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超高清晰度有线广播电视技术调研总结

供稿人:李远东  供稿时间:2014-10-20   关键字:UHDTV(超高清电视)  有线电视  广播网络  信道绑定  
0、引言
在有线电视网络现网内传输UHDTV(超高清电视)信号,以为用户提供更有竞争力的视听媒体服务,使得国内外有线电视网络运营商逐渐试验、商用UHDTV。调研总结了相关的两种方式:基于有线电视(单向)广播网络和基于有线电视双向分组数据网络。将前者总结为基于TDM与信道绑定的UHDTV有线电视广播传输系统,并对其中所涉及的3项关键的新技术进行了介绍。接着介绍了此类系统的实验室性能、现网传输试验、现网商用案例。最后对国内有线电视网络的相关启示进行了思考,希望能抛砖引玉。
 
2014年,韩国、日本先后在有线电视网络内正式商用4K UHDTV业务。日本计划于2016年正式商用8K UHDTV业务。此外,有线电视网络传输超高清电视的各种试验也在国内外展开。笔者总结,这些商用和试验总体上分为两种情况:(1)在有线电视广播网络内进行(包括单向的HFC光纤同轴混合网络与单向的FTTH光纤到户网络);(2)在基于DOCSIS 3.0/DOCSIS 3.1的有线电视双向网络内及双向的FTTH光纤到户网络内进行。
 
本文对上述前一种情况中所涉及的关键技术进行调研总结,相关系统可以总结为“基于TDM(Time Division Multiplexing,时分复用)与信道绑定的UHDTV有线电视广播传输系统”。
1、基于TDM与信道绑定的UHDTV有线电视广播传输系统
1)系统概述
 
基于TDM与信道绑定的UHDTV有线电视广播传输系统如图1所示。该系统中:在有线电视网络总前端,压缩后的UHDTV音视频被封装到MPEG-2 TS,由于码率很大(以致一个物理频道可能承载不了),再将TS进行分割,然后被复用进一种新设计的“超级帧”(详见下文相关部分),最后对每一个超级帧进行64 QAM或256 QAM调制——而且可以调制到有线电视网络中任何一个物理频道;而在用户端,接收设备对解调后的每一个超级帧进行解复用、同步、组合等处理,重建出UHDTV的MPEG-2 TS,再进行解码、解压处理,最后将UHDTV的音视频信号输出给电视机显示。
基于信道绑定的UHDTV有线电视广播传输系统
 
可见:(1)在该系统中,使用有线电视网络的若干个物理频道传输1套UHDTV节目,而每个频道所承载(通过QAM调制)的UHDTV超级帧由 若干TSMF(Transport Streams Multiplexing Frames,传输流复用帧)经TDM而成,因此可称之为“基于TDM与信道绑定的UHDTV有线电视广播传输系统”;(2)该系统使得新兴的UHDTV业务可与有线电视广播网络中传统的基于频分复用的高清电视及标清电视广播业务共存。
 
以下对其中所涉及的关键技术进行介绍。
 
2UHDTV超级帧
 
“超级帧”的概念是传统的有线电视广播网络中所没有的。UHDTV“超级帧”的成帧遵循ITU-T J.183中所规范的将多个MPEG-2 TS以TSMF复用封装到单个流并输出给有线电视广播调制器接口的方式。TSMF的成帧结构如图2所示,由53个等长的段组成(每一段的长度均为188字节,与一个MPEG-2 TS包的长度相同),第一段为TSMF头部,用于存放MPEG-2 TS的绑定信息(如复用了多少个MPEG-2 TS、被复用到哪一段等)及其他附加信息。
2  TSMF的成帧结构
 
由于64 QAM调制与256 QAM调制后的码率不同,被64 QAM调制与256 QAM调制后的TSMF帧的传输延迟也就不同(前者为2.73ms,后者为2.05ms),从而就有必要在接收端对解调后的帧进行同步。为此,一种如图3所示的新的“超级帧”被提出。“超级帧”由多个TSMF帧构成,时间长度为8.2ms,并采用信道绑定技术,以在时间上对由64 QAM调制与256 QAM调制的超级帧进行同步。
面向64 QAM调制与256 QAM调制的超级帧架构
 
由于码率不同,采用64 QAM调制的超级帧中可复用3个TSMF帧,而采用256 QAM调制的超级帧中可复用4个TSMF帧。具体采用64 QAM调制还是256 QAM调制,由相关物理频道的具体信道特征而定,下文会进行详细阐述。
 
3UHDTV信道调制方式的选择
 
由于该系统采用信道绑定的方式传输UHDTV,即以不同的物理频道来传输1套UHDTV节目,所以UHDTV超级帧的信道调制方式由相关物理频道的具体信道特征而定。从频谱效率与传输效率角度,256 QAM调制要优于64 QAM调制。所以一般而言,传输UHDTV应优先选择256 QAM调制。但256 QAM调制比64 QAM调制对各种噪声及失真更为敏感,而每个有线电视广播网络的具体情况不一,且即使再相同的有线电视广播网络中,每个物理频道的信道特征也不一,对于载噪比较低的物理频道,相对于256 QAM调制,可能更适合采用64 QAM调制。所以本文选取既有256 QAM调制又有64 QAM调制的进行介绍,以具有更大的普适性。
 
为了对现有的有线电视广播网络进行充分利用,目前已有的UHDTV传输一般采用64 QAM调制与256 QAM调制的混合方式,如图4所示就采用了1个以64 QAM调制的物理频道和4个以256 QAM调制的物理频道来传输1套8K UHDTV节目——其中值得一提的是,可能有物理频道的容量会有剩余(比如图4中以64 QAM调制的物理频道),就可以用以传输其他电视节目(比如图4中以64 QAM调制的物理频道剩余的带宽用以传输1套HDTV节目)。
多个物理频道用于传输1UHDTV节目
 
此外,由于采用了上文所述的UHDTV超级帧,由信道绑定技术而带来的相关问题就被解决了。
 
4UHDTV信道同步
 
传输链路的长度是影响UHDTV有线电视广播传输延迟的影响因素之一(比如,500km光纤链路的传输延迟可达2.5ms)。一般地,如图5所示,相关系统以用64QAM调制的物理频道为基准调整传输延迟。
5  UHDTV信道同步
 
由于采用信道绑定技术用若干个物理频道来传输1套UHDTV节目,所以在接收端,每个物理频道的传输延迟不同,接收机就需要对相关物理信道的解调信号进行“对齐”处理:每个UHDTV超级帧中,第一个TSMF帧的头部被用作同步的标记;而且可接受的各物理频道传输延迟差异的最大值一般被设计成与一个超级帧的时间长度(8.2ms)相同。当传输这套UHDTV节目的所有物理频道的解调信号都被对齐后,接收机才开始对MPEG-2 TS进一步进行解码、解压处理,还原出整套UHDTV节目的音视频信号。
2、NHK对UHDTV有线电视广播传输系统性能的理论验证
NHK曾对相关的UHDTV有线电视广播传输系统性能进行理论验证,实验中的设备配置如图6所示,参数设置如表1所示,每个物理频道都加入了加性高斯白噪声,而且UHDTV原型接收机中,每个调谐器的输入功率均被设置成-43.7dBm。
6  UHDTV有线电视广播传输系统实验系统
 
实验参数配置
MPEG-2 TS码率
181.2Mbps
单个物理频道宽度
6MHz
符号率
5.274Mbaud
每个频道的码率
256 QAM:38.149 Mbps
64 QAM:28.611 Mbps
FEC成帧
RS(204,188)
物理频道个数
4个256 QAM调制频道
1个64 QAM调制频道
中心频率/MHz
256 QAM调制
267、273、279、285
64 QAM调制
291
 
1BER
 
2n-QAM及旋转对称性灰度编码的BER(Bit Error Rate,误码率)理论值为:
 
 
其中,n为每个符号所承载的比特数,为编码信号最短距离的半数值,为加性高斯白噪声的方差值。从而,在接收机侧,UHDTV的误码率为:
 
 
其中,N64 QAM与M256 QAM分别代表64 QAM载波个数及256 QAM载波个数,CNR64 QAM, i与CNR256 QAM, i分别代表第i个64 QAM信道与256 QAM信道的载噪比。此外,考虑到256 QAM信道的强健性不如64 QAM信道,且在CNR数值较大的情况下,256 QAM信道的BER是引起BERUHDTV降低的主要因素,因此,上述BERUHDTV的理论计算公式在CNR高于(含)28dB时适用。
 
图7所示为测试到的该UHDTV系统的BER。CNR的理论值为30dB时,为了在进行RS(204,188)编码后获得准无误码性能,要求在FEC之前的BER达到2×10-4。测试结果表明,当CNR的数值为30.9dB或更高时,无需进行FEC,BER的数值能够达到2×10-4,接收机能够无误码地接收到UHDTV信号。
7  UHDTV误码率BER的实测值
 
2)信道同步
 
在相关试验中,当把接收机处UHDTV信号的CNR数值设定为恒定值31.5dB时(而不论传输链路的长度被改变成多少),64 QAM调制信道中,测得传输延迟与UHDTV信号的BER之间的关系如图8所示,可见,在不同的传输延迟下,UHDTV信号的BER基本是一个恒定值,这表明,UHDTV原型接收机可以进行延迟补偿及对多个物理频道所承载的UHDTV超级帧进行同步对齐处理。
不同传输延迟下,UHDTV信号的误码率
3、UHDTV有线电视广播的现网试验
2013年,NHK在日本山梨县的有线电视广播网络中进行了UHDTV现网传输试验,相关组网如图9所示,其中既有HFC光纤同轴混合型有线电视广播网络(工作频段为90MHz~770MHz),又有FTTH光纤到户型有线电视广播网络(工作频段为90MHz~2600MHz),都进行了UHDTV现网传输试验。
9  UHDTV有线电视广播的现网传输试验的网络架构
 
其中,UHDTV的参数设置如表2所示。
 
2  UHDTV的现网试验参数设置
MPEG-2 TS码率
181.2Mbps
视频编码
H.264
音频编码
MPEG-2 AAC
单个物理频道宽度
6MHz
物理频道个数
4个256 QAM调制频道
1个64 QAM调制频道
中心频率/MHz
256 QAM调制
695、701、707、713
64 QAM调制
719
 
UHDTV有线电视广播的现网传输试验中,一共使用了HFC及FTTH网络中4个以256 QAM调制的物理频道及1个以64 QAM调制的物理频道来承载1套UHDTV的MPEG-2 TS(码率为181.2Mbps),这5个物理频道在有线电视广播网络的前端以频分复用方式与其他承载已有高清及标清电视信号的物理频道混合(图10所示为在前端所测得的频谱),然后通过HFC及FTTH网络传输(用于传输UHDTV信号的5个物理频道的发射功率与现网中其他物理频道的相同)到测试终端处。
10  在有线电视广播网络前端测得的混合有UHDTV信号的频谱图
 
1)有线电视广播网络内UHDTVBER
 
如图9所示,UHDTV有线电视广播网络现网传输试验中,设置有3个测试点(其中两个在HFC网络内,另外1个在FTTH网络内)。为了不影响有线电视广播网络的正常运行,在现网试验时,仅在UHDTV原型接收机处向传输UHDTV的5个物理频道加入加性高斯白噪声。
 
图11所示为在3个测试点所测得的UHDTV信号(未经RS(204,188)编码)的BER曲线,可见,在没有任何其余加性高斯白噪声的情况下,每个测试点所接收到的UHDTV信号的CNR均值都要高于37dB,这比CNR的阈值(若实际的CNR低于该阈值,还原出的UHDTV就会出现误码)要高6dB甚至更高。这就表明,对于未来的商用UHDTV,CNR还有至少6dB的余量可用。
11  UHDTV测试点处的BER
 
相关现网试验的结果表明,基于TDM及信道绑定的UHDTV可以在任何一种架构的有线电视广播网络内传输。
 
2)对多信道绑定技术的验证
 
所测得的5个物理频道各自的BER曲线及绑定信道的BER曲线如图12所示,并对前者的均值与后者进行比较。可见,两者几乎完全重合。这就说明,信道绑定技术可以被用于有线电视广播网络传输UHDTV信号,相关接收设备可以对被绑定的几个物理频道的延迟进行补偿处理,并能对各个QAM载波所承载的UHDTV超级帧进行同步处理。
12  UHDTV接收点处BERCNR之间的关系
4、更进一步的现网试验
在上述现网试验的基础上,NHK还在有线电视广播网络HFC现网内进行了8K UHDTV的传输试验,网络配置与参数设置与上述的相同。试验结果表明,有线电视广播网络可以面向85英吋的电视机稳定地传输22.2声道8K UHDTV。
13  8K UHDTV有线电视广播网络传输效果展示
5、UHDTV有线电视广播商用案例
韩国有线电视网络运营商HelloVision于2014年商用的4K UHDTV即是采用基于TDM与信道绑定的UHDTV有线电视广播传输系统,如图14所示,其中的大致情况为:(1)音视频格式:4K UHDTV(3840×2160),帧率30p,采样空间4:2:0,量化深度8bits,并采用5.1声道;(2)音频编码:AC-3;(3)视频编码:H.264;(4)调制及传输:绑定两个物理频道(频带宽度为12MHz),将4K UHDTV超级帧按照ITU-T J.83附录B中所规范的256 QAM调制到每个物理频道(频带宽度为6MHz);(5)经过信源编码、信道编码、射频调制等环节后,有线电视广播网络中所实际传输的该套4K UHDTV的码率约为70Mbps。
14  HelloVision4K UHDTV传输
6、对国内有线电视网络运营商的相关启示
在激烈的视听媒介市场竞争环境中,有线电视网络运营商应为用户提供新的视听服务,而UHDTV将是满足高端用户沉浸式视听需求的下一个“杀手级”应用。
 
从国内外目前的商用及试验情况看,现有有线电视网络是能够提供UHDTV服务的,而且既可以在有线电视广播网络内进行(包括单向的HFC光纤同轴混合网络与单向的FTTH光纤到户网络,又可以在基于EoC/DOCSIS 3.0/DOCSIS 3.1的有线电视双向网络内及双向的FTTH光纤到户网络内进行。长远看来,这两种方式可以优势互补,实现对不同人群在不同场景下的覆盖。
 
但是笔者认为,考虑到应对市场竞争(这里指的是某些视频网站和通信运营商面向大屏电视机提供4K UHDTV服务)的快速性及灵活性,对于国内的有线电视网络运营商,近期宜将主要精力放在基于第二种方式的4K UHDTV的商用方面。而从长远发展计,也需逐步试验第一种方式,此时,由于国内的有线数字电视广播网络目前均采用DVB-C标准,所以可以参考采用本文提及的基于TDM与信道绑定的UHDTV有线电视广播传输系统,借此契机解决目前国内有线数字电视广播网络尚未大规模应用256 QAM调制的问题和应用下一代AVS的问题。此外,有线电视网络运营商还可以着手研究未来DVB-C2网络中的UHDTV多载波传输,以进一步提高传输效率。
参考文献:
[1] Woongshik, You, Joon-Young, Jung, Dong-Yul, Lee, Myung-Ae, Chung, Oh-Seok, Kwon. Analysis and simulation of broadcast channel bonding for massive UHD contents transmission[C]. Las Vegas: IEEE, 2014. 143-144.
[2]Sung-Hoon, Kim, Jinsoo, Choi, Jinwoong, Kim, Hossen, M, S, Ki-Doo, Kim. Design and implementation of the 1024-QAM RF transmission system for UHD cable TV broadcasting[C]. Pyeongchang : IEEE, 2014. 1317-1324.
[3] Oyamada, K., Okabe, S., Aoki, K., Suzuki, Y. . Progress of Transmission Technologies for UHDTV [J]. Proceedings of the IEEE,2014,101(1):154-168.
[4] Takuya Kurakake, Takeshi Kusakabe, Kimiyuki Oyamada, Yasushi Yamao. In-house Coaxial Cable Transmission System Coexistent with ISDB-T Signals in the UHF Band Using Filter Bank Multi-Carrier and DC Offset Removal in Direct Conversion Receivers [J]. TV Information Society Magazine,2014,68(5):192-201.
[5] Toru Igarashi. Action for installation of UHDTV in Japan (political aspect) [PPT]. Tokyo: Ministry of Internal Affairs and Communications Japan, March 2014.
[6] Sangjin Hahm. Action for installation of UHDTV in Japan (political aspect) [PPT]. ITU-R SG6 WP6C Workshop: Status of UHDTV broadcasting in Republic of Korea, March 2014.
[7] Y. Hakamada, N. Nakamura, K.Oyamada, T. Kurakake, T. Kusakabe. An UHDTV cable television distribution in combinations of multiple 64 and 256 QAM channels [C]. Las Vegas:IEEE, 2013. 486-487.
[8] Woongshik You, Joon-Young Jun, DongJoon Choi, O-Hyung Kwon , Oh-Seok Kwon. UHDTV transmission based on broadcasting channel bonding [C]. Las Vegas:IEEE, 2013. 405-406.
[9] Y. Hakamada, N. Nakamura, K.Oyamada, UHDTV transmission experiment on actual cable television facilities [C]//ITE Tech. Reports, BCT, 2013. Tokyo:ITE Technical Group Submission,2013:41-44.

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