DVB-S2和H.264结合使用技术

上海广播电视卫星地球站 金 勇 武维青

随着新的卫星数字视频广播标准DVB-S2以及信源编码技术标准H.264颁布，使得低码率、高画质、窄带宽卫星传输得到应用。

H.264是一种高性能的视频编解码标准，它是由联合视频组（JVT）共同制定的新数字视频编码标准。我们常见到的不论是MPEG-4 AVC，MPEG-4 Part 10，还是ISO/IEC 14496-10，都是指H.264。H.264最大的优势是具有很高的数据压缩比率，在同等图像质量的条件下，H.264的数据压缩比是MPEG-2的2倍以上，是MPEG-4的1.5～2倍。传输所需码率约为MPEG-2的36%，MPEG-4的61%。在较低带宽上提供高质量的图像传输是H.264的应用亮点。

信道编码就是在信源编码的基础上，按一定规律加入一些新的监督码元，以实现纠错的编码。信道编码的本质是增加通信的可靠性，提高数据传输效率，降低误码率。DVB-S2是卫星数字化视频广播的第二代标准，它最引人注目的革新在于信道编码方式，包括纠错编码和调制。DVB-S2采用的是功能更强大的前向纠错系统，即BCH和LDPC（低密度奇偶校验码）级联的信道编码方式，能有效降低系统解调门限，距离理论的香农极限只有0.7～1dB的差距。调制则以多种高阶调制方式（8PSK，16APSK，32APSK）取代QPSK。DVB-S2在设计中充分考虑了业务多样性需求，具有很好的适应性。如DVB-S2支持多种内码码型，包括1/4，1/3，2/5，1/2，3/5，2/3，3/4，4/5，5/6，8/9，9/10等；频谱成形中的升余弦滚降系数α可在0.35，0.25，0.2三种中选择，而不是DVB-S固定的0.35，而α越小，频谱利用率越高。新的编码调制方案8PSK&LDPC已经十分接近香农极限，可得到QEF（准无误码）的接收（DVB-S2的QEF标准为：在解码器接收5Mb/s的单路电视节目时，每传输1小时产生少于一次无法校正的错误，近似相当于解复用前TS流PER＜10－7），比DVB-S标准提高了3dB。

可见，DVB-S2代表着更高的频带利用率、更先进的编码方式和接近香农极限的系统性能。在同样的传输条件下，DVB-S2的性能比DVB-S至少提高了30%，大大提高了卫星的带宽利用率。另一方面，相比DVB-S对信源的格式有严格的规定（即MPEG TS流），DVB-S2则灵活得多，支持包括MPEG-2，MPEG-4，MPEG-4AVC（H.264），WM9在内的多格式信源编码格式及IP，ATM在内的多种输入流格式，实现了对多种数据输入格式的支持，这也为DVB-S2结合H.264技术使用提供了基础。

作为当前信道编码和信源编码的最新成果，DVB-S2和MPEG-4AVC（H.264）的结合可谓强强联手。在卫星传输市场，如果使用新的卫星传输标准DVB-S2和H.264，理论上一台36MHz的卫星转发器可以传输高达20～25路标清电视或5～6路高清电视，数倍于现有的DVB-S+MPEG-2方案的传输能力。美国及欧洲的卫星运营商从2004年起相继采用H.264解码芯片来配备卫星高清机顶盒，直播卫星节目采用H.264编码方式。在国际赛事及大型活动电视转播中，EBU，Globcast也广泛采用此种方式进行卫星节目传输。

但是另外一方面，由于当前DVB-S在全世界范围内的广泛应用，而技术的更新必然也要求设备（包括编码、调制设备、解调、解码设备）进行更新换代。如H.264的高效率压缩技术依赖于更加复杂的计算方式，这必然对硬件设备提出了更高的要求。目前，在我国上行的各地卫星电视节目都是标清信号，采用DVB-S标准，即DVB-S＋MPEG-2传输方式，这几年上行的东方卫视、江苏、浙江等高清卫视节目包括央视高清频道也是此种方式。如果上星卫视更新技术，那么必然要求全国各地上行站及地球站更新大量的编解码和调制设备以及解调、解码设备。这也就决定了在国内直播卫星上不可能完全放弃MPEG-2已成熟的技术体系，实行新技术，这种技术体系的改变不会一蹴而就，将是一个比较漫长的过程。

那么，在临时传输业务方面呢？我们可以充分利用新技术，以实现提高传输效率，节约成本的目标。上海卫星地球站目前每日需接收深圳、北京演播室上行的电视节目并上行节目给这两地接收，此外还要利用卫星车和Flyaway通过卫星通道传输大型活动和各种赛事。卫星资源需求量很大，平时一直采用传统的DVB-S＋MPEG-2传输方式，在卫星资源紧张的时段必须不停地协调、调度各上行方，有时还需临时申请新的频点，以保证节目传输的正常。为此，上海卫星地球站积极利用新技术，在保证节目传输质量的前提下，利用站内现有设备通过DVB-S2和H.264的结合使用，实现在2M带宽下传输电视节目和素材，极大地提高了卫星带宽利用率。

上海卫星地球站负责集团内各频道赛事、新闻等节目传输任务，为接收国外足球、网球等赛事活动，已更新了一批Tandberg1290接收机，可以解调、解码8PSK和H.264信号。目前，国内的H.264编解码器厂商可以在1.2Mb/s的编码码率下实现D1（720×576）分辨率的连续清晰图像。我们选用Ericsson编码器、DM2120调制器、Tandberg1290接收机搭建测试系统，标清、高清数据传输所需带宽如表1。

表1 标清、高清数据传输所需带宽

通过表1可以看到，原来需要6M卫星带宽的标清节目，现在只要2M即可传输。那么，原来需要不停调度上行的情况将不复存在，北京、深圳都采用2M带宽上行，可在原卫星资源下同时上行，还节约了2M带宽，同时也避免了两家节目同时需要上星时必须要协调或另外申请卫星通道的情况。

在表1中带宽的基础上，我们对系统图像质量还原进行测试，影响还原图像质量的因素主要两方面：一是硬件因素；二是图像内容，它是由图像的亮度和色度以及空间和时间的各种复杂性组合体现的。我们利用某公司的PQA600图像质量分析仪对不同的信源在系统中运行进行客观图像质量测量，PQA600存储被测系统的输出并进行分析，图像质量用单一数值表示，该数值称为图像质量率（PQR）。PQR值越小表示还原图像质量越高，测量时记录最高、最低值并以平均值为标准，分别采用相对静止图像、色彩艳丽图像、运动图像进行测试，具体结果如表2。

表2 测试结果

在做完图像还原测试后，利用某公司的WFM7120视音频时延测试功能，检测同一信源通过不同中频系统后，信号还原的时间比对。通过测试得出H.264与DVB-S2系统带宽为2M时，时延为0.933s；同样设备配置为MPEG-2与DVB-S系统带宽为6M时，时延为0.929s，两者相差不大。

通过上面测试数据的比较，可以看出H.264与DVBS2相结合在保证了广播电视质量的前提下，极大提高了卫星传输效率，也降低了运营成本。上海卫星地球站目前对于系统内传输电视节目素材已全部采用H.264与DVB-S2相结合技术，在传输标清节目时采用2M卫星带宽，高清节目时采用8M卫星带宽，极大节约了运营成本。目前，已成功传送北京、深圳演播室连线以及“旅游节”、“龙舟赛”、“女足”等各类大型活动及赛事。相信随着硬件设备的推广，硬件价格的普及，H.264结合DVBS-2的卫星传输方式在国内也将越来越广泛的运用。