数字电视地面广播系统主要设计目标的探讨.docx
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数字电视地面广播系统主要设计目标的探讨
数字电视地面广播系统主要设计目标的探讨
数字电视地面广播系统主要设计目标的探讨
作者：
昆明电视台发射台副台长、高级工程师严锦明转贴自：
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摘要:
本文分析了数字电视地面广播系统的三种传输性能和实现，就系统的主要设计讨论抗多径干扰技术、频谱、标准制定，并简耍说明了设计的主耍目的-频谱的高效利用，数据传输、稳定的固定接收和移动接收能力。
一、引言
设计一个系统所需达到的主要性能，首先要明确系统有哪些需求。
才能从技术上寻找对应的最佳解决方案。
设计要求参照国外已有系统的实际试验与应用结果，数字电视接收应至少与现有模拟电视接收一样好。
电视观众可使用接收模拟电视信号的设施增加一个机顶盒（STB）就可容易地接收到稳定的无线数字电视信号，包括在室内采用简单天线实现稳定接收。
在数字电视服务区边缘地带及其它一些信号微弱地区，可以通过使用高增益的定向室外天线接收到数字电视信号。
即在多径的环境中（瑞利“Rayleigh”衰落），数字电视地面广播系统能够稳定运行。
系统的数据传输容量应得到保证，在规定的频道带宽内，要求数字电视广播系统能够提供包括高清晰度电视、多路准清晰度电视、多路音频数据以及包括系统业务和控制信息、节目指南、互联网信息等在内的大量辅助数据。
系统应具备支持这些业务，考虑到数字电视日后发展空间和业务应用的多样性和对传输容量的不断增长的需求，数据传输容量的大小是衡量一个数字电视广播系统设计好坏的重要指标。
在提高系统其它性能时，耍考虑数据传输容量，系统必须支持便携接收应用。
便携接收应是无线广播的最基本接收形式之一。
系统应考虑支持移动接收应用。
国外现有系统在设计定型阶段大多没有充分考虑系统的移动接收性能。
事实上，移动接收能力是数字电视地面广播与卫星及有线电缆广播相比独具特色之处，若系统能够以较大的传输码率实现移动接收，如在车辆行驶速度一定范围内接收，这样应用范围和形式将会大大增加。
当然，移动接收时的传输容量要明显低于固定接收的传输容量。
系统应方便频谱分配并支持差转广播。
数字电视系统应具备同频和邻频抗干扰性，允许使用差转广播甚至同频广播等形式扩大覆盖和填充零点区域。
系统应允许多种成本价格的接收机实现，包括低成本实现。
数字传输系统的关键在于载波恢复、时钟恢复和信道均衡。
载波恢复是将接收机中的解调频率和相位调整到与发送端的调制频率和相位一致。
时钟恢复是将接收机系统时钟的频率和相位调整到与调制器系统时钟的频率和相位一致。
信道均衡是用于补偿因信道失真（如：
多径、带内频谱波动）所造成的码间干扰。
数字电视传输系统性能的优越性主要来源于信道编码和信号调制方式。
卫星和有线电视网络环境与理想的白噪声模型极为接近，而优秀的信道编码和信号调制方式一般都是针对白噪声模型设计的，这样的信道编码调制可以在卫星和有线电缆广播中得到很好的应用，系统性能可以接近理论值。
而地面广播的环境显然不是白噪声模型，没有任何信道编码调制技术可以在地面广播的环境下被优化地使用。
美、欧已有的系统都反映出这一特点：
即在实验室的白噪声环境下，两者都接近理论值，但一旦处于实际的地面广播环境下，两套系统性能都发生明显的劣化。
美国系统虽然在白噪声性能方面优于欧洲系统，但美国系统没有考虑严重的多径环境和衰落现象，其接收实际地面广播信号能力相对于欧洲系统较弱。
事实上，现有系统在白噪声条件下具有增益的编码在实际环境中不但无助于提高性能，反而加剧了系统性能的恶化。
地面广播的信道特性变化剧烈，信号幅度、相位的变化，多径的时延和幅度的变化速度都远比卫星和有线电缆信道复杂。
系统能稳定工作的区域有限，对系统信号处理能力，尤其是处理速度及稳定性要求苛刻。
再加上地面广播要求与现有模拟电视广播兼容，大功率非线性发射使相邻频道间的干扰加剧，若系统各个纠错编码保护环节不能很好地协调工作，就会顾此失彼，各部分性能互相牵制，使系统始终处于不稳定状态。
因此，在恶劣的地面广播多变通道条件下，如何设计一个各个功能强自适应工作的数字电视地面广播系统的关键技术，是我们每一名广播电视技术人员思考的问题，下面就数字电视地面广播系统的设计作一些探讨。
二、地面数字电视传输系统标准
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：
ATSC8-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-TCOFDM；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-TOFDM。
这三种系统标准，系统设计从技术上限于当时的设计方向、使用环境、技术水平和硬件支持能力，这些系统没有发挥出系统应有的潜力。
1、美国ATSC8-VSB系统 美国ATSC8VSB系统是为了在单个6MHz频道中传输高质量视频和音频（HDTV）以及辅助数据而设计的，用于地面广播分配系统。
它能够可靠地在6MHz内用8VSB调制传输19.4Mbit/s的数据。
8-VSB“地面同播模式”可抵抗NTSC干扰，对于地面广播，此系统的设计允许在已有的NTSC发射机上分配一个额外的具有可比覆盖范围的数字发射机，并且在区域和人口覆盖方面对现存NTSC节目影响最小。
系统的射频发射特性经过仔细选择后，上述能力是可以达到，通过18种视频格式，提供各种图像质量。
利用系统的数据传输能力，基于数据的业务具有巨大的潜力。
系统提供固定的接收。
8-VSB系统加入了0.3dB的导频信号，用于辅助载波恢复；并加入了段同步信号，用于8系统同步和时钟信道编码纠错保护措施。
如此设计使美国系统具备噪声门限低（理论值≈14.9dB），大传输容量（固定有用数据位率为19.4Mb/S）和实现串行数据流MPEG-2Packet188bit（1bit同步+187bit）主要技术优势。
但美国系统存在一系列问题。
最主要的是对付强动态多径困难：
在近的强多径变化（相位）时，导频信号会受到严重影响，载波恢复出现困难。
同时，均衡器的性能在载波没有精确恢复时会急剧下降；系统虽然使用了训练序列，但两个训练序列之间相隔24毫秒，期间多径的快速变化无法被跟踪，虽然美国系统同时使用数据判决反馈“DFE”，利用数据本身产生的误差信号进行调节，用以跟踪变化快的多径，但DFE需要信道被均衡到一定程度（错误判决少于10%）才能正常工作，在强多径下，系统是不稳定的。
因此，美国系统的原有设计思想、导频放置、数据结构等，都使得该系统不能有效对付强多径和快速变化的动态多径，造成某些环境中固定接收不稳定以及不支持移动接收。
另外，美国系统在对付模拟电视同播时采用了梳状滤波器，梳状滤波器开启时，系统门限上升3dB，且开启与否是通过判决后的硬开关。
这一方案在实用中不仅会使开关受噪声或多径变化的影响来回跳动，造成系统工作不稳定，还由于其引入的电平数目和12路交织，影响系统网格解码和均衡器的工作。
ATSC8-VSB传输系统具较好的载噪比，可在较低的载噪比下运行，当系统为抗NTSC同步干扰在接收机中加梳状滤坡器，由此却牺牲了约3.5dB的载性能，对抗多径效应而造成的频率选择性哀落，8VSB传输方式采用了均衡器来消除回波，但对回波时延变化很敏感，结构复杂，是一个固定码率的数字传输系统使用单载波调制技术，不支移动接收。
2、欧洲DVB-TCOFDM系统 欧洲DVB-TCOFDM系统是欧洲数字视广播（DVB）开发的系列标准中的数字地面电视广播系统标准，在系列标准中DVB-T是最复杂的DVB系统。
使用MPEG-2传送比特流复用，里德-索罗门（RS）前向纠错系统，采用COFDM调制方式，把传输比特分割到数千计的低比特率副载波上，用1705个载波（“2K”）或6817载波（“8K”）模式。
“2K”模式用于普通网，“8K”模式用于大小单频网（SFN），“2K”与“8K”系统是兼容的。
欧洲系统中放置了大量的导频信号，穿插于数据之中，并以高于数据3dB的功率发送。
这些导频信号一举多得，完成系统同步、载波恢复、时钟调整和信道估计。
由于导频信号数量多，且散布在数据中，能够较为及时地发现和估计信道特性的变化。
为进一步降低多径造成的码间干扰，欧洲系统又使用了“保护间隔”的技术，即在每个符号（块）前加入一定长度的该符号后段重复数值，由此抵御多径的影响。
可以认为，大量导频信号插入和保护间隔技术是欧洲系统的技术核心，正是这两项技术使欧洲系统能够在抗强多径和动态多径及移动接收的实测性能方面优于美国ATSC8-VSB系统。
另外，欧洲系统还对载波数目、保护间隔长度和调制星座数目等参数进行组合，形成了多种传输模式供使用者选择。
多种模式常用的其实只有两到三种，分别对应固定接收和移动接收应用。
欧洲系统同样存在一系列缺陷。
首先是频带损失严重：
导频信号和保护间隔至少占据了有效带宽的14%左右，若采用大的保护间隔，此数值将超过30%。
欧洲方案的综合频带利用率比美国的VSB方案进一步损失6%至23%。
因此，以过分下降宝贵的系统传输容量为代价来换取系统的抗多径性能，显然不是一个好的折衷方案。
其次，即使放置了大量导频信号，对信道估计仍是不足：
COFDM中的导频信号是一个亚采样信号，且COFDM采用块信号处理方式（每次上千点），在理论上就不可能完全精确地描绘出信道特性，只能给出大约平均值，这也是欧洲系统始终无法达到理论值的原因之一（与理论值差2-3dB），因此，现有欧洲COFDM系统事实上并不是对付移动多径最有效的手段。
再次，欧洲系统在交织深度、抗脉冲噪声干扰及信道编码等方面的性能存在明显不足。
欧洲还强调在其卫星、有线和地面传输方案中使用相同的信道编码模块以保证其三者之间的兼容性，因为信道编码模块在电路实现中所占比例不大，这种部分兼容方式阻止了在地面广播方案中采用更有效的其它信道编码方法。
对于地面广播，此系统在现存的已分配给模拟电视传输的UHF频谱内广播可决定选择3.7-23.8Mb/S的传输速率。
虽然系统是为8MHz频道开发的，但能用于任何频道带宽（6、7、8MHz），只是相应地改变数据容量。
8MHz信道内传输的有效净比特码率在4.98~31.67Mbit/s范围内，取决于信道编码参数、调制类型和保护间隔的选择。
在设计上允许码率可变，显示其灵活性，可根据信噪比提供多种码率。
系统设计本质上要具有内在的适应性，以便能够适应所有的信道。
它不仅能够处理高斯信道，而且也能适应Ricean和Rayleigh信道。
它能够抵抗高电平（0dB）、长延时的静态和动态多径失真。
此系统能可靠地克服延时信号的干扰，包括地势或建筑物反射的回波，或者单频网环境中远方发射机发射的信号。
系统具有许多可选择的参数，以适应大范围的载噪比和信道特性。
它允许固定、便携或者移动接收，相应的有用比特码率要进行折衷。
可选择的参数范围允许广播业者选择一种模式，以适应将来的应用。
例如，一个适度的可靠模式（相应的较低码率）对于确保使用简单的机顶天线的便携接收是必要的。
对于节目规划中使用频率交织的信道，可采用具有较高码率的低可靠模式。
如果信道干净，则数字电视广播可使用具有最高净荷的低可靠模式。
DVB-TCOFDM系统，有利于数字与模拟电视共存，在与现行模拟电视混合传输方面显示出优势，设计上不需耍优化就能对付各种模拟制式的干扰。
有抗多径失真的能力，在移动接收方面显示其独特的优势，它因有灵活性使得可以按特定的工作环境与服务耍求进行传输试验，在澳大利亚、拉丁美洲、香港地区等受到赞许。
3、日本ISDB-TODFDM系统 日本提地的“综合业务数字广播”ISDB-TOFDM系统采用MPEG-2传送比特复用，OFDM调制方式，使用的编码方式、调制、传输马DVB-TCOFDM基本相同，可以说是经修改的欧洲方式，不同之处在于接收方面增加了部分接收和分层传输，将整个6MHz频带划分为13个子带，每个子带432KHz，将中间一个用于传输音频信号，并大大加长了交织深度（最长达0.5秒），增加交织深度将引入长达数几百和的延迟影响频道转换和双向业务。
ISDB-T概念覆盖了各种服务，因此系统不得不面对各种需求，而且一个业务可能和另一个业务是不同的。
例如，对于HDTV节目就需要大容量的传输能力，而对于条件接收中的密钥传输、软件下载等等，则需要高有效性（或传输可靠性）。
为了综合不同的业务需求，系统提供了可选择的调制和误码保护方案和灵活的组合，以便面对这些综合业务的每种需求。
在一个地面频道中有13个OFDM频谱段，有用的带宽是13×BW/14MHz（对于6MHz频道是5.57MHz，7MHz频道是6.50MHz，8MHz地面频道是7.43MHz）。
系统采用的调制方法称为频带分段传输（BST）OFDM，由一组共同的称为BST段的基本频率块组成。
每段的带宽为BW/14MHz，这里BW指的是地面电视信道带宽（6、7或8MHz，依赖于所处地区）。
例如，对于6MHz信道，每段占据6/14MHz=428.6KHz频谱，7段等于6×7/14MHz=3MHz。
在OFDM特性之外，BST-OFDM对不同的BST段采用不同的载波调制方案和内码编码码率，依此提供了分级传输特性。
每个数据段有其自己的误码保护方案（内码编码码率、时间交织深度）和调制类型（QPSK、DQPSK、16-QAM或者64QAM），那么每段能满足不同的业务需求。
许多段可以灵活地组合到一起，提供宽带业务（例如HDTV）。
通过传输不同传输参数的OFDM段群，可以达到分级传输。
在一个地面频道中可提供三个业务层（三种不同的段群）。
通过使用只有一个OFDM段的窄带接收机，可以接收传输信道中的部分节目。
虽然系统是为6MHz频道开发和测试的，但它可用于任何的信道带宽（X*BW/14MHz），只是相应的改变数据容量。
6MHz信道中每一段的净比特码率为280.85~1787.28kbit/s。
5.57MHzDTV频道的数据吞吐量在3.65到23.23Mbit/s范围之间。
对于地面广播，系统设计了足够的适应性来传输电视和声音，以及提供多媒体节目，包括各种数字信息的综合，例如，视频、音频、文本和计算机程序。
它也瞄准了紧凑的、轻便的和廉价的移动接收，以及用于家庭的完整接收。
三、抗多径干扰技术
多径接收在模拟电视中反映是重影，在数字接收中，多径效应将使接收完全失效。
地面数字电视传输，由于多径效应造成的频率选择性衰落会引起码间干扰，生产误码。
因此地面数字电视传输必须采用抗多径干扰技术。
目前有自适应均衡和正交频分多路复用技术。
自适应均衡器所采用的算法为最小均方（LMS），算法和基于最小平方（LS），算法的快速横向滤波器算法:
K=-N,…-1,0,1,…M
寻找均方误差最小值使均衡器能最有效的消除码间干扰。
OFDM正交频分复用调制技术足是一种并行传输方案，在指定频带上设置K个等间隔的子载波,每个载波单独被数字调制，每个子载波上的调制符号将被延长K倍,是抗多径干扰的有效方法。
采用加保护间隔和基准电平来实现。
一个码元时间间隔内，设基带OFDM信号表示为：
，其中M（n）表示第n个子信道的调制信号，N为并行传输信道数。
为了提高抗多径干扰的能力，加入保护间隔Δ，于是码元宽度变为T=T5+Δ，信道间隔仍为1/T5，于是在t时刻，OFDM信号为:
经过多径信道后，子信道之间的正交性受到破坏。
假设，相对时延小于的传输径数为M1，而超过的为M2,则第K个信道在第I时刻的解调输出为：
上式中第一项为有用信号,,第二项是信道间干扰,第三项是码间干扰，第四项是白噪声。
如果保护间隔Δ足够长，使相对多径时间差小于Δ，则解调后信号中不存在码间干扰和信道间干扰。
（当T=64-192/6，Δ=20/6时就可以基本消除地面广播中存在的多径干扰。
） 但是上述输出的有用信号还受到一个乘性干扰影响，需要在每个子信道交替插入基准电平信号,求得信道逆响应，对接收信号进行幅度相位校正来消除多径效应。
另外时间交织、频率交织、保护时间与编码结合帮助OFDM提高抗多径干扰的能力，并且可以有效的利用多径干扰信号的能量。
DVB-T和ISDB-T中采用的OFDM调制系统具有很强的抗多径失真的能力，它能抵抗高达0dB的回波。
在城区，当使用室内或机顶天线时，由于发射机的直线路由被阻挡，通常会产生很大的回波。
保护间隔能够完全消除码间干扰，除非回波的延时超过了保护间隔的范围。
不管怎样，带内衰落仍将影响所需的C/N，特别是当COFDM载波上采用高阶调制时。
为了抵抗0dB的强回波，DVB-T和ISDB-T需要很强的内码纠错和良好的信道估计系统，以及更高的C/N。
当使用R=2/3卷积码时，它需要大约多6dB的信号功率，以便处理0dB回波。
无论如何，增加的C/N的一部分可以由回波信号功率得到补偿。
这些需求的平衡将依赖于所选择的码率。
使用消除技术的软判决解码能够显著地提高性能。
DVB-T和ISDB-T系统的保护间隔能用于处理超前的或延迟的多径失真。
这一点对于SFN（单频网）能够运行是重要的。
ATSC系统不能处理长的预回波，因为它是为MFN（多频网）环境设计的，在室外固定接收的情况下，它们通常不会产生长的预回波。
因为一个区域内的所有的发射机都工作在同一个频率，以及由于增加了接收多发射机所发信号的概率而带来的某些网络增益，SFN能够显著地节省频谱需求和传输功率。
为消除多径干扰，美国ATSC*-VBS采用自适应均衡技术，对短时延的多径干扰有较强的抵抗能力，但是为了消除长时延的重影，采用均衡器，计算量大，硬件结构较为复杂，使接收机成本也高。
OFDM技术通过延长符号周期使对多径干扰不敏感，加之采用了加入保护间隔和安置基准电平进行检测、信道估值等技术而更能有效的消除多径干扰，其算法简单、硬件实现容易、成本也相应较低，具有一定优点。
不过，在对付长时延的强重影（）干扰措施时采用增大保护间隔和符号周期的方法会受到某些技术（如系统非线性）的限制。
四、频谱效率
OFDM作为多载波调制方案，比单载波调制系统的频谱效率要稍高一些，因为它的频谱具有非常快速的初始滚降，甚至在没有输出频谱成型滤波器时。
对于6MHz信道，DVB-T系统的有用的带宽（3-dB）为5.7MHz（或5.7/6=95%），ISDB-T系统的为5.6MHz（或13/14=93%），相比较，ATSC系统的有用带宽为5.38MHz（或5.28/6=90%）。
所以，OFDM调制有至多5％的频谱效率优势。
不管如何，DVB-T和ISDB-T系统中用于抵消多径失真的保护间隔，以及为了快速信道估计而插入的带内导频，将减少数据容量。
例如，DVB-T提供了系统保护间隔的选择，为实际符号持续时间的1/4、1/8、1/16、1/32，这等同于数据容量分别减少了20%、11%、6％和3％。
1/12带内导频插入将导致码率损失8％。
总体上，对于不同的保护间隔，数据吞吐量将减少28％、19％、14％和11％。
减去前面提到的OFDM系统5％的带宽效率优势，DVB-T系统相对于ATSC系统的总数据容量分别减少为23％、14％、9％和6％。
这意味着对于6MHz系统，假定具有相同的信道编码和调制方案（64QAM，R＝2/3），DVB-T系统在上述保护间隔比例下将提供14.9、16.6、17.6和18.1Mbit/s数据码率；ISDB-T系统将提供14.6、16.4、17.2和17.7Mbit/s数据码率；相应的ATSC系统码率为固定的19.4Mbit/s。
实际上，DVB-T和ISDB-T系统能适应各种发射机，从而便覆盖范围变大和频谱效率提高。
基于MFN（多频网）环境，DVB-T优点有：
（a）适合严重的多径环境；（b）快速移动的多径环境；（c）单频网SFN；（d）移动接收；和（e）非指向性接收天线位置。
而在SFN环境中，可能许多发射机使用相同的频率（频道）覆盖一个巨大的范围，这将导致DVB-T和ISDB-T系统频谱和传输功率的全面节省。
五、数字电视地面传输标准的制订
传输方案将构成一个国家的数字电视地面广播传输标准的基本技术内容。
作为一个电视生产和消费大国，作为一个正在融入全球经济一体化并面临全球性技术竞争的发展中国家，我国已认识到掌握和拥有关键技术、自主研制重要的数字电视系统标准能够为我国经济所带来的巨大发展空间和机遇。
世界先进工业国家本着扩大世界市场和获取高额技术利润的目的，依仗他们的技术领先优势及产业基础，近几年来不遗余力地向我国推荐采用他们的标准。
特别是以数字电视地面广播传输标准为推荐重点，意欲借此系统标准来推动全面采用其整个标准系列。
对此，我们应对自主研究制定传输方案的必要性和可行性有充分和客观的认识。
标准是国家利益的集中体现，在当今知识经济时代，更是为发展中国家保护和促进本国产业的发展提供了一种合法手段。
每个国家都希望通过标准制订来实现本国利益最大化。
一般规律是：
先进国家投入巨资和技术，开发出标准体系，然后在全球范围内推广自己的标准，以使自己的技术优势通过标准应用固化下来，从而扩大市场并获得高额首期“利润；技术落后国家由于受资金、市场和技术等多方面条件的制约，则常常被迫接受先进国家的标准，以降低风险和增加出口机会。
这样的结果使世界两极分化更为严重，技术先进者愈来愈先进，尤其是随着数字时代的来临，高技术成果转化周期缩短，知识产权可控能力加强，关税壁垒已不起主要作用，这使得广大技术落后国家沦为消费市场和加工基地，后续自我发展能力严重不足。
因此，一个国家若要凝聚自己的技术实力，保护和扩大本国企业的市场份额，必须在标准问题上采取“以我为主，借鉴先进”的策略。
另外，我国拥有巨大的数字电视潜在市场，不同于那些本国市场狭小的出口型国家，关于这一点，就连国外公司的专家也承认：
中国的市场规模足以支撑形成一个新的数字电视标准。
我国正在研制的第三代移动通信标准也正是依靠了市场规模的支持。
若简单选用国外某一标准，不仅会扼杀代表未来高技术竞争力的相关关键技术研究的源动力，而且会迫使我国过早启动市场，帮助西方国家的市场培育，肢解我国现有彩电工业体系，使得企业的主要利润都用于支付国外的专利费和授权费，遗患无穷。
当然，自主制订标准不等于从头全面制订，制订标准不等于保护落后，不等于不选用先进技术。
制订标准的根本目的恰恰在于认真比较分析各项先进技术能否为我所用，能否得到进一步改进。
而直接选用标准等于“一叶障目”，等于对先进技术改进的否定。
在技术飞速发展的今天，制订标准可更有利于欧美等发达国家向我开放技术，相反，一旦选用某一国家的标准，将失去其它国家对我们技术上的支持，丧失技术引进谈判权，甚至会导致未被采用的国外一方由于市场利益损失所引发的政治上的麻烦。
另外，由于数字技
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