地面數字電視的系統原理與覆蓋

文丨喻菊仙

（青海省廣播電視局560臺，青海西寧 810017）

地面數字電視廣播是高效、低成本、公益性的一種數字電視覆蓋手段。具有30MBps以上的數據傳輸能力，可以在模擬地面電視傳輸模式下的一套電視節目帶寬上傳送多達7-8套標清數字電視節目，大大提高了無線頻譜的利用率，可以節約出許多寶貴的頻譜資源，提供多種多樣的增值服務內容。因此得到業界高度重視和長足發展。

1 地面數字電視技術及標準

1995年、1997年和1999年，美國、歐洲和日本分別發布了三種不同的地面數字電視廣播傳輸技術標準（ATSC，DVB-T和ISDB-T）。無論是哪一種標準制式，都要經過三個部分對信號節目源進行處理。即:信源編碼，復用和信道編碼或調制。

1.1 信源編碼/壓縮部分

分別用于音頻、視頻和輔助數據的壓縮和編碼。輔助數據包括條件接收控制數據，控制數據和與視頻、音頻節目相關的數據。3套標準均采用MPEG-2視頻編碼的核心技術，向后可以兼容M P E G-1，向前可攜帶更為先進的MPEG-4碼流。ATSC用Dolby AC-3音頻編碼，DVB-T采用MPEG-2音頻編碼，而ISDBT采用基于MPEG-4的AAC壓縮方式。

1.2 復用/傳送部分

分節目復用和系統傳輸復用。節目復用是將來自前段編碼器的視頻流、音頻流以及輔助數據流交織復合成MPEG-2系統規范的統一格式的數據包，系統傳輸復用是將多路節目TS流合并成一個復合數據流。在傳送數據結構時，要考慮各種傳輸媒體(如地面廣播，衛星接收以及有線傳輸)以及計算機端口之間的互操作性。3套標準均采用MPEG-2復用方式。

1.3 信道編碼和調制

信道編碼也稱差錯控制編碼或糾錯編碼。它是附加盡可能少的冗余信息到比特流中，而獲得較強的檢錯和糾錯能力的一種手段。三種標準都是以RS碼作為外編碼；ATSC用格柵碼作為內編碼，而其他兩種則采用卷積碼作為內編碼。調制是將要傳送的信號數據流變換成適合于信道傳輸的基帶信號，然后經上變頻形成射頻信號。

這三種標準系統中，除了美國制式ATSC是基于單載波調制外，其余兩種制式都是基于多載波調制——正交頻分復用（OFDM），RS前向糾錯系統，只是在多載波的分組方式和同步系統上有所不同。相對于單載波調制方式而言，多載波調制方式在抗多徑；移動接收和組建單頻網方面都有優勝的一面。

ATSC系統采用8-VSB傳輸模式，串行數據流輸入到串/并轉換器，變為3路并行比特數據流，經D/A變換成8電平的數據，與載波相乘，即經過平方根升余弦濾波器殘留邊帶濾波后，完成殘留邊帶的調制。它能夠可靠地在6MHz的電視信道中傳輸19·4Mbit/s的流量，經RS編碼后達到21·35Mbit/s，其圖像分辨率是普通電視的5倍。ATSC系統的最大特點是“地面同播模式”以及在相同的場強條件下可以降低發射機功率10%左右。

ISDB-T標準是在DVB-T傳輸方案上的延伸，只是它采用了分頻段OFDM調制。因為在一個6MH的帶寬里可以包含13個ISDB-T傳送帶寬，所以ISDB-T把調制分成了13段OFDM。每個OFDM段由數據段和導頻信號組成。每個數據段可以獨立指定其載波調制方式、內碼編碼率、保護間隔比和時間交織深度等。因此在信號處理上具有相當的靈活性。

我國的地面數字電視傳輸標準的實際應用不僅在北京地區完成了地面數字電視廣播的實驗性播出；而且開拓了具有自主知識產權的CMMB傳輸的核心技術。系統采用了PN序列填充的時域同步正交頻分復用（TDS－OFDM）多載波調制技術，這種獨特的先進技術有機地將信號在時域和頻域的傳輸結合起來，在頻域傳送有效載荷，在時域通過擴頻技術傳送控制信號以便進行同步、信道估計，實現快速碼字捕獲和穩健的同步跟蹤性能，更可以降低接收端的耗電量。采用了RS編碼和高度結構化低密度奇偶校驗碼－LDPC，不僅提高了接收靈敏度，而且極大的降低了整個編譯碼硬件執行的復雜性。在移動多媒體性能測試中表現出比現有任何地面數字電視標準都好得多的性能和優勢。

2 地面數字電視發射系統

地面數字電視發射系統包括地面數字電視信源前段，傳輸網絡以及地面數字電視發射前段三大部分。其中，地面數字電視信源前端完成碼流的單頻網適配功能。在保證原有節目碼流不做任何改動基礎上的ASI碼流和路功能和傳輸網絡適配功能；傳輸網絡主要完成ASI碼流端到端的100%透明傳輸功能（包括碼流內容和格式）；地面數字電視發射前段主要完成ASI碼流分路功能和節目碼流的調制發射功能。

3 地面數字電視廣播的組網方式與單頻網的測試

地面數字電視廣播的傳輸及組網方式可分為單頻網和多頻網。在多頻網組網模式下，各個發射點采用不同的頻率進行發射。在單頻網組網模式下，各個發射點采用相同的頻率在同一時刻發射相同的數據碼流。目前，單頻網是地面數字電視廣播的重要組網方式。

地面數字電視廣播單頻網結構根據射頻信號產生方式的不同可分兩種形式：射頻信號集中產生和射頻信號分散產生。基于射頻信號集中產生方式的地面數字電視單頻網結構是利用各級中繼技術將主站發射機發射的射頻信號中繼延伸。然而，此種結構的網絡只有主站發射的信號質量能夠得到充分保障。而中繼獲得信號的站點發射的信號會因為中繼次數的逐漸增多會更加劣化。基于射頻信號分散產生的地面數字電視廣播單頻網是目前采用的主要組網方式。來自復用器的TS碼流首先送入到單頻網適配器進行適配，完成碼率適配和秒幀初始化包（SIP）插入功能，適配后形成包含秒幀初始化包的TS流通過節目分配網絡傳送到各個發射臺。節目分配系統可以采用直連光纖，SDH和微波等。經過調制器同步處理后變換成射頻信號進行發射。在地面數字電視單頻網的構建過程中，為保證TS流的同步，需要依賴全球定位系統。地面數字電視單頻網的網絡性能與系統自身抗多徑干擾能力是與單頻網網絡參數的設置以及覆蓋區域的地理環境密切相關。為此，地面數字電視單頻網調整的一個重要原則是減輕單頻網各發射點在重疊覆蓋區形成的多徑干擾。所謂重疊覆蓋區是指兩個或兩個以上發射點同時覆蓋，并且接受到的來自不同站點起主要作用的信號之差小于射頻保護率值的區域。具體而言，解決重疊覆蓋區多徑干擾的辦法是要盡力減小延時長度，減弱多徑信道存在的強度。具體可借助專用測試儀表的信道沖激響應功能分析地面數字電視單頻網重疊覆蓋區的多徑傳輸特性。單頻網的性能指標測試主要包括接收信號電平；最小接收信號電平；信號裕量和載噪比門限。以及移動接收測試時對單頻網重復覆蓋區的信號分布信息的整體了解。

總之，地面數字電視廣播有著眾多的先進之處，但也受制于經濟基礎和現有電視傳播設備及接收設備的廣泛使用。需要一定的完善過程和時間的整合，相信地面數字電視廣播有著更加美好廣闊的發展前景。

[1] 張國庭. 地面數字電視廣播信號在城市建筑密集地區的傳播特性. 廣播與電視技術，2006（12）.

[2] 馮景鋒. 國家地面數字電視傳輸標準單頻網覆蓋測試. 廣播與電視技術，2008（8）.