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日本首个4K UHDTV卫星电视广播商用系统综述

供稿人:李远东  供稿时间:2015-2-28   关键字:4K  UHDTV  卫星电视  SKY  Perfect  JSAT  
笔者注:2015年3月1日,日本将正式商用4K UHDTV(超高清晰度电视)卫星电视广播服务(通过日本卫星电视运营商SKY Perfect JSAT Corporation在轨(东经124度与东经128度)的通信卫星)Channel 4K,同时,日本的有线电视网络与IPTV网络也将向其广大用户正式提供Channel 4K的重传服务[1]。日本于2014年6月正式试商用部署了其首个4K UHDTV卫星电视频道——Channel 4K,首批用户接收机终端也同时上市——而且截至2014年10月,4K UHDTV卫星电视广播接收机终端的厂家一共达到了三家[2]。本文对Channel 4K及其卫星电视广播系统进行综述。
1、引言
2013年6月,日本总务省以委员会报告的形式,发布了一个关于发展并改善日本电视广播服务的路线图,指出日本要分别于2014年及2016年试商用4K超高清晰度电视以及8K超高清晰度电视,并于2015年3月正式商用4K超高清晰度电视服务。
 
为此,日本广播电视业界成立了NexTV-F(Next Generation Television & Broadcasting Promotion Forum,下一代电视与广播促进论坛)来具体执行这个路线图,并于早期推出相关的超高清晰度电视服务。NexTV-F论坛目前一共拥有21个从事媒体行业的成员单位,包括电视广播商、有线电视网络运营商、通信网络运营商、广播网络设备制造商、广播电视终端设备制造商、广告商以及贸易公司(笔者注:通过查阅NexTV-F论坛官网的最新信息,这21家为NexTV-F论坛的创始成员单位,此外,目前,NexTV-F论坛还拥有52家成员单位以及34家支持单位[3])。
 
按照上述路线图的计划,NexTV-F论坛于2014年6月2日正式试商用4K超高清晰度卫星电视广播服务——Channel 4K,而正式商用的时间则定为2015年3月1日。
2、Channel 4K概述
Channel 4K是日本首个4K超高清晰度电视频道,具体由NexTV-F论坛运营。Channel 4K在目前是一项免费的电视服务,用户用专用的接收机或者电视机即可观看。2014年6月,Channel 4K的接收终端开始上市出售,到2014年9月底已卖出了好几千部,目前总共有三款接收终端[4]:夏普公司的4K超高清晰度广播电视机顶盒TU-UD1000(采用容量为1000 GB的HDD硬盘,以方便用户对4K超高清电视节目进行录制)[5]、索尼公司的4K超高清晰度广播电视机顶盒FMP-X7(采用容量为1000 GB、2000 GB、3000 GB、4000 GB的HDD硬盘——分别对应4种不同的规格,以方便用户对4K超高清电视节目进行录制)[6]、东芝公司的4K超高清晰度广播电视智能一体机Z10Xシリーズ[7]
 
目前,Channel 4K在周一到周五每天广播7个小时的4K超高清晰度电视节目,在周六与周日每天广播12个小时的4K超高清晰度电视节目,节目类型包括音乐演出、自然节目、旅游以及体育赛事,全都是4K级别的视频,由NexTV-F论坛的各个电视广播商成员单位摄制并提供。
 
NexTV-F论坛是Channel 4K总的广播商,专门负责4K超高清晰度电视节目的集成以及播出控制,节目信号具体由日本的卫星电视运营商SKY Perfect JSAT Corporation通过其通信卫星来传输,表1所示为Channel 4K目前的技术运行参数。
 
1[2]  日本首个4K超高清晰度电视频道的技术参数
 
卫星
JCSAT3A(一颗位于东经128度的通信卫星)。另外,位于东经124度的通信卫星为备用。
信道编码/广
播传输标准
DVB-S2(高级窄带传输系统)
信源编码/
压缩标准
视频:HEVC/H.265
音频:MPEG-2 AAC
网络
网络码:0x000A
(符合ARIB STD-B10附录N中的相关规范)
业务标识
502频道
有条件接收
CA_system_id:0x0001
(符合ARIB STD-B10附录J中的相关规范)
编译自本文的参考文献[2]
 
除了视频压缩/信源编码标准之外,其中的大多数技术规范都采用SKY Perfect JSAT Corporation专有的卫星数字电视广播规范。Channel 4K的运营所遵从的是NexTV-F论坛相关技术报告中所规范的法则。
 
如图1[1]所示,目前,用户在家中通过卫星电视接收天线与专用的4K超高清晰度电视机顶盒或者智能一体机即可直接观看Channel 4K的节目,通过广播机顶盒观看的方式如图2[5]所示,通过智能一体机观看的方式如图3[7]所示。此外,从2014年6月份开始,日本的一些有线电视网络运营商以及IPTV运营商也重传Channel 4K的节目信号,目前,在日本各地,共有超过60个的有线超高清晰度电视的观看场所(分布于公共场所。具体情况可查阅本文的参考文献[8] [8])以及5个超高清晰度IPTV的观看场所(分布于公共场所)。而日本有线电视网络运营商及IPTV运营商面向家庭用户提供Channel 4K节目信号重传服务则被安排在2015年。
1  Channel 4K的广播传输系统
编译自本文的参考文献[2]
2  Channel 4K4K广播机顶盒接收方式
编译自本文的参考文献[5]
3  Channel 4K4K智能一体机接收方式
编译自本文的参考文献[7]
 
而至于有线电视网络如何向广大用户提供超高清晰度电视UHDTV传输服务,可查阅上海情报服务平台新近发布的《超高清晰度有线广播电视技术调研总结》一文,链接为:http://www.istis.sh.cn/list/list.aspx?id=8461
3、4K UHDTV卫星电视广播系统
14K超高清晰度电视节目摄像与制作系统
 
Channel 4K的4K超高清晰度视频摄像系统所选用的是2013年夏季就进入市场上的各个设备制造商的相关产品。4K超高清晰度摄像机采用的是佳能的EOS C500以及SONY的PMW-F55。EOS C500所选用的是镜头是佳能的CN-E30-300,并采用C-motion将其配置成具有外部的镜头齿轮控制能力。在2014年6月,Channel 4K刚开播的时候,任何一款镜头安装于PMW-F55上面,都满足不了4K超高清电视广播的需求(比如伺服控制系统)。当时的处理方法是,给PMW-F55装上传统的高清晰度视频的镜头以及相应的适配器。此外,Channel 4K的4K超高清晰度视频摄像系统还为每台EOS C500配备了PROTEC LS750/LS850系统,为每台PMW-F55配备了一套SONY CA-4000适配器以及基带信号处理器BPU-4000以保证4K超高清晰度视频原始素材的长距离光纤电缆链路传输。
4  Channel 4K电视节目制作系统框图
编译自本文的参考文献[2]
 
Channel 4K的4K超高清晰度视频制作系统中所包含的设备有4K监视器、视频波形监视器、索尼的SR-R1000多声道录制系统、阿斯拓洛的HR-7510 SSD多声道录制系统、阿斯拓洛的摄像视频颜色转换单元HB-7513(用于EOS C500 4K超高清晰度视频摄像机)。此外,该系统还采用Lambda公司生产的具有运动编码功能的4K超高清晰度电视字幕系统Grid-Zero、索尼生产的用于慢动作回放的视听内容存储服务器PWS-4400。
 
24K超高清晰度电视节目编辑系统
 
从Channel 4K的播出情况看来,4K超高清晰度电视的节目制作、编辑编排、播出等的工作流程基本上与基于文件的高清晰度电视HDTV的相同。在2013年夏季进行系统规划的时候,索尼的XAVC MXF是最符合实际4K超高清晰度视频文件格式,因此,在当时,Channel 4K的超高清晰度电视节目编辑系统就采用了这个格式。在Channel 4K的节目编辑系统之中,核心部分是Adobe Premiere Pro CC非编(非线性编辑)软件、Blackmagic Design公司的色度分级设备DaVinci Resolve、Blackmagic Design公司的帧频转换设备DVS CLIPSTER、用于编辑工作站之间共享文件的大型存储矩阵。
5  Channel 4K的节目编辑系统框图
编译自本文的参考文献[2]
 
此外,Channel 4K的超高清晰度电视节目编辑系统还采用了STARDOM公司的四驱存储系统SOHORAID SR4-WBS3+(16 TB的HDD)、IO DATA公司的便携式固态硬盘SSD(总容量为1TB)HDUSTBSSS 1.9(用于文件传输。比如:将已经编辑好待播出的4K超高清晰度电视节目传输至播出主控室)。
 
通过相关的使用测试,Channel 4K的工作人员发现,当使用DPX、Canon RAW、SONY F55 RAW以及SStP这些主流的4K超高清晰度电视节目编辑格式时,隐藏HDTV工作流程的编辑功能是有效的。图6所示为4K超高清晰度电视节目编辑流程及其每个工作流程之中的输入格式与输出格式。
6  Channel 4K节目编辑系统的工作流程
编译自本文的参考文献[2]
 
34K超高清晰度电视节目播出系统
 
当4K超高清晰度电视节目编辑完成之后,相关的素材或者节目就会被上载到4K超高清晰度电视节目播出系统。按照预先设置好的节目播出程序,播出系统会自动地播出相关的节目。
7  Channel 4K播出系统的主控室
来源:本文的参考文献[2]
 
Channel 4K的4K超高清晰度电视节目播出系统有一主一备两个,并由所部属的emergency router(紧急路由器)来进行主系统与备份系统的切换调度,此外,紧急路由器也可以用于紧急情况之下的节目播出。
 
2  Channel 4K的视听信号格式
 
分辨率
3840×2160
采样
Y/Cb/Cr = 4:2:2
比特深度
10 bits
帧频
59.94p
音频
最高6声道
AES 24bit
编译自本文的参考文献[2]
8  Channel 4K4K视频信号
编译自本文的参考文献[2]
 
在4K超高清晰度电视节目播出系统的视频接口与音频接口方面,Channel 4K所采用的是索尼的XAVC MXF(适用于基于文件的播出格式)以及Square Division signal(适用于基带播出,通过4条3G-SDI链路传送基带信号)。
9  Channel 4K的节目播出系统流程框图
编译自本文的参考文献[2]
 
1)内容注入控制台
 
Channel 4K的播出系统中,内容注入控制台由两个部分组成:内容注入终端(Channel 4K所采用的是惠普公司的Z820)、前视监视器。内容注入终端用于连接输入媒介(比如HDD)与归档服务器或者播出服务器,将已经编辑好的4K超高清晰度电视节目素材通过内部网络上载至归档服务器或者播出服务器。前视监视器可用于实时监测Adobe Premiere Pro CC非编之后的图像质量以及播出服务器所输出的图像质量。
 
考虑到将节目素材通过内部网络上载至服务器以及进行质量监视要花费较多的时间,如图10所示,Channel 4K部署了三套并行的、可同时工作的内容注入控制台。
10  Channel 4K的内容注入控制台区域
来源:本文的参考文献[2]
 
2)归档服务器
 
归档服务器用于以XAVC MXF格式存储已经在Channel 4K播出过的所有的4K超高清晰度电视节目。Channel 4K选用了EMC Isilon公司的存储服务器,并部署了10个节点的存储架构(总容量1 PB),部分存储节点或者磁盘宕机不会影响到系统的正常工作,也很容易进行存储节点或磁盘的更换,从而保证了节目文件的安全、稳定传输。每个需要播出的4K超高清晰度电视节目首先被自动地传输至归档服务器,然后再由归档服务器按照播出单传输至播出服务器进行播出(笔者注:这种架构设计非常的科学——尤其是对于数据量很大的4K超高清电视节目播出)。
 
3APCAutomatic Programme Controller,自动节目(播出)控制器)
 
在Channel 4K的4K超高清晰度电视节目播出系统之中,APC是一个核心的组成部分,依据Channel 4K相关工作人员预先安排好的节目播出单,自动地对4K超高清晰度电视节目的播出进行控制(所控制的对象是VANC插入设备、紧急路由器以及播出服务器)。Channel 4K所部署的是索尼的自动播出控制器SWEV-N100(使用之前,专门针对4K超高清晰度电视节目的播出进行了对应的修改设计)。
 
4)播出服务器
 
Channel 4K的4K超高清晰度电视节目播出服务器所采用的是索尼的PWS-4400,用以播放从归档服务器或者内容注入终端传输过来的节目。为了实现4K超高清晰度电视节目24小时全天候的播出,PWS-440包括4台服务器:其中3个用于标准化的播出,另一个用于录制及以后的背靠背播出。
 
每台服务器都有4路输入/输出的能力,考虑到CUE UP计时的限制以及为了便于前视监看,Channel 4K的配置是:将其中的1路用于标准播出的输入,3路用户标准播出的输出。而录制服务器则被配置为两路输入与两路输出,使其能够同时录制两路信号。
 
5CG系统与DSKDownstream Keyer,顺向位移键控器)
 
为了把文字与静止的图片叠加到4K超高清晰度电视画面上,Channel 4K的4K超高清晰度电视节目播出系统部署了Lambda Systems的Grid Zero CD系统以及Miranda公司的DSK-3901,可以随时在需要时进行静态叠加,也可以在主控室发布应急广播字幕信息。
 
控制信号的各项传输参数
 
传输方式
在四链路3G-SDI之中,插入到图6中左侧顶部的SDI链路
插入线
在数据流1的Y数据系列中的第20线以及第583线
插入点
采样序号0
音频模式
指定
与ARIB STD-B37相等同
比色指定
按照ARIB STD-B37的相关规划,在私有区域(第160个字节)指定
编译自本文的参考文献[2]
 
6VANC插入设备
 
VANC插入设备用于将控制信号插入到视频信号之中,以便于在编码器中切换音频模式及比色。为此,Channel 4K的技术人员对Asaca公司的DU 182D进行修改设计后用作VANC插入设备。而插入点的设计与现有高清电视HDTV播出系统的相同。
 
同时,VANC插入设备也被用作比色转换器——这是因为,Channel 4K的4K超高清电视节目素材是按照ITU-T BT.709所规范的系统比色去制作的,而Channel 4K的广播传输系统则是基于ITU-T BT.2020规范设计的。比色转换器的开/关由控制信号的电平决定。即使在未来,所输入的是各种比色的4K信号,VANC插入设备也能进行相应的处理。
 
44K超高清晰度电视的信源编码系统
 
4K超高清晰度电视节目播出系统所输出的是基带音视频信号,4K信源编码系统会对其进行实时的码率压缩。4K超高清晰度电视的原始码率要远远高于现有的高清晰度电视HDTV,Channel 4K的工作人员正在研究部署编码效率是H.264两倍的HEVC/H.265。
11  Channel 4K节目播出系统中的归档服务器及编码器
来源:本文的参考文献[2]
 
54K超高清晰度电视的传输平台系统
 
Channel 4K的4K超高清晰度电视的传输平台系统包括复用器、加扰器以及卫星电视广播传输系统。
 
当编码后的4K超高清晰度电视TS流输入到传输平台系统后,会首先与其他相关的辅助数据(比如PSI/SI)进行复用,然后被加扰,最后输入到卫星电视广播传输系统——Channel 4K所采用的是目前在用的SKY Perfect Premium Service系统(SKY Perfect的多声道系统,该系统主要以DVB-S2及H.264传输高清晰度电视HDTV信号)。
 
出于需要,Channel 4K的工作人员在复用器之后增加了一些必要的设备。比如,为了补充类似于Service_type(业务类型)及Component_type(组件类型)等标识符,工作人员修改了SI(业务信息)播出系统以及NMD(Network Management Database,网络管理数据库),用以集中地管理整个4K超高清晰度电视传输平台系统的技术参数。
12  Channel 4K的广播传输平台系统
来源:本文的参考文献[2]
 
由于此前从未在现网中进行4K超高清晰度卫星电视广播,数据量很大,Channel 4K的相关工作人员正在密切地关注复用器与加扰器在如此大的数据率下工作的可靠度。
4、结语
本文介绍了日本首个4K超高清晰度电视卫星广播系统Channel 4K,自2014年6月试商用以来,该项业务目前已经发展了数千用户,将于2015年3月1日正式商用。NexTV-F论坛为Channel 4K的开播以及稳定运营作了大量实际工作。与此同时,NexTV-F论坛也正在按照日本总务省相关路线图的规划,研究8K超高清晰度电视卫星广播系统的标准化。在NexTV-F论坛所有成员单位的共同努力之下,4K及8K超高清晰度电视广播必将在日本得到普及促进。
 
本文主要参考了参考文献[2]的内容,为此向其作者致谢:负责SKY Perfect JSAT Corporation公司发展战略规划的集团副总裁Toshiaki Baba先生,SKY Perfect JSAT Corporation广播与节目制作工程部的技术总监Masashi Iwawaki先生(主导规划了Channel 4K的4K UHDTV节目制作系统与播出系统),日本NexTV-F论坛工程技术部主任Hitonari Nakada先生(主要负责技术管理以及超高清晰度电视UHDTV的技术标准化工作),SKY Perfect JSAT Corporation广播与节目制作工程部的技术总监Kohei Suzuki先生(参与Channel 4K的4K UHDTV节目制作系统建设,并规划了其中的摄像系统与编辑系统),SKY Perfect JSAT Corporation广播与节目制作工程部的总经理Takafumi Hayajiri先生(参与规划了Channel 4K的4K UHDTV节目制作系统的广播设备、播出系统以及UHDTV系统的引入、运营、管理及维护。目前为SKY Perfect Broadcasting Corporation的节目制作部总监、技术服务部总监),SKY Perfect JSAT Corporation平台系统部的广播系统工程师Go Ishiguro先生,SKY Perfect JSAT Corporation系统工程部的代理总经理Keiichi Tajima先生,SKY Perfect JSAT Corporation系统工程部总经理Takashi Senzawa先生。
 
参考文献
 
[1] Channel 4K. 4K放送の将来[EB/OL]. http://channel4k.jp/future/index.html. 2015-01-28.
 
[2] Toshiaki Baba, Masashi Iwawaki, Hitonari Nakada, Kohei Suzuki, Takafumi Hayajiri, Go Ishiguro, Keiichi Tajima, Takashi Senzawa. 4K UHDTV Satellite Broadcast System in Japan [J]. ABU Technical Review, October to December 2014.
 
[3] 次世代放送推進フォーラム. 社員[EB/OL]. http://www.nextv-f.jp/#sec06. 2015-01-28.
 
[4] Channel 4K. 4K放送を楽しめる対応機器[EB/OL].
http://channel4k.jp/equipment/index.html.2015-01-28.
 
[5] SHARP. FMP-X7[EB/OL].
http://www.sharp.co.jp/4k-recorder/products/tuud1000.html.2015-01-28.
 
[6] SONY. TU-UD1000概要[EB/OL].
http://www.sony.jp/bravia/products/FMP-X7/.2015-01-28.
 
[7] TOSHIBA.  商品ラインアップ一覧:Z10Xシリーズ[EB/OL].
http://www.toshiba.co.jp/regza/lineup/z10x/index_j.html.2015-01-28.
 
[8] 一般社団法人日本ケーブルテレビ連盟. ケーブルテレビ4K試験放送実施場所一覧[EB/OL].http://www.catv-jcta.jp/item/4K_list.pdf.2015-01-28.

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