張林，羅信海

（貴州廣播電視臺(tái)播控傳送中心，貴州貴陽(yáng)550002）

貴州衛(wèi)視高清頻道編碼傳輸方案

張林，羅信海

（貴州廣播電視臺(tái)播控傳送中心，貴州貴陽(yáng)550002）

為推進(jìn)貴州衛(wèi)視高清頻道的安全播出，設(shè)計(jì)了貴州廣播電視臺(tái)第一套高清編碼傳輸系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)高清信號(hào)的編碼方式和傳輸方式進(jìn)行了較為全面的測(cè)試和驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)比驗(yàn)證，最終確立了高清頻道的編碼傳輸方式。著重介紹了衛(wèi)視高清頻道編碼傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，整個(gè)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的靈活性、較完善的互補(bǔ)性和較高的穩(wěn)定性。

高清；編碼；H.264；TS流；SDH；AVS

【本文獻(xiàn)信息】張林，羅信海.貴州衛(wèi)視高清頻道編碼傳輸方案［J］.電視技術(shù)，2015，39（10）.

近年來(lái)，中國(guó)的數(shù)字電視在國(guó)家廣電總局的大力推動(dòng)下得到了迅猛發(fā)展，面對(duì)高清時(shí)代的到來(lái)，盡管處于中國(guó)西部經(jīng)濟(jì)較為落后的省份，但貴州衛(wèi)視力爭(zhēng)發(fā)展壯大做強(qiáng)自己，位居省級(jí)衛(wèi)視頻道的前列。

按照規(guī)劃，2012年底貴州衛(wèi)視高標(biāo)清同播制播系統(tǒng)順利完成了項(xiàng)目的設(shè)計(jì)選型、招標(biāo)采購(gòu)、系統(tǒng)施工集成等工作，于2012年12月25日正式投入試運(yùn)行。為保證貴州衛(wèi)視高清頻道能順利在廣電總局要求的時(shí)間點(diǎn)安全播出，并保障衛(wèi)視高清頻道播出的高質(zhì)量、高安全性，設(shè)計(jì)一套高性能、高穩(wěn)定的編碼傳輸系統(tǒng)尤為重要。

1　背景

廣電總局于2009年發(fā)出了《廣電總局關(guān)于促進(jìn)高清電視發(fā)展的通知》。高清電視發(fā)展已列入廣電總局的重點(diǎn)工作。為促進(jìn)高清電視的進(jìn)程，廣電總局制定了相關(guān)的促進(jìn)政策，明確了高清電視發(fā)展的原則、措施和要求。高、標(biāo)清同播是國(guó)家廣電總局根據(jù)中國(guó)國(guó)情，為加快電視節(jié)目高清化進(jìn)程而制定的措施。

高清電視節(jié)目圖像采用寬色域、16∶9的大屏幕畫(huà)面，具有1 920×1 080的高分辨率；具有前所未有的臨場(chǎng)感、逼真感和感染力，觀看高清晰度電視［1］節(jié)目是一種更高的精神文化享受，可以極大地滿足觀眾對(duì)節(jié)目欣賞水平日益增長(zhǎng)的需求，能夠?yàn)殡娨曈^眾提供更接近于影院效果的高品質(zhì)視聽(tīng)享受。發(fā)展高清電視，是社會(huì)發(fā)展和科技進(jìn)步的必然趨勢(shì)，是歷史條件下滿足人民群眾精神文化需求的必然選擇。

2　高清編碼實(shí)現(xiàn)方式

2.1H.264編碼方式的技術(shù)特點(diǎn)

在當(dāng)下，談到高清編碼方式，人們首先推崇的是H.264/ MPEG-4 AVC［2］的編碼方式，這是一種面向塊的基于運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)木幗獯a器標(biāo)準(zhǔn)。其具有更高的編碼效率、高質(zhì)量的視頻畫(huà)面；網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)能力強(qiáng)，采用混合編碼結(jié)構(gòu)，編碼選項(xiàng)較少及容錯(cuò)能力強(qiáng)。H.264編碼方式提供足夠的靈活性以適應(yīng)各種應(yīng)用。

2.2MPEG-2編碼方式的技術(shù)特點(diǎn)

MPEG-2［2］圖像壓縮的原理是利用了圖像中的空間相關(guān)性和時(shí)間相關(guān)性，能夠最大限度地去除圖像中的冗余信息。不過(guò)利用MPEG-2壓縮的一路高清晰度電視（HDTV）［1］，約需20 Mbit/s的帶寬，有人作過(guò)初步試驗(yàn)，如利用H.264進(jìn)行一路HDTV的壓縮，大概只需8 Mbit/s的帶寬。

2.3高清編碼方式選取

眾所周知，視頻信息具有一系列優(yōu)點(diǎn)，如直觀性、確切性、高效性、廣泛性等。但視頻信息量太大，要使視頻得到有效的應(yīng)用，必須首先解決視頻壓縮編碼問(wèn)題，其次解決壓縮后視頻質(zhì)量保證的問(wèn)題。

為保障衛(wèi)視高清頻道的播出畫(huà)面高質(zhì)量和高安全，對(duì)基帶信號(hào)編碼壓縮方式的選擇是關(guān)鍵問(wèn)題。具有穩(wěn)定和高效的編碼壓縮方式也是安全播出的要求?；凇稄V電總局關(guān)于電視臺(tái)高標(biāo)清同播節(jié)目制作、播出技術(shù)要求的若干意見(jiàn)》，結(jié)合本臺(tái)衛(wèi)視高清頻道播出的技術(shù)規(guī)范和實(shí)際。在經(jīng)過(guò)前期的規(guī)劃和測(cè)試比較后，決定采用當(dāng)前較為成熟和先進(jìn)的H.264/MPEG-4 AVC編碼方式。H.264注重的是壓縮的高效率和傳輸?shù)母呖煽啃浴?/p>

2.4高清編碼方式應(yīng)用

在H.264編碼方式的硬件支持上，采用的編碼器是行業(yè)內(nèi)應(yīng)用較為廣泛的THOMSON VIBE EM3000，這是一款技術(shù)成熟和業(yè)界口碑較好的高性能編碼器，在視頻編碼器的選取上應(yīng)力求簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)、成本低、可靠性高。EM3000編碼器的主要參數(shù)如表1所列。

表1　EM3000編碼器主要參數(shù)

具體說(shuō)來(lái)，H.264支持3個(gè)不同檔次：

1）基本檔次，主要用于“視頻會(huì)話”，如會(huì)議電視，可視電話，遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程教學(xué)等；

2）擴(kuò)展檔次，主要用于網(wǎng)絡(luò)的視頻流，如視頻點(diǎn)播；

3）主要檔次，主要用于消費(fèi)電子應(yīng)用，如數(shù)字電視廣播、數(shù)字視頻存儲(chǔ)等。

通過(guò)IE瀏覽器對(duì)EM3000編碼器進(jìn)行設(shè)置，界面簡(jiǎn)潔，清晰明了，便于技術(shù)人員設(shè)置設(shè)備參數(shù)和處理故障。當(dāng)有故障告警時(shí)，利于維護(hù)人員方便快捷地查詢(xún)告警日志，對(duì)故障做出及時(shí)有效的處理。本臺(tái)高清頻道音視頻部分參數(shù)，TS流實(shí)際配置可見(jiàn)圖1。

在對(duì)編碼器配置完成后，還對(duì)其信號(hào)進(jìn)行解碼監(jiān)看，通過(guò)解碼信息可以再次確認(rèn)編碼設(shè)置是否正確和完善。解碼信息如圖2所示。從解碼信息圖看出，本臺(tái)高清衛(wèi)視頻道視頻采用采樣率為8 bit的H.264且4∶2∶0編碼方式。

圖1　音視頻、TS流設(shè)置（截圖）

在系統(tǒng)運(yùn)行中，解碼監(jiān)看這一環(huán)節(jié)必不可少，這能方便比較編碼前后的信號(hào)是否有異，最為有利的是這對(duì)于故障節(jié)點(diǎn)的預(yù)判能提高準(zhǔn)確性和及時(shí)性。

2.5編碼壓縮碼率對(duì)比測(cè)試

為保障本臺(tái)高清頻道播出畫(huà)面的高質(zhì)量，并能給觀眾呈現(xiàn)良好的高清畫(huà)質(zhì)感。針對(duì)本方案的高清編碼系統(tǒng)，有必要對(duì)其進(jìn)行不同的編碼壓縮碼率對(duì)比測(cè)試。利用Tektronix PQA600測(cè)試儀進(jìn)行不同碼率的測(cè)試，表2為PQA600測(cè)試結(jié)果。

圖2　解碼信息（截圖）

表2　PQA600測(cè)試

從測(cè)試結(jié)果不難看出，碼率越大，測(cè)試指標(biāo)越好，從圖像指標(biāo)也越好。對(duì)于測(cè)試指標(biāo)，PQR為圖像質(zhì)量計(jì)分，DMOS為圖像差異平均主觀評(píng)分，PSNR為峰值信雜比，PSNR值越大，PQR和DMOS值越小，圖像質(zhì)量越高。PQR=1代表圖像質(zhì)量基本沒(méi)有損傷；PQR=3代表圖像質(zhì)量損傷可察覺(jué)但不明顯；PQR=10代表圖像質(zhì)量損傷明顯。

對(duì)不同碼率的對(duì)比測(cè)試后，由于當(dāng)前該高清頻道只在本地有線網(wǎng)里播出，根據(jù)本臺(tái)的實(shí)際需求，為能在編碼傳輸過(guò)程中有較優(yōu)的性能指標(biāo)且能較好地提高高清畫(huà)質(zhì)，在與省網(wǎng)絡(luò)公司對(duì)接溝通后，同意本臺(tái)的要求為該頻道占用較寬的入網(wǎng)傳輸帶寬，最終選取的視頻編碼碼率為11.2 Mbit/s，音頻碼率為192 kbit/s，而TS傳輸流碼率為12 Mbit/s。

2.6回收有線信號(hào)監(jiān)看測(cè)試

在該系統(tǒng)正式運(yùn)行后，對(duì)回收的有線信號(hào)進(jìn)行監(jiān)看，監(jiān)看工作有利于在第一時(shí)間知道接收終端信號(hào)是否正常；而且還特意對(duì)該信號(hào)進(jìn)行了測(cè)試，利用Tektronix MTM 400A碼流分析儀對(duì)QAM調(diào)制信號(hào)進(jìn)行測(cè)試。從圖3可以了解該頻道在有線網(wǎng)傳輸頻率和調(diào)制方式。

圖364QAM調(diào)制方式（截圖）

圖4給出的是QAM調(diào)制后的碼流分析，在碼流分析TR101 290三級(jí)檢測(cè)時(shí)均沒(méi)有出錯(cuò)，通過(guò)碼流查看，貴州衛(wèi)視高清頻道在有線網(wǎng)傳輸頻點(diǎn)上所占用的帶寬是最大的，當(dāng)前傳輸碼流也與筆者設(shè)置相符。為進(jìn)一步測(cè)試有線信號(hào)，還利用了Agilent N9320B頻譜分析儀測(cè)試該信號(hào)，如圖5所示。通過(guò)這一系列測(cè)試了解到在經(jīng)過(guò)本地有線網(wǎng)傳輸后信號(hào)是正常的，用戶終端能較好地接收觀看，從而也驗(yàn)證了前端編碼傳輸系統(tǒng)是高效穩(wěn)定的。

圖4　碼流分析（截圖）

圖5　頻譜分析（截圖）

3　高清頻道傳輸方式

3.1傳輸方式的應(yīng)用

由于本臺(tái)播出機(jī)房和傳輸機(jī)房是2個(gè)獨(dú)立的且位于不同樓層，播出機(jī)房位于11層，而傳輸機(jī)房位于23層。在傳輸HD-SDI基帶信號(hào)時(shí)就應(yīng)考慮是用電纜還是光纜傳輸，直接用電纜傳投入的設(shè)備少，能節(jié)約投入資金成本，而且傳輸環(huán)節(jié)故障節(jié)點(diǎn)也減少，這是最為經(jīng)濟(jì)的做法，但是電纜傳輸距離較遠(yuǎn)，大約130 m，損耗較大，信號(hào)衰減嚴(yán)重，為此筆者做了實(shí)際測(cè)試，從圖6可以看出，通過(guò)電纜傳輸?shù)难蹐D指標(biāo)較差，眼圖模糊已看不清了，特別是信號(hào)電平幅度下降得比較嚴(yán)重，滿足不了高清信號(hào)播出指標(biāo)。而通過(guò)光纜傳輸眼圖指標(biāo)較好，最后決定放棄了直接用電纜傳輸，從而選擇利用光纜傳輸?shù)姆绞健?/p>

圖6　眼圖測(cè)試比較（截圖）

在選擇利用光纜傳輸方式的過(guò)程中，還考慮到衛(wèi)視高清頻道在轉(zhuǎn)央視新聞聯(lián)播的信號(hào)源傳輸問(wèn)題。由于本臺(tái)CCTV-1高清信號(hào)源來(lái)自25層樓頂天線接收的衛(wèi)星信號(hào)，信號(hào)源需從23層傳輸?shù)?1層，另一個(gè)因素是本臺(tái)直播外來(lái)信號(hào)也需從23層傳輸?shù)?1層播出機(jī)房，這就要求光傳輸設(shè)備具有雙向傳輸信號(hào)的功能，從而解決了HD-SDI信號(hào)源的傳輸問(wèn)題。

3.2傳輸方式的靈活互補(bǔ)性

本方案中本臺(tái)與省網(wǎng)絡(luò)公司傳輸方式采用的是傳統(tǒng)穩(wěn)定可靠的方式，利用有線和無(wú)線做為主備對(duì)其進(jìn)行傳輸，這也是目前較為廣泛和成熟的應(yīng)用。目的是更好地保障信號(hào)的不間斷，做到安全傳輸。傳輸路由見(jiàn)圖7。

圖7　高清衛(wèi)視頻道傳輸路由

在HD-SDI的傳輸上，做到了設(shè)備的主備和路由備份，雖然臺(tái)內(nèi)的光纜被破壞的可能極小，但是在光纜路由上還是做到了主備路不同的光纜且各配有不少于2根纖芯。在與省網(wǎng)絡(luò)公司的傳輸，主路由是通過(guò)SDH環(huán)網(wǎng)，該環(huán)網(wǎng)是本臺(tái)與省網(wǎng)絡(luò)公司之間的核心傳輸網(wǎng)，其具有較高的穩(wěn)定性和可靠性；而備路由是通過(guò)無(wú)線微波傳輸，新建立的無(wú)線微波傳輸路由進(jìn)一步提升了高清頻道的傳輸安全性。針對(duì)本臺(tái)對(duì)衛(wèi)視高清頻道安全播出的高要求，在SDH傳輸中還配備了另一路傳輸信號(hào)，且這兩路信號(hào)分別走不同的光纜路由，這樣的有線與無(wú)線、有線與有線的雙重備份，保障了信號(hào)傳輸安全。在前端傳輸機(jī)房設(shè)備的前后級(jí)都有跳線，當(dāng)某臺(tái)設(shè)備出故障時(shí)能及時(shí)跳開(kāi)該設(shè)備，保證信號(hào)不間斷；另一個(gè)用途是當(dāng)需要監(jiān)測(cè)或用到某一級(jí)信號(hào)時(shí)也能方便靈活的應(yīng)用。

對(duì)于主、備設(shè)備的配置，選取的都是同一品牌和同一型號(hào)的產(chǎn)品，便于參數(shù)配置和處理故障，具有很好的替代性。從整體上來(lái)看，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰，配置合理，互補(bǔ)性較強(qiáng)，不僅能方便技術(shù)人員的靈活應(yīng)用，更是本臺(tái)衛(wèi)視高清信號(hào)傳輸?shù)闹匾Ｕ稀?/p>

4　衛(wèi)視高清頻道未來(lái)上星傳輸方式規(guī)劃

目前貴州衛(wèi)視高清頻道只是在本地有線網(wǎng)播出，對(duì)于未來(lái)衛(wèi)視高清頻道的上星傳輸，本臺(tái)也做了事先的設(shè)計(jì)規(guī)劃。按照要求，本臺(tái)衛(wèi)視高清頻道將采用與當(dāng)前衛(wèi)視標(biāo)清頻道本地上星不同的異地上星方式，這也就對(duì)信號(hào)傳輸提出了較高的要求。而更為突出的是，高清頻道上星的編碼方式要求AVS［3］，這與當(dāng)前有線網(wǎng)傳輸不同，這就意味著要另外搭建一套編碼傳輸系統(tǒng)。

AVS作為擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新一代視頻音頻數(shù)字編碼方案，是一種主要用于HDTV壓縮的編碼方式。AVS編碼效率與H.264差不多，但是其復(fù)雜度要低很多，算法更簡(jiǎn)單，解碼復(fù)雜度降低，專(zhuān)利費(fèi)用更少等優(yōu)點(diǎn)。這也是本臺(tái)衛(wèi)視高清頻道未來(lái)上星將采用該編碼方式的重要原因。對(duì)于上星傳輸，本臺(tái)需保障信號(hào)能安全傳送到省網(wǎng)絡(luò)公司，然后再通過(guò)國(guó)干網(wǎng)傳送到中國(guó)有線，由中國(guó)有線提供信號(hào)源給上行地球站。上星傳輸路由簡(jiǎn)圖如圖8所示。

圖8　上星傳輸鏈路簡(jiǎn)圖

5　總結(jié)

貴州衛(wèi)視高清頻道編碼傳輸系統(tǒng)是本臺(tái)第一套高清編碼傳輸系統(tǒng)，對(duì)其性能和安全措施上有較高要求，它是本臺(tái)高清頻道安全播出的重要保障。電視節(jié)目的安全傳輸作為電視節(jié)目安全播出的重要環(huán)節(jié)之一，安全保障尤為重要。整個(gè)高清編碼傳輸系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中體現(xiàn)了高質(zhì)量、安全可靠、便于維護(hù)和較靈活的擴(kuò)展性等特點(diǎn)。

作為宣傳貴州的主流媒體，高清頻道的技術(shù)保障是較為突出和重要的。高清頻道編碼傳輸系統(tǒng)運(yùn)行近一年以來(lái)，穩(wěn)定可靠，是本臺(tái)高清頻道安全播出的技術(shù)保障，為整個(gè)頻道全年0秒停播率和提高貴州衛(wèi)視的影響力和收視率做出了較大貢獻(xiàn)。

［1］楊升，張德鵬.高清電視發(fā)展的國(guó)際國(guó)內(nèi)環(huán)境分析［J］.廣播與電視技術(shù)，2009（5）：40-46.

［2］張丹.基于H.264，MPEG4 MP3等編碼格式的高清編碼器［M］.北京：北京郵電大學(xué)，2013.

［3］黃少俊，童龍文，陳智基.H.264和AVS編碼在地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)的應(yīng)用［J］.電視技術(shù)，2009，33（7）：4-6.

GZTV HD Channel Coding Transmission Scheme

ZHANG Lin，LUO Xinhai

（Broadcast Control Transmission Center，GZTV，Guiyang 550002，China）

In order to promote safety broadcast of the GZTV HD channel，the first HD coded transmission system is designed.Inthedesignprocess，theencodingandtransmissionofHDsignalsistestedandvalidatedmore comprehensively.By comparing verification，and the way of GZTV HD channel coded transmission is ultimately established.The design and application of high-definition TV channel coding transmission system isemphatically introduced.The entire system has strong flexibility，better complementarity and high stability.

HD；encoding；H.264；TS；SDH；AVS

TN948

B

10.16280/j.videoe.2015.10.020

閆雯雯

2014-08-06