8K超高清终端直播实现方案

0   引言

5G 即第5 代移动通信技术（5th generation wireless systems， 简称5G）。国际标准化组织3GPP 定义了5G 的三大应用场景。其中，eMBB（enhanced mobile broadband，增强移动宽带）指VR/ 超高清视频等大流量移动宽带业务。mMTC（massive machine type communication，大规模机器类型通信) 指物联网，支持海量的物联网终端。URLLC（ultra-reliable and low latency communications，高可靠和低延迟通信）指远程手术、无人驾驶等需要低时延、高可靠连接的业务。超高清产业的发展已成为国家战略。2018 年，央视正式开播4K 频道。央视规划在2021 年开播8K 频道。2022 年北京冬奥会将采用8K 直播，各大电视厂商、显示巨头正在纷纷规划或者已经推出了自己的8K 显示面板，8K 超高清大屏终端市场发展迅速。8K 超高清、大尺寸已成为行业发展趋势，从液晶面板到OLED 屏，再到最新的Micro LED，可以说整个显示产业都迫切需要新的8K 显示技术为终端显示应用提供支撑。

1   整体技术架构

5G+ 超高清直播解决方案，前端音视频采集设备与终端显示设备分别通过5G 网络接入到超高清内容分发平台，由平台用户管理进行数据调度，把前端设备采集的画面通过5G 推流到终端设备中，实现5G+ 超高清的直播。5G 智能电视终端内置5G 通信模组，负责5G 网络接入。整个终端系统电路主要由天线阵列、5G 模组、逻辑FPGA 和8K SoC 等组成。8K 系统融合5G 模组接入5G 网络，以获取5G 数据流；同时，负责接收处理视频信源，如HDMI2.0、HDMI2.1、AV 等；负责读取播放USB2.0、USB3.1 中的文件；负责AVS3、H.266 等8K 解码；负责接收AI摄像头、远场语音模块、网络数据并处理；适配自主研发的安卓系统，具备跨厂商、跨平台的操作和信息交互能力。逻辑FPGA 系统的视频输入包括DP2.0、HDMI2.1以及8K SoC 的V By One 信号，对输入图像信号进行解码、图像处理，并对转换后图像信号进行编码。逻辑FPGA 系统的8K 输出有3 种配置：输出P2P 数据驱动Tconless 显示屏， 输出32lane V By One 信号驱动8K/60 Hz 显示屏， 以及64lane V By One 信号驱动8K/120 Hz 显示屏（如图1）。

2   超高清接口技术

DisplayPort 1.4（简称DP1.4）和HDMI2.1 是目前支持8K@60 Hz 视频信号传输的两个标准，DP1.4 于2016 年3 月发布，HDMI2.1 于2017 年11 月发布。项目立项之初，市面上还没有成熟的DP1.4 和HDMI2.1技术方案。本文基于DP1.4 和HDMI2.1 协议文本，选用FPGA 芯片进行原型设计开发，通过FPGA 自带的GTH 模块（高速收发器）作为第一级接收数据链路信号，然后通过DP 解码或HDMI 解码，还原出图像数据。GTH 模块的数据传输率高达16.3 Gb/s，完全满足DP1.4 和HDMI2.1 对数据传输率的要求。

2.1 DP1.4技术

DisplayPort 采用4 条高速差分数据链路（Main Link）传输视频图像数据以及音频数据，在规定传输速率的情况下采用自同步数据恢复，而终端设备的信息（EDID）是通过一条半双工辅助通道来获取。DisplayPort 主要由3 部分组成：Main link（主链路），AUX CH（辅助通道）和HPD（热拔插检测信号），其结构如图2 所示。

图2 DP1.4结构

2.2 HDMI2.1接口技术

HDMI2.1 协议物理层4 条数据链路，传输速率到12 Gbit/s，信道编码方式为16B/18B。支持8K@60 Hz、4K@120 Hz 等，除了画面规格外，提供对“动态HDR”的支持也是HDMI2.1 的一大特色，利用逐格的影像强化，提供比静态HDR 更好的显示效果，同时由于单条传输线上的速率已经达到12 Gbit/s，为了保证信号的可靠传输，对HDMI2.1 线缆的要求也非常苛刻。由于8K 信号原始视频数据量巨大，显示链路带宽明显不够，所谓显示链路，是指主机显示缓存与显示器驱动电路之间的电路，显示链路传送的是屏幕内容视频，一般为原始视频，数据量巨大。为了解决显示链路带宽不足的问题，DP1.4 和HDMI2.1 均采用了DSC 数据压缩技术，目前最新版本是DSC1.2 版本。以HDMI2.1 为例，HDMI2.1 传输带宽为48 Gbit/s，当传输8K 原始信号，其带宽超过48 Gbit/s 时，将采用DSC1.2 压缩技术。如表1 所示，红色粗体字表示采用了DSC1.2 压缩技术。

3   结束语

本方案基于现有的4K SoC 技术方案，详细阐述了8K 超高清电视的系统原理、8K 高速接口及等关键技术和产品方案。目前已经完成了超高清显示终端产品、超高清视频编解码技术研发，并通过5G 网络承载超高清内容，较好地实现5G+ 超高清端到端直播系统。另一方面，为了进一步提高像质量，降低8K 超高清显示终端整机成本和实现产业化，我们还有好多的工作要做。

参考文献：

[1] 马正先,陈超.HDMI 2.1与超高清电视应用[J].电视技术,2019(5):59-65.

[2] 孟月.“5G+8K”应用 不断掀起超高清视频产业发展浪潮[J].通信世界,2018(26):11.

[3] 李超.时大鑫.超高清晰度显示技术[J].现代显示,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.