中國直播衛星的發送與接收技術研究

+ 胡曉東 （湖北荊州視信網絡公司）袁友（湖北威荊州電視臺）

相比此千年的國內外廣播衛星和直播衛星，中星9號有自己的技術特點和技術優勢，也有適應國情而待開發與采用的設備資源，對其進行研究意義重大。

一、傳輸系統現狀

直播衛星平臺的傳輸系統主要包括地面發送系統、空中轉發系統和地面接收系統。

1.地面發送系統現狀

目前中國直播衛星播出前端廣泛采用了目前較為成熟的MPEC-2信源編碼和中國自主知識產權的ABS-S信道編碼與調制技術（下行頻率為12180MHz的CCTV-1采用歐洲的DVB-S2傳送，例外）。信道編碼效率（FEC）從1/2至13/15不等，調制方式主要有QPSK和8PSK兩種。正在運行之中的中星9號衛星廣播系統的FEC為3/4，調制方式為QPSK，符號率為28.8Ms/s，系統碼率達43.2Mb/s。其地面發送系統的參考模型如圖1所示。

如圖1，一個MPEC-2編碼組可為12套電視節目進行編碼，一個調制器可處理的多節目TS流可達12套（標準清晰度）。

2.中星-9的轉發器

中星9號直播衛星裝載轉發器22個，其中4個帶寬為54MHz、18個帶寬為36MHz，連接2副接收天線和2副發射天線。目前使用國際電聯統一規劃的工作頻段。上行頻段為17.3-17.8GHz，下行頻段為11.7-12.2GHz。行波管輸出功率為120W/240W（單管/并聯）。天線采用圓極化方式。目前已開通的轉發器數為10個。其中9個轉發器傳送中央臺十余套基本電視節目（含中央3、5、6、8套，不含中9）、數十套省級衛視（包括維語、蒙古語、藏語等少數民族語言電視廣播）以及延邊衛視（朝鮮語）和農林衛視，采用標清方式；另占用1個轉發器傳送數十套廣播電視節目。其中近二十套電視節目及所有廣播節目免費傳送，其余節目加密。為確保CCTV-1的安全傳輸，其占用了3個轉發器。

3.終端現狀

圖1 中星9號地面發送系統示意圖

目前中國直播衛星主要采用數十厘米左右直徑的拋物面天線（含圓極化Ku波段高頻頭），采用ABS-S標準的專用衛星解碼器。截至筆者發稿之日止，中國通過正規途徑招標和“山寨鍋”累計超過1億5千萬臺。其中國家廣電總局分四次對（中國）直播衛星終端招標的數量過億臺，另有數千萬臺為在黑市銷售和使用的非法終端。雖然廣電總局近年通過加密和多次終端升級等措施打壓非法產品，但可觀的利潤和黑客的加入給不法廠商以“助推力”。目前通過黑客的升級程序，“山寨鍋”可免費接收十余至數十套電視節目。

在正版終端方面，十二五“初期廣電總局用于“戶戶通”工程的中國直播衛星接收終端，采用0.45~0.6m衛星天線和多功能直播衛星綜合接收解碼器（以下簡稱接收機）。以某公司的DVS-968TL接收機為例，其為雙模配置，除接收中星9號直播衛星信號外，還可接收當地國標地面數字電視節目，帶解密卡，加配了GSM模塊、GPRS定位模塊和外置語音盒。可利用本機自帶的揚聲器實現電視節目“單獨聽，配上與語音盒連接的電視機還可通過移動基站接打電話，還具有終端的區域鎖定功能。

二、未來收發系統技術資源利用預測

隨著直播衛星“戶戶通”工程的推進及社會主義新農村的建設發展，預計“十二五”中后期直播衛星的各種技術資源將逐步被開發。

1. DBS傳輸設備資源的利用預測

隨著2011年下半年中國首款自主研發的、支持中國直播衛星AVS標準的信源解碼芯片面世，在直播衛星系統中采用效率和性能與H.264相當的信源編解碼方式成為可能。故（通過直播衛星）傳送高清電視節目在考慮地球站發送設備對AVS的支持外，同時還需開通閑置的轉發器。鑒于中星9號直播衛星的22個轉發器中，有4個帶寬為54MHz、18個為36MHz。故筆者建議用36MHz轉發器傳送高清電視節目，1個轉發器發送4套，力爭在“十二五”末期啟用此類轉發器5個，傳送16套高清節目（其中1個轉發器作為CCTV-高清等重要節目的備份）。

2.DBS接收設備資源的利用預測

“戶戶通”面向廣大的偏遠山區、農牧民，其對接收設備資源利用的基本要求是：①天線口徑盡可能小，天線口徑越小，其半功率角（HP）越大，對天線的指向要求就不是十分敏感，這對于草原上不斷遷徙的農牧民較為有利；②接收機的菜單盡可能簡單，遙控器的操作盡量便捷。

3. 小口徑天線資源利用預測

對未來“戶戶通”接收天線的口徑，筆者建議西部地區選用45cm的，而對東部全年降雨量不大的地區，則可考慮選用口徑為20cm的。這是因為口徑的大小與接收點的信號強度Pi和信號質量Eb/N0的值有關。

只要衛星天線的口徑選擇后，接收點的Pi在衛星接收機的輸入電平范圍內，且Eb/N0大于門限值，即表示該尺寸的天線在該地接收可行。

衛星接收機輸入電平的典型值為-60至-30dBm（48.8至78.8dBuV）。故衛星接收機的輸入電平不應小于-60dBm。

中星9號直播衛星采用ABS-S傳輸系統，其Eb/N0門限為3.5-4dB。工程上取4dB。故中星9號直播衛星接收點的Eb/N0應大于4dB。

按照衛星傳輸理論，

(1)式中各量的含義為：

EIRP：轉發器的等效全向輻射功率，單位：dBW

BO：轉發器輸出功率回退

m：轉發器的載波數

圖2 中星9號直播衛星轉發器的波束圖

LF：電波的擴散損耗，用dB表示

GR：衛星天線的增益，用dB表示

GL：高頻頭的增益，用dB表示

其中：

T：衛星接收系統的噪聲溫度

Rb：信號碼率，其値為：符號率*188/204*內編碼率*2

10lgk是常數，値為-228.6

根據中星9號直播衛星轉發器的波束圖（見圖2），其EIRP在中國境內的值為47-56dBW（約2%的區域除外，位于西南地區）。

中星9號已運行的轉發器（均屬Ku波段）均采用MCPC（多路單載波）方式傳送。對于MCPC方式，理論上不考慮功率回退，則BO=0；一個轉發器用一個載波轉發節目，則m=1。Ku波段電波的擴散損耗LF為205.8dB，Ku波段高頻頭的增益取60dB。衛星接收系統的噪聲溫度取100K。如圖1知，中國東部地區的EIRP值為54-56dBW，本文取54dBW。

當d=20cm時，設天線為合格檔次，其效率η=50%。不難求出，Ku波段直播衛星下行信號的波長約為0.025m（對應頻率約為12GHz），那么天線增益GR的值為：

根據公式（1）

很顯然，Pi>48.8dBuV

根據公式（2）

上面Pi和Eb/N0的計算結果說明，采用20cm口徑天線，東部多數地區都能正常接收且有至少1.5dB的抗雨衰余量。若要進一步增加抗雨衰余量，則還可選用效率高一些的天線，如良好檔次60%，優秀檔次70%和理論上的最大效率83%。根據公式（3），對應的E b/N 0余量分別增加10lg(60%/50%)、10lg(70%/50%)和10lg(83%/50%)，即0.8、1.5和2.2。

4.接收機資源利用預測

對“十二五”后期直播衛星“戶戶通”的接收機，筆者建議可增加硬件配置，安裝智能操作系統，并通過與當地移動公司技術層面的合作，實現無線上網；同時支持高清解碼。

接收機硬件最低配置：①主頻≥450MHz、內存≥256M；②支持H.264、MPEG-2和AVS解碼格式；③帶RJ-45接口；④帶HDMI接口，支持雙USB OTG規范（以實現兩個USB端口間直接的數據傳輸），支持外接游戲手柄、無線鍵盤和大容量硬盤。目前ST公司的7105芯片已能滿足以上要求。

接收機軟件方面你，目前PC機與筆記本電腦以外的智能操作系統以Android和iOS為多。Android操作系統若能成功地移植到直播衛星接收機中，則將較大幅度地提升該類接收機的應用。鑒于機頂盒式接收機（或一體機）的顯示要求具有比手機更高的處理能力、更高的顯示分辨率、刷新率和OSD（屏幕顯示）色彩深度，因此，需要進行如下攻關：①開發一套應用程序編程接口，用于瀏覽網頁、接收數字電視廣播、顯示電子節目指南，并提供多媒體擴展功能，建立一個框架以實現大屏幕、高清的動態圖像；②實現在終端上播放包含FLASH的多媒體音視頻文件功能，及瀏覽和編輯通用格式辦公軟件的功能；③實現終端大數據量寬帶互聯網下載和電視節目（含點播節目）同步播放的功能。支持斷點續傳（下載）和續播功能。

接收機的功能應包括：①支持高速上網（含電視上網，包括支持網絡Flash電視教學、在線游戲、電視商務、在線支付、網絡購物等）；②支持高清電視的廣播與互動（含時移）；③支持USB的多格式媒體播放；④支持數字版權保護DRM；⑤能與3G手機、平板電腦通過WiFi組成家庭網絡。

帶直播衛星接收和上網功能的一體機（如云電視）的配置可高一些，如主頻≥1GHz，內存≥512M。

三、基于立體電視的直播衛星技術資源利用考慮

立體電視是電視的最高形式，中國中星9號直播衛星36MHz或54MHz帶寬的轉發器傳送基于AVS編碼格式的立體電視不成問題。早在“十一五”末，美國和英國的直播衛星運營商Direct TV公司和BSKyB就分別推出了各自的立體電視節目并取得了成功。而技術水平相當的中星9號開展立體電視服務也是可行的。筆者預計，隨著“十二五”期間中國城鎮有線立體電視播發收技術經驗的積累，“十三五”初期中星9號直播衛星必將迎來立體電視傳送的新紀元。