衛星電視直播的關鍵技術與發展趨勢

沈永言 （中國衛通集團有限公司）

衛星電視直播的關鍵技術與發展趨勢

Key Technologies and Development Trends in DTH

沈永言 （中國衛通集團有限公司）

全球2015年發射了11顆、2016年發射了8顆電視直播衛星，2016年另有7顆是以電視直播為主的通信衛星。現在，衛星通信服務業已構成衛星產業的主體，而衛星電視直播則是衛星通信服務業的重心。

目前，衛星電視直播已在美洲、歐洲、亞太、中東等地區得到廣泛應用，其發展動力主要來自于市場拉動和技術推動。電子信息技術的進步、大眾生活水平的改善，使得人們對于視頻內容和服務質量的要求越來越高。2004年前后，高清電視開始在衛星電視直播領域普及，2014年衛星超高清電視直播正式登場。從標清到高清，再到超高清，節目信息量的爆炸式增長對于衛星電視直播產業的拉動作用是巨大的。但是，市場需求要得到真正滿足，相應的衛星電視直播服務要真正形成生產力，還需要得到視頻編碼和信道傳輸技術的共同推動。只有將傳輸成本降到用戶消費能力之下，衛星高清和超高清電視直播服務才能順利進入千家萬戶。

除了視頻編碼和信道傳輸技術之外，Ka頻段通信衛星大容量傳輸和點波束覆蓋能力，對衛星電視直播規模發展和服務升級的支撐作用同樣功不可沒。在應用形式和商業模式方面，歐美等發達國家可謂一馬當先，衛星電視直播與地面通信之間的融合發展最為充分。

1 衛星電視直播的關鍵技術

視頻編碼技術

運動圖像專家組－2（MPEG－2）作為第一代視頻編碼技術的典型代表正式出現于1994年，它可以在3～10Mbit/s速率范圍傳輸標清視頻和CD音樂，從而奠定了衛星電視直播的商業化基礎。

雖然MPEG－2也能滿足高清甚至超高清視頻的質量要求，但是一套視頻節目以20Mbit/s和80Mbit/s的碼速率傳輸顯然是不經濟的。為此，2003年5月，國際電信聯盟電信標準分局（ITU-T）和國際標準化組織（ISO）/國際電工委員會（IEC）聯合制定了高效的H.264/MPEG－4第10部分視頻編碼標準（簡稱H.264）。

第二代視頻編碼標準H.264基于MPEG－4技術，采用差分脈碼調制（DPCM）加變換編碼的混合編碼模式，其編解碼流程主要包括幀間和幀內預測、變換和反變換、量化和反量化、環路濾波、熵編碼等5個部分。H.264具有碼率低、質量高、容錯能力強、網絡適應能力強等優點，可以分別以2Mbit/s、10Mbit/s和40Mbit/s碼速率傳輸標清、高清和超高清視頻，可以適用于廣播、互聯網協議（IP）和無線等網路環境，以及廣播、電話、會議、流媒體、影院、監控等應用環境。其中，衛星高清電視直播是其主要應用領域。值得一提的是，我國具有自主知識產權的視頻編碼標準——音視頻編碼標準（AVS）同樣屬于第二代水平，與H.264和MPEG－4標準相比，在技術等方面有不少創新。

為適應高清視頻的廣泛需求和超高清發展趨勢，國際電信聯盟（ITU）和運動圖像專家組組織在發布H.264標準之后，很快為第三代視頻編碼標準H.265[亦稱為高效率視頻編碼（HEVC）]征集技術方案。H.265正式發布于2013年，它沿用了H.264的混合編碼模式，在兼顧計算復雜度、壓縮率、誤差穩健性、系統延時等因素的前提下，比H.264編碼效率提高了1倍，即將標清、高清和超高清視頻的碼速率降低到1Mbit/s、5Mbit/s和20Mbit/s的量級，這為衛星超高清電視直播的商業化發展奠定了基礎。2016年5月，我國超高清標準AVS2正式頒布。除了超高清電視，AVS2還針對視頻監控設計了場景編碼模式，其壓縮效率比H.265高出1倍，這標志著我國視頻技術和產業進入超高清和超高效的雙超時代。

信道傳輸技術

如果說視頻編碼的目的在于減少視頻信息冗余度，降低信息傳輸速率需求，那么，信道傳輸技術則可提高信道頻譜利用率，擴大信道傳輸容量。

包含信道調制技術在內的第一代衛星數字電視傳輸標準：數字視頻廣播-衛星標準（DVB-S）由數字視頻廣播組織（DVB）于1993年推出，其出現時間及后面的升級換代節奏幾乎與視頻編碼技術完全同步。

DVB-S采用四相相移鍵控（QPSK）信道調制方式以及卷積碼和里德-所羅門碼（RS）碼串行級聯前向差錯控制方式，滾降系數為0.35，理論頻譜利用率為2bit/（s ·Hz-1）。DVB-S不僅為衛星電視直播鋪平了道路，同時也成為寬帶衛星通信的事實標準。

為了滿足高清電視廣播、新聞采集、數據分發/中繼以及互聯網等交互式應用的需求，數字視頻廣播組織從2002年開始啟動了DVB-S到DVB-S2的升級工作，并于2005年正式頒布DVB-S2。DVB-S2在兼容DVB-S的基礎上，采用了新的+低密度校驗碼（BCH+LDPC）糾錯編碼方式，增加了8PSK、16APSK和32APSK三種調制方式（其中16APSK和32APSK在廣播服務中屬于可選選項），0.25和0.20兩種滾降系數，以及可變編碼調制（VCM）和自適應編碼調制（ACM）工作模式。通過這些創新，DVB-S2顯著提高了衛星傳輸信道和功率效率，其糾錯編碼方案離香農極限只差0.7～1dB。

面對技術的不斷發展以及超高清電視和其他富媒體的涌現，數字視頻廣播組織從2011年底開始研究DVB-S2的擴展標準，即DVB-S2X。DVB-S2X主要目標有兩個：一是進一步提高現行標準的頻譜利用率；二是適應移動接收、Ka頻段平臺或寬帶衛星通信等應用環境。

2014年2月，數字視頻廣播組織通過了新的DVB-S2X技術規范。相對于DVB-S2，DVB-S2X增加了0.15、0.10和0.05三種滾降系數，以及BPSK、64APSK、128APSK和256APSK四種調制方式。其中，16APSK和32APSK成為廣播服務中的必選選項，64APSK為可選項，而128APSK和256APSK不要求實現，BPSK只在甚低信噪比模式（VL-SNR）下使用。先進調制模式的采用使得衛星頻譜效率比DVB-S2提升20%～30%，最高可達50%。此外，頻道綁定等技術可以更有效地利用轉發器信道容量，對同信道干擾有更好的抑制能力。

視頻編碼與信道傳輸技術的組合應用

信源編碼與信道調制技術是提高視頻內容質量，開發利用通信頻率資源，擴大通信系統傳輸能力的重要手段。MPEG－2、H.264、H.265與DVB-S、DVBS-2、DVB-S2X的組合應用，有力地支持了1994年以來衛星電視直播每10年1次的升級換代。對于一個36MHz轉發器，H.265與DVB-S2X第三代技術組合可傳輸17～22路高清視頻節目，其數目遠超過MPEG－2與DVB-S第一代技術組合下可傳輸的7～12路標清節目。由此可見，視頻編碼和信道調制技術進步對衛星電視直播商業應用具有巨大的促進作用。在H.265與DVB-S2X組合條件下，一臺36MHz轉發器可傳輸3～5路超高清節目。若是AVS2與DVB-S2X組合，可傳輸的超高清視頻節目就更多，直接將衛星電視帶入超高清時代。

2 衛星電視直播的發展趨勢

高清化

視頻編碼和信道傳輸技術的進步、高清電視機的普及、高清內容的豐富，為衛星電視直播的高清化發展創造了必要的條件。2004年以來，全球衛星電視直播高清化呈現迅猛發展勢頭，在拉美、中歐、俄羅斯/中亞、中東與非洲，以及日本、韓國、澳大利亞、香港之外的亞太地區等新興市場表現最為明顯。2014年，全球衛星電視直播高清頻道數達6260個，比2013年增長了18%，在新增頻道中占3/4。H.264/ MPEG－4在高清頻道中占93%的份額，它對MPEG－2的替代作用也在迅速變大，在總頻道數中的比例已達47%。總的來講，基于MPEG－2的標清電視已呈現衰退之勢。

2014年之所以被稱為超高清電視元年，是因為經過多年孕育，超高清電視在這年開始出現集中爆發勢頭。實際上，相關測試在之前就已開始。由于在傳輸容量和覆蓋能力等方面具有獨特優勢，衛星超高清電視直播顯得格外搶眼。

不同視頻編碼和信道傳輸技術組合應用效果

2014年12月6日和2015年5月27日，美國電視直播公司（DirecTV）先后發射了2顆超高清電視直播衛星：電視直播－14、15（DirecTV－14、15）衛星，充分展現了美國在衛星電視直播領域的領導地位。此前，電視直播公司已在5顆衛星上直播高清電視節目。目前，北美高清電視頻道占總頻道數的37%，主要由衛星付費平臺支撐。隨著這2顆衛星的投入運行，電視直播公司將向美國大陸、阿拉斯加、夏威夷和波多黎各等地用戶提供更多的高清/超高清電視頻道。

2013年1月，歐洲通信衛星公司（EUTELSAT）通過歐洲通信衛星－10A（Eutelsat－10A）推出歐洲首個超高清電視演示頻道。2014年1月，歐洲通信衛星公司推出了基于H.265和DVB－S2的衛星超高清電視頻道，提供紀錄片、文化和體育等節目。該公司還與亞洲ST Telesport公司達成合作，計劃將歐洲通信衛星－70B上的超高清頻道覆蓋到東南亞以及澳洲。

2014年2月，俄羅斯NTV-Plus公司對索契冬奧會開幕式進行了首次衛星超高清電視實況直播。隨后，俄羅斯Tricolor TV電視臺于同年7月通過歐洲通信衛星－36A、36B開始境內首個超高清電視頻道試播，并計劃于2015年春季實現大規模播送。

2013年4月，歐洲衛星公司（SES）進行了首次超高清電視衛星傳輸測試，并從2014年11月開始通過C和Ku頻段衛星在巴西境內傳輸超高清電視節目。

2014年11月19日，SES公司和三星公司合作，通過天體－1L（Astra－1L）衛星上的“SES演示”超高清電視頻道，現場直播美國搖滾樂團“林肯公園”在柏林巡回演出的一場演唱會。據稱，這次是世界衛星廣播界上首次采用H.265技術進行音樂會現場直播。

2015年9月8日，歐洲首個免費超高清購物電視頻道Pearl TV采用H.265/DVB-S2（8PSK）技術，通過SES公司天體－1M衛星Ku頻段歐洲波束正式啟播。

2015年9月8月，西班牙衛星公司（HISPASAT）宣布，自2013年通過西班牙衛星－1E（Hispasat－1E）Ku頻段歐洲波束推出的Hispasat 4K TV頻道，已經開始使用杜比視界高動態范圍（Dolby Vision HDR）技術。

2015年10月7日，荷蘭TERN公司通過SES公司天體－1M衛星Ku頻段歐洲波束，采用H.265/ DVB-S2（8PSK）技術，正式啟播該公司首個國際超高清娛樂頻道Insight UHD，節目內容包括娛樂、音樂和極限運動等。

2012年10月和2013年3月，日本天空完美集團（JCSAT）分別直播和轉播了超高清足球聯賽。2014年6月，日本開始在通信衛星上試播超高清電視節目。在2016年里約奧運會期間，日本NHK電視臺通過8K級衛星超高清電視轉播了奧運賽事，為2020年東京奧運會正式轉播做預熱。

2014年6月，馬來西亞東亞衛星公司（Measat）與比利時新技術公司（Newtec）在亞洲移動通信展上演示了基于DVB-S2X的衛星超高清電視傳輸。

2014年7月，印度Videocon公司完成了衛星超高清電視傳輸測試。2015年1月26日，Videocon公司通過其租用的中新－2衛星Ku頻段印度大陸波束，采用DVB-S2（8PSK）和H.265技術，推出一個4K超高清電視測試頻道。

2014年11月16日，土耳其Turksat AS公司通過當年2月升空的土耳其衛星－4A（Turksat－4A）和DVB-S2（8PSK）/H.265技術，推出了一個超高清電視測試頻道。

由上可見，H.265技術已引起衛星電視直播業界的廣泛重視，衛星超高清電視直播已出現蓬勃發展之勢。不過，歐洲咨詢公司（Euroconsult）認為，未來10年，由于標準兼容性等原因，H.264/MPEG－4將在高清電視中占主體地位。由于轉發器傳輸成本等原因，超高清電視頻道數量仍將有限。

高頻化

電視頻道數的不斷增長、高清和超高清電視的迅速發展，必然要求衛星電視直播服務商開發利用頻率資源更為豐富的Ka頻段。Ka頻段相對較窄的波束和較強的輻射功率，能更好地滿足區域化的衛星電視直播市場需求。

美國電視直播公司是世界領先、美國最大的衛星電視直播服務提供商，擁有數百個標清電視頻道、200多個全國高清電視頻道以及數百個本地高清頻道。在開發利用Ka頻段資源方面，電視直播公司一直走在世界前列。目前，該公司總共擁有12顆在軌衛星，其中有7顆衛星載有Ka頻道轉發器。

2014－2024年全球衛星電視直播頻道數增長預測

美國電視直播公司7顆Ka頻段衛星

電視直播－14和15不僅通過Ka頻段向美國大陸、阿拉斯加、夏威夷和波多黎各等地區提供超高清電視直播服務，而且首先使用Ka反向頻段，以進一步擴大衛星傳輸容量。Ka反向頻段長期以來用于衛星上行鏈路通信，而美國聯邦通信委員會（FCC）和國際監管機構此前應業界的要求，釋放了這個頻段用于衛星下行鏈路服務，使得衛星電視直播服務提供商可以獲得更多的商業機會。

融合化

數字化使得不同的信息網絡可以提供相似的服務，這就促進了電信、廣電和計算機之間三網融合。三網融合有利于信息服務提供商為用戶創造更多的價值，有利于提高各自的競爭力，從而最終推動行業發展和產業升級。近年來，衛星電視直播領域的三網融合同樣異彩紛呈。

2011年11月3日，美國電視直播公司和美國電話電報公司（AT&T）簽署了一項為期3年的延長商業合作協議。該協議將2008年雙方簽署的一項合作協議延長到2015年3月，這將使兩家公司數以百萬計的客戶獲得捆綁的四重服務：美國電視直播公司衛星電視直播服務以及美國電話電報公司寬帶、住宅電話和無線話音服務。兩家公司之間的業務合作最終上升為資本融合。2014年，美國電視直播公司同意以485億美元的價格出售給美國電話電報公司，此項交易最終在2015年7月24日得到美國聯邦通信委員會的正式批準。在與美國電話電報公司聯手的同時，美國電視直播公司也在開發自己的互聯網服務。2014年11月14日，該公司推出了美國首個超高清電影和紀錄片視頻點播服務—DirecTV 4K VOD，這項業務要求用戶擁有一臺與互聯網連接的美國電視直播公司精靈牌高清數字機頂盒（HD DVR）。

2012年1月9日，美國第二大衛星電視直播服務提供商碟網公司（Dish Network）宣布，從2012年2月開始，與美國寬帶衛星通信設備和服務提供商衛訊公司（VIASAT）合作，推出下一代高速衛星寬帶和電視捆綁服務。與此同時，蝶網公司還推出一種稱為“DISH Test Drive”的新媒體服務，這種新服務將允許用戶通過互聯網和移動互聯網，在平板電腦、智能手機等移動設備上，隨時隨地免費選擇收看受歡迎的DISH電視節目，體驗到DISH電視無處不在的媒體服務。

為應對碟網公司的競爭，美國電視直播公司2012年4月也引進DirecTV Everywhere服務，讓用戶通過互聯網，在計算機、筆記本電腦、平板電腦以及智能手機等新型移動設備獲得其衛星電視的多平臺服務。2012年5月16日，美國電視直播公司宣布將為用戶提供衛星寬帶和電視的捆綁服務。其中，衛星寬帶服務來自衛訊公司的Exede－12和休斯公司（Hughes）的Gen－4。

與美國電視直播公司聯手美國電話電報公司相類似，蝶網公司或將與美國第四大移動運營商T-Mobile公司聯姻。2015年6月4日，兩家公司就合并事宜進行了初步討論。目前，合并談判還處于撮合階段，尚需解決價格以及現金或股票的支付比例方面面臨的諸多難題。如果這筆交易達成，將加速美國媒體和通信公司之間的合并浪潮。

為了使衛星電視直播用戶獲得更多的選擇、控制和靈活性，2010年10月，英國天空公司[Sky UK，當時為英國天空廣播公司（BskyB）]推出一種通過寬帶互聯網的免費綜合視頻點播新服務——SkyAnytime+。2011年7月，該公司為其所有的電視用戶推出了SkyGO在線移動電視服務，用戶可以隨時隨地通過iPhone、iPad、iPadTouch、Xbox、PC、Mac和筆記本電腦免費觀看直播電視和視頻點播節目。2012年7月16日，英國天空廣播公司宣布在英國正式推出一種稱為NowTV的新互聯網電視服務。與之前推出的SkyGo和SkyAnytime+不同，NowTV瞄準的是那些沒有訂購付費電視服務的英國用戶。

2012年7月26日，英國天空廣播公司宣布與英國電信運營商TalkTalk公司達成一項批發分銷天空電視頻道的商業協議。根據此協議，TalkTalk公司將在其YouviewTV服務中為客戶提供各種天空電視娛樂、體育和電影等系列頻道。

2015年1月，英國天空廣播公司與英國移動通信公司Telefonica公司達成合作協議。2016年，英國天空廣播公司將使用Telefonica公司2G、3G和4G網絡，為客戶推出英國天空廣播公司首個移動電話服務，這意味著英國天空廣播公司未來將涉足移動話音和數據服務市場。

3 結束語

在視頻編碼和傳輸調制技術的推動下，全球衛星電視直播的產業升級序幕已經拉開。衛星電視直播產業不僅自身規模可觀，而且它對于影視娛樂、信息服務、消費電子、衛星制造、衛星運營等產業的拉動作用也十分顯著。這方面，美國的發展成就最為顯著。

“村村通”，特別是“戶戶通”工程啟動以來，我國衛星電視直播應用發展速度驚人。到目前為止，“戶戶通”用戶數已接近1.1億用戶，這說明我國衛星電視直播產業潛力巨大。然而，我們必須看到，我國衛星電視直播產業仍然處于以標清節目為主體、以面向農村的公益服務為目標的初級階段，用戶數量雖然龐大，但是節目數量、服務能力和經濟效益相對有限。與美國差不多20顆直播衛星數量相比，我國只有1顆直播衛星，且容量沒有用滿，可見差距巨大。盡管如此，我們對于我國衛星電視直播產業的發展前景，特別是高清化機遇，仍然充滿信心。因為，我國高清內容供應生態體系、用戶高清視頻收視習慣都已形成，高清電視機已進入千家萬戶，只要政策到位，一定會產生立竿見影的市場成效。