基于4K超高清電視廣播的有線電視網傳輸分析

曹 梅

（江蘇省廣電有線信息網絡股份有限公司常州分公司，江蘇 常州 213000）

超高清的快速、穩定傳輸是4K超高清電視廣播能夠充分發揮自身應有效用的關鍵所在。加強對該方面的探究，不僅有助于人們深化對4K超高清電視廣播的理解認知，而且對于優化超高清傳輸、推動4K超高清電視廣播及有線電視網傳輸實現可持續發展，均具有十分重要的幫助作用。

1 4K超高清電視廣播中的核心技術分析

1.1 HEVC編碼

與全高清電視廣播相比，4K超高清電視廣播具有其至少4倍的清晰度與數據總量，因此，在4K超高清電視廣播中，傳統全高清中使用的壓縮編碼標準，即MPEC-2以及H.264顯然已經不適用。根據相關標準規定，在4K超高清電視廣播中應使用H.265高效視頻編碼，相較于以往的壓縮編碼標準，在視頻質量相一致的情況下，該高效視頻編碼的壓縮效率更高，可令4K超高清電視廣播減少一半以上的輸出視頻流碼率[1]。

1.2 高階調制

現階段，我國有線數字電視傳輸使用的調制方式為正交振幅調制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM），適用于眾多調制等級，其等級數為：

其中，m代表各符號比特數。隨著調制等級的逐漸降低，頻率利用率也將會降低，但4K超高清電視廣播中的有線數字電視傳輸抗干擾能力將會逐漸增強。反之，隨著調制等級的逐漸提高，雖然會有效減少頻譜資源浪費情況的發生次數，但會在一定程度上減弱其抗干擾能力。因此，經過綜合考慮，我國4K超高清電視廣播的有線數字電視傳輸中選用64QAM調制方式。

按照式（2）進行計算，可知調制器處理有效碼率為38 Mbps。若傳輸對于網絡有極高要求，則可以進一步提高比特利用率，即使用更高階的QAM調制器，如采用128QAM代替使用64QAM，同時適當調整終端即可。

1.3 4K顯示

4K技術是4K超高清電視廣播的一項核心技術，由2K轉4K技術、顯示器面板技術兩大部分構成。在從2K轉為4K的過程中，可采用單一補償、關聯補償的方式。單一補償通過4K超高清電視廣播的內置圖像處理器，渲染正播放圖像并進行追蹤補償，即直接將4個像素點插入原圖的各像素點中，用以有效提升圖像分辨率使其可以達到4K[2]。關聯補償主要將整個2K圖像畫面劃分成若干區間，一般劃分的區間數為2 000 000個。針對臨近的兩個區間，按照縱橫雙向維度進行色彩運算，再將像素直接插入其中，使之能夠和周圍顯示畫面相匹配，最終有效提升圖像精度，使其可以在視覺上達到4K效果。

2 4K超高清電視廣播的有線電視網傳輸分析

2.1 傳輸要求

當前，有線電視網傳輸標清電視節目只有大約100套、高清電視節目僅幾十余套，在運用K超高清電視廣播節目傳輸時，勢必要充分考慮混合傳輸問題。為避免4K超高清傳輸時浪費大量帶寬，還需使用高效視頻編碼H.265，故而需要對終端進行相應更換，即更換機頂盒或是一體機。

2.2 傳輸方式

現階段，在地級市以上級別的城市中，全高清有線電視中采用的編碼方式大多為H.264，調制模式使用的是64QAM，編碼率在11 Mbps左右。對于0.5K標清電視采用的編碼方式與調制方式分別為MPEC-2與64QAM，編碼率基本為6 Mbps。4K超高清電視廣播清晰度較高，如果使用全高清或是普通標清電視中使用的壓縮方式，則按照式（2）可知其編碼率約為44 Mbps。因此，4K超高清電視廣播根據實際情況，可以在采用編碼方式為H.264的基礎上，使用高階MQAM調制，其中，M至少為64，調制等級數M＝2m，其中，m的取值為7，8，9，…。除此之外，4K超高清電視廣播中，還可以選擇使用H.625編碼方式，并采用64QAM調制方式。

在前一種傳輸方式中，QAM調制m時，選擇的調制階數應為64；而QAM調制n時，調制階數同樣為64，n與m的取值基本相同，均為1，2，3，…[3]。在4K超高清電視廣播的有線電視網傳輸中，在使用超高清H.264編碼復用裝置的基礎上，新增使用QAM調制器k。在確定MQAM的調制階數時需要使用式（3）：

式中，調制等級用Mod表示，計算出新增調制器k的調制模式與調制階數為256，使用H.264編碼模式與高階MQAM調制的傳輸方式如圖1所示。

圖1 H.264編碼模式與高階MQAM調制相結合的傳輸方式示意

在后一種傳輸方式中，4K超高清電視廣播的有線電視網傳輸中采用的編碼模式為H.265，調制方式為64QAM。采用此種QAM調制器可有效避免有線電視網承擔過重的傳輸壓力。H.265高效視頻編碼的編碼率僅為傳統H.264編碼的一半，所使用的超高清H.265編碼復用輸出碼率基本為22 Mbps。

2.3 應用實例

2014年起，江蘇、上海等諸多省市、地區先后開始嘗試在現有高清機頂的基礎上，利用4K視頻點播專區專門負責播出4K超高清廣播電視節目。大連等地也紛紛開通4K電視信號，播放清晰度更高的影視劇、紀錄片等，且全天候循環播放，用戶購買最新的超高清機頂盒即可足不出戶地自由觀看各種超高清視頻，有效豐富娛樂生活，充分滿足觀眾多樣化的精神需求。比如2020年的春晚河南分會場中，中央電視臺積極與華為公司、中國移動公司相互合作，嘗試使用5G網絡實時傳輸4K超高清電視，將4K超高清信號快速、無損地傳輸至中央廣播電視總臺的機房中，而后由總臺向分會場總臺中設置的4K超高清轉播車，實時傳輸相應的超高清電視信號。

從本質上看，將有線電視網應用在4K超高清電視廣播傳輸中，可以有效增強傳輸抗干擾能力與穩定性。傳輸平臺與傳輸網絡具有較高獨立性，政府部門可有效監督、管理傳輸與播放內容。

3 結語

4K顯示與高階調制等各種先進技術的不斷發展，為實現4K超高清電視廣播傳輸提供了重要的技術支持。未來，我國在繼續發展4K超高清電視廣播中，還需加強對傳輸方式的應用探索，尋找更加行之有效、網絡壓力更低的傳輸方案，活用各種調制與編碼方式，使得4K超高清電視廣播傳輸能夠真正實現全面優化。