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ITU-R:全球4K/8K超高清晰度地面数字电视广播网络现网试验现状(四):日本的相关情况

一、引言
 
下一代地面数字电视广播系统将由UHDTV(超高清晰度电视)应用进行主导。一路超高清晰度电视广播信号所包含的数据量是巨大的,从而需要研发对应的大容量无线网络传输技术与系统。
 
目前,日本NHK(广播电视放送协会)科技实验室正在研究面向下一代地面数字电视广播系统的大容量传输技术,以将其最终应用于诸如8K超高清晰度电视等的大数据量内容/应用的分发与传输之中。8K超高清晰度视频的像素数总数是现有2K HDTV(全高清晰度电视)的16倍,从而,关键就在于,需要采取诸如超高阶调制(4096 QAM)、OFDM(Orthogonal Frequency-Division Multiplexing,正交频分复用)以及双极化(垂直极化+水平极化)MIMO(多输入与多输出)等全新技术来扩展地面数字电视广播系统的传输容量,以此来对8K超高清晰度电视信号进行无线传输。
 
此次试验总结出了最大化地面数字电视广播系统传输容量的相关技术参数。而在未来的实际部署实施过程之中,还需要根据无线链路功率预算、传输网络、接收设备以及其他影响因素进行技术参数修正。
 
二、人吉发射台的地面8K超高清晰度电视广播试验
 
NHK科技实验室于人吉市建设了相关的发射站台,于其中部署了双极化MIMO、超高阶调制(4096 QAM)正交频分复用等核心技术,并进行了两大类的地面8K超高清晰度电视广播试验:一是传输测试;二是在人吉市的52个接收点进行了信号场测。
 
1)传输参数以及试验区域
 
(1)调制方式:正交频分复用;
 
(2)占用带宽:5.57 MHz;
 
(3)中心频率:671.142857 MHz(即UHF频段的第46频道);
 
(4)发射功率:水平极化波10瓦(有效辐射功率为140瓦)、垂直极化波10瓦(有效辐射功率为135瓦);
 
(5)子载波调制方式:4096 QAM;
 
(6)子载波数目:32k(实际为22465个);
 
(7)保护间隔比/保护间隔周期:1/32、126微秒;
 
(8)前向纠错编码:内编码采取LDPC(低密度奇偶校验编码),码率为3/4、外编码采取BCH;
 
(9)传输码率:91.8 Mbit/s;
 
(10)所采取的视频编码标准:H.264/MPEG-4 AVC(高级视频编码),规划以HEVC(高效率视频编码)进行替代;
 
(11)所采取的音频编码标准:MPEG-4 AAC(高级音频编码),码率384 kbps;
 
(12)接收站点:位于距发射台约27千米的Yunomae镇Nousonkankyoukaizen中心(注:现有地面数字电视广播网络的典型覆盖距离即为27千米);
 
(13)接收天线的海拔高度:211米(距离地面10米)。
 
(14):发射天象方向图如图其所示:


 


图1  此次试验中,地面8K超高清晰度电视广播信号的覆盖范围(笔者注:红线内。发射天线主瓣指向27千米之外的接收天线)


 
2)发射台与接收站的相关设备及其技术实现原理
 
由于满足下述的试验场地选择需求,NHK设于人吉市的电视转播台就被选择作为此次地面8K超高清晰度电视广播试验的发射点:
 
(1)相关地域需具有一定数量的UHF空余信道来传输地面8K超高清晰度电视广播信号;
 
(2)为了能对双极化MIMO传输技术的实时信道响应进行分析,此次试验应该要使得地面8K超高清晰度电视广播信号能够覆盖到大范围的地域,且要达到超过20千米的覆盖距离;
 
(3)相关站点应该能够支持现有的地面数字电视广播系统;
 
(4)相关站点的信号不能与相邻区域的无线电信号形成相互干扰。
 
图2为此次试验的发射台与相关发射设备、双极化发射天线。其中,发射天线的增益超过了10 dBd、交叉极化鉴别超过了15 dB(半功率)、VSWR(Voltage Standing Wave Ratio,电压驻波比)数值低于1.20(笔者注:电压驻波比越接近1就越好)。


 

图2
 


图3为此次试验的接收站点与双极化接收天线、电视机终端(85英寸的8K超高清晰度电视)以及其他信号监测与分析设备。其中:接收天线类型为8单元双极化Yagi天线、工作频段为597 MHz~674 MHz(UHF频段第33~46频道)、增益为9.0 dBd、前后辐射比超过了13 dB、交叉极化鉴别超过了25 dB。


 

图3


 
图4为此次试验中所采取的调制器与解调器原理框图。在调制器之中,对输入信号进行能量扩散处理之后,先后进行外编码(采取BCH编码)以及内编码(采取低密度奇偶校验编码),然后进行比特交织、超高阶 4096 QAM(正交幅度调制)星座映射。其后,通过对QAM星座进行时间域、频率域以及极化内这三个维度的交织,将一路8K超高清晰度信号分解成两路(一路用于垂直极化,另一路用于水平极化)。最后,对两路信号同时并列执行OFDM(正交频分复用)成帧、导频子载波信号插入、IFFT(反向快速傅里叶变换)、GI(保护间隔)生成等步骤,将其均转换成时间域的信号,然后分别通过垂直极化天线与水平极化天线发射出去。


 

图4


 
可见,此次地面8K超高清晰度电视广播试验中所采取的的核心技术主要为超高阶(4096 QAM)正交频分复用调制、双极化MIMO技术。
 
更具体地,在双极化MIMO技术的实现过程之中,通过U/C(up-converters,上变换器)将相关信号转换成位于相同频率的RF(射频)信号,然后通过PA(Power Amplifier,功率放大器)将信号电平放大到一定的水平,再通过部署于室外环境的双极化天线同时将垂直极化信号与水平极化信号辐射出去,方向图如上文中图1所示。
 
在接收站点,当双极化Yagi天线接收到8K超高清晰度电视广播信号之后,垂直极化信号与水平极化信号先通过一个BPF(带通滤波器),然后输入ATT(可调式信号电平衰减器),并通过LNA(低噪声放大器)进行放大,然后通过D/C(down converter,下变换器)转换成IF(中频)信号。最后,将中频信号输入到8K超高清晰度电视广播解调器。
 
解调器中所执行的是调制器的反向过程:先从中频信号中抽取符号周期(去掉保护间隔),然后通过执行FFT(快速傅里叶变换)将其转变成频域信号;通过2×2的MIMO检测,对频域信号执行解复用与均衡操作;随后对信号进行时间域、频率域以及极化内这三个维度的解交织;之后依次进行LLR(Log Likelihood Ratio,对数似然比)计算、比特解交织、低密度奇偶校验解码、BCH解码、去能量扩散操作,最终输出8K超高清晰度电视的音视频信号。
 
3)核心技术
 
(1)超高阶4096 QAM子载波调制技术
 
在超高阶正交频分复用调制技术之中,向数据符号分配了超大量的信号点。目前基于ISDB-T标准的2K全高清晰度地面数字电视广播系统最高采取的是64 QAM子载波调制格式。而此次地面8K超高清晰度电视广播试验的原型样机则采取超高阶的4096 QAM子载波调制格式。图5所示分别为64 QAM调制与4096 QAM调制的星座图。64 QAM调制模式下,每个数据子载波符号可以承载6比特(笔者注:26=64),而4096 QAM调制模式下,每个数据子载波符号可以承载12比特(笔者注:212=4096)。


 

图5


 
(2)双极化MIMO技术
 
顾名而思义,“双极化MIMO”技术的实现原理为:同时为垂直极化与水平极化配置MIMO,每一路极化波传输不同的信号。该技术可以将地面数字电视广播网络的无线传输容量提高近一倍。相关模型如图6所示。


 

图6  此次地面8K超高清晰度电视广播试验中所采取的双极化MIMO技术模型


 
4)场测结果
 
此次地面8K超高清晰度电视广播试验中,NHK科技实验室选定了52个接收点进行实际信号场测,这些接收点距离发射台1.3千米到36.7千米不等。在所有52个接收点均进行了MIMO传输测试,并于其中的30个接收点测试了每个载波的误码率BER(进行BCH解码之后的误码率)以及接收裕度。


 

图7  此次地面8K超高清晰度电视广播试验中的接收点/场测点分布


 
图8所示为在上述30个接收点测试到的平均场强值与接收裕度数值。其中,横轴所代表的是信号传输距离(以千米为单位),而纵轴所代表的是垂直极化信号与水平极化信号的平均场强(以dBμV/m为单位)。这些实际测试结果表明:地面8K超高清晰度电视广播系统采取超高阶4096 QAM调制时,是可以获得QEF(Quasi Error Free,准无误码)传输效果的。此处对于“准无误码”的定义为:在两分钟的测试时间之内,误码率为零。


 

图8


 
此处,“所需的场强”指的是能够实现准无误码信号传输的最低场强值。在原型接收设备中,可以通过使用ATT(可调式衰减器)来降低LNA(低噪声放大器)的输入信号电平来获得所需的场强值。
 
通过此次地面8K超高清晰度电视广播试验发现:(1)当子载波调制采取256 QAM时,测得平均场强需求值为42.4 dBμV/m,准无误码接收点的数量为23;(2)当子载波调制采取1024 QAM时,测得平均场强需求值为47.3 dBμV/m,准无误码接收点的数量为22;(3)当子载波调制采取超高阶4096 QAM时,测得平均场强需求值为52.3 dBμV/m,准无误码接收点的数量为23。
 
可见:子载波调制星座中的信号点数量每提高3倍,系统所需的场强值就要相应地增大5 dB。
这是一个比较重要的结论。
 
另外,NHK科技实验室还在所有的52个接收点/场测点对双极化MIMO传播的无线传输特性进行了实地测试。其中的传播环境分为四大类型:(1)LoS(line of sight,视距)传输;(2)具有高场强数值(超过60 dBμV/m)的NLoS(non-line of sight,非视距)传输;(3)具有中度场强数值(40 dBμV/m~60 dBμV/m)的NLoS(non-line of sight,非视距)传输;(4)具有弱度场强数值(低于40 dBμV/m)的NLoS(non-line of sight,非视距)传输。
 
图9给出了具有中度场强数值(40 dBμV/m~60 dBμV/m)的非视距传输环境对于双极化MIMO技术的信道响应。图10则给出了上述四大类无线传输环境之中的条件数分布。


 

图9(注:横轴为频率/MHz,纵轴为幅度响应/dB)


 

图10 (注:横轴条件数,纵轴为概率密度)


 
相关分析结论为:在视距传输环境中,双极化MIMO技术的无线传播特性是最好的;而在视距传输环境中,双极化MIMO技术的无线传播特性较差,且随着场强数值的降低而变差;在视距传输环境中,条件数的分布最为集中,而且几乎没有扩散;而在视距传输环境中,条件数的分布则较为分散,且随着场强数值的降低,向外扩散的程度就越大。
 
三、对此次地面8K超高清晰度电视广播试验的总结
 
成功进行此次现网试验后,NHK科技实验室认为:在地面数字电视广播领域,UHDTV(超高清晰度电视)可以成为继HDTV(全高清晰度电视)之后的主导型应用。
 
此次地面8K超高清晰度电视广播试验的亮点在于:(1)于全球首次进行了8K超高清晰度电视的地面数字电视广播网络传输;(2)传输距离长(约27千米);(3)仅通过一个UHF频道(信道带宽为6 MHz)传输,传输码率为91 Mbps,则该实验系统所获得的无线频谱资源利用效率高达91 Mbps÷6 MHz≈15.167 bps/Hz;(4)其中所采取的核心技术主要为超高阶(4096 QAM)正交频分复用调制、双极化MIMO技术。
 
国际电信联盟无线电通信局的这份研究报告最后指出:接下来,NHK科技实验室将会根据对于不同新兴技术以及未来发展趋势所作的进一步考量与评估来决定日本超高清晰度电视系统的发展。
 
 
参考文献:
 
[1] ITU-R. ITU-R BT.2343-0 –Collection of field trials of UHDTV over DTT networks [EB/OL].
http://www.itu.int/dms_pub/itu-r/opb/rep/R-REP-BT.2343-2015-PDF-E.pdf, 2015-05-22.
 

本文作者为上海情报服务平台兼职情报分析员


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