4K 超高清视频卫星传输研究（C-Band）

刘俊谷

（中国电信股份有限公司上海应急通信局，上海 200437）

1 背景

随着2018年10月1日中央广播电视总台CCTV-4K 超高清频道正式开播，以及广东相关4K 超高清频道开播，我国电视媒体行业步入了4K 时代。中央电视台也提出了4K 发展的总体目标：2018-2021年，完成4K 超高清频道技术系统建设，全面支持4K超高清电视的“采、编、播、存、传”，具备每天约100小时的4K 节目制作能力，并通过广电网和电信网服务广大用户，引领我国4K 超高清电视发展。我们的卫星通信自然就属于“传”这一环节。怎样利用卫星来传输4K 视频信号，将超高清视频送至千家万户，满足广大人民对于美好生活的向往已经显得尤为重要。

4K 超高清是建立在高清基础之上，它的分辨率从高清的1920*1080提高至3840*2160，分辨率整整上升了4倍。4K 实际是指视频的水平分辨率接近或者达到了4000，即水平分辨率3840和水平分辨率4096我们都将其称之为4K 超高清。4K 在分辨率上的大幅提升势必会对我们的卫星传输带宽提出更高的要求。

为了探索4K 超高清广播级视频怎么实现卫星传输，对于传输的一些具体的参数与细节有着怎么样的要求，笔者利用中国电信上海应急通信局2.4米C 频段卫星车以及若干4K 超高清设备，进行了4K 上星传输测试，对不同的参数以及传输的结果进行分析，旨在观察不同带宽之下的传输表现找出适合4K 超高清传输的可行方法。

2 测试传输路由以及测试设备

图1 传输路由

表1 测试设备

3 测试信号说明以及采集方式的研究

3.1 测试信号的选择以及标准说明

目前，国际上常用的4K 信号格式有QUAD 和2SI 两种格式，它们的分辨率都可达到3840*2160。QUAD 是最早采用的4K 格式，目前仍被广泛使用，它的特点是四分屏，由4个3G 信号共同组成一个4K 画面。而2SI 采用像素点交织方式分配4路信号，它的任意一路3G-SDI 都可作为4K 信号的1080P 格式。图2可以直观地对比这两种格式的区别。

图2 QUAD与2SI的区别

本次4K 卫星测试采用的信号源为AJA 公司KI PRO ULTRA PLUS 录放机所录制的4K HDR HLG 超高清信号，分辨率为3840*2160P 50 帧（信号是UHD 格式）BT2020 色域、亮度为1000nit，采用4*3G 的方式，编码方式采用了QUAD 方式。图像内容为花卉的风景画面以及晚会演出画面。

图3 AJA录放机及HLG信源

采用的测量仪器为泰克公司的WFM8300矢量分析仪，泰克公司建议的4K 信号传输测试标准为：

（1）以第一路为基准，剩下三路相对于第一路的延时不能超过400ns。

（2）解码器解出来的每一路3G SDI 信号的电平值标准为800mV+-10%。

图4 Tektronix WFM8300矢量分析仪

3.2 测试信号的采集方式研究

4K 超高清信号对于线材的长度以及质量要求肯定是非常之高的，本次测试采取的4K 传输方式是4*3G 传输，也就是4 路3G 信号合成一路12G 信号，带来的问题是布线非常繁杂，系统连线成4倍增加。该方式以第1路3G-SDI 信号为基准，剩下3路3G 信号相对于第1路信号的延时不能超过400ns。出于信号同步以及信号电平的考虑，我们设计了一个实验来分别测试4根规格完全相同的5M、25M、50M 高清视频线对于4K 信号的具体影响。测试的眼图、电平值以及延时如图5所示。

图5 不同长度线材对于4K信号影响的测试结果

可以看出，当视频线长度为5M 时，电平值为796mV，剩下三路相对于第一路的延时分别为26.936ns、20.202ns、26.936ns，眼图比较清晰。当视频线长度为25M 时，电平值为649mV，剩下三路相对于第一路的延时分别为26.936ns、33.670ns、47.138ns，眼图有些模糊。当视频线长度为50M 时，电平值为381mV，剩下三路相对于第一路的延时分别为329.966ns、309.764ns、323.232ns，眼图模糊不清。在实际的卫星测试中，这三种长度的线材所传输的4K 信号都能够达到4K 编码器的门限，被编码器锁定，但是出于传输的安全性以及稳定性考虑，我们认为在正式的转播之中，线材长度越短，规格越高对于信号的传输越好。

但是在实际的现场转播之中，负责信号制作的转播车或者摄像机常常会距离我们的卫星车比较远，这就导致了视频线不可避免的很长，再加之4K 传输需要4根同规格的视频线，收放起来也比较麻烦。因此我们认为对于信号源距离编码器较远的情况，可以使用4K 高清光端机实现中继。为此我们也搭建了一个4K 光端机传输链路，来测试传输是否可行。

光端机采用了ARTEL 公司的6000A 4K 超高清光端机，信号源仍为AJA 录放机的4K HDR HLG 信号，收发端线材都为4根5M 的CANARE 杠7视频线，光缆长度为300M。测试的结果如图6所示。

可以看出在经过4K 光端机之后，信号的电平值为820mV，剩下三路相对于第一路的延时分别为20.202ns、33.670ns、20.202ns，符合泰克公司给出的标准。此次光端机测试一共持续了1个小时没有间断，我们也一直在观察传输画面对的质量，没有出现拉丝抖动等情况，画面一直保持稳定。我们认为使用4K光端机作为中继是可行的。

4 卫星全链路测试

4.1 上星传输测试

确定了信号源以及采集方式的选择，正式开始4K 超高清视频的上星传输测试。本次卫星测试观察在不同的带宽以及调制参数之下，4K 超高清视频传输的实际情况。我们首先对卫星测试种用的参数进行解释。

（1）调制标准：调制标准我们选择了DVB-S2 以及NS4。DVB-S2欧洲电信标准化协会（ETSI）发布的卫星数据广播技术规范，是关于调制技术和信道编码技术的规范，它能够很好满足高清电视传输的需求。中国的地面数字电视、CMMB、ABS-S等标准也陆续采用了LDPC 码作为其纠错编码方式。调制方面，DVB-S2 支持8PSK、16APSK、32APSK 等高阶调制方式，滚降系数最低可以达到0.05。NS4是以色列NovelSat 公司自己开发的一种调制标准，它是卫星行业最新的第四代传输波形，已经被全世界的许多转播商以及电视台所应用，包括中国中央电视台。NovelSat 公司宣称NS4对比DVB-S2效率最高可以提升45%，对比DVB-S2X 效率最高可以提升32%。同样NS4 也支持8PSK、16APSK、32APSK 甚至64APSK 等高阶调制方式，滚降系数最低可以达到0.02。

图6 4K信号经过4K光端机出来的测试结果

图7 NS3/NS4调制方式对比 DVB-S2X效率提升

（2）调制方式：在通信系统中，MAPSK 的星座图由同心圆组成，每个圆上分布着等间隔的PSK 信号点，每个点都是复值，8PSK 星座是在一个单位圆上等间隔分布的8个点，初始相位为0，16APSK 星座有2个同心圆，半径分别为R1和R2，内圆有4个点，外圆为12个点。目前卫星行业常用的调制方式有QPSK、8PSK、16APSK、32APSK 等。数字调制可以充分利用卫星信道中有限的带宽，提高频谱效率。在高清1080p 时代，QPSK、8PSK 已经能够满足大部分的业务需求，然而进入4K 超高清时代，它们就显得有所力不从心，所以更高阶的调制方式得到了应用。但是高阶的PSK 调制方式存在着误码率很高，具有功率回退来恢复线性特征的弊端，而幅度相移键控（APSK）在一定程度上解决了这些弊端，APSK 调制所含幅度和相位信息是变量可分离，可以在调制端采用简单的预失真算法（Pre-Distortion）进行幅度非线性矫正而不影响相位特性，使得卫星转发器在透明转发这种高阶调制信号时的功率效率不明显降低，同时还可以在接收端使用符号间干扰抑制技术保证合理的接收门限。16APSK 技术，在16QAM 和16PSK 之间取得了很好的折中，其误码性能接近16QAM，抗非线性性能接近16PSK。

图8 8PSK调制方式和16APSK调制方式星座图

（3）FEC 前向纠错（Forward Error Correction）：前向纠错编码（FEC）技术通过在传输码列中加入冗余纠错码，在一定条件下，通过解码可以自动纠正传输误码，降低接收信号的误码率（BER）。数字信号实际传送的是数据流，一般数据流包括以下三种：一是ES 流：也叫基本码流，包含视频、音频或数据的连续码流。二是PES 流：也叫打包的基本码流，是将基本码流ES 流根据需要分成长度不等的数据包，并加上包头就形成了打包的基本码流PES 流。三是TS 流：也叫传输流，是由固定长度为188字节的包组成，含有独立时基的一个或多个节目，适用于误码较多的环境。从PES 流到TS 流，这个过程中已经加进去FEC 纠错码，可以采用不同的速率FEC rate，在DVB-S 标准中，规定5种速率——1/2、2/3、3/4、5/6、7/8。以7/8为例，其实际意义是，在一个TS 流中，只有7/8的内容是装有节目内容的PES 流，而另外的1/8内容，则是用来保护数据流不发生变异的纠错码。

FEC 纠错率越低，则纠错码占据的比例越高，同样功率时，对解码的门限要求越低，要求天线口径越小，接收越容易；FEC越高，则纠错码越低，解码门限值越高，天线口径要求越大，接收越困难。

滚降系数α（Roll off factor）：在无码间串扰条件下所需带宽W 和码元传输速率Rs 的比值（即奈奎斯特频率）它与卫星的通频带宽以及symbol rate 之间的关系为：通频带宽=符号率*（1+α），通过下图我们可以直观的看到，滚降系数越小，载波的波形显得越陡，带宽的利用率越高。上面说到的DVB-S2最低的滚降系数为0.05，而NS4调制可以将滚降系数最低做到0.02。

图9 滚降系数对于载波的影响

图10 测试现场环境

测试当天天气晴空少云，测试环境周围没有无线干扰。测试的现场环境、部分频谱仪截图以及测试数据如图10所示。

4.2 测试结果分析

通过本次的实际测试以及测试的数据分析，综合考虑可用的信息速率、占用带宽、误码率、自发自收的Margin 以及功放功率等几个因素，我们得出了以下的结论：

（1）利用2.4米车载C 波段天线以及800W 功放，在不破坏卫星车原有路由而仅仅将编解码器、调制解调器、监视器等设备升级为4K 设备的情况下，是可以完成4K 超高清广播级视频任务的传送的。然而通过数据分析可以看出，利用2.4米C 波段天线来传输4K 视频，高功放的功率一直维持在一个比较高的值，这对于发射端的功放以及接收端的天下尺寸的要求较高。

图11 不同参数下的载波（部分）

图12 自发自收画面

（2）利用2.4米车载C 波段天线以及800W 功放，在36MHz卫星带宽的情况之下，利用NS4 16APSK 调制方式下，传输的实际信息速率可以达102.22Mb/s，而DVB-S2X 16APSK 调制方式下，实际信息速率为88.27Mb/s，因此在这种条件之下，我们推荐使用NS4 16APSK、FEC 3/4、Roll off 0.02的调制参数。

在18MHz 卫星带宽情况之下，NS4 16APSK 调制方式的误码率要远小于DVB-S2X 16APSK 调制方式，NS4信噪比也略好于DVB-S2，因此选择NS4 16APSK、FEC5/6的调制参数。

表2 测试数据统计

在15MHz 卫星带宽情况之下，NS4 16APSK、FEC9/10 的参数下虽然信息速率可以达到最大50.15Mb/s，然而带来的误码率为1.8×10-2，相对于FEC5/6 的2.1×10-5较大，而DVB-S2 16APSK 条件下的MARGIN 值稍小，DVB-S2 8PSK 条件下信息速率最大值仅为34.88Mb/s，综合考虑来看选择NS4 16APSK、FEC5/6、Roll off 0.02的调制参数。

在9MHz 卫星带宽情况之下，我们首先肯定4K 视频是可以通过9M 带宽进行正常传输的，只不过受到带宽的限制，无论哪种调制参数下的最大信息速率只能达到25.77 Mb/s，结合误码率、余量等指标，我们最后还是推荐NS4 16APSK、FEC5/6、Roll off 0.02的调制参数。

5 结束语

综合上文所述，我们先是实际测试并推荐了4K 超高清信号源接入卫星车的方式，然后我们对不同的卫星参数之下传输4K超高清视频的表现做了分析并提出了我们建议的参数设置。但是实际使用的环境条件、卫星天线尺寸、用户方实际的传输需求等因素都会与本次测试存在着一定的差异，因此接入方式的选择和参数的设置可能需要因地制宜。国内4K 超高清视频业务处在高速发展的黄金时期，传输的手段也越来越多：TICO 浅压缩基带传输、公网传输、与5G 结合等，在这些层出不穷的新技术新手段当中，我们相信传统的卫星通信在4K 的传输中仍会占有重要的位置，绽放出独特光彩。