超高清數字電視傳輸技術及發展趨勢研究

黃衛

【摘要】 4K電視的分辨率有3840*2160和4096*2160像素兩種規格。相對于全高清數字電視的圖像分辨率1080p（1920*1080像素），4K電視的分辨率相當于4個1080p，屬于超高清分辨率。高清電視更具有視覺上的逼真感，更加符合人們的視覺感受。高清電視技術采用數字信號處理方式，處理速度更快，更適合大容量數據傳輸，畫面質量更有保障。

【關鍵詞】 4K 網絡傳輸 H.265標準

2012年5月，國際電信聯盟ITU發布了超高清電視國際標準ITU-RBT.2020的技術標準，將屏幕的物理分辨率達到3840*2160及以上，幀頻高達120Hz，量化深度12比特的數字電視稱之為超高清電視，業界因此亦簡稱為4K電視。超高清電視是指可為觀眾提供超高像素、超大屏幕、超寬觀看角視頻圖像并令觀眾獲得逼真圖像、豐富色彩、豐滿聲音等視聽感受數字電視技術。

一、超高清電視的傳輸技術

超高清電視的分辨率是全高清的4倍，加上傳輸幀率的提升，超高清電視的總數據量應為全高清電視的4倍以上，給傳輸技術帶來更高的要求。超高清電視系統必須采用更高效的視頻壓縮方式和傳輸比特利用率以及高性價比的顯示裝置。

1.1地面傳輸

通過電視臺的制高點天線，對外發射無線電視信號對所有電視用戶進行覆蓋，用戶可以通過利用接收天線及電視機隨時觀看電視節目，這是支持高清數字電視信號傳輸的基本形式。

超高清電視的地面傳輸標準主要有日本ISDB-T、美國ATSC3.0和歐洲DVB-T三種標準。日本在超高清電視技術方面處于比較領先的地位，地面電視廣播網絡的ISDB-T標準制式主要采用OFDM正交頻分復用技術和超高階調制4096QAM方式，并使用雙極化天線和MIMO信號增強技術。美國Technicolor集團2014年10月使用ATSC3.0標準成功完成了4K超高清電視無線傳輸測試，實現了基于H.265視頻編碼標準的可伸縮HEVC（SHVC）視頻編碼、MPEG-H音頻和MPEG的MMTA/V傳輸標準的技術性融合，支持普通天線、手機以及移動的地面用戶的信號接收。

1.2衛星傳輸

衛星傳輸主要集合高清數字電視的節目信息資源在衛星地面發射站，用微波將數據發送到距離地面3.6萬公里的地球同步衛星中，再由同步衛星將微波轉回地面，用戶電視機通過接收天線及衛星制式的機頂盒接收節目。衛星傳輸具有帶寬大、速度高、覆蓋廣的多種獨特優勢，多數運營商比較傾向于采用該方式來傳輸超高清數字信號，部分技術領先的運營商已經完成了相關測試。

2014年3月，中國航天數字傳媒發布了基于衛星傳輸的4K整體解決方案，該方案確保可以穩定地以實時64Mbit/ s的傳輸速度向用戶推送4K視頻內容。一部4K電影片源的容量大約為110～140GB，目前國內的網絡帶寬不足以應付4K視頻內容傳輸的需求（大約需要50M以上的帶寬才夠），而這套4K衛星內容傳輸解決方案可以做到64M/秒，在技術上已經不存在問題，已符合4K電視信號的商業化需求。

1.3有線與光纖傳輸

有線電視網絡支持一城一網的企業化運營模式，用戶端通過安裝有限制式機頂盒獲得信號。有線信號傳輸主要通過光纖網絡，光纖是當前有線傳輸介質中性能最好的一類。光纖傳輸具有頻帶寬、容量大、傳輸速率高、安全保密性好等優點，通常被用作原始視頻圖像的傳輸媒介。視頻信號的光纖傳輸的數據連續，畫面顯示幾乎沒有延時，而且圖像數據不可能丟失，這樣可以保證數據的高保真。

目前，一路光纖只能傳輸幾路到幾十路的無壓縮的高清視頻圖像，隨著光纖線傳輸帶寬的不斷提高，完全可以實現在一路單模光纖線中傳輸上百路甚至幾千路高清視頻信號的傳輸。由于超高清圖像占用帶寬比高清圖像高出四倍以上，敷設專用的光纖傳輸線路成本較大，利用有線傳輸超高清數字電視信號需要提高視頻壓縮效率，即采用H.265高效視頻編碼標準。

1.4網絡傳輸

隨著互聯網的普及，利用電信寬帶支持互聯網模式，通過光纖到戶，實現電視節目的多種交互式傳播的IPTV，即交互式網絡電視為家庭用戶提供了包括數字電視在內的各種交互式多媒體服務。在IPTV應用過程中，包括了通訊技術、多媒體技術、互聯網技術等內容，用戶可在家中利用個人電腦或者網絡機頂盒接收網絡電視節目，既支持傳統意義上的視頻服務及網絡瀏覽，也支持數字化電視平臺，如互動點播、網絡游戲、在線交易、語音信箱等，滿足用戶不同層面的需求。

在美國，YouTube公司和Elemental Technologies公司分別采用VP9和HEVC編碼技術，實現基于互聯網的4K串流技術，用以傳輸超高清電視視頻。

隨著4G傳輸技術的快速發展，網絡傳輸帶寬和傳輸質量得到很大提升，更加有利于推進電信網、廣播電視網、互聯網相互融合的三網融合IP優化光網絡建設，這對于整合資源發展超高清電視非常有利。

二、超高清電視發展趨勢

2.1技術革新

目前4K技術的普及面臨的最主要問題，是其超高清分辨率帶來的超大帶寬占用和超高存儲成本。我國高清有線電視目前主要選用調制等級為64的QAM調制器，即采用64QAM調制方式，這種調制技術配合H.264編碼方式，是目前我國地市級城市普遍采用的高清電視傳輸方式。在超高清電視傳輸中H.264壓縮編碼標準已不能很好地滿足信源壓縮的要求，需要有相比H.264更高效的視頻壓縮標準來進一步推動視頻高清化的發展。

JVT-VC小組于2013年定稿發布下一代視頻壓縮標準，命名為HEVC（High Efficiency Video Coding），然后分別被ITU-T和ISO/IEC采納成為國際標準，也就是H.265視頻壓縮標準。最新H.265標準基本繼承了H.264的框架，但在其中采用了大量全新的技術。在高清分辨率下，這些新技術的使用可以使H.265的壓縮性能相比H.264提升一倍，簡單來說，就是相同視頻質量下，高清視頻所需要的傳輸帶寬或者存儲空間則為H.264的一半左右。從客觀效果測試提升上來看，測試結果表明，H.265在1080P分辨率下相比H.264碼率降低40%～50%，在720p下相比降低30%～40%。H.265由于其算法本身的特點，在4K這種更高分辨率的編碼處理上效率會更高，必然會成為未來4K高清電視分辨率的最佳選擇標準。

2.2內容革新

超高清片源匱乏始終是阻礙超高清電視發展的主要因素，尤其是關注度最高的各類突發事件現場直播，觀眾很關注的新聞節目目前還很少高清化，更談不上超高清化。新聞類節目無法進行高清直播的主要原因是因為更高帶寬、更高分辨率和幀率的超高清圖像，需要不一樣的發射和接收設備。

我國觀眾對4K技術熱情很高，以電信、廣電為首的運營商也在積極開展置換4K機頂盒、增加4K超高清節目的推廣工作。4K技術帶動了液晶電視產業、傳輸和配套設備產業、文化傳媒產業的高速發展，促進了產業優化發展。積極推廣原生4K電視節目錄制，以此推動超高清電視產業的發展，布局我國的4K超高清無線電視傳輸系統和產業鏈，是互聯網時代廣播電視行業面對的巨大機遇和挑戰，這也正是當前中國經濟結構升級轉型、提升產業核心競爭力、不斷提高全要素生產率的供給側改革所需要的發展革新。

參 考 文 獻

[1] 李東山.超高清數字電視關鍵技術及其發展趨勢探討[J].數字通信世界，2016（2）：48-52.

[2] 惠慧，朱林林，何大治. 超高清電視發展趨勢研究[J]. 電視技術，2015，39（ 6） ： 22-26.endprint