4K 超高清視頻衛(wèi)星傳輸研究（C-Band）

劉俊谷

（中國電信股份有限公司上海應(yīng)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(guān)4K 超高清頻道開播，我國電視媒體行業(yè)步入了4K 時(shí)代。中央電視臺也提出了4K 發(fā)展的總體目標(biāo)：2018-2021年，完成4K 超高清頻道技術(shù)系統(tǒng)建設(shè)，全面支持4K超高清電視的“采、編、播、存、傳”，具備每天約100小時(shí)的4K 節(jié)目制作能力，并通過廣電網(wǎng)和電信網(wǎng)服務(wù)廣大用戶，引領(lǐng)我國4K 超高清電視發(fā)展。我們的衛(wèi)星通信自然就屬于“傳”這一環(huán)節(jié)。怎樣利用衛(wèi)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(jīng)顯得尤為重要。

4K 超高清是建立在高清基礎(chǔ)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(shí)際是指視頻的水平分辨率接近或者達(dá)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(huì)對我們的衛(wèi)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(shí)現(xiàn)衛(wèi)星傳輸，對于傳輸?shù)囊恍┚唧w的參數(shù)與細(xì)節(jié)有著怎么樣的要求，筆者利用中國電信上海應(yīng)急通信局2.4米C 頻段衛(wèi)星車以及若干4K 超高清設(shè)備，進(jìn)行了4K 上星傳輸測試，對不同的參數(shù)以及傳輸?shù)慕Y(jié)果進(jìn)行分析，旨在觀察不同帶寬之下的傳輸表現(xiàn)找出適合4K 超高清傳輸?shù)目尚蟹椒ā?/p>

2 測試傳輸路由以及測試設(shè)備

圖1 傳輸路由

表1 測試設(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(dá)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(diǎn)是四分屏，由4個(gè)3G 信號共同組成一個(gè)4K 畫面。而2SI 采用像素點(diǎn)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(qū)別。

圖2 QUAD與2SI的區(qū)別

本次4K 衛(wèi)星測試采用的信號源為AJA 公司KI PRO ULTRA PLUS 錄放機(jī)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(nèi)容為花卉的風(fēng)景畫面以及晚會(huì)演出畫面。

圖3 AJA錄放機(jī)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(biāo)準(zhǔn)為：

（1）以第一路為基準(zhǔn)，剩下三路相對于第一路的延時(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(zhì)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(tǒng)連線成4倍增加。該方式以第1路3G-SDI 信號為基準(zhǔn)，剩下3路3G 信號相對于第1路信號的延時(shí)不能超過400ns。出于信號同步以及信號電平的考慮，我們設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)來分別測試4根規(guī)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(shí)如圖5所示。

圖5 不同長度線材對于4K信號影響的測試結(jié)果

可以看出，當(dāng)視頻線長度為5M 時(shí)，電平值為796mV，剩下三路相對于第一路的延時(shí)分別為26.936ns、20.202ns、26.936ns，眼圖比較清晰。當(dāng)視頻線長度為25M 時(shí)，電平值為649mV，剩下三路相對于第一路的延時(shí)分別為26.936ns、33.670ns、47.138ns，眼圖有些模糊。當(dāng)視頻線長度為50M 時(shí)，電平值為381mV，剩下三路相對于第一路的延時(shí)分別為329.966ns、309.764ns、323.232ns，眼圖模糊不清。在實(shí)際的衛(wèi)星測試中，這三種長度的線材所傳輸?shù)?K 信號都能夠達(dá)到4K 編碼器的門限，被編碼器鎖定，但是出于傳輸?shù)陌踩砸约胺€(wěn)定性考慮，我們認(rèn)為在正式的轉(zhuǎn)播之中，線材長度越短，規(guī)格越高對于信號的傳輸越好。

但是在實(shí)際的現(xiàn)場轉(zhuǎn)播之中，負(fù)責(zé)信號制作的轉(zhuǎn)播車或者攝像機(jī)常常會(huì)距離我們的衛(wèi)星車比較遠(yuǎn)，這就導(dǎo)致了視頻線不可避免的很長，再加之4K 傳輸需要4根同規(guī)格的視頻線，收放起來也比較麻煩。因此我們認(rèn)為對于信號源距離編碼器較遠(yuǎn)的情況，可以使用4K 高清光端機(jī)實(shí)現(xiàn)中繼。為此我們也搭建了一個(gè)4K 光端機(jī)傳輸鏈路，來測試傳輸是否可行。

光端機(jī)采用了ARTEL 公司的6000A 4K 超高清光端機(jī)，信號源仍為AJA 錄放機(jī)的4K HDR HLG 信號，收發(fā)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(jié)果如圖6所示。

可以看出在經(jīng)過4K 光端機(jī)之后，信號的電平值為820mV，剩下三路相對于第一路的延時(shí)分別為20.202ns、33.670ns、20.202ns，符合泰克公司給出的標(biāo)準(zhǔn)。此次光端機(jī)測試一共持續(xù)了1個(gè)小時(shí)沒有間斷，我們也一直在觀察傳輸畫面對的質(zhì)量，沒有出現(xiàn)拉絲抖動(dòng)等情況，畫面一直保持穩(wěn)定。我們認(rèn)為使用4K光端機(jī)作為中繼是可行的。

4 衛(wèi)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(wèi)星測試觀察在不同的帶寬以及調(diào)制參數(shù)之下，4K 超高清視頻傳輸?shù)膶?shí)際情況。我們首先對衛(wèi)星測試種用的參數(shù)進(jìn)行解釋。

（1）調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)：調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)我們選擇了DVB-S2 以及NS4。DVB-S2歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（ETSI）發(fā)布的衛(wèi)星數(shù)據(jù)廣播技術(shù)規(guī)范，是關(guān)于調(diào)制技術(shù)和信道編碼技術(shù)的規(guī)范，它能夠很好滿足高清電視傳輸?shù)男枨?。中國的地面?shù)字電視、CMMB、ABS-S等標(biāo)準(zhǔn)也陸續(xù)采用了LDPC 碼作為其糾錯(cuò)編碼方式。調(diào)制方面，DVB-S2 支持8PSK、16APSK、32APSK 等高階調(diào)制方式，滾降系數(shù)最低可以達(dá)到0.05。NS4是以色列NovelSat 公司自己開發(fā)的一種調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)，它是衛(wèi)星行業(yè)最新的第四代傳輸波形，已經(jīng)被全世界的許多轉(zhuǎn)播商以及電視臺所應(yīng)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(diào)制方式，滾降系數(shù)最低可以達(dá)到0.02。

圖6 4K信號經(jīng)過4K光端機(jī)出來的測試結(jié)果

圖7 NS3/NS4調(diào)制方式對比 DVB-S2X效率提升

（2）調(diào)制方式：在通信系統(tǒng)中，MAPSK 的星座圖由同心圓組成，每個(gè)圓上分布著等間隔的PSK 信號點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)都是復(fù)值，8PSK 星座是在一個(gè)單位圓上等間隔分布的8個(gè)點(diǎn)，初始相位為0，16APSK 星座有2個(gè)同心圓，半徑分別為R1和R2，內(nèi)圓有4個(gè)點(diǎn)，外圓為12個(gè)點(diǎn)。目前衛(wèi)星行業(yè)常用的調(diào)制方式有QPSK、8PSK、16APSK、32APSK 等。數(shù)字調(diào)制可以充分利用衛(wèi)星信道中有限的帶寬，提高頻譜效率。在高清1080p 時(shí)代，QPSK、8PSK 已經(jīng)能夠滿足大部分的業(yè)務(wù)需求，然而進(jìn)入4K 超高清時(shí)代，它們就顯得有所力不從心，所以更高階的調(diào)制方式得到了應(yīng)用。但是高階的PSK 調(diào)制方式存在著誤碼率很高，具有功率回退來恢復(fù)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(diào)制所含幅度和相位信息是變量可分離，可以在調(diào)制端采用簡單的預(yù)失真算法（Pre-Distortion）進(jìn)行幅度非線性矯正而不影響相位特性，使得衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器在透明轉(zhuǎn)發(fā)這種高階調(diào)制信號時(shí)的功率效率不明顯降低，同時(shí)還可以在接收端使用符號間干擾抑制技術(shù)保證合理的接收門限。16APSK 技術(shù)，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(diào)制方式和16APSK調(diào)制方式星座圖

（3）FEC 前向糾錯(cuò)（Forward Error Correction）：前向糾錯(cuò)編碼（FEC）技術(shù)通過在傳輸碼列中加入冗余糾錯(cuò)碼，在一定條件下，通過解碼可以自動(dòng)糾正傳輸誤碼，降低接收信號的誤碼率（BER）。數(shù)字信號實(shí)際傳送的是數(shù)據(jù)流，一般數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的連續(xù)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(jù)需要分成長度不等的數(shù)據(jù)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(jié)的包組成，含有獨(dú)立時(shí)基的一個(gè)或多個(gè)節(jié)目，適用于誤碼較多的環(huán)境。從PES 流到TS 流，這個(gè)過程中已經(jīng)加進(jìn)去FEC 糾錯(cuò)碼，可以采用不同的速率FEC rate，在DVB-S 標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定5種速率——1/2、2/3、3/4、5/6、7/8。以7/8為例，其實(shí)際意義是，在一個(gè)TS 流中，只有7/8的內(nèi)容是裝有節(jié)目內(nèi)容的PES 流，而另外的1/8內(nèi)容，則是用來保護(hù)數(shù)據(jù)流不發(fā)生變異的糾錯(cuò)碼。

FEC 糾錯(cuò)率越低，則糾錯(cuò)碼占據(jù)的比例越高，同樣功率時(shí)，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(cuò)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(shù)α（Roll off factor）：在無碼間串?dāng)_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(wèi)星的通頻帶寬以及symbol rate 之間的關(guān)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(shù)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(shù)為0.05，而NS4調(diào)制可以將滾降系數(shù)最低做到0.02。

圖9 滾降系數(shù)對于載波的影響

圖10 測試現(xiàn)場環(huán)境

測試當(dāng)天天氣晴空少云，測試環(huán)境周圍沒有無線干擾。測試的現(xiàn)場環(huán)境、部分頻譜儀截圖以及測試數(shù)據(jù)如圖10所示。

4.2 測試結(jié)果分析

通過本次的實(shí)際測試以及測試的數(shù)據(jù)分析，綜合考慮可用的信息速率、占用帶寬、誤碼率、自發(fā)自收的Margin 以及功放功率等幾個(gè)因素，我們得出了以下的結(jié)論：

（1）利用2.4米車載C 波段天線以及800W 功放，在不破壞衛(wèi)星車原有路由而僅僅將編解碼器、調(diào)制解調(diào)器、監(jiān)視器等設(shè)備升級為4K 設(shè)備的情況下，是可以完成4K 超高清廣播級視頻任務(wù)的傳送的。然而通過數(shù)據(jù)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(gè)比較高的值，這對于發(fā)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(shù)下的載波（部分）

圖12 自發(fā)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(wèi)星帶寬的情況之下，利用NS4 16APSK 調(diào)制方式下，傳輸?shù)膶?shí)際信息速率可以達(dá)102.22Mb/s，而DVB-S2X 16APSK 調(diào)制方式下，實(shí)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(diào)制參數(shù)。

在18MHz 衛(wèi)星帶寬情況之下，NS4 16APSK 調(diào)制方式的誤碼率要遠(yuǎn)小于DVB-S2X 16APSK 調(diào)制方式，NS4信噪比也略好于DVB-S2，因此選擇NS4 16APSK、FEC5/6的調(diào)制參數(shù)。

表2 測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

在15MHz 衛(wèi)星帶寬情況之下，NS4 16APSK、FEC9/10 的參數(shù)下雖然信息速率可以達(dá)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(diào)制參數(shù)。

在9MHz 衛(wèi)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(jìn)行正常傳輸?shù)?，只不過受到帶寬的限制，無論哪種調(diào)制參數(shù)下的最大信息速率只能達(dá)到25.77 Mb/s，結(jié)合誤碼率、余量等指標(biāo)，我們最后還是推薦NS4 16APSK、FEC5/6、Roll off 0.02的調(diào)制參數(shù)。

5 結(jié)束語

綜合上文所述，我們先是實(shí)際測試并推薦了4K 超高清信號源接入衛(wèi)星車的方式，然后我們對不同的衛(wèi)星參數(shù)之下傳輸4K超高清視頻的表現(xiàn)做了分析并提出了我們建議的參數(shù)設(shè)置。但是實(shí)際使用的環(huán)境條件、衛(wèi)星天線尺寸、用戶方實(shí)際的傳輸需求等因素都會(huì)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(shù)的設(shè)置可能需要因地制宜。國內(nèi)4K 超高清視頻業(yè)務(wù)處在高速發(fā)展的黃金時(shí)期，傳輸?shù)氖侄我苍絹碓蕉啵篢ICO 淺壓縮基帶傳輸、公網(wǎng)傳輸、與5G 結(jié)合等，在這些層出不窮的新技術(shù)新手段當(dāng)中，我們相信傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信在4K 的傳輸中仍會(huì)占有重要的位置，綻放出獨(dú)特光彩。