CCTV-4K超高清數字電視無線發射試驗

山東省廣播電視傳輸保障中心 劉 飛

根據山東省廣播電視局關于泰山轉播臺開展CCTV-4K頻道超高清電視無線發射試驗的批復，泰山轉播臺歷時半年，基本完成4K超高清電視無線發射試驗。本次試驗，5kw發射功率下CCTV-4K超高清數字電視的覆蓋半徑超過130km，能覆蓋山東省全省面積的三分之一，廣播電視覆蓋能力遠超預期。

1 試驗背景

國家廣播電視總局印發的《關于規范和促進4K超高清電視發展的通知》指出，“支持清電視發展較好的省份、機構開展4K超高清電視試點”。2019年12月，山東省廣播電視局聯合山東省工業和信息化廳等部門聯合印發了《山東省超高清視頻產業發展行動計劃（2019-2022）》，對促進我省4K、8K超高清電視發展做出了遠景規劃。本文介紹了泰山轉播臺利用閑置的46頻道R&S廠家的發射設備，采用DTMB-A標準試播CCTV-4K超高清電視節目，打造4K超高清技術條件下的廣播電視新生態，推動廣播電視播出技術的轉型升級。

2 系統框圖

本次改造設計的整體框圖如圖1所示。

3 試驗簡介

3.1 試驗條件

泰山轉播臺位于泰山極頂，海拔約1500m，高海拔可以增加覆蓋面積，機房內的模擬電視發射機按照國家廣電總局《地面數字電視廣播覆蓋網發展規劃》已全部關停，設備閑置。泰山轉播臺的工作人員具備數字電視相關技術改進的知識，擁有豐富的試驗和電視收測經驗。本次試驗對原有的設備進行技術改造，利用現有的頻率，進行4K超高清無線發射的嘗試。

3.2 4K簡介

4K分辨率就是指水平方向的每一行有3840個像素，一共有2160個這樣的行。4K視頻從產生到在電視上播放，需要經過拍攝、壓縮編碼、網絡傳輸、解碼、終端呈現這些過程，本次試驗是在4K視頻的網絡傳輸階段，大部分網絡傳輸階段都是通過網絡運營商（例如電信、移動、聯通等），對于一些山區及復雜地形地區覆蓋困難，而本次試驗是運用無線發射的方式免費發射4K超高清數字電視信號，豐富城鄉居民的精神文化生活。

4 各設備功能介紹

4.1 中星6A三米接收天線

采用前饋拋物面天線，單立柱式底座結構，天線口徑300mm、焦距1256mm，主面結構為分瓣式。主面材料采用半硬防銹合金鋁板，板厚1.5mm，克服玻璃鋼天線及金屬網天線對電磁波的吸收、折射、逸失及抗老化差的弱點，也沒有鋼板天線抗腐蝕能力差的缺點，符合國家標準GB/T11442-1995。

4.2 CCTV-4K衛星接收機

采用DVS-2018 AVS2衛星接收機，該衛星接收機是一款高品質的廣播級AVS2 4K超高清衛星綜合解碼器，支持豐富的音視頻輸入、輸出接口標準，支持DVB-S衛星信號輸入、支持CI模塊解擾、支持AVS2視頻解碼標準。AVS2是AVS工作組推出的第二代新的視頻編解碼國家標準，編碼效率比AVS+提高一倍以上，性能優異。其采用了混合編碼框架，整個編碼過程包括幀內預測、幀間預測、變換量化、反量化反變換、環路濾波和熵編碼等模塊。該衛星接收機相關設置：（1）衛星設置：LNB；類型：5150；本振頻率：5150。（2）掃描設置：信號源：中星6A 125E；頻點：3970/H/15950；頻率：3970；極性：水平；符號率：15950。衛星接收機的主要功能是利用該4K超高清衛星接收機和CCTV-4K解密卡，接收AVS2格式的CCTV-4K衛星節目，作為此次試驗的信號源。

4.3 AVS2/H.265轉碼器

目前，國內生產的4K機頂盒無法解調AVS2的超高清節目，因此，只能在激勵器前端加裝AVS2/H.265轉碼器，根據激勵器的工作模式調整轉碼器的輸出碼率，確保4K機頂盒和頻譜分析儀都能正確的解調出圖像和伴音信號。H.265是ITU-T VCEG繼H.264之后所制定的新的視頻編碼標準。H.265標準圍繞著現有的視頻編碼標準H.264，保留原來的某些技術，同時對一些相關的技術加以改進。新技術使用先進的技術用以改善碼流、編碼質量、延時和算法復雜度之間的關系，達到最優化設置。AVS2/H.265轉碼器的主要功能是將4K衛星接收機接收的CCTV-4K的AVS2編碼格式轉為H.265編碼格式。

圖1 系統框圖

4.4 DTMB-A激勵器

采用吉兆的激勵器，該激勵器可以工作在DTMB和DTMB-A兩種模式，能滿足4K節目超高清要求。DTMB-A是中國地面數字電視傳輸標準的演進版本，具有傳輸容量大、信號接收靈敏度高、抗干擾能力強、高速移動接收性能好等特征，是在原有DTMB標準基礎上的增強和提高。DTMB-A主要技術特點包括：新的靈活幀結構，大幅度降低接收機復雜度和能耗，靈活支持多種業務；支持256QAM/256APSK等高階調制，使得數字電視傳輸演進系統頻譜利用率相比于現有國標DTMB有明顯提高；基于Golay-APSK的調制體制，在提高頻譜效率的同時提高差錯控制性能，保證傳輸的可靠性；新型LDPC碼進一步降低載噪比門限；多天線發射分集技術獲得空間分集增益，可消除傳統單頻網系統中“人工多徑”的影響，獲得更好的信號覆蓋；基于時頻二維信號處理的測距和定位算法，可實現在視距條件下的高精度、低復雜度的無線定位算法。DTMB-A激勵器的主要功能是將轉碼后的信號源進行信道編碼、調制，形成一定制式標準的中頻信號，然后變頻至所需頻道。

4.5 R&S發射機

本次試驗利用德國R&S公司的THU9液冷電視發射機。發射機整機受TCE900控制單元控制，激勵器經過自動切換開關輸出一路射頻信號送到功率分配系統，末級功放由六塊PHU901線性放大器組成，功率合成器后經諧波濾波器送往天線輸出。模擬發射功率為10kW，水泵和熱交換器構成整機的冷卻系統，發射機可通過串行接口遙控。原先發射的齊魯頻道的模擬電視節目已于2020年4月16日停播。試驗人員舊物利用，將此發射機用于本次超高清數字電視無線發射試驗。R&S發射機的功能是調制有用的低頻信號到高頻載波，將其變為在某一中心頻率上具有一定帶寬、適合通過天線發射的電磁波。

4.6 相關測量設備

采用S7000-CATV廣播電視信號頻譜分析儀，該分析儀支持射頻輸入碼流分析、支持解碼加密節目，通過加裝板卡進行升級，頻譜分析儀的功能是分析4K超高清節目，測試接收信號的場強。

5 試驗結果

2020年7月3日到4日，泰山轉播臺組織人員到山東肥城、東阿、聊城、冠縣等地收測數字電視覆蓋情況。測試數據表明，試驗發射的CCTV-4K超高清數字電視在碼率達到33.53Mbps時，覆蓋半徑可達130km，標志著全省甚至全國首次高海拔、大功率、超高清無線數字電視發射試驗取得成功。

總結：（1）本次試驗提供了寶貴的經驗，提升了廣播電視公共服務質量。這次試驗結果表明，泰山轉播臺發射的CCTV-4K超高清數字電視覆蓋半徑超過130km。根據國家廣播電視發展計劃，模擬電視關停后，泰山轉播臺的數字電視覆蓋能夠為魯中地區提供更多更高質量的廣播電視公共服務。本次試驗還合理利用了閑置設備，關停模擬電視節目后，一些發射機處于閑置狀態，根據目前測試結果看，THU9發射機可以通過簡單的軟件升級和技術改造用于數字電視的發射，減少了設備浪費。本次試驗進一步表明高山轉播臺轉播超高清數字電視節目已具備推廣應用條件，可以利用無線方式為周邊城鄉群眾提供超高清電視收看服務，滿足人民群眾對高品質電視節目的多樣化需求。（2）本次試驗還發現一些問題。首先，AVS2的標準已經作為國家標準執行，但國家標準的4K機頂盒并不能直接解碼AVS2，需要將AVS2轉碼成H.265格式才能被機頂盒接收，不利于4K、8K超高清數字電視的普及與推廣。其次，國內的4K超高清項目還停留在編播制作層面，無線覆蓋方面的設備價格昂貴，制約了4K超高清無線覆蓋項目的普及。