卫星电视直播的关键技术与发展趋势

沈永言 （中国卫通集团有限公司）

卫星电视直播的关键技术与发展趋势

Key Technologies and Development Trends in DTH

沈永言 （中国卫通集团有限公司）

全球2015年发射了11颗、2016年发射了8颗电视直播卫星，2016年另有7颗是以电视直播为主的通信卫星。现在，卫星通信服务业已构成卫星产业的主体，而卫星电视直播则是卫星通信服务业的重心。

目前，卫星电视直播已在美洲、欧洲、亚太、中东等地区得到广泛应用，其发展动力主要来自于市场拉动和技术推动。电子信息技术的进步、大众生活水平的改善，使得人们对于视频内容和服务质量的要求越来越高。2004年前后，高清电视开始在卫星电视直播领域普及，2014年卫星超高清电视直播正式登场。从标清到高清，再到超高清，节目信息量的爆炸式增长对于卫星电视直播产业的拉动作用是巨大的。但是，市场需求要得到真正满足，相应的卫星电视直播服务要真正形成生产力，还需要得到视频编码和信道传输技术的共同推动。只有将传输成本降到用户消费能力之下，卫星高清和超高清电视直播服务才能顺利进入千家万户。

除了视频编码和信道传输技术之外，Ka频段通信卫星大容量传输和点波束覆盖能力，对卫星电视直播规模发展和服务升级的支撑作用同样功不可没。在应用形式和商业模式方面，欧美等发达国家可谓一马当先，卫星电视直播与地面通信之间的融合发展最为充分。

1 卫星电视直播的关键技术

视频编码技术

运动图像专家组－2（MPEG－2）作为第一代视频编码技术的典型代表正式出现于1994年，它可以在3～10Mbit/s速率范围传输标清视频和CD音乐，从而奠定了卫星电视直播的商业化基础。

虽然MPEG－2也能满足高清甚至超高清视频的质量要求，但是一套视频节目以20Mbit/s和80Mbit/s的码速率传输显然是不经济的。为此，2003年5月，国际电信联盟电信标准分局（ITU-T）和国际标准化组织（ISO）/国际电工委员会（IEC）联合制定了高效的H.264/MPEG－4第10部分视频编码标准（简称H.264）。

第二代视频编码标准H.264基于MPEG－4技术，采用差分脉码调制（DPCM）加变换编码的混合编码模式，其编解码流程主要包括帧间和帧内预测、变换和反变换、量化和反量化、环路滤波、熵编码等5个部分。H.264具有码率低、质量高、容错能力强、网络适应能力强等优点，可以分别以2Mbit/s、10Mbit/s和40Mbit/s码速率传输标清、高清和超高清视频，可以适用于广播、互联网协议（IP）和无线等网路环境，以及广播、电话、会议、流媒体、影院、监控等应用环境。其中，卫星高清电视直播是其主要应用领域。值得一提的是，我国具有自主知识产权的视频编码标准——音视频编码标准（AVS）同样属于第二代水平，与H.264和MPEG－4标准相比，在技术等方面有不少创新。

为适应高清视频的广泛需求和超高清发展趋势，国际电信联盟（ITU）和运动图像专家组组织在发布H.264标准之后，很快为第三代视频编码标准H.265[亦称为高效率视频编码（HEVC）]征集技术方案。H.265正式发布于2013年，它沿用了H.264的混合编码模式，在兼顾计算复杂度、压缩率、误差稳健性、系统延时等因素的前提下，比H.264编码效率提高了1倍，即将标清、高清和超高清视频的码速率降低到1Mbit/s、5Mbit/s和20Mbit/s的量级，这为卫星超高清电视直播的商业化发展奠定了基础。2016年5月，我国超高清标准AVS2正式颁布。除了超高清电视，AVS2还针对视频监控设计了场景编码模式，其压缩效率比H.265高出1倍，这标志着我国视频技术和产业进入超高清和超高效的双超时代。

信道传输技术

如果说视频编码的目的在于减少视频信息冗余度，降低信息传输速率需求，那么，信道传输技术则可提高信道频谱利用率，扩大信道传输容量。

包含信道调制技术在内的第一代卫星数字电视传输标准：数字视频广播-卫星标准（DVB-S）由数字视频广播组织（DVB）于1993年推出，其出现时间及后面的升级换代节奏几乎与视频编码技术完全同步。

DVB-S采用四相相移键控（QPSK）信道调制方式以及卷积码和里德-所罗门码（RS）码串行级联前向差错控制方式，滚降系数为0.35，理论频谱利用率为2bit/（s ·Hz-1）。DVB-S不仅为卫星电视直播铺平了道路，同时也成为宽带卫星通信的事实标准。

为了满足高清电视广播、新闻采集、数据分发/中继以及互联网等交互式应用的需求，数字视频广播组织从2002年开始启动了DVB-S到DVB-S2的升级工作，并于2005年正式颁布DVB-S2。DVB-S2在兼容DVB-S的基础上，采用了新的+低密度校验码（BCH+LDPC）纠错编码方式，增加了8PSK、16APSK和32APSK三种调制方式（其中16APSK和32APSK在广播服务中属于可选选项），0.25和0.20两种滚降系数，以及可变编码调制（VCM）和自适应编码调制（ACM）工作模式。通过这些创新，DVB-S2显著提高了卫星传输信道和功率效率，其纠错编码方案离香农极限只差0.7～1dB。

面对技术的不断发展以及超高清电视和其他富媒体的涌现，数字视频广播组织从2011年底开始研究DVB-S2的扩展标准，即DVB-S2X。DVB-S2X主要目标有两个：一是进一步提高现行标准的频谱利用率；二是适应移动接收、Ka频段平台或宽带卫星通信等应用环境。

2014年2月，数字视频广播组织通过了新的DVB-S2X技术规范。相对于DVB-S2，DVB-S2X增加了0.15、0.10和0.05三种滚降系数，以及BPSK、64APSK、128APSK和256APSK四种调制方式。其中，16APSK和32APSK成为广播服务中的必选选项，64APSK为可选项，而128APSK和256APSK不要求实现，BPSK只在甚低信噪比模式（VL-SNR）下使用。先进调制模式的采用使得卫星频谱效率比DVB-S2提升20%～30%，最高可达50%。此外，频道绑定等技术可以更有效地利用转发器信道容量，对同信道干扰有更好的抑制能力。

视频编码与信道传输技术的组合应用

信源编码与信道调制技术是提高视频内容质量，开发利用通信频率资源，扩大通信系统传输能力的重要手段。MPEG－2、H.264、H.265与DVB-S、DVBS-2、DVB-S2X的组合应用，有力地支持了1994年以来卫星电视直播每10年1次的升级换代。对于一个36MHz转发器，H.265与DVB-S2X第三代技术组合可传输17～22路高清视频节目，其数目远超过MPEG－2与DVB-S第一代技术组合下可传输的7～12路标清节目。由此可见，视频编码和信道调制技术进步对卫星电视直播商业应用具有巨大的促进作用。在H.265与DVB-S2X组合条件下，一台36MHz转发器可传输3～5路超高清节目。若是AVS2与DVB-S2X组合，可传输的超高清视频节目就更多，直接将卫星电视带入超高清时代。

2 卫星电视直播的发展趋势

高清化

视频编码和信道传输技术的进步、高清电视机的普及、高清内容的丰富，为卫星电视直播的高清化发展创造了必要的条件。2004年以来，全球卫星电视直播高清化呈现迅猛发展势头，在拉美、中欧、俄罗斯/中亚、中东与非洲，以及日本、韩国、澳大利亚、香港之外的亚太地区等新兴市场表现最为明显。2014年，全球卫星电视直播高清频道数达6260个，比2013年增长了18%，在新增频道中占3/4。H.264/ MPEG－4在高清频道中占93%的份额，它对MPEG－2的替代作用也在迅速变大，在总频道数中的比例已达47%。总的来讲，基于MPEG－2的标清电视已呈现衰退之势。

2014年之所以被称为超高清电视元年，是因为经过多年孕育，超高清电视在这年开始出现集中爆发势头。实际上，相关测试在之前就已开始。由于在传输容量和覆盖能力等方面具有独特优势，卫星超高清电视直播显得格外抢眼。

不同视频编码和信道传输技术组合应用效果

2014年12月6日和2015年5月27日，美国电视直播公司（DirecTV）先后发射了2颗超高清电视直播卫星：电视直播－14、15（DirecTV－14、15）卫星，充分展现了美国在卫星电视直播领域的领导地位。此前，电视直播公司已在5颗卫星上直播高清电视节目。目前，北美高清电视频道占总频道数的37%，主要由卫星付费平台支撑。随着这2颗卫星的投入运行，电视直播公司将向美国大陆、阿拉斯加、夏威夷和波多黎各等地用户提供更多的高清/超高清电视频道。

2013年1月，欧洲通信卫星公司（EUTELSAT）通过欧洲通信卫星－10A（Eutelsat－10A）推出欧洲首个超高清电视演示频道。2014年1月，欧洲通信卫星公司推出了基于H.265和DVB－S2的卫星超高清电视频道，提供纪录片、文化和体育等节目。该公司还与亚洲ST Telesport公司达成合作，计划将欧洲通信卫星－70B上的超高清频道覆盖到东南亚以及澳洲。

2014年2月，俄罗斯NTV-Plus公司对索契冬奥会开幕式进行了首次卫星超高清电视实况直播。随后，俄罗斯Tricolor TV电视台于同年7月通过欧洲通信卫星－36A、36B开始境内首个超高清电视频道试播，并计划于2015年春季实现大规模播送。

2013年4月，欧洲卫星公司（SES）进行了首次超高清电视卫星传输测试，并从2014年11月开始通过C和Ku频段卫星在巴西境内传输超高清电视节目。

2014年11月19日，SES公司和三星公司合作，通过天体－1L（Astra－1L）卫星上的“SES演示”超高清电视频道，现场直播美国摇滚乐团“林肯公园”在柏林巡回演出的一场演唱会。据称，这次是世界卫星广播界上首次采用H.265技术进行音乐会现场直播。

2015年9月8日，欧洲首个免费超高清购物电视频道Pearl TV采用H.265/DVB-S2（8PSK）技术，通过SES公司天体－1M卫星Ku频段欧洲波束正式启播。

2015年9月8月，西班牙卫星公司（HISPASAT）宣布，自2013年通过西班牙卫星－1E（Hispasat－1E）Ku频段欧洲波束推出的Hispasat 4K TV频道，已经开始使用杜比视界高动态范围（Dolby Vision HDR）技术。

2015年10月7日，荷兰TERN公司通过SES公司天体－1M卫星Ku频段欧洲波束，采用H.265/ DVB-S2（8PSK）技术，正式启播该公司首个国际超高清娱乐频道Insight UHD，节目内容包括娱乐、音乐和极限运动等。

2012年10月和2013年3月，日本天空完美集团（JCSAT）分别直播和转播了超高清足球联赛。2014年6月，日本开始在通信卫星上试播超高清电视节目。在2016年里约奥运会期间，日本NHK电视台通过8K级卫星超高清电视转播了奥运赛事，为2020年东京奥运会正式转播做预热。

2014年6月，马来西亚东亚卫星公司（Measat）与比利时新技术公司（Newtec）在亚洲移动通信展上演示了基于DVB-S2X的卫星超高清电视传输。

2014年7月，印度Videocon公司完成了卫星超高清电视传输测试。2015年1月26日，Videocon公司通过其租用的中新－2卫星Ku频段印度大陆波束，采用DVB-S2（8PSK）和H.265技术，推出一个4K超高清电视测试频道。

2014年11月16日，土耳其Turksat AS公司通过当年2月升空的土耳其卫星－4A（Turksat－4A）和DVB-S2（8PSK）/H.265技术，推出了一个超高清电视测试频道。

由上可见，H.265技术已引起卫星电视直播业界的广泛重视，卫星超高清电视直播已出现蓬勃发展之势。不过，欧洲咨询公司（Euroconsult）认为，未来10年，由于标准兼容性等原因，H.264/MPEG－4将在高清电视中占主体地位。由于转发器传输成本等原因，超高清电视频道数量仍将有限。

高频化

电视频道数的不断增长、高清和超高清电视的迅速发展，必然要求卫星电视直播服务商开发利用频率资源更为丰富的Ka频段。Ka频段相对较窄的波束和较强的辐射功率，能更好地满足区域化的卫星电视直播市场需求。

美国电视直播公司是世界领先、美国最大的卫星电视直播服务提供商，拥有数百个标清电视频道、200多个全国高清电视频道以及数百个本地高清频道。在开发利用Ka频段资源方面，电视直播公司一直走在世界前列。目前，该公司总共拥有12颗在轨卫星，其中有7颗卫星载有Ka频道转发器。

2014－2024年全球卫星电视直播频道数增长预测

美国电视直播公司7颗Ka频段卫星

电视直播－14和15不仅通过Ka频段向美国大陆、阿拉斯加、夏威夷和波多黎各等地区提供超高清电视直播服务，而且首先使用Ka反向频段，以进一步扩大卫星传输容量。Ka反向频段长期以来用于卫星上行链路通信，而美国联邦通信委员会（FCC）和国际监管机构此前应业界的要求，释放了这个频段用于卫星下行链路服务，使得卫星电视直播服务提供商可以获得更多的商业机会。

融合化

数字化使得不同的信息网络可以提供相似的服务，这就促进了电信、广电和计算机之间三网融合。三网融合有利于信息服务提供商为用户创造更多的价值，有利于提高各自的竞争力，从而最终推动行业发展和产业升级。近年来，卫星电视直播领域的三网融合同样异彩纷呈。

2011年11月3日，美国电视直播公司和美国电话电报公司（AT&T）签署了一项为期3年的延长商业合作协议。该协议将2008年双方签署的一项合作协议延长到2015年3月，这将使两家公司数以百万计的客户获得捆绑的四重服务：美国电视直播公司卫星电视直播服务以及美国电话电报公司宽带、住宅电话和无线话音服务。两家公司之间的业务合作最终上升为资本融合。2014年，美国电视直播公司同意以485亿美元的价格出售给美国电话电报公司，此项交易最终在2015年7月24日得到美国联邦通信委员会的正式批准。在与美国电话电报公司联手的同时，美国电视直播公司也在开发自己的互联网服务。2014年11月14日，该公司推出了美国首个超高清电影和纪录片视频点播服务—DirecTV 4K VOD，这项业务要求用户拥有一台与互联网连接的美国电视直播公司精灵牌高清数字机顶盒（HD DVR）。

2012年1月9日，美国第二大卫星电视直播服务提供商碟网公司（Dish Network）宣布，从2012年2月开始，与美国宽带卫星通信设备和服务提供商卫讯公司（VIASAT）合作，推出下一代高速卫星宽带和电视捆绑服务。与此同时，蝶网公司还推出一种称为“DISH Test Drive”的新媒体服务，这种新服务将允许用户通过互联网和移动互联网，在平板电脑、智能手机等移动设备上，随时随地免费选择收看受欢迎的DISH电视节目，体验到DISH电视无处不在的媒体服务。

为应对碟网公司的竞争，美国电视直播公司2012年4月也引进DirecTV Everywhere服务，让用户通过互联网，在计算机、笔记本电脑、平板电脑以及智能手机等新型移动设备获得其卫星电视的多平台服务。2012年5月16日，美国电视直播公司宣布将为用户提供卫星宽带和电视的捆绑服务。其中，卫星宽带服务来自卫讯公司的Exede－12和休斯公司（Hughes）的Gen－4。

与美国电视直播公司联手美国电话电报公司相类似，蝶网公司或将与美国第四大移动运营商T-Mobile公司联姻。2015年6月4日，两家公司就合并事宜进行了初步讨论。目前，合并谈判还处于撮合阶段，尚需解决价格以及现金或股票的支付比例方面面临的诸多难题。如果这笔交易达成，将加速美国媒体和通信公司之间的合并浪潮。

为了使卫星电视直播用户获得更多的选择、控制和灵活性，2010年10月，英国天空公司[Sky UK，当时为英国天空广播公司（BskyB）]推出一种通过宽带互联网的免费综合视频点播新服务——SkyAnytime+。2011年7月，该公司为其所有的电视用户推出了SkyGO在线移动电视服务，用户可以随时随地通过iPhone、iPad、iPadTouch、Xbox、PC、Mac和笔记本电脑免费观看直播电视和视频点播节目。2012年7月16日，英国天空广播公司宣布在英国正式推出一种称为NowTV的新互联网电视服务。与之前推出的SkyGo和SkyAnytime+不同，NowTV瞄准的是那些没有订购付费电视服务的英国用户。

2012年7月26日，英国天空广播公司宣布与英国电信运营商TalkTalk公司达成一项批发分销天空电视频道的商业协议。根据此协议，TalkTalk公司将在其YouviewTV服务中为客户提供各种天空电视娱乐、体育和电影等系列频道。

2015年1月，英国天空广播公司与英国移动通信公司Telefonica公司达成合作协议。2016年，英国天空广播公司将使用Telefonica公司2G、3G和4G网络，为客户推出英国天空广播公司首个移动电话服务，这意味着英国天空广播公司未来将涉足移动话音和数据服务市场。

3 结束语

在视频编码和传输调制技术的推动下，全球卫星电视直播的产业升级序幕已经拉开。卫星电视直播产业不仅自身规模可观，而且它对于影视娱乐、信息服务、消费电子、卫星制造、卫星运营等产业的拉动作用也十分显著。这方面，美国的发展成就最为显著。

“村村通”，特别是“户户通”工程启动以来，我国卫星电视直播应用发展速度惊人。到目前为止，“户户通”用户数已接近1.1亿用户，这说明我国卫星电视直播产业潜力巨大。然而，我们必须看到，我国卫星电视直播产业仍然处于以标清节目为主体、以面向农村的公益服务为目标的初级阶段，用户数量虽然庞大，但是节目数量、服务能力和经济效益相对有限。与美国差不多20颗直播卫星数量相比，我国只有1颗直播卫星，且容量没有用满，可见差距巨大。尽管如此，我们对于我国卫星电视直播产业的发展前景，特别是高清化机遇，仍然充满信心。因为，我国高清内容供应生态体系、用户高清视频收视习惯都已形成，高清电视机已进入千家万户，只要政策到位，一定会产生立竿见影的市场成效。