數(shù)字電視傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)

1、數(shù)字電視傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)文章作者：清華大學(xué) 楊知行教授 文章類型：設(shè)計應(yīng)用 文章加入時間：2004年4月28日17:53關(guān)健詞：數(shù)字電視，傳輸網(wǎng)絡(luò)，模擬電視，廣播電視，覆蓋，模擬電視，信號，同軸電纜 三種傳輸網(wǎng)絡(luò)、三大傳輸標(biāo)準(zhǔn)體系，組成了一個數(shù)字電視“網(wǎng)格”。不同的數(shù)字電視系統(tǒng)都會占據(jù)一個“網(wǎng)格”。中國正在培育自己的地面數(shù)字電視傳輸標(biāo)準(zhǔn)，期望在搭建數(shù)字電視“網(wǎng)格”中有更大的自主權(quán)。 數(shù)字電視有三種傳輸網(wǎng)絡(luò) 數(shù)字電視傳輸網(wǎng)絡(luò)主要指地面、有線和衛(wèi)星三大數(shù)字電視廣播傳輸網(wǎng)絡(luò)。地面數(shù)字電視廣播網(wǎng)絡(luò)通過電視臺制高點天線發(fā)射無線電波，覆蓋電視用戶，用戶通過接收天線和電視機(jī)收看電視節(jié)目。這是數(shù)字電視廣播最

2、基本的傳輸網(wǎng)絡(luò)形式，除了娛樂、學(xué)習(xí)等公益功能之外，其普遍性、可控性和抗毀性還被視為國家安全設(shè)施，使之成為緊急情況下動員國民最直接最可靠的政府喉舌。 由于模擬電視傳輸網(wǎng)絡(luò)無力處置噪聲積累和多徑干擾，迫使人們把天線架出室外，導(dǎo)致公用天線系統(tǒng)在樓群中發(fā)展。隨著全頻道模擬電視廣播信號的光纖寬帶傳輸技術(shù)的突破，一個以光纖為干、同軸電纜為支的樹形光纖/同軸電纜混合網(wǎng)（HFC）在城市得到普遍利用，逐漸演進(jìn)成為脫離地面廣播系統(tǒng)而獨立存在的有線電視廣播網(wǎng)絡(luò)，擁有絕大多數(shù)的城市電視用戶。與地面廣播網(wǎng)必須全國統(tǒng)一頻率規(guī)劃不同，有線廣播網(wǎng)可以一城一網(wǎng)或一地一網(wǎng)，具有企業(yè)運營特征，在電視用戶端它們通過有線制式機(jī)頂盒和電

3、視機(jī)連接。 和地面、有線數(shù)字電視廣播傳輸網(wǎng)絡(luò)不同，衛(wèi)星數(shù)字電視廣播網(wǎng)絡(luò)（簡稱衛(wèi)星直播系統(tǒng)）是把數(shù)字電視節(jié)目信息集中經(jīng)衛(wèi)星地面發(fā)射站用微波發(fā)送到離地面3.8萬公里高度的同步衛(wèi)星上，同步衛(wèi)星用微波轉(zhuǎn)發(fā)回地面，用戶電視機(jī)通過對星無遮擋的小型衛(wèi)星接收天線和衛(wèi)星制式機(jī)頂盒收視衛(wèi)星數(shù)字電視節(jié)目。根據(jù)電波傳播原理，衛(wèi)星數(shù)字電視廣播信道是微波直線傳播的恒參信道，傳輸功率效率是其主要矛盾。 ATSC標(biāo)準(zhǔn):頻譜效率高、功率峰均比低 目前，數(shù)字電視傳輸有三大標(biāo)準(zhǔn)，即美國的ATSC、歐洲的DVB和日本的ISDB三種不同的標(biāo)準(zhǔn)。 ATSC數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)由四個分離的層級組成，層級之間有清晰的界面。最高為圖像層，確定圖像的形

4、式，包括像素陣列、幅型比和幀頻；圖像壓縮層，采用MPEG-2壓縮標(biāo)準(zhǔn)；系統(tǒng)復(fù)用層，特定的數(shù)據(jù)被納入不同的壓縮包中，采用MPEG-2壓縮標(biāo)準(zhǔn)；最后是傳輸層，確定數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼{(diào)制和信道編碼方案。對于地面廣播系統(tǒng)，ATSC采用了Zenith公司開發(fā)的8-VSB傳輸模式，在6MHz地面廣播頻道上可實現(xiàn)19.3Mbps的傳輸速率。該標(biāo)準(zhǔn)也包含適合有線電視系統(tǒng)的16-VSB傳輸模式，可在6MHz有線電視信道中實現(xiàn)38.6Mbps的傳輸速率。 最低的兩層共同承擔(dān)普通數(shù)據(jù)的傳輸。最高的兩層確定在普通數(shù)據(jù)傳輸基礎(chǔ)上運行的特定配置，如HDTV或SDTV；確定ATSC標(biāo)準(zhǔn)支持的具體圖像格式，共有18種(HDTV 6種

5、、SDTV 12種)，其中14種采用逐行掃描方式。 盡管ATSC DTV標(biāo)準(zhǔn)包含16-VSB傳輸模式，但美國有線電視業(yè)實際上是采用相近但不相同的標(biāo)準(zhǔn)，因為其在ATSC DTV標(biāo)準(zhǔn)被FCC通過之前已在有線電視數(shù)字化方面投入了大量的資金。作為ATSC的重要成員，有線電視通信工程協(xié)會已采納了數(shù)字有線電視系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，此標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)了美國有線電視業(yè)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)和ATSC DTV標(biāo)準(zhǔn)。另外，有線電視標(biāo)準(zhǔn)包括反映現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的一級圖像格式、ATSC SDTV圖像格式，并設(shè)定了一套可供有線電視業(yè)用于向后兼容電視上的二級圖像格式。二級圖像格式與ATSC DTV格式相同，包括HDTV和SDTV。 DVB標(biāo)準(zhǔn)：支持室內(nèi)接收、移動

6、接收等需求DVB標(biāo)準(zhǔn)包括4個系統(tǒng)。 1 DVB傳輸系統(tǒng) DVB傳輸系統(tǒng)涉及衛(wèi)星、有線電視、地面、SMATV、MMDS 等所有傳輸媒體。它們對應(yīng)的DVB標(biāo)準(zhǔn)為： DVB-S數(shù)字衛(wèi)星廣播系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。衛(wèi)星傳輸具有覆蓋面廣、節(jié)目容量大等特點。數(shù)據(jù)流的調(diào)制采用四相相移鍵控調(diào)制(QPSK)方式，工作頻率為11G/12GHz。在使用MPEG-2 MPML格式時，用戶端若達(dá)到CCIR 601演播室質(zhì)量，碼率為9Mbps；達(dá)到PAL質(zhì)量，碼率為5Mbps。一個54MHz轉(zhuǎn)發(fā)器傳送速率可達(dá)68Mbps，可用于多套節(jié)目的復(fù)用。DVB-S標(biāo)準(zhǔn)幾乎為所有的衛(wèi)星廣播數(shù)字電視系統(tǒng)所采用。我國也選用了DVB-S標(biāo)準(zhǔn)。 DVB-

7、C數(shù)字有線電視廣播系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。它具有16、32、64QAM(正交調(diào)幅)三種調(diào)制方式，工作頻率在10GHz以下。采用64QAM時，一個PAL通道的傳送碼率為41.34Mbps，可用于多套節(jié)目的復(fù)用。系統(tǒng)前端可從衛(wèi)星和地面發(fā)射獲得信號，在終端需要電纜機(jī)頂盒。 DVB-T數(shù)字地面電視廣播系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。這是最復(fù)雜的DVB傳輸系統(tǒng)。地面數(shù)字電視發(fā)射的傳輸容量理論上與有線電視系統(tǒng)相當(dāng)，本地區(qū)覆蓋最好。采用編碼正交頻分復(fù)用(COFDM)調(diào)制方式，在8MHz帶寬內(nèi)能傳送4套電視節(jié)目，傳輸質(zhì)量高，但接收費用也高。 另外，DVB-SMATV是數(shù)字衛(wèi)星共用天線電視(SMATV)廣播系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，DVB-MS是高于10GHz的

8、數(shù)字廣播MMDS分配系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，DVB-MC是低于10GHz的數(shù)字廣播MMDS分配系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。2. DVB 基帶附加信息系統(tǒng) DVB數(shù)字廣播系統(tǒng)除傳送視頻、音頻信號外，還可傳送接收IRD調(diào)諧、節(jié)目指南及圖文、字幕、圖標(biāo)等信息。適用于此類基帶附加信息系統(tǒng)的DVB標(biāo)準(zhǔn)包括： DVB-SI為數(shù)字廣播業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。 DVB-TXT為數(shù)字圖文廣播系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，用于固定格式圖文電視的傳送。 DVB-SUB為數(shù)字廣播字幕系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，用于字幕及圖標(biāo)的傳送。 3 DVB交互業(yè)務(wù)系統(tǒng) DVB數(shù)字廣播系統(tǒng)能根據(jù)需要，提供交互業(yè)務(wù)服務(wù)。構(gòu)成交互業(yè)務(wù)系統(tǒng)的要素包括:與其他相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)兼容的交互業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)獨立協(xié)議、傳送交互服務(wù)過

9、程命令與控制信號的回傳信道等。對應(yīng)的DVB標(biāo)準(zhǔn)有：DVB-NIP、DVB-RCC和DVB-RCT。 4. DVB 條件接收及接口標(biāo)準(zhǔn) 在DVB數(shù)字廣播系統(tǒng)中，有些業(yè)務(wù)傳送加擾的條件接受信息。通過條件接收的通用接口，使 IRD能夠解擾采用通用加擾算法的加擾信息。條件接收是付費電視廣播的基本部分，對數(shù)字電視運行的成功至關(guān)重要。DVB數(shù)字廣播系統(tǒng)與其他電信網(wǎng)絡(luò)(如SDH、ATM等)連接，擴(kuò)展了DVB技術(shù)的應(yīng)用范圍，可實現(xiàn)DVB向電信網(wǎng)絡(luò)的過渡。此外，還有利于連接專業(yè)設(shè)備及IRD的接口。關(guān)于這些接口的DVB標(biāo)準(zhǔn)包括：DVB-CI、DVB-PDH、DVB-SDH、DVB-ATM、DVB-PI和DVB-I

10、RDI。 日本的ISDB利用一種標(biāo)準(zhǔn)化的復(fù)用方案，在一個普通的傳輸信道上可發(fā)送各種不同的信號，同時可以通過各種不同的傳輸信道發(fā)送復(fù)用信號。ISDB具有柔韌性、擴(kuò)展性、共通性等特點，可以靈活地集成和發(fā)送多節(jié)目的電視和其他數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。 目前，采用美國ATSC標(biāo)準(zhǔn)的有5個國家或地區(qū)，已有兩家經(jīng)過技術(shù)比較研究后退出。決定采用歐洲D(zhuǎn)VB-T標(biāo)準(zhǔn)的已有33個國家或地區(qū)。 近年來大量的研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展表明，OFDM多載波技術(shù)是寬帶無線傳輸技術(shù)發(fā)展的方向，不僅在數(shù)字電視傳輸方面被多數(shù)國家采納，而且已成為新一代（4G）移動通信和寬帶無線局域網(wǎng)的主流技術(shù)。 我國對地面?zhèn)鬏敇?biāo)準(zhǔn)的要求 目前全國有3.2億多電視用戶，其中

11、有線電視用戶近1億;而70%的用戶家庭依靠無線方式接收廣播電視節(jié)目;衛(wèi)星直播僅在“村村通廣播電視”范圍內(nèi)試點。因此，地面廣播擁有大多數(shù)用戶，是我國廣播影視數(shù)字化的重點和難點。廣電部門貫徹國家“十五”計劃要求提出了“三步走”戰(zhàn)略：在前兩年有線數(shù)字電視試驗的基礎(chǔ)上，2003年開始大力發(fā)展有線數(shù)字電視；2005年我國發(fā)射直播衛(wèi)星后開始開展衛(wèi)星直播業(yè)務(wù)；2008年開始大力發(fā)展地面數(shù)字電視，分區(qū)域、分階段、分步驟，扎扎實實推進(jìn)數(shù)字化進(jìn)程。 電視廣播的數(shù)字化是一個發(fā)展過程。與之對應(yīng)，數(shù)字電視傳輸標(biāo)準(zhǔn)也有一個不斷擴(kuò)展的工程。地面數(shù)字電視傳輸標(biāo)準(zhǔn)作為一個基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，我國明確提出必須滿足數(shù)字電視廣播傳輸系統(tǒng)應(yīng)用和

12、產(chǎn)業(yè)兩個方面的基本需求，并為今后實現(xiàn)擴(kuò)展功能做好必要的準(zhǔn)備。 應(yīng)用需求：利用電視廣播頻道，在8MHz帶寬內(nèi)，為高清晰度電視（HDTV）信號傳輸提供大于20Mbps的凈荷碼率,并能使用簡單天線支持室內(nèi)固定接收；為標(biāo)準(zhǔn)清晰度電視（SDTV）信號傳輸提供大于5Mbps的凈荷碼率,并能在車速移動條件下支持移動接收；具有單頻組網(wǎng)能力；整體性能指標(biāo)應(yīng)優(yōu)于或相當(dāng)于相應(yīng)的國外現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的性能。 為適應(yīng)未來發(fā)展的需要，在支持?jǐn)?shù)字電視、數(shù)據(jù)廣播等多種業(yè)務(wù)的同時，應(yīng)具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)分級保護(hù)傳輸能力，支持傳輸多優(yōu)先級多媒體數(shù)據(jù)碼流，以便同時傳輸HDTV、SDTV、音頻、數(shù)據(jù)、短信息等不同保護(hù)級別的信息。為今后實現(xiàn)接收機(jī)定

13、位、定時接收和雙向交互業(yè)務(wù)以及對用戶的個性化信息服務(wù)等系統(tǒng)功能擴(kuò)展提供必要的技術(shù)基礎(chǔ)。 產(chǎn)業(yè)需求：從產(chǎn)業(yè)發(fā)展的角度還有兩個互相關(guān)聯(lián)的重要需求，即產(chǎn)權(quán)的自主性和產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性。我國是世界上最大的電視市場，也是世界上最大的電視機(jī)生產(chǎn)國，我國必須力求利用自己的基礎(chǔ)發(fā)明專利有機(jī)地整合成獨立的傳輸標(biāo)準(zhǔn)體系，形成比較完整的自主知識產(chǎn)權(quán)，構(gòu)筑保護(hù)我國數(shù)字電視產(chǎn)業(yè)的技術(shù)壁壘。 產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性對于標(biāo)準(zhǔn)來說還意味著技術(shù)的成熟性和對市場的適應(yīng)性，即要很快拿出性價比優(yōu)于國外傳輸標(biāo)準(zhǔn)的專用芯片，提供給國內(nèi)骨干企業(yè)，形成可靠的系統(tǒng)生產(chǎn)能力。為了適應(yīng)國外市場的擴(kuò)展，應(yīng)有可能爭取成為國際上第四個地面數(shù)字電視傳輸標(biāo)準(zhǔn)。同時力求和國

14、際最通用的標(biāo)準(zhǔn)具有最大的產(chǎn)品接口兼容性，以便開發(fā)多制式數(shù)字電視產(chǎn)品，最大限度地占領(lǐng)市場。 自有標(biāo)準(zhǔn)DMB-T 的優(yōu)勢 國內(nèi)有五套方案的研究小組都致力于研發(fā)我國的地面數(shù)字電視傳輸標(biāo)準(zhǔn)。這里僅以清華方案為例，1999年7月，清華大學(xué)數(shù)字電視傳輸技術(shù)研發(fā)中心提出了地面數(shù)字多媒體/電視廣播傳輸標(biāo)準(zhǔn)（DMB-T）方案。該方案采用自主原創(chuàng)的時域同步正交頻分復(fù)用（TDS-OFDM）技術(shù)，擁有多項基礎(chǔ)性發(fā)明。與國際現(xiàn)有的數(shù)字電視地面?zhèn)鬏敇?biāo)準(zhǔn)比較，具有多項鮮明的應(yīng)用特點、較好的整體性能和清晰的自主知識產(chǎn)權(quán)。其采用以下幾項主要技術(shù)： （1）時域同步的正交多載波技術(shù)。地面寬帶無線傳輸?shù)淖畲罄щy在于多徑引起的頻率選擇

15、性衰落，OFDM技術(shù)則在對抗頻率選擇性衰落方面具有獨特的優(yōu)勢。然而，子載波間的正交性對同步提出嚴(yán)格的要求。歐洲采用全頻域處理方式形成其核心技術(shù)編碼的OFDM（COFDM）技術(shù)，由于其系統(tǒng)同步和信道估計互為條件，需用復(fù)雜的迭代算法和強(qiáng)功率同步導(dǎo)頻等技術(shù)措施。而TDS-OFDM通過時域和頻域混合處理，簡單方便地實現(xiàn)了快速碼字捕獲和穩(wěn)健的同步跟蹤，形成了與歐、日多載波技術(shù)不同的自主核心技術(shù)。 （2）保護(hù)間隔的PN填充技術(shù)。為了在多徑時延擴(kuò)散信道中避免碼間串?dāng)_，DVB采用了循環(huán)前綴填充的OFDM保護(hù)間隔，使其傳輸?shù)男视兴鶕p失。DMB-T發(fā)明了基于PN序列擴(kuò)頻技術(shù)的高保護(hù)同步傳輸技術(shù)，并用其填充OFDM保護(hù)間隔，使系統(tǒng)的頻譜利用效率提高10%，并有20dB以上同步保護(hù)增益。 （3）快速信道估計技術(shù)。針對現(xiàn)有地面數(shù)字電視傳輸標(biāo)準(zhǔn)的信道估計迭代過程較長（一次有效參數(shù)估計約需1.024ms）的不足，DMB-T發(fā)明了新的TDS-OFDM信道估計技術(shù)，通過正交相關(guān)和付立葉變換實現(xiàn)快速信道估計（一次有效參數(shù)估計約需0.6ms），提高了系統(tǒng)移動接收性能。 （4）前向糾錯編碼與相位映射相結(jié)合的糾錯技術(shù)。針對采用多載波COFDM技術(shù)的信噪比門限相對VSB單載波技術(shù)較差的現(xiàn)實，DMB-T發(fā)明了一種新的系統(tǒng)級聯(lián)糾錯內(nèi)碼和最小歐氏距離最大化映射技術(shù)，使采用多載波技術(shù)的系統(tǒng)信噪比門限獲得10%以上的改善。