內(nèi)蒙古蒙漢語衛(wèi)視高清節(jié)目衛(wèi)星傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)與思考

肖宇杰 張小平

1.2.內(nèi)蒙古新聞出版廣電局501臺 內(nèi)蒙古 呼和浩特市 010070

引 言

國家新聞出版廣電總局為促進(jìn)高清電視發(fā)展，先后下發(fā)了《關(guān)于促進(jìn)高清電視發(fā)展的通知》（廣發(fā)〔2009〕58號）、《關(guān)于高清同播頻道衛(wèi)星傳輸有關(guān)工作的通知》（技衛(wèi)字〔2010〕178號）、《關(guān)于高標(biāo)清同播技術(shù)要求的若干意見》（廣發(fā)〔2010〕34號），在各地的積極努力之下，截至目前，共有20個(gè)省、市、自治區(qū)具備了高清節(jié)目上星傳輸能力，總數(shù)已達(dá)到全國省份的半數(shù)以上。近年來，內(nèi)蒙古新聞出版廣電局按照總局的要求和時(shí)間表，為實(shí)現(xiàn)內(nèi)蒙古蒙漢語衛(wèi)視高清節(jié)目上星傳輸而努力。2013年，蒙漢語衛(wèi)視高清頻道實(shí)現(xiàn)了全區(qū)有線網(wǎng)覆蓋。

1 高清衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)建設(shè)的必要性

高清電視是電視事業(yè)發(fā)展的必然趨勢，高清化和超高清化是現(xiàn)階段電視技術(shù)發(fā)展的主流方向。目前，70%以上的省級電視臺具備了高清電視制播能力，地球站高清系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展迅猛，高清用戶數(shù)量不斷增加，傳輸?shù)墓?jié)目不斷實(shí)現(xiàn)高清化。為進(jìn)一步提高內(nèi)蒙古蒙漢語衛(wèi)視節(jié)目在全國的影響力，更好地展示自治區(qū)成立70年來的巨大成就，建設(shè)內(nèi)蒙古蒙漢語衛(wèi)視高清節(jié)目上星傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)蒙漢語衛(wèi)視高清節(jié)目上星播出是非常必要的。

2 國內(nèi)高清節(jié)目上星情況分析

從信源編碼方式看，目前總局已批準(zhǔn)開辦的68個(gè)高清上星頻道中，AVS+編碼方式有53套節(jié)目，H.264編碼方式7套，MPEG-2編碼方式8套。高清電視圖像信號數(shù)字化后的信息速率達(dá)1Gbps左右，在帶寬有限的衛(wèi)星上傳輸時(shí)，必須使用壓縮比高的信源編碼標(biāo)準(zhǔn)，使用MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)MP@HL格式傳輸一套高清電視碼率至少需要18Mbps，而使用壓縮效率更高的AVS+只需使用12Mbps就能達(dá)到同樣的圖像質(zhì)量。AVS+是我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，AVS+信源編碼效率更高，性能方面優(yōu)于H.264。此外，采用AVS+編碼技術(shù)可以解決廣電轉(zhuǎn)發(fā)器資源緊張的問題。使用AVS+編碼方式，一個(gè)36MHz帶寬的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器可以傳輸3套高清節(jié)目。目前，安徽、江蘇、浙江高清采用MPEG-2編碼方式，正逐步轉(zhuǎn)換為AVS+編碼方式。

從上行地點(diǎn)來看，有本地上行和異地上行方式。本省市地球站自行上行高清節(jié)目，比如天津、湖南等，CA加擾信號需要遠(yuǎn)程引接至本地。有些省份的高清節(jié)目，由異地上行站上行。需將本省高清節(jié)目遠(yuǎn)程傳輸至異地，在異地進(jìn)行集成加擾和上行，如湖北、浙江等地球站。

3 高清節(jié)目衛(wèi)星傳輸總體技術(shù)架構(gòu)

根據(jù)總局要求，結(jié)合內(nèi)蒙古實(shí)際情況，內(nèi)蒙古衛(wèi)視蒙漢語高清同播節(jié)目（含9套廣播）采用AVS+編碼方式本地上行。每套節(jié)目視頻碼率為12Mbps，音頻碼率為384kbps。廣播節(jié)目采用MPEG-I層II音頻編碼方式，音頻碼率為256kbps。由內(nèi)蒙古廣播電視臺完成信源編碼，通過光纜和微波SDH環(huán)網(wǎng)傳輸至501臺，我臺對內(nèi)蒙古衛(wèi)視蒙漢語高清同播頻道節(jié)目信號、6套廣播節(jié)目和加擾信號進(jìn)行加擾復(fù)用，并對加擾復(fù)用后的TS流進(jìn)行調(diào)制，上行發(fā)射至總局分配的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器。信道編碼采用DVB-S標(biāo)準(zhǔn)，QPSK調(diào)制方式，滾降系數(shù)為0.2。

4 高清上行系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)置主用上行系統(tǒng)、備用上行系統(tǒng)共同承擔(dān)內(nèi)蒙古衛(wèi)視蒙漢語高清同播頻道節(jié)目（含9套廣播）、3個(gè)盟市6套廣播的上星任務(wù)，主用上行系統(tǒng)、備用上行系統(tǒng)配置基本相同。

主用上行系統(tǒng)由加擾復(fù)用系統(tǒng)、中頻系統(tǒng)、射頻系統(tǒng)、天饋系統(tǒng)、上行功率控制系統(tǒng)等部分構(gòu)成。備用上行系統(tǒng)為主用上行系統(tǒng)的系統(tǒng)級備份，與主用上行系統(tǒng)完全獨(dú)立，互不影響。主用上行系統(tǒng)、備用上行系統(tǒng)均具備可靠的信號檢測及自動(dòng)倒換功能，并可手動(dòng)倒換蒙漢高清信號在主用或備用上行系統(tǒng)上行。主、備上行系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 主、備上行系統(tǒng)圖

4.1 加擾復(fù)用系統(tǒng)

根據(jù)總局關(guān)于高清同播頻道加密要求，高清衛(wèi)視需要加密播出。內(nèi)蒙古衛(wèi)視蒙漢語高清頻道本地上星的節(jié)目加擾，擬采用上海文廣付費(fèi)節(jié)目集成平臺。

上海文廣網(wǎng)絡(luò)前端部署條件接收系統(tǒng)（CAS）發(fā)生的加擾信息，由國干網(wǎng)和內(nèi)蒙古廣電網(wǎng)絡(luò)光纜傳輸至501臺機(jī)房進(jìn)入加擾復(fù)用器，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)蒙古衛(wèi)視蒙漢語高清頻道的加擾，并通過501臺將加擾后的節(jié)目流上傳到總局分配的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器。加擾采用Irdeto（愛迪德）系統(tǒng)，配置主備加擾卡，能夠確保加擾信息安全發(fā)送到智能卡上，供用戶解擾節(jié)目。

內(nèi)蒙古衛(wèi)視蒙漢語高清同播頻道節(jié)目（含9套廣播節(jié)目）、3個(gè)盟市6套廣播TS流和加擾信息通過加擾復(fù)用器進(jìn)行打包復(fù)用，復(fù)用器實(shí)現(xiàn)1:1熱備份。每路高清節(jié)目視頻碼率為12Mbps，音頻碼率為384kbps，加擾開銷為530kbps，每套廣播節(jié)目碼率為256kbps，總碼率為（12+0.384）×2+0.256×15+0.53+a=29.720588（Mbps）。式中：a——調(diào)制碼率開銷，取0.728588Mbps。

主備加擾信號、清流信號、墊播信號同時(shí)接入ASI切換器，通過該開關(guān)選擇輸出至上行系統(tǒng)。

（1）ASI信源包括：蒙漢語高清同播頻道節(jié)目（含9套廣播節(jié)目）信號主路1、信號主路2、信號備路1、信號備路2；3個(gè)盟市6套廣播信號主路、信號備路。對應(yīng)SDH設(shè)備、微波設(shè)備業(yè)務(wù)板卡實(shí)現(xiàn)分框安裝，相互獨(dú)立。經(jīng)信號優(yōu)選、加擾復(fù)用、切換等環(huán)節(jié)，輸出加擾ASI、清流ASI信號。在加擾系統(tǒng)故障時(shí)，可切換清流信號進(jìn)行緊急播出。

（2）錄制一段帶臺標(biāo)的高清及廣播墊播素材（ASI信源）作為本站應(yīng)急信號源。配置碼流播放儀將本站應(yīng)急信號接入ASI智能切換器。當(dāng)加擾及清流信源全部中斷時(shí)，通過ASI智能切換器將本站應(yīng)急信號對外應(yīng)急播出。

（3）調(diào)制器前配置ASI智能切換器，傳輸路由故障時(shí)具備自動(dòng)及手動(dòng)切換功能。

4.2 中頻系統(tǒng)

中頻主要完成數(shù)字調(diào)制，將基帶數(shù)字信號調(diào)制到70MHz載波上。目前，廣泛采用抗干擾性好，可靠性高的QPSK調(diào)制方式，其利用四種載波相位傳輸數(shù)據(jù)信息，調(diào)制時(shí)每次可傳輸量2比特?cái)?shù)據(jù)信息，提高了頻譜利用率。

符號率為：29.720588÷2÷3/4÷188/204=21.5(MS/s)。3/4為前向糾錯(cuò)碼，188/204為里德·所羅門碼。

隨著各地高清電視節(jié)目上星傳輸需求不斷增長，用于傳輸高清節(jié)目的廣電專用衛(wèi)星中星6A、中星6B的轉(zhuǎn)發(fā)器資源日趨緊張。因此，要設(shè)法降低占用帶寬，若滾降系數(shù)使用0.35，載波占用帶寬21.5×1.35=29.03(MHz)，滾降系數(shù)使用0.2時(shí)，占用帶寬只有21.5×1.2=25.8(MHz)，節(jié)約轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬3.2MHz，效果非常理想，選擇滾降系數(shù)為0.2。由于501臺機(jī)房離發(fā)射天線場距離較遠(yuǎn)，為縮短上行波導(dǎo)長度，上變頻器和高功放均部署在天線基座下的高功放室。中頻載波信號擬采用中頻光端機(jī)傳送到高功放室，完成上變頻和功率放大。

4.3 射頻系統(tǒng)

射頻系統(tǒng)主要包括上變頻器、高功放設(shè)備及相應(yīng)切換系統(tǒng)。

主、備上行系統(tǒng)的上變頻器按1:1熱備份方式運(yùn)行，主機(jī)內(nèi)置菊花鏈?zhǔn)阶詣?dòng)倒換開關(guān)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換。亦可以手動(dòng)切換以保障安全播出。

為滿足抗干擾需要，主用上行系統(tǒng)的高功放采用3350W速調(diào)管高功放，按1:1配置，并具備自動(dòng)倒換功能。為了進(jìn)一步提高安全播出的可靠性，計(jì)劃再配備1臺1000W固態(tài)功放作為2臺3350W速調(diào)管功放的備份。

按照上行波導(dǎo)損耗為2.5dB，主用上行系統(tǒng)高功放法蘭盤輸出功率按2880W（34.59dBW）計(jì)算，上行系統(tǒng)EIRP能達(dá)到88.2dBW，符合總局62號令衛(wèi)星地球站實(shí)施細(xì)則上行EIRPmax的要求。EIRPmax=PHPA+Gt-Lf=34.59+56.1-2.5=88.2（dBW）

備用上行系統(tǒng)的高功放采用1000W固態(tài)高功放，按1:1配置，并具備自動(dòng)倒換功能。按照上行波導(dǎo)損耗為2.5dB，備用上行系統(tǒng)的高功放法蘭盤輸出功率按930W（29.68dBW）計(jì)算，上行系統(tǒng)EIRP能達(dá)到83.28dBW，符合總局62號令衛(wèi)星地球站實(shí)施細(xì)則中的相關(guān)要求，即備用上行系統(tǒng)的安全運(yùn)行EIRP值應(yīng)不低于主用上行系統(tǒng)正常播出時(shí)的上行EIRP值（76.52dBW）。EIRPmax=PHPA+Gt-Lf=29.68+56.1-2.5=83.28（dBW）

4.4 天饋系統(tǒng)

主播天線和備播天線均為直徑12米卡塞格倫天線，兩幅衛(wèi)星上行天線使用獨(dú)立運(yùn)行的饋線系統(tǒng)。天線均配置自動(dòng)伺服系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤目標(biāo)衛(wèi)星，主備上行播出系統(tǒng)都使用了自動(dòng)增益控制系統(tǒng)。每副天線基座下端均建有高功放室，高功放系統(tǒng)法蘭出口到上行天線輸入接口橢圓波導(dǎo)長度大約15米，傳輸損耗在3dB以內(nèi)。高功放工作在規(guī)定的最大功率輸出情況下，饋線網(wǎng)絡(luò)可以持續(xù)工作大于兩小時(shí)。主、備兩套系統(tǒng)都設(shè)置了除濕波導(dǎo)充氣機(jī)。兩幅12米播出天線可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)融雪，避免降雪天氣導(dǎo)致天線反射面積雪影響上行發(fā)射信號。除雪系統(tǒng)由控制器、雨雪傳感器、加熱器和保溫材料組成，確保降雪天氣影響上行天線的正常使用。

4.5 功率控制系統(tǒng)

配備一套自動(dòng)功率提升系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測高功放的播出參數(shù)，結(jié)合衛(wèi)星下行信道狀態(tài)，能夠檢測到信號傳輸異常并迅速自動(dòng)提升上行功率。能夠確保自動(dòng)和手動(dòng)提升上限功率不超過設(shè)備最大安全功率。設(shè)置自環(huán)接收監(jiān)測，同時(shí)在內(nèi)蒙古新聞出版廣電局直屬841發(fā)射臺設(shè)置高清衛(wèi)視接收系統(tǒng)，用L波段光機(jī)將接收信號傳至501臺，實(shí)現(xiàn)異地接收，以減少本地干擾引起誤提功率。

4.6 網(wǎng)管系統(tǒng)

配備一套網(wǎng)管系統(tǒng)，能夠全面監(jiān)控信號源及上行系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。設(shè)備異態(tài)時(shí)，及時(shí)聲光告警提示值班員?？蓪?shí)現(xiàn)對所有播出設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程手動(dòng)控制，并與總局指揮平臺相連，將系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)推送到總局監(jiān)管中心。該網(wǎng)管與標(biāo)清網(wǎng)管獨(dú)立，避免相互影響。網(wǎng)管系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的控制平臺，其主要功能為：對所有主要設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)看和切換控制；和總局指揮平臺通訊；網(wǎng)管系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性。

4.7 供配電系統(tǒng)

信號引接系統(tǒng)、復(fù)用加擾系統(tǒng)、調(diào)制系統(tǒng)、射頻系統(tǒng)等傳輸系統(tǒng)的供配電均按總局第62號令要求配置，供電采用兩路市電加應(yīng)急發(fā)電機(jī)模式，低壓配電系統(tǒng)具備掉電自動(dòng)切換功能，一路供電中斷時(shí)能保證正常播出；兩套主備高清衛(wèi)視上行系統(tǒng)分別使用獨(dú)立UPS系統(tǒng)，并與現(xiàn)有的標(biāo)清上行系統(tǒng)相互獨(dú)立，UPS斷電帶載能力應(yīng)大于1小時(shí)。同時(shí)，工藝配電負(fù)荷在緊急情況下也能掛接在柴油發(fā)電機(jī)上。

501臺現(xiàn)有兩路外電均為農(nóng)電，播出負(fù)荷使用兩臺不同變壓器，并具有獨(dú)立的低壓供電回路，是單母線分段供電，實(shí)現(xiàn)斷電自動(dòng)、手動(dòng)切換能力。

新建高、低壓配電系統(tǒng)和1+1UPS雙電源回路，電池組后備時(shí)間滿足設(shè)計(jì)負(fù)荷工作半小時(shí)以上。并配備大功率智能柴油發(fā)電機(jī)，能保障播出相關(guān)負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行。所有雙電源設(shè)備和主、備播出設(shè)備使用獨(dú)立的UPS供電。小信號室、UPS室、高功放室、天線場和值班機(jī)房均安裝符合要求的應(yīng)急照明設(shè)施。

4.8 監(jiān)測系統(tǒng)

配備多畫面分割監(jiān)測系統(tǒng)，分別用于監(jiān)聽監(jiān)看信號源、上行系統(tǒng)和下行信號及同轉(zhuǎn)發(fā)器高清衛(wèi)視信號。配備大、小口徑天線（口徑為2.4、3米）接收系統(tǒng)3套。機(jī)房配有大容量硬盤錄像機(jī)和用于2臺下行監(jiān)測頻譜儀。對所有上行設(shè)備取樣點(diǎn)和下行接收信號進(jìn)行24小時(shí)不間斷的時(shí)域、頻域記錄。

結(jié)束語

綜上所述，在高清衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，嚴(yán)格按照《廣播電視安全播出管理規(guī)定》（62號令）及地球站實(shí)施細(xì)則，并結(jié)合501臺實(shí)際情況，總結(jié)以往標(biāo)清地球站運(yùn)行和維護(hù)中的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)過程中必須具有一定前瞻性，保證鏈路工作可靠性高，切換靈活，避免形成單一故障節(jié)點(diǎn)，以確保高清節(jié)目的安全優(yōu)質(zhì)播出。