大型体育赛事国际公用信号卫星传输系统设计与实践_姜伟.pdf

广播与电视技术 2023年 第50卷 第2期97Satellite Transmission 卫星传输传输覆盖大型体育赛事国际公用信号 卫星传输系统设计与实践【摘 要】大型体育赛事国际公用信号卫星传输系统承担着向世界各国电视机构提供赛事转播信号的任务，是赛事转播系统的重要组成部分。本文分析了此类项目的特点及建设原则，阐述了系统总体方案与系统建设方案，最后着重分享了笔者对大型体育赛事国际公用信号卫星传输系统实践的经验总结。【关键词】大型体育赛事，国际公用信号，卫星传输系统【中图分类号】TN938 【文献标识码】B 【DOI编码】10.16171/ki.rtbe.20230002019【本文献信息】姜伟，张斯炜.大型体育赛事国际公用信号卫星传输系统设计与实践J.广播与电视技术，2023,Vol.50(2).Design and Practice of International Public Signal Satellite Design and Practice of International Public Signal Satellite Transmission System for Comprehensive Sports EventsJiang Wei,Zhang Siwei(Space Star Technology Co.,Ltd.,Beijing 100074,China)Abstract The international public signal satellite transmission system for comprehensive sports events undertakes the task of providing event broadcasting signals to television institutions all over the world.It is an important part of the event broadcasting system.This paper analyzes the project characteristics and construction principles,expounds the overall system scheme and system construction scheme,and finally focuses on sharing the authors experience and summary of the practice of international public signal satellite transmission system for comprehensive sports events.Keywords Comprehensive sports events,International public signal,Satellite transmission system姜伟，张斯炜(航天恒星科技有限公司，北京 100074)0 引言大型体育赛事“国际公用信号”是按照国际转播组织提出的要求和标准制作出来的电视信号，是被国际公认的、可供世界各国电视机构所使用的基础信号源。大型国际体育赛事的电视转播工作是一项复杂的系统工程，国际公用信号都是通过临时搭建的技术系统采集、加工、分配和传输来完成的。大型体育赛事国际公用信号卫星传输系统是国际公用信号传输环节的一部分，承担着向世界各国电视机构提供赛事转播信号的任务。1 项目特点及建设原则1.1 项目特点大型体育赛事国际公用信号卫星传输项目具备信号传输保障等级高、项目建设周期短、系统运行周期短的特点。1.信号传输保障等级高国际公用信号承担着向全世界各国电视机构提供大型体育赛事转播信号的任务，因此保障国际公用信号传输的高质量、不间断成为赛事转播的重中之重。2.项目建设周期短受到大型体育赛事的周期性以及场馆建设、配套基础设施进度的影响，国际公用信号传输系统一般需要在长则数月、短则数周的时间内完成系统搭建、调试测试、验收、试运行的全过程，呈现出项目建设周期短的特点。3.系统运行周期短由于国际公用信号传输系统为临时搭建，仅在赛事举办广播与电视技术 2023年 第50卷 第2期98卫星传输 Satellite Transmission传输覆盖期正式投入使用，一旦赛事结束就要进行拆除，因此具有系统运行周期短的特点。1.2 建设原则1.高可靠性基于信号传输质量等级高的项目特点，需要从设备选型、多级备份以及主备电分离等方面进行可靠性设计，确保信号传输的高可靠性。2.经济性鉴于系统临时搭建、运行周期短的特点，系统建设相较于非临时性卫星地球站建设需要更加考虑经济性，可以从项目管理和技术方面着手降低系统建设和运行成本，提高系统性价比。3.建设便捷性鉴于项目建设周期短以及赛后即拆的特点，系统建设时需要从设备选型、集成工艺等方面考虑系统建设和拆除的便捷性，以便压缩系统建设周期。2 系统总体方案2.1 系统架构由于卫星传输方式具备覆盖区域大、传输建立快捷方便、传输成本与距离无关的特点，特别适合国际公用信号这种由一点向全世界多点进行广播传输的应用场景。完整的大型体育赛事国际公用信号卫星传输系统可包含固定上行站、移动上行站、异地上行站，系统拓扑如图 1 所示。不同体育赛事的国际公用信号卫星传输系统可根据赛事规模、级别以及国际转播组织的要求在完整系统架构下进行适当剪裁。固定上行站位于国际广播中心内，作为主用卫星上行站在正常情况下承担国际公用信号卫星上行任务，将来自国际广播中心核心机房的国际公用信号上行传输至卫星。异地上行站部署在异地，作为备用卫星上行站与国际广播中心核心机房通过专线相连，在固定上行站异常情况下可承担国际公用信号卫星上行任务。移动上行站作为应急备站在固定上行站和异地上行站均无法上行信号时可应急承担国际公用信号卫星上行任务。在实际应用中移动上行站可采用支持高清信号上行能力的卫星便携站或 DSNG 卫星车。2.2 传输信号介绍大型体育赛事需多场比赛同时转播，因此卫星信号传输通常采用 MCPC 和多载波传输方式。为保证信源压缩的高质量和高效率，目前多采用MPEG4/H.264 信源编码方式；卫星广播标准采用目前已在体育赛事转播领域广泛使用的 DVB-S2 或 NS4 标准；考虑到卫星信号传输的稳定性，特别是减少雨、雪等恶劣天气对信号传输的影响，通常采用标准 C 频段卫星信号传输。3 系统建设方案在国际公用信号卫星传输系统所包含的 3 部分中仅固定上行站需要临时搭建，异地上行站和移动上行站与固定上行站在功能和系统组成上类似，采用现成系统。本节仅对固定上行站进行具体介绍。固定上行站是一套标准卫星地球站，包含信号源分系统、上行分系统、接收分系统以及自台监测分系统，系统组成示意图如图 2 所示。3.1 信号源分系统国际广播中心核心机房至固定上行站通过双路由地面链路传输主备 2 路信号源。主备信号源间具备可靠的 ASI 信号检测及自动保护倒换功能，互为备份，有效保护，传输安全，可靠性高。3.2 上行分系统上行分系统具备调制、多载波合成、上变频、功率放大、图1 大型体育赛事国际公用信号卫星传输系统拓扑图广播与电视技术 2023年 第50卷 第2期99Satellite Transmission 卫星传输传输覆盖天伺馈等功能，选用工作稳定、可靠性高的设备，分系统中关键设备均采用 1:1 配置。1.调制子系统调制器子系统采用 1:1 配置，输入 ASI 信号，输出 L 波段信号，具备 L 波段信号电平检测及自动保护倒换功能。目前体育赛事转播领域广泛采用 DVB-S2 和 NS4 卫星广播标准，这两种标准均采用 BCH+LDPC 级联纠错编码方案，支持 8PSK、16APSK 和 32APSK 等高阶调制方式以及低滚降系数。因此这两种标准相较于传统 DVB-S 标准具备更高的频谱利用率和更强的抗噪声接收能力。DVB-S、DVB-S2 和NS4 标准在编码调制方面的技术参数对比如表 1 所示。NS4 标准相较于 DVB-S2 标准，支持更高阶调制方式、更加细化的 FEC 选择以及更低的滚降系数选择，研究表明，两者相比，NS4 标准具备更高的频谱利用率以及更好的抗干扰能力。2.上变频子系统由于存在多载波合成上行需求，为保证系统可靠性前提下降低系统建设成本，上变频器选用 L/C 上变频器。L/C 上变频器传输带宽 575MHz 相较于传统广电 70MHz/C 上变频器传输带宽 40MHz，具备传输频带宽的特点。当系统中需要发射多个载波时，仅需配置 1 个上变频器，而采用70MHz/C 上变频器则需要配置多个上变频器。同时 L/C 上变频器射频输出带宽与 L 波段输入频率带宽一致，因此 L/C 上变频器采用固定频率的单点本振一次变频方案，相较于70MHz/C 上变频器的频率可调本振二次变频方案，设备结构更简单，设备成本更低。3.高功放子系统因多载波工作方式，高功放需采用传输频带宽的 TWTA或 SSPA。选用高功放的额定输出功率应满足实际业务发射功率要求并留有适当上行余量。若选用TWTA，需配置线性化器，可有效提高设备三阶交调性能，减小多载波合成工作条件下的功率回退。高功放子系统采用 1:1 配置，具备设备故障检测及自动保护倒换功能。4.天伺馈子系统配置主、备 2 套 C 波段上行天线，当主用天线出现故障或需要维护时，可手动转动天线前级波导切换开关将上行信图2 固定上行站系统组成示意图广播与电视技术 2023年 第50卷 第2期100卫星传输 Satellite Transmission传输覆盖号切换至备用天线上行。2 套天线均配置伺服及信标跟踪设备，具备步进跟踪功能，满足天线精确对星要求。由于本系统临时搭建、赛后即拆，天线可采用活动基础，相较于固定基础，省去了天线基础土建施工环节，天线建设工期缩短 1 个月以上且便于天线拆除时现场环境恢复。使用天线活动基础时需要根据天线结构和现场环境条件进行天线活动基础和配重方案设计。3.3 接收分系统接收分系统用于接收系统自发信号，为自台监测分系统提供音视频及频谱监测信号，同时为天线跟踪设备提供跟踪信标信号，该系统由抗 5G 干扰滤波器、LNB、功分器、卫星解码器等设备构成。由于移动通信 5G 频段与原 C 波段下行频段在 3.4 3.6 GHz 存在频率交叠，随着 5G 基站大规模建设和商用，5G信号势必会干扰附近卫星信号接收。根据国际电联 ITU-R S.2199-0 报告，当卫星地球站接收到的干扰信号总功率超过60dBm 时，将产生饱和干扰，导致卫星地球站无法正常工作。为降低 5G 信号对卫星接收信号的干扰，应选用高品质窄带 LNB 并在 LNB 前端加装抗 5G 干扰滤波器。抗 5G 干扰滤波器，其通频带为 3.7 4.2 GHz，可对带外信号进行滤波抑制。经实践，在采用上述抗 5G 干扰措施后，卫星接收信号未受到 5G 信号干扰，卫星信号接收效果良好。3.4 自台监测分系统自台监测分系统具备音视频信号监测、频谱监测和网管监测 3 个主要功能。1.音视频信号监测音视频信号监测点包括 ASI 切换器输出的信号源信号以及天线下行接收信号。本系统配置 2 套音视频信号监测设备，1 套为 SDI 多画面监测设备，可对多套高清音视频节目进行常态化监测；另 1 套为技监设备，可选择 1 套音视频节目进行实时监测。2.频谱监测频谱信号监测点包括调制器输出、天线耦合口以及天线下行。所有频谱监测信号均为 L 波段信号并引接至频谱监测接口板。系统配置 2 台频谱仪，根据实际需要在频谱监测接口板上进行手动跳线。3.网管监测网管监测功能实现对系统中关键设备的参数、故障、告警状态实时监测以及关键参数控制。系统配置 2 台可相互备份的网管计算机。表1 DVB-S、DVB-S2和NS4标准编码调制参数对比列表序号参数项DVB-S技术指标DVB-S2NS41内编码卷积码LDPCLDPC2外编码RSBCHBCH3码率和调制方式QPSK1/2、2/3、3/4、5/6、7/81/4、1/3、2/5、1/2、3/5、2/3、3/4、4/5、5/6、8/9、9/101/4、1/3、2/5、13/30、7/15、1/2、8/15、17/30、3/5、19/30、2/3、32/45、3/4、4/5、5/6、8/9、9/1048PSK/3/5、2/3、3/4、5/6、8/9、9/102/5、13/30、7/15、1/2、8/15、17/30、3/5、19/30、2/3、32/45、3/4、4/5、5/6、8/9、9/10516APSK/2/3、3/4、4/5、5/6、8/9、9/102/5、13/30、7/15、1/2、8/15、17/30、3/5、19/30、2/3,32/45、3/4、4/5、5/6、8/9、9/10632APSK/3/4、4/5、5/6、8/9、9/102/5、13/30、7/15、1/2、8/15、17/30、3/5、19/30、2/3,32/45、3/4、4/5、5/6、8/9、9/10764APSK/19/30、2/3、32/45、3/4、4/5、5/6、8/9、9/108帧长204 byte、188 byte64800 bit、16200 bit64800 bit、16200 bit9滚降系数0.350.2、0.25、0.350.02、0.05、0.1、0.15、0.2、0.25、0.35广播与电视技术 2023年 第50卷 第2期101Satellite Transmission 卫星传输传输覆盖4 系统实践经验总结以下是笔者在大型体育赛事国际公用信号卫星传输系统设计、建设及运行保障过程中形成的实践经验总结，与同行进行分享和探讨。1.设备选型需兼顾经济性、拆装便捷性及可靠性大型体育赛事国际公用信号卫星传输项目信号传输保障等级高、项目建设周期短、系统运行周期短的特点决定了设备需统筹兼顾经济性、拆装便捷性及可靠性。在经济性方面，项目设备和安装材料尽量选用自有资产或通过租赁方式获取，减少新采购物资数量，可大幅降低系统建设成本；采用高阶调制方式和低滚降系数可以提高频谱利用率，节省租用卫星带宽，降低系统运行成本。在拆装便捷性方面，设备机房选用集装箱式机房，在现场仅需整体吊装和少量施工即可完成机房安装；天线采用活动基础，相较于固定基础，省去了天线基础土建施工环节。上述措施均可使项目建设周期大幅压缩。在可靠性方面，设备选型时应选用知名品牌、在过往多个系统中使用过、经长时间验证运行稳定、故障率低的设备；对于处于系统公共链路的设备应选择具备冗余电源的设备，避免因外电中断造成设备停机。2.系统高可靠性设计1）多级备份设计项目采用系统级备份、设备冗余备份、设备整机冷备、设备模块冷备等多级备份方式提高系统可靠性。部署异地上行站和移动上行站 2 套系统级备份系统，当固定上行站因故障信号传输异常时，可启用异地上行站或移动上行站；对系统中直接影响信号上行传输的关键设备均采用 1:1 冗余配置；对系统中的关键单机预留冷备整机，冷备整机预先配置好设备参数，一旦系统中设备发生故障，无法短时间恢复时，可快速进行整机替换；对无条件进行整机冷备的关键设备，可对设备重要模块进行冷备。2）主备电分离系统中配置双电源设备，2 个电源分别接入主备 UPS 供电回路；1:1 冗余配置设备，若主备设备为单电源设备，则分别接入主备 UPS 供电回路；监测分系统中音视频监测配置 2套监测设备、频谱监测配置 2 台频谱仪、网管监测配置 2 台网管计算机，分别接入主备 UPS 供电回路。通过以上措施可以保证系统主备电分离，当单路 UPS 供电中断时，业务信号传输和系统监测功能均能正常运行。3.减少运行中非必要风险因素上行天线具备步进跟踪功能，能使天线在一定范围内自动精确对星。经实际测试，在天线精确对星后，停止步进跟踪功能，仍能较长时间保持发射和接收卫星信号正常。因此在实际系统运行中，仅在天线最佳对星时间开启步进跟踪功能，避免因持续步进跟踪可能导致天线跟偏卫星的风险。合理设置系统信号监测点，可采用设备自带的监测口作为系统信号监测点，减少系统中非必要功分器、耦合器、接口板使用，保证系统可靠性。建议将系统中分/合路器未使用的同轴端口接匹配负载，减少信号串扰和因负载不匹配造成的传输信号畸变。4.系统投入使用前需经过充分测试验证为保证系统功能和技术指标满足使用要求以及提高系统应急处置情况下各方人员协同配合能力，在系统投入使用前需经过各环节、各层次充分测试验证。通常在系统建设和试运行阶段需进行单机设备测试、天线及电子设备入网测试、网管功能测试、设备切换测试、上星传输测试、电力测试、系统应急切换测试等。5 结束语近年来我国承办了多项国际性大型体育赛事，国内广播电视人已广泛参与到赛事的广播电视转播中，并在实践过程中受益匪浅，未来会更加深入地参与其中。在总结过往项目经验的同时，我们需要持续密切跟踪广播电视与信号传输领域的新技术发展，探索新技术与现有系统融合应用的可能性，从而在未来高标准地完成大型体育赛事广播电视转播相关系统设计与建设工作，达到不间断、高质量、既经济、又安全的目标。参考文献：1 王树森.大型体育赛事转播音频技术M.北京:中国广播影视出版社,2020.2 汪春霆,张俊祥,潘申富等.卫星通信系统M.北京:国防工业出版社,2012.3 刘峥.DVB-S与DVB-S2的比较J.数字通信世界,2013,10:88-90.4 张秋玲.总控卫星传输新技术J.现代电视技术,2018,1:119-124.5 代明,杨帆,高洋.C频段广播电视卫星接收站抗5G基站干扰测试及实践J.广播与电视技术,2019,46(11):23-31.6 潘建平.5G通信抗干扰C频段广播电视卫星接收实测及对策分析J.广播与电视技术,2021,48(4):104-110.第一作者简介：姜伟，男，1978 年生，高级工程师，航天恒星科技有限公司云岗卫星地球站站长，主要从事广播电视卫星传输系统设计、研制和安全播出管理工作。