现代数字视频广播与通信技术

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书名：现代数字视频广播与通信技术

ISBN：978-7-115-65282-9

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版　　权

著    陈平平 苏凯雄 郭里婷 等

责任编辑 牟桂玲

人民邮电出版社出版发行　　北京市丰台区成寿寺路11号

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内容提要

本书系统介绍了数字视频广播与通信技术的基本原理、关键技术及实际应用。全书由10章组成。第1章介绍地面广播电视、有线网络电视和卫星广播电视的发展概况；第2章介绍地面广播电视、有线网络电视和卫星广播电视的频段和频道划分；第3章介绍数字电视信源压缩编码标准和技术；第4章介绍数字电视多路复用与条件接收技术；第5～7章分别介绍地面数字电视、有线数字电视和卫星数字电视的信道传输标准和技术；第8章介绍数字电视接收系统的组成和硬件实现；第9章介绍数字电视接收终端控制软件的设计；第10章介绍IPTV技术。

本书可作为应用型本科院校及职业院校的教材，也可作为广播电视或多媒体领域研发人员、技术人员的参考资料。

前  言

随着卫星通信技术的飞速发展，广播电视行业正在经历一场深刻的数字化变革。作为这场变革的重要技术，数字视频广播与通信技术凭借其覆盖范围广、传输稳定性强、容量大等优势，成为全球范围内数字电视广播的重要手段。随着技术的不断进步，数字视频广播与通信技术的传输效率、图像质量和服务多样性等显著提升，并在全球范围内得到了广泛应用。

本书系统介绍了数字视频广播与通信技术的基本原理、关键技术及实际应用，内容涵盖地面广播电视、有线网络电视和卫星广播电视的频段与频道划分，数字视频和音频压缩编码技术，信道编译码技术，调制解调技术，多路复用技术，条件接收技术，以及DVB-T2、DTMB和DVB-S2等行业标准。

我们致力于构建一个既全面又深入的知识体系，并辅以实用的操作指南，旨在帮助读者从基础理论起步，逐步深入工程实践层面。全书内容广泛，从详尽的技术标准阐释到典型的应用实例展示，力求让读者在快速迭代的技术浪潮中掌握核心技能，成为领域的佼佼者。

在编写本书的过程中，我们力求内容的系统性、科学性和实用性，紧密结合行业工作流程和最新研究成果，使读者能够在理论与实践之间建立紧密的联系。同时，采用形象的描述与图文并茂的呈现方式，力求将复杂的技术问题讲解得通俗易懂。

数字视频广播与通信技术作为一个跨学科的前沿领域，涉及通信、电子、计算机、信号处理等多个学科的知识。我们希望本书的出版能为相关领域的学术研究、工程实践和技术创新提供有价值的参考。同时，我们也期望本书能够激发更多读者对数字视频广播和通信技术的兴趣，促进该领域的持续发展和进步。

本书由陈平平、苏凯雄、郭里婷、陈锋、郑明魁、吴林煌、陈建、林志坚共同撰写，这里衷心感谢所有为本书的编写和出版辛勤付出的同仁，他们的智慧和汗水成就了本书。同时，我们也热忱欢迎广大读者对本书提出宝贵的意见和建议，以便我们在今后的修订工作中不断完善。

本书作者

2025年3月

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第1章　广播电视技术发展概述

电视是人类近代的伟大发明。它将活动画面和自然声音转换成电的形式，并以光的速度向远处传播，使千里之外的观众足不出户就能耳闻目睹天下诸事。电视已成为全球普及和便捷的信息载体之一，融入了人们生活的各个方面，在传播时政新闻、提供资讯服务、丰富文化娱乐等方面起到了非常重要的作用。伴随着人们对电视服务内容和广播服务质量的不懈追求，广播电视技术不断变革发展、推陈出新，并在全球造就了极其庞大的广播电视产业。

1.1　地面广播电视发展概述

1.1.1　电视的发明

1．机械扫描式电视

1883年，德国人尼普柯夫首先提出了一种通过机械转盘与光电转换装置实现图像远距离传送的设想，被称为“尼普柯夫圆盘”，其原理结构如图1-1所示。

图1-1　“尼普柯夫圆盘”原理结构示意图

它在一个圆盘的周边，按螺旋形开设若干小孔。当圆盘转动时，便会对图像进行顺序扫描，同时通过硒光电管进行光电转换，实现了画像电传扫描。电信号被传送到另一发光体上，这样一来，发光体的发光强度就会受硒光电管电流的调制。在发光体后面安装一个与发送端转速相同的圆盘，于是在圆盘背后的屏幕上就会相应地显示出图像的明暗变化，进而显示出图像的形状。

1925年，英国人贝尔德在一个大商店里向人们展示了他制作的机械式扫描电视，如图1-2所示。

图1-2　贝尔德展示机械式扫描电视

贝尔德被公认为是机械式扫描电视的发明者，他通过对尼普柯夫圆盘进行改进，成功地制造出机械式电视收发设备，并在英国进行了电视图像发射和接收的公开试验。1926年，贝尔德把电视图像信号用电话线传送到英国广播公司（British Broadcasting Corporation，BBC）电台，最先宣布发明了电视技术。

2．电子扫描式电视

1908 年，英国人斯文顿提出了电子束扫描原理，为现代电视的出现奠定了重要基础。1923 年，美国人兹沃雷金发明了光电摄像管，其结构原理图如图1-3所示。

图1-3　光电摄像管结构原理图

摄像管主要由光电转换系统（光电变换与存储部分）和电子束扫描系统（阅读部分）组成。光电转换系统利用光电发射作用或光电导作用，将摄像机镜头所摄景物的光影像在光电靶上转换为相应的电位分布图。扫描系统使电子束在光电靶上扫描，将此电位分布图逐行逐点地转换为电信号输出。

3年之后，兹沃雷金又发明了电视显像管，其结构原理图如图1-4所示。

图1-4　电视显像管结构原理图

显像管是一种电子（阴极）射线管，它位于电视接收机中，由末级放大器把经过放大的视频图像信号传送到显像管阴极，用以控制电子枪发射的电子束电流的强弱，从而以亮度变化的形式在荧光屏上重现图像。

1.1.2　电视广播的兴起

利用超高频无线电磁波对电视信号进行调制之后，可以实现电视信号的大范围无线传播，从而实现为众多用户提供电视节目的无线传送服务。自20世纪30年代开始，地面电视无线广播技术逐渐趋于成熟，并先后在多个发达国家（如1935年的德国、1936年的英国、1938年的苏联及1939年的美国）开通了黑白电视的商业广播系统。图1-5是当时坐落于美国纽约帝国大厦楼顶的电视广播发射天线照片，图1-6是早期用于接收电视节目的黑白电视机照片。

图1-5　美国纽约帝国大厦楼顶的电视广播发射天线

图1-6　早期的黑白电视机

1.1.3　彩色电视的出现

为了进一步提高电视的逼真效果，20世纪50年代初，发达国家开始设计开发彩色电视传输系统和彩色电视机。1950年，美国无线电公司首先提出了基于三基色原理的彩色电视系统构成原理，如图1-7所示。

图1-7　彩色电视系统构成原理

电视图像通过摄像管把图像的光信号变成电信号。根据三基色原理，首先用分色系统把彩色图像信号分解成红、绿、蓝三幅基色光，同时送到对应的红、绿、蓝摄像管的光电靶上，三基色摄像管在扫描电路的作用下进行光电转换，然后进行预失真校正，以补偿光电转换系统的非线性。经过光电转换，三基色光就变成了3个电信号E_R、E_G、E_B，从而完成图像的分解。接着进行编码，获得彩色全电视信号。相应地，在接收端，把全电视信号解码后，得到3个基色信号，去控制彩色显像管的3条电子束。在彩色显像管荧光屏上涂敷着按一定规律紧密排列的红、绿、蓝三色荧光粉，显像管的3条电子束在扫描过程中各自轰击相应的荧光粉，从而把这3个基色电信号转换成按比例混合的彩色光，这样就正确地重现了景物的彩色图像。

针对不同国家和地区所采用的视频色度信号的调制传输方式的不同，自1953年陆续出台了包含NTSC（正交平衡调幅）、PAL（逐行倒相正交平衡调幅）和SECAM（行轮换调频）三大彩色电视制式的国际标准。这三大制式的主要参数和采用的国家如表1-1所示。因为这三大彩色电视制式互不兼容，所以按照某一制式生产的彩色电视不能用于接收其他制式的彩色电视信号。为了解决这一问题，需要在电视内部加装制式转换器，虽然需要增加成本，但大大增强了产品在世界各地的适应性。

表1-1　国际三大彩色电视制式

这三大彩色电视制式标准一直沿用至今。

1.1.4　彩色电视的数字化地面广播

1．模拟电视传输技术的局限性

模拟电视传输技术主要存在信号抗干扰能力差、噪声积累无法去除和频谱利用率低等问题。同时因为广播电视所采用的超高频电磁波具有类似光线的传播特性，其传播距离受到地球表面曲率的限制和高山大川的阻隔，所以通常需要设立众多的电视差转台、微波中继站等以进一步扩大电视信号的覆盖面。但这些方法不仅经济代价高，而且信号传输分配环节增多，造成噪声积累增大、电视信号失真、图像质量下降等问题。

2．数字化传输技术的优越性

数字化电视传输技术带来的好处主要表现在3个方面：第一，可以采用前向纠错编码等抗干扰技术和信号再生技术，能够有效抗击各种信道干扰，并消除信号失真和噪声的积累，从而大大提高图像质量；第二，可以采用数字压缩技术和高效的调制方式，能够有效地减小传输频带宽度，从而提高传输信道和无线电频率资源的利用率，在相同的画面质量下，采用数字方式传输电视节目所需的带宽仅约为模拟方式的五分之一，甚至更小；第三，可以采用多路复用技术，实现图像、语音和数据等多媒体信息的兼容传输，从而为促进电视网、通信网和计算机网的“三网融合”奠定基础。

3．数字电视地面广播系统的组成

数字电视地面广播系统的组成如图1-8所示。电视节目的模拟视频信号与伴音信号经过模数转换后，分别经过信源编码（包括视频压缩编码和音频压缩编码）得到数字视频码流和数字音频码流，利用多路复用器将两路数字信号合成一路数字流，再经过信道编码（通常为差错控制编码）和数字调制得到已调到载波上的中频信号。利用上变频器将载波频率搬移到超高频的发射频率上，再将该射频信号放大到足够大的功率，然后通过天线将信号发射出去。在用户接收端，通常需要一台数字机顶盒（包含无线接收、信道解码、数字解调、音视频解码和数模转换等电路）来接收数字信号并进行解码，分别获得数字视频和数字音频信号，最后将数字音视频信号转换成模拟的视频信号和音频信号输出，就能使用普通的电视机来收看数字电视节目了。

图1-8　数字电视地面广播系统的组成

1.2　有线网络电视发展概述

有线电视是一种区域性电视广播系统，它通过射频电缆、光缆和微波等组成的传输分配系统把多个电视节目传送给每个用户。它具有频带宽、容量大、信号传输质量好等优点，已成为人口较为密集的城市居民收看电视的主要途径。

有线电视系统在半个多世纪的发展进程中，历经了共用天线电视系统（common antenna TV system）、闭路电视系统（cable TV system）、有线电视网络（cable TV network）3个发展阶段，目前正朝着第四个发展阶段——数字有线电视网络演化。

1.2.1　共用天线电视系统与闭路电视系统

1．共用天线电视系统

第一阶段的共用天线电视系统最早出现在20世纪40年代末的美国乡村，主要用于解决收看电视难的问题。共用天线电视系统采用多个单频道、高增益的定向天线，配合窄带低噪声放大器，用于接收来自本地区不同方向的无线广播电视信号。再经过变频器将信号变换至VHF频段，以隔频传输方式进行信号混合，并通过射频电缆传输系统（包含线路放大器、功率分配器和分支器等）将多频道信号传送到每个用户。共用天线电视系统的结构框图如图1-9所示。

共用天线电视系统可以向几十到几百个用户提供数套（通常在10套以内）图像清晰、信号稳定的本地电视节目，同时有效地解决了每家每户都要安装室外天线所带来的成本高、频道少、质量不稳定、影响城市景观等一系列问题。从20世纪70年代中期到80年代中期，共用天线电视系统开始如雨后春笋般大量出现在我国城镇居民小区、单位宿舍和宾馆饭店等场所。

图1-9　共用天线电视系统的结构框图

2．闭路电视系统

第二阶段的闭路电视系统在20世纪60年代首先在美国一些中小城市出现，主要用于转播邻近大城市的电视节目，以增加电视频道。闭路电视系统是在原有的共用天线电视系统基础上，增加了来自卫星传输的外地电视节目，使其所提供的电视节目数增加到十几套，并开始采用增补频带和邻频传输技术。同时，通过低损耗的射频电缆和干线放大器，进一步扩大用户覆盖面，形成区域或企业性的闭路系统，用户规模达到数千户甚至数万户。闭路电视系统的结构框图如图1-10所示。

图1-10　闭路电视系统的结构框图

在我国，闭路电视系统具有节目数量多、信号稳定的特点，受到了用户的欢迎。同时，闭路电视系统引入了有偿服务方式，激发了系统建设者的积极性。从20世纪80年代中期到90年代初期，闭路电视系统在我国许多城市的居民小区大量涌现，并成为我国城镇居民收看电视的主要方式。

1.2.2　有线电视网络

第三阶段的有线电视网络则是在闭路电视系统的基础上，通过光纤、微波等传输手段，进一步将区域性闭路电视连成更大的有线电视网络，逐渐形成以城市为中心的混合光纤同轴电缆（Hybrid Fiber/ Coax, HFC）网络系统，有的甚至形成省级网络。有线电视网络的用户规模达到数十万，甚至上百万。同时，专门为有线电视网络用户提供电视节目内容的有线电视台也开始在各个城市大量涌现，从而形成了包括内容制作、网络建设、设备制造、系统集成和商业运营在内的规模庞大的有线电视产业链。

从20世纪80年代开始，随着卫星通信技术的发展，世界各地的电视节目纷纷开展卫星电视广播，从而为有线电视网络提供了更为丰富的区域之外的电视节目源，使得有线电视系统所提供的电视节目数量增加到几十套，有线电视网络带宽也从原来的300 MHz向550 MHz扩展。有线电视网络的结构框图如图1-11所示。

图1-11　有线电视网络的结构框图

我国有线电视在20世纪90年代得到巨大的发展，形成相当大的规模。据有关部门统计，到1999年年底，我国各地有线电视台1 300多个，有线电视系统4 000多个。全国有线电视网络线路长度超过300万km，其中光缆网超过30万km。有线电视用户数超过8 000万，跃居世界第一位，并以每年500万户以上的速度增长。有线电视覆盖人口超过2亿，成为我国家庭入户率最高的信息工具。

为了适应有线电视产业化的发展趋势，我国各地区均已对有线电视网络进行了产业化改造工作，成立了以有线电视网络为基础的广播电视传播公司，国家级的有线电视网络集团也已在筹备之中。这标志着有线电视产业摆脱了传统的由政府办电视的状态，开始真正踏入经济市场，为有线电视产业的大发展提供了体制保证。同时，近年来，我国针对有线电视的发展颁布了一系列政策、法规和技术规范，为有线电视的发展提供了政策保障。我国有线电视的发展开始从分散、低效和粗放的发展状态，逐步进入集中、高效和有序的发展轨道。

1.2.3　数字有线电视网络

进入21世纪，随着全球广播电视数字化进程的向前推进，数字电视为有线电视的发展带来了重大的历史机遇。数字电视技术和有线网络技术的完美结合为有线电视的未来描绘了美好的前景。数字有线电视网络不但使每个用户可以收看到图像清晰、内容丰富、更加专业化和个性化的数字电视节目，还可以让广大用户享受到宽带网络所带来的海量信息、双向互动、网上冲浪等服务。

为了实现这一目标，世界各地先后对有线电视网络进行光传输、数字化、双向化、多功能等一系列改造，使有线电视网络逐步向着“高速、宽带、交互、智能”的信息高速公路方向发展。据FCC（美国联邦通信委员会）统计，美国有线电视行业从1996年到2004年累计投资约940亿美元进行基础设施升级，其中有线电视网络的数字化升级改造占比62%。截至2005年年底，美国的数字有线电视网络用户数达到了2 900万，同时有线宽带网络用户数也达到了2 500万。同期，欧洲的数字有线电视网络用户数已突破1 000万。

我国国家广播电视总局从我国国情出发，决定以较短的时间和较低的成本，推进我国有线电视数字化整体转换。从2003年开始，先后在多个城市进行数字有线电视整体平移改造的试点，2004年开始进行试点经验的推广工作，2005年实现数字化转换的数字有线电视网络用户数达到413万，2006年年底达到了1 266万。目前青岛、佛山、杭州、深圳、太原、大连、绵阳、南阳等地基本上完成了数字化整体转换。重庆、天津、广西、湖南、广东等地区已经全面启动整体转换工作。

1．免费单向传输基本系统

按照数字电视相关国际标准的要求，数字电视信号在有线电视网络中进行传输时应符合相关的规范，其中包括视频和音频的信源编码、传输流复用、信道编码和数字调制等。因此，数字有线电视基本传输系统应当包含这些传输处理流程。图1-12为免费单向传输基本系统的组成框图。

图1-12　免费单向传输基本系统的组成框图

2．具有CA功能的单向传输基本系统

为了维护运营商和合法用户的利益，通常需要在数字有线电视系统中引入CA（Conditional Access，条件接收）技术，通过对传输的数字电视信号流进行加扰处理，使得未被授权的用户无法恢复加扰的节目信号，以防止非法收视。而合法的用户可以通过在用户终端机顶盒中插入一个由运营商提供的收视卡来保证正常接收。因此，在具有CA功能的数字有线电视传输前端系统中，应当包含加扰、加密和用户授权管理等部分。图1-13为具有CA功能的数字有线电视系统的组成框图。

3．具有数据广播功能的单向传输系统

数据广播是单向数字有线电视系统开展增值信息服务的基本手段之一。它可以发布当地政府部门的政务信息、商业广告信息和各种便民利民信息。按照相关的国际标准，前端系统通过采用数据轮播或对象轮播技术，使数字有线电视用户通过其集成有数据广播浏览器的终端机顶盒和电视机（或显示器）来浏览前端数据广播系统所提供的这些信息。因此，在具有数据广播功能的数字有线电视传输前端系统中，应当包含用于进行数据打包处理的数据服务器和提供数据播出控制的播控服务器。在用户终端机顶盒中应集成有接收、处理和显示数据信息的数据广播浏览器。图1-14为具有数据广播功能的数字有线电视系统的组成框图。

图1-13　具有CA功能的数字有线电视系统的组成框图

图1-14　具有数据广播功能的数字有线电视系统的组成框图

4．具有交互点播功能的双向网络系统

具有交互点播功能的双向网络系统首先要求有线电视具备双向网络功能，而传统的有线电视系统基本上属于单向传输网络，因此需要对传统有线电视进行双向化改造。在此基础上，通过在有线电视前端装备具备双向业务能力的播控系统，同时为用户端提供具备回传功能的数字电视机顶盒，才能真正实现数字电视的交互点播等功能。因为实现了双向交互功能，所以数字有线电视网络能够提供大量新的增值业务功能，如视频点播、交互游戏、股票交易、电视导购、在线支付、上网冲浪等，从而极大地推动了广播电视产业的发展。数字有线电视系统是开展增值信息服务的基本手段之一。

图1-15为具有双向交互功能的数字有线电视系统的组成框图。

图1-15　具有双向交互功能的数字有线电视系统的组成框图

1.3　卫星广播电视发展概述

早期的广播电视系统主要利用超高频无线电波进行电视节目的无线广播。超高频无线电波具有类似光线的传播特性，其传播距离受到地球表面曲率的限制和高山大川的阻隔，使得电视广播信号的覆盖区域局限在数十千米的范围内。为了能够将电视节目传送到更远的地方，人们主要通过提高发射天线和接收天线的高度、加大无线电波的发射功率、设立广播电视差转台以及建立微波中继站等方法来解决。前两种方法可在一定程度上扩大本地区的电视覆盖范围，但需要付出较高的经济成本和环境代价；后两种方法可以实现电视节目的超视距、远距离传送，但过多的信号中间转发环节会造成电视质量的显著下降，影响电视收看效果。

为了克服地面无线电波传播的局限性，1945 年英国人克拉克提出了通过在地球上空同步轨道上放置3颗人造地球卫星来实现全球通信的设想，如图1-16所示。同步轨道是指在地球赤道上空约35 786 km的一个圆形轨道，人造地球卫星处在这一轨道上围绕地球运转的周期恰好与地球的自转周期相同，使得人造卫星与地面处于相对静止不动的状态。运行于同步轨道上的卫星称为同步卫星，有时也称为静止卫星。1957 年，苏联成功发射了世界上第一颗人造地球卫星——斯普特尼克1号，才使人们看到这一科学设想变成现实的希望。1962年，美国也相继发射了两颗低轨道卫星，分别进行了电视、电话、电报和传真等通信试验。但由于当时火箭发射技术的限制，这些试验卫星都运行于高度仅为几百到几千千米的椭圆轨道上，卫星围绕地球运行的周期比地球自转的周期短得多。因为卫星与地球处于相对运动之中，可利用其进行无线信号转发的时间很短，所以不能用于进行长时间、不间断的无线通信或电视广播。

图1-16　利用人造地球卫星来实现全球通信的设想

1.3.1　电视的卫星传送

随着火箭运载能力的提高、同步卫星发射和卫星姿态控制技术的发展，人们终于有能力将人造卫星发送到同步轨道上。1964年8月，美国经过两次失败之后，终于成功地发射了世界上第一颗同步轨道通信卫星。该卫星定点于太平洋上空，成功地进行了跨越大洋的无线通信，并向美洲观众转播了远在日本东京举办的第十八届奥林匹克运动会的电视实况，它使人类利用人造地球同步卫星跨越大洋传送电视节目的梦想真正成为现实。

为了建立和发展全球商业卫星通信系统，美国、加拿大、法国、联邦德国、澳大利亚、日本等国家于1964年8月联合成立了国际通信卫星组织。1973年2月通过了《关于国际通信卫星的协定》和《关于国际通信卫星营运的协定》。1965年4月，国际通信卫星组织发射了第一颗商用卫星——“国际通信卫星”1号（INTELSAT-1），定位于大西洋上空的同步轨道，通信容量为240路电话或1路电视。此后陆续发射了2、3、4、5和5A等型号卫星，分别定位于大西洋、印度洋、太平洋上空。

中国于1977年加入国际通信卫星组织，并于20世纪80年代初，利用德、法联合研制的“交响乐”等卫星进行了电视传输试验。1984年4月，中国发射了第一颗试验通信卫星，并利用其向新疆、西藏、内蒙古等边远地区传送中央电视台节目。1985年，中国利用国际通信卫星组织的5号卫星的4个卫星转发器向全国各地区传送电视节目。1988年3月和1990年2月，中国又成功发射了两颗东方红二号甲通信卫星，用于传送中央电视台两套节目和新疆、云南、贵州、西藏4个省（区）的地方电视台节目，以及两套中央教育电视节目，并在全国各地建立了数以千计的卫星地面接收转发站，有效地解决了边远地区的电视覆盖问题。

因为同步卫星与地面距离遥远，加上当时的技术局限，卫星发射功率都比较小（几瓦到十几瓦），从卫星传播到地面的无线电信号极其微弱，所以地面接收站需要采用大型的抛物面天线（天线口径通常要达到5 m以上）才能收到卫星信号。这类小功率卫星因其专门用于通信和电视信号传输，被称为通信卫星。通信卫星发射功率小，对地面接收系统的要求很高，因此地面卫星电视接收系统体积庞大、造价高昂，只能作为单位集体接收之用，或作为广播电视转播台的前端接收设备，将其所接收的卫星电视节目通过本地电视台以无线或有线方式进行转发，供本地区的电视用户收看。卫星电视传输系统如图1-17所示。

图1-17　卫星电视传输系统示意图

1.3.2　电视的卫星广播

随着空间技术的进一步发展，在小功率通信卫星的基础上，人们进一步开展了大功率电视广播卫星的研制。利用广播卫星的大功率星载转发器，可以向其服务区内的家庭用户直接广播电视节目，而用户只需采用小口径卫星天线（口径为1～2 m）就能正常收到卫星信号。1974年5月，美国成功发射了第一颗试验广播卫星。该卫星采用2.6 GHz频段的一个电视频道，向没有电视台的落基山脉和阿拉斯加等地区进行了教育电视的试验广播。1976年10月，苏联也发射了一颗试验广播卫星（命名为 “荧光屏号” ），定位于东经99°的同步轨道上。该卫星采用714 MHz下行频率传送一套电视节目。在中国长江以北地区，采用带2 m左右反射面的螺旋天线也可以清晰地收到“荧光屏号”卫星转播的电视节目。

由于技术的限制，早期的广播卫星采用较低的工作频段（低于4 GHz），而卫星天线的增益与工作频率成正比关系，因此为了进一步减小卫星接收天线的尺寸、降低地面卫星电视接收系统的成本，人们开始开发工作于更高频段——Ku频段（12～18 GHz）的卫星广播电视系统。20世纪70年代末，美国和日本先后进行了Ku频段卫星广播系统的试验，并取得成功。采用Ku频段进行电视的卫星广播，当卫星转发器发射功率达到200 W时，在卫星波束覆盖的中心区域内，只要采用0.6～1 m的小口径天线（俗称小耳朵天线）就可清晰地收到Ku频段的卫星广播电视节目，从而使得地面卫星电视接收器做得十分小巧，价格也大大降低，可方便地安装在家庭用户的阳台或窗台上，从而大大促进了卫星广播电视向普通家庭用户的推广，如图1-18所示。

图1-18　卫星广播电视系统示意图

由于卫星广播电视具有投资少、见效快、覆盖广、图像质量好、接收设备成本低等优点，受到了世界各国的广泛重视。自20世纪80年代初开始，世界各发达国家（如美国、苏联、日本、加拿大、英国、法国等）纷纷制订了本国的卫星广播电视计划，并积极投入实施。日本是亚洲地区第一个开展模拟电视卫星直播到户的国家。1984年，日本放送协会（NHK）为解决日本离岛偏远地区的电视收视困难，将地面广播的电视节目（NHK综合和NHK教育两套节目）通过Ku频段直播卫星（BS系列卫星）进行广播。1989年，NHK为进一步吸引观众，开始专门为直播卫星制作了以海外新闻和体育为主的NHK第一套直播卫星节目和以电影、音乐、演出等娱乐节目为主的NHK第二套直播卫星节目。同年，由8家卫星节目供应公司联手成立了以个人接收为主的卫星顾客管理公司，并于1990年2月，采用共同加密方式开展以一般家庭为收视对象的直播卫星（CS系列卫星）节目。1991年，日本首家民营卫星放送公司JBS开通了收费收视的直播卫星电视WOWOW，进一步促进了卫星直播电视的商业化运营。

20世纪90年代，众多的发展中国家也先后加入开展卫星广播电视业务的行列。部分地理条件特殊的国家和地区（如印度尼西亚、印度等），甚至把卫星广播电视作为电视广播覆盖的主要手段。到20世纪末，用于电视广播的同步卫星数量已多达数十颗，上星的电视节目数量达到数百个，卫星地面接收用户总量达到数千万。

中国幅员辽阔、人口众多、地形复杂，要从根本上解决中国广播电视的覆盖问题，必须发展卫星电视。早在20世纪80年代中期，国内高校和科研机构就开始积极开展Ku频段卫星直播电视接收系统的研究工作。虽然中国当时尚未发射直播卫星，但在日本BS直播卫星投入使用后，中国靠近东南沿海的个别地区落在BS卫星覆盖波束的边缘，采用3.5 m以上口径天线，可以收到该卫星的信号。在这一时期，全国许多科研单位就是利用这一信号条件进行Ku频段卫星地面接收设备的接收效果测试的。1989年，中国电子学会和中国通信学会专门在福州梅峰宾馆组织召开中国卫星电视规划发展研讨会，并举行了全国Ku频段卫星电视接收系统测试评比大会，携带研制设备前来参加测试评比的科研院所和企业超过百家，由此可以窥见当时国内对于直播卫星的憧憬和研究热情。此后，由于种种原因，中国Ku频段直播卫星未能如期发射，这一研究热潮逐渐消退。

1990年4月，由中国参与投资经营的“亚洲1号”卫星发射成功并投入使用，这是中国卫星广播电视事业发展的一个里程碑。该卫星拥有24个C频段（4 GHz频段）转发器，南北两个波束覆盖了亚洲及其邻近的40多个国家和地区共27亿多人口。中国租用了其中6个转发器，用于电视节目转播和电话通信等。1993年6月，中国向美国GTE空间网络公司购买了一颗在轨卫星，命名为“中星5号”，除了用于接替“东二甲”卫星转送中央一套（CCTV-1）、中央二套（CCTV-2）和四川、新疆、西藏电视节目，还增加了中央三套（CCTV-3）、浙江和山东3个电视节目，成为当时国内的主力电视卫星。1994年7月，以中资为主的亚太通信卫星公司成功地发射了“亚太1号”卫星。该卫星也拥有24个C频段转发器，波束覆盖整个亚太地区。中国租用了其中8个转发器，其中3个用于转发3套教育电视节目，其余用于通信。1996年，“亚太1号A”卫星发射成功并投入运行，该卫星用于接替“中星5号”卫星，传送的国内电视节目有中央一套、中央二套、中央七套（CCTV-7）以及浙江、山东、云南、西藏、四川和新疆等地方电视台的模拟电视节目。

尽管上述卫星均采用频率较低的C频段进行电视广播，但卫星转发器功率较大，地面接收站采用1.5～2 m口径的天线就可以收到卫星节目信号。同时，由于国内C频段的接收技术比较成熟，卫星接收设备成本比较低廉，为卫星电视在中国农村和边远地区的普及提供了有效的手段，进而带动了中国模拟卫星电视接收设备相关产业的快速发展，卫星电视接收设备厂家如雨后春笋般涌现。为了加强管理、保证质量、促进有序竞争，国务院于1993年8月颁布了《卫星电视广播地面接收设施管理规定》，对于卫星地面接收设备（包括天线、高频头、接收机等）的生产实行许可证制度，由国家定点的专门企业生产。1994年，电子工业部制定了《卫星电视广播地面接收设施生产管理办法》。次年，有40多家企业列入了首批国家定点生产企业，其中半数以上为福建、广东和四川的企业。

1.3.3　卫星直播数字电视

进入20世纪90年代中期后，全球卫星广播电视快速发展，世界各国对于同步轨道的卫星转发器需求日益旺盛。由于地球赤道上空的同步轨道仅有一条，为防止信号相互干扰，同步轨道上只能同时容纳有限数量的同步卫星。同时，可用于进行卫星电视广播的频谱资源也十分有限，为了防止信号的相互干扰，还需要针对不同国家和地区来分配这些频谱资源。此外，模拟电视通过卫星进行传输或广播需要占用较宽的频带，一个转发器通常只能用于一个电视节目的转发。因此，随着上星节目数量的增多，卫星转发器的供求关系日趋紧张，导致转发器费用不断上涨，从而严重制约了卫星广播电视事业的发展。

随着科学技术的进步，特别是计算机处理技术、音视频压缩编码技术、前向纠错编码技术、高效数字调制技术以及超大规模集成电路技术的发展，电视的数字化传输技术逐渐成熟，数字化电视传输方式的优越性逐渐显现。数字电视带来的好处主要表现在3个方面。其一，通过采用数字压缩技术和高效调制方式，能够有效地减少每路电视所占用的传输带宽，从而大大提高无线电频谱资源的利用率。在相同的画面质量下，采用数字化传输电视节目所需的带宽不到模拟传输方式的五分之一。其二，通过采用复合的前向纠错编码等抗干扰技术和信号再生技术，能够有效抗击各种信道干扰，消除信号失真和噪声的积累，从而大大提高图像质量，并可降低对信号发射功率的要求。在同样的卫星下行功率条件下，地面数字卫星电视接收系统可以采用更小的接收天线，获得同样的接收效果。其三，通过采用多路复用技术和数据加扰、加密技术，实现图像、语音和数据等多种形式信息流的兼容传输和授权管理，从而有利于电视运营商以更加方便、灵活的方式开展各类增值业务，为广大用户提供更加多样化、个性化的信息服务。卫星直播数字电视系统的组成框图如图1-19所示。

图1-19　卫星直播数字电视系统的组成框图

数字传输方式的优越性为卫星电视广播事业的发展带来新的生机。自20世纪90年代中期，美国、日本和欧洲的多个发达国家和地区纷纷投入数字电视相关技术标准的制定和卫星直播数字电视系统的建设。1994年6月，美国开播了首个卫星直播数字电视业务——Direct TV。该系统能够为用户同时提供150多个数字电视频道，在4年内发展了300多万用户，并于2006年突破了1 500万的用户规模。1995年，欧洲150个组织合作开发了数字视频广播（Digital Video Broadcast，DVB）项目，成立了由30多个国家的230多个成员组成的DVB联盟，形成了数字电视相关的系列技术标准。其中的卫星数字电视传输标准DVB-S大大推动了欧洲和世界各国卫星直播数字电视的迅速发展。在此后3年时间内，欧洲的英、法、德、意、西等发达国家先后开通了卫星直播数字电视系统。截至2005年年底，直接通过Astra直播卫星收看数字电视的欧洲用户达到4 500万。

在亚洲，日本于1996年6月开通了亚洲第一个卫星直播数字电视系统——Perfect TV，该系统通过日本CS卫星向国内用户提供70个专业频道和100多个数字音乐频道，并在一年内获得50多个用户的加入。该系统于1998年后升级为Sky-Perfect TV，提供的电视频道达到170个，音乐频道106个。根据日本总务省统计，截至2004年，日本的卫星电视用户数量增加到2 300万。印度尼西亚于1997年2月开通了19个频道的Indovision数字卫星直播业务系统，并在2000年左右将电视频道增加到40个。随后，马来西亚、韩国、菲律宾、泰国、老挝、印度和越南等也先后建立了各自的卫星直播数字电视系统。

为了紧跟国际广播电视数字化发展的潮流，并解决中国卫星转发器的供求紧张问题，1995年年底，中国首先通过“中星5号”卫星的一个C波段转发器成功试传5个数字电视节目。1996年，中国使用了“亚洲2号”卫星的3个Ku转发器，其中一个用于中央电视台的5套数字电视节目的传送，另一个用于转播中央四套（CCTV-4）的模拟节目，还有一个用于数字音频和数据广播。1997年，中国14个省、自治区、直辖市的15套电视节目采用数字方式通过“亚洲2号”卫星进行传送。1999年，中央八套（CCTV-8）节目和大部分省级卫视节目都集中到中国 “鑫诺1号”卫星上，形成了国内首个Ku波段卫星数字电视直播平台。2005年，中国成功发射“亚太6号”卫星，中央台、省级台、港澳台，以及批准落地的境外电视台同时通过该星进行数字直播实验。2007年，中国“中星6B”和“鑫诺3号”广播卫星成功定点并投入使用，将原来分别在“亚太2R”“亚太6号”“亚洲3S”“鑫诺1号”“亚洲4号”“中卫1号”等6颗卫星上的境内广播电视节目全部集中到这两颗卫星上。其中，“中星6B”卫星传送约150个数字标清电视频道和3个数字高清频道，“鑫诺3号”卫星传送33个数字标清频道和7个数字高清频道。“鑫诺3号”卫星的电视传送任务于2010年10月被“中星6A”卫星正式接替。

2011年发射的“鑫诺4号”和“鑫诺5号”卫星均采用中国新一代东方红4号通信广播卫星平台，其中“鑫诺4号”卫星是“鑫诺2号”卫星的接替星。“鑫诺4号”卫星升空后与“中星9号”卫星一起为中国提供广播电视、数字电影、直播电视和数字多媒体服务。“鑫诺5号”卫星是发射于1998年7月的“鑫诺1号”卫星的接替星，其C/Ku波段有效载荷将为中国及亚太地区提供通信及广播电视服务。2012年发射的“中星2A”卫星为全国的广播电台、电视台、无线发射台和有线电视网等机构提供广播电视及宽带多媒体等传输业务，为中国通信广播事业提供更好的服务。2015年发射的“中星1C”卫星可提供高质量的话音、数据、广播电视传输业务，为中国通信广播事业提供更好的服务。

2017年6月，中国在西昌卫星发射中心发射“中星9A”卫星。它是中国首颗国产广播电视直播卫星，提供Ku-BSS广播卫星业务规划频段（11.7～12.7 GHz）转发器直播服务。在经历入轨异常和10次轨道调整之后，卫星成功定点于赤道上空的预定轨道。卫星各系统工作正常，转发器已开通。