基于4K超高清电视广播的有线电视网传输分析

曹 梅

（江苏省广电有线信息网络股份有限公司常州分公司，江苏 常州 213000）

超高清的快速、稳定传输是4K超高清电视广播能够充分发挥自身应有效用的关键所在。加强对该方面的探究，不仅有助于人们深化对4K超高清电视广播的理解认知，而且对于优化超高清传输、推动4K超高清电视广播及有线电视网传输实现可持续发展，均具有十分重要的帮助作用。

1 4K超高清电视广播中的核心技术分析

1.1 HEVC编码

与全高清电视广播相比，4K超高清电视广播具有其至少4倍的清晰度与数据总量，因此，在4K超高清电视广播中，传统全高清中使用的压缩编码标准，即MPEC-2以及H.264显然已经不适用。根据相关标准规定，在4K超高清电视广播中应使用H.265高效视频编码，相较于以往的压缩编码标准，在视频质量相一致的情况下，该高效视频编码的压缩效率更高，可令4K超高清电视广播减少一半以上的输出视频流码率[1]。

1.2 高阶调制

现阶段，我国有线数字电视传输使用的调制方式为正交振幅调制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM），适用于众多调制等级，其等级数为：

其中，m代表各符号比特数。随着调制等级的逐渐降低，频率利用率也将会降低，但4K超高清电视广播中的有线数字电视传输抗干扰能力将会逐渐增强。反之，随着调制等级的逐渐提高，虽然会有效减少频谱资源浪费情况的发生次数，但会在一定程度上减弱其抗干扰能力。因此，经过综合考虑，我国4K超高清电视广播的有线数字电视传输中选用64QAM调制方式。

按照式（2）进行计算，可知调制器处理有效码率为38 Mbps。若传输对于网络有极高要求，则可以进一步提高比特利用率，即使用更高阶的QAM调制器，如采用128QAM代替使用64QAM，同时适当调整终端即可。

1.3 4K显示

4K技术是4K超高清电视广播的一项核心技术，由2K转4K技术、显示器面板技术两大部分构成。在从2K转为4K的过程中，可采用单一补偿、关联补偿的方式。单一补偿通过4K超高清电视广播的内置图像处理器，渲染正播放图像并进行追踪补偿，即直接将4个像素点插入原图的各像素点中，用以有效提升图像分辨率使其可以达到4K[2]。关联补偿主要将整个2K图像画面划分成若干区间，一般划分的区间数为2 000 000个。针对临近的两个区间，按照纵横双向维度进行色彩运算，再将像素直接插入其中，使之能够和周围显示画面相匹配，最终有效提升图像精度，使其可以在视觉上达到4K效果。

2 4K超高清电视广播的有线电视网传输分析

2.1 传输要求

当前，有线电视网传输标清电视节目只有大约100套、高清电视节目仅几十余套，在运用K超高清电视广播节目传输时，势必要充分考虑混合传输问题。为避免4K超高清传输时浪费大量带宽，还需使用高效视频编码H.265，故而需要对终端进行相应更换，即更换机顶盒或是一体机。

2.2 传输方式

现阶段，在地级市以上级别的城市中，全高清有线电视中采用的编码方式大多为H.264，调制模式使用的是64QAM，编码率在11 Mbps左右。对于0.5K标清电视采用的编码方式与调制方式分别为MPEC-2与64QAM，编码率基本为6 Mbps。4K超高清电视广播清晰度较高，如果使用全高清或是普通标清电视中使用的压缩方式，则按照式（2）可知其编码率约为44 Mbps。因此，4K超高清电视广播根据实际情况，可以在采用编码方式为H.264的基础上，使用高阶MQAM调制，其中，M至少为64，调制等级数M＝2m，其中，m的取值为7，8，9，…。除此之外，4K超高清电视广播中，还可以选择使用H.625编码方式，并采用64QAM调制方式。

在前一种传输方式中，QAM调制m时，选择的调制阶数应为64；而QAM调制n时，调制阶数同样为64，n与m的取值基本相同，均为1，2，3，…[3]。在4K超高清电视广播的有线电视网传输中，在使用超高清H.264编码复用装置的基础上，新增使用QAM调制器k。在确定MQAM的调制阶数时需要使用式（3）：

式中，调制等级用Mod表示，计算出新增调制器k的调制模式与调制阶数为256，使用H.264编码模式与高阶MQAM调制的传输方式如图1所示。

图1 H.264编码模式与高阶MQAM调制相结合的传输方式示意

在后一种传输方式中，4K超高清电视广播的有线电视网传输中采用的编码模式为H.265，调制方式为64QAM。采用此种QAM调制器可有效避免有线电视网承担过重的传输压力。H.265高效视频编码的编码率仅为传统H.264编码的一半，所使用的超高清H.265编码复用输出码率基本为22 Mbps。

2.3 应用实例

2014年起，江苏、上海等诸多省市、地区先后开始尝试在现有高清机顶的基础上，利用4K视频点播专区专门负责播出4K超高清广播电视节目。大连等地也纷纷开通4K电视信号，播放清晰度更高的影视剧、纪录片等，且全天候循环播放，用户购买最新的超高清机顶盒即可足不出户地自由观看各种超高清视频，有效丰富娱乐生活，充分满足观众多样化的精神需求。比如2020年的春晚河南分会场中，中央电视台积极与华为公司、中国移动公司相互合作，尝试使用5G网络实时传输4K超高清电视，将4K超高清信号快速、无损地传输至中央广播电视总台的机房中，而后由总台向分会场总台中设置的4K超高清转播车，实时传输相应的超高清电视信号。

从本质上看，将有线电视网应用在4K超高清电视广播传输中，可以有效增强传输抗干扰能力与稳定性。传输平台与传输网络具有较高独立性，政府部门可有效监督、管理传输与播放内容。

3 结语

4K显示与高阶调制等各种先进技术的不断发展，为实现4K超高清电视广播传输提供了重要的技术支持。未来，我国在继续发展4K超高清电视广播中，还需加强对传输方式的应用探索，寻找更加行之有效、网络压力更低的传输方案，活用各种调制与编码方式，使得4K超高清电视广播传输能够真正实现全面优化。