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日本8K超高清晰度电视广播系统的发展现状与展望(四):8K超高清晰度卫星数字电视广播技术

1、背景
 
目前,一个星载卫星电视转发器(对应一个物理信道)仅能承载传输两到三套HDTV(全高清晰度电视)节目。而一套8K超高清晰度电视节目的数据量是一套全高清晰度电视节目的16倍,因此,为了能用一个星载卫星电视转发器来传输一套8K超高清晰度电视节目,就必须增大转发器的传输容量。日本NHK科学与技术研究实验室已经研发出全新型的8K超高清晰度卫星电视广播技术与系统。
 
2、新型的16 APSK调制技术
 
为了传输/分发数字电视信号,射频波形可以按照幅度、频率以及相位的状态进行分组(以“0”或“1”的二进制数字信号表示),然后进行相应的射频调制。目前的卫星电视广播系统采用八相位调制8 APSK(八相位振幅移相键控)技术(笔者注:每个相位的状态以三个比特位来表示)。而为了进一步地提高系统传输容量,日本NHK科学与技术研究实验室将16 APSK(十六相位振幅移相键控)技术(笔者注:每个相位的状态以四个比特位来表示)应用于8K超高清晰度卫星电视广播系统之中,其星座图如图5中的右图所示,可见其中结合了相位信息以及双向信号幅值点。从图1可见,APSK的调制星座图分布呈中心向外沿半径发散态势,所以,APSK又被称为“星型QAM(正交幅度调制)”。与QAM相比,APSK便于实现变速率调制,因而很适合于根据信道条件及业务需要分级传输的情况。
 
1  8 APSK以及16 APSK的调制星座图
资料来源:编译自参考文献[1]
 
3、新型的滚降技术
 
为了进一步地增大星载卫星电视转发器的数字信号传输容量,很有必要提高符号率(幅度数据与相位数据的交换速度)。符号率与载波频率的物理带宽成正比关系。但是,出于监管角度的考虑,无法对单个星载卫星电视转发器的载波物理带宽(国际无线电通信管制的相关规定带宽为固定的34.5 MHz)进行改变(笔者注:即无法增大)。因此,日本NHK科学与技术研究实验室就采取降低信道滤波器滚降系数(笔者注:该系数的数值越小,滤波后的波形就越陡峭,越接近0,波形就越接近矩形)的方式来增大单个星载卫星电视转发器的数字信号传输物理带宽——从现在的0.35降至了0.03(滤波前后的星座图对比如图2所示。截止目前,已经实现高达17%的底层物理频谱资源利用效率的提升),从而增大符号率,进而增大系统传输容量。
 
采取低滚降系数的星载卫星电视转发器滤波器的效果(左图为滤波之前的星座波形,右图为滤波之后的星座波形)
资料来源:参考文献[1]
 
4LDPC技术在8K超高清晰度卫星电视广播系统之中的采用
 
日本NHK科学与技术研究实验室所研发的8K超高清晰度卫星电视广播系统之中采用了LDPC(Low Density Parity Check,低密度奇偶校验)编码来纠正信号传输过程之中所出现的错误——因其采用独特的长码字,具备很强的纠错能力(其纠错性能接近理论上的极限值)。
 
58K超高清晰度卫星电视广播系统研发接下来的演进方向
 
结合采用上述新型的16 APSK调制技术、新型的滚降技术(0.03的滚降系数)以及LDPC纠错编码技术之后,日本NHK科学与技术研究实验室实现了在单个星载卫星电视转发器之中传输一套8K超高清晰度电视节目,传输码率大致为100 Mbps(笔者注:其频谱效率就大致为:100 Mbps÷34.5 MHz≈2.898551 bps/Hz)。
 
虽然,诸如16 APSK等高阶调制技术的采用提高了系统的传输容量,但是,相比如现行采用的低阶调制技术,却容易导致各个不同程度的影响(比如上文中图6所示的信号失真),从而对接收到的信号性能产生削弱性影响。2014年元月,日本NHK科学与技术研究实验室在现网中所进行的一次8K超高清晰度卫星电视广播试验(相关组网架构如图3所示)结果表明,相关系统是可以稳定地运行的。
 
(笔者:目前,日本已于2015年4月正式商用了4K超高清晰度卫星电视服务,可查阅上海情报服务平台新近所发布的《日本首个4K UHDTV卫星电视广播商用系统综述》一文,链接为:http://www.istis.sh.cn/list/list.aspx?id=8592。)
 
3   端到端的8K超高清晰度卫星电视广播传输系统
资料来源:编译自参考文献[1]
 
现有的卫星电视广播系统常采用右手方的波形来传输数字电视节目,而保留左手方的波形用于在未来拥有更丰富的底层物理频谱资源之后进一步地增大系统传输容量。目前,日本NHK科学与技术研究实验室正致力于起草一份相关的国际协议,以启用左手方的波形来保护未来的8K超高清晰度卫星电视广播免受外部信号干扰,并正在研发相关的接收机终端设备。
 
参考文献:
[1]NHK, 8Kスーパーハイビジョン衛星デジタルテレビジョン放送システム [EB/OL].
http://www.nhk.or.jp/strl/onepoint/8keisei.html, 2015-05-23.

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