對ATSC 3.1版物理層的個人建議

徐孟俠

對ATSC 3.1版物理層的個人建議

徐孟俠

ATSC正在積極制定ATSC 3.0版；預(yù)計2015年底將完成標(biāo)準(zhǔn)草案。提出其中可補(bǔ)充的3方面技術(shù)，作為對ATSC 3.1版物理層的個人建議：1）增加單載波調(diào)制的可選項(xiàng)（n-VSB和n-QAM等）；2）增加“單頻道方案”（僅使用指派頻道）實(shí)現(xiàn)“回傳信道”的可選項(xiàng)，作為“空白頻道方案”的補(bǔ)充；3）增加由中國工程師們自主創(chuàng)新的“寬帶數(shù)字電視（DTV）發(fā)射機(jī)+M-SFN（多頻道單頻網(wǎng)）技術(shù)”組建DTTB網(wǎng)絡(luò)，而當(dāng)它使用于單載波系統(tǒng)的高比特率傳輸固定接收服務(wù)時（如4K/ 8K-UHDTV），具有一定技術(shù)優(yōu)勢。

地面數(shù)字電視廣播；ATSC；單載波；寬帶數(shù)字電視發(fā)射機(jī)；多頻道單頻網(wǎng)

1 關(guān)于ATSC 3.0版標(biāo)準(zhǔn)

ATSC[1]正在積極制定ATSC 3.0版標(biāo)準(zhǔn)[注1]，從征集需求和提案、到標(biāo)準(zhǔn)草案制定的有關(guān)環(huán)節(jié)（特別是工作量最大的物理層），進(jìn)展比較順利。

[注1]ATSC 1.0版于1996年12月圣誕節(jié)前由美國政府機(jī)構(gòu)聯(lián)邦通信委員會（FCC）批準(zhǔn)，迄今已近18年。1998年美國大規(guī)模推廣ATSC后，于2009年7月底前按計劃完成過渡，并騰出全部“700 MHz頻段”進(jìn)行重新分配。而ATSC 2.0版（MH版，即移動/手持版）于2009年9月由FCC批準(zhǔn)，迄今也已5年余。

2014年6月，ATSC技術(shù)委員會（TC）主席兼第3工作組（負(fù)責(zé)物理層）組長Richard Chernock博士在山東煙臺舉行的“未來廣播電視（FOBTV）”的高峰會[注2]上，介紹了ATSC 3.0版物理層的進(jìn)展[2]，并給出ATSC 3.0版標(biāo)準(zhǔn)草案制定過程的日程表（在2015年底將完成全部標(biāo)準(zhǔn)草案）。有韓國和西班牙的專家向筆者表示：該標(biāo)準(zhǔn)爭取在2016年夏的巴西里約熱內(nèi)盧奧運(yùn)會期間，實(shí)現(xiàn)4K-UHDTV的地面試驗(yàn)性廣播，其中視頻編碼則采用MPEG-HEVC/H.265標(biāo)準(zhǔn)。

[注2]該會議由2011年11月11日在上海成立的國際組織“未來廣播電視（FOBTV）”舉辦。后者的秘書處為中國上海NERC-DTV。詳見www.fobtv.org或www.nercdtv.org。

據(jù)悉，ATSC 3.0版物理層（PHY）共收到11個提案，其中1個來自中國，它由中國上海數(shù)字電視國家工程研究中心（NERC-DTV）、中科院上海高等研究院和上海交通大學(xué)3個單位聯(lián)合提出。約半年后，NERC的3個工業(yè)界成員（海爾、TCL這2家電視機(jī)制造廠商以及發(fā)射機(jī)制造廠商北京北廣科技）也參加了中國提案的工作。其余10個提案的提出單位有總部在歐洲的DVB、日本NHK科研所、Sony、韓國ETRI、韓國三星、美國Zenith、韓國LGE、加拿大通信研究中心（CRC）、電信界的Qualcomm和Ericsson等。從國別來看，掌握地面數(shù)字電視廣播（DTTB）高科技的絕大部分國家（歐洲國家及美、日、韓、中）都有機(jī)構(gòu)參與。因此，筆者認(rèn)為ATSC 3.0版將是“未來廣播電視”信道傳輸領(lǐng)域的唯一候選者[3]。

下面第2節(jié)扼要介紹ATSC 3.0版物理層的進(jìn)展。第3～5節(jié)則是筆者對ATSC 3.1版的個人建議[注3]：第3節(jié)是增加單載波可選項(xiàng)（如n-VSB和n-QAM等）；第4節(jié)是增加“單頻道（指派頻道）方案”實(shí)現(xiàn)回傳信道的可選項(xiàng)，可不依賴于“空白頻譜”；第5節(jié)則是增加中國工程師們自主創(chuàng)新的“寬帶DTV發(fā)射機(jī)+M-SFN（多頻道單頻網(wǎng)）”DTTB組網(wǎng)技術(shù)的創(chuàng)新模式[4-6]，它特別適用于采用單載波系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高比特率固定接收服務(wù)（例如應(yīng)用于4K/8K-UHDTV），以充分發(fā)揮單載波系統(tǒng)的若干技術(shù)優(yōu)勢。最后的第6節(jié)則是簡短小結(jié)。

[注3]為了不影響ATSC 3.0版（特別是工作量較大的物理層）當(dāng)前的工作，本文的建議可作為ATSC 3.0版標(biāo)準(zhǔn)草案基本確定后，ATSC準(zhǔn)備繼續(xù)制定ATSC 3.1版時參考。

2 ATSC 3.0版物理層進(jìn)展簡介[2]

Richard Chernock博士的幻燈片報告[2]內(nèi)容是ATSC 3.0版物理層已有決定和可供公布的部分，內(nèi)容極其豐富。本節(jié)僅扼要介紹其中的某些關(guān)鍵部分。

2.1 ATSC 3.0版的日程表

圖1為ATSC 3.0版的日程表，目前進(jìn)展順利。預(yù)期可在2015年底完成全部標(biāo)準(zhǔn)草案的計劃。

圖1 ATSC 3.0版標(biāo)準(zhǔn)的日程表

2.2 ATSC 3.0版物理層

2.2.1 技術(shù)上可解決“無線三網(wǎng)融合”

ATSC 3.0版物理層從其重要框圖來看，在技術(shù)上可解決“無線三網(wǎng)融合”。圖2是ATSC 3.0版物理層的框架結(jié)構(gòu)；圖3則是其“信息內(nèi)容發(fā)送”的詳細(xì)圖解。從圖3可看出：1）左側(cè)完全是計算機(jī)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，可解決DTTB網(wǎng)絡(luò)與計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的融合；2）右下方的輸出有兩大部分（完全相同的信息內(nèi)容源），傳統(tǒng)的DTTB網(wǎng)絡(luò)和寬帶網(wǎng)絡(luò)（即互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)），可解決兩者的融合。

圖2 ATSC 3.0物理層的框架結(jié)構(gòu)

2.2.2 信道編碼性能更加逼近Shannon理論極限

ATSC 3.0版物理層的信道編碼有幾項(xiàng)基本措施：1）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)采納IP的2 048 byte為基本單元，它仍屬于MPEG系統(tǒng)層中的“節(jié)目流（PS）”，而不采納188 byte的MPEG“傳送流（TS）”。2）調(diào)制（星座圖）基于正交頻分多工（OFDM），容易適應(yīng)不同的電視頻道帶寬（6 MHz、7 MHz和8 MHz等）和有效帶寬，容易適應(yīng)手持接收和移動接收的環(huán)境（“屋頂天線”固定接收暫不是重點(diǎn)）。3）糾錯編碼基于低密度奇偶校驗(yàn)（LDPC），并參照DVB-T2（2009年7月）[7]采用“長碼”和“短碼”的兩大類碼字長度，以適應(yīng)手持接收和移動接收兩大類服務(wù)（但尚未公布其具體長度）。

圖4是目前信道編碼計算機(jī)仿真的率失真曲線（階段性成果，左下部非常逼近Shannon理論極限），其中按照國際慣例采用AWGN模型和BER=10-6（與“回波模型”無關(guān)）。

所謂“非常逼近Shannon理論極限”可從3個方面來看：1）該結(jié)果與近18年前批準(zhǔn)的ATSC 1.0版相比（圖4中部的A/53），門限值由現(xiàn)場測試值15.2 dB（計算機(jī)仿真值按14.2 dB估算）向左下降為約10.9 dB，改善約3.3 dB，離理論極限還有約1.4 dB的差距。2）該結(jié)果與5年前批準(zhǔn)的DVB-T2[7]相比，具有“后來居上”的特點(diǎn)：表1是該曲線中部和中左部與DVB-T2典型數(shù)據(jù)（文獻(xiàn)[4]中引用的3個）對比，分別下降（改善）約0.5 dB、約0.8 dB和約1.0 dB。3）整個曲線從中左部到左下端，其逼近Shannon理論極限的差距由約1.0 dB逐步縮小到僅約0.1 dB。

圖3 ATSC 3.0物理層的信息內(nèi)容發(fā)送

圖4 ATSC 3.0信道編碼性能逼近Shannon理論極限的計算機(jī)仿真結(jié)果

表1 ATSC 3.0信道編碼性能與DVB-T2典型數(shù)據(jù)3個的對比

這樣的階段性結(jié)果顯然是有關(guān)提案單位300～400人近1年密切合作拼搏所獲得的，充分挖掘LDPC信道糾錯編碼的技術(shù)潛力。

2.3 其他有關(guān)內(nèi)容

1）靈活的服務(wù)模型（略）。

2）已選定MPEG-HEVC/H.265為核心視頻編解碼器（codec）。4K/8K-UH?DTV的圖像分辨率格式分別為3 840（像素）×2 160（掃描行）和7 680×4 320（兩者都是16∶9=1.778的寬高比）；但還有中間格式“5K”：4 800×2 160（64∶27=2.370的寬高比，更適合寬銀幕電影片）。而以上3種格式都是逐行掃描格式的，對隔行掃描格式最高只支持到1 080i。

3）實(shí)時運(yùn)行環(huán)境：“已一致同意將定義一個基準(zhǔn)檔次（baseline profile）”，并認(rèn)為，“要實(shí)施交互式平臺，則必須包括HT?ML5等”。圖5是各種基本檔次和可選的特性。

4）對回傳信道沒有介紹任何內(nèi)容。

3 建議1：對ATSC 3.1版物理層增加單載波調(diào)制的可選項(xiàng)

3.1 預(yù)計ATSC 3.0物理層將采納筆者建議的不同調(diào)制模式之融合系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

圖5 各種基本檔次和可選的特性

2011年11月11日，F(xiàn)OBTV在上海成立半年后，筆者發(fā)表論文[8]：建議國際通用的DTTB傳輸標(biāo)準(zhǔn)3.0版采納類似中國地面國標(biāo)[9]的融合系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)，可融合3種類型的調(diào)制模式。具體的建議是：數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)可有3個層次，即數(shù)據(jù)超幀（super-frame）、數(shù)據(jù)幀（frame）和數(shù)據(jù)子幀（sub-frame）。而其中數(shù)據(jù)子幀是基本單元和重點(diǎn)，從時間域來看，有幀頭和幀體（負(fù)荷，payload）兩大部分（圖6），并按其采納的調(diào)制模式和插入導(dǎo)頻（pilot）信號方式的不同，可分為3大類型。

圖6 數(shù)據(jù)子幀的幀頭和幀體（負(fù)荷）

1）純多載波系統(tǒng)（簡稱類型M）：數(shù)據(jù)子幀的幀頭部分完全空白，沒有PN碼導(dǎo)頻信號（其輸出頻譜兩側(cè)能自動形成“陡降特性”，下面的類型H則不能）。PN碼導(dǎo)頻信號全部插入幀體（負(fù)荷）部分，而且?guī)w（負(fù)荷）的其余絕大部分采用OFDM調(diào)制（故稱為純多載波系統(tǒng)）。DVB-T、DVB-T2及ISDB-T都屬于這類。

2）單載波/多載波混合（Hybrid）系統(tǒng)（簡稱類型H）：數(shù)據(jù)子幀的幀頭部分插入PN碼作為導(dǎo)頻信號（與類型S相似，因而它具有單載波的屬性，并喪失純多載波系統(tǒng)輸出頻譜自動生成“陡降特性”的特征），其幀體（負(fù)荷）絕大部分采用正交頻分多工（OFDM）調(diào)制，因而稱為單載波/多載波混合系統(tǒng)。其幀體（負(fù)荷）部分可插入PN碼導(dǎo)頻信號（與類型M相似），但也可不插入（如中國地面國標(biāo)-C=3 780可選項(xiàng)，其前身是TDS-OFDM）。

3）純單載波系統(tǒng)（簡稱類型S）：數(shù)據(jù)子幀的幀頭部分插入PN碼作為導(dǎo)頻（pilot）信號，其幀體（負(fù)荷）部分則是n-VSB（n=2，4，8，16，…）或n-QAM（n=4，16，64，256，…）等單載波調(diào)制（當(dāng)然從邏輯上講，其幀體部分也可像類型M或類型H那樣插入PN碼導(dǎo)頻信號）。ATSC 1.0版（及2.0版）和中國地面國標(biāo)-C=1可選項(xiàng)具有與類型S相似的基本結(jié)構(gòu)。

預(yù)計：DVB對ATSC 3.0版的提案（還有日本等機(jī)構(gòu)的提案），可能沿襲DVB-T或ISDB-T的傳統(tǒng)（技術(shù)及專利）：其數(shù)據(jù)子幀的幀頭部分（也稱保護(hù)間隔，GI）為空白，即屬于上述類型M。而中國提案則可能有所不同而采用上述類型H（沿襲中國地面國標(biāo)的技術(shù)及專利）[注4]。

[注4]中國提案可能延續(xù)地面國標(biāo)[9]的優(yōu)勢而采納單載波/多載波混合系統(tǒng)（類型H）。但它為了避免TDS-OFDM的專利問題而與地面國標(biāo)-C=3 780的不同之處可能是：除了在數(shù)據(jù)子幀的幀頭部分以外，還在其幀體（負(fù)荷）部分插入PN碼導(dǎo)頻信號。當(dāng)然它還需要同DVB-T或ISDB-T有所不同。

如果ATSC 3.0版物理層準(zhǔn)備“融合”類型M和類型H（特別是要同類型M有所不同），勢必將采納筆者論文[8]建議的融合系統(tǒng)（包容各種先進(jìn)調(diào)制技術(shù)）。如果這樣，它已預(yù)留上述類型S可作為ATSC 3.1版新增加調(diào)制模式的可選項(xiàng)[注5]。

[注5]ATSC 3.0版物理層目前的提案為何沒有單載波的可選項(xiàng)？筆者以為：ATSC 3.0版（其物理層是重點(diǎn)）面臨的巨大現(xiàn)實(shí)需求是寬帶網(wǎng)絡(luò)（互聯(lián)網(wǎng)）的嶄新市場機(jī)遇，重點(diǎn)要解決DTTB網(wǎng)絡(luò)與寬帶網(wǎng)絡(luò)的“無線融合”。特別是從圖4可看出：其右下側(cè)就是寬帶網(wǎng)絡(luò)的輸出口?；蛘哒f，采納ATSC 3.0版物理層后的地面廣播業(yè)者的下一代播控平臺站就成為實(shí)實(shí)在在的寬帶網(wǎng)絡(luò)（互聯(lián)網(wǎng)）的網(wǎng)站。

美國2009年6月底完成關(guān)閉模擬電視后，騰出“700 MHz頻段”的108 MHz“空白頻譜”（占總頻譜資源的1/3）。這些空白頻譜在2008年夏進(jìn)行公開拍賣時，賣出約60%，而中標(biāo)者都是電信公司。然而這些年來，中標(biāo)的電信公司似乎并沒有從這些頻譜所開展的服務(wù)中獲利。究其技術(shù)方面的原因可能是：2011年IEEE802.22 WRAN標(biāo)準(zhǔn)中最高的有效比特率也僅22.69 Mbit/s（其信道編碼效率為22.69 Mbit/s÷6 MHz= 3.78 bit/s/Hz，而糾錯編碼率為5/6），不適合低成本、大規(guī)模發(fā)送視頻服務(wù)。而本文圖4的率失真曲線在縱坐標(biāo)中部的A/53左方，即有大于3.5 bit/s/Hz的結(jié)果（信道糾錯編碼率2/3，與上述5/6相比，可容忍的誤碼率為2倍關(guān)系）。而且圖4曲線的右上方最高可達(dá)大于8.5 bit/s/Hz，這可能是由于WRAN標(biāo)準(zhǔn)中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)較短，導(dǎo)致在傳輸視頻服務(wù)時，“頭部開銷”過大，又沒有把LDPC針對固定接收和移動接收兩種服務(wù)而有區(qū)別地采納“長碼”和“短碼”2種長度的碼字。

另一方面，美國擁有電視節(jié)目源的主體就是地面廣播業(yè)者，如CBS，NBC，ABC，F(xiàn)OX等4大商業(yè)公司和非盈利的PBS等?，F(xiàn)在他們不慌不忙騰出手來，從技術(shù)上制定ATSC 3.0版來解決DTTB網(wǎng)絡(luò)與寬帶網(wǎng)絡(luò)“融合”的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以開拓這方面的嶄新市場。或者說，他們優(yōu)先考慮通過自辦寬帶網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)站，向平板電腦和手機(jī)接收的用戶提供完全嶄新的服務(wù)（室內(nèi)接收、手持接收和移動接收），而不是優(yōu)先考慮向傳統(tǒng)的“屋頂（室內(nèi)）天線”固定接收用戶提供原有服務(wù)的升級版本。后者可留待下一步再解決。

換言之：實(shí)際的市場需要側(cè)重解決圖4率失真曲線應(yīng)用的左下部、中左部和中部，而不是其右上部和右上端。因此，提案單位提出的技術(shù)方案只有類型M和類型H，才符合美國地面廣播業(yè)者自辦寬帶網(wǎng)絡(luò)（互聯(lián)網(wǎng)）的網(wǎng)站迅速進(jìn)入現(xiàn)實(shí)嶄新市場的迫切需求。

美國地面廣播業(yè)者是否會繼續(xù)對“700 MHz”中108 MHz剩余的40%，通過FCC的拍賣獲得許可證和使用權(quán)后，2017年起主動開展寬帶網(wǎng)絡(luò)（互聯(lián)網(wǎng)）的嶄新服務(wù)，或者同時與電信界（已擁有該頻段60%的許可證和使用權(quán)）合作，采用ATSC 3.0版開展同樣的嶄新服務(wù)，值得人們繼續(xù)跟蹤。

3.2 單載波可選項(xiàng)的傳統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢

ATSC 3.1版物理層增加單載波調(diào)制的可選項(xiàng)內(nèi)容后，可使ATSC 1.0版和地面國標(biāo)-C=1這2種純單載波系統(tǒng)（類型S）的下述技術(shù)優(yōu)勢在今后有所延續(xù)而不致中斷：

1）現(xiàn)場測試的門限值較低（與計算機(jī)仿真值有所不同）：在覆蓋范圍邊緣地帶（fringe region）的開闊田野中的現(xiàn)場測試[3]的門限值較低。它適用于AWGN模型主導(dǎo)的類似美國城市郊區(qū)的ATSC信號“屋頂（室內(nèi)）天線”固定接收服務(wù)的典型接收環(huán)境。

因?yàn)椋?995—1996年美國廣播業(yè)者內(nèi)部曾有一場大爭論：究竟采用ATSC還是DVB-T作為美國固定接收的標(biāo)準(zhǔn)？前者以CBS為代表；后者以總部設(shè)在華盛頓東北Baltimore的Sinclair Groups為代表。因?yàn)椋诖笾孪嗤挠行П忍芈蕰r，計算機(jī)仿真的結(jié)果相似。但后來進(jìn)行的現(xiàn)場測試對比結(jié)果卻證實(shí)：在固定接收服務(wù)中，ATSC的門限值有約4.0 dB的優(yōu)勢。此后1998年的澳大利亞現(xiàn)場測試和2001年的巴西現(xiàn)場測試又都證實(shí)這一結(jié)論[3]。

現(xiàn)在再來審閱圖4的率失真曲線。其右上半部顯然是為高比特率固定接收服務(wù)設(shè)計的：AWGN模型的應(yīng)用中，美國6 MHz帶寬頻道的最高有效比特率大于50 Mbit/s。那么，在工程實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)場測試中，如果把類型S與類型M對比，上述約4.0 dB的差距是否繼續(xù)存在（甚至擴(kuò)大）？如果是的話，那么采用類型M（或類型H）實(shí)現(xiàn)高比特率固定接收（為“屋頂天線”用戶們服務(wù)）時與采用類型S相比，對于相同的覆蓋范圍其發(fā)射功率將是后者的約2.5倍（約4.0 dB）以上（類型M與類型S相比，還有發(fā)射功率峰均比（PAPR）稍大的不足），其后果是增加電磁污染和電能耗、增加成本[注6]。

[注6]2016年夏的巴西里約熱內(nèi)盧奧運(yùn)會要采用ATSC 3.0版+MPEG-HEVC/H.265視頻等，實(shí)現(xiàn)4K/UHDTV的DTTB試驗(yàn)性廣播，看來只會采用其純多載波可選項(xiàng)（類型M）或單載波/多載波可選項(xiàng)（類型H）。但從今后來看，采用單載波可選項(xiàng)（類型S），充分發(fā)揮其優(yōu)勢，可顯著降低成本。

2）抵御同頻道干擾（CCI）和鄰近頻道干擾（ACI）的性能較好：1996年9月美國“大聯(lián)盟（GA）樣機(jī)”的高比特率固定接收的實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果報告草案表明：ATSC（與類型S相似）有良好的抵御CCI和ACI的性能。中國地面國標(biāo)[9]2006年8月批準(zhǔn)前的測試報告也表明：其C=1可選項(xiàng)（與類型S相似）與C=3 780可選項(xiàng)（與類型H相似）在高比特率固定接收時抵御CCI和ACI性能的對比中，前者性能較好[注7]。

[注7]1995—1996年ATSC確定有效帶寬為5.38MHz時考慮到：模數(shù)并存的過渡期內(nèi)大中小模擬和數(shù)字發(fā)射功率將并存的特性（若干NTSC的發(fā)射功率特別巨大），在有效帶寬內(nèi)保證1套高質(zhì)量的HDTV前提下，盡量縮小其有效帶寬，以便獲得較好的ACI性能，方便過渡期內(nèi)的頻率規(guī)劃，盡快關(guān)閉模擬制地面電視廣播。并經(jīng)過幾次頻率調(diào)整，騰出“700 MHz頻段”，以供拍賣（少數(shù)保留為公共專用）。為此，不得不忍痛降低約5%的有效比特率。

現(xiàn)在ATSC 3.0版的有效帶寬面臨2種可能：1）維持原5.38 MHz數(shù)值不變；原有的頻率規(guī)劃不需修訂。但可能性較大的是，收回1996年時忍痛降低的約5%有效比特率；2）由于原大功率NTSC模擬電視臺完全關(guān)閉，嚴(yán)重的NTSC對ATSC 1.0版DTTB的ACI干擾已不復(fù)存在。而當(dāng)前和今后較長時期內(nèi)，頻率規(guī)劃只需考慮DTTB相互間的ACI。那么FCC就可考慮采納新的“有效帶寬比”，并對原有的頻率規(guī)劃進(jìn)行一次重大修訂。例如，ATSC 3.0版可采納“有效帶寬比”為約0.95，就可適應(yīng)類型M和類型H等不同提案的融合（可選項(xiàng)為多種，其中仍可保留原5.38 MHz）。如果“有效帶寬比”有約0.95的可選項(xiàng)，那么從中國地面國標(biāo)的測試經(jīng)驗(yàn)可知：類型S（與地面國標(biāo)-C=1相似）抵御CCI和ACI的性能，比起類型H（與地面國標(biāo)-C=3 780相似）要好些（而與類型M相比會更好些）。

3）單載波系統(tǒng)更有利于采用寬帶發(fā)射機(jī)實(shí)現(xiàn)M-SFN的組建省級/大區(qū)域DTTB網(wǎng)絡(luò)[4-6]；特別是ATSC 1.0版（還有2.0版）的“有效帶寬比”稍小，更有利于采用寬帶DTV發(fā)射機(jī)（請參閱[注3-4]和第5.3節(jié)）。

4 建議2：增加“單頻道方案”（僅使用指派頻道）實(shí)現(xiàn)“回傳信道”的可選項(xiàng)[3]

據(jù)悉，ATSC 3.0版物理層的“回傳信道”將采納“空白頻譜方案”[注8]。因?yàn)?，從公開發(fā)表的文章來看，目前有加拿大通信研究中心（CRC）牽頭的4個組織（其余3個分別是西班牙Basque州立大學(xué)小組、韓國ETRI和日本NHK科研所）正在合作提出建議，采用“分層云傳輸（layered cloud transmission）”技術(shù)實(shí)現(xiàn)ATSC 3.0版物理層所需的回傳信道（包括上行鏈路）（本文從略）。

[注8]“空白頻譜”可分為三大類（對某特定的地理域覆蓋范圍而言）：1）“700 MHz頻段”以下的地面電視頻譜（以UHF頻段為主）中已指派而尚未動用的、或尚未指派的頻道；2）“700 MHz”頻段內(nèi)的類似地面電視頻道；3）現(xiàn)存ATSC 1.0版2個頻道之間的“空隙（Gap）”有6.00 MHz-5.38 MHz=0.62 MHz，可動用的頻譜每個頻道約0.5MHz。

4.1 動用“空白頻譜”的優(yōu)缺點(diǎn)

其優(yōu)點(diǎn)有：容易把ATSC 3.0版物理層與和IEEE 802.22WRAN標(biāo)準(zhǔn)（回傳信道需要動用“空白頻譜”，適用于農(nóng)村地區(qū)）協(xié)調(diào)；可促進(jìn)電信業(yè)與地面廣播業(yè)的公平競爭或合作。但ATSC也可采納不同的技術(shù)，并與之公平競爭。而從圖4來看，ATSC 3.0版物理層將采用后一思路。

其缺點(diǎn)有：1）僅適用于美國等頻譜法規(guī)允許動用“空白頻譜”的國家。2）即使就美國而言，在紐約等大城市人口密集地區(qū)（收視率和經(jīng)濟(jì)效益最高），往往沒有“空白頻譜”可供使用。地面廣播業(yè)者如果要在這些地區(qū)實(shí)施“回傳信道”，就不得不動用DTTB網(wǎng)絡(luò)以外的其他通信資源（如光纖、有線或衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)）。這對于資金雄厚的地面廣播業(yè)或電信巨頭，沒有任何困難。但對于中小廣播者來說，如果他們需要在這類地區(qū)實(shí)時報道某種突發(fā)事件，就不得不付出高額費(fèi)用來臨時租借別家公司的網(wǎng)絡(luò)（不能動用已擁有許可證的指派頻道），導(dǎo)致他們在市場競爭中處于不利地位。

4.2 增加具有雙向回傳信道的“單頻道（指派頻道）”可選項(xiàng)[3]

為此，本文建議在ATSC 3.1版物理層增加具有雙向回傳信道的“單頻道（僅使用指派頻道）”可選項(xiàng)，它不依賴于“空白頻譜”。而其基本技術(shù)措施是：既可采用時分半雙工（Time Division Duplex，TDD），也可采用頻分半雙工（Frequency Division Duplex，F(xiàn)DD），更可采用TDD/FDD兩者的組合。

在考慮“回傳信道”后，DTTB網(wǎng)絡(luò)共有4類數(shù)據(jù)流：上行回傳信道（Up Return Channel，Up-RC）、上行數(shù)據(jù)流（Up Streams，UpS）以及下行回傳信道（Down Return Channel，Dw-RC）、下行數(shù)據(jù)流（Down Streams，DwS），它們的基本單元都是數(shù)據(jù)子幀。

Up-RC和Dw-RC是保證每個用戶都能同廣播業(yè)者的下一代播控平臺（Next Generation Broadcasting Platform，NGBP）實(shí)現(xiàn)“一對一”的雙向連接，其有效比特率稍低（可確保重要指令、話音、短信、圖片和小尺寸視頻等信息），而穩(wěn)健性（Robustness）要高些。而DwS和UpS則是攜帶數(shù)據(jù)量較大的、比特率較高的“有效信息”，其穩(wěn)健性稍差。其中DwS首先是傳統(tǒng)的電視節(jié)目數(shù)據(jù)流（或在凌晨“空閑時段”給用戶發(fā)送“下載后再觀看”的免費(fèi)或低交費(fèi)服務(wù)）。而其中UpS則偶然由廣播業(yè)者動用于現(xiàn)場實(shí)況的實(shí)時廣播（某種敏感的突發(fā)事件）。當(dāng)然，UpS也可由個別用戶向廣播業(yè)者提供的實(shí)時視頻新聞節(jié)目源（如高速路的車禍/堵塞現(xiàn)狀或旅游地/超市擁擠的手機(jī)拍攝視頻新聞）等。

TDD或/和FDD應(yīng)用于指派頻道的雙向傳輸，可有下述3種技術(shù)組合模式。它們各自的基本單元在時間域都是以數(shù)據(jù)子幀為基本單元，相互間為“先后順序排列的”串聯(lián)關(guān)系（in series）。而且它們相互之間在時間域或頻率域都已設(shè)計某種對應(yīng)的“保護(hù)間隔（Guard In?terval，GI）。

1）僅采用TDD的模式：適用于第3.1節(jié)的純單載波系統(tǒng)（類型S），以發(fā)揮單載波調(diào)制的某些技術(shù)優(yōu)勢（見第3.2節(jié)），其數(shù)據(jù)子幀可分為4類：只含Up-RC、只含Up-RC/UpS、只含Dw-RC以及只含Dw-RC/DwS。其時間域的位置可考慮：Up-RC或Dw-RC設(shè)置在數(shù)據(jù)子幀的幀體（負(fù)荷）部分之起始端或全部（緊接在在PN碼導(dǎo)頻信號后，并采用BPSK/QPSK調(diào)制）；而UpS或DwS則設(shè)置在數(shù)據(jù)子幀的幀體（負(fù)荷）部分之尾部或全部（即下個數(shù)據(jù)子幀之前）。

2）僅采用FDD的模式：適用于第3.1節(jié)的純多載波系統(tǒng)（類型M），其數(shù)據(jù)子幀也分為4類。它們在頻率域的位置可考慮：Up-RC或Dw-RC設(shè)置在有效帶寬的頻率域低端（占用部分子載波的低端，并采用BPSK/ QPSK調(diào)制）或全部；而UpS或DwS則設(shè)置在有效帶寬的頻率域高端或全部。

3）TDD和FDD組合的模式：適用于第3.1節(jié)的單載波/多載波的混合系統(tǒng)（類型H），其數(shù)據(jù)子幀也分為4類。它們的設(shè)置可考慮：Up-RC或Dw-RC采用TDD模式；UpS或DwS則采用FDD模式。

4.3 ATSC 3.0版物理層給廣播業(yè)者運(yùn)營寬帶網(wǎng)絡(luò)提供嶄新服務(wù)的巨大機(jī)遇

從圖3的“信息內(nèi)容發(fā)送”圖解可看出，廣播業(yè)者（Broadcasters，在美國是指地面廣播電視運(yùn)營者）下一代播控平臺的輸出有并行的兩大類：1）中下部就是傳統(tǒng)DTTB輸出；2）右下部則是嶄新的“傳統(tǒng)”寬帶網(wǎng)絡(luò)（互聯(lián)網(wǎng)）輸出，成為實(shí)實(shí)在在的一個網(wǎng)站。因此，ATSC 3.0版物理層給廣播業(yè)者帶來運(yùn)營寬帶網(wǎng)絡(luò)嶄新服務(wù)的巨大歷史機(jī)遇[注9]。

[注9]此外，就美國而言，對已從拍賣獲得“700 MHz頻段”許可證的電信界，究竟繼續(xù)采用IEEE802.22的WRAN標(biāo)準(zhǔn)，還是改用ATSC 3.0版推進(jìn)服務(wù)（或與地面廣播業(yè)者進(jìn)行合作），有待跟蹤觀察。

但從總有效比特率的數(shù)值大小和分配角度來看，廣播業(yè)者實(shí)際運(yùn)營傳統(tǒng)DTTB網(wǎng)絡(luò)與寬帶網(wǎng)絡(luò)（互聯(lián)網(wǎng)）時，提供的嶄新服務(wù)可粗略劃分為3大類：

1）服務(wù)類型B/T：寬帶網(wǎng)絡(luò)（互聯(lián)網(wǎng)）為主，傳統(tǒng)DTTB網(wǎng)絡(luò)為輔。其總有效比特率較低，而且大部分分配給前者，其穩(wěn)健性較高（分配給后者的是小部分，當(dāng)然也可改用比特率稍高，而穩(wěn)健性稍差的模式）。它適用于大城市人口密集地區(qū)的運(yùn)營，優(yōu)先考慮寬帶網(wǎng)絡(luò)用戶的手持接收和移動接收的嶄新服務(wù)“無窮發(fā)展”需求。而從圖4的圖解來看，其絕大部分有效比特率的應(yīng)用著重在該曲線的左中部和左下部，這部分就是ATSC 3.0版物理層需要優(yōu)先解決的技術(shù)問題。

2）服務(wù)類型B&T：寬帶網(wǎng)絡(luò)（互聯(lián)網(wǎng)）兼顧傳統(tǒng)DTTB網(wǎng)絡(luò)，其總有效比特率為中等（兩者大致對半分配、或六四開、或四六開），穩(wěn)健性仍較好（B或T的強(qiáng)健性可有不同模式）。它適用于城鄉(xiāng)結(jié)合部、人口密度稍低的地區(qū)，兼顧寬帶網(wǎng)絡(luò)新用戶和傳統(tǒng)DTTB用戶的需求。而從圖4的圖解來看，其應(yīng)用著重在該曲線的中左部和中部，這部分就是ATSC 3.0版物理層接著需要著重解決的技術(shù)問題。

3）服務(wù)類型T/B：傳統(tǒng)DTTB網(wǎng)絡(luò)為主，寬帶網(wǎng)絡(luò)（互聯(lián)網(wǎng)）為輔，其總有效比特率較高（大部分分配給前者），但穩(wěn)健性稍差（后者仍可采用穩(wěn)健性稍好的模式）。它適用于人口較稀少的城市郊區(qū)或農(nóng)村地區(qū)，以傳統(tǒng)的“屋頂（或室內(nèi)）天線”固定接收用戶為主，寬帶網(wǎng)絡(luò)新用戶為輔。而從圖4的圖解來看，其應(yīng)用著重在該曲線的右中部和右上部。至少對于美國的地面廣播業(yè)者而言，這部分可“不慌不忙”下一步再解決，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的市場他們已擁有約75年。

以上的劃分可能僅適用于白天的上班時段。除了每天19:00至24:00的黃金時段（還有節(jié)假日）和00:00至06:00用戶數(shù)較少的“空閑時段”以外，各地廣播業(yè)者都可因地制宜靈活交叉使用上述不同的類型。而如何實(shí)現(xiàn)最佳組合，還有待今后各地廣播業(yè)者依據(jù)其原有的節(jié)目源優(yōu)勢，探索嶄新節(jié)目源類型，提供嶄新服務(wù)，滿足嶄新市場需求，獲得最佳的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

表2列出的內(nèi)容是以總有效比特率在4大類數(shù)據(jù)流（Up-RC，Dw-RC，UpS和DwS）之間的大致分配和可能用途進(jìn)行估計，供讀者參考和探討。

表2 廣播業(yè)者對寬帶網(wǎng)絡(luò)的嶄新服務(wù)和傳統(tǒng)DTTB網(wǎng)絡(luò)可能的比特率分配和應(yīng)用（以美國6MHz帶寬頻道為例，中國8MHz頻道可把有效比特率乘以4/3換算而得）

然而，有下述幾類特殊的應(yīng)用情況可作專門說明：1）緊急信息的應(yīng)用：出現(xiàn)緊急事件時（如各種“天災(zāi)（地震、臺風(fēng)、水災(zāi)和疫情等）”和“人禍”（恐怖事件）），可通過Dw-RC（直接通報“已連接”的用戶）和DwS（當(dāng)時播出的所有節(jié)目源）提供“緊急信息”的內(nèi)容及各類人群應(yīng)采取的對應(yīng)措施。

2）突發(fā)事件的應(yīng)用：在出現(xiàn)類似美國紐約世貿(mào)大廈“9·11”事件、波士頓馬拉松槍擊案或中國昆明火車站等恐怖事件時，廣播業(yè)者除了采取“緊急信息的應(yīng)用”模式以外，還可臨時動用UpS把該突發(fā)事件的音視頻數(shù)據(jù)（包括現(xiàn)場采集的視頻、效果聲、對話和講解等）上傳到下一代播控平臺，然后再以DwS在其主頻道節(jié)目中進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)況播出（real time broadcasting），并暫時中斷其原有的節(jié)目。當(dāng)然，這個節(jié)目源也可由某用戶通過手機(jī)或平板電腦拍攝后，通過UpS而直接提供（廣播業(yè)者自己無需派人到現(xiàn)場）[注10]。

[注10]UpS使用時，其有效比特率至少保證1套DVD質(zhì)量SDTV所需，這就不得不臨時擠占其他數(shù)據(jù)流的有效比特率（見下面說明）。但其總時間延遲（time delay）可爭取做到小于2 s（顯著小于衛(wèi)星鏈路的時間延遲，成本又極低）。

需采取的臨時措施有：1）臨時降低其他DwS節(jié)目源（或Up-RC/Dw-RC）的平均比特率。例如降低其清晰度或者縮小其顯示圖像的幾何尺寸；或采用電視的“降幀技術(shù)（幀頻減半）”；插入的廣告也可改為靜止圖片。

2）與此同時，在所有其他DwS和Dw-RC中插入特殊的字幕通告（附上小尺寸視頻作為“畫中畫”），向所有觀眾通報此突發(fā)事件。

3）凌晨空閑時段的應(yīng)用：可開展各類非實(shí)時的免費(fèi)或低交費(fèi)的各類“信息下載”服務(wù)（特別是視頻節(jié)目）。

4）節(jié)假日時段的應(yīng)用：各國、各民族和各地區(qū)都會有各自的特殊情況，需因地制宜探索。

但不管怎樣，地面廣播業(yè)者（特別是美國）“萬變不離其宗”，在嶄新的寬帶網(wǎng)絡(luò)（互聯(lián)網(wǎng)）服務(wù)中，需要繼續(xù)發(fā)揮其固有的節(jié)目源優(yōu)勢（并探索自己的新特色節(jié)目源）。

5 建議3：增加“寬帶DTV發(fā)射機(jī)+ M-SFN（多頻道單頻網(wǎng)）”的DTTB組網(wǎng)創(chuàng)新模式[4-6]

5.1 中國工程師們自主創(chuàng)新的“寬帶DTV發(fā)射機(jī)+ M-SFN”DTTB組網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的回顧

2005年秋，趙章佑教授提出其概念[6]，2007年底，云南昭通市廣電局[10]在中國首次實(shí)施2個高山臺（位于昭通市區(qū)東西兩側(cè)的高山上，落差大于1 100m）上，分別安裝功率各為400W的寬帶DTV發(fā)射機(jī)，組建M-SFN；共動用6個頻道，每個頻道發(fā)射功率僅約35W；采用中國地面國標(biāo)前期方案ADTB-T傳輸和MPEG-2視頻；其中1個頻道提供1套SDTV移動接收服務(wù)，其余5個頻道每個提供約8套DVD質(zhì)量的SDTV服務(wù)（總共約40套）。

2014年6月24日，葉進(jìn)教授（中國最大的發(fā)射機(jī)國企北京北廣科技總工）在山東煙臺舉行的“未來廣播電視（FOBTV）”國際高峰論壇的報告[5]中，除介紹該企業(yè)和國內(nèi)外市場的概況外，其技術(shù)部分則著重介紹寬帶DTV發(fā)射機(jī)的框圖及其優(yōu)點(diǎn)：框圖設(shè)計簡化、節(jié)能環(huán)保，在提高可靠性的同時又降低成本。湖南株洲的趙章佑教授最近則專門撰文[6]，系統(tǒng)介紹“寬帶DTV發(fā)射機(jī)+ M-SFN”組建DTTB網(wǎng)絡(luò)的基本概念、技術(shù)要點(diǎn)和經(jīng)驗(yàn)。

據(jù)悉，在趙章佑教授的協(xié)助下，中國中部某省級有線網(wǎng)絡(luò)公司采用“株洲經(jīng)驗(yàn)”[4]的“有線（有限）網(wǎng)絡(luò)，無線（無限）延伸”和“寬帶DTV發(fā)射機(jī)+M-SFN”DTTB組網(wǎng)創(chuàng)新模式等，2013年內(nèi)總共在23個縣級的地域，共架設(shè)102個發(fā)射臺站，在各個縣域范圍內(nèi)實(shí)施4個頻道的中國地面國標(biāo)-C=1+AVS視頻（雙國標(biāo)）+M-SFN，可提供36套DVD質(zhì)量的SDTV，到2014年上半年的總用戶數(shù)達(dá)23萬。這種嶄新的DTTB組網(wǎng)創(chuàng)新模式，為模數(shù)并存的過渡期內(nèi)和結(jié)束后，省級廣電部門實(shí)施全省統(tǒng)一的4個頻道的M-SFN，準(zhǔn)備了技術(shù)條件（需有計劃進(jìn)行幾次頻率優(yōu)化調(diào)整）。

從2007年底到2013年底，我國工程師們奮斗而得這種嶄新技術(shù)模式，又“上一層樓”：從技術(shù)升級到實(shí)施規(guī)模擴(kuò)大到省級/大區(qū)域網(wǎng)絡(luò)。這樣大規(guī)模的“寬帶DTV發(fā)射機(jī)+M-SFN”DTTB組網(wǎng)創(chuàng)新模式的案例，就筆者接觸到的美歐日等發(fā)達(dá)國家的資料，沒有見過先例。

5.2 組建DTTB網(wǎng)絡(luò)的2種模式：傳統(tǒng)模式和創(chuàng)新模式

5.2.1 傳統(tǒng)DTTB組網(wǎng)模式

傳統(tǒng)模式DTTB組網(wǎng)的發(fā)射端框圖見圖7，多臺DTV發(fā)射機(jī)（可能還有ATV（模擬電視）發(fā)射機(jī)）+1臺射頻復(fù)用器（RF-MUX，多工器），而節(jié)目源和發(fā)射機(jī)之間還有多臺調(diào)制器/激勵器。

圖7 傳統(tǒng)的DTTB組網(wǎng)模式的發(fā)射端（發(fā)射機(jī)在模數(shù)并存期除DTV外，還有ATV發(fā)射機(jī)）

DTTB網(wǎng)絡(luò)在縣級地域、地市級地域和省級地域擴(kuò)展時，其發(fā)送端也采用類似的框圖。

傳統(tǒng)模式的優(yōu)點(diǎn)是：1）模擬電視時代已大量采用；技術(shù)成熟。進(jìn)入DTV時代繼續(xù)采用，特別是大功率的應(yīng)用（單個頻道的平均功率大于 1 kW）。2）單頻道DTV發(fā)射機(jī)整機(jī)的電效率較高，可達(dá)35%。3）用戶總?cè)藬?shù)與管理總?cè)藬?shù)的比例較高，有利于日常運(yùn)行管理（特別方便保證信息安全和可靠，它與電信的小蜂窩網(wǎng)成為2種相輔相成的模式）。

傳統(tǒng)模式的缺點(diǎn)是：1）多路射頻信號復(fù)用，必定采用射頻復(fù)用器[注11]，需支付設(shè)備和運(yùn)營的成本（還占用機(jī)房較多的空間）。此外，為了解決其“溫度漂移”問題，機(jī)房環(huán)境溫度也有要求，增加成本。2）其插入損耗（Insertion Loss；含短饋線）則轉(zhuǎn)化為熱能而白白浪費(fèi)掉，不符合綠色低碳產(chǎn)業(yè)的國際戰(zhàn)略需求。3）近距離或中距離的場強(qiáng)過大，也實(shí)屬電能量浪費(fèi)和電磁污染[注12]。

[注11]2009年10月，湯旭光先生在報告[11]中提到某歐洲著名公司RF-MUX產(chǎn)品的單個頻道之插入損耗≤0.5 dB，但其價格昂貴。而國內(nèi)產(chǎn)品價格雖然低廉，但性能稍差：2014年8月，筆者從網(wǎng)絡(luò)搜索到廣西桂林某公司的“八合一”RF-MUX產(chǎn)品性能[12]是：當(dāng)8個DTV信號同時復(fù)用時，插入損耗≤1.5 dB。

[注12]以湖南高山臺系統(tǒng)為例（請訪問 www.hndmtv. com），由于采用無方向性天線，在近場或中近場必有無人區(qū)或人口稀少地區(qū)，而信號過強(qiáng)，純屬浪費(fèi)。北京的CCTV大塔采用無方向性天線，導(dǎo)致北京西部、西北部和北部山坡上的信號“綽綽有余”，也純屬浪費(fèi)。

另據(jù)發(fā)射機(jī)專家稱：RF-MUX在多個信號輸入時（特別是ATV與DTV并存時），由于不同頻道的中心頻率不同，對天線、長饋線、短饋線以及輸入/輸出連接部件的阻抗匹配和駐波比之調(diào)節(jié)，往往“顧此失彼”；因而造成多個功率信號輸入復(fù)用時與單個信號輸入時相比，各個頻道的插入損耗都將增大（而RF-MUX制造企業(yè)一般不公布其實(shí)測數(shù)據(jù)）。

5.2.2 中國自主創(chuàng)新的“寬帶DTV發(fā)射機(jī)+M-SFN”的DTTB組網(wǎng)技術(shù)（簡稱“創(chuàng)新模式”）

寬帶DTV發(fā)射機(jī)和M-SFN（多頻道單頻網(wǎng)）的基本概念：所謂“寬帶DTV發(fā)射機(jī)”就是1臺發(fā)射機(jī)的帶寬為n個頻道（2≤n≤8，目前n不宜過大），可同時發(fā)射M個頻道（M≤n）的DTTB信號，其總帶寬對中國而言等于n×8 MHz（最高不宜超過64 MHz）。在其有效帶寬內(nèi)，M個頻道可以是相鄰的，也可以是隔頻道的（即中間有“空白頻道”）。而所謂“M-SFN”則是一種DTTB省級/大區(qū)域組網(wǎng)模式：首先在同一縣級區(qū)域內(nèi)的不同發(fā)射臺站采用統(tǒng)一的M個頻道（推薦總數(shù)為4個，共4個中心頻率）組建單頻網(wǎng)（Single Frequency Network，SFN）；然后逐步擴(kuò)展到相鄰的縣級區(qū)域、地市級區(qū)域、相鄰的地市級區(qū)域，最后到全省的省級大區(qū)域。

而把上述這2種自主創(chuàng)新的技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，可簡稱為DTTB組網(wǎng)的“創(chuàng)新模式”。它在過渡期內(nèi)和結(jié)束后，用較低的成本完成模數(shù)過渡，并顯著節(jié)約地面電視頻譜資源，方便安全播出和省級地面國標(biāo)的頻率規(guī)劃/網(wǎng)絡(luò)管理。而這種“創(chuàng)新模式”正是中國工程師們在采用小功率或中功率（每個頻道不大于500W）覆蓋地市級和縣級地域的地面國標(biāo)工程實(shí)施中，通過6～7年來勇于創(chuàng)新、反復(fù)實(shí)踐和不斷完善的碩果。

創(chuàng)新模式DTTB組網(wǎng)的發(fā)射端框圖[5-6]見圖8：N路（N=2，3，…，8）節(jié)目源輸入1臺多頻道調(diào)制器/激勵器（含小功率射頻復(fù)用器和本地10 MHz晶體振蕩器）和1臺寬帶DTV發(fā)射機(jī)。其中省略功率級的RF-MUX（還有短饋線），徹底消除其插入損耗（還有其溫度漂移問題）。

圖8 創(chuàng)新的DTTB組網(wǎng)模式之發(fā)射端（僅供DTTB使用）

創(chuàng)新模式的優(yōu)點(diǎn)：

1）粗略對比圖7和圖8的設(shè)備總數(shù)量（表3）可看出，創(chuàng)新模式的框圖設(shè)計簡化，在提高可靠性的同時降低了成本[5-6]。

表3 傳統(tǒng)模式與創(chuàng)模式新DTTB組網(wǎng)時，發(fā)射端設(shè)備數(shù)量對比（動用4個頻道為例）

2）從圖8與圖7對比（及表3最后一列）可看出，創(chuàng)新模式省略RF-MUX，從徹底消除插入損耗，符合節(jié)能環(huán)保的綠色低碳產(chǎn)業(yè)國際戰(zhàn)略需求。表4是傳統(tǒng)模式和創(chuàng)新模式在插入損耗方面的對比。

表4 傳統(tǒng)模式與創(chuàng)新模式在插入損耗方面的對比（以空中發(fā)射1 kW功率為例。單頻道DTV發(fā)射機(jī)的電效率按35%估算；而寬帶DTV發(fā)射機(jī)的電效率則按25%估算）

3）體積、能耗都大大減小，因而可節(jié)省機(jī)房空間（包括新建臺站成本低），特別適用于“無人值守型”中小功率的“轉(zhuǎn)發(fā)站”或“空隙填充器”。

創(chuàng)新模式的缺點(diǎn)：

1）功率放大的非線性效應(yīng)：除了單個頻道帶內(nèi)性能惡化外（表現(xiàn)為帶內(nèi)的MER值下降[6]），幾個工作頻道相互間的交叉調(diào)制（crossmodulation）也會導(dǎo)致MER進(jìn)一步惡化（地面國標(biāo)-C=3 780由于其多載波的性能，比起C=1更要差些）。

2）在工作頻道（已確定具體的頻道數(shù)）之外還會出現(xiàn)較強(qiáng)的“雜散干擾（spurious interference）”，嚴(yán)重影響被干擾頻道的正常工作（不得不采用“陷波器”，需額外的電能耗和成本）。

3）多個頻道寬帶發(fā)射機(jī)的整機(jī)電效率還不如單個頻道的。

據(jù)悉：可工作于單個頻道的1 kW DTV發(fā)射機(jī)，采用創(chuàng)新模式和地面國標(biāo)-C=1+AVS視頻（雙國標(biāo)），并動用4個頻道工作時，每個頻道可有不大于250W的發(fā)射功率，而整機(jī)電效率可達(dá)25%。

5.2.3 傳統(tǒng)模式與創(chuàng)新模式具有相輔相成的關(guān)系

綜合上面的討論可知：傳統(tǒng)模式目前在大功率（每個頻道1 kW以上）覆蓋時，其成本及可靠性均優(yōu)于創(chuàng)新模式，適用于人口密集、平原地區(qū)的大城市（或者高山臺）DTTB組網(wǎng)。而創(chuàng)新模式在中小功率（每個頻道不宜超過250W）進(jìn)行DTTB組網(wǎng)覆蓋時，其方案簡單、成本較低（與傳統(tǒng)模式相比，可節(jié)省成本約40%）。它特別適合于中國大多數(shù)地市級和縣級中小城市及邊遠(yuǎn)山區(qū)的DTTB組網(wǎng)覆蓋，也適用于大功率覆蓋的盲區(qū)采用“空隙填充器”的轉(zhuǎn)發(fā)覆蓋。因此，創(chuàng)新模式在一定時期內(nèi)與傳統(tǒng)模式相輔相成、互為補(bǔ)充，對DTTB組網(wǎng)做出貢獻(xiàn)。中國工程師們創(chuàng)造的經(jīng)驗(yàn)，不僅適用于所有發(fā)展中國家，也同樣適用于所有發(fā)達(dá)國家。

但創(chuàng)新模式畢竟是有發(fā)展前途的高科技新碩果，如果再經(jīng)過中國工程師們今后6～7年的持續(xù)努力，其性能可望繼續(xù)提高：如每個頻道的發(fā)射功率可望提高到約500W，總發(fā)射功率提高到2 kW或更多，發(fā)射機(jī)整機(jī)的電效率提高到約30%。而當(dāng)這些目標(biāo)實(shí)現(xiàn)時，將進(jìn)一步證實(shí)表4的討論：創(chuàng)新模式符合節(jié)能環(huán)保國際綠色產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略需求。傳統(tǒng)模式與創(chuàng)新模式的相互主次關(guān)系（從市場份額來看）今后可望逐步轉(zhuǎn)到“七三開”、“六四開”、“平起平坐”，直至“主次關(guān)系徹底顛倒”。

5.3 創(chuàng)新模式特別適用于ATSC標(biāo)準(zhǔn)的中小功率組建DTTB網(wǎng)絡(luò)

5.3.1 ATSC1.0版的應(yīng)用（2.0版類似）

ATSC 1.0版（還有2.0版）的有效帶寬比（有效帶寬/帶寬）稍小（表5），更有利于采用寬帶DTV發(fā)射機(jī)，因而更有利于采納創(chuàng)新模式。因?yàn)椋墨I(xiàn)[6]中已經(jīng)提到：在地面國標(biāo)-C=1的應(yīng)用中，如果寬帶DTV發(fā)射機(jī)采用的頻道總數(shù)“乘2”時，其MER將劣化約3.0 dB（動用4個頻道與單個頻道相比而“乘4”時，MER將劣化約6 dB）。因而，對其寬帶發(fā)射機(jī)提供輸入信號的多頻道調(diào)制器/激勵器輸出的MER指標(biāo)提出較苛刻要求。

表5 ATSC1.0版的有效帶寬比

而ATSC 1.0版的有效帶寬比與地面國標(biāo)相比稍小。上述“乘4”（即M-SFN中的M=4）時MER將劣化約6 dB的情況是否會縮小到約3 dB（或更好）？或者輸出的發(fā)射功率可增加約3 dB（乘2倍）？

5.3.2 創(chuàng)新模式在ATSC3.0版和3.1版物理層的可能應(yīng)用

由前面的討論，ATSC 3.0版可能對“有效帶寬比”修訂而增加約0.95的可選項(xiàng)（原5.38 MHz仍為可選項(xiàng)）。這時，文獻(xiàn)[6]提供的創(chuàng)新模式對地面國標(biāo)-C=1或C=3 780調(diào)制器/激勵器MER指標(biāo)測試的有關(guān)討論，可供ATSC 3.0版物理層的純多載波系統(tǒng)（類型M）、單載波/多載波混合系統(tǒng)（類型H）以及本文建議的ATSC 3.1版單載波可選項(xiàng)（類型S）提供重要參考[注13]。

[注13]DVB-T，DVB-T2和ISDB-T，還有ATSC 1.0版和ATSC 3.0版的類型M或類型H，同ATSC 3.1版可能有的類型S，都可以采用“寬帶DTV發(fā)射機(jī)+M-SFN”組建DTTB網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新模式。但根據(jù)中國地面國標(biāo)-C=1與C=3 780的經(jīng)驗(yàn)來看，類型S（含ATSC 1.0版）的性能要稍好些。

6 小結(jié)

1）ATSC 3.0物理層很可能采納類似中國地面國標(biāo)的融合系統(tǒng)[8]：既可容納純多載波系統(tǒng)（類型M，如參照DVB-T或ISDB-T的提案），也可容納單載波/多載波混合系統(tǒng)（類型H，如參照地面國標(biāo)-C=3 780的中國提案，但后者與C=3 780不同之處可能是，在幀體（負(fù)荷）部分也插入導(dǎo)頻信號。

2）本文建議ATSC 3.1版物理層增加3方面技術(shù)：（1）增加單載波調(diào)制可選項(xiàng)（如n-VSB和n-QAM等）；（2）增加僅在單個頻道（即指派頻道）內(nèi)實(shí)現(xiàn)“回傳信道”，不依賴于“空白頻譜”；（3）推薦中國工程師們自主創(chuàng)新的“寬帶DTV發(fā)射機(jī)+M-SFN（多頻道單頻網(wǎng)）”的DTTB組網(wǎng)技術(shù)，它特別適用于有效帶寬比稍小的ATSC 1.0版（還有2.0版）以及也適用于ATSC 3.1版（可能對“帶寬比”做修訂），它還可應(yīng)用到DVB-T、DVB-T2和ISDB-T，但這些應(yīng)用都限于中小功率發(fā)射（每個頻道一般不大于250W）。

7 補(bǔ)充

本文定稿和發(fā)稿之日（2014年10月9日）清晨收到上海全波公司夏勁松先生發(fā)自美國的郵件（筆者在此特別感謝夏先生），通報Deborah D.MACADAMS先生2014年10月8日上午07:12（美國西部時間）在TV Technology網(wǎng)站發(fā)表重要通訊[13]，題目是：Sinclair和Technicolor實(shí)施ATSC 3.0的4K空中廣播，副標(biāo)題是：第一個位于美國的演示（4K-UHDTV的地面廣播試驗(yàn)演示）。Sinclair Groups是美國第二檔的廣播集團(tuán)，其總部位于這次試驗(yàn)的Baltimore市，在華盛頓東北約150 km。該集團(tuán)一直主張采用OFDM技術(shù)，因此在這次試驗(yàn)中負(fù)責(zé)調(diào)制和傳輸部分，并提供4K-UHDTV等各類節(jié)目源。而Technicolor則是高科技公司，負(fù)責(zé)其余部分：音視頻編碼和解碼，還有極其重要的傳送（transport）部分。

參照這篇新報道，筆者可補(bǔ)充：

1）這種試驗(yàn)平臺和地面廣播試驗(yàn)，比起筆者設(shè)想的提前半年或更多。預(yù)計美國還會有第二個或第三個試驗(yàn)平臺陸續(xù)出現(xiàn)。因而還可設(shè)想：美國地面廣播業(yè)者最早于2016年圣誕節(jié)前夕啟動ATSC 3.0版的市場（產(chǎn)業(yè)化也加速）：用戶有需求、手機(jī)和平版電腦需更新、機(jī)頂盒和電視機(jī)需更新（4K-UHDTV機(jī)）以及地面廣播業(yè)者需盡快占領(lǐng)寬帶網(wǎng)絡(luò)（互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)）的嶄新市場。因而，ATSC 3.0版進(jìn)入市場的日程表，只會提前，不會延遲。

2）技術(shù)先進(jìn)和質(zhì)量優(yōu)越；（1）地面廣播業(yè)者的“下一代播控平臺（NGBP）”的輸出既是“傳統(tǒng)”電視服務(wù)的輸出，更是“傳統(tǒng)”寬帶網(wǎng)絡(luò)（互聯(lián)網(wǎng)路）服務(wù)的輸出，可實(shí)現(xiàn)無線“三網(wǎng)融合”。（2）信道糾錯編碼效率極高、不同穩(wěn)健性（Robustness）時的各類服務(wù)的有效比特率極高，其計算機(jī)仿真的率失真曲線更加接近Shannon理論極限。（以上正文有說明）

致謝：

筆者以此文再次答謝ATSC對中國自主創(chuàng)新制定地面國標(biāo)的多年支持。筆者特別要感謝Richard Chernock博士及時向筆者提供幻燈片報告[2]，并同意筆者增加中文翻譯（上海陳志葛教授校對）后，向不熟悉英文的我國專家散發(fā)（其報告6月底還在北京舉行的IEEE BTS 2014 BMSB和BIRTV會議，以及8月底在北京舉行的ISBT會議，又重復(fù)講了3遍）。有關(guān)“寬帶電視DTV發(fā)射機(jī) + M-SFN”技術(shù)，筆者還要向趙章佑和陳志葛2位教授多年來的交流致謝。筆者還要向北京北廣科技集團(tuán)公司的欒鶴峰教授致謝（2014年9月向筆者提供寬帶DTV發(fā)射機(jī)的最新進(jìn)展）。

[1]ATSC[EB/OL].[2014-10-09].www.atsc.org.

[2]CHERNOCK R.Update on ATSC 3.0[R].Yantai，China：FOBTV 2014，2014.

[3] XU Mengxia.A hybrid merging system for ATSC 3.0 PHY(pri?vate proposals to ATSC)[R].Yantai，China：FOBTV 2014，2014.

[4] 徐孟俠.DTTB雙國標(biāo)新系統(tǒng)——最節(jié)約的綠色低碳產(chǎn)業(yè)的候選者[J].電視技術(shù)，2014，38（10）：31-38.

[5] 葉進(jìn).融合的無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展動態(tài)與應(yīng)用探析[R].煙臺：FOB?TV2014，2014.

[6]趙章佑.UHF頻段數(shù)字電視寬帶發(fā)射機(jī)與大區(qū)域M-SFN組網(wǎng)探討[J].電視技術(shù)，2014，38（21）：6-12.

[7] ETSIEN 302 755 v1.1.1，Digital video broadcasting(DVB):frame structure,channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system(DVB-T2)[S]. 2009.

[8]徐孟俠.對國際通用DTTB傳輸標(biāo)準(zhǔn)（3.0版）的建議[J].電視技術(shù)，2012，36（12）：20-21.

[9]GB 20600—2006，數(shù)字電視地面廣播傳輸系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)、信道編碼和調(diào)制[S].2006.

[10] 昭通市廣播電視局，上海某公司，廣西桂林某公司，等.國標(biāo)地面數(shù)字電視ADTB-TH寬頻發(fā)射系統(tǒng)覆蓋效果測試報告[R].昭通：出版者不詳，2008.

[11] 湯旭光.對數(shù)字電視發(fā)射機(jī)輸出濾波器的討論[EB/OL]. [2014-10-09].http://info.broadcast.hc360.com/2009/10/27193613 8777-4.shtml.

[12] Sinclair and Technicolor do ATSC 3.0 4K over-the-air broadcast [EB/OL].[2014-10-09].http://www.tvtechnology.com/article/sin?clair-and-technicolor-do-atsc--k-over-the-air-broadcast/2727 58.

Private Proposals to ATSC 3.1 PHY

XU Mengxia

ATSC 3.0 version is now actively promoted by ATSC,with its schedule of the draft standard completed by the end of 2015.Three possible fields of technology that could be supplemented into ATSC 3.1 PHY are proposed privately in this paper:1)Single carrier modulations(n-VSB and n-QAM,etc)could be added as options.2)“Single Channel Solution”for the return channel could be added as option to“White Space Solution”,using the single assigned channel only.3)The new technology innovated by Chinese engineers,i.e.the wideband digital television(DTV)emitter+M-SFN (Multiple Channels-Single Frequency Networks)for digital terrestrial television broadcasting(DTTB)networking,could be introduced,as a lot of the advantages of single carrier systems would be realized,especially in the services of high bit-rate fixed reception(i.e.,4K/8K-UHDTV).

DTTB;ATSC;single carrier;wideband DTV emitters;multiple-channels SFN(M-SFN)

TN949

A

?? 京

2014-10-28

【本文獻(xiàn)信息】徐孟俠.對ATSC 3.1版物理層的個人建議[J].電視技術(shù)，2014，38（24）.

徐孟俠（1931—），1955年北京大學(xué)物理系畢業(yè)后留系任教。1958年9月轉(zhuǎn)北京大學(xué)無線電電子學(xué)系（1994年改名電子學(xué)系）。1979年起開始視頻編碼研究，關(guān)注數(shù)字電視新技術(shù)的進(jìn)展。1991年初退休后，推進(jìn)VCD在我國的發(fā)展和更多關(guān)注地面數(shù)字電視傳輸技術(shù)在國內(nèi)外的進(jìn)展，特別是我國地面數(shù)字電視如何發(fā)展HDTV和服務(wù)農(nóng)民家庭的SDTV；并于2001-03對單載波系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)移動電視接收提出一些設(shè)想。2009年起積極推進(jìn)“雙國標(biāo)新系統(tǒng)”，特別是寬帶發(fā)射機(jī)在國內(nèi)外的應(yīng)用。