隨著受眾對高質量視聽的需求不斷提升，以及媒體科技在UHD、沉浸式音頻、新IP標準等融合新技術中的不斷發展，開播4K超高清頻道勢在必行。2012年國際電信聯盟ITU發布了超高清電視標準的建議，經過近五年多的發展，中央電視臺在4K超高清電視內容的拍攝和制作方面有了一定的積累，在節目交換、播出發布、流程管理等方面進行了充分調研和測試，在HDR、三維聲等方面進行了初步探索。隨著HDR的推出，UHD應理解為更好的像素，而不是以往單純的理解成更多的像素。

近期，工信部、國家廣播電視總局、中央廣播電視總臺印發《超高清視頻產業發展行動計劃（2019-2022年）》。文中指出，超高清視頻是繼視頻數字化、高清化之后的新一輪重大技術革新，將帶動視頻采集、制作、傳輸、呈現、應用等產業鏈各環節發生深刻變革。加快發展超高清視頻產業，對滿足人民日益增長的美好生活需要、驅動以視頻為核心的行業智能化轉型、促進我國信息產業和文化產業整體實力提升具有重大意義。

一．國內4K播出系統的現狀

在4K播出方面，廣東省成為我國第一個吃螃蟹者，廣東廣播電視臺在2017年底正式開播4K超高清電視試驗頻道，成為我國4K發展史上的一個里程碑。

中央電視臺已建成4K超高清試驗頻道并在2018年10月1日正式開播。

阜陽在接下來將要進行的播出和總控改造，將采取全IP化的方式搭建3+1系統，即3個高清頻道＋1個4K頻道。

播出文件格式的選擇以及相關問題

央視以及廣東電視臺采用的播出基礎參數如下圖：

二．超高清播出設備現狀

1. 4K視頻服務器

播出信號選擇方面，目前絕大多數進口視頻服務器，只支持4*3G和IP，在12G SDI的道路上躊躇，不過據了解，哈雷的視頻服務器有望在2019年底支持12G SDI信號的播出模式。目前每臺單機都只支持1通道編解碼，多通道需求的情況下，需要外置存儲或者專用主機進行擴展。

國內視頻服務器廠商產品以集播控、切換、圖文、字幕等功能于一體的ALL-IN-ONE架構視頻服務器為主，信號選上以IP為主，也可滿足4*3G和12G SDI，并以價格低廉，功能完善，安全性可靠等優點，在備份系統的設計中受到廣泛青睞。但由于IP模式尚未成熟，故多將該種視頻服務器用于備份鏈路使用。

播出文件選擇方面，除了目前流行的XAVC-I外，XAVC也支持longGOP約200Mb的文件模式，即XAVC-L，但依目前情況來看，該指標對計算性能要求太高，眾多廠商都表示目前難以實現。因此，500Mb的XAVC CLASS 300文件格式依舊是目前主要選擇對象。目前主流進口視頻服務器，包括哈雷、imagine、GV等基本也只支持500Mb的XAVC I-Frame Class300封裝的4K文件。目前這也是央視采用的標準。該格式采用幀內編碼，質量好，實際可以理解為制作交換格式。帶寬、容量、計算量等各方面壓力巨大。

2. 4K周邊設備

包括信號轉換設備（4*3G、12G、IP間的互轉）、切換設備（切換矩陣和切換臺）、字幕圖文包裝、介質錄放機、SDN交換機、監聽監看等播出周邊設備對于4K的支持，總體上來說比較完善，但在對不同播出信號的支持方面，各家卻參差不齊，很難在一家供應商找到完善的解決方案，必須要在多家提供商之間進行設備拼湊才能滿足實際播出需求，因此，各個廠商設備之間的連通性問題就凸顯出來，這方面的完善，需要經過大量的互通性測試。下面簡單介紹國內主流設備提供商的設備支持情況：

·4K處理轉換類設備

實現HD-4K，12G-4*3G等格式之間的互轉，GV、AXON、PESA、EVERTZ等主流廠商都有產品。淺壓縮，科維新板卡支持但12G和4×3G的信號輸入，編解碼卡之間通過IP互聯。

實現4K over IP方面，GV有若干款產品。IP接口采用的25Gb端口，SDI接口采用4*3G輸入輸出，支持向下兼容HD；Imagine只有一款產品SNP，但功能比較強大，支持8路4K信號處理，支持靜/凈切換，下變換等功能。IP接口采用的100Gb端口，SDI接口采用4*3G輸入輸出，支持向下兼容HD。

·4K切換開關/切換臺

GV有兼容12G/4*3G的產品，據稱還有一款支持4K基帶IP的切換臺會在年底發布。

ROSS有的周邊產品覆蓋面相對較廣，而且已經有支持單根12G的相關設備，其中包括：視分，幀同步，鍵控器，16X16矩陣，多畫面，IPG網關（IP-12G互轉）。

PESA的12G小型矩陣支持切換開關功能，鍵控功能在近期發布。

AXON代理了一款韓國的產品，具有12G切換臺等產品。

·4K矩陣產品

GV-SAM有大矩陣，傳統架構，規模最大，但很貴。

ROSS有12G的矩陣，有大、小兩款，性價比較好。目前演播室、轉播車用的較多。該產品是一個多功能產品設計，針對轉播車場景，可以把矩陣輸入做幀同步、把矩陣作為多畫面等特殊功能。但內部為軟件處理，沒有交叉點板，更不支持冗余交叉點板。

PESA有12G的矩陣，最大規模160*160，性價比較好。目前演播室、轉播車用的較多。支持冗余交叉點板等典型矩陣功能。

·4K信號視分

主要是12G產品，PESA、ROSS、AXON(韓國)、GV-SAM等品牌均有產品。

·4K監看監聽等產品

12G-SDI的多畫面目前PESA和ROSS有；大洋使用Hp服務器＋自己的虹橋八代卡可用作多畫面，高清可支持16路，4K可支持4路，目前4*3G、12G、IP均支持。Imagine已經有4K IP多畫面產品。

4K監視器：

SONY和松下均推出一款支持4K的監視器，4*3G，支持HLG、SQ、SLOG3等曲線，HDR，BT.2020色域，價格較為昂貴，均在40W左右，而且監視器體積大。

TVLOGIC,4K監視器有12G和4*3G的接口，亮度到達1000nit。

國內有OSEE，支持4*3G、12G。價格以及畫面效果等具體還需深入了解。

監聽目前只有支持3G的，沒有4*3G或12G的，但峰值亮度只支持800nit。但也有支持IP的（ST2110模式下分離音頻的監聽，需要測試）。

·4K字幕包裝

目前新奧特已經提供了4K的A10字幕機和4K的石墨圖文包裝等產品線。

進口廠家均為圖文包裝類產品，非常昂貴。目前也以支持
4*3G為主。

·4K延時器

廣州波視、格非都發布了4K的延時器，目前是4*3G的,有望支持12G和IP。

·4K同步產品

泰克公司的同步發生器(SPG8000)和測試信號發生器(TG8000)能夠為復雜環境提供各種各樣的基準信號和測試信號。而泰克自動切換單元(ECO8000/ECO8020)可以可實現兩臺同步機主備倒換。

SPG8000A是一款精密的多格式主控同步和主控時鐘發生器，適用于混合同步發生器和PTP (IEEE 1588)主控時鐘參考信號發生器應用?？蓾M足計劃從傳統基于SDI的基礎設施分階段遷移到基于IP的視頻（包括現場制作）基礎設施的客戶的新需求。

·4K應急介質機

索尼和松下均推出了面向4K的應急介質機。SONY稱介質機雖支持vdcp控制協議，但在實際測試中并沒有達到預期效果，目前索尼的應急介質機正在央視進行測試。松下新推出8K介質錄像機，價格不菲。

·SDN交換機

華為公司，已經發布支持25G/100G端口的路由器。有全球獨有的凈切換功能，但不支持靜切換。價格比較貴。H3C公司，已經發布支持25G/100G端口的SDN交換機。不支持凈/靜切換。

·SDN管理軟件

SDN即軟件定義網絡，其核心技術OpenFlow通過將網絡設備控制面與數據面分離開來，從而實現了網絡流量的靈活控制，使網絡作為管道變得更加智能。

在從SDI向IP過渡，就是從靜態的信號架構，向動態信號架構轉變的過程。管理一個動態的系統，且要實現廣電所見即所得的管理特點，軟件是IP系統的核心產品。

在傳統的制播網絡中，去中心化是網絡設計的一大目的，但由于SDN概念的發展，并結合目前制播網絡的應用，中心化的概念再一次被提上了風口浪尖，將SDN的核心計算放在服務器集群或云上，以提升計算能力要求來達到節省計算時間的目的。因此，基于SDN的集中化將會是傳統制播網絡升級的必然趨勢。

三．基帶信號選擇分析與思考

1. 4*3G-SDI

（1）優勢

各廠家的4K處理設備過去幾年的輸入輸出均采用4*3G，設備成熟；傳輸設備包括視分/幀同步/切換器等可以用完全成熟的3G產品（每路信號用4臺/塊）。GV獨家有4*3G切換臺產品供貨（同時兼容12G）。

截止目前，絕大部分進口廠家的4K視頻服務器、編碼器設備，都只支持4*3G信號輸入輸出格式。因此，可以立刻搭建出一套比較完善的播出系統，而且可以保證傳統的播出安全架構。但據了解某些廠家有只支持SQD而不支持2SI的情況，如果做集成，需要提前溝通確定細節。

4*3G 2SI模式，后者可以在確保若干路信號丟失情況下，后端依然可以恢復視音頻內容，因此監看的時候可以只取一路，節約監看監聽環節的成本。

（2）缺點

線纜太多，設備太多，需要更多的空間且部署成本高昂。4根線傳輸信號，長期運行會遇到同步漂移的問題。需要回到模擬分量時代的管理方式，即每過一段時間，逐個環節檢查同步——維護管理倒車。雖然2SI模式可以一定程度避免這個問題，但如果作為正式播出頻道，一定會成為一個負擔。4*3G系統先進性不高，沒有技術上的創新，花費巨資搭建的系統很快會被淘汰，造成資金浪費。隨著基帶IP技術和12G-SDI技術的發展，4*3G也必然被淘汰。尤其在總控環節基本不可接受。

2. 12G-SDI

12G-SDI技術的熱點在于演播室、轉播車等現場制作環節，尤其是在輕量化4K現場制作場景中，發展很快。因此，某一些視音頻廠商的產品在這個領域成熟較快。

這種方式是對于四線3G的優化改進，技術上并沒有什么變化，僅僅是減少了空間和線纜數量的問題。

（1）優勢

信號架構可以完全回到了目前大家熟悉的單線同軸模式。絕大部分產品已經有供貨，包括切換開關、切換臺、鍵控器、4x1、多畫面，矩陣也可以到144*144以上規模。且性價比較好。

（2）劣勢

進口視頻服務器、編碼器沒有支持的，但國產的都可以支持，所以如果采用進口產品，部分環節必須用轉換器實現信號的歸一化。

傳輸距離受限（加奈美的L-5.5CUHD直線測試極值100米），更遠距離需要采用光端機。且經測試，跳線環節會引入較大的衰減，衰減量在20%左右。因此，在目前末級廣泛采用4x1模式下，建議取消絕大部分跳線環節，減少信號傳輸衰減。從目前在HD的經驗，在播出內使用問題不大。

目前12G-SDI暫時沒有繼電器產品，所以所有的產品的背板均不支持掉電旁通。據悉這類產品可能在明年（2020年）出現。

（3）分析和建議

在頻道規模不大的情況下，又不想太多改變管理模式，建議采用12G-SDI模式搭建播出系統。

優勢在于：可以快速上線、架構成熟。性價比較高，管理模式可以幾乎不變，人員適應成本最低。

不支持掉電旁通帶來了一定程度風險，但從應急角度，比4x3G可能還是更簡單可靠。而且，等12G繼電器技術成熟后廠商直接更換背板。

3. IP

（1）基帶IP協議的現狀

ST2022-6：成熟協議，解決了嵌入式SDI信號和IP的封裝問題。不需要PTP同步即可工作。但需要＞12G的帶寬。4K系統中采用對帶寬和端口會造成壓力，不建議使用，央視的標準也沒有選用。各廠商也沒有支持的動力。

ST2110：正在完善協議，已經解決了視頻、音頻、元數據等數據通過IP進行封裝的問題。必須要PTP同步才能工作。只需要＜9G的帶寬，大量節省帶寬。

ST2059：定義了視音頻IP設備如何采用PTP時鐘進行同步。協議本身已成熟。

IS04/05/06：定義了視音頻IP設備在網絡內如何自發現、注冊等工作方式，最終服務于統一網絡管理的需求。目前只發布了IS04，05、06尚未正式發布，目前各廠商跟進速度并不快。ST2022-7：實現一個流傳輸的鏈路冗余，成熟協議。各廠商基本都支持。

（2）優勢

IP方式相比于基帶，可提供前所未有的高帶寬，可以達到25G、40G、100G?？梢院芎玫娜菁{4K系統在ST2110下9Gb/s帶寬。

一根光纖可復用多個信號，因此可以簡化布線空間和布線成本。而且采用單模光纖可以傳輸非常遠的距離，在遠距離傳輸的信號質量上可以得到保證。

IP協議與格式無關,所有的播出信號可以在一個交換機內調度。大量設備可以軟件化，系統更靈活，可以做到資源共享，很好的適應融媒體時代。

（3）缺點

SDI時代的靜態信號路由，在IP里變成了動態路由，使得信號在傳輸過過程中無法達到所見即所得的目的，必須依賴軟件才能工作。

圖1 IP與12G SDI混合的4K播出頻道系統通路示意圖

考慮動態路由容錯，必須引入2022-7，會增加系統資源消耗，增加成本。技術均為IT技術，相對傳統模式，可控性較差。以PTP為例，雖然具備了完善的master/slave等機制確保安全，但工作是完全依賴設備、交換機、時鐘源之間的自動協商，理論上有失效的風險。

在管理模式上，原有的基于SDI的線路維護和應急操作模式基本全部作廢。IP系統內，交換機將成為主題，交換機如何合理的配置網絡參數，各個節點的IP地址管理以及大量的交換機維護工作等新型工作內容，不僅僅是對管理人員更是對運維人員的挑戰，所有的問題都需要重新適應，要思考新的技術和管理方法，這需要在前期投入大量的時間和經驗來實踐出一套新的運維、管理模式。

（4）分析與建議

這是當下熱議的4K素材傳輸和播出方式。雖然目前IP化的方式尚未成熟并存在諸多問題，但這是未來發展的必然趨勢，這種趨勢的推動下，用不了多久該技術就會趨向成熟，所以目前如果采用IP技術上播出系統，肯定是將播出安全的要求降低，就是要在長期運行中不斷的發現問題、處理問題。以達到學習技術、培養人才、深化管理的目的，為未來系統全面IP化打好基礎。

我們初步構想的IP與12G SDI混合的4K播出頻道系統通路示意圖如下。采用主、備和第三備通路，IP與12G SDI混合方式。

四．DTMB-A技術標準與4K數字地面電視廣播

2015年7月8日，國際電信聯盟（ITU）公布：由中國政府提交的中國地面數字電視 傳 輸 標 準 的 演 進版本（D T M B-A，DTMB Advanced）被正式列入國際電聯ITU-R BT.1306建議書“數字地面電視廣播 的 糾 錯 、 數 據 成幀 、 調 制 和 發 射 方法”，成為其中的系統 E （ 如 圖 3 ） 。 這標志著D T M B-A已經 成 為 數 字 電 視 國際標準。數字電視地面廣播傳輸演進系統DTMB-A，通過對幀結構、星座映射、糾錯編碼等部分進行改進，獲得更優的系統性能。DTMB-A系統在8MHz帶寬下，可支持5.00Mbit/s~49.51Mbit/s的系統凈荷數據率。

圖2 國際電信聯盟標準ITU-R BT.1306-7

清華大學教授、北京數字電視國家工程實驗室主任楊知行指出，中國數字電視DTMB標準是繼美、歐、日之后的第四個數字電視國際標準。DTMB-A具有傳輸容量大、信號接收靈敏度高、抗干擾能力強、高速移動接收性能好等特征，是在原有DTMB標準基礎上的增強和提高。DTMB-A主要技術特點包括：新的靈活幀結構大幅度降低接收機復雜度和能耗，靈活支持多種業務；支持256QAM/256APSK等高階調制，使得數字電視傳輸演進系統頻譜利用率相比于現有國標DTMB有明顯提高；基于Golay-APSK的調制體制，在提高頻譜效率的同時提高差錯控制性能，保證傳輸的可靠性；新型LDPC碼進一步降低載噪比門限；多天線發射分集技術獲得空間分集增益，可消除傳統單頻網系統中“人工多徑”的影響，獲得更好的信號覆蓋；基于時頻二維信號處理的測距和定位算法，可實現在視距條件下的高精度、低復雜度的無線定位算法。

圖3 浙江嘉興超高清電視地面無線廣播試驗

香港地面數字電視廣播，一直在積極充當國家數字電視廣播創新發展的先鋒。2012年9月，香港電臺及無線和亞視，聯合北京數字電視國家工程實驗室，在香港進行了DTMB-A測試（同時還進行E-DTMB數據業務的測試），雖然傳輸碼率高達37.6Mb/s（最高可達近50Mb/s），顯著提高了頻譜的利用率和傳輸碼率，并進一步降低了接收門限，效果達到甚至優于DVB-T2。在香港進行的DTMB-A測試驗證了電視臺直接利用DTMB系統來做，可以兼容DTMB系統原有的基礎設施，傳輸容量顯著提升；驗證了DTMB-A高效率模式在香港復雜環境下也可以實現可靠接收，特別是在香港有山、有海、有潮汐等地理環境下。

2018年11月，數字電視國家工程實驗室（北京）與清華大學在浙江嘉興進行了中國首次超高清電視地面無線廣播試驗，實現了單頻道單點發射超高清電視無線覆蓋。這次超高清電視地面廣播試驗主要參數如下：

支持50或60幀4K超高清視頻；

信道傳輸：DTMB-A，256APSK、LPDC碼率；傳輸碼率超過40Mb/s；發射頻道：中心頻率562MHz，8MHz帶寬；發射功率1KW，發射塔天線高120m；覆蓋范圍達40KM。

通過現場選址，4K頻道地面廣播測試選定16個室外測試點和7個室內測試點進行了信號接收摸底測試，在接收機能夠正常接收解碼顯示超高清電視節目的情況下，記錄測試點接收信號場強。測試結果表明，采用DTMB-A傳輸的4K超高清電視廣播頻道可以覆蓋嘉興市區及郊區大部分區域。

2018年12月，國家廣播電視總局規劃院廣播電視計量檢測中心于對“嘉興4K超高清地面數字電視系統”進行了系統檢測，形成檢測報告。檢測主要結論說明：

（1）超高清視頻格式與質量：視頻分辨率3840×2160，幀率50f p s ，10b i t量化精度，B T.2020色域，5.1聲道；

（2）IP化封裝格式采用SMPTE ST 2110標準，視頻2110-20，音頻2110-30；切換調度時無丟幀，每幀完整，抖動小，IP視頻切換輸出碼率不變；SDN交換機數據處理延時3微秒，丟包率0%；視頻切換主觀效果良好；

（3）地面數字電視4K頻道采用嘉興市規劃使用的數字電視覆蓋頻道增補24頻道進行測試，實現了通過無線方式在一個電視頻道內播出超高清4K數字電視節目；采用DTMB-A標準傳輸，工作模式為256APSK，2/3碼率，32K FFT，最小接收功率為-84dBm，凈載荷39.61Mb/s；測試用的節目編碼后的碼流速率為36Mb/s；

（4）所測試10個室外固定接收點中，穩定接收點有9個，室外接收最遠覆蓋距離約39km；所測試7個室內固定接收點接收情況良好，7個測試點都可以穩定接收。

嘉興地面數字電視4K頻道技術試驗超高清試點項目完成了國內首次超高清地面廣播試驗，覆蓋范圍較大、接收效果良好；采用了我國自主創新的核心技術，系統實現以國產化設備為主，為大力發展4K超高清電視地面廣播進行了有益探索，同時也證明我國4K超高清電視地面廣播技術和產業化條件已基本具備。

五．4K播出系統研究總結

（1）4K播出頻道系統整體技術可行，具體技術細節需按照安全播出的要求，還需進一步細化與深化，避免與減少技術風險。

（2）全臺4K技術系統是個整體系統，各技術環節需整體規劃（總控、演播室、播出頻道等分系統），相互進行匹配與優化，達到整體最優。

（3）針對節目部門進行交流，根據節目部門需求和播出安全角度出發，應在進入播出系統或者播出流程之前，做到節目格式統一化。

（4）在穩步推進4K播出頻道系統的實施，探索8K播出頻道系統。做到4K先行，兼顧8K。

（5）隨著北京2022年冬季奧運會的臨近，建議在推進4K數字地面電視廣播的實施。

（6）建議在超高清系統中應用SDI/IP混合網絡架構，發揮SDI和IP各自的優點，是比較現實的策略。重點研究IP技術與產品。 B&P

參考文獻

[1] 工信部、國家廣播電視總局、中央廣播電視總臺印發《超高清視頻產業發展行動計劃（2019-2022年）》

[2] 《廣東廣播電視臺4K超高清電視播出控制、管理及監控平臺設計》

[3] 《嘉興超高清4K電視頻道設計與測試》