卫星直播车传输系统的集成设计

沙兴

摘要：卫星数字直播车一般是指配备了音视频采集系统和卫星传输系统的专用车，通常也称之为DSNG（Digital Satellite News Gathering），其核心就是依据欧洲卫星数字电视广播标准而设计的传输系统。本文基于安徽电台卫星直播车项目的需要，通过深入研究卫星传输系统的相关编码理论和参数，对安徽电台卫星直播车的传输系统进行规划和设计，具有提高现场直播的时效性、增强现场直播节目的传输质量、节省发射功率、降低成本、增强广播电台品牌建设等方面的重要意义。

关键词：卫星数字直播车；卫星传输系统；传输链路计算

中图分类号：TN93 文献标识码：A 文章编号：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

卫星直播车是指配备数字卫星新闻采集系统的直播车，也称为DSNG。它是以卫星通信系统作为传输平台，将活动现场所采集到的音视频信号数字化，经压缩处理，通过卫星转发回媒体机构的播控中心，然后直接或者经过再次处理后播出，具有传输质量高，抗干扰能力強，传输容量大，传输距离远等优点。随着信息技术的迅猛发展，卫星直播设备在保持广播级的音视频指标的同时，也在朝小型化和轻型化发展，使其在广电行业逐步得到了普及，成为现场直播重要的技术手段。从1997年我国第一次使用卫星传输完成新闻直播开始，其在直播活动中的使用日益广泛，香港和澳门的回归庆典、海湾危机的系列直播，直至2008年奥运会、2009年全运会等重大新闻和体育赛事的转播都使用了卫星直播系统。目前，不仅中央台，很多省级电台甚至一些市级电台也拥有卫星直播车，随着听众对电台节目多元化的需求和传输技术的发展，各家电台根据自身的定位和当地的实际需求，对卫星直播车更提出了很多个性化的需求，使得卫星直播车的形态更加多样化。

2 卫星传输系统的标准和编码

2.1 DVB传输标准

DVB即Digital Video Broadcasting，是欧洲数字视频广播标准，它具有开放的结构和统一的标准框架，由欧洲DVB组织发起，目前已在全世界范围内被广泛接受。DVB标准由三个组成：DVB—S， DVB—T，DVB—C，分别针对卫星通信，地面广播和有线广播。它的核心技术是基于MPEG—2音视频编码技术，DVB的主要传输标准如表1所示：

2.2 DVB-S系统

2.2.1 DVB-S系统的结构

DVB-S系统结构框图如图1所示，由图可以看出，发送端分为信源编码（即信号形成）和信道编码（即信号传输）两大部分。

2.2.2 信源编码

信源编码要实现两大功能，一是将模拟的信源信号转化成数字信源信号，实现模拟信号的数字化传输。二是对数据压缩，对信源输出的符号序列施行变换，减少信源输出符号序列中的剩余度，提高符号的平均信息量。

2.2.3 信道编码

信道是信号的传输媒介，广义信道按照它的功能可以被划分为调制信道和编码信道。在使用卫星信道传输数据时需要具备很高的可靠性，但由于卫星通信环境的复杂决定其传输信道不可避免地要受到各种干扰，因此需要对信号进行编码，其主要任务一是纠错和检错，二是充分利用资源，达到信道容量。在DVB-S传输系统中，通常先对信号进行随机化处理后再进行编码，常用的信道编码方式有R-S纠错码、卷积码、内码编码。

3 卫星传输系统的链路计算和分析

信号在整个卫星链路的传输过程中，要经过上行链路、卫星转发器和下行链路，其信号质量取决于收到信号的功率大小和接收系统的噪声功率大小，卫星传输系统链路设计的主要目的就是在两个地球站之间有效地提供高质量且可靠的链接手段。

设计卫星传输系统的最重要的步骤就是卫星传输链路的计算，根据计算的结果来对传输设备进行设计和选型，计算主要是依据地面的上行站以及卫星转发器的参数，来分析卫星传输链路的载噪比、上下行链路的品质因数等性能指标，从而计算上行站应该达到的EIRP值，确定高功放的上行发射功率。

3.1 卫星通信系统的构成

卫星通信指的是在两个或者多个通信站之间，利用人造卫星作为中继站进行的微波射频通信，通信站可以是地面固定站或者移动车载站。完整的卫星通信系统通常由地球站子系统、通信卫星子系统、跟踪遥测及指令子系统，以及监控管理子系统四部分构成，如图2。

3.2 链路计算

指的是利用已知地面站和卫星转发器的参数，计算出整个链路的载噪比和上行站的发射功率等，通过链路计算能够在引入各种损耗的条件下充分估计系统的余量，为设备的选型和评估系统的性能提供科学依据。

链路计算的原则：

（1） 链路计算要遵守功带平衡的原则，即要满足式：

[使用转发器功率转发器总功率=租用带宽转发器总带宽]

卫星公司不允许用户超功率使用，只能使用相应频率带宽内的功率，如用户租用了2MHz的带宽但超功率使用了3dB，实际上等同于发射了4MHz带宽的载波，收费时卫星按照4MHz计算。

（2） 上行和下行雨衰不同时考虑的原则。

（3） 适度保守原则。

链路预算的步骤见图3。

3.2.1 卫星的选定

卫星的主要技术指标就是EIRP、SFD以及G/T值，在实际使用中，没有完全相同的两段转发器频段。影响最终使用效果的因素很多，例如：操作者的经验、卫星天线与通信转发器的结构设计等等，因此，在租用卫星转发器之前，必须尽可能多的比较和了解卫星资源。出于安全播出因素的考虑，不方便公布实际租用的卫星名称，本文的计算仅以亚洲3S卫星的Ku频段转发器为例。

①亚洲3S卫Ku频段转发器参数

东亚波束：8-16个54MHz带宽转发器（中国及周边国家）

南亚波束：0-8个54MHz带宽转发器（南亚、中亚及中东地区）

移动波束：0-4个54MHz带宽转发器，目前定点在澳大利亚

②配备输入和输出矩阵

转发器可在不同波束间调动

卫星信号可实现波束交链

③工作频率：上行14.00～14.50GHz，下行12.25～12.75GHz

④极化方式：线性双极化

⑤转发器增益： 193.10dB

⑥行波管放大器功率：140W

⑦卫星KU频段[EIRPSS]：合肥地区53.8dBW

⑧卫星KU频段[GTS]值：合肥地区6.6 dB/K

⑨卫星KU频段饱和通量密度SFD：合肥地区-91.6 dBW/㎡

⑩卫星KU频段每载波输入、输出补偿：[BOi]=6 dB和[BOo]=3 dB。

3.2.2 计算参数基准

安徽台卫星直播车的主要工作区域是在合肥和安徽省内地区，下面以合肥蜀山区的地理坐标来地理坐标来进行链路计算

1、合肥蜀山区地理坐标：经度：东经 117.27度 纬度：北纬31.85度

2、Ku频段上行工作频段：14.00～14.50GHz 本文选用中心频率14.25GHz

3、Ku频段下行工作频段：12.25～12.75GHz 本文选用中心频率12.50GHz

4、信息数率：2Mbps

5、前向纠错FEC：3/4，外码：RS=188/204

6、调制方式：QPSK，编码增益：[Ge]=5dB，

7、滤波器滚降系数为0.3。

8、设备性能损失为[De] =0.8dB

9、系统误比特率要求为[Pe=1×10-6]

10、车载天线： 1.2米天线

11、广电中心使用天线：3.7米天线

3.2.3 载波参数

等效噪声带宽[Bn=1.2RbCrlog2M=1.2×20.69log24=1.74（MHz）]

载波占用带宽 [Bo=（1+α）RbCrlog2M=（1+0.3）×20.69log24=1.88（MHz）]

3.2.4 卫星转发器参数计算

3.2.5 车载站参数计算

车载站地理位置参数

合肥地区纬度：[θ]=31.85°

合肥地区与卫星的经度差：[Δ?]=117.27°-105.5°=11.77°

卫星距离赤道高度：H=35786Km

地球赤道半径： R=6378Km

经过计算得到车载站天线发射增益[GT] =42.9 （dBi）

馈线损耗

馈线损耗指的是高功放到天线馈源之间的波导损耗，通常按照取2dB。

天线指向损耗计算

亚洲3S卫星的在轨精度为±0.05°，且通常取风造成的误差为0.025°，因此總的均方根指向误差，计算得到车载站发射指向损耗为0.014 dB。

3.2.6 固定站参数计算

固定站地理位置参数、到卫星的距离d、上行站发射天线仰角EL和方位角AZ同车载站。

3.2.7 上行链路的计算

由上面的链路计算结果可以看出，不论是晴天还是下雨天，链路都留有足够的余量，因此该卫星传输系统的设计方案是可行的。

4 安徽台卫星直播车传输系统的集成设计

4.1 卫星直播车总体布局

经过多次讨论研究，决定采用进口的奔驰524中型客车，经过改装后作为卫星直播车，车内分为驾驶区、直播区和技术区，除卫星天线外，音视频设备和卫星收发设备均安装的机架上。布局图见图4。

4.2 车载站的集成设计

车载站需要实现上行发射和下行接收功能，上行发射是将直播现场的音频信号和图像发送回广电中心的总控机房，然后分配到目标直播间；下行主要是接收未經延时的直播间信号，用于两地直播间的互动或者便于选择合适的直播起始时间。上行发射系统主要设备包括：编码器、调制器、上变频器功率放大器（BUC）、卫星天线；下行接收系统主要由卫星天线、低噪声放大器（LNB）、解码解调器构成。

如图5所示，现场采集的模拟或数字（ASI码流）的立体声音频信号或车载音频设备提供的模拟或数字（ASI码流）立体声音频信号送入卫星传输系统中的音频编码器，音频编码器按照MPEG标准对输入的立体声音频信号进行压缩、编码，将信号转变为码流速率为128-384Kbps（常用的为256Kbps）的MPEG数字信号。数字信号码流再送入DVB-S卫星调制器，卫星调制器对输入的MPEG数字信号码流进行纠错编码后进行QPSK方式的调制，将MPEG数字信号码流转变为中频频率为950MHz-1450MHz的QPSK的中频调制信号。至此原始立体声信号已经转变为MPEG DVB标准的数字电视广播信号。经过调制的数字音频广播信号送入KU频段上变频功率放大器。KU频段上变频功率放大器对输入的小功率（信号功率强度一般在-40dBmW—25dBmW之间，信号频率为950MHz-1450MHz之间）进行放大、变频、再放大，将其转变为频率范围在14GHz-14.5GHz之间的KU频段大功率射频信号（此时射频信号的功率根据实际需要在1-60W之间）。KU频段的大功率信号通过KU频段波导送入车载天线的馈源，再通过天线的主反射面（天线主面）的反射发送上指定卫星。至此卫星上行传输系统完成了现场电视信号的发送工作。

4.3 固定站的集成设计

固定站的上行发射是将中心直播室的信号发送至直播车上，下行接收时接收来自车载站的上行信号。上行发射系统主要设备包括：编码器、调制器、上变频器功率放大器（BUC）、卫星天线；下行接收系统主要由卫星天线、低噪声放大器（LNB）、解码解调器构成。除了使用的卫星天线及相应的BUC与车载站不同外，其他相同的部分就不再赘述。

5 结论

本直播车系统在设计时，充分考虑了多种直播模式下的技术需求，使得直播车能胜任各种类型的直播活动，可以和广电中心的直播室实现无缝对接，信号传输稳定，质量优良，完全达到广播级水准。在设备的选型方面充分考虑未来行业的发展趋势和电台业务发展的需要，采用的都是当今世界广播业先进、成熟、可靠的技术和产品，使得系统达到国内领先水平。

参考文献：

[1] 夏克文， 池越， 张志伟，等. 卫星通信[M]. 西安： 西安电子科技大学出版社， 2008.

[2] Louis J. Ippolito Jr. 卫星通信系统工程[M]. 孙宝升，译. 北京： 国防工业出版社， 2012.

[3] 张瑾. 基于DVB标准的MPEG音频解码器设计研究与实现[D]： 硕士. 杭州：浙江大学， 2006.9.

[4] 曹峰. 直播电视的数字卫星传输系统的研究[D]： 硕士. 南京： 南京邮电大学， 2013.13.

[5] 门爱东. DVB-S2： 第二代卫星数字视频广播[EB/OL]. 北京： 北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心， [2014-8-17].http：//wenku.baidu.com/link？url=TGAsI8_-e9TLCR60AQ3hSG 8ZbHdr5sdhQwuDbJy7hnns6Sd9GD6zUCZ1iXFpL3hTzNeonZRgUrq94p-t5LFwQ-21caZ42LnUN6mQYy_QNOe

[6] 陈帮洪. 卫星互联网技术与规划设计[D]： 硕士. 成都： 电子科技大学， 2004. 21.

[7] 杜毅. 现场直播音频信号传输的几种方式[J]. 无线互联科技， 2012（3）：11-12.

[8] 樊昌信， 张甫翊， 徐炳祥，等. 通信原理[M]. 第五版. 北京： 国防工业出版社. 2001.

[9] 张帆. 多路数字电视传输流编码器的设计[D]： 硕士. 武汉： 华中科技大学， 2007. 13.

[10] 毕成余. 无线扩频系统中信道编码的研究[D]： 硕士. 南京： 东南大学， 2006. 57.