8K超高清電視廣播的大容量無線傳輸技術(shù)綜述

李遠(yuǎn)東，凌明偉

（1.DVBCN，上海 201100；2.浙江傳媒學(xué)院，浙江 杭州 310018）

8K超高清電視廣播的大容量無線傳輸技術(shù)綜述

李遠(yuǎn)東1，凌明偉2

（1.DVBCN，上海 201100；2.浙江傳媒學(xué)院，浙江 杭州 310018）

NHK科技實驗室在2014年1月的8K超高清地面電視廣播傳輸試驗中實現(xiàn)了以超高頻譜效率（約16.5 bit/（s·Hz））遠(yuǎn)距離（約27 km）傳輸8K超高清電視節(jié)目，取得該巨大成功的關(guān)鍵在于其正在研發(fā)的用于下一代地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)的大容量無線傳輸技術(shù)。對其中的大容量無線傳輸技術(shù)進(jìn)行綜述性介紹。

地面數(shù)字電視；8K超高清電視；雙極化MIMO；超高階調(diào)制OFDM

1 背景介紹

日本的地面數(shù)字電視廣播采用ISDB-T標(biāo)準(zhǔn)，一個物理頻道（帶寬為6 MHz）僅能承載傳輸1套全高清電視節(jié)目，而8K超高清電視的音頻采用22.2多聲道，視頻的像素數(shù)目是全高清電視視頻的16倍，其中的數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)大于全高清電視[1]。為了能在一個物理頻道承載傳輸1套8K超高清電視節(jié)目，大幅提高1個頻道所能容納的數(shù)據(jù)量，NHK科技實驗室從2011年開始研發(fā)用于下一代地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)的大容量無線傳輸技術(shù)[2]，至今仍在進(jìn)行。

在NHK科技實驗室的相關(guān)研發(fā)中，截至目前，共進(jìn)行了2次8K超高清地面電視廣播傳輸試驗：

1）第1次試驗是在2012年5月，實現(xiàn)了在2個帶寬為6 MHz的物理頻道內(nèi)承載傳輸1套8K超高清電視節(jié)目，其時，每個信道的傳輸碼率為91.82 Mbit/s，當(dāng)時所能實現(xiàn)的最大傳輸距離僅有4.2 km[2-3]，如圖1所示，。

2）第2次試驗是在2014年1月，實現(xiàn)了在1個帶寬為6 MHz的物理頻道內(nèi)承載傳輸1套8K超高清電視節(jié)目（濾波后的實際占用帶寬為5.57 MHz），當(dāng)時的信道傳輸碼率為91.82 Mbit/s，但相比第1次試驗的另一個顯著進(jìn)步（一個顯著進(jìn)步是此次試驗只用1個物理頻道承載傳輸）是能實現(xiàn)的最大傳輸距離高達(dá)約27 km。由此，NHK科技實驗室認(rèn)為，此次試驗結(jié)果意味著開播8K超高清地面電視廣播，將8K超高清電視節(jié)目無線傳輸?shù)角Ъ胰f戶是可以實現(xiàn)的[3]。

圖1 第1次8K超高清地面電視廣播傳輸試驗中的無線傳輸距離

上述8K超高清地面電視廣播傳輸試驗實現(xiàn)了超高的頻譜效率（91.82 Mbit/s÷5.57 MHz≈16.5 bit/（s·Hz）），但如圖2所示，這是以高達(dá)30.5 dB的載噪比門限值為“代價”的。而這正是由于采用了NHK科技實驗室所研發(fā)的大容量無線傳輸技術(shù)才能達(dá)到的，下文對其中的大容量無線傳輸技術(shù)進(jìn)行綜述性介紹。

圖2 各類型地面電視廣播的頻譜效率與載噪比門限

2 大容量無線傳輸技術(shù)

8K超高清地面電視廣播傳輸試驗中所使用的調(diào)制器與解調(diào)器的功能框圖分別如圖3、圖4所示[2]，可見，大容量無線傳輸技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)有：雙極化MIMO（Multiple Input Multiple Output，多輸入多輸出）、超高階調(diào)制OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplex?ing，正交頻分復(fù)用）、BCH外編碼+LDPC內(nèi)編碼級聯(lián)編碼、極化間交織等。

圖3 調(diào)制器功能框圖

圖4 解調(diào)器功能框圖

2.1 雙極化M IMO

在UHF頻段部署的地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)覆蓋范圍可達(dá)幾十千米，波長要長于毫米波及微波，且接收端的天線常被安裝于屋頂或建筑物的最高處，所以發(fā)射臺天線與接收端天線之間的傳輸路徑一般是“可視”的。

采用MIMO技術(shù)能夠增大地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)的傳輸容量、提高傳輸效率，但如何采用是一個問題。接收端大都使用高增益的指向性天線，所以如果采用單極化MIMO，就需要采用空分復(fù)用的方式以確保MI?MO中各條傳輸鏈路相互間的相關(guān)性足夠小，這樣一來，在發(fā)射臺與接收端就分別需要安裝多根發(fā)射天線與接收天線，且每根發(fā)射天線之間要保留大的空間間隔（于是，就要在發(fā)射臺的不同地方安裝發(fā)射相同節(jié)目信號的天線，這是不切實際的），每根接收天線之間也要保留大的空間間隔（這也是不切實際的，因為對于絕大多數(shù)的普通家庭而言，滿足不了安裝同時接收相同節(jié)目信號的多幅天線的足夠空間間隔的要求）。

單極化MIMO不可行，NHK科技實驗室就研發(fā)了被其稱為“雙極化MIMO”的技術(shù)?，F(xiàn)有的地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)只采用一種極化方式（常用的是水平極化或者垂直極化）來發(fā)射節(jié)目信號，而且用不同的極化方式來發(fā)射不同的節(jié)目信號以避免相互間的干擾。而雙極化MIMO則利用了這一特性，采用一對相互正交的極化波（比如水平極化與垂直極化）來分別、同時發(fā)射相同的節(jié)目信號，這樣一來，兩路信號在無線傳輸期間互不干擾，從而達(dá)到了在MIMO兩條傳輸鏈路間的相關(guān)性最?。◣缀鯙榱悖┑囊螅瑫r提高了無線傳輸?shù)男省?/p>

圖5與圖6為NHK科技實驗室進(jìn)行8K超高清地面數(shù)字電視廣播傳輸試驗時采用的發(fā)射天線與接收天線[4]，當(dāng)時采用的就是雙極化MIMO技術(shù)，而且是水平極化與垂直極化方式相正交[3-4]，由此可見雙極化MIMO技術(shù)在多天線的安裝空間方面相對于單極化MIMO技術(shù)頗具優(yōu)勢。

圖5 采用雙極化MIMO技術(shù)的發(fā)射天線（照片）

圖6 采用雙極化MIMO技術(shù)的接收天線（照片）

如圖7所示，在2014年1月的試驗中，采用雙極化MIMO技術(shù)的8K超高清電視的最遠(yuǎn)傳輸距離與現(xiàn)網(wǎng)中以單極化（水平極化）波傳輸?shù)娜咔宓孛鏀?shù)字電視廣播的相同——均約27 km[3]。

圖7 8K超高清電視長距傳輸試驗（雙極化波，右上）與現(xiàn)網(wǎng)地面全高清數(shù)字電視廣播（水平極化波，右下）的最大傳輸距離相同

2.2 超高階調(diào)制OFDM

NHK科技實驗室于2014年1月進(jìn)行的8K超高清地面電視廣播傳輸試驗也采用了超高階調(diào)制OFDM技術(shù)來提高傳輸容量，其中的傳輸體制是OFDM，而超高階調(diào)制是4096QAM[3,5]。

相比于日本全高清地面電視廣播所采用的64QAM調(diào)制方式，4096QAM調(diào)制的星座圖中，相鄰比特間的距離僅為64QAM調(diào)制星座圖中的1/8，因此，采用4096QAM調(diào)制時，信號對噪聲更為敏感，對時鐘抖動的要求也更為嚴(yán)格。但由于在采用4096QAM調(diào)制的同時，也采用了OFDM，通過多個相互正交的子載波來傳輸，且在調(diào)制側(cè)與解調(diào)側(cè)分別采用了IFFT（Inverse Fast Fourier Transform，逆快速傅里葉變換）及FFT（Fast Fourier Transform，快速傅里葉變換），因此，4096QAM超高階調(diào)制OFDM對時鐘抖動的容許范圍要寬于使用滾降濾波器的單載波64QAM調(diào)制。而且，也不再需要進(jìn)行精確的相位同步，超高階調(diào)制OFDM在相鄰OFDM符號之間插入保護(hù)間隔，并以SP（Scattered Pilot，分散導(dǎo)頻）信號進(jìn)行信道均衡。

2.3 級聯(lián)糾錯編碼

超高階調(diào)制OFDM會引起載噪比下降，為此，大容量無線傳輸技術(shù)采用BCH與LDPC級聯(lián)編碼糾錯機(jī)制。8K超高清地面電視廣播傳輸試驗中，LDPC編碼的碼字長度為64 800 bit，在OFDM解調(diào)后，通過子載波的I、Q信號來計算每一位的LLR（Log-Likelihood Ra?tio，對數(shù)似然比）初始值[6]（如圖4所示）。雖然LDPC可在低載噪比情況下大幅減小誤碼率，但信號中仍存在底噪，所以采用BCH進(jìn)行外編碼。

圖8所示為加性高斯白噪聲信道環(huán)境中各高階調(diào)制方式的載噪比與誤碼率關(guān)系曲線（其中的子載波個數(shù)為32×1 024，LDPC碼率為3/4，解碼迭代次數(shù)為50）?？梢?，BCH+LDPC級聯(lián)編碼下：隨著調(diào)制階數(shù)的增加，所需的載噪比也增大；對于同一種高階調(diào)制方式，載噪比越大，誤碼率越低。

圖8 BCH+LDPC級聯(lián)編碼下載噪比與誤碼率的關(guān)系

2.4 極化間交織

大容量無線傳輸技術(shù)采用了雙極化MIMO技術(shù)，而且其中的兩個極化相互正交，如圖9所示，NHK科技實驗室對3種不同極化形式的兩兩正交進(jìn)行了計算機(jī)仿真對比及場測對比：1）線極化（水平極化與垂直極化）；2）斜極化（+45°極化與-45°極化）；3）圓極化（順時針極化與逆時針極化）。

圖9 傳輸試驗中試驗的3種雙極化正交

但通過場測發(fā)現(xiàn)，在采用水平極化與垂直極化雙極化正交MIMO技術(shù)時，由水平極化鏈路與垂直極化鏈路所傳輸8K超高清電視信號的誤碼率不同，而且整個系統(tǒng)的誤碼率取決于最差的那條極化鏈路的誤碼率。

對此問題，NHK科技實驗室研究了兩種可能的解決方案：1）斜極化正交MIMO與圓極化正交MIMO[7]；2）極化間交織。

計算機(jī)仿真對比及場測對比的結(jié)果表明，上述方案2較方案1能提供更好的系統(tǒng)系能[8]。

“極化間交織”即在采用雙線極化（水平極化與垂直極化）正交MIMO技術(shù)時，對兩個極化波中OFDM符號里每個子載波所承載的數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇與交織。

2.5 增加數(shù)據(jù)子載波數(shù)目

在ISDB-T地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)現(xiàn)網(wǎng)之中，用于固定接收時，采用8K模式（一個OFDM符號含8 192個子載波，其中5 617個子載波用于實際承載數(shù)據(jù)）。而為了增大系統(tǒng)的傳輸容量，NHK科技實驗室在8K超高清地面電視廣播試驗中采用了64K模式（一個OFDM符號含65 536個子載波，其中44 929個子載波用于實際承載數(shù)據(jù)）[3,8]。如圖10所示，增加子載波個數(shù)可增大OFDM符號的長度，從而可增大OFDM符號中用于實際承載數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)體長度。當(dāng)把各種模式的保護(hù)間隔設(shè)置成相同長度（如126μs）時，則模式越高，保護(hù)間隔比（保護(hù)間隔的時間長度與整個OFDM符號的時間長度之比）就越小，系統(tǒng)的傳輸容量也就越大。

圖10 傳輸試驗中采用的64K模式可提高傳輸容量

2.6 減少導(dǎo)頻子載波數(shù)目

采用OFDM傳輸體制的地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)一般要采用規(guī)則分布的SP導(dǎo)頻信號來對信道響應(yīng)進(jìn)行預(yù)估，所以SP子載波個數(shù)相對于OFDM符號中子載波總個數(shù)的比值是一定的，而該比值的大小也與系統(tǒng)的傳輸容量有一定關(guān)系。

如圖11所示，在采用64K模式之后，OFDM符號中的子載波數(shù)目增大，子載波之間的間隔就相應(yīng)減小?，F(xiàn)網(wǎng)ISDB-T地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)中8K模式的子載波間隔為992 Hz，而8K超高清地面電視廣播試驗中采用的64K模式的子載波間隔僅為124 Hz。

圖11 傳輸試驗中采用的SP導(dǎo)頻子載波數(shù)目

現(xiàn)網(wǎng)ISDB-T地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)中（采用8k模式），SP子載波個數(shù)相對于OFDM符號中子載波總個數(shù)的比值為1/12。而如果采用16K模式，相關(guān)比值也采用1/12，則16K模式下預(yù)估信道響應(yīng)的頻率就是8K模式下的一半，而16K模式下的可用數(shù)據(jù)傳輸容量卻是8K模式下的1倍。NHK科技實驗室在8K超高清地面電視廣播試驗中使用的相關(guān)比值則更小——1/48[3]，64K模式下的可用數(shù)據(jù)傳輸容量是8K模式下的8倍。在試驗中，減少了SP導(dǎo)頻子載波數(shù)目，增大了系統(tǒng)的傳輸容量。

3 結(jié)語

大容量無線傳輸技術(shù)涉及6項關(guān)鍵技術(shù)，而其中最為關(guān)鍵的是雙極化MIMO技術(shù)與超高階調(diào)制OFDM技術(shù)。下一步，NHK科技實驗室將研究建立雙極化MI?MO技術(shù)的地面無線傳播模型、繼續(xù)加強(qiáng)高級均衡技術(shù)與干擾消除技術(shù)的研究與應(yīng)用來提高鏈路功率預(yù)算、進(jìn)一步提高終端的靈敏度、并發(fā)展單頻道內(nèi)的分層傳輸技術(shù)（該技術(shù)的目標(biāo)是，使地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)能在1個6 MHz寬度的物理頻道內(nèi)同時傳輸1套面向固定接收的8K超高清電視節(jié)目與面向移動接收與便攜式小屏幕終端的若干套高清電視節(jié)目）[3]。另外，中國的下一代地面數(shù)字電視傳輸標(biāo)準(zhǔn)DTMB-A將來的5大主要應(yīng)用之一也是支持超高清地面數(shù)字電視廣播傳輸[9]。

[1] 王子微，楊盈昀.淺析超高清數(shù)字電視視頻壓縮編碼技術(shù)[J].電視技術(shù)，2013，37（13）：1-3.

[2] TAGUCHIM，SHIBUYA S H.Transmission technology for next?generation terrestrial broadcasting∶aiming for terrestrial transmis?sion of super Hi-Vision[C]//Proc.ITE Tech.Reports，BCT，2010. Tokyo：ITE Technical Group Submission，2010：37-40.

[3]李遠(yuǎn)東.NHK完成8K超高清電視長距離（27km）無線傳輸試驗[EB/OL].[2014-01-07].http∶//www.dvbcn.com/2014/02/07-108125. htm l.

[4] TAGUCHIM，SHIBUYA S H.Propagation experiments and trial of dualpolarization Yagi antenna[C]//Proc.ITE Annual Confer?ence，2010.[S.l.]：ITE Technical Group Submission，2010：1-3.

[5] MURAYAMA A，SHIBUYA T S.Large-capacity transmission technology for next-generation terrestrial broadcasting∶4096 QAM-OFDM transmission characteristics[C]//Proc.ITE Tech.Re?ports,BCT,2011.Tokyo：ITE Technical Group Submission，2011：43-46.

[6] MURAYAMA S，SHIBUYA T A.Technology for next-generationdigital terrestrial broadcasting：field experiments of dual-polar?ized MIMO-OFDM Transmission using LDPC Codes[C]//Proc. IEEE International Symposium on Broadband Multimedia Sys?tems and Broadcasting，2012.[S.l.]：IEEE Broadcast Technology Society，2012：12-16.

[7] MURAYAMA A，SHIBUYA T S.Transmission technology for next-generation terrestrial broadcasting∶multi-level interleaving [C]//Proc.ITE Tech.Reports，BCT，2012.Tokyo：ITE Technical Group Submission，2012：53-58.

[8] MURAYAMA S，ASAKURA T.Transmission technology for next-generation terrestrial broadcasting∶characteristics of polar?ized MIMO-ultra-multilevel OFDM transmission using LDPC code in a multi-path environment and their improvement[C]// Proc.ITE Tech.Reports，BCT，2012.Tokyo：ITE Technical Group Submission，2012：1-6.

[9] 楊知行.地面數(shù)字電視傳輸標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)演進(jìn)[EB/OL]. [2014-01-12].http∶//www.videoe.cn/ch/reader/view_news.aspx?id= 20131230033820001.

Large-capacity W ireless Transm ission Technologies for 8K UHDTV Broadcasting

LI Yuandong1,LING Mingwei2
（1.DVBCN,Shanghai 201100,China;2.Zhejiang University of Media and Communications,Hangzhou 310018,China）

It is confirmed that in January 2014,NHK Science&Technology Research Laboratories has managed to send the 8K UHDTV terrestrial broadcasting signal to a receiving station 27 km away with super high spectrum efficiency of approximately 16.5 bit/（s·Hz）.Behind this big success is the large-capacity wireless transmission technology on which NHK is conducting research and development.In this paper,these technologies are summarized.

terrestrial digital television；8K UHDTV；dual-polarized MIMO；ultra-multilevel OFDM

TN939.12

A

?? 京

2014-02-10

【本文獻(xiàn)信息】李遠(yuǎn)東，凌明偉.8K超高清電視廣播的大容量無線傳輸技術(shù)綜述[J].電視技術(shù)，2014，38（16）.