4K 超高清電視的有線電視網(wǎng)傳輸技術(shù)分析

唐駿飛

（北京廣播電視臺，北京 100089）

0 引 言

多年來，國家廣播電視總局致力于推動電視頻道的高質(zhì)量發(fā)展，加快4K 超高清電視的推廣應(yīng)用，并于2018 年10 月1 日正式開播國內(nèi)首個(gè)上星超高清頻道——CCTV 4K 超高清頻道。4K 超高清電視因其節(jié)目畫面更加通透、景物逼真、動作流暢、細(xì)節(jié)清晰細(xì)膩、色彩豐富、音效質(zhì)感高級真實(shí)等優(yōu)點(diǎn)被廣大受眾所喜愛。近日，作為北京2022 年冬奧會、冬殘奧會的官方有線電視服務(wù)供應(yīng)商，歌華有線圓滿完成了有線電視專網(wǎng)服務(wù)保障工作。而北京廣播電視臺冬奧紀(jì)實(shí)4K 超高清頻道的順利開播，標(biāo)志著北京廣播電視臺電視播出正式邁入4K 超高清時(shí)代，向高質(zhì)量智能化播出邁進(jìn)了堅(jiān)實(shí)的一步。

1 4K 超高清電視的有線電視網(wǎng)傳輸

1.1 4K 超高清電視簡介

“4K”一般指分辨率，對應(yīng)電視屏顯的像素參數(shù)。4K 超高清電視則指配備物理分辨率達(dá)到3 840×2 160（4K×2K）的電視產(chǎn)品，具有更加寬廣清晰的視覺效果，可以更好地提升觀眾的觀看體驗(yàn)。作為一種高端電視產(chǎn)品，4K 超高清電視還擁有多項(xiàng)智能應(yīng)用系統(tǒng)，比如多屏互動、健康監(jiān)測以及云端管理技術(shù)等，讓用戶在享受視覺盛宴的同時(shí)享受到生活上的便利[1]。

1.2 4K 超高清電視的有線電視網(wǎng)傳輸系統(tǒng)

4K 超高清節(jié)目的傳輸系統(tǒng)具有高綜合性，在有線電視網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上推進(jìn)各項(xiàng)4K 超高清數(shù)字電視業(yè)務(wù)，并根據(jù)不同的系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)選擇構(gòu)成各個(gè)有線電視系統(tǒng)。一般來講，構(gòu)成4K 有線電視網(wǎng)傳輸系統(tǒng)的典型系統(tǒng)包括前端信號源系統(tǒng)、加擾復(fù)用系統(tǒng)、條件接收系統(tǒng)（Condition Access System，CAS）、用戶管理系統(tǒng)（Subscriber Manage System，SMS）、網(wǎng)絡(luò)接入系統(tǒng)、終端接入系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)管理系統(tǒng)等。

1.3 4K 超高清電視的有線電視網(wǎng)傳輸特點(diǎn)

1.3.1 傳輸速率高

DVB-C 以數(shù)字有線電視網(wǎng)信號作為節(jié)目傳輸 接 收 介 質(zhì)，具 有16QAM、32QAM、64QAM、256QAM 編碼等多種傳送方式，因此信號傳播與應(yīng)用頻率范圍均極深廣。采用64QAM 進(jìn)行正交調(diào)幅與調(diào)制傳輸時(shí)，一個(gè)帕爾制（Phase Alteration Line，PAL）通道信號的最高傳送誤碼率平均約為41.34 Mb·s-1，可分供多套有線電視節(jié)目復(fù)用。同時(shí)，用于長距離傳輸有線電視信號等各種中高頻信號的同軸電纜（coaxialcable）壽命長、容量大、傳輸速度穩(wěn)定、頻率特性高且屏蔽保護(hù)性能比較好，抗干擾屏蔽能力強(qiáng)，可以承載大量信息數(shù)據(jù)并進(jìn)行高速率傳輸。

1.3.2 播放質(zhì)量高

4K 超高清的有線電視網(wǎng)常用點(diǎn)對面的形式進(jìn)行傳輸，發(fā)送端與接收端直連，二者之間的通信帶寬取決于物理信道以及收發(fā)兩端的半導(dǎo)體芯片的射頻性能，即高頻頭的性能，主要用于公共服務(wù)。傳輸信息時(shí)相對來說比較穩(wěn)定，電視播放過程中很少出現(xiàn)卡頓，電視畫面清晰流暢。4K 超高清有線電視網(wǎng)的內(nèi)容受到政府的有效監(jiān)督管控，安全性高，在專有網(wǎng)絡(luò)的支持下以傳播積極向上的內(nèi)容信息為主，內(nèi)容質(zhì)量有保障。4K 超高清有線電視網(wǎng)的維護(hù)服務(wù)很到位，出現(xiàn)問題時(shí)可以及時(shí)尋求所在區(qū)域的維修幫助，各個(gè)項(xiàng)目的服務(wù)均有維修保障。

2 4K 超高清電視的有線電視網(wǎng)在實(shí)際應(yīng)用中存在的問題

2.1 頻譜資源不足

無線電頻譜資源是當(dāng)前國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展過程中必不可少的重要生產(chǎn)力要素，發(fā)揮著重要的支撐和基礎(chǔ)平臺作用。近年來，各類新興互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和各項(xiàng)互聯(lián)網(wǎng)新業(yè)態(tài)的出現(xiàn)和快速發(fā)展，使得頻譜資源的供需矛盾日益凸顯。頻譜資源具有極高的使用價(jià)值和安全價(jià)值，屬于日漸稀缺的資源。雖然無線電頻譜資源可以通過空間、時(shí)間、頻率等條件進(jìn)行頻率復(fù)用，但就某一頻段、頻率而言，其在一定區(qū)域、一定時(shí)間和一定條件下的利用是有限的，且部分頻段的頻譜資源開發(fā)利用的成本非常高，頻譜資源的使用效率有待提高[2]。

2.2 技術(shù)指標(biāo)偏低

一方面，目前大多數(shù)國產(chǎn)的4K 超高清電視節(jié)目在實(shí)際后期編輯制作技術(shù)和電視播出工作流程控制上仍普遍存在操作不規(guī)范、技術(shù)性能指標(biāo)達(dá)不到觀眾預(yù)期目標(biāo)的問題，如畫面亮度過高、畫面整體層次感不夠、細(xì)節(jié)處理不到位、色彩質(zhì)量嚴(yán)重失真等；另一方面，當(dāng)前我國部分4K 電視的片源依舊使用H.264 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行編碼，存儲條件和網(wǎng)速達(dá)不到雙向平衡，且影片資源受限，產(chǎn)品與資源不相符合的情況依舊存在，高分辨率的節(jié)目源所能提供的電視量較少，用戶難以真正享受到超高清的4K 畫質(zhì)。

3 4K 超高清電視的有線電視網(wǎng)傳輸技術(shù)應(yīng)用

3.1 4K 超高清電視的有線電視網(wǎng)傳輸技術(shù)

3.1.1 高效率視頻編碼技術(shù)（High Efficiency Video Coding，HEVC）

高分辨率對應(yīng)的是更加優(yōu)良的視頻編碼技術(shù)。為適應(yīng)不斷升級的寬帶傳輸要求，保障視頻畫面的超高清化，4K 超高清電視的視頻編碼技術(shù)也在不斷進(jìn)步。目前開始逐步采用新一代的HEVC 技術(shù)，即H.265，逐步提升原本編碼工具的效率。HEVC編碼樹單元（Coding Tree Unit， CTU）支持8×8到64×64 像素的CTU 大小，可向下分割編碼單元（Coding Unit，CU）、預(yù)測單元（Prediction Unit，PU）及轉(zhuǎn)換單元（Transform Unit，TU），提升像素塊尺寸便于更好地細(xì)分圖片尺寸，提高編碼效率；同時(shí)，HEVC 使用8 個(gè)抽頭的濾波器進(jìn)行一維半處樣本插值，或是七個(gè)抽頭的濾波器進(jìn)行一維四分之一處樣本插值，且消除了四舍五入的誤差，更加精準(zhǔn)；HEVC 幀內(nèi)預(yù)測（Intra Prediction）有33 種方向模式，還有用于平坦表面的DC 幀內(nèi)預(yù)測和支持所有區(qū)塊尺寸的平面預(yù)測模式，范圍更廣[3]。

從清晰度來看，它建立在H.264/AVC 技術(shù)的基礎(chǔ)上，是一種逐漸發(fā)展起來的新的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，在提升影像質(zhì)量的同時(shí)也能達(dá)到H.264/MPEG-4 AVC 兩倍的壓縮率（等同于同樣畫面質(zhì)量下比特率減少到了50%），可支持4K 清晰度甚至到超高清電視（Ultra High Definition TV，UHDTV），最高清晰度可達(dá)到8 192×4 320（8K 清晰度）；從內(nèi)容結(jié)構(gòu)上來看，它可以在很大程度上保證框架中各單元更加獨(dú)立、靈活、有序地完成各項(xiàng)預(yù)測、變換等功能。

3.1.2 信息傳輸技術(shù)（DVB）

數(shù)字視頻廣播（Digital Video Broadcast，DVB）有很大的廣播傳輸優(yōu)勢，例如用戶覆蓋范圍廣而精，傳輸效率高，內(nèi)容優(yōu)勢明顯等，適合作為全覆蓋的公共服務(wù)。升級后的DVB-C2 可高效地利用現(xiàn)有的有線網(wǎng)絡(luò)傳輸容量，有力開展新業(yè)務(wù)模式，如視頻點(diǎn)播（Video on Demand，VOD）和高清電視（High Definition TV，HDTV）等。它提供一系列能夠針對不同有線電視網(wǎng)絡(luò)特性，根據(jù)用戶的不同服務(wù)需求定制的模式和選項(xiàng)。實(shí)驗(yàn)表明，DVB-C2 相比于DVB-C，在相同條件下，提高了30%的頻譜效率，采用DVB-C2 的電視終端將成主流。

3.1.3 高階調(diào)制技術(shù)（QAM）

高階調(diào)制屬于通信的物理層調(diào)制方式，將碼元符號映射成不同的幅度、相位、頻率以及幅度/相位聯(lián)合的方式包括ASK，相移鍵控（Phase-Shift Keying，PSK），頻移鍵控（Frequency-Shift Keying，F(xiàn)SK）， 正 交 振 幅 調(diào) 制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）等。4K 超高清視頻的大碼率、大帶寬要求它使用數(shù)據(jù)量更大的調(diào)制方式，目前常見的是64QAM、256QAM 調(diào)制方式。高階調(diào)制的頻譜效率更高，信息傳輸速度更快。

3.1.4 4K 顯示技術(shù)（UHD）

與高清電視（High Definition TV，HDTV）相比，超高清電視（Ultra High Definition TV，UHDTV）可以帶來更具沉浸感的視聽體驗(yàn)、更好的臨場感受以及逼真體驗(yàn)。UHDTV 技術(shù)的提升方式體現(xiàn)在五個(gè)方面。第一是更高的分辨率（4K、8K），幫助人們獲得更加逼真的體驗(yàn)；第二是高動態(tài)范圍（High Dynamic Range，HDR），用以提升暗部與高光的亮度信息來滿足新型顯示技術(shù)需要；第三是寬色域（Wide Color Gamut，WCG），可以呈現(xiàn)更多人類可感知的高飽和顏色，讓色彩的對比度變得更加強(qiáng)烈，感受更為真實(shí)；第四是是高幀率（High Frame Rate，HFR），使大銀幕下運(yùn)動更清晰，降低動態(tài)模糊；最后是下一代沉浸式音頻（Next-Generation Audio，NGA），新一代的音頻技術(shù)如全景聲和三維聲，可以使音頻獲得更準(zhǔn)確的空間定位，為觀眾帶來更強(qiáng)的沉浸感和聽覺感受。

總體來說，更高的分辨率和幀頻率，在客觀指標(biāo)上提升了影像的靜態(tài)和動態(tài)清晰度；更高的動態(tài)范圍和更大的色域范圍，可以使得單點(diǎn)像素能夠展現(xiàn)的亮度和色彩信息大幅提升，提高影像的細(xì)節(jié)層次。在4K畫質(zhì)下，所有的細(xì)節(jié)、質(zhì)感都需要做到精益求精，HDR 制作依然處于快速發(fā)展中，制作方式和顯示端都在不斷進(jìn)化，制作技術(shù)也在與時(shí)俱進(jìn)[4-5]。

3.2 4K 超高清電視的有線電視網(wǎng)傳輸技術(shù)的有效應(yīng)用

3.2.1 多措并舉，提高優(yōu)質(zhì)內(nèi)容供給

首先，要實(shí)現(xiàn)內(nèi)容生產(chǎn)精品化。主題方面要主動創(chuàng)新，堅(jiān)持正確導(dǎo)向和價(jià)值引領(lǐng)，拓展多樣化的主題和內(nèi)容；要提高節(jié)目制作播出水平，鼓勵(lì)優(yōu)質(zhì)內(nèi)容創(chuàng)作和生產(chǎn)，提高組織化程度，實(shí)現(xiàn)節(jié)目在內(nèi)容的新突破，打造精品佳作，產(chǎn)出更多具有影響力的高質(zhì)量作品。其次，要升級高清形態(tài)，依托5G 技術(shù)實(shí)現(xiàn)超高清信號的長時(shí)間穩(wěn)定傳輸，給用戶帶來更好的全場景沉浸式體驗(yàn)，提供超高清有線網(wǎng)絡(luò)電視的可持續(xù)發(fā)展動力。最后，要以用戶為本，確保端到端4K 內(nèi)容服務(wù)質(zhì)量，要重視用戶體驗(yàn)，將服務(wù)質(zhì)量檢測技術(shù)用于來源、回傳、播出等環(huán)節(jié)，進(jìn)行服務(wù)性能參數(shù)的實(shí)時(shí)采集，推動業(yè)務(wù)能力和服務(wù)能力顯著提升。

3.2.2 強(qiáng)基固本，增強(qiáng)核心技術(shù)基礎(chǔ)

第一，改進(jìn)編碼設(shè)計(jì)。探索分層編碼技術(shù)和顯示能力智能匹配技術(shù)。在采集編碼環(huán)節(jié)進(jìn)行視頻信號變換分層分裝，繼而在編輯解碼環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)解封、分離、合成、逆變換還原，采取單一的文件形式，可實(shí)時(shí)地解決不同行業(yè)應(yīng)用與場景應(yīng)用的各類需求，控制系統(tǒng)資源的消耗，降低整體系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)載成本。

第二，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)寬帶，促進(jìn)融合。構(gòu)建一套以“云、網(wǎng)、端”寬帶網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為主要通信基礎(chǔ)單元技術(shù)的全球新型無線寬帶網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，為互聯(lián)網(wǎng)用戶及時(shí)快速地提供全景式、沉浸式、互動式、大帶寬、低延時(shí)的寬帶高品質(zhì)業(yè)務(wù)。

第三，進(jìn)一步發(fā)揮我國現(xiàn)有HFC 高清網(wǎng)絡(luò)機(jī)頂盒和高清大網(wǎng)絡(luò)帶寬、廣播式移動電視技術(shù)體制優(yōu)勢，專注發(fā)展具備超高清數(shù)字電視點(diǎn)播等節(jié)目技術(shù)服務(wù)能力、擁有較高頻道收益率的高清大型網(wǎng)絡(luò)電視直播類節(jié)目，調(diào)整和完善現(xiàn)有基于IP 內(nèi)容資源的分發(fā)傳輸平面，推進(jìn)城域網(wǎng)內(nèi)容結(jié)構(gòu)優(yōu)化和接入網(wǎng)擴(kuò)容升級，融合基于IPQAM 技術(shù)、IP 技術(shù)實(shí)現(xiàn)邊緣內(nèi)容資源的網(wǎng)絡(luò)分發(fā)及傳輸，實(shí)現(xiàn)擁有不同信息來源、不同內(nèi)容格式、不同分碼率的內(nèi)容資源與分發(fā)傳輸平臺間的高效適配。

第四，優(yōu)化顯示。將超高清節(jié)目的下轉(zhuǎn)換參數(shù)調(diào)整至79%/260 nit、-7 dB，打開下轉(zhuǎn)換電平后的高清電平超白區(qū)域，保障節(jié)目最佳輸出轉(zhuǎn)換效果；將AI 圖像增強(qiáng)處理技術(shù)運(yùn)用于高清文件/信號素材的線上轉(zhuǎn)換制作過程中，進(jìn)一步提升超高清圖像視覺效果。

第五，推進(jìn)4K超高清終端規(guī)模部署。因地制宜，逐步推進(jìn)國產(chǎn)4K 以上超高清終端顯示器在市場發(fā)展相對成熟的地區(qū)進(jìn)行更新升級換代，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；采w，增加受眾。

3.2.3 “5G+4K”融媒體傳輸技術(shù)實(shí)踐

推動“5G+4K”融媒體技術(shù)與“大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能”的緊密結(jié)合，是促進(jìn)4K 超高清有線電視網(wǎng)傳輸技術(shù)發(fā)展的重要技術(shù)實(shí)踐，是信息通信時(shí)代的變革趨勢。首先，要對同一個(gè)5G 基站下高清視頻的不同碼流的傳輸效果進(jìn)行詳細(xì)的測試，根據(jù)測試結(jié)果和傳輸數(shù)據(jù)對5G 基站進(jìn)行進(jìn)一步的傳輸優(yōu)化，確保選擇最佳的碼流，以保障固定帶寬下的最優(yōu)傳輸效果。在最佳碼流選定的基礎(chǔ)上，需要對跨基站、跨地區(qū)的多路由高清視頻流的傳輸進(jìn)行測試，確保視頻的穩(wěn)定性。另外，碼率的選擇也需要經(jīng)過層層測試把關(guān)，在確保超高清視頻的傳輸質(zhì)量的前提下，綜合考慮中間環(huán)節(jié)的各項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)備質(zhì)量，包括編碼解碼器、5G CPE 終端性能等，測試其是否可以承載長時(shí)間、高碼率的工作，并在工作中維持穩(wěn)定性。對5G 網(wǎng)絡(luò)下的4K 視頻流的傳輸，需要一一測試100 Mb·s-1，50 Mb·s-1，25 Mb·s-1的編碼和傳輸碼率，最終確定最優(yōu)方案并運(yùn)用于傳輸實(shí)踐中。以“云、網(wǎng)、端”為基礎(chǔ)的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)還在不斷探索中，隨著在傳輸速率、接入數(shù)量、能耗降低等方面都有更好表現(xiàn)的WiFi6（第六代無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)）的出現(xiàn)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾蔬€將不斷加快，“5G+4K”的融媒體傳輸技術(shù)也將面臨進(jìn)一步的升級改造。

3.2.4 做好故障排查，保障運(yùn)行穩(wěn)定

4K 超高清視頻內(nèi)容的豐富和各種新型業(yè)務(wù)的引進(jìn)，大大增加了網(wǎng)絡(luò)的傳輸流量，流量組成也變得越發(fā)復(fù)雜。不同的智能終端操作系統(tǒng)引入導(dǎo)致了兼容性問題的產(chǎn)生，這也造成引發(fā)視頻故障的原因多而復(fù)雜，難以進(jìn)行故障定位，故障的解決也會耗費(fèi)很多時(shí)間和精力。因此，工程師必須探索運(yùn)用電視終端視頻質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，及時(shí)排查故障，利用服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）指標(biāo)分析、用戶體驗(yàn)質(zhì)量（Quality of Experience，QoE）技術(shù)指標(biāo)分析、用戶體驗(yàn)質(zhì)量（QoE）性能分析等工具，分析視頻業(yè)務(wù)運(yùn)行設(shè)備和承載網(wǎng)絡(luò)，利用它們進(jìn)行故障排查、診斷和解決，提高故障診斷和解決排查效率、節(jié)約成本。

3.2.5 打造協(xié)同發(fā)展產(chǎn)業(yè)鏈

產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同發(fā)展是超高清發(fā)展的源動力。相關(guān)主體要協(xié)同創(chuàng)新、共同合作，鼓勵(lì)各企業(yè)和機(jī)構(gòu)共同參與從IP 核到芯片的制作、到邊緣計(jì)算到中心平臺等技術(shù)項(xiàng)目的改進(jìn)，通過AI+編碼結(jié)合的方式推動超級編碼芯片產(chǎn)業(yè)化。當(dāng)下，8K 超高清影像在產(chǎn)業(yè)生活等領(lǐng)域正產(chǎn)生新的價(jià)值。將“5G+超高清”視頻實(shí)時(shí)拍攝技術(shù)廣泛運(yùn)用于基礎(chǔ)設(shè)施檢查和建筑領(lǐng)域，進(jìn)一步探索其在管道檢查、建筑設(shè)備檢查、防災(zāi)減災(zāi)、醫(yī)療健康、教育等多個(gè)領(lǐng)域的可能性和可行性，同時(shí)要推動超高清系統(tǒng)在智能制造、城市建設(shè)管理、文化旅游、航天等領(lǐng)域的應(yīng)用，開拓超高清應(yīng)用市場新方向，打造未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展鏈條。

4 結(jié) 語

在4K 超高清有線電視網(wǎng)傳輸技術(shù)的發(fā)展過程中，挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存。行業(yè)要抓住融媒體發(fā)展和4K超高清電視升級換代的重大機(jī)遇期，加快探索5G、WiFi 無線網(wǎng)絡(luò)、有線電視網(wǎng)絡(luò)的融合路徑，實(shí)現(xiàn)超高清在市場化智能電視上的加載，加快超高清的發(fā)展步伐。