數(shù)字廣播電視信號(hào)傳輸技術(shù)綜述

龔運(yùn)高

【摘要】隨著高清電視、視訊點(diǎn)播和流動(dòng)電視服務(wù)需求的增加，觀眾對(duì)更有效的帶寬、更完美和更清晰的視頻質(zhì)量需求，推動(dòng)了模擬廣播電視向數(shù)字廣播電視的轉(zhuǎn)變。本文簡(jiǎn)要介紹了電視的發(fā)展歷史，并對(duì)世界各地不同的數(shù)字地面電視、衛(wèi)星電視、有線電視和移動(dòng)電視標(biāo)準(zhǔn)所采用的傳輸技術(shù)進(jìn)行了綜述。

【關(guān)鍵詞】高清電視;數(shù)字電視廣播;移動(dòng)電視;DTMB

中圖分類號(hào)：TN929? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2022.08.03

在全球范圍內(nèi)，電視媒體可能是向人們提供信息、教育和娛樂的最具成本效益的平臺(tái)。電視接收機(jī)無(wú)疑是世界上最流行的電子娛樂設(shè)備。國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）估計(jì)，擁有電視機(jī)的家庭數(shù)量約為14億戶。廣播和電視服務(wù)對(duì)于向公眾提供影響他們生活的新聞和信息是至關(guān)重要的，同時(shí)廣播電視也是一種娛樂方式。廣播也可以通過傳播課程和其他教學(xué)材料來達(dá)到重要的教育目的。在接受教育和搜集信息方面，電視和廣播在只有少數(shù)人使用互聯(lián)網(wǎng)的貧困國(guó)家顯得尤其重要。

1. 數(shù)字電視系統(tǒng)概述

通過以太傳輸圖像的想法可以追溯到19世紀(jì)，隨后在20世紀(jì)出現(xiàn)了幾項(xiàng)重要的發(fā)展，這些發(fā)展導(dǎo)致了全電子彩電的發(fā)明。與此同時(shí)，其他通信形式也在發(fā)展，人們對(duì)高質(zhì)量、沉浸式電視體驗(yàn)的需求也在增長(zhǎng)，它導(dǎo)致了數(shù)字廣播的廣泛應(yīng)用，為人們帶來了完美的高清視頻和高保真音頻，并引入了新的互動(dòng)服務(wù)和為移動(dòng)電視設(shè)計(jì)電視系統(tǒng)。數(shù)字電視系統(tǒng)由視頻編碼、音頻編碼、傳輸流格式、中間件和傳輸技術(shù)等幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化概念組成。在本節(jié)中，我們將對(duì)這些概念進(jìn)行概述，而論文的其余部分將重點(diǎn)討論在不同的數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)中使用的傳輸技術(shù)。

1.1 視頻與音頻編碼

高清視頻和高保真音頻傳輸正在成為電視行業(yè)的常態(tài)，對(duì)高清視頻、視頻點(diǎn)播和多媒體視頻和圖像服務(wù)的需求正在增加。因此，采用有效的數(shù)字壓縮技術(shù)對(duì)視頻和音頻信號(hào)進(jìn)行編碼是非常必要的。在過去的幾十年里，為了有效地表示視頻和音頻信號(hào)，已經(jīng)投入了大量的研究工作。源編碼是將模擬視頻/音頻信號(hào)（例如由攝像機(jī)捕捉到的信號(hào)）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并適當(dāng)壓縮數(shù)字信號(hào)以降低數(shù)據(jù)速率傳輸?shù)倪^程。源解碼器執(zhí)行編碼器的反向操作，將壓縮的視頻流轉(zhuǎn)換成未壓縮的格式。在數(shù)字電視中，視頻和音頻編碼減少了傳輸高質(zhì)量視頻和音頻信號(hào)所需的帶寬，并降低了傳輸功率。視頻/音頻編碼技術(shù)對(duì)于降低傳輸速率是至關(guān)重要的，但這可能會(huì)導(dǎo)致視頻/音頻質(zhì)量的降低。所以數(shù)據(jù)壓縮算法必須進(jìn)行精心設(shè)計(jì)。

運(yùn)動(dòng)圖像專家組（MPEG）成立于1988年，目的是為數(shù)字存儲(chǔ)媒體標(biāo)準(zhǔn)化視頻和音頻編碼壓縮算法。MPEG-1是第一個(gè)MPEG標(biāo)準(zhǔn)，旨在將數(shù)字視頻和音頻壓縮到1-1.5Mbits/s。它主要針對(duì)數(shù)字存儲(chǔ)媒體例如光盤。MPEG-1隨后也進(jìn)行了電視信號(hào)傳輸測(cè)試，它能夠保持模擬電視信號(hào)的質(zhì)量。MP3音頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)是基于MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的配置文件3。MPEG-2是為了消除MPEG-1在電視傳輸方面的缺點(diǎn)而進(jìn)一步開發(fā)的。MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)化了MPEG-1的壓縮算法，并且提供了更好的視頻質(zhì)量。MPEG-2被用于世界上大多數(shù)的數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)，包括DVB，ATSC，ISDB和DTMB解決方案。MPEG-4是專門針對(duì)互聯(lián)網(wǎng)或移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)上的視頻傳輸而設(shè)計(jì)的。MPEG-4也用于數(shù)字電視應(yīng)用，特別是高清數(shù)字電視。此外，MPEG-4第10部分（也被稱為H.264/AVC）的設(shè)計(jì)目的是在降低實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度的情況下提供MPEG-2或MPEG-4質(zhì)量的視頻。H。264/QVC被用于最新的數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)，包括DVB-T2、ISDTV和DTMB。

1.2 數(shù)據(jù)流多路復(fù)用格式

數(shù)字電視信號(hào)集包括視頻、音頻和其他互動(dòng)服務(wù)。它們的傳輸由控制信號(hào)支持，包括為傳輸特定幀調(diào)用的信道編碼碼速率和調(diào)制方案標(biāo)識(shí)。視頻、音頻、控制信息和其他服務(wù)在信息傳輸之前以專門設(shè)計(jì)的描述幀進(jìn)行傳輸。最流行的流結(jié)構(gòu)是MPEG-2音頻和視頻傳輸流（TS）結(jié)構(gòu)。

TS由TS數(shù)據(jù)包序列組成，每個(gè)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度為188字節(jié)，其中包含一個(gè)同步字節(jié)（sync byte）和數(shù)據(jù)包ID （PID）。MPEG還定義了程序特定信息（PSI），其中包括關(guān)于TS有效載荷的信息，然后接收器使用這些信息來解碼來自流的適當(dāng)數(shù)據(jù)。有一個(gè)與PID'0'相關(guān)聯(lián)的程序關(guān)聯(lián)表（PAT），它包含接收端用來解碼程序映射表（PMT）的PID的信息。PMT包含關(guān)于每個(gè)服務(wù)的基本流的PID的信息。這些流可以包括音頻、視頻和數(shù)據(jù)，比如字幕。當(dāng)接收器解碼特定服務(wù)時(shí)，它首先從PAT獲取PMT所需的信息，然后從PMT獲取服務(wù)的PID。

MPEG-TS結(jié)構(gòu)被用于所有已出版的數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)中。DVB-T2定義了一些其他的流結(jié)構(gòu)，稱為通用流（GS），以保證該標(biāo)準(zhǔn)的未來安全性。

1.3 交互式服務(wù)和中間件

20世紀(jì)90年代網(wǎng)絡(luò)大爆炸后，廣播業(yè)界擔(dān)心觀眾會(huì)從傳統(tǒng)的廣播內(nèi)容轉(zhuǎn)向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容。因此，電視市場(chǎng)出現(xiàn)了一些創(chuàng)新并引發(fā)了互動(dòng)電視的出現(xiàn)。這意味著電視媒體引入新的服務(wù)，讓觀眾可以控制音頻、視頻和文本元素?，F(xiàn)在有一種趨勢(shì)是為各種不同屏幕尺寸的電子娛樂設(shè)備提供電視內(nèi)容。還有允許用戶通過提供反饋通道與電視進(jìn)行交互，例如用戶可以使用增強(qiáng)的遙控器與電視進(jìn)行交互。

互動(dòng)電視是傳統(tǒng)電視廣播服務(wù)與互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合。然而，這兩種技術(shù)的融合并不像簡(jiǎn)單地將兩者進(jìn)行組合，因?yàn)閮煞N信息媒體下的底層技術(shù)是不同的。在這種情況下，必須將硬件及其驅(qū)動(dòng)程序從應(yīng)用程序中分離出來。這種軟件分離層被稱為中間件。中間件不直接訪問硬件或應(yīng)用程序，它通過查看器的輸入設(shè)備如遙控器等設(shè)備從應(yīng)用程序接收輸入，并通過反饋通道將信息發(fā)送到電視或遠(yuǎn)程設(shè)備。不同的標(biāo)準(zhǔn)化組織已經(jīng)制定了一些中間件標(biāo)準(zhǔn)。3E893C9A-8CEF-4A88-91D6-02373353C0DC

1.4 傳輸技術(shù)

傳輸技術(shù)是指在物理層中用于傳輸電視內(nèi)容的技術(shù)。這包括作為所遇到的近瞬時(shí)無(wú)線信道質(zhì)量的函數(shù)而激活的特定調(diào)制和編碼技術(shù)。數(shù)字電視是為地面、有線、衛(wèi)星和移動(dòng)頻道開發(fā)的。衛(wèi)星傳輸具有較低的接收功率、較高的信道帶寬和典型的視距線傳輸介質(zhì)，僅受加性高斯白噪聲影響，不受時(shí)變衰落影響。另一方面，基于電纜的信道具有高信噪比和有限帶寬的特點(diǎn)，僅受白噪聲的影響，沒有多徑干擾。同軸電纜提供的典型帶寬約為500MHz，由共享電纜的所有電視頻道共享。但是電纜的衰減系數(shù)很高，因此代表不同電視頻道的信號(hào)被映射到6-8MHz的帶寬，以允許電纜傳輸更長(zhǎng)距離的信號(hào)，從而減少所需的中繼器數(shù)量。

地面信道無(wú)疑是上述系統(tǒng)中最具挑戰(zhàn)性的方案。地面廣播信號(hào)經(jīng)歷多徑衰落，導(dǎo)致延遲擴(kuò)散。此外，地面廣播將為配備屋頂天線的固定接收機(jī)以及依靠小型內(nèi)置天線的移動(dòng)接收機(jī)提供信號(hào)覆蓋范圍。因此，第一代衛(wèi)星和電纜標(biāo)準(zhǔn)并未采用復(fù)雜和更為穩(wěn)健的正交頻分復(fù)用（OFDM）原理，但這在地面廣播中是必要的。

2. 綜合服務(wù)數(shù)碼廣播（ISDB）

在日本，日本公共廣播公司NHK設(shè)想在21世紀(jì)通過數(shù)字技術(shù)傳輸高清晰度電視的數(shù)字廣播。這一設(shè)想可以追溯到20世紀(jì)80年代，其目標(biāo)是將所有廣播系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為數(shù)字技術(shù)，以適應(yīng)高質(zhì)量的視頻/音頻和多媒體服務(wù)，同時(shí)允許用戶在家中和移動(dòng)中都享受高質(zhì)量的服務(wù)。

日本無(wú)線電工業(yè)和商業(yè)協(xié)會(huì)（ARIB）在1998年批準(zhǔn)了被稱為地面綜合服務(wù)數(shù)字廣播，或簡(jiǎn)稱ISDB-T的數(shù)字地面廣播系統(tǒng)的規(guī)范。圖1顯示了ISDB-T發(fā)射器的框圖，其中包括與其他標(biāo)準(zhǔn)相同的基本塊，包括置亂/能量分散、交織、信道編碼和調(diào)制。ISDB-T系統(tǒng)采用MPEG-2視頻編碼和MPEG-2高級(jí)音頻編碼（AAC），采用MPEG-2TS對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行封裝。ISDB-T系統(tǒng)是一個(gè)基于OFDM的系統(tǒng)，但它使用帶段傳輸OFDM（BST-OFDM）。顧名思義，BST-OFDM將可用帶寬分成稱為段的基本頻率塊。BST-OFDM改進(jìn)了編碼OFDM，在相同的多路復(fù)用中對(duì)一些OFDM載波進(jìn)行不同的調(diào)制。在ISDB-T中，BST-OFDM依賴于13段，不同的段可以采用不同的編碼調(diào)制方案。

BST-OFDM的一個(gè)基本特征是能夠在一個(gè)或多個(gè)OFDM段中使用不同的調(diào)制和編碼參數(shù)。這就產(chǎn)生了等級(jí)傳播的思想。ISDB-T使用分層傳輸，其中傳輸參數(shù)包括OFDM載波的調(diào)制方案、內(nèi)部碼的編碼速率和時(shí)間交織器長(zhǎng)度可以獨(dú)立指定為每個(gè)OFDM數(shù)據(jù)段。ISDB-T定義了最多三個(gè)層或三個(gè)不同的段組，稱為層a、層B和層C，用于同時(shí)在一個(gè)通道中傳輸。更明確地說，視頻編碼的比特通常有不同的錯(cuò)誤敏感性，因?yàn)樗鼈兊膿p壞會(huì)導(dǎo)致不同的感知效果。因此，最敏感的比特通常由更強(qiáng)的FEC碼編碼，并可能映射到錯(cuò)誤敏感性較低的調(diào)制方案。

MPEG-2TS首先由GF（256）上的RS（204，188，8）編碼。然后將RS編碼器的輸出分成204字節(jié)的數(shù)據(jù)包，再根據(jù)預(yù)先確定的控制信息進(jìn)行分層，即最多分為三層，如圖1所示。在非分級(jí)傳輸?shù)那闆r下，為傳輸定義了單個(gè)流。每一層中的處理都以相同的方式進(jìn)行，盡管不同層中不同塊的配置可能不同。然后，圖1中的擾頻器將每一層的數(shù)據(jù)隨機(jī)化，使用LFSR多項(xiàng)式進(jìn)行能量分散。然后，隨機(jī)流通過延遲補(bǔ)償塊。延遲補(bǔ)償用于補(bǔ)償獨(dú)立流之間的延遲差異。更明顯的是，由于每一層所采用的調(diào)制和編碼方案的不同，在不同的流中字節(jié)交錯(cuò)所引起的延遲是不同的。因此，為了補(bǔ)償延遲差異，在交錯(cuò)之前執(zhí)行延遲補(bǔ)償，這也包括在去交錯(cuò)過程中對(duì)延遲差異的補(bǔ)償。

綜上所述，ISDB-T系統(tǒng)使用BST-OFDM并支持最多3層的分層傳輸，通常稱為A、B和C層。傳輸參數(shù)可以在每一層中改變，目的是允許低復(fù)雜度的手持接收器解調(diào)分級(jí)傳輸?shù)膯蝹€(gè)段。這在感知上并不一定是不合適的，因?yàn)樾⌒褪殖制聊徊恍枰窀咔咫娨暺聊荒菢痈叩姆直媛省?/p>

3. 數(shù)碼地面多媒體廣播（DTMB）

在中國(guó)，數(shù)字電視的發(fā)展始于1994年，當(dāng)時(shí)中國(guó)政府發(fā)布了一項(xiàng)研究計(jì)劃。2006年，經(jīng)過廣泛的實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，《中國(guó)廣播影視行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》宣布發(fā)布數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)，即數(shù)字地面多媒體廣播（DTMB），簡(jiǎn)稱GB20600-2006。該標(biāo)準(zhǔn)在2007年8月被強(qiáng)制執(zhí)行，預(yù)計(jì)模擬電視將在2015年全部關(guān)閉。

圖2展示了DTMB發(fā)射機(jī)的高層框圖。物理層傳輸系統(tǒng)定義了物理邏輯信道（PLCH），根據(jù)信道編碼速率、調(diào)制星座和分配的時(shí)隙數(shù)來配置PLCH的吞吐量和魯棒性。PLCH分為40個(gè)時(shí)間槽，其中有一個(gè)控制邏輯通道（CLCH）和一個(gè)服務(wù)邏輯通道（SLCH）。CLCH占用PLCH中的第一個(gè)時(shí)隙，而SLCH可以占用多個(gè)時(shí)隙，為不同的廣播服務(wù)提供不同的傳輸能力。該P(yáng)LCH采用MPGE-2TS結(jié)構(gòu)復(fù)用。

如圖2所示，首先使用LFSR多項(xiàng)式對(duì)MPEG-2 TS進(jìn)行能量分散/置亂隨機(jī)化。隨機(jī)數(shù)據(jù)流然后使用GF（256）上的可變速率（240，K）RS編碼進(jìn)行編碼，其中k可以有以下值240，224，192和176。RS編碼后，數(shù)據(jù)使用行列交織器進(jìn)行字節(jié)交錯(cuò)。外部編碼器的輸出按字節(jié)分組，其中一行由240字節(jié)的RS輸出包組成，行數(shù)取決于調(diào)制方案和內(nèi)部編碼器編碼率的具體組合。數(shù)據(jù)按行寫入，按列讀取。

然后由碼率為1/2或3/4的LDPC編碼器對(duì)交織幀進(jìn)行編碼。LDPC編碼器的輸出幀長(zhǎng)度為9216位，這意味著1/2速率碼的輸入長(zhǎng)度為4608位，3/4速率碼的輸入長(zhǎng)度為6912位。LDPC編碼器的輸出幀然后位交錯(cuò)。圖2中使用的比特交織器是一個(gè)行-列位交織器，它對(duì)LDPC輸出幀進(jìn)行操作。然后使用BPSK、QPSK或16-QAM星座調(diào)制比特交織的比特流。數(shù)據(jù)流然后與分散的和連續(xù)的導(dǎo)頻復(fù)用。接收機(jī)知道導(dǎo)頻，并用于載波采集，時(shí)鐘同步和信道估計(jì)。輸出幀被一個(gè)復(fù)雜的偽隨機(jī)序列置亂，以便在接收端實(shí)現(xiàn)更快的同步和更準(zhǔn)確的信道估計(jì)。然后，使用1024或4096個(gè)符號(hào)的FFT對(duì)置亂序列進(jìn)行OFDM調(diào)制。DTMB標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)用于支持固定和移動(dòng)接收器。因此它被設(shè)計(jì)成一個(gè)靈活的系統(tǒng)，能夠播放多個(gè)高清電視節(jié)目，結(jié)合多個(gè)SDTV和其他多媒體內(nèi)容。它支持4.8-32.5 Mbit/s的編碼數(shù)據(jù)速率，同時(shí)支持單頻和多頻網(wǎng)絡(luò)。

4. 結(jié)論

在過去幾年中，消費(fèi)者的習(xí)慣一直在追隨新趨勢(shì)，包括社交網(wǎng)絡(luò)和用戶生成內(nèi)容，以及依賴智能手機(jī)和平板電腦等移動(dòng)設(shè)備。伴隨這些趨勢(shì)而來的是車內(nèi)娛樂的日益普及，人們對(duì)在家看電視和在路上看電視的需求，最后是追趕潮流的電視、視頻點(diǎn)播和互動(dòng)應(yīng)用的普及。上述趨勢(shì)的一個(gè)共同主題是支持流動(dòng)性。移動(dòng)電視有望使數(shù)字電視成為一種無(wú)處不在的體驗(yàn)。移動(dòng)電視被認(rèn)為是一項(xiàng)不斷發(fā)展的技術(shù)，它不僅僅包括在屏幕更小的移動(dòng)設(shè)備上看電視。除此之外，它還具有視頻點(diǎn)播、時(shí)間和設(shè)備切換等先進(jìn)功能，便于稍后觀看電視節(jié)目，即使切換到其他設(shè)備，也可以繼續(xù)觀看。此外，它還有望與社交媒體進(jìn)行復(fù)雜的整合。未來將是廣播、移動(dòng)和寬帶服務(wù)的融合。包括廣播服務(wù)、移動(dòng)服務(wù)和寬帶服務(wù)成為一個(gè)單一的網(wǎng)絡(luò)。隨著網(wǎng)絡(luò)向基于IP的技術(shù)的遷移，我們現(xiàn)在處在一個(gè)通信服務(wù)可以融合的時(shí)代。這主要是由于數(shù)字技術(shù)的使用，成本的降低伴隨著計(jì)算能力的提高，數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的進(jìn)步和基于IP的分組交換的廣泛采用。

參考文獻(xiàn)：

[1]張雨.基于5G技術(shù)的廣播電視信號(hào)傳輸研究[J].中國(guó)有線電視，2021（10）：1079-1081.

[2]李健，饒輝.數(shù)字IP微波傳輸廣播電視信號(hào)設(shè)計(jì)方案[J].數(shù)字通信世界，2021（08）：75-76.

[3]陳多喜.融媒體時(shí)代廣播電視工程技術(shù)中存在的問題和策略研究[J].中國(guó)傳媒科技，2020（07）：55-56.

[4]黃志軍.高清標(biāo)清無(wú)線數(shù)字電視信號(hào)傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)和發(fā)展趨勢(shì)[J].衛(wèi)星電視與寬帶多媒體，2020（13）：169-170.3E893C9A-8CEF-4A88-91D6-02373353C0DC