廣電HFC網(wǎng)絡(luò)的8K超高清電視傳輸方案研究

李方盛 胡斐

【摘要】在科技的引領(lǐng)下，超高清電視（UHDTV）迅速發(fā)展，地位遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的高清電視，屬于4K和8K超高清技術(shù)的統(tǒng)稱，推廣價(jià)值較高。 相比高清電視（HDTV），8K超高清電視備受青睞，其像素?cái)?shù)是普通電視的十幾倍，畫面清晰度更高。除了像素?cái)?shù)量成倍增加外，各方面性能均有提升，例如：色域范圍擴(kuò)大以及亮度的動(dòng)態(tài)范圍大幅度擴(kuò)大等，還原反差景物的能力均有所增強(qiáng)，為了高質(zhì)量推廣8K超高清電視，需要基于廣電HFC網(wǎng)絡(luò)，不斷完善電視傳輸方案，提高電視傳輸品質(zhì)。

【關(guān)鍵詞】8K超高清;HFC網(wǎng)絡(luò);傳輸方案

中圖分類號(hào)：TN929? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.13.016

在我國，隨著經(jīng)濟(jì)優(yōu)質(zhì)發(fā)展，高清顯示終端接連涌現(xiàn)，這一現(xiàn)象為8K超高清電視高質(zhì)量、快速發(fā)展提供了發(fā)展機(jī)遇。8K超高清電視，好評(píng)度頗高，提供優(yōu)質(zhì)視聽服務(wù)是其主要功效，但現(xiàn)實(shí)中，發(fā)展超高清電視，需要綜合考量各項(xiàng)因素，涉及多個(gè)方面，除了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)外，還要考慮產(chǎn)業(yè)及資金的支撐等。在這樣的前提下，需要發(fā)揮廣電HFC網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢，加強(qiáng)政策引導(dǎo)，結(jié)合現(xiàn)實(shí)需求，不斷完善技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，做好技術(shù)攻關(guān)與應(yīng)用試點(diǎn)。

1. 超高清電視技術(shù)特點(diǎn)

電視想必是每家每戶都具備的，在新的歷史時(shí)期，電視技術(shù)不斷革新，現(xiàn)如今，大屏和小屏并行發(fā)展，這種趨勢已經(jīng)成為常態(tài)和主流。經(jīng)過多年的發(fā)展，電視傳播環(huán)境有所完善，節(jié)目傳播方式更加新穎，都經(jīng)歷了革命性變革，在實(shí)際應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)據(jù)化是不能忽視的兩點(diǎn)特征，現(xiàn)階段，電視技術(shù)全面整合，在此前提下高度銜接互聯(lián)網(wǎng)，這種高度銜接狀態(tài)，從源頭保障并持續(xù)提升了精良度（電視制作的），使效率和效果同時(shí)強(qiáng)化。在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，用戶使用手機(jī)可以輕松完成高頻率更換（網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的），隨時(shí)隨地看電視成為常態(tài)。站在大屏的角度分析，電視機(jī)生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展衍生出來的結(jié)果就是電視尺寸越來越大，雖然尺寸有較大改變，但電視質(zhì)量卻較差，傳統(tǒng)的高清電視像素不高，難以滿足用戶需求，基于這樣的前提，在市場的驅(qū)動(dòng)下，衍生出了圖像和聲音更高質(zhì)量的超高清電視。超高清電視技術(shù)特點(diǎn)如下。

1.1 像素?cái)?shù)量大幅提高

高清電視HDTV，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，像素可以突破200萬，其中8K超高清電視效果最佳，可以達(dá)到3300萬，通過像素的比對，就可以看出4K、8K以及高清電視的區(qū)別。8K超高清電視各方面能力突出，無疑是像素?cái)?shù)最佳的，這種最佳主要體現(xiàn)在垂直和水平兩個(gè)方向，研究發(fā)現(xiàn)是高清電視的4倍，所以畫面更加清晰。

1.2 色域范圍大幅度提升

在有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中指出，電視的色域范圍要以CIE1931色域范圍為基礎(chǔ)，也就是將人眼可見顏色范圍作為基本參照，在此前提下精心設(shè)計(jì)。作為超高清電視，這方面的優(yōu)勢更突出，重現(xiàn)色彩范圍擴(kuò)大優(yōu)勢明顯，超過了一倍以上。8K超高清電視機(jī)顏色不僅自然，而且更加鮮艷逼真，之所以會(huì)有這樣的效果，完全是色域范圍提升的結(jié)果，由此可見，色域范圍提升的重要性。

1.3 像素深度（bit depth）加強(qiáng)

除了上述特征外，像素深度（bit depth）加強(qiáng)也是超高清電視最為顯著的特征。高清電視HDTV，其優(yōu)勢在于取樣深度理想，8bit或是10bit，但是這一點(diǎn)現(xiàn)如今也已經(jīng)被超高清電視超越，研究發(fā)現(xiàn)超高清電視之所以成像效果良好，和取樣深度有較大關(guān)聯(lián)，可以突破10bit或是12bit，應(yīng)用效果更加理想。取樣深度增加，意味著亮度層次更多，畫面更加立體，層次更加豐富，細(xì)節(jié)更加細(xì)膩。通過對比發(fā)現(xiàn)，超高清和高清的區(qū)別，體現(xiàn)在多個(gè)層面，并不是單指像素?cái)?shù)量。除了像素?cái)?shù)量外，畫面質(zhì)量的飛躍同樣主要。基于此，有人用更多、更快、更好的像素來綜合、系統(tǒng)描述8K超高清電視，這樣的描述比較權(quán)威。

2. HFC網(wǎng)絡(luò)描述

HFC網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用價(jià)值高，本質(zhì)屬于新型寬帶網(wǎng)絡(luò)，在具體應(yīng)用中，憑借光纖到服務(wù)區(qū)模式，進(jìn)行優(yōu)質(zhì)的信息輸送。在臨近入戶前，為了保證效果，采用同軸電纜，實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，這種交互式寬帶網(wǎng)，應(yīng)用效果理想，可以實(shí)現(xiàn)雙向傳輸，滿足電視信號(hào)傳輸需求。實(shí)踐表明，該網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用價(jià)值較高，可將高速數(shù)據(jù)等（其中涵蓋視頻和語音）傳輸，整個(gè)傳輸過程，僅通過一根線就可以實(shí)現(xiàn)。正是因?yàn)檫@一特性，HFC網(wǎng)絡(luò)被看作是可靠性較高的傳輸手段，備受好評(píng)和關(guān)注，可以為用戶提供全方位、優(yōu)質(zhì)服務(wù)。在交互式寬帶網(wǎng)中，光纖網(wǎng)作用顯著，主要功能是實(shí)現(xiàn)高速連接，另外，傳輸價(jià)格低廉，值得大范圍推廣應(yīng)用，同軸電纜網(wǎng)和HFC網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，夯實(shí)了電視網(wǎng)的基礎(chǔ)。通過研究發(fā)現(xiàn)，HFC網(wǎng)由兩部分構(gòu)成，其中光纖部分是核心，除此之外，還有與之對應(yīng)的同軸部分，其最為典型的結(jié)構(gòu)如圖1。

HFC網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢鮮明，在應(yīng)用期間，先進(jìn)成熟技術(shù)被應(yīng)用，核心優(yōu)勢在于融合數(shù)字與模擬傳輸，通過合理途徑，使兩者變?yōu)橐惑w，與此同時(shí)，將光電功能于一身，從源頭提高了傳輸穩(wěn)定性。在現(xiàn)有功能模塊的基礎(chǔ)上，增加了更多服務(wù)功能，例如：模擬廣播電視節(jié)目等，同時(shí)完成高質(zhì)量的交互式視頻應(yīng)用。現(xiàn)如今，HFC網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)技術(shù)融合，功能性更加強(qiáng)大，通過數(shù)字壓縮技術(shù)的滲透和高效數(shù)字調(diào)制的配合，電視網(wǎng)絡(luò)頻道容量得到了優(yōu)質(zhì)改善，增強(qiáng)了多功能服務(wù)能力，HFC網(wǎng)絡(luò)功能更加強(qiáng)大。

3. 超高清電視傳輸方案

3.1 8K超高清碼率測算

結(jié)合實(shí)際可知，4K超高清頻道視頻有著較高的編碼標(biāo)準(zhǔn)，普遍采用AVS2標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)要保證視頻碼率達(dá)到理想水平，為36Mbps。這是4K超高清頻道指標(biāo)，而8K超高清的視頻，在這方面進(jìn)行了提升，碼率將大幅提高。現(xiàn)實(shí)操作中，可以采用不同編碼，依照不同等級(jí)要求，對參考碼率進(jìn)行預(yù)估。

3.2 端到端的8K傳輸

實(shí)踐證明，想要保證良好視頻信號(hào)傳輸效果，就要解決8K傳輸問題。在實(shí)際工作中，要立足現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)條件，更加全面、充分考慮極致8K的現(xiàn)實(shí)要求，貼合幀率120fps碼率，制定8K傳輸解決方案。256QAM調(diào)制是相對理想設(shè)計(jì)方案，3個(gè)8M帶寬信道綁定后，完成優(yōu)質(zhì)傳輸（8K超高清視頻的）。為了保證傳輸質(zhì)量，需要在前端設(shè)計(jì)理想化的TS綁定協(xié)議，這是至關(guān)重要的步驟，不容忽視。借助該協(xié)議，將一個(gè)8K碼流拆分，劃分信息子碼流，在此基礎(chǔ)上，提高傳輸效率。經(jīng)過實(shí)踐證實(shí)，這種端到端的8K傳輸方案優(yōu)化方法比較可靠，可以在嚴(yán)格的試驗(yàn)環(huán)境中，出色完成大碼流接收（142Mbps）與正確發(fā)送，同時(shí)維持帶寬150Mbps穩(wěn)定，及時(shí)調(diào)整PCR，確保其滿足SOC解調(diào)客觀要求。

3.3 大容量傳輸技術(shù)

3.3.1 雙極化MIMO

想要完成電視傳輸方案優(yōu)化，除了掌握系統(tǒng)功能外，還要掌握關(guān)鍵技術(shù)，其中雙極化MIMO至關(guān)重要。在UHF頻段部署中，數(shù)字電視廣播優(yōu)勢最佳，研究發(fā)現(xiàn)，數(shù)字電視覆蓋廣泛，可達(dá)幾十千米，應(yīng)用效果理想。與此同時(shí)，為了保障效果，接收端的天線位置高，常被安裝于屋頂，這樣便于實(shí)現(xiàn)傳輸路徑（發(fā)射臺(tái)與接收端）的“可視”化。在其期間采用MIMO技術(shù)是一項(xiàng)充足保障，能夠促使地面?zhèn)鬏斎萘考哟螅〝?shù)字電視廣播系統(tǒng)的），在此基礎(chǔ)上提高傳輸效率，保障傳輸質(zhì)量，但如何采用是相對棘手的問題，需要綜合考量各項(xiàng)因素。

通過研究發(fā)現(xiàn)，接收端要求與標(biāo)準(zhǔn)較高，在使用中，指向性天線應(yīng)用廣泛，因?yàn)檫@類天線具有高增益的特點(diǎn)，而且性能穩(wěn)定。由此可以判斷，如果采用單極化MIMO，為了保障應(yīng)用效果，空分復(fù)用的方式要廣泛采納，只有這樣，才可以讓MIMO中，相關(guān)的傳輸鏈路相互作用減小。基于這樣的前提，在發(fā)射臺(tái)與接收端，想要得到優(yōu)質(zhì)傳輸，就要安裝多根天線（包括發(fā)射與接收天線），同時(shí)讓每根發(fā)射天線留有充足間隔空間，接收天線更是如此。實(shí)踐表明，單極化MIMO不可行，存在一定局限性。針對這樣的技術(shù)難題，“雙極化MIMO”技術(shù)逐漸興起，并在廣大范圍中進(jìn)行了推廣。

現(xiàn)有的地面數(shù)字電視，整個(gè)體系構(gòu)成十分復(fù)雜，系統(tǒng)采用極化方式，除了水平極化之外，還有垂直極化，借助這種方式，合理發(fā)射節(jié)目信號(hào)?，F(xiàn)實(shí)中，可以借助不同極化方式，保證不同信號(hào)發(fā)射質(zhì)量，將信號(hào)間的干擾合理規(guī)避。而雙極化MIMO則彌補(bǔ)了傳統(tǒng)極化方式的不足，利用正交的極化波，發(fā)射相同節(jié)目信號(hào)，通過這樣技術(shù)手段，可以讓兩路信號(hào)互不影響，在無線傳輸期間，保持良好獨(dú)立性，不存在任何干擾，提高傳輸效率同時(shí)，滿足了相關(guān)性最小要求。

3.2 超高階調(diào)制OFDMNHK

除了上述技術(shù)方法外，超高階調(diào)制也是現(xiàn)實(shí)中的可行手段，通過該方法，同樣可以完善傳輸方案。相關(guān)的科技實(shí)驗(yàn)室，為了改善電視傳輸質(zhì)量，進(jìn)行了系統(tǒng)的傳輸試驗(yàn)，在試驗(yàn)階段，采用OFDM技術(shù)（一種超高階調(diào)制方法）來擴(kuò)充傳輸容量。與此同時(shí)，為了超高階調(diào)制起到效果，發(fā)揮OFDM理想化作用，在相鄰OFDM符號(hào)之間需要高質(zhì)量并且穩(wěn)妥插入保護(hù)間隔，在此基礎(chǔ)上輔助SP信號(hào)，結(jié)合實(shí)際需求，全方位保障信道均衡。

結(jié)合現(xiàn)實(shí)可知，目前國內(nèi)HFC網(wǎng)絡(luò)普及率較高，研究發(fā)現(xiàn)，基于該網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字電視調(diào)制，主要是以64QAM為主，為了適應(yīng)超高清電視發(fā)展，更高階的QAM調(diào)制方式至關(guān)重要，其推廣已經(jīng)刻不容緩。借助高階調(diào)制方式，全方位、多角度提升網(wǎng)絡(luò)帶寬，在此基礎(chǔ)上，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)，給客戶理想化體驗(yàn)。HFC網(wǎng)絡(luò)雙向化改造效果理想，使用意義非凡，經(jīng)歷了長時(shí)間實(shí)踐可以得出結(jié)論，想要在短時(shí)間內(nèi)全網(wǎng)普及高階調(diào)制，難度還是較高的?；诖耍梢砸?56QAM調(diào)制方式為基礎(chǔ)，兼顧HFC現(xiàn)有條件，先將信道利用率提升，借此優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬，從根本保障傳輸質(zhì)量。

4. 結(jié)論

在經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步增長驅(qū)動(dòng)下，8K超高清業(yè)務(wù)要求與標(biāo)準(zhǔn)更高，為了滿足應(yīng)用需求，應(yīng)緊跟行業(yè)發(fā)展趨勢，在原有研究成果基礎(chǔ)上，加快研發(fā)視頻調(diào)制，不斷優(yōu)化傳輸、終端解碼等流程，掌握8K超高清核心技術(shù)，借此實(shí)現(xiàn)傳輸質(zhì)量的飛躍式發(fā)展。研究發(fā)現(xiàn)，基于HFC網(wǎng)絡(luò)，可改善視頻傳輸現(xiàn)狀，提升8K超高清視頻質(zhì)量，無需改動(dòng)設(shè)備情況下，為開展8K超高清傳輸提供參考。

參考文獻(xiàn)：

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