卫星数字电视直播技术

邓永红

　　目前，卫星电视广播采用了三种方式：一是通过普通的通信卫星将模拟或数字电视信号转发到本地电视台、有线电视网或集体接收站进入千家万户；二是采用模拟技术，使用大功率电视直播卫星直接向家庭广播电视信号，由于这种电视信号未经数字压缩处理，每个转发器只能直播一路电视节目信号，每颗卫星一般只能直播几路电视节目；三是采用Ｋｕ频段数字视频压缩卫星电视直播。每个卫星转发器可向装有约为０.５～０.８ｍ左右的小口径卫星接收天线的家庭直播５～８路电视节目，一颗卫星可以直播１００多路电视信号。这种业务亦称卫星数字电视直播。

　　随着航天技术、数字电视技术、微电子技术、码率压缩技术的突破性进展，使卫星电视由原来的C频段转播进入了数字Ku频段的直播卫星阶段。卫星数字电视直播的发展已成为全球热点。

　　一、卫星数字电视直播与接收有线电视信号的比较

　　与将数字电视信号传送到有线电视前端，再由有线电视台转换成模拟电视传送到用户家中的方式比较，卫星数字电视直播（DTH）方式转发器功率较大，可用较小的天线接收（一般在１米以下），普通家庭可以使用。除接收天线不同之外，两种方式最本质的区别在于，DTH方式可以提供直接到户的用户授权和加密管理，开展数字电视、高清晰度电视等多种类型的先进电视服务，不受中间环节的限制。此外，DTH方式还可开展许多电视业务之外的数字信息服务，如高速Internet下载等，在电视与电脑、电信日益融合一体的今天，这一点很重要，美国DirecTV平台上就成功地开展了DirecPC数据服务。

　　二、卫星数字电视的标准

　　模拟电视有NTSC、PAL和SECAM三种彩色制式。目前，数字电视尚无统一的国际标准，有美国的ATSC、欧洲的DVB和日本的ISDB三种不同的标准。

　　ATSC数字电视标准由四个分离的层级组成，层级之间有清晰的界面。最高为图像层，确定图像的形式，包括象素阵列、幅型比和帧频。接着是图像压缩层，采用MPEG-2压缩标准。再下来是系统复用层，特定的数据被纳入不同的压缩包中，采用MPEG-2压缩标准。最后是传输层，确定数据传输的调制和信道编码方案。对于地面广播系统，采用Zenith公司开发的8-VSB传输模式，在6MHz地面广播频道上可实现19.3Mb/s的传输速率。该标准也包含适合有线电视系统高数据率的16-VSB传输模式，可在6MHz有线电视信道中实现38. 6Mb/s的传输速率。ATSC标准不涉及卫星广播。

　　ISDB利用一种标准化的复用方案，在一个普通的传输信道上可发送各种不同的信号，同时可以通过各种不同的传输信道发送复用信号。ISDB具有柔韧性、扩展性、共通性。

　　ISDB-T和DVB-T非常类似，可以说是经修改的欧洲方案。传输方案仍是COFDM，也分为2k和8k两种模式；使用的编码方式也与DVB-T相同 。

　　DVB传输系统涉及卫星、有线电视、地面、SMATV、MMDS等所有传输媒体。它们对应的DVB标准为：DVB-S、DVB-C、DVB-T、DVB-SMATV、DVB-MS和DVB-MC。

　　DVB-S(ETS 300 421)为数字卫星广播系统标准。卫星传输具有覆盖面广、节目容量大等特点。数据流的调制采用四相相移键控调制(QPSK)方式，工作频率为11/12GHz。在使用MPEG-2MP@ML格式时，用户端若达到CCIR 601演播室质量，码率为9Mb/s；达到PAL质量，码率为5Mb/s。一个54MHz转发器传送速率可达68Mb/s，可用于多套节目的复用。DVB-S标准几乎为所有的卫星广播数字电视系统所采用。我国也选用了DVB-S标准。

　　三、卫星数字电视直播（DTH）系统的构成

　　一个典型的DTH系统由前端系统、传输系统、上行系统、条件接收系统、卫星、用户接收系统六个部分构成，具体如下：

　　1、前端系统（Headend）

　　前端系统主要由视频音频压缩编码器、复用器和市制器组成。由于卫星转发器租金非常昂贵，因此前端系统最重要的任务是提高压缩倍数，在有限的转发器频带上尽可能地传送更多的节目。

　　利用卫星传送多套节目有两种方式：SCPC方式和MCPC 方式，DTH采用MCPC方式。在MCPC方式中，除按MPEG-2对视频音频信号进行压缩，动态统计复用这一新技术的作用显得尤为重要。动态统计复用是一种可实时在多套节目间根据需要分配带宽的技术，对提高频带利用率具有很大作用，因此各编码器厂商都将相当大的力量投入到开发动态统计复用的技术中。动态统计复用算法目前尚无国际标准，各厂商均有各自的独到技术。

　　目前，国际上最先进的统计复用技术已可将十套标准电视节目压缩至２０Mbit/s以内，这意味着可在一个２７MHz的卫星转发器上转发多达１０套电视节目，大大节省了转发器的资源，具有显著的实用价值。

　　2、传输和上行系统（Uplink）

　　传输和上行系统包括从前端到上行站的通信线路以及上行设备。从前端到上行站的节目传送方式有两种：中频传送方式和数字基带传送方式。采用中频传送方式时市制器放在前端，便于监看和集中管理；而采用数字基带传送方式则有可能在一路光纤中传送多个转发器上的节目，两种方式各有优缺点，需根据实际应用情况选择。

　　3、条件接收系统（CA:Conditiona/Access）

　　条件接收系统有两项基本功能：通过加扰方式对节目码流进行加密以及对节目和用户进行授权。

　　条件接收系统通过复用器与前端系统连接，产生三种信息。控制信息用于控制加扰器所生成的伪随机序列，授权管理信息EMM（Entitle Manage Message）是与用户授权相关的信息，授权控制信息 ECM（Entitle Control Message）是与节目授权相关的信息。ＥＭＭ和ＥＣＭ随节目码流一起传送至接收机中。

　　用户管理系统(SMS:Subsciber Management System) 是ＤＴＨ平台的心脏，主要执行下列功能：

　　（1）登记和管理用户资料。

　　（2）包装和收买节目。

　　（3）制定节目计费标准，对用户进行收费。

　　（4）ＤＴＨ平台的市场预测和市场营销。

　　用户管理系统包括存有各种用户和节目信息的数据为管理系统和有许多负责解答用户咨询的用户服务代表（ＣＳＲ）的用户呼叫中心构成。

　　4、卫星

　　ＤＴＨ平台中采用的是大功率的广播或通讯卫星。虽然国际上一般都认为ＤＴＨ应采用大功率的直播卫星（ＢＳＳ），但到目前为止，国际上仅有三个ＤＴＨ平台采用了ＢＳＳ，其余的均采用大功率的通信卫星（ＦＳＳ）。目前我国上空可用ＤＴＨ的大功率卫星有两颗：鑫诺一号和亚太II R，它们均是ＦＳＳ卫星。

　　5、用户接收系统

　　DTH用户接收系统由一个小型卫星接收天线和综合接收解码器（IRD）及智能卡（Smart Card）组成。

　　DTH用户接收天线的一般不超过１米，通常在0.5~0.6米左右，可放置于普通家庭中。

　　DTH中的IRD负责四项主要功能：

　　（1）解码节目码流，并输出到电视机上。

　　（2）利用智能卡中的密钥进行解密。

　　（3）接收并处理各种用户命令。

　　（4）下载并运行各种应用软件。

　　DTH中的IRD已不仅是一个硬件设备，它还包括了大量的操作系统和应用软件。随着业务和功能 的扩展，IRD软件系统的作用越来越显著。

　　四、卫星数字电视直播的优点

　　1、覆盖面广

　　有线电视往往是在人口稠密区的城镇中由一个或几个经营者布置她的网络，用电缆联接各个家庭。而这个网络不可能是完美无缺的，非人口稠密区由电缆联接就会要求不可接受的初次投资。在广大的农村、边远地区，有线电视网络更是难以覆盖到。直播卫星电视在覆盖面上的优势是显而易见的。经过多年的发展，我国的电视覆盖获得了举世瞩目的成就。到目前为止，不考虑卫星的覆盖方式，我国电视覆盖的人口覆盖率达到了86%左右。这是一个非常了不起的成就。然而，考虑到我国是960万平方公里，13亿人口的大国，人口的密度分布极不均匀，从国土的覆盖率来看，我国的电视覆盖率是非常低的，大约只有一半左右。然而，利用一颗大功率直播卫星，就能够获得100%的人口覆盖和国土面积的覆盖。

　　2、费用较低

　　在现有的状态下，根据测算，利用有线电视的方式，人口覆盖率每增加一个百分点，需要投资30亿元。而且，进一步扩大覆盖范围，所付出的代价必然还要急剧增大。然而，发射一颗中等容量、大功率的直播卫星只需要16亿元，一套卫星接收系统，包括接收天线、卫星接收机、21寸彩电、自备发电机在内，批售价约在5000元内。

　　3、可靠性高

　　整个卫星系统由地面卫星上行站、星上系统、地面卫星接收系统组成。传输信号所经过的环节接点少，信号通过的路径是太空，相对于地面网络所受到的干扰因素较少。长距离传输可以准备多种备份系统，一旦发生灾难性故障，可以调整路由解决，其管理、维护和运行费用低廉。有线电视则必须通过漫长的传输系统，中间的一个环节出现问题都将造成信号损失，严重则导致信号中断。

　　4、建设周期短

　　建设卫星电视系统所牵涉到的范围比较小。目前，卫星发射的技术已经相当成熟，虽然有过发射失败的例子，但总的来说，成功的机率还是较高的(约为99%)。天上现有的卫星转发器出现富裕状态，由于竞争，其租金逞下降趋势。地面上行站的建设周期一般只需数月，与组建宠大而又漫长的有线电视网络相比，建设速度要快得多，运行、管理和维护所动用的人力较少。 我国广播电视事业发展的重点是覆盖，覆盖的重点在于农村，覆盖不到的地方属于地形复杂、偏远闭塞、交通不便、生产和生活条件很差的地区，特别是老少边穷、山沟、海岛、沙漠、边疆地区。解决覆盖问题是加强精神文明建设的需要，关系到这些地区、乃至国家的安全稳定和发展的重大政治问题。所以，扩大覆盖是重中之重，利用卫星解决覆盖问题是最有效、最廉价的方法。

　　5、直播卫星的覆盖受到国际公约的保护

　　根据国际电联的规定，全世界划分为3个区域，我国属于ITU3区，位于这个区域的还有亚洲其他国家和南太平洋地区。直播卫星的覆盖范围受到国际电联的保护，不受国际其他直播卫星和通信卫星溢出电波的干扰，具有很强的国内覆盖特性。

　　五、卫星数字电视直播的不足

　　１、Ｋｕ频段存在雨衰，即受雨、雪天气的干扰，这可通过适当加大天线等办法加以解决；

　　２、在城市地区受高层建筑及居住场地条件的限制，居民接收卫星电视直播节目将会受到一定的影响；

　　３、难以做到节目本地化。

　　六、卫星数字电视直播带来的新业务

　　对于卫星传输及广播来说，利用数字压缩技术，在一个卫星频道上转发多套电视节目，可达到节省卫星信道的目的，提高传输容量。直播卫星电视是利用工作在专用卫星广播频段的广播卫星，将广播电视节目或声音广播直接送到家庭的一种广播方式。 在全球，卫星直播电视是数字电视领域中发展最快的一个方面，它占据70%以上的用户市场。目前，通过卫星观看数字电视的观众已达数千万。面对如此巨大的用户市场，各国卫星业务的运营商纷纷寻找新的业务发展方向，以吸引更多的观众和增加新的发展机遇。基于卫星电视直播覆盖面积大、下行信息传输频带宽、接收信息质量高的特点，建立在单向广播传输模式基础上的各种新业务迅速在卫星电视直播中得到成功应用，其中最主要的有增值业务、交互电视和数据广播等。

　　1、增值业务

　　增值业务是目前卫星直播平台上开展最广泛的新业务，它在电视节目之外，以文字、图片等形式向观众提供多种信息，如：电子菜单、天气预报、金融信息、电视杂志等等。

　　增值业务实质上是利用运行在数字电视机顶盒之上的特殊软件，同电视节目一样通过电视屏幕呈现给观众。它和数字电视节目码流复用在一起，通过MPEG-2的TS流传到用户机顶盒。

　　2、交互电视

　　交互电视是观众可以按照自己的兴趣主动选择节目，而不是被动接收电视的形式，它实现了观众与电视节目之间的互动，体现了电视欣赏个性化的趋势。交互电视有多种形式，严格意义上的交互电视需要有回传途径，将观众的需求传送给前端，这就是通常所说的VOD，但是卫星直播中大范围内的回传是比较困难的。因此卫星电视直播中的交互业务采用的是不需要回传的特殊方式，在装有大容量硬盘的个人计算机上，交互业务尤其是高速率的视音频节目一般采用首先下载到本地硬盘，再通过观众与计算机之间的人机对话实现人与节目之间的互动，从观众的眼中看这也是实现了交互电视。但在卫星电视直播中极大多数交互业务采用的是另一种途径：即将所有的节目不断地广播出来，机顶盒根据观众的命令从中挑选出需要的节目进行处理和播放。主要方式的关键是要有很宽的广播频带，实质上是以传输频带为代价解决了回传或存储的难题。

　　卫星电视直播具有较宽的下行传输频带，因此这种方式非常适合卫星电视直播。实际上，在卫星电视直播中增值业务和交互业务是紧密结合的，众多的增殖业务被同时广播出来，观众从中选择喜欢的收看，从观众的眼里看，完全和收看互动电视一样，能够主动地选取自己的节目。

　　3、数据广播

　　数据广播是将互联网信息等非电视节目的数据打进MPEG-2的TS包内，通过数字电视广播途径传送给用户。数据广播业务以IP形式的数据信息为主，电视广播将互联网信息快速传送给用户，这种应用也称IP广播。IP广播的关键是从IP格式数据包向MPEG-2的TS格式的数据包封装和协议转换，IP广播是利用电视直播具有较宽的下行传输频带实现高速信息下载和互联网接入，IP广播的用户终端一般是个人计算机，在计算机机中插入一块PC接收卡。

　　七、卫星数字电视直播在国外的发展概况

　　卫星直播经历了三个发展阶段。

　　第一阶段从１９７８年开始，是试验阶段。自那时起日本先后发射了ＢＳ-２和ＢＳ-３系列七颗直播卫星。其中ＢＳ-３ｂ和ＢＳ-３Ｎ发射成功；ＢＳ-２Ｘ、ＢＳ-３Ｈ发射失败；ＢＳ-２ａ和ＢＳ-２ｂ两颗卫星的三个在轨转发器中，分别损坏了２个和１个；ＢＳ-３ｂ是太阳能电池，容量损失近１/４。试验阶段非常艰难，但仍然取得了Ｋｕ频段卫星电视直播技术方面的经验。

　　第二阶段从１９８８年开始，是试用阶段。８０年代末，美国和欧洲尝试开展直播卫星业务，且大都采用卫星固定业务频段（ＦＳＳ）用于卫星电视直播。这些尝试并未取得商业上的成功，主要原因在于：

　　１、发射运载能力的限制。运载火箭只能将小容量的卫星送入地球同步轨道，每颗卫星的转发器数量少，同时每个转发器射频功率低；

　　２、采用模拟传送技术，每个转发器只能传输一个频道的电视节目。

　　第三阶段从１９９５年开始，是新发展阶段。８０年代末９０年代初，有关技术取得了长足的进步，为开展卫星数字电视直播创造了条件：

　　１、由于有线电视的发展，伴随而来产生了丰富的电视节目源；

　　２、大功率长寿命的卫星研制成功，不但使每个转发器功率增大，而且使每颗卫星容纳的转发器数量增多，使每个转发器的成本下降，同时目前推力巨大的运载火箭也能将这样大容量的卫星发射至地球同步轨道；

　　３、数字压缩技术应用后，卫星电视直播的质量有了显著的提高，并且每个频道节目的传输成本下降。

　　技术的日趋成熟，使得卫星电视直播业务进入了商业化阶段。以生产商用通信卫星著称于世的休斯公司，１９９３年１２月抢先开发并组建了采用数字压缩技术的商用电视直播卫星系统，通过多渠道集资方式成立直播公司来经营该卫星系统。短短几年时间，该公司已经占据美国和加拿大卫星电视直播市场的最大份额（用户数超过３５０万户），并进入墨西哥、拉美和日本市场。与此同时，休斯电子公司又在世界上抢先开发出能与个人计算机（ＰＣ）互联的ＤｉｒｅｃＰＣ接收系统。ＰＣ机用户利用卫星电视直播的小口径接收天线，可以高速下载互联网上的大量信息，为互联网拥挤不堪的地面线路另辟了一条高速的空中下载通道，也为卫星数字电视直播系统向Ｋａ频段，宽带、高速、多媒体卫星网络系统的发展，展现了美好的前景。

　　在休斯公司开拓卫星数字电视直播市场取得成功之后，美国、日本和欧洲的许多大公司也争先恐后地进入卫星数字电视直播、卫星移动通信、卫星数字音频广播和多媒体卫星通信市场。目前，已投入使用的卫星电视直播系统主要有日本ＢＳ卫星系统、英国ＯＰＴＵＳ卫星系统、法国的ＴＤＦ卫星电视直播系统、德国的ＴＶ-ＳＡＴ系统以及美国的ＵＳＤＢＳ等十几个系统，覆盖了欧洲、日本、北美等国家和地区。仅美国而言，由于采用了数字压缩技术，一个转发器能够传输５～８套（平均）电视节目。比如近几年发射的ＵＳＤＢＳ、ＥＣＨＯ等卫星，卫星装有１６～３２个转发器，如果每个转发器可传５～８路电视节目，那么一颗卫星将可以传送大约128/256套电视节目。

　　目前，我国周边国家，如日本、韩国、泰国等国家，以及台湾等地区都已经发射并开始运营卫星数字电视直播业务。据不完全统计，１９９８年有线电视、数字直接到户（ＤＴＨ）和因特网的用户已有了不同的发展。２０００年前后，全世界已经和将要建立的卫星数字电视直播系统在北美有４～５个，在拉美有２～３个，在欧洲有４～５个，在亚洲或我国周边国家或地区有９～１０个（包括韩国、印尼、马来西亚和印度等国的非专用卫星数字电视直播系统）。这些卫星系统都能向家庭直播几十至１００多个频道的电视节目，使用的卫星接收天线口径大多在０.４５～０.８ｍ之间。

　　八、卫星数字电视直播在我国的发展概况

　　中国地域辽阔，海岛，山区和少数民族地区占国土面积的70%，人口众多但分布不均，有线电视网不发达，许多边远山区还存在看不到电视，收不到调频广播的难题。卫星数字电视直播的最大优势是可以用一颗卫星，100多个电视频道覆盖我国全部陆地和领海，彻底解决15%电视人口覆盖盲区，同时也能彻底解决85%人口覆盖区内有线电视网覆盖不到的广大农村地区目前普遍存在的电视频道少，电视收视质量差，看不到电影，学校教学质量差等诸多难题，在城市地区，卫星数字电视直播也可以增加教育电视频道，为解决当前几千万下岗职工的再培训和继续教育问题提供有效手段。因此，中国是适合发展卫星数字电视直播的国家，又是世界上少数几个拥有如此巨大市场潜力的国家之一。卫星数字电视直播也是解决上述各种难题的最快捷最经济的途径。

　　卫星数字电视直播产业已经在全球和我国周边国家形成发展热点，它在21世纪将会成为宽带，高速，多媒体的太空国际互联网络-全球信息高速公司的重要组成部分，面对当前中国的国情和我们国家的面临的诸多难题，面对全球"网络经济"和"知识经济"的前景，无论是从现在还是未来的视角看问题，卫星数字电视直播产业都将是满足我国人民日益增长的文化教育需求和推动中国经济可可持续发展、实施"科技兴国"战略的重大举措。

　　中国的卫星数字电视直播起步较晚。但我国多年来卫星电视广播的实践，客观上为卫星数字电视直播进行了技术和人才上的准备。到目前为止，基本上省级电视节目均己上星播出。我国自己的数字卫星接收机已开发研制成功，且成本低于国际同类产品的价格，这一切为我国发展数字电视直播卫星系统打下了坚实的基础，为进入普通家庭铺平了道路。

　　卫星数字电视产业直播是带动我国信息产业链迅速发展的龙头产业，它可能形成不亚于彩电，冰箱等家用电器行业的新兴高技术产业，成为我国国民经济发展的新的经济增长点，对国民经济增长的贡献率将会高于传统家电产业。

　　（刊登于本刊2004年第4期）

摘自 《卫星电视与宽带多媒体》