4K 超高清視頻衛星傳輸研究（C-Band）

劉俊谷

（中國電信股份有限公司上海應急通信局，上海 200437）

1 背景

隨著2018年10月1日中央廣播電視總臺CCTV-4K 超高清頻道正式開播，以及廣東相關4K 超高清頻道開播，我國電視媒體行業步入了4K 時代。中央電視臺也提出了4K 發展的總體目標：2018-2021年，完成4K 超高清頻道技術系統建設，全面支持4K超高清電視的“采、編、播、存、傳”，具備每天約100小時的4K 節目制作能力，并通過廣電網和電信網服務廣大用戶，引領我國4K 超高清電視發展。我們的衛星通信自然就屬于“傳”這一環節。怎樣利用衛星來傳輸4K 視頻信號，將超高清視頻送至千家萬戶，滿足廣大人民對于美好生活的向往已經顯得尤為重要。

4K 超高清是建立在高清基礎之上，它的分辨率從高清的1920*1080提高至3840*2160，分辨率整整上升了4倍。4K 實際是指視頻的水平分辨率接近或者達到了4000，即水平分辨率3840和水平分辨率4096我們都將其稱之為4K 超高清。4K 在分辨率上的大幅提升勢必會對我們的衛星傳輸帶寬提出更高的要求。

為了探索4K 超高清廣播級視頻怎么實現衛星傳輸，對于傳輸的一些具體的參數與細節有著怎么樣的要求，筆者利用中國電信上海應急通信局2.4米C 頻段衛星車以及若干4K 超高清設備，進行了4K 上星傳輸測試，對不同的參數以及傳輸的結果進行分析，旨在觀察不同帶寬之下的傳輸表現找出適合4K 超高清傳輸的可行方法。

2 測試傳輸路由以及測試設備

圖1 傳輸路由

表1 測試設備

3 測試信號說明以及采集方式的研究

3.1 測試信號的選擇以及標準說明

目前，國際上常用的4K 信號格式有QUAD 和2SI 兩種格式，它們的分辨率都可達到3840*2160。QUAD 是最早采用的4K 格式，目前仍被廣泛使用，它的特點是四分屏，由4個3G 信號共同組成一個4K 畫面。而2SI 采用像素點交織方式分配4路信號，它的任意一路3G-SDI 都可作為4K 信號的1080P 格式。圖2可以直觀地對比這兩種格式的區別。

圖2 QUAD與2SI的區別

本次4K 衛星測試采用的信號源為AJA 公司KI PRO ULTRA PLUS 錄放機所錄制的4K HDR HLG 超高清信號，分辨率為3840*2160P 50 幀（信號是UHD 格式）BT2020 色域、亮度為1000nit，采用4*3G 的方式，編碼方式采用了QUAD 方式。圖像內容為花卉的風景畫面以及晚會演出畫面。

圖3 AJA錄放機及HLG信源

采用的測量儀器為泰克公司的WFM8300矢量分析儀，泰克公司建議的4K 信號傳輸測試標準為：

（1）以第一路為基準，剩下三路相對于第一路的延時不能超過400ns。

（2）解碼器解出來的每一路3G SDI 信號的電平值標準為800mV+-10%。

圖4 Tektronix WFM8300矢量分析儀

3.2 測試信號的采集方式研究

4K 超高清信號對于線材的長度以及質量要求肯定是非常之高的，本次測試采取的4K 傳輸方式是4*3G 傳輸，也就是4 路3G 信號合成一路12G 信號，帶來的問題是布線非常繁雜，系統連線成4倍增加。該方式以第1路3G-SDI 信號為基準，剩下3路3G 信號相對于第1路信號的延時不能超過400ns。出于信號同步以及信號電平的考慮，我們設計了一個實驗來分別測試4根規格完全相同的5M、25M、50M 高清視頻線對于4K 信號的具體影響。測試的眼圖、電平值以及延時如圖5所示。

圖5 不同長度線材對于4K信號影響的測試結果

可以看出，當視頻線長度為5M 時，電平值為796mV，剩下三路相對于第一路的延時分別為26.936ns、20.202ns、26.936ns，眼圖比較清晰。當視頻線長度為25M 時，電平值為649mV，剩下三路相對于第一路的延時分別為26.936ns、33.670ns、47.138ns，眼圖有些模糊。當視頻線長度為50M 時，電平值為381mV，剩下三路相對于第一路的延時分別為329.966ns、309.764ns、323.232ns，眼圖模糊不清。在實際的衛星測試中，這三種長度的線材所傳輸的4K 信號都能夠達到4K 編碼器的門限，被編碼器鎖定，但是出于傳輸的安全性以及穩定性考慮，我們認為在正式的轉播之中，線材長度越短，規格越高對于信號的傳輸越好。

但是在實際的現場轉播之中，負責信號制作的轉播車或者攝像機常常會距離我們的衛星車比較遠，這就導致了視頻線不可避免的很長，再加之4K 傳輸需要4根同規格的視頻線，收放起來也比較麻煩。因此我們認為對于信號源距離編碼器較遠的情況，可以使用4K 高清光端機實現中繼。為此我們也搭建了一個4K 光端機傳輸鏈路，來測試傳輸是否可行。

光端機采用了ARTEL 公司的6000A 4K 超高清光端機，信號源仍為AJA 錄放機的4K HDR HLG 信號，收發端線材都為4根5M 的CANARE 杠7視頻線，光纜長度為300M。測試的結果如圖6所示。

可以看出在經過4K 光端機之后，信號的電平值為820mV，剩下三路相對于第一路的延時分別為20.202ns、33.670ns、20.202ns，符合泰克公司給出的標準。此次光端機測試一共持續了1個小時沒有間斷，我們也一直在觀察傳輸畫面對的質量，沒有出現拉絲抖動等情況，畫面一直保持穩定。我們認為使用4K光端機作為中繼是可行的。

4 衛星全鏈路測試

4.1 上星傳輸測試

確定了信號源以及采集方式的選擇，正式開始4K 超高清視頻的上星傳輸測試。本次衛星測試觀察在不同的帶寬以及調制參數之下，4K 超高清視頻傳輸的實際情況。我們首先對衛星測試種用的參數進行解釋。

（1）調制標準：調制標準我們選擇了DVB-S2 以及NS4。DVB-S2歐洲電信標準化協會（ETSI）發布的衛星數據廣播技術規范，是關于調制技術和信道編碼技術的規范，它能夠很好滿足高清電視傳輸的需求。中國的地面數字電視、CMMB、ABS-S等標準也陸續采用了LDPC 碼作為其糾錯編碼方式。調制方面，DVB-S2 支持8PSK、16APSK、32APSK 等高階調制方式，滾降系數最低可以達到0.05。NS4是以色列NovelSat 公司自己開發的一種調制標準，它是衛星行業最新的第四代傳輸波形，已經被全世界的許多轉播商以及電視臺所應用，包括中國中央電視臺。NovelSat 公司宣稱NS4對比DVB-S2效率最高可以提升45%，對比DVB-S2X 效率最高可以提升32%。同樣NS4 也支持8PSK、16APSK、32APSK 甚至64APSK 等高階調制方式，滾降系數最低可以達到0.02。

圖6 4K信號經過4K光端機出來的測試結果

圖7 NS3/NS4調制方式對比 DVB-S2X效率提升

（2）調制方式：在通信系統中，MAPSK 的星座圖由同心圓組成，每個圓上分布著等間隔的PSK 信號點，每個點都是復值，8PSK 星座是在一個單位圓上等間隔分布的8個點，初始相位為0，16APSK 星座有2個同心圓，半徑分別為R1和R2，內圓有4個點，外圓為12個點。目前衛星行業常用的調制方式有QPSK、8PSK、16APSK、32APSK 等。數字調制可以充分利用衛星信道中有限的帶寬，提高頻譜效率。在高清1080p 時代，QPSK、8PSK 已經能夠滿足大部分的業務需求，然而進入4K 超高清時代，它們就顯得有所力不從心，所以更高階的調制方式得到了應用。但是高階的PSK 調制方式存在著誤碼率很高，具有功率回退來恢復線性特征的弊端，而幅度相移鍵控（APSK）在一定程度上解決了這些弊端，APSK 調制所含幅度和相位信息是變量可分離，可以在調制端采用簡單的預失真算法（Pre-Distortion）進行幅度非線性矯正而不影響相位特性，使得衛星轉發器在透明轉發這種高階調制信號時的功率效率不明顯降低，同時還可以在接收端使用符號間干擾抑制技術保證合理的接收門限。16APSK 技術，在16QAM 和16PSK 之間取得了很好的折中，其誤碼性能接近16QAM，抗非線性性能接近16PSK。

圖8 8PSK調制方式和16APSK調制方式星座圖

（3）FEC 前向糾錯（Forward Error Correction）：前向糾錯編碼（FEC）技術通過在傳輸碼列中加入冗余糾錯碼，在一定條件下，通過解碼可以自動糾正傳輸誤碼，降低接收信號的誤碼率（BER）。數字信號實際傳送的是數據流，一般數據流包括以下三種：一是ES 流：也叫基本碼流，包含視頻、音頻或數據的連續碼流。二是PES 流：也叫打包的基本碼流，是將基本碼流ES 流根據需要分成長度不等的數據包，并加上包頭就形成了打包的基本碼流PES 流。三是TS 流：也叫傳輸流，是由固定長度為188字節的包組成，含有獨立時基的一個或多個節目，適用于誤碼較多的環境。從PES 流到TS 流，這個過程中已經加進去FEC 糾錯碼，可以采用不同的速率FEC rate，在DVB-S 標準中，規定5種速率——1/2、2/3、3/4、5/6、7/8。以7/8為例，其實際意義是，在一個TS 流中，只有7/8的內容是裝有節目內容的PES 流，而另外的1/8內容，則是用來保護數據流不發生變異的糾錯碼。

FEC 糾錯率越低，則糾錯碼占據的比例越高，同樣功率時，對解碼的門限要求越低，要求天線口徑越小，接收越容易；FEC越高，則糾錯碼越低，解碼門限值越高，天線口徑要求越大，接收越困難。

滾降系數α（Roll off factor）：在無碼間串擾條件下所需帶寬W 和碼元傳輸速率Rs 的比值（即奈奎斯特頻率）它與衛星的通頻帶寬以及symbol rate 之間的關系為：通頻帶寬=符號率*（1+α），通過下圖我們可以直觀的看到，滾降系數越小，載波的波形顯得越陡，帶寬的利用率越高。上面說到的DVB-S2最低的滾降系數為0.05，而NS4調制可以將滾降系數最低做到0.02。

圖9 滾降系數對于載波的影響

圖10 測試現場環境

測試當天天氣晴空少云，測試環境周圍沒有無線干擾。測試的現場環境、部分頻譜儀截圖以及測試數據如圖10所示。

4.2 測試結果分析

通過本次的實際測試以及測試的數據分析，綜合考慮可用的信息速率、占用帶寬、誤碼率、自發自收的Margin 以及功放功率等幾個因素，我們得出了以下的結論：

（1）利用2.4米車載C 波段天線以及800W 功放，在不破壞衛星車原有路由而僅僅將編解碼器、調制解調器、監視器等設備升級為4K 設備的情況下，是可以完成4K 超高清廣播級視頻任務的傳送的。然而通過數據分析可以看出，利用2.4米C 波段天線來傳輸4K 視頻，高功放的功率一直維持在一個比較高的值，這對于發射端的功放以及接收端的天下尺寸的要求較高。

圖11 不同參數下的載波（部分）

圖12 自發自收畫面

（2）利用2.4米車載C 波段天線以及800W 功放，在36MHz衛星帶寬的情況之下，利用NS4 16APSK 調制方式下，傳輸的實際信息速率可以達102.22Mb/s，而DVB-S2X 16APSK 調制方式下，實際信息速率為88.27Mb/s，因此在這種條件之下，我們推薦使用NS4 16APSK、FEC 3/4、Roll off 0.02的調制參數。

在18MHz 衛星帶寬情況之下，NS4 16APSK 調制方式的誤碼率要遠小于DVB-S2X 16APSK 調制方式，NS4信噪比也略好于DVB-S2，因此選擇NS4 16APSK、FEC5/6的調制參數。

表2 測試數據統計

在15MHz 衛星帶寬情況之下，NS4 16APSK、FEC9/10 的參數下雖然信息速率可以達到最大50.15Mb/s，然而帶來的誤碼率為1.8×10-2，相對于FEC5/6 的2.1×10-5較大，而DVB-S2 16APSK 條件下的MARGIN 值稍小，DVB-S2 8PSK 條件下信息速率最大值僅為34.88Mb/s，綜合考慮來看選擇NS4 16APSK、FEC5/6、Roll off 0.02的調制參數。

在9MHz 衛星帶寬情況之下，我們首先肯定4K 視頻是可以通過9M 帶寬進行正常傳輸的，只不過受到帶寬的限制，無論哪種調制參數下的最大信息速率只能達到25.77 Mb/s，結合誤碼率、余量等指標，我們最后還是推薦NS4 16APSK、FEC5/6、Roll off 0.02的調制參數。

5 結束語

綜合上文所述，我們先是實際測試并推薦了4K 超高清信號源接入衛星車的方式，然后我們對不同的衛星參數之下傳輸4K超高清視頻的表現做了分析并提出了我們建議的參數設置。但是實際使用的環境條件、衛星天線尺寸、用戶方實際的傳輸需求等因素都會與本次測試存在著一定的差異，因此接入方式的選擇和參數的設置可能需要因地制宜。國內4K 超高清視頻業務處在高速發展的黃金時期，傳輸的手段也越來越多：TICO 淺壓縮基帶傳輸、公網傳輸、與5G 結合等，在這些層出不窮的新技術新手段當中，我們相信傳統的衛星通信在4K 的傳輸中仍會占有重要的位置，綻放出獨特光彩。