UHDTV有線電視廣播技術調研總結

李遠東

（DVBCN，上海 201100）

UHDTV有線電視廣播技術調研總結

李遠東

（DVBCN，上海 201100）

在有線電視網絡現網內傳輸UHDTV信號，以為用戶提供更有競爭力的視聽媒體服務，使得國內外有線電視網絡運營商逐漸試驗、商用UHDTV。調研總結了相關的兩種方式：基于有線電視（單向）廣播網絡和基于有線電視雙向分組數據網絡。將前者總結為基于TDM與信道綁定的UHDTV有線電視廣播傳輸系統，并對其中所涉及的3項關鍵的新技術進行了介紹。接著介紹了此類系統的實驗室性能、現網傳輸試驗、現網商用案例。最后對國內有線電視網絡的相關啟示進行了思考，希望能拋磚引玉。

UHDTV；有線電視；廣播網絡；信道綁定

【本文獻信息】李遠東.UHDTV有線電視廣播技術調研總結[J].電視技術，2015，39（2）.

2014年，韓國、日本先后在有線電視網絡內正式商用4K UHDTV業務，日本計劃于2016年正式商用8K UHDTV業務[1-2]。此外，有線電視網絡傳輸超高清電視的各種試驗也在國內外展開。筆者總結，這些商用和試驗總體上分為兩種情況：1）在有線電視廣播網絡內進行包括單向的HFC光纖同軸混合網絡與單向的FTTH光纖到戶網絡；2）在基于DOCSIS 3.0/DOCSIS 3.1的有線電視雙向網絡內及雙向的FTTH光纖到戶網絡內進行。

本文對上述前一種情況中所涉及的關鍵技術進行調研總結，相關系統可以總結為“基于時分復用（Time Division Multiplexing，TDM）與信道綁定的UHDTV有線電視廣播傳輸系統”。

1 基于TDM與信道綁定的UHDTV有線電視廣播傳輸系統

1.1 系統概述[3-6]

基于TDM與信道綁定的UHDTV有線電視廣播傳輸系統如圖1所示。該系統中，在有線電視網絡總前端，壓縮后的UHDTV音視頻被封裝到MPEG-2 TS，由于碼率很大（以致一個物理頻道可能承載不了），再將TS進行分割，然后被復用進一種新設計的“超級幀”（詳見下文相關部分），最后對每一個超級幀進行64QAM或256QAM調制——而且可以調制到有線電視網絡中任何一個物理頻道；而在用戶端，接收設備對解調后的每一個超級幀進行解復用、同步、組合等處理，重建出UHDTV的MPEG-2 TS，再進行解碼、解壓處理，最后將UHDTV的音視頻信號輸出給電視機顯示。

圖1 基于信道綁定的UHDTV有線電視廣播傳輸系統

可見：1）在該系統中，使用有線電視網絡的若干個物理頻道傳輸1套UHDTV節目，而每個頻道所承載（通過QAM調制）的UHDTV超級幀由若干傳輸流復用幀（Transport Streams Multiplexing Frames，TSMF）經TDM而成，因此可稱之為“基于TDM與信道綁定的UHDTV有線電視廣播傳輸系統”；2）該系統使得新興的UHDTV業務可與有線電視廣播網絡中傳統的基于頻分復用的高清電視及標清電視廣播業務共存。

以下對其中所涉及的關鍵技術進行介紹。

1.2 UHDTV超級幀

“超級幀”的概念是傳統的有線電視廣播網絡中所沒有的。UHDTV“超級幀”的成幀遵循ITU-T J.183中所規范的將多個MPEG-2 TS以TSMF復用封裝到單個流并輸出給有線電視廣播調制器接口的方式。TSMF的成幀結構如圖2所示，由53個等長的段組成（每一段的長度均為188 byte，與一個MPEG-2 TS包的長度相同），第一段為TSMF頭部，用于存放MPEG-2 TS的綁定信息（如復用了多少個MPEG-2 TS、被復用到哪一段等）及其他附加信息。

圖2 TSMF的成幀結構

由于64QAM調制與256QAM調制后的碼率不同，被64QAM調制與256QAM調制后的TSMF幀的傳輸延遲也就不同（前者為2.73 ms，后者為2.05 ms），從而就有必要在接收端對解調后的幀進行同步。為此，一種如圖3所示的新的“超級幀”被提出。“超級幀”由多個TSMF幀構成，時間長度為8.2 ms，并采用信道綁定技術，以在時間上對由64QAM調制與256QAM調制的超級幀進行同步。

圖3 面向64QAM調制與256QAM調制的超級幀架構

由于碼率不同，采用64QAM調制的超級幀中可復用3個TSMF幀，而采用256QAM調制的超級幀中可復用4個TSMF幀。具體采用64QAM調制還是256QAM調制，由相關物理頻道的具體信道特征而定，下文會進行詳細闡述。

1.3 UHDTV信道調制方式的選擇

由于該系統采用信道綁定的方式傳輸UHDTV，即以不同的物理頻道來傳輸1套UHDTV節目，所以UHDTV超級幀的信道調制方式由相關物理頻道的具體信道特征而定。從頻譜效率與傳輸效率角度，256QAM調制要優于64QAM調制。所以一般而言，傳輸UHDTV應優先選擇256QAM調制。但256QAM調制比64QAM調制對各種噪聲及失真更為敏感，而每個有線電視廣播網絡的具體情況不一，且即使再相同的有線電視廣播網絡中，每個物理頻道的信道特征也不一，對于載噪比較低的物理頻道，相對于256QAM調制，可能更適合采用64QAM調制。所以本文選取既有256QAM調制又有64QAM調制的進行介紹，以具有更大的普適性。

為了對現有的有線電視廣播網絡進行充分利用，目前已有的UHDTV傳輸一般采用64QAM調制與256QAM調制的混合方式，如圖4所示就采用了1個以64QAM調制的物理頻道和4個以256QAM調制的物理頻道來傳輸1套8K UHDTV節目。其中值得一提的是，可能有物理頻道的容量會有剩余（比如圖4中以64QAM調制的物理頻道），就可以用以傳輸其他電視節目（比如圖4中以64QAM調制的物理頻道剩余的帶寬用以傳輸1套HDTV節目）。

圖4 多個物理頻道用于傳輸1套UHDTV節目

此外，由于采用了上文所述的UHDTV超級幀，由信道綁定技術而帶來的相關問題就被解決了。

1.4 UHDTV信道同步

傳輸鏈路的長度是影響UHDTV有線電視廣播傳輸延遲的影響因素之一（比如，500 km光纖鏈路的傳輸延遲可達2.5 ms）。一般地，如圖5所示，相關系統以用64QAM調制的物理頻道為基準調整傳輸延遲。

圖5 UHDTV信道同步

由于采用信道綁定技術用若干個物理頻道來傳輸1套UHDTV節目，所以在接收端，每個物理頻道的傳輸延遲不同，接收機就需要對相關物理信道的解調信號進行“對齊”處理：每個UHDTV超級幀中，第一個TSMF幀的頭部被用作同步的標記；而且可接受的各物理頻道傳輸延遲差異的最大值一般被設計成與一個超級幀的時間長度（8.2 ms）相同。當傳輸這套UHDTV節目的所有物理頻道的解調信號都被對齊后，接收機才開始對MPEG-2 TS進一步進行解碼、解壓處理，還原出整套UHDTV節目的音視頻信號。

2 NHK對UHDTV有線電視廣播傳輸系統性能的理論驗證

NHK曾對相關的UHDTV有線電視廣播傳輸系統性能進行理論驗證[4-8]，實驗中的設備配置如圖6所示，參數設置如表1所示，每個物理頻道都加入了加性高斯白噪聲，而且UH?DTV原型接收機中，每個調諧器的輸入功率均被設置成-43.7 dBm。

圖6 UHDTV有線電視廣播傳輸系統實驗系統（照片）

表1 實驗參數配置

2.1 誤碼率

2n-QAM及旋轉對稱性灰度編碼的誤碼率（Bit Error Rate，BER）理論值為

式中：n為每個符號所承載的比特數；δ為編碼信號最短距離的半數值；σ為加性高斯白噪聲的方差值。從而，在接收機側，UHDTV的誤碼率為

式中：N64QAM與M256QAM分別代表64QAM載波個數及256QAM載波個數；CNR64QAM,i與CNR256QAM,i分別代表第i個64QAM信道與256QAM信道的載噪比。此外，考慮到256QAM信道的強健性不如64QAM信道，且在CNR數值較大的情況下，256QAM信道的BER是引起BERUHDTV降低的主要因素，因此，上述BERUHDTV的理論計算公式在CNR高于（含）28 dB時適用。

圖7所示為測試到的該UHDTV系統的BER。CNR的理論值為30 dB時，為了在進行RS（204，188）編碼后獲得準無誤碼性能，要求在FEC之前的BER達到2×10-4。測試結果表明，當CNR的數值為30.9 dB或更高時，無需進行FEC，BER的數值能夠達到2×10-4，接收機能夠無誤碼地接收到UHDTV信號。

圖7 UHDTV誤碼率BER的實測值

2.2 信道同步

在相關試驗中，當把接收機處UHDTV信號的CNR數值設定為恒定值31.5 dB時（而不論傳輸鏈路的長度被改變成多少），64QAM調制信道中，測得傳輸延遲與UHDTV信號的BER之間的關系如圖8所示，可見，在不同的傳輸延遲下，UHDTV信號的BER基本是一個恒定值，這表明，UHDTV原型接收機可以進行延遲補償及對多個物理頻道所承載的UH?DTV超級幀進行同步對齊處理。

3 UHDTV有線電視廣播的現網試驗

2013年，NHK在日本山梨縣的有線電視廣播網絡中進行了UHDTV現網傳輸試驗[7]，相關組網如圖9所示，其中既有HFC光纖同軸混合型有線電視廣播網絡（工作頻段為90～770 MHz），又有FTTH光纖到戶型有線電視廣播網絡（工作頻段為90～2 600 MHz），都進行了UHDTV現網傳輸試驗。

圖8 不同傳輸延遲下，UHDTV信號的誤碼率

圖9 UHDTV有線電視廣播的現網傳輸試驗的網絡架構

其中，UHDTV的參數設置如表2所示。

表2 UHDTV的現網試驗參數設置

UHDTV有線電視廣播的現網傳輸試驗中，一共使用了HFC及FTTH網絡中4個以256QAM調制的物理頻道及1個以64QAM調制的物理頻道來承載1套UHDTV的MPEG-2 TS（碼率為181.2 Mbit/s），這5個物理頻道在有線電視廣播網絡的前端以頻分復用方式與其他承載已有高清及標清電視信號的物理頻道混合（圖10所示為在前端所測得的頻譜），然后通過HFC及FTTH網絡傳輸（用于傳輸UHDTV信號的5個物理頻道的發射功率與現網中其他物理頻道的相同）到測試終端處。

3.1 有線電視廣播網絡內UHDTV的BER

如圖9所示，UHDTV有線電視廣播網絡現網傳輸試驗中，設置有3個測試點（其中2個在HFC網絡內，另外1個在FTTH網絡內）。為了不影響有線電視廣播網絡的正常運行，在現網試驗時，僅在UHDTV原型接收機處向傳輸UHDTV的5個物理頻道加入加性高斯白噪聲。

圖10 在有線電視廣播網絡前端測得的混合有UHDTV信號的頻譜圖（截圖）

圖11所示為在3個測試點所測得的UHDTV信號（未經RS（204，188）編碼）的BER曲線，可見，在沒有任何其余加性高斯白噪聲的情況下，每個測試點所接收到的UHDTV信號的CNR均值都要高于37 dB，這比CNR的閾值（若實際的CNR低于該閾值，還原出的UHDTV就會出現誤碼）要高6 dB甚至更高。這就表明，對于未來的商用UHDTV，CNR還有至少6 dB的裕量可用。

圖11 UHDTV測試點處的BER

相關現網試驗的結果表明，基于TDM及信道綁定的UH?DTV可以在任何一種架構的有線電視廣播網絡內傳輸。

3.2 對多信道綁定技術的驗證

所測得的5個物理頻道各自的BER曲線及綁定信道的BER曲線如圖12所示，并對前者的均值與后者進行比較。可見，兩者幾乎完全重合。這就說明，信道綁定技術可以被用于有線電視廣播網絡傳輸UHDTV信號，相關接收設備可以對被綁定的幾個物理頻道的延遲進行補償處理，并能對各個QAM載波所承載的UHDTV超級幀進行同步處理。

4 更進一步的現網試驗

在上述現網試驗的基礎上，NHK還在有線電視廣播網絡HFC現網內進行了8K UHDTV的傳輸試驗（圖13），網絡配置與參數設置與上述的相同。試驗結果表明，有線電視廣播網絡可以面向85 in（1 in=2.54 cm）的電視機穩定地傳輸22.2聲道8K UHDTV。

圖12 UHDTV接收點處BER與CNR之間的關系

圖13 8K UHDTV有線電視廣播網絡傳輸效果展示

5 UHDTV有線電視廣播商用案例[2-3,9]

韓國有線電視網絡運營商HelloVision商用的4K UHDTV即是采用基于TDM與信道綁定的UHDTV有線電視廣播傳輸系統，如圖14所示，其中的大致情況為：1）音視頻格式：4K UHDTV（3 840×2 160），幀率30p，采樣空間4∶2∶0，量化深度8 bit，并采用5.1聲道；2）音頻編碼：AC-3；3）視頻編碼：H.264；4）調制及傳輸：綁定兩個物理頻道（頻帶寬度為12 MHz），將4K UHDTV超級幀按照ITU-T J.83附錄B中所規范的256QAM調制到每個物理頻道（頻帶寬度為6 MHz）；5）經過信源編碼、信道編碼、射頻調制等環節后，有線電視廣播網絡中所實際傳輸的該套4K UHDTV的碼率約為70Mbit/s。

6 對國內有線電視網絡運營商的相關啟示

在激烈的視聽媒介市場競爭環境中，有線電視網絡運營商應為用戶提供新的視聽服務，而UHDTV將是滿足高端用戶沉浸式視聽需求的下一個“殺手級”應用。

從國內外目前的商用及試驗情況看，現有有線電視網絡是能夠提供UHDTV服務的，而且既可以在有線電視廣播網絡內進行（包括單向的HFC光纖同軸混合網絡與單向的FTTH光纖到戶網絡），又可以在基于EoC/DOCSIS 3.0/DOC?SIS 3.1的有線電視雙向網絡內及雙向的FTTH光纖到戶網絡內進行。長遠看來，這兩種方式可以優勢互補，實現對不同人群在不同場景下的覆蓋。

圖14 HelloVision的4K UHDTV傳輸

但是筆者認為，考慮到應對市場競爭（這里指的是某些視頻網站和通信運營商面向大屏電視機提供4K UHDTV服務）的快速性及靈活性，對于國內的有線電視網絡運營商，近期宜將主要精力放在基于第二種方式的4K UHDTV的商用方面。而從長遠發展計，也需逐步試驗第一種方式，此時，由于國內的有線數字電視廣播網絡目前均采用DVB-C標準，所以可以參考采用本文提及的基于TDM與信道綁定的UHDTV有線電視廣播傳輸系統，借此契機解決目前國內有線數字電視廣播網絡尚未大規模應用256QAM調制的問題和應用下一代AVS的問題。此外，有線電視網絡運營商還可以著手研究未來DVB-C2網絡中的UHDTV多載波傳輸，以進一步提高傳輸效率。

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責任編輯：薛 京

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10.16280/j.videoe.2015.02.002

2014-09-29