【摘要】 本文聚焦超高清電視時代的新一代地面數字電視廣播技術的發展與應用情況，通過國內外地面數字超高清電視廣播技術應用案例分析，深入分析新一代地面數字電視廣播技術所涉及的技術標準、政策條件和應用模式，針對其未來發展趨勢做出預判和展望。
【關鍵詞】 UHDTV 地面數字電視廣播技術 DVB-T2 ATSC3.0 DTMB-A 5G HbbTV 標準
隨著我國改革開放事業的不斷深入與發展，供給側改革已經是當前形勢下迫在眉睫的主要任務。所謂供給側結構性改革，就是要求從提高供給質量出發，用改革的辦法推進結構調整，矯正要素配置扭曲，擴大有效供給，提高供給結構對需求變化的適應性和靈活性，提高全要素生產率，更好滿足廣大人民群眾的需要，促進經濟社會持續健康發展。廣播電視傳媒機構，一方面要更加重視內容生產和用戶需求，不斷推出用戶喜聞樂見的、具有正確導向及正能量的精品節目；另一方面也要探索更加符合用戶喜好的播出方式。廣播電視傳媒機構推出超高清電視（4K/8K UHDTV）技術應用與服務，即是電視媒體供給側改革的要求，也將充分適配國際與國內電子科技業的飛速發展。
超高清電視（UHDTV）是廣播電視未來重要的發展方向，更是客戶重要需求。我國新一代地面數字電視標準體系，需充分利用廣電在內容方面的優勢，摒棄“網絡僅僅是管道，網絡獨立于內容”的思想，進一步整合節目服務與傳輸服務，構建‘內容+ 網絡’、‘廣播+ 互聯’的未來數字電視協同覆蓋網絡。系統還需具備安全的可管可控，支持內容保護和用戶管理。從而保證廣大受眾能像移動互聯網用戶一樣，隨時隨地接入未來廣電融合網絡，享受更加優質的廣電服務。
下文將在介紹以歐洲DVB-T2和北美ATSC3.0、我國DTMB-A等技術標準為代表的國際上第二代地面數字電視技術的基礎上，闡述我國未來新一代地面數字電視的發展趨勢和未來的展望。
一.引言
2017年11月9日，國家新聞出版廣電總局批準發布了廣電行業首個超高清電視（UHDTV）行業標準GY/T 307-2017《超高清晰度電視系統節目制作和交換參數值》，標準自發布之日起實施。超高清電視（UHDTV）是廣播電視未來重要的發展方向，日本、韓國、英國、法國、美國等國家陸續制定了超高清電視的廣播計劃并開展試驗播出。央視、北京、上海、江蘇、湖南、浙江、廣東等國內電視機構也開展了4K電視的節目制作或傳輸試驗，中國電信、中國聯通在IPTV中推出了4K電視點播節目。廣東廣播電視臺于2017年底開播4K超高清電視頻道。4K/8K超高清電視節目內容可以通過包括電視直播衛星、有線數字電視廣播網絡、IPTV網絡分發/傳輸、地面數字電視廣播網絡。超高清電視（UHDTV）是下一代地面數字電視廣播技術的重要用戶需求。
眾所周知，國際重大賽事的舉行往往是視頻科技產品發展的重要催化劑。為迎接2020東京奧運會的召開，日本NHK開通了4K/8K電視廣播；2020年東京奧運會將真正開始進行4K電視轉播。而2022年北京冬奧會的召開，將成為中國4K/8K超高清產業發展的一個重要動力。
2018年4月20日，國家廣播電視總局在北京組織召開了無線交互廣播電視工作組成立會議。許家奇司長講到，中央提出了推進媒體深度融合、移動優先的戰略要求，廣播電視網與移動通信網的協同、融合是支撐廣播電視業務發展的客觀要求。無線交互廣播電視工作組將秉承開放、包容的原則，充分學習、借鑒國際先進標準組織的成功經驗，研究5G背景下的無線廣播電視技術。
我國新一代地面數字電視標準體系，需充分利用廣電在內容方面的優勢，摒棄“網絡僅僅是管道，網絡獨立于內容”的思想，進一步整合節目服務與傳輸服務，構建‘內容+ 網絡’、‘廣播+ 互聯’的未來數字電視協同覆蓋網絡。系統還需具備安全的可管可控，支持內容保護和用戶管理。從而保證廣大受眾能像移動互聯網用戶一樣，隨時隨地
接入未來廣電融合網絡，享受更加優質的廣電服務。
二.歐洲DVB-T2 技術標準與其超高清電視應用情況
1.歐洲DVB-T2 技術標準與技術發展
DVB-T2 頒布于2008年，是第二代歐洲地面數字電視廣播傳輸標準，它的頒布標志著國際上地面數字電視標準開始向第二代邁進。2012 年8 月，DVB-T2 被國際電聯ITU建議書ITU-RBT.1877-1 采納，正式成為第一個第二代地面數字電視國際標準。DVB-T2 總體性能超越上一代的四個一代國際標準。
DVB-T2 采用高效率調制方式，降低開銷增加選項，頻譜效率比DVB-T 高約30% ；最大傳輸速率有了較大提高，8MHz 帶寬內支持TS 流傳輸速率達50Mb/s ；采用LDPC+BCH 糾錯編碼，接收C/N 門限比DVB-T 顯著降低；采用高達256 階的QAM、高達32K 的FFT 塊長以及優化的導頻技術；采用多層幀結構的超幀，實現時頻二維信號動態分配；采用多天線技術，MISO 技術，支持增強型的單頻網服務；采用物理管道，支持多業務廣播。
為了進一步提升廣播機構開展移動接收服務的能力，在DVB-T2的基礎上，2011年DVB組織發布了DVB-T2-Lite標準，采用未來擴展幀（FEF）的方法，支持移動和手持設備接收；同時，針對更為復雜的移動接收要求，在現有DVB-H的基礎上，2012年，DVB組織發布了DVB-NGH（Digital Video Broadcasting-Next Generationbroadcasting system to Handheld）標準。DVB-NGH引入多輸入多輸出（MIMO）、時間頻率分片（TFS）、非均勻星座、LDPC 編碼和時域交織等技術，可同時接收衛星信號與地面信號，能提供包括傳統線性廣播、各種視聽內容、圖文信息以及推送下載等在內的富媒體內容服務。
此外，在針對網絡融合服務方面，歐洲也加快了HbbTV（Hybrid broadcast/broadband TV）標準的制定步伐。基于HbbTV實現了直播電視、預下載和本地重播的動態選擇、寬帶網和廣播網的動態選擇，提供了補充式互聯網絡視頻服務以及多屏應用等各種擴展業務。
2.歐洲DVB-T2超高清電視技術試驗
2014年,法國國家電視臺TDF開展了基于地面數字電視廣播網絡的UHDTV（超高清晰度電視）傳輸試驗。試驗的目標在于通過埃菲爾鐵塔發射臺、采取HEVC（高效率編碼）技術與DVB-T2標準及相關兼容型終端進行4K超高清晰度地面電視的直播試驗，在解決實際問題中積累相關的技術經驗,并適時正式商用地面4K超高清晰度電視直播服務。
此次試驗中，為了將系統的傳輸容量最大化，采取了DVB-T2超高清晰度電視復用器，以1/128的GI（保護間隔）通過MFN（Multi-frequency Network）進行播出。試驗發現：在網絡覆蓋范圍（覆蓋半徑大致為25千米）之內，通過標準rake接收天線、內置DVB-T2解調器與HEVC芯片的終端均可正常接收4K超高清晰度地面電視直播信號。此次試驗是法國在將來正式推出地面4K超高清晰度電視廣播商用服務的重要一步。其證明了通過基于UHDTV（phase 1）標準與256 QAM OFDM機制進行實時4K超高清晰度電視直播的技術可行性、采取第一代HEVC/H.265編碼器通過單個8MHz物理信道同時傳輸兩路4K超高清晰度電視信號的技術可行性。法國國家電視臺TDF得出了這樣的結論：的確可以將超高清晰度電視UHDTV作為繼2K全高清晰度電視HDTV之后，下一代地面數字電視廣播系統的核心應用。
圖1 法國地面4K超高清晰度電視廣播試驗網絡覆蓋范圍
2014年，西班牙公共服務廣播商RTVE聯合UniversidadPolitécnica de Madrid（馬德里理工大學）以及其他相關的公司，進行了地面4K超高清晰度電視廣播傳輸試驗。其中，RTVE提供了一部采取4K超高清視頻格式（逐行掃描、3840×2160）的普拉多博物館紀錄片“The Passion of the Prado”。此次試驗中，廣播商采取了不同的編碼格式以及傳輸技術參數。同時，設備制造商還將HEVC（高效率視頻編碼）/H.265解碼器內置到其新一代的平板電視機產品之中，并應用于此次試驗之中。試驗中，圖像標準采取25幀/秒的幀率，信源編碼采取H.264/MPEG AVC（高級視頻編碼）技術。后來，為了提高運動圖像部分的平滑度，圖像標準采取50幀/秒的幀率，信源編碼采取H.265/MPE-HHEVC（高效率視頻編碼）技術。同時還測試了從20Mb/s到35Mb/s之間的多種傳輸碼率。在整個試驗過程之中，為了提高無線頻譜資源利用效率，采取了DVB-T2標準進行組網。由于DVB-T2標準的單信道傳輸容量可以高達50Mb/s，而此次測試中，地面4K超高清晰度電視廣播信號所采取的最大傳輸碼率為35Mb/s，因此，RTVE規劃在將來的現網試驗中測試以一個頻寬為8 MHz的單信道來傳輸兩套4K超高清晰度電視節目內容。
通過該系統網絡，法國電視廣播商對2014年的“法網”國際網球公開賽進行了4K超高清晰度電視直播。對法網公開賽進行視頻圖像幀率為50幀/秒的4K超高清晰度電視直播面臨著較大的技術挑戰。此次直播試驗證明了通過DVB-T2地面數字電視廣播網絡以及內置HEVC/H.265解碼芯片的4K電視終端進行4K超高清晰度電視廣播的可能性。6月3日及6月4日下午，第一路4K超高清電視節目信號素材的采集來自于賽事現場的四部可移動型4K攝像機，其余時間則來自于一部固定位置的4K攝像機，對賽事信號進行實時編碼與直播傳輸（無線傳輸碼率為22.5Mb/s）。為了進行視頻畫面質量的對比，此次試驗還進行了4K超高清電視、2K高清電視、標清電視的同播。
2018年6月，法網公開賽期間，由Fraunhofer IIS主導研發的MPEG-H電視音頻系統成功在超高清賽事頻道實現實時傳輸，該頻道通過衛星和地面電視（DVB-T2）的方式進行播送。為了呈現最為清晰的擊球聲，法國電視臺為所有球場統一布置了一套Schoeps麥克風，并在主球場上搭建了基于ORTF-3D拾音制式的Schoeps麥克風陣列，用于三維環境聲的制作。球員在球場上的動作聲、觀眾的歡呼聲和鼓掌聲以5.1+4H聲道（5.1環繞聲和4個高度揚聲器）的形式傳輸，并通過搭載了安卓系統的機頂盒、UHD電視機配以Fraunhofer沉浸式條形音箱原型機在法國電視臺的播控室進行還放。
3.歐洲超高清電視的未來規劃
2017年,法國管理視聽傳播事業的獨立行政權力機構——最高視聽委員會（CSA）概述了發展一個新地面數字電視復用的計劃，將促進4K UHD電視頻道及其它新服務的推出。CSA設想最遲到2024年正式開播地面UHD數字電視，至少覆蓋60%的城市人口。CSA還計劃2018年初制定計劃，將地面數字電視平臺并行轉換到DVB-T2和HEVC，以增加服務可用帶寬。CSA計劃2018年下半年與有關各方討論此問題。CSA還將協調地面數字電視平臺上的HbbTV服務，以確保互操作性和爭取在此平臺上引入CA。
MPEG-H電視音頻系統是法國廣播內容監測機構(CSA)考量的下一代音頻技術(NGA)之一，下一代音頻技術將應用于未來數字地面電視(DTT)平臺的升級改造中。
2018年4月，全德國新地面數字電視（D T T）標準DVB-T2/HEVC部署進入第三階段。與此同時，當前使用DVB-T標準的分配將終止。
西班牙第二次數字轉換將于2020年完成，西班牙地面數字電視運營商敦促管理部門分配一個UHDTV頻道促進4K廣播。
葡萄牙計劃從2019年第四季度開始，葡萄牙5G的推出將導致現在用于地面數字電視（DTT）廣播的頻譜的變化。葡萄牙國家通信管理局的700MHz頻段釋放路線圖顯示，為給未來5G移動網提供空間，700MHz頻段將不再用于DTT。
根據國家通信管理局的規定，釋放現由DTT使用的頻譜應在2020年6月30日前完成。此后，全部DTT傳輸將使用470-694MHz的頻率。
三.日本超高清地面數字電視廣播網絡試驗
為了使得現有數字地面電視廣播網絡也能傳輸4K/8K超高清電視信號，NHK正在研究基于MIMO技術、高階調制的OFDM（正交頻分復用）技術、LDPC（低密度奇偶校驗編碼）技術的大容量無線傳輸系統。并正在進行可傳輸8K超高清電視信號的下一代數字電視廣播網絡系統的研究。MIMO（多天線技術）應可被用于擴展現有SISO（單輸入與單輸出）形式的地面數字電視信道容量，美國下一代數字地面電視廣播標準中把2×2 MIMO作為一種可選方式。
圖2 NHK的8K超高清地面電視廣播試驗概況
2014年，基于上述大容量無線傳輸系統（2×2 MIMO+超高階調制OFDM），NHK成功實現通過單信道（6MHz帶寬）對一套8K超高清電視節目信號的地面廣播（最大傳輸距離達到27km，傳輸碼率為91Mb/s），并分析了2×2 MIMO系統的無線傳播特性。2015年，NHK又在熊本市建設1個8K超高清電視發射臺，與人吉市的8K超高清電視發射臺組成一個先進的SFN（采取空時編碼），以進行4×2 MIMO技術的場測。
2018年12月1日，日本廣播商NHK正式推出了兩個頻道，分別是BS4K以及大家期待已久的BS8K。本次的新頻道將會放送8K 22.2聲道的內容以及4K畫質的內容，例如《2001太空漫游》等。