基于DTMB-A的8K超高清數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)

黃云川，張超,3,4，潘長勇，李思遠，李熏春

（1.清華大學電子工程系，北京 100084；2.北京信息科學與技術國家研究中心，北京 100084；3.鵬城實驗室，深圳 518040；4.深圳清華大學研究院，深圳 518057；5.北京數(shù)字電視國家工程實驗室，北京 100191；6.國家廣播電視總局廣播電視科學研究院，北京 100866）

1 引言

8K 超高清電視是現(xiàn)代廣播電視領域中的一項重要業(yè)務，也是已經(jīng)閉幕的東京奧運會和即將于2022年舉辦的北京冬奧會上的重要直播方式。相比于高清和4K 超高清標準，8K 標準將分辨率從每幀約207 萬像素、829 萬像素提升到3386 萬像素。此外，8K 標準中還進一步提高了再現(xiàn)色域和再現(xiàn)度，并且擴大了亮度空間范圍，增加了對比場景的利用率等。因此，8K超高清業(yè)務能給觀眾帶來更為震撼、更具沉浸感的收視體驗。然而，8K 超高清電視直播業(yè)務對電視廣播網(wǎng)絡所支持的吞吐率和帶寬的要求進一步提高，其未來應用面臨著技術上的挑戰(zhàn)。

2019年12月，由中國自主研發(fā)的地面數(shù)字電視多媒體廣播演進標準DTMB-A 正式被國際電聯(lián)采納為最新的全球數(shù)字電視傳輸標準之一［1］。DTMB-A 采用了時域同步正交頻分復用技術（TDS-OFDM），在其保護間隔內(nèi)使用多載波偽隨機序列作為填充，使得信道估計更加精確。在編碼調制方面，DTMB-A 采用了最高可達到256 階的星座映射以及格雷幅度相移鍵控（Gray-APSK）調制方式，頻譜利用率得以大幅提高。此外，其糾錯碼采用增強型LDPC 編碼，進一步提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，并降低了數(shù)字電視接收終端的實現(xiàn)復雜度。DTMB-A 系統(tǒng)最高可提供的傳輸速率能達到50Mbps，具備優(yōu)越的單頻組網(wǎng)性能，能夠實現(xiàn)更大范圍的信號覆蓋。

近年來，國內(nèi)的相關高校和研究機構一直在致力于探索基于地面數(shù)字電視網(wǎng)絡的超高清傳輸技術。文獻［2-4］介紹了若干基于DTMB-A 單頻網(wǎng)的超高清電視場地試驗，驗證了其在典型城市環(huán)境下的工作性能，其場景包括視距路徑（LoS）接收、移動接收、建筑遮擋以及潮汐衰落效應下的接收等。已完成的傳輸試驗表明，DTMB-A 在復雜的信道條件下依舊具備可靠的覆蓋性能，為進一步的研究試驗奠定了良好的基礎。

由于8K 超高清業(yè)務的高清晰度特點［5-6］，即使采用國際上最為先進的AVS3 或H.265 編解碼技術，節(jié)目在壓縮后的碼流速率仍然會大于60Mbps，某些對實時性要求高的業(yè)務（如體育節(jié)目直播等）甚至會達到200Mbps，這也超過了當前國際上任何數(shù)字電視傳輸標準的最大傳輸速率。因此，在設計系統(tǒng)時必須采用碼流拆分技術，即將8K 節(jié)目流拆分成為若干子流，通過不同的物理信道調制并傳輸后，接收端再將接收到的子流合并恢復為原節(jié)目流，從而完成傳輸?shù)娜^程。此外，采用正交極化特性的收發(fā)天線實現(xiàn)雙天線極化傳輸［7］，或者多信道綁定技術，可進一步提高頻帶利用率，保障室外接收的可靠性。作為關鍵的性能指標，雙天線的交叉極化隔離度（XPI）和交叉極化鑒別率（XPD）需要在系統(tǒng)測試和場地試驗中著重考慮。

鑒于上述分析，本文提出了一種基于DTMB-A的8K 超高清數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)。為了滿足8K 超高清直播業(yè)務的高速率、高畫質要求，系統(tǒng)可采用雙天線極化和信道綁定兩套不同的實現(xiàn)方案：雙天線極化方案使用板狀正交極化天線作為發(fā)射與接收天線，實際測量其隔離度XPI可達到22dB，可以很好地滿足實際工程需求；信道綁定方案則可支持多路信號的綁定傳輸，可以有效提升系統(tǒng)的最大傳輸速率。在碼流分路中，不同于傳統(tǒng)碼流分路中平均依次分路的策略，本系統(tǒng)采用了更為靈活的分路方法，能夠根據(jù)需要采取不同的分路模式。經(jīng)過硬件的集成和實現(xiàn)，采用4 路信道綁定方案可以達到最高200Mbps 的傳輸速率。在農(nóng)歷2020年除夕之夜，整套超高清傳輸系統(tǒng)在深圳星河戶外超高清大屏上首次實現(xiàn)國內(nèi)基于地面數(shù)字電視廣播網(wǎng)絡的春節(jié)聯(lián)歡晚會8K 直播演示試驗，獲得了理想的效果。

本文將分別介紹雙天線極化和信道綁定兩種方案的系統(tǒng)結構和技術特點，同時給出了硬件實現(xiàn)方案和測量指標，隨后簡述外場的試驗場景及效果，驗證了方案的有效性和實用性。最后，對全文內(nèi)容進行總結，同時展望進一步的研究方向。

2 雙天線極化方案

雙天線極化方案中，本地面數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)使用極化正交的板狀天線作為發(fā)射和接收天線，極化天線的兩個通道使用相同的頻道，能夠有效提高頻譜資源的利用率。

2.1 系統(tǒng)結構

整個傳輸系統(tǒng)的結構框圖如圖1所示。

圖1 8K超高清數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)框圖：雙天線極化方案

（1）發(fā)射端結構

在發(fā)射端，系統(tǒng)首先將高碼率的8K 超高清節(jié)目通過信源編碼器轉換為傳輸碼流。隨后，分路模塊將傳輸碼流拆分成為兩路子碼流，并將其分別送到兩路DTMB-A 發(fā)射機，由后者經(jīng)過編碼調制、組幀等基帶信號處理后，經(jīng)上變頻轉換成為符合DTMB-A標準的射頻信號。各路射頻信號通過功率放大后，由正交極化天線分別傳輸?shù)綗o線鏈路，從而完成信號發(fā)射的全過程。

（2）接收端結構

在接收端，系統(tǒng)首先通過另一組正交極化天線接收兩路射頻信號，分別由不同的DTMB-A接收機完成下變頻、解調并輸出。隨后，碼流合并器負責將兩路碼流合并為一路節(jié)目流信號，并送至視頻解碼模塊進行解碼。解碼后的8K節(jié)目流將通過顯示器進行播放。

2.2 碼流分路與合并策略

如前所述，高碼率8K 超高清視頻節(jié)目必須經(jīng)過碼流分路，拆分為若干子流后才能送到DTMB-A發(fā)射機完成后續(xù)的信號傳輸過程。為了更好地保障8K 業(yè)務，本系統(tǒng)采用了一種靈活的分路、合路方法，根據(jù)分路設置信息和節(jié)目流信息，生成適當?shù)目刂撇呗裕瑢崿F(xiàn)不同的分路模式。

碼流分路部分包括識別分析單元、控制信息插入單元、碼流緩存及分路單元、控制設置單元以及信息顯示模塊。識別分析單元用于對輸入碼流進行預設控制數(shù)據(jù)攜帶包的識別，分析節(jié)目流所攜帶的信息，同時接收信號的參考時鐘PCR信息，并判斷是否存在獨立流需要單獨分路處理。分路控制單元負責根據(jù)設置信息和節(jié)目流的內(nèi)容分析結果，生成相應的控制策略并對傳輸碼流進行分路處理，同時還需要生成分路控制命令進行緩存和輸出操作。此外，在進行碼流分路處理時，如果檢測到當前處理對象為預設控制數(shù)據(jù)包，還需要通過控制信息插入單元將其中數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)替換為分路控制數(shù)據(jù)。信息顯示模塊則負責顯示當前的分路信息。最后由分路單元輸出多路碼流，分路的處理過程如圖2所示。

圖2 碼流分路模塊

碼流合路部分包括多路碼流的緩存單元、同步控制單元，以及碼流同步與合路單元。碼流緩存單元負責接收各路DTMB-A 接收器解調后的碼流。碼流同步與合路單元負責根據(jù)對應的分路控制策略生成相匹配的合路策略，即對分路控制策略進行反操作。若存在獨立流時，為使得后續(xù)的8K 解碼器能夠正確地完成解碼，合路部分需要進行PCR 矯正，以增加系統(tǒng)的魯棒性。特別地，合路策略將依次確定輸出碼流包的順序，尤其是濾除發(fā)射器部分附加的空包，以完全恢復原先的碼流。碼流合路的處理過程如圖3 所示。

圖3 碼流合路模塊

2.3 雙極化天線性能測試

為了衡量雙極化天線系統(tǒng)的性能，這里引入了交叉極化隔離度（XPI）和交叉系統(tǒng)鑒別率（XPD）兩項指標，并通過室內(nèi)外的測量實驗來分析有關結果。

XPI定義為同一接收端接收到的同相與正交發(fā)射信號的功率比值，是由天線的固有特征決定的。XPI的值越大，則信號間的相互干擾越小，也意味著系統(tǒng)的傳輸質量越好。同時可以計算出對應發(fā)射端口的XPD，定義為對應同一發(fā)射端在同相和正交接收機處的功率之比。因此，我們設計了測量XPI和XPD的實驗，其測量框圖見圖4。

圖4 雙天線極化方案系統(tǒng)XPI的測量框圖

如圖4 所示，此測量系統(tǒng)分為射頻信號發(fā)送部分和接收測試部分。信號發(fā)送部分，碼流儀播放的超高清數(shù)字電視節(jié)目分別接入不同的兩臺DTMB-A 發(fā)射器，發(fā)射機輸出的射頻信號再分別接入極化發(fā)射天線的±45°端口。信號接收部分，將極化天線接收到的射頻信號接入頻譜儀進行測量，并計算相關的參數(shù)值。各發(fā)射器以及兩路信號的相關參數(shù)如表1 和表2所示。

表1 兩路超高清信號的格式參數(shù)

表2 發(fā)射器參數(shù)

測試實驗共分為八組，分別在室內(nèi)的兩個場景完成。其中，第一至第六組實驗在場景一下完成，第七、第八兩組實驗在場景二中完成，測量場景如圖5 所示，各組實驗的測量結果如圖6 所示。其中，各實驗的內(nèi)容和參數(shù)如下：

圖5 雙天線極化方案室內(nèi)測試場景

圖6 雙天線極化方案各組實驗的XPI和XPD測量情況

（1）第一組實驗，主要測試發(fā)射端極化天線兩路端口信號功率相同時，在接收天線兩路端口處的功率情況。天線高度均為1.8米；

（2）第二組實驗將發(fā)射和接收天線高度分別調整為2.5 米和2.6 米，其余實驗內(nèi)容與上一組實驗一致；

（3）第三組實驗將接入+45°天線的功率逐步減小，直到接收機有一路信號能夠臨界播放時，分別關閉兩路發(fā)射器中的一路，測試接收功率；

（4）第三組實驗將接入-45°天線的功率逐步減小，直到接收機有一路信號能夠臨界播放時，分別關閉兩路發(fā)射器中的一路，測試接收功率；

（5）第五組實驗也與第三組內(nèi)容基本相同，不同之處在于將發(fā)射和接收天線高度分別調整到2.5 和2.6米；

（6）第六組實驗與第五組實驗內(nèi)容基本相同，只是對-45°天線進行逐步降低功率的操作，高度仍然為2.5和2.6米；

（7）第七組實驗與第一組實驗內(nèi)容相同；

（8）第八組實驗衰減接入＋45°天線功率，使得接收天線在兩路端口計算得到的XPI 值基本相等。發(fā)射、接收天線高度為1.8米。

根據(jù)圖6給出的實驗結果，分析可得：通過對比實驗一、二和實驗三、四的測量數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)發(fā)射和接收的兩路端口結構基本是對稱的。在室內(nèi)場景中，天線高度越高，系統(tǒng)的隔離度越好。場景一中，天線高度為1.8米并保持接入端口功率平衡時，XPI測量值為10.7dB、12.2dB，XPD測量值為13.3dB、9.6dB。天線高度為2.5米左右并保持接入端口功率平衡時，XPI測量值分別為15.7dB、18.8dB，XPD測量值分別為15.8dB、18.7dB。場景二中，調整至兩路接收機XPI幾乎相等時，測得此時的XPI約為22dB。以上結果表明，該傳輸系統(tǒng)的性能可以很好地滿足工程上的隔離度要求。

3 信道綁定方案

信道綁定方案使用四個數(shù)字電視射頻信道綁定傳輸，在發(fā)送端同樣將8K 超高清碼流進行碼流拆分處理，通過不同發(fā)射器將信號調制到不同的射頻中心頻率，并在接收端恢復出原始信號。通過信道綁定方案，傳輸系統(tǒng)支持的最大碼率能夠得到進一步提升。

3.1 系統(tǒng)結構

在信道綁定方案中，由于系統(tǒng)采用四路信道綁定傳輸，不需要使用極化天線，因此系統(tǒng)結構較雙天線極化方案略有差異。如圖7所示，在信道綁定方案中，8K超高清碼流被拆分為四路，送至不同的發(fā)射器作調制和上變頻處理，經(jīng)過天線合路后發(fā)射至射頻鏈路。在接收端，通過接收天線將信號分配至四路接收機進行解調，并完成碼流合并，再經(jīng)解碼后將超高清節(jié)目由大屏幕播放。其中，碼流的拆分與合并與雙天線極化方案一致。

圖7 8K超高清數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)框圖：信道綁定方案

3.2 硬件實現(xiàn)

基于信道綁定的超高清地面數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)在硬件上同樣分為發(fā)射端和接收端兩部分。其硬件設備如圖8所示，自上至下分別為碼流分路設備、多通道信道接收與碼流合并設備以及四臺符合DTMB-A標準的發(fā)射機。8K 超高清視頻信號首先通過碼流分路器，并拆分成4路并行碼流，然后分別送到1-4號DTMB-A發(fā)射器，將輸入的碼流調制到不同的射頻頻率。發(fā)射器輸出的射頻信號經(jīng)功率放大器放大后送到天線進行發(fā)射。接收端的硬件設備經(jīng)過集成與實現(xiàn)后，信道解調與碼流合并等模塊已集成于一個機箱內(nèi)，在圖7中表示為虛線標出部分。其中，8K解碼器采用華為海思最新的芯片方案，可有效滿足8K超高清視頻的解碼要求。

圖8 傳輸系統(tǒng)的硬件設備：信道綁定方案

分路和合路的碼流處理各采用1 片ALTERA 的Cyclone IV系列FPGA芯片來實現(xiàn)。此外，由于碼流合路的緩存部分涉及較大的存儲量，因此雖然合路的邏輯計算為分路的反過程，其同步信息控制還需要采用ARM和額外的SDRAM芯片來實現(xiàn)。

3.3 場地試驗

2021年2月，由國家工程實驗室、清華大學、廣東省超高清視頻創(chuàng)新中心、深圳龍崗智能視聽研究院聯(lián)合開展了基于信道綁定方案的8K 超高清地面數(shù)字電視演示試驗，并在深圳的戶外超高清大屏上實現(xiàn)了國內(nèi)首次基于地面數(shù)字電視無線廣播8K直播，其測試場景如圖9所示。

圖9 深圳星河CoCo公園8K超高清傳輸系統(tǒng)測試場景

演示過程中，由中央電視臺發(fā)送的8K超高清信號速率為120Mbps，經(jīng)系統(tǒng)接收后分路并轉換至4 臺DTMB-A發(fā)射機發(fā)射，并經(jīng)過功率放大器處理后發(fā)射至無線鏈路，再由接收系統(tǒng)的合路、解調和解碼等操作恢復原先的8K信號，最終在室外的超高清大屏幕上播放，為觀眾帶來了富有感染力和沉浸感的收視體驗。

本系統(tǒng)的具體參數(shù)如表3所示。如前文所述，通過信道綁定、碼流拆分等技術，系統(tǒng)的最大傳輸速率可達到200Mbps，能夠很好地支持一系列基于8K超高清數(shù)字電視的業(yè)務。

表3 信道綁定方案的8K超高清傳輸系統(tǒng)場地測試參數(shù)

在DTMB-A 技術提供的優(yōu)異性能基礎上，本次8K 超高清地面數(shù)字電視傳輸現(xiàn)場試驗取得了理想效果，同時也驗證了本文所提方案的有效性和實用性?，F(xiàn)場測試結果也為超高清數(shù)字電視服務的產(chǎn)業(yè)化積累了豐富經(jīng)驗，為今后8K 的應用與推廣奠定了良好基礎。

4 總結與展望

本文提出一種基于DTMB-A標準的8K超高清地面數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)。針對不同的應用場景，系統(tǒng)可采用雙天線極化和信道綁定兩種傳輸方案，在本文中詳細介紹了兩種方案對應的框架結構和技術特點。通過一組測量實驗，本文分析了雙天線極化方案系統(tǒng)的隔離度指標XPI和XPD，驗證了其在多種場景下的系統(tǒng)性能。此外，本文介紹了基于信道綁定方案的系統(tǒng)硬件實現(xiàn)，以及在深圳成功進行的8K超高清直播演示試驗，說明了系統(tǒng)方案的有效性和實用性。本系統(tǒng)在未來有望支持多路4K和4K與8K超高清節(jié)目的混合播出，也將對超高清電視業(yè)務的發(fā)展提供更多有益探索。