地面數(shù)字多媒體電視廣播傳輸協(xié)議

地面數(shù)字多媒體電視廣播傳輸協(xié)議揚知行，楊林，王興軍，門愛東(清華大學數(shù)字電視傳輸技術(shù)研發(fā)中心)

摘要：本論文介紹了地面數(shù)字多媒體電視廣播(DMB-T)傳輸協(xié)議的開發(fā)背景，提供了一個DMB--T協(xié)議的系統(tǒng)級描述以及構(gòu)成，分析了DMB--T協(xié)議傳輸系統(tǒng)的主要特點和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：DMB-T，DTVTDS-OFDM1概述在經(jīng)歷了機械電視時代、黑白電子電視和彩色電視時代以后，NHK從70年代初期開始研究高清晰度電視，后來有許多國家和國際標準組織也積極開展了這方面的研發(fā)。但直到1990年之前，它們還都是全模擬的或者模擬數(shù)字混合的。在1990年6月1日，美國GI公司向美國高級電視顧問委員會(ACATS)提交了全數(shù)字地面HDTV制式，電視從此進人了一個新時代：數(shù)字電視時代。電視向著高清晰度電視和數(shù)字化方向前進、模擬電視在全世界范圍內(nèi)正在逐步消失，電視面臨著它問世以來最根本的技術(shù)革命。

從那以后，經(jīng)過十多年堅持不懈的研究和發(fā)展，數(shù)字電視地面廣播(DigitalTelevisionTerrestrialBroadcasting，DTTB)已經(jīng)取得了很多的成果，達到了可以實現(xiàn)階段。從1998年11月北美和歐洲已經(jīng)開播DTTB節(jié)目，許多國家宣布了它們的DTTB制式選擇和實現(xiàn)計劃。目前，世界上主要有3種DTTB傳輸標準：①美國高級電視系統(tǒng)委員會(AdvancedTelevisionSystemsCommittee，ATSC)研發(fā)的格形編碼的8電平殘留邊帶(Trellis-Coded8-LevelVestigialSide-Band，TCM8-VSB)調(diào)制。

1996年12月26日FCC正式公布了"數(shù)字電視標準"ATSC。1998年11月首先由28家電視臺正式開始地面數(shù)字電視廣播，到2000年1月已經(jīng)有100多家電視臺開展數(shù)字電視業(yè)務(wù)。但美國Sinclair廣播集團對ATSC制式有異議。ATSC調(diào)制方案采用了具有導(dǎo)頻信號的單載波調(diào)制，即8電平殘留邊帶調(diào)制(8-VSB)，它是成熟的現(xiàn)有AM調(diào)制技術(shù)的高度發(fā)展，其性能高度依賴于自適應(yīng)均衡器。因此。為了抵抗多徑回波和各種干擾，需要非常復(fù)雜和昂貴的均衡器。

加拿大、韓國、阿根廷和我國的臺灣在1997年和1998年先后宣布采用美國的ATSC標準。②歐洲數(shù)字視頻地面廣播(DigitalVideoTerrestrialBroadcasting-Terrestrial，DVB-T)標準采用的編碼正交頻分復(fù)用(CodedOrthogonalFrequencyDlvisionMultiplexing，COFDM)調(diào)制。歐洲ETSI在1994年和1996年先后公布了DVB-S(衛(wèi)星廣播)、DVB-C(有線電視廣播)和DVB-T(地面廣播)的標準等，歐洲的數(shù)字電視有完整的標準系列。歐洲各國自1996年以來先后在衛(wèi)星直播、有線電視和地面廣播等方面開展了SDTV業(yè)務(wù)，考慮到市場需求的原因，目前尚未開展HDTV業(yè)務(wù)。在地面?zhèn)鬏敺矫?，它采用多載波OFDM調(diào)制(ADSL中相似的技術(shù)稱為DMT)。DVB-T使用了1705(2k)或6817(8k)個載波。而且它有更多的選項，以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，例如可變的載波調(diào)制類型。和美國的8-VSB調(diào)制技術(shù)相比。COFDM技術(shù)屬于正在不斷發(fā)展和提高的新技術(shù)。除了歐洲國家以外，澳大利亞、新加坡、印度、巴西先后在1998年和1999年宣布采用歐洲的DVB標準。③日本地面綜合業(yè)務(wù)數(shù)字廣播(IntegratedServiceDigitalBroadcasting-Terrestrial，ISDB-T)采用的頻帶分段傳輸正交頻分復(fù)用(BandWidthSegmentedTransmissionOFDM，BST-OFDM)。日本1998年11月公布了用于地面數(shù)字電視廣播的ISI)B，T標準。系統(tǒng)采用的調(diào)制方法稱為頻帶分段傳輸(BST)OFDM。由一組共同的稱為BST段的基本頻率塊組成。

日本的ISDB-T是基于自己的國情。在歐洲COFDM基礎(chǔ)上的一種改進，特別是針對多媒體廣播和移動接收的需求。3種標準的視頻編碼和碼流復(fù)接基本均采用MPEG2標準，最大的差別是調(diào)制方式的不同，ATSC采用單載波方式，而其它兩種采用多載波調(diào)制技術(shù)。因為3個標準推出的時間有先后，因此，采用的技術(shù)水平越來越高，對地面廣播需求的理解也越來越深。但它們畢竟是基于90年代中期或之前的狀況。幾年來，技術(shù)在飛速發(fā)展，應(yīng)用需求也在不斷變化在此背景下，我們對上述3個地面數(shù)字電視系統(tǒng)進行了深入研究，借鑒和吸收了美國ATSC、歐洲D(zhuǎn)VB、日本IS皿和國內(nèi)HDTV研究的經(jīng)驗和教訓，結(jié)合幾年來數(shù)字地面電視廣播技術(shù)和通信技術(shù)的最新發(fā)展和需求，提出了創(chuàng)新的"地面數(shù)字多媒體電視廣播(TerrestrialDigitalMultimedia-TelevisionBroadcasting，DMB-T)傳輸協(xié)議"。系統(tǒng)的核心采用了mQAM／QPSK的時域同步正交頻分復(fù)用(TimeDomainSynchronousOrthogonal-Frequency-Division-Multiplex，TDS-OFDM)調(diào)制技術(shù)；系統(tǒng)使用更加先進的前向糾錯編碼FEC來抵抗突發(fā)誤碼和各種干擾，例如Turbo碼等；實現(xiàn)了分級調(diào)制和編碼，可以提供分級服務(wù)；同時可以實現(xiàn)快速同步，適于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

2系統(tǒng)描述和參數(shù)對于地面數(shù)字電視廣播來講，首先要求有足夠高的傳輸碼率，以便在單個信道中提供高質(zhì)量HDTV節(jié)目。其次要在現(xiàn)有分配的電視頻道中傳輸DTV節(jié)目，實現(xiàn)和模擬電視節(jié)目的同播；更重要的特性是要支持移動接收。其它的要求包括：抵抗各種干擾/失真；易于其它媒介或服務(wù)器的接口；支持多節(jié)目/業(yè)務(wù)；高度靈活的操作模式，通過選擇不同的調(diào)制方案，系統(tǒng)能夠支持固定、便攜、步行、或移動接收；能夠通過分級調(diào)制得到分級服務(wù)；具有交互性；高度靈活的頻率規(guī)劃和覆蓋區(qū)域，能夠使用載波數(shù)目2k，8k2k，4k，8k3780保護間隔OFDM符號1／32，1／16，1／8＆1／4OFDM符號1／32，1／16，1／8＆1／4OFDM符號0，1／6，1／9，1／12，1/20，1／30(16～80us)

有6種可選的保護間隔大小，即DFT塊大小的0、1／6、1/9、1/12、1/20、1/30。保護間隔的信號相同于DFT塊時域信號的最后一段。4技術(shù)特點和傳統(tǒng)廣播技術(shù)不同，DMB-T協(xié)議結(jié)合了傳統(tǒng)的廣播技術(shù)和現(xiàn)代通信技術(shù)，是一種新型信息廣播技術(shù)。它不僅適用于傳統(tǒng)的電視節(jié)目(視頻碼流)廣播，也適用于提供其它多媒體的信息傳輸服務(wù)。此協(xié)議具有以下特性：

●與現(xiàn)有電視廣播的傳輸頻率兼容

這是地面數(shù)字電視廣播的一個基本需求。

DMB-T傳輸協(xié)議考慮了我國模擬電視接收機的持有量，根據(jù)我國現(xiàn)行的電視廣播頻率規(guī)范所設(shè)計的，因此完全兼容現(xiàn)行的電視廣播及接收系統(tǒng)?！窀邤?shù)據(jù)碼率

DMB-T傳輸協(xié)議在8MHz電視頻道中，最大凈荷碼率高達每秒33Mbits，能夠充分滿足HDTV廣播要求。同時也使DMB-T傳輸協(xié)議既能用于DTV廣播，也可用于數(shù)據(jù)通信?！裰С址涓C單頻網(wǎng)

和歐洲D(zhuǎn)TV標準相似，DMB-T傳輸協(xié)議支持單頻網(wǎng)，它意味著鄰近的電視臺可以使用相同的頻率廣播相同的內(nèi)容。與現(xiàn)有的單載波多頻網(wǎng)廣播系統(tǒng)相比，單頻網(wǎng)有利于頻率規(guī)劃，增加頻譜利用率，可使國家有限的頻率資源得到充分地利用。

我們進一步在廣播協(xié)議中引進通信技術(shù)，使DMB-T傳輸協(xié)議支持蜂窩單頻網(wǎng)絡(luò)?！褡吭降囊苿咏邮漳芰?/p>

和有線相比，地面數(shù)字電視廣播的移動接收是一個最重要和突出的特性之一。同時，移動接收也是用無線“最后一公里”接入方案的特性之一，特別是對于便攜設(shè)備和手持終端，它是非常重要的。

DMB-T傳輸協(xié)議采用基于OFDM的調(diào)制方案TDS-OFDM，這將使得人們在乘坐汽車和火車時能得到可靠的、即時的多媒體信息服務(wù)?！窨焖偻?/p>

這是DMB-T傳輸協(xié)議區(qū)別于其它所有數(shù)字電視傳輸協(xié)議的重要特性之一。電視節(jié)目是連續(xù)的視頻數(shù)據(jù)碼流，對于單純的視頻廣播協(xié)議來講，同步時間不是一個至關(guān)重要的問題，但是，數(shù)據(jù)通信需要非?？焖俚耐綍r間，以更處理突發(fā)數(shù)據(jù)和短消息。考慮了數(shù)據(jù)通信的這種要求，我們開發(fā)了時域同步方案，以便獲得非?？焖俚耐綍r間。DMB-T傳輸協(xié)議的同步時間約為5ms，而其它數(shù)字電視標準在l00ms以上。

對于手持設(shè)備，一個重要的要求是省電。DAG-T傳輸協(xié)議和絕對時間保持同步，在需要的時候才開機，達到省電的目的?！裨诟鞣N條件和環(huán)境下接收能力強DMB-T傳輸協(xié)議采用了最先進的誤碼糾錯技術(shù)和信號調(diào)制技術(shù)，使接收機能夠在各種各樣的條件和環(huán)境中可靠地接收信號。與其它D1V標準相比，抵抗室內(nèi)電器產(chǎn)生的脈沖干擾和汽車移動過程中的動態(tài)干擾的性能尤為顯著?！竦徒ňW(wǎng)成本和運營成本不同于傳統(tǒng)無線通信網(wǎng)絡(luò)，大區(qū)域的蜂窩網(wǎng)建成后才能支持服務(wù)，支持漫游更需要跨區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。DMB-T傳輸協(xié)議基于現(xiàn)有的電視廣播體系結(jié)構(gòu)，一旦電視臺從模擬傳輸轉(zhuǎn)到數(shù)字傳輸，業(yè)務(wù)提供者就可開始數(shù)據(jù)廣播業(yè)務(wù)運營。當隨著用戶和傳輸內(nèi)容的增加而容量成為問題時，可以通過逐漸的建設(shè)蜂窩網(wǎng)提高網(wǎng)絡(luò)容量。

DMB-T傳輸協(xié)議應(yīng)用模式是一種廣播和點對點服務(wù)的混合模式。公共信息以非常低的成本傳送給各個消費者。這使得DMB-T傳輸協(xié)議解決方案的運行成本較低。

因為DMB-T傳輸協(xié)議基于現(xiàn)有的電視廣播體系結(jié)構(gòu)，因此，它能夠很快速地開展起來。

這對于新技術(shù)市場啟動是非常重要的?！窈推渌麯TV標準的比較目前，國際電聯(lián)(1TU)已經(jīng)批準了3種地面數(shù)字電視傳輸標準。它們是美國的ATSC標準、歐洲的DVB-T標準和日本的ISDB-T標準。ATSC標準基于8-VSB技術(shù)，而DVB-T和ISDB-T基于COFDM調(diào)制技術(shù)。表2是DMB-T傳輸協(xié)議和這些標準的比較。表2DMB-T傳輸協(xié)議和其它DTV標準的比較DMB—TATSCDVB—T／ISDB—T移動接收最好壞好室內(nèi)接收好壞好支持突發(fā)數(shù)據(jù)是否否支持蜂窩網(wǎng)是否否支持省電功能是否否支持雙速率傳輸是否是此表說明DMB-T傳輸協(xié)議技術(shù)有更好的優(yōu)越性，特別是對于數(shù)據(jù)通信。支持"移動接收"使它成為理想的無線解決方案；支持"突發(fā)數(shù)據(jù)"使它能夠處理短數(shù)據(jù)或消息；"省電"設(shè)計是手持設(shè)備的需要；而支持"蜂窩網(wǎng)"使它能夠擴展，滿足未來更大的容量需求。5發(fā)展歷程伴隨著中國數(shù)字電視的發(fā)展，清華大學地面數(shù)字多媒體電視傳輸DMB-T系統(tǒng)也經(jīng)歷了不斷發(fā)展、完善和提高的過程。

1998年10月，在北京召開的第3屆國際專用集成電路學術(shù)會議上(ASICON'98)楊林博士發(fā)表有關(guān)設(shè)計開發(fā)數(shù)字電視集成電路的論文，受到國內(nèi)有關(guān)方面關(guān)注。1999年10月，將數(shù)字電視傳輸方案的各種版本修改稿和廣電總局全國數(shù)字電視標準委員會的信道組、國家高清晰數(shù)字電視總體組的專家進行討論，并向有關(guān)專家征求對該方案的意見。1999年12月，在清華大學完成數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)計算機仿真系統(tǒng)，并向廣電總局數(shù)字電視標準委員會、國家高清晰度數(shù)字電視總體組及其他專家、學者匯報演示。2000年1月19日，由廣電總局數(shù)字電視標準委員會和清華大學共同主辦數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)研討會。2000年6月，完成清華大學DMB-T數(shù)字電視傳輸中頻硬件系統(tǒng)測試平臺調(diào)試(由25片40萬門／片)FPGA實現(xiàn)的樣機)。2000年9月11日到12日，清華大學舉行了"地面數(shù)字多媒體電視傳輸協(xié)議DMB-T"技術(shù)研討會，中國工程院9位院士、國家數(shù)字電視系統(tǒng)標準化專家委員會16位委員、國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局等政府有關(guān)部門官員、電視臺及相關(guān)企業(yè)共80多人出席了會議。與會人員認為清華提出的協(xié)議方案跳出了現(xiàn)有的3個國際標準，從中國市場和產(chǎn)業(yè)需要出發(fā)，采用開放的合作研發(fā)方式，在技術(shù)上具有后發(fā)制人的優(yōu)勢。2000年9月30日，清華大學DMB一個數(shù)字電視傳輸射頻RF系統(tǒng)(FPGA)調(diào)試成功。2000年10月11日，清華大學DMB-T系統(tǒng)參加深圳高交會。高交會期間國家副總理吳邦國參觀了清華演示系統(tǒng)并給予高度評價。2000年11月8日，清華大學DMB-T系統(tǒng)編碼器芯片和解碼器IC芯片設(shè)計完成，送給芯片廠家流片。2001年2月20日，清華大學拿到DMB-T系統(tǒng)信道編解碼器IC芯片，開始進行基于IC的演示系統(tǒng)的實現(xiàn)。2001年3月，信息產(chǎn)業(yè)部、廣電總局將派有關(guān)專家赴日內(nèi)瓦參加3月底國際電聯(lián)ITU召開的2001年年會。會上，我國代表將向國際電聯(lián)介紹中國數(shù)字電視的發(fā)