淺談衛星新聞采集車系統設計理念與實踐

吳榕順

（福建省廣播影視集團，福建 福州 350001）

責任編輯:任健男

1 引言

2009年，福建廣電集團根據電視新聞連線報道和體育賽事、綜藝節目現場直播信號傳送的工作需要，同時建造了3部衛星車。

衛星車整車系統包含車體改裝、衛星天線、天線系統控制、上行編碼調制、上變頻、高功放、下行接收及監測、攝像機微波、車內視音頻及攝錄設備、通話系統以及電源、空調等部分。系統要求配置2訊道攝像系統，隨工作需要可擴展到3～4個訊道；涉及系統信號通道的設備（除天線以外）采用主備配置，滿足電視直播要求；在今后相當一段時間內具有先進性和可擴展性；技術指標達到廣播級甲級標準，適應現在電視新聞連線報道、體育賽事、綜藝節目的直播傳送和錄制要求。

2 車體選型

衛星車車體的選型主要可以歸結為這樣幾種類型。一是大型化，在4訊道以上轉播車的基礎上增加衛星上行的功能，具有代表性的車體為奔馳Vario 815D。通常也有一些根據空間需求專門量身打造的車廂體。其次是中型化，具有3～4訊道的一般轉播車功能，加上衛星上行設備，具有代表性的車體為奔馳SPRINTER凌特416CDI和515CDI、南京IEVECO商用車、福特全順商用車等中巴車體。再者是小型化，只有簡單的1～2訊道的簡易視音頻制作系統和衛星上行功能，具有代表性的車體有豐田的陸地巡洋艦、福特E－350等吉普類的越野車。

車體的選購主要是根據使用要求和采購定位來做抉擇，然后再參照所選擇的車體是否滿足使用的要求，通常有這么幾個關鍵點:

1）車體空間

車體的幾何空間大小是否滿足使用要求，對訊道多、工位要求多的車體空間要求自然就大。工作環境的舒適度，對設備系統的操作和維修的便利性也是衡量車體選型的一個因素。

2）車體承載重量

衛星車體載重量的設計與普通的客車和貨車有所不同，衛星車的機架、設備一旦安裝上去就基本上不會再卸下來，車體底盤長期處于受壓狀態。如果按照車體本身出廠的載重量額定值進行設計，久而久之，車體承重的減震系統容易變形和損壞。因此，在設計車體載重量時必須留有一定的余量[1－2]。

3）車體配重

車體的配重也是車體設計的一個重要環節。車體改造需要安裝機架和設備等配套設施。其中較重的部件有機架、視音頻設備、電源隔離變壓器、空調、衛星天線、電纜盤、儲物箱等。有些設備安裝的位置基本沒有太多的選擇余地。如衛星天線必須安裝在車頂；機架的安裝位置也必須滿足人體工程學的要求，讓工作人員有一個舒適的工作場所和環境；經常需要操作的設備要盡量安裝在易于操控的地方。在必須定位的設備和機架安置到位后，再綜合考慮系統的連接布線等因素確定其他設備的安裝地點?？偟脑瓌t是:車體的左右、前后配重必須平衡，車體的重心要平衡并盡量降低，要符合原有車體出廠時安全行駛的設計要求。

4）車輛動力

衛星車的工作地點千變萬化，并且要應對各種自然災害，處置突發事件過程中迅速到達、靠前采集報道、快速傳送的需要，車體的動力必須強勁，并具備一定的越野能力。

福建省廣播影視集團于2004年建造過2臺衛星車。一臺車配備4訊道及完善的后置視音頻處理系統，應對多機位拍攝的節目或現場制作的需要，既是一部衛星車，更是一部轉播車，因此選用了奔馳廂式貨車中廂體容積最大的Vario 815D車型。另一臺車作為互補，需要小型化、靈活機動，應對突發新聞和日常節目傳送，選用了越野型性能較好的豐田的陸地巡洋艦4500。車內除與大車一樣裝備全備份衛星傳送系統之外，還就新聞采訪的特點裝備了2訊道視音頻處理設備，具有簡單編輯和切換功能。

此次同時建造了3部衛星車，在車體的選擇上依然特別重視根據日后使用模式提出的功能要求:從衛星系統全備份；2訊道攝像機位；帶視音頻現場制作及切換系統；市電、UPS、取力發電機多模式電力保障；帶隔離變壓器；完善的通話系統；2個以上工位；電動電纜盤；攝像機儲藏柜、工具柜；兼顧車輛越野性能；在承載重量要求超過1.5 T的前提下，車體盡量小型化。根據以上要求，最后確定選用福特E－350加重版廂式貨車作為承載底盤。

車廂內部空間較大，貨艙長2.9 m，寬可容納安裝3個20 RU高的19 in機架，車輛載重大于1.9 T，基本滿足要求。經考證，該車發動機還可以搭載美國水牛牌取力發電機。

3 衛星天線系統分析

衛星天線系統是衛星車系統的重要組成部分。主要涉及使用天線的波段、天線控制系統、高功放。而衛星天線又往往與高功放功率密切相關。在同等條件下，較大口徑的天線可以使用較小的高功放功率；較小的天線口徑就要使用較大的高功放功率。

3.1 衛星車天線與高功放

在衛星電視通信頻段中，主要有C波段和Ku波段。C波段和Ku波段的主要區別首先在于頻段不同，降雨衰耗不一樣[3]。降雨衰耗是無線電波在穿過雨區時所受到的衰減量。Ku波段衛星信號降雨衰耗遠大于C波段。其次受衛星接收天線效率、衛星轉發器接收G/T值（最大品質因數）和下行EIRP值（全向等效輻射功率）、地面接收環境微波同頻干擾等因素的影響，使得實際應用中C波段衛星車的天線口徑要比Ku波段衛星車大得多，系統體積也要大很多，但對高功放的發射功率設計要求則相差不大。這主要還是考慮到Ku波段受雨衰的影響，必須留有足夠的發射功率余量來抵消降雨衰耗。通常C波段最大雨衰量一般不超過1 dB，而Ku波段瞬間降雨衰耗量可以高達20 dB，甚至30 dB。根據亞洲衛星公司對衛星新聞采集（Satellite News Gathering，SNG）的一般建議和入網要求，C波段SNG系統天線一般在1.5～2.4 m之間，Ku波段在0.9～1.8 m之間，而高功放則同樣都在200～400 W之間。C波段利用降雨衰耗小的特性，通過較大的天線、較大的恒定功率彌補接收環境條件差等因素獲得穩定可靠的信號傳輸。而Ku波段利用較好的接收條件等因素，使用有較大的功率儲備的高功放，通過對高功放進行功率控制，克服或抵消在上行鏈路的降雨衰耗，使上行鏈路得到良好傳輸。由于Ku波段較小的天線使得系統體積較小，給移動運輸帶來方便，可以使用較小的承載車輛，使衛星車的機動靈活性大大提高。

亞洲四號衛星轉發器C波段轉發器和Ku波段FSS中國波束轉發器在福州地區EIRP值和G/T值見表1。

表1 亞洲四號衛星轉發器C波段轉發器和Ku波段FSS中國波束轉發器在福州地區EIRP值和G/T值

可以看出C波段和Ku波段的EIRP值和G/T值相差較大。以在福州地區使用亞洲四號衛星轉發器的經驗數據來看， 傳輸 8 Mbit/s，MPEG－2/DVB－S，FEC=3/4 數字電視信號所需要的發射天線尺寸和高功放功率如表2所示。

表2 發射和接收天線的尺寸和高功放功率

由經驗數據可見，使用C波段衛星車在晴天常態下恒定的發射功率需要300 W，而使用Ku波段衛星車，晴天所需高功放的功率只要5 W左右。如果也配上300 W的高功放，將有將近18 dB的降雨衰耗儲備。因此在18 dB的降雨衰耗儲備的情況下，使用Ku 1.5 m天線與使用C波段2.4 m天線在沒有備余量情況下所需高功放功率基本相同。

前面所述Ku波段瞬間雨衰量可以高達20 dB，甚至30 dB。那么究竟留有多大的降雨衰耗儲備才是合適的呢？由于降雨這一自然天氣現象在發生時間和地域上具有不確定性，對降雨衰耗無法用量化精確計算。因此這里引入一個降雨可用度的概念。降雨可用度是平均年度降雨衰耗不高于雨衰儲備值的統計時間，用百分數來表示。以福州地區為例，降雨可用度和雨衰儲備值如表3所示。

表3 福州地區降雨可用度和雨衰儲備值

通過對衛星鏈路估算結果分析和對衛星車的使用要求，需要在衛星上行鏈路中大于99.98%降雨可用度、對應需要預留15.30 dB的雨衰儲備值。以亞洲四號衛星在福建地區使用的經驗數據來看，選用1.5 m Ku波段衛星天線、400 W行波管高功率放大器，傳輸8 Mbit/s，MPEG-2/DVB-S，FEC=3/4數字電視信號，完全可以滿足使用要求。

需要指出的是，通過選用一個合適的衛星，也可以對整個衛星車系統的可用性帶來重大影響。如果使用高功率衛星，可降低對衛星車的天線口徑和高功放功率輸出的要求。選用定位經度合適的衛星，可以提高天線的仰角，減少衛星上行的雨區穿越斜距，從而可降低系統的降雨衰耗，進一步克服Ku波段受天氣限制的影響。

衛星車天線是將電視信號送上衛星的唯一傳輸通道。衛星車天線機械系統的穩定性、自動控制系統的精度、電器性能、發射效率是影響衛星車系統性能和可靠性的主要因素。衛星車每次工作時，天線都要根據所處的地理位置、所選的衛星軌道位置通過天線控制器在俯仰、方位和極化角上完成一定的機械動作，使其準確對準所需的衛星。工作結束時，天線又要復原到原始收藏狀態，便于移動運輸。長年累月，如此不斷反復，要求天線要有高穩定性的機械結構，要有高精度的自動控制系統。

天線控制系統除了具有自動控制功能以外還應配備手動的功能，以防自動控制系統出現故障的時候可以使用手動進行操作。由于天線通常裝在車頂上，天線的重量和天線的垂直高度直接會影響衛星車整車的重心高度，同時是否流線型的設計也會影響衛星車行駛時的風阻。

3.2 尋星方式

衛星車天線在使用中最關鍵的問題是如何通過天線控制器來快速完成俯仰、方位和極化角等一系列機械控制動作，快速準確地找到所要使用的衛星。為了使天線準確地找到所需要使用的衛星，必然要在衛星車天線與衛星之間建立一種空間的對接關系，這需要提供三組參數:使用衛星的定位經度，衛星車所在位置的經緯度，衛星車天線復原時的初始位置。衛星車天線復原時的初始位置參數包含與地球磁北極的夾角和與地球水平面的傾斜角[4-5]。理論上天線控制器有了這三組數據，就可以通過與天線控制器出廠時的原始固化初始值的相對變化進行計算，得出天線指向所選衛星的方位、俯仰和線極化角度。但在實際操作中由于受復雜電磁環境影響，電磁羅盤測量衛星車天線與地球磁北極的夾角的數據往往是不準確的。數據的誤差使得天線控制器計算出的結果也不準確，因而往往無法準確找到所要使用的衛星。實踐中，通常采用以下幾種方式解決。

1）衛星信標接收方式

衛星運營公司為了讓用戶能夠準確尋找到所要使用的衛星，在每顆衛星的不同的極化上都下行發射某一特定頻率、固定幅度的信標信號作為本顆衛星的身份識別信號。將特定信標信號參數輸入到衛星信標接收機，衛星車天線在自動尋星過程中，衛星信標接收機只要接收到特定的衛星信標信號，信標接收機的自動增益控制（AGC）電壓輸出就會產生變化，天線控制器的伺服系統根據這一電壓變化改變天線的方位角和俯仰角獲得最大的信標信號接收幅度，從而對準了所要使用的衛星。

2）DVB信號接收方式

DVB接收方式與衛星信標接收機方式的基本原理是一樣的，都是通過直接接收所用衛星已知的信號，不同的是衛星信標接收機接收的參照信號是信標信號，而DVB接收機接收的是已知的DVB載波信號。但現實中并不是所有的衛星都有已知的DVB載波信號可供接收，尤其是對臨時使用的未知陌生衛星。因此需要引入一個參考星的概念，即選擇一顆有已知DVB載波參數的衛星作為參考星，通過DVB載波方式尋找到這顆參考星后，再把所要使用的衛星與參考星的定位經度差作為尋星定位修正參數，通過天線控制器驅動天線的方位角和俯仰角的修正值找到所要使用的衛星。這種方式的局限性是衛星車的停放位置一定要同時能與參考星和所要使用的衛星是無遮擋通透的空間。

3）衛星下行全頻段信號接收方式

衛星下行頻譜接收方式的基本原理是在天線控制器內設一衛星射頻信號檢測裝置，通過接收衛星下行的全頻段信號強弱作為參考依據。衛星天線對準衛星時，接收到的衛星全頻段信號最強，反之減弱。但由此帶來的問題是當衛星天線對準相鄰衛星時，接收到的衛星全頻段信號也最強，使得找到的衛星并不是所要使用的衛星。因此這種尋星方式需要配合衛星頻譜分析儀來加以判別和確認。

以上三種尋星方式各有利弊，不同的廠商有不同的設計理念和使用場合。在實踐中選擇了使用全頻段接收信號作為自動尋星的參考依據，同時配合衛星頻譜分析儀加以判別和確認。

4 系統方案

4.1 衛星上行系統

衛星上行系統的組成部分包括編碼調制器、室外型400 W行波管放大器、1.5 m Ku衛星車衛星天線系統和天線控制器、數字衛星接收機、頻譜分析儀等?？紤]到系統的安全性，編碼調制器和行波管放大器主備配置，同時配備相應的室內型高功放控制器及備份切換部件。系統框圖如圖1所示。

所有外來信號和視頻切換臺、調音臺輸出的視音頻信號都接入視音頻跳線盤，經過視音頻跳線盤引入編碼調制器進行 MPEG-2編碼和加擾、QPSK調制，2臺編碼調制器輸出的L波段中頻信號經切換控制器選擇一路L波段信號，通過2功分器分別送到2臺內置上變頻器（BUC）的行波管放大器。上變頻器將調制器輸出的L波段信號與固定本振頻率12800 MHz合成上變頻到Ku波段信號。Ku波段信號的上行頻率為調制器輸出頻率與上變頻器本振頻率之和，Ku波段的信號經行波管放大器再進行放大輸出高功率射頻信號，由波導開關選擇一路經天線發向衛星，完成上行步驟。

天線接收的下行信號首先經低噪聲下變頻單元（LNB）變為L波段信號，此時L波段信號的頻率為衛星下行頻率減去低噪聲下變頻單元本身固定本振頻率11300 MHz。L波段信號經4功分器分配接至L波段跳線盤，分別送至天線控制器用于天線自動尋星時下行全頻段信號強弱檢測，送至頻譜分析儀用于監看接收衛星信號頻譜，送至衛星接收機用于視音頻自發自收監測。

為方便L波段信號的靈活調度，配備了L波段跳線盤。衛星接收機和頻譜分析儀輸入信號的入口、編碼調制器和LNB輸出信號分別接入L波段跳線盤，使得在不動用衛星天線和高功放的前提下，只要通過調度L波段跳線，可以利用衛星接收機和頻譜分析儀完成系統內部信號環測。這在排除系統設備故障中十分有用。

4.2 視頻系統

視頻系統攝像機訊道配置為1+1攝像機訊道，即1個電纜有線訊道和1個便攜微波無線訊道。選用2臺P2便攜式ENG攝像機，既可以通過有線和無線傳輸方式將信號送入衛星車內，由數字切換臺完成制作，又可以通過攝錄方式將素材直接保存在P2記錄介質上，通過P2編輯錄像機編輯后播放。2臺攝像機均選配機頭麥克風，直接拾取音頻信號，加嵌后與視頻SDI同步傳送。錄像機迅道采用DVCPRO50錄像機和PII卡編輯錄像機。

為了增強系統的靈活性和可擴展性，通過車側板上的I/O接口增加外來信號，可將一路模擬復合視頻信號和一路SDI數字視頻信號以及兩路模擬音頻信號同時接入系統中。由此，整個衛星車最大訊道容量可擴充為6路，能充分滿足基本的新聞采集、外景拍攝等應用。

視頻信號處理的核心是數字切換臺。6路信號分別經過分配、音頻解嵌或模數轉換等不同方式處理送入數字切換臺。切換臺的4路輸出通道用途分別為多畫面監視、PGM信號輸出、波形監看、上跳線盤。

4.3 音頻系統

音頻系統的核心是ALESIS的12路機柜式模擬調音臺。音頻信號源分別來自2部攝像機、2部錄像機和經I/O接口外來的音頻信號。調音臺有2對模擬音頻輸出，MAIN OUT和MON OUT。MAIN OUT直接接入到音頻分配器上，通過分配給到衛星編碼調制器、錄像機、加嵌器及外接口上。MON OUT通過配備的WOHLER視音頻多功能監視器可以對各個聲道進行監聽。

4.4 監視與周邊系統

對于視頻信號的監視，首先采用多聯監視器對訊源進行監視；其次在信號處理的末級通過數字切換臺自帶的多畫面分割器在一臺液晶監視器上顯示所有訊源信號、PVM及PGM信號；再次通過WOHLER視音頻多功能監視器，用于監看衛星鏈路上行前及接收后的圖像，以便實時對上星視頻源及接收返送的視頻信號進行檢測。另外，在切換臺末級配備1臺數字波形示波器，用于監看切換臺輸出信號的波形、矢量等指標。以上4個部分構成了衛星車的監視系統。

視音頻周邊設備如音頻嵌入器、解嵌器、視音分等采用機箱插卡式設備，它們混裝在1個2 RU的機箱內，該機箱采用雙電源模式，并支持板卡的熱插拔。同時留有冗余插槽的擴展空間。

4.5 通話系統

通話系統雖與系統視音頻通道技術指標無關，但在導播與攝像和主持人之間通信聯絡卻十分重要。這里的通話需求主要可以分為衛星車導播與攝像和主持人之間的通話、電視臺本部導播與衛星車導播和現場主持人等之間的通話。因此通話系統選擇2通道通話主站。A通道通過兩線轉四線接口與40 W無線對講基站連接，基站配有4部對講機，每臺對講機均配有1只頭戴式耳機和1只耳塞式耳機，實現導播與現場主持人、攝像的通話。B通道通過通用系統接口單元與電話耦合器和電話機相聯。將SIM卡插入到電話耦合器，可以隨時將外來的電話接入通話系統；也可以通過車內電話機向外撥打其他移動電話和固定電話，實現衛星車導播與電視臺本部的通話。整個通話系統通過2通道通話主站的控制按鈕，可以實現對講機與外來電話及主站之間的通話。

5 車體改造

車體改造如圖2和圖3所示，單位為mm。

在福特E-350后車廂內用一排 （3組）20 RU 19 in機柜將車廂分成操作和檢修兩個工作區。機柜中部安裝木制操作臺面，放置切換臺和編輯機。工作區中央安裝3個皮質座椅，座椅靠背可依行駛和工作兩種模式前后翻轉提高乘坐舒適性。座椅下面是木制儲物箱。檢修區安裝攝像機儲藏箱，可同時存放2臺攝像機，直流充電機和隔離變壓器安放在電動電纜盤旁邊。車底配備四點電動支撐系統可自動調平穩定車身。車側、車后門加裝電動雨搭。車頂平臺上安裝衛星車衛星通信天線、攝像機微波接收天線及其自動倒伏機構、GPS時鐘接收天線、MOTO內部通話主站和GSM通信天線，以及超薄式車頂空調。

機柜內除安裝衛星上行系統及視音頻系統設備外，還在接近車側門處安裝6 RU配電盤。車內交流供電電源由市電、發電機及UPS構成。由于衛星車時常處于一種不確定的供電環境中，因而采用市電、發電機供電，蓄電池接續的供電方式。在市電條件具備的情況下，盡量采用市電供電。市電不具備時采用取力發電機供電。車頭內安裝的7.5 kW取力發電機使用原車發動機動力發電，因為發電機控制系統與福特E-350車電腦控制系統兼容，所以本車的取力發電系統可實時以依據用電負載情況自動調整發動機怠速。7.5 kW的發電量可實現全系統持續供電并具備為UPS蓄電池充電的能力，確保衛星車長時間野外獨立工作用電安全。機柜底部安裝可維持除空調外的整車系統工作1 h的UPS蓄電池，從而確保在極端條件下的短時間應急接續。車頭內安裝的7.5 kW取力發電機使用原車發動機動力發電，因為發電機控制系統與美系車電腦控制系統兼容，所以本車的取力發電系統可實時以依據用電負載情況自動調整發動機怠速，發電量可實現全系統持續供電并具備為UPS蓄電池充電的能力，確保衛星車長時間野外獨立工作用電安全。

6 小結

福建廣電集團此次建造3部衛星新聞采集車，使衛星車總量達到5部。在歷經前期調研、可行性評估、方案論證、方案制定、系統集成等過程，該項目在2009年順利通過驗收。經過一年多的使用驗證，整車系統性能穩定，安全可靠，技術指標都達到了設計目標。在多次的防抗臺風、暴雨水災等自然災害和處置突發事件的新聞連線直播報道中發揮著反應快速、機動性強、操作方便、簡潔高效的優勢，在重大活動、體育賽事、綜藝節目的電視直播傳送中體現出高質量、穩定、安全可靠的特點，使本集團的新聞宣傳報道再上一個新臺階。

[1]趙輝.福建電視臺數字衛星新聞采集車的設計思路[J].廣播與電視技術，2004，31（12）:64-66.

[2]賈中原.衛星車設計實踐[J].現代電視技術，2005（9）:65-68.

[3]魏飛.Ku波段衛星車的兩個技術問題[J].現代電視技術，2007（1）:113-115.

[4]賈國慶，馬文淵.甘肅廣電總臺DSNG衛星車系統構成及應用實例[J].電視技術，2009，33（9）:85-86.

[5]顧衛東，崔永鑫，顧云.數字衛星轉播車系統設計[J].世界廣播電視，2005（6）:76-79.