《卫星通信技术》课堂 23. 超高清卫星广播

不久前，工信部、国家广播电视总局和中央广播电视总台联合印发了《超高清视频产业发展行动计划》，提出“4K先行、兼顾8K”的总体技术路线。尽管8K超高清已经见诸于一些大型会议或国际体育赛事的电视直播，但大多数人并不清楚8K超高清卫星广播到底是怎么回事。

要弄清楚8K标准，首先要从“像素”开始。像素就是“图像的元素”，它是英文Pixel（缩写：px）的中文翻译。Pixel是由 Picture（图像）和 Element（元素）两个单词派生。假如我们将一幅图像分割成一格一格的小方块，如图：

再将这幅图像的每一个小方块与右边多种不同灰度格子进行比较，然后选择最接近的灰度填充这个小方块（一个小方块只选择一种灰度），不难想象，只要图像被分割得足够细，同时，灰度也划分得足够细，这样填充的结果就可以足够地与原图像逼近。这样的小方块就是像素。对于彩色图像来说，像素是带有亮度、色调、色相、色温、灰度等颜色信息的小方块（一个小方块只选择一种色度）。可以认为任何图像都是由一系列内部均匀的小方块组合而成的。一幅图像的专业术语称为“一帧画面（Picture frame）”。一帧画面的像素数量通常是用“每一行像素数”和“每一帧行数”相乘来表示，例如720×576 px表示每一行像素数是720，每一帧行数是576，如图所示：

那么画面分辨率又是怎么定义？通常有：dpi（dots per inch，每英寸点数）和ppi（pixels per inch，每英寸像素）。其中dpi是用于打印或印刷领域的分辨率单位；ppi是用于电脑和电视机画面显示的分辨率单位。因此，一帧画面的分辨率高低，并非全然取决于像素多少，还取决于画面的大小。只有在画面大小相同的前提下，像素越多的画面分辨率才越高。通常人们都省略了“画面大小相同”这个默认前提，直接用像素的多少表示画面的分辨率的高低。

再来，像素的数量也是数码相机的CCD/CMOS光电感应元件的数量。一个感光元件经过感光、光电信号转换、A/D转换等步骤以后，就输出照片上的一个像素，所有像素组成照片。那么像素点阵是按照什么顺序产生和传输的？顺序是从画面顶部第一行开始，从左向右一个一个像素依次产生和传输，然后再产生第二行，也是从左向右一个一个像素依次产生。同样，电脑和电视机的显示屏也是按照这样的顺序一个一个像素依次显示的。有的读者会有疑问：假如一个一个像素依次显示（扫描），我们怎么看见的却是同时出现的完整画面？这就是人眼的视觉暂留现象（Persistence of vision），又称“余晖效应”。1824年英国伦敦大学教授皮特.马克.罗葛特在他的《移动物体的视觉暂留现象》中最先提出：人眼在观察景物时，光信号传入大脑神经，需经过一段短暂的时间，光作用结束后，视觉形象并不立即消失，这种残留的视觉称“后像”，视觉的这一现象则被称为“视觉暂留”。最早应用于电视机的是CRT（Cathode Ray Tube）显示器。CRT显示器是靠偏转线圈（Deflection coils）控制极细的高能电子束激发屏幕内表面的荧光粉来显示一个一个像素。荧光粉被点亮后很快会熄灭，电子枪依次点亮这些点，依靠视觉暂留现象在人眼中形成完整的图像。如今的液晶显示器是固定像素显示设备，显示图象时不需要扫描，各个像素点可以同时点亮。由于摄像机、图像信号传播是扫描形式的，因此扫描形式得以保留。

在一秒钟里面传输或者显示数量足够多帧画面，就形成了连续的视频图像，这也是人眼的“视觉暂留”现象使然。每秒多少帧（Frames Per Second）称为帧速率或者帧频率，有每秒钟50帧（50Hz）、每秒60帧（Hz）等标准。我国采用的是50Hz标准。高清电视（High Definition）的视频标准最早是由美国电影电视工程师协会（SMPTE）制定的，“高清”有1024x720p （简称720p）、1920x1080i （简称1080i）和1920x1080p （简称1080p）三种标准形式。其中p表示逐行扫描（Progressive），i表示隔行扫描（Interlaced）。1080P又被称为全高清（Full High Definition）。美国标准是每秒钟传输60帧画面（60Hz）。隔行扫描的一帧画面相当于只有逐行扫描的一帧画面的一半像素，也可以看作隔行扫描比逐行扫描的帧速率减一半。低于高清分辨率的视频标准就称为标清（Standard Definition）标准，例如: 720×480i（NTSC，隔行扫描）和720×576i（PAL，隔行扫描）等等。

国际电信联盟 (International Telecommunication Union，简称：ITU)规定的“4K”分辨率（3840×2160 px）称为“超高清 （Ultra- high Definition）”。它的4倍像素称为“8K”分辨率 （7680×4320px）。4K和8K电脑传输通常是每秒传输60帧画面（60Hz），但是电视广播会采用隔行扫描，因此帧速率下降一半。我国卫星电视广播采用的标准也是隔行扫描的，因此相当于帧频率50Hz的一半。因此我国8K超高清是7680×4320i/50Hz，相当于7680×4320p/25Hz。

下面我们来计算一下，如何利用卫星通信技术传输8K视频信号。尽管有一些商用软件可以完成此类计算，比如：Satmaster Pro和STK等等。但是自己从头计算一遍心里更加踏实。

假如上行地球站在北京，接收地球站在上海，采用中星10号的C频段转发器。转发器参数如下：

其中，转发器的饱和通量密度（SFD）取决于转发器增益调整量的设置值，一般有固定增益(FGM)和自动电平控制(ALC)两种工作模式。具体数值只有向卫星公司索要，本文这里暂且取-90dBW进行计算。转发器即便是单载波工作，仍然需要输入与输出回退，仍然会产生载波互调。IBO、OBO和C/IM（载波互调干扰比）取决于载波参数和转发器功放的特性曲线，DVB-S2应用时的典型值如下： 

北京上行站地理位置：116.4°E，39.9°N，与卫星的距离37522.08km

上海接收站地理位置：121.4°E，34.5°N，与卫星的距离37189.81km

假设某DVB-S2接收机参数设置如下：

视频压缩：H.265

链路计算第1步：计算8K电视广播的信息速率

一帧画面像素  7680×4320px

比特深度        8bit

每秒帧数        隔行扫描，25Hz

信息速率        7680×4320×8×25 = 6635.52Mbps

链路计算第2步：计算转发器占用带宽

8K的视频（Video）流信息速率 6635.52Mbps

8K的音频（Audio）流信息速率1.024Mbps

因此8K的AV流信息速率近似等于6636.544Mbps

采用H.265压缩，视觉无损压缩比可以达到60倍，因此经过视频压缩以后AV流的信息速率为110.6091Mbps

采用前向纠错（FEC）5/6，信息速率为132.73Mbps

采用32APS调制，符号速率为132.73/5 = 26.55Baud

经过滚降系数0.25的升余弦滤波器，频宽为 33.2MHz

因此，整个36MHz转发器的频宽仅够传输一路8K超高清卫星电视广播节目。

链路计算第3步：上行站EIRP

卫星广播电视上行站会尽量发射最大的功率，以获得最好的上行链路C/N，有利于接收站采用更小口径的天线接收电视节目。由于现在占用了整个转发器带宽，因此可以占用整个转发器功率。所以上行站在转发器输入端的通量密度可以达到-94dBW，其中的-90dBw是转发器的饱和通量密度（SFD），-4dB是转发器的输入回退（IBO）。

转发器输入端的通量密度：F = 上行站EIRP - 跟踪损失（point loss） - 大气（gas）损耗与电离层闪烁（scintillation）损耗– 10×lg（4πR²），其中R是上行站到卫星的距离。计算结果：要达到转发器输入端-94dBW通量密度，上行站EIRP = 68.48dBW。假如上行站采用6米C频段天线，6GHz频率的增益为49.6dBi，因此该天线的发射功率为75.9W。上行站配置200W功放即可。或者可以增加上行站天线口径，以降低功放的功率。只要达到上行EIRP为68.48dBW即可。

链路计算第4步：上行载噪比

上行链路载噪比 = 上行站EIRP –跟踪损失（point loss）–大气（gas）损耗与电离层闪烁（scintillation）损耗– 自由空间损失（Freespace loss）–玻尔兹曼常数 – 噪声带宽 + 转发器G/T

计算结果：C/N_up  =  68.48 – 0.5 – 0.06 – 199.5 – （-228.6）

           – 74.24 + 1.15  

                              =  23.93 dB

链路计算第5步：下行载噪比

假设接收地球站天线口径是2.4米，其增益的典型值：38.1dBi（4GHz）；单收站的LNB噪声温度比收发站的低得多，其系统噪声温度典型值：90K；因此2.4米C频段单收地球站的G/T值：18.6dB/K。

下行链路载噪比 = 卫星转发器EIRP –转发器OBO –跟踪损失（point loss）–大气（gas）损耗与电离层闪烁（scintillation）损耗– 自由空间损失（Freespace loss）–玻尔兹曼常数 – 噪声带宽 + 接收站G/T

计算结果：C/N_dn  =  42.34 – 2.2 – 0.5 – 0.05 – 195.9 – （-228.6）

           – 74.24 +  18.6

                             =  16.65 dB

链路计算第6步：载波干扰比

还有一系列干扰（Interference）影响链路性能：互调（Intermodulation）干扰、交叉极化（CrossPolarization）干扰、临星（Adjacent Satellite）干扰、临信道（AdjacentChannel）干扰。其中互调干扰又包括上行站HPA互调干扰和转发器互调干扰。交叉极化干扰包括上行交叉极化干扰和下行交叉极化干扰。我们这里忽略临星干扰。由于一个转发器只传输一路超高清电视，因此忽略临信道干扰。

上行站HPA单载波工作时，其1Hz带宽的载波互调干扰比典型值：105dB-Hz

转发器的载波互调干扰比：20.92dB（见前面的表格）

上行极化的1Hz带宽载波干扰比范围：96—107 dB-Hz，这里取101.5 dB-Hz

下行极化的1Hz带宽载波干扰比范围：95—105 dB-Hz，这里取100dB-Hz

根据以上假设，各类载波干扰比：

上行站HPA载波互调干扰比C/IM_HPA= 30.36dB

上行链路交叉极化载波干扰比C/XPI_UP= 27.26 dB

        下行链路交叉极化载波干扰比C/XPI_dn= 25.76 dB

         转发器载波互调干扰比C/IM_Sat= 20.92 dB

链路计算第6步：总链路载噪比

总链路的载噪比C/N_Σ满足关系：

1/(C/N_Σ)= 1/（C/N_up）+ 1/（C/N_dn）+ 1/（C/IM_Sat）+ 1/（C/IM_HPA）+ 1/（C/XPI_UP）+ 1/（C/XPI_dn）+ 1/（C/IM_Sat）

计算结果：C/N_Σ= 14.0dB。

数字通信相干解调的载噪比与信噪比（E_b/N₀）非常接近，因为信噪比（E_b/N₀）的解调门限为10dB，因此链路计算结果余量4dB。

链路计算第7步：降雨时的总链路载噪比

降雨衰减如何考虑是大多数教科书说得比较含糊的地方。上行降雨时，由于降雨层的温度比晴天地球表面低，因此降雨不会增加上行链路的噪声温度。按照ITU降雨模型，北京地区99.99%可用度的C频段降雨衰减为0.92dB，只要上行站的自动增益控制在降雨时增加不到1dB的发射功率即可，因此上行链路载噪比不变。同样按照ITU降雨模型，上海地区99.99%可用度的C频段降雨衰减为0.43dB。但是，对于下行链路来说，降雨衰减不仅减少0.43dB功率，而且还要增加28.41K噪声温度，使得系统噪声温度从90K增加至118.41K，相当于增加1.19dB。因此下行链路的载噪比下降的数值为1.19 + 0.43 = 1.62dB。因此C/Ndn rain =  16.65 – 1.62 = 15.03dB

因此重新计算结果：C/N_Σrain = 13.0dB，超过解调门限3dB。3dB的系统备余量是工程设计必须留出的。

综上所述，北京上行站配置6米C频段天线和200W功放，采用中星10号的36MHz的C频段转发器，可以直播一路8K超高清电视节目，在上海采用2.4米C频段单收站就可以收看，年平均可用度达到99.99%。请读者朋友们注意，必须采用H.265视频压缩技术和DVB-S2协议，这些都是8K超高清卫星电视广播必不可少的关键技术。假如在其它地区接收这套超高清卫星电视广播，要根据该地区转发器的EIRP覆盖值数据重新计算，以选择合适的单收站天线口径。再来，假如中星10的所有转发器都用于8K超高清直播电视节目，一共只能有三十几套节目。假如采用我国的中星16高通量卫星，就可以广播超过550套8K超高清电视节目！

请读者朋友们注意，以上计算采用了一些典型的参数。实际计算要获取具体参数，不过结果也将会大差不离。耐心读完这篇文章的朋友，是不是对超高清卫星电视广播技术有了一些解？