超高清数字电视传输技术及发展趋势研究

黄卫

【摘要】 4K电视的分辨率有3840*2160和4096*2160像素两种规格。相对于全高清数字电视的图像分辨率1080p（1920*1080像素），4K电视的分辨率相当于4个1080p，属于超高清分辨率。高清电视更具有视觉上的逼真感，更加符合人们的视觉感受。高清电视技术采用数字信号处理方式，处理速度更快，更适合大容量数据传输，画面质量更有保障。

【关键词】 4K 网络传输 H.265标准

2012年5月，国际电信联盟ITU发布了超高清电视国际标准ITU-RBT.2020的技术标准，将屏幕的物理分辨率达到3840*2160及以上，帧频高达120Hz，量化深度12比特的数字电视称之为超高清电视，业界因此亦简称为4K电视。超高清电视是指可为观众提供超高像素、超大屏幕、超宽观看角视频图像并令观众获得逼真图像、丰富色彩、丰满声音等视听感受数字电视技术。

一、超高清电视的传输技术

超高清电视的分辨率是全高清的4倍，加上传输帧率的提升，超高清电视的总数据量应为全高清电视的4倍以上，给传输技术带来更高的要求。超高清电视系统必须采用更高效的视频压缩方式和传输比特利用率以及高性价比的显示装置。

1.1地面传输

通过电视台的制高点天线，对外发射无线电视信号对所有电视用户进行覆盖，用户可以通过利用接收天线及电视机随时观看电视节目，这是支持高清数字电视信号传输的基本形式。

超高清电视的地面传输标准主要有日本ISDB-T、美国ATSC3.0和欧洲DVB-T三种标准。日本在超高清电视技术方面处于比较领先的地位，地面电视广播网络的ISDB-T标准制式主要采用OFDM正交频分复用技术和超高阶调制4096QAM方式，并使用双极化天线和MIMO信号增强技术。美国Technicolor集团2014年10月使用ATSC3.0标准成功完成了4K超高清电视无线传输测试，实现了基于H.265视频编码标准的可伸缩HEVC（SHVC）视频编码、MPEG-H音频和MPEG的MMTA/V传输标准的技术性融合，支持普通天线、手机以及移动的地面用户的信号接收。

1.2卫星传输

卫星传输主要集合高清数字电视的节目信息资源在卫星地面发射站，用微波将数据发送到距离地面3.6万公里的地球同步卫星中，再由同步卫星将微波转回地面，用户电视机通过接收天线及卫星制式的机顶盒接收节目。卫星传输具有带宽大、速度高、覆盖广的多种独特优势，多数运营商比较倾向于采用该方式来传输超高清数字信号，部分技术领先的运营商已经完成了相关测试。

2014年3月，中国航天数字传媒发布了基于卫星传输的4K整体解决方案，该方案确保可以稳定地以实时64Mbit/ s的传输速度向用户推送4K视频内容。一部4K电影片源的容量大约为110～140GB，目前国内的网络带宽不足以应付4K视频内容传输的需求（大约需要50M以上的带宽才够），而这套4K卫星内容传输解决方案可以做到64M/秒，在技术上已经不存在问题，已符合4K电视信号的商业化需求。

1.3有线与光纤传输

有线电视网络支持一城一网的企业化运营模式，用户端通过安装有限制式机顶盒获得信号。有线信号传输主要通过光纤网络，光纤是当前有线传输介质中性能最好的一类。光纤传输具有频带宽、容量大、传输速率高、安全保密性好等优点，通常被用作原始视频图像的传输媒介。视频信号的光纤传输的数据连续，画面显示几乎没有延时，而且图像数据不可能丢失，这样可以保证数据的高保真。

目前，一路光纤只能传输几路到几十路的无压缩的高清视频图像，随着光纤线传输带宽的不断提高，完全可以实现在一路单模光纤线中传输上百路甚至几千路高清视频信号的传输。由于超高清图像占用带宽比高清图像高出四倍以上，敷设专用的光纤传输线路成本较大，利用有线传输超高清数字电视信号需要提高视频压缩效率，即采用H.265高效视频编码标准。

1.4网络传输

随着互联网的普及，利用电信宽带支持互联网模式，通过光纤到户，实现电视节目的多种交互式传播的IPTV，即交互式网络电视为家庭用户提供了包括数字电视在内的各种交互式多媒体服务。在IPTV应用过程中，包括了通讯技术、多媒体技术、互联网技术等内容，用户可在家中利用个人电脑或者网络机顶盒接收网络电视节目，既支持传统意义上的视频服务及网络浏览，也支持数字化电视平台，如互动点播、网络游戏、在线交易、语音信箱等，满足用户不同层面的需求。

在美国，YouTube公司和Elemental Technologies公司分别采用VP9和HEVC编码技术，实现基于互联网的4K串流技术，用以传输超高清电视视频。

随着4G传输技术的快速发展，网络传输带宽和传输质量得到很大提升，更加有利于推进电信网、广播电视网、互联网相互融合的三网融合IP优化光网络建设，这对于整合资源发展超高清电视非常有利。

二、超高清电视发展趋势

2.1技术革新

目前4K技術的普及面临的最主要问题，是其超高清分辨率带来的超大带宽占用和超高存储成本。我国高清有线电视目前主要选用调制等级为64的QAM调制器，即采用64QAM调制方式，这种调制技术配合H.264编码方式，是目前我国地市级城市普遍采用的高清电视传输方式。在超高清电视传输中H.264压缩编码标准已不能很好地满足信源压缩的要求，需要有相比H.264更高效的视频压缩标准来进一步推动视频高清化的发展。

JVT-VC小组于2013年定稿发布下一代视频压缩标准，命名为HEVC（High Efficiency Video Coding），然后分别被ITU-T和ISO/IEC采纳成为国际标准，也就是H.265视频压缩标准。最新H.265标准基本继承了H.264的框架，但在其中采用了大量全新的技术。在高清分辨率下，这些新技术的使用可以使H.265的压缩性能相比H.264提升一倍，简单来说，就是相同视频质量下，高清视频所需要的传输带宽或者存储空间则为H.264的一半左右。从客观效果测试提升上来看，测试结果表明，H.265在1080P分辨率下相比H.264码率降低40%～50%，在720p下相比降低30%～40%。H.265由于其算法本身的特点，在4K这种更高分辨率的编码处理上效率会更高，必然会成为未来4K高清电视分辨率的最佳选择标准。

2.2内容革新

超高清片源匮乏始终是阻碍超高清电视发展的主要因素，尤其是关注度最高的各类突发事件现场直播，观众很关注的新闻节目目前还很少高清化，更谈不上超高清化。新闻类节目无法进行高清直播的主要原因是因为更高带宽、更高分辨率和帧率的超高清图像，需要不一样的发射和接收设备。

我国观众对4K技术热情很高，以电信、广电为首的运营商也在积极开展置换4K机顶盒、增加4K超高清节目的推广工作。4K技术带动了液晶电视产业、传输和配套设备产业、文化传媒产业的高速发展，促进了产业优化发展。积极推广原生4K电视节目录制，以此推动超高清电视产业的发展，布局我国的4K超高清无线电视传输系统和产业链，是互联网时代广播电视行业面对的巨大机遇和挑战，这也正是当前中国经济结构升级转型、提升产业核心竞争力、不断提高全要素生产率的供给侧改革所需要的发展革新。

参 考 文 献

[1] 李东山.超高清数字电视关键技术及其发展趋势探讨[J].数字通信世界，2016（2）：48-52.

[2] 惠慧，朱林林，何大治. 超高清电视发展趋势研究[J]. 电视技术，2015，39（ 6） ： 22-26.endprint