基于DVB-C系統的高碼率8K超高清節目傳輸和接收方法的研究和設計

姜明輝，張羽喆

（四川九州電子科技股份有限公司 四川 綿陽 621000）

0 引言

自2000年開始，中國大力推進數字電視整體轉換，陸續停播了模擬電視。隨之基于DVB-C技術的有線數字電視系統率先在廣電行業領域使用，包括前端、傳輸、終端等相關產品、設備大量普及。截至2021年底，國內累計出貨的有線數字電視機頂盒超過3.5億臺，其中2 K高清機頂盒出貨超過1億臺、4 K超清機頂盒超過5 000萬臺，8 K超高清機頂盒目前還未批量普及[1]。為滿足人們日益增長的美好生活需要，4 K/8 K超高清電視節目的普及將是未來數字電視發展的必然。但是超高清節目傳輸要求帶寬高，尤其是8 K超高清節目。8K電視節目的分辨率已經達到7 680×4 320約3 386萬像素、幀率最高達到120 Hz，一套8 K節目視頻傳輸根據采用的視頻壓縮標準及幀率不同，碼率一般為80～170 Mbps左右，有的對實時性要求比較高的節目（如體育節目直播等）甚至達到200 Mbps[2-3]。怎樣基于現在的DVB-C技術的有線數字電視系統傳輸和接收類似8 K這種高碼率數字電視節目，成為一大難題。本文研究和介紹一種基于現有傳輸網絡和終端接收設備實現8K超高清數字電視節目傳輸和接收的方法和系統。

1 研究內容及具體實施方案

1.1 現有技術情況

目前在廣電領域的有線數字電視機頂盒，采用的傳輸技術是基于同軸電纜的DVB-C數字電視傳輸標準，其信道普遍采用的是QAM調制方式，包括64QAM、128QAM及256QAM等多種調制技術。其中在國內64QAM的調制解調方式用得最多，部分地方有少量在用256QAM的調制解調方式。同時用于載波的頻率帶寬是8 M，頻率范圍是100 MHz到1 000 MHz。按采用傳輸數據量最多256QAM的調制解調方式計算，一個8 M帶寬的載波頻率最大傳輸碼率也只能達到50 Mbps，可以傳輸一套4 K的節目（碼率36 Mbps左右），不能完整傳輸一套8 K的節目。同時，目前在網的有線數字電視機頂盒一般只有一個Tuner和對應一個QAM解調芯片，只能接收一個8 M帶寬頻點的RF射頻載波信號即一路TS流。所以按現有的方式不能直接把一套及多套真8 K的節目直接打包調制在一個TS流上進行調制、傳輸、接收和解調。廣電運營商怎樣利用當前的DVB-C傳輸網絡系統，把高質量的8 K節目傳輸到終端及現有在網的有線數字電視機頂盒上，成了一個難點。經過研究和試驗，本文介紹一種基于現有的DVB-C傳輸網絡系統，對當前網絡的設備只需要少量改造，實現現有在網的，包括2K高清或者4K超清DVB-C有線數字電視機頂盒，能接收到8K數字電視節目的方法和系統。

1.2 具體研究內容和方案

如圖1，前端的8K數字電視節目源采用AVS3編碼，AVS3視頻編碼標準是中國AVS工作組制定的第三代視頻編碼標準，適應超高清電視廣播、VR、視頻監控等多種應用場景，它比上一代AVS2節省了大約30%的比特率[4]。 8 K數字電視節目源通過AVS3編碼器進行AVS3編碼格式編碼。編碼后進入前端服務器對視頻數據流進行拆分，拆分成N個片段，N大于等于8 K節目播放所需要的最低碼率（記為8 Kbps）除以每個片段設置的固定碼率（記為Nbps），即N=8 Kbps/Nbps。Nbps的取值取決于后面每路采用的信道調制方式，本發明采用DVB-C系統中實際能達到最高信道傳輸碼率的256QAM信道調制方式，理論上每路信道傳輸碼率最大約為50 Mbps，實際使用為48 Mbps，即Nbps=48 Mbps。

同時服務器根據拆分情況生成N個MPD（Media Presentation Description）媒體報告描述文件。MPD文件描述了8 K節目流拆分后的相關信息，除了包括各類音視頻參數外，主要還包括了8 K節目流分段后各段內容大小、時長、分段序號、數量、每段碼率等關于各片段同步信息的時間戳[5]。MPD文件可以通過設置插入在每個片段的頭或者尾，插入到那個片段，會攜帶該片段的標識信息，所以每個MPD文件都不完全相同。

隨后N個片段和其他非8 K節目流一起進入多路TS復用合成器，進行TS流的合成，生成TS1-TSN個8 K節目TS流，每路TS流的碼率設置為48 Mbps。其中8K節目和平時播放的非8 K節目不能打包在一個TS流上，非8K節目根據節目量打包成TS01-TS0N。多路TS復用合成器根據生成TS流情況同時生成TID(TS ID）表，TID表記錄了各片段及其他節目的TS打包情況，包括片段N的值，對應TS1-TSN流所在的頻點信息、順序等。其中TID表插入在TS0流中，并且都插入到每個TS01-TS0N中，以確保機頂盒終端平時在使用時能接收到該TID表。

之后各路TS進入QAM調制器進行256QAM信道調制，輸出RF1-RFN及RF01-RF0N射頻調制信號，通過頻率混合和功率放大后輸入有線同軸網絡（HFC網絡）大網中。這樣前端完成了8 K節目的發送工作。

圖1 8 K節目前端處理系統

如圖2，在接收端，DVB-C數字有線機頂盒接收到用戶的要下載點播一套8 K的數字電視節目指令后，機頂盒會先去讀取和解析隨非8 K解碼TS0N中傳輸過來的TID表；根據TID表的信息解析出所需的8 K節目在哪些頻率點上，然后分時依次鎖頻和接收對應的射頻調制信號載波。解調出對應8 K節目所在的TS0-TSN，然后把這N路的TS流先緩存在機頂盒的動態內存上。之后機頂盒從TS0-TSN中讀取并解析出MPD文件的信息，根據信息對TS0-TSN進行合并和輸出一路所需的完整的8 K節目的TS流。然后存儲在機頂盒內置或者外置存儲器上，用戶可以等下載完后進行點播觀看或者緩存后邊下載邊觀看。

圖2 8 K節目機頂盒終端接收系統

1.3 實際典型使用實施方案

如前面所提，目前廣電運營商在網的DVB-C有線數字電視機頂盒主要以2 K高清、4 K超高清機頂盒為主。這些機頂盒怎樣接收播放8 K的數字電視節目，下面進行詳細介紹。

當廣電運營商準備播出一套或者多套8 K節目時，通常有兩種播出方式，一種是廣播式、一種是點播式。廣播式適用于單向機頂盒，點播式適用于具有網絡回傳方式的雙向機頂盒。但是不管是廣播方式還是點播方式，前端都會把正在廣播的8 K節目或者可以點播的8 K節目的節目名稱等相關信息通過EPG（節目信息指南）下發到在網的機頂盒終端上。當用戶根據EPG信息點擊要觀看一套8 K節目時，假設該8 K節目是一套分辨率極高（7 680×4 320的8 K分辨率）、幀率極高（120 Hz動態幀率）的高質量實況足球比賽節目。其在前端采用AVS3編碼，為保證播出視頻圖像的質量，采樣率極高，要求的最低播出碼率為170 Mbps。

根據前文介紹該8 K節目經過AVS3編碼器編碼后進入服務器，服務器按播出碼率要求對其進行N個片段拆分，N=170/48=3.54≈4。即前端服務器把該8 K節目拆分成4個碼率為48 Mbps的片段，對于第4個片段數據量不夠可以通過填充0或者1數據在里面，也可以填充其他8 K節目的數據，不管填充什么樣的數據，相關信息都記錄在MPD文件上，MPD文件將記錄該節目識別號、分辨率、幀率、播出碼率、拆分片段N的值及N值的先后順序、填充的數據類型、音視頻同步等信息。

然后8 K節目4個片段經過TS復用合成器后生成4路8 K節目TS1-TS4，并生成TID表插入在非8 K節目TS0N上，并且每個TS01-TS0N都需插入，便于和確保機頂盒終端都能收到TID表。之后TS1-TS4經過QAM調制器進行256QAM調制，分別輸出4路帶寬為8 M的不同中心頻率點的RF1-RF4射頻信號。該RF1-RF4中心頻點一般是當前網絡未使用的空閑頻率點，避免與其他節目所在的頻率點重復。RF1-RF4射頻信號經過功率放大和頻率混合后輸出到HFC傳輸大網中。

在家庭有線機頂盒接收終端，如圖3，當用戶要觀看一套8 K節目時，用戶通過機頂盒終端的EPG界面呈現的8 K節目名稱，選擇點擊要觀看的8 K節目。隨后機頂盒終端會去下載和解析隨TS0N廣播下來的TID表，找出對應8 K節目所在的頻點信息，即4路RF1-RF4分別的中心頻率點。

對于只有一個Tuner和一個QAM解調器（一般一個Tuner對應一個解調器）的機頂盒終端，機頂盒CPU會進行判斷，當機頂盒的Tuner空閑時，比如用戶不看直播節目時，依次分別進行RF1-RF4的鎖頻和接收；當機頂盒有多Tuner和多個解調器時（一般為2～4個Tuner和解調器），CPU調用其它空閑的Tuner依次分別進行RF1-RF4的鎖頻和接收。

然后機頂盒依次解調出對應的8 K節目TS1-TS4緩存在機頂盒的動態DDR內存里，并下載解析插入在TS1-TS4中的MPD表，根據MPD表的描述和標識信息按序按要求對TS1-TS4進行合并，對于多余數據則進行剔除舍棄，最終合成一路所需的8K節目的TS流。之后機頂盒把該8K節目TS流保存在內部或者外部的數據存儲器上，下載完或者下載到一定量后機頂盒會通過顯示界面通知用戶，用戶也可以通過界面自行查看下載進度情況。這里，如果用戶的機頂盒終端內部配置的數據存儲器（一般為EMMC FLASH）容量不夠，可以通過USB接口（基本上2 K高清和4 K超高清機頂盒都有USB接口）擴展外部存儲器，比如通過USB接口插入U盤或者USB移動硬盤等。

最后，用戶通過點擊下載完成的8 K節目的名稱，機頂盒調取對應的TS流進行解碼，輸出對應的8 K節目音視頻內容進行觀看。如果該8 K節目流是加密的TS流，則機頂盒會先把TS流輸入到機頂盒的解擾器進行解擾，再輸入到解碼器進行解碼輸出。這里，如果用戶家的機頂盒終端是有4個Tuner和4個對應QAM解調器的機頂盒。那么該機頂盒終端可以通過4個Tuner同時接收該8 K節目所在的RF1-RF4射頻載波信號，并同時解調出4路TS1-TS4，然后可以實時進行TS的合并和解碼播出，實現8 K節目的實時直播觀看。

圖3 機頂盒終端用戶點播8 K節目處理邏輯框圖

2 對當前設備的改造投入

對于當前的DVB-C傳輸網絡系統，HFC傳輸通道、前端設備及有線機頂盒終端的改造上比較少。當前如廣電運營商的前端沒有AVS3的編碼器則重新需要去升級和購買相應AVS3編碼器；當然如果不用AVS3編碼器或者增加其他的編碼器，也可就用現有的編碼器，只是這樣8 K節目流的數據量就相對較大，需要拆分成更多的片段，這樣占用傳輸的頻率點就更多。針對片段拆分服務器可以沿用原有的服務器或者適當進行升級，比如增加內存、板卡和相應接口；針對TS復用器、QAM調制器、RF功率放大及混合器，如當前接口路數已經足夠，那基本不需要改造；如果接口路數不夠，則升級增加相應接口板卡即可。

對于HFC同軸電纜傳輸通道網絡上，因為QAM256的調制解調方式對網絡信號要求相對高些，傳輸線上盡量減少干擾和衰減。如果現有的HFC網絡較舊有老化、干擾和衰減較大的話，可以適當對網絡線纜、接頭等進行優化更新，投入成本也不高。

對于有線機頂盒接收終端，用戶還可以自己增加一個外置的U盤或者USB移動硬盤用來存儲8 K的節目流，運營商統一對機頂盒的軟件進行升級，就可以使用。

3 結語

本文介紹了一種8 K超高清節目的傳輸和接收的方法和系統，可以適用在廣電領域普遍采用的DVB-C有線數字電視系統中，解決高碼率的8 K節目在當前的DVB-C傳輸網絡系統下，不需太大改造或者只需要適當的改造，就可以利用在網上的有線數字電視機頂盒實現8 K節目的接收播放問題，為廣電運營商推廣8 K節目提供了一種性價比較好的方案。