卫星通信技术在广播电视传输发射中的应用

■山西广播电视台：张舜垚

所谓卫星通信是一种新型工作模式，其能够将光纤通信、微波通信等方式有机结合，促使其具有应对复杂环境的能力，能够大幅提升远距离通信的稳定性，发挥其实际价值。目前，卫星通信技术的覆盖能力得到了明显的提高，用户的收视范围得到了进一步的拓展，广播电视传输质量也得到了显著提升，可满足多种不同的传输任务，且达到了4K和其他高清晰度视频传输要求，可以说该技术是我国广播电视节目安全传输的重要保证，又因为卫星通信具有覆盖面积广、传播速度快、可实现全球连接等优势，因此可作为广播电视系统的重要补充。在“广播电视+”的应用场景中，广电系统和卫星通信系统将实现在网络、内容、终端等多个环节的相互融合，本文通过分析卫星通信对广播电视传输发射的影响以及应对措施，探究了卫星广播电视技术的未来发展，以更好地为受众提供优质的电视收视体验。

1. 卫星通信技术概述

卫星通信是指地球上的无线通信基站（包括在地表和下层的大气层）之间，通过卫星进行中继的通信。卫星通信包括两部分，分别是卫星信号处理站的传输和为地球站的输出。卫星通信中，以1 GHz为主要波段，用于军事、广播电视等领域；2 GHz频段（S波段），主要应用于移动通信及广播卫星服务；4 GHz至6 GHz（C频带），主要应用于国内外的卫星通信、广播电视等领域；-11 GHz至14 GHz频带（Ku频带），主要应用于通信、广播电视等领域；20 GHz至30 GHz频带（Ka频带）用于VST业务等领域。

针对广播电视行业进行分析，其卫星通信技术的应用多为C波段和Ku波段，Ku波段对地表的同频干扰较小，C波段对同频的影响较大；Ku频段卫星的接收效率高于C频段，减小了天线的体积，降低了接收费用，便于用户接受；与C波段相比，Ku频段的卫星系统具有更好的配置；Ku波段的卫星受到降雨衰减的影响要比C波段大得多。比如，因C频段与地面微波服务频率为共用，因此，为防止卫星电视信号干扰地面通信服务，卫星向地面传输的能量通量密度有限(通常约为36dBW)。一般使用1.8～3.0 m的接收天线，以确保接收影像的品质，在需要高画质的情况下，可使用较大的接收天线。而Ku频段频率高、频带宽大、信道容量大，属于最佳的频段。卫星向地面发射Ku波段，其功率通量密度没有限制（通常EIRP＞50dBW）。由于信号的短波，相同口径的天线的增益要高于C波段，使用直径为0.45～1.2 m的天线，可取得良好的效果。DSNG、FLYAWAY等数字电视卫星的移动平台传送通常使用Ku波段，而固定台则使用C波段或Ku波段。经过对比，Ku频段卫星的优势在广播电视中较为明显，为此该频段的卫星是我国今后的运用方向，也是主要的发展趋势[1]。与传统传输方式相比，卫星通信虽然具有许多优势，但也存在着许多不足。从地面到太空再到地面，卫星通信信号的传输距离极其遥远，而且还需要相应的机器设备对数字信号进行处理，这会导致信号的延迟;若三颗通信卫星被成功发射，虽然地球上的大多数地区都能够覆盖，但是高纬度地区却无法实现卫星通信;为了避免卫星之间的信号干扰，卫星之间还应该保持一定的距离，因此可供选择的卫星数量有限;若要服务于一个区域，一颗卫星的费用可能会比较高，尽管近年来发射卫星技术已经趋于成熟，但仍有可能出现发射失败的情况，因此在使用卫星通信时，必须做好准备，以便能够及时设计制造备用卫星，以保证卫星电视的正常播出[2]。

2. 卫星通信在我国广播电视传输中的实际应用现状

2.1 广播电视“村村通”“户户通”工程

目前，我国的广播和电视通信卫星大多是采用东方红卫星，而我国的卫星平台主要是由国外引进的，这些卫星一般在C波段上传送广播和电视节目，也有一些是用Ku波段的。C波段的卫星信号由于受到降雪的作用而比较稳定，但是受到地面干扰的影响依然很大。在Ku波段，卫星的EIRP值高，接收天线的孔径也比较小，可以有效降低成本，也降低了地表的扰动和对环境的需求，但是降雨衰减的作用依然很大。由于地域环境的限制，在我国很多地方，有线电视都不能达到覆盖范围。21世纪初，为使广大人民群众在短时间内收听和观看优质的广播电视节目，国家实行了“村村通”“户户通”的工程。2008年以来，我国在中星九号、中星9B和延伸Ku波段的基础上，对卫星的广播和电视信号进行了全方位的覆盖，实现了卫星实时传输。近年来，卫星通信的广播电视在各省份中得到了广泛的应用，从公开数据来看，卫星上至少有一组标清节目，一些发达的地方和少数民族地区也有几套卫星节目，而随着技术的发展和服务的需要，卫星广播电视也在不断地革新。

2.2 为地面数字电视提供可靠的节目源

当前，由于地面数字电视信号的抗干扰能力很强，不会受到地理环境的影响，所以在有线电视不能覆盖的区域使用数字信号进行无线传输是解决城市和农村居民收看电视的重要手段之一[3]。目前，我国已建成六千多台陆地数字转发器，80%以上的卫星将用于中央广播电视的无线数字化项目。通过卫星通信的传送，数字电视能够获取可靠的节目来源，优势如下:①使用卫星通信传输技术可以有效解决数字电视覆盖中的多方面干扰问题。SFN的有效覆盖是实现地面数字电视信号大范围覆盖的关键。当多个地区的发送器同时工作时，地面上的数字电视广播单频段将同一频道的节目内容以同一频率传送给某一区域，从而达到了对数字电视信号的有效覆盖。由于地面数字电视的单频网发射机数量众多、分布广泛、技术要求比较复杂，如果在单一频率下广播，将会对邻近的目标地区产生很大的同频干扰。使用卫星通信传输可以有效地解决无线信道中的多径干扰问题，同时我国在北斗系统中引入了同步信号，实现了对卫星广播节目源的安全、可靠的保护[4]。②使用卫星通信传输可以提升经济效益。因为所有的地面数字电视节目的发射端都接收到了卫星信号，这样就可以将同步加入到节目源中，通过这种方式，既能简化地面数字电视发射站的硬件配置，又能提高经济效益，还能简化用户的使用与维修。

2.3 4K超高清节目的传输

随着4K超高清视频的不断推广，广播电视的整体发展趋向也在改变，它反映了人民对美好生活的向往。目前，国际上正大力推动4K超高清卫星的发射试验，国内也在积极研究4K超高清卫星的发射技术，并开展了相关测试工作。4K电视节目的卫星传输比宽带和地面通信网络更加有效解决了一些问题。首先，4K电视节目的收看需求无法通过宽带网络得到满足。目前，我国绝大部分用户的宽带、移动电话都无法实现实时、无损地传输，所以，目前的4K视频压缩后的数据速率至少在36Mbps。尽管光纤已经成为了宽带的主流媒体，极大地提高了传输带宽，但在对几十组4K视频进行无损分布的情况下，仍然存在挑战。在宽带网络中，用户的数据传送多采用点对点的形式，4K的电视节目需要处理海量的数据，因此网络运营商企业在宽带网中的重要节点上，需要加大资金投入。其次，4K电视节目在移动通信网络中也不能得到满足。3G和4G网络不能在移动电话网络中支持36M的4K电视节目，甚至连当前的5G网络也不能完全满足这个需求，换言之，现有的移动网络都不能满足4K电视节目的传输需要，而卫星通信是目前最可靠的大容量、高品质的广播传播手段，它具有光纤等其他技术所不具备的优点，能有效地传送4K电视节目，并能保证海量数据的广播节目的传输质量[5]。

3. 卫星通信对广播电视传输发射的影响以及应对措施

3.1 上行站发射装置干扰的影响以及应对措施

上行站在进行常规发射时，会因发射设备或设备发生故障，从而导致广播电视设施出现干扰问题。若上行站发射装置上的变频、调制器、高功率放大器等相关的性能出现杂音问题，会直接影响到广播电视传输质量。

根据调查发现部分上行站出现了上述问题，其卫星信号因上变频输出过程中产生的杂散信号而产生间歇噪声，因此需通过变频调节确保信号达到正常工作效果[6]。相关工作人员针对此类影响干扰问题，可在测试时进行解决，确保每一个节点不会出现干扰源，对设备进行及时更新，以最大限度地避免出现干扰问题。同时，相关工作人员还需对与系统有关的设备进行定时检验，如果在测试的时候，系统发生了一定的变化，工作人员应深入分析找明原因提出合理的解决措施，进而达到改善效果。

3.2 云雨雪雾对电磁信号产生的具体影响以及解决方案

当电磁信号通过对流层时，会因雨、雪、云等天然物质的吸收而产生一定的损耗。此过程也取决于信号的频率、雨雪的强度以及信号的距离差异而有不同的体现。通过笔者长期观察，发现降雨、降雪会造成卫星发射信号的衰减，一般来说发射信号的衰减会随着频率的升高而升高，且随着距离的延长而增大。虽然在正常的情况下，C波段的卫星信号不会受到太大的影响，但也应针对此类自然现象进行预防工作，相关工作人员要做好日常的清扫、维护等工序。

3.3 地球站电磁环境或者条件所导致干扰的影响及应对措施

一般来说，地球站电磁环境或附近电磁环境较差，同时其电缆屏蔽能力也相对较弱，相关的设备或者接地装置，也不能够与相应的标准或者要求相符合，这些不良现象将会引起相应的干扰。当然，这类干扰也可以用人工方法加以解决，如在地球站选址前，可以对周围的环境进行相应的电磁环境探测。再如，地球观测站在运行时应做好对应的EMI工作，以便在某种程度上避开这些干扰。

4. 卫星广播电视技术发展

随着卫星电视技术的迅速发展，电视节目跨越时空的局限，覆盖的区域也在不断扩大。在覆盖地域越来越大的发展趋势下，数字化技术也在广播电视行业中引起一场新的变革。电视信号在数字压缩后所占用的卫星广播频带较小，带宽为36MHz的卫星接收机，仅能传送一组模拟电视信号。经数字化压缩后，36MHz的卫星转发器能传送4～6个不同的电视信号，其品质较高，极大地减少了用户租用转发器的成本，并改善了信号传送质量，推动卫星电视在我国的普及，使得卫星能够快速、及时地进行电视新闻、体育比赛的转播工作。现在大部分的电视节目都是以SDTV的形式进行卫星转播，有些电视媒体也开始在卫星转播中采用HDTV，例如日本NHK等。

此外，4K超高清卫星电视也将随着卫星电视技术的发展而逐步完善。当前，大多数国家和地区的超高清频道数量都呈现迅速发展的态势，但受产业发展时间短、资本投资需求大等因素限制，新频道的推出仍然有限。大多数主要的广播公司和服务供应商对于进入超高清领域仍持谨慎态度，但通过卫星分发的超高清频道数量仍在增加。截止到2023年12月全球共有129个超高清电视频道，其中欧洲地区超高清频道最多，达到了52个，亚太地区是23个，其中中国有6个，分别是南国都市频道，CCTV4K，CCTV16-4K，广东4K超高清，欢笑剧场4K，纯享4KHUD，占据亚太地区的四分之一强，超高清业务在我国仍然呈现出持续增长的态势。从世界范围内看，据欧洲咨询报告预测，到2029年全球将有约1100个超高清频道（主要是4K），其中大部分由DTH平台播放（约占65%）。以北美（预计243个频道）和西欧（预计195个）为首的成熟市场应该是最大的超高清市场。新的压缩与广播标准，如HEVC和DVB-S2X将助力超高清的发展。由各项数据可知，超高清频道的推出速度远低于2000年初推出高清频道时的速度，这也许与发展时间较短与所需资本投资较大有关，但超高清卫星电视业务的发展已经处于比3D电视巅峰时期更高速发展和成熟的阶段。

5. 结束语

在广播和电视中，卫星通信较为重要，其优点较多属于不可替代的基础设施。同时，根据对卫星通信的发展前景进行分析，其发展卫星也会成为国际竞争的热点。为此，在广播电视传输过程中，应尽量减少卫星通信对广播电视传输发射的影响，进而达到良好的传输效果为人们提供高品质的电视节目，持续推动广播电视行业的健康发展。