數(shù)字信號(hào)衛(wèi)星傳輸技術(shù)研究

吳 洋

（中央廣播電視發(fā)射二臺(tái)，北京 100032）

0 引 言

電視機(jī)是人們?cè)?0世紀(jì)的杰出發(fā)明，它的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了人們可以見(jiàn)到千里之外的事情、聽(tīng)見(jiàn)千里之外的聲音的愿望。隨著人們科技進(jìn)步的發(fā)展，數(shù)字電視產(chǎn)生與以往不一樣的仿真模擬衛(wèi)星信號(hào)[1]。2004年，我國(guó)基本掌握了數(shù)字電視從演播室到發(fā)射、傳輸、用戶(hù)端接收所有環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)。2001年3月，國(guó)家廣播電視總局就指出了我國(guó)電視廣播數(shù)字化的發(fā)展前景，包含2005年前全面深化推廣數(shù)字化過(guò)程。2010年，基本完成全國(guó)各地電視廣播數(shù)字化，普及化數(shù)字電視。2015年前，全面落實(shí)數(shù)字化，圓滿(mǎn)完成仿真模擬向數(shù)字化的轉(zhuǎn)換，逐漸停止播放模擬電視。

1 數(shù)字電視技術(shù)的發(fā)展

數(shù)字電視技術(shù)是近20年里發(fā)展最快的新技術(shù)之一?？傮w來(lái)說(shuō)，數(shù)字電視技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了3個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

第一階段：20世紀(jì)80年代之前，以科學(xué)研究和開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)某些地區(qū)機(jī)器設(shè)備為主導(dǎo)，資金投入數(shù)字時(shí)基校正器、數(shù)字幀同步器、數(shù)字特技器等。

第二階段：從20個(gè)世紀(jì)80年代到90年代，該環(huán)節(jié)的特點(diǎn)是成功開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了數(shù)字整機(jī)電視設(shè)備，如數(shù)字?jǐn)z錄機(jī)、數(shù)字信號(hào)分析監(jiān)控?cái)z像頭等。

第三階段：20世紀(jì)90年代之后，目前數(shù)字電視技術(shù)逐漸從單一機(jī)器設(shè)備向全部系統(tǒng)發(fā)展，一些科學(xué)研究提出了數(shù)字電視廣播節(jié)目標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)字電視慢慢超清化，一些西方國(guó)家早已開(kāi)播超清數(shù)字電視系統(tǒng)。

現(xiàn)階段數(shù)字電視是大家討論較多的話(huà)題之一。隨著社會(huì)的發(fā)展，對(duì)數(shù)字電視的距離感也越來(lái)越弱，我國(guó)也在“十四五”規(guī)劃中提出重點(diǎn)推動(dòng)數(shù)字電視。數(shù)字電視是在電視信號(hào)的發(fā)送、傳輸、以及用戶(hù)端接收全過(guò)程中應(yīng)用數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)的電視系統(tǒng)或電視機(jī)器設(shè)備。數(shù)字電視傳輸全過(guò)程與傳統(tǒng)電視數(shù)字信號(hào)傳輸對(duì)比，關(guān)鍵差別為電視臺(tái)節(jié)目推送的信息在通過(guò)衛(wèi)星和地面無(wú)線(xiàn)廣播接收時(shí)，根據(jù)數(shù)字調(diào)制解調(diào)和數(shù)字視音解碼處理修復(fù)初始圖像和伴音。初始圖像和伴音就更加清晰和明朗，觀(guān)眾在家里就可以獲得更清晰的界面和音色，提高電視機(jī)畫(huà)面的品質(zhì)[2-5]。

2 數(shù)字電視信號(hào)衛(wèi)星傳輸技術(shù)

電視衛(wèi)星的傳輸系統(tǒng)包含地球站、有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、通信衛(wèi)星以及移動(dòng)基站等，在全部工作中共同完成節(jié)目信號(hào)井然有序的推送、傳送和接收。與傳統(tǒng)的通信方式對(duì)比，衛(wèi)星通信具有傳輸距離較遠(yuǎn)、傳輸容積大、通信品質(zhì)高等特點(diǎn)，在信號(hào)傳輸全過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了上空和地面的傳輸，因此可以合理地控制成本。其中，地面鄰近電路的有效布局和地球站的解決能力對(duì)信號(hào)品質(zhì)的確保起著非常重要的功效。電視臺(tái)節(jié)目主要根據(jù)音頻、數(shù)字化數(shù)據(jù)解決和分配。傳輸全過(guò)程中，包含地球站和電視臺(tái)等單側(cè)直接聯(lián)接，有很多種方法，如光纜、同步數(shù)字體系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）等將利用智能化散播技術(shù)制做的節(jié)目發(fā)送至地球站。地球站再次加工信號(hào)，轉(zhuǎn)化成放大的高頻信號(hào)，利用無(wú)線(xiàn)天線(xiàn)發(fā)送至通信衛(wèi)星。此傳輸全過(guò)程鏈接數(shù)小、損害少、操作靈活性高、抗干擾性也很強(qiáng)，使信號(hào)損害在限定區(qū)域內(nèi)。此外，通信衛(wèi)星在接收到數(shù)據(jù)信號(hào)以前，會(huì)解決工作頻率、抗壓強(qiáng)度等問(wèn)題，盡量使其理想化。下行信號(hào)根據(jù)無(wú)線(xiàn)天線(xiàn)在有線(xiàn)電視前面重新處理后發(fā)送至有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行空地對(duì)接的全過(guò)程，完成范圍內(nèi)覆蓋。剖析了數(shù)據(jù)衛(wèi)星電視傳輸過(guò)程，結(jié)果顯示，這類(lèi)傳輸方法比別的傳輸方法的成本低得多，在確保信號(hào)傳輸品質(zhì)層面競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)顯著[6]。

全球通信和現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展將導(dǎo)致整體廣播電視產(chǎn)業(yè)鏈的轉(zhuǎn)變，數(shù)字電視將變成這類(lèi)變動(dòng)的重要階段。隨著廣播電視的全方位智能化，傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)媒體將在技術(shù)層面、功能層面與信息內(nèi)容、通信行業(yè)領(lǐng)域其他方式相結(jié)合，產(chǎn)生新的、巨大的數(shù)字電視產(chǎn)業(yè)鏈。這一新型產(chǎn)業(yè)已經(jīng)引發(fā)了普遍的關(guān)注，各國(guó)依據(jù)自身的基本國(guó)情，建立了從模擬電視向數(shù)字電視變化的方法和產(chǎn)業(yè)鏈總體目標(biāo)。數(shù)字電視不但是在規(guī)范、設(shè)備和節(jié)目源等互相搭配的工藝系統(tǒng)，還將影響到有關(guān)領(lǐng)域，推動(dòng)其穩(wěn)定發(fā)展[7-9]。

3 數(shù)字電視信號(hào)衛(wèi)星傳輸過(guò)程和傳輸方式

3.1 數(shù)字電視信號(hào)衛(wèi)星傳輸過(guò)程

廣播電視、電視臺(tái)、數(shù)據(jù)傳輸衛(wèi)星、衛(wèi)星監(jiān)控站、有線(xiàn)電視前端以及有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)都是數(shù)字電視信號(hào)衛(wèi)星系統(tǒng)的主要構(gòu)成部分。其中，廣播電視、電視臺(tái)根據(jù)節(jié)目處理傳輸、綜藝節(jié)目智能化、光纜以及微波等同步數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)發(fā)送至地球上站，進(jìn)一步處理電視節(jié)目信號(hào)，將其變換為70 MHz或140 nHz的中頻信號(hào)，并通過(guò)上行站向數(shù)據(jù)傳輸衛(wèi)星推送信號(hào)。最終，數(shù)字電視信號(hào)衛(wèi)星運(yùn)用無(wú)線(xiàn)天線(xiàn)將信號(hào)發(fā)送至有線(xiàn)電視前面，處理后發(fā)送至有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，使廣播節(jié)目信號(hào)的范圍覆蓋變大。衛(wèi)星監(jiān)測(cè)中心承擔(dān)電視信號(hào)傳輸全過(guò)程中產(chǎn)生的信號(hào)影響問(wèn)題、信號(hào)解決頻率、抗壓強(qiáng)度以及噪聲等。

3.2 數(shù)字電視信號(hào)衛(wèi)星傳輸方式

目前通信衛(wèi)星電視廣播節(jié)目的傳輸方法關(guān)鍵有視頻壓縮電視直播、分配式衛(wèi)星電視、模擬電視信號(hào)等3種。分配式衛(wèi)星電視是依據(jù)一般通信衛(wèi)星（而非專(zhuān)用型數(shù)字衛(wèi)星）將電視綜藝節(jié)目信號(hào)發(fā)送至電視信號(hào)控制器，以達(dá)到電視客戶(hù)的需求。視頻壓縮電視直播是運(yùn)用直播衛(wèi)星將電視信號(hào)散播到調(diào)節(jié)器上，進(jìn)行電視調(diào)節(jié)器的電視界面和傳輸段調(diào)整，以達(dá)到電視顧客對(duì)電視頻道的相關(guān)要求。模擬電視信號(hào)是由模擬數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)化成圖像。圖像信號(hào)的形成、傳輸、修復(fù)到信號(hào)接收器幾乎所有過(guò)程在模擬體系下開(kāi)展。具有時(shí)間軸取樣的特點(diǎn)，每一個(gè)幀都垂直取樣，根據(jù)幅度調(diào)制推送電視圖像信號(hào)[10]。

3.3 數(shù)字電視信號(hào)衛(wèi)星傳輸技術(shù)質(zhì)量控制

危害數(shù)字衛(wèi)星廣播節(jié)目信號(hào)的要素有許多，其中噪聲對(duì)數(shù)字衛(wèi)星廣播節(jié)目信號(hào)傳輸品質(zhì)危害較大。數(shù)據(jù)信號(hào)對(duì)接收機(jī)靈敏度較敏感，對(duì)別的噪聲的反應(yīng)相對(duì)比較慢，因此在設(shè)計(jì)方案數(shù)字衛(wèi)星信號(hào)傳輸系統(tǒng)時(shí)要重視接收機(jī)靈敏度?，F(xiàn)階段，在信號(hào)傳輸檢驗(yàn)水準(zhǔn)上已取得了一定的成果。一般來(lái)說(shuō)，信道層、碼流層和視頻層監(jiān)管較為集中化。

4 監(jiān)控信道層

信道層做為傳輸系統(tǒng)微波射頻構(gòu)造的關(guān)鍵構(gòu)成部分，其可靠性較強(qiáng)。如果信道內(nèi)信號(hào)出現(xiàn)異常散播狀況，信道層會(huì)馬上作出反應(yīng)，將縮短散播信號(hào)的傳遞時(shí)長(zhǎng)，信號(hào)傳輸能力得以提升。因此，可以直接監(jiān)測(cè)信道層的異常，并制訂恰當(dāng)?shù)姆婪洞胧?，保證信號(hào)安全、高品質(zhì)地傳送。監(jiān)控信道層時(shí)，要注意2個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變，即比特出錯(cuò)概率（Bit Error Ratio，BER）和通信系統(tǒng)傳輸1 bit信息所需要的能量和噪聲功率譜密度的比值。這是由于信號(hào)是信道傳輸中最多見(jiàn)的異常轉(zhuǎn)變。前者電子器件遭受的影響會(huì)增大，信號(hào)正常的傳送時(shí)BER的值會(huì)很小，信號(hào)異態(tài)散播時(shí)，BER會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)到0，進(jìn)而造成電視端沒(méi)法正常工作。后面一種體現(xiàn)了微波射頻接收能力，與前面一種息息相關(guān)，受BER標(biāo)值變動(dòng)的影響。當(dāng)C波段應(yīng)用口接受無(wú)線(xiàn)天線(xiàn)時(shí)，接受噪聲和熱量的正常標(biāo)準(zhǔn)為0～10 dB，當(dāng)噪聲和發(fā)熱量超出10 dB時(shí)，會(huì)產(chǎn)生信號(hào)異態(tài)散播。在Ku波段運(yùn)用小口徑無(wú)線(xiàn)天線(xiàn)時(shí)，接受噪聲和發(fā)熱量的正常的范疇在20 dB之內(nèi)。產(chǎn)生信號(hào)傳輸出現(xiàn)異常時(shí)，應(yīng)立即更改有關(guān)主要參數(shù)，保證在容許區(qū)域內(nèi)長(zhǎng)期保持。

5 監(jiān)控碼流層

碼流層檢測(cè)在信號(hào)傳輸全過(guò)程檢測(cè)中占據(jù)主要地位。碼流解析器是一種常見(jiàn)的碼流層監(jiān)控儀器設(shè)備，根據(jù)自我分析作用，非常好地表述碼流的流程層級(jí)圖，根據(jù)3個(gè)優(yōu)先級(jí)剖析，分辨碼流是不是適合，即是不是合乎數(shù)據(jù)視頻節(jié)目和活動(dòng)圖像專(zhuān)家團(tuán)制訂的規(guī)范。此外，碼流解析器可以追蹤碼流的情況，可以有效地監(jiān)控各種主要參數(shù)，包含聲頻、視頻和TS流的信息內(nèi)容。

6 監(jiān)控視頻層

視頻層監(jiān)控也是信號(hào)傳輸全過(guò)程監(jiān)控中不可忽視的部分。視頻層監(jiān)控主要2個(gè)層面。一是全自動(dòng)音頻系統(tǒng)，可以警示檢查員盡早處理馬塞克、死機(jī)等狀況的問(wèn)題。二是用戶(hù)對(duì)電視畫(huà)面的客觀(guān)分辨，規(guī)定有關(guān)工作人員嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)章制度巡查，可以及早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，快速解決問(wèn)題，確保電視信號(hào)傳輸?shù)钠焚|(zhì)?，F(xiàn)階段，視頻監(jiān)控主要采取2種融合的方式，依據(jù)等級(jí)監(jiān)控法即我國(guó)廣播電視視頻信號(hào)損傷的等級(jí)分成5個(gè)級(jí)別，等級(jí)監(jiān)控法提升了監(jiān)控的及時(shí)性和合理性。

7 數(shù)字電視信號(hào)衛(wèi)星傳輸未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

數(shù)字電視發(fā)展的趨勢(shì)是整體趨于智能化、高像素、數(shù)字化、人性化以及互動(dòng)交流。未來(lái)，新技術(shù)應(yīng)用將使家中的電視終端設(shè)備變成家居智能化和信息管理服務(wù)平臺(tái)，使用戶(hù)現(xiàn)階段純粹地看電視變?yōu)檎嬲饬x上的利用電視。另一方面，移動(dòng)數(shù)字電視技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，使用戶(hù)不僅可以在家里固定不動(dòng)觀(guān)看電視節(jié)目，而且可以隨時(shí)按照自身的所需定制電視節(jié)目，手機(jī)屏也將變成繼廣播電視以后要角逐的新陣營(yíng)。要完成我國(guó)數(shù)字電視產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，務(wù)必加強(qiáng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)管理，創(chuàng)建和健全地面國(guó)家規(guī)范以及其現(xiàn)階段已經(jīng)編寫(xiě)的智能化電視和3D電視規(guī)范等有著獨(dú)立IP的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)體系。同時(shí)，國(guó)家將提升在這方面的投資。尤其是國(guó)家對(duì)電子器件和服務(wù)外包產(chǎn)業(yè)的全力支持，數(shù)字電視全產(chǎn)業(yè)鏈的重要?jiǎng)?chuàng)新技術(shù)起源于“芯”，包含直播衛(wèi)星、地面國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、中國(guó)移動(dòng)多媒體廣播、三網(wǎng)融合等頻道欄目調(diào)制解調(diào)處理芯片、信源編程（Audio Video Coding，AVC）以及H.264等規(guī)范和超清編解碼處理芯片。芯片現(xiàn)階段在單模式適用下支持多模式或全模式集成化，最終實(shí)現(xiàn)終端產(chǎn)品需要的單芯片解決方案。

雙向HD是初期高端電視機(jī)頂盒的主要規(guī)定，須適用各種模式，包含DVB-C、地面和直播衛(wèi)星傳輸技術(shù)。中低端電視機(jī)頂盒主要有成本低、規(guī)范、操作步驟靈便、安全性、經(jīng)久耐用等特點(diǎn)，以鄉(xiāng)村為關(guān)鍵銷(xiāo)售市場(chǎng)。這類(lèi)電視機(jī)頂盒以營(yíng)運(yùn)商定制或國(guó)家集中化采購(gòu)招標(biāo)為主導(dǎo)。隨著國(guó)家智能化更新的實(shí)施和新一代數(shù)字電視更新?lián)Q代的普及化，所有的機(jī)頂盒需求增長(zhǎng)都會(huì)減緩，并開(kāi)始下降，這個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)可能到2025年將不再存在這種產(chǎn)品，而被新的綜合接收終端產(chǎn)品所代替。

將來(lái)數(shù)字電視將向2個(gè)方位變化。一個(gè)方位是簡(jiǎn)化為一個(gè)單純的顯示屏，具備豐富多彩的頁(yè)面及端口。如類(lèi)似計(jì)算機(jī)顯示器，其他作用將由更強(qiáng)有力的終端設(shè)備(如今高清播放機(jī)的更新商品)來(lái)完成。另一個(gè)方位是全部功能模塊都集合在電視內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如智能化電視、開(kāi)源項(xiàng)目服務(wù)平臺(tái)和智能化電視，用戶(hù)可以按自己需要定制相應(yīng)的功能。

8 結(jié) 論

數(shù)字電視的轉(zhuǎn)變改變了大家之前對(duì)電視欄目的觀(guān)看習(xí)慣，互動(dòng)式電視機(jī)觀(guān)看方式也從大家看電視時(shí)之前的處于被動(dòng)接收完全轉(zhuǎn)化為積極主動(dòng)交互。只有確保數(shù)字電視信號(hào)的信息內(nèi)容傳輸完好性和傳輸效果的持續(xù)改進(jìn)，才可以為觀(guān)眾提供更清晰的觀(guān)看效果和更清晰的音色。