展望地面数字电视

　数字电视，是从电视节目录制、播出到发射、接收全部采用数字编码与数字传输技术的新一代电视。它具有许多优点，如可实现双向交互业务、抗干扰能力强、频率资源利用率高等，它可提供优质的电视图像和更多的视频服务(如交互电视、远程教育、会议电视、电视商务、影视点播等)。

　　按信号传输方式分类：数字电视可以分为地面无线传输（地面数字电视）、卫星传输（卫星数字电视）、有线传输（有线数字电视）三类。

　　与有线和卫星传输方式相比，在信道状况、应用需求等方面，地面传输方式更为复杂。在地面数字电视传输系统方案的选择上争议最大。然而，数字电视地面广播的推广和产业化将带来新的经济增长点，世界各国都非常重视其标准的制定及相关的知识产权问题。国际电信联盟(ITU)已批准了三种地面数字电视传输标准：美国的ATSC、欧洲的DVB-T和日本的ISDB-T。我国的数字电视地面广播传输标准正在制定之中。

　　一、发展地面数字电视的必要性

　　(1)全国有3亿多台电视机，其中一亿台以上要靠地面无线发射台覆盖；未来广播电视政策应保证：任何一台电视机，在没有机顶盒的情况下，仅通过免费的无线或有线电视系统，可以收看到一定数量的中央和省级节目。

　　(2)要保障一定数量的公益性广播电视节目。因此，无线和有线电视频谱中，要有一定数量的电视频道是免费的、便于接收的和同等覆盖条件下建设和运行成本比较低廉的。

　　(3)在自然灾害、战争情况下，较之有线和卫星传输，无线传输是最有效的广播电视安全覆盖手段。广播电视发射车可以单点大功率覆盖受灾地区，电视机用简单的天线即可接收。因此，在发射功率一定的条件下，接收机中最低的接收电平和较小的载噪比门限是决定调制方式的重要因素。

　　（4）地面数字电视作为一种不同于卫星和有线电视的覆盖方式，可以发挥其独有的优势，以市场化的业务自我生存和良性发展。特点表现在：地面数字电视将服务于未来宽带无线接入市场；支持移动接收业务；支持无线双向传输的双向业务；小功率多发射点，保障室内小天线的正常接收；蜂窝式覆盖可以提高频谱利用率。

　　二、国际地面数字电视的标准

　　目前全球共有三套国际地面传输系统标准，美国1996年高级电视系统委员会(ATSC) 研发的格形编码八电平残留边带(8-VSB) 即：ATSC 8-VSB；欧洲1997年提出的数字视频地面广播(DVB-T) 采用编码正交频分复用(COFDM) 即：DVB-T COFDM；日本1999年提出的地面综合业务数字广播(ISDB-T) 采用正交频分复用(OFDM) 即：ISDB-T OFDM。现简要介绍如下：
　数字电视，是从电视节目录制、播出到发射、接收全部采用数字编码与数字传输技术的新一代电视。它具有许多优点，如可实现双向交互业务、抗干扰能力强、频率资源利用率高等，它可提供优质的电视图像和更多的视频服务(如交互电视、远程教育、会议电视、电视商务、影视点播等)。

　　按信号传输方式分类：数字电视可以分为地面无线传输（地面数字电视）、卫星传输（卫星数字电视）、有线传输（有线数字电视）三类。

　　与有线和卫星传输方式相比，在信道状况、应用需求等方面，地面传输方式更为复杂。在地面数字电视传输系统方案的选择上争议最大。然而，数字电视地面广播的推广和产业化将带来新的经济增长点，世界各国都非常重视其标准的制定及相关的知识产权问题。国际电信联盟(ITU)已批准了三种地面数字电视传输标准：美国的ATSC、欧洲的DVB-T和日本的ISDB-T。我国的数字电视地面广播传输标准正在制定之中。

　输入的信息码流经过扰码处理后进行RS编码。RS编码器采用RS(203，187)编码方式，每187个净负荷字节添加17个校验字节，形成203字节的编码块。编码后的数据进入B×203字节的块交织器进行交织(对于QPSK子模式，B=50，其他模式B=51，这样，QPSK子模式下可以插入更多的训练符号)。交织处理后的数据进行内码编码，其中除QPSK2模式不进行格形编码外，其他模式进行编码比为R的格形编码。格形编码采用一个编码比为1/2的卷积编码器，将输入的一个比特编码成两个比特，其余比特不进行编码；然后将生成的比特组按照格形编码调制规则映射到对应的I-Q星座图上。对于QPSK1、16QAM、64QAM、256QAM来说，对应的格形编码比R分别为1/2、3/4、5/6、7/8；在经过格形编码得到的数据符号流中插入帧同步、拖尾符号(对于QPSK子模式，还要插入额外的训练符号)形成数据帧结构并进行传输。根据所采用的调制方式，每n个数据和FEC比特映射为一个符号，对于QPSK1、QPSK2、16QAM、64QAM、256QAM来说，n分别为2、2、4、6、8；映射得到的符号调制到单载波上，并经过12％的根升余弦滤波器滤波成形；上变频到发射频率发送出去。

　（2）VOFDM模式

　　VOFDM模式采用OFDM调制方式，在接收端使用两副天线和两个接收模块接收同一信号，该方法可实现频率、空间分集的矢量OFDM接收。在其中一个接收机模块有较大衰落的情况下，利用另一个接收模块接收的信号来弥补、合成得到较好的信号，供后续的模块进行处理，这两个接收模块使用矢量合成的方法，使得信道衰落得到均衡和补偿，所以称为双矢量正交频分调制。其原理如图2所示：

　　在发送端，输入的数据流经过编码、交织处理，然后进行IFFT运算、FIR滤波和插值运算，编码采用级联的卷积码和RS编码。VOFDM模式可以进行连续的或突发的数据发送。

　　在接收端，首先进行FIR滤波滤除带外信号，利用频率锁定环路和自动增益控制得到正确的同步，并设置接收信号电平，进行FFT运算；然后进行信道估值，用特定的合成算法产生合成信号，并进行FEC解码和解交织处理。级联的维特比和RS码的纠错方法利用了由OFDM信号进行信号干扰噪声矩阵计算得到的参数改善解码性能，得到MPEG-2码流。

　　VOFDM模式下增加了回传信道，用于上行数据流的传输，因此适合用于交互业务传输。回传采用FDM/TDMA帧结构，其MAC控制与DOCSIS的MAC控制兼容。

　　VOFDM模式支持双天线空间分集和频率分集，在时变多径信道条件下，具有良好的性能。因此，它在移动接收业务实施上有很大的优势。并且由于它能与有线电视的交互信道MAC方式兼容，所以与有线电视的回传信道有很好的兼容性。

　　CDTB-T地面数字电视方案的实施可分为两个阶段。第一阶段完成公益性任务，可以在现有的广播电视发射体系下，以单载波、单点大功率覆盖，较快完成无线数字电视的基本覆盖。第二阶段以开拓地面数字电视市场为主，使之发展成最先进的宽带无线多媒体覆盖网，以其移动、双向和灵活接收的性能和广播电视丰富的无线频谱资源，争取宽带无线接入市场的最大份额。
　　2．ADTB-T

　　国家高清晰度电视总体组在多轮数字电视功能样机系统研发基础上，向国家提交了两种数字电视地面广播系统传输方案：一种是基于单载波调制技术的ADTB-T系统，另一种是基于多载波调制技术的BDB-T系统。

　　ADTB系统包含七种传输模式,其中地面广播模式(ADTB-T)三种。采用偏置正交幅度调制(Offset Quadrate Amplitude Modulation, OQAM)方式。地面广播模式包含内码和外码。

　　ADTB地面广播模式的系统的工作过程大致如下：来自于固定接收、移动接收和数据服务的码流分别进入各自的缓冲器，经独立的扰码、外码编码(RS编码)、交织、内码编码后，在系统控制单元的控制下以时分的形式混合成一路，然后经同步信号插入、导频插入、OQAM调制后形成基带信号，再经上变换器调制到中频。地面广播模式有64OQAM、16OQAM和4OQAM三种。

　　ADTB信道编码：ADTB系统的传输方案具有段、场、帧结构，分别由段同步、场同步和帧同步指示，它们分别指示每一段、每一场和每一(业务)帧的开始。场同步和帧同步信号包含系统信息。输入码流首先经扰码处理获得平坦的频谱，其数据由T=10的RS编码器完成外码编码。经外码编码的数据进入卷积交织器，其输出在地面广播模式下进入内码编码。

　　ADTB系统信息：系统信息，包括传输模式、复位信息等经32倍扩展频谱处理，然后通过场同步和帧同步发送。

　　ADTB 混合传输模式：高级数字电视广播系统的地面广播支持混合传输模式。在混合传输模式下，来自于固定接收、移动接收和数据服务的码流分别经过独立的信道编码和插入系统信息后，以时分复用的方式混合发送。混合比例可以通过控制单元动态调节。在地面广播模式下，在8MHz频道内，采用单一传输模式，固定传输模式的码率达25Mb/s，移动传输模式为12.5Mb/s，数据传输模式为6.3Mb/s；采用混合传输模式，可同时以固定传输模式传输15Mb/s的数据用于一路HDTV节目、以移动传输模式传输4Mb/s的数据用于一路SDTV节目、以

　　OQAM的调制：OQAM的调制方式使得信号在时间上和相位上对称，时钟恢复和载波恢复相互独立并可以在极端的信道特性下迅速、可靠地获得。

　　3．BDB-T

　　BDB-T是一种针对数字电视多媒体广播业务和支持固定便携移动接收的COFDM传输系统方案，适用于数字电视地面广播。由于同属COFDM调制方式，BDB-T具有DVB-T的主要特点。

　　（1）BDB-T系统信道编码器：

　　信道编码器(除码流分裂器)含两套相同的编码电路，用于对两种优先级码流分别进行编码。在发送端，信道编码单元要完成扰码、RS码编码、卷积外交织和内编码(卷积编码)。

　　码流分裂器用来分离高低优先级码流，并按照后级读取数据基准时钟数据格式输出到加扰器。

　　加扰序列由15级线性移位寄存器产生，加扰处理后，采用t=8的缩短RS(204，188)码进行编码。

　　对RS编码的误码包进行深度为B×102的卷积交织。为适应不同应用场合，卷积交织器中的参数B可取4、8、16、24。

　　内编码采用卷积码。卷积码采用基于64状态1/2码率的主卷积码及其2/3、3/4、5/6和7/8码率的收缩卷积码。

　　4．SMCC/COFDM

　　电子科技大学提交的SMCC(Synchronized Multi-Carrier-CDMA)传输体制基于国际数字电视广播实践/移动通信的动向和最新的信道编码/调制技术，该方案兼顾了“三移动网(地面电视、移动视频、移动因特网)合一”的长远目标。

　　目前，国际上已有的地面电视传输体制均未能彻底解决移动和便携接收的难题。如何解决在高速移动和城市楼群的遮蔽中穿行时的信号重入/再同步问题、廉价地构建蜂窝单频网(Cellular SFN)，是技术焦点。在时间域与频率域中充分利用现代信号处理技术，实现宽带数据传输和优良的同步/跟踪，是SMCC系统考虑的首要问题。

　　SMCC系统由频域多载波处理COFDM、时域CDMA处理和SFN码流同步三部分组成，其中，多载波处理部分与通常COFDM部分的结构相同，但本方案对其工作参数做了创新的优化配置；时域处理和SFN码流同步部分体现了本方案的特点。SMCC的技术特点如下：

　　（1）具有优化参数的4K多载波技术

　　SMCC方案采用4K传输模式，基于3648点的多载波体制，可以构建各种类型的单频覆盖网，特别适宜构建分布式蜂窝单频网。其设计主要针对小区蜂窝单频网，同时还为实现大区单频网配置了较长保护时隙长度的传输模式。

　　SMCC采用级联信道编码方式。外码采用RS(206，188，t=9)的分组编码，内码采用可变码率的卷积码/TCM/Turbo-TCM编码。为抵抗突发干扰，在RS编码后采用同步卷积深度外交织方案。

　　信号以分帧方式传输。利用OFDM的时/频二维特性，在每帧插入连续导频、分布导频、传输参数信令(TPS)导频等参考信号。连续导频和分布导频采用BPSK方式调制，且以比数据载波平均电平高2.5dB的电平发射。

　　信号调制采用可变的映射星座方式，包括均匀和多分辨率的星座图，以适应不同数据率的码流传输。

　　（2）时—频并行的扩频技术

　　SMCC方案采用时—频并行扩频(CDMA)技术，以克服在移动接收时多普勒频移、运动(空间/时间)衰落、穿越阴影遮蔽等对同步的严重影响。引入(时域)长序列扩频信号的高相关能量积累效应，以实现准确的同步检测。

　　（3）周期性时域连续导频技术

　　在DVB-T及ISDB-T标准中，为解决连续4个OFDM符号(一个导频循环)的有效导频数目相等问题，连续导频的频率选择是随机的，无法形成“统一”的、有意义的时域连续导频信号。本协议中将连续导频的频率分布均匀化，使连续导频的子载波号均置为57的整倍数。即以57个OFDM符号为周期，形成SMCC方案的TPS信令周期。在此基础上定义以公式Φ(n,m,Gi)表述的“以57个OFDM符号为周期的逐帧相位级进补偿”，形成周期为119.913705kHz的时域连续导频参考信号，为时域同步和高精度快速多普勒跟踪创造了条件。

　　在接收端，采用“微弱信号检测”领域高性能“同步滤波”方式(称之为“循环CDMA同步滤波”)的专有技术，提取时域连续导频。

　　（4）系统传输流的整秒精确同步技术

　　在准备“多基站SFN”同播所用的TS复用流时，应按该网播出规定的码流速率严格控制。在DVB-T或DMB-T SFN中，由于其为非整数，控制很困难，需专用设备。SMCC方案将该数值优化置整，使蜂窝单频网同步高度简化。具体而言，对授时符号/系统同步的处理，在每个OFDM符号中纳入整数个TS包，并且在每一秒时段内对保护时隙所有不同情况均完全精确地纳入整数个OFDM符号。从而，对授时符号的定秒插入成为可能。源TS流内每秒加入2个“源授时包”。源授时包(其数据结构不必与基站授时包全同)具有绝不混淆且易于检出的特征字段，以便各基站据之进行信号流的“流经发送瞬刻”的精确同步控制，其精度约为±0.2μs。

　　SMCC的技术实现复杂度与DVB-T相近，但具有更大的系统潜力。其接收端技术可由厂家针对应用需求，分级实施。全面实施则有助于快速同步、高速移动下的频率跟踪和提高系统同步/锁相的稳健性，充分发挥系统潜力。

　　基于SMCC技术的数字电视地面无线传输网构建了国内外现有技术所难以达到的分布化、基站化、双向化数字电视地面无线传输的新体制，是对现有数字电视地面无线传输方法的革新,可以满足现代社会信息化事业的要求。

　5．DMB-T

　　DMB-T传输系统的设计指导思想是将数据检测与信道估计分别对待，以获得最佳接收效果。对于数据检测，DMB-T传输系统采用频谱效率高、抗多径干扰能力强、适用于宽带信号传输的OFDM调制方式。对于信道估计，DMB-T传输系统在时域采用已知的周期伪随机(PN)序列作为参考信号。与现有的数字电视传输标准相比，DMB-T采用了一种时域信号处理与频域信号处理相结合的创新技术，可以同时发挥数字信号处理在时域和频域的优势。

　　DMB-T传输系统采用的纠错编码和交织编码技术是根据多媒体业务和移动接收的服务需求而设计的。DMB-T的多层分组乘积码可以采用最新的Turbo算法解码，以获得接近信道容量的传输性能。

　　针对不同的应用，DMB-T传输系统的前向纠错编码分为两种模式：电视模式和多媒体模式。

　　1）电视传输专用的前向纠错编码

　　电视节目广播前向纠错采用2/3码率格形码、卷积交织码和RS码构成的级联码。RS(209，187)分组码是截短的RS(255，233)分组码，可以纠正11B的传输误码。为了减少突发脉冲干扰所造成的连续误码的影响，DMB-T传输系统在内码和外码之间插入了卷积交织编码B=19；M=22，总时延相当于36个RS(209，187)分组码。

　　2）用于多媒体传输的前向纠错编码

　　多媒体综合数据业务服务的前向纠错采用的是多层分组乘积码(Multi-level Block Product Code)。它是由分组乘积码BPC(3762，2992)构成的一种系统码，是二维分组乘积码BPC(4096,3249)的删余截短，其解码器可以采用高性能Turbo算法。

　　DMB-T传输系统的多层分组乘积码分为三层。不同层按定义映射到64QAM星座符号的不同比特位，因此具有不同程度的抗干扰能力。DMB-T传输系统的多媒体数据流可以根据需要给予不同的保护优先级。

　　针对地面无线广播信道的特性，DMB-T传输系统在时域和频域都进行数据交织编码。时域交织编码是在多个信号帧之间进行的，采用基于星座符号的卷积交织编码器，有四种工作模式。而频域交织编码是在一个信号帧之内，根据映射表来进行的。频域交织编码器将由3780个符号组成的输入符号矢量映射成一个新的输出矢量。

　　3）调制模式

　　DMB-T传输系统的符号星座图采用64QAM。对于不同的前向纠编码模式，其符号星座图有所不同。采用电视广播前向纠错编码模式的DMB-T传输系统是使用均匀分布的64QAM符号星座图，其I和Q坐标的投影为(-7，-5，-3，-1，1，3，5，7)。采用多媒体综合数据业务服务前向纠错编码模式的DMB-T传输系统是使用非均匀分布的64QAM符号星座图，其I和Q坐标的投影为(-9，-7， -4，-2，2，4，7，9)。非均匀星座图是为多层纠错编码所设计的。

　　TDS-OFDM调制应该按下列步骤进行：(1)输入的MPEG-TS码流经过信道编码处理后在频域形成长度为3780的IDFT数据块；(2)采用DFT将IDFT数据块变换为长度为3780的时域离散样值帧体，7.56M/s个样值；(3)在OFDM的保护间隔插入长度为378的PN序列作为帧头；(4)将帧头和帧体组合成时间长度为550的信号帧；(5)采用具有线性相位延迟特性的FIR低通滤波器对信号进行频域整形；(6)将基带信号进行上变频调制到RF载波上。

　　DMB-T传输系统既适用于地面数字多媒体电视广播系统，也适用于其它宽带传输系统。

　　我国幅员辽阔，对边远地区广播，卫星传输是最佳途径，对人口稠密的城市广播，有线电视是最合适的传输方式，它着重于解决“信息到户”问题。地面无线广播的优势在于可以实现移动和便携接收，能够满足现代信息社会“信息到人”的要求。同时地面数字电视作为一种不同于卫星和有线电视的覆盖方式，可以发挥其独有的优势，将服务于未来宽带无线接入市场，支持移动接收业，支持无线双向传输的双向业务。数字电视地面广播的推广和产业化将带来新的经济增长点，为广播电视事业带来新的发展机遇。