衛星直播高清數字電視

+ 隨之軒 （石家莊市第一中學） / 田議 （中國電子科技集團公司54所）

衛星直播高清數字電視

+ 隨之軒 （石家莊市第一中學） / 田議 （中國電子科技集團公司54所）

本文論述了衛星直播高清數字電視性能要求的理論依據，對我國具有自主知識產權的信源編碼標準AVS+進行了解讀，簡要介紹了高清數字電視廣播性能參數設置，并提出了衛星直播高清數字電視的主要性能要求。

衛星直播 灰度 像素 視頻帶寬 信源編碼 符號率 量化 調制 加擾 眏射 FEC AVS+

我國于1996年開始衛星數字電視廣播，中央臺及各省市臺的上星節目至今仍以SDTV廣播為主，直播衛星廣播的開播給衛星高清數字電視創造了有利的條件，轉發器不但數量多而且還增加了54M帶寬的轉發器，也就是說現階段實現高清數字電視廣播的衛星資源已不是問題。

地面高清數字電視廣播和高清平板電視機(4K、8K)的發展，也促進衛星高清數字電視的發展，因為大部分家庭在硬件上都具備了接收高清數字電視的條件，人們觀賞電視節目已不再滿足于SDTV,他們更希望觀看衛星高清數字電視節目，因此發展和普及衛星高清數字電視已刻不容緩。

數字碼率較SDTV要高很多，因此大壓縮碼率的信源編碼技術非常關鍵，為實現大壓縮碼率的信源編碼，提高信道利用率，2012年廣電部門頒布了我國的信源編碼標準，設定了技術上的國家標準。

一、數字電視有關要求

（一）數字電視一般概念

一般要求HDTV水平像素和垂直像素數量近似于常規電視的2倍，為滿足高清晰度電視，要求垂直方向的掃描線至少應達到1000多行，HDTV的視頻帶寬大約為標準清晰度電視視頻帶寬的5倍，因為在這樣帶寬時黑白圖像的灰度層次更加豐富，能充分顯示圖像的微小細節，這是對高清晰度電視的基本要求。對彩色電視可用單獨帶寬傳輸彩色信息，使總視頻帶寬達到標準清晰度電視視頻帶寬的5～8倍即可。由于人類視覺對亮度細節變化的敏感度比彩色變化的敏感度更敏感，因此設計產品時應將視頻帶寬的主要部分用于傳輸亮度信息，把剩余的帶寬用于傳輸色差信息，這樣可提高視頻信號傳輸帶寬的利用率。

為減少應傳輸的信息量，一般將視頻信號的分量信號分為亮度信號和色差（有兩個色差）信號，用一個全帶寬亮度通道（Y）表示視頻信號的亮度細節，將兩個色差通道（R-Y）和（B-Y）的帶寬限制在亮度帶寬的一半左右，這樣仍可提供足夠的彩色信息。采用這種辦法可通過簡單的線性矩陣變換即可實現R、G、B三基色與Y 、`R-Y、B-Y分量信號的轉換。按理還應有一個G-Y, 但在實際應用中只要傳前三個信號就可算出(G-Y)了，故G-Y通常在一些文章中就不表示出來。在實際高清電視信號傳輸中，通常不用R、G、B三基色信號傳輸視頻，因為這種傳輸方法帶寬利用率極低，其原因是傳輸時R、G、B均需相同帶寬，假如標準清晰度電視每種顏色占6M 帶寬,則三種顏色加起來的帶寬就是18M。因此為節約帶寬，現在無論標清或高清電視都不用R、G、B傳輸視頻。

數字電視是將模擬視頻分量信號量化后變成數字信息傳輸的，若視頻帶寬為6M ,則取樣頻率應為2.25M的正倍數，按奈奎斯特理論，若要真實地還原信號，取樣頻率必須大于2倍的最高視頻頻率（2.25，即亮度信號的取樣頻率。對PAL和NTSC制為避免出現兩個取樣標準，其取樣頻率必須是兩個行頻的最小公倍數，這樣才能整除，2.25M是近似值。PAL制為625行，幀頻為25 ,行頻為 ,故PAL制的亮度取樣頻率為：fs=15625×N=13.5MHZ，其中N=864為每一掃描行上的取樣點。

兩個色差信號取樣頻率為6.75，按每赫茲10b/s量化，則亮度和兩個色差信號量化后總的串行碼率為270Mb/s ,這樣大的碼率是無法傳輸的，故必須進行壓縮編碼,MPGE-2 H264 、AVS+、H265、MPEG-4都是先進的信源壓縮編碼標準，這是實現衛星HDTV的基礎，也就是說衛星HDTV是建立在大壓縮比信源編碼基礎上而實現的。

（二） 符號率的概念

符號率是指信號的比特率與信道參數的有關數據傳輸速率。

數據傳輸速率就是：在數字電視（通信）中數據傳輸速率與調制速率是兩個概念，數據傳輸率（稱為碼率、比特率或數據帶寬）是通信中每秒傳送的比特數，單位是b/s.

在通信中若將數據傳輸到遠方，必須將數據通過調制技術進行傳送，即將數據信號調制到載波上進行傳送，如QPSK、8PSK等調制，在收端通過解調得到數據信息。數據信息對載波調制的過程會使載波的振幅、相位、頻率隨調制方式的不同而發生變化。

波特率是數據信號對模擬載波調制時，載波每秒變化的數值，又稱調制速率，波特率也叫符號率。在數據傳輸中，數據是由符號組成的，采用的調制制度不同，符號所眏射的比特數也不同，符號又稱單位碼元。如果一個單位碼元對應多個比特的數據（m個），則單位碼元為多進制碼元。此時比特率與符號率的關系為： 比特率=符號率×log2m

如QPSK,m=4 ,則比特率=2倍符號率。這里log2m稱為調制比特率。符號率與傳輸帶寬的關系：

符號率（SR）與傳輸帶寬（BW）的關系為：

BW=SR(1+α) α---為成形濾波器的滾降系數。

當↑α=0 時，矩形系數最好，占用帶寬最窄。

當α=1 時，帶外特性呈平坦型，占用帶寬為 α=0時的2倍。

當α＜1 時，帶寬為α=0時帶寬的1+α倍

一般α的取值不大于0.5，當α=0.16時，若其帶寬為8MH_Z,則：

符號率=8÷(1+0.16)=6.896（MS/S ）。

二、AVS+標準的實施時間

2014年4月18日·，工業和信息化部與國家新聞出版廣播

影電視總局，發布了廣播電視先進視頻編碼（AVS+）技術應用實施指南，要求在衛星、有線、地面廣播數字電視及CNTV、IPTV等領域全面推廣AVS+標準。

（一）衛星傳輸分發電視：要求2014年12月31日前，對已上衛星的HDTV頻道采用AVS+.標準。

（二）衛星直播電視：要求HDTV頻道應采用AVS+標準，2014年5月31日前進行AVS+技術試驗，2014年7月1日起開始部署支持AVS+標準的HDTV解碼機頂盒。

（三） 地面廣播數字電視：2014年7月1日起，除批準的7個城市試驗AVS標準外，其余的城市均改為AVS+標準，并部署支持AVS+標準的解碼機頂盒。

（四）有線數字電視：2014年7月1日起部署支持AVS+的高清解碼機頂盒，對新增加的高清電視頻道，優先選用AVS+標準。

2.5 CNTV和IPTV：2014年7月1日起，對具有IPTV和CNTV集成播控平臺牌照的企業，應將自有平臺的新增視頻內容優先采用AVS+標準編碼格式進行傳輸、分發和接收，對自有平臺上存量視頻內容，應逐步轉換為AVS+標準編碼格式。

圖 1 基于AVS+的衛星傳輸分發數字電視系統方案

圖2 基于AVS+的衛星直播數字電視系統方案

三、AVS+信源編碼標準

（一） AVS+信源編碼標準內容

AVS+是信源編碼標準，是比特率壓縮較大的、具有自主知識產權的廣電行業標準，它的標準名稱為：GY／T257.1－2012廣播電視先進音視頻編解碼（AVS+）。

第一部分：視頻。包括以下內容：

Ku－E2000HD／3D嵌入式AVS+Dual－Pass編碼器；

Ku－E2000SD4嵌入式AVS+Dual－Pass多路編碼器；

ku－T2000嵌入式AVS＋轉碼器，支持AVS+、H264、 MPEG－2轉換；

Ku－M2000嵌入式AVS＋統計復用；

Ku－D2000嵌入式AVS＋IRD集成接收解碼器。

AVS+高清視頻編碼器輸出碼流為4Mb／S～16Mb／S，衛星廣播用:10Mb／S～12Mb／s。地面廣播用：湖南4Mb／S，廣東3～4Mb／S。

（二）衛星技術應用指南

1、衛星傳輸分發數字電視衛星傳輸分發數字電視系統前端，將電視臺播出的節目直接進行AVS+編碼，再進行復用、加擾、調制和上星等環節處理，通過衛星信道傳輸分發：在數字電視網前端，相應衛星節目信號，由AVS+衛星綜合接收解碼器接收，基于AVS+的衛星傳輸分發數字電視系統方案如圖1所示。

2、衛星直播數字電視

衛星直播數字電視系統前端接受來自衛星或光纖的高清電視節目，如果節目源是AVS+碼流，則可將該碼流直接復用，然后進行調制和上星處理，通過衛星信道傳輸，若節目源是

MPEG-2碼流，則應將其轉換成AVS+碼流，然后進行復用，再進行調制、加擾和上星處理，在下行線路的終端，直接用AVS+解碼的高清機頂盒，接收直播衛星數字電視信號，并進行

AVS+碼流解碼。基于AVS+的衛星直播數字電視系統方案如圖2所示。

（三）技術應用指導意見

1、衛星傳輸分發數字電視的類和級

2014年1月1日起，各電視臺新上星的高清數字電視節目，視頻采用AVS+標準中的廣播類（broadcast profile）、級6.0.1.0860壓縮編碼方式，建議音、視頻總碼率不低于12Mb/s

音頻支持環繞立體聲，建議壓縮碼率不低于384kb/s.。

2013年12月31日前已上星的高清數字電視節目，應按上述要求進行轉換。

2、衛星直播數字電視

對于衛星直播高清數字電視，視頻應采用AVS+標準中的廣播類（broadcast profile）、級6.0.1.08.60壓縮編碼方式，建議音、視頻總碼率不低于12Mb/S,音頻支持環繞立體聲，建議壓縮碼率不低于384Kb/S.

2014年7月1日起開始部署支持AVS+標準的高清解碼用直播戶戶通機頂盒。

圖3 信源編碼與信道編碼原理方框圖

四、AVS2信源編碼標準介紹

AVS2標準由北京大學深圳研究院數字媒體研究中心制定，編碼效率較AVS+翻了一番,2014年12月面向HDTV/uHDTV應用的新一代AVS2標準正式定稿，AVS2標準應用目標是超高清，分辨率是高清的4倍（4K）或16倍（8K）.所說的4K電視是指物理分辨率達到全高清的（FHD1920×1080)4倍，是高清(HD1280×720)的9倍，此時觀眾可看清畫面中的每一個細節，每一個特寫。AVS2標準的碼率壓縮效率較AVS+和H264/AVC提高了一倍，綜合性能超越了HEVC/ H265，成為世界最先進的信源編碼標準。AVS2標準在場景類視頻編碼領先最新國際標準，對于視頻監控、會議電視、網絡教學、數字法庭、遠程或近程醫療等存在大量冗余的視頻，AVS2標準通過去除冗余，編碼效率可再提高一倍。

AVS2音頻編碼標準，是無損音頻編碼，也叫無失真音頻編碼，是人們的期望，AVS2實現了這一夢想，標準已由IEEE頒布實施。標準編號為IEEE1857.2-2013，該標準包括全無損和有損兼容兩種方案，或者說也包含了AVS標準有損音頻編碼。有損音頻編碼不加密，所有用戶都可欣賞。無損音頻只有付費用戶才能解碼。AVS2音頻是為HDTV應用的環繞立體聲設計的編碼方案，能在128Kb/s碼率下，實現5.1環繞立體聲編碼。

五、衛星直播數字電視的要求

（一）中星9號的相關參數

中星9號衛星2008年6月9日發射，定位于東經〖92.2〗0，極化為圓極化（上右，下左），上行頻率：17.3～17.8GHZ,下行頻率：11.7～12.2GHZ，有效輻射功率（EIRP）49.2～57.5dBw,配置轉發器22個即（54MHZ×4+36MHZ×18=22），用于標清電視的36MHZ轉發器4個，可傳48套電視節目。高清晰度電視用54MHZ轉發器。

（二）標準清晰度數字電視的相關要求

標準清晰度數字電視是直播衛星電視一期工程“村村通”項目，信源編碼與信道編碼設備原理方框圖如圖3所示。

圖3中TV碼流與伴音碼流復用到一起，形成節目流，12套節目流與12套廣播節目碼流以及數據碼流復用到一起，形成傳輸流（TS），復用的作用除復用碼流外還要將碼流打包，不足部分用無效碼補齊，有時還要加擾。傳輸流在衛星直播高清電視系統是AVS+碼流,信道編碼（FEC）內碼采用低密度奇偶校驗碼(LDPC)，無外碼。其內碼率為：

QPSK調制解調方式：1/2、2/3、3/4、3/5、4/5、5/6、7/8、9/10、13/15；

支持8PSK調制解調方式：2/3、3/4、3/5、5/6、9/10、13/15；

這些碼率.使用時可任選，本系統選3/4是因為補碼適中。

映射實際就是將串行碼流變成并行碼流，物理成幀就是基帶成形，將能量擴散后的信號進行升余弦均方根濾波，基帶成形濾波器的滾降系數為0.2、0.25、0.35三種，由于基帶帶寬是低通，轉換到射頻就是帶通，因此滾降系數與數字信息所占射頻帶寬密切相關，即

射頻帶寬=符號率×（1+滾降系數），例如28.8×1.25=36MHZ，如按最大符號率計算，則應選0.2的滾降系數，即30×1.2=36MHZ,因為轉發器帶寬為36MHZ.

該系統采用4個36MHHZ轉發器，每轉發器傳12套電視節目，12套廣播節目，以及數據、EPG（節目指南）和機頂盒升級等數據。每套電視節目平均碼率為3.2Mb/s,伴音碼率為128Kb/s。

該系統采用MCPC工作方,故,每轉發器有：

圖像碼率：3.2×12=38.4Mb/s

伴音碼率：0.128×12=1.54Mb/s

廣播碼率：0.128×12=1.54Mb/s

數據碼率：1.72Mb/s

總碼率：

38.4 +1.54+1.54+1.72=43.2Mb/s。

當信道編碼內碼率為3/4時，用QPSK調制方式，則：

圖4 衛星直播高清數字電視原理方框圖

符號率為：

43.2 ×4÷3÷2=28.8MS/S

本系統為標清電視時，成型濾波器的滾降系數選0.25 ，.這時恰好占用一個轉發器帶寬即28.8×1.25=36MHZ,當視頻碼率為45Mb/s，內碼率為3/4時，最大符號率為30MS/S，它是在滾降系數0.2時提出的要求。

若采用SCPC工作方式，則單路電視節目時碼率應為：

3.2 +0.128+1.54+1.72=6.588Mb/s

這時采用QPSK調制方式，內碼為3/4時，符號率為：6.588×4÷3÷2=4.392MS/S

當采用8PSK調制方式時，因為最大碼率為43.2Mb/s若要占滿轉發器帶寬還要增加節目數量。故在“村村通”工程中8PSK方式不是必選調制方式。

（三）高清衛星數字電視的要求

按廣電GD/J064-2014的文件要求,高清晰度電視最大符號率為45MS/ S,因此使用的轉發器帶寬應為54MHZ，由于高清電視所需碼率較高，因此信源編碼是關鍵，本方案采用AVS+標準的編碼技術，音視頻總碼率不得低于12Mb/s,信道編碼輸入應為AVS+碼流，如是MPEG-2

或H264碼流，則應加碼率轉換器，其方框圖如圖4所示。

衛星直播高清數字電視規定信原編碼采用AVS+編碼方式，為與原有的設備方便連接，故必須將其他碼流轉換成AVS+碼流，因此當遇到MPEG-2或H264碼流時（不含其它碼流），必須進行轉碼。所謂轉碼實質上是先解碼再編碼，達到進入復用器的碼流為AVS+碼流。復用后的其他功能與圖3的功能相同。直播衛星高清電視的主要要求如下：

符號率：2MS/S～45MS/S;

LDPC內碼率：QPSK： 1/2、3/5、2/3、3/4、4/5、5/6、13/15;

8PSK ：3/5、2/3、3/4、5/6、13/15；

升余玄滾降濾波器滾降系數（ROF）：0.2、0.25、0.35三種可選；

當滾降系數為0.2時，則轉發器帶寬為：45MS/S×1.2=54MHZ

當滾降系數為0.25時，則最大符號率為：54÷1.25=43.2MS/S;

高清數字電視最大傳輸流碼率（8PSK,0.25,3/4）

=43.2×3×3÷4=97.2Mb/s

HDTV一套節目音視頻碼率為：（;一套音頻碼率為384kb/s）,總碼率為12Mb/s;

12套廣播碼率為：1.54Mb/s;

數據總碼率：1.72Mb/s.

因此，當系統為SCPC工作方式時，則一套HDTV節目總碼率為：

總碼率=12+1.54+1.72=15.26Mb/s；

當內碼率為3/4，QPSK工作方式時，則符號率為：15.26×4÷3÷2=10.17MS/S;

8PSK工作方式時，則符號率為：15.26×4÷3÷3=6.78MS/S.

當系統為MCPC工作方式時，QPSK適應最大碼率為64.8Mb/s, 8PSK適應最大碼率為97.2Mb/s ，建議高清晰度數字電視應采用8PSK調制解調方式，可大大提高頻帶利用率。

6.綜合接收解碼器（接收機）要求(部分)

這里 主要介紹大家關心的或理解有爭議的電性能要求，以達到使用統一。

輸入頻率范圍：950MHZ～1450MHZ;

輸入信號的頻率捕捉范圍：中心頻率±5MHZ

輸入電平范圍：-65dBm～-30dBm;

符號率范圍：2MS/S～45MS/S

門限值：

≤4.8dB(QPSK,FEC=3/4,ROF=0.25);

≤8.2dB(8PSK,FEC=3/4,ROF=0.25)

視頻要求：

Y信號幅度 1V_(P-P)±10%（含同步）

Pr信號幅度 ±0.35V±10%（以消隱電平為0V）

Pb信號幅度 ±0.35V±10% （以消隱電平為0V）

Y信號視頻幅頻特性

±0.5dB(0.5MHZ～26MHZ)

+0.5dB～-4dB（26MHZ～30MHZ）

PR、PB信號視頻幅頻響應

±0.5dB（0.5MHZ～13MHZ）

+0.5dB～4dB(13MHZ～15MHZ)

行同步信號電平：±300mv

檢測頻率范圍、符號率范圍和輸入信號的頻率捕捉范圍時，一定用小符號率（2MS/S）,這樣可保證結果的準確性。測試門限值時，可用大符號率，這時測出的結果誤差較小。

7.結束語

衛星直播高清數字電視是人們盼望已久的大事，目前條件已具備，不久就能實現全高清廣播，為實現全高清必須正確設計產品和性能參數，為解決帶寬受限問題，建議HDTV使用8PSK調制解調方式，Y和PR、PB信號的頻率響應最低頻率應設計為大于零頻率，因為0頻為直流，不應在視頻中出現，為提高視頻信號頻帶利用率，建議PR、PB信號頻率響應設計為Y信號帶寬的一半即可，行同步信號電平應為±300mv，供生產、設計、檢驗人員參考。

【1】GY/T257.1-2012廣播電視先進音視頻編解碼（AVS+）第一部分：視頻

【2】汪洋溢,田議. 衛星數字電視線路性能設計 . 衛星與網絡, 2016,(4)

【3】GD/J064-2014 .衛星直播系統綜合接收解碼器（標清可升級為高清型）技術要求和測量方法.

【4】GD/J01-2009 .先進衛星廣播系統—衛星傳輸系統幀結構、信道編碼與調制：安全模式.

【5】蘇志武等. 廣播電視傳輸網絡與應用. 2001,(8)

【6】李偉. DVB-S2衛星數字電視發展的“極限”. 有線電視技術, 2004,(2)

【7】汪洋溢,田議. DVB-S2和ABS-S標準對比分析.信息技術與標準化, 2016,(3)