卫星直播高清数字电视

+ 随之轩 （石家庄市第一中学） / 田议 （中国电子科技集团公司54所）

卫星直播高清数字电视

+ 随之轩 （石家庄市第一中学） / 田议 （中国电子科技集团公司54所）

本文论述了卫星直播高清数字电视性能要求的理论依据，对我国具有自主知识产权的信源编码标准AVS+进行了解读，简要介绍了高清数字电视广播性能参数设置，并提出了卫星直播高清数字电视的主要性能要求。

卫星直播 灰度 像素 视频带宽 信源编码 符号率 量化 调制 加扰 眏射 FEC AVS+

我国于1996年开始卫星数字电视广播，中央台及各省市台的上星节目至今仍以SDTV广播为主，直播卫星广播的开播给卫星高清数字电视创造了有利的条件，转发器不但数量多而且还增加了54M带宽的转发器，也就是说现阶段实现高清数字电视广播的卫星资源已不是问题。

地面高清数字电视广播和高清平板电视机(4K、8K)的发展，也促进卫星高清数字电视的发展，因为大部分家庭在硬件上都具备了接收高清数字电视的条件，人们观赏电视节目已不再满足于SDTV,他们更希望观看卫星高清数字电视节目，因此发展和普及卫星高清数字电视已刻不容缓。

数字码率较SDTV要高很多，因此大压缩码率的信源编码技术非常关键，为实现大压缩码率的信源编码，提高信道利用率，2012年广电部门颁布了我国的信源编码标准，设定了技术上的国家标准。

一、数字电视有关要求

（一）数字电视一般概念

一般要求HDTV水平像素和垂直像素数量近似于常规电视的2倍，为满足高清晰度电视，要求垂直方向的扫描线至少应达到1000多行，HDTV的视频带宽大约为标准清晰度电视视频带宽的5倍，因为在这样带宽时黑白图像的灰度层次更加丰富，能充分显示图像的微小细节，这是对高清晰度电视的基本要求。对彩色电视可用单独带宽传输彩色信息，使总视频带宽达到标准清晰度电视视频带宽的5～8倍即可。由于人类视觉对亮度细节变化的敏感度比彩色变化的敏感度更敏感，因此设计产品时应将视频带宽的主要部分用于传输亮度信息，把剩余的带宽用于传输色差信息，这样可提高视频信号传输带宽的利用率。

为减少应传输的信息量，一般将视频信号的分量信号分为亮度信号和色差（有两个色差）信号，用一个全带宽亮度通道（Y）表示视频信号的亮度细节，将两个色差通道（R-Y）和（B-Y）的带宽限制在亮度带宽的一半左右，这样仍可提供足够的彩色信息。采用这种办法可通过简单的线性矩阵变换即可实现R、G、B三基色与Y 、`R-Y、B-Y分量信号的转换。按理还应有一个G-Y, 但在实际应用中只要传前三个信号就可算出(G-Y)了，故G-Y通常在一些文章中就不表示出来。在实际高清电视信号传输中，通常不用R、G、B三基色信号传输视频，因为这种传输方法带宽利用率极低，其原因是传输时R、G、B均需相同带宽，假如标准清晰度电视每种颜色占6M 带宽,则三种颜色加起来的带宽就是18M。因此为节约带宽，现在无论标清或高清电视都不用R、G、B传输视频。

数字电视是将模拟视频分量信号量化后变成数字信息传输的，若视频带宽为6M ,则取样频率应为2.25M的正倍数，按奈奎斯特理论，若要真实地还原信号，取样频率必须大于2倍的最高视频频率（2.25，即亮度信号的取样频率。对PAL和NTSC制为避免出现两个取样标准，其取样频率必须是两个行频的最小公倍数，这样才能整除，2.25M是近似值。PAL制为625行，帧频为25 ,行频为 ,故PAL制的亮度取样频率为：fs=15625×N=13.5MHZ，其中N=864为每一扫描行上的取样点。

两个色差信号取样频率为6.75，按每赫兹10b/s量化，则亮度和两个色差信号量化后总的串行码率为270Mb/s ,这样大的码率是无法传输的，故必须进行压缩编码,MPGE-2 H264 、AVS+、H265、MPEG-4都是先进的信源压缩编码标准，这是实现卫星HDTV的基础，也就是说卫星HDTV是建立在大压缩比信源编码基础上而实现的。

（二） 符号率的概念

符号率是指信号的比特率与信道参数的有关数据传输速率。

数据传输速率就是：在数字电视（通信）中数据传输速率与调制速率是两个概念，数据传输率（称为码率、比特率或数据带宽）是通信中每秒传送的比特数，单位是b/s.

在通信中若将数据传输到远方，必须将数据通过调制技术进行传送，即将数据信号调制到载波上进行传送，如QPSK、8PSK等调制，在收端通过解调得到数据信息。数据信息对载波调制的过程会使载波的振幅、相位、频率随调制方式的不同而发生变化。

波特率是数据信号对模拟载波调制时，载波每秒变化的数值，又称调制速率，波特率也叫符号率。在数据传输中，数据是由符号组成的，采用的调制制度不同，符号所眏射的比特数也不同，符号又称单位码元。如果一个单位码元对应多个比特的数据（m个），则单位码元为多进制码元。此时比特率与符号率的关系为： 比特率=符号率×log2m

如QPSK,m=4 ,则比特率=2倍符号率。这里log2m称为调制比特率。符号率与传输带宽的关系：

符号率（SR）与传输带宽（BW）的关系为：

BW=SR(1+α) α---为成形滤波器的滚降系数。

当↑α=0 时，矩形系数最好，占用带宽最窄。

当α=1 时，带外特性呈平坦型，占用带宽为 α=0时的2倍。

当α＜1 时，带宽为α=0时带宽的1+α倍

一般α的取值不大于0.5，当α=0.16时，若其带宽为8MH_Z,则：

符号率=8÷(1+0.16)=6.896（MS/S ）。

二、AVS+标准的实施时间

2014年4月18日·，工业和信息化部与国家新闻出版广播

影电视总局，发布了广播电视先进视频编码（AVS+）技术应用实施指南，要求在卫星、有线、地面广播数字电视及CNTV、IPTV等领域全面推广AVS+标准。

（一）卫星传输分发电视：要求2014年12月31日前，对已上卫星的HDTV频道采用AVS+.标准。

（二）卫星直播电视：要求HDTV频道应采用AVS+标准，2014年5月31日前进行AVS+技术试验，2014年7月1日起开始部署支持AVS+标准的HDTV解码机顶盒。

（三） 地面广播数字电视：2014年7月1日起，除批准的7个城市试验AVS标准外，其余的城市均改为AVS+标准，并部署支持AVS+标准的解码机顶盒。

（四）有线数字电视：2014年7月1日起部署支持AVS+的高清解码机顶盒，对新增加的高清电视频道，优先选用AVS+标准。

2.5 CNTV和IPTV：2014年7月1日起，对具有IPTV和CNTV集成播控平台牌照的企业，应将自有平台的新增视频内容优先采用AVS+标准编码格式进行传输、分发和接收，对自有平台上存量视频内容，应逐步转换为AVS+标准编码格式。

图 1 基于AVS+的卫星传输分发数字电视系统方案

图2 基于AVS+的卫星直播数字电视系统方案

三、AVS+信源编码标准

（一） AVS+信源编码标准内容

AVS+是信源编码标准，是比特率压缩较大的、具有自主知识产权的广电行业标准，它的标准名称为：GY／T257.1－2012广播电视先进音视频编解码（AVS+）。

第一部分：视频。包括以下内容：

Ku－E2000HD／3D嵌入式AVS+Dual－Pass编码器；

Ku－E2000SD4嵌入式AVS+Dual－Pass多路编码器；

ku－T2000嵌入式AVS＋转码器，支持AVS+、H264、 MPEG－2转换；

Ku－M2000嵌入式AVS＋统计复用；

Ku－D2000嵌入式AVS＋IRD集成接收解码器。

AVS+高清视频编码器输出码流为4Mb／S～16Mb／S，卫星广播用:10Mb／S～12Mb／s。地面广播用：湖南4Mb／S，广东3～4Mb／S。

（二）卫星技术应用指南

1、卫星传输分发数字电视卫星传输分发数字电视系统前端，将电视台播出的节目直接进行AVS+编码，再进行复用、加扰、调制和上星等环节处理，通过卫星信道传输分发：在数字电视网前端，相应卫星节目信号，由AVS+卫星综合接收解码器接收，基于AVS+的卫星传输分发数字电视系统方案如图1所示。

2、卫星直播数字电视

卫星直播数字电视系统前端接受来自卫星或光纤的高清电视节目，如果节目源是AVS+码流，则可将该码流直接复用，然后进行调制和上星处理，通过卫星信道传输，若节目源是

MPEG-2码流，则应将其转换成AVS+码流，然后进行复用，再进行调制、加扰和上星处理，在下行线路的终端，直接用AVS+解码的高清机顶盒，接收直播卫星数字电视信号，并进行

AVS+码流解码。基于AVS+的卫星直播数字电视系统方案如图2所示。

（三）技术应用指导意见

1、卫星传输分发数字电视的类和级

2014年1月1日起，各电视台新上星的高清数字电视节目，视频采用AVS+标准中的广播类（broadcast profile）、级6.0.1.0860压缩编码方式，建议音、视频总码率不低于12Mb/s

音频支持环绕立体声，建议压缩码率不低于384kb/s.。

2013年12月31日前已上星的高清数字电视节目，应按上述要求进行转换。

2、卫星直播数字电视

对于卫星直播高清数字电视，视频应采用AVS+标准中的广播类（broadcast profile）、级6.0.1.08.60压缩编码方式，建议音、视频总码率不低于12Mb/S,音频支持环绕立体声，建议压缩码率不低于384Kb/S.

2014年7月1日起开始部署支持AVS+标准的高清解码用直播户户通机顶盒。

图3 信源编码与信道编码原理方框图

四、AVS2信源编码标准介绍

AVS2标准由北京大学深圳研究院数字媒体研究中心制定，编码效率较AVS+翻了一番,2014年12月面向HDTV/uHDTV应用的新一代AVS2标准正式定稿，AVS2标准应用目标是超高清，分辨率是高清的4倍（4K）或16倍（8K）.所说的4K电视是指物理分辨率达到全高清的（FHD1920×1080)4倍，是高清(HD1280×720)的9倍，此时观众可看清画面中的每一个细节，每一个特写。AVS2标准的码率压缩效率较AVS+和H264/AVC提高了一倍，综合性能超越了HEVC/ H265，成为世界最先进的信源编码标准。AVS2标准在场景类视频编码领先最新国际标准，对于视频监控、会议电视、网络教学、数字法庭、远程或近程医疗等存在大量冗余的视频，AVS2标准通过去除冗余，编码效率可再提高一倍。

AVS2音频编码标准，是无损音频编码，也叫无失真音频编码，是人们的期望，AVS2实现了这一梦想，标准已由IEEE颁布实施。标准编号为IEEE1857.2-2013，该标准包括全无损和有损兼容两种方案，或者说也包含了AVS标准有损音频编码。有损音频编码不加密，所有用户都可欣赏。无损音频只有付费用户才能解码。AVS2音频是为HDTV应用的环绕立体声设计的编码方案，能在128Kb/s码率下，实现5.1环绕立体声编码。

五、卫星直播数字电视的要求

（一）中星9号的相关参数

中星9号卫星2008年6月9日发射，定位于东经〖92.2〗0，极化为圆极化（上右，下左），上行频率：17.3～17.8GHZ,下行频率：11.7～12.2GHZ，有效辐射功率（EIRP）49.2～57.5dBw,配置转发器22个即（54MHZ×4+36MHZ×18=22），用于标清电视的36MHZ转发器4个，可传48套电视节目。高清晰度电视用54MHZ转发器。

（二）标准清晰度数字电视的相关要求

标准清晰度数字电视是直播卫星电视一期工程“村村通”项目，信源编码与信道编码设备原理方框图如图3所示。

图3中TV码流与伴音码流复用到一起，形成节目流，12套节目流与12套广播节目码流以及数据码流复用到一起，形成传输流（TS），复用的作用除复用码流外还要将码流打包，不足部分用无效码补齐，有时还要加扰。传输流在卫星直播高清电视系统是AVS+码流,信道编码（FEC）内码采用低密度奇偶校验码(LDPC)，无外码。其内码率为：

QPSK调制解调方式：1/2、2/3、3/4、3/5、4/5、5/6、7/8、9/10、13/15；

支持8PSK调制解调方式：2/3、3/4、3/5、5/6、9/10、13/15；

这些码率.使用时可任选，本系统选3/4是因为补码适中。

映射实际就是将串行码流变成并行码流，物理成帧就是基带成形，将能量扩散后的信号进行升余弦均方根滤波，基带成形滤波器的滚降系数为0.2、0.25、0.35三种，由于基带带宽是低通，转换到射频就是带通，因此滚降系数与数字信息所占射频带宽密切相关，即

射频带宽=符号率×（1+滚降系数），例如28.8×1.25=36MHZ，如按最大符号率计算，则应选0.2的滚降系数，即30×1.2=36MHZ,因为转发器带宽为36MHZ.

该系统采用4个36MHHZ转发器，每转发器传12套电视节目，12套广播节目，以及数据、EPG（节目指南）和机顶盒升级等数据。每套电视节目平均码率为3.2Mb/s,伴音码率为128Kb/s。

该系统采用MCPC工作方,故,每转发器有：

图像码率：3.2×12=38.4Mb/s

伴音码率：0.128×12=1.54Mb/s

广播码率：0.128×12=1.54Mb/s

数据码率：1.72Mb/s

总码率：

38.4 +1.54+1.54+1.72=43.2Mb/s。

当信道编码内码率为3/4时，用QPSK调制方式，则：

图4 卫星直播高清数字电视原理方框图

符号率为：

43.2 ×4÷3÷2=28.8MS/S

本系统为标清电视时，成型滤波器的滚降系数选0.25 ，.这时恰好占用一个转发器带宽即28.8×1.25=36MHZ,当视频码率为45Mb/s，内码率为3/4时，最大符号率为30MS/S，它是在滚降系数0.2时提出的要求。

若采用SCPC工作方式，则单路电视节目时码率应为：

3.2 +0.128+1.54+1.72=6.588Mb/s

这时采用QPSK调制方式，内码为3/4时，符号率为：6.588×4÷3÷2=4.392MS/S

当采用8PSK调制方式时，因为最大码率为43.2Mb/s若要占满转发器带宽还要增加节目数量。故在“村村通”工程中8PSK方式不是必选调制方式。

（三）高清卫星数字电视的要求

按广电GD/J064-2014的文件要求,高清晰度电视最大符号率为45MS/ S,因此使用的转发器带宽应为54MHZ，由于高清电视所需码率较高，因此信源编码是关键，本方案采用AVS+标准的编码技术，音视频总码率不得低于12Mb/s,信道编码输入应为AVS+码流，如是MPEG-2

或H264码流，则应加码率转换器，其方框图如图4所示。

卫星直播高清数字电视规定信原编码采用AVS+编码方式，为与原有的设备方便连接，故必须将其他码流转换成AVS+码流，因此当遇到MPEG-2或H264码流时（不含其它码流），必须进行转码。所谓转码实质上是先解码再编码，达到进入复用器的码流为AVS+码流。复用后的其他功能与图3的功能相同。直播卫星高清电视的主要要求如下：

符号率：2MS/S～45MS/S;

LDPC内码率：QPSK： 1/2、3/5、2/3、3/4、4/5、5/6、13/15;

8PSK ：3/5、2/3、3/4、5/6、13/15；

升余玄滚降滤波器滚降系数（ROF）：0.2、0.25、0.35三种可选；

当滚降系数为0.2时，则转发器带宽为：45MS/S×1.2=54MHZ

当滚降系数为0.25时，则最大符号率为：54÷1.25=43.2MS/S;

高清数字电视最大传输流码率（8PSK,0.25,3/4）

=43.2×3×3÷4=97.2Mb/s

HDTV一套节目音视频码率为：（;一套音频码率为384kb/s）,总码率为12Mb/s;

12套广播码率为：1.54Mb/s;

数据总码率：1.72Mb/s.

因此，当系统为SCPC工作方式时，则一套HDTV节目总码率为：

总码率=12+1.54+1.72=15.26Mb/s；

当内码率为3/4，QPSK工作方式时，则符号率为：15.26×4÷3÷2=10.17MS/S;

8PSK工作方式时，则符号率为：15.26×4÷3÷3=6.78MS/S.

当系统为MCPC工作方式时，QPSK适应最大码率为64.8Mb/s, 8PSK适应最大码率为97.2Mb/s ，建议高清晰度数字电视应采用8PSK调制解调方式，可大大提高频带利用率。

6.综合接收解码器（接收机）要求(部分)

这里 主要介绍大家关心的或理解有争议的电性能要求，以达到使用统一。

输入频率范围：950MHZ～1450MHZ;

输入信号的频率捕捉范围：中心频率±5MHZ

输入电平范围：-65dBm～-30dBm;

符号率范围：2MS/S～45MS/S

门限值：

≤4.8dB(QPSK,FEC=3/4,ROF=0.25);

≤8.2dB(8PSK,FEC=3/4,ROF=0.25)

视频要求：

Y信号幅度 1V_(P-P)±10%（含同步）

Pr信号幅度 ±0.35V±10%（以消隐电平为0V）

Pb信号幅度 ±0.35V±10% （以消隐电平为0V）

Y信号视频幅频特性

±0.5dB(0.5MHZ～26MHZ)

+0.5dB～-4dB（26MHZ～30MHZ）

PR、PB信号视频幅频响应

±0.5dB（0.5MHZ～13MHZ）

+0.5dB～4dB(13MHZ～15MHZ)

行同步信号电平：±300mv

检测频率范围、符号率范围和输入信号的频率捕捉范围时，一定用小符号率（2MS/S）,这样可保证结果的准确性。测试门限值时，可用大符号率，这时测出的结果误差较小。

7.结束语

卫星直播高清数字电视是人们盼望已久的大事，目前条件已具备，不久就能实现全高清广播，为实现全高清必须正确设计产品和性能参数，为解决带宽受限问题，建议HDTV使用8PSK调制解调方式，Y和PR、PB信号的频率响应最低频率应设计为大于零频率，因为0频为直流，不应在视频中出现，为提高视频信号频带利用率，建议PR、PB信号频率响应设计为Y信号带宽的一半即可，行同步信号电平应为±300mv，供生产、设计、检验人员参考。

【1】GY/T257.1-2012广播电视先进音视频编解码（AVS+）第一部分：视频

【2】汪洋溢,田议. 卫星数字电视线路性能设计 . 卫星与网络, 2016,(4)

【3】GD/J064-2014 .卫星直播系统综合接收解码器（标清可升级为高清型）技术要求和测量方法.

【4】GD/J01-2009 .先进卫星广播系统—卫星传输系统帧结构、信道编码与调制：安全模式.

【5】苏志武等. 广播电视传输网络与应用. 2001,(8)

【6】李伟. DVB-S2卫星数字电视发展的“极限”. 有线电视技术, 2004,(2)

【7】汪洋溢,田议. DVB-S2和ABS-S标准对比分析.信息技术与标准化, 2016,(3)