CCTV-4K超高清数字电视无线发射试验

山东省广播电视传输保障中心 刘 飞

根据山东省广播电视局关于泰山转播台开展CCTV-4K频道超高清电视无线发射试验的批复，泰山转播台历时半年，基本完成4K超高清电视无线发射试验。本次试验，5kw发射功率下CCTV-4K超高清数字电视的覆盖半径超过130km，能覆盖山东省全省面积的三分之一，广播电视覆盖能力远超预期。

1 试验背景

国家广播电视总局印发的《关于规范和促进4K超高清电视发展的通知》指出，“支持清电视发展较好的省份、机构开展4K超高清电视试点”。2019年12月，山东省广播电视局联合山东省工业和信息化厅等部门联合印发了《山东省超高清视频产业发展行动计划（2019-2022）》，对促进我省4K、8K超高清电视发展做出了远景规划。本文介绍了泰山转播台利用闲置的46频道R&S厂家的发射设备，采用DTMB-A标准试播CCTV-4K超高清电视节目，打造4K超高清技术条件下的广播电视新生态，推动广播电视播出技术的转型升级。

2 系统框图

本次改造设计的整体框图如图1所示。

3 试验简介

3.1 试验条件

泰山转播台位于泰山极顶，海拔约1500m，高海拔可以增加覆盖面积，机房内的模拟电视发射机按照国家广电总局《地面数字电视广播覆盖网发展规划》已全部关停，设备闲置。泰山转播台的工作人员具备数字电视相关技术改进的知识，拥有丰富的试验和电视收测经验。本次试验对原有的设备进行技术改造，利用现有的频率，进行4K超高清无线发射的尝试。

3.2 4K简介

4K分辨率就是指水平方向的每一行有3840个像素，一共有2160个这样的行。4K视频从产生到在电视上播放，需要经过拍摄、压缩编码、网络传输、解码、终端呈现这些过程，本次试验是在4K视频的网络传输阶段，大部分网络传输阶段都是通过网络运营商（例如电信、移动、联通等），对于一些山区及复杂地形地区覆盖困难，而本次试验是运用无线发射的方式免费发射4K超高清数字电视信号，丰富城乡居民的精神文化生活。

4 各设备功能介绍

4.1 中星6A三米接收天线

采用前馈抛物面天线，单立柱式底座结构，天线口径300mm、焦距1256mm，主面结构为分瓣式。主面材料采用半硬防锈合金铝板，板厚1.5mm，克服玻璃钢天线及金属网天线对电磁波的吸收、折射、逸失及抗老化差的弱点，也没有钢板天线抗腐蚀能力差的缺点，符合国家标准GB/T11442-1995。

4.2 CCTV-4K卫星接收机

采用DVS-2018 AVS2卫星接收机，该卫星接收机是一款高品质的广播级AVS2 4K超高清卫星综合解码器，支持丰富的音视频输入、输出接口标准，支持DVB-S卫星信号输入、支持CI模块解扰、支持AVS2视频解码标准。AVS2是AVS工作组推出的第二代新的视频编解码国家标准，编码效率比AVS+提高一倍以上，性能优异。其采用了混合编码框架，整个编码过程包括帧内预测、帧间预测、变换量化、反量化反变换、环路滤波和熵编码等模块。该卫星接收机相关设置：（1）卫星设置：LNB；类型：5150；本振频率：5150。（2）扫描设置：信号源：中星6A 125E；频点：3970/H/15950；频率：3970；极性：水平；符号率：15950。卫星接收机的主要功能是利用该4K超高清卫星接收机和CCTV-4K解密卡，接收AVS2格式的CCTV-4K卫星节目，作为此次试验的信号源。

4.3 AVS2/H.265转码器

目前，国内生产的4K机顶盒无法解调AVS2的超高清节目，因此，只能在激励器前端加装AVS2/H.265转码器，根据激励器的工作模式调整转码器的输出码率，确保4K机顶盒和频谱分析仪都能正确的解调出图像和伴音信号。H.265是ITU-T VCEG继H.264之后所制定的新的视频编码标准。H.265标准围绕着现有的视频编码标准H.264，保留原来的某些技术，同时对一些相关的技术加以改进。新技术使用先进的技术用以改善码流、编码质量、延时和算法复杂度之间的关系，达到最优化设置。AVS2/H.265转码器的主要功能是将4K卫星接收机接收的CCTV-4K的AVS2编码格式转为H.265编码格式。

图1 系统框图

4.4 DTMB-A激励器

采用吉兆的激励器，该激励器可以工作在DTMB和DTMB-A两种模式，能满足4K节目超高清要求。DTMB-A是中国地面数字电视传输标准的演进版本，具有传输容量大、信号接收灵敏度高、抗干扰能力强、高速移动接收性能好等特征，是在原有DTMB标准基础上的增强和提高。DTMB-A主要技术特点包括：新的灵活帧结构，大幅度降低接收机复杂度和能耗，灵活支持多种业务；支持256QAM/256APSK等高阶调制，使得数字电视传输演进系统频谱利用率相比于现有国标DTMB有明显提高；基于Golay-APSK的调制体制，在提高频谱效率的同时提高差错控制性能，保证传输的可靠性；新型LDPC码进一步降低载噪比门限；多天线发射分集技术获得空间分集增益，可消除传统单频网系统中“人工多径”的影响，获得更好的信号覆盖；基于时频二维信号处理的测距和定位算法，可实现在视距条件下的高精度、低复杂度的无线定位算法。DTMB-A激励器的主要功能是将转码后的信号源进行信道编码、调制，形成一定制式标准的中频信号，然后变频至所需频道。

4.5 R&S发射机

本次试验利用德国R&S公司的THU9液冷电视发射机。发射机整机受TCE900控制单元控制，激励器经过自动切换开关输出一路射频信号送到功率分配系统，末级功放由六块PHU901线性放大器组成，功率合成器后经谐波滤波器送往天线输出。模拟发射功率为10kW，水泵和热交换器构成整机的冷却系统，发射机可通过串行接口遥控。原先发射的齐鲁频道的模拟电视节目已于2020年4月16日停播。试验人员旧物利用，将此发射机用于本次超高清数字电视无线发射试验。R&S发射机的功能是调制有用的低频信号到高频载波，将其变为在某一中心频率上具有一定带宽、适合通过天线发射的电磁波。

4.6 相关测量设备

采用S7000-CATV广播电视信号频谱分析仪，该分析仪支持射频输入码流分析、支持解码加密节目，通过加装板卡进行升级，频谱分析仪的功能是分析4K超高清节目，测试接收信号的场强。

5 试验结果

2020年7月3日到4日，泰山转播台组织人员到山东肥城、东阿、聊城、冠县等地收测数字电视覆盖情况。测试数据表明，试验发射的CCTV-4K超高清数字电视在码率达到33.53Mbps时，覆盖半径可达130km，标志着全省甚至全国首次高海拔、大功率、超高清无线数字电视发射试验取得成功。

总结：（1）本次试验提供了宝贵的经验，提升了广播电视公共服务质量。这次试验结果表明，泰山转播台发射的CCTV-4K超高清数字电视覆盖半径超过130km。根据国家广播电视发展计划，模拟电视关停后，泰山转播台的数字电视覆盖能够为鲁中地区提供更多更高质量的广播电视公共服务。本次试验还合理利用了闲置设备，关停模拟电视节目后，一些发射机处于闲置状态，根据目前测试结果看，THU9发射机可以通过简单的软件升级和技术改造用于数字电视的发射，减少了设备浪费。本次试验进一步表明高山转播台转播超高清数字电视节目已具备推广应用条件，可以利用无线方式为周边城乡群众提供超高清电视收看服务，满足人民群众对高品质电视节目的多样化需求。（2）本次试验还发现一些问题。首先，AVS2的标准已经作为国家标准执行，但国家标准的4K机顶盒并不能直接解码AVS2，需要将AVS2转码成H.265格式才能被机顶盒接收，不利于4K、8K超高清数字电视的普及与推广。其次，国内的4K超高清项目还停留在编播制作层面，无线覆盖方面的设备价格昂贵，制约了4K超高清无线覆盖项目的普及。