14.我国究竟需要什么样的数字电视地面广播传输标准

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1、我国究竟需要什么样的数字电视地面广播传输标准 张文军 王匡 葛建华 本文根据数字电视地面广播的应用发展，分析了国外现有传输标准存在不足的技术原因，提出了我国传输标准方案的设计要求和工作重点。一、 概述 数字电视地面广播传输标准方案的确定，由于其使用宝贵的无线频率资源、广播环境相对（有线和卫星）恶劣、应用需求发展变化等原因，已成为各国制定数字电视标准的焦点与难点。目前全球共有三套已成为国际标准的地面传输系统方案，分别由美国（ATSC，95年）、欧洲（DVB-T，97年）和日本（ISDB-T，99年）研制开发完成。这些方案的设计构思至少还要再提前两年左右。即国外标准的技术水平及对广播应用的理解和设

2、计基于90年代中期。 其它国家在制定自己的数字电视地面广播传输标准时，一般采取两种做法：一是直接选用，这适用于那些政治和经济上与上述国家（区域）有密切联系、本国属出口型经济或者纯消费市场的国家；二是根据技术和市场应用的最新进步，研究制定能够给本国带来技术和产业后续发展优势的新的标准方案。我国是电视生产和消费大国，借此电视技术革命之际，实现我国在高技术方面的跨越式发展及产业结构调整升级，标准的自主制定是关键的、为数不多的可以充分利用的手段。因此，我国各界已达成共识：制定一个有别于国外现有标准、符合中国地理环境和城市建筑特点，针对新的应用方向，性能先进、拥有自主知识产权的中国数字电视地面广播传输标

3、准！ 在实现这个宏伟目标之前，有两个问题首先应该研究清楚：1 近年数字电视的应用发展为地面广播系统方案设计提出了哪些新的技术要求？国外已有的标准方案能否满足这些要求？2 我国方案应集中具备哪些技术特点和能力，才能真正做到既满足新应用需求又摆脱国外标准的技术专利束缚？本文根据近年来国外已公布的对各标准系统的测试数据分析结果，以及总体组先后研制两套样机系统的工作经验和实际开路测试体会，提出对上述两个问题的初步解答。我们相信，对系统应用需求和技术能力的深刻研究和领悟，会直接有助于提高最后所形成的我国标准方案的质量。我们希望能有更多的专家学者加入讨论，发表真知灼见，丰富对这些关键问题的理解。二、 地面

4、广播系统的应用发展与技术要求 随着数字图象压缩技术和数字信道编码与调制技术的发展与普及，数字电视广播系统可以实现在一个原有模拟电视频道上广播传送至少一路高清晰度电视节目或者多路标准清晰度电视节目。由于有线电缆能够提供相对稳定、干扰较小的传输信道，数字电视有线广播通过使用较高效率的传输方案，能够比地面广播提供多出一倍的传输数据容量，且接收状态稳定，还可以利用有线电视相对丰富的频谱资源实现数字双向交互业务。与之相比，地面广播系统不但要在传输方式上与电缆兼容以降低用户的硬件投资总成本，还必须提供与电缆相异的服务。这是电视数字化技术发展所带来的必然结果。 与有线和卫星广播相比，地面广播所独具的应用就是

5、移动接收（含便携接收）能力。直至九十年代中期，由于受技术能力限制，宽带移动传输没有在数字电视广播传输标准中被认真考虑，在行驶的车辆中看电视的设想被嗤之以鼻，被认为是对宝贵电视频道资源的无谓浪费。随着近年互联网的飞速普及和发展，宽带无线接入技术得到广泛重视，广播界逐步认识到数字电视提供的是一个信息管道，各种通信和广播技术在这里汇合，寻找适合自己的应用。从技术发展趋势看，数字电视地面广播与其它媒介传输的竞争优势将主要体现于移动接收高速视/音频及其它数据。当前，设计一个优秀的无线、宽带和移动传输系统已成为世界性技术热点，其科技含量、政治意义、商业价值都是极为巨大的。 因此，从应用方向上看，数字地面广

6、播的应用不但应该考虑数字电视信号的传统广播传送还要兼顾移动通信的服务，包括便携式的图像接收和移动的数据接收。为了提高移动接收的信号强度和覆盖范围，有可能在一个城市中使用两个或多个发射塔发射同样频率的信号，“单频网”（SFN）由此也成为地面广播的新需求。另外，考虑到数字有线电缆网络的普及，地面广播传输方案应与有线传输方案有最大程度的兼容性。基于地面广播的应用方向和工作环境，对系统设计有以下的技术要求：1，系统设计必须优先考虑传输效率，即带宽的使用；2，系统设计必须考虑便携接收和移动接收的应用；3，系统设计必须考虑应用的多样化需求，即对固定接收，便携接收，移动接收，有线电视的兼容，要求接收机能针对

7、不同的应用，在性能和价格上有合理的舍取；4，系统设计必须考虑在单频网的环境下使用，支持同频转发，即在远的强多径存在的环境下使用；5，强脉冲噪声的存在是不可克服的外部因素，系统设计必须能有效应付；6，调谐器的技术发展有限，其相位噪声是整个系统性能的技术瓶颈，系统设计必须考虑有效的相位跟踪以降低相位噪声。三、 国外标准应对新需求的不足之处1测试结果所暴露的问题在过去的几年中，国外三套标准的样机或产品先后分别在澳大利亚、新加坡、香港及巴西等地进行过实验室技术指标测试及野外现场接收测试。其中澳大利亚、巴西和香港已公开（或部分公开）其测试结果。具体数据可参见测试报告1-3，本文只给出测试所反映出的接收效

8、果： 固定接收：美国ATSC、欧洲DVB-T和日本ISDB-T各系统在使用室外天线时，都能正常接收，但ATSC比其它两套方案系统工作门限（大部分情形）低3至4 dB，表明ATSC系统可以在相同发射功率下实现更大的接收覆盖范围。室内接收时，主要由于信号场强较弱，且多径反射较多，三种系统接收效果都不是十分稳定，但由于ATSC系统有较低的工作门限，其室内接收的总成功率要高于DVB-T和ISDB-T（特别参见巴西和香港的测试数据）。 移动接收：ATSC系统设计时就没有安排移动接收功能（不同利益团体的折衷结果），因此，美国现有标准及其推荐的实现方案不适用于移动接收。DVB-T宣称它可以用于移动接收，但实

9、际测试结果表明：其使用16QAM调制的各工作模式在城市中使用时，接收状态经常不稳定。退而使用QPSK调制模式（8MHz带宽仅传输约5Mbps）时，基本可实现稳定的移动接收。但对于快速衰落情形，也会出现接收失败现象，例在香港的黄埔花园，DVB-T系统的接收成功率只有4.5 % ! ISDB-T正是发现了DVB-T的这一弱点，采取加入超长时域交织器的改进措施，实测中ISDB-T是移动性能表现最好的：QPSK模式可保持稳定的接收效果，16QAM模式也有一定的接收成功率。 存在严重多径衰落时（例：海平面反射）：ATSC和DVB-T固定接收都不稳定，ISDB-T效果稍好。 单频网应用：只进行了小规模实验

10、测试，DVB-T和ISDB-T适用，ATSC推荐的实现方案由于没有针对远的强多径设计，目前不适合单频网应用。 小结：单纯用于固定接收时，美国系统有一定优势。但美国标准没有包含移动接收模式，其推荐的实现方案也没有针对移动接收和单频网设计。欧洲标准在强保护、低传输速率模式下可以实现一定程度的移动接收，但对信道快速变化和衰落情形尚有缺陷，不能稳定工作。日本标准是在不改变欧洲标准基础框架的基础上，仅通过加深交织深度而加强了信道保护措施，其移动接收性能相对最好。这从反面证明欧洲标准在对付移动接收时的不足。总体上，三套国外标准在应对严重多径衰落情形时都还存在困难。2 国外标准研制的历史过程和局限 如前所述

11、，美国标准最早提出（95年）， 接着是欧洲标准（97年），日本又在欧洲标准基础上改进一步完成（99年）研制开发而成。限于当时的设计方向、使用环境、技术水平和硬件支持能力等历史原因，这些系统没有发挥出系统应有的潜力。 美国标准：在“大联盟”（GA）开发数字电视的过程中，COFDM（欧、日标准所使用的基本技术）的呼声就不断。从政治上看，美国的数字电视开发就是针对日本而来，不可能选择一个外国标准。1994年进行野外测试时，COFDM还没有能工作的硬件，FCC（美联邦通信委员会）当时的原则是，今天制定标准，是根据今天所能实现的技术，而不是推测几年后谁会达到什么水平，因为技术也在发展。这一简单的理由使得

12、COFDM没有能参与测试。在美国，电信和广播是两个对立的利益集团，数据通信和移动接收不但没有成为系统设计和测试的要求，能支持数据通信和移动接收的技术模式（2VSB）也被迫从原有的方案中剔除。当时，系统设计的要求是重复模拟电视（NTSC）的覆盖范围，白噪声门限是主要的衡量指标，以当时的技术水平，VSB（美国标准所使用的基本技术）系统所达到的性能已是无与伦比，选择VSB从政治、技术和商业利益看，在当时是必然的。然而，随着商业模型的变迁，广播界认为在卫星通讯和有线电缆的发展下，单纯靠提供图像服务将无法竞争，而Internet和电信业的蓬勃发展使得无线数据传输成为最大的利益所在。因而，广播界开始强调系

13、统室内接收、便携接收和移动接收的性能。在这些新的使用环境下，白噪声门限不再是系统性能的瓶颈，然而，美国系统的设计方向本来就不是针对移动接收而来，而且，ATSC所推荐的接收机实现方案更不是针对移动接收所定，从而导致美国系统的性能目前遭到质疑。但VSB技术本身不是实现移动接收的限制，事实上，美国目前正在研发一种ATSC标准的“增强模式”，用于移动接收。 欧洲标准：DVB-T的概念来自于数字音频广播（DAB）。DVB-T最早雏形“HD-DIVINE”系统（92年）就采用了频域处理技术，但使用的是（频域）训练序列，与VSB的场结构类似。由于频域信号无法使用判决反馈跟踪信道变化，系统均衡完全依赖训练序列

14、，导致该系统反应奇慢，几乎不能跟踪任何变化的多径。后经过几年的改进（主要依靠在系统中放置了大量的导频信号，穿插于数据之中），系统设计优化，借助信号处理能力的增强，并在系统均衡器跟踪多径变化速度、传输效率间折衷，形成现今的形式。欧洲考虑其多国家、应用需求繁杂的现状，系统设计成多工作模式结构（允许128种），宣称通过选用不同模式，可以满足固定接收及移动接收等多种应用。但事实上，欧洲在标准研制阶段并未对移动接收模式进行过试验。从前面所述测试结果所暴露的问题来看，欧洲系统也并非对移动接收应用有过优化设计。后面的技术分析还会进一步指出欧洲系统的技术局限和移动接收使用中的低效率。 日本标准：日本的系统衍生

15、于欧洲系统，是三个系统中最新产生的方案。日本意识到了欧洲系统的问题，已开始注意解决移动接收的稳定度，采用了在欧洲系统上简单加长交织深度的措施，希望向世界证明日本系统要明显优于欧美系统。在巴西和香港的测试中已初步证实了这一点，同时也证实了移动接收所存在的改进空间。但这种改进措施并没有解决任何COFDM中实质性的问题。相反，交织深度加得过大，已对接收机系统的功能实现产生损害，特别是影响到双向交互业务。 3国外标准技术分析 国外三个标准基于两种信号处理方法：时域处理（ATSC）和频域处理（DVB-T，ISDB-T）。 时域处理方法指的是，需要传输的编码数据直接组成时域上按采样时钟排列的采样序列，用单

16、载波调制传出，在接收端经过载波恢复、时钟提取得到采样值，然后通过均衡器逐点跟踪和校正信道所引入的失真，用前向纠错算法继续纠正剩余的误码。 频域处理方法指的是，需要传输的编码数据按采样时钟组成采样序列，每个采样点视作频域中的样值，同时在数据中按一定的规律加入导频信号，然后对固定大小的采样点组成的块进行逐块傅立叶反变换，即将各采样点以不同的正交子载波频率变换回到时域，变换结果用单载波调制传出，接收端经过载波恢复、时钟提取得到采样值，逐块进行傅立叶变换回到频域，利用导频提供的信道特性逐块校正信道失真，用前向纠错算法继续纠正剩余的误码。 上述时域和频域处理的根本区别在于：时域方法是基于点处理，通过使用

17、工作稳定的均衡器逐点跟踪。频域方法是基于块处理，通过对放置的导频信号的横向和纵向滤波来进行信道估计，从而提供信道变化的信息。 美国系统虽然使用了训练序列来训练均衡器，但两个训练序列相隔24毫秒，期间多径的变化无法被跟踪，与HDDIVINE类似，因而对付动态多径非常困难。但是，与HDDIVINE不同的是，美国系统是一个时域信号，可以借助数据判决反馈（DFE）来提高均衡器的速度，也就是用被切割的数据当作已知的信号来计算信道变化。但是首先，DFE需要系统有一定的信噪比（错误的判决少于10），信道变化也不能太快，以确保被切割的数据已经比较接近正确值，才能正常工作，其次DFE是无限冲击响应结构（IIR）

18、，在强多径下，DFE的系数将接近1，使得DFE的增益过大，导致系统有可能自激，系统是不稳定的。美国Nxtwave及Motorola公司的新近改进是先用盲均衡将DFE推入一定的区域，以确保DFE的稳定工作。但必须保证在两个训练序列之间，信道变化不至将DFE推出这一稳定区域，系统从宏观上看，仍然是不稳定的。因为美国系统在设计时没有针对单频网，不认为远的，强的，动态的多径是常见的现象，在这些情况下，系统设计显得先天不足，其单一频率的导频占用了0.3dB的功率，其作用仅仅是锁住载波，对系统均衡和跟踪多径变化几乎没有任何帮助。一旦多径强度较大，变化较快，噪声较强，即使使用先进的DFE算法，系统仍然不可能

19、正常工作。从技术理论上看，美国系统的设计思想，应用方向，数据结构，导频放置，以及其推荐的实现方案都使得该系统不能有效地对付远的强多径和快速变化的动态多径，因而不适合于移动接收和单频网。 现有舆论和宣传普遍认为欧洲使用的COFDM技术是最适合移动宽带通讯的传输方式。但COFDM事实上并不是对付移动多径最有效的手段。相对美国系统仅仅使用场同步均衡，COFDM将大量导频以高出数据一倍的功率（3分贝）穿插地放置在数据中间，固然能更迅速地反映信道的变化。但是，COFDM在移动接收时有几个严重的系统设计缺陷。首先，导频不是，也不可能逐点插入，因而并不能完全、精确地反映信道特性。在白噪声和静态环境下，经过一

20、些平均和滤波，这一缺陷可以有所改善，但在变化的信道下，这种平均和滤波相当于掩盖掉信道中的变化。如果信道的变化不能被反映出来，就更不可能被跟踪和处理。如果减少平均和滤波，信道估计会含有过多的噪声，同样影响信道估计的精度和处理的效果。平均和滤波的多少，即信道估计中噪声的含量与跟踪变化信道的能力始终存在一个折衷，顾此失彼，没有两者都优化的最优工作点；其次，COFDM是块信号处理，即每次将多于2000个采样点经过快速傅立叶变换（FFT）后一起处理。由于FFT的处理，信号经历了时域到频域的变换，在这一个数据块内的信道变化将无法被反映出来。何况由于导频数目有限，还需要横向和纵向滤波才能得到完整的信道信息，

21、亦即在多达数个数据块的时间内（多于8000个采样点），COFDM并不能有效跟踪信道变化，只能给出一个大约的平均值。同时，由于跨域信号处理以及块信号处理的延迟，信道解码无法及时，有效地与信道估计和均衡器结合，极大地限制了系统的性能。在移动接收时，COFDM的编码率达到1/2，即信息码和信道编码达到1：1的比例。信道编码甚至携带了和信息码同样多的信息。信道编码的增益高达6dB。亦即，仅仅使用信息码（或导频信号）比使用信息码与信道编码结合要相差6dB之多。也就是说，在DVBT系统中，尽管系统的白噪声门限在3.2dB，但信道估计和均衡器却工作在无编码增益的9dB。在这种情况下，3.2dB的白噪声门限是

22、没有意义的，因为在实用中，信道估计和均衡器必须一直参与运行，然而一旦均衡器启动，根据信道估计的结果对信道进行补偿，系统就处于9dB的门限以上，这就是DVBT在移动接收时性能表现不佳的主要原因之一。 此外，频域信号（无星座）和块信号处理（速度慢）无法实现精确的、高速的相位跟踪和调整，对于调谐器的相位噪声无能为力。DVBT因而必须使用相位噪声低的单转换调谐器，也不能在UHF和VHF频段同时工作。 从技术上理解，日本系统就是使用时域交织器将COFDM块处理所引入的错误数据硬性打散，以利于信道纠错解码来纠正这些错误数据。这就是ISDB-T的移动接收性能要优于DVB-T的原因。但这样做并没有从系统技术本

23、质上解决上述的一系列问题。四、 我国标准方案的设计方向和工作重点1 欧洲DVB-T是设计我国标准方案的性能参照系统 判断我国标准方案是否具备技术先进性和可使用性，可以采用一个现有国外标准作为主要性能的参照系统。整体来看，欧洲DVB-T具有简洁明了的数据排放组合、多工作模式设置及加入各种抗干扰措施等诸多特点，就其系统结构而言，是一个灵活的、通过参数设置就可以对付不同应用的系统。DVB-T应成为我国标准方案的参照和比较依据。即我国方案应能首先从理论和实测证明，在各主要应用方向上不劣于DVB-T系统。例如：在相同频谱带宽和相同数据传输码率条件下，对相同的应用需求，我国方案应比DVB-T系统表现出更好

24、的工作稳定度（较低的系统工作门限）。2 系统能够对付远和邻近的强多径，以及迅速跟踪快速变化的多径应成为设计重点 通过上述对国外标准的技术分析可以看出，如何能够检测信道正在发生的多径变化，并使得系统的同步和均衡能够迅速跟踪、补偿这些变化，是决定方案性能（特别是移动接收性能）好坏的关键技术措施。为了得到信道特性，COFDM加入大量导频，VSB的支持者也希望在VSB系统中加入更多的训练信号。然而，大量的导频也好，更多的训练信号也好，没有任何一种方法比利用数据本身跟踪信道更为迅速。因此，应设计收敛迅速和稳定的信道均衡器。要使均衡器达到这样的高要求，均衡器和信道解码的结合使用可能是本质性的解决途径之一。

25、这种结合使信道解码的输入信号因为均衡器的作用得到大幅改善，解码的误码率更低，而更低的误码率又为均衡器提供更精确的误差信号，使均衡器的精度、速度提高，甚至在信道恶劣变化时，信道解码的软输出使均衡器能够不因接受错误信息而发散，工作状态保持稳定。均衡器和信道解码结合，能够使系统在信道解码工作门限之下仍能正常工作。这为我们的系统性能改进提供了空间。 必须指出，信道编码的选择和信道的特征是紧密相关的。传统的卷积码，块状码和TURBO码都是针对白噪声优化的，前面已经指出，系统的瓶颈并非白噪声。因此，信道编码的选择必须同时兼顾静态要求（白噪声门限低）和动态要求（能与信道估计和均衡器有效地，迅速地结合）。在这

26、样的要求下，传统的信道编码是不能简单的直接使用的，尤其是传统TURBO码极深的交织对快速反馈的要求是无法满足的。 欧洲和日本标准中使用的块处理方法，使均衡器和信道解码结合非常困难。因此，COFDM技术并不是包治百病的神药，VSB技术也不是天生不能用于移动接收。应从系统整体性能优化分析入手，注意系统接收各功能模块的相互结合和相互支持，才能找到高性能实现移动接收的办法。3系统应向下兼容我国数字有线电视传输标准 考虑我国国情，考虑地面广播应用的不断发展，我国标准方案应该既体现适合未来应用的灵活性，又具备对现有主要应用的包容性。数字有线电视传输作为我国现时主要市场应用需求，应在设计地面广播方案时兼容实

27、现有线传输方案。美国已推出能够兼容美国无线和有线标准的接收机专用芯片；欧洲DVB由于其有线和地面标准中相类似的技术算法较少，实现两者兼容等于硬性“二合一”，没有实际利用价值。我国的有线和无线电视市场将会在统一的管理和运行体制下共同发展，在地面标准方案中尽可能兼容实现有线传输，能够进一步降低数字电视在我国的实现总成本，保证数字电视市场发展不同阶段的连续性。因此，这种兼容能力是我国地面方案设计要素之一。4知识产权保护 标准方案研发过程中所形成的新技术，应及时通过法律手段加以保护。构造知识产权保护策略是研制我国数字电视地面广播标准的重要组成部分。衡量方案是否含有自主知识产权，主要体现在方案的系统设计

28、、功能模块设计及具体电路实现三个层面。系统设计包括数据结构、信道编码和调制方法、基本工作模式等规定，能否绕开国外技术专利主要取决于系统设计内容，例如：导频安置方法，训练序列的产生和利用，信道编码的选择，场结构等。功能模块设计主要指载波恢复、时钟恢复、信道估计，均衡器的算法和信道解码等模块的实现算法，是提高系统性能的技术诀窍。具体电路实现是优化和调整系统各模块工作状态的技术，也直接为专用芯片设计奠定基础。 应以系统设计和功能模块设计为重点，申请尽可能多的专利，形成交叉覆盖的专利集合。在这两个层面上，我国若没有，或仅有一两个局部的相关专利，是根本无法保护我国标准的知识产权和利益的。五、 结论 高质

29、量实现数字电视（高速数据）固定和移动接收，主要技术指标优于欧洲相应标准，能够与数字有线传输标准实现最大程度的兼容，核心技术摆脱国外专利束缚并形成自己的专利集合，是设计我国数字电视地面广播标准方案的四项要素。国外已有标准在移动接收和对付快速变化多径等方面的不足，为我国提出新的标准方案形成了改进空间，我们应抓住这一历史机遇，经过扎实认真的研发和测试，实现我国自主制定标准的既定目标。参考文献1 FACTS，Report of the DTTB Selection Panel, Annex D，June 1998.2 Jose G. Chiquito et al.，Considerations on the final SET/ABERT report for establishing the digital television standard in Brazil, submitted to Anatel on July 31, 2000.3 ITBB, Digital Terrestrial Broadcasting in Hong Kong, a Consultation Paper, Annex 2, Dec. 2000.作者单位：高清晰度电视总体组