毫米波傳輸技術在外場轉播中的應用

邱宇哲

（廣東廣播電視臺，廣東 廣州 510066）

0 引 言

毫米波一般指波長在1 ～10 mm，頻率在30 ～300 GHz 的電磁波。從波長和頻率數據可知，毫米波工作波長短，工作頻率高。毫米波早期主要應用于軍事雷達領域，后擴展到汽車雷達和生物醫學領域[1]。無線通信技術快速發展，對無線電頻譜中低頻頻率的使用逐漸趨于飽和，頻率資源已無法滿足未來通信事業的高速增長需求，因此人們把目光投向了頻率更高的毫米波頻段。由于毫米波頻帶資源豐富，可以有效地滿足大寬帶、高容量的無線傳輸需求，因此在短距離無線通信中有著廣泛的應用前景和潛力。毫米波憑借其頻帶優勢，已成為當前無線信號傳輸的研究熱點。

1 毫米波的頻率特性和技術特點

1.1 大帶寬和高速率

毫米波頻段內頻譜資源豐富，是解決當前頻譜資源瓶頸的最優選項。以60 GHz 毫米波頻段為例，上下可分配帶寬可達7 ～10 GHz。相比于傳統微波或圖像傳輸設備使用的百兆比特級帶寬（2 GHz、5 GHz），毫米波波段可提供的傳輸帶寬為吉比特級。兩者相比相差兩個數量級。

1.2 傳輸設備輕型化和微型化

毫米波波長為毫米級，因此毫米波天線陣列也為毫米級，在同等物理空間情況下，可容納更多的天線。相比于傳統的無線微波傳輸設備，毫米波器件設計和部署具有小尺寸、輕重量、高增益及低成本等優勢特點[2]。

1.3 信號損耗大、衍射繞射能力差

自由空間損耗是自由空間中發射信號強度的損耗[3]。相隔一定距離的兩點之間，自由空間損耗L以距離d和使用頻率f為參數的公式為

式中：f表示頻率，單位為GHz；d表示距離，單位為km；L表示自由空間損耗，單位為dB。

由式（1）可見，以60 GHz 毫米波頻段為例，相比于5 GHz 以下的頻段，其在同等距離下自由空間損耗增加了超過21 dB。

根據電磁波衍射原理基本定義可知，信號波長越大，波動性越明顯，越容易發生衍射現象。毫米波的波長為毫米級，波長很難大于障礙物尺寸，因此毫米波在遇到障礙物時很難產生衍射現象。

1.4 毫米波信號適用場景

毫米波頻段適合在大帶寬、視距無遮擋傳輸、終端靜止和高密度人群場景下進行信號傳輸。歸結到社會具體場景，則是直線城市干道、體育場館、展覽館、機場及廠房等開放空曠無遮擋場景或封閉場景內部[4]。

2 毫米波技術在珠海航展轉播中的實際應用

2.1 珠海航展轉播方案概況

第十四屆中國國際航空航天博覽會（簡稱珠海航展）在珠海金灣機場珠海國際航展中心舉行。本屆珠海航展，廣東廣播電視臺派出現場轉播團隊對開幕式、飛行表演、新聞發布會以及戰車表演等環節進行衛視頻道、地面頻道和新媒體平臺并機直播。廣東廣播電視臺在2 號展館南側前方規劃用地設置前方轉播綜合區。綜合區內主要技術功能區包括現場風景演播室、信號調度傳輸中心、1 輛拖掛式高清轉播車和2 輛高清衛星車。飛行表演轉播技術方案共設置10 個戶外轉播機位，1—3 號機位為風景演播室樓頂固定機位，4—6 號機位為場外光纖通道機位，通過場內已有光纖通道實現攝像機信號回傳，7—10 號機位則為戶外展區場內機位。7—10號戶外展區機位采用毫米波傳輸技術實現高清信號回傳至高清轉播車，這也是廣東廣播電視臺外場傳輸技術團隊首次將毫米波傳輸技術規模化應用在大型活動戶外直播當中。現場轉播機位的分布如圖1所示，轉播綜合區現場情況如圖2 所示。

圖1 飛行表演轉播機位分布示意圖

2.2 毫米波技術應用背景和設備概況

由于現場客觀條件的限制，戶外展區機位無法通過鋪設有線線纜或光纖來實現攝像機信號至轉播車的回傳。在往屆航展轉播中，轉播技術團隊均使用傳統2 GHz 微波設備來實現信號回傳至轉播車，但隨著展會規模越來越大、來訪人群逐漸增多，在前一屆的航展飛行表演直播中，戶外展區機位的2 GHz 頻段微波信號一直不能保持穩定，時常受到各種不明因素的干擾和無線電管制。盡管技術人員采用了多種增強手段如增加濾波器和使用定向天線等方法來解決干擾現象，依然無法完全解決信號傳輸質量問題。信號不穩定已經影響了航展飛行表演的正常直播。

為了從根本上徹底解決這個難點，廣東廣播電視臺外場傳輸團隊在出發航展前，對當前轉播行業應用較多的圖傳類設備、背包類設備、7 GHz 微波和毫米波等各種無線傳輸手段進行了深入的調研和實際功能測試，綜合場地實際情況、技術特性、高密度人流場景實際測試情況以及資金投入等多方面因素考量，選取了毫米波頻段傳輸技術方案來解決戶外展區機位信號回傳不穩定的問題。

單個毫米波傳輸設備尺寸為288 mm×150 mm×68 mm，配備了固定安裝套件，易于戶外固定安裝，含支架質量為1.9 kg，外殼防護等級為IP67，可適應正常戶外環境使用。設備小巧輕便，易于攜帶和安裝部署。設備工作頻段為58 ～69 GHz，可劃分6 個信道頻段使用，每個信道頻段中心頻率之間間隔2.16 GHz，傳輸協議為IEEE 802.11 ad，信號接口為網線接口雙向通信。設備既可接受外來直流供電，也可通過網口實現以太網供電（Power Over Ethernet，POE）。傳輸設備外觀如圖3 所示。

圖3 毫米波傳輸設備外觀圖

2.3 珠海航展轉播毫米波傳輸技術方案

現場在8 號機和9 號位攝像機平臺分別架設毫米波傳輸發端設備，收端設備架設于風景演播室樓頂。8 號平臺、9 號平臺與風景演播室接收端兩點之間無遮擋直線距離分別約為500 m 和1 000 m。左側7號機和右側10號機通過串行數字接口（Serial Digital Interface，SDI）同軸電纜將嵌入后的視音頻信號送至8 號機位攝像平臺，利用4K 網傳編碼器可以最多同時傳送4 路高清信號的功能，將3 路攝像機的SDI 信號均接入4K 網絡傳輸編碼器，每一路信號采取H.265 壓縮編碼方式進行編碼，并選取安全可靠傳輸（Secure Reliable Transport，SRT）協議通過毫米波頻段傳送至接收端。9 號機位也同理設置。信號經解壓縮后進入信號調度傳輸中心，再送至轉播車。在8 號機位和9 號機位平臺各配置兩臺2.4 kW 容量的便攜式不間斷電源（Uninterrupted Power Supply，UPS）互為主備，對毫米波傳輸設備、網絡傳輸編碼器進行供電。具體信號傳輸路由如圖4 所示。

從實際效果來看，在長達6 d 的每日飛行表演直播中，4 個戶外展區機位信號回傳穩定。本次珠海航展轉播要求的特性符合毫米波適用場景，轉播工作充分發揮了毫米波頻段大容量、無干擾的頻段特性優勢[5]，同時規避了毫米波穿透能力差和繞射衍射能力弱的缺點，是一次非常成功的外場轉播實際應用。

3 結 語

毫米波頻段大帶寬、大容量、高速率的自身特點在已在適合場景的戶外轉播應用中顯現出獨特的優勢。毫米波技術在大型活動賽事的轉播細分領域應用也出現了逐步向上的趨勢，如360°全景智慧觀賽、4K 超高清點播、頭戴式虛擬現實（Virtual Reality，VR）/增強現實（Augmented Reality，AR）設備等。隨著相關產品更加成熟，相信毫米波技術能在外場轉播實際應用中發揮更大的作用。