4K 超高清电视的有线电视网传输技术分析

唐骏飞

（北京广播电视台，北京 100089）

0 引 言

多年来，国家广播电视总局致力于推动电视频道的高质量发展，加快4K 超高清电视的推广应用，并于2018 年10 月1 日正式开播国内首个上星超高清频道——CCTV 4K 超高清频道。4K 超高清电视因其节目画面更加通透、景物逼真、动作流畅、细节清晰细腻、色彩丰富、音效质感高级真实等优点被广大受众所喜爱。近日，作为北京2022 年冬奥会、冬残奥会的官方有线电视服务供应商，歌华有线圆满完成了有线电视专网服务保障工作。而北京广播电视台冬奥纪实4K 超高清频道的顺利开播，标志着北京广播电视台电视播出正式迈入4K 超高清时代，向高质量智能化播出迈进了坚实的一步。

1 4K 超高清电视的有线电视网传输

1.1 4K 超高清电视简介

“4K”一般指分辨率，对应电视屏显的像素参数。4K 超高清电视则指配备物理分辨率达到3 840×2 160（4K×2K）的电视产品，具有更加宽广清晰的视觉效果，可以更好地提升观众的观看体验。作为一种高端电视产品，4K 超高清电视还拥有多项智能应用系统，比如多屏互动、健康监测以及云端管理技术等，让用户在享受视觉盛宴的同时享受到生活上的便利[1]。

1.2 4K 超高清电视的有线电视网传输系统

4K 超高清节目的传输系统具有高综合性，在有线电视网络的基础上推进各项4K 超高清数字电视业务，并根据不同的系统功能设计选择构成各个有线电视系统。一般来讲，构成4K 有线电视网传输系统的典型系统包括前端信号源系统、加扰复用系统、条件接收系统（Condition Access System，CAS）、用户管理系统（Subscriber Manage System，SMS）、网络接入系统、终端接入系统以及网络技术管理系统等。

1.3 4K 超高清电视的有线电视网传输特点

1.3.1 传输速率高

DVB-C 以数字有线电视网信号作为节目传输 接 收 介 质，具 有16QAM、32QAM、64QAM、256QAM 编码等多种传送方式，因此信号传播与应用频率范围均极深广。采用64QAM 进行正交调幅与调制传输时，一个帕尔制（Phase Alteration Line，PAL）通道信号的最高传送误码率平均约为41.34 Mb·s-1，可分供多套有线电视节目复用。同时，用于长距离传输有线电视信号等各种中高频信号的同轴电缆（coaxialcable）寿命长、容量大、传输速度稳定、频率特性高且屏蔽保护性能比较好，抗干扰屏蔽能力强，可以承载大量信息数据并进行高速率传输。

1.3.2 播放质量高

4K 超高清的有线电视网常用点对面的形式进行传输，发送端与接收端直连，二者之间的通信带宽取决于物理信道以及收发两端的半导体芯片的射频性能，即高频头的性能，主要用于公共服务。传输信息时相对来说比较稳定，电视播放过程中很少出现卡顿，电视画面清晰流畅。4K 超高清有线电视网的内容受到政府的有效监督管控，安全性高，在专有网络的支持下以传播积极向上的内容信息为主，内容质量有保障。4K 超高清有线电视网的维护服务很到位，出现问题时可以及时寻求所在区域的维修帮助，各个项目的服务均有维修保障。

2 4K 超高清电视的有线电视网在实际应用中存在的问题

2.1 频谱资源不足

无线电频谱资源是当前国民经济和社会发展过程中必不可少的重要生产力要素，发挥着重要的支撑和基础平台作用。近年来，各类新兴互联网技术和各项互联网新业态的出现和快速发展，使得频谱资源的供需矛盾日益凸显。频谱资源具有极高的使用价值和安全价值，属于日渐稀缺的资源。虽然无线电频谱资源可以通过空间、时间、频率等条件进行频率复用，但就某一频段、频率而言，其在一定区域、一定时间和一定条件下的利用是有限的，且部分频段的频谱资源开发利用的成本非常高，频谱资源的使用效率有待提高[2]。

2.2 技术指标偏低

一方面，目前大多数国产的4K 超高清电视节目在实际后期编辑制作技术和电视播出工作流程控制上仍普遍存在操作不规范、技术性能指标达不到观众预期目标的问题，如画面亮度过高、画面整体层次感不够、细节处理不到位、色彩质量严重失真等；另一方面，当前我国部分4K 电视的片源依旧使用H.264 标准进行编码，存储条件和网速达不到双向平衡，且影片资源受限，产品与资源不相符合的情况依旧存在，高分辨率的节目源所能提供的电视量较少，用户难以真正享受到超高清的4K 画质。

3 4K 超高清电视的有线电视网传输技术应用

3.1 4K 超高清电视的有线电视网传输技术

3.1.1 高效率视频编码技术（High Efficiency Video Coding，HEVC）

高分辨率对应的是更加优良的视频编码技术。为适应不断升级的宽带传输要求，保障视频画面的超高清化，4K 超高清电视的视频编码技术也在不断进步。目前开始逐步采用新一代的HEVC 技术，即H.265，逐步提升原本编码工具的效率。HEVC编码树单元（Coding Tree Unit， CTU）支持8×8到64×64 像素的CTU 大小，可向下分割编码单元（Coding Unit，CU）、预测单元（Prediction Unit，PU）及转换单元（Transform Unit，TU），提升像素块尺寸便于更好地细分图片尺寸，提高编码效率；同时，HEVC 使用8 个抽头的滤波器进行一维半处样本插值，或是七个抽头的滤波器进行一维四分之一处样本插值，且消除了四舍五入的误差，更加精准；HEVC 帧内预测（Intra Prediction）有33 种方向模式，还有用于平坦表面的DC 帧内预测和支持所有区块尺寸的平面预测模式，范围更广[3]。

从清晰度来看，它建立在H.264/AVC 技术的基础上，是一种逐渐发展起来的新的视频压缩标准，在提升影像质量的同时也能达到H.264/MPEG-4 AVC 两倍的压缩率（等同于同样画面质量下比特率减少到了50%），可支持4K 清晰度甚至到超高清电视（Ultra High Definition TV，UHDTV），最高清晰度可达到8 192×4 320（8K 清晰度）；从内容结构上来看，它可以在很大程度上保证框架中各单元更加独立、灵活、有序地完成各项预测、变换等功能。

3.1.2 信息传输技术（DVB）

数字视频广播（Digital Video Broadcast，DVB）有很大的广播传输优势，例如用户覆盖范围广而精，传输效率高，内容优势明显等，适合作为全覆盖的公共服务。升级后的DVB-C2 可高效地利用现有的有线网络传输容量，有力开展新业务模式，如视频点播（Video on Demand，VOD）和高清电视（High Definition TV，HDTV）等。它提供一系列能够针对不同有线电视网络特性，根据用户的不同服务需求定制的模式和选项。实验表明，DVB-C2 相比于DVB-C，在相同条件下，提高了30%的频谱效率，采用DVB-C2 的电视终端将成主流。

3.1.3 高阶调制技术（QAM）

高阶调制属于通信的物理层调制方式，将码元符号映射成不同的幅度、相位、频率以及幅度/相位联合的方式包括ASK，相移键控（Phase-Shift Keying，PSK），频移键控（Frequency-Shift Keying，FSK）， 正 交 振 幅 调 制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）等。4K 超高清视频的大码率、大带宽要求它使用数据量更大的调制方式，目前常见的是64QAM、256QAM 调制方式。高阶调制的频谱效率更高，信息传输速度更快。

3.1.4 4K 显示技术（UHD）

与高清电视（High Definition TV，HDTV）相比，超高清电视（Ultra High Definition TV，UHDTV）可以带来更具沉浸感的视听体验、更好的临场感受以及逼真体验。UHDTV 技术的提升方式体现在五个方面。第一是更高的分辨率（4K、8K），帮助人们获得更加逼真的体验；第二是高动态范围（High Dynamic Range，HDR），用以提升暗部与高光的亮度信息来满足新型显示技术需要；第三是宽色域（Wide Color Gamut，WCG），可以呈现更多人类可感知的高饱和颜色，让色彩的对比度变得更加强烈，感受更为真实；第四是是高帧率（High Frame Rate，HFR），使大银幕下运动更清晰，降低动态模糊；最后是下一代沉浸式音频（Next-Generation Audio，NGA），新一代的音频技术如全景声和三维声，可以使音频获得更准确的空间定位，为观众带来更强的沉浸感和听觉感受。

总体来说，更高的分辨率和帧频率，在客观指标上提升了影像的静态和动态清晰度；更高的动态范围和更大的色域范围，可以使得单点像素能够展现的亮度和色彩信息大幅提升，提高影像的细节层次。在4K画质下，所有的细节、质感都需要做到精益求精，HDR 制作依然处于快速发展中，制作方式和显示端都在不断进化，制作技术也在与时俱进[4-5]。

3.2 4K 超高清电视的有线电视网传输技术的有效应用

3.2.1 多措并举，提高优质内容供给

首先，要实现内容生产精品化。主题方面要主动创新，坚持正确导向和价值引领，拓展多样化的主题和内容；要提高节目制作播出水平，鼓励优质内容创作和生产，提高组织化程度，实现节目在内容的新突破，打造精品佳作，产出更多具有影响力的高质量作品。其次，要升级高清形态，依托5G 技术实现超高清信号的长时间稳定传输，给用户带来更好的全场景沉浸式体验，提供超高清有线网络电视的可持续发展动力。最后，要以用户为本，确保端到端4K 内容服务质量，要重视用户体验，将服务质量检测技术用于来源、回传、播出等环节，进行服务性能参数的实时采集，推动业务能力和服务能力显著提升。

3.2.2 强基固本，增强核心技术基础

第一，改进编码设计。探索分层编码技术和显示能力智能匹配技术。在采集编码环节进行视频信号变换分层分装，继而在编辑解码环节实现解封、分离、合成、逆变换还原，采取单一的文件形式，可实时地解决不同行业应用与场景应用的各类需求，控制系统资源的消耗，降低整体系统运行负载成本。

第二，优化网络宽带，促进融合。构建一套以“云、网、端”宽带网络技术为主要通信基础单元技术的全球新型无线宽带网络架构，为互联网用户及时快速地提供全景式、沉浸式、互动式、大带宽、低延时的宽带高品质业务。

第三，进一步发挥我国现有HFC 高清网络机顶盒和高清大网络带宽、广播式移动电视技术体制优势，专注发展具备超高清数字电视点播等节目技术服务能力、拥有较高频道收益率的高清大型网络电视直播类节目，调整和完善现有基于IP 内容资源的分发传输平面，推进城域网内容结构优化和接入网扩容升级，融合基于IPQAM 技术、IP 技术实现边缘内容资源的网络分发及传输，实现拥有不同信息来源、不同内容格式、不同分码率的内容资源与分发传输平台间的高效适配。

第四，优化显示。将超高清节目的下转换参数调整至79%/260 nit、-7 dB，打开下转换电平后的高清电平超白区域，保障节目最佳输出转换效果；将AI 图像增强处理技术运用于高清文件/信号素材的线上转换制作过程中，进一步提升超高清图像视觉效果。

第五，推进4K超高清终端规模部署。因地制宜，逐步推进国产4K 以上超高清终端显示器在市场发展相对成熟的地区进行更新升级换代，实现规模化覆盖，增加受众。

3.2.3 “5G+4K”融媒体传输技术实践

推动“5G+4K”融媒体技术与“大数据、云计算、人工智能”的紧密结合，是促进4K 超高清有线电视网传输技术发展的重要技术实践，是信息通信时代的变革趋势。首先，要对同一个5G 基站下高清视频的不同码流的传输效果进行详细的测试，根据测试结果和传输数据对5G 基站进行进一步的传输优化，确保选择最佳的码流，以保障固定带宽下的最优传输效果。在最佳码流选定的基础上，需要对跨基站、跨地区的多路由高清视频流的传输进行测试，确保视频的稳定性。另外，码率的选择也需要经过层层测试把关，在确保超高清视频的传输质量的前提下，综合考虑中间环节的各项基础设备质量，包括编码解码器、5G CPE 终端性能等，测试其是否可以承载长时间、高码率的工作，并在工作中维持稳定性。对5G 网络下的4K 视频流的传输，需要一一测试100 Mb·s-1，50 Mb·s-1，25 Mb·s-1的编码和传输码率，最终确定最优方案并运用于传输实践中。以“云、网、端”为基础的新型网络架构还在不断探索中，随着在传输速率、接入数量、能耗降低等方面都有更好表现的WiFi6（第六代无线网络技术）的出现，数据传输的速率还将不断加快，“5G+4K”的融媒体传输技术也将面临进一步的升级改造。

3.2.4 做好故障排查，保障运行稳定

4K 超高清视频内容的丰富和各种新型业务的引进，大大增加了网络的传输流量，流量组成也变得越发复杂。不同的智能终端操作系统引入导致了兼容性问题的产生，这也造成引发视频故障的原因多而复杂，难以进行故障定位，故障的解决也会耗费很多时间和精力。因此，工程师必须探索运用电视终端视频质量监测系统，及时排查故障，利用服务质量（Quality of Service，QoS）指标分析、用户体验质量（Quality of Experience，QoE）技术指标分析、用户体验质量（QoE）性能分析等工具，分析视频业务运行设备和承载网络，利用它们进行故障排查、诊断和解决，提高故障诊断和解决排查效率、节约成本。

3.2.5 打造协同发展产业链

产业链协同发展是超高清发展的源动力。相关主体要协同创新、共同合作，鼓励各企业和机构共同参与从IP 核到芯片的制作、到边缘计算到中心平台等技术项目的改进，通过AI+编码结合的方式推动超级编码芯片产业化。当下，8K 超高清影像在产业生活等领域正产生新的价值。将“5G+超高清”视频实时拍摄技术广泛运用于基础设施检查和建筑领域，进一步探索其在管道检查、建筑设备检查、防灾减灾、医疗健康、教育等多个领域的可能性和可行性，同时要推动超高清系统在智能制造、城市建设管理、文化旅游、航天等领域的应用，开拓超高清应用市场新方向，打造未来产业发展链条。

4 结 语

在4K 超高清有线电视网传输技术的发展过程中，挑战与机遇并存。行业要抓住融媒体发展和4K超高清电视升级换代的重大机遇期，加快探索5G、WiFi 无线网络、有线电视网络的融合路径，实现超高清在市场化智能电视上的加载，加快超高清的发展步伐。