8K超高清終端直播實現(xiàn)方案

作者簡介：黃建慶（1988—），男，高級經(jīng)理，研究方向：超高清電路設計。

0   引言

5G 即第5 代移動通信技術（5th generation wireless systems， 簡稱5G）。國際標準化組織3GPP 定義了5G 的三大應用場景。其中，eMBB（enhanced mobile broadband，增強移動寬帶）指VR/ 超高清視頻等大流量移動寬帶業(yè)務。mMTC（massive machine type communication，大規(guī)模機器類型通信) 指物聯(lián)網(wǎng)，支持海量的物聯(lián)網(wǎng)終端。URLLC（ultra-reliable and low latency communications，高可靠和低延遲通信）指遠程手術、無人駕駛等需要低時延、高可靠連接的業(yè)務。超高清產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已成為國家戰(zhàn)略。2018 年，央視正式開播4K 頻道。央視規(guī)劃在2021 年開播8K 頻道。2022 年北京冬奧會將采用8K 直播，各大電視廠商、顯示巨頭正在紛紛規(guī)劃或者已經(jīng)推出了自己的8K 顯示面板，8K 超高清大屏終端市場發(fā)展迅速。8K 超高清、大尺寸已成為行業(yè)發(fā)展趨勢，從液晶面板到OLED 屏，再到最新的Micro LED，可以說整個顯示產(chǎn)業(yè)都迫切需要新的8K 顯示技術為終端顯示應用提供支撐。

1   整體技術架構

5G+ 超高清直播解決方案，前端音視頻采集設備與終端顯示設備分別通過5G 網(wǎng)絡接入到超高清內(nèi)容分發(fā)平臺，由平臺用戶管理進行數(shù)據(jù)調(diào)度，把前端設備采集的畫面通過5G 推流到終端設備中，實現(xiàn)5G+ 超高清的直播。5G 智能電視終端內(nèi)置5G 通信模組，負責5G 網(wǎng)絡接入。整個終端系統(tǒng)電路主要由天線陣列、5G 模組、邏輯FPGA 和8K SoC 等組成。8K 系統(tǒng)融合5G 模組接入5G 網(wǎng)絡，以獲取5G 數(shù)據(jù)流；同時，負責接收處理視頻信源，如HDMI2.0、HDMI2.1、AV 等；負責讀取播放USB2.0、USB3.1 中的文件；負責AVS3、H.266 等8K 解碼；負責接收AI攝像頭、遠場語音模塊、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)并處理；適配自主研發(fā)的安卓系統(tǒng)，具備跨廠商、跨平臺的操作和信息交互能力。邏輯FPGA 系統(tǒng)的視頻輸入包括DP2.0、HDMI2.1以及8K SoC 的V By One 信號，對輸入圖像信號進行解碼、圖像處理，并對轉(zhuǎn)換后圖像信號進行編碼。邏輯FPGA 系統(tǒng)的8K 輸出有3 種配置：輸出P2P 數(shù)據(jù)驅(qū)動Tconless 顯示屏， 輸出32lane V By One 信號驅(qū)動8K/60 Hz 顯示屏， 以及64lane V By One 信號驅(qū)動8K/120 Hz 顯示屏（如圖1）。

2   超高清接口技術

DisplayPort 1.4（簡稱DP1.4）和HDMI2.1 是目前支持8K@60 Hz 視頻信號傳輸?shù)膬蓚€標準，DP1.4 于2016 年3 月發(fā)布，HDMI2.1 于2017 年11 月發(fā)布。項目立項之初，市面上還沒有成熟的DP1.4 和HDMI2.1技術方案。本文基于DP1.4 和HDMI2.1 協(xié)議文本，選用FPGA 芯片進行原型設計開發(fā)，通過FPGA 自帶的GTH 模塊（高速收發(fā)器）作為第一級接收數(shù)據(jù)鏈路信號，然后通過DP 解碼或HDMI 解碼，還原出圖像數(shù)據(jù)。GTH 模塊的數(shù)據(jù)傳輸率高達16.3 Gb/s，完全滿足DP1.4 和HDMI2.1 對數(shù)據(jù)傳輸率的要求。

2.1 DP1.4技術

DisplayPort 采用4 條高速差分數(shù)據(jù)鏈路（Main Link）傳輸視頻圖像數(shù)據(jù)以及音頻數(shù)據(jù)，在規(guī)定傳輸速率的情況下采用自同步數(shù)據(jù)恢復，而終端設備的信息（EDID）是通過一條半雙工輔助通道來獲取。DisplayPort 主要由3 部分組成：Main link（主鏈路），AUX CH（輔助通道）和HPD（熱拔插檢測信號），其結構如圖2 所示。

圖2 DP1.4結構

2.2 HDMI2.1接口技術

HDMI2.1 協(xié)議物理層4 條數(shù)據(jù)鏈路，傳輸速率到12 Gbit/s，信道編碼方式為16B/18B。支持8K@60 Hz、4K@120 Hz 等，除了畫面規(guī)格外，提供對“動態(tài)HDR”的支持也是HDMI2.1 的一大特色，利用逐格的影像強化，提供比靜態(tài)HDR 更好的顯示效果，同時由于單條傳輸線上的速率已經(jīng)達到12 Gbit/s，為了保證信號的可靠傳輸，對HDMI2.1 線纜的要求也非常苛刻。由于8K 信號原始視頻數(shù)據(jù)量巨大，顯示鏈路帶寬明顯不夠，所謂顯示鏈路，是指主機顯示緩存與顯示器驅(qū)動電路之間的電路，顯示鏈路傳送的是屏幕內(nèi)容視頻，一般為原始視頻，數(shù)據(jù)量巨大。為了解決顯示鏈路帶寬不足的問題，DP1.4 和HDMI2.1 均采用了DSC 數(shù)據(jù)壓縮技術，目前最新版本是DSC1.2 版本。以HDMI2.1 為例，HDMI2.1 傳輸帶寬為48 Gbit/s，當傳輸8K 原始信號，其帶寬超過48 Gbit/s 時，將采用DSC1.2 壓縮技術。如表1 所示，紅色粗體字表示采用了DSC1.2 壓縮技術。

3   結束語

本方案基于現(xiàn)有的4K SoC 技術方案，詳細闡述了8K 超高清電視的系統(tǒng)原理、8K 高速接口及等關鍵技術和產(chǎn)品方案。目前已經(jīng)完成了超高清顯示終端產(chǎn)品、超高清視頻編解碼技術研發(fā)，并通過5G 網(wǎng)絡承載超高清內(nèi)容，較好地實現(xiàn)5G+ 超高清端到端直播系統(tǒng)。另一方面，為了進一步提高像質(zhì)量，降低8K 超高清顯示終端整機成本和實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，我們還有好多的工作要做。

參考文獻：

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年9月期）