L’augmentation de la résolution (spatiale) de l’image pour 4K (3840×2160) et 8K (7680×4320) comparée à la TVHD actuelle (1920×1080) ainsi que la nécessité de fournir pour ces services des taux de trame plus élevés (50/60 fps à 100/120 fps) représentent un défi majeur lorsqu’il s’agit d’acheminer jusqu’aux foyers un contenu UHDTV via le réseau de transmission terrestre, et ce, en raison du débit de données beaucoup plus élevé.
La DVB-T2 a été favorisée par de nombreux pays à travers le monde car elle a apporté les preuves d’un meilleur rendement spectral pour la diffusion terrestre. MPEG-4 semble cependant être le goulot d’étranglement pour la UHDTV car un débit de données plus élevé est nécessaire pour fournir de tels services. Par conséquent, HEVC devient obligatoire pour l’acheminement de la UHDTV via DVB-T2.
Le document ci-dessous donne un aperçu d’une solution de bout en bout complète pour l’acheminement de la UHDTV DVB-T2 en cinq étapes, basée sur un scénario réaliste. Chaque étape du traitement du signal UHDTV tout au long de la chaîne de transmission est ici décrite en détail. L’étape 1 commence par la phase d’acquisition dans l’environnement de postproduction. L’étape 2 décrit le codage HEVC temps réel du signal UHDTV et le multiplexage en un flux T2-MI. L’étape 3 décrit la transmission RF du signal UHDTV dans des conditions SFN en utilisant DVB-T2 et l’étape 4 décrit la réception du signal UHDTV et la démodulation RF. Enfin, le décodage HEVC et l’affichage sur un écran TV 4K (au foyer) sont décrits à l’étape 5. La figure 1 représente la chaîne de diffusion à partir de la génération du signal (acquisition) jusqu’à la reproduction sur un téléviseur UHD dans les cinq étapes mentionnées ci-dessus.
Ingest et playout 4K (environnement postproduction)
Le contenu UHDTV est le plus souvent généré par l’utilisation de caméras 4K. Le contenu UHDTV est stocké en interne dans la mémoire de la caméra ou, en cas de diffusion en direct, transmis en temps réel à un système Ingest via des câbles 4 x 3G-SDI. Le tableau 1 décrit les différents débits de données requis pour les divers formats d’échantillonnage de couleur et le nombre de bits par échantillon (profondeur binaire), basés sur une résolution UHDTV de 3840×2160 avec 60 trames par seconde (fps).
Une caméra 4K typique moderne peut, soit produire un contenu vidéo brut 4K à 50 fps ou 60 fps avec une profondeur de 10 ou 12 bits avec 4:2:2, soit enregistrer en interne le contenu 4K dans un format haute résolution compressé (XAVC, AVC Ultra, ProRes etc.) sur des cartes mémoire. Dans le premier cas, le défi consiste à acquérir le contenu 4K en combinant les signaux 4x 3G-SDI entrants dans un fichier 4K (stiching). Dans le second cas, les données peuvent être acquises par copie de fichier dans la mémoire du système de traitement qui doit être compatible avec les différents formats de fichier de caméra 4K. Dans les deux cas, il est nécessaire de réduire l’échantillonnage de couleur à 4:2:0 et la profondeur à 8 ou 10 bits pour que le signal UHDTV 4K soit conforme aux exigences de diffusion UHD-1 [UIT-R BT.2020].
Non seulement R&S Clipster répond parfaitement à ces exigences mais il gère également toutes les résolutions SD jusqu’à 8K et peut convertir les fichiers des différents formats (XAVC, ProRes etc) avec tous les échantillonnages de couleur (RVB, YUV) et de profondeur binaire (fig. 2).
R&SClipster synchronise automatiquement les signaux entrants et compile un fichier 4K (stiching) avant le traitement (fig. 3). Cette méthodologie est importante pour éliminer les artefacts apparaissant souvent à proximité des bordures des quatre quadrants des signaux entrants. À partir de cette étape, le signal est dans un format basé fichiers et peut alors être traité (encodage avec HEVC, JPEG2000) ou transféré dans un centre de diffusion ou de stockage principal (fig. 4).
Encodage HEVC temps réel et multiplexage
L’étape 2 décrit un scénario de diffusion réaliste où le contenu UHDTV 4K doit être traité en temps réel. Nous prendrons donc ici l’exemple d’une diffusion en direct d’un événement sportif nécessitant une haute résolution (UHDTV) et une cadence de trame élevée (de 50 fps ou 60fps).
Le défi s’avère ici complexe compte tenu que le diffuseur doit :
• Synchroniser les signaux 4 x 3G-SDI dans une image 4K unique (stitching).
• Encoder le signal 4K en temps réel en utilisant HEVC.
• Générer le multiplex UHDTV et charger les informations PSI/SI.
• Générer les horodateurs du signal GPS dans les paquets T2-MI (synchronisation SFN).
• Acheminer le flux de transport MPEG-2 (T2-MI) via IP ou ASI vers le réseau d’émetteurs.
Pour relever ce défi, Rohde & Schwarz propose le R&S AVHE100, un système modulaire qui fournit la totalité de la fonctionnalité d’une tête de réseau dans un espace extrêmement réduit. Le R&SAVHE100 utilise des composants informatiques à la pointe de la technologie, lesquels offrent l’extrême puissance de calcul nécessaire pour l’encodage HEVC et le traitement du signal. Les flux de signal à l’intérieur de la tête de réseau basés entièrement IP offrent ainsi la haute flexibilité nécessaire pour répondre à un large éventail de besoins des clients.
Les signaux 3G-SDI entrants sont initialement synchronisés dans le R&SAVHE100 (multiplexage) pour former une seule image 4K. Ceci est réalisé par les signaux entrants qui sont verrouillés (genlocked) en fréquence et en phase (avec un offset de 512 pixels maximum). Les encodeurs HEVC traitent ensuite l’ensemble des données 4K et génèrent le flux transport MPEG-2 ou MPEG-DASH conformément aux normes DVB. Le signal de sortie de la tête de réseau peut être réalisé via ASI ou IP et peut donc être utilisé à des fins unicast ou multicast et acheminé via satellite, réseaux terrestre, câble ou IP (fig. 5).
Remarque : le développement initial de l’encodage HEVC en temps réel nécessite plusieurs serveurs (quatre), en raison de la puissance de traitement élevée requise pour des résolutions (UHD) et cadence de trame plus élevées ; une simplification est cependant attendue dans les années à venir. Alternativement, un encodeur intégré dans un rack unique capable d’atteindre 30% à 40% d’efficacité d’encodage par rapport à H.264 peut être utilisé.
Acheminement UHDTV via le réseau SFN DVB-T2
La norme DVB-T2 a apporté la preuve d’une plus grande capacité de débit de données pour la diffusion de la télévision numérique terrestre. Ici, nous supposons un réseau DVB-T2 SFN réaliste basé sur une installation expérimentale dans la région métropolitaine de Séoul (Corée du Sud) ; les limitations suivantes ont été prises en considération dès le début :
• La bande passante RF DVB-T2 est fixée à 6 MHz.
• En raison du profil géostatique de la région métropolitaine de Séoul, un assez grand intervalle de garde doit être pris en compte pour la planification SFN, ce qui réduit la capacité de débit de données DVB-T2. Le choix de l’intervalle de garde de 1/16 est basé sur des réseaux DVB-T2 SFN de référence actuellement en fonctionnement en Afrique du Sud, Allemagne et Russie, ainsi que sur la spécification Nordig pour les réseaux DVB-T2 SFN dans les pays scandinaves [Nordig link] – tout en ciblant principalement la réception via des antennes râteaux.
• Les premières expériences avec le codage HEVC temps réel ont montré qu’un débit d’au moins 25 Mb/s est nécessaire pour obtenir des résultats satisfaisants (basé sur 3840×2160 avec 4:2:0 et 8 bits 60 fps).
• L’acheminement UHDTV 4K doit cibler à la fois la réception extérieure (toit) et intérieure.
Basées sur ces limitations, certaines configurations DVB-T2 possibles sont présentées :
• Le Mode 1 (256QAM) est la configuration DVB-T2 pour la réception via une antenne râteau sur le toit car il permet d’obtenir des débits de données les plus élevés possibles (26,6 Mb/s) avec une bonne protection contre le bruit.
• Le Mode 2 offre une protection contre le bruit légèrement améliorée par rapport au Mode 1 avec une légère réduction du débit des données.
• Les Modes 3 et 4 sont conçus pour une réception à l’intérieur, le Mode 4 ayant un intervalle de garde plus grand. Bien que ces modes présentent une meilleure immunité au bruit, leur débit de données se trouve limité, ce qui rend l’acheminement de la UHDTV à des cadences de trames élevées très difficile (possibles avec 3840×2160 à 30 fps).
Toutefois, cette approche SFN a été validée par des essais en grandeur réelle sur le terrain dans la région de Séoul sur la base de la topologie de l’émetteur et de la puissance d’émission RF pour le DVB-T2.
La tête de réseau R&SAVHE100 achemine le flux de transport MPEG-2 vers tous les émetteurs situés dans le PNS. Ces émetteurs prennent en charge les entrées ASI et IP. Les horodatages de synchronisation sont inclus dans le flux T2-MI et le réseau d’émetteurs est synchronisé en utilisant la signalisation GPS 1PPS pour la référence de temps et le signal 10 MHz pour la référence de fréquence (fig. 6).
Coté émission, Rohde & Schwarz propose la génération d’émetteurs Tx9 : le R&STHU9 / R&STHV9 répondant à des exigences de forte puissance à refroidissement par liquide et le R&STMU9 / R&STMV9 pour des moyennes puissances et des applications à refroidissement par air.
La génération Tx9 offre le plus haut rendement de puissance du marché (jusqu’à 38% en mode Doherty, système de refroidissement compris). Quelques-unes des différentes catégories de puissance d’émission RF sont décrites dans le tableau 3 ci-contre.
Démodulation RF et décodage HEVC
La dernière partie de la transmission UHDTV intervient sur le site du client. Typiquement, le signal RF DVB T2 est capté par une antenne Yagi installée sur le toit et acheminé vers le téléviseur UHD via un câble 75 Ω. Le démodulateur RF et le décodeur HEVC sont implémentés, soit dans le téléviseur, soit dans un boîtier décodeur (set-top-box). Cependant, dans un environnement expérimental où les opérateurs de réseau souhaitent effectuer une analyse approfondie de la RF et de la bande de base du signal DVB-T2 acheminant le contenu UHDTV, Rohde & Schwarz propose l’analyseur TV R&S ETL. Celui-ci reçoit le signal RF DVB-T2 contenant le service UHDTV et le démodule jusqu’au niveau de la bande de base. Sous la forme d’un flux de transport MPEG-2, le signal démodulé est ensuite introduit dans le GMITBMM-810 par l’intermédiaire de l’interface ASI. Le GMITBMM-810 est une solution basée sur un serveur pour la surveillance et la visualisation des services de diffusion vidéo et audio.
Il est capable de décoder le service UHD HEVC et d’acheminer le signal via les connexions Display Port ou HDMI vers un écran de télévision ou un projecteur 4K (fig. 7). Cette unité prend en charge le décodage simultané d’un maximum de quatre flux HEVC en résolution 4K.
Conclusion
Avec les prochains grands événements sportifs et l’augmentation constante de la dimension des écrans TV, la diffusion des contenus UHD 4K devient une réalité.
L’accroissement de la résolution à la fois spatiale et temporelle confronte les diffuseurs à de nouveaux défis étant donné qu’une utilisation et un traitement de débits de données beaucoup plus élevés sont alors nécessaires.
L’acheminement du contenu UHDTV devient encore plus difficile lorsque ces données doivent être transformées puis transmises sur des réseaux terrestres en raison des limites de capacité du canal.
Dans ce livret blanc, une solution UHD 4K de bout en bout utilisant des produits de Rohde & Schwarz a été démontrée à partir de la capture du contenu 4K jusqu’à son acheminement vers les foyers par l’intermédiaire d’un réseau SFN DVB-T2. Cet ouvrage est basé sur un cas de scénarios de test réel reflétant les exigences techniques des diffuseurs coréens les plus importants.
