廣播電視微波傳輸技術的發展與應用

楊鵬川

（國家廣播電視總局海南監測臺，海南 ?？?571124）

0 引 言

20 世紀，人類發明了微波通信技術。相比于通信電纜，微波通信具有資金投入小、建設周期短以及抗災能力強等優點，因此得到了快速發展。作為廣播電視系統中一種重要的通信手段，微波傳輸技術得到了快速發展。廣大人民群眾對廣播電視節目質量提升的需求，促使傳輸節目的質量和數量發生了根本性變化。從發展過程來看，廣電領域的微波傳輸技術已從最初的模擬微波、數字微波發展到IP 微波。面對一個全新的網絡化和信息化時代，大容量、高質量地傳送信息成為當前微波傳輸技術的主要特點。IP 微波可提供大容量的帶寬、簡潔的系統架構以及良好的接口兼容性，逐步替代了原有的PDH、SDH 數字微波，并獲得了市場應用。

1 模擬微波系統

在廣播電視領域，模擬微波傳輸把視頻信號和音頻信號調制在微波信道上，通過天線發射出去。接收站點通過天線接收微波信號，利用微波收信機接收并解調出原來的視頻信號和音頻信號，如圖1所示。

隨后，數字廣播電視信號逐步出現并開始應用。傳輸時，它必須解嵌前端的數字信號SDI，得到獨立的數字視頻和數字音頻信號，并分別對數字視音頻信號進行D/A 轉換，將模擬信號接入微波單元完成調制并發射。

在早期廣播電視應用中，各地節目數量較少，模擬微波的使用尚可滿足需求。隨著時代的進步，人們對廣播電視節目數量和質量的需求逐步提升，傳統模擬微波的弊端越來越凸顯。

（1）抗干擾能力差。電信號在沿線傳輸過程中會受到外界和內部各種噪聲的干擾，噪聲與信號混合后難以分開，嚴重影響通信質量。線路越長，噪聲累計越多［1］。

圖1 模擬微波廣播電視信號傳輸簡圖

（2）設備單一，組網管理困難，難以實現大規模集成，導致效率低下和成本上升。

（3）保密性差。模擬通信尤其是模擬微波，容易被敵方竊聽。只要能接收到模擬信號，就容易得到通信內容。

（4）隨著計算機的快速發展，模擬微波難以滿足大容量和高質量的信號傳輸要求。

廣播電視是人們了解世界動態、國家政策及時事新聞的主要手段，在人們的生活中扮演著重要角色。隨著廣播電視數字化進程的加快，數字微波進入公眾視線后，以其巨大的性能優勢迅速代替了傳統模擬微波，為廣播電視行業的數字化發展打下了堅實基礎，于是模擬微波逐漸退出歷史舞臺。

2 SDH 數字微波系統

廣播電視節目的數量從一套到多套，節目傳輸從點對點到網狀發展，使得模擬微波已難以滿足快速發展的廣播電視傳輸網的組建，而數字微波技術給廣播電視的發展帶來了機遇。數字微波技術不僅提升了頻道資源利用率，使得頻道數量成倍增長，而且提升了視頻清晰度和音頻收聽效果。數字微波在傳輸質量方面具備極好的抗干擾能力和保密性，幾乎沒有噪聲干擾的同時還可以完成信號加密，有利于數字處理，極大地擴展了其功能和服務［2］。同時，由于信息容量和承載業務的成倍增加，信道的傳輸能力面臨著巨大挑戰。

同步數字體系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）的出現成為廣播電視行業傳輸系統的一次變革。SDH 由準同步數字體系（Plesiochronous Digital Hierarchy，PDH）發展而來，以其接口方式、復用方式、運維方式及兼容性方面無可比擬的優點，快速代替了PDH?；赟DH 開發的數字微波系統同樣具備SDH 的優點，并在全國各臺快速落地應用，從根本上解決了傳統微波面臨的容量限制、網管不可控、傳輸安全性不高以及傳輸質量不穩定等問題［3］。

由于SDH 微波系統架構需要接口適配，因此在系統架構和設備配置上比傳統微波系統要復雜。圖2 為SDH 微波傳輸系統的一種常用架構。它將廣播和電視分別編碼，統一復用適配，完成信號的統一傳輸，適用于全國各個省市臺的微波傳輸系統。

圖2 SDH 數字微波在廣播電視傳輸系統中應用簡圖

信號流程如下。

（1）多路SDI 視頻信號和多路AES 音頻信號分別經各自編碼器完成編碼，其中碼率根據實際情況可調，具有很高的靈活性。

（2）編碼后的電視碼流ASI 信號和音頻碼流ASI 信號進入碼流復用器完成復用形成多節目TS流，然后通過適配器完成ASI-DS3 接口適配，碼率調整為45 Mb/s。

（3）DS3 接口信號進入微波節點設備，也可稱為終端復用設備，將DS3 接口信號統一復用成SDH中最基本的模塊STM-1，速率為155.52 Mb/s，即每個STM-1 可以完成3 個DS3 45 Mb/s 信號的復用，形成一個完整的STM-1 模塊。以標清電視（壓縮編碼6 Mb/s）和AES 廣播（256 kb/s）為例，除去開銷一個DS3 45 Mb/s 可完成6 套標清電視和12 套數字廣播的傳輸任務，一個STM-1 至少可以完成18套標清電視和36 套數字廣播傳輸任務。如果有更高的容量需求，可以在STM-1 的基礎上實現擴容。SDH 制定了統一的速率標準和光路接口標準（如表1 所示），其容量也會以倍數形式增加。不管是在容量上還是擴展性上，相比于傳統微波，它都具有無可比擬的優勢。

表1 SDH 模塊接口速率表

（4）IDU 負責業務接入、復用/解復用以及調制/解調。光纖信號進入微波室內單元IDU 后，由IDU 完成信號處理，調制為IF 信號通過中頻電纜發送到ODU，如圖3 所示。微波機房一般設于樓頂，以減少IDU 與ODU 之間中頻電纜的長度。如果IDU 距離基帶傳輸機房較遠，微波節點設備通常會采用光接口形式完成信號傳輸進入IDU。

（5）ODU 完成IF 信號的上變頻和功率放大后送往天饋線系統發射，同時將接收到的RF 信號下變頻轉換為IF 信號，如圖3 所示。通常，IDU 與ODU 之間的中頻電纜內傳輸有IF 信號、控制信號、監控信號、告警信號以及直流電力供給信號5 種信號。其中，IF 信號包括上行IF 信號和下行IF 信號，且上行IF 和下行IF 頻率不同；控制信號實現電路、同步器以及發射功率的控制；監控信號通過中頻電纜實現發射功率的確認和輸出功率的性能監控；告警信號負責反饋ODU 的告警信息；IDU 為ODU 提供直流電力供給信號，通常為-48 V 直流電源。

（6）收信端天線將RF 信號送至ODU，然后ODU 完成低噪聲放大和下變頻后，通過中頻電纜送至IDU。

圖3 SDH 數字微波原理圖

（7）IDU 完成IF 信號的解調和解碼后輸出基帶信號。至此，微波信號完成傳輸。

SDH 微波系統利用SDH 數字通信的優點，采用微波作為載波傳輸數字信號，兼有SDH 通信和微波通信的優點。同時，兩者的融合必須采用一些關鍵技術作為支撐，如編碼調制技術、交叉極化干擾抵消技術（Cross-Polarization Interference Cancellation，XPIC）、自適應頻域和時域均衡技術、高線性功率放大器技術、自動發射功率控制（Automatic Transmit Power Control，ATPC）技術以及分集合成技術。這些關鍵技術為SDH 數字微波電路的應用提供了堅實的理論基礎，成為工程設計的技術依據［4］。

3 IP 微波系統

隨著國家推行中國特色的三網融合之路，需全面推進廣播電視的網絡化改造與整合。面對市場需求的變化，廣播電視行業也加快推進了行業的IP化進程。因此，IP 微波在市場需求的助推下取得了巨大發展。

IP 微波與PDH/SDH 微波在數據形式、帶寬分配、調制級別以及傳輸系統架構上存在差別，主要體現在以下方面。

（1）SDH 微 波 采 用 時 分 復 用 模 式（Time-Division Multiplexing，TDM），同一信道上傳輸多個數字化的數據，如語音、視頻及數據等都統一采用幀結構。傳輸過程中如果出現幀丟失，會導致接收端的信號質量下降甚至無法接收［4］。IP 微波采用的IP 協議是計算機網絡通信中常用的網絡協議。所有數據的通信都采用IP 數據包的形式，即將幀結構形式的數據通過封裝完成IP 數據包的轉換，繼而通過微波完成傳輸。接收端只需通過解封裝和解碼即可完成數據還原。

（2）SDH 微波在分配帶寬時必須大于等于其傳輸內容的最大帶寬，且一旦帶寬完成分配，即使某時段或者長時間帶寬實際占用率很低，為保證內容完整性不能調整帶寬，否則易造成丟幀現象。IP微波采用數據包形式，其傳輸帶寬的設定具有特定的規則。傳輸內容的數據包帶寬根據規則自動調整，根據內容大小和優先級分配帶寬，使每個數據流都不會產生丟包現象。在帶寬分配和使用上，IP 微波比SDH 的TDM 具備更高的靈活性和帶寬利用率。

（3）SDH 數字微波多采用正交振幅調幅（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）方式進行信號調制。對于不同的頻段，SDH 數字微波最大可實現128QAM，完成STM-1 級別信號的帶寬。IP微波采用自適應調制技術，可根據外界環境自動調整調制級別，也可根據需求采用固定調制方式。業界多采用256QAM、512QAM 甚至1024QAM。此外，一些運營商已開始使用QAM2048 方式，以提供更大的帶寬。可見，IP 微波以更先進的QoS、更多的優先等級以及更高精度的時鐘同步，為運營商提供了更高的靈活性和經濟性。

（4）SDH 微波在信號接入前必須完成指定速率的復用，對前/終端信號和設備提出了要求，提升了系統的復雜程度。

IP 微波采用IP 協議，其接口和周邊設備極其開放，業務配置靈活程度高，系統兼容性好，比之前的微波系統結構更加簡單高效，如圖4 所示。

IP 微波在廣播電視傳輸系統的實際架構比SDH 微波簡潔。對于多路IP 信號，IP 微波可以通過數據交換機完成交換轉發，從而實現信號接入；對于單路IP 信號，IP 微波甚至可以節省交換機，使得整個系統更加簡單高效。

圖4 IP 微波在廣播電視傳輸系統中應用簡圖

系統中信號流程如下。

（1）SDI 和AES 信號分別進行編碼，以IP 信號格式輸出，進入數據交換機。

（2）數據交換機完成數據交換轉發任務，使得數據進入IP 微波IDU。

（3）IDU 將IP 數據包復接插入微波幀，經過數字信號處理送往ODU。

（4）ODU 的功能與SDH 微波ODU 功能一致，將信號混頻放大后經天饋系統送往遠端，經遠端ODU 信號處理后送至IDU。

（5）接收端IDU 將微波幀信號還原為IP 信號，通過交換機和解碼器完成基帶信號還原。

IP 微波率先應用于移動網絡領域。4G 網絡的廣泛應用和5G 網絡的逐漸鋪開，使得網絡帶寬需求呈現幾何倍數增長。在一些光纜無法鋪設或者鋪設成本很高的地區，微波成為一種低成本有效的手段。對運營商來說，系統IP 化有利于站點的緊急開通，有利于實現業務的快速部署。IP 微波相比SDH 微波能夠提供更大的帶寬和更快速靈活的接入，可實現單載頻帶寬達到Gb/s 級，突破了SDH 微波STM-1 級容量的限制，能夠滿足STM-4/STM16等大帶寬鏈路的帶寬要求。加上先進的IP 技術，如MPLS 和1588v2 時鐘同步技術［5］，微波的整體可靠性可以達到99.99%以上。不但能完全滿足廣電級別的應用，而且具備與SDH 網絡同級別的業務運維能力、圖形化網管、1+0/1+1 熱備份、自動倒換保護、告警的精準定位以及性能的實時監控。

隨著網絡化進程的加快，IP 微波傳輸將是未來廣播電視網中的重要一環。它既具有SDH 微波的高效、穩定、可靠及建設周期短等優點，又具有網絡技術上的優勢，是廣播電視網絡化和IP 化的重要組成部分。

4 結 語

本文主要講述了微波在廣播電視系統中的發展與應用。微波的每一次技術革新，都將大幅提升信號的質量和帶寬。隨著ICT 產業的快速發展，IP 微波以帶寬大、有效性高以及業務配置靈活等突出優點，完全適用于快速發展的互聯網時代。因此，廣播電視的網絡化必定會在未來占據主導地位，也會帶動IP 微波技術的發展，取得更廣闊的產業應用。