中国直播卫星的发送与接收技术研究

+ 胡晓东 （湖北荆州视信网络公司）袁友（湖北威荆州电视台）

相比此千年的国内外广播卫星和直播卫星，中星9号有自己的技术特点和技术优势，也有适应国情而待开发与采用的设备资源，对其进行研究意义重大。

一、传输系统现状

直播卫星平台的传输系统主要包括地面发送系统、空中转发系统和地面接收系统。

1.地面发送系统现状

目前中国直播卫星播出前端广泛采用了目前较为成熟的MPEC-2信源编码和中国自主知识产权的ABS-S信道编码与调制技术（下行频率为12180MHz的CCTV-1采用欧洲的DVB-S2传送，例外）。信道编码效率（FEC）从1/2至13/15不等，调制方式主要有QPSK和8PSK两种。正在运行之中的中星9号卫星广播系统的FEC为3/4，调制方式为QPSK，符号率为28.8Ms/s，系统码率达43.2Mb/s。其地面发送系统的参考模型如图1所示。

如图1，一个MPEC-2编码组可为12套电视节目进行编码，一个调制器可处理的多节目TS流可达12套（标准清晰度）。

2.中星-9的转发器

中星9号直播卫星装载转发器22个，其中4个带宽为54MHz、18个带宽为36MHz，连接2副接收天线和2副发射天线。目前使用国际电联统一规划的工作频段。上行频段为17.3-17.8GHz，下行频段为11.7-12.2GHz。行波管输出功率为120W/240W（单管/并联）。天线采用圆极化方式。目前已开通的转发器数为10个。其中9个转发器传送中央台十余套基本电视节目（含中央3、5、6、8套，不含中9）、数十套省级卫视（包括维语、蒙古语、藏语等少数民族语言电视广播）以及延边卫视（朝鲜语）和农林卫视，采用标清方式；另占用1个转发器传送数十套广播电视节目。其中近二十套电视节目及所有广播节目免费传送，其余节目加密。为确保CCTV-1的安全传输，其占用了3个转发器。

3.终端现状

图1 中星9号地面发送系统示意图

目前中国直播卫星主要采用数十厘米左右直径的抛物面天线（含圆极化Ku波段高频头），采用ABS-S标准的专用卫星解码器。截至笔者发稿之日止，中国通过正规途径招标和“山寨锅”累计超过1亿5千万台。其中国家广电总局分四次对（中国）直播卫星终端招标的数量过亿台，另有数千万台为在黑市销售和使用的非法终端。虽然广电总局近年通过加密和多次终端升级等措施打压非法产品，但可观的利润和黑客的加入给不法厂商以“助推力”。目前通过黑客的升级程序，“山寨锅”可免费接收十余至数十套电视节目。

在正版终端方面，十二五“初期广电总局用于“户户通”工程的中国直播卫星接收终端，采用0.45~0.6m卫星天线和多功能直播卫星综合接收解码器（以下简称接收机）。以某公司的DVS-968TL接收机为例，其为双模配置，除接收中星9号直播卫星信号外，还可接收当地国标地面数字电视节目，带解密卡，加配了GSM模块、GPRS定位模块和外置语音盒。可利用本机自带的扬声器实现电视节目“单独听，配上与语音盒连接的电视机还可通过移动基站接打电话，还具有终端的区域锁定功能。

二、未来收发系统技术资源利用预测

随着直播卫星“户户通”工程的推进及社会主义新农村的建设发展，预计“十二五”中后期直播卫星的各种技术资源将逐步被开发。

1. DBS传输设备资源的利用预测

随着2011年下半年中国首款自主研发的、支持中国直播卫星AVS标准的信源解码芯片面世，在直播卫星系统中采用效率和性能与H.264相当的信源编解码方式成为可能。故（通过直播卫星）传送高清电视节目在考虑地球站发送设备对AVS的支持外，同时还需开通闲置的转发器。鉴于中星9号直播卫星的22个转发器中，有4个带宽为54MHz、18个为36MHz。故笔者建议用36MHz转发器传送高清电视节目，1个转发器发送4套，力争在“十二五”末期启用此类转发器5个，传送16套高清节目（其中1个转发器作为CCTV-高清等重要节目的备份）。

2.DBS接收设备资源的利用预测

“户户通”面向广大的偏远山区、农牧民，其对接收设备资源利用的基本要求是：①天线口径尽可能小，天线口径越小，其半功率角（HP）越大，对天线的指向要求就不是十分敏感，这对于草原上不断迁徙的农牧民较为有利；②接收机的菜单尽可能简单，遥控器的操作尽量便捷。

3. 小口径天线资源利用预测

对未来“户户通”接收天线的口径，笔者建议西部地区选用45cm的，而对东部全年降雨量不大的地区，则可考虑选用口径为20cm的。这是因为口径的大小与接收点的信号强度Pi和信号质量Eb/N0的值有关。

只要卫星天线的口径选择后，接收点的Pi在卫星接收机的输入电平范围内，且Eb/N0大于门限值，即表示该尺寸的天线在该地接收可行。

卫星接收机输入电平的典型值为-60至-30dBm（48.8至78.8dBuV）。故卫星接收机的输入电平不应小于-60dBm。

中星9号直播卫星采用ABS-S传输系统，其Eb/N0门限为3.5-4dB。工程上取4dB。故中星9号直播卫星接收点的Eb/N0应大于4dB。

按照卫星传输理论，

(1)式中各量的含义为：

EIRP：转发器的等效全向辐射功率，单位：dBW

BO：转发器输出功率回退

m：转发器的载波数

图2 中星9号直播卫星转发器的波束图

LF：电波的扩散损耗，用dB表示

GR：卫星天线的增益，用dB表示

GL：高频头的增益，用dB表示

其中：

T：卫星接收系统的噪声温度

Rb：信号码率，其値为：符号率*188/204*内编码率*2

10lgk是常数，値为-228.6

根据中星9号直播卫星转发器的波束图（见图2），其EIRP在中国境内的值为47-56dBW（约2%的区域除外，位于西南地区）。

中星9号已运行的转发器（均属Ku波段）均采用MCPC（多路单载波）方式传送。对于MCPC方式，理论上不考虑功率回退，则BO=0；一个转发器用一个载波转发节目，则m=1。Ku波段电波的扩散损耗LF为205.8dB，Ku波段高频头的增益取60dB。卫星接收系统的噪声温度取100K。如图1知，中国东部地区的EIRP值为54-56dBW，本文取54dBW。

当d=20cm时，设天线为合格档次，其效率η=50%。不难求出，Ku波段直播卫星下行信号的波长约为0.025m（对应频率约为12GHz），那么天线增益GR的值为：

根据公式（1）

很显然，Pi>48.8dBuV

根据公式（2）

上面Pi和Eb/N0的计算结果说明，采用20cm口径天线，东部多数地区都能正常接收且有至少1.5dB的抗雨衰余量。若要进一步增加抗雨衰余量，则还可选用效率高一些的天线，如良好档次60%，优秀档次70%和理论上的最大效率83%。根据公式（3），对应的E b/N 0余量分别增加10lg(60%/50%)、10lg(70%/50%)和10lg(83%/50%)，即0.8、1.5和2.2。

4.接收机资源利用预测

对“十二五”后期直播卫星“户户通”的接收机，笔者建议可增加硬件配置，安装智能操作系统，并通过与当地移动公司技术层面的合作，实现无线上网；同时支持高清解码。

接收机硬件最低配置：①主频≥450MHz、内存≥256M；②支持H.264、MPEG-2和AVS解码格式；③带RJ-45接口；④带HDMI接口，支持双USB OTG规范（以实现两个USB端口间直接的数据传输），支持外接游戏手柄、无线键盘和大容量硬盘。目前ST公司的7105芯片已能满足以上要求。

接收机软件方面你，目前PC机与笔记本电脑以外的智能操作系统以Android和iOS为多。Android操作系统若能成功地移植到直播卫星接收机中，则将较大幅度地提升该类接收机的应用。鉴于机顶盒式接收机（或一体机）的显示要求具有比手机更高的处理能力、更高的显示分辨率、刷新率和OSD（屏幕显示）色彩深度，因此，需要进行如下攻关：①开发一套应用程序编程接口，用于浏览网页、接收数字电视广播、显示电子节目指南，并提供多媒体扩展功能，建立一个框架以实现大屏幕、高清的动态图像；②实现在终端上播放包含FLASH的多媒体音视频文件功能，及浏览和编辑通用格式办公软件的功能；③实现终端大数据量宽带互联网下载和电视节目（含点播节目）同步播放的功能。支持断点续传（下载）和续播功能。

接收机的功能应包括：①支持高速上网（含电视上网，包括支持网络Flash电视教学、在线游戏、电视商务、在线支付、网络购物等）；②支持高清电视的广播与互动（含时移）；③支持USB的多格式媒体播放；④支持数字版权保护DRM；⑤能与3G手机、平板电脑通过WiFi组成家庭网络。

带直播卫星接收和上网功能的一体机（如云电视）的配置可高一些，如主频≥1GHz，内存≥512M。

三、基于立体电视的直播卫星技术资源利用考虑

立体电视是电视的最高形式，中国中星9号直播卫星36MHz或54MHz带宽的转发器传送基于AVS编码格式的立体电视不成问题。早在“十一五”末，美国和英国的直播卫星运营商Direct TV公司和BSKyB就分别推出了各自的立体电视节目并取得了成功。而技术水平相当的中星9号开展立体电视服务也是可行的。笔者预计，随着“十二五”期间中国城镇有线立体电视播发收技术经验的积累，“十三五”初期中星9号直播卫星必将迎来立体电视传送的新纪元。