衛(wèi)星通信在我國(guó)廣播電視傳輸中的應(yīng)用

文｜魏鑫

國(guó)家廣播電視總局呼和浩特地球站

一、衛(wèi)星廣播電視發(fā)展現(xiàn)狀

廣播電視自20世紀(jì)被發(fā)明后發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)成為一個(gè)受眾極多、規(guī)模龐大的產(chǎn)業(yè)。雖然近年來，受到網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)通信等多種媒體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的擠壓，但廣播電視仍具備相當(dāng)大的影響力，特別是在一些邊遠(yuǎn)地區(qū)，仍是多數(shù)人日常接收資訊信息的重要手段。

目前，廣播電視的日常傳輸主要有無線廣播（中短波無線發(fā)射）、有線（同軸電纜）、衛(wèi)星、光纖以及網(wǎng)絡(luò)等多種方式。廣播的覆蓋是廣播電視發(fā)展的決定性因素，而衛(wèi)星通信的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)能夠更好地滿足廣播覆蓋的要求。這些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

1）覆蓋范圍大。理論上三顆同步軌道衛(wèi)星即可覆蓋全球除南北極以外的地區(qū)。[1]

2）覆蓋成本低。衛(wèi)星制造和發(fā)射成本高，但相對(duì)于相同覆蓋面積所需的花費(fèi)則經(jīng)濟(jì)成本較低。

3）信號(hào)穩(wěn)定。因技術(shù)成熟、設(shè)備穩(wěn)定可靠，且相比有線和光纖網(wǎng)絡(luò)，中間環(huán)節(jié)較少，不需要大量安裝中繼設(shè)備。

4）管控便捷。廣播電視能夠很容易做到用戶收視內(nèi)容的管控，不易讓惡意者使用相同的信道傳輸非正規(guī)運(yùn)營(yíng)者的內(nèi)容。

二、衛(wèi)星通信在我國(guó)廣播電視傳輸中的典型應(yīng)用

1.廣播電視“村村通”“戶戶通”工程

目前，國(guó)內(nèi)使用的廣播電視衛(wèi)星均為同步軌道衛(wèi)星，大部分為國(guó)產(chǎn)東方紅平臺(tái)，少數(shù)為進(jìn)口的衛(wèi)星平臺(tái)；這些同步軌道衛(wèi)星通常情況下使用C頻段來傳輸廣播電視節(jié)目，少數(shù)情況也使用Ku頻段來進(jìn)行傳輸覆蓋。C頻段衛(wèi)星信號(hào)比較穩(wěn)定，受雨雪衰的影響不明顯，但地面干擾對(duì)于C頻段信號(hào)影響較為嚴(yán)重。Ku頻段衛(wèi)星EIRP較高大，接收天線口徑較小，可有效降低成本，受地面干擾較小，對(duì)環(huán)境要求較低，但受雨衰影響嚴(yán)重。

我國(guó)許多地區(qū)由于受到地域環(huán)境的影響，有線電視不能通達(dá)。為了使這些地區(qū)的居民能夠及時(shí)收聽收看到精彩的廣播電視節(jié)目，我國(guó)早在21世紀(jì)初就開始實(shí)施廣播電視“村村通”“戶戶通”工程。2008年之后，我國(guó)利用中星9號(hào)衛(wèi)星、中星9B衛(wèi)星及其擴(kuò)展Ku頻段進(jìn)行直播衛(wèi)星傳輸服務(wù)，來滿足廣播電視信號(hào)的全面覆蓋。據(jù)統(tǒng)計(jì)，直播衛(wèi)星電視傳輸服務(wù)已有效覆蓋了59.5萬個(gè)行政村，滿足了偏遠(yuǎn)地區(qū)1.4億家庭看電視、聽廣播的基本需求。

據(jù)公開數(shù)據(jù)，所有的省份均在衛(wèi)星上進(jìn)行本省至少一套衛(wèi)視標(biāo)清節(jié)目的傳輸，部分發(fā)達(dá)地區(qū)以及少數(shù)民族地區(qū)還有多套節(jié)目進(jìn)行衛(wèi)星傳輸覆蓋。衛(wèi)星廣播電視也在隨著業(yè)務(wù)的需要和技術(shù)的發(fā)展而不斷創(chuàng)新。

2.為地面數(shù)字電視提供可靠的節(jié)目源

由于數(shù)字地面電視信號(hào)抵御雨雪等氣象環(huán)境影響能力較強(qiáng)，并且受到地域環(huán)境的影響較小，因此采用數(shù)字地面信號(hào)無線傳輸是現(xiàn)階段我國(guó)解決有線電視無法覆蓋地區(qū)城鄉(xiāng)居民接收電視廣播信號(hào)的主要途徑。中央廣播電視節(jié)目無線數(shù)字化工程目前已實(shí)施完成超過六千余部地面數(shù)字發(fā)射機(jī)，計(jì)劃實(shí)現(xiàn)80%以上的廣播電視覆蓋。[2]

衛(wèi)星通信傳輸可為地面數(shù)字電視提供可靠的節(jié)目源，優(yōu)勢(shì)如下：

1）衛(wèi)星通信傳輸協(xié)助解決地面數(shù)字電視覆蓋中的多徑干擾問題。地面數(shù)字電視信號(hào)能夠達(dá)到高效的覆蓋完全是依靠地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)中的單頻網(wǎng)（SFN）系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)是多部處于不同地區(qū)的發(fā)射機(jī)在同步狀態(tài)下，以相同的頻率、同時(shí)對(duì)特定的區(qū)域發(fā)送相同的節(jié)目?jī)?nèi)容，以此來實(shí)現(xiàn)數(shù)字電視信號(hào)的有效覆蓋。由于地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)發(fā)射機(jī)數(shù)目眾多、分布區(qū)域廣、采用相對(duì)復(fù)雜的技術(shù)，若單頻網(wǎng)絡(luò)中的發(fā)射機(jī)在非同步狀態(tài)下播出會(huì)對(duì)相鄰目標(biāo)區(qū)域產(chǎn)生嚴(yán)重的同頻干擾。[3]地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)中突出要解決的問題是要能夠很好地抵抗存在于無線信道中的多徑干擾。

傳統(tǒng)的光纖和微波傳輸方式，會(huì)使節(jié)目源在傳輸至不同的地面數(shù)字電視發(fā)射機(jī)時(shí)有不同的時(shí)間延時(shí)；此時(shí)，若堅(jiān)持使用傳統(tǒng)的光纖和微波傳輸方式，則需在每一個(gè)發(fā)射機(jī)網(wǎng)點(diǎn)設(shè)置復(fù)雜的時(shí)鐘同步設(shè)施。而且還會(huì)在移動(dòng)接收時(shí)，因?yàn)榭缭讲煌l(fā)射機(jī)覆蓋產(chǎn)生跳躍的畫面和聲音。而衛(wèi)星通信傳輸能很好解決無線信道中的多徑干擾問題。在衛(wèi)星傳輸節(jié)目源過程中，節(jié)目源通過我國(guó)自主的北斗系統(tǒng)授時(shí)功能進(jìn)行校準(zhǔn)，添加同步信號(hào)，有效保障了節(jié)目源同步信號(hào)的安全可靠。

2）衛(wèi)星通信傳輸提高了經(jīng)濟(jì)性?；谛l(wèi)星傳輸?shù)牡孛鏀?shù)字電視節(jié)目，所有發(fā)射機(jī)接收的衛(wèi)星信號(hào)是同步的，節(jié)目源中添加的同步時(shí)鐘能夠直接為地面數(shù)字電視發(fā)射機(jī)所用，既簡(jiǎn)化了地面數(shù)字電視發(fā)射機(jī)網(wǎng)點(diǎn)的硬件配置，提高了經(jīng)濟(jì)性，又簡(jiǎn)化了使用和維護(hù)。

3.4K超高清節(jié)目的傳輸

當(dāng)前廣播電視的總體發(fā)展趨勢(shì)是4K超高清節(jié)目的傳輸，這也是廣大人民群眾對(duì)更美好生活的追求。世界各國(guó)均積極開展廣播電視節(jié)目4K超高清衛(wèi)星傳輸測(cè)試，我國(guó)針對(duì)廣播電視節(jié)目4K超高清衛(wèi)星傳輸?shù)内厔?shì)也積極開展了相應(yīng)測(cè)試工作。

2017年9月國(guó)家新聞出版廣電總局在《新聞出版廣播影視“十三五”發(fā)展規(guī)劃》中明確提出：適時(shí)開播4K超高清電視試驗(yàn)頻道，推動(dòng)構(gòu)建高清、4K超高清電視混合播出系統(tǒng)。[4]我國(guó)自2018年起就開始進(jìn)行4K節(jié)目的衛(wèi)星傳輸測(cè)試，目前已有近十套4K電視節(jié)目在衛(wèi)星上進(jìn)行傳輸。

衛(wèi)星傳輸4K電視節(jié)目相比寬帶和地面通信網(wǎng)絡(luò)，解決了如下問題：

1）寬帶網(wǎng)絡(luò)難以滿足4K電視節(jié)目收看需求?，F(xiàn)在典型的壓縮后4K節(jié)目數(shù)據(jù)最低約為36Mbps，目前國(guó)內(nèi)絕大部分用戶的寬帶和手機(jī)根本不具備實(shí)時(shí)的、無損傳輸?shù)臈l件。寬帶雖然目前已主要采用光纖作為傳輸介質(zhì)，傳輸帶寬已大大增加，但面對(duì)同時(shí)數(shù)十套4K節(jié)目進(jìn)行無損分發(fā)，仍難以滿足。尤其是寬帶網(wǎng)絡(luò)中用戶的數(shù)據(jù)傳輸以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)為主，4K電視節(jié)目的收看會(huì)讓網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生極大的難以計(jì)算的數(shù)據(jù)量，需要運(yùn)營(yíng)商對(duì)其寬帶網(wǎng)絡(luò)的重要節(jié)點(diǎn)做出必要的經(jīng)濟(jì)投入。

2）移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)無法實(shí)現(xiàn)4K電視節(jié)目的分發(fā)要求。在手機(jī)網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)通信中，目前3G、4G網(wǎng)絡(luò)根本無法支持36M數(shù)據(jù)量的4K電視節(jié)目收看，大多時(shí)候的5G網(wǎng)絡(luò)也無法滿足36M的4K電視節(jié)目分發(fā)要求。

現(xiàn)階段最可靠的大容量數(shù)據(jù)高質(zhì)量廣播分發(fā)就是衛(wèi)星通信。

衛(wèi)星傳輸4K電視節(jié)目具備光纖等其他方式無法比擬的優(yōu)勢(shì)，那就是大容量數(shù)據(jù)高質(zhì)量地進(jìn)行廣播分發(fā)。目前的廣播電視衛(wèi)星每顆一般有三十多個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器（如中星6B），輕易實(shí)現(xiàn)超過數(shù)據(jù)量的廣播，一顆衛(wèi)星即可輕松實(shí)現(xiàn)數(shù)十套的4K電視節(jié)目廣播分發(fā)，這是寬帶網(wǎng)絡(luò)和手機(jī)移動(dòng)通信無法實(shí)現(xiàn)的。

為保障大容量的4K節(jié)目傳輸，衛(wèi)星通信中采用了許多新的傳輸技術(shù)。

1）4K節(jié)目衛(wèi)星傳輸信源編碼采用AVS2的編碼方式，與目前國(guó)際上通用的HEVC相比較，編碼性能基本相似，但對(duì)于數(shù)字電視廣播（隔行）和視頻監(jiān)控的應(yīng)用等方面來看，AVS2要明顯優(yōu)于HEVC。[5]

2）4K節(jié)目衛(wèi)星傳輸在信道傳輸上使用DVB-S2制式和ABS-S制式，不同于傳統(tǒng)衛(wèi)星通信的QPSK調(diào)制方式，4K節(jié)目采用了更高階的調(diào)制方式如8PSK、16PSK，從而提高系統(tǒng)的有效載荷，使信道能夠容納更大的數(shù)據(jù)量。

3）4K節(jié)目衛(wèi)星傳輸采用了基于低密度奇偶校驗(yàn)碼（LDPC）的糾錯(cuò)方式。LDPC碼性能接近香農(nóng)容限，碼率高，譯碼速度快而且碼距比較大，不可檢測(cè)錯(cuò)誤少，具有更低的錯(cuò)誤平層。因此4K節(jié)目采用了5/6、7/8等較高速率的糾錯(cuò)方式，在不降低或少降低糾錯(cuò)能力的基礎(chǔ)上減少了信道數(shù)據(jù)中糾錯(cuò)碼的數(shù)量。

4）4K節(jié)目衛(wèi)星傳輸采用了更低的滾降系數(shù)來提高帶寬利用率。雖然調(diào)整滾降系數(shù)對(duì)信號(hào)接收質(zhì)量和鏈路余量基本沒有影響，但是較低的滾降系數(shù)能夠提升頻帶利用率。因此4K節(jié)目采用了較小的滾降系數(shù)來提高頻帶利用率。

4K超高清節(jié)目的傳輸為2022年北京冬奧會(huì)精彩體育賽事的直播提供了高質(zhì)量的服務(wù)，成為中國(guó)向世界展示我國(guó)廣播電視發(fā)展的窗口。

三、廣播電視衛(wèi)星應(yīng)用未來的發(fā)展趨勢(shì)

隨著互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展和各類視頻節(jié)目資源的層出不窮，廣播電視不能只依靠目前的發(fā)展趨勢(shì)。若不想被時(shí)代淘汰，就需要進(jìn)行更加大膽的探索和嘗試。

1）需要進(jìn)行更大容量傳輸?shù)奶剿?。如何在信源編碼、信道編碼、調(diào)制方式、糾錯(cuò)方式、滾降系數(shù)等一系列參數(shù)的組合中不斷優(yōu)化，通過技術(shù)的革新，設(shè)備的更新?lián)Q代，來實(shí)現(xiàn)廣播電視衛(wèi)星的更大容量、更高質(zhì)量、更易接收的新型傳輸。

2）進(jìn)行動(dòng)中通傳輸?shù)臏y(cè)試，包括飛機(jī)、輪船、汽車等交通工具實(shí)施接收技術(shù)的探索和測(cè)試。目前一般采用圓極化方式接收衛(wèi)星下行的圓極化或線極化信號(hào)，由于目前衛(wèi)星下行信號(hào)功率等方面，以及接收設(shè)備靈敏度等接收設(shè)備方面的限制，導(dǎo)致應(yīng)用體驗(yàn)較差。相信隨著芯片技術(shù)等高新技術(shù)的不斷進(jìn)步，以及衛(wèi)星通信技術(shù)的進(jìn)步，以后將會(huì)有便利的、普及的動(dòng)中通的衛(wèi)星廣播電視應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。

3）應(yīng)急信息廣播傳輸。2020年開始的抗擊新冠疫情中，我國(guó)利用應(yīng)急廣播進(jìn)行疫情防控宣傳，“村村響”使疫情防控深入人心，有效地阻斷了疫情蔓延。2021年，鄭州大雨導(dǎo)致許多地區(qū)因斷電使手機(jī)、網(wǎng)絡(luò)等通信中斷，許多應(yīng)急救援采用衛(wèi)星通信來傳輸信息。類似情況的不斷發(fā)生，提示我們，利用好衛(wèi)星通信的優(yōu)勢(shì)，建立應(yīng)急廣播系統(tǒng)，就能為救災(zāi)減災(zāi)作出更大的貢獻(xiàn)。

四、總結(jié)

現(xiàn)階段衛(wèi)星傳輸仍然是我國(guó)收聽收看廣播電視的重要途徑，尤其在廣大農(nóng)村和偏遠(yuǎn)地區(qū)，衛(wèi)星廣播電視是人民群眾了解世界的重要途徑。隨著互聯(lián)網(wǎng)和多媒體的不斷發(fā)展，衛(wèi)星廣播電視不能單一采用現(xiàn)在的運(yùn)營(yíng)模式，必須與新技術(shù)融合，多發(fā)面發(fā)展，才能吸引更多用戶，不被時(shí)代所淘汰。