國內(nèi)外地面數(shù)字電視技術(shù)分析與探討

朱 慶

(山西廣播電視無線管理中心，山西太原030001)

2011年12月經(jīng)國際電信聯(lián)盟批準(zhǔn)，我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)字電視國家標(biāo)準(zhǔn)DTMB，正式成為繼美、歐、日之后的第四個數(shù)字電視國際標(biāo)準(zhǔn)，這是我國電視進(jìn)軍國際市場又一大喜訊。電視作為一種最為廣泛的信息傳播媒體正迅速走進(jìn)數(shù)字化時代，特別是基于無線傳輸?shù)牡孛鏀?shù)字電視，更使移動數(shù)字電視成為可能，它被認(rèn)為是數(shù)字多媒體技術(shù)及應(yīng)用的一場革命，它不僅將刷新電視媒介的概念，更將極大地改變我們的生活方式，因而成為近年來技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展的熱點(diǎn)。

1 地面數(shù)字電視傳輸標(biāo)準(zhǔn)

數(shù)字電視是采用數(shù)字信號廣播圖像和聲音的新型電視系統(tǒng)，它從節(jié)目采編、壓縮、傳輸?shù)浇邮针娨暪?jié)目的全過程都采用數(shù)字信號處理。如按信號傳輸方式可分為地面(無線)數(shù)字電視、衛(wèi)星數(shù)字電視和有線數(shù)字電視三類，所以數(shù)字電視傳輸標(biāo)準(zhǔn)也包括三個標(biāo)準(zhǔn):地面?zhèn)鬏敇?biāo)準(zhǔn)、衛(wèi)星傳輸標(biāo)準(zhǔn)和有線傳輸標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)字電視有線傳輸標(biāo)準(zhǔn)和衛(wèi)星傳輸標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)確定采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)DVB-C和DVB-S，只有地面?zhèn)鬏敇?biāo)準(zhǔn)是采用擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的自有國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，在提倡技術(shù)創(chuàng)新的大背景下，其意義尤為重要。按功能來分其系統(tǒng)由三大部分組成:信源部分、信道部分和信宿部分。其中，信源編碼部分包括信源(音頻/視頻)編碼器和復(fù)用器。信源編碼對視頻/音頻信號進(jìn)行壓縮編碼，在一定壓縮率的前提下得到最高的解碼圖像質(zhì)量，其信源部分的算法主要依照MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)(或MPEG-4標(biāo)準(zhǔn))(多聲道音頻編解碼還可依照杜比AC-3算法實(shí)現(xiàn))，視頻編碼器的性能對整個DTV系統(tǒng)的圖像性能有決定性影響，而復(fù)用器可保證系統(tǒng)業(yè)務(wù)的靈活性和可擴(kuò)展性，完成各種數(shù)字碼流的組合、調(diào)整以及提供與地面無線傳輸網(wǎng)絡(luò)相適配的接口。

信道傳輸部分的任務(wù)是在給定傳輸帶寬并考慮傳輸信道所存在的各種干擾的前提下，保證最大容量數(shù)據(jù)流的正確傳輸，它是一個相對于信源透明的數(shù)據(jù)碼流傳輸公共平臺，與所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容無關(guān)。數(shù)字信號的編碼與調(diào)制方式?jīng)Q定了信道傳輸部分的主要性能，采用不同編碼與調(diào)制方式構(gòu)成了各國數(shù)字電視地面?zhèn)鬏敇?biāo)準(zhǔn)的不同。目前，國際上共有四套成熟的數(shù)字電視地面?zhèn)鬏敇?biāo)準(zhǔn)，即:美國1996年高級電視系統(tǒng)委員會(ATSC)研發(fā)的“格形編碼八電平殘留邊帶”(8-VSB)，歐洲1997年提出的數(shù)字視頻地面廣播(DVB-T)采用編碼正交頻分復(fù)用(COFDM)，日本1999年提出的地面綜合業(yè)務(wù)數(shù)字廣播(ISDB-T)，中國2010年提出的地面數(shù)字電視多媒體廣播(DTMB).

1.1 美國ATSC 8-VSB系統(tǒng)

ATSC采用的8電平殘留邊帶調(diào)制方式，它是有導(dǎo)頻的單載波調(diào)制，也是對現(xiàn)有成熟AM調(diào)制技術(shù)的發(fā)展。它能夠可靠地在6 MHz內(nèi)用8-VSB調(diào)制傳輸19.36 Mbps的數(shù)據(jù)。8-VSB系統(tǒng)加入了0.3 dB的導(dǎo)頻信號，用于輔助載波恢復(fù)，并加入了段同步信號，用于8-VSB系統(tǒng)同步。系統(tǒng)噪聲門限低(理論值≈14.9 dB)，抗多徑和抗干擾的能力依賴于復(fù)雜的自適應(yīng)均衡器，但對回波時延變化很敏感。系統(tǒng)提供固定的接收，不支持移動接收。

1.2 歐洲D(zhuǎn)VB-T系統(tǒng)

歐洲D(zhuǎn)VB-T系統(tǒng)采用COFDM調(diào)制方式，把傳輸比特分割到數(shù)千計的低比特率副載波上(例如，2 k模式有1 705個載波;8 k模式有6 817個載波)。歐洲系統(tǒng)中放置了大量的導(dǎo)頻信號，穿插于數(shù)據(jù)之中，并以高于數(shù)據(jù)3 dB的功率發(fā)送。這些導(dǎo)頻信號完成系統(tǒng)同步、載波恢復(fù)、時鐘調(diào)整和信道估計。導(dǎo)頻信號數(shù)量多且散布在數(shù)據(jù)中，能夠較為及時地估計信道特性的變化。為進(jìn)一步降低多徑效應(yīng)造成的碼間干擾，歐洲系統(tǒng)又使用了“保護(hù)間隔”技術(shù)，以抵御多徑的影響。

1.3 日本ISDB-T系統(tǒng)

日本提出的“綜合業(yè)務(wù)數(shù)字廣播”即ISDB-T系統(tǒng)使用的編碼調(diào)制方式與DVB-T基本相同，可以說是經(jīng)修改的歐洲方式，不同之處在于接收方面增加了部分接收和分層傳輸，將整個6 MHz頻帶劃分為13個子帶，每個子帶432 kHz，將中間一個用于傳輸音頻信號，并大大加長了交織深度(最長達(dá)0.5 s)，增加交織深度將引入長達(dá)幾百ms的延遲，該延遲將影響頻道切換和雙向業(yè)務(wù)。

1.4 中國的DTMB系統(tǒng)

中國的DTMB標(biāo)準(zhǔn)采用時、頻域綜合處理技術(shù)，支持高清、標(biāo)清、固定和移動接收，抗多徑干擾能力強(qiáng)，支持單頻組網(wǎng)。自主原創(chuàng)的時域同步正交頻分復(fù)用(TDS-OFDM)調(diào)制技術(shù)，完全不同于DVB-T和ISDB-T的C-OFDM制式;同時在信號幀結(jié)構(gòu)、前向糾錯技術(shù)等方面的自主創(chuàng)新，使得中國的DTMB標(biāo)準(zhǔn)具有比其他三個標(biāo)準(zhǔn)更優(yōu)越的性能，具備頻譜效率高、覆蓋范圍大、移動性能好、捕獲信號快、多業(yè)務(wù)擴(kuò)展性好等特性，具有完整的自主知識產(chǎn)權(quán)且由國家持有。

2 四種國際地面數(shù)字電視傳輸標(biāo)準(zhǔn)比較

(1)美國的ATSC標(biāo)準(zhǔn)采用時域處理技術(shù)，具備接收信噪比門限較低、頻譜利用率較高、功率峰均比較低的優(yōu)勢;存在的最主要問題是不能有效抗強(qiáng)多徑和快速變化的動態(tài)多徑干擾，使得固定接收要求架設(shè)離地10 m高的定向天線，且不支持移動接收和單頻組網(wǎng)。

(2)歐洲的DVB-T標(biāo)準(zhǔn)采用頻域處理技術(shù)，支持高清、標(biāo)清、固定和移動接收，抗多徑干擾能力強(qiáng)，支持單頻組網(wǎng)，已在60多個國家部署，是國際上應(yīng)用最廣泛的標(biāo)準(zhǔn)。存在的最主要問題是接收信噪比門限要求較高、頻譜利用率較低。

(3)日本ISDB-T標(biāo)準(zhǔn)采用頻域處理技術(shù)，秉承了DVBT標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)技術(shù)與系統(tǒng)架構(gòu)，因而也繼承了DVB-T標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)缺點(diǎn)，其后發(fā)優(yōu)勢在于提高了系統(tǒng)的抗脈沖干擾能力，形成了頻譜分段傳輸與手機(jī)移動接收兩大特點(diǎn)。

(4)中國的DTMB標(biāo)準(zhǔn)采用時、頻域綜合處理技術(shù)，支持高清、標(biāo)清、固定和移動接收，抗多徑干擾能力強(qiáng)，支持單頻組網(wǎng)。自主原創(chuàng)的時域同步正交頻分復(fù)用(TDS-OFDM)調(diào)制技術(shù)，完全不同于DVB-T和ISDB-T的C-OFDM制式;同時在信號幀結(jié)構(gòu)、前向糾錯技術(shù)等方面的自主創(chuàng)新，使得中國的DTMB標(biāo)準(zhǔn)具有比其他三個標(biāo)準(zhǔn)更優(yōu)越的性能，具備頻譜效率高、覆蓋范圍大、移動性能好、捕獲信號快、多業(yè)務(wù)擴(kuò)展性好等特性，具有完整的自主知識產(chǎn)權(quán)且由國家持有。

3 國標(biāo)DTMB技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢

3.1 頻譜效率高

頻譜效率在多載波技術(shù)和單載波技術(shù)進(jìn)行比較時曾被認(rèn)為是多載波技術(shù)的弱點(diǎn)，DTMB的核心技術(shù)TDS-OFDM正是針對這個問題而開發(fā)的。在歐洲D(zhuǎn)VB-T中，用于同步和信道估計的導(dǎo)頻載波數(shù)量約占總載波數(shù)的10%左右，DTMB系統(tǒng)的偽隨機(jī)(PN)同步序列放在OFDM保護(hù)間隔中，既作為幀同步，又作為OFDM的保護(hù)間隔，因而提高了頻譜效率約有10%。

3.2 接收信噪比門限低

接收信噪比門限在多載波技術(shù)和單載波技術(shù)進(jìn)行比較時曾被認(rèn)為是多載波技術(shù)的弱點(diǎn)，DTMB是世界上第一個采用LDPC糾錯編碼技術(shù)的地面數(shù)字電視傳輸標(biāo)準(zhǔn)。它優(yōu)越的糾錯性能使DTMB系統(tǒng)的接收信噪比門限優(yōu)于DVB-T系統(tǒng)3 dB。

3.3 抗多徑干擾能力強(qiáng)

OFDM多載波系統(tǒng)和單載波系統(tǒng)相比，OFDM系統(tǒng)更具有抵抗多徑干擾的能力。DTMB的OFDM保護(hù)間隔中插入的是已知的PN序列，接收端很容易準(zhǔn)確探測。通過準(zhǔn)確探測的接收PN序列可以獲得更準(zhǔn)確的信道估計，因而其抗多徑干擾能力更優(yōu)于DVB-T。

3.4 移動接收性能好

移動接收時存在多普勒效應(yīng)和遮擋干擾，使傳輸信道具有隨時間變化的特性。DTMB的信道估計僅取決于OFDM的當(dāng)前符號，而 C—OFDM的信道估計需要4個連續(xù)的OFDM符號。因此，C—OFDM在移動情況下，要考慮4個OFDM符號的信道變化影響，而TDS—OFDM只需考慮1個OFDM符號的信道變化影響。DTMB系統(tǒng)更適于移動接收，其高速率傳輸模式下的移動性能居國際領(lǐng)先。

3.5 系統(tǒng)同步快

TDS—OFDM是靠PN序列進(jìn)行同步的，僅在時域進(jìn)行。信號捕獲時間約為幾個毫秒，相當(dāng)于相鄰PN序列的時間間隔。而C—OFDM的同步技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，信號捕獲時間需要上百毫秒。

3.6 單頻組網(wǎng)成本省

DVB-T需要借助傳輸層信號幀格式進(jìn)行單頻網(wǎng)同步，其實(shí)現(xiàn)技術(shù)比較復(fù)雜。DTMB的物理層幀結(jié)構(gòu)以整秒為單位，能夠直接用于單頻組網(wǎng)的同步，實(shí)現(xiàn)設(shè)備簡單，建網(wǎng)成本低。

4 結(jié)束語

以上總結(jié)了四種國際標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)特點(diǎn)，詳細(xì)介紹了我國數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)在四種標(biāo)準(zhǔn)中的優(yōu)點(diǎn)。由于我國的電視標(biāo)準(zhǔn)已成為世界標(biāo)準(zhǔn)，這對我們的電視走向世界具有很大的政治意義和巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］羅軼洲，王群生，馮永浩.DMB-T系統(tǒng)技術(shù)要點(diǎn)綜述［J］.世界廣播電視，2002(9):34 －35.

［2］張珉.DVB-T系統(tǒng)綜述［J］.世界寬帶網(wǎng)絡(luò)，2003(12):15.

［3］潘長勇，王勁濤，胡曾千，等.數(shù)字電視地面廣播的關(guān)鍵技術(shù)—單頻網(wǎng)［J］.世界廣播電視，2004(3):70－72.

［4］梁偉強(qiáng)，歸琳，張震寧，等.單頻網(wǎng)實(shí)踐的探討［J］.世界廣播電視，2004(4):30－33.

［5］呂召田.數(shù)字電視發(fā)射機(jī)發(fā)展技術(shù)特點(diǎn)簡析［J］.數(shù)字電視基礎(chǔ)，2004(2):33－35.