淺談數(shù)字廣播電視信號(hào)移動(dòng)接收技術(shù)

黑龍江人民廣播電臺(tái)八一一臺(tái) 許正磊

隨著數(shù)字技術(shù)、信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，無(wú)線傳播領(lǐng)域正在相發(fā)一聲深刻的技術(shù)革命，就在這一兩年間，無(wú)線數(shù)字媒體的類型驟然豐富，除傳統(tǒng)媒體之外、手機(jī)電視、車載移動(dòng)電視，樓字分類電視，多媒體信息亭、地鐵多媒體信息系統(tǒng)等新興媒體紛紛涌現(xiàn)，移動(dòng)接收是個(gè)熱點(diǎn)，尤其是廣播電視的移動(dòng)接收，成為發(fā)展方向之一。在早期，這種移動(dòng)性主要受電源供電、設(shè)備尺寸的限制，基本上沒(méi)有辦法實(shí)現(xiàn)，移動(dòng)接收帶來(lái)的技術(shù)問(wèn)題也沒(méi)有提到議事日程上。在電子管時(shí)代，器件的尺寸比較大，耗電也多，真正的“移動(dòng)”只在軍事方面，使攜式的收音機(jī)也有，但一直不能普及。到了晶本管時(shí)代，收音機(jī)小到可以放在口袋里，廣播的移動(dòng)接收算是在一定程度上解決了。但是電視的移動(dòng)接收問(wèn)題要比廣播的移動(dòng)接收困難得多，下面就數(shù)字廣播電視在移動(dòng)中接收技術(shù)進(jìn)行分析。

一、數(shù)字電視地面廣播

在現(xiàn)代通信中，通信傳輸手段主要是光纖、衛(wèi)星、數(shù)字微波等，加上地面無(wú)線電視廣播電視發(fā)射構(gòu)成信息主體。目前在我國(guó)數(shù)字電視按信號(hào)傳輸方式可以分為地面無(wú)線傳輸數(shù)字電視、衛(wèi)星傳輸數(shù)字電視、有線傳輸數(shù)字電視三類。而移動(dòng)電視是數(shù)字電視地面廣播的重要應(yīng)用。數(shù)字電視地面廣播在應(yīng)用需求上要求實(shí)現(xiàn)移動(dòng)和便攜接收的功能，使整個(gè)技術(shù)系統(tǒng)的要求最高。它具備無(wú)線數(shù)字系統(tǒng)所共有的優(yōu)點(diǎn)，較之衛(wèi)星接收，有實(shí)理容易、價(jià)格低廉的特點(diǎn)；較之有線接收不易受城市施工建設(shè)、自然災(zāi)害戰(zhàn)爭(zhēng)等因素造成的斷網(wǎng)影響；數(shù)字電視地面廣播通過(guò)電視臺(tái)制高點(diǎn)天線發(fā)射無(wú)線電波，覆蓋電視用戶，用戶通過(guò)接收天線和電視機(jī)收看電視節(jié)目，主要的受眾也是針對(duì)本地區(qū)的。完善的數(shù)字電視地面廣播系統(tǒng)所具備的蜂窩單頻網(wǎng)功能，不僅提高了頻譜的利用率，而且可應(yīng)用與寬帶無(wú)線接入市場(chǎng)；而移動(dòng)和便攜的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)使該系統(tǒng)能滿足現(xiàn)代信息社會(huì)“信息到人”的要求，也就是無(wú)論何人何時(shí)在何地均能任意獲取他想得到的信息。

二、移動(dòng)接收所遇到的主要問(wèn)題

移動(dòng)接收采用的方式是無(wú)線數(shù)字信號(hào)發(fā)射、地面接收。因此，移動(dòng)接收所遇到的問(wèn)題之一就是衰落，這是所有無(wú)線通信系統(tǒng)都會(huì)遇到的問(wèn)題。對(duì)于固定接收可以采用分集接收等方法予以克服，但對(duì)于移動(dòng)接收而言分集接收的方法顯然不實(shí)用，因此衰落問(wèn)題尤為突出。

電波在沿地表傳播中會(huì)受到各種阻礙物的反射、散射和吸收，實(shí)際到達(dá)收信天線處的電波除了來(lái)自發(fā)射天線的直接波外，還存在來(lái)自各種物體（包括地面）的反射波和散射波。反射波和散射波在收信天線處形成干涉場(chǎng)，此外，在移動(dòng)通信中，還存在因移動(dòng)臺(tái)（天線）的快速移動(dòng)而劃過(guò)顛簸的波節(jié)和波幅的駐播現(xiàn)象及由于多普勒效應(yīng)而造成的相移，凡此種種原因，就使得實(shí)際移動(dòng)臺(tái)接收到的場(chǎng)強(qiáng)在振幅和相位上均隨時(shí)隨地在急驟變化，使信號(hào)很不穩(wěn)定，這就是無(wú)線電波的衰落現(xiàn)象。衰落的嚴(yán)重程度通常隨頻率或路徑長(zhǎng)度的增加而增大。目前還無(wú)法對(duì)衰落進(jìn)行精確的預(yù)測(cè)，但區(qū)分繞射衰落和多徑衰落兩種不同類型的衰落是十分重要的。前者為慢衰落，短期信號(hào)中值電平在長(zhǎng)期中的起伏：后者為快衰落，即瞬時(shí)信號(hào)電平在短期中的起伏。這兩種衰落的表現(xiàn)和影響是不同的另外，與其他無(wú)線通信系統(tǒng)不同的是，移動(dòng)接收的關(guān)鍵點(diǎn)是移動(dòng)。因此，移動(dòng)接收還存在一個(gè)其他無(wú)線通信不會(huì)遇到的問(wèn)題，這就是多普勒效應(yīng)。系統(tǒng)方面，移動(dòng)接收還要考慮覆蓋網(wǎng)的建設(shè)，接收機(jī)（特別是便攜機(jī)）的耗電，接收天線的安裝等問(wèn)題。從基本原理考慮，模擬廣播電視信號(hào)是不宜實(shí)現(xiàn)移動(dòng)接的。

為解決移動(dòng)接收中遇到的問(wèn)題，廣播電視信號(hào)必須首先實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。利用數(shù)字技術(shù)無(wú)線接收，可有效解決以上問(wèn)題。只要在信號(hào)有效覆蓋范圍內(nèi)，所有移動(dòng)交通工具，只要配有接收設(shè)備，都可以接收數(shù)字移動(dòng)電視信號(hào)。

三、移動(dòng)接收中的關(guān)鍵技術(shù)

PFDM是正交頻分復(fù)用（0rthogonal Frequency Division Multiplexing）的縮寫(xiě)，是在嚴(yán)得電磁干擾的通信環(huán)境下保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定完整傳輸?shù)募夹g(shù)措施。OFDM的基本原理是：高速信息數(shù)據(jù)流通過(guò)串/并變換，分配到速率相對(duì)較低的若干子信道中傳輸，第個(gè)子信道中的符號(hào)周期相對(duì)增加，這樣可減少因無(wú)線信道多徑時(shí)延擴(kuò)展所產(chǎn)生的時(shí)間彌散性對(duì)系統(tǒng)造成的碼間干擾。另外，由于引入保護(hù)間隔，在保護(hù)間隔大于最大多徑時(shí)延擴(kuò)展的情況下，可以最大限度地消除多徑帶來(lái)的符號(hào)間干擾。如果用循環(huán)前綴作為保護(hù)間隔，還可避免多徑帶來(lái)的信道間干擾。在過(guò)去的頻分復(fù)用系統(tǒng)中，整個(gè)帶寬分成N個(gè)子頻帶，子頻帶之間不重疊，為了避免子頻帶間相互干擾，頻帶間通常加保護(hù)帶寬，但這會(huì)使頻譜利用率下降。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)。OFDM采用N個(gè)重疊的子頻帶，子頻帶間正交，因而在接收端無(wú)需分離頻譜就可將信號(hào)接收下來(lái)。OFDM的特點(diǎn)是各子載波相互正交，擴(kuò)頻調(diào)制后的頻譜可相互重疊，不但減少了子載波間的相互干擾，還大大提高了頻譜利用率。主要技術(shù)特點(diǎn)如下：1）可有效對(duì)抗信號(hào)波形間的干擾，適用于多徑環(huán)境和衰落信道中的高速數(shù)據(jù)傳輸；2）通過(guò)各子載波的聯(lián)合編碼，具有很強(qiáng)的抗衰落能力；3）各子信道的正交調(diào)制和解調(diào)可通過(guò)離散傅利葉反變換和離散傅利葉變換實(shí)現(xiàn)；OFDM能夠有效地對(duì)抗衰落和多普勒現(xiàn)象帶來(lái)的負(fù)面影響，使受到干擾的信號(hào)能夠可靠地接收。OFDM碼率低，又加入了時(shí)間保護(hù)間隔，具有極強(qiáng)的抗干擾能力。其多徑時(shí)延小于保護(hù)間隔，所以系統(tǒng)不受碼間干擾的困擾。在有關(guān)移動(dòng)接收的幾種標(biāo)準(zhǔn)的制定過(guò)程中，都采用OFDM作為其核心技術(shù)。

四、移動(dòng)接收制式

眾所周知，地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)目前有多種制式，這些制式總體上可以分為單載波方式和多載波方式兩類，美國(guó)用的ATSC是單載波的，歐洲的DVB-T是多載波的。英國(guó)是實(shí)施DVB-T標(biāo)準(zhǔn)最成功一個(gè)國(guó)家，并成功的開(kāi)通了地面數(shù)字電視廣播。法國(guó)、瑞典、西班牙在實(shí)施地面數(shù)字廣播方面也獲得了成功。除我國(guó)自己提出的若干種制式，我國(guó)DTTB的制定原理是：

（1）傳輸信息要大，支持包括高清電視的多媒體廣播服務(wù)；

（2）抗干擾能力強(qiáng)，一般室內(nèi)環(huán)境下可接收；

（3）與現(xiàn)有模擬廣播電視頻道兼容，并有利于頻道規(guī)劃和模擬向數(shù)字過(guò)渡；

（4）具有靈活性；支持標(biāo)準(zhǔn)高清晰度和高表晰度兼容的電視廣播，支持移動(dòng)接收設(shè)備，支持便攜接收設(shè)備；

（5）具有可擴(kuò)展性；支持包括互聯(lián)網(wǎng)的交互數(shù)據(jù)綜合業(yè)務(wù)，支持廣播網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展需要。整體性能指標(biāo)應(yīng)優(yōu)于或相當(dāng)于相應(yīng)的國(guó)外現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的性能。通過(guò)地面數(shù)字廣播網(wǎng)絡(luò)向便攜/手持終端提供多媒體業(yè)務(wù)所制定的傳輸標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)是歐洲的數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)DVB-T的擴(kuò)展應(yīng)用。和DVB－T相比，DVB-H終端具有功耗更低、移動(dòng)接收和抗干擾性更強(qiáng)的特點(diǎn)，因此該標(biāo)準(zhǔn)適用于移動(dòng)電話、手持計(jì)算機(jī)等小型便攜設(shè)備能過(guò)地面數(shù)字電視廣播網(wǎng)絡(luò)接收信號(hào)。也可以說(shuō)DVB-H標(biāo)準(zhǔn)依托DVB-T傳輸系統(tǒng)，通過(guò)增加一定的附加功能和改時(shí)技術(shù)使手機(jī)等手持便攜設(shè)備能夠在固定和移動(dòng)狀態(tài)下穩(wěn)定地接收廣播電視信號(hào)。在DVB-T的移動(dòng)性進(jìn)行測(cè)試的時(shí)候，也提出了DVB-T在移動(dòng)環(huán)境下是否適合其他多媒體應(yīng)用的問(wèn)題。移動(dòng)電話制造商，對(duì)通過(guò)DVB-T的高數(shù)據(jù)率的應(yīng)用提供移動(dòng)的多媒體服務(wù)特別感興趣。其動(dòng)機(jī)是，在移動(dòng)電話商業(yè)價(jià)值鏈中，電視最后一個(gè)不在手上的鏈路。由于用DVB-T向移動(dòng)電話廣播有缺點(diǎn)，所以有了制定以DVB-T為基礎(chǔ)的，專用于手持接收機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)的主意。這方案叫做DVB-H。DVB-H的基本商業(yè)要求是用電池供電的小的屏幕移動(dòng)終端。它應(yīng)該能夠在手提式的，移動(dòng)的和室內(nèi)的環(huán)境中，使用單一天線接收多媒體業(yè)務(wù)。

五、DAB和DVB-H在技術(shù)上的異同

從總體上看，DAB和DVB-T/H傳輸系統(tǒng)是以相同的調(diào)制和編碼技術(shù)為基礎(chǔ)的，這就是編碼正交頻分頻復(fù)用（COFDM）。它們之間的差別主要是在特定的區(qū)域，如載波間隔，載波調(diào)制，F(xiàn)FT的大?。ㄒ簿褪歉陛d波的數(shù)量）等等。FFT大小：DAB在一個(gè)1.5MHz的信道里，可以應(yīng)用256，512，1k和2k的FFT；DVB-H可以在5，6，7或8MHz帶寬的信道中應(yīng)用2k，4k和8k的FFT。時(shí)間分片：DVB-H的時(shí)間分片是一種在接收機(jī)上節(jié)省功率的新機(jī)制。如果在沒(méi)有業(yè)務(wù)傳輸?shù)哪切r(shí)間段，接收機(jī)可以斷開(kāi)，那么就可以節(jié)省電池的電力。DVB-H的時(shí)間分片意味著數(shù)據(jù)是以突發(fā)脈沖串的方式傳輸?shù)?，這些脈沖串從幾毫秒到幾秒之間。這項(xiàng)技術(shù)以下列二個(gè)與業(yè)務(wù)有關(guān)的問(wèn)題的折衷為基礎(chǔ)：業(yè)務(wù)需要什么數(shù)據(jù)率？而在接收機(jī)這邊應(yīng)當(dāng)節(jié)省多少電池的電力？DAB也是用串的形式傳輸數(shù)據(jù)的。這種“數(shù)據(jù)脈沖串”是DAB幀的一部份，幀跟隨在一個(gè)無(wú)效符號(hào)后，持續(xù)24ms。時(shí)間交織：DVB-H沒(méi)有采用時(shí)間交織，因?yàn)镈VB-T標(biāo)準(zhǔn)不提供時(shí)間交織：DVB-T原先不是作為高速移動(dòng)接收而設(shè)計(jì)的。DAB從一開(kāi)始就是為移動(dòng)接收而設(shè)計(jì)的。時(shí)間交織解決了在單天線的移動(dòng)接收條件下的衰落問(wèn)題。時(shí)間交織把突發(fā)誤碼分配在一個(gè)較大的時(shí)段上，使得FEC能夠校改正這些誤碼。在移動(dòng)接收中，更有可能出現(xiàn)在是突發(fā)誤碼而不是單個(gè)誤碼。在DAB中，時(shí)間交織工和在16個(gè)“數(shù)據(jù)串”上。一個(gè)數(shù)據(jù)串持續(xù)24ms，使得時(shí)間交織工作在384ms上。不相等的誤碼保護(hù)（UEP）：不相等的誤碼保護(hù)意味著在解碼過(guò)程中，較重要的比特的保護(hù)優(yōu)于較低重要性的比特。DAB支持UEP。這意味著對(duì)解碼過(guò)程，比特是依照它們的重要性進(jìn)行保護(hù)的。這對(duì)移動(dòng)和便攜接收是非常重要的，因?yàn)橐话銇?lái)說(shuō)，惡劣的接收條件是無(wú)可避免的，在惡劣的接收條件下的服務(wù)性能是關(guān)鍵問(wèn)題。借助UEP，通過(guò)設(shè)計(jì)相對(duì)于主業(yè)務(wù)保護(hù)的不同的誤碼保護(hù)類型，就可以把失效特性對(duì)客觀或主觀的服務(wù)品質(zhì)實(shí)現(xiàn)最佳化。DVB-T/H沒(méi)有準(zhǔn)備UEP。這意味著，那些損害某些重要信候（例如控制信息）的誤碼只能像那些不明顯的比特那樣來(lái)保護(hù)。對(duì)于用戶，不明顯的比特是否被破壞是不要緊的，他們最關(guān)心的是，重要的同步是否丟失。多協(xié)議封包一前向誤碼糾錯(cuò)（MPE-FEC）：在DVB-H中，多協(xié)議封包結(jié)合附加的前向糾錯(cuò)（FEC），是用來(lái)改善單天線的移動(dòng)接收的。但是這種誤碼保護(hù)只在一個(gè)時(shí)間片工作。但傳輸?shù)恼`碼通常不是單個(gè)的誤碼而是作為突發(fā)誤碼串出現(xiàn)的，如果時(shí)間片被擾亂太多，業(yè)務(wù)就丟失，不僅百間片的期間，也延伸直到下個(gè)時(shí)是片被傳輸?shù)钠陂g。MPE-FEC是一個(gè)在較高的協(xié)議層的附加FEC，能夠校正在較低層上的剩余誤碼，但只能在某個(gè)范圍內(nèi)。因此，DVB-H對(duì)它的有效比特沒(méi)有獨(dú)立的保護(hù)?，F(xiàn)在計(jì)劃進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，以研究帶和不帶MPE－FEC兩種情況下，只用一個(gè)天線的DVB-H的接收性能。DAB不使用MPE-FEC，因?yàn)檫@只是在一個(gè)較高的傳輸層上的一個(gè)附加的誤碼保護(hù)機(jī)制。不過(guò)在DAB中使用MPE-FEC或類似的誤碼保護(hù)系統(tǒng)也不是問(wèn)題WORLDDAB協(xié)會(huì)現(xiàn)在正在考慮DAB標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展，它會(huì)包括像DVB-H那樣基于MPE-FEC的誤碼保護(hù)方案，或者如DVB-T和DVB-S標(biāo)準(zhǔn)所用的，MPEG-2傳輸流的基于R-S碼。可擴(kuò)縮性：DAB的復(fù)接是以864個(gè)容量單元為基礎(chǔ)的，它們可以組合起來(lái)以適合業(yè)務(wù)需要的任何數(shù)據(jù)率。因此業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)率的最小值受容量單元的限制。根據(jù)所選擇的誤碼保護(hù)，這在1.3kbit/s的數(shù)量級(jí)：作為數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，通常用8kbit/s的倍數(shù)。DVB-H提供的業(yè)務(wù)可以從0－10Mbit/s。它只取決于時(shí)間片的大小。因?yàn)楦鞣N不同的理由，如果每個(gè)業(yè)務(wù)用的數(shù)據(jù)率為300kbit/s或更少，DAB更適合移動(dòng)終端的技術(shù)需求。舉例來(lái)說(shuō)，它在多工方面比較簡(jiǎn)單。經(jīng)由DAB可以傳輸四到六套節(jié)目，然而在DVB-H有30套或更多的節(jié)目需要復(fù)接。這么多節(jié)目的處理是更困難的。利用差分相移鍵控（DQPSK），DAB的解調(diào)技術(shù)比較簡(jiǎn)單。藉由這種解調(diào)技術(shù)，接收機(jī)的復(fù)雜性減少了。在接收機(jī)方面，DAB只需要DVB-T的5-20%的功率，而DBV-H消耗DVB-T的大約33%的功率。功率的減少取決于業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)率。相對(duì)DVB-H，DAB的帶寬較低，DAB發(fā)射網(wǎng)絡(luò)經(jīng)DVB-H發(fā)射率的功率小得多。DVB-H網(wǎng)絡(luò)的發(fā)射功率至少與DVB-T相同。通過(guò)利用大的SFN，DAB可以提供高的網(wǎng)絡(luò)頻譜效率。此外，通過(guò)為每個(gè)業(yè)務(wù)運(yùn)行者進(jìn)行頻譜規(guī)劃，頻率資源可以非常有效地利用。今天，DAB音頻業(yè)務(wù)在L波段上用得不多，這波段仍然有DAB多工可用的頻譜。

六、DVB-H和DAB的其他方面

全國(guó)性的單頻網(wǎng)：大體而言，DVB-H和DAB都可能建立全國(guó)性的單頻網(wǎng)，但是，因?yàn)闇p少自我干擾的靈敏度，DAB允許大的SFN。這是非常有頻譜效率的。與此相比，用16QAM模式的DVB-T/H，最大的SFN大約是200km。在歐洲，DVB-H和DAB之間開(kāi)始合作，目標(biāo)是回答下列問(wèn)題：是否有一個(gè)以DAB為基礎(chǔ)的，類似DVB-H的，有用的或可能的標(biāo)準(zhǔn)一種迎合兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的最終用戶器件是否容易實(shí)現(xiàn)？DAB向移動(dòng)用戶提供DVB-H業(yè)務(wù)需要什么？人們正在協(xié)調(diào)DAB和DVB-H。例如讓DAB能使用DVB-H的MPE-FEC.另外，另一種可能性可能在比較高層，例如視頻編碼（MPEG-4，H.264）和傳輸層（IP的使用）。真正需要的是在IP-DATACAST/DVB-H業(yè)務(wù)和DAB物理層之間有一個(gè)公共接口定義。有人提出，移動(dòng)接收應(yīng)當(dāng)用DAB，他的理由是：從標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程的最開(kāi)始，DAB就是為用單天線作移動(dòng)接收而設(shè)計(jì)的；數(shù)據(jù)率從小顯示。1.2Mbit/s(在較低的誤碼保護(hù)為1.5Mbit/s)是可擴(kuò)展的；DAB發(fā)脈沖噪聲是穩(wěn)健的；DAB需要的發(fā)射機(jī)功率比DVB-H低；不管音頻還是多媒體業(yè)務(wù)，DAB都是由廣播界推動(dòng)的。隨著表面焊接技術(shù)，計(jì)算機(jī)CAD輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，超大規(guī)模集成電路技術(shù)日臻完美，有利的推動(dòng)了數(shù)字技術(shù)，信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線傳播、發(fā)射、接收技術(shù)也發(fā)生的日新月異的變化，在以后的發(fā)展中主要圍繞超大功率超遠(yuǎn)程接收發(fā)射，節(jié)能環(huán)保等技術(shù)工作進(jìn)行展開(kāi)。