4K超高清电视技术与广播电视节目卫星传输效率探讨

尹红

【摘要】随着科学技术的进步与发展，4K超高清电视也逐渐走进千家万户，如何确保4K超高清电视的传输效率，是现在行业重点讨论的问题。本文针对4K超高清电视技术特点展开讨论，并探讨了在传输广播电视节目时，卫星传输效率如何得到有效提升的途径，以供参考。

【关键词】4K超高清电视;卫星传输效率;技术特点

中图分类号：TN929                              文献标识码：A                            DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.23.002

4K超高清电视的发展离不开诸多环节的支持，从电视内容的制作与播出、电视信号的采集和传输、电视终端的接收等都需要进行积极的探索与创新，相关电视传输设备的研究与开发也是重中之重，由此可见，4K超高清电视技术不仅仅使电视画面的清晰度得到提高，还推动了电视行业其他技术的迅速发展。本文将分析4K超高清电视如何利用卫星传输技术，提高传输的效率。

1. 4K超高清电视概述

超高清电视的标准诞生于2012年，国际电信联盟针对电视技术的六个维度，对超高清电视作出了明确的规定，标志着超高清电视正式进入社会大众的视线，并稳步朝前发展。根据规定，超高清电视的分辨率应达到4K或者8K，即3840×2160和7680×4320。4K超高清电视的像素大约为800万，是1080P电视的4倍，这一高分辨率使得用户在观赏电视画面时更加清晰。

1.1 色域

色域是指电视等相关设备所能够展示的最大色彩范围，是在设备技术中产生的全部颜色。根据超高清电视的技术标准，对其色域进行了明确的定义，以CIE1931色域作为基准，高清电视的色域定义是35.9%，而超高清电视的色域定义则达到了75.8%。

1.2 量化精度

根据超高清电视的量化定义，4K超高清电视应达到10bit精度，8K超高清电视则应达到12bit，而高清电视的量化精度则仅有8bit。例如，以4K超高清电视为例，当其色深达到10bit时，则代表电视设备能够显示出10.7亿种颜色，即RGB模式下每一种颜色可以对应1024个量化等级，按照计算公式10243=10.7×108，可以得到具体的颜色搭配数量。而普通的高清电视则只需达到8bit的量化精度，颜色搭配数量仅有1677万种。高精度的量化标准使电视的颜色更加清晰，灰阶过度更加真实自然，图像也更加细腻清晰。

1.3 电视帧率

传统的电视扫描方式是个隔行扫描，即将一帧图像分割成两场，分别由奇数行和偶数行完成扫描，当终端接收到信号时再将图像完整拼合出来。但是如果在扫描图中出现了误差，就会导致扫描线出现奇数行和偶数行的重合，即便同步情况未收到影响，也会导致图像清晰度受到影响。在进行隔行扫描时，如果存在高速运动的画面，则会对画面传输造成影响，导致用户观看画面时出现图像闪烁或停滞的效果。导致这一现象的主要原因是因为电视屏幕的帧率无法满足高速运动画面的传输需求。高清电视的最高传输帧率是50fps，但由于采用了隔行扫描技术，因此每场扫描的数据只有图像清晰度的一半。现在随着科技的进步，编解码技术得到提升，显示设备制造也已满足了更高清的需求，能够实现4K超高清电视或更高的帧率需求。根据超高清电视的相关规定，最高帧率可达120P。电视的帧率越高，高速运动的图像传输便越清晰、越连贯，并且超高清电视的扫描方式为逐行扫描，使画面图像更加流畅细腻。

1.4 音频技术

标清电视的音频技术一般有左右声道或立体声，发展到高清电视时则推广使用5.1环绕声，而超高清电视的出现进一步提升了对音频技术的要求，推出了5.1.4三维声的音频技术。这一技术是在5.1环绕声的基础上增加4个音响，能够让人们更加沉浸在环绕的音频空间里。同时三维声还能够实现对声音轨迹的还原，通过对特定声音对象轨道的记录真实地将现场声音效果传达给观众。例如在音乐会时，超高清电视的音频可以准确地还原出音乐现场的观众鼓掌方位。

1.5 高动态范围

高动态范围的英文缩写是HDR，以自然界的最暗星光为起始点，直到最亮的太阳直射光为终点，数量级规定范围是10-6到109，跨越1015的范围，以这个标准作为参考，人的瞳孔在不进行调解时，正常亮度范围仅有105。传统的高清电视的显示亮度范围则仅有103，代表画面的动态范围在0.1-100nit之間，以此作为标准即为SDR。虽然目前不少电视的亮度得到了提升，但实际上并没有达到HDR的标准，也未使用相关技术，因此并不能真正实现HDR传输。事实上，不采用HDR技术会导致人们观看到的电视图像亮度下降，一些较暗的电视画面可能在屏幕上变成一团漆黑的图片，而一些较亮的电视画面则可能变成很多白光汇聚的场景。为了解决这个问题，通过HDR技术，实现光电之间的相互转化，提高还原的效果与真实性，将亮度范围提升到105，以人眼观看自然的标准还原电视的呈现效果，从而使画面中的细节更多地展现出来。

2. 卫星传输广播电视节目效率的提升

4K超高清电视技术为人们提供自然真实的画面享受和沉浸式的音频效果的同时，也导致传输数据成比增加。根据相关标准，高清电视的数据码率为1.24Gb/s（50i），但要达到4K超高清电视技术的传输要求，则数据码率要达到12.4Gb/s（50P）。如果不压缩数据实现传输，则要求无限信道达到12Gb/s的传输要求几乎是不可能的人物，因此，必须提高信源编码的技术。

信源编码技术是针对大量数据的传输需求产生的，在确保图像质量不发生变化的情况下，采用质量较高的压缩比将数据中心的冗余信息进行剔除，确保信源以较少的数据量来展示。比如原本一套节目的数据信息达到20MB，在经过信源编码后，可以减少至5MB，在采用相同的带宽进行传输时，能够更快地传输节目数据，使得相同时间内节目传输的数量大大提升，电视频道也能实现频谱资源的合理配置。目前我国自主研发了AVS2编码技术，国际通用的还有H.265技术，通过这些技术的运用，能够保证4K超高清电视节目的稳定传输。

经过编码技术的压缩，4K的数据传输码率可以压缩至30Mb/s-40Mb/s，基本能够在现有的网络信道中进行快速传播，确保电视节目能够高质量地呈现在用户的终端上。

传输4K超高清电视节目可以通过移动宽带、地面数字电视、有线网络和卫星传输等方式，其中卫星传输系统具有更宽的带宽。卫星广播电视节目传输系统利用卫星进行传输，一颗卫星能够实现全球三分之一的覆盖面，是目前较为常见的传输手段之一。

判断通信系统是否良好的主要标准是查看通信的有效性和可靠性，为了在有限的带宽中传输更多的信息，往往采用AVS2编码技术或H.265编码技术将信息中的冗余信息提出，提高信息的传输的速率。在信道中进行传输的过程中，信号会受到一些干扰，为了确保在干扰中信号能够实现最大程度地还原，还需要借助信道编码技术来加强传输系统的保护。

DVB-S技术是20世纪90年代逐渐推广的卫星传输信道编码技术，目前标清与高清电视仍广泛使用这一编码技术进行信号的传输。而随着超高清电视的出现，卫星传输系统的信道编码技术则广泛采用了FEC前向纠错编码，是在信道中加入冗余比特信息，从而确保传输的质量。在4K超高清电视的传输里，通过FEC编码技术，传输经过压缩的4K电视信号，能够实现较为良好的还原效果。

随着科学技术的不断进步和4K超高清电视节目制作技术的提高，4K超高清电视节目在经过H.265编码技术的压缩后仍然有60Mb/s的传输码率，此时DVB-S的信道编码技术就无法满足高质量的传输需求，限制了电视信号数据的传输效率。因此针对这一情况，DVB组织在2005年颁布了新的标准，即DVB-S2标准，并在2013年对此标准再次进行了更新。

DVB-S2标准比DVB-S标准的传输效率更高，并广泛采用了LDPC编码技术，这一编码技术的码字可达64800bit，并且它的纠错能力随着码字的长度提升而提升。但是LDPC的误码率会随信噪比的增加而出现下降不明显的情况，因此一般还会采用BHC码与其进行级联，从而降低LDPC的误码平台。

对于无线传输系统而言，其关键技术在调制，通过有效的调制能够极大地改善信號的传输效率。而调制的最大推动力就是改进性能，通过增加调制阶数能够促进信号传输效率的有效提升，但与此同时，降低了信号的抗干扰能力。因此在信号传输的过程中，应该将误码特性要求放在首位，不能出现传输速度高但准确性低的情况。近年来随着科技的进步，卫星转发器的功率不再受到很大的限制，信道编码技术也有了很大的提升，从而使卫星传输的标准逐步提高，更高效率的调制技术也被积极运用在实践中，卫星能够承载更大的载噪比，使传输效率稳步提高。

3. 结语

4K超高清电视频道的增加，能够为人们提供更加丰富优质的节目选择，因此需要加强对超高清电视技术的开发与研究，提高电视信号传输的效率。通过对卫星传输的研究，加强对信道和信号的编码技术创新，使信号传输的压力减小，码率不断提升，为4K超高清电视的发展提供有益的环境。

参考文献：

[1]池秀清.4K超高清电视技术特点与卫星传输广播电视节目效率探讨[J].电视技术，2020，v.44;No.534（05）：21-23+28.

[2]杨家胜，宫良.面向4K超高清节目的有线电视网络传输技术要求研究[J].广播与电视技术，2019，46（02）：43-47.

[3]李志永.中华人民共和国成立70周年阅兵式4K超高清电视节目影院直播中的难点与思考[J].现代电影技术，2020，No.502（05）：51-53.