IP化趨勢下高清/超高清地球站上行系統設計與分析

摘要：該文基于寧夏地球站高清系統建設為基礎，探討高清/超高清地球站IP化建設的可行性。上行系統調制前的傳輸采用IP交換機+SDN架構，編碼器、加擾復用器、調制器、上變頻器、高功放等核心產品可采用自主產品，為高清/超高清地球站上行系統建設提供了建設方向。

關鍵詞：IP化；高清/超高清；上行系統；EIRP

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.12.028

中圖分類號：TN 927+.21；TN 94" " " " " " " " 文獻標志碼：A" " " " 文章編碼：1672-7274（2024）12-0083-05

Design and Analysis of Uplink System for HD/Ultra HD Earth Stations under the Trend of IPization

WU Huining， ZHANG Shuchun， ZHANG Zhiguo， DE Yanan， DONG Nan， GUO Jianhua， CHAI Boyuan

（Ningxia Radio and Television Station， Yinchuan 750001， China）

Abstract： This article is based on the construction of the HD system of the Ningxia Earth Station， and explores the feasibility of IPization construction of HD/Ultra HD Earth Stations. The transmission before modulation in the uplink system adopts an IP switch+SDN architecture， core products such as encoders， scrambling multiplexers， modulators， up converters， and high power amplifiers can use independent products， provided construction direction for the uplink system of HD/Ultra HD earth stations.

Keywords： Keywords： IPization; HD/Ultra HD; Uplink system; EIRP

1" "研究背景

隨著信息化的發展，廣電基礎設施的IP化已經勢不可擋。信息化與廣播電視技術深度融合，視音頻數據IP化封裝、傳輸、監測技術得到成功應用。采用IP交換機+SDN架構，為高清/超高清地球站上行系統建設提供了建設方向。

本文基于IP化的網絡傳輸體系，探討將寧夏地球站高清上行系統建設成為全自主化產品、調制之前IP化傳輸的系統，為其他新建高清/超高清地球站IP化建設提供借鑒。

2" "寧夏地球站高清上行系統技術要求

寧夏衛視高清節目視頻編碼采用AVS+方式，編碼速率12 Mbps；伴音采用MPEG-1層II音頻編碼，編碼速率384 kbps；寧夏新聞、寧夏交通、寧夏經濟、寧夏旅游和寧夏音樂廣播節目編碼均采用MPEG-1層II音頻編碼方式，每套廣播節目編碼速率256 kbps；EMM流碼率512 kbps；SI/PSI碼率約512 kbps；TS流總有效碼率約為14.688 Mbps。

衛星傳輸采用DVB-S2 8PSK調制方式，符號率為7.5 MS/s，滾降系數0.2，以SCPC方式傳輸，使用9 MHz C頻段轉發器傳輸（租用1/4個36 MHz轉發器）。如信道編碼采用3/4前向糾錯，則可用信息率為：7.5×3×3/4=16.875 Mbps，滿足TS流的傳輸要求。

4K分辨率是全高清的4倍、高清的8倍，而8K分辨率則是4K的4倍，加上超高清其他的性能指標如高動態范圍、量化比特、幀數等的增加，相應的TS流碼率增加很多。高清、超高清地球站上行系統的區別在于編碼方式的不同，高清國產編碼方式AVS+，4K編碼方式為AVS2，8K編碼方式為AVS3。超高清調制方式可選擇8PSK、16APSK、32APSK，滾降系數可選擇0.25、0.2，前向糾錯可選擇3/4、4/5、5/6、8/9、9/10等內碼碼型。

3" "地球站最大上行EIRP的計算

寧夏衛視高清電視節目及寧夏新聞、寧夏交通、寧夏經濟、寧夏旅游和寧夏音樂五套廣播節目擬使用中星6D衛星（125°E）C頻段進行傳輸，寧夏地球站地理位置：106.2375°E、38.6129°N，衛星軌道位置：125°E，則天線的方位角：151.44°E、俯仰角：41.18°E、極化角21.94°E，衛星轉發器在銀川的飽和功率通量密度SFD為-86.6 dBW/m2，其輸入功率回退BOi為6 dB，帶寬為36 MHz。寧夏地球站高清傳輸系統載波占用帶寬為9 MHz。主備用發射天線口徑均為12 m，天線效率按65%計算。主備播系統都采用1 kW模塊式結構的固態高功放，上行頻率6 GHz左右。

3.1 12 m天線增益

G=10lg[（πD/λ）²×η]=20lg（3.14×12/0.05）+10lg0.65=55.6 dB （1）

式中，D為天線直徑；η為天線效率；λ為波長。

3.2 波導損耗

軟波導插損0.25 dB/m，硬波導插損0.1 dB/m，橢圓波導插損0.048 dB/m。預估軟波導使用2 m，硬波導使用8 m，波導網絡損耗0.5 dB。

由于高功放室位于天線場區，高功放室至主備12 m天線的橢圓波導長度按12 m計算，波導總損耗：

L=0.25×2+0.1×7+0.5+0.048×12=2.276 dB" （2）

3.3 EIRP計算

12 m天線1 kW播出系統最大上行EIRP：

EIRP=10 lg（P）-L+Gt=10 lg（1000）-2.276+55.6=83.324 dBW （3）

12 m天線1 kW播出系統最大上行EIRP為83.324 dBW。主備鏈路均滿足國家廣播電視總局對最大EIRP必須大于83 dBW的要求。

4" "上行系統技術方案

寧夏地球站高清上行系統配備主播和備播兩套系統，每套系統的主要設備均采用1+1配置。

4.1 信號源系統

信號源系統采用主備光纜和主備通道數字微波架構，配合信號源自動、手動切換，確保傳輸鏈路的高可用性。寧夏衛視高清節目信號源路徑圖如圖1所示。

傳輸部與寧夏地球站之間通過4臺交換機和不同的光纜路由組建主備光纖環網。

在寧夏廣播電視臺業務樓鐵塔高度90 m處搭建微波發射天線，在寧夏廣播電視傳輸發射基地發射塔166 m處搭建微波接收天線。微波傳輸鏈路兩端可以視通，視通鏈路及周邊沒有高大建筑物遮擋，滿足微波傳輸條件。

站內墊播服務器輸出的帶臺標的墊播信號和主備光纖接入交換機、主備通道微波接入交換機輸出的清流信號，送入應急信源交換機，再分別送入四臺調制器作為信號故障時的應急信號源。

4.2 上行系統

上行鏈路中加擾復用器、調制器、上變頻器、高功放等設備均配置為在線熱備份，詳見圖2。

4.2.1 IP碼流切換器

光纖接入交換機主輸出IP信號、光纖接入交換機備輸出IP信號、微波接入交換機主輸出IP信號，通過IP碼流切換器主進行自動、手動切換，送入切換輸出交換機主，再送入主備加擾復用器。

光纖接入交換機主輸出IP信號、光纖接入交換機備輸出IP信號、微波接入交換機備輸出IP信號，通過IP碼流切換器備進行自動、手動切換，送入切換輸出交換機備，再送入主備加擾復用器。

配備IP碼流切換器相應遠控切換面板放在控制桌上，用于應急時切換。

4.2.2 清流（應急墊播）信號切換

光纖接入交換機主輸出IP信號、光纖接入交換機備輸出IP信號、微波接入交換機主輸出IP信號、微波接入交換機備輸出IP信號、帶有臺標的應急墊播服務器輸出IP信號，送入應急信源交換機進行自動、手動切換，送入4臺調制器。在調制器上進行清流（應急墊播）信號、加擾復用信號輸出的切換。

4.2.3 加擾復用信號與清流（應急墊播）信號切換

加擾復用器輸出的加擾復用信號經過加擾復用切換器送入加擾復用交換機，再送入調制器IP IN1；清流（應急墊播）信號經過應急信源交換機送入調制器IP IN2，通過網管宏命令控制調制器進行手動切換操作。

4.2.4 加擾復用信號的切換

加擾復用器配置為主、備雙機熱備份。加擾復用器主備輸出信號至加擾復用切換器主備。根據預設的切換條件，通過加擾復用切換器對其輸出的碼流進行切換。信號送入加擾復用切換交換機，再送至相應調制器。

4.2.5 70 MHz中頻信號切換

主備鏈路調制器輸出70 MHz中頻信號，分別輸出至主備中頻切換器，通過中頻切換器進行自動、手動切換，送入主備鏈路上變頻器。

4.3 加擾復用系統

寧夏地球站配置遠端加擾復用設備，寧夏衛視高清節目擬通過鼎視加密平臺國密CA系統采取遠程加密的方式實現，寧夏衛視高清節目清流信號的加擾在寧夏地球站機房完成。寧夏衛視高清節目加擾復用系統通過中國有線2 Mbps加密傳輸專用通道和中國移動4 Mbps加密傳輸專用通道與鼎視加密平臺CA系統完成系統連接。中國移動4 Mbps加密傳輸專用通道作為中國有線2 Mbps（E1鏈路）加密傳輸專用通道的備份鏈路，僅當中國有線E1鏈路有明確計劃操作或意外斷纖等長時間中斷時才會手動啟動，非實時的熱切換。加密信號流程如圖3所示。

為保障CA信息及系統安全，遠端加密系統、相關設備及相關傳輸參數將由鼎視加密平臺統一配置和管理。系統由主備應用服務器、主備加密機、主備數據庫服務器、網管服務器、主備內部交換機及主備邊界防火墻等設備組成。系統中充分考慮到運行的長效性和穩定性原則，全部前端設備及模塊均采用冗余的配置，設備均為雙電源，并做到系統級、硬件級和應用級的熱切換，在系統、組件或某個應用程序發生故障時，關鍵應用程序可從故障中快速恢復，盡量減少停機時間，滿足系統長期不間斷高性能運行的業務要求，并具備較強的容錯能力，確保系統穩定工作。

4.4 射頻系統

射頻系統包括上變頻器、高功放、倒換開關和波導，如圖4所示。調制器的IP In1口為正常上行的加擾復用信號，調制器的IP In2口作為應急備份的清流（應急墊播）信號，通過網管可以實現IP In1和IP In2的一鍵切換。

高清衛視上行傳輸設有主備兩條鏈路，每條鏈路的調制器、上變頻器、高功放全部按照1︰1配置。兩條鏈路之間可以實現相互手動倒換，1︰1設備可自動或手動切換。

（1）上變頻器輸出信號切換。主備鏈路上變頻器輸出信號，分別輸出至主備上變頻切換器，通過上變頻切換器進行自動、手動切換，送入主備鏈路高功放。

（2）高功放切換。主、備鏈路中1︰1主備高功放的切換，通過射頻控制接口和通信接口，完成主備高功放的切換。

（3）主備上行鏈路和主備天線切換。主備上行鏈路的輸出通過三個波導倒換開關連接到兩副天線上。SW1完成主備上行鏈路的切換，SW2完成主備兩副天線的切換，SW3可實現單/雙路并發切換。

4.5 天饋線系統

寧夏衛視高清傳輸系統主備用發射天線擬建口徑為12 m，天線增益約為55.6 dBi；可以實現C頻段全頻段信號的接收和發射功能。

4.5.1 天饋線系統組成

天線主要完成C頻段衛星的上行信號發射和下行信號的接收，天線使用半轉臺式座架、高精度反射面，俯仰使用滾珠絲杠驅動調整，方位使用雙機電消隙驅動調整；伺服控制系統使用軟慣導程序跟蹤和步進跟蹤相結合的方式，滿足高可靠地跟蹤衛星。天線后方設計有大空間的中心體，中心體內可安裝低噪聲放大器、5G濾波器和臨時檢測設備。天線還配置有避雷設施、饋源口面及主面除雪裝置、波導充氣機等輔助設備，進一步提高了天線的運行可靠性。天線系統組成框圖如圖5所示。

4.5.2 天線饋源系統

天線的饋源系統由極化器、雙工器、喇叭等組成。饋源系統可將天線反射面匯聚的電磁波轉換成高頻功率信號。利用饋源系統可以實現發送接收信號共用一副天線，也可以實現雙極化信號頻率共用。

4.5.3 天線跟蹤控制系統

主備發射天線均配置有天線自動跟蹤控制系統，主備發射天線可通過波導開關實現切換。天線自動跟蹤系統由天線驅動單元（ADU）、天線控制單元（ACU）、驅動裝置、軸角編碼單元、極化控制單元、跟蹤接收機和安全保護裝置組成，如圖6所示。天線間距滿足應急轉星和根據業務需求轉星的要求。

5" "結束語

近年來，廣播電視傳輸和制播系統完成了數字化和網絡化升級，廣播電視技術系統IP化、產品自主化發展已是共識，隨著國家大力推進超高清地球站建設，在建設過程中科學合理地引入自主化產品、IP化解決方案，促進傳統技術與新興技術加速融合發展，滿足我國加快推進4K、8K電視節目落地的發展需求。