數(shù)字微波通信技術(shù)在電視直播中的應(yīng)用

姚繼先

（新華通訊社 通信技術(shù)局，北京 100803）

隨著新華社電視新聞業(yè)務(wù)的蓬勃發(fā)展，節(jié)目制作水平和要求不斷提高，由此而來的多種拍攝需求給技術(shù)部門提出了新的挑戰(zhàn)。尤其在重大活動或突發(fā)事件的現(xiàn)場直播報(bào)道中，依靠線纜聯(lián)接攝像機(jī)進(jìn)行電視節(jié)目攝制及采訪有時是極為不便的。無線攝像機(jī)微波傳輸系統(tǒng)的產(chǎn)生為上述問題提供了解決方案。

無線攝像機(jī)微波傳輸系統(tǒng)分為模擬和數(shù)字兩種傳輸方式。其中，模擬傳輸技術(shù)對多路反射信號的影響非常敏感，一般無法在室內(nèi)使用。而在室外運(yùn)動拍攝時，為了得到較好的信號接收效果，通常采用定向跟蹤，這需要配備有經(jīng)驗(yàn)的天線操作員。此外，模擬微波受環(huán)境影響信號衰落較大[1]。因此，模擬微波攝像機(jī)在實(shí)際使用中未能得到廣泛的推廣。近年來，人們將數(shù)字電視地面?zhèn)鬏敿夹g(shù)引入無線攝像，數(shù)字微波攝像機(jī)可以使用全向發(fā)射天線，在接收端則利用多個天線進(jìn)行分集接收，在其有效的覆蓋范圍內(nèi)信號質(zhì)量基本保持不變。這種利用數(shù)字傳輸技術(shù)的無線微波攝像系統(tǒng)，既可以在室外，又可以在室內(nèi)應(yīng)用，而且在運(yùn)動拍攝時也不需要復(fù)雜的天線跟蹤[2]。目前，隨著廣播電視數(shù)字技術(shù)的不斷發(fā)展，無線攝像機(jī)數(shù)字微波系統(tǒng)也得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

1 無線攝像機(jī)數(shù)字微波系統(tǒng)的基本原理

無線攝像機(jī)數(shù)字微波系統(tǒng)指的是微波發(fā)射、接收系統(tǒng)采用了數(shù)字方式，這里的數(shù)字方式是指對數(shù)字音視頻信號進(jìn)行壓縮、調(diào)制處理后發(fā)射到接收系統(tǒng)，再經(jīng)過解調(diào)制和解壓縮過程，還原為正常的廣播電視信號。該系統(tǒng)將輕小、便攜的微波電視發(fā)射機(jī)直接安裝在電視攝像機(jī)上，攝像人員即可在沒有電纜約束的情況下，大范圍、高機(jī)動性地進(jìn)行現(xiàn)場攝制與采訪[3]。然后，音視頻信號通過安裝在攝像機(jī)上的發(fā)射機(jī)以無線微波方式傳輸至一定距離內(nèi)的衛(wèi)星或者光纖傳輸系統(tǒng)等，技術(shù)人員再將各個機(jī)位發(fā)來的電視信號傳輸至后方接收機(jī)房。

1.1 信源編碼

信源編碼系統(tǒng)用于處理攝像機(jī)采集的音視頻信號，通過減少時間和空間冗余信息將碼率降低到可控制的范圍。目前的無線攝像機(jī)廣泛采用比較成熟的MPEG和小波算法進(jìn)行音視頻信號的編碼壓縮[4]。

MPEG標(biāo)準(zhǔn)是一個通用標(biāo)準(zhǔn)，主要針對全動態(tài)圖像而設(shè)計(jì)，是幀內(nèi)和幀間相結(jié)合的編碼壓縮方式，不僅去除了幀內(nèi)空間冗余信息壓縮，還利用圖像系列的相關(guān)性以多幀組成一組（GoP），有效地去除時間軸上的冗余信息。其平均壓縮比可達(dá)50∶1，可大大節(jié)約傳輸帶寬，且具有統(tǒng)一的格式，兼容性好。

小波變換在表示圖像的靈活性以及適應(yīng)人類視覺特性等方面具有優(yōu)勢，目前已成為當(dāng)今國際上圖像編碼領(lǐng)域中令人矚目的研究方向。小波算法為并行的計(jì)算方式，其特點(diǎn)是運(yùn)算速度快、復(fù)雜度低，能更好地保存圖像信息。與JPEG、MPEG相比，它不會在大壓縮比時產(chǎn)生塊效應(yīng)等失真。另外，小波算法只有幀內(nèi)壓縮，可以保證每幀的信號質(zhì)量相同，且編解碼過程的延時較短，因此也會被用在微波傳輸系統(tǒng)的編碼方案中。

1.2 調(diào)制方式

微波傳輸系統(tǒng)中采用編碼正交頻分復(fù)用（Coded Or?thogonal Frequency Division Multiplexing，COFDM）調(diào)制技術(shù)很好地解決了移動傳輸中的多徑干擾問題。COFDM基本原理就是將高速數(shù)據(jù)流通過串并轉(zhuǎn)換，分配到傳輸速率較低的若干子信道中進(jìn)行傳輸。COFDM技術(shù)使用了自適應(yīng)調(diào)制，根據(jù)信道條件的好壞來選擇不同的調(diào)制方式。由于以上的特性，COFDM主要應(yīng)用于DVB-T和DAB方面，如無線攝像機(jī)和便攜微波系統(tǒng)等。

2 無線攝像機(jī)數(shù)字微波系統(tǒng)的應(yīng)用

無線攝像機(jī)數(shù)字微波系統(tǒng)主要包括攝像機(jī)微波發(fā)射單元、分集式信號接收部分，另外還有光纖延伸單元、攝像機(jī)反向控制單元、信號中繼設(shè)備等[1，5-6]。

2.1 無線攝像機(jī)數(shù)字微波系統(tǒng)基本應(yīng)用方式

圖1所示為最基本的無線攝像機(jī)數(shù)字微波系統(tǒng)應(yīng)用示意圖，其中需要設(shè)備僅為微波發(fā)射單元與分集式信號接收機(jī)，這也是在一般電視直播報(bào)道中的常用方式。這種使用方式用于攝像機(jī)與衛(wèi)星通信設(shè)備距離在幾千米以內(nèi)或者是可視的范圍內(nèi)。比如在2009年北京市水價(jià)上漲聽證會的電視直播報(bào)道中，攝像人員攜帶微波攝像機(jī)進(jìn)入會場，將會場內(nèi)拍攝到的音視頻信號傳輸?shù)轿挥跁鐾馔７诺男l(wèi)星直播車上，技術(shù)人員再將收到的音視頻信號通過衛(wèi)星傳輸?shù)轿挥谛氯A社總社的衛(wèi)星接收機(jī)房。另外在2010年江西撫州唱凱大堤合龍的直播報(bào)道現(xiàn)場，攝像人員攜帶微波攝像機(jī)乘救生艇深入到大堤合龍施工位置，而將微波接收設(shè)備與便攜衛(wèi)星站放置在較為平坦的河堤上，通過微波天線接收到攝像人員拍攝的施工實(shí)況，再經(jīng)下變頻器以及分集接收機(jī)將音視頻信號重建，并傳送到便攜衛(wèi)星站上星發(fā)回新華社衛(wèi)星接收機(jī)房，圖2為直播過程中新華社技術(shù)人員在大堤上對微波設(shè)備接收到的音視頻信號進(jìn)行監(jiān)測。

2.2 結(jié)合攝像機(jī)反向控制單元的應(yīng)用方式

攝像機(jī)反向控制單元提高了后方音視頻編輯人員對前方攝像人員的遠(yuǎn)程控制能力，也可以使攝像人員專注于拍攝質(zhì)量、取景構(gòu)圖等節(jié)目制作需求，而相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)則可以全部由后方機(jī)房內(nèi)的技術(shù)人員來掌控，為節(jié)目制作提供了更大的靈活性。如圖3所示，加入攝像機(jī)反向控制單元實(shí)現(xiàn)了雙向通信，演播室可以通過操作控制面板對攝像機(jī)遠(yuǎn)程操作，控制信息通過無線數(shù)據(jù)發(fā)射機(jī)傳送到攝像機(jī)從而實(shí)現(xiàn)反向控制。

2.3 結(jié)合光纖延伸單元的應(yīng)用方式

光纖延伸單元分為移動單元（Remote Unit）和固定單元（Base Unit），如圖4所示，移動單元與天線和下變頻器相連接，一般置于拍攝現(xiàn)場附近，通過光纖連接到固定單元并經(jīng)分集信號接收機(jī)重建音視頻信號，光纖延伸單元最大可將傳輸距離延伸到30 km（單模光纖）。例如在某些大型集會活動或者體育賽事的直播報(bào)道中，攝像人員可以在現(xiàn)場進(jìn)行拍攝，將信號傳輸?shù)礁浇茉O(shè)的微波天線，通過光纖將音視頻信號直接傳輸?shù)窖莶ナ摇?/p>

2.4 結(jié)合信號中繼系統(tǒng)的應(yīng)用方式

與光纖延伸單元相比，信號中繼單元是將音視頻信號傳輸距離延長的無線設(shè)備。如圖5所示，攝像機(jī)通過微波發(fā)射機(jī)將信號傳送到分集式接收機(jī)再經(jīng)信號中繼器，經(jīng)解調(diào)和再調(diào)制后輸出COFDM信號，頻率一般為1.95～2.7 GHz或者3～5 GHz。圖5中的2路攝像機(jī)信號使用不同頻率發(fā)送，中繼單元將接收到的信號解調(diào)后復(fù)用為一路單載波信號發(fā)送，接收端使用分集式接收機(jī)和解碼器可以分別解出兩路攝像機(jī)信號。

這種應(yīng)用一般將中繼系統(tǒng)放置在樓頂、車頂、直升機(jī)等較高無遮擋的位置以提供較強(qiáng)的中繼轉(zhuǎn)發(fā)能力，應(yīng)用于傳輸距離較遠(yuǎn)的音視頻報(bào)道現(xiàn)場。例如在賽車比賽中，如圖6左圖所示將小型攝像機(jī)及微波發(fā)射機(jī)置于賽車中，信號中繼系統(tǒng)放置在賽場附近的樓頂，通過中繼轉(zhuǎn)發(fā)將拍攝到的車內(nèi)實(shí)況傳輸?shù)骄嚯x較遠(yuǎn)的演播室中，如圖6右圖所示。

3 結(jié)束語

本文主要介紹了無線攝像機(jī)中的數(shù)字微波通信技術(shù)，首先簡單介紹了數(shù)字微波系統(tǒng)的幾個技術(shù)要點(diǎn)，然后詳細(xì)描述了無線攝像機(jī)數(shù)字微波系統(tǒng)的基本原理，并舉例說明了無線攝像機(jī)不同的應(yīng)用方式和使用環(huán)境。隨著無線攝像機(jī)性能的不斷提高，無線攝像機(jī)微波系統(tǒng)在今后新聞行業(yè)電視直播報(bào)道中將會發(fā)揮更大的作用。

[1]李遠(yuǎn)新.HDV高清數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用[J].電視技術(shù)，2007，31（3）：78-79.

[2]何向暉，范曉琳.地面數(shù)字電視傳輸技術(shù)在電視直播中的應(yīng)用[J].電視工程，2008（1）：31-33.

[3]胡維剛，李建杰，王軍.現(xiàn)場直播報(bào)道新聞事件的技術(shù)應(yīng)用和實(shí)踐[J].現(xiàn)代電視技術(shù)，2006（11）：80-81.

[4]謝蘇文.數(shù)字無線攝像機(jī)的特性分析[J].西部廣播電視，2005（6）：59-62.

[5]劉揚(yáng).數(shù)字?jǐn)z像機(jī)微波系統(tǒng)在演播室的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電視技術(shù)，2011（6）：56-59.

[6]鄒正義，徐惠鋼.現(xiàn)代無線通信技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2008.