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)”。
1.1 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。
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。
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。
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
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。
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。
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2014-09-29