地面數(shù)字電視的系統(tǒng)原理與覆蓋

文丨喻菊仙

（青海省廣播電視局560臺(tái)，青海西寧 810017）

地面數(shù)字電視廣播是高效、低成本、公益性的一種數(shù)字電視覆蓋手段。具有30MBps以上的數(shù)據(jù)傳輸能力，可以在模擬地面電視傳輸模式下的一套電視節(jié)目帶寬上傳送多達(dá)7-8套標(biāo)清數(shù)字電視節(jié)目，大大提高了無線頻譜的利用率，可以節(jié)約出許多寶貴的頻譜資源，提供多種多樣的增值服務(wù)內(nèi)容。因此得到業(yè)界高度重視和長足發(fā)展。

1 地面數(shù)字電視技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)

1995年、1997年和1999年，美國、歐洲和日本分別發(fā)布了三種不同的地面數(shù)字電視廣播傳輸技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（ATSC，DVB-T和ISDB-T）。無論是哪一種標(biāo)準(zhǔn)制式，都要經(jīng)過三個(gè)部分對(duì)信號(hào)節(jié)目源進(jìn)行處理。即:信源編碼，復(fù)用和信道編碼或調(diào)制。

1.1 信源編碼/壓縮部分

分別用于音頻、視頻和輔助數(shù)據(jù)的壓縮和編碼。輔助數(shù)據(jù)包括條件接收控制數(shù)據(jù)，控制數(shù)據(jù)和與視頻、音頻節(jié)目相關(guān)的數(shù)據(jù)。3套標(biāo)準(zhǔn)均采用MPEG-2視頻編碼的核心技術(shù)，向后可以兼容M P E G-1，向前可攜帶更為先進(jìn)的MPEG-4碼流。ATSC用Dolby AC-3音頻編碼，DVB-T采用MPEG-2音頻編碼，而ISDBT采用基于MPEG-4的AAC壓縮方式。

1.2 復(fù)用/傳送部分

分節(jié)目復(fù)用和系統(tǒng)傳輸復(fù)用。節(jié)目復(fù)用是將來自前段編碼器的視頻流、音頻流以及輔助數(shù)據(jù)流交織復(fù)合成MPEG-2系統(tǒng)規(guī)范的統(tǒng)一格式的數(shù)據(jù)包，系統(tǒng)傳輸復(fù)用是將多路節(jié)目TS流合并成一個(gè)復(fù)合數(shù)據(jù)流。在傳送數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時(shí)，要考慮各種傳輸媒體(如地面廣播，衛(wèi)星接收以及有線傳輸)以及計(jì)算機(jī)端口之間的互操作性。3套標(biāo)準(zhǔn)均采用MPEG-2復(fù)用方式。

1.3 信道編碼和調(diào)制

信道編碼也稱差錯(cuò)控制編碼或糾錯(cuò)編碼。它是附加盡可能少的冗余信息到比特流中，而獲得較強(qiáng)的檢錯(cuò)和糾錯(cuò)能力的一種手段。三種標(biāo)準(zhǔn)都是以RS碼作為外編碼；ATSC用格柵碼作為內(nèi)編碼，而其他兩種則采用卷積碼作為內(nèi)編碼。調(diào)制是將要傳送的信號(hào)數(shù)據(jù)流變換成適合于信道傳輸?shù)幕鶐盘?hào)，然后經(jīng)上變頻形成射頻信號(hào)。

這三種標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)中，除了美國制式ATSC是基于單載波調(diào)制外，其余兩種制式都是基于多載波調(diào)制——正交頻分復(fù)用（OFDM），RS前向糾錯(cuò)系統(tǒng)，只是在多載波的分組方式和同步系統(tǒng)上有所不同。相對(duì)于單載波調(diào)制方式而言，多載波調(diào)制方式在抗多徑；移動(dòng)接收和組建單頻網(wǎng)方面都有優(yōu)勝的一面。

ATSC系統(tǒng)采用8-VSB傳輸模式，串行數(shù)據(jù)流輸入到串/并轉(zhuǎn)換器，變?yōu)?路并行比特?cái)?shù)據(jù)流，經(jīng)D/A變換成8電平的數(shù)據(jù)，與載波相乘，即經(jīng)過平方根升余弦濾波器殘留邊帶濾波后，完成殘留邊帶的調(diào)制。它能夠可靠地在6MHz的電視信道中傳輸19·4Mbit/s的流量，經(jīng)RS編碼后達(dá)到21·35Mbit/s，其圖像分辨率是普通電視的5倍。ATSC系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是“地面同播模式”以及在相同的場(chǎng)強(qiáng)條件下可以降低發(fā)射機(jī)功率10%左右。

ISDB-T標(biāo)準(zhǔn)是在DVB-T傳輸方案上的延伸，只是它采用了分頻段OFDM調(diào)制。因?yàn)樵谝粋€(gè)6MH的帶寬里可以包含13個(gè)ISDB-T傳送帶寬，所以ISDB-T把調(diào)制分成了13段OFDM。每個(gè)OFDM段由數(shù)據(jù)段和導(dǎo)頻信號(hào)組成。每個(gè)數(shù)據(jù)段可以獨(dú)立指定其載波調(diào)制方式、內(nèi)碼編碼率、保護(hù)間隔比和時(shí)間交織深度等。因此在信號(hào)處理上具有相當(dāng)?shù)撵`活性。

我國的地面數(shù)字電視傳輸標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)際應(yīng)用不僅在北京地區(qū)完成了地面數(shù)字電視廣播的實(shí)驗(yàn)性播出；而且開拓了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的CMMB傳輸?shù)暮诵募夹g(shù)。系統(tǒng)采用了PN序列填充的時(shí)域同步正交頻分復(fù)用（TDS－OFDM）多載波調(diào)制技術(shù)，這種獨(dú)特的先進(jìn)技術(shù)有機(jī)地將信號(hào)在時(shí)域和頻域的傳輸結(jié)合起來，在頻域傳送有效載荷，在時(shí)域通過擴(kuò)頻技術(shù)傳送控制信號(hào)以便進(jìn)行同步、信道估計(jì)，實(shí)現(xiàn)快速碼字捕獲和穩(wěn)健的同步跟蹤性能，更可以降低接收端的耗電量。采用了RS編碼和高度結(jié)構(gòu)化低密度奇偶校驗(yàn)碼－LDPC，不僅提高了接收靈敏度，而且極大的降低了整個(gè)編譯碼硬件執(zhí)行的復(fù)雜性。在移動(dòng)多媒體性能測(cè)試中表現(xiàn)出比現(xiàn)有任何地面數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)都好得多的性能和優(yōu)勢(shì)。

2 地面數(shù)字電視發(fā)射系統(tǒng)

地面數(shù)字電視發(fā)射系統(tǒng)包括地面數(shù)字電視信源前段，傳輸網(wǎng)絡(luò)以及地面數(shù)字電視發(fā)射前段三大部分。其中，地面數(shù)字電視信源前端完成碼流的單頻網(wǎng)適配功能。在保證原有節(jié)目碼流不做任何改動(dòng)基礎(chǔ)上的ASI碼流和路功能和傳輸網(wǎng)絡(luò)適配功能；傳輸網(wǎng)絡(luò)主要完成ASI碼流端到端的100%透明傳輸功能（包括碼流內(nèi)容和格式）；地面數(shù)字電視發(fā)射前段主要完成ASI碼流分路功能和節(jié)目碼流的調(diào)制發(fā)射功能。

3 地面數(shù)字電視廣播的組網(wǎng)方式與單頻網(wǎng)的測(cè)試

地面數(shù)字電視廣播的傳輸及組網(wǎng)方式可分為單頻網(wǎng)和多頻網(wǎng)。在多頻網(wǎng)組網(wǎng)模式下，各個(gè)發(fā)射點(diǎn)采用不同的頻率進(jìn)行發(fā)射。在單頻網(wǎng)組網(wǎng)模式下，各個(gè)發(fā)射點(diǎn)采用相同的頻率在同一時(shí)刻發(fā)射相同的數(shù)據(jù)碼流。目前，單頻網(wǎng)是地面數(shù)字電視廣播的重要組網(wǎng)方式。

地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)結(jié)構(gòu)根據(jù)射頻信號(hào)產(chǎn)生方式的不同可分兩種形式：射頻信號(hào)集中產(chǎn)生和射頻信號(hào)分散產(chǎn)生。基于射頻信號(hào)集中產(chǎn)生方式的地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)結(jié)構(gòu)是利用各級(jí)中繼技術(shù)將主站發(fā)射機(jī)發(fā)射的射頻信號(hào)中繼延伸。然而，此種結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)只有主站發(fā)射的信號(hào)質(zhì)量能夠得到充分保障。而中繼獲得信號(hào)的站點(diǎn)發(fā)射的信號(hào)會(huì)因?yàn)橹欣^次數(shù)的逐漸增多會(huì)更加劣化?；谏漕l信號(hào)分散產(chǎn)生的地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)是目前采用的主要組網(wǎng)方式。來自復(fù)用器的TS碼流首先送入到單頻網(wǎng)適配器進(jìn)行適配，完成碼率適配和秒幀初始化包（SIP）插入功能，適配后形成包含秒幀初始化包的TS流通過節(jié)目分配網(wǎng)絡(luò)傳送到各個(gè)發(fā)射臺(tái)。節(jié)目分配系統(tǒng)可以采用直連光纖，SDH和微波等。經(jīng)過調(diào)制器同步處理后變換成射頻信號(hào)進(jìn)行發(fā)射。在地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)的構(gòu)建過程中，為保證TS流的同步，需要依賴全球定位系統(tǒng)。地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)性能與系統(tǒng)自身抗多徑干擾能力是與單頻網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的設(shè)置以及覆蓋區(qū)域的地理環(huán)境密切相關(guān)。為此，地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)調(diào)整的一個(gè)重要原則是減輕單頻網(wǎng)各發(fā)射點(diǎn)在重疊覆蓋區(qū)形成的多徑干擾。所謂重疊覆蓋區(qū)是指兩個(gè)或兩個(gè)以上發(fā)射點(diǎn)同時(shí)覆蓋，并且接受到的來自不同站點(diǎn)起主要作用的信號(hào)之差小于射頻保護(hù)率值的區(qū)域。具體而言，解決重疊覆蓋區(qū)多徑干擾的辦法是要盡力減小延時(shí)長度，減弱多徑信道存在的強(qiáng)度。具體可借助專用測(cè)試儀表的信道沖激響應(yīng)功能分析地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)重疊覆蓋區(qū)的多徑傳輸特性。單頻網(wǎng)的性能指標(biāo)測(cè)試主要包括接收信號(hào)電平；最小接收信號(hào)電平；信號(hào)裕量和載噪比門限。以及移動(dòng)接收測(cè)試時(shí)對(duì)單頻網(wǎng)重復(fù)覆蓋區(qū)的信號(hào)分布信息的整體了解。

總之，地面數(shù)字電視廣播有著眾多的先進(jìn)之處，但也受制于經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)和現(xiàn)有電視傳播設(shè)備及接收設(shè)備的廣泛使用。需要一定的完善過程和時(shí)間的整合，相信地面數(shù)字電視廣播有著更加美好廣闊的發(fā)展前景。

[1] 張國庭. 地面數(shù)字電視廣播信號(hào)在城市建筑密集地區(qū)的傳播特性. 廣播與電視技術(shù)，2006（12）.

[2] 馮景鋒. 國家地面數(shù)字電視傳輸標(biāo)準(zhǔn)單頻網(wǎng)覆蓋測(cè)試. 廣播與電視技術(shù)，2008（8）.