4K 超高清電視的有線電視網傳輸技術分析

2023-01-16 22:19:58唐駿飛

電視技術 2022年5期

唐駿飛

（北京廣播電視臺，北京 100089）

0 引言

多年來，國家廣播電視總局致力于推動電視頻道的高質量發展，加快4K 超高清電視的推廣應用，并于2018 年10 月1 日正式開播國內首個上星超高清頻道——CCTV 4K 超高清頻道。4K 超高清電視因其節目畫面更加通透、景物逼真、動作流暢、細節清晰細膩、色彩豐富、音效質感高級真實等優點被廣大受眾所喜愛。近日，作為北京2022 年冬奧會、冬殘奧會的官方有線電視服務供應商，歌華有線圓滿完成了有線電視專網服務保障工作。而北京廣播電視臺冬奧紀實4K 超高清頻道的順利開播，標志著北京廣播電視臺電視播出正式邁入4K 超高清時代，向高質量智能化播出邁進了堅實的一步。

1 4K 超高清電視的有線電視網傳輸

1.1 4K 超高清電視簡介

“4K”一般指分辨率，對應電視屏顯的像素參數。4K 超高清電視則指配備物理分辨率達到3 840×2 160（4K×2K）的電視產品，具有更加寬廣清晰的視覺效果，可以更好地提升觀眾的觀看體驗。作為一種高端電視產品，4K 超高清電視還擁有多項智能應用系統，比如多屏互動、健康監測以及云端管理技術等，讓用戶在享受視覺盛宴的同時享受到生活上的便利[1]。

1.2 4K 超高清電視的有線電視網傳輸系統

4K 超高清節目的傳輸系統具有高綜合性，在有線電視網絡的基礎上推進各項4K 超高清數字電視業務，并根據不同的系統功能設計選擇構成各個有線電視系統。一般來講，構成4K 有線電視網傳輸系統的典型系統包括前端信號源系統、加擾復用系統、條件接收系統（Condition Access System，CAS）、用戶管理系統（Subscriber Manage System，SMS）、網絡接入系統、終端接入系統以及網絡技術管理系統等。

1.3 4K 超高清電視的有線電視網傳輸特點

1.3.1 傳輸速率高

DVB-C 以數字有線電視網信號作為節目傳輸接收介質，具有16QAM、32QAM、64QAM、256QAM 編碼等多種傳送方式，因此信號傳播與應用頻率范圍均極深廣。采用64QAM 進行正交調幅與調制傳輸時，一個帕爾制（Phase Alteration Line，PAL）通道信號的最高傳送誤碼率平均約為41.34 Mb·s-1，可分供多套有線電視節目復用。同時，用于長距離傳輸有線電視信號等各種中高頻信號的同軸電纜（coaxialcable）壽命長、容量大、傳輸速度穩定、頻率特性高且屏蔽保護性能比較好，抗干擾屏蔽能力強，可以承載大量信息數據并進行高速率傳輸。

1.3.2 播放質量高

4K 超高清的有線電視網常用點對面的形式進行傳輸，發送端與接收端直連，二者之間的通信帶寬取決于物理信道以及收發兩端的半導體芯片的射頻性能，即高頻頭的性能，主要用于公共服務。傳輸信息時相對來說比較穩定，電視播放過程中很少出現卡頓，電視畫面清晰流暢。4K 超高清有線電視網的內容受到政府的有效監督管控，安全性高，在專有網絡的支持下以傳播積極向上的內容信息為主，內容質量有保障。4K 超高清有線電視網的維護服務很到位，出現問題時可以及時尋求所在區域的維修幫助，各個項目的服務均有維修保障。

2 4K 超高清電視的有線電視網在實際應用中存在的問題

2.1 頻譜資源不足

無線電頻譜資源是當前國民經濟和社會發展過程中必不可少的重要生產力要素，發揮著重要的支撐和基礎平臺作用。近年來，各類新興互聯網技術和各項互聯網新業態的出現和快速發展，使得頻譜資源的供需矛盾日益凸顯。頻譜資源具有極高的使用價值和安全價值，屬于日漸稀缺的資源。雖然無線電頻譜資源可以通過空間、時間、頻率等條件進行頻率復用，但就某一頻段、頻率而言，其在一定區域、一定時間和一定條件下的利用是有限的，且部分頻段的頻譜資源開發利用的成本非常高，頻譜資源的使用效率有待提高[2]。

2.2 技術指標偏低

一方面，目前大多數國產的4K 超高清電視節目在實際后期編輯制作技術和電視播出工作流程控制上仍普遍存在操作不規范、技術性能指標達不到觀眾預期目標的問題，如畫面亮度過高、畫面整體層次感不夠、細節處理不到位、色彩質量嚴重失真等；另一方面，當前我國部分4K 電視的片源依舊使用H.264 標準進行編碼，存儲條件和網速達不到雙向平衡，且影片資源受限，產品與資源不相符合的情況依舊存在，高分辨率的節目源所能提供的電視量較少，用戶難以真正享受到超高清的4K 畫質。

3 4K 超高清電視的有線電視網傳輸技術應用

3.1 4K 超高清電視的有線電視網傳輸技術

3.1.1 高效率視頻編碼技術（High Efficiency Video Coding，HEVC）

高分辨率對應的是更加優良的視頻編碼技術。為適應不斷升級的寬帶傳輸要求，保障視頻畫面的超高清化，4K 超高清電視的視頻編碼技術也在不斷進步。目前開始逐步采用新一代的HEVC 技術，即H.265，逐步提升原本編碼工具的效率。HEVC編碼樹單元（Coding Tree Unit， CTU）支持8×8到64×64 像素的CTU 大小，可向下分割編碼單元（Coding Unit，CU）、預測單元（Prediction Unit，PU）及轉換單元（Transform Unit，TU），提升像素塊尺寸便于更好地細分圖片尺寸，提高編碼效率；同時，HEVC 使用8 個抽頭的濾波器進行一維半處樣本插值，或是七個抽頭的濾波器進行一維四分之一處樣本插值，且消除了四舍五入的誤差，更加精準；HEVC 幀內預測（Intra Prediction）有33 種方向模式，還有用于平坦表面的DC 幀內預測和支持所有區塊尺寸的平面預測模式，范圍更廣[3]。

從清晰度來看，它建立在H.264/AVC 技術的基礎上，是一種逐漸發展起來的新的視頻壓縮標準，在提升影像質量的同時也能達到H.264/MPEG-4 AVC 兩倍的壓縮率（等同于同樣畫面質量下比特率減少到了50%），可支持4K 清晰度甚至到超高清電視（Ultra High Definition TV，UHDTV），最高清晰度可達到8 192×4 320（8K 清晰度）；從內容結構上來看，它可以在很大程度上保證框架中各單元更加獨立、靈活、有序地完成各項預測、變換等功能。

3.1.2 信息傳輸技術（DVB）

數字視頻廣播（Digital Video Broadcast，DVB）有很大的廣播傳輸優勢，例如用戶覆蓋范圍廣而精，傳輸效率高，內容優勢明顯等，適合作為全覆蓋的公共服務。升級后的DVB-C2 可高效地利用現有的有線網絡傳輸容量，有力開展新業務模式，如視頻點播（Video on Demand，VOD）和高清電視（High Definition TV，HDTV）等。它提供一系列能夠針對不同有線電視網絡特性，根據用戶的不同服務需求定制的模式和選項。實驗表明，DVB-C2 相比于DVB-C，在相同條件下，提高了30%的頻譜效率，采用DVB-C2 的電視終端將成主流。

3.1.3 高階調制技術（QAM）

高階調制屬于通信的物理層調制方式，將碼元符號映射成不同的幅度、相位、頻率以及幅度/相位聯合的方式包括ASK，相移鍵控（Phase-Shift Keying，PSK），頻移鍵控（Frequency-Shift Keying，FSK），正交振幅調制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）等。4K 超高清視頻的大碼率、大帶寬要求它使用數據量更大的調制方式，目前常見的是64QAM、256QAM 調制方式。高階調制的頻譜效率更高，信息傳輸速度更快。

3.1.4 4K 顯示技術（UHD）

與高清電視（High Definition TV，HDTV）相比，超高清電視（Ultra High Definition TV，UHDTV）可以帶來更具沉浸感的視聽體驗、更好的臨場感受以及逼真體驗。UHDTV 技術的提升方式體現在五個方面。第一是更高的分辨率（4K、8K），幫助人們獲得更加逼真的體驗；第二是高動態范圍（High Dynamic Range，HDR），用以提升暗部與高光的亮度信息來滿足新型顯示技術需要；第三是寬色域（Wide Color Gamut，WCG），可以呈現更多人類可感知的高飽和顏色，讓色彩的對比度變得更加強烈，感受更為真實；第四是是高幀率（High Frame Rate，HFR），使大銀幕下運動更清晰，降低動態模糊；最后是下一代沉浸式音頻（Next-Generation Audio，NGA），新一代的音頻技術如全景聲和三維聲，可以使音頻獲得更準確的空間定位，為觀眾帶來更強的沉浸感和聽覺感受。

總體來說，更高的分辨率和幀頻率，在客觀指標上提升了影像的靜態和動態清晰度；更高的動態范圍和更大的色域范圍，可以使得單點像素能夠展現的亮度和色彩信息大幅提升，提高影像的細節層次。在4K畫質下，所有的細節、質感都需要做到精益求精，HDR 制作依然處于快速發展中，制作方式和顯示端都在不斷進化，制作技術也在與時俱進[4-5]。

3.2 4K 超高清電視的有線電視網傳輸技術的有效應用

3.2.1 多措并舉，提高優質內容供給

首先，要實現內容生產精品化。主題方面要主動創新，堅持正確導向和價值引領，拓展多樣化的主題和內容；要提高節目制作播出水平，鼓勵優質內容創作和生產，提高組織化程度，實現節目在內容的新突破，打造精品佳作，產出更多具有影響力的高質量作品。其次，要升級高清形態，依托5G 技術實現超高清信號的長時間穩定傳輸，給用戶帶來更好的全場景沉浸式體驗，提供超高清有線網絡電視的可持續發展動力。最后，要以用戶為本，確保端到端4K 內容服務質量，要重視用戶體驗，將服務質量檢測技術用于來源、回傳、播出等環節，進行服務性能參數的實時采集，推動業務能力和服務能力顯著提升。

3.2.2 強基固本，增強核心技術基礎

第一，改進編碼設計。探索分層編碼技術和顯示能力智能匹配技術。在采集編碼環節進行視頻信號變換分層分裝，繼而在編輯解碼環節實現解封、分離、合成、逆變換還原，采取單一的文件形式，可實時地解決不同行業應用與場景應用的各類需求，控制系統資源的消耗，降低整體系統運行負載成本。

第二，優化網絡寬帶，促進融合。構建一套以“云、網、端”寬帶網絡技術為主要通信基礎單元技術的全球新型無線寬帶網絡架構，為互聯網用戶及時快速地提供全景式、沉浸式、互動式、大帶寬、低延時的寬帶高品質業務。

第三，進一步發揮我國現有HFC 高清網絡機頂盒和高清大網絡帶寬、廣播式移動電視技術體制優勢，專注發展具備超高清數字電視點播等節目技術服務能力、擁有較高頻道收益率的高清大型網絡電視直播類節目，調整和完善現有基于IP 內容資源的分發傳輸平面，推進城域網內容結構優化和接入網擴容升級，融合基于IPQAM 技術、IP 技術實現邊緣內容資源的網絡分發及傳輸，實現擁有不同信息來源、不同內容格式、不同分碼率的內容資源與分發傳輸平臺間的高效適配。

第四，優化顯示。將超高清節目的下轉換參數調整至79%/260 nit、-7 dB，打開下轉換電平后的高清電平超白區域，保障節目最佳輸出轉換效果；將AI 圖像增強處理技術運用于高清文件/信號素材的線上轉換制作過程中，進一步提升超高清圖像視覺效果。

第五，推進4K超高清終端規模部署。因地制宜，逐步推進國產4K 以上超高清終端顯示器在市場發展相對成熟的地區進行更新升級換代，實現規模化覆蓋，增加受眾。

3.2.3 “5G+4K”融媒體傳輸技術實踐

推動“5G+4K”融媒體技術與“大數據、云計算、人工智能”的緊密結合，是促進4K 超高清有線電視網傳輸技術發展的重要技術實踐，是信息通信時代的變革趨勢。首先，要對同一個5G 基站下高清視頻的不同碼流的傳輸效果進行詳細的測試，根據測試結果和傳輸數據對5G 基站進行進一步的傳輸優化，確保選擇最佳的碼流，以保障固定帶寬下的最優傳輸效果。在最佳碼流選定的基礎上，需要對跨基站、跨地區的多路由高清視頻流的傳輸進行測試，確保視頻的穩定性。另外，碼率的選擇也需要經過層層測試把關，在確保超高清視頻的傳輸質量的前提下，綜合考慮中間環節的各項基礎設備質量，包括編碼解碼器、5G CPE 終端性能等，測試其是否可以承載長時間、高碼率的工作，并在工作中維持穩定性。對5G 網絡下的4K 視頻流的傳輸，需要一一測試100 Mb·s-1，50 Mb·s-1，25 Mb·s-1的編碼和傳輸碼率，最終確定最優方案并運用于傳輸實踐中。以“云、網、端”為基礎的新型網絡架構還在不斷探索中，隨著在傳輸速率、接入數量、能耗降低等方面都有更好表現的WiFi6（第六代無線網絡技術）的出現，數據傳輸的速率還將不斷加快，“5G+4K”的融媒體傳輸技術也將面臨進一步的升級改造。

3.2.4 做好故障排查，保障運行穩定

4K 超高清視頻內容的豐富和各種新型業務的引進，大大增加了網絡的傳輸流量，流量組成也變得越發復雜。不同的智能終端操作系統引入導致了兼容性問題的產生，這也造成引發視頻故障的原因多而復雜，難以進行故障定位，故障的解決也會耗費很多時間和精力。因此，工程師必須探索運用電視終端視頻質量監測系統，及時排查故障，利用服務質量（Quality of Service，QoS）指標分析、用戶體驗質量（Quality of Experience，QoE）技術指標分析、用戶體驗質量（QoE）性能分析等工具，分析視頻業務運行設備和承載網絡，利用它們進行故障排查、診斷和解決，提高故障診斷和解決排查效率、節約成本。

3.2.5 打造協同發展產業鏈

產業鏈協同發展是超高清發展的源動力。相關主體要協同創新、共同合作，鼓勵各企業和機構共同參與從IP 核到芯片的制作、到邊緣計算到中心平臺等技術項目的改進，通過AI+編碼結合的方式推動超級編碼芯片產業化。當下，8K 超高清影像在產業生活等領域正產生新的價值。將“5G+超高清”視頻實時拍攝技術廣泛運用于基礎設施檢查和建筑領域，進一步探索其在管道檢查、建筑設備檢查、防災減災、醫療健康、教育等多個領域的可能性和可行性，同時要推動超高清系統在智能制造、城市建設管理、文化旅游、航天等領域的應用，開拓超高清應用市場新方向，打造未來產業發展鏈條。