楊鵬川

（國(guó)家廣播電視總局海南監(jiān)測(cè)臺(tái)，海南 ?？?571124）

0 引 言

20 世紀(jì)，人類(lèi)發(fā)明了微波通信技術(shù)。相比于通信電纜，微波通信具有資金投入小、建設(shè)周期短以及抗災(zāi)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此得到了快速發(fā)展。作為廣播電視系統(tǒng)中一種重要的通信手段，微波傳輸技術(shù)得到了快速發(fā)展。廣大人民群眾對(duì)廣播電視節(jié)目質(zhì)量提升的需求，促使傳輸節(jié)目的質(zhì)量和數(shù)量發(fā)生了根本性變化。從發(fā)展過(guò)程來(lái)看，廣電領(lǐng)域的微波傳輸技術(shù)已從最初的模擬微波、數(shù)字微波發(fā)展到IP 微波。面對(duì)一個(gè)全新的網(wǎng)絡(luò)化和信息化時(shí)代，大容量、高質(zhì)量地傳送信息成為當(dāng)前微波傳輸技術(shù)的主要特點(diǎn)。IP 微波可提供大容量的帶寬、簡(jiǎn)潔的系統(tǒng)架構(gòu)以及良好的接口兼容性，逐步替代了原有的PDH、SDH 數(shù)字微波，并獲得了市場(chǎng)應(yīng)用。

1 模擬微波系統(tǒng)

在廣播電視領(lǐng)域，模擬微波傳輸把視頻信號(hào)和音頻信號(hào)調(diào)制在微波信道上，通過(guò)天線發(fā)射出去。接收站點(diǎn)通過(guò)天線接收微波信號(hào)，利用微波收信機(jī)接收并解調(diào)出原來(lái)的視頻信號(hào)和音頻信號(hào)，如圖1所示。

隨后，數(shù)字廣播電視信號(hào)逐步出現(xiàn)并開(kāi)始應(yīng)用。傳輸時(shí)，它必須解嵌前端的數(shù)字信號(hào)SDI，得到獨(dú)立的數(shù)字視頻和數(shù)字音頻信號(hào)，并分別對(duì)數(shù)字視音頻信號(hào)進(jìn)行D/A 轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)接入微波單元完成調(diào)制并發(fā)射。

在早期廣播電視應(yīng)用中，各地節(jié)目數(shù)量較少，模擬微波的使用尚可滿足需求。隨著時(shí)代的進(jìn)步，人們對(duì)廣播電視節(jié)目數(shù)量和質(zhì)量的需求逐步提升，傳統(tǒng)模擬微波的弊端越來(lái)越凸顯。

（1）抗干擾能力差。電信號(hào)在沿線傳輸過(guò)程中會(huì)受到外界和內(nèi)部各種噪聲的干擾，噪聲與信號(hào)混合后難以分開(kāi)，嚴(yán)重影響通信質(zhì)量。線路越長(zhǎng)，噪聲累計(jì)越多［1］。

圖1 模擬微波廣播電視信號(hào)傳輸簡(jiǎn)圖

（2）設(shè)備單一，組網(wǎng)管理困難，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成，導(dǎo)致效率低下和成本上升。

（3）保密性差。模擬通信尤其是模擬微波，容易被敵方竊聽(tīng)。只要能接收到模擬信號(hào)，就容易得到通信內(nèi)容。

（4）隨著計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，模擬微波難以滿足大容量和高質(zhì)量的信號(hào)傳輸要求。

廣播電視是人們了解世界動(dòng)態(tài)、國(guó)家政策及時(shí)事新聞的主要手段，在人們的生活中扮演著重要角色。隨著廣播電視數(shù)字化進(jìn)程的加快，數(shù)字微波進(jìn)入公眾視線后，以其巨大的性能優(yōu)勢(shì)迅速代替了傳統(tǒng)模擬微波，為廣播電視行業(yè)的數(shù)字化發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，于是模擬微波逐漸退出歷史舞臺(tái)。

2 SDH 數(shù)字微波系統(tǒng)

廣播電視節(jié)目的數(shù)量從一套到多套，節(jié)目傳輸從點(diǎn)對(duì)點(diǎn)到網(wǎng)狀發(fā)展，使得模擬微波已難以滿足快速發(fā)展的廣播電視傳輸網(wǎng)的組建，而數(shù)字微波技術(shù)給廣播電視的發(fā)展帶來(lái)了機(jī)遇。數(shù)字微波技術(shù)不僅提升了頻道資源利用率，使得頻道數(shù)量成倍增長(zhǎng)，而且提升了視頻清晰度和音頻收聽(tīng)效果。數(shù)字微波在傳輸質(zhì)量方面具備極好的抗干擾能力和保密性，幾乎沒(méi)有噪聲干擾的同時(shí)還可以完成信號(hào)加密，有利于數(shù)字處理，極大地?cái)U(kuò)展了其功能和服務(wù)［2］。同時(shí)，由于信息容量和承載業(yè)務(wù)的成倍增加，信道的傳輸能力面臨著巨大挑戰(zhàn)。

同步數(shù)字體系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）的出現(xiàn)成為廣播電視行業(yè)傳輸系統(tǒng)的一次變革。SDH 由準(zhǔn)同步數(shù)字體系（Plesiochronous Digital Hierarchy，PDH）發(fā)展而來(lái)，以其接口方式、復(fù)用方式、運(yùn)維方式及兼容性方面無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，快速代替了PDH。基于SDH 開(kāi)發(fā)的數(shù)字微波系統(tǒng)同樣具備SDH 的優(yōu)點(diǎn)，并在全國(guó)各臺(tái)快速落地應(yīng)用，從根本上解決了傳統(tǒng)微波面臨的容量限制、網(wǎng)管不可控、傳輸安全性不高以及傳輸質(zhì)量不穩(wěn)定等問(wèn)題［3］。

由于SDH 微波系統(tǒng)架構(gòu)需要接口適配，因此在系統(tǒng)架構(gòu)和設(shè)備配置上比傳統(tǒng)微波系統(tǒng)要復(fù)雜。圖2 為SDH 微波傳輸系統(tǒng)的一種常用架構(gòu)。它將廣播和電視分別編碼，統(tǒng)一復(fù)用適配，完成信號(hào)的統(tǒng)一傳輸，適用于全國(guó)各個(gè)省市臺(tái)的微波傳輸系統(tǒng)。

圖2 SDH 數(shù)字微波在廣播電視傳輸系統(tǒng)中應(yīng)用簡(jiǎn)圖

信號(hào)流程如下。

（1）多路SDI 視頻信號(hào)和多路AES 音頻信號(hào)分別經(jīng)各自編碼器完成編碼，其中碼率根據(jù)實(shí)際情況可調(diào)，具有很高的靈活性。

（2）編碼后的電視碼流ASI 信號(hào)和音頻碼流ASI 信號(hào)進(jìn)入碼流復(fù)用器完成復(fù)用形成多節(jié)目TS流，然后通過(guò)適配器完成ASI-DS3 接口適配，碼率調(diào)整為45 Mb/s。

（3）DS3 接口信號(hào)進(jìn)入微波節(jié)點(diǎn)設(shè)備，也可稱為終端復(fù)用設(shè)備，將DS3 接口信號(hào)統(tǒng)一復(fù)用成SDH中最基本的模塊STM-1，速率為155.52 Mb/s，即每個(gè)STM-1 可以完成3 個(gè)DS3 45 Mb/s 信號(hào)的復(fù)用，形成一個(gè)完整的STM-1 模塊。以標(biāo)清電視（壓縮編碼6 Mb/s）和AES 廣播（256 kb/s）為例，除去開(kāi)銷(xiāo)一個(gè)DS3 45 Mb/s 可完成6 套標(biāo)清電視和12 套數(shù)字廣播的傳輸任務(wù)，一個(gè)STM-1 至少可以完成18套標(biāo)清電視和36 套數(shù)字廣播傳輸任務(wù)。如果有更高的容量需求，可以在STM-1 的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容。SDH 制定了統(tǒng)一的速率標(biāo)準(zhǔn)和光路接口標(biāo)準(zhǔn)（如表1 所示），其容量也會(huì)以倍數(shù)形式增加。不管是在容量上還是擴(kuò)展性上，相比于傳統(tǒng)微波，它都具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。

表1 SDH 模塊接口速率表

（4）IDU 負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)接入、復(fù)用/解復(fù)用以及調(diào)制/解調(diào)。光纖信號(hào)進(jìn)入微波室內(nèi)單元IDU 后，由IDU 完成信號(hào)處理，調(diào)制為IF 信號(hào)通過(guò)中頻電纜發(fā)送到ODU，如圖3 所示。微波機(jī)房一般設(shè)于樓頂，以減少I(mǎi)DU 與ODU 之間中頻電纜的長(zhǎng)度。如果IDU 距離基帶傳輸機(jī)房較遠(yuǎn)，微波節(jié)點(diǎn)設(shè)備通常會(huì)采用光接口形式完成信號(hào)傳輸進(jìn)入IDU。

（5）ODU 完成IF 信號(hào)的上變頻和功率放大后送往天饋線系統(tǒng)發(fā)射，同時(shí)將接收到的RF 信號(hào)下變頻轉(zhuǎn)換為IF 信號(hào)，如圖3 所示。通常，IDU 與ODU 之間的中頻電纜內(nèi)傳輸有IF 信號(hào)、控制信號(hào)、監(jiān)控信號(hào)、告警信號(hào)以及直流電力供給信號(hào)5 種信號(hào)。其中，IF 信號(hào)包括上行IF 信號(hào)和下行IF 信號(hào)，且上行IF 和下行IF 頻率不同；控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)電路、同步器以及發(fā)射功率的控制；監(jiān)控信號(hào)通過(guò)中頻電纜實(shí)現(xiàn)發(fā)射功率的確認(rèn)和輸出功率的性能監(jiān)控；告警信號(hào)負(fù)責(zé)反饋ODU 的告警信息；IDU 為ODU 提供直流電力供給信號(hào)，通常為-48 V 直流電源。

（6）收信端天線將RF 信號(hào)送至ODU，然后ODU 完成低噪聲放大和下變頻后，通過(guò)中頻電纜送至IDU。

圖3 SDH 數(shù)字微波原理圖

（7）IDU 完成IF 信號(hào)的解調(diào)和解碼后輸出基帶信號(hào)。至此，微波信號(hào)完成傳輸。

SDH 微波系統(tǒng)利用SDH 數(shù)字通信的優(yōu)點(diǎn)，采用微波作為載波傳輸數(shù)字信號(hào)，兼有SDH 通信和微波通信的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，兩者的融合必須采用一些關(guān)鍵技術(shù)作為支撐，如編碼調(diào)制技術(shù)、交叉極化干擾抵消技術(shù)（Cross-Polarization Interference Cancellation，XPIC）、自適應(yīng)頻域和時(shí)域均衡技術(shù)、高線性功率放大器技術(shù)、自動(dòng)發(fā)射功率控制（Automatic Transmit Power Control，ATPC）技術(shù)以及分集合成技術(shù)。這些關(guān)鍵技術(shù)為SDH 數(shù)字微波電路的應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，成為工程設(shè)計(jì)的技術(shù)依據(jù)［4］。

3 IP 微波系統(tǒng)

隨著國(guó)家推行中國(guó)特色的三網(wǎng)融合之路，需全面推進(jìn)廣播電視的網(wǎng)絡(luò)化改造與整合。面對(duì)市場(chǎng)需求的變化，廣播電視行業(yè)也加快推進(jìn)了行業(yè)的IP化進(jìn)程。因此，IP 微波在市場(chǎng)需求的助推下取得了巨大發(fā)展。

IP 微波與PDH/SDH 微波在數(shù)據(jù)形式、帶寬分配、調(diào)制級(jí)別以及傳輸系統(tǒng)架構(gòu)上存在差別，主要體現(xiàn)在以下方面。

（1）SDH 微 波 采 用 時(shí) 分 復(fù) 用 模 式（Time-Division Multiplexing，TDM），同一信道上傳輸多個(gè)數(shù)字化的數(shù)據(jù)，如語(yǔ)音、視頻及數(shù)據(jù)等都統(tǒng)一采用幀結(jié)構(gòu)。傳輸過(guò)程中如果出現(xiàn)幀丟失，會(huì)導(dǎo)致接收端的信號(hào)質(zhì)量下降甚至無(wú)法接收［4］。IP 微波采用的IP 協(xié)議是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信中常用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。所有數(shù)據(jù)的通信都采用IP 數(shù)據(jù)包的形式，即將幀結(jié)構(gòu)形式的數(shù)據(jù)通過(guò)封裝完成IP 數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)換，繼而通過(guò)微波完成傳輸。接收端只需通過(guò)解封裝和解碼即可完成數(shù)據(jù)還原。

（2）SDH 微波在分配帶寬時(shí)必須大于等于其傳輸內(nèi)容的最大帶寬，且一旦帶寬完成分配，即使某時(shí)段或者長(zhǎng)時(shí)間帶寬實(shí)際占用率很低，為保證內(nèi)容完整性不能調(diào)整帶寬，否則易造成丟幀現(xiàn)象。IP微波采用數(shù)據(jù)包形式，其傳輸帶寬的設(shè)定具有特定的規(guī)則。傳輸內(nèi)容的數(shù)據(jù)包帶寬根據(jù)規(guī)則自動(dòng)調(diào)整，根據(jù)內(nèi)容大小和優(yōu)先級(jí)分配帶寬，使每個(gè)數(shù)據(jù)流都不會(huì)產(chǎn)生丟包現(xiàn)象。在帶寬分配和使用上，IP 微波比SDH 的TDM 具備更高的靈活性和帶寬利用率。

（3）SDH 數(shù)字微波多采用正交振幅調(diào)幅（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）方式進(jìn)行信號(hào)調(diào)制。對(duì)于不同的頻段，SDH 數(shù)字微波最大可實(shí)現(xiàn)128QAM，完成STM-1 級(jí)別信號(hào)的帶寬。IP微波采用自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)，可根據(jù)外界環(huán)境自動(dòng)調(diào)整調(diào)制級(jí)別，也可根據(jù)需求采用固定調(diào)制方式。業(yè)界多采用256QAM、512QAM 甚至1024QAM。此外，一些運(yùn)營(yíng)商已開(kāi)始使用QAM2048 方式，以提供更大的帶寬。可見(jiàn)，IP 微波以更先進(jìn)的QoS、更多的優(yōu)先等級(jí)以及更高精度的時(shí)鐘同步，為運(yùn)營(yíng)商提供了更高的靈活性和經(jīng)濟(jì)性。

（4）SDH 微波在信號(hào)接入前必須完成指定速率的復(fù)用，對(duì)前/終端信號(hào)和設(shè)備提出了要求，提升了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

IP 微波采用IP 協(xié)議，其接口和周邊設(shè)備極其開(kāi)放，業(yè)務(wù)配置靈活程度高，系統(tǒng)兼容性好，比之前的微波系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單高效，如圖4 所示。

IP 微波在廣播電視傳輸系統(tǒng)的實(shí)際架構(gòu)比SDH 微波簡(jiǎn)潔。對(duì)于多路IP 信號(hào)，IP 微波可以通過(guò)數(shù)據(jù)交換機(jī)完成交換轉(zhuǎn)發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)接入；對(duì)于單路IP 信號(hào)，IP 微波甚至可以節(jié)省交換機(jī)，使得整個(gè)系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單高效。

圖4 IP 微波在廣播電視傳輸系統(tǒng)中應(yīng)用簡(jiǎn)圖

系統(tǒng)中信號(hào)流程如下。

（1）SDI 和AES 信號(hào)分別進(jìn)行編碼，以IP 信號(hào)格式輸出，進(jìn)入數(shù)據(jù)交換機(jī)。

（2）數(shù)據(jù)交換機(jī)完成數(shù)據(jù)交換轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，使得數(shù)據(jù)進(jìn)入IP 微波IDU。

（3）IDU 將IP 數(shù)據(jù)包復(fù)接插入微波幀，經(jīng)過(guò)數(shù)字信號(hào)處理送往ODU。

（4）ODU 的功能與SDH 微波ODU 功能一致，將信號(hào)混頻放大后經(jīng)天饋系統(tǒng)送往遠(yuǎn)端，經(jīng)遠(yuǎn)端ODU 信號(hào)處理后送至IDU。

（5）接收端IDU 將微波幀信號(hào)還原為IP 信號(hào)，通過(guò)交換機(jī)和解碼器完成基帶信號(hào)還原。

IP 微波率先應(yīng)用于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。4G 網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用和5G 網(wǎng)絡(luò)的逐漸鋪開(kāi)，使得網(wǎng)絡(luò)帶寬需求呈現(xiàn)幾何倍數(shù)增長(zhǎng)。在一些光纜無(wú)法鋪設(shè)或者鋪設(shè)成本很高的地區(qū)，微波成為一種低成本有效的手段。對(duì)運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)IP 化有利于站點(diǎn)的緊急開(kāi)通，有利于實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的快速部署。IP 微波相比SDH 微波能夠提供更大的帶寬和更快速靈活的接入，可實(shí)現(xiàn)單載頻帶寬達(dá)到Gb/s 級(jí)，突破了SDH 微波STM-1 級(jí)容量的限制，能夠滿足STM-4/STM16等大帶寬鏈路的帶寬要求。加上先進(jìn)的IP 技術(shù)，如MPLS 和1588v2 時(shí)鐘同步技術(shù)［5］，微波的整體可靠性可以達(dá)到99.99%以上。不但能完全滿足廣電級(jí)別的應(yīng)用，而且具備與SDH 網(wǎng)絡(luò)同級(jí)別的業(yè)務(wù)運(yùn)維能力、圖形化網(wǎng)管、1+0/1+1 熱備份、自動(dòng)倒換保護(hù)、告警的精準(zhǔn)定位以及性能的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

隨著網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)程的加快，IP 微波傳輸將是未來(lái)廣播電視網(wǎng)中的重要一環(huán)。它既具有SDH 微波的高效、穩(wěn)定、可靠及建設(shè)周期短等優(yōu)點(diǎn)，又具有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)，是廣播電視網(wǎng)絡(luò)化和IP 化的重要組成部分。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文主要講述了微波在廣播電視系統(tǒng)中的發(fā)展與應(yīng)用。微波的每一次技術(shù)革新，都將大幅提升信號(hào)的質(zhì)量和帶寬。隨著ICT 產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，IP 微波以帶寬大、有效性高以及業(yè)務(wù)配置靈活等突出優(yōu)點(diǎn)，完全適用于快速發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。因此，廣播電視的網(wǎng)絡(luò)化必定會(huì)在未來(lái)占據(jù)主導(dǎo)地位，也會(huì)帶動(dòng)IP 微波技術(shù)的發(fā)展，取得更廣闊的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。