日本8K超清电视卫星测试广播系统关键技术
2016年，日本进行8K超高清电视卫星测试广播[1]，以为2018年的8K超高清电视广播正式商用作准备。本文介绍其中所涉及到的关键技术。
如图1所示，端到端的流程包括素材采集、节目制作与播控、编码/复用/加扰/传输（通过光网络从NHK传输至卫星地球站）/上星、卫星直播电视用户直接接收/有线电视网络转播[1]。
图1 2016年日本8K超清卫星数字电视测试广播端到端流程[1]
（注：U-SDI是用于全8K电视节目制作的8K超高清信号/数据接口线缆）
1、8K超高清电视信号素材的毫米波、双极化回传
8K超高清电视摄影机在外面所拍摄的画面需要实时地传回广播电视台作为节目制作的素材，其中一种实现方式为采取专用的无线网络，内置于摄影机中的无线网络发射模块被称为FPU。由于8K电视节目素材信号的带宽要远高于现有的2K（全高清）电视，就需要研发具有更高传输能力的无线网络。
为此，NHK科技实验室研发了专用于回传8K超高清电视信号素材的SHV-FPU（已得到标准化。标准编号为ARIB STD-B43）。其中所采取的关键技术包括毫米波传输技术、双极化MIMO（双天线）技术[2,3]。端到端的传输系统示意如图2所示。
图2 基于42 GHz频段SHV-FPU的8K超高清电视信号素材回传[2]
在日本，41 GHz~42 GHz频段已分配给广电行业使用。SHV-FPU所采取的工作频段是其中的42 GHz频段，最大物理带宽为112 MHz，并采取OFDM（正交频分复用）这种高效传输机制——当对子载波进行32 QAM调制、码率0.5时，8K超高清电视信号素材的无线传输速率可高达200 Mbps。
而当采取双极化MIMO技术后，就可通过相同的物理频段在水平极化方向与垂直极化方向上同时进行调制信号传输。这样，8K超高清电视信号素材的无线传输速率可高达400 Mbps。
目前研发出的SHV-FPU支持54.4 MHz的工作带宽，下一步研发方向是将其提升一倍至112 MHz，并使系统在雨天的最大传输距离达到10千米。
2、8K超高清电视节目制作系统
目前，NHK科技实验室已经研发出能制作全8K超高清电视节目的系统（图3）[4]。所谓“全8K超高清电视”，即满足：7680×4320像素、120 Hz帧频、宽色域、12比特灰度视频格式。
图3 日本2016年8K超高清电视卫星测试广播所用的8K节目制作系统[4]
其中的关键技术是U-SDI（Ultra-high-definition Signal/Data Interface，8K超高清信号/数据接口）、22.2声道混音系统与3D混响器改进[4,5]。
一路未经压缩的8K超高清电视信号的带宽是2K全高清电视信号的100倍，这样，如果按照传统的方式，在8K节目制作系统的各个设备之间就需要采取100根同轴电缆来传输信号，组网复杂且占用较大的空间。而新近研发出的U-SDI就很好地解决了这个问题——U-SDI仅通过1根光纤电缆就可传输一路未经压缩的全8K超高清电视信号[4,5]。
图4 一根U-SDI线缆（左）与一根高清线缆（右）的对比[5]
另外，NHK科技实验室还研发出一款音频复用设备，以对全8K超高清视频信号与22.2声道音频信号进行同步及复用，然后通过单根U-SDI线缆传输。
在22.2声道音频信号制作方面，NHK科技实验室研发出一套新的混音系统，可多来自不同声源的声音信号进行高效录制和处理，使声音更接近于现实情况。这对于全8K超高清电视的高质量沉浸式体验具有重要意义。其中采取了球形麦克风，可从16个方向对声音进行捕捉。
该系统中的另一大关键技术是对于3D混响器的改进，其可对来自不同方向/方位的声音素材加入混响效果，从而达到效果控制的目的。而且，3D混响器的体积减小为仅为原设备的1/6，从而可部署于移动转播车之中。
3、8K超高清电视节目的编解码系统
日本2016年8K超高清电视卫星测试广播的编解码系统如图5所示。
图5[6]
由于8K视频的数据量很大，未经压缩的8K超高清电视信号先被分成17个水平带，然后进行并行编码压缩处理。视频编解码采取的是MPEG-H HEVC/H.265标准[6]（所研发的编/解码器，可对120 Hz帧频的信号进行压缩/解压缩处理[7]），压缩比达到了约840:1——将72 Gbps的8K超高清视频信号压缩至85 Mbps。
对于22.2声道音频信号，所采取的编解码标准是MPEG-4 AAC，压缩比达到了约20:1——将25 Mbps的22.2声道音频信号压缩至1.4 Mbps。
此外，该系统还采取MPEG-H MMT（MPEG媒体传输）标准对编码/解码后的8K超高清视频信号与22.2声道音频信号进行复用/解复用。
更多信息可参考文献[8]。
4、8K高级宽频带卫星传输系统
8K超高清电视节目的像素数（7680×4320）是全高清电视节目（1920×1080）的16倍[9]，而且还要采取22.2声道音频传输[1]。从而，为了能进行8K超高清电视的卫星广播，就必须要研发相应的大容量传输技术[9]。下文介绍其中所采取的高级宽带卫星传输系统（由NHK科技实验室研发并标准化[9]）中的两大关键技术点，其他方面的内容可查阅文献[10]。
上文图1中，8K超高清电视信号的卫星上行与下行分别采取17 GHz频段与12 GHz频段，采用单个星上转发器（BS-17ch）[9]。
广播电视台先对未经压缩的8K超高清电视节目信号进行信源编码，然后通过信道编码将其传输至在轨广播卫星的转发器（以调制无线电波的形式）。用户家中的接收机接收到相关信号后（通过蝶形天线），进行解调与解压缩、解码处理后获得原始的8K超高清电视节目信号进行观看。
其中，射频调制将“0”、“1”二进制数字信号分配至星座上不同的位置（信号点。代表不同的相位及幅度）。如图6所示，目前的卫星数字电视广播系统所采取的是8PSK（Phase Shift Keying，相移键控）调制，其星座图中有8个信号点，每个信号点传输3个比特的数据（23=8）。而8K超高清电视卫星测试广播所采取的则是16APSK（Amplitude and Phase Shift Keying，幅度及相移键控）调制，其星座图中有16个信号点，每个信号点传输4个比特的数据（24=16）。
图6 3比特传输（左）与4比特传输（右）的星座图[9]
另外，虽然采取更高阶的调制方式可以增大符号率，但为了满足传输一套8K超高清电视节目所需的大容量，还需要使用更大的物理带宽。每个卫星星上转发器的带宽仅为34.5 MHz，为了实现仅通过一个星上转发器传输8K超高清电视节目，就需要提高频谱资源使用效率。
为此，就需要尽可能地把工作带宽内的信号功率谱的边缘变得陡峭起来（笔者注：形状上越接近矩形越好）——目前的滚降系数为0.35，而对于8K超高清电视信号的传输则已经实现低至0.03的滚降[9]（使得符号率达到33.7561 Mbaud[10]），具体如图7所示。
图7 通过减小星上转发器的滤波器滚降系数来提高传输8K节目信号的频谱使用效率[9]
此外，在降雨过程中，8K超高清卫星数字电视信号的功率会衰减（笔者注：即“雨衰”），从而会产生误码，于是就需要采取高性能的误码纠错技术。日本将进行8K超高清电视卫星测试广播中的内编码将采取LDPC（Low Density Parity Check，低密度奇偶校验）这种前向纠错技术[9]，码字长度44880[9]，码率1/3、2/5、1/2、3/5、2/3、3/4、7/9、4/5、5/6、7/8、9/10[10]。外编码采取BCH（65535,65343，t=12）[10]。
参考文献：
[1] Satoshi, Aihara. Overview of 8K Satellite Broadcasting Experiment[J]. Broadcast Technology, 2016, (01): 16.
[2] Jun Tsumochi. Millimeter-wave (42 GHz) band SHV-FPU for 8K Program Materials Transmission[J]. Broadcast Technology, 2016, (01): 21.
[3] 高信頼・高速な双方向FPU.
[EB/OL].http://www.nhk.or.jp/strl/open2015/tenji_21.html, 2016-02-18.
[4] Jun Yonai, Toshiyuki Nishiguchi. 8K Production Systems[J]. Broadcast Technology, 2016, (01): 17.
[5] 8K映像・音声 信号インターフェース"U-SDI".
[EB/OL].http://www.nhk.or.jp/strl/open2015/tenji_1-2.html, 2016-02-18.
[6] Yasuko Sugito. 8K encoding and decoding system[J]. Broadcast Technology, 2016, (01): 18.
[7] 8K符号化・復号装置.
[EB/OL].8K符号化・復号装置, 2016-02-18.
[8] 李远东. 日本8K超高清晰度电视广播系统的发展现状与展望（三）：8K超高清晰度电视信源编码技术. [EB/OL].http://www.istis.sh.cn/list/list.aspx?id=8651, 2015-05-29.
[9] Masaaki Kojima. Advanced Broadband Satellite Transmission System[J]. Broadcast Technology, 2016, (01): 19.
[10] ARIB. TRANSMISSION SYSTEM FOR ADVANCED WIDE BAND DIGITAL
SATELLITE BROADCASTING.
[EB/OL].http://www.arib.or.jp/english/html/overview/doc/6-STD-B44v2_0-E1.pdf, 2016-02-18.