8K超高清終端直播實(shí)現(xiàn)方案

作者簡介：黃建慶（1988—），男，高級(jí)經(jīng)理，研究方向：超高清電路設(shè)計(jì)。

0   引言

5G 即第5 代移動(dòng)通信技術(shù)（5th generation wireless systems， 簡稱5G）。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP 定義了5G 的三大應(yīng)用場景。其中，eMBB（enhanced mobile broadband，增強(qiáng)移動(dòng)寬帶）指VR/ 超高清視頻等大流量移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)。mMTC（massive machine type communication，大規(guī)模機(jī)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(yuǎn)程手術(shù)、無人駕駛等需要低時(shí)延、高可靠連接的業(yè)務(wù)。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(huì)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(gè)顯示產(chǎn)業(yè)都迫切需要新的8K 顯示技術(shù)為終端顯示應(yīng)用提供支撐。

1   整體技術(shù)架構(gòu)

5G+ 超高清直播解決方案，前端音視頻采集設(shè)備與終端顯示設(shè)備分別通過5G 網(wǎng)絡(luò)接入到超高清內(nèi)容分發(fā)平臺(tái)，由平臺(tái)用戶管理進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)度，把前端設(shè)備采集的畫面通過5G 推流到終端設(shè)備中，實(shí)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(fù)責(zé)5G 網(wǎng)絡(luò)接入。整個(gè)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(luò)，以獲取5G 數(shù)據(jù)流；同時(shí)，負(fù)責(zé)接收處理視頻信源，如HDMI2.0、HDMI2.1、AV 等；負(fù)責(zé)讀取播放USB2.0、USB3.1 中的文件；負(fù)責(zé)AVS3、H.266 等8K 解碼；負(fù)責(zé)接收AI攝像頭、遠(yuǎn)場語音模塊、網(wǎng)絡(luò)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(tái)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(hào)，對(duì)輸入圖像信號(hào)進(jìn)行解碼、圖像處理，并對(duì)轉(zhuǎn)換后圖像信號(hào)進(jìn)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(dòng)Tconless 顯示屏， 輸出32lane V By One 信號(hào)驅(qū)動(dòng)8K/60 Hz 顯示屏， 以及64lane V By One 信號(hào)驅(qū)動(dòng)8K/120 Hz 顯示屏（如圖1）。

2   超高清接口技術(shù)

DisplayPort 1.4（簡稱DP1.4）和HDMI2.1 是目前支持8K@60 Hz 視頻信號(hào)傳輸?shù)膬蓚€(gè)標(biāo)準(zhǔn)，DP1.4 于2016 年3 月發(fā)布，HDMI2.1 于2017 年11 月發(fā)布。項(xiàng)目立項(xiàng)之初，市面上還沒有成熟的DP1.4 和HDMI2.1技術(shù)方案。本文基于DP1.4 和HDMI2.1 協(xié)議文本，選用FPGA 芯片進(jìn)行原型設(shè)計(jì)開發(fā)，通過FPGA 自帶的GTH 模塊（高速收發(fā)器）作為第一級(jí)接收數(shù)據(jù)鏈路信號(hào)，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(dá)16.3 Gb/s，完全滿足DP1.4 和HDMI2.1 對(duì)數(shù)據(jù)傳輸率的要求。

2.1 DP1.4技術(shù)

DisplayPort 采用4 條高速差分?jǐn)?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(fù)，而終端設(shè)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(hào)），其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 DP1.4結(jié)構(gòu)

2.2 HDMI2.1接口技術(shù)

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(duì)“動(dòng)態(tài)HDR”的支持也是HDMI2.1 的一大特色，利用逐格的影像強(qiáng)化，提供比靜態(tài)HDR 更好的顯示效果，同時(shí)由于單條傳輸線上的速率已經(jīng)達(dá)到12 Gbit/s，為了保證信號(hào)的可靠傳輸，對(duì)HDMI2.1 線纜的要求也非?？量?。由于8K 信號(hào)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(jī)顯示緩存與顯示器驅(qū)動(dòng)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(shù)，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(dāng)傳輸8K 原始信號(hào)，其帶寬超過48 Gbit/s 時(shí)，將采用DSC1.2 壓縮技術(shù)。如表1 所示，紅色粗體字表示采用了DSC1.2 壓縮技術(shù)。

3   結(jié)束語

本方案基于現(xiàn)有的4K SoC 技術(shù)方案，詳細(xì)闡述了8K 超高清電視的系統(tǒng)原理、8K 高速接口及等關(guān)鍵技術(shù)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(shù)研發(fā)，并通過5G 網(wǎng)絡(luò)承載超高清內(nèi)容，較好地實(shí)現(xiàn)5G+ 超高清端到端直播系統(tǒng)。另一方面，為了進(jìn)一步提高像質(zhì)量，降低8K 超高清顯示終端整機(jī)成本和實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，我們還有好多的工作要做。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馬正先,陳超.HDMI 2.1與超高清電視應(yīng)用[J].電視技術(shù),2019(5):59-65.

[2] 孟月.“5G+8K”應(yīng)用 不斷掀起超高清視頻產(chǎn)業(yè)發(fā)展浪潮[J].通信世界,2018(26):11.

[3] 李超.時(shí)大鑫.超高清晰度顯示技術(shù)[J].現(xiàn)代顯示,2010(5):99-103.

[4] N/A Parade Technologies Ltd.Parade Introduces USB Type-C Retimer for Host Devices Supporting USB 3.1 Gen 2,DisplayPort 1.4a HBR3,and Internal Signal Muxing[J]. Journal of Engineering,2018:92.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年9月期）