卫星通信在我国广播电视传输中的应用

2023-01-05魏鑫

卫星应用 2022年11期

关键词：卫星通信发射机电视节目

文｜魏鑫

国家广播电视总局呼和浩特地球站

一、卫星广播电视发展现状

广播电视自20世纪被发明后发展到现在，已经成为一个受众极多、规模庞大的产业。虽然近年来，受到网络、移动通信等多种媒体产业发展的挤压，但广播电视仍具备相当大的影响力，特别是在一些边远地区，仍是多数人日常接收资讯信息的重要手段。

目前，广播电视的日常传输主要有无线广播（中短波无线发射）、有线（同轴电缆）、卫星、光纤以及网络等多种方式。广播的覆盖是广播电视发展的决定性因素，而卫星通信的独特优势能够更好地满足广播覆盖的要求。这些独特的优势主要体现在以下几点：

1）覆盖范围大。理论上三颗同步轨道卫星即可覆盖全球除南北极以外的地区。[1]

2）覆盖成本低。卫星制造和发射成本高，但相对于相同覆盖面积所需的花费则经济成本较低。

3）信号稳定。因技术成熟、设备稳定可靠，且相比有线和光纤网络，中间环节较少，不需要大量安装中继设备。

4）管控便捷。广播电视能够很容易做到用户收视内容的管控，不易让恶意者使用相同的信道传输非正规运营者的内容。

二、卫星通信在我国广播电视传输中的典型应用

1.广播电视“村村通”“户户通”工程

目前，国内使用的广播电视卫星均为同步轨道卫星，大部分为国产东方红平台，少数为进口的卫星平台；这些同步轨道卫星通常情况下使用C频段来传输广播电视节目，少数情况也使用Ku频段来进行传输覆盖。C频段卫星信号比较稳定，受雨雪衰的影响不明显，但地面干扰对于C频段信号影响较为严重。Ku频段卫星EIRP较高大，接收天线口径较小，可有效降低成本，受地面干扰较小，对环境要求较低，但受雨衰影响严重。

我国许多地区由于受到地域环境的影响，有线电视不能通达。为了使这些地区的居民能够及时收听收看到精彩的广播电视节目，我国早在21世纪初就开始实施广播电视“村村通”“户户通”工程。2008年之后，我国利用中星9号卫星、中星9B卫星及其扩展Ku频段进行直播卫星传输服务，来满足广播电视信号的全面覆盖。据统计，直播卫星电视传输服务已有效覆盖了59.5万个行政村，满足了偏远地区1.4亿家庭看电视、听广播的基本需求。

据公开数据，所有的省份均在卫星上进行本省至少一套卫视标清节目的传输，部分发达地区以及少数民族地区还有多套节目进行卫星传输覆盖。卫星广播电视也在随着业务的需要和技术的发展而不断创新。

2.为地面数字电视提供可靠的节目源

由于数字地面电视信号抵御雨雪等气象环境影响能力较强，并且受到地域环境的影响较小，因此采用数字地面信号无线传输是现阶段我国解决有线电视无法覆盖地区城乡居民接收电视广播信号的主要途径。中央广播电视节目无线数字化工程目前已实施完成超过六千余部地面数字发射机，计划实现80%以上的广播电视覆盖。[2]

卫星通信传输可为地面数字电视提供可靠的节目源，优势如下：

1）卫星通信传输协助解决地面数字电视覆盖中的多径干扰问题。地面数字电视信号能够达到高效的覆盖完全是依靠地面数字电视广播系统中的单频网（SFN）系统来实现的。地面数字电视广播单频网是多部处于不同地区的发射机在同步状态下，以相同的频率、同时对特定的区域发送相同的节目内容，以此来实现数字电视信号的有效覆盖。由于地面数字电视单频网发射机数目众多、分布区域广、采用相对复杂的技术，若单频网络中的发射机在非同步状态下播出会对相邻目标区域产生严重的同频干扰。[3]地面数字电视广播系统中突出要解决的问题是要能够很好地抵抗存在于无线信道中的多径干扰。

传统的光纤和微波传输方式，会使节目源在传输至不同的地面数字电视发射机时有不同的时间延时；此时，若坚持使用传统的光纤和微波传输方式，则需在每一个发射机网点设置复杂的时钟同步设施。而且还会在移动接收时，因为跨越不同发射机覆盖产生跳跃的画面和声音。而卫星通信传输能很好解决无线信道中的多径干扰问题。在卫星传输节目源过程中，节目源通过我国自主的北斗系统授时功能进行校准，添加同步信号，有效保障了节目源同步信号的安全可靠。

2）卫星通信传输提高了经济性。基于卫星传输的地面数字电视节目，所有发射机接收的卫星信号是同步的，节目源中添加的同步时钟能够直接为地面数字电视发射机所用，既简化了地面数字电视发射机网点的硬件配置，提高了经济性，又简化了使用和维护。

3.4K超高清节目的传输

当前广播电视的总体发展趋势是4K超高清节目的传输，这也是广大人民群众对更美好生活的追求。世界各国均积极开展广播电视节目4K超高清卫星传输测试，我国针对广播电视节目4K超高清卫星传输的趋势也积极开展了相应测试工作。

2017年9月国家新闻出版广电总局在《新闻出版广播影视“十三五”发展规划》中明确提出：适时开播4K超高清电视试验频道，推动构建高清、4K超高清电视混合播出系统。[4]我国自2018年起就开始进行4K节目的卫星传输测试，目前已有近十套4K电视节目在卫星上进行传输。

卫星传输4K电视节目相比宽带和地面通信网络，解决了如下问题：

1）宽带网络难以满足4K电视节目收看需求。现在典型的压缩后4K节目数据最低约为36Mbps，目前国内绝大部分用户的宽带和手机根本不具备实时的、无损传输的条件。宽带虽然目前已主要采用光纤作为传输介质，传输带宽已大大增加，但面对同时数十套4K节目进行无损分发，仍难以满足。尤其是宽带网络中用户的数据传输以点对点为主，4K电视节目的收看会让网络的节点产生极大的难以计算的数据量，需要运营商对其宽带网络的重要节点做出必要的经济投入。

2）移动通信网络无法实现4K电视节目的分发要求。在手机网络移动通信中，目前3G、4G网络根本无法支持36M数据量的4K电视节目收看，大多时候的5G网络也无法满足36M的4K电视节目分发要求。

现阶段最可靠的大容量数据高质量广播分发就是卫星通信。

卫星传输4K电视节目具备光纤等其他方式无法比拟的优势，那就是大容量数据高质量地进行广播分发。目前的广播电视卫星每颗一般有三十多个转发器（如中星6B），轻易实现超过数据量的广播，一颗卫星即可轻松实现数十套的4K电视节目广播分发，这是宽带网络和手机移动通信无法实现的。

为保障大容量的4K节目传输，卫星通信中采用了许多新的传输技术。

1）4K节目卫星传输信源编码采用AVS2的编码方式，与目前国际上通用的HEVC相比较，编码性能基本相似，但对于数字电视广播（隔行）和视频监控的应用等方面来看，AVS2要明显优于HEVC。[5]

2）4K节目卫星传输在信道传输上使用DVB-S2制式和ABS-S制式，不同于传统卫星通信的QPSK调制方式，4K节目采用了更高阶的调制方式如8PSK、16PSK，从而提高系统的有效载荷，使信道能够容纳更大的数据量。

3）4K节目卫星传输采用了基于低密度奇偶校验码（LDPC）的纠错方式。LDPC码性能接近香农容限，码率高，译码速度快而且码距比较大，不可检测错误少，具有更低的错误平层。因此4K节目采用了5/6、7/8等较高速率的纠错方式，在不降低或少降低纠错能力的基础上减少了信道数据中纠错码的数量。

4）4K节目卫星传输采用了更低的滚降系数来提高带宽利用率。虽然调整滚降系数对信号接收质量和链路余量基本没有影响，但是较低的滚降系数能够提升频带利用率。因此4K节目采用了较小的滚降系数来提高频带利用率。

4K超高清节目的传输为2022年北京冬奥会精彩体育赛事的直播提供了高质量的服务，成为中国向世界展示我国广播电视发展的窗口。

三、广播电视卫星应用未来的发展趋势

随着互联网的迅速发展和各类视频节目资源的层出不穷，广播电视不能只依靠目前的发展趋势。若不想被时代淘汰，就需要进行更加大胆的探索和尝试。

1）需要进行更大容量传输的探索。如何在信源编码、信道编码、调制方式、纠错方式、滚降系数等一系列参数的组合中不断优化，通过技术的革新，设备的更新换代，来实现广播电视卫星的更大容量、更高质量、更易接收的新型传输。

2）进行动中通传输的测试，包括飞机、轮船、汽车等交通工具实施接收技术的探索和测试。目前一般采用圆极化方式接收卫星下行的圆极化或线极化信号，由于目前卫星下行信号功率等方面，以及接收设备灵敏度等接收设备方面的限制，导致应用体验较差。相信随着芯片技术等高新技术的不断进步，以及卫星通信技术的进步，以后将会有便利的、普及的动中通的卫星广播电视应用实现。

3）应急信息广播传输。2020年开始的抗击新冠疫情中，我国利用应急广播进行疫情防控宣传，“村村响”使疫情防控深入人心，有效地阻断了疫情蔓延。2021年，郑州大雨导致许多地区因断电使手机、网络等通信中断，许多应急救援采用卫星通信来传输信息。类似情况的不断发生，提示我们，利用好卫星通信的优势，建立应急广播系统，就能为救灾减灾作出更大的贡献。