李远东，凌明伟

（1.DVBCN，上海 201100；2.浙江传媒学院，浙江 杭州 310018）

8K超高清电视广播的大容量无线传输技术综述

李远东1，凌明伟2

（1.DVBCN，上海 201100；2.浙江传媒学院，浙江 杭州 310018）

NHK科技实验室在2014年1月的8K超高清地面电视广播传输试验中实现了以超高频谱效率（约16.5 bit/（s·Hz））远距离（约27 km）传输8K超高清电视节目，取得该巨大成功的关键在于其正在研发的用于下一代地面数字电视广播系统的大容量无线传输技术。对其中的大容量无线传输技术进行综述性介绍。

地面数字电视；8K超高清电视；双极化MIMO；超高阶调制OFDM

1 背景介绍

日本的地面数字电视广播采用ISDB-T标准，一个物理频道（带宽为6 MHz）仅能承载传输1套全高清电视节目，而8K超高清电视的音频采用22.2多声道，视频的像素数目是全高清电视视频的16倍，其中的数据量远大于全高清电视[1]。为了能在一个物理频道承载传输1套8K超高清电视节目，大幅提高1个频道所能容纳的数据量，NHK科技实验室从2011年开始研发用于下一代地面数字电视广播系统的大容量无线传输技术[2]，至今仍在进行。

在NHK科技实验室的相关研发中，截至目前，共进行了2次8K超高清地面电视广播传输试验：

1）第1次试验是在2012年5月，实现了在2个带宽为6 MHz的物理频道内承载传输1套8K超高清电视节目，其时，每个信道的传输码率为91.82 Mbit/s，当时所能实现的最大传输距离仅有4.2 km[2-3]，如图1所示，。

2）第2次试验是在2014年1月，实现了在1个带宽为6 MHz的物理频道内承载传输1套8K超高清电视节目（滤波后的实际占用带宽为5.57 MHz），当时的信道传输码率为91.82 Mbit/s，但相比第1次试验的另一个显著进步（一个显著进步是此次试验只用1个物理频道承载传输）是能实现的最大传输距离高达约27 km。由此，NHK科技实验室认为，此次试验结果意味着开播8K超高清地面电视广播，将8K超高清电视节目无线传输到千家万户是可以实现的[3]。

图1 第1次8K超高清地面电视广播传输试验中的无线传输距离

上述8K超高清地面电视广播传输试验实现了超高的频谱效率（91.82 Mbit/s÷5.57 MHz≈16.5 bit/（s·Hz）），但如图2所示，这是以高达30.5 dB的载噪比门限值为“代价”的。而这正是由于采用了NHK科技实验室所研发的大容量无线传输技术才能达到的，下文对其中的大容量无线传输技术进行综述性介绍。

图2 各类型地面电视广播的频谱效率与载噪比门限

2 大容量无线传输技术

8K超高清地面电视广播传输试验中所使用的调制器与解调器的功能框图分别如图3、图4所示[2]，可见，大容量无线传输技术中的关键技术有：双极化MIMO（Multiple Input Multiple Output，多输入多输出）、超高阶调制OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplex⁃ing，正交频分复用）、BCH外编码+LDPC内编码级联编码、极化间交织等。

图3 调制器功能框图

图4 解调器功能框图

2.1 双极化M IMO

在UHF频段部署的地面数字电视广播系统覆盖范围可达几十千米，波长要长于毫米波及微波，且接收端的天线常被安装于屋顶或建筑物的最高处，所以发射台天线与接收端天线之间的传输路径一般是“可视”的。

采用MIMO技术能够增大地面数字电视广播系统的传输容量、提高传输效率，但如何采用是一个问题。接收端大都使用高增益的指向性天线，所以如果采用单极化MIMO，就需要采用空分复用的方式以确保MI⁃MO中各条传输链路相互间的相关性足够小，这样一来，在发射台与接收端就分别需要安装多根发射天线与接收天线，且每根发射天线之间要保留大的空间间隔（于是，就要在发射台的不同地方安装发射相同节目信号的天线，这是不切实际的），每根接收天线之间也要保留大的空间间隔（这也是不切实际的，因为对于绝大多数的普通家庭而言，满足不了安装同时接收相同节目信号的多幅天线的足够空间间隔的要求）。

单极化MIMO不可行，NHK科技实验室就研发了被其称为“双极化MIMO”的技术。现有的地面数字电视广播系统只采用一种极化方式（常用的是水平极化或者垂直极化）来发射节目信号，而且用不同的极化方式来发射不同的节目信号以避免相互间的干扰。而双极化MIMO则利用了这一特性，采用一对相互正交的极化波（比如水平极化与垂直极化）来分别、同时发射相同的节目信号，这样一来，两路信号在无线传输期间互不干扰，从而达到了在MIMO两条传输链路间的相关性最小（几乎为零）的要求，同时提高了无线传输的效率。

图5与图6为NHK科技实验室进行8K超高清地面数字电视广播传输试验时采用的发射天线与接收天线[4]，当时采用的就是双极化MIMO技术，而且是水平极化与垂直极化方式相正交[3-4]，由此可见双极化MIMO技术在多天线的安装空间方面相对于单极化MIMO技术颇具优势。

图5 采用双极化MIMO技术的发射天线（照片）

图6 采用双极化MIMO技术的接收天线（照片）

如图7所示，在2014年1月的试验中，采用双极化MIMO技术的8K超高清电视的最远传输距离与现网中以单极化（水平极化）波传输的全高清地面数字电视广播的相同——均约27 km[3]。

图7 8K超高清电视长距传输试验（双极化波，右上）与现网地面全高清数字电视广播（水平极化波，右下）的最大传输距离相同

2.2 超高阶调制OFDM

NHK科技实验室于2014年1月进行的8K超高清地面电视广播传输试验也采用了超高阶调制OFDM技术来提高传输容量，其中的传输体制是OFDM，而超高阶调制是4096QAM[3,5]。

相比于日本全高清地面电视广播所采用的64QAM调制方式，4096QAM调制的星座图中，相邻比特间的距离仅为64QAM调制星座图中的1/8，因此，采用4096QAM调制时，信号对噪声更为敏感，对时钟抖动的要求也更为严格。但由于在采用4096QAM调制的同时，也采用了OFDM，通过多个相互正交的子载波来传输，且在调制侧与解调侧分别采用了IFFT（Inverse Fast Fourier Transform，逆快速傅里叶变换）及FFT（Fast Fourier Transform，快速傅里叶变换），因此，4096QAM超高阶调制OFDM对时钟抖动的容许范围要宽于使用滚降滤波器的单载波64QAM调制。而且，也不再需要进行精确的相位同步，超高阶调制OFDM在相邻OFDM符号之间插入保护间隔，并以SP（Scattered Pilot，分散导频）信号进行信道均衡。

2.3 级联纠错编码

超高阶调制OFDM会引起载噪比下降，为此，大容量无线传输技术采用BCH与LDPC级联编码纠错机制。8K超高清地面电视广播传输试验中，LDPC编码的码字长度为64 800 bit，在OFDM解调后，通过子载波的I、Q信号来计算每一位的LLR（Log-Likelihood Ra⁃tio，对数似然比）初始值[6]（如图4所示）。虽然LDPC可在低载噪比情况下大幅减小误码率，但信号中仍存在底噪，所以采用BCH进行外编码。

图8所示为加性高斯白噪声信道环境中各高阶调制方式的载噪比与误码率关系曲线（其中的子载波个数为32×1 024，LDPC码率为3/4，解码迭代次数为50）。可见，BCH+LDPC级联编码下：随着调制阶数的增加，所需的载噪比也增大；对于同一种高阶调制方式，载噪比越大，误码率越低。

图8 BCH+LDPC级联编码下载噪比与误码率的关系

2.4 极化间交织

大容量无线传输技术采用了双极化MIMO技术，而且其中的两个极化相互正交，如图9所示，NHK科技实验室对3种不同极化形式的两两正交进行了计算机仿真对比及场测对比：1）线极化（水平极化与垂直极化）；2）斜极化（+45°极化与-45°极化）；3）圆极化（顺时针极化与逆时针极化）。

图9 传输试验中试验的3种双极化正交

但通过场测发现，在采用水平极化与垂直极化双极化正交MIMO技术时，由水平极化链路与垂直极化链路所传输8K超高清电视信号的误码率不同，而且整个系统的误码率取决于最差的那条极化链路的误码率。

对此问题，NHK科技实验室研究了两种可能的解决方案：1）斜极化正交MIMO与圆极化正交MIMO[7]；2）极化间交织。

计算机仿真对比及场测对比的结果表明，上述方案2较方案1能提供更好的系统系能[8]。

“极化间交织”即在采用双线极化（水平极化与垂直极化）正交MIMO技术时，对两个极化波中OFDM符号里每个子载波所承载的数据进行选择与交织。

2.5 增加数据子载波数目

在ISDB-T地面数字电视广播系统现网之中，用于固定接收时，采用8K模式（一个OFDM符号含8 192个子载波，其中5 617个子载波用于实际承载数据）。而为了增大系统的传输容量，NHK科技实验室在8K超高清地面电视广播试验中采用了64K模式（一个OFDM符号含65 536个子载波，其中44 929个子载波用于实际承载数据）[3,8]。如图10所示，增加子载波个数可增大OFDM符号的长度，从而可增大OFDM符号中用于实际承载数据的数据体长度。当把各种模式的保护间隔设置成相同长度（如126μs）时，则模式越高，保护间隔比（保护间隔的时间长度与整个OFDM符号的时间长度之比）就越小，系统的传输容量也就越大。

图10 传输试验中采用的64K模式可提高传输容量

2.6 减少导频子载波数目

采用OFDM传输体制的地面数字电视广播系统一般要采用规则分布的SP导频信号来对信道响应进行预估，所以SP子载波个数相对于OFDM符号中子载波总个数的比值是一定的，而该比值的大小也与系统的传输容量有一定关系。

如图11所示，在采用64K模式之后，OFDM符号中的子载波数目增大，子载波之间的间隔就相应减小。现网ISDB-T地面数字电视广播系统中8K模式的子载波间隔为992 Hz，而8K超高清地面电视广播试验中采用的64K模式的子载波间隔仅为124 Hz。

图11 传输试验中采用的SP导频子载波数目

现网ISDB-T地面数字电视广播系统中（采用8k模式），SP子载波个数相对于OFDM符号中子载波总个数的比值为1/12。而如果采用16K模式，相关比值也采用1/12，则16K模式下预估信道响应的频率就是8K模式下的一半，而16K模式下的可用数据传输容量却是8K模式下的1倍。NHK科技实验室在8K超高清地面电视广播试验中使用的相关比值则更小——1/48[3]，64K模式下的可用数据传输容量是8K模式下的8倍。在试验中，减少了SP导频子载波数目，增大了系统的传输容量。

3 结语

大容量无线传输技术涉及6项关键技术，而其中最为关键的是双极化MIMO技术与超高阶调制OFDM技术。下一步，NHK科技实验室将研究建立双极化MI⁃MO技术的地面无线传播模型、继续加强高级均衡技术与干扰消除技术的研究与应用来提高链路功率预算、进一步提高终端的灵敏度、并发展单频道内的分层传输技术（该技术的目标是，使地面数字电视广播系统能在1个6 MHz宽度的物理频道内同时传输1套面向固定接收的8K超高清电视节目与面向移动接收与便携式小屏幕终端的若干套高清电视节目）[3]。另外，中国的下一代地面数字电视传输标准DTMB-A将来的5大主要应用之一也是支持超高清地面数字电视广播传输[9]。

[1] 王子微，杨盈昀.浅析超高清数字电视视频压缩编码技术[J].电视技术，2013，37（13）：1-3.

[2] TAGUCHIM，SHIBUYA S H.Transmission technology for next⁃generation terrestrial broadcasting∶aiming for terrestrial transmis⁃sion of super Hi-Vision[C]//Proc.ITE Tech.Reports，BCT，2010. Tokyo：ITE Technical Group Submission，2010：37-40.

[3]李远东.NHK完成8K超高清电视长距离（27km）无线传输试验[EB/OL].[2014-01-07].http∶//www.dvbcn.com/2014/02/07-108125. htm l.

[4] TAGUCHIM，SHIBUYA S H.Propagation experiments and trial of dualpolarization Yagi antenna[C]//Proc.ITE Annual Confer⁃ence，2010.[S.l.]：ITE Technical Group Submission，2010：1-3.

[5] MURAYAMA A，SHIBUYA T S.Large-capacity transmission technology for next-generation terrestrial broadcasting∶4096 QAM-OFDM transmission characteristics[C]//Proc.ITE Tech.Re⁃ports,BCT,2011.Tokyo：ITE Technical Group Submission，2011：43-46.

[6] MURAYAMA S，SHIBUYA T A.Technology for next-generationdigital terrestrial broadcasting：field experiments of dual-polar⁃ized MIMO-OFDM Transmission using LDPC Codes[C]//Proc. IEEE International Symposium on Broadband Multimedia Sys⁃tems and Broadcasting，2012.[S.l.]：IEEE Broadcast Technology Society，2012：12-16.

[7] MURAYAMA A，SHIBUYA T S.Transmission technology for next-generation terrestrial broadcasting∶multi-level interleaving [C]//Proc.ITE Tech.Reports，BCT，2012.Tokyo：ITE Technical Group Submission，2012：53-58.

[8] MURAYAMA S，ASAKURA T.Transmission technology for next-generation terrestrial broadcasting∶characteristics of polar⁃ized MIMO-ultra-multilevel OFDM transmission using LDPC code in a multi-path environment and their improvement[C]// Proc.ITE Tech.Reports，BCT，2012.Tokyo：ITE Technical Group Submission，2012：1-6.

[9] 杨知行.地面数字电视传输标准技术演进[EB/OL]. [2014-01-12].http∶//www.videoe.cn/ch/reader/view_news.aspx?id= 20131230033820001.

Large-capacity W ireless Transm ission Technologies for 8K UHDTV Broadcasting

LI Yuandong1,LING Mingwei2
（1.DVBCN,Shanghai 201100,China;2.Zhejiang University of Media and Communications,Hangzhou 310018,China）

It is confirmed that in January 2014,NHK Science&Technology Research Laboratories has managed to send the 8K UHDTV terrestrial broadcasting signal to a receiving station 27 km away with super high spectrum efficiency of approximately 16.5 bit/（s·Hz）.Behind this big success is the large-capacity wireless transmission technology on which NHK is conducting research and development.In this paper,these technologies are summarized.

terrestrial digital television；8K UHDTV；dual-polarized MIMO；ultra-multilevel OFDM

TN939.12

A

�� 京

2014-02-10

【本文献信息】李远东，凌明伟.8K超高清电视广播的大容量无线传输技术综述[J].电视技术，2014，38（16）.