李遠東，凌明偉

（1.DVBCN，上海 201100；2.浙江傳媒學院，浙江 杭州 310018）

8K超高清電視廣播的大容量無線傳輸技術綜述

李遠東1，凌明偉2

（1.DVBCN，上海 201100；2.浙江傳媒學院，浙江 杭州 310018）

NHK科技實驗室在2014年1月的8K超高清地面電視廣播傳輸試驗中實現(xiàn)了以超高頻譜效率（約16.5 bit/（s·Hz））遠距離（約27 km）傳輸8K超高清電視節(jié)目，取得該巨大成功的關鍵在于其正在研發(fā)的用于下一代地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)的大容量無線傳輸技術。對其中的大容量無線傳輸技術進行綜述性介紹。

地面數(shù)字電視；8K超高清電視；雙極化MIMO；超高階調(diào)制OFDM

1 背景介紹

日本的地面數(shù)字電視廣播采用ISDB-T標準，一個物理頻道（帶寬為6 MHz）僅能承載傳輸1套全高清電視節(jié)目，而8K超高清電視的音頻采用22.2多聲道，視頻的像素數(shù)目是全高清電視視頻的16倍，其中的數(shù)據(jù)量遠大于全高清電視[1]。為了能在一個物理頻道承載傳輸1套8K超高清電視節(jié)目，大幅提高1個頻道所能容納的數(shù)據(jù)量，NHK科技實驗室從2011年開始研發(fā)用于下一代地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)的大容量無線傳輸技術[2]，至今仍在進行。

在NHK科技實驗室的相關研發(fā)中，截至目前，共進行了2次8K超高清地面電視廣播傳輸試驗：

1）第1次試驗是在2012年5月，實現(xiàn)了在2個帶寬為6 MHz的物理頻道內(nèi)承載傳輸1套8K超高清電視節(jié)目，其時，每個信道的傳輸碼率為91.82 Mbit/s，當時所能實現(xiàn)的最大傳輸距離僅有4.2 km[2-3]，如圖1所示，。

2）第2次試驗是在2014年1月，實現(xiàn)了在1個帶寬為6 MHz的物理頻道內(nèi)承載傳輸1套8K超高清電視節(jié)目（濾波后的實際占用帶寬為5.57 MHz），當時的信道傳輸碼率為91.82 Mbit/s，但相比第1次試驗的另一個顯著進步（一個顯著進步是此次試驗只用1個物理頻道承載傳輸）是能實現(xiàn)的最大傳輸距離高達約27 km。由此，NHK科技實驗室認為，此次試驗結果意味著開播8K超高清地面電視廣播，將8K超高清電視節(jié)目無線傳輸?shù)角Ъ胰f戶是可以實現(xiàn)的[3]。

圖1 第1次8K超高清地面電視廣播傳輸試驗中的無線傳輸距離

上述8K超高清地面電視廣播傳輸試驗實現(xiàn)了超高的頻譜效率（91.82 Mbit/s÷5.57 MHz≈16.5 bit/（s·Hz）），但如圖2所示，這是以高達30.5 dB的載噪比門限值為“代價”的。而這正是由于采用了NHK科技實驗室所研發(fā)的大容量無線傳輸技術才能達到的，下文對其中的大容量無線傳輸技術進行綜述性介紹。

圖2 各類型地面電視廣播的頻譜效率與載噪比門限

2 大容量無線傳輸技術

8K超高清地面電視廣播傳輸試驗中所使用的調(diào)制器與解調(diào)器的功能框圖分別如圖3、圖4所示[2]，可見，大容量無線傳輸技術中的關鍵技術有：雙極化MIMO（Multiple Input Multiple Output，多輸入多輸出）、超高階調(diào)制OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplex?ing，正交頻分復用）、BCH外編碼+LDPC內(nèi)編碼級聯(lián)編碼、極化間交織等。

圖3 調(diào)制器功能框圖

圖4 解調(diào)器功能框圖

2.1 雙極化M IMO

在UHF頻段部署的地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)覆蓋范圍可達幾十千米，波長要長于毫米波及微波，且接收端的天線常被安裝于屋頂或建筑物的最高處，所以發(fā)射臺天線與接收端天線之間的傳輸路徑一般是“可視”的。

采用MIMO技術能夠增大地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)的傳輸容量、提高傳輸效率，但如何采用是一個問題。接收端大都使用高增益的指向性天線，所以如果采用單極化MIMO，就需要采用空分復用的方式以確保MI?MO中各條傳輸鏈路相互間的相關性足夠小，這樣一來，在發(fā)射臺與接收端就分別需要安裝多根發(fā)射天線與接收天線，且每根發(fā)射天線之間要保留大的空間間隔（于是，就要在發(fā)射臺的不同地方安裝發(fā)射相同節(jié)目信號的天線，這是不切實際的），每根接收天線之間也要保留大的空間間隔（這也是不切實際的，因為對于絕大多數(shù)的普通家庭而言，滿足不了安裝同時接收相同節(jié)目信號的多幅天線的足夠空間間隔的要求）。

單極化MIMO不可行，NHK科技實驗室就研發(fā)了被其稱為“雙極化MIMO”的技術?，F(xiàn)有的地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)只采用一種極化方式（常用的是水平極化或者垂直極化）來發(fā)射節(jié)目信號，而且用不同的極化方式來發(fā)射不同的節(jié)目信號以避免相互間的干擾。而雙極化MIMO則利用了這一特性，采用一對相互正交的極化波（比如水平極化與垂直極化）來分別、同時發(fā)射相同的節(jié)目信號，這樣一來，兩路信號在無線傳輸期間互不干擾，從而達到了在MIMO兩條傳輸鏈路間的相關性最?。◣缀鯙榱悖┑囊?，同時提高了無線傳輸?shù)男省?/p>

圖5與圖6為NHK科技實驗室進行8K超高清地面數(shù)字電視廣播傳輸試驗時采用的發(fā)射天線與接收天線[4]，當時采用的就是雙極化MIMO技術，而且是水平極化與垂直極化方式相正交[3-4]，由此可見雙極化MIMO技術在多天線的安裝空間方面相對于單極化MIMO技術頗具優(yōu)勢。

圖5 采用雙極化MIMO技術的發(fā)射天線（照片）

圖6 采用雙極化MIMO技術的接收天線（照片）

如圖7所示，在2014年1月的試驗中，采用雙極化MIMO技術的8K超高清電視的最遠傳輸距離與現(xiàn)網(wǎng)中以單極化（水平極化）波傳輸?shù)娜咔宓孛鏀?shù)字電視廣播的相同——均約27 km[3]。

圖7 8K超高清電視長距傳輸試驗（雙極化波，右上）與現(xiàn)網(wǎng)地面全高清數(shù)字電視廣播（水平極化波，右下）的最大傳輸距離相同

2.2 超高階調(diào)制OFDM

NHK科技實驗室于2014年1月進行的8K超高清地面電視廣播傳輸試驗也采用了超高階調(diào)制OFDM技術來提高傳輸容量，其中的傳輸體制是OFDM，而超高階調(diào)制是4096QAM[3,5]。

相比于日本全高清地面電視廣播所采用的64QAM調(diào)制方式，4096QAM調(diào)制的星座圖中，相鄰比特間的距離僅為64QAM調(diào)制星座圖中的1/8，因此，采用4096QAM調(diào)制時，信號對噪聲更為敏感，對時鐘抖動的要求也更為嚴格。但由于在采用4096QAM調(diào)制的同時，也采用了OFDM，通過多個相互正交的子載波來傳輸，且在調(diào)制側(cè)與解調(diào)側(cè)分別采用了IFFT（Inverse Fast Fourier Transform，逆快速傅里葉變換）及FFT（Fast Fourier Transform，快速傅里葉變換），因此，4096QAM超高階調(diào)制OFDM對時鐘抖動的容許范圍要寬于使用滾降濾波器的單載波64QAM調(diào)制。而且，也不再需要進行精確的相位同步，超高階調(diào)制OFDM在相鄰OFDM符號之間插入保護間隔，并以SP（Scattered Pilot，分散導頻）信號進行信道均衡。

2.3 級聯(lián)糾錯編碼

超高階調(diào)制OFDM會引起載噪比下降，為此，大容量無線傳輸技術采用BCH與LDPC級聯(lián)編碼糾錯機制。8K超高清地面電視廣播傳輸試驗中，LDPC編碼的碼字長度為64 800 bit，在OFDM解調(diào)后，通過子載波的I、Q信號來計算每一位的LLR（Log-Likelihood Ra?tio，對數(shù)似然比）初始值[6]（如圖4所示）。雖然LDPC可在低載噪比情況下大幅減小誤碼率，但信號中仍存在底噪，所以采用BCH進行外編碼。

圖8所示為加性高斯白噪聲信道環(huán)境中各高階調(diào)制方式的載噪比與誤碼率關系曲線（其中的子載波個數(shù)為32×1 024，LDPC碼率為3/4，解碼迭代次數(shù)為50）?？梢?，BCH+LDPC級聯(lián)編碼下：隨著調(diào)制階數(shù)的增加，所需的載噪比也增大；對于同一種高階調(diào)制方式，載噪比越大，誤碼率越低。

圖8 BCH+LDPC級聯(lián)編碼下載噪比與誤碼率的關系

2.4 極化間交織

大容量無線傳輸技術采用了雙極化MIMO技術，而且其中的兩個極化相互正交，如圖9所示，NHK科技實驗室對3種不同極化形式的兩兩正交進行了計算機仿真對比及場測對比：1）線極化（水平極化與垂直極化）；2）斜極化（+45°極化與-45°極化）；3）圓極化（順時針極化與逆時針極化）。

圖9 傳輸試驗中試驗的3種雙極化正交

但通過場測發(fā)現(xiàn)，在采用水平極化與垂直極化雙極化正交MIMO技術時，由水平極化鏈路與垂直極化鏈路所傳輸8K超高清電視信號的誤碼率不同，而且整個系統(tǒng)的誤碼率取決于最差的那條極化鏈路的誤碼率。

對此問題，NHK科技實驗室研究了兩種可能的解決方案：1）斜極化正交MIMO與圓極化正交MIMO[7]；2）極化間交織。

計算機仿真對比及場測對比的結果表明，上述方案2較方案1能提供更好的系統(tǒng)系能[8]。

“極化間交織”即在采用雙線極化（水平極化與垂直極化）正交MIMO技術時，對兩個極化波中OFDM符號里每個子載波所承載的數(shù)據(jù)進行選擇與交織。

2.5 增加數(shù)據(jù)子載波數(shù)目

在ISDB-T地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)現(xiàn)網(wǎng)之中，用于固定接收時，采用8K模式（一個OFDM符號含8 192個子載波，其中5 617個子載波用于實際承載數(shù)據(jù)）。而為了增大系統(tǒng)的傳輸容量，NHK科技實驗室在8K超高清地面電視廣播試驗中采用了64K模式（一個OFDM符號含65 536個子載波，其中44 929個子載波用于實際承載數(shù)據(jù)）[3,8]。如圖10所示，增加子載波個數(shù)可增大OFDM符號的長度，從而可增大OFDM符號中用于實際承載數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)體長度。當把各種模式的保護間隔設置成相同長度（如126μs）時，則模式越高，保護間隔比（保護間隔的時間長度與整個OFDM符號的時間長度之比）就越小，系統(tǒng)的傳輸容量也就越大。

圖10 傳輸試驗中采用的64K模式可提高傳輸容量

2.6 減少導頻子載波數(shù)目

采用OFDM傳輸體制的地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)一般要采用規(guī)則分布的SP導頻信號來對信道響應進行預估，所以SP子載波個數(shù)相對于OFDM符號中子載波總個數(shù)的比值是一定的，而該比值的大小也與系統(tǒng)的傳輸容量有一定關系。

如圖11所示，在采用64K模式之后，OFDM符號中的子載波數(shù)目增大，子載波之間的間隔就相應減小?，F(xiàn)網(wǎng)ISDB-T地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)中8K模式的子載波間隔為992 Hz，而8K超高清地面電視廣播試驗中采用的64K模式的子載波間隔僅為124 Hz。

圖11 傳輸試驗中采用的SP導頻子載波數(shù)目

現(xiàn)網(wǎng)ISDB-T地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)中（采用8k模式），SP子載波個數(shù)相對于OFDM符號中子載波總個數(shù)的比值為1/12。而如果采用16K模式，相關比值也采用1/12，則16K模式下預估信道響應的頻率就是8K模式下的一半，而16K模式下的可用數(shù)據(jù)傳輸容量卻是8K模式下的1倍。NHK科技實驗室在8K超高清地面電視廣播試驗中使用的相關比值則更小——1/48[3]，64K模式下的可用數(shù)據(jù)傳輸容量是8K模式下的8倍。在試驗中，減少了SP導頻子載波數(shù)目，增大了系統(tǒng)的傳輸容量。

3 結語

大容量無線傳輸技術涉及6項關鍵技術，而其中最為關鍵的是雙極化MIMO技術與超高階調(diào)制OFDM技術。下一步，NHK科技實驗室將研究建立雙極化MI?MO技術的地面無線傳播模型、繼續(xù)加強高級均衡技術與干擾消除技術的研究與應用來提高鏈路功率預算、進一步提高終端的靈敏度、并發(fā)展單頻道內(nèi)的分層傳輸技術（該技術的目標是，使地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)能在1個6 MHz寬度的物理頻道內(nèi)同時傳輸1套面向固定接收的8K超高清電視節(jié)目與面向移動接收與便攜式小屏幕終端的若干套高清電視節(jié)目）[3]。另外，中國的下一代地面數(shù)字電視傳輸標準DTMB-A將來的5大主要應用之一也是支持超高清地面數(shù)字電視廣播傳輸[9]。

[1] 王子微，楊盈昀.淺析超高清數(shù)字電視視頻壓縮編碼技術[J].電視技術，2013，37（13）：1-3.

[2] TAGUCHIM，SHIBUYA S H.Transmission technology for next?generation terrestrial broadcasting∶aiming for terrestrial transmis?sion of super Hi-Vision[C]//Proc.ITE Tech.Reports，BCT，2010. Tokyo：ITE Technical Group Submission，2010：37-40.

[3]李遠東.NHK完成8K超高清電視長距離（27km）無線傳輸試驗[EB/OL].[2014-01-07].http∶//www.dvbcn.com/2014/02/07-108125. htm l.

[4] TAGUCHIM，SHIBUYA S H.Propagation experiments and trial of dualpolarization Yagi antenna[C]//Proc.ITE Annual Confer?ence，2010.[S.l.]：ITE Technical Group Submission，2010：1-3.

[5] MURAYAMA A，SHIBUYA T S.Large-capacity transmission technology for next-generation terrestrial broadcasting∶4096 QAM-OFDM transmission characteristics[C]//Proc.ITE Tech.Re?ports,BCT,2011.Tokyo：ITE Technical Group Submission，2011：43-46.

[6] MURAYAMA S，SHIBUYA T A.Technology for next-generationdigital terrestrial broadcasting：field experiments of dual-polar?ized MIMO-OFDM Transmission using LDPC Codes[C]//Proc. IEEE International Symposium on Broadband Multimedia Sys?tems and Broadcasting，2012.[S.l.]：IEEE Broadcast Technology Society，2012：12-16.

[7] MURAYAMA A，SHIBUYA T S.Transmission technology for next-generation terrestrial broadcasting∶multi-level interleaving [C]//Proc.ITE Tech.Reports，BCT，2012.Tokyo：ITE Technical Group Submission，2012：53-58.

[8] MURAYAMA S，ASAKURA T.Transmission technology for next-generation terrestrial broadcasting∶characteristics of polar?ized MIMO-ultra-multilevel OFDM transmission using LDPC code in a multi-path environment and their improvement[C]// Proc.ITE Tech.Reports，BCT，2012.Tokyo：ITE Technical Group Submission，2012：1-6.

[9] 楊知行.地面數(shù)字電視傳輸標準技術演進[EB/OL]. [2014-01-12].http∶//www.videoe.cn/ch/reader/view_news.aspx?id= 20131230033820001.

Large-capacity W ireless Transm ission Technologies for 8K UHDTV Broadcasting

LI Yuandong1,LING Mingwei2
（1.DVBCN,Shanghai 201100,China;2.Zhejiang University of Media and Communications,Hangzhou 310018,China）

It is confirmed that in January 2014,NHK Science&Technology Research Laboratories has managed to send the 8K UHDTV terrestrial broadcasting signal to a receiving station 27 km away with super high spectrum efficiency of approximately 16.5 bit/（s·Hz）.Behind this big success is the large-capacity wireless transmission technology on which NHK is conducting research and development.In this paper,these technologies are summarized.

terrestrial digital television；8K UHDTV；dual-polarized MIMO；ultra-multilevel OFDM

TN939.12

A

?? 京

2014-02-10

【本文獻信息】李遠東，凌明偉.8K超高清電視廣播的大容量無線傳輸技術綜述[J].電視技術，2014，38（16）.