中央广播电视总台C波段卫星车UHD升级改造实例

本文通过对超高清电视（UHDTV ）信号特点及中央广播电视总台现有C 波段卫星车技术现状分析，提出了一种切实可行的超高清升级改造方案。

超高清电视信号（UHDTV ） 卫星车 UHD 升级
2018年10月1日，随着中央广播电视总台超高清频道的开播，中国电视正式迈入了超高清时代。

相较于SDTV 、HDTV 信号，UHDTV 信号在多个维度有了质的提升，在为广大电视观众带来更加优越的观看体验的同时，对广播电视设备的性能提出了更高的要求。

根据中央广播电视总台UHDTV 3年发展规划，2019年总台需具备超高清信号卫星传输能力。

为了实现这一目标，对现有卫星车进行超高清化改造是一个既经济，见效又比较快的方式。

鉴于目前超高清概念真正产业化时间不长，标准仍在逐步完善制定中，不同厂商相关设备研发、生产进度也不尽相同，可选设备有限。

先行改造、升级两辆卫星车比较符合当下实际，且为今后设计UHD 版卫星传送系统积累经验。

本文主要以中央广播电视总台现有的两辆C 波段卫星车为基础，结合超高清信号的特点，提出了一套可行的超高清信号卫星传输方案。

一 UHDTV 信号特点
在电影领域人们习惯将UHD （超高清）信号称为4K/8K 。

4K 指的是4096×2160像素分辨率的数码影像标准。

4096是长，2160是宽，长宽比为1.89:1。

目前，消费
准4K ，因此最终的分辨率为3840×2160。

在广播电视领域对其更为严格的定义为UHDTV1，相应的8K 信号定义为UHDTV2。

早期业界对于UHDTV 的认识还停留在高分辨辨率、高帧率、高位深、高动态范围、宽色域、高保真度声音。

在传输域，UHDTV 最大的挑战来自于高分辨率及高帧率。

目前，我国HDTV 常见制式为1920×1080/50i ，而UHDTV 则为3840×2160/50p ，总码率从1.5Gbps 提升至12Gbps ，增大了8倍，对传输带宽及传输设备的信号处理、吞吐能力提出了极高的要求。

二 UHDTV 信号卫星传输
1. HDTV 信号卫星传输现状
在卫星传输系统中，卫星转发器所能提供的传输带宽是有限的，通常为36MHz 或者54MHz （Ka 波段卫星传输系统转发器带宽可达125MHz ，但受限于Ka 波段的频率特性，雨衰较大，目前总台未有Ka 设备用于电视信号传输）。

得益于H.264高效编码及DVB-S2优秀的调制性能，一般情况下传输HDTV 信号会选用9MHz 占用带宽，传输码率在15Mbps 左右。

如此既可保证传输信号质量，又能比较合理地利用频带资源。

2. UHDTV 信号卫星传输主要难点
上文提到，UHDTV 信号的总码率由HDTV 信号的1.5Gbps 提高至12Gbps 。

若以现有技术条件传输UHDTV 信号，则相应占用带宽需提高8倍即72MHz 。

显然目前卫
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3. 技术可行性
信号在信道中传输，犹如运送货物的卡车在道路上行驶。

如果要提高单位时间的最大货运量一般来说有两种方式：一种是拓宽道路（选用大带宽转发器）以容纳更大的货车（增大占用带宽）；或者是精简货物数量（提高编码压缩效率），提升原有货车的运载能力（提高调制性能）。

显然，道路资源（转发器带宽）属于基础设施，有限且昂贵，拓宽道路并不现实，因此我们的主要目标集中在如何提升效率。

具体而言主要是通过更新高性能编解码、调制/解调设备来实现。

（1）HEVC （H.265）编码
以目前H.264编码来说，一路高清信号传输占用9MHz 转发器带宽，传输码率约15Mbps 左右。

应用HEVC 编码，编码效率大幅提升。

通过主观视觉测试得出的数据显示，在码率减少51%~74%的情况下，H.265编码视频的质量还能与H.264编码视频近似甚至更好。

经过测算，传输码率在25Mbps 可满足4:2:0采样下新闻类的UHDTV 信号传输；50Mbps~80Mbps 码率可满足较高质量如文艺、体育类的UHDTV 信号传输（2016年欧洲杯UHDTV 信号卫星传输，H.264编码压缩条件下，传输码率为94Mbps ）。

（2）高性能调制
目前卫星传输常用的调制方式为DVB-S2。

更新性能更高的DVB-S2X 或者NS4能带来更高的频谱利用率，从而可在相同占用带宽的条件下传输更多的有效码率。

如图1所示：NS4调制方式相比于DVB-S2X 最高可提高22%的频谱效率。

图2所示。

5. UHDTV 信号传输能力实测
基于C 波段卫星车的天线及功放条件，通过采用HEVC 编码器及高效调制方式来测试该卫星车技术平台的实际信号传输能力。

测试系统图如图3所示。

其中，高效调制方式我们对比测试了NS4及DVB-S2X 。

DVB-S2X 是第三代DVB 卫星电视广播标准，相比于DVB-S2增加了调制和前向纠错（FEC ）选项，以及更多的滚降因子选择（最低可达5%）。

NS4则是NovelSat 自有的最新一代调制方式，其在安全性、调制参数选择上均有所优化，并可提供最低2%的滚降系数。

如图4所示。

更低的滚降系数可在同样的占用带宽下传输更高的符号率，从而提高总传输码率。

表1和表2为NS4及DVB-S2X 在3种占用带宽下（36MHz/18MHz/9MHz ）的数据传输能力，使用的转发器为亚洲5号卫星C 波段转发器，接收天线为台内现有7.5m 固定接收天线，同时本车2.4m 天线也自收下行信号。

其中测试36MHz 占用带宽时调整功放输出功率使卫星转发器达到饱和状态，以测试全带宽运行时卫星传输系统最大的数据传输能力。

18MHz/9MHz 占用带宽则在功带平衡的原则下进行数据传输能力测试。

一路较高质量UHDTV 信号。

对应C 波段36MHz 转发器可传输2路UHD 信号，Ku 波段54MHz 转发器可传输3路UHDTV 信号。

若对于新闻单边等对画质要求不是太高的简单应用则可采用9MHz 带宽，传输25Mbps 左右的码率。

这样C
波段36MHz 转发器就可最多传输4路UHDTV 信号，也为今后8K 信号的卫星传输提供了可能性。

三 UHDTV 传输系统设计
1. 系统方案
UHDTV 概念提出以来，随着技术标准的不断制定与
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完善，理论研究的不断深入，多种系统架构方案也随之出现。

有无压缩的，设备之间传输的是12Gbps 的完整信号；有有压缩的比如TICO ，设备间传输的是3Gbps 的信号以兼容现有3G-SDI 系统。

在接口形式上还有4×3G-SDI 、12G-SDI 、IP 等。

TICO 方案提供了4:1的视觉上无损的视频压缩功能，可兼容现有的3G-SDI 系统，代价小，见效快，可快速完成UHD 化升级改造。

但是从长远来看，TICO 方案只能是一种过渡方案，尤其是需要进行编码压缩，对于后级信号传输来说非常不利，且增加了一道编解码环节，使系统复杂度提高，降低了整体的可靠性。

因此，在设计时我们主要考虑无压缩的系统方案。

相比于12G-SDI 、IP ，每一路UHD 信号线缆数量均是后者的4倍。

这对于系统集成及后期维护来说都是巨大的挑战。

因此在核心架构上不宜采用4×3G-SDI 的方式，可在外接口板上留有4×3G-SDI 的接口方式，通过转换接入核心系统。

对于12G-SDI 及IP 接口方式，我们分别进行了系
统设计，如图5及图6所示。

对比以上两个系统设计方案，我们可以看到12G-SDI 系统结构与目前3G-SDI 结构非常接近，逻辑清晰、结构明了，对于技术人员的操作习惯、后期维护、故障排查等非常有利。

IP 方案则更加简洁，大部分设备都与交换机连接，
卫星传输的具体特性来决定。

首先、在数据容量方面卫星通道不同于光纤通道，其受限于转发器带宽限制。

前文实测结果最大总传输数据量在100Mbps 左右。

光纤通道则主要受限于终端设备的接收速率上限，虽然目前主流的交换机设备还是10GbE ，但是40GbE 及100GbE 的市场份额正在逐步扩大中。

图7为两者数据
容量的差别。

另外，光纤通道较容易实现双向传输，比较适合传输IP 信号。

卫星通道一般为单向传输，若要实现双向数据交换则需要建立卫星上行总站作为数据回传通道，在目前来看时机尚不成熟。

其次，从系统规模来说卫星传输系统相对较小。

IP 方案大部分设备都与交换机相连接，其在系统中处于核心地位。

交换机与网管系统费用占比也比较高，对于小系统来说费效比较低。

如果对于转播或者总控这类规模较大的系统来说，交换机的大容量优势便可得到充分的发挥。

12G-SDI 方案则可适配不同规模的系统。

小系统所需要的配套设备数量也较少，费效比较高，比较适合卫星传输系统的实际。

综合来看，中央广播电视总台C 波段卫星车UHD 升级改造方案采用12G-SDI 无压缩基带传输方案。

图8为系统图。

2. 延伸设计
基于C 波段卫星车较强的上行能力，仅仅作为UHDTV 信号卫星传输车使用并不能充分发挥其潜能。

根据之前实测数据，该型车具备100Mbps 的信号传输能力。

若配合复用器使用，可依据不同业务的特性灵活分配数据流量占比，从而提高UHD 信号传输的使用效率。

常见的应用比如大型会议一路UHD PGM 信号（75Mbps ）+一路会场外新闻单边UHD 信号（25Mbps ）；3路新闻单边UHD 信号（75Mbps ）+一路安全镜头UHD 信号（25Mbps ）
等等。

另外，该型车较充裕的车内空间也为设置UHD 小型新闻单边制作系统提供了可能。

如图9所示，该系统设置了一个主切换台及调音台，可对外来UHD 视音频信号进行简单的制作合成后输出给后级编码器；另两路配置便携式切换/调音台，可根据任务需要灵活增减配置，从而满足不同应用场景的需求。

搭配丰富的周边设备例如UHD ENG 设备、无线UHD/4K 传输设备、光纤传输系统等等就能以C 波段卫星车为平台形成信号采集、前端信号传输、制作合成、卫星传输为一体的综合业务体系，提升节目效果的同时又可大幅减少设备与人员用量，具有较大的综合效益。

四 小结
UHD 技术发展日新月异，中央广播电视总台三年发展规划也在稳步推进中。

为了尽快形成UHDTV 信号卫星传输能力，升级改造现有卫星车是一个快速而又经济的选择。

本文通过理论分析、实际测试、方案比较最终形成了一个比较符合卫星传输系统特点的UHD 信号传输设计方案，并在其基础上进一步拓展以适配当前综合业务发展的需要，提升系统使用效率。

通过此次UHD 升级改造为接下来的新建UHD 综合卫星传送车积累了经验，并为将来可能的8K 应用进行了有益的技术探索。