中國直播衛(wèi)星的發(fā)送與接收技術(shù)研究

+ 胡曉東 （湖北荊州視信網(wǎng)絡(luò)公司）袁友（湖北威荊州電視臺）

相比此千年的國內(nèi)外廣播衛(wèi)星和直播衛(wèi)星，中星9號有自己的技術(shù)特點和技術(shù)優(yōu)勢，也有適應(yīng)國情而待開發(fā)與采用的設(shè)備資源，對其進行研究意義重大。

一、傳輸系統(tǒng)現(xiàn)狀

直播衛(wèi)星平臺的傳輸系統(tǒng)主要包括地面發(fā)送系統(tǒng)、空中轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)和地面接收系統(tǒng)。

1.地面發(fā)送系統(tǒng)現(xiàn)狀

目前中國直播衛(wèi)星播出前端廣泛采用了目前較為成熟的MPEC-2信源編碼和中國自主知識產(chǎn)權(quán)的ABS-S信道編碼與調(diào)制技術(shù)（下行頻率為12180MHz的CCTV-1采用歐洲的DVB-S2傳送，例外）。信道編碼效率（FEC）從1/2至13/15不等，調(diào)制方式主要有QPSK和8PSK兩種。正在運行之中的中星9號衛(wèi)星廣播系統(tǒng)的FEC為3/4，調(diào)制方式為QPSK，符號率為28.8Ms/s，系統(tǒng)碼率達43.2Mb/s。其地面發(fā)送系統(tǒng)的參考模型如圖1所示。

如圖1，一個MPEC-2編碼組可為12套電視節(jié)目進行編碼，一個調(diào)制器可處理的多節(jié)目TS流可達12套（標(biāo)準(zhǔn)清晰度）。

2.中星-9的轉(zhuǎn)發(fā)器

中星9號直播衛(wèi)星裝載轉(zhuǎn)發(fā)器22個，其中4個帶寬為54MHz、18個帶寬為36MHz，連接2副接收天線和2副發(fā)射天線。目前使用國際電聯(lián)統(tǒng)一規(guī)劃的工作頻段。上行頻段為17.3-17.8GHz，下行頻段為11.7-12.2GHz。行波管輸出功率為120W/240W（單管/并聯(lián)）。天線采用圓極化方式。目前已開通的轉(zhuǎn)發(fā)器數(shù)為10個。其中9個轉(zhuǎn)發(fā)器傳送中央臺十余套基本電視節(jié)目（含中央3、5、6、8套，不含中9）、數(shù)十套省級衛(wèi)視（包括維語、蒙古語、藏語等少數(shù)民族語言電視廣播）以及延邊衛(wèi)視（朝鮮語）和農(nóng)林衛(wèi)視，采用標(biāo)清方式；另占用1個轉(zhuǎn)發(fā)器傳送數(shù)十套廣播電視節(jié)目。其中近二十套電視節(jié)目及所有廣播節(jié)目免費傳送，其余節(jié)目加密。為確保CCTV-1的安全傳輸，其占用了3個轉(zhuǎn)發(fā)器。

3.終端現(xiàn)狀

圖1 中星9號地面發(fā)送系統(tǒng)示意圖

目前中國直播衛(wèi)星主要采用數(shù)十厘米左右直徑的拋物面天線（含圓極化Ku波段高頻頭），采用ABS-S標(biāo)準(zhǔn)的專用衛(wèi)星解碼器。截至筆者發(fā)稿之日止，中國通過正規(guī)途徑招標(biāo)和“山寨鍋”累計超過1億5千萬臺。其中國家廣電總局分四次對（中國）直播衛(wèi)星終端招標(biāo)的數(shù)量過億臺，另有數(shù)千萬臺為在黑市銷售和使用的非法終端。雖然廣電總局近年通過加密和多次終端升級等措施打壓非法產(chǎn)品，但可觀的利潤和黑客的加入給不法廠商以“助推力”。目前通過黑客的升級程序，“山寨鍋”可免費接收十余至數(shù)十套電視節(jié)目。

在正版終端方面，十二五“初期廣電總局用于“戶戶通”工程的中國直播衛(wèi)星接收終端，采用0.45~0.6m衛(wèi)星天線和多功能直播衛(wèi)星綜合接收解碼器（以下簡稱接收機）。以某公司的DVS-968TL接收機為例，其為雙模配置，除接收中星9號直播衛(wèi)星信號外，還可接收當(dāng)?shù)貒鴺?biāo)地面數(shù)字電視節(jié)目，帶解密卡，加配了GSM模塊、GPRS定位模塊和外置語音盒。可利用本機自帶的揚聲器實現(xiàn)電視節(jié)目“單獨聽，配上與語音盒連接的電視機還可通過移動基站接打電話，還具有終端的區(qū)域鎖定功能。

二、未來收發(fā)系統(tǒng)技術(shù)資源利用預(yù)測

隨著直播衛(wèi)星“戶戶通”工程的推進及社會主義新農(nóng)村的建設(shè)發(fā)展，預(yù)計“十二五”中后期直播衛(wèi)星的各種技術(shù)資源將逐步被開發(fā)。

1. DBS傳輸設(shè)備資源的利用預(yù)測

隨著2011年下半年中國首款自主研發(fā)的、支持中國直播衛(wèi)星AVS標(biāo)準(zhǔn)的信源解碼芯片面世，在直播衛(wèi)星系統(tǒng)中采用效率和性能與H.264相當(dāng)?shù)男旁淳幗獯a方式成為可能。故（通過直播衛(wèi)星）傳送高清電視節(jié)目在考慮地球站發(fā)送設(shè)備對AVS的支持外，同時還需開通閑置的轉(zhuǎn)發(fā)器。鑒于中星9號直播衛(wèi)星的22個轉(zhuǎn)發(fā)器中，有4個帶寬為54MHz、18個為36MHz。故筆者建議用36MHz轉(zhuǎn)發(fā)器傳送高清電視節(jié)目，1個轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)送4套，力爭在“十二五”末期啟用此類轉(zhuǎn)發(fā)器5個，傳送16套高清節(jié)目（其中1個轉(zhuǎn)發(fā)器作為CCTV-高清等重要節(jié)目的備份）。

2.DBS接收設(shè)備資源的利用預(yù)測

“戶戶通”面向廣大的偏遠山區(qū)、農(nóng)牧民，其對接收設(shè)備資源利用的基本要求是：①天線口徑盡可能小，天線口徑越小，其半功率角（HP）越大，對天線的指向要求就不是十分敏感，這對于草原上不斷遷徙的農(nóng)牧民較為有利；②接收機的菜單盡可能簡單，遙控器的操作盡量便捷。

3. 小口徑天線資源利用預(yù)測

對未來“戶戶通”接收天線的口徑，筆者建議西部地區(qū)選用45cm的，而對東部全年降雨量不大的地區(qū)，則可考慮選用口徑為20cm的。這是因為口徑的大小與接收點的信號強度Pi和信號質(zhì)量Eb/N0的值有關(guān)。

只要衛(wèi)星天線的口徑選擇后，接收點的Pi在衛(wèi)星接收機的輸入電平范圍內(nèi)，且Eb/N0大于門限值，即表示該尺寸的天線在該地接收可行。

衛(wèi)星接收機輸入電平的典型值為-60至-30dBm（48.8至78.8dBuV）。故衛(wèi)星接收機的輸入電平不應(yīng)小于-60dBm。

中星9號直播衛(wèi)星采用ABS-S傳輸系統(tǒng)，其Eb/N0門限為3.5-4dB。工程上取4dB。故中星9號直播衛(wèi)星接收點的Eb/N0應(yīng)大于4dB。

按照衛(wèi)星傳輸理論，

(1)式中各量的含義為：

EIRP：轉(zhuǎn)發(fā)器的等效全向輻射功率，單位：dBW

BO：轉(zhuǎn)發(fā)器輸出功率回退

m：轉(zhuǎn)發(fā)器的載波數(shù)

圖2 中星9號直播衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的波束圖

LF：電波的擴散損耗，用dB表示

GR：衛(wèi)星天線的增益，用dB表示

GL：高頻頭的增益，用dB表示

其中：

T：衛(wèi)星接收系統(tǒng)的噪聲溫度

Rb：信號碼率，其値為：符號率*188/204*內(nèi)編碼率*2

10lgk是常數(shù)，値為-228.6

根據(jù)中星9號直播衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的波束圖（見圖2），其EIRP在中國境內(nèi)的值為47-56dBW（約2%的區(qū)域除外，位于西南地區(qū)）。

中星9號已運行的轉(zhuǎn)發(fā)器（均屬Ku波段）均采用MCPC（多路單載波）方式傳送。對于MCPC方式，理論上不考慮功率回退，則BO=0；一個轉(zhuǎn)發(fā)器用一個載波轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)目，則m=1。Ku波段電波的擴散損耗LF為205.8dB，Ku波段高頻頭的增益取60dB。衛(wèi)星接收系統(tǒng)的噪聲溫度取100K。如圖1知，中國東部地區(qū)的EIRP值為54-56dBW，本文取54dBW。

當(dāng)d=20cm時，設(shè)天線為合格檔次，其效率η=50%。不難求出，Ku波段直播衛(wèi)星下行信號的波長約為0.025m（對應(yīng)頻率約為12GHz），那么天線增益GR的值為：

根據(jù)公式（1）

很顯然，Pi>48.8dBuV

根據(jù)公式（2）

上面Pi和Eb/N0的計算結(jié)果說明，采用20cm口徑天線，東部多數(shù)地區(qū)都能正常接收且有至少1.5dB的抗雨衰余量。若要進一步增加抗雨衰余量，則還可選用效率高一些的天線，如良好檔次60%，優(yōu)秀檔次70%和理論上的最大效率83%。根據(jù)公式（3），對應(yīng)的E b/N 0余量分別增加10lg(60%/50%)、10lg(70%/50%)和10lg(83%/50%)，即0.8、1.5和2.2。

4.接收機資源利用預(yù)測

對“十二五”后期直播衛(wèi)星“戶戶通”的接收機，筆者建議可增加硬件配置，安裝智能操作系統(tǒng)，并通過與當(dāng)?shù)匾苿庸炯夹g(shù)層面的合作，實現(xiàn)無線上網(wǎng)；同時支持高清解碼。

接收機硬件最低配置：①主頻≥450MHz、內(nèi)存≥256M；②支持H.264、MPEG-2和AVS解碼格式；③帶RJ-45接口；④帶HDMI接口，支持雙USB OTG規(guī)范（以實現(xiàn)兩個USB端口間直接的數(shù)據(jù)傳輸），支持外接游戲手柄、無線鍵盤和大容量硬盤。目前ST公司的7105芯片已能滿足以上要求。

接收機軟件方面你，目前PC機與筆記本電腦以外的智能操作系統(tǒng)以Android和iOS為多。Android操作系統(tǒng)若能成功地移植到直播衛(wèi)星接收機中，則將較大幅度地提升該類接收機的應(yīng)用。鑒于機頂盒式接收機（或一體機）的顯示要求具有比手機更高的處理能力、更高的顯示分辨率、刷新率和OSD（屏幕顯示）色彩深度，因此，需要進行如下攻關(guān)：①開發(fā)一套應(yīng)用程序編程接口，用于瀏覽網(wǎng)頁、接收數(shù)字電視廣播、顯示電子節(jié)目指南，并提供多媒體擴展功能，建立一個框架以實現(xiàn)大屏幕、高清的動態(tài)圖像；②實現(xiàn)在終端上播放包含F(xiàn)LASH的多媒體音視頻文件功能，及瀏覽和編輯通用格式辦公軟件的功能；③實現(xiàn)終端大數(shù)據(jù)量寬帶互聯(lián)網(wǎng)下載和電視節(jié)目（含點播節(jié)目）同步播放的功能。支持?jǐn)帱c續(xù)傳（下載）和續(xù)播功能。

接收機的功能應(yīng)包括：①支持高速上網(wǎng)（含電視上網(wǎng)，包括支持網(wǎng)絡(luò)Flash電視教學(xué)、在線游戲、電視商務(wù)、在線支付、網(wǎng)絡(luò)購物等）；②支持高清電視的廣播與互動（含時移）；③支持USB的多格式媒體播放；④支持?jǐn)?shù)字版權(quán)保護DRM；⑤能與3G手機、平板電腦通過WiFi組成家庭網(wǎng)絡(luò)。

帶直播衛(wèi)星接收和上網(wǎng)功能的一體機（如云電視）的配置可高一些，如主頻≥1GHz，內(nèi)存≥512M。

三、基于立體電視的直播衛(wèi)星技術(shù)資源利用考慮

立體電視是電視的最高形式，中國中星9號直播衛(wèi)星36MHz或54MHz帶寬的轉(zhuǎn)發(fā)器傳送基于AVS編碼格式的立體電視不成問題。早在“十一五”末，美國和英國的直播衛(wèi)星運營商Direct TV公司和BSKyB就分別推出了各自的立體電視節(jié)目并取得了成功。而技術(shù)水平相當(dāng)?shù)闹行?號開展立體電視服務(wù)也是可行的。筆者預(yù)計，隨著“十二五”期間中國城鎮(zhèn)有線立體電視播發(fā)收技術(shù)經(jīng)驗的積累，“十三五”初期中星9號直播衛(wèi)星必將迎來立體電視傳送的新紀(jì)元。