廣播電視微波傳輸技術的發(fā)展與應用

楊鵬川

（國家廣播電視總局海南監(jiān)測臺，海南 海口 571124）

0 引 言

20 世紀，人類發(fā)明了微波通信技術。相比于通信電纜，微波通信具有資金投入小、建設周期短以及抗災能力強等優(yōu)點，因此得到了快速發(fā)展。作為廣播電視系統(tǒng)中一種重要的通信手段，微波傳輸技術得到了快速發(fā)展。廣大人民群眾對廣播電視節(jié)目質量提升的需求，促使傳輸節(jié)目的質量和數(shù)量發(fā)生了根本性變化。從發(fā)展過程來看，廣電領域的微波傳輸技術已從最初的模擬微波、數(shù)字微波發(fā)展到IP 微波。面對一個全新的網(wǎng)絡化和信息化時代，大容量、高質量地傳送信息成為當前微波傳輸技術的主要特點。IP 微波可提供大容量的帶寬、簡潔的系統(tǒng)架構以及良好的接口兼容性，逐步替代了原有的PDH、SDH 數(shù)字微波，并獲得了市場應用。

1 模擬微波系統(tǒng)

在廣播電視領域，模擬微波傳輸把視頻信號和音頻信號調制在微波信道上，通過天線發(fā)射出去。接收站點通過天線接收微波信號，利用微波收信機接收并解調出原來的視頻信號和音頻信號，如圖1所示。

隨后，數(shù)字廣播電視信號逐步出現(xiàn)并開始應用。傳輸時，它必須解嵌前端的數(shù)字信號SDI，得到獨立的數(shù)字視頻和數(shù)字音頻信號，并分別對數(shù)字視音頻信號進行D/A 轉換，將模擬信號接入微波單元完成調制并發(fā)射。

在早期廣播電視應用中，各地節(jié)目數(shù)量較少，模擬微波的使用尚可滿足需求。隨著時代的進步，人們對廣播電視節(jié)目數(shù)量和質量的需求逐步提升，傳統(tǒng)模擬微波的弊端越來越凸顯。

（1）抗干擾能力差。電信號在沿線傳輸過程中會受到外界和內部各種噪聲的干擾，噪聲與信號混合后難以分開，嚴重影響通信質量。線路越長，噪聲累計越多［1］。

圖1 模擬微波廣播電視信號傳輸簡圖

（2）設備單一，組網(wǎng)管理困難，難以實現(xiàn)大規(guī)模集成，導致效率低下和成本上升。

（3）保密性差。模擬通信尤其是模擬微波，容易被敵方竊聽。只要能接收到模擬信號，就容易得到通信內容。

（4）隨著計算機的快速發(fā)展，模擬微波難以滿足大容量和高質量的信號傳輸要求。

廣播電視是人們了解世界動態(tài)、國家政策及時事新聞的主要手段，在人們的生活中扮演著重要角色。隨著廣播電視數(shù)字化進程的加快，數(shù)字微波進入公眾視線后，以其巨大的性能優(yōu)勢迅速代替了傳統(tǒng)模擬微波，為廣播電視行業(yè)的數(shù)字化發(fā)展打下了堅實基礎，于是模擬微波逐漸退出歷史舞臺。

2 SDH 數(shù)字微波系統(tǒng)

廣播電視節(jié)目的數(shù)量從一套到多套，節(jié)目傳輸從點對點到網(wǎng)狀發(fā)展，使得模擬微波已難以滿足快速發(fā)展的廣播電視傳輸網(wǎng)的組建，而數(shù)字微波技術給廣播電視的發(fā)展帶來了機遇。數(shù)字微波技術不僅提升了頻道資源利用率，使得頻道數(shù)量成倍增長，而且提升了視頻清晰度和音頻收聽效果。數(shù)字微波在傳輸質量方面具備極好的抗干擾能力和保密性，幾乎沒有噪聲干擾的同時還可以完成信號加密，有利于數(shù)字處理，極大地擴展了其功能和服務［2］。同時，由于信息容量和承載業(yè)務的成倍增加，信道的傳輸能力面臨著巨大挑戰(zhàn)。

同步數(shù)字體系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）的出現(xiàn)成為廣播電視行業(yè)傳輸系統(tǒng)的一次變革。SDH 由準同步數(shù)字體系（Plesiochronous Digital Hierarchy，PDH）發(fā)展而來，以其接口方式、復用方式、運維方式及兼容性方面無可比擬的優(yōu)點，快速代替了PDH?；赟DH 開發(fā)的數(shù)字微波系統(tǒng)同樣具備SDH 的優(yōu)點，并在全國各臺快速落地應用，從根本上解決了傳統(tǒng)微波面臨的容量限制、網(wǎng)管不可控、傳輸安全性不高以及傳輸質量不穩(wěn)定等問題［3］。

由于SDH 微波系統(tǒng)架構需要接口適配，因此在系統(tǒng)架構和設備配置上比傳統(tǒng)微波系統(tǒng)要復雜。圖2 為SDH 微波傳輸系統(tǒng)的一種常用架構。它將廣播和電視分別編碼，統(tǒng)一復用適配，完成信號的統(tǒng)一傳輸，適用于全國各個省市臺的微波傳輸系統(tǒng)。

圖2 SDH 數(shù)字微波在廣播電視傳輸系統(tǒng)中應用簡圖

信號流程如下。

（1）多路SDI 視頻信號和多路AES 音頻信號分別經(jīng)各自編碼器完成編碼，其中碼率根據(jù)實際情況可調，具有很高的靈活性。

（2）編碼后的電視碼流ASI 信號和音頻碼流ASI 信號進入碼流復用器完成復用形成多節(jié)目TS流，然后通過適配器完成ASI-DS3 接口適配，碼率調整為45 Mb/s。

（3）DS3 接口信號進入微波節(jié)點設備，也可稱為終端復用設備，將DS3 接口信號統(tǒng)一復用成SDH中最基本的模塊STM-1，速率為155.52 Mb/s，即每個STM-1 可以完成3 個DS3 45 Mb/s 信號的復用，形成一個完整的STM-1 模塊。以標清電視（壓縮編碼6 Mb/s）和AES 廣播（256 kb/s）為例，除去開銷一個DS3 45 Mb/s 可完成6 套標清電視和12 套數(shù)字廣播的傳輸任務，一個STM-1 至少可以完成18套標清電視和36 套數(shù)字廣播傳輸任務。如果有更高的容量需求，可以在STM-1 的基礎上實現(xiàn)擴容。SDH 制定了統(tǒng)一的速率標準和光路接口標準（如表1 所示），其容量也會以倍數(shù)形式增加。不管是在容量上還是擴展性上，相比于傳統(tǒng)微波，它都具有無可比擬的優(yōu)勢。

表1 SDH 模塊接口速率表

（4）IDU 負責業(yè)務接入、復用/解復用以及調制/解調。光纖信號進入微波室內單元IDU 后，由IDU 完成信號處理，調制為IF 信號通過中頻電纜發(fā)送到ODU，如圖3 所示。微波機房一般設于樓頂，以減少IDU 與ODU 之間中頻電纜的長度。如果IDU 距離基帶傳輸機房較遠，微波節(jié)點設備通常會采用光接口形式完成信號傳輸進入IDU。

（5）ODU 完成IF 信號的上變頻和功率放大后送往天饋線系統(tǒng)發(fā)射，同時將接收到的RF 信號下變頻轉換為IF 信號，如圖3 所示。通常，IDU 與ODU 之間的中頻電纜內傳輸有IF 信號、控制信號、監(jiān)控信號、告警信號以及直流電力供給信號5 種信號。其中，IF 信號包括上行IF 信號和下行IF 信號，且上行IF 和下行IF 頻率不同；控制信號實現(xiàn)電路、同步器以及發(fā)射功率的控制；監(jiān)控信號通過中頻電纜實現(xiàn)發(fā)射功率的確認和輸出功率的性能監(jiān)控；告警信號負責反饋ODU 的告警信息；IDU 為ODU 提供直流電力供給信號，通常為-48 V 直流電源。

（6）收信端天線將RF 信號送至ODU，然后ODU 完成低噪聲放大和下變頻后，通過中頻電纜送至IDU。

圖3 SDH 數(shù)字微波原理圖

（7）IDU 完成IF 信號的解調和解碼后輸出基帶信號。至此，微波信號完成傳輸。

SDH 微波系統(tǒng)利用SDH 數(shù)字通信的優(yōu)點，采用微波作為載波傳輸數(shù)字信號，兼有SDH 通信和微波通信的優(yōu)點。同時，兩者的融合必須采用一些關鍵技術作為支撐，如編碼調制技術、交叉極化干擾抵消技術（Cross-Polarization Interference Cancellation，XPIC）、自適應頻域和時域均衡技術、高線性功率放大器技術、自動發(fā)射功率控制（Automatic Transmit Power Control，ATPC）技術以及分集合成技術。這些關鍵技術為SDH 數(shù)字微波電路的應用提供了堅實的理論基礎，成為工程設計的技術依據(jù)［4］。

3 IP 微波系統(tǒng)

隨著國家推行中國特色的三網(wǎng)融合之路，需全面推進廣播電視的網(wǎng)絡化改造與整合。面對市場需求的變化，廣播電視行業(yè)也加快推進了行業(yè)的IP化進程。因此，IP 微波在市場需求的助推下取得了巨大發(fā)展。

IP 微波與PDH/SDH 微波在數(shù)據(jù)形式、帶寬分配、調制級別以及傳輸系統(tǒng)架構上存在差別，主要體現(xiàn)在以下方面。

（1）SDH 微 波 采 用 時 分 復 用 模 式（Time-Division Multiplexing，TDM），同一信道上傳輸多個數(shù)字化的數(shù)據(jù)，如語音、視頻及數(shù)據(jù)等都統(tǒng)一采用幀結構。傳輸過程中如果出現(xiàn)幀丟失，會導致接收端的信號質量下降甚至無法接收［4］。IP 微波采用的IP 協(xié)議是計算機網(wǎng)絡通信中常用的網(wǎng)絡協(xié)議。所有數(shù)據(jù)的通信都采用IP 數(shù)據(jù)包的形式，即將幀結構形式的數(shù)據(jù)通過封裝完成IP 數(shù)據(jù)包的轉換，繼而通過微波完成傳輸。接收端只需通過解封裝和解碼即可完成數(shù)據(jù)還原。

（2）SDH 微波在分配帶寬時必須大于等于其傳輸內容的最大帶寬，且一旦帶寬完成分配，即使某時段或者長時間帶寬實際占用率很低，為保證內容完整性不能調整帶寬，否則易造成丟幀現(xiàn)象。IP微波采用數(shù)據(jù)包形式，其傳輸帶寬的設定具有特定的規(guī)則。傳輸內容的數(shù)據(jù)包帶寬根據(jù)規(guī)則自動調整，根據(jù)內容大小和優(yōu)先級分配帶寬，使每個數(shù)據(jù)流都不會產(chǎn)生丟包現(xiàn)象。在帶寬分配和使用上，IP 微波比SDH 的TDM 具備更高的靈活性和帶寬利用率。

（3）SDH 數(shù)字微波多采用正交振幅調幅（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）方式進行信號調制。對于不同的頻段，SDH 數(shù)字微波最大可實現(xiàn)128QAM，完成STM-1 級別信號的帶寬。IP微波采用自適應調制技術，可根據(jù)外界環(huán)境自動調整調制級別，也可根據(jù)需求采用固定調制方式。業(yè)界多采用256QAM、512QAM 甚至1024QAM。此外，一些運營商已開始使用QAM2048 方式，以提供更大的帶寬。可見，IP 微波以更先進的QoS、更多的優(yōu)先等級以及更高精度的時鐘同步，為運營商提供了更高的靈活性和經(jīng)濟性。

（4）SDH 微波在信號接入前必須完成指定速率的復用，對前/終端信號和設備提出了要求，提升了系統(tǒng)的復雜程度。

IP 微波采用IP 協(xié)議，其接口和周邊設備極其開放，業(yè)務配置靈活程度高，系統(tǒng)兼容性好，比之前的微波系統(tǒng)結構更加簡單高效，如圖4 所示。

IP 微波在廣播電視傳輸系統(tǒng)的實際架構比SDH 微波簡潔。對于多路IP 信號，IP 微波可以通過數(shù)據(jù)交換機完成交換轉發(fā)，從而實現(xiàn)信號接入；對于單路IP 信號，IP 微波甚至可以節(jié)省交換機，使得整個系統(tǒng)更加簡單高效。

圖4 IP 微波在廣播電視傳輸系統(tǒng)中應用簡圖

系統(tǒng)中信號流程如下。

（1）SDI 和AES 信號分別進行編碼，以IP 信號格式輸出，進入數(shù)據(jù)交換機。

（2）數(shù)據(jù)交換機完成數(shù)據(jù)交換轉發(fā)任務，使得數(shù)據(jù)進入IP 微波IDU。

（3）IDU 將IP 數(shù)據(jù)包復接插入微波幀，經(jīng)過數(shù)字信號處理送往ODU。

（4）ODU 的功能與SDH 微波ODU 功能一致，將信號混頻放大后經(jīng)天饋系統(tǒng)送往遠端，經(jīng)遠端ODU 信號處理后送至IDU。

（5）接收端IDU 將微波幀信號還原為IP 信號，通過交換機和解碼器完成基帶信號還原。

IP 微波率先應用于移動網(wǎng)絡領域。4G 網(wǎng)絡的廣泛應用和5G 網(wǎng)絡的逐漸鋪開，使得網(wǎng)絡帶寬需求呈現(xiàn)幾何倍數(shù)增長。在一些光纜無法鋪設或者鋪設成本很高的地區(qū)，微波成為一種低成本有效的手段。對運營商來說，系統(tǒng)IP 化有利于站點的緊急開通，有利于實現(xiàn)業(yè)務的快速部署。IP 微波相比SDH 微波能夠提供更大的帶寬和更快速靈活的接入，可實現(xiàn)單載頻帶寬達到Gb/s 級，突破了SDH 微波STM-1 級容量的限制，能夠滿足STM-4/STM16等大帶寬鏈路的帶寬要求。加上先進的IP 技術，如MPLS 和1588v2 時鐘同步技術［5］，微波的整體可靠性可以達到99.99%以上。不但能完全滿足廣電級別的應用，而且具備與SDH 網(wǎng)絡同級別的業(yè)務運維能力、圖形化網(wǎng)管、1+0/1+1 熱備份、自動倒換保護、告警的精準定位以及性能的實時監(jiān)控。

隨著網(wǎng)絡化進程的加快，IP 微波傳輸將是未來廣播電視網(wǎng)中的重要一環(huán)。它既具有SDH 微波的高效、穩(wěn)定、可靠及建設周期短等優(yōu)點，又具有網(wǎng)絡技術上的優(yōu)勢，是廣播電視網(wǎng)絡化和IP 化的重要組成部分。

4 結 語

本文主要講述了微波在廣播電視系統(tǒng)中的發(fā)展與應用。微波的每一次技術革新，都將大幅提升信號的質量和帶寬。隨著ICT 產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，IP 微波以帶寬大、有效性高以及業(yè)務配置靈活等突出優(yōu)點，完全適用于快速發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)時代。因此，廣播電視的網(wǎng)絡化必定會在未來占據(jù)主導地位，也會帶動IP 微波技術的發(fā)展，取得更廣闊的產(chǎn)業(yè)應用。