8G數(shù)字微波在海島電視節(jié)目傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用

蔡才君，蔡沁桉

（1.臺(tái)州廣播電視總臺(tái)椒江廣電中心，浙江 臺(tái)州 318000；2.臺(tái)州廣播電視傳輸網(wǎng)絡(luò)中心，浙江 臺(tái)州 318000）

0 引言

2008年下半年，浙江省廣播電影電視局下達(dá)了沿海成建制鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）島嶼廣播電視節(jié)目微波傳輸聯(lián)網(wǎng)工程的建設(shè)項(xiàng)目，筆者承擔(dān)了臺(tái)州市椒江區(qū)大陳島廣播電視節(jié)目微波傳輸聯(lián)網(wǎng)工程的建設(shè)任務(wù)。考慮到大陳島的地理環(huán)境和各類(lèi)通信設(shè)備頻率使用（軍用、民用）的實(shí)際現(xiàn)狀，該項(xiàng)目沒(méi)有采用廣電系統(tǒng)常用的2.5～2.7 GHz微波頻段，而采用了8G數(shù)字微波。本文就該工程的技術(shù)方案設(shè)計(jì)和工程實(shí)施過(guò)程中的一些問(wèn)題進(jìn)行探討，供廣電同行參考。

1 工程概況

1.1 大陳概況

素有“東海明珠”之稱(chēng)的大陳島，由上、下大陳等29個(gè)島礁組成，總面積14.6 km2，常住人口5 000多人。

1.2 大陳的CATV網(wǎng)

大陳島現(xiàn)有小型CATV前端2個(gè)，其中下大陳島CATV有節(jié)目29套，上大陳島CATV有節(jié)目22套。2家有線(xiàn)電視網(wǎng)都是通過(guò)衛(wèi)星接收的方式解決節(jié)目信號(hào)源，由于大陳島地理位置離大陸較遠(yuǎn)，島上居民無(wú)法收看未上星的本地電視節(jié)目，信息相對(duì)封閉，特別是臺(tái)風(fēng)來(lái)臨時(shí)，不能及時(shí)了解當(dāng)?shù)攸h委、政府有關(guān)防臺(tái)抗臺(tái)的信息，直接影響到島上居民的生產(chǎn)和生活安全。

1.3 發(fā)射點(diǎn)、接收點(diǎn)地理參數(shù)

發(fā)射點(diǎn)設(shè)在臺(tái)州楓山電視發(fā)射臺(tái)，其參數(shù)為：東經(jīng)121°26′17″、北緯 28°40′11″，海拔162 m，發(fā)射天線(xiàn)架設(shè)在電視發(fā)射塔高25 m處，離機(jī)房距離50 m。

下大陳島接收天線(xiàn)架設(shè)在大陳水廠樓頂，其參數(shù)為：東經(jīng)121°52′36″、北緯28°26′33″，海拔高度約25 m，離機(jī)房距離35 m。

上大陳島接收天線(xiàn)架設(shè)在上大陳移動(dòng)鐵塔高25 m處，其參數(shù)為：東經(jīng)121°52′51″、北緯 28°28′41″，海拔高度約40 m，離機(jī)房距離220 m。

發(fā)射點(diǎn)與接收點(diǎn)間的直接距離為51 km；2個(gè)接收點(diǎn)間距離約為4 km。

1.4 系統(tǒng)要求

從臺(tái)州有線(xiàn)電視網(wǎng)中取出11套省、市（省臺(tái)1/2/3/4/5/6/7/少兒套、臺(tái)州臺(tái)1/2/3套）電視節(jié)目，在臺(tái)州楓山電視發(fā)射臺(tái)通過(guò)微波方式，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸?shù)?1 km外的上、下大陳島。該11套電視節(jié)目用作這2個(gè)海島有線(xiàn)網(wǎng)的節(jié)目信號(hào)源，混入當(dāng)?shù)噩F(xiàn)有的有線(xiàn)網(wǎng)中，使島上有線(xiàn)電視用戶(hù)能收看到這11套本地電視節(jié)目。

2 椒江至大陳島廣播電視節(jié)目聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)微波傳輸技術(shù)方案

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)包括信源系統(tǒng)、節(jié)目/碼流的取用、節(jié)目/碼流的編碼和調(diào)制、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)字微波傳輸、微波信號(hào)的接收、調(diào)制和混合等部分。

2.2 節(jié)目/碼流的取用方案設(shè)計(jì)

從臺(tái)州有線(xiàn)電視機(jī)房通過(guò)專(zhuān)用光纜把有線(xiàn)數(shù)字電視信號(hào)送到臺(tái)州楓山電視發(fā)射臺(tái)機(jī)房，用11臺(tái)工程型DVB-C數(shù)字電視解調(diào)器解出視、音頻信號(hào)，作為本系統(tǒng)的節(jié)目信號(hào)源。而2個(gè)海島的接收端各用11臺(tái)普通的DVB-S接收機(jī)解出節(jié)目的A/V信號(hào)，然后通過(guò)調(diào)制混入現(xiàn)有的有線(xiàn)網(wǎng)中。

2.3 節(jié)目/碼流的編碼調(diào)制方案設(shè)計(jì)

DVB-C數(shù)字電視解調(diào)器解出的11套電視節(jié)目的A/V信號(hào)通過(guò)2臺(tái)八合一編碼器進(jìn)行編碼，經(jīng)復(fù)用后通過(guò)QPSK調(diào)制器調(diào)制成射頻信號(hào)，送到8G微波發(fā)射機(jī)發(fā)射。

2.4 8G點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)字微波系統(tǒng)傳輸鏈路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中需要考慮的因素有：

式中：k為玻爾茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23W/（Hz·K）；Br為接收機(jī)帶寬，Br=5.75×106Hz；T為綜合溫度系數(shù)，取T=293 K。可得到Pn=-136.3 dBW=-106.3 dBm。

2）最小接收功率Pr。

工程采用的DVB-S衛(wèi)星專(zhuān)用接收解碼器具有較低的接收門(mén)限電平和極強(qiáng)的糾錯(cuò)能力，要求接收門(mén)限載噪比為C/N=18 dB（理想值），但考慮到無(wú)線(xiàn)信號(hào)的干擾等因素，取C/N=22 dB。Pr計(jì)算公式為

式中：C/N為載噪比，發(fā)射端按C/N=22 dB進(jìn)行設(shè)計(jì)；NF為下變頻器噪聲系數(shù)，取NF=2.4 dB。可得到Pr=-82 dBm。

3）自由空間傳輸衰減Ld公式為

式中：D為傳輸距離，覆蓋距離為51 km；f為工作頻率，采用8 GHz。可得到Ld=144.6 dB。

4）發(fā)射天線(xiàn)采用1.8 m板狀拋物面天線(xiàn)，發(fā)射天線(xiàn)增益Gt公式為

實(shí)際使用中天線(xiàn)增益達(dá)不到理論值，Gt取35 dBm。

5）接收天線(xiàn)采用1.8 m板狀拋物面天線(xiàn)，接收天線(xiàn)增益Gr公式為

6）饋線(xiàn)（考慮距離較長(zhǎng)）、接收頭及其他損耗Lf=10 dB。

7）考慮海平面上傳輸條件惡劣，設(shè)系統(tǒng)儲(chǔ)備裕量Δf=8 dB。

8）發(fā)射機(jī)功率Pt公式為

根據(jù)以上理論計(jì)算，所需8G數(shù)字微波發(fā)射機(jī)的平均發(fā)射功率較小，考慮地面修正系數(shù)和整個(gè)系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，以及海洋傳輸損耗比地面大、氣候復(fù)雜多樣等不利因素的影響，系統(tǒng)采用5 W 8G數(shù)字微波發(fā)射機(jī)。

9）發(fā)射視距D（收、發(fā)天線(xiàn)之間無(wú)阻擋的最大傳輸距離為視距）公式為

式中：a為地球半徑，a=6.370×106m；Ht為發(fā)射天線(xiàn)海拔高度；Hr為接收天線(xiàn)海拔高度。

考慮到大氣的不均勻性對(duì)電波傳播軌跡的影響，

1）接收機(jī)噪波功率Pn公式為加入修正系數(shù)Ka=4/3，Ht取180 m，Hr取25 m，有

由式(8)和式(9)可知，一個(gè)量子位數(shù)量為m的量子個(gè)體可以表示2m個(gè)狀態(tài)，因此小種群的量子個(gè)體就可表示傳統(tǒng)方法下的大數(shù)量個(gè)體。量子門(mén)的操作使得量子進(jìn)化能夠擁有很強(qiáng)的全局搜索能力，隨著概率幅的收斂，搜索的結(jié)果也會(huì)自動(dòng)變?yōu)榫植克阉鳌?/p>

考慮到菲涅爾區(qū)對(duì)有效服務(wù)半徑的影響，視距會(huì)略有降低。但本系統(tǒng)的實(shí)際距離只有51 km，應(yīng)該在視距范圍內(nèi)。

2.5 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)微波傳輸方案設(shè)計(jì)

本方案采取2發(fā)2收的方式，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸前端電視節(jié)目信號(hào)；發(fā)射頻率為7 747.7 MHz；發(fā)射天線(xiàn)選用高強(qiáng)度、抗風(fēng)力強(qiáng)的板狀拋物面天線(xiàn)。

2.6 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)微波接收方案設(shè)計(jì)

接收天線(xiàn)選用高強(qiáng)度，抗風(fēng)力強(qiáng)的板狀拋物面天線(xiàn)。

采用DVB-S衛(wèi)星接收機(jī)接收前端節(jié)目源。經(jīng)接收天線(xiàn)、饋源、下變頻器后，將信號(hào)下變?yōu)镈VB-S衛(wèi)星接收機(jī)能夠接收的頻段950～2 150 MHz。

接收下來(lái)的節(jié)目由DVB-S衛(wèi)星接收機(jī)解出A/V信號(hào)后，送入模擬調(diào)制器，最后與原有模擬節(jié)目相混合后下傳至各個(gè)用戶(hù)端。

2.7 系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)原理如圖1和圖2所示。

圖1 前端發(fā)射系統(tǒng)原理圖

圖2 接收端原理圖（上、下大陳島同理）

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備招標(biāo)時(shí)應(yīng)考慮的因素

系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備招標(biāo)時(shí)需要考慮的幾點(diǎn)因素有：

1）在海面上用微波傳送數(shù)字電視信號(hào)，因海水反射大，易造成多徑干擾，為提高傳輸可靠性，應(yīng)選擇抗干擾能力強(qiáng)的調(diào)制方案，比如DVB-T，DMB-T/H，DVB-S等體系的調(diào)制方案。本系統(tǒng)對(duì)帶寬要求不高，從性?xún)r(jià)比角度考慮，優(yōu)先選擇DVB-S的QPSK調(diào)制方案。

2）本系統(tǒng)存在傳輸距離較遠(yuǎn)（51 km已是視距傳播的臨界點(diǎn)）、使用頻率較高、海洋傳輸損耗大、多徑干擾嚴(yán)重、氣候復(fù)雜多樣等不利因素，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮其裕量。

3）海島氣候潮濕，空氣含鹽分高，設(shè)備必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的防腐處理，以延長(zhǎng)其使用壽命。

4）沿海島嶼臺(tái)風(fēng)災(zāi)害頻繁，最大風(fēng)速可達(dá)60 m/s，室外所有設(shè)備必須具備較強(qiáng)的抗風(fēng)防水能力，以提高系統(tǒng)的可靠性及減少日后的維護(hù)成本。

5）沿海島嶼軍事設(shè)施較多，防止系統(tǒng)相互干擾是必須考慮的因素。

6）沿海島嶼眾多，發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)的選址務(wù)必慎重，以避開(kāi)有阻擋電波傳輸?shù)淖匀画h(huán)境。

7）相近島嶼接收點(diǎn)間，自有節(jié)目信號(hào)的同頻干擾也是值得關(guān)注的，以防止在同頻多發(fā)時(shí)產(chǎn)生干擾。

8）本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為可傳送16套電視節(jié)目，以適應(yīng)今后廣播電視事業(yè)發(fā)展的需要。

4 主要設(shè)備性能及參數(shù)簡(jiǎn)介

4.1 編碼器

系統(tǒng)采用8路超級(jí)編碼器，該編碼器在1U的機(jī)箱內(nèi)集成了8路編碼、TS復(fù)用，能夠?qū)崟r(shí)超低碼率MPEG-2的標(biāo)清編碼。其主要參數(shù)如下：1）碼率為5～126 Mbit/s；2）輸出電平峰峰值為800 mV；3）格式為MPEG-2 4∶2∶0；4）水平分辨力為720，704，640，544，528，480，352；5）垂直分辨力為576或480。

4.2 調(diào)制器

系統(tǒng)采用符合DVB-S信道編碼和調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)的QPSK調(diào)制器，對(duì)信號(hào)調(diào)制后直接輸出L波段頻率。主要參數(shù)有：有效輸入數(shù)據(jù)的比特范圍為0～62 Mbit/s；輸出數(shù)據(jù)的符號(hào)率范圍為0.1～45 Mbit/s（FEC≤3/4）；輸出信號(hào)的帶寬（BW）范圍≤56 dB；輸出電平可控為-60～-8 dBm。

4.3 微波發(fā)射機(jī)

系統(tǒng)采用具有相位噪聲較低的上變頻器、大功率GaAaFET線(xiàn)性放大管、高精度功率檢測(cè)等技術(shù)的X波段微波發(fā)射機(jī)。其主要技術(shù)參數(shù)有：圖像載波頻率為7.7～7.9 GHz；載波頻率穩(wěn)定度為±500 Hz/月；頻率特性≤±1 dB；載噪比≥55 dB；復(fù)合三次差拍＜-60 dBc；諧波抑制≤-70 dBc；噪波抑制≤-65 dBc；相位噪聲≤-85 dBc/Hz；輸入反射損耗≥15 dB；輸出反射損耗≥18 dB。

5 微波天線(xiàn)的調(diào)整步驟及方法

8G微波由于其頻率較高，系統(tǒng)所發(fā)射的電波波瓣較窄，如何使接收天線(xiàn)與發(fā)射天線(xiàn)對(duì)上是系統(tǒng)安裝調(diào)試的難點(diǎn)。在調(diào)試時(shí)走了不少?gòu)澛罚M(fèi)了4，5天時(shí)間逐步摸索才找到其基準(zhǔn)點(diǎn)。總結(jié)其調(diào)整步驟及方法有以下幾點(diǎn)：1）用衛(wèi)星定位儀測(cè)出發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)的經(jīng)緯度；2）用船用羅盤(pán)分別找出發(fā)射點(diǎn)或接收點(diǎn)的大致方位，并在地面上畫(huà)出其方位的延長(zhǎng)線(xiàn)（或放置參照物）；3）調(diào)整發(fā)射天線(xiàn)，沿其地面所畫(huà)的方位延長(zhǎng)線(xiàn)（或?qū)φ諈⒄瘴铮蛊涑醪綄?duì)準(zhǔn)接收點(diǎn)，并適當(dāng)調(diào)整發(fā)射天線(xiàn)的仰角，開(kāi)機(jī)發(fā)射；4）調(diào)整接收天線(xiàn)，沿其地面所畫(huà)的方位延長(zhǎng)線(xiàn)（或?qū)φ諈⒄瘴铮蛊涑醪綄?duì)準(zhǔn)發(fā)射點(diǎn)，并適當(dāng)調(diào)整接收天線(xiàn)的仰角（在本工程調(diào)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)發(fā)射和接收天線(xiàn)的仰角均是水平略為向下的）；5）在接收端下變頻器出口接上具有相應(yīng)頻率測(cè)試范圍并能顯示場(chǎng)強(qiáng)波形的場(chǎng)強(qiáng)儀（如德國(guó)寶馬PRE系列場(chǎng)強(qiáng)儀），細(xì)調(diào)天線(xiàn)的仰角和左右角度，找出本系統(tǒng)發(fā)射機(jī)所發(fā)射的微波信號(hào)（在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)在相近頻率上有很多信號(hào)，需要仔細(xì)辨別，不要放過(guò)任何細(xì)小的信號(hào)）；6）找到信號(hào)后，發(fā)射端和接收端交叉分別細(xì)調(diào)天線(xiàn)的仰角和左右角度，使其信號(hào)最強(qiáng)并緊固天線(xiàn)。

6 系統(tǒng)數(shù)據(jù)及效果

工程完工后，對(duì)系統(tǒng)的電平進(jìn)行了測(cè)試，數(shù)據(jù)如下：

1）上大陳島微波接收下變頻器輸出電平為80 dBVU，經(jīng)220 m長(zhǎng)-12電纜（由于饋線(xiàn)大長(zhǎng)，中間加了一級(jí)20 dB的放大）送入機(jī)房電平為72 dBVU。

2）下大陳島微波接收下變頻器輸出電平為78 dBVU，經(jīng)35 m長(zhǎng)-9電纜送入機(jī)房電平為73 dBVU。

2個(gè)接收點(diǎn)的信號(hào)電平均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。11套省、市電視節(jié)目信號(hào)經(jīng)分配、解調(diào)、調(diào)制、混合后送入原有的有線(xiàn)電視網(wǎng)絡(luò)，從而滿(mǎn)足了島上居民多年來(lái)想看到本地電視節(jié)目的愿望。主觀評(píng)價(jià)其節(jié)目信號(hào)的質(zhì)量，除了彩色信號(hào)略感有失落外，基本能夠滿(mǎn)足用戶(hù)的收看要求。

7 總結(jié)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工程施工過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)有：

1）用DVB-C數(shù)字電視解調(diào)器解調(diào)有線(xiàn)數(shù)字電視信號(hào)作系統(tǒng)的信號(hào)源并不是理想的方案，只不過(guò)是受資金制約的無(wú)奈之舉，其結(jié)果是降低了電視節(jié)目的圖像質(zhì)量，當(dāng)然普通用戶(hù)收看是沒(méi)有明顯感覺(jué)的。

2）前端信源系統(tǒng)的DVB-C數(shù)字電視解調(diào)器選用有線(xiàn)數(shù)字電視的家用機(jī)頂盒或國(guó)內(nèi)有些家用機(jī)頂盒廠家的所謂工程型機(jī)頂盒將影響系統(tǒng)的可靠性（不間斷連續(xù)工作時(shí)，容易死機(jī)且故障率很高），必須采購(gòu)真正意義上的工程型解調(diào)器。

3）發(fā)射和接收天線(xiàn)的緊固件，必須按照安裝點(diǎn)的尺寸一次性加工完成并經(jīng)防腐處理，否則不但繁瑣，而且影響其牢固性和使用壽命。

4）如碰到不定時(shí)的其他信號(hào)（特別是雷達(dá)信號(hào)）干擾，可定制相應(yīng)頻率和帶寬的濾波器，安裝在下變頻器出口或機(jī)房入口加以濾除，必要時(shí)可采取多級(jí)濾波。

5）與微波鏈路相近的其他已經(jīng)在使用的通信設(shè)備情況務(wù)必摸清，否則設(shè)備安裝使用后，將有可能產(chǎn)生相互干擾而造成無(wú)法挽回的損失（特別是遇到軍用設(shè)施）。