衛(wèi)星直播車傳輸系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)

沙興

摘要：衛(wèi)星數(shù)字直播車一般是指配備了音視頻采集系統(tǒng)和衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)的專用車，通常也稱之為DSNG（Digital Satellite News Gathering），其核心就是依據(jù)歐洲衛(wèi)星數(shù)字電視廣播標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計(jì)的傳輸系統(tǒng)。本文基于安徽電臺(tái)衛(wèi)星直播車項(xiàng)目的需要，通過深入研究衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)的相關(guān)編碼理論和參數(shù)，對(duì)安徽電臺(tái)衛(wèi)星直播車的傳輸系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計(jì)，具有提高現(xiàn)場(chǎng)直播的時(shí)效性、增強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)直播節(jié)目的傳輸質(zhì)量、節(jié)省發(fā)射功率、降低成本、增強(qiáng)廣播電臺(tái)品牌建設(shè)等方面的重要意義。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星數(shù)字直播車；衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)；傳輸鏈路計(jì)算

中圖分類號(hào)：TN93 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）34-0042-04

Abstract： Digital satellite broadcast vehicles generally refers special vehicles equipped with audio and video acquisition system and satellite transmission systems， usually called DSNG（Digital Satellite News Gathering）. It is the transmission systems designed by the European satellite digital TV broadcasting standard. This subject Based on the needs of Anhui Radio satellite vehicles project， through in-depth studying related to coding theory and parameters of satellite transmission systems， which is significant of transmission system planning and design for Anhui digital satellite broadcast vehicles on improving the timeliness and enhance transmission quality live broadcast program， saving transmission power， reduce costs， and enhance brand-building radio stations and other aspects.

Key words： digital satellite broadcast vehicle； satellite transmission system； transmission link calculation

1 概述

衛(wèi)星直播車是指配備數(shù)字衛(wèi)星新聞采集系統(tǒng)的直播車，也稱為DSNG。它是以衛(wèi)星通信系統(tǒng)作為傳輸平臺(tái)，將活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)所采集到的音視頻信號(hào)數(shù)字化，經(jīng)壓縮處理，通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)回媒體機(jī)構(gòu)的播控中心，然后直接或者經(jīng)過再次處理后播出，具有傳輸質(zhì)量高，抗干擾能力強(qiáng)，傳輸容量大，傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，衛(wèi)星直播設(shè)備在保持廣播級(jí)的音視頻指標(biāo)的同時(shí)，也在朝小型化和輕型化發(fā)展，使其在廣電行業(yè)逐步得到了普及，成為現(xiàn)場(chǎng)直播重要的技術(shù)手段。從1997年我國(guó)第一次使用衛(wèi)星傳輸完成新聞直播開始，其在直播活動(dòng)中的使用日益廣泛，香港和澳門的回歸慶典、海灣危機(jī)的系列直播，直至2008年奧運(yùn)會(huì)、2009年全運(yùn)會(huì)等重大新聞和體育賽事的轉(zhuǎn)播都使用了衛(wèi)星直播系統(tǒng)。目前，不僅中央臺(tái)，很多省級(jí)電臺(tái)甚至一些市級(jí)電臺(tái)也擁有衛(wèi)星直播車，隨著聽眾對(duì)電臺(tái)節(jié)目多元化的需求和傳輸技術(shù)的發(fā)展，各家電臺(tái)根據(jù)自身的定位和當(dāng)?shù)氐膶?shí)際需求，對(duì)衛(wèi)星直播車更提出了很多個(gè)性化的需求，使得衛(wèi)星直播車的形態(tài)更加多樣化。

2 衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)和編碼

2.1 DVB傳輸標(biāo)準(zhǔn)

DVB即Digital Video Broadcasting，是歐洲數(shù)字視頻廣播標(biāo)準(zhǔn)，它具有開放的結(jié)構(gòu)和統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)框架，由歐洲D(zhuǎn)VB組織發(fā)起，目前已在全世界范圍內(nèi)被廣泛接受。DVB標(biāo)準(zhǔn)由三個(gè)組成：DVB—S， DVB—T，DVB—C，分別針對(duì)衛(wèi)星通信，地面廣播和有線廣播。它的核心技術(shù)是基于MPEG—2音視頻編碼技術(shù)，DVB的主要傳輸標(biāo)準(zhǔn)如表1所示：

2.2 DVB-S系統(tǒng)

2.2.1 DVB-S系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

DVB-S系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，由圖可以看出，發(fā)送端分為信源編碼（即信號(hào)形成）和信道編碼（即信號(hào)傳輸）兩大部分。

2.2.2 信源編碼

信源編碼要實(shí)現(xiàn)兩大功能，一是將模擬的信源信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信源信號(hào)，實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的數(shù)字化傳輸。二是對(duì)數(shù)據(jù)壓縮，對(duì)信源輸出的符號(hào)序列施行變換，減少信源輸出符號(hào)序列中的剩余度，提高符號(hào)的平均信息量。

2.2.3 信道編碼

信道是信號(hào)的傳輸媒介，廣義信道按照它的功能可以被劃分為調(diào)制信道和編碼信道。在使用衛(wèi)星信道傳輸數(shù)據(jù)時(shí)需要具備很高的可靠性，但由于衛(wèi)星通信環(huán)境的復(fù)雜決定其傳輸信道不可避免地要受到各種干擾，因此需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行編碼，其主要任務(wù)一是糾錯(cuò)和檢錯(cuò)，二是充分利用資源，達(dá)到信道容量。在DVB-S傳輸系統(tǒng)中，通常先對(duì)信號(hào)進(jìn)行隨機(jī)化處理后再進(jìn)行編碼，常用的信道編碼方式有R-S糾錯(cuò)碼、卷積碼、內(nèi)碼編碼。

3 衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)的鏈路計(jì)算和分析

信號(hào)在整個(gè)衛(wèi)星鏈路的傳輸過程中，要經(jīng)過上行鏈路、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器和下行鏈路，其信號(hào)質(zhì)量取決于收到信號(hào)的功率大小和接收系統(tǒng)的噪聲功率大小，衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)鏈路設(shè)計(jì)的主要目的就是在兩個(gè)地球站之間有效地提供高質(zhì)量且可靠的鏈接手段。

設(shè)計(jì)衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)的最重要的步驟就是衛(wèi)星傳輸鏈路的計(jì)算，根據(jù)計(jì)算的結(jié)果來對(duì)傳輸設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)和選型，計(jì)算主要是依據(jù)地面的上行站以及衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的參數(shù)，來分析衛(wèi)星傳輸鏈路的載噪比、上下行鏈路的品質(zhì)因數(shù)等性能指標(biāo)，從而計(jì)算上行站應(yīng)該達(dá)到的EIRP值，確定高功放的上行發(fā)射功率。

3.1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的構(gòu)成

衛(wèi)星通信指的是在兩個(gè)或者多個(gè)通信站之間，利用人造衛(wèi)星作為中繼站進(jìn)行的微波射頻通信，通信站可以是地面固定站或者移動(dòng)車載站。完整的衛(wèi)星通信系統(tǒng)通常由地球站子系統(tǒng)、通信衛(wèi)星子系統(tǒng)、跟蹤遙測(cè)及指令子系統(tǒng)，以及監(jiān)控管理子系統(tǒng)四部分構(gòu)成，如圖2。

3.2 鏈路計(jì)算

指的是利用已知地面站和衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的參數(shù)，計(jì)算出整個(gè)鏈路的載噪比和上行站的發(fā)射功率等，通過鏈路計(jì)算能夠在引入各種損耗的條件下充分估計(jì)系統(tǒng)的余量，為設(shè)備的選型和評(píng)估系統(tǒng)的性能提供科學(xué)依據(jù)。

鏈路計(jì)算的原則：

（1） 鏈路計(jì)算要遵守功帶平衡的原則，即要滿足式：

[使用轉(zhuǎn)發(fā)器功率轉(zhuǎn)發(fā)器總功率=租用帶寬轉(zhuǎn)發(fā)器總帶寬]

衛(wèi)星公司不允許用戶超功率使用，只能使用相應(yīng)頻率帶寬內(nèi)的功率，如用戶租用了2MHz的帶寬但超功率使用了3dB，實(shí)際上等同于發(fā)射了4MHz帶寬的載波，收費(fèi)時(shí)衛(wèi)星按照4MHz計(jì)算。

（2） 上行和下行雨衰不同時(shí)考慮的原則。

（3） 適度保守原則。

鏈路預(yù)算的步驟見圖3。

3.2.1 衛(wèi)星的選定

衛(wèi)星的主要技術(shù)指標(biāo)就是EIRP、SFD以及G/T值，在實(shí)際使用中，沒有完全相同的兩段轉(zhuǎn)發(fā)器頻段。影響最終使用效果的因素很多，例如：操作者的經(jīng)驗(yàn)、衛(wèi)星天線與通信轉(zhuǎn)發(fā)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等等，因此，在租用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器之前，必須盡可能多的比較和了解衛(wèi)星資源。出于安全播出因素的考慮，不方便公布實(shí)際租用的衛(wèi)星名稱，本文的計(jì)算僅以亞洲3S衛(wèi)星的Ku頻段轉(zhuǎn)發(fā)器為例。

①亞洲3S衛(wèi)Ku頻段轉(zhuǎn)發(fā)器參數(shù)

東亞波束：8-16個(gè)54MHz帶寬轉(zhuǎn)發(fā)器（中國(guó)及周邊國(guó)家）

南亞波束：0-8個(gè)54MHz帶寬轉(zhuǎn)發(fā)器（南亞、中亞及中東地區(qū)）

移動(dòng)波束：0-4個(gè)54MHz帶寬轉(zhuǎn)發(fā)器，目前定點(diǎn)在澳大利亞

②配備輸入和輸出矩陣

轉(zhuǎn)發(fā)器可在不同波束間調(diào)動(dòng)

衛(wèi)星信號(hào)可實(shí)現(xiàn)波束交鏈

③工作頻率：上行14.00～14.50GHz，下行12.25～12.75GHz

④極化方式：線性雙極化

⑤轉(zhuǎn)發(fā)器增益： 193.10dB

⑥行波管放大器功率：140W

⑦衛(wèi)星KU頻段[EIRPSS]：合肥地區(qū)53.8dBW

⑧衛(wèi)星KU頻段[GTS]值：合肥地區(qū)6.6 dB/K

⑨衛(wèi)星KU頻段飽和通量密度SFD：合肥地區(qū)-91.6 dBW/㎡

⑩衛(wèi)星KU頻段每載波輸入、輸出補(bǔ)償：[BOi]=6 dB和[BOo]=3 dB。

3.2.2 計(jì)算參數(shù)基準(zhǔn)

安徽臺(tái)衛(wèi)星直播車的主要工作區(qū)域是在合肥和安徽省內(nèi)地區(qū)，下面以合肥蜀山區(qū)的地理坐標(biāo)來地理坐標(biāo)來進(jìn)行鏈路計(jì)算

1、合肥蜀山區(qū)地理坐標(biāo)：經(jīng)度：東經(jīng) 117.27度 緯度：北緯31.85度

2、Ku頻段上行工作頻段：14.00～14.50GHz 本文選用中心頻率14.25GHz

3、Ku頻段下行工作頻段：12.25～12.75GHz 本文選用中心頻率12.50GHz

4、信息數(shù)率：2Mbps

5、前向糾錯(cuò)FEC：3/4，外碼：RS=188/204

6、調(diào)制方式：QPSK，編碼增益：[Ge]=5dB，

7、濾波器滾降系數(shù)為0.3。

8、設(shè)備性能損失為[De] =0.8dB

9、系統(tǒng)誤比特率要求為[Pe=1×10-6]

10、車載天線： 1.2米天線

11、廣電中心使用天線：3.7米天線

3.2.3 載波參數(shù)

等效噪聲帶寬[Bn=1.2RbCrlog2M=1.2×20.69log24=1.74（MHz）]

載波占用帶寬 [Bo=（1+α）RbCrlog2M=（1+0.3）×20.69log24=1.88（MHz）]

3.2.4 衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器參數(shù)計(jì)算

3.2.5 車載站參數(shù)計(jì)算

車載站地理位置參數(shù)

合肥地區(qū)緯度：[θ]=31.85°

合肥地區(qū)與衛(wèi)星的經(jīng)度差：[Δ?]=117.27°-105.5°=11.77°

衛(wèi)星距離赤道高度：H=35786Km

地球赤道半徑： R=6378Km

經(jīng)過計(jì)算得到車載站天線發(fā)射增益[GT] =42.9 （dBi）

饋線損耗

饋線損耗指的是高功放到天線饋源之間的波導(dǎo)損耗，通常按照取2dB。

天線指向損耗計(jì)算

亞洲3S衛(wèi)星的在軌精度為±0.05°，且通常取風(fēng)造成的誤差為0.025°，因此總的均方根指向誤差，計(jì)算得到車載站發(fā)射指向損耗為0.014 dB。

3.2.6 固定站參數(shù)計(jì)算

固定站地理位置參數(shù)、到衛(wèi)星的距離d、上行站發(fā)射天線仰角EL和方位角AZ同車載站。

3.2.7 上行鏈路的計(jì)算

由上面的鏈路計(jì)算結(jié)果可以看出，不論是晴天還是下雨天，鏈路都留有足夠的余量，因此該衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案是可行的。

4 安徽臺(tái)衛(wèi)星直播車傳輸系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)

4.1 衛(wèi)星直播車總體布局

經(jīng)過多次討論研究，決定采用進(jìn)口的奔馳524中型客車，經(jīng)過改裝后作為衛(wèi)星直播車，車內(nèi)分為駕駛區(qū)、直播區(qū)和技術(shù)區(qū)，除衛(wèi)星天線外，音視頻設(shè)備和衛(wèi)星收發(fā)設(shè)備均安裝的機(jī)架上。布局圖見圖4。

4.2 車載站的集成設(shè)計(jì)

車載站需要實(shí)現(xiàn)上行發(fā)射和下行接收功能，上行發(fā)射是將直播現(xiàn)場(chǎng)的音頻信號(hào)和圖像發(fā)送回廣電中心的總控機(jī)房，然后分配到目標(biāo)直播間；下行主要是接收未經(jīng)延時(shí)的直播間信號(hào)，用于兩地直播間的互動(dòng)或者便于選擇合適的直播起始時(shí)間。上行發(fā)射系統(tǒng)主要設(shè)備包括：編碼器、調(diào)制器、上變頻器功率放大器（BUC）、衛(wèi)星天線；下行接收系統(tǒng)主要由衛(wèi)星天線、低噪聲放大器（LNB）、解碼解調(diào)器構(gòu)成。

如圖5所示，現(xiàn)場(chǎng)采集的模擬或數(shù)字（ASI碼流）的立體聲音頻信號(hào)或車載音頻設(shè)備提供的模擬或數(shù)字（ASI碼流）立體聲音頻信號(hào)送入衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)中的音頻編碼器，音頻編碼器按照MPEG標(biāo)準(zhǔn)對(duì)輸入的立體聲音頻信號(hào)進(jìn)行壓縮、編碼，將信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榇a流速率為128-384Kbps（常用的為256Kbps）的MPEG數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)碼流再送入DVB-S衛(wèi)星調(diào)制器，衛(wèi)星調(diào)制器對(duì)輸入的MPEG數(shù)字信號(hào)碼流進(jìn)行糾錯(cuò)編碼后進(jìn)行QPSK方式的調(diào)制，將MPEG數(shù)字信號(hào)碼流轉(zhuǎn)變?yōu)橹蓄l頻率為950MHz-1450MHz的QPSK的中頻調(diào)制信號(hào)。至此原始立體聲信號(hào)已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)镸PEG DVB標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字電視廣播信號(hào)。經(jīng)過調(diào)制的數(shù)字音頻廣播信號(hào)送入KU頻段上變頻功率放大器。KU頻段上變頻功率放大器對(duì)輸入的小功率（信號(hào)功率強(qiáng)度一般在-40dBmW—25dBmW之間，信號(hào)頻率為950MHz-1450MHz之間）進(jìn)行放大、變頻、再放大，將其轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率范圍在14GHz-14.5GHz之間的KU頻段大功率射頻信號(hào)（此時(shí)射頻信號(hào)的功率根據(jù)實(shí)際需要在1-60W之間）。KU頻段的大功率信號(hào)通過KU頻段波導(dǎo)送入車載天線的饋源，再通過天線的主反射面（天線主面）的反射發(fā)送上指定衛(wèi)星。至此衛(wèi)星上行傳輸系統(tǒng)完成了現(xiàn)場(chǎng)電視信號(hào)的發(fā)送工作。

4.3 固定站的集成設(shè)計(jì)

固定站的上行發(fā)射是將中心直播室的信號(hào)發(fā)送至直播車上，下行接收時(shí)接收來自車載站的上行信號(hào)。上行發(fā)射系統(tǒng)主要設(shè)備包括：編碼器、調(diào)制器、上變頻器功率放大器（BUC）、衛(wèi)星天線；下行接收系統(tǒng)主要由衛(wèi)星天線、低噪聲放大器（LNB）、解碼解調(diào)器構(gòu)成。除了使用的衛(wèi)星天線及相應(yīng)的BUC與車載站不同外，其他相同的部分就不再贅述。

5 結(jié)論

本直播車系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮了多種直播模式下的技術(shù)需求，使得直播車能勝任各種類型的直播活動(dòng)，可以和廣電中心的直播室實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接，信號(hào)傳輸穩(wěn)定，質(zhì)量?jī)?yōu)良，完全達(dá)到廣播級(jí)水準(zhǔn)。在設(shè)備的選型方面充分考慮未來行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)和電臺(tái)業(yè)務(wù)發(fā)展的需要，采用的都是當(dāng)今世界廣播業(yè)先進(jìn)、成熟、可靠的技術(shù)和產(chǎn)品，使得系統(tǒng)達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

參考文獻(xiàn)：

[1] 夏克文， 池越， 張志偉，等. 衛(wèi)星通信[M]. 西安： 西安電子科技大學(xué)出版社， 2008.

[2] Louis J. Ippolito Jr. 衛(wèi)星通信系統(tǒng)工程[M]. 孫寶升，譯. 北京： 國(guó)防工業(yè)出版社， 2012.

[3] 張瑾. 基于DVB標(biāo)準(zhǔn)的MPEG音頻解碼器設(shè)計(jì)研究與實(shí)現(xiàn)[D]： 碩士. 杭州：浙江大學(xué)， 2006.9.

[4] 曹峰. 直播電視的數(shù)字衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)的研究[D]： 碩士. 南京： 南京郵電大學(xué)， 2013.13.

[5] 門愛東. DVB-S2： 第二代衛(wèi)星數(shù)字視頻廣播[EB/OL]. 北京： 北京郵電大學(xué)電信工程學(xué)院多媒體通信中心， [2014-8-17].http：//wenku.baidu.com/link？url=TGAsI8_-e9TLCR60AQ3hSG 8ZbHdr5sdhQwuDbJy7hnns6Sd9GD6zUCZ1iXFpL3hTzNeonZRgUrq94p-t5LFwQ-21caZ42LnUN6mQYy_QNOe

[6] 陳幫洪. 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與規(guī)劃設(shè)計(jì)[D]： 碩士. 成都： 電子科技大學(xué)， 2004. 21.

[7] 杜毅. 現(xiàn)場(chǎng)直播音頻信號(hào)傳輸?shù)膸追N方式[J]. 無(wú)線互聯(lián)科技， 2012（3）：11-12.

[8] 樊昌信， 張甫翊， 徐炳祥，等. 通信原理[M]. 第五版. 北京： 國(guó)防工業(yè)出版社. 2001.

[9] 張帆. 多路數(shù)字電視傳輸流編碼器的設(shè)計(jì)[D]： 碩士. 武漢： 華中科技大學(xué)， 2007. 13.

[10] 畢成余. 無(wú)線擴(kuò)頻系統(tǒng)中信道編碼的研究[D]： 碩士. 南京： 東南大學(xué)， 2006. 57.