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卫星传输――珠峰直播的咽喉

2014-04-02 11:35 来源:csmpte

责编:系统管理员

卫星传输――珠峰直播的咽喉

中央电视台  汪惟平

 

 

 

今年是奥运年,是我们中国人向全世界兑现将奥运圣火在珠峰峰顶展示的承诺的时刻。为了向全世界充分展现我国登山英雄将奥运圣火在珠峰峰顶点燃的壮举,中央电视台便从2002年底开始做准备。并于2003年的5月,在纪念人类登顶珠峰五十周年的登山活动中,中国登山队登顶成功。在珠穆朗玛峰地区我们首次成功的对此次登顶活动的全过程进行了直播。通过这次的直播,我们为2008年的奥运圣火在珠峰展示的直播活动积累了非常丰富的经验,同时也发现了许多要注意、改进的问题。

2003年的直播活动经验为今年直播的圆满完成奠定了非常坚实的基础。无论是在技术方案的制定,还是设备的选型、使用,甚至是人员身体的保护和后勤的保障,2003年珠峰直播活动都为2008年的直播积累了丰富的经验,尤其在电视直播在设备选型的筛选、调试方面提供了非常丰富的第一手资料。

2008年奥运火炬珠峰展示的电视直播对我们从事电视技术的人来说,既是挑战,更是机会。为完成2008年珠峰火炬登顶直播,从2007年底,中央电视台的技术部门便已完成了整体的技术方案。为充分满足节目部门对奥运火炬上珠峰这一壮举报道的要求,展现我国登山英雄在珠穆朗玛峰顶将奥运火炬点燃的壮美画面,并将完成的PGM信号高质量的、安全的传输回CCTV的主控,我们计划在珠峰地区架设三套DSNG卫星站,用来构成在6500米的前进营地、5200米的大本营和北京中央电视台三点间的信号主通路的连接。

由于节目的信号链接是靠在珠峰地区的三个卫星站和北京的接收站之间完成的,而且这三个卫星站之间还需要信号交换,这就要求这三个上行站必须是同星、同极化上行。

框图如下:

 

 

在6500米的前进营地架设一套1.5米天线的Flyway,该套卫星站的主要功能是做6500米的前进营地、7028的北坳营地、7790米处的大风口和8300米突击营地以下电视信号传输的中继站。因为珠穆朗玛峰山体与5200米大本营之间受地理环境的制约,在8300米以下的登山线路上是不能直接目视到5200米的大本营的。这就意味着在8300米以下不能将电视信号用微波直接传回到大本营电视制作的主系统。所以在6500米的卫星地面站担负起了将8300米以下的直播信号、新闻素材上行、回传任务。传输的是12M的标清16:9的数字信号。由大本营的DSNG卫星车接受并送进主切换系统。北京同时可以接收这一路从6500米前进营地传输出来的信号。

由于该套卫星设备地处6500米的高寒高海拔低气压的恶劣自然环境中,且运输队运输设备的能力极为有限。这就使得我们技术人员对该站设备的选择几近苛刻。

该卫星地面站的设备构成是:大陆微波生产的1.5米的四瓣加强型天线,增益为45.5dB。上变频器使用的是METEQ V176-3室外机;关键设备高功率放大器采用的是Xicom生产的XTD-200K高原室外机。高功放是在所有的设备中受高原低气压影响最为严重的设备,选用的该设备曾在2003年的珠峰转播中运行得非常稳定,这一次只是将设备调回服务商,对其进行了细致得测试和调整;编、解码器和调制器则是选用了由TANDBERG生产的一款All in one的5740一体机。以上在6500米的卫星传输设备,除了天线本体之外,上边频器、高功率放大器、编码器均采用双机备份。

在5200米的大本营的上行设备是由两辆卫星车(一辆装有1.5米的天线小型卫星车车和一辆装有2.4米天线的中型卫星车)构成。两辆车载天线的增益分别是45.5dB和49dB。这两辆卫星车同时都具备接收6500米前进营地卫星地面站上行信号,并将其送入主切换系统的能力。但两辆车的上行信号的内容不同(这一点在下文中会有介绍)。我们考虑到多部门不同栏目的节目需要,需在大本营配置4﹢0复用设备。

1.5米的小型卫星车主要是承担了PGM高清信号的回传和接收6500米前进营地上行的12M带宽的标清数字信号。其上行的转发器带宽为27M。由于该卫星车既要监看本身的高清上行信号,同时也要接收6500米下来的标清数字信号并作为主路信号提供给主切换系统。所以我们选用了TANDBERG 1290解码器,该解码器具备解码高清信号、标清数字信号和标清模拟信号的功能。编码器是采用TANDBERG E5782的高、标清兼容的编码器。

特别要介绍的是高功放。高功放是在高原卫星站的关键设备,也是受高原因素影响最大的设备。2003年,珠峰5200米的大本营在直播临近结束时,曾经烧坏过一个400W的普通高功放。为此,该卫星车配备了两台高功放,一台是Xicom Technology公司生产的Ku波段普通高功放,作为备机使用。另一台作为主用机的也是该公司生产的Ku波段400W高海拔特殊电源的行波管功率放大器。这台XTRD-400K高功放是该公司为高原地区专门设计、制造、测试的设备,它与通常的普通设备有许多不同。其电源部分采用独特的电路及多收集极电源设计,由于减少了线性和饱和工作方式下的电源功耗,降低了工作温度,可靠性得到提高。采用了自动功率补偿,减小了电流失真和电源损耗,提高了电源效率。采用高频谐振开关电源,具有供电自动恢复和多螺旋线故障复位等功能。

由于在高海拔(3500-6500米)特殊环境下,普通的高功率放大器(3200米以下工作)是不能胜任的。为此必须采取一些特殊的技术措施。 这是由于在高海拔状态下空气稀薄,空气中可以参与散热的介质相对较少,功放的电源不能通过空气流通正常冷却,电源高压部分极易因空气稀薄而击穿、打火从而烧毁电源高压模块,严重情况可能损毁行波管。因此该生产厂家对现有标准规格的功率放大器电源部分进行了改造。除了采用高指标的电源特殊器件外还采用特殊材质的填充物和封装以及全新的散热设计,使得功放在空气稀薄散热情况较差的条件下仍能保证电源高压部分的正常工作。

XTRD-400k是一台高原室内机,同类设备中还有高原室外机。但考虑到高原室外机的几何尺寸,中型卫星车在使用的过程中有足够的放置空间,而小卫星车内却没有空间放置这台室外机高工放。若配备一台可以上机柜的标准尺寸的高原室内机,就可以替换掉一台原来安装在机柜上的普通高工放,从而保持了小卫星车的完整性,并使其成为珠峰高清信号回传的支柱。

在大本营还有一辆2.4米的中型卫星车,它同样在5200米的大本营提供上行信号。但与小车传输的信号有所不同,四路需要回传的信号在4+0复用打包之后调制上行。它将来自不同信号源的不同信号同时传回北京的中央电视台主控,之后再送入不同的演播室或收录机房,或是环出向海外有需求的媒体提供。上行载波占用转发器带宽是36M。第一路传输的信号是PGM的备份信号,是16:9的标清数字信号。它是由主切换系统切出的PGM高清信号下变换之后提供的。第二路信号是为新闻中心提供的单边信号通道,第三路信号是为海外中心提供的单边信号通道,第四路则是为海外媒体提供的临时租用业务的传输通道。

该卫星站的设备配置是;两台高功放与1.5米小车设备的配置相同,四台一个U的编码器(合用一个冷备份编码器);两台复用器(互备);两台调制器;两台上变频;三台解码器中第一台解码器是接收6500米卫星站的回传信号并作为小卫星车接收机主路信号的备路信号提供给主切换系统的备路输入;第二台解码器用于接收、监看自身的上行信号;第三台解码器是有选择地监看输入到4+0复用器的四路信号。

由于使用复用设备,平时车上配备的All in one的编码器的使用将受到一定的限制,这使得独立调制器的用量增加。这势必需要对调制器进行补缺。本着在高原曾经完好使用过的设备优先选定的原则,我们选定的调制器是一个Unit TANDBERG的SM6610。该调制器在2003年珠峰的直播中,在6500米前进营地正常运行了近二十多天。而且其重量和外形也非常符合向6500米前进营地运输的要求。

DSNG在珠峰地区的运行情况,大致可以分为两大部分。第一部

分是前期的设备调试与准备工作。第二部分是日常的业务传送播出任务。

设备调试与准备工作的任务主要是完成信号链路的连通。其中包括物理的信号线路链接,转播卫星的定位校准,相关参数的设置调整等。首先,我们需要根据大本营的经纬度坐标,得到天线相对于卫星的俯仰角和方位角。然后根据此参数,通过天线控制器对天线的指向进行调整。反复多次,直到转播卫星特有信标信号强度最大为止。找到卫星方位以后,接下来需要与卫星公司联系,调整极化隔离度,标定上行功率。由于此次转播任务,多个地面卫星基站使用同一个转发器,而转发器的最大辐射功率有一定的限度,因此,需要合理分配功率资源,并通过卫星公司的调度,以保证信号传输的质量。

以上就是DSNG前期的调试与准备工作,而之后日常的播出传送任务则是我们工作的重点。这部分主要由多路复合信号卫星车来完成。该车配备了4+0设备,可实现4路信号的同时传送。这样,就可满足节目部门大量的传送需求。由于各个节目形态的不同,报道方式的不同,所要求的传送方式也有所不同。为了避免经常性地插拔硬件设备、更改参数设置所导致的混乱,我们根据使用部门的不同以及传送方式的不同,将4路传送通道进行划分,并将其相对固定。这样既便于管理,也最大程度减少了设备损坏的几率。

       在如此高的海拔下“作战”,人要适应,设备同样也需要“适应”。两辆卫星车的天控器(天线控制器)先后烧坏,无法正常开机工作。

天控器的作用主要是提供实时的天线方位坐标,并驱动天线运转寻星。因天控器的烧坏使之无法找到卫星且不能建立信号传输链路,这导致整个珠峰直播的技术方案不得不作出颠覆性的修改。那么一切所有的努力就将变得毫无意义。时间紧迫,我们必须设法解决此问题。

我们拆开故障设备,寻找并分析其故障原因。在缺少替换部件的情况下,我们勉强让1.5米高清卫星车的天控器维持正常工作。而由于2.4米多路复用信号卫星车的天控器电源部分严重损毁,无法“起死回生”。万般无奈下,我们只能决定通过最原始的方式——手摇驱动天线运转。

 

                烧毁的天控器的电源部分

 

寻星实际上是非常精准的工作。但由于天控器损坏之后根本无法加电,我们不仅不能驱动天线,更糟糕的是还无法看到天线的状态参数。经过分析,我们认为天控器电源部分的损坏应该只是在驱动天线电机的大电流输出部分。我们希望读取天线信息参数及其显示部分的直流供电在设计上与它们分开。如果这样,我们就可以将烧毁短路的电源部分与220V交流输入部分断开,并希望再次开机时保险丝不再熔断。若天线参数的读取、显示部分没有损坏,我们就可以看到天线的时时状态了,这便使得手动寻星有了依据。若分析正确,这将是此次设备烧毁事件中之大幸。

首先,我们在帐篷内用生活供电确认,在断开烧毁的线圈后,的确能为天控器加上电,且显示屏正常。这预示着使这台天控器“起死回生”成为可能。我们兴奋的将这台天控器抱回卫星车,装上机架,小心翼翼地将传感器的信号线与之连接上,打开电源开关……期待的结果出现了:天线的主要参数均在这台已判“死刑”的天控器的液晶屏上浮现了。大家在欣喜若狂之余,迅速地投入到寻星的工作中。体力好的技术人员分别用摇把转动控制方位俯仰的丝杠。其他技术人员则紧盯着频谱仪和天控器上显示的天线参数。所有人的心都随着频谱仪上那跳动的信号起起伏伏。终于,这个直径2.4米的天线找到了目标,并  将其成功锁定。

然而,新的问题又来了。这款2.4米天线的极化是不可能手动转动的。这意味着即使找到卫星,用这副天线也是不能上行工作的。因为在极化没有校准的情况下盲目上行,会对反极化的信号造成极大的干扰,甚至会中断对方的信号。因此,这个问题必须解决。

经过查阅技术手册,我们找到了这款RC3KE-2.4mMVO天控器对天线电机的直流驱动电缆是J9 MOTOR CONTROL。该电缆的E、F芯是为驱动天线极化电机提供直流供电。正负极在E、F两端互调,就可以使极化左右旋转。电压是在12v至30v之间,电流为2.5安培。由于在大本营没有合适的直流电源,我们只能寻找规格相近的替代直流电源。最终我们找到了一台笔记本电脑的电源附加器,其输出的电压、电流与天控器极化电机的驱动电源要求非常接近。

我们便开始制作了一个异常简陋的驱动电源“系统”。当我们用电极触极到J9电缆的E、F端时,车顶天线上的馈源转动了。我们迅速将极化调整到我们认为较好的位置,同时联络卫星公司的测控中心。在测控工程师的提示下,我们靠手中正负电极与E、F端的不断接触与不断调换,将天线的极化做了精确的标定,且效果非常理想,隔离度为36dB。

在天控器损毁如此严重(这台天控器几乎就在找到卫星的同时,又自动关机了并再也没加上电)的情况下,能将天线校整得如此完美,我们心里确实有着强烈的成就感。

       在日常的运行中,多变的天气给我们的卫星上行工作也带来了一系列影响。在这次珠峰火炬展示活动中,两台卫星车均是采用KU波段来传送信号。KU波段受天气影响较大。特别是在雨雪天气下,信号衰减比较严重(专业上称为“雨衰”)。在珠峰地区,气候变化剧烈,刚刚还是艳阳高照,转眼便是漫天飞雪,需要时刻关注天气情况并及时调整设备状态,以保证播出安全。

       今年,作为整个转播系统的重要组成部分,6500米卫星直播系统在03年6500米直播营地建立、完成工作经验的基础上,结合今年的具体要求和特珠情况,克服艰苦的工作条件,圆满的完成了本次转播任务。

通讯对珠峰火炬展示这样的大型转播工作来说是十分重要的。珠峰地区自然条件环境恶劣,对各种设备来说都是严峻的考验,6500的对讲机通讯也是如此。卫星站的另一个任务便是作为大本营与6500通讯的备份。

6500米营地空气稀薄,氧气分压还不到平原地区的百分之四十。这样恶劣的自然条件和工作环境要求相关转播设备在高海拔地区具有非常好的稳定性。同时我们也必须考虑技术人员操作的可行性,使其体力负担降到最低程度。为了尽可能地保证设备不出现问题、工作人员身体健康、播出安全的前提下,我们简化了系统设备。以利于在6500米工作技术人员的实际操作。

 

 

珠峰6500米卫星站系统如上图所示。建站首先要搭建天线,但其中的艰辛与困难是那些没有到达过6500米高度的人难以想象的,对人的身体和心理有很高的要求。此次转播工作用鑫诺一号卫星进行转发信号,并确定卫星在6500米前进营地的西南方向。在确定卫星站停放位置后,我们将天线支架腿定位,并按照主备两套系统的原则连接设备。由于工作条件的限制,此次系统只能采取冷备份的形式。即由手工插拔实现主备设备的切换。现场声从音频系统的调音台输出通过音频1声道进入编解码器A,视频信号通过切换台进入编解码器A的SDI输入口。编解码器完成视音频编码后进行调制,再将中频信号输入至上变频UPC,将射频送进高功放将功率放大,并最终通过天线将信号发送上卫星转发器。

通过1.5米天线接收自发信号和大本营的节目信号后,由编解码器A进行解码,输入至监视器,监看自发信号。由编解码器B进行解码输入至监视器,监看大本营节目PGM信号。作为通信系统的备份,6500卫星站音频系统的第4声道和大本营卫星站音频系统的第4声道共同组成,实现两点间双工通信系统。在需要之时可以将其用作大本营和6500米前进营地间的通讯,也可以将其用作节目返送声的备份通道。

6500米营地寒冷高海拔的工作环境对电视转播设备的稳定运行是一项极大的挑战。空气密度极低,温差大,这些会对卫星站的稳定运行产生很大的影响。

首先是电力保障问题。发电机功率在6500米明显下降,实际输出功率大约为其标称功率的二分之一。此次转播6500营地准备了一台5KW,三台2.8KW雅马哈发电机,一台3KW静音雅马哈发电机。平原地区,一台5KW发电机就可以满足本1.5m卫星站的正常运转的要求。实践表明在6500米营地,5KW发电机根本不能满足主备系统的供电要求。为了充分保障6500米卫星站的运行,我们将卫星站的主备系统分别单独供电。即5KW发电机提供主路供电,2.8KW发电机供备路,实践表明这一供电方案行之有效且运行稳定。

   其次是设备的保温。6500米营地夜间温度为零下20度左右,根据以往的工作经验,若不进行夜间保温,设备在早晨启动时往往会发生各种问题。因此,我们采用了夜间用棉被将设备盖住,并且将设备放置在较大的设备箱上与地面隔绝,尽量减少设备的散热。通过使用这样的保温措施后,发动机、编解码器E5740、调音台等绝大部分设备在10多天的工作中,基本没有出现故障运行稳定。但是上变频曾出现过输出的上变频率偏差100MHz的问题。在接电2个小时后,随环境气温升高的同时,我们在频谱仪上观察到频率偏差问题自动消失。由此可以看出是工作环境导致上变频温度过低,振荡器出现抖动从而出现频率偏差。由于选型的准确和事先准备工作的周密、完善,高原高功放在这次转播活动中,运行稳定。

本文对2008奥运火炬珠峰展示转播系统中,卫星传输系统的设计思路、高海拔地区传输时的设备选型、卫星系统的搭建以及在整个过程中遇到的一些问题,以及解决这些问题的方法进行了一些简要的介绍。DSNG的卫星传输系统在此次直播工作中,始终确保了珠峰转播信号通道的安全畅通,为此次直播的成功提供了坚实的基础,为奥运火炬珠峰展示活动的成功立下了汗马功劳。这些成功离不开技术工程师们的团结协作。正是这样的团队精神保证了这一历史性的电视转播的成功,我们也为自己而倍感骄傲。