李遠(yuǎn)東

（DVBCN，上海 201100）

UHDTV有線電視廣播技術(shù)調(diào)研總結(jié)

李遠(yuǎn)東

（DVBCN，上海 201100）

在有線電視網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)傳輸U(kuò)HDTV信號，以為用戶提供更有競爭力的視聽媒體服務(wù)，使得國內(nèi)外有線電視網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商逐漸試驗(yàn)、商用UHDTV。調(diào)研總結(jié)了相關(guān)的兩種方式：基于有線電視（單向）廣播網(wǎng)絡(luò)和基于有線電視雙向分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。將前者總結(jié)為基于TDM與信道綁定的UHDTV有線電視廣播傳輸系統(tǒng)，并對其中所涉及的3項(xiàng)關(guān)鍵的新技術(shù)進(jìn)行了介紹。接著介紹了此類系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室性能、現(xiàn)網(wǎng)傳輸試驗(yàn)、現(xiàn)網(wǎng)商用案例。最后對國內(nèi)有線電視網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)啟示進(jìn)行了思考，希望能拋磚引玉。

UHDTV；有線電視；廣播網(wǎng)絡(luò)；信道綁定

【本文獻(xiàn)信息】李遠(yuǎn)東.UHDTV有線電視廣播技術(shù)調(diào)研總結(jié)[J].電視技術(shù)，2015，39（2）.

2014年，韓國、日本先后在有線電視網(wǎng)絡(luò)內(nèi)正式商用4K UHDTV業(yè)務(wù)，日本計劃于2016年正式商用8K UHDTV業(yè)務(wù)[1-2]。此外，有線電視網(wǎng)絡(luò)傳輸超高清電視的各種試驗(yàn)也在國內(nèi)外展開。筆者總結(jié)，這些商用和試驗(yàn)總體上分為兩種情況：1）在有線電視廣播網(wǎng)絡(luò)內(nèi)進(jìn)行包括單向的HFC光纖同軸混合網(wǎng)絡(luò)與單向的FTTH光纖到戶網(wǎng)絡(luò)；2）在基于DOCSIS 3.0/DOCSIS 3.1的有線電視雙向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)及雙向的FTTH光纖到戶網(wǎng)絡(luò)內(nèi)進(jìn)行。

本文對上述前一種情況中所涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行調(diào)研總結(jié)，相關(guān)系統(tǒng)可以總結(jié)為“基于時分復(fù)用（Time Division Multiplexing，TDM）與信道綁定的UHDTV有線電視廣播傳輸系統(tǒng)”。

1 基于TDM與信道綁定的UHDTV有線電視廣播傳輸系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)概述[3-6]

基于TDM與信道綁定的UHDTV有線電視廣播傳輸系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)中，在有線電視網(wǎng)絡(luò)總前端，壓縮后的UHDTV音視頻被封裝到MPEG-2 TS，由于碼率很大（以致一個物理頻道可能承載不了），再將TS進(jìn)行分割，然后被復(fù)用進(jìn)一種新設(shè)計的“超級幀”（詳見下文相關(guān)部分），最后對每一個超級幀進(jìn)行64QAM或256QAM調(diào)制——而且可以調(diào)制到有線電視網(wǎng)絡(luò)中任何一個物理頻道；而在用戶端，接收設(shè)備對解調(diào)后的每一個超級幀進(jìn)行解復(fù)用、同步、組合等處理，重建出UHDTV的MPEG-2 TS，再進(jìn)行解碼、解壓處理，最后將UHDTV的音視頻信號輸出給電視機(jī)顯示。

圖1 基于信道綁定的UHDTV有線電視廣播傳輸系統(tǒng)

可見：1）在該系統(tǒng)中，使用有線電視網(wǎng)絡(luò)的若干個物理頻道傳輸1套UHDTV節(jié)目，而每個頻道所承載（通過QAM調(diào)制）的UHDTV超級幀由若干傳輸流復(fù)用幀（Transport Streams Multiplexing Frames，TSMF）經(jīng)TDM而成，因此可稱之為“基于TDM與信道綁定的UHDTV有線電視廣播傳輸系統(tǒng)”；2）該系統(tǒng)使得新興的UHDTV業(yè)務(wù)可與有線電視廣播網(wǎng)絡(luò)中傳統(tǒng)的基于頻分復(fù)用的高清電視及標(biāo)清電視廣播業(yè)務(wù)共存。

以下對其中所涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹。

1.2 UHDTV超級幀

“超級幀”的概念是傳統(tǒng)的有線電視廣播網(wǎng)絡(luò)中所沒有的。UHDTV“超級幀”的成幀遵循ITU-T J.183中所規(guī)范的將多個MPEG-2 TS以TSMF復(fù)用封裝到單個流并輸出給有線電視廣播調(diào)制器接口的方式。TSMF的成幀結(jié)構(gòu)如圖2所示，由53個等長的段組成（每一段的長度均為188 byte，與一個MPEG-2 TS包的長度相同），第一段為TSMF頭部，用于存放MPEG-2 TS的綁定信息（如復(fù)用了多少個MPEG-2 TS、被復(fù)用到哪一段等）及其他附加信息。

圖2 TSMF的成幀結(jié)構(gòu)

由于64QAM調(diào)制與256QAM調(diào)制后的碼率不同，被64QAM調(diào)制與256QAM調(diào)制后的TSMF幀的傳輸延遲也就不同（前者為2.73 ms，后者為2.05 ms），從而就有必要在接收端對解調(diào)后的幀進(jìn)行同步。為此，一種如圖3所示的新的“超級幀”被提出?！俺墡庇啥鄠€TSMF幀構(gòu)成，時間長度為8.2 ms，并采用信道綁定技術(shù)，以在時間上對由64QAM調(diào)制與256QAM調(diào)制的超級幀進(jìn)行同步。

圖3 面向64QAM調(diào)制與256QAM調(diào)制的超級幀架構(gòu)

由于碼率不同，采用64QAM調(diào)制的超級幀中可復(fù)用3個TSMF幀，而采用256QAM調(diào)制的超級幀中可復(fù)用4個TSMF幀。具體采用64QAM調(diào)制還是256QAM調(diào)制，由相關(guān)物理頻道的具體信道特征而定，下文會進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1.3 UHDTV信道調(diào)制方式的選擇

由于該系統(tǒng)采用信道綁定的方式傳輸U(kuò)HDTV，即以不同的物理頻道來傳輸1套UHDTV節(jié)目，所以UHDTV超級幀的信道調(diào)制方式由相關(guān)物理頻道的具體信道特征而定。從頻譜效率與傳輸效率角度，256QAM調(diào)制要優(yōu)于64QAM調(diào)制。所以一般而言，傳輸U(kuò)HDTV應(yīng)優(yōu)先選擇256QAM調(diào)制。但256QAM調(diào)制比64QAM調(diào)制對各種噪聲及失真更為敏感，而每個有線電視廣播網(wǎng)絡(luò)的具體情況不一，且即使再相同的有線電視廣播網(wǎng)絡(luò)中，每個物理頻道的信道特征也不一，對于載噪比較低的物理頻道，相對于256QAM調(diào)制，可能更適合采用64QAM調(diào)制。所以本文選取既有256QAM調(diào)制又有64QAM調(diào)制的進(jìn)行介紹，以具有更大的普適性。

為了對現(xiàn)有的有線電視廣播網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行充分利用，目前已有的UHDTV傳輸一般采用64QAM調(diào)制與256QAM調(diào)制的混合方式，如圖4所示就采用了1個以64QAM調(diào)制的物理頻道和4個以256QAM調(diào)制的物理頻道來傳輸1套8K UHDTV節(jié)目。其中值得一提的是，可能有物理頻道的容量會有剩余（比如圖4中以64QAM調(diào)制的物理頻道），就可以用以傳輸其他電視節(jié)目（比如圖4中以64QAM調(diào)制的物理頻道剩余的帶寬用以傳輸1套HDTV節(jié)目）。

圖4 多個物理頻道用于傳輸1套UHDTV節(jié)目

此外，由于采用了上文所述的UHDTV超級幀，由信道綁定技術(shù)而帶來的相關(guān)問題就被解決了。

1.4 UHDTV信道同步

傳輸鏈路的長度是影響UHDTV有線電視廣播傳輸延遲的影響因素之一（比如，500 km光纖鏈路的傳輸延遲可達(dá)2.5 ms）。一般地，如圖5所示，相關(guān)系統(tǒng)以用64QAM調(diào)制的物理頻道為基準(zhǔn)調(diào)整傳輸延遲。

圖5 UHDTV信道同步

由于采用信道綁定技術(shù)用若干個物理頻道來傳輸1套UHDTV節(jié)目，所以在接收端，每個物理頻道的傳輸延遲不同，接收機(jī)就需要對相關(guān)物理信道的解調(diào)信號進(jìn)行“對齊”處理：每個UHDTV超級幀中，第一個TSMF幀的頭部被用作同步的標(biāo)記；而且可接受的各物理頻道傳輸延遲差異的最大值一般被設(shè)計成與一個超級幀的時間長度（8.2 ms）相同。當(dāng)傳輸這套UHDTV節(jié)目的所有物理頻道的解調(diào)信號都被對齊后，接收機(jī)才開始對MPEG-2 TS進(jìn)一步進(jìn)行解碼、解壓處理，還原出整套UHDTV節(jié)目的音視頻信號。

2 NHK對UHDTV有線電視廣播傳輸系統(tǒng)性能的理論驗(yàn)證

NHK曾對相關(guān)的UHDTV有線電視廣播傳輸系統(tǒng)性能進(jìn)行理論驗(yàn)證[4-8]，實(shí)驗(yàn)中的設(shè)備配置如圖6所示，參數(shù)設(shè)置如表1所示，每個物理頻道都加入了加性高斯白噪聲，而且UH?DTV原型接收機(jī)中，每個調(diào)諧器的輸入功率均被設(shè)置成-43.7 dBm。

圖6 UHDTV有線電視廣播傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（照片）

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)配置

2.1 誤碼率

2n-QAM及旋轉(zhuǎn)對稱性灰度編碼的誤碼率（Bit Error Rate，BER）理論值為

式中：n為每個符號所承載的比特數(shù)；δ為編碼信號最短距離的半數(shù)值；σ為加性高斯白噪聲的方差值。從而，在接收機(jī)側(cè)，UHDTV的誤碼率為

式中：N64QAM與M256QAM分別代表64QAM載波個數(shù)及256QAM載波個數(shù)；CNR64QAM,i與CNR256QAM,i分別代表第i個64QAM信道與256QAM信道的載噪比。此外，考慮到256QAM信道的強(qiáng)健性不如64QAM信道，且在CNR數(shù)值較大的情況下，256QAM信道的BER是引起B(yǎng)ERUHDTV降低的主要因素，因此，上述BERUHDTV的理論計算公式在CNR高于（含）28 dB時適用。

圖7所示為測試到的該UHDTV系統(tǒng)的BER。CNR的理論值為30 dB時，為了在進(jìn)行RS（204，188）編碼后獲得準(zhǔn)無誤碼性能，要求在FEC之前的BER達(dá)到2×10-4。測試結(jié)果表明，當(dāng)CNR的數(shù)值為30.9 dB或更高時，無需進(jìn)行FEC，BER的數(shù)值能夠達(dá)到2×10-4，接收機(jī)能夠無誤碼地接收到UHDTV信號。

圖7 UHDTV誤碼率BER的實(shí)測值

2.2 信道同步

在相關(guān)試驗(yàn)中，當(dāng)把接收機(jī)處UHDTV信號的CNR數(shù)值設(shè)定為恒定值31.5 dB時（而不論傳輸鏈路的長度被改變成多少），64QAM調(diào)制信道中，測得傳輸延遲與UHDTV信號的BER之間的關(guān)系如圖8所示，可見，在不同的傳輸延遲下，UHDTV信號的BER基本是一個恒定值，這表明，UHDTV原型接收機(jī)可以進(jìn)行延遲補(bǔ)償及對多個物理頻道所承載的UH?DTV超級幀進(jìn)行同步對齊處理。

3 UHDTV有線電視廣播的現(xiàn)網(wǎng)試驗(yàn)

2013年，NHK在日本山梨縣的有線電視廣播網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行了UHDTV現(xiàn)網(wǎng)傳輸試驗(yàn)[7]，相關(guān)組網(wǎng)如圖9所示，其中既有HFC光纖同軸混合型有線電視廣播網(wǎng)絡(luò)（工作頻段為90～770 MHz），又有FTTH光纖到戶型有線電視廣播網(wǎng)絡(luò)（工作頻段為90～2 600 MHz），都進(jìn)行了UHDTV現(xiàn)網(wǎng)傳輸試驗(yàn)。

圖8 不同傳輸延遲下，UHDTV信號的誤碼率

圖9 UHDTV有線電視廣播的現(xiàn)網(wǎng)傳輸試驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

其中，UHDTV的參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 UHDTV的現(xiàn)網(wǎng)試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

UHDTV有線電視廣播的現(xiàn)網(wǎng)傳輸試驗(yàn)中，一共使用了HFC及FTTH網(wǎng)絡(luò)中4個以256QAM調(diào)制的物理頻道及1個以64QAM調(diào)制的物理頻道來承載1套UHDTV的MPEG-2 TS（碼率為181.2 Mbit/s），這5個物理頻道在有線電視廣播網(wǎng)絡(luò)的前端以頻分復(fù)用方式與其他承載已有高清及標(biāo)清電視信號的物理頻道混合（圖10所示為在前端所測得的頻譜），然后通過HFC及FTTH網(wǎng)絡(luò)傳輸（用于傳輸U(kuò)HDTV信號的5個物理頻道的發(fā)射功率與現(xiàn)網(wǎng)中其他物理頻道的相同）到測試終端處。

3.1 有線電視廣播網(wǎng)絡(luò)內(nèi)UHDTV的BER

如圖9所示，UHDTV有線電視廣播網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)網(wǎng)傳輸試驗(yàn)中，設(shè)置有3個測試點(diǎn)（其中2個在HFC網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，另外1個在FTTH網(wǎng)絡(luò)內(nèi)）。為了不影響有線電視廣播網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行，在現(xiàn)網(wǎng)試驗(yàn)時，僅在UHDTV原型接收機(jī)處向傳輸U(kuò)HDTV的5個物理頻道加入加性高斯白噪聲。

圖10 在有線電視廣播網(wǎng)絡(luò)前端測得的混合有UHDTV信號的頻譜圖（截圖）

圖11所示為在3個測試點(diǎn)所測得的UHDTV信號（未經(jīng)RS（204，188）編碼）的BER曲線，可見，在沒有任何其余加性高斯白噪聲的情況下，每個測試點(diǎn)所接收到的UHDTV信號的CNR均值都要高于37 dB，這比CNR的閾值（若實(shí)際的CNR低于該閾值，還原出的UHDTV就會出現(xiàn)誤碼）要高6 dB甚至更高。這就表明，對于未來的商用UHDTV，CNR還有至少6 dB的裕量可用。

圖11 UHDTV測試點(diǎn)處的BER

相關(guān)現(xiàn)網(wǎng)試驗(yàn)的結(jié)果表明，基于TDM及信道綁定的UH?DTV可以在任何一種架構(gòu)的有線電視廣播網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳輸。

3.2 對多信道綁定技術(shù)的驗(yàn)證

所測得的5個物理頻道各自的BER曲線及綁定信道的BER曲線如圖12所示，并對前者的均值與后者進(jìn)行比較。可見，兩者幾乎完全重合。這就說明，信道綁定技術(shù)可以被用于有線電視廣播網(wǎng)絡(luò)傳輸U(kuò)HDTV信號，相關(guān)接收設(shè)備可以對被綁定的幾個物理頻道的延遲進(jìn)行補(bǔ)償處理，并能對各個QAM載波所承載的UHDTV超級幀進(jìn)行同步處理。

4 更進(jìn)一步的現(xiàn)網(wǎng)試驗(yàn)

在上述現(xiàn)網(wǎng)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，NHK還在有線電視廣播網(wǎng)絡(luò)HFC現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行了8K UHDTV的傳輸試驗(yàn)（圖13），網(wǎng)絡(luò)配置與參數(shù)設(shè)置與上述的相同。試驗(yàn)結(jié)果表明，有線電視廣播網(wǎng)絡(luò)可以面向85 in（1 in=2.54 cm）的電視機(jī)穩(wěn)定地傳輸22.2聲道8K UHDTV。

圖12 UHDTV接收點(diǎn)處BER與CNR之間的關(guān)系

圖13 8K UHDTV有線電視廣播網(wǎng)絡(luò)傳輸效果展示

5 UHDTV有線電視廣播商用案例[2-3,9]

韓國有線電視網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商HelloVision商用的4K UHDTV即是采用基于TDM與信道綁定的UHDTV有線電視廣播傳輸系統(tǒng)，如圖14所示，其中的大致情況為：1）音視頻格式：4K UHDTV（3 840×2 160），幀率30p，采樣空間4∶2∶0，量化深度8 bit，并采用5.1聲道；2）音頻編碼：AC-3；3）視頻編碼：H.264；4）調(diào)制及傳輸：綁定兩個物理頻道（頻帶寬度為12 MHz），將4K UHDTV超級幀按照ITU-T J.83附錄B中所規(guī)范的256QAM調(diào)制到每個物理頻道（頻帶寬度為6 MHz）；5）經(jīng)過信源編碼、信道編碼、射頻調(diào)制等環(huán)節(jié)后，有線電視廣播網(wǎng)絡(luò)中所實(shí)際傳輸?shù)脑撎?K UHDTV的碼率約為70Mbit/s。

6 對國內(nèi)有線電視網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的相關(guān)啟示

在激烈的視聽媒介市場競爭環(huán)境中，有線電視網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商應(yīng)為用戶提供新的視聽服務(wù)，而UHDTV將是滿足高端用戶沉浸式視聽需求的下一個“殺手級”應(yīng)用。

從國內(nèi)外目前的商用及試驗(yàn)情況看，現(xiàn)有有線電視網(wǎng)絡(luò)是能夠提供UHDTV服務(wù)的，而且既可以在有線電視廣播網(wǎng)絡(luò)內(nèi)進(jìn)行（包括單向的HFC光纖同軸混合網(wǎng)絡(luò)與單向的FTTH光纖到戶網(wǎng)絡(luò)），又可以在基于EoC/DOCSIS 3.0/DOC?SIS 3.1的有線電視雙向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)及雙向的FTTH光纖到戶網(wǎng)絡(luò)內(nèi)進(jìn)行。長遠(yuǎn)看來，這兩種方式可以優(yōu)勢互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)對不同人群在不同場景下的覆蓋。

圖14 HelloVision的4K UHDTV傳輸

但是筆者認(rèn)為，考慮到應(yīng)對市場競爭（這里指的是某些視頻網(wǎng)站和通信運(yùn)營商面向大屏電視機(jī)提供4K UHDTV服務(wù)）的快速性及靈活性，對于國內(nèi)的有線電視網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商，近期宜將主要精力放在基于第二種方式的4K UHDTV的商用方面。而從長遠(yuǎn)發(fā)展計，也需逐步試驗(yàn)第一種方式，此時，由于國內(nèi)的有線數(shù)字電視廣播網(wǎng)絡(luò)目前均采用DVB-C標(biāo)準(zhǔn)，所以可以參考采用本文提及的基于TDM與信道綁定的UHDTV有線電視廣播傳輸系統(tǒng)，借此契機(jī)解決目前國內(nèi)有線數(shù)字電視廣播網(wǎng)絡(luò)尚未大規(guī)模應(yīng)用256QAM調(diào)制的問題和應(yīng)用下一代AVS的問題。此外，有線電視網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商還可以著手研究未來DVB-C2網(wǎng)絡(luò)中的UHDTV多載波傳輸，以進(jìn)一步提高傳輸效率。

[1] IGARASHI T.Action for installation of UHDTV in Japan(politi?cal aspect)[R].Tokyo：Ministry of Internal Affairs and Communica?tions Japan，2014.

[2] HAHM S J.Status of UHDTV broadcasting in Republic of Korea [R].[S.l.]：ITU-R SG6WP6CWorkshop，2014.

[3]YOU W，JUNG JY，LEE D Y，et al.Analysis and simulation of broadcast channel bonding formassive UHD contents transmission [C]//Proc.2014 IEEE International Conference on Consumer Elec?tronics.Las Vegas，NV：IEEE Press，2014：143-144.

[4] OYAMADA K.，OKABE S，AOKI K，et al.Progress of transmis?sion technologies for UHDTV[J].Proceedings of the IEEE，2014，101（1）：154-168.

[5]HAKAMADA Y，NAKAMURA N，OYAMADA K，et al.An UH?DTV cable television distribution in combinations of multiple 64 and 256QAM channels[C]//Proc.2013 IEEE International Confer?ence on Consumer Electronics.Las Vegas，NV：IEEE Press，2013：486-487.

[6]YOU W，JUN J Y，CHOID J，et al.UHDTV transmission based on broadcasting channel bonding[C]//Proc.2013 IEEE Internation?al Conference on Consumer Electronics.Las Vegas，NV：IEEE Press，2013：405-406.

[7]HAKAMADA Y，NAKAMURA N，OYAMADA K.UHDTV trans?mission experiment on actual cable television facilities[C]//Proc.ITE Tech.Reports,BCT,2013.Tokyo：ITE Technical Group Sub? mission，2013：41-44.

[8]KURAKAKE T，KUSAKABE T，OYAMADA K，et al.In-house co?axial cable transmission system coexistent with ISDB-T signals in the UHF band using filter bank multi-carrier and DC offset re?moval in direct conversion receivers[J].TV Information Society Magazine，2014，68（5）：192-201.

[9]KIM SH，CHOIJ，KIM J，et al.Design and implementation of the 1024-QAM RF transmission system for UHD cable TV broadcast?ing[C]//Proc.16th International Conference on Advanced Commu?nicaiton Technology.Pyeongchang：IEEE Press，2014：1317-1324.

責(zé)任編輯：薛 京

TN949

A

10.16280/j.videoe.2015.02.002

2014-09-29