高清总控卫星车4K升级改造实践_尹仲祺.pdf

69影视制作系统网络System Network在马拉松、自行车等长距离、大范围特别是有分站赛的高级别体育赛事电视转播中，用以选切移动比赛信号的移动总控及卫星传输系统是转播成功不可或缺的核心。在 4K 转播车已经普及的当下，具备 4K 移动总控调度及 C波段卫星传输手段将是转播单位参与高级别赛事转播的门槛。高清总控卫星车4K升级改造实践文/厦门广播电视集团 尹仲祺 陈菁毅摘要：本文以厦门广电集团高清总控卫星车为例，提出了移动总控及卫星传输系统 4K 升级改造的思路及解决方案，并对创新点进行了介绍与分析。关键词：移动总控；C 波段卫星传输；4K 升级改造；远程控制1.系统现状与升级改造原则将总控调度与卫星传输功能进行一体化设计的首要目的是提高系统集成度，提高技术系统的机动能力，系统到位后无需耗时搭建即可投入使用，最终实现多场赛事直播的快速转场。厦门广电集团现有的高清总控卫星车于 2017 年投入使用，迄今已参与上百场在央视播出的高清体育赛事直、转播工作，其技术系统主要由信号接收、矩阵调度、信号处理、移动信号技术选切、C波段卫星传输等组成。本次升级改造兼顾高效率和低成本，针对 4K 环境下信号采集、制作的特点，对现有工作模式进行调整，在确保安全播出的前提下充分利旧，减少资金投入。2.升级改造的主要内容2.1 车体介绍与配电系统升级现有车体是在 MAN TGM 18.290 柴油底盘的基础上改装成的直挂式厢式车。整车长约 9.4 米，分为驾驶区、工作区、设备检修区、发电机舱及后部电缆盘舱，工作区采用侧置屏幕墙、横向机柜布局，车载发电机（熊猫 24NE 柴油静音水冷发电机，功率 20.5 千瓦）安装在重型滑轨上，可侧拉出舱便于检修。车体布局侧视图如图 1 所示。系统网络System Network70影视制作系统网络System Network本次改造重点提升配电系统，以确保比赛在偏远地区进行时系统也能具备较高的可用度。改造后的双 UPS 工作模式如图 2 所示。首先在现有单台 UPS 的基础上增加 1 台 UPS，通过配置 STS 静态切换开关及维修旁路，改造为模块化并机+外置静态开关模式，实现了双机均正常工作时，负载平均分担；任一台 UPS出现故障停机时，另一台 UPS 能无缝接管所有负载，从而消除 UPS 系统的单一崩溃点。相比并联式或旁路式 UPS 热备份模式可靠性更高，故障率更低。此外，还将机柜原配的普通 PDU更换为带参数监测的智能 PDU，集中监控每条PDU 总电流、总电压，每个孔位的分电流和分电压，快速发现双电源设备工作在单电源下的异常情况。同时对于一些有开关机顺序要求的精密设备，还可以自定义插座孔位上下电的顺序，进一步保护了设备安全。2.2 视频系统升级改造总控调度车的视频系统核心是矩阵调度与信号选切系统。现有的矩阵调度系统为主备不对称冗余配置，主矩阵规模为 64*64，内置 4路多画面分割输出口，备矩阵为 32*32，备矩 图1 车体布局侧视图 图2 模块化并机+外置静态开关UPS系统图71影视制作系统网络System Network阵配备两台 16 路外置画面分割器作为监看系统的异构备份。在 4K 环境下，大型系统采用 ST2110 的全 IP 架构能有效简化系统架构，具有扩展灵活等优点，但对于车载小规模系统存在着维护相对复杂、性价比不高的问题。考虑到 12G SDI 基带周边设备价格合理且功能完全满足要求，因此本次改造采用 12G 基带作为本车视频系统的基础结构。改造后的主备总控矩阵选用ROSS Ultrix 64*64 矩阵，内置了输入信号帧同步，净切换输出，多画面分割，功能高度集中，有效简化了系统结构，较为适合车载应用。此外，利旧使用了一套 32*32 的 HDSDI 矩阵专用于 HD SDI 与 ASI 信号 切换。2.3 信号解调模式改造高清时代的马拉松或自行车比赛的移动信号解调模式是：跟拍比赛信号的移动发射车的微波信号由多个远程微波接收点接收，解码为 SDI 信号回传总控车，经帧同步处理后按照比赛路线的先后逻辑展现在多画面上，由技术切换导演根据信号质量、结合远程回传的接收机电平与演练彩排的信号情况综合判断，选出当前可用度最高的一路信号送转播车，为转播车切换台提供无缝、连续的移动比赛信号。这种信号解调模式结构简单，成本低廉。但4K ASI-12G SDI解码器价格十分昂贵，以制作马拉松比赛为例，每个微波接收点需要输出男子、女子、航拍、摩托车、备频点 5 个信号，不计备份的情况下需要 5 台 4K 解码器，以 5 个接收点计，就需要配置 25 台解码器，单此项的资金投入就超过 200万元，且原有的高清光机必须更换为 12G 光机、占用的光纤资源及线路租用费也要几倍于以往。在此次 4K改造中，我们采用了集中解码模式，在总控车上集中配置 12 台 4K 解码器，各远程接收点直接将微波接收机输出的 ASI 信号回传总控车，分配后集中进入监看用解码服务器进行低画质解码作为移动画面的信号监看，技术导演根据画面选切相应的 ASI 信号进入广播级 4K解码器解调得到广播级 4K 12G SDI 信号进入视频系统送转播车，同时将总控车的画面分割器信号通过双向高清光机回传远程微波接收点作为技术监看。图 3 为总控卫星车在马拉松直播中与各移动拍摄系统之间的工作关系图。图3 总控卫星车马拉松直播工作关系图72影视制作系统网络System Network2.4 C波段卫星系统升级改造原有车载 C 波段卫星系统的配置为：偏馈式Vertex 2.4 米钢缆驱动车载天线（发射增益 42dBi，接收增益 38.2dBi），极化调整采用旋转关节模式；配置两台带上变频功能的室外型 SSPA 功放，功率分别为 400 瓦、200 瓦非对称，采用馈源臂安装，减少波导到馈源之间的功率损耗；天线控制器为 ACU5000；编码器为 AVP2000 编码调制一体机，配置 DEV1951 L 波段倒换器，RX8200/BAS 卫星接收机。本次更新改造保留天控、射频系统设备，在编码机箱增加 Mediakind 4K CE-HEVC 模块，卫星接收机更换为爱立信 Mediakind RX1。此外，选用支持 NS4 调制方式的 NS3000 调制解调一体机，将射频调制器独立出来。相较 DVB-S2/S2X 标准，NS4 调制模式的工作效率更高，两种调制模式实测的结果附后。改造后的卫星系统结构如图 4 所示。此外，针对受 5G 信号干扰的情况，对 LNB 系统也做了相应升级改造。在对台内固定接收站的长期观察中我们发现，中国电信（3.4 3.5GHz）和中国联通（3.5 3.6GHz）对 C 波段下行接收影响较大，往往造成画面花屏、马赛克，加装窄带波导滤波器+窄带高频头（3.7 4.2GHz）后取得了较好的抗干扰效果。原卫星车 LNB 为 Norsat3120N，工作频段范围为 3.4-4.2GHz，5G 通信基站的工作频带与其有近300MHz 重叠，在 3.5GHz 左右容易受到干扰，该LNB 的 P1dB 压缩点为 9dBm，增益为 62dB，当进入LNB的5G信号功率超过-54dBm就会出现饱和失真，在频谱仪上可见微小毛刺，导致信号画面出现随机马赛克和花屏。本次改造将原 LNB 更换为广电行业专用的 NORSAT 5250RF，其输入频率为 3.70-4.20 GHz，同时加装 NORSAT BPF-C-2 滤波器，输出 图4 C波段卫星传输系统图73影视制作系统网络System Network频率范围为 3.625-4.20GHz，两者配合使用可以抵御-100dBm 的 5G 饱和干扰信号。改造完成后，我们对 4K 环境下 C 波段上行/接收做了测试，在天气晴、轻微多云的环境下，使用车载 2.4 米天线自发自收，租用亚洲 5 号卫星 C 波段18MHz/9MHz 转发器，编码器输出 ASI 信号分别以DVB-S2X、NS4 不同的调制方式，在功带平衡的原则下观察不同的带宽、调制方式、前向纠错率、滚降系数等参数组合对于数据传输能力的影响。测试情况小结：（1）在两种调制方式下，使用 9MHz 传输带宽，视频码率 25Mbps，调制器使用 16APSK 3/4、32APSK 3/4 的参数组合，都能胜任新闻单边等对画质要求不是特别高的 4K 信号传输。表1 2.4m天线自发自收数据调制模式序号调制方式数据率（Mbps）传输带宽（MHz）符号率（Msps）功放功率（W）接收信噪比（dB）接收余量（dB）NS4（滚降系数2%）116APSK 3/425.5598.825515.516.64216APSK 5/628.498.825515.425.01332APSK 3/431.9698.826015.413.88432APSK 5/635.5598.826015.341.9258PSK 3/438.421817.659013.126.3868PSK 5/642.751817.659013.165.02716APSK 3/451.121817.659012.913.36816APSK 5/656.871817.659012.951.59932APSK 3/463.951817.659012.910.48DVB-S2X（滚降系数5%）116APSK 3/424.8298.575516.766.64216APSK 5/627.6198.575516.765.26332APSK 3/431.0598.576016.713.95432APSK 5/634.5498.576016.762.4158PSK 3/437.311817.149013.515.7168PSK 5/641.521817.149013.624.2716APSK 3/455.221817.149013.511.7816APSK 5/649.651817.149013.523.3932APSK 3/462.181817.149013.210（2）从表 1 中看出，NS4（滚降系数 2%）对比 DVB-S2X（滚降系数 5%）在相同的占用带宽下传输了更高的符号率，而接收余量更大，可见 NS4 调制模式效率更高。（3）传输带宽 18MHz，即能完成一路较高质量 4K 信号（50Mbps 码率）的传输。3 系统创新：远程设备控制与信号智能辅切系统在以往的马拉松、自行车比赛的直播中，总控车的技术导演无法掌握远程接收机的移动信号接收电平，只能通过观察实时回传的图像质量进行信号选切，在 2 个接收点信号交接的地方，可能需要来回乒乓切换，精神74影视制作系统网络System Network紧张，也容易发生切换失误。如果能将远程接收点的设备工作状态、信号强度实时回传，除了能为技术导演提供有效的切换参考，也能为将来接收点无人化打下技术基础；此外，节目导演组也希望能实时掌握跟拍比赛的微波发射车、航拍直升机、摩托车与选手、车队之间的地理位置信息。为此，技术团队自主研发了基于多串口通讯技术的远程设备综合集控平台，通过近几年的不断改进，已实现远程设备状态采集、GPS 地理信息采集，经复用后通过微波、光纤链路与视频信号同时回传至总控车，结合商用地图 API，不但能以图形界面实时展示远程设备状态、信号场强电平，而且实现了使用者对远程设备集中控制和设备参数的统一管理，也为节目导演提供了赛道直播车和航拍直升机实时位置变化的图形信息。此外，系统通过判断微波发射车、航拍飞机、摩托车与各信号接收点的当前地理位置关系，结合接收点当前的信号场强电平，通过预设的判断逻辑，给与技术导演各接收点信号可用度及信号切换建议，在提高切换准确度的同时大大减轻技术人员的工作压力。如图 5 所示，该系统分为信息收集、数据处理、展示显示、设备管理四个部分。（1）信息收集：收集设备的状态信息以及 GPS 信息，存储到 MYSQL 数据库中并推送到显示层。利用光发射机、光接收机的数据传输端口实现设备 RS232通讯端口与串口服务器连接，由服务器访问口串口服务器实现服务器与设备的实时连接。GPS 信息则由转播车解出的各移动转播车（直升机）GPS 位置通过串口服务器推送到数据服务器。（2）数据处理：对数据库的数据进行分析、处理，自动估算底噪并计算 CN，模拟人工判断计算建议通路，监控电平变化判断是否出现干扰、接收天线设备是否异常等。其实现方式是将人工判断的依据转化为数学模型，利用软件算法实现数据分析。（3）展示显示：利用直观的图表实时显示各接收点的状态信息、异常报警。实现方式为利用 PHP、JavaScript、APACHE HTTP Server 技术实时将MYSQL 数据库中的数据进行推送，利用专用终端APP 实现多路显示的同时进行输出与展现。（4）设备管理：利用 PC、平板、手机终端对服务器系统进行管控，可通过信息收集层对微波接收机进行远程控制，可以存储和查阅当前的电平。图5 基于多串口通信技术的远程设备控制系统拓扑图75影视制作系统网络System Network图 6 展示了核心串口通讯服务器界面，该界面除了提供所有远程设备的运行状态，也可以管理所有在线设备的参数设置、连接状态、单点设置任意一路远程设备，也可利用群发器同时设置多台设备。图 7 展示了各远程微波接收点所有微波接收机的报警信息，包括接收机分集天线输入口信号电平状态、图像是否有马赛克等信息，这些信息都是供技术导演选切信号的可靠依据。4.结束语用于外场转播的移动总控系统伴随着大型直播活动历经几个发展阶段，其系统规模由小到大，从早期的标清飞行箱系统，发展到全高清多功能总控调度卫星系统。厦门广电集团以 2022 年北京冬奥会为契机，以 4K 总控卫星车为平台结合移动直播车、UHD/4K 微波、光纤传输等系统形成了信号发射、接收、智能控制、综合选切合成、卫星传输为一体的超高清大型直播综合业务体系。4K 总控卫星车升级改造完成后，在 2021 厦门国际马拉松、2021年昆明生物多样性公约缔约方大会第十五次会议、2022 年冬奥会北京新闻中心等高规格赛事、活动中都圆满完成了任务。可以预见，在后疫情时代，各类大型活动及体育赛事必将出现快速恢复和发展，及时求变，大胆创新，超高清电视直播产业必将迎来广阔的发展天地。【参考文献】1 汪建新王良海.马拉松融媒直播技术方案的设计与实现J.影视制作,2021(5).2 章崴.浅谈2020东京奥运会转播总台前场总控系统J.现代电视技术,2021(9).3 于群.中央广播电视总台C波段卫星车的4K升级改造J.现代电视技术,2020(9).图6 核心串口通讯服务器界面 图7 远程设备状态查看界面