上变频器、高功放、天线控制器等设备工作状态进行实时监测；形成传输状态链路拓扑图画面，链路图实时反映传输系统当前的主备状态、设备参数等信息；在设备支持的情况下，实现传输系统链路内设备切换的远程控制；通过软件系统按照设定的切换逻辑对两个上行系统的高功放的控制，实现1：1( 9M/12M)冗余备份上行系统之间切换的远程控制；在设备出现故障或信号丢[来自WWW]失等情况发生时可以按照设计好的设备切换逻辑实时进行传输链路的自动／手动切换，确保传输通道的畅通；实现设备初始化、参数远程设置、故障排除等。
3.2信道传输监测模块
实时从频谱分析仪、误码分析仪、码流分析仪等设备获取频谱、码流、误码率等信道参数信息，并形成直观的图形界面供值班人员参考。在软件系统上设定信道参数门限，一旦被监视的参数超出设定门限，能够产生告警，提示值班人员做出相关处置，并具有声光报警功能。
3.3设备的数据管理模块
在监控管理系统上能够实时对传输系统设备参数进行读取，能够实现数据的自动存储、查询，完成数据报表等。根据需要，能够生成关键设备的参数运行曲线，生成报表，以供参考。便于进行卫星信号传输系统运行状况的统计和考核。可以与上级的传输平台互通，实现数据的互联与上传，这样有助于上级部门的远程监测，第一时间掌握卫星上行站的运行状态。
3.4调度功能模块 一旦被监视设备发生故障或事故，能够产生监测处理事故信息。值班人员可以设置语音文件、短信模版，往选中的人员轮播电话，播放语音文件或发送短信，通过这样的方式一方面可以在最短的时间内向上级领导汇报情况，另一方面可以讯速联系不在站的同事，从他们那获得技术支持。
3.5设备管理模块
建立设备档案，包括设备配置、参数档案设备运行、事故和检修档案生成定期维修操作单并存档，避免维修操作时引起误报警等，给设备的维护管理提供方便。
4设备切换逻辑设计
对于监控管理功能来说，监测、管理的功能实现起来具有一定的可调整性。而控制功能的实现，对于安全播出至关重要，如果没有一个可靠的控制功能，在系统运行过程中就会出现误操作，产生不必要的播出事故。因此，需要采用合适的切换逻辑实现可靠的设备切换。
4.1单一上行系统内的设备切换
如上图1，在一个独立上行系统内，有三类设备自身带有切换开关：
1)音视频处理切换器(IQACO)自身对视频信号进行监测，可进行自动倒换；
2)主备上变频器内部切换开关对设备状态进行监测，可进行自动倒换；
3)主备高功放内部切换开关对设备状态进行监测，可进行自动倒换。
因此，为了简化系统，在独立上行系统内，通过对上行系统内的视音频切换处理器、编码器、调制器、上变频器、高功放等设备进行设备工作状态的监测，当状态异常或故障等情况发生时，我站规定按照传输信号流程的先后，切换动作只在这三类自带切换开关的设备处进行。通过切换，实现信号源切换、主备小信号系统（包括编码器、调制器、上变频器）切换、主备高功放切换，从而确保独立上行系统内的传输通道畅通。
4.2 9M/12M上行系统间的切换
如图1，对于9M/12M这两套上行系统，为了使得上行系统简单化，我站将他们设定为物理隔离的两个独立上行系统来搭建。不采用波导网络系统互相连结、切换的方式，而是采取了使用软件系统对高功放进行功率控制的方法，实现两套上行系统之间的切换功能。
5监测管理系统层次模式的选择
软件系统开发技术近年来使用较多的两种模式是C/S( Client/Server)模式与B/S(Browser/Server)模式。
系统搭建时针对不同的功能模块采用不同的方式，采用C/S与B/S相结合的模式。监测、管理的功能模块采用B/S模式，而控制的功能模块则采用C/S模式。
按照以上分析形成的软件系统结构如图4

6监测管理系统的硬件构架
一个优秀的系统必然要有良好的兼容性及强大的扩充能力，因此需要考虑能够提供友好的程序扩展接口。随着这些年技术的发展，卫星信号传输系统中的设备大多数具备RJ45网络接口，上变频器、视音频信号处理切换单元、天线控制器、信标接收机、误码分析仪、频谱仪等则为RS232通信接口。
从以上的情况来看，设备与系统间的各种数据能够基于TCP/IP网络协议进行传输。
根据上述分析，监测管理系统硬件结构如图5

1)专业接收机对上下行射频信号进行解调，接收机的ASI流接入码流记录分析服务器进行码流分析；
2)下行射频信号接入误码分析仪，对信道的误码率作实时监测；
3)频谱分析仪实时提供所接入的射频信号的频谱状态，通过串口网关连接到服务端进行频谱图形数据的分析；
4)串口网关将串口设备所提供的串口通讯协议转化为网络通讯协议，由网管服务端统一控制；
5)网管服务端负责控制设备，实时数据的传输及响应客户的请求。
7方案实施过程中需要注意的问题
对于整个技术方案，在实施过程时注意了以下问题：
7.1监控管理系统的可靠性问题
目前卫星地球站的传输设备自身运行质量已经比较完善，设备运行MTBF（平均无故障运行时间）通常都在10万小时以上，因此我们实施这一技术方案时注重提高监控系统自身运行的可靠性。对于另外增加的通信附件，在使用过程中要采用那些高精确性、MTBF较长、运行稳定的元器件。
7.2数据通信传输的可靠性问题
数据的通信传输是监控管理系统的重要组成部分如果通信和传输出现问题，与此相关的部分就将失控，严重影响可靠性。在卫星地球站，就可能会碰上电磁干扰的问题，比如电器设备的干扰（如开关冲击、电磁辐射干扰、电器设备的放电）、自然的干扰（如雷电、电磁脉冲以及静电干扰等）。
因此方案实施时，采取以下措施：
1)处理好电源馈线、机房内贯穿导线的走向，合理设计地线系统及各部分间的电连接，消除和抑制电磁及静电干扰；
2)采用屏蔽隔离手段防止或减小电磁的直接干扰；
3)采用良好的接地方式防止或减小电磁及雷电的干扰；
4)软件数字滤波可防止或减小电磁辐射、电磁脉冲等对通信的干扰；
5)软硬件看门狗可防止由于电磁干扰而产生的程序走飞情况。
7.3软件界面的方便友好问题
监控系统的上行系统链路拓扑图上显示设备工作状态。当设备报警时，能够根据告警情况的不同实时显示并发出警示。
1)“红色”，如 伴随着图片闪烁、告警音，即设备内部当前有报警；
2)“桔黄色”，如
伴随着图片闪烁、告警音，即设备当前处于关机状态或网络连接出现故障或软件系统出现故障所至；
3)“蓝色”或“绿色”，如，即设备当前正常工作， “绿色”表示当前设备主用，“蓝色”表示当前该设备备用。
这样，有利于值班人员分门别类，加速故障处理流程。
8结束语
此技术方案在福建卫星上行站投入使用并逐步完善，从而使得卫星上行站的传输系统更加合理，对上行站设备的监测、控制、管理进一步自动化、集中化，进一步提高卫星上行站安全播出的可靠性，提高工作人员的工作效率。

-全文完-