數(shù)字電視廣播工程運(yùn)行過程中的關(guān)鍵技術(shù)探析

王廷帥

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字電視廣播的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛，數(shù)字電視技術(shù)作為新一代廣播技術(shù)，以其清晰度高、信息容量大、信號傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)而引起了廣泛的關(guān)注。為了進(jìn)一步提升數(shù)字電視廣播工程的運(yùn)行效果，了解工程運(yùn)行過程中的關(guān)鍵技術(shù)至關(guān)重要，需要探討數(shù)字電視廣播工程運(yùn)行過程中各個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域所涉及的關(guān)鍵技術(shù)，為數(shù)字電視廣播的發(fā)展提供切實(shí)可行的思路。

一、數(shù)字電視廣播工程概述

數(shù)字電視廣播工程作為21世紀(jì)的一項(xiàng)革命性技術(shù)，已經(jīng)在廣播領(lǐng)域取得了極大的成功。其清晰度高、信息容量大、信號傳輸穩(wěn)定等特點(diǎn)，使得數(shù)字電視廣播逐漸成為現(xiàn)代廣播事業(yè)的主流趨勢。數(shù)字電視廣播工程涵蓋了多個(gè)環(huán)節(jié)和技術(shù)，其中包括信號源處理、信道編碼技術(shù)、傳輸標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)字視頻廣播網(wǎng)絡(luò)、用戶接收設(shè)備以及數(shù)字電視系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)服務(wù)等[1]。在信號源處理方面，MPEG-2作為一種專業(yè)壓縮編碼技術(shù)，采用了編碼效率50 Mbps（兆比特/秒）、分辨率可達(dá)1920×1080，已被廣泛應(yīng)用于數(shù)字電視廣播工程。在信道編碼技術(shù)上，DVB常用標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的是COFDM（Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing）和Turbo編解碼技術(shù)，這兩種編解碼技術(shù)的特點(diǎn)分別是在多徑干擾復(fù)雜的情況下保持高接收質(zhì)量和實(shí)現(xiàn)強(qiáng)抗干擾性能。在傳輸標(biāo)準(zhǔn)方面，DVB-T、DVB-S和DVB-C等已成為數(shù)字電視廣播工程中的主要傳輸標(biāo)準(zhǔn)，各自應(yīng)用在地面、衛(wèi)星和有線數(shù)字電視廣播領(lǐng)域。數(shù)字視頻廣播網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)主要依靠CI（Common Interface，通用接口）技術(shù)進(jìn)行接收設(shè)備間的統(tǒng)一接口定義，以及采用MUX（Multiplexer，復(fù)用器）和QAM（Quadrature Amplitude Modulation，四象限調(diào)幅）技術(shù)實(shí)現(xiàn)高效數(shù)字信號及其復(fù)用傳輸，達(dá)到高清視頻畫質(zhì)的傳輸效果。在用戶接收設(shè)備方面，涉及到工程中廣泛應(yīng)用的機(jī)頂盒、集成接收解碼器（IRD）等，需要解決數(shù)字視頻接收端的數(shù)字信號解調(diào)、解碼問題。

二、數(shù)字電視廣播工程運(yùn)行過程中的關(guān)鍵技術(shù)

1.MPEG視頻編碼技術(shù)

數(shù)字電視廣播工程在運(yùn)行過程中，以MPEG視頻編碼技術(shù)為核心對數(shù)字電視信號進(jìn)行處理。在眾多的視頻編碼技術(shù)中，MPEG-2編碼技術(shù)尤為常用，其主要特點(diǎn)是具有高達(dá)1:100至1:200的壓縮比和卓越的畫質(zhì)表現(xiàn)。MPEG編碼過程通常涉及DCT（離散余弦變換）對圖像進(jìn)行頻域轉(zhuǎn)換；量化技術(shù)將連續(xù)的色彩值轉(zhuǎn)換為離散的編碼數(shù)據(jù)；去塊效應(yīng)也同樣重要，利用變權(quán)值和去塊濾波降低信號失真以及幀預(yù)測技術(shù)等來提高編碼效果。源視頻信號的幀率一般為29.97fps（NTSC制式）或25fps（PAL制式），利用I幀（關(guān)鍵幀）、B幀（雙向預(yù)測幀）和P幀（向前預(yù)測幀）組合成GOP（Group of Pictures），進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高效率的編碼。通過設(shè)置每個(gè)GOP的大小在12至15個(gè)圖片幀之間，能夠?qū)崿F(xiàn)從一個(gè)I幀到另一個(gè)I幀之間的長距離幀間轉(zhuǎn)換預(yù)測和高壓縮率。在數(shù)字電視信號傳輸過程中，廣泛采用188字節(jié)的MPEGTS（傳輸流）分組傳輸方式。根據(jù)實(shí)際場景使用不同的傳輸碼率設(shè)置，可根據(jù)信號質(zhì)量要求在15～19.2Mbps（兆比特每秒）范圍內(nèi)調(diào)整[2]。此外，針對不同業(yè)務(wù)類型，通過調(diào)整壓縮率可以在節(jié)省帶寬資源的同時(shí)確保編碼效果。因此，如今的數(shù)字電視廣播工程利用更先進(jìn)的視頻編碼技術(shù)，如H.264/AVC、H.265/HEVC等，以實(shí)現(xiàn)更高的編碼效率和更低的碼率。這些新一代編碼方式已經(jīng)成為數(shù)字電視領(lǐng)域的主流標(biāo)準(zhǔn)，在減少對帶寬資源的占用方面具有優(yōu)勢，同時(shí)在支持全高清（1920×1080）和4K（3840×2160）甚至8K（7680×4320）的高分辨率視頻格式方面作出了巨大貢獻(xiàn)，不斷提高數(shù)字電視廣播的整體效果。

2.多路復(fù)用技術(shù)

在數(shù)字電視廣播系統(tǒng)中，多路復(fù)用技術(shù)是對多路數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流進(jìn)行封裝和傳輸?shù)年P(guān)鍵過程，其中TS復(fù)用技術(shù)具備將多個(gè)服務(wù)提供商在同一頻點(diǎn)上傳輸?shù)哪芰?，使得各種業(yè)務(wù)得以在相互恰當(dāng)?shù)姆峙湎抡蟼鬏?。通常情況下，傳統(tǒng)的DVBS/S2系統(tǒng)運(yùn)用MCPC（多路單載波）方式，該方式具備傳輸約20～30個(gè)以15～19.2Mbps碼率傳輸?shù)腗PEG-TS數(shù)據(jù)流的能力，從而大幅提高頻譜資源的利用效率。數(shù)字電視廣播工程中的時(shí)刻表，包括PSI（Program Specific Information，針對節(jié)目相關(guān)信息）和SI（Service Information，針對系統(tǒng)服務(wù)的信息）系統(tǒng)，用于描述與統(tǒng)一不同業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流，以確保數(shù)字電視廣播系統(tǒng)各種業(yè)務(wù)的互操作性。這兩者都用于標(biāo)識電視節(jié)目的基本和擴(kuò)展元數(shù)據(jù)，如PAT（Program Association Table，節(jié)目關(guān)聯(lián)表）或PMT（Program Map Table，節(jié)目映射表）等，進(jìn)而為用戶提供良好的觀看體驗(yàn)。在這個(gè)過程中，數(shù)字電視信號經(jīng)過多路復(fù)用操作，比如QAM（Quadrature Amplitude Modulation，正交幅度調(diào)制）等調(diào)制技術(shù)，將原視頻信號和音頻信號以及相關(guān)輔助數(shù)據(jù)合成常規(guī)的數(shù)據(jù)流[3]。這些信號經(jīng)處理后，可以利用集成接收裝置（Integrated Receiver-Decoder，IRD）順利獲取和處理。IRD設(shè)備的主要責(zé)任是接收數(shù)字廣播編碼信號，對其進(jìn)行解碼以便輸出原來的視頻、音頻等內(nèi)容，然后按照節(jié)目源的要求和格式處理。其處理后的信號最終可以發(fā)送至用戶端或以IP（Internet Protocol，互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議）、ASI（Asynchronous Serial Interface，異步串行接口）等標(biāo)準(zhǔn)形式進(jìn)行再次傳輸。這種傳輸方式在節(jié)省帶寬資源、提高頻譜利用率和保證數(shù)字電視廣播服務(wù)質(zhì)量方面具有重要意義，為數(shù)字電視廣播行業(yè)帶來了革新和發(fā)展。

3.調(diào)制解調(diào)技術(shù)

數(shù)字電視廣播工程充分利用調(diào)制解調(diào)技術(shù)在信道中傳輸封裝好的數(shù)字信號，在衛(wèi)星電視廣播領(lǐng)域，一般選用QPSK（Quadrature Phase Shift Keying，正交相移鍵控）和8PSK（8 Phase Shift Keying，8相相移鍵控）作為主要的調(diào)制技術(shù)，以提高信號質(zhì)量并滿足對距離、干擾和傳輸速率的要求。針對地面數(shù)字電視廣播工程，如DVBT（Digital Video Broadcasting-Terrestrial）和DVB-T2的項(xiàng)目，則可通過OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復(fù)用）技術(shù)來實(shí)現(xiàn)多載波調(diào)制方式，進(jìn)一步確保信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性和較低的誤比特率。OFDM技術(shù)充分利用正交子載波，并使用FFT（Fast Fourier Transform，快速傅立葉變換）和IFFT（Inverse Fast Fourier Transform，逆快速傅立葉變換），以便在復(fù)用子載波時(shí)實(shí)現(xiàn)高效率。在此基礎(chǔ)上，信道編碼技術(shù)如Reed-Solomon（RS）編碼進(jìn)一步提高了信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性和糾錯(cuò)能力，充分保障了最終接收到的畫質(zhì)以及音頻的質(zhì)量。在這種基于混合載波技術(shù)構(gòu)筑的OFDM系統(tǒng)下，采用帶寬6MHz，約19.2Mbps的傳輸速率可以被實(shí)現(xiàn)?；贠FDM的調(diào)制系統(tǒng)適應(yīng)于各種復(fù)雜的地形和天氣條件下傳輸數(shù)字電視信號。數(shù)字電視廣播需要在不同信道環(huán)境下持續(xù)傳輸高質(zhì)量的畫面和音頻，以滿足消費(fèi)者對服務(wù)質(zhì)量的高要求。在這一背景下，如QAM（Quadrature Amplitude Modulation，正交幅度調(diào)制）等多種先進(jìn)的數(shù)字調(diào)制技術(shù)和信道編碼技術(shù)相繼被研發(fā)和應(yīng)用，以提高廣播服務(wù)的傳輸質(zhì)量和用戶體驗(yàn)?？梢哉f，借助這些先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字電視廣播行業(yè)在傳輸質(zhì)量、穩(wěn)定性和效率等方面取得了顯著的進(jìn)步，為用戶帶來了卓越的數(shù)字視音頻娛樂體驗(yàn)。

4.射頻放大器技術(shù)

射頻放大器在數(shù)字電視廣播系統(tǒng)中具有重要的地位，它在很大程度上確保了傳輸信號的功率和接收質(zhì)量能夠維持在較高水平，射頻放大器不僅作為關(guān)鍵組件拓展傳輸信號的覆蓋范圍，還在保證減小信號干擾的同時(shí)提高信號品質(zhì)?，F(xiàn)代Doherty功率放大器采用先進(jìn)的電子技術(shù)，能夠充分利用ARM（Advanced RISC Machines，高級精簡指令集計(jì)算機(jī)）微控制器和DSP（Digital Signal Processing，數(shù)字信號處理）聯(lián)合技術(shù)，在信號傳輸過程中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整功率和帶寬，進(jìn)一步優(yōu)化功率放大器的效能表現(xiàn)和能效比。在實(shí)際應(yīng)用中，選擇合適功率的射頻放大器顯得尤為重要，這需要根據(jù)所處地理環(huán)境和傳播條件來決定。例如，在山區(qū)等復(fù)雜地形地區(qū)，射頻傳輸信號受到很多自然因素的影響，容易出現(xiàn)信號干擾和衰減。在這種情況下，可選擇低功率射頻放大器并配合RF回波抑制器，同步穩(wěn)定和提升信號傳輸質(zhì)量。RF回波抑制器能夠減小信號損耗并消除信號的回波干擾，確保射頻信號傳播過程中的品質(zhì)和覆蓋范圍。另外，在考慮射頻放大器選擇時(shí)，還需要關(guān)注放大器的線性特性和失真指標(biāo)，這些參數(shù)直接影響到最終廣播信號質(zhì)量。數(shù)字電視廣播系統(tǒng)的GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）與同步時(shí)鐘設(shè)備，以及自動(dòng)頻率校準(zhǔn)模塊等同樣對提高信號傳輸穩(wěn)定性和質(zhì)量起到關(guān)鍵性作用。通過綜合考慮射頻信號傳輸系統(tǒng)中射頻放大器、RF回波抑制器、GNSS時(shí)鐘、頻率穩(wěn)定器等元件，以及數(shù)字電視廣播系統(tǒng)中的調(diào)制技術(shù)、復(fù)用技術(shù)和編碼方式等因素，可以為用戶提供穩(wěn)定高質(zhì)量的視頻和音頻服務(wù)，滿足各種復(fù)雜地形和傳輸條件下的數(shù)字電視廣播需求?？傊漕l放大器在數(shù)字電視廣播工程中的關(guān)鍵性作用，充分展示了電子技術(shù)在信號傳輸及覆蓋范圍擴(kuò)大方面帶來的深刻影響，有力促進(jìn)了數(shù)字電視廣播產(chǎn)業(yè)的繁榮與發(fā)展。

5.數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)

數(shù)字電視廣播工程在實(shí)際運(yùn)行過程中，數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)起著至關(guān)重要的作用，尤其對于提高有效傳輸帶寬、降低成本和保障信號質(zhì)量具有顯著優(yōu)勢。通過有效壓縮算法（如H.264/AVC、H.265/HEVC和VP9等），可以大幅度減小視頻和音頻文件的大小，同時(shí)保持較高的質(zhì)量與清晰度，確保數(shù)字電視信號的高質(zhì)量、可靠傳輸。其中，H.264/AVC已普遍應(yīng)用于高清和標(biāo)清電視節(jié)目的壓縮，其壓縮率比傳統(tǒng)的MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)高出50%以上，且圖像質(zhì)量相比MPEG-2更令人滿意。此外，新一代的H.265/HEVC壓縮標(biāo)準(zhǔn)在同等質(zhì)量下可以實(shí)現(xiàn)更高效的壓縮，比H.264/AVC節(jié)省50%的碼率，使得高清4K與8K普及成為可能。數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的進(jìn)步不僅提升了數(shù)字電視觀眾的觀看體驗(yàn)，還為運(yùn)營商節(jié)省了大量的頻譜資源和經(jīng)濟(jì)成本。

結(jié)語

數(shù)字電視廣播工程的運(yùn)行過程是一個(gè)高度綜合的技術(shù)體系，這個(gè)體系涵蓋了從編碼、調(diào)制、復(fù)用、傳輸，到信號接收與解碼的各個(gè)方面。在這個(gè)過程中，諸如MPEG視頻編碼技術(shù)、衛(wèi)星與地面數(shù)字電視廣播技術(shù)、D V B系統(tǒng)的OFDM調(diào)制技術(shù)、PSI與SI系統(tǒng)的時(shí)刻表處理、射頻放大器應(yīng)用等多個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)都起到關(guān)鍵作用，共同確保服務(wù)質(zhì)量與用戶體驗(yàn)。隨著數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展，如今更為先進(jìn)的編碼技術(shù)（如H.264/AVC、H.265/HEVC等）、更高效的調(diào)制方法以及優(yōu)化的信號傳輸技術(shù)逐漸應(yīng)用于數(shù)字電視廣播工程，進(jìn)一步提高了傳輸質(zhì)量、穩(wěn)定性和效率。各類先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用對數(shù)字電視廣播產(chǎn)業(yè)帶來了革新和發(fā)展，同時(shí)煥發(fā)了廣播行業(yè)的活力。