数字电视地面广播系统实践.docx
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数字电视地面广播系统实践
数字电视地面广播系统实践
数字电视地面广播系统实践
邹元祥先生，上海广播科学研究所所长；
惠新标、倪伟先生，高级工程师
关键词：
数字电视 地面广播 单频网 MPEG DVB-T
概述
从模拟转向数字方式是广播电视发展的必然趋势。
数字电视（DTV）地面广播已经走出实验室，开始产业化。
上海文广集团紧跟数字化潮流，敏锐地捕捉到DTV地面广播的发展前景，适时提出了在上海开展DTV车载移动接收广播。
采用这一广播方式，不仅可以充分发挥数字广播容量大、传输效率高等优点，而且灵活性高，可以进行实时电视节目广播。
为此，必须建立系统平台，其目标是：
DTV广播覆盖上海市区，并实现DTV节目的车载移动接收。
系统设计目标
在技术上，要求用一个无线电视频道传输一套以上电视节目，以后还可能增加多媒体应用；节目和应用要覆盖上海地区，以实现各种车辆的移动接收。
数字地面电视系统主要由以下部分组成：
（1）前端系统，主要完成节目的制作、编辑、播出控制、视音频编码、数据协议转换、码流复用、单频网适配等任务。
（2）传输网络，主要任务是将数字电视码流传输到发射系统，并完成码流的恢复和同步等。
系统前端一般与发射系统不在同一处。
在单频网模式下，一般有多个发射系统。
（3）发射系统，主要任务是对输入的码流进行同步调制、变频、放大、滤波、信号合成，然后通过馈线送至天线进行传输。
（4）接收系统，主要任务是对所收到的高频调制信号进行变频、解调，得到数字电视码流，再进行解复用、解码，并结合相应的控制，完成用户所要求的功能。
方案选择
制式和覆盖方式
迄今，国内有关数字电视地面广播制式的标准还没有形成，而国际上能够应用的DTV地面广播制式有DVB-T，ISDB-T和ATSC。
其中ATSC是采用单载波方式（VSB），抗多径干扰和抗多谱勒效应能力不够强，难以建立单频网和进行移动接收。
ISDB-T虽然能够满足单频网和移动接收的应用要求，但是该技术应用较少，接收模块和前端设备都比较少。
最终我们选用了DVB-T制式，采用COFDM数字调制方式，并选用2k模式以满足移动接收的要求。
在覆盖方面，因为上海城区环境对电波传播很不利，为了防止一些特定方向上的信号阻挡和衰减，决定采用单频网。
而在此之前，在国家计委的支持下，上海建立了DTV地面广播试验平台，并启用了位于东方明珠发射塔的39频道DTV发射机。
从已有平台的测量看，也需要建立单频网进行覆盖。
视频编码方式
使用DTV地面广播实现移动接收，对视频编码的要求比较高。
因为用于移动接收的有效带宽比较小，在保证良好覆盖的情况下，采用MPEG-2压缩方式在现有条件下只能传输一路实时节目；虽然也有一些压缩方式可以达到较高压缩率，能够实现在一个现有电视频道中发送多路节目，但是它们还都不成熟，特别是没有现成的接收机。
为此，我们采取了分步实现的方法：
在初期，采用MPEG-2实现一路节目的传输，目的是为了迅速推广应用；与此同时，开发基于其它压缩方式的接收机，在条件成熟时再基于这种压缩方式进行DTV地面广播，并逐步替换MPEG-2节目。
目前使用的是MPEG-2视频压缩系统，其它视频压缩系统在开发中。
目前码流中已经加入MPEG-4压缩流，用于开路试验。
系统实施
根据系统的要求并考虑到现有技术条件，总体方案分四步实现：
（1）采用一个发射点，基于目前成熟的视频编码方式进行一套节目的DTV地面广播和移动接收试验。
（2）根据试验结果，结合理论分析进行网络规划，试验并完成单频网的建设；同时对接收效果予以改进。
（3）研制基于新的高效压缩方式的前端和终端系统，试验可以进行多套节目传送的DTV地面广播和移动接收。
（4）根据要求，在某些信号接收效果较差的区域及特殊地区采用小功率发射机进行补点，改善覆盖效果。
单频网规划和实施
单频网规划是一项非常艰巨的任务，需要对覆盖进行接收测量，以掌握电波传播的特性和各点电波的直射、反射等多方面的情况。
据说新加坡完成这项工作花了一年多的时间。
国外虽有专门从事这方面测量和分析工作的公司，但收费很高。
我们的基本思路是：
理论和实践相结合，充分利用文广集团现有传输资源，经济地组建单频网。
事实上，无论是模拟电视、还是数字电视，其电波传播的理论是相通的，只不过在接收门限电平和对回波处理等方面的要求有所不同。
通过大量的实测，我们掌握了上海东方明珠发射塔上单机工作时市区覆盖盲区的数据，根据实际情况适当增加发射点，从而找到了一种经济、快捷和可操作的方法。
基本状况
在东方明珠发射塔，39频道的小功率数字发射机与38频道的模拟发射机共用一付天馈系统。
因为38频道的覆盖范围和要求与39频道不同，架设在塔上420m高处的UHF天线的波束倾斜角不符合39频道的市区覆盖要求；而要在塔上再架一付符合39频道覆盖要求的天线也非常困难。
因为塔上没有可安装无方向性天线的位置，只能利用现有的天线，这样就增加了小功率数字发射机进行DVB-T电视覆盖的困难。
参数的选择
因为在城市移动接收的条件比较差，信号衰减和遮挡严重，信道条件变化很快，一般子载波调制方式选择QPSK或16QAM，保护间隔选择1/4，信道编码率选择1/2或2/3，最低限度是选择QPSK调制、1/4保护间隔、1/2信道编码率。
在这种情况下，接收和解调对信号的要求最低，可以应付最恶劣的接收环境，如高层建筑密度极高的区域、高架下面等；但这时候信道能传输的信息量最少，其码流只有4.976Mb/s。
可见，接收效果和传输效率是一对矛盾，须要合理取舍。
保护间隔可选择最大1/4。
保护间隔取值较大时，一方面可以抵抗较长延时的回波，另一方面在发射点较少的单频网中可使发射点距离拉开。
采用较小的保护间隔时，远距离发射点产生的延迟时间无法满足要求，这将会造成信号干扰，单频网难以调整。
子载波的个数有两种选择：
2k模式和8k模式。
在移动接收情况下，为了抵抗多谱勒效应，子载波间隔不能太小，因而采用2k模式。
单频网的实施
我们充分利用在国家计委支持下建成的DTV地面广播试验平台，启用位于东方明珠发射塔的39频道DTV发射机（DVB-T标准，功率2.5kW，实际开到1.8kW），于2002年3月5日开始沿市区主要交通线路进行信号收测。
历时两个月，我们对上海121条公交线路进行了信号收测，得出结论：
在只有东方明珠塔一个发射点、发射机功率1.8kW的情况下，上海市区覆盖率约为56%；在某些区域，尤其在高楼密集区、高架道路下，存在接收盲区。
要解决上海市区的覆盖问题，在现有条件下最经济、快捷的方法是建设单频网。
于是，从7月26日开始建第二个发射点，即位于虹桥路广播大厦的发射点；发射机功率1kW，天线高度150m，天线增益11dB。
通过大量的调试，于9月8日完成了该点与东方明珠塔上的发射点组成单频网，基本解决了西区覆盖问题。
之后于10月12日又完成了第三个发射点，即位于浦东东视大厦的发射点的建设（发射机功率500W，天线高度140m，天线增益11dB）和单频网调试，基本解决了浦东的覆盖问题。
2003年2月8日完成了第四个发射点，即位于杨浦区教育台大厦的发射点的建设（发射机功率1kW，天线高度92m，天线增益11dB）和单频网调试，基本解决了东北区覆盖问题。
至此，基本完成了上海地区DTV地面广播单频网系统的建设。
上海单频网系统组成
前端系统
数字地面移动电视前端框图如图2所示。
其主要设备和软件包括：
非线性编辑系统、视音频编码器、数字视音频码流服务器、播出控制软件、码流发生器、数据协议处理和打包机、复用器、同步钟源等。
该系统中，使用了我所开发的硬盘播出及其控制系统，播出服务器输出的视频信号经MPEG-2编码系统处理，由单频网适配器发往各发射点。
传输系统
在DTV地面广播移动系统中，传输网络上接单频网适配器、下连单频网同步系统，主要由发送网络适配、网络分配、接收网络适配等部分组成，如图1所示。
须要选择合适的传播媒体及其对应的收发适配器，如光缆、微波等，进行点对点或一点对多点分配，并提供各类接口，如ATM、SDH、PDH等。
图1
在上海的系统中，由于有足够的光纤接口，分配网络采用了对ASI信号直接进行光调制并进行光分配传送的方法，使得系统比较简洁。
发射系统
发射系统的主要作用是组成单频网，以实现地面广播覆盖。
它由传输网络与发射台组成，各发射台中有调制器（包含单频网适配器）和发射机，还需要一个同步钟源（一般采用GPS）。
图2
单频网适配器的主要功能是在数字码流中插入一个MIP包，以传输同步信号。
各点调制器对码流进行抗干扰处理并调制成IF信号，通过发射机上变频为RF信号，经功率放大后通过天线向空中发射。
由于RF信号是宽带数字功率谱，因而天线的带宽十分重要。
如果要在同一发射塔上与模拟频道邻频播出，则无须再架设天线和馈线，只要添置一台数字邻频双工器就可实现数字信号在模拟频道的邻频发射。
主要设备包括：
数字发射机、调制器、单频网适配器、数字邻频双工器、GPS同步钟源、隙缝发射天线等。
该系统中，各发射点的发射设备除东方明珠的发射机外，基本上都是采用我所自行研制的DVB-T发射机、双工器、天线等。
接收端
DTV地面广播移动系统接收设备主要包括：
移动接收天线、移动接收机、移动接收控制软件、移动存储软件、显示屏等。
该系统中，接收天线采用的是我所研制的高增益全向天线，目前采用的是支持移动接收的MPEG-2机顶盒。
下一步计划
经过一年多的努力，上海DTV地面广播及其移动接收系统已经基本建成。
单频网建成后，总体覆盖率达到95%左右，但仍然存在盲区、盲点，除个别区域可采用补点办法解决覆盖问题外，其余须依靠改善接收条件、应用新技术如采用预存储播放的办法。
对于过江隧道、地铁等，可通过泄漏电缆达到更理想的覆盖要求。
从反复收测、收看的情况来看，绝大多数收看效果不好的地方是因为接收场强未达到要求（一般要求≥35dBmv/m），提高接收机的抗干扰能力和灵敏度，采用较高增益的接收天线可以解决这一问题。
在系统前端方面，我们正在/已经研制许多与码流相关的设备，包括：
数据协议转换和打包设备、数字电视字幕设备、码流服务器、软件复用器等。
目前已经完成了基于MPEG-4的广播系统前端的研制，并使之与接收机配合进行采用MPEG-4压缩的视频广播。
这为采用新的压缩方式进行DTV地面广播在前端系统方面作好了准备。
接收机的研制也在进行之中。
基于XSCALE的嵌入式接收机的硬件部分已经完成，可以实现DTV地面广播信号的接收、码流处理、MPEG-4节目的解码、MP3解码等功能。
存储设备也已经可以使用。
目前正在做控制的完善和同步，以及存储设备的存取控制等工作。
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