CCTV-4K超高清數(shù)字電視無線發(fā)射試驗

山東省廣播電視傳輸保障中心 劉 飛

根據(jù)山東省廣播電視局關于泰山轉播臺開展CCTV-4K頻道超高清電視無線發(fā)射試驗的批復，泰山轉播臺歷時半年，基本完成4K超高清電視無線發(fā)射試驗。本次試驗，5kw發(fā)射功率下CCTV-4K超高清數(shù)字電視的覆蓋半徑超過130km，能覆蓋山東省全省面積的三分之一，廣播電視覆蓋能力遠超預期。

1 試驗背景

國家廣播電視總局印發(fā)的《關于規(guī)范和促進4K超高清電視發(fā)展的通知》指出，“支持清電視發(fā)展較好的省份、機構開展4K超高清電視試點”。2019年12月，山東省廣播電視局聯(lián)合山東省工業(yè)和信息化廳等部門聯(lián)合印發(fā)了《山東省超高清視頻產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃（2019-2022）》，對促進我省4K、8K超高清電視發(fā)展做出了遠景規(guī)劃。本文介紹了泰山轉播臺利用閑置的46頻道R&S廠家的發(fā)射設備，采用DTMB-A標準試播CCTV-4K超高清電視節(jié)目，打造4K超高清技術條件下的廣播電視新生態(tài)，推動廣播電視播出技術的轉型升級。

2 系統(tǒng)框圖

本次改造設計的整體框圖如圖1所示。

3 試驗簡介

3.1 試驗條件

泰山轉播臺位于泰山極頂，海拔約1500m，高海拔可以增加覆蓋面積，機房內(nèi)的模擬電視發(fā)射機按照國家廣電總局《地面數(shù)字電視廣播覆蓋網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃》已全部關停，設備閑置。泰山轉播臺的工作人員具備數(shù)字電視相關技術改進的知識，擁有豐富的試驗和電視收測經(jīng)驗。本次試驗對原有的設備進行技術改造，利用現(xiàn)有的頻率，進行4K超高清無線發(fā)射的嘗試。

3.2 4K簡介

4K分辨率就是指水平方向的每一行有3840個像素，一共有2160個這樣的行。4K視頻從產(chǎn)生到在電視上播放，需要經(jīng)過拍攝、壓縮編碼、網(wǎng)絡傳輸、解碼、終端呈現(xiàn)這些過程，本次試驗是在4K視頻的網(wǎng)絡傳輸階段，大部分網(wǎng)絡傳輸階段都是通過網(wǎng)絡運營商（例如電信、移動、聯(lián)通等），對于一些山區(qū)及復雜地形地區(qū)覆蓋困難，而本次試驗是運用無線發(fā)射的方式免費發(fā)射4K超高清數(shù)字電視信號，豐富城鄉(xiāng)居民的精神文化生活。

4 各設備功能介紹

4.1 中星6A三米接收天線

采用前饋拋物面天線，單立柱式底座結構，天線口徑300mm、焦距1256mm，主面結構為分瓣式。主面材料采用半硬防銹合金鋁板，板厚1.5mm，克服玻璃鋼天線及金屬網(wǎng)天線對電磁波的吸收、折射、逸失及抗老化差的弱點，也沒有鋼板天線抗腐蝕能力差的缺點，符合國家標準GB/T11442-1995。

4.2 CCTV-4K衛(wèi)星接收機

采用DVS-2018 AVS2衛(wèi)星接收機，該衛(wèi)星接收機是一款高品質(zhì)的廣播級AVS2 4K超高清衛(wèi)星綜合解碼器，支持豐富的音視頻輸入、輸出接口標準，支持DVB-S衛(wèi)星信號輸入、支持CI模塊解擾、支持AVS2視頻解碼標準。AVS2是AVS工作組推出的第二代新的視頻編解碼國家標準，編碼效率比AVS+提高一倍以上，性能優(yōu)異。其采用了混合編碼框架，整個編碼過程包括幀內(nèi)預測、幀間預測、變換量化、反量化反變換、環(huán)路濾波和熵編碼等模塊。該衛(wèi)星接收機相關設置：（1）衛(wèi)星設置：LNB；類型：5150；本振頻率：5150。（2）掃描設置：信號源：中星6A 125E；頻點：3970/H/15950；頻率：3970；極性：水平；符號率：15950。衛(wèi)星接收機的主要功能是利用該4K超高清衛(wèi)星接收機和CCTV-4K解密卡，接收AVS2格式的CCTV-4K衛(wèi)星節(jié)目，作為此次試驗的信號源。

4.3 AVS2/H.265轉碼器

目前，國內(nèi)生產(chǎn)的4K機頂盒無法解調(diào)AVS2的超高清節(jié)目，因此，只能在激勵器前端加裝AVS2/H.265轉碼器，根據(jù)激勵器的工作模式調(diào)整轉碼器的輸出碼率，確保4K機頂盒和頻譜分析儀都能正確的解調(diào)出圖像和伴音信號。H.265是ITU-T VCEG繼H.264之后所制定的新的視頻編碼標準。H.265標準圍繞著現(xiàn)有的視頻編碼標準H.264，保留原來的某些技術，同時對一些相關的技術加以改進。新技術使用先進的技術用以改善碼流、編碼質(zhì)量、延時和算法復雜度之間的關系，達到最優(yōu)化設置。AVS2/H.265轉碼器的主要功能是將4K衛(wèi)星接收機接收的CCTV-4K的AVS2編碼格式轉為H.265編碼格式。

圖1 系統(tǒng)框圖

4.4 DTMB-A激勵器

采用吉兆的激勵器，該激勵器可以工作在DTMB和DTMB-A兩種模式，能滿足4K節(jié)目超高清要求。DTMB-A是中國地面數(shù)字電視傳輸標準的演進版本，具有傳輸容量大、信號接收靈敏度高、抗干擾能力強、高速移動接收性能好等特征，是在原有DTMB標準基礎上的增強和提高。DTMB-A主要技術特點包括：新的靈活幀結構，大幅度降低接收機復雜度和能耗，靈活支持多種業(yè)務；支持256QAM/256APSK等高階調(diào)制，使得數(shù)字電視傳輸演進系統(tǒng)頻譜利用率相比于現(xiàn)有國標DTMB有明顯提高；基于Golay-APSK的調(diào)制體制，在提高頻譜效率的同時提高差錯控制性能，保證傳輸?shù)目煽啃?；新型LDPC碼進一步降低載噪比門限；多天線發(fā)射分集技術獲得空間分集增益，可消除傳統(tǒng)單頻網(wǎng)系統(tǒng)中“人工多徑”的影響，獲得更好的信號覆蓋；基于時頻二維信號處理的測距和定位算法，可實現(xiàn)在視距條件下的高精度、低復雜度的無線定位算法。DTMB-A激勵器的主要功能是將轉碼后的信號源進行信道編碼、調(diào)制，形成一定制式標準的中頻信號，然后變頻至所需頻道。

4.5 R&S發(fā)射機

本次試驗利用德國R&S公司的THU9液冷電視發(fā)射機。發(fā)射機整機受TCE900控制單元控制，激勵器經(jīng)過自動切換開關輸出一路射頻信號送到功率分配系統(tǒng)，末級功放由六塊PHU901線性放大器組成，功率合成器后經(jīng)諧波濾波器送往天線輸出。模擬發(fā)射功率為10kW，水泵和熱交換器構成整機的冷卻系統(tǒng)，發(fā)射機可通過串行接口遙控。原先發(fā)射的齊魯頻道的模擬電視節(jié)目已于2020年4月16日停播。試驗人員舊物利用，將此發(fā)射機用于本次超高清數(shù)字電視無線發(fā)射試驗。R&S發(fā)射機的功能是調(diào)制有用的低頻信號到高頻載波，將其變?yōu)樵谀骋恢行念l率上具有一定帶寬、適合通過天線發(fā)射的電磁波。

4.6 相關測量設備

采用S7000-CATV廣播電視信號頻譜分析儀，該分析儀支持射頻輸入碼流分析、支持解碼加密節(jié)目，通過加裝板卡進行升級，頻譜分析儀的功能是分析4K超高清節(jié)目，測試接收信號的場強。

5 試驗結果

2020年7月3日到4日，泰山轉播臺組織人員到山東肥城、東阿、聊城、冠縣等地收測數(shù)字電視覆蓋情況。測試數(shù)據(jù)表明，試驗發(fā)射的CCTV-4K超高清數(shù)字電視在碼率達到33.53Mbps時，覆蓋半徑可達130km，標志著全省甚至全國首次高海拔、大功率、超高清無線數(shù)字電視發(fā)射試驗取得成功。

總結：（1）本次試驗提供了寶貴的經(jīng)驗，提升了廣播電視公共服務質(zhì)量。這次試驗結果表明，泰山轉播臺發(fā)射的CCTV-4K超高清數(shù)字電視覆蓋半徑超過130km。根據(jù)國家廣播電視發(fā)展計劃，模擬電視關停后，泰山轉播臺的數(shù)字電視覆蓋能夠為魯中地區(qū)提供更多更高質(zhì)量的廣播電視公共服務。本次試驗還合理利用了閑置設備，關停模擬電視節(jié)目后，一些發(fā)射機處于閑置狀態(tài)，根據(jù)目前測試結果看，THU9發(fā)射機可以通過簡單的軟件升級和技術改造用于數(shù)字電視的發(fā)射，減少了設備浪費。本次試驗進一步表明高山轉播臺轉播超高清數(shù)字電視節(jié)目已具備推廣應用條件，可以利用無線方式為周邊城鄉(xiāng)群眾提供超高清電視收看服務，滿足人民群眾對高品質(zhì)電視節(jié)目的多樣化需求。（2）本次試驗還發(fā)現(xiàn)一些問題。首先，AVS2的標準已經(jīng)作為國家標準執(zhí)行，但國家標準的4K機頂盒并不能直接解碼AVS2，需要將AVS2轉碼成H.265格式才能被機頂盒接收，不利于4K、8K超高清數(shù)字電視的普及與推廣。其次，國內(nèi)的4K超高清項目還停留在編播制作層面，無線覆蓋方面的設備價格昂貴，制約了4K超高清無線覆蓋項目的普及。