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    基于DVB-C系统的高码率8K超高清节目传输和接收方法的研究和设计

    时间：2023-07-24 17:30:12来源：小小文档网本文已影响人

    姜明辉，张羽喆

    （四川九州电子科技股份有限公司 四川 绵阳 621000）

    自2000年开始，中国大力推进数字电视整体转换，陆续停播了模拟电视。随之基于DVB-C技术的有线数字电视系统率先在广电行业领域使用，包括前端、传输、终端等相关产品、设备大量普及。截至2021年底，国内累计出货的有线数字电视机顶盒超过3.5亿台，其中2 K高清机顶盒出货超过1亿台、4 K超清机顶盒超过5 000万台，8 K超高清机顶盒目前还未批量普及[1]。为满足人们日益增长的美好生活需要，4 K/8 K超高清电视节目的普及将是未来数字电视发展的必然。但是超高清节目传输要求带宽高，尤其是8 K超高清节目。8K电视节目的分辨率已经达到7 680×4 320约3 386万像素、帧率最高达到120 Hz，一套8 K节目视频传输根据采用的视频压缩标准及帧率不同，码率一般为80～170 Mbps左右，有的对实时性要求比较高的节目（如体育节目直播等）甚至达到200 Mbps[2-3]。怎样基于现在的DVB-C技术的有线数字电视系统传输和接收类似8 K这种高码率数字电视节目，成为一大难题。本文研究和介绍一种基于现有传输网络和终端接收设备实现8K超高清数字电视节目传输和接收的方法和系统。

    1.1 现有技术情况

    目前在广电领域的有线数字电视机顶盒，采用的传输技术是基于同轴电缆的DVB-C数字电视传输标准，其信道普遍采用的是QAM调制方式，包括64QAM、128QAM及256QAM等多种调制技术。其中在国内64QAM的调制解调方式用得最多，部分地方有少量在用256QAM的调制解调方式。同时用于载波的频率带宽是8 M，频率范围是100 MHz到1 000 MHz。按采用传输数据量最多256QAM的调制解调方式计算，一个8 M带宽的载波频率最大传输码率也只能达到50 Mbps，可以传输一套4 K的节目（码率36 Mbps左右），不能完整传输一套8 K的节目。同时，目前在网的有线数字电视机顶盒一般只有一个Tuner和对应一个QAM解调芯片，只能接收一个8 M带宽频点的RF射频载波信号即一路TS流。所以按现有的方式不能直接把一套及多套真8 K的节目直接打包调制在一个TS流上进行调制、传输、接收和解调。广电运营商怎样利用当前的DVB-C传输网络系统，把高质量的8 K节目传输到终端及现有在网的有线数字电视机顶盒上，成了一个难点。经过研究和试验，本文介绍一种基于现有的DVB-C传输网络系统，对当前网络的设备只需要少量改造，实现现有在网的，包括2K高清或者4K超清DVB-C有线数字电视机顶盒，能接收到8K数字电视节目的方法和系统。

    1.2 具体研究内容和方案

    如图1，前端的8K数字电视节目源采用AVS3编码，AVS3视频编码标准是中国AVS工作组制定的第三代视频编码标准，适应超高清电视广播、VR、视频监控等多种应用场景，它比上一代AVS2节省了大约30%的比特率[4]。

    8 K数字电视节目源通过AVS3编码器进行AVS3编码格式编码。编码后进入前端服务器对视频数据流进行拆分，拆分成N个片段，N大于等于8 K节目播放所需要的最低码率（记为8 Kbps）除以每个片段设置的固定码率（记为Nbps），即N=8 Kbps/Nbps。Nbps的取值取决于后面每路采用的信道调制方式，本发明采用DVB-C系统中实际能达到最高信道传输码率的256QAM信道调制方式，理论上每路信道传输码率最大约为50 Mbps，实际使用为48 Mbps，即Nbps=48 Mbps。

    同时服务器根据拆分情况生成N个MPD（Media Presentation Description）媒体报告描述文件。MPD文件描述了8 K节目流拆分后的相关信息，除了包括各类音视频参数外，主要还包括了8 K节目流分段后各段内容大小、时长、分段序号、数量、每段码率等关于各片段同步信息的时间戳[5]。MPD文件可以通过设置插入在每个片段的头或者尾，插入到那个片段，会携带该片段的标识信息，所以每个MPD文件都不完全相同。

    随后N个片段和其他非8 K节目流一起进入多路TS复用合成器，进行TS流的合成，生成TS1-TSN个8 K节目TS流，每路TS流的码率设置为48 Mbps。其中8K节目和平时播放的非8 K节目不能打包在一个TS流上，非8K节目根据节目量打包成TS01-TS0N。多路TS复用合成器根据生成TS流情况同时生成TID(TS ID）表，TID表记录了各片段及其他节目的TS打包情况，包括片段N的值，对应TS1-TSN流所在的频点信息、顺序等。其中TID表插入在TS0流中，并且都插入到每个TS01-TS0N中，以确保机顶盒终端平时在使用时能接收到该TID表。

    之后各路TS进入QAM调制器进行256QAM信道调制，输出RF1-RFN及RF01-RF0N射频调制信号，通过频率混合和功率放大后输入有线同轴网络（HFC网络）大网中。这样前端完成了8 K节目的发送工作。

    图1 8 K节目前端处理系统

    如图2，在接收端，DVB-C数字有线机顶盒接收到用户的要下载点播一套8 K的数字电视节目指令后，机顶盒会先去读取和解析随非8 K解码TS0N中传输过来的TID表；
    根据TID表的信息解析出所需的8 K节目在哪些频率点上，然后分时依次锁频和接收对应的射频调制信号载波。解调出对应8 K节目所在的TS0-TSN，然后把这N路的TS流先缓存在机顶盒的动态内存上。之后机顶盒从TS0-TSN中读取并解析出MPD文件的信息，根据信息对TS0-TSN进行合并和输出一路所需的完整的8 K节目的TS流。然后存储在机顶盒内置或者外置存储器上，用户可以等下载完后进行点播观看或者缓存后边下载边观看。

    图2 8 K节目机顶盒终端接收系统

    1.3 实际典型使用实施方案

    如前面所提，目前广电运营商在网的DVB-C有线数字电视机顶盒主要以2 K高清、4 K超高清机顶盒为主。这些机顶盒怎样接收播放8 K的数字电视节目，下面进行详细介绍。

    当广电运营商准备播出一套或者多套8 K节目时，通常有两种播出方式，一种是广播式、一种是点播式。广播式适用于单向机顶盒，点播式适用于具有网络回传方式的双向机顶盒。但是不管是广播方式还是点播方式，前端都会把正在广播的8 K节目或者可以点播的8 K节目的节目名称等相关信息通过EPG（节目信息指南）下发到在网的机顶盒终端上。当用户根据EPG信息点击要观看一套8 K节目时，假设该8 K节目是一套分辨率极高（7 680×4 320的8 K分辨率）、帧率极高（120 Hz动态帧率）的高质量实况足球比赛节目。其在前端采用AVS3编码，为保证播出视频图像的质量，采样率极高，要求的最低播出码率为170 Mbps。

    根据前文介绍该8 K节目经过AVS3编码器编码后进入服务器，服务器按播出码率要求对其进行N个片段拆分，N=170/48=3.54≈4。即前端服务器把该8 K节目拆分成4个码率为48 Mbps的片段，对于第4个片段数据量不够可以通过填充0或者1数据在里面，也可以填充其他8 K节目的数据，不管填充什么样的数据，相关信息都记录在MPD文件上，MPD文件将记录该节目识别号、分辨率、帧率、播出码率、拆分片段N的值及N值的先后顺序、填充的数据类型、音视频同步等信息。

    然后8 K节目4个片段经过TS复用合成器后生成4路8 K节目TS1-TS4，并生成TID表插入在非8 K节目TS0N上，并且每个TS01-TS0N都需插入，便于和确保机顶盒终端都能收到TID表。之后TS1-TS4经过QAM调制器进行256QAM调制，分别输出4路带宽为8 M的不同中心频率点的RF1-RF4射频信号。该RF1-RF4中心频点一般是当前网络未使用的空闲频率点，避免与其他节目所在的频率点重复。RF1-RF4射频信号经过功率放大和频率混合后输出到HFC传输大网中。

    在家庭有线机顶盒接收终端，如图3，当用户要观看一套8 K节目时，用户通过机顶盒终端的EPG界面呈现的8 K节目名称，选择点击要观看的8 K节目。随后机顶盒终端会去下载和解析随TS0N广播下来的TID表，找出对应8 K节目所在的频点信息，即4路RF1-RF4分别的中心频率点。

    对于只有一个Tuner和一个QAM解调器（一般一个Tuner对应一个解调器）的机顶盒终端，机顶盒CPU会进行判断，当机顶盒的Tuner空闲时，比如用户不看直播节目时，依次分别进行RF1-RF4的锁频和接收；
    当机顶盒有多Tuner和多个解调器时（一般为2～4个Tuner和解调器），CPU调用其它空闲的Tuner依次分别进行RF1-RF4的锁频和接收。

    然后机顶盒依次解调出对应的8 K节目TS1-TS4缓存在机顶盒的动态DDR内存里，并下载解析插入在TS1-TS4中的MPD表，根据MPD表的描述和标识信息按序按要求对TS1-TS4进行合并，对于多余数据则进行剔除舍弃，最终合成一路所需的8K节目的TS流。之后机顶盒把该8K节目TS流保存在内部或者外部的数据存储器上，下载完或者下载到一定量后机顶盒会通过显示界面通知用户，用户也可以通过界面自行查看下载进度情况。这里，如果用户的机顶盒终端内部配置的数据存储器（一般为EMMC FLASH）容量不够，可以通过USB接口（基本上2 K高清和4 K超高清机顶盒都有USB接口）扩展外部存储器，比如通过USB接口插入U盘或者USB移动硬盘等。

    最后，用户通过点击下载完成的8 K节目的名称，机顶盒调取对应的TS流进行解码，输出对应的8 K节目音视频内容进行观看。如果该8 K节目流是加密的TS流，则机顶盒会先把TS流输入到机顶盒的解扰器进行解扰，再输入到解码器进行解码输出。这里，如果用户家的机顶盒终端是有4个Tuner和4个对应QAM解调器的机顶盒。那么该机顶盒终端可以通过4个Tuner同时接收该8 K节目所在的RF1-RF4射频载波信号，并同时解调出4路TS1-TS4，然后可以实时进行TS的合并和解码播出，实现8 K节目的实时直播观看。

    图3 机顶盒终端用户点播8 K节目处理逻辑框图

    对于当前的DVB-C传输网络系统，HFC传输通道、前端设备及有线机顶盒终端的改造上比较少。当前如广电运营商的前端没有AVS3的编码器则重新需要去升级和购买相应AVS3编码器；
    当然如果不用AVS3编码器或者增加其他的编码器，也可就用现有的编码器，只是这样8 K节目流的数据量就相对较大，需要拆分成更多的片段，这样占用传输的频率点就更多。针对片段拆分服务器可以沿用原有的服务器或者适当进行升级，比如增加内存、板卡和相应接口；
    针对TS复用器、QAM调制器、RF功率放大及混合器，如当前接口路数已经足够，那基本不需要改造；
    如果接口路数不够，则升级增加相应接口板卡即可。

    对于HFC同轴电缆传输通道网络上，因为QAM256的调制解调方式对网络信号要求相对高些，传输线上尽量减少干扰和衰减。如果现有的HFC网络较旧有老化、干扰和衰减较大的话，可以适当对网络线缆、接头等进行优化更新，投入成本也不高。

    对于有线机顶盒接收终端，用户还可以自己增加一个外置的U盘或者USB移动硬盘用来存储8 K的节目流，运营商统一对机顶盒的软件进行升级，就可以使用。

    本文介绍了一种8 K超高清节目的传输和接收的方法和系统，可以适用在广电领域普遍采用的DVB-C有线数字电视系统中，解决高码率的8 K节目在当前的DVB-C传输网络系统下，不需太大改造或者只需要适当的改造，就可以利用在网上的有线数字电视机顶盒实现8 K节目的接收播放问题，为广电运营商推广8 K节目提供了一种性价比较好的方案。

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