基于4K超高清電視廣播的有線電視網(wǎng)傳輸分析

曹 梅

（江蘇省廣電有線信息網(wǎng)絡(luò)股份有限公司常州分公司，江蘇 常州 213000）

超高清的快速、穩(wěn)定傳輸是4K超高清電視廣播能夠充分發(fā)揮自身應(yīng)有效用的關(guān)鍵所在。加強(qiáng)對該方面的探究，不僅有助于人們深化對4K超高清電視廣播的理解認(rèn)知，而且對于優(yōu)化超高清傳輸、推動4K超高清電視廣播及有線電視網(wǎng)傳輸實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，均具有十分重要的幫助作用。

1 4K超高清電視廣播中的核心技術(shù)分析

1.1 HEVC編碼

與全高清電視廣播相比，4K超高清電視廣播具有其至少4倍的清晰度與數(shù)據(jù)總量，因此，在4K超高清電視廣播中，傳統(tǒng)全高清中使用的壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)，即MPEC-2以及H.264顯然已經(jīng)不適用。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在4K超高清電視廣播中應(yīng)使用H.265高效視頻編碼，相較于以往的壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)，在視頻質(zhì)量相一致的情況下，該高效視頻編碼的壓縮效率更高，可令4K超高清電視廣播減少一半以上的輸出視頻流碼率[1]。

1.2 高階調(diào)制

現(xiàn)階段，我國有線數(shù)字電視傳輸使用的調(diào)制方式為正交振幅調(diào)制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM），適用于眾多調(diào)制等級，其等級數(shù)為：

其中，m代表各符號比特?cái)?shù)。隨著調(diào)制等級的逐漸降低，頻率利用率也將會降低，但4K超高清電視廣播中的有線數(shù)字電視傳輸抗干擾能力將會逐漸增強(qiáng)。反之，隨著調(diào)制等級的逐漸提高，雖然會有效減少頻譜資源浪費(fèi)情況的發(fā)生次數(shù)，但會在一定程度上減弱其抗干擾能力。因此，經(jīng)過綜合考慮，我國4K超高清電視廣播的有線數(shù)字電視傳輸中選用64QAM調(diào)制方式。

按照式（2）進(jìn)行計(jì)算，可知調(diào)制器處理有效碼率為38 Mbps。若傳輸對于網(wǎng)絡(luò)有極高要求，則可以進(jìn)一步提高比特利用率，即使用更高階的QAM調(diào)制器，如采用128QAM代替使用64QAM，同時適當(dāng)調(diào)整終端即可。

1.3 4K顯示

4K技術(shù)是4K超高清電視廣播的一項(xiàng)核心技術(shù)，由2K轉(zhuǎn)4K技術(shù)、顯示器面板技術(shù)兩大部分構(gòu)成。在從2K轉(zhuǎn)為4K的過程中，可采用單一補(bǔ)償、關(guān)聯(lián)補(bǔ)償?shù)姆绞?。單一補(bǔ)償通過4K超高清電視廣播的內(nèi)置圖像處理器，渲染正播放圖像并進(jìn)行追蹤補(bǔ)償，即直接將4個像素點(diǎn)插入原圖的各像素點(diǎn)中，用以有效提升圖像分辨率使其可以達(dá)到4K[2]。關(guān)聯(lián)補(bǔ)償主要將整個2K圖像畫面劃分成若干區(qū)間，一般劃分的區(qū)間數(shù)為2 000 000個。針對臨近的兩個區(qū)間，按照縱橫雙向維度進(jìn)行色彩運(yùn)算，再將像素直接插入其中，使之能夠和周圍顯示畫面相匹配，最終有效提升圖像精度，使其可以在視覺上達(dá)到4K效果。

2 4K超高清電視廣播的有線電視網(wǎng)傳輸分析

2.1 傳輸要求

當(dāng)前，有線電視網(wǎng)傳輸標(biāo)清電視節(jié)目只有大約100套、高清電視節(jié)目僅幾十余套，在運(yùn)用K超高清電視廣播節(jié)目傳輸時，勢必要充分考慮混合傳輸問題。為避免4K超高清傳輸時浪費(fèi)大量帶寬，還需使用高效視頻編碼H.265，故而需要對終端進(jìn)行相應(yīng)更換，即更換機(jī)頂盒或是一體機(jī)。

2.2 傳輸方式

現(xiàn)階段，在地級市以上級別的城市中，全高清有線電視中采用的編碼方式大多為H.264，調(diào)制模式使用的是64QAM，編碼率在11 Mbps左右。對于0.5K標(biāo)清電視采用的編碼方式與調(diào)制方式分別為MPEC-2與64QAM，編碼率基本為6 Mbps。4K超高清電視廣播清晰度較高，如果使用全高清或是普通標(biāo)清電視中使用的壓縮方式，則按照式（2）可知其編碼率約為44 Mbps。因此，4K超高清電視廣播根據(jù)實(shí)際情況，可以在采用編碼方式為H.264的基礎(chǔ)上，使用高階MQAM調(diào)制，其中，M至少為64，調(diào)制等級數(shù)M＝2m，其中，m的取值為7，8，9，…。除此之外，4K超高清電視廣播中，還可以選擇使用H.625編碼方式，并采用64QAM調(diào)制方式。

在前一種傳輸方式中，QAM調(diào)制m時，選擇的調(diào)制階數(shù)應(yīng)為64；而QAM調(diào)制n時，調(diào)制階數(shù)同樣為64，n與m的取值基本相同，均為1，2，3，…[3]。在4K超高清電視廣播的有線電視網(wǎng)傳輸中，在使用超高清H.264編碼復(fù)用裝置的基礎(chǔ)上，新增使用QAM調(diào)制器k。在確定MQAM的調(diào)制階數(shù)時需要使用式（3）：

式中，調(diào)制等級用Mod表示，計(jì)算出新增調(diào)制器k的調(diào)制模式與調(diào)制階數(shù)為256，使用H.264編碼模式與高階MQAM調(diào)制的傳輸方式如圖1所示。

圖1 H.264編碼模式與高階MQAM調(diào)制相結(jié)合的傳輸方式示意

在后一種傳輸方式中，4K超高清電視廣播的有線電視網(wǎng)傳輸中采用的編碼模式為H.265，調(diào)制方式為64QAM。采用此種QAM調(diào)制器可有效避免有線電視網(wǎng)承擔(dān)過重的傳輸壓力。H.265高效視頻編碼的編碼率僅為傳統(tǒng)H.264編碼的一半，所使用的超高清H.265編碼復(fù)用輸出碼率基本為22 Mbps。

2.3 應(yīng)用實(shí)例

2014年起，江蘇、上海等諸多省市、地區(qū)先后開始嘗試在現(xiàn)有高清機(jī)頂?shù)幕A(chǔ)上，利用4K視頻點(diǎn)播專區(qū)專門負(fù)責(zé)播出4K超高清廣播電視節(jié)目。大連等地也紛紛開通4K電視信號，播放清晰度更高的影視劇、紀(jì)錄片等，且全天候循環(huán)播放，用戶購買最新的超高清機(jī)頂盒即可足不出戶地自由觀看各種超高清視頻，有效豐富娛樂生活，充分滿足觀眾多樣化的精神需求。比如2020年的春晚河南分會場中，中央電視臺積極與華為公司、中國移動公司相互合作，嘗試使用5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時傳輸4K超高清電視，將4K超高清信號快速、無損地傳輸至中央廣播電視總臺的機(jī)房中，而后由總臺向分會場總臺中設(shè)置的4K超高清轉(zhuǎn)播車，實(shí)時傳輸相應(yīng)的超高清電視信號。

從本質(zhì)上看，將有線電視網(wǎng)應(yīng)用在4K超高清電視廣播傳輸中，可以有效增強(qiáng)傳輸抗干擾能力與穩(wěn)定性。傳輸平臺與傳輸網(wǎng)絡(luò)具有較高獨(dú)立性，政府部門可有效監(jiān)督、管理傳輸與播放內(nèi)容。

3 結(jié)語

4K顯示與高階調(diào)制等各種先進(jìn)技術(shù)的不斷發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)4K超高清電視廣播傳輸提供了重要的技術(shù)支持。未來，我國在繼續(xù)發(fā)展4K超高清電視廣播中，還需加強(qiáng)對傳輸方式的應(yīng)用探索，尋找更加行之有效、網(wǎng)絡(luò)壓力更低的傳輸方案，活用各種調(diào)制與編碼方式，使得4K超高清電視廣播傳輸能夠真正實(shí)現(xiàn)全面優(yōu)化。