关于超高清4K电视端到端广播传输解决方案的性能分析和应用

1．简介
大家越来越关注UHDTV超高清电视，它正成为广播电视行业的焦点。与目前的高清电视（1920 x 1080）相比，4K（3840 x 2160）和 8K（7680 x 4320）电视的分辨率有一个显著的增加，这需要更高的帧率（从50/60 fps 到 100/120 fps）和更高的数据率。

DVB-T2对于地面广播具有最佳的频谱效率，在全球范围内得到许多国家的青睐。由于传输超高清电视内容需要非常大的数据率，MPEG-4压缩编码已成为超高清电视的瓶颈，因此在通过DVB-T2传输超高清电视内容时，HEVC压缩编码成为必须。

基于实际场景，本文给出了一个完整端到端的基于DVB-T2的超高清电视解决方案。超高清电视信号处理流程在传输链路上的每一步都将详细描述。
1）后期制作环境中的媒体摄入阶段。
2）UHDTV信号的实时HEVC编码以及如何复用成一个T2-MI流。
3）UHDTV信号在DVB-T2单频网中的射频传输。
4）UHDTV信号的接收和射频信号的解调。
5）HEVC解码以及4K电视在家庭中呈现。

2．4K内容的摄入和播出（后期制作环境）
超高清电视内容通常通过4K摄像机产生，然后存储超高清电视内容在摄像机的内存中或者在现场直播时，使用4 x 3G-SDI线缆实时地交付给摄入系统。

目前，4K摄像机能够以50fps或60fps的帧率输出4K原始视频内容(10或12 bit，42)（Sony摄像机）或者以一个压缩的高分辨率格式保存视频内容至内存卡上（XAVC, AVC Ultra, ProRes摄像机）。对于第一种情况，其挑战主要是如何合并4路3G-SDI 信号成一个4K文件。对于第二种情况，通过拷贝文件到与所有4K文件格式相容的存储系统中来进行数据内容摄入。

为了与超高清广播需求标准ITU-R BT.2020一致 ，上述两种情况都有必要降低颜色采样率到40，bit深度降低到8 bit或10 bit。

R&SClipster不仅满足上述的需求而且可以支持从SD到8K的任何分辨率，能够转换不同文件格式文件的任何颜色采样率和bit深度。

R&SClipster自动同步各路输入信号并且编辑成一个待处理的4K文件。该文件可以接着进行HEVC或JPEG2000压缩编码或者交付给播出中心和中央存储。

3.HEVC实时编码及复用
UHDTV 4K电视的实况播出，需要50fps或60fps的高帧率，这就需要对超高清电视信号的4K内容进行实时HEVC编码。
电视广播商需要：
1）同步4路3G SDI信号到一路4K画面
2）使用HEVC实时编码4K信号
3）UHDTV复用以及加载PSI/SI信息
4）从GPS信号获取时间戳加入到T2-MI包（单频网同步）
5）通过IP或ASI传输MPEG2码流（T2-MI）到发射机网络

为了满足这些需求，R&S公司提供了一个方案--- R&SAVHE100，它是一个模块化系统，提供了头端的全部功能，但尺寸小巧。R&SAVHE100借助最高端的IT技术提供HEVC编码和信号处理所需要的最高处理性能。头端的信号流完全IP化，提供较高的灵活性来满足广大客户的需求。

通过锁定来路信号的频率和相位，来路3G-SDI信号在R&SAVHE100里首先同步，形成一路4K画面。然后HEVC编码器处理整个4K数据且产生MPEG2码流或产生遵循DVB标准的MPEG-DASH码流。头端内容通过IP或ASI单播或组播给地面网络、卫星网络、有线网络或IP网络。

4.通过DVB-T2单频网传输UHDTV
DVB-T2可以为数字地面电视提供最高的数据率。这里我们假定一个实际的DVB-T2单频网类似于首尔都市圈的试验网并且考虑到下列限制：

DVB-T2射频带宽为固定的6MHz。

规划单频网时，考虑到首尔都市圈的地理面貌，保护间隔设置为1/16（参考了Nordig规范），主要应用于屋顶接收。

初始的实时HEVC编码实验显示：需要至少25Mbps才能达到满意的结果（基于3840x2160，40，8 bit深度，60fps帧频）。

超高清4K传输必须适用屋顶接收和室内接收。

基于以上限制，部分可能的DVB-T2配置如下表所示：

表 1: 使用单频网的首尔都市圈超高清地面电视广播传输模式，屋顶接收（模式1和2）、室内接收（模式3和4）

模式1配置比较适用于屋顶接收，最高的数据率，良好的噪声保护。

模式2配置稍微地改进了模式1的噪声保护，少量地降低了数据率。

模式3和4适用于室内接收，模式4有较大的保护间隔，尽管这些模式有较好的抗噪能力，但信道的数据传输率有限，难以实现高帧率的超高清电视信号传输，但对于3840x2160/30P视频的传输而言，这两个模式是适用的。

该单频网方法基于首尔都市圈的发射机拓扑和DVB-T2的射频发射功率并已得到实际的场测验证。

R&SAVHE100头端输出MPEG-2码流给单频网内所有的发射机。这些发射机支持ASI和IP输入。时间戳的同步包含在T2-MI流里，使用1pps GPS信令作为时间参考和使用10MHz作为频率参考来同步发射机网络。

图1: 使用R&SAVHE100 编码、复用、网关以及R&STHU9高功率发射机组成的三个站点的DVB-T2单频网配置

在发射机部分，R&S公司发布了新一代的Tx9系列发射机，其拥有市场上最高的效率（在Doherty模式下可达38%，包括了冷却系统）。

R&STHU9/R&STHV9对应液冷高功率，R&STMU9/ R&STMV9对应风冷中功率。

5.射频解调和HEVC解码

UHDTV超高清电视传输的最后一部分在用户端一侧。通常，对于屋顶接收而言，一个八木天线捕获DVB-T2射频信号，然后通过一根75欧姆电缆传给超高清电视的射频解调器和HEVC解码器。对于一些需要深层次分析DVB-T2射频和基带信号的网络运营商而言，R&S公司的ETL电视分析仪能够满足需求。ETL接收携带UHDTV节目内容的DVB-T2射频信号并且解调到具有MPEG-2码流格式的基带层，然后通过ASI接口提供给GMITBMM-810。GMITBMM-810是一个基于服务器的用于电视视频和音频节目监测和图形化显示的解决方案。它能够解码HEVC UHD节目并且通过HDMI或DisplayPort输出信号给4K电视监视器。它能同时支持4路4K HEVC流的解码。

6.总结

随着大型体育赛事的来临以及电视屏幕尺寸不断增长的趋势，超高清4K内容的传输成为现实。由于需要处理更高的数据率，尤其当UHDTV内容需要转换并通过有频道容量限制的地面发射传输时，这给电视运营商带来了巨大的挑战。本文呈现了一个完全使用R&S公司产品的超高清4K电视端到端解决方案，包括了从4K内容的摄入、通过DVB-T2单频网传输到入户的全流程。本方案已在大首尔都市圈经过了实际测试。