日本8K超清電視衛(wèi)星測試廣播系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2016年，日本進(jìn)行8K超高清電視衛(wèi)星測試廣播^[1]，以為2018年的8K超高清電視廣播正式商用作準(zhǔn)備。本文介紹其中所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)。

如圖1所示，端到端的流程包括素材采集、節(jié)目制作與播控、編碼/復(fù)用/加擾/傳輸（通過光網(wǎng)絡(luò)從NHK傳輸至衛(wèi)星地球站）/上星、衛(wèi)星直播電視用戶直接接收/有線電視網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)播^[1]。

圖1  2016年日本8K超清衛(wèi)星數(shù)字電視測試廣播端到端流程^[1]

（注：U-SDI是用于全8K電視節(jié)目制作的8K超高清信號/數(shù)據(jù)接口線纜）

1、8K超高清電視信號素材的毫米波、雙極化回傳

8K超高清電視攝影機在外面所拍攝的畫面需要實時地傳回廣播電視臺作為節(jié)目制作的素材，其中一種實現(xiàn)方式為采取專用的無線網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)置于攝影機中的無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)射模塊被稱為FPU。由于8K電視節(jié)目素材信號的帶寬要遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的2K（全高清）電視，就需要研發(fā)具有更高傳輸能力的無線網(wǎng)絡(luò)。

為此，NHK科技實驗室研發(fā)了專用于回傳8K超高清電視信號素材的SHV-FPU（已得到標(biāo)準(zhǔn)化。標(biāo)準(zhǔn)編號為ARIB STD-B43）。其中所采取的關(guān)鍵技術(shù)包括毫米波傳輸技術(shù)、雙極化MIMO（雙天線）技術(shù)^[2,3]。端到端的傳輸系統(tǒng)示意如圖2所示。

圖2  基于42 GHz頻段SHV-FPU的8K超高清電視信號素材回傳^[2]

在日本，41 GHz~42 GHz頻段已分配給廣電行業(yè)使用。SHV-FPU所采取的工作頻段是其中的42 GHz頻段，最大物理帶寬為112 MHz，并采取OFDM（正交頻分復(fù)用）這種高效傳輸機制——當(dāng)對子載波進(jìn)行32 QAM調(diào)制、碼率0.5時，8K超高清電視信號素材的無線傳輸速率可高達(dá)200 Mbps。

而當(dāng)采取雙極化MIMO技術(shù)后，就可通過相同的物理頻段在水平極化方向與垂直極化方向上同時進(jìn)行調(diào)制信號傳輸。這樣，8K超高清電視信號素材的無線傳輸速率可高達(dá)400 Mbps。

目前研發(fā)出的SHV-FPU支持54.4 MHz的工作帶寬，下一步研發(fā)方向是將其提升一倍至112 MHz，并使系統(tǒng)在雨天的最大傳輸距離達(dá)到10千米。

2、8K超高清電視節(jié)目制作系統(tǒng)

目前，NHK科技實驗室已經(jīng)研發(fā)出能制作全8K超高清電視節(jié)目的系統(tǒng)（圖3）^[4]。所謂“全8K超高清電視”，即滿足：7680×4320像素、120 Hz幀頻、寬色域、12比特灰度視頻格式。

圖3  日本2016年8K超高清電視衛(wèi)星測試廣播所用的8K節(jié)目制作系統(tǒng)^[4]

其中的關(guān)鍵技術(shù)是U-SDI（Ultra-high-definition Signal/Data Interface，8K超高清信號/數(shù)據(jù)接口）、22.2聲道混音系統(tǒng)與3D混響器改進(jìn)^[4,5]。

一路未經(jīng)壓縮的8K超高清電視信號的帶寬是2K全高清電視信號的100倍，這樣，如果按照傳統(tǒng)的方式，在8K節(jié)目制作系統(tǒng)的各個設(shè)備之間就需要采取100根同軸電纜來傳輸信號，組網(wǎng)復(fù)雜且占用較大的空間。而新近研發(fā)出的U-SDI就很好地解決了這個問題——U-SDI僅通過1根光纖電纜就可傳輸一路未經(jīng)壓縮的全8K超高清電視信號^[4,5]。

圖4  一根U-SDI線纜（左）與一根高清線纜（右）的對比^[5]

另外，NHK科技實驗室還研發(fā)出一款音頻復(fù)用設(shè)備，以對全8K超高清視頻信號與22.2聲道音頻信號進(jìn)行同步及復(fù)用，然后通過單根U-SDI線纜傳輸。

在22.2聲道音頻信號制作方面，NHK科技實驗室研發(fā)出一套新的混音系統(tǒng)，可多來自不同聲源的聲音信號進(jìn)行高效錄制和處理，使聲音更接近于現(xiàn)實情況。這對于全8K超高清電視的高質(zhì)量沉浸式體驗具有重要意義。其中采取了球形麥克風(fēng)，可從16個方向?qū)β曇暨M(jìn)行捕捉。

該系統(tǒng)中的另一大關(guān)鍵技術(shù)是對于3D混響器的改進(jìn)，其可對來自不同方向/方位的聲音素材加入混響效果，從而達(dá)到效果控制的目的。而且，3D混響器的體積減小為僅為原設(shè)備的1/6，從而可部署于移動轉(zhuǎn)播車之中。

3、8K超高清電視節(jié)目的編解碼系統(tǒng)

日本2016年8K超高清電視衛(wèi)星測試廣播的編解碼系統(tǒng)如圖5所示。

圖5^[6]

由于8K視頻的數(shù)據(jù)量很大，未經(jīng)壓縮的8K超高清電視信號先被分成17個水平帶，然后進(jìn)行并行編碼壓縮處理。視頻編解碼采取的是MPEG-H HEVC/H.265標(biāo)準(zhǔn)^[6]（所研發(fā)的編/解碼器，可對120 Hz幀頻的信號進(jìn)行壓縮/解壓縮處理^[7]），壓縮比達(dá)到了約840:1——將72 Gbps的8K超高清視頻信號壓縮至85 Mbps。

對于22.2聲道音頻信號，所采取的編解碼標(biāo)準(zhǔn)是MPEG-4 AAC，壓縮比達(dá)到了約20:1——將25 Mbps的22.2聲道音頻信號壓縮至1.4 Mbps。

此外，該系統(tǒng)還采取MPEG-H MMT（MPEG媒體傳輸）標(biāo)準(zhǔn)對編碼/解碼后的8K超高清視頻信號與22.2聲道音頻信號進(jìn)行復(fù)用/解復(fù)用。

更多信息可參考文獻(xiàn)[8]。

4、8K高級寬頻帶衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)

8K超高清電視節(jié)目的像素數(shù)（7680×4320）是全高清電視節(jié)目（1920×1080）的16倍^[9]，而且還要采取22.2聲道音頻傳輸^[1]。從而，為了能進(jìn)行8K超高清電視的衛(wèi)星廣播，就必須要研發(fā)相應(yīng)的大容量傳輸技術(shù)^[9]。下文介紹其中所采取的高級寬帶衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)（由NHK科技實驗室研發(fā)并標(biāo)準(zhǔn)化^[9]）中的兩大關(guān)鍵技術(shù)點，其他方面的內(nèi)容可查閱文獻(xiàn)[10]。

上文圖1中，8K超高清電視信號的衛(wèi)星上行與下行分別采取17 GHz頻段與12 GHz頻段，采用單個星上轉(zhuǎn)發(fā)器（BS-17ch）^[9]。

廣播電視臺先對未經(jīng)壓縮的8K超高清電視節(jié)目信號進(jìn)行信源編碼，然后通過信道編碼將其傳輸至在軌廣播衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)器（以調(diào)制無線電波的形式）。用戶家中的接收機接收到相關(guān)信號后（通過蝶形天線），進(jìn)行解調(diào)與解壓縮、解碼處理后獲得原始的8K超高清電視節(jié)目信號進(jìn)行觀看。

其中，射頻調(diào)制將“0”、“1”二進(jìn)制數(shù)字信號分配至星座上不同的位置（信號點。代表不同的相位及幅度）。如圖6所示，目前的衛(wèi)星數(shù)字電視廣播系統(tǒng)所采取的是8PSK（Phase Shift Keying，相移鍵控）調(diào)制，其星座圖中有8個信號點，每個信號點傳輸3個比特的數(shù)據(jù)（2³=8）。而8K超高清電視衛(wèi)星測試廣播所采取的則是16APSK（Amplitude and Phase Shift Keying，幅度及相移鍵控）調(diào)制，其星座圖中有16個信號點，每個信號點傳輸4個比特的數(shù)據(jù)（2⁴=16）。

圖6  3比特傳輸（左）與4比特傳輸（右）的星座圖^[9]

另外，雖然采取更高階的調(diào)制方式可以增大符號率，但為了滿足傳輸一套8K超高清電視節(jié)目所需的大容量，還需要使用更大的物理帶寬。每個衛(wèi)星星上轉(zhuǎn)發(fā)器的帶寬僅為34.5 MHz，為了實現(xiàn)僅通過一個星上轉(zhuǎn)發(fā)器傳輸8K超高清電視節(jié)目，就需要提高頻譜資源使用效率。

為此，就需要盡可能地把工作帶寬內(nèi)的信號功率譜的邊緣變得陡峭起來（筆者注：形狀上越接近矩形越好）——目前的滾降系數(shù)為0.35，而對于8K超高清電視信號的傳輸則已經(jīng)實現(xiàn)低至0.03的滾降^[9]（使得符號率達(dá)到33.7561 Mbaud^[10]），具體如圖7所示。

圖7  通過減小星上轉(zhuǎn)發(fā)器的濾波器滾降系數(shù)來提高傳輸8K節(jié)目信號的頻譜使用效率^[9]

此外，在降雨過程中，8K超高清衛(wèi)星數(shù)字電視信號的功率會衰減（筆者注：即“雨衰”），從而會產(chǎn)生誤碼，于是就需要采取高性能的誤碼糾錯技術(shù)。日本將進(jìn)行8K超高清電視衛(wèi)星測試廣播中的內(nèi)編碼將采取LDPC（Low Density Parity Check，低密度奇偶校驗）這種前向糾錯技術(shù)^[9]，碼字長度44880^[9]，碼率1/3、2/5、1/2、3/5、2/3、3/4、7/9、4/5、5/6、7/8、9/10^[10]。外編碼采取BCH（65535,65343，t=12）^[10]。

參考文獻(xiàn)：

[1] Satoshi, Aihara. Overview of 8K Satellite Broadcasting Experiment[J]. Broadcast Technology, 2016, (01): 16.

[2] Jun Tsumochi. Millimeter-wave (42 GHz) band SHV-FPU for 8K Program Materials Transmission[J]. Broadcast Technology, 2016, (01): 21.

[3] 高信頼?高速な雙方向FPU.

[EB/OL].http://www.nhk.or.jp/strl/open2015/tenji_21.html, 2016-02-18.

[4] Jun Yonai, Toshiyuki Nishiguchi. 8K Production Systems[J]. Broadcast Technology, 2016, (01): 17.

[5] 8K映像?音聲 信號インターフェース"U-SDI".

[EB/OL].http://www.nhk.or.jp/strl/open2015/tenji_1-2.html, 2016-02-18.

[6] Yasuko Sugito. 8K encoding and decoding system[J]. Broadcast Technology, 2016, (01): 18.

[7] 8K符號化?復(fù)號裝置.

[EB/OL].8K符號化?復(fù)號裝置, 2016-02-18.

[8] 李遠(yuǎn)東. 日本8K超高清晰度電視廣播系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望（三）：8K超高清晰度電視信源編碼技術(shù). [EB/OL].http://www.istis.sh.cn/list/list.aspx?id=8651, 2015-05-29.

[9] Masaaki Kojima. Advanced Broadband Satellite Transmission System[J]. Broadcast Technology, 2016, (01): 19.

[10] ARIB. TRANSMISSION SYSTEM FOR ADVANCED WIDE BAND DIGITAL   

SATELLITE BROADCASTING.

[EB/OL].http://www.arib.or.jp/english/html/overview/doc/6-STD-B44v2_0-E1.pdf, 2016-02-18.