数字电视及其测量浅谈

北京海洋兴业科技有限公司 王乐

摘要：本文在介绍数字电视基本概念和背景的前提下，介绍了数字电视测试的主要参数和主要仪器，并介绍数字电视测试行业的发展状况。

关键词：数字电视测试、传输码流、信号源

一、数字电视概念及其优点

1.什么是数字电视
所谓数字电视，是在电视的全过程中，视音频信号都是数字信号，即节目摄制、剪接、编辑、存储、发送、传输、接收和显示等环节全部采用数字处理的全新电视系统。也可以说数字电视是在信源、信道、信宿三个方面全面实现数字化和数字化处理的电视系统。其中电视信号的采集（摄取）、编辑加工、播出发送（发射）属于数字电视的信源，传输和存储属于信道，接收端与显示器件属于信宿。
2.数字电视分类
数字电视按其传输途径可分为三种：数字卫星电视（DVB-S），数字有线电视（DVB-C）和数字地面广播电视（DVB-T） , 数字手持电视（DVB-H ）。
数字电视按其传输视频（活动图像）比特率的大小可粗略划分为三个等级：普及型数字电视（PDTV），标准清晰度数字电视（ SDTV ）和高清晰度数字电视（ HDTV ）。其中 PDTV 属于 SDTV 的最低等级，现在数字电视的发展方向是以 SDTV 为主要发展方向，而在数字电视源端或某些领域采用 HDTV 。
3.数字电视的优点
与模拟电视相比，数字电视有如下优点：
① 图像传输质量较高，距离远。数字电视信号在传输过程中，多次中继（或复制）后不会发生干扰和噪声的积累，同时可采用纠错编码技术，提高抗干扰能力。所以数字电视在传输中保持信噪比基本不变，收端图像质量基本保持与发端一致，且传输距离不受限制。
② 频谱资源利用率高。频谱资源是国家重要资源，模拟电视的频谱资源有限。一套模拟电视节目要占用 36MHz 带宽的卫星转发器，占用 8MHz 的地面电视广播和有线电视频率。而数字电视采用压缩编码技术，在 36MHz 的卫星转发器中可传送 5 套 SDTV 节目，在一个 8MHz 频道内可传送 4 套以上的 SDTV 节目。
③ 提供全新的业务，实现高速数据传输。数字电视通信中可以互不干扰地同时传送文字、数据、语言、静止图像等多种数字信息。
④ 信息稳定可靠，设备维护、使用简单。
⑤ 节省发送功率，覆盖范围广。
⑥ 灵活友好的人机界面，易于实现条件接收。
因此，技术上先进的数字电视系统必然会取代模拟电视。
4.数字电视系统简介
数字电视广播系统主要包括地面广播、有线广播和卫星广播系统。
数字电视广播系统主要分为以下几个部分：
① 数字演播室系统；
② 视、音频信号的压缩编码部分；
③ 系统业务复用部分；
④ 信通编码部分；
⑤ 调制传输部分。
数字电视广播系统框图：（如图 1-1 ）

图 1-1

二、数字电视标准
1.什么是数字电视标准
在数字电视传输码流中，一个数据包有多大，含有多少字节，每个字节的含义是什么，甚至一个字节的某一比特位是何意义，都有明确的规定，这就是标准。
数字电视标准包括两大部分：数字电视演播室标准和数字电视广播标准。数字电视演播室标准定义未压缩音视频的格式、设备间的接口等，主要与节目的制作有关。数字电视广播标准涉及到音视频的压缩、数字信号的传输、条件接收系统、与数字电视广播业务有关的其它标准。
2.国际上的数字电视标准
目前，国际上有3个数字标准，分别是美国的标准ATSC（Advanced Television Systerm Committee ）；欧洲的标准DVB（Digital Video [FS:Page]BroadCasting）；日本的标准ISDB（Intetarted Services Digital Broadcasting ）。
欧洲的DVB 标准分为 3 个部分：卫星数字电视为 DVB-S ，采用正交键控调制（QPSK）；有线数字电视为 DVB-C ，采用正交幅度调制（ QAM ）；地面数字电视为 DVB-T ，采用正交频分复用调制（COFDM）。
DVB标准具有较多优点，因 DVB-S已被全球采用，而DVB-C也被欧洲、澳大利亚、北美、南美等国家采用。可以这样说，国际上数字卫星电视和数字有线电视原则上都采用欧洲的 DVB 标准，分歧比较大的是地面电视。 对于 DVB 数字电视系统测试标准，原则上是按《DVB系统测试标准TR101290》，该标准对 MPEG-2TS流的测试，卫星和电视网络传输媒介共同参数的测试，电视网络、卫星、地面、MMDS/MVDS的专门测试都给出了具体的方法和要求。
3.我国的数字电视的标准
我国是世界上电视用户最多的一个国家，应该拥有自有知识产权的数字电视标准。对于数字有线电视和数字卫星电视来说，国家已经明确采用 DVB 标准，即采用 DVB-S 和 DVB-C ，各地均在有序的进行。主要是具有自主知识产权的地面电视标准尚未制定。
我国确定自主制订地面广播电视标准。 2001年国家数字电视专项工作会议针对国内提出的数字电视地面传输方案进行征集。 2001年4月30日前 征集到四家标准研究单位 5 个地面传输方案。 2002-2003 年对这 5 套方案进行了测试，选出2个方案做进一步改进，即清华大学提出的方案DMB-T 标准和上海交通大学提出的方案 ADTB-T。在数字电视地面传输标准制定的最后阶段，清华大学主导的 DMB-T 标准和上海交通大学主导的 ADTB-T标准之间僵持不下，最终二者走向“融合”。
2006年8月18日中国国家标准委在“ 2006年第8号(总第95号) 中国国家标准批准发布公告”中发布了《 数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制》，属国家强制标准，2007年8月1日正式实施。 地面数字电视广播有三种接收方式：地面固定接收、移动接收和手持设备接收，我国数字电视地面标准主要适用于前两种接收方式，而针对手持接收将专门制定手机多媒体广播标准。

三、数字电视测试
数字电视测试大致可分为四个层次，即应用层、协议层、传输层、物理层。应用层测试主要针对于 SD/HD 的节目制作和播出部门，测试仪器应当提供多格式、多标准的测试平台，对数字电视音频基带信号进行质量测试。协议层测试主要用于衡量设备对于标准和协议的符合性，要求此类仪器尽可能多的具有当前通用协议，进行协议测试，如 MPEG-2 、 MPEG-4 、 H.264/AVC 和 VC-1 等。传输层测试用于评估各种调试方式的调试性能，如星座图、调制误差率、误码率等。物理层测试包括具体的物理接口测试，如输出功率、端口阻抗、回波损耗等。
1.位误码率（BER）
位误码率是发生误码的位数与传输的总位数之比。早期的数字电视监视接收机提供了一个位误码率指示，作为数字信号质量的唯一度量。误码率实质上与信号的信噪比（ S/N ）有关，它受到噪声、脉冲抖动，工业干扰及突发信号（如雷击）的影响。误码率可以由信噪比计算出来。
BER 测量结果通常使用工程表示法，并常常显示为一个瞬时比值和一个平均比值。典型的目标值为 1E-09 ，准无误码 BER 为 2E-04 ；临界 BER 为 1E-03 ； BER 大于 1E-03 将丧失服务。
2.调制误差率（MER）
调制误差率是信号理想的矢量幅度和信号误差矢量幅度和之比，以 dB 表示，其中误差矢量幅度是指信号能受到噪声干扰的总和， MER 是表征尚未误码时信号的质量，即正常工作时广义噪声干扰状态。调制误差率的测量目的是为了给接收信号提供一个单一的品质因数。
MER 可以为接收机对传输信号进行正确解码能力提供一个早期指示。事实上， MER 将接收符合（代表调制图案中的一个数字值）的实际位置与其理想位置比较。当信号质量降低时，接收符号距离理想位置更远， MER 测量值将会减少。（如图3-1）

图 3-1

3.星座图
星座图可以看成数字信号的一个“二维眼图”阵列，同时符号在图中所处的位置具有合理的限制或判决边界。代表名接收符合点在图中越接近，信号质量就越高。由于屏幕上的图形对应着幅度和相位，阵列的形状可用表分析和确定系统或信道的许多缺陷和畸变，并帮助查找其原因。星座图对于识别幅度失衡，正交误差，相关干扰，相位、幅度噪音，相位误差，调制误差比等调制问题相当有用。（如图3-2）

图 3-2

4.正交误差
正交误差使得符号在图中的位置更靠近边界限制，因而降低了噪声度。当I、Q相差不精确为90°，便会出现正交误差[FS:Page]。其结果是使得星座图不再为方形，而是看起来象一个平行四边形或菱形一样。
5.噪声误差
噪声是包括 QAM 在内的任何信号中最为常见和无法避免的损伤。加性高斯百噪声（AWGN）是噪声损伤的常规类型。由于它是白色（在频率上为平坦功率密度函数）和高斯性质（数学上为“正态”幅度密度）的，使得接收符号分布在理想位置得周围。

四、数字电视测试仪器
测试仪器作为数字电视产业链的重要环节，它的发展快慢直接影响整个产业的发展。本文以笔者所在公司北京海洋兴业科技有限公司所设计的内容进行了简单的分类：
1.基础仪器
在数字电视测试的过程中，除了要用到一些专业仪器外，还用到一些常用的基础仪器，如万用表、示波器、逻辑分析仪、频谱分析仪等，这些仪器用来测试一些基础参数，反映信号的基本特性。例如：示波器在视频信号的观测中应用较广，利用其视频触发功能可以进行行场触发，观察每一行场信号的模拟特性，如泰克公司的示波器 TDS3000B 可以观测视频信号的矢量波形，进行矢量分析十分简便。
2.数字电视信号源
数字电视信号源产生标准的数字信号，它可按不同的调制方式和制式产生测试信号，它们可以有静止图像，也可以有活动图像。数字电视信号源不仅可以产生标准信号，而且可以在标准信号上加上模拟的噪声等。
3.码流发生器
码流发生器可产生 MPEG2等TS码流，具有TS码流的记录和播放功能，以提供高清电视（HDTV）和标清数字信号（SDTV），含视、音频和其它图文数据。
4.码流分析仪
码流分析仪是按数字电视标准进行测试，对码流协议、码流结构、 SI表格信息分析、 EPG节目指南、码流测试、时钟PCR分析、QAM分析等。
5.数字电视测试仪器的发展方向
未来数字电视测试仪器有以下几个方面的发展趋势，对于数字电视接收终端设计、研发所需的测试仪器，不仅要注重其测试设备的高精度、高质量、还应向多标准、多功能的方向发展，不再是简单意义上的一台信号源，而是集码流发生、信通编码调制，信通仿真等功能于一体的测试系统，并具有良好的可升级性，以满足新的数字电视标准的测试需求。对于数字电视接收终端生产所需的测试仪器，应更多地注重其功能的单一性，以降低生产成本。对于发射前端设置测试，网络安全所需的仪器，应当注意其小型化、灵活化，以适应不同测试的需求。
综上所述，我以几个典型参数，仪器为例介绍数字电视及其测试。未来数字电视测量仪器将向两个方向发展：一个方向主要针对数字电视传输网络建设和运营维护的工程级测试。另一个方向主要针对高频用户，如数字电视设备研发。这就要求广大数字电视测试设备厂商，给自己一个比较准确的定位，更快的发展。

参考文献：
[1] Melody Zhao ：“DTV广播和视频终端开发需要视频技术的革新”，《电子工程专辑》 2006年3月.
[2] 向天明：“数字电视及测量”，《国外电子测量技术》， 2006年9月.
[3] 章文辉、王世平编著：《数字视频测量技术》，北京广播学院出版社.
[4] 姜秀华主编：《数字电视原理与应用》，人民邮电出版社.