數(shù)字微波通信技術在電視直播中的應用

姚繼先

（新華通訊社 通信技術局，北京 100803）

隨著新華社電視新聞業(yè)務的蓬勃發(fā)展，節(jié)目制作水平和要求不斷提高，由此而來的多種拍攝需求給技術部門提出了新的挑戰(zhàn)。尤其在重大活動或突發(fā)事件的現(xiàn)場直播報道中，依靠線纜聯(lián)接攝像機進行電視節(jié)目攝制及采訪有時是極為不便的。無線攝像機微波傳輸系統(tǒng)的產生為上述問題提供了解決方案。

無線攝像機微波傳輸系統(tǒng)分為模擬和數(shù)字兩種傳輸方式。其中，模擬傳輸技術對多路反射信號的影響非常敏感，一般無法在室內使用。而在室外運動拍攝時，為了得到較好的信號接收效果，通常采用定向跟蹤，這需要配備有經驗的天線操作員。此外，模擬微波受環(huán)境影響信號衰落較大[1]。因此，模擬微波攝像機在實際使用中未能得到廣泛的推廣。近年來，人們將數(shù)字電視地面?zhèn)鬏敿夹g引入無線攝像，數(shù)字微波攝像機可以使用全向發(fā)射天線，在接收端則利用多個天線進行分集接收，在其有效的覆蓋范圍內信號質量基本保持不變。這種利用數(shù)字傳輸技術的無線微波攝像系統(tǒng)，既可以在室外，又可以在室內應用，而且在運動拍攝時也不需要復雜的天線跟蹤[2]。目前，隨著廣播電視數(shù)字技術的不斷發(fā)展，無線攝像機數(shù)字微波系統(tǒng)也得到了越來越廣泛的應用。

1 無線攝像機數(shù)字微波系統(tǒng)的基本原理

無線攝像機數(shù)字微波系統(tǒng)指的是微波發(fā)射、接收系統(tǒng)采用了數(shù)字方式，這里的數(shù)字方式是指對數(shù)字音視頻信號進行壓縮、調制處理后發(fā)射到接收系統(tǒng)，再經過解調制和解壓縮過程，還原為正常的廣播電視信號。該系統(tǒng)將輕小、便攜的微波電視發(fā)射機直接安裝在電視攝像機上，攝像人員即可在沒有電纜約束的情況下，大范圍、高機動性地進行現(xiàn)場攝制與采訪[3]。然后，音視頻信號通過安裝在攝像機上的發(fā)射機以無線微波方式傳輸至一定距離內的衛(wèi)星或者光纖傳輸系統(tǒng)等，技術人員再將各個機位發(fā)來的電視信號傳輸至后方接收機房。

1.1 信源編碼

信源編碼系統(tǒng)用于處理攝像機采集的音視頻信號，通過減少時間和空間冗余信息將碼率降低到可控制的范圍。目前的無線攝像機廣泛采用比較成熟的MPEG和小波算法進行音視頻信號的編碼壓縮[4]。

MPEG標準是一個通用標準，主要針對全動態(tài)圖像而設計，是幀內和幀間相結合的編碼壓縮方式，不僅去除了幀內空間冗余信息壓縮，還利用圖像系列的相關性以多幀組成一組（GoP），有效地去除時間軸上的冗余信息。其平均壓縮比可達50∶1，可大大節(jié)約傳輸帶寬，且具有統(tǒng)一的格式，兼容性好。

小波變換在表示圖像的靈活性以及適應人類視覺特性等方面具有優(yōu)勢，目前已成為當今國際上圖像編碼領域中令人矚目的研究方向。小波算法為并行的計算方式，其特點是運算速度快、復雜度低，能更好地保存圖像信息。與JPEG、MPEG相比，它不會在大壓縮比時產生塊效應等失真。另外，小波算法只有幀內壓縮，可以保證每幀的信號質量相同，且編解碼過程的延時較短，因此也會被用在微波傳輸系統(tǒng)的編碼方案中。

1.2 調制方式

微波傳輸系統(tǒng)中采用編碼正交頻分復用（Coded Or?thogonal Frequency Division Multiplexing，COFDM）調制技術很好地解決了移動傳輸中的多徑干擾問題。COFDM基本原理就是將高速數(shù)據(jù)流通過串并轉換，分配到傳輸速率較低的若干子信道中進行傳輸。COFDM技術使用了自適應調制，根據(jù)信道條件的好壞來選擇不同的調制方式。由于以上的特性，COFDM主要應用于DVB-T和DAB方面，如無線攝像機和便攜微波系統(tǒng)等。

2 無線攝像機數(shù)字微波系統(tǒng)的應用

無線攝像機數(shù)字微波系統(tǒng)主要包括攝像機微波發(fā)射單元、分集式信號接收部分，另外還有光纖延伸單元、攝像機反向控制單元、信號中繼設備等[1，5-6]。

2.1 無線攝像機數(shù)字微波系統(tǒng)基本應用方式

圖1所示為最基本的無線攝像機數(shù)字微波系統(tǒng)應用示意圖，其中需要設備僅為微波發(fā)射單元與分集式信號接收機，這也是在一般電視直播報道中的常用方式。這種使用方式用于攝像機與衛(wèi)星通信設備距離在幾千米以內或者是可視的范圍內。比如在2009年北京市水價上漲聽證會的電視直播報道中，攝像人員攜帶微波攝像機進入會場，將會場內拍攝到的音視頻信號傳輸?shù)轿挥跁鐾馔７诺男l(wèi)星直播車上，技術人員再將收到的音視頻信號通過衛(wèi)星傳輸?shù)轿挥谛氯A社總社的衛(wèi)星接收機房。另外在2010年江西撫州唱凱大堤合龍的直播報道現(xiàn)場，攝像人員攜帶微波攝像機乘救生艇深入到大堤合龍施工位置，而將微波接收設備與便攜衛(wèi)星站放置在較為平坦的河堤上，通過微波天線接收到攝像人員拍攝的施工實況，再經下變頻器以及分集接收機將音視頻信號重建，并傳送到便攜衛(wèi)星站上星發(fā)回新華社衛(wèi)星接收機房，圖2為直播過程中新華社技術人員在大堤上對微波設備接收到的音視頻信號進行監(jiān)測。

2.2 結合攝像機反向控制單元的應用方式

攝像機反向控制單元提高了后方音視頻編輯人員對前方攝像人員的遠程控制能力，也可以使攝像人員專注于拍攝質量、取景構圖等節(jié)目制作需求，而相應的技術指標則可以全部由后方機房內的技術人員來掌控，為節(jié)目制作提供了更大的靈活性。如圖3所示，加入攝像機反向控制單元實現(xiàn)了雙向通信，演播室可以通過操作控制面板對攝像機遠程操作，控制信息通過無線數(shù)據(jù)發(fā)射機傳送到攝像機從而實現(xiàn)反向控制。

2.3 結合光纖延伸單元的應用方式

光纖延伸單元分為移動單元（Remote Unit）和固定單元（Base Unit），如圖4所示，移動單元與天線和下變頻器相連接，一般置于拍攝現(xiàn)場附近，通過光纖連接到固定單元并經分集信號接收機重建音視頻信號，光纖延伸單元最大可將傳輸距離延伸到30 km（單模光纖）。例如在某些大型集會活動或者體育賽事的直播報道中，攝像人員可以在現(xiàn)場進行拍攝，將信號傳輸?shù)礁浇茉O的微波天線，通過光纖將音視頻信號直接傳輸?shù)窖莶ナ摇?/p>

2.4 結合信號中繼系統(tǒng)的應用方式

與光纖延伸單元相比，信號中繼單元是將音視頻信號傳輸距離延長的無線設備。如圖5所示，攝像機通過微波發(fā)射機將信號傳送到分集式接收機再經信號中繼器，經解調和再調制后輸出COFDM信號，頻率一般為1.95～2.7 GHz或者3～5 GHz。圖5中的2路攝像機信號使用不同頻率發(fā)送，中繼單元將接收到的信號解調后復用為一路單載波信號發(fā)送，接收端使用分集式接收機和解碼器可以分別解出兩路攝像機信號。

這種應用一般將中繼系統(tǒng)放置在樓頂、車頂、直升機等較高無遮擋的位置以提供較強的中繼轉發(fā)能力，應用于傳輸距離較遠的音視頻報道現(xiàn)場。例如在賽車比賽中，如圖6左圖所示將小型攝像機及微波發(fā)射機置于賽車中，信號中繼系統(tǒng)放置在賽場附近的樓頂，通過中繼轉發(fā)將拍攝到的車內實況傳輸?shù)骄嚯x較遠的演播室中，如圖6右圖所示。

3 結束語

本文主要介紹了無線攝像機中的數(shù)字微波通信技術，首先簡單介紹了數(shù)字微波系統(tǒng)的幾個技術要點，然后詳細描述了無線攝像機數(shù)字微波系統(tǒng)的基本原理，并舉例說明了無線攝像機不同的應用方式和使用環(huán)境。隨著無線攝像機性能的不斷提高，無線攝像機微波系統(tǒng)在今后新聞行業(yè)電視直播報道中將會發(fā)揮更大的作用。

[1]李遠新.HDV高清數(shù)字攝像機的技術特點及應用[J].電視技術，2007，31（3）：78-79.

[2]何向暉，范曉琳.地面數(shù)字電視傳輸技術在電視直播中的應用[J].電視工程，2008（1）：31-33.

[3]胡維剛，李建杰，王軍.現(xiàn)場直播報道新聞事件的技術應用和實踐[J].現(xiàn)代電視技術，2006（11）：80-81.

[4]謝蘇文.數(shù)字無線攝像機的特性分析[J].西部廣播電視，2005（6）：59-62.

[5]劉揚.數(shù)字攝像機微波系統(tǒng)在演播室的應用[J].現(xiàn)代電視技術，2011（6）：56-59.

[6]鄒正義，徐惠鋼.現(xiàn)代無線通信技術[M].北京：高等教育出版社，2008.