超高清电视时代的新一代地面数字电视广播技术(上)

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  【摘要】 本文聚焦超高清电视时代的新一代地面数字电视广播技术的发展与应用情况,通过国内外地面数字超高清电视广播技术应用案例分析,深入分析新一代地面数字电视广播技术所涉及的技术标准、政策条件和应用模式,针对其未来发展趋势做出预判和展望。
  【关键词】UHDTV 地面数字电视广播技术 DVB-T2 ATSC3.0 DTMB-A 5G HbbTV 标准
  随着我国改革开放事业的不断深入与发展,供给侧改革已经是当前形势下迫在眉睫的主要任务。所谓供给侧结构性改革,就是要求从提高供给质量出发,用改革的办法推进结构调整,矫正要素配置扭曲,扩大有效供给,提高供给结构对需求变化的适应性和灵活性,提高全要素生产率,更好满足广大人民群众的需要,促进经济社会持续健康发展。广播电视传媒機构,一方面要更加重视内容生产和用户需求,不断推出用户喜闻乐见的、具有正确导向及正能量的精品节目;另一方面也要探索更加符合用户喜好的播出方式。广播电视传媒机构推出超高清电视(4K/8K UHDTV)技术应用与服务,即是电视媒体供给侧改革的要求,也将充分适配国际与国内电子科技业的飞速发展。
  超高清电视(UHDTV)是广播电视未来重要的发展方向,更是客户重要需求。我国新一代地面数字电视标准体系,需充分利用广电在内容方面的优势,摒弃“网络仅仅是管道,网络独立于内容”的思想,进一步整合节目服务与传输服务,构建‘内容+ 网络’、‘广播+ 互联’的未来数字电视协同覆盖网络。系统还需具备安全的可管可控,支持内容保护和用户管理。从而保证广大受众能像移动互联网用户一样,随时随地接入未来广电融合网络,享受更加优质的广电服务。
  下文将在介绍以欧洲DVB-T2和北美ATSC3.0、我国 DTMB-A等技术标准为代表的国际上第二代地面数字电视技术的基础上,阐述我国未来新一代地面数字电视的发展趋势和未来的展望。
  一.引言
  2017年11月9日,国家新闻出版广电总局批准发布了广电行业首个超高清电视(UHDTV)行业标准GY/T 307-2017《超高清晰度电视系统节目制作和交换参数值》,标准自发布之日起实施。超高清电视(UHDTV)是广播电视未来重要的发展方向,日本、韩国、英国、法国、美国等国家陆续制定了超高清电视的广播计划并开展试验播出。央视、北京、上海、江苏、湖南、浙江、广东等国内电视机构也开展了4K电视的节目制作或传输试验,中国电信、中国联通在IPTV中推出了4K电视点播节目。广东广播电视台于2017年底开播4K超高清电视频道。4K/8K超高清电视节目内容可以通过包括电视直播卫星、有线数字电视广播网络、IPTV网络分发/传输、地面数字电视广播网络。超高清电视(UHDTV)是下一代地面数字电视广播技术的重要用户需求。
  众所周知,国际重大赛事的举行往往是视频科技产品发展的重要催化剂。为迎接2020东京奥运会的召开,日本NHK开通了4K/8K电视广播;2020年东京奥运会将真正开始进行4K电视转播。而2022年北京冬奥会的召开,将成为中国4K/8K超高清产业发展的一个重要动力。
  2018年4月20日,国家广播电视总局在北京组织召开了无线交互广播电视工作组成立会议。许家奇司长讲到,中央提出了推进媒体深度融合、移动优先的战略要求,广播电视网与移动通信网的协同、融合是支撑广播电视业务发展的客观要求。无线交互广播电视工作组将秉承开放、包容的原则,充分学习、借鉴国际先进标准组织的成功经验,研究5G背景下的无线广播电视技术。
  我国新一代地面数字电视标准体系,需充分利用广电在内容方面的优势,摒弃“网络仅仅是管道,网络独立于内容”的思想,进一步整合节目服务与传输服务,构建‘内容+ 网络’、‘广播+ 互联’的未来数字电视协同覆盖网络。系统还需具备安全的可管可控,支持内容保护和用户管理。从而保证广大受众能像移动互联网用户一样,随时随地接入未来广电融合网络,享受更加优质的广电服务。
  二.欧洲DVB-T2技术标准与其超高清电视应用情况
  1.欧洲DVB-T2技术标准与技术发展
  DVB-T2颁布于2008年,是第二代欧洲地面数字电视广播传输标准,它的颁布标志着国际上地面数字电视标准开始向第二代迈进。2012年8月,DVB-T2被国际电联ITU建议书ITU-RBT.1877-1采纳,正式成为第一个第二代地面数字电视国际标准。DVB-T2总体性能超越上一代的四个一代国际标准。
  DVB-T2采用高效率调制方式,降低开销增加选项,频谱效率比DVB-T高约30% ;最大传输速率有了较大提高,8MHz带宽内支持TS流传输速率达50Mb/s ;采用LDPC+BCH纠错编码,接收C/N门限比DVB-T显著降低;采用高达256阶的QAM、高达32K的FFT块长以及优化的导频技术;采用多层帧结构的超帧,实现时频二维信号动态分配;采用多天线技术,MISO技术,支持增强型的单频网服务;采用物理管道,支持多业务广播。
  为了进一步提升广播机构开展移动接收服务的能力,在DVB-T2的基础上,2011年DVB组织发布了DVB-T2-Lite标准,采用未来扩展帧(FEF)的方法,支持移动和手持设备接收;同时,针对更为复杂的移动接收要求,在现有DVB-H的基础上,2012年,DVB组织发布了DVBNGH(Digital Video Broadcasting-Next Generation broadcasting system to Handheld)标准。DVB-NGH引入多输入多输出(MIMO)、时间频率分片(TFS)、非均匀星座、LDPC编码和时域交织等技术,可同时接收卫星信号与地面信号,能提供包括传统线性广播、各种视听内容、图文信息以及推送下载等在内的富媒体内容服务。
  此外,在针对网络融合服务方面,欧洲也加快了HbbTV(Hybrid broadcast/broadband TV)标准的制定步伐。基于HbbTV实现了直播电视、预下载和本地重播的动态选择、宽带网和广播网的动态选择,提供了补充式互联网络视频服务以及多屏应用等各种扩展业务。   2.欧洲DVB-T2超高清电视技术试验
  2014年,法国国家电视台TDF开展了基于地面数字电视广播网络的UHDTV(超高清晰度电视)传输试验。试验的目标在于通过埃菲尔铁塔发射台、采取HEVC(高效率编码)技术与DVB-T2标准及相关兼容型终端进行4K超高清晰度地面电视的直播试验,在解决实际问题中积累相关的技术经验,并适时正式商用地面4K超高清晰度电视直播服务。
  此次试验中,为了将系统的传输容量最大化,采取了DVB-T2超高清晰度电视复用器,以1/128的GI(保护间隔)通过MFN(Multi-frequency Network)进行播出。试验发现:在网络覆盖范围(覆盖半径大致为25千米)之内,通过标准rake接收天线、内置DVB-T2解调器与HEVC芯片的终端均可正常接收4K超高清晰度地面电视直播信号。此次试验是法国在将来正式推出地面4K超高清晰度电视广播商用服务的重要一步。其证明了通过基于UHDTV(phase 1)标准与256 QAM OFDM机制进行实时4K超高清晰度电视直播的技术可行性、采取第一代HEVC/H.265编码器通过单个8MHz物理信道同时传输两路4K超高清晰度电视信号的技术可行性。法国国家电视台TDF得出了这样的结论:的确可以将超高清晰度电视UHDTV作为继2K全高清晰度电视HDTV之后,下一代地面数字电视广播系统的核心应用。


  2014年,西班牙公共服务广播商RTVE联合Universidad Politécnica de Madrid(马德里理工大学)以及其他相关的公司,进行了地面4K超高清晰度电视广播传输试验。其中,RTVE提供了一部采取4K超高清视频格式(逐行扫描、3840×2160)的普拉多博物馆纪录片“The Passion of the Prado”。此次试验中,广播商采取了不同的编码格式以及传输技术参数。同时,设备制造商还将HEVC(高效率视频编码)/H.265解码器内置到其新一代的平板电视机产品之中,并应用于此次试验之中。试验中,图像标准采取25帧/秒的帧率,信源编码采取H.264/MPEG AVC(高级视频编码)技术。后来,为了提高运动图像部分的平滑度,图像标准采取50帧/秒的帧率,信源编码采取H.265/MPE-H HEVC(高效率视频编码)技术。同时还测试了从20Mb/s到35Mb/s之间的多种传输码率。在整个试验过程之中,为了提高无线频谱资源利用效率,采取了DVB-T2标准进行组网。由于DVB-T2标准的单信道传输容量可以高达50Mb/s,而此次测试中,地面4K超高清晰度电视广播信号所采取的最大传输码率为35Mb/s,因此,RTVE规划在将来的现网试验中测试以一个频宽为8 MHz的单信道来传输两套4K超高清晰度电视节目内容。
  通过该系统网络,法国电视广播商对2014年的“法网”国际网球公开赛进行了4K超高清晰度电视直播。对法网公开赛进行视频图像帧率为50帧/秒的4K超高清晰度电视直播面临着较大的技术挑战。此次直播试验证明了通过DVB-T2地面数字电视广播网络以及内置HEVC/H.265解码芯片的4K电视终端进行4K超高清晰度电视广播的可能性。6月3日及6月4日下午,第一路4K超高清电视节目信号素材的采集来自于赛事现场的四部可移动型4K摄像机,其余时间则来自于一部固定位置的4K摄像机,对赛事信号进行实时编码与直播传输(无线传输码率为22.5Mb/s)。为了进行视频画面质量的对比,此次试验还进行了4K超高清电视、2K高清电视、标清电视的同播。
  2018年6月,法网公开赛期间,由Fraunhofer IIS主导研发的MPEG-H电视音频系统成功在超高清赛事频道实现实时传输,该频道通过卫星和地面电视(DVB-T2)的方式进行播送。为了呈现最为清晰的击球声,法国电视台为所有球场统一布置了一套Schoeps麦克风,并在主球场上搭建了基于ORTF-3D拾音制式的Schoeps麦克风阵列,用于三维环境声的制作。球员在球场上的动作声、观众的欢呼声和鼓掌声以5.1+4H声道(5.1环绕声和4个高度扬声器)的形式传输,并通过搭载了安卓系统的机顶盒、UHD电视机配以Fraunhofer沉浸式条形音箱原型机在法国电视台的播控室进行还放。
  3.欧洲超高清电视的未来规划
  2017年,法国管理视听传播事业的独立行政权力机构——最高视听委员会(CSA)概述了发展一个新地面数字电视复用的计划,将促进4K UHD电视频道及其它新服务的推出。CSA设想最迟到2024年正式开播地面UHD数字电视,至少覆盖60%的城市人口。CSA还计划2018年初制定计划,将地面数字电视平台并行转换到DVB-T2和HEVC,以增加服务可用带宽。CSA计划2018年下半年与有关各方讨论此问题。CSA还将协调地面数字电视平台上的HbbTV服务,以确保互操作性和争取在此平台上引入CA。
  MPEG-H电视音频系统是法国广播内容监测机构(CSA)考量的下一代音频技术(NGA)之一,下一代音频技术将应用于未来数字地面电视(DTT)平台的升级改造中。
  2018年4月,全德国新地面数字电视(D T T)标准DVB-T2/HEVC部署进入第三阶段。与此同时,当前使用DVB-T标准的分配将终止。
  西班牙第二次数字转换将于2020年完成,西班牙地面数字电视运营商敦促管理部门分配一个UHDTV频道促进4K广播。
  葡萄牙计划从2019年第四季度开始,葡萄牙5G的推出将导致现在用于地面数字电视(DTT)广播的频谱的变化。葡萄牙国家通信管理局的700MHz频段释放路线图显示,为给未来5G移动网提供空间,700MHz频段将不再用于DTT。根据国家通信管理局的规定,释放现由DTT使用的频谱应在2020年6月30日前完成。此后,全部DTT传输将使用470-694MHz的频率。
  三.日本超高清地面数字电视广播网络试验
  为了使得现有数字地面电视广播网络也能传输4K/8K超高清电视信号,NHK正在研究基于MIMO技术、高阶调制的OFDM(正交频分复用)技术、LDPC(低密度奇偶校验编码)技术的大容量无线传输系统。并正在进行可传输8K超高清电视信号的下一代数字电视广播网络系统的研究。MIMO(多天线技术)应可被用于扩展现有SISO(单输入与单输出)形式的地面数字电视信道容量,美国下一代数字地面电视广播标准中把2×2 MIMO作为一种可选方式。
  2014年,基于上述大容量无线传输系统(2×2 MIMO+超高阶调制OFDM),NHK成功实现通过单信道(6MHz带宽)对一套8K超高清电视节目信号的地面广播(最大传输距离达到27km,传输码率为91Mb/s),并分析了2×2 MIMO系统的无线传播特性。2015年,NHK又在熊本市建设1个8K超高清电视发射台,与人吉市的8K超高清电视发射台组成一个先进的SFN(采取空时编码),以进行4×2 MIMO技术的场测。


  2018年12月1日,日本广播商NHK正式推出了兩个频道,分别是BS4K以及大家期待已久的BS8K。本次的新频道将会放送8K 22.2声道的内容以及4K画质的内容,例如《2001太空漫游》等。B&P
  (未完待续)
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