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专业英语阅读训练作业 超高清电视传播技术的发展 Progress of Transmission technologies for UDTV
学 院(系): 电子科学与技术学院 专 业: 集成电路设计与集成系统 学 生 姓 名: 陈朝吉 学 号: 201081086 指 导 教 师: 邢慧玲
大连理工大学 超高清电视传播技术的发展 Dalian University of Technology
超高清电视传播技术的发展 本文作者描述了超高清电视传播技术的发展历程。 By Kimiyuki Oyamada, Satoshi Okabe , Katsunori Aoki, and Yoichi Suzuki
摘要:本文阐述了近年来超高清(Super Hi-Vision,SHV)技术的研究和发展历程,是在具有最高分辨率等级范围的超过清电视(UHDTV)的一个分支形式。本文覆盖描述了用于SHV节目制作和卫星广播系统的传播。为了适应短距离传输,研发了一种用于视频的光纤数字接口设备。该设备能够实现8路10Gb/s光信号的复用传输。实验证明其传输距离最少为2km,并且多个接口设备的接入并不会使系统的抖动性能恶化。我们还研发了一种带宽达到120GHz的无线产品投入到短距离传输环节,由此组成了三个收发部分。所有这三个部分在相同频率下传输和接收速率为10.3Gb/s的信号。实验表明当传输距离超过1.25km且接收设备距离为8m时串扰现象并不明显。同时我们还研发了一种远距离光纤连接设备,在距离超过260km时,通过使用光纤放大器而不用任何电子转发器来实现速度为24-Gb/s的SHV信号传输。对于远距离节点如全世界在线节点,IP网络节点是一个很好的选择,压缩视频的一些在线传输IP节点可方便管理。卫星中继传输和广播技术也都进行了研究。除此之外,我们还研发了一种使用LDPC和BCH编码的QPSK/8PSK 宽带调制解调器。该调制解调器传可以达到速度为251-Mb/s(QPSK)、667-Mb/s(8PSK)的信号传输,被用于在线SHV卫星传输试验。
关键词: 数字电视 高清电视 卫星传播 视频设备
I.引言 自2011年7月以来,在日本,绝大多数电视广播基本已经从模拟电视广播转变为数字广播。提供商提供的主要数字广播服务,相对于标清电视节目是高清电视节目(HDTV)。同时,在HDTV的标准上广播电视已经开始寻求发展下一代服务。例如,日本广播电视公司(NHK,日本东京)正在寻求和发展超高清电视(SHV)——一种是HDTV的16倍像素点和22.2多通道声音系统且允许用户在100度的观察视角范围内来观看图像的超高清电视(UHDTV)系统。相比于HDTV,SHV将提供给一个更好的“现场”体验和一种更逼真的现实感。SHV的卫星测试计划于2020年开始。本文将对现 超高清电视传播技术的发展 今使用的传输技术进行论述,包括光纤,无线传输,IP网络和卫星广播传输技术来记录状态数据流。 II.SHV的传输 A.UHDTV 图像解决方案 国际通信联盟组织——无线电部(ITU-R)推荐了四种UHDTV类型高分辨率的图像(EHRI)[1]。表1列出了EHRI的图像分辨率(16:9图像大小比例)。从ERHI-1到EHRI-3具有EHRI-0的整数倍像素点数。EHRI-0和EHRI-3独立对应于HDTV和SHV,然而EHRI-2对应于“4-K数字影院”。UHDTV同样有着电影电视工程师协会(SMPTE)定义的标准[2][3]。 表1 EHRI 像素点中的分辨率 B.二元绿色图像系统 表1中所示的SHV技术参数(EHRI-3)称为“全分辨率SHV”;全分辨率SHV的红、绿、蓝图像有7680*4320个象素点。然而在早期SHV发展阶段,用于全分辨率SHV的电影图像设备是难以实现的。实际的SHV摄像机和显示设备必须使用减少八百万个像素点的影像和电视设备。为了使这些设备能够处理SHV图像,使用两台成像设备用于绿色成像,分别用于红蓝图像处理。对角像素偏置法[4]用于处理绿色成像,这种合成系统被称为二维绿色成像系统。 虽然绝多数SHV程序一般基于二维绿色成像系统产生,而全分辨率SHV程序将是未来的主要形式。
C.传输比特率的计算 SHV信号中包含的信息量远远大于HDTV电视系统中信号数据流所包含的信息量。表2总结了全分辨率SHV的比特率值的计算。这里,“传输比特率”是指视频信号,音频信号和附加控制信号。 SHV水平方向拥有7680个像素点,垂直方向上有4320个像素点。每个像素点由红、绿、蓝三基色组成,并且每个组成点代表着12位值图像的信息。所有帧的帧扫描速度为60帧每秒,其比特率速率达到72Gb/s。表2还列出了相应二维绿色SHV对应下HDTV的比特率值。表中给出了HDTV的帧扫描速度为30帧每秒,而在SHV则为60帧每秒。日本广播协会(NHK)最近公布将开始研发120帧每秒的SHV系统,是目前速率的两倍。
D.多方式传输技术 从程序的产生到用户的接收,SHV程序系统运行着所有的广播信号信道,需要具备更多不同的传输技术。而传输距离长 超高清电视传播技术的发展 短也不同,由图1可知,在卫星广播中传输距离超过 70000km,相当于从卫星环绕地球一圈再返回。 SHV的传输媒介和技术的要求取决于接收目标和传输距离。对于程序的产生,SHV信号应完整不压缩传输,因为这些信号要完全降级和降低延迟。相反压缩SHV
表2 HDTV和SHV参数说明
信号则更适合于带宽有限的传输系统。如长距离传输和卫星或星际广播传输。
图1 传输距离范围 SHV的视频编码器仍在研发当中[5]。压
缩SHV信号的比特率不同于本文试验所描述,因为每个试验中使的编码器是在当时 最新能够使用的。最终的比特率参数和编码参数目前尚未确定。 接下来的部分本文阐述了目前发展起来的多种媒介传输技术。
III. 光纤传输 A.视频数字接口设备 1)目前已有的HDTV和UHDTV接口标准: 目前SHV仍然没有一个标准接口。HDTV接口已经标准化——高清串行数字接口(HD-SDI),同样的标准还有1.5-Gb/s的SDI[1]。HD-SDI能够以30帧每秒的速度传送HDTV视频信号。以及“双链接”和具有3-G/S的传输速度的3G-SDI标准也都已 超高清电视传播技术的发展 标准化。这些标准能够以60帧每秒的速度传送HDTV信号。双链接是HD-SDIs的一个组成部分,而3G-SDI是一个信号链接环节。10G-SDI(10-Gb/s串行数字接口)是最近被标准化的接口[6]。它能够传输3840*2160像素的UHDVT信号,且总的比特率达到10.692Gb/s。 2)视频传输质量要求:目前为止仍没有一个确定的测试SHV质量的方法,因此通常用HDTV的评估方法来代替测试。最初用于测试HDTV质量的方法适用于SHV的绝部分情况,因为SHV信号流设备和HDTV信号传输格式是相类似的。 绝大多数测量视频信号的方法都是通过颜色条测试实现[7]。这样的测量方法能够充分地对实际情况进行仿真。对于临界评估性能,在严格情况下,使用了串行位数字检测位信号(也称为误态模式)来不定期地测试信号是否被收到。 位错误率(BER)是数字传输中最重要的性能指标之一。其余的最要性能指标还有接收时钟抖动和传输过程中的信号处理延迟。BER理论上要求至少达到10-2每10G-SDI[7]。颜色条位错误率通常由数字视频信号中循环冗余校验编码的错误数量计算而来。 接收时钟抖动包含了一系列的光谱成分。对于HD-SDI信号,光谱成分中超过100kHz的属于线性抖动,而超过10Hz的归为定时抖动。线性抖动是定时抖动的一部分。线性抖动和定时抖动的振幅必须分别小于0.2单位间隔(UI)和1单位间隔(UI)。 延迟长。例如,在直播节目中将会影响到演播室的播报员和远在广播卫星站那头的采访记者之间的交流。因此,延迟在现场直播中是一个十分重要的因素。虽然并没有官方技术规范,但延迟应该远远小于视频传输帧周期(对于SHV,1/60s)。
B.SHV光纤接口设备产品 NHK开发了一种SHV光纤接口标准[9](图2)。该接口框图如图3所示。SHV输入信号包含了32个双链路接口。输入端被分成8个组,每个组被转换成一个10G-SDI电信号。这8个10G-SDI电信号随后被转换为8个具有不同波长的光信号,波长范围为1547.72到1553.33nm,间距为100 GHz(0.8纳米),是国际电信联盟电信标准化部门(ITU-T)电网通道允许的密集波分多路复用(DWDM)。
图2 光纤接口标准 我们测得接口标准的误码率和抖动特性。测量结果是通过在1.5-Gb/s的数字接口设备下测得,该数字接口设备是组成双链路接口的两个节点中的一个。图4展示了在2km颜色条测试测试信号和PRBS-31模 超高清电视传播技术的发展 式信号下,该接口误码率对应的光纤到电信号转换(O/E)的输入功率。当收到接收功率在O/E模式下-17到+0.5dBm时,传输到接口后误码率小于10-2。 传输抖动也同样经过了测试。线性抖动和定时抖动(0.1UI和0.16UI)都达到了要求。一连串的接口通常会增加抖动。图5显示了抖动与串接口数量的关系。准抖动维持在恒定,而接口的数量增加。当8
图3 接口框图 个接口被连接时定时抖动增长到0.04UI。但是,这仍然远远低于要求指标。 图4 误码率对应的光纤到电信号转换(O/E)的SHV光纤接口输入功率 在实验中用全分辨率的SHV摄像机来评估标准接口设备。该(8-h)实验展示了一个稳定、零错误率的传输全分辨率SHV视频信号能通过接口设备传输。
C.远距离光纤供给链接 2005年11月,NHK进行了世界上第一个SHV实况转播的二维绿色SHV图像和22.2多声道的声音信号实验传输。该实验在超过260km通过光纤网络进行,通过使用光纤放大器,而并没有使用电子中继器。广播公司为该实验建立了远距离传输装置,图6为光纤传输实验的结构组织。二维绿色SHV信号由16个HD-SDI信号组成。传输点的16个输入信号直接调制16路激光