從ATSC1.0到ATSC3.0/3.1過渡的簡潔快捷途徑
——基于LDM(層分復用)+OFDM(或OFDM/SCS)

徐孟俠

從ATSC1.0到ATSC3.0/3.1過渡的簡潔快捷途徑
——基于LDM(層分復用)+OFDM(或OFDM/SCS)

徐孟俠

摘要:介紹ATSC3.0草案標準3方面技術亮點：1)廣播業者優先向用戶提供無線寬帶互聯網的移動接收服務；2)其視頻節目源頻譜利用率與1.0相比，有約5.1倍關系；3)采納層分復用(LDM)創新技術后，不更換發射機的條件下，可在6 MHz頻道內、同時提供傳統屋頂天線固定接收的4K-UHDTV(用戶“在家時”)和其720p-HDTV版移動接收(用戶“出門時”)共兩大類嶄新服務。重點向ATSC主席建議，依據新資料的詳細說明：增添LDM+UL-OFDM/LL-SCS新內容；對于美國超過90%的中小廣播業者，提出一條簡潔快捷途徑、實現ATSC1.0向3.0/3.1過渡，即用極少量投資、搶先發展單向的服務，從數字紅利中積累資金，以緩慢步伐逐步升級，也能達到建成用戶以雙向無線寬帶互聯網移動接收為主的同樣目標，而技術上則采納LDM+OFDM或LDM+OFDM/SCS。此外，還討論ATSC3.0組建大中小功率發射的合理地面數字電視網絡部署，再次建議ATSC3.0采納中國地面國標已應用的“寬帶多頻道DTV發射機組建M-SFN”技術。關鍵詞:地面數字電視廣播；ATSC3.0/3.1；過渡；層分復用；單載波系統；M-SFN

1ATSC3.0國內外發展成果

1.1ATSC3.0草案標準制定的進展概況[1]

2011年10月，SkipPizzi(NAB，美國廣播業者協會)代表ATSCPT-2(規劃組-2)提出對ATSC3.0的160多條需求。2011年11月11日，ATSC等11個機構在上海發布“未來廣播電視(FOBTV)倡議”宣言，表達聯合制定全球通用廣播電視系統標準的共同愿望，并成立FOBTV國際組織[2]。2011年11月30日，負責制定ATSC3.0草案標準的ATSC/TG-3(技術組-3)舉行首次會議。2013年3月26日，TG-3發布對ATSC3.0物理層“征集提案(CfP)”，并在截至日期2013年8月23日后共接納11個提案，其中1個來自中國，由上海數字電視國家研究中心(NERC-DTV)[3]牽頭。

[注1]上海交通大學和中科院下屬上海高等研究院參加，共3個單位。后來，還有NERC的3個電視工業成員單位參與有關活動：深圳TCL、青島海爾和北京北廣科技。

2013年10月15日—18日，TG-3舉行3天會議，物理層11個提案單位各自詳細介紹其提案細節，共同討論如何合作進行工作和組織實施等。2014年6月24日，ATSC/TG-3主席Rich Chernock在中國煙臺舉行的“FOBTV峰會”上，發表“ATSC3.0的進展”[4]，這是7個月來TG-3首次階段性的公開報告。

媒體報道，先后有3個合作單位宣稱可演示ATSC3.0的4K-UHDTV系統：1)2014年10月，美國Sinclair廣播集團(SGB)與其下屬Technicolor合作，在Baltimore(華盛頓東北)進行ATSC3.0的實驗性廣播。2)2015年1月，韓國三星/美國Comark/法國Teamcast合作，在CEA(美國消費電子協會)年會展臺演示ATSC3.0的4K-UHDTV系統。3)韓國LGE、其美國分公司Zenith和美國GatesAir廣播集團合作組成的FutureCast聯盟，動用大功率發射機，從2015年7月1日起進行為期9個月的ATSC3.0現場測試，其地形特征是位于Palma的發射機西側是樓群密集的大城市Cleveland；北側有大湖，其北岸為加拿大地區，可接收其信號；而其余大部分地區則是起伏不大的郊區農場平原。但上述3方面的活動都沒有獲得ATSC授權。

2015年4月11日至18日，美國NAB年會期間，ATSC安排特殊展臺，演示ATSC3.0的3個核心成果：

1)西班牙Basque州立大學PabloAngueira教授小組和韓國電子通信研究院(ETRI)合作演示ATSC3.0的“層分復用(LDM)”技術[5-6]，在6 MHz頻道內，下分層(LL)是4K-UHDTV，而上分層(UL)則是其720p-HDTV版(載噪比門限值低于0 dB)，上下分層采用可伸縮視頻編碼MPEG-HEVC/H.265。

2)中國NERC-DTV[3]演示了ATSC3.0物理層的4K-UHDTV全鏈路，從發送端(攝像機拍攝景物)、視頻編解碼、信道編解碼、自引導程序、激勵器和發射機、空中傳輸，到接收端等多種技術，包括4K-UHDTV的大屏幕顯示等。

3)以Triveni Digital為代表的3家美國公司演示了ATSC3.0各種個性化的交互式功能。上述3方面演示了ATSC3.0已獲得的成果。

接著ATSC按計劃在華盛頓舉行2項重要活動：

1)2015年5月13日舉辦“訓練營(Bootcamp)”，共發表16篇幻燈片報告[7](2015年5月28日在ATSC網站[1]發布)。

2)2015年5月14日舉行“廣播電視會議”，在ATSC網站[1]先發布其重要視頻片斷和照片，后有快訊。特別是超級高峰論壇由擔任過FCC主席和積極推進ATSC1.0標準的Dick Wiley主持，而3位發言人則分別是NAB主席Gorton Smith、NCTA(美國有線和電信協會)主席Michael Powell(也擔任過FCC主席)和CEA主席Gary Shapiro。這3位已擔任多屆負責人，他們共同認為[1]：ATSC3.0在今后幾年內將給電視帶來“光明的未來(bright future)”。

綜合上述情況，可預計：ATSC3.0將轉入樣機的實驗室測試和現場測試，為草案標準提供所必需的測試數據。而且可望：ATSC3.0在2015年底前完成草案標準的制定工作；在2016年秋，ATSC3.0從美國開始啟動其商業應用。TG-3主席Rich Chernock已明確提出這個日程表(見圖1)[7]。

注：“工業界”在美國包括廣播業者圖1　ATSC3.0的總日程表

[注2]筆者曾預報[8]：樂觀的估計是美國在2016年12月圣誕節前啟動ATSC3.0的試驗性廣播；而不樂觀的估計則延遲到2017年圣誕節前。

1.2本文重點

本文是英文版建議[8]依據新資料[7]的中文詳細說明和重要補充(增加LDM+OFDM/SCS)。下面第2章介紹ATSC3.0的3方面新技術亮點：優先向用戶提供無線寬帶互聯網服務，以滿足其移動接收的需求；ATSC3.0具有極高的視頻節目源頻譜利用率：與ATSC1.0相比有約5.1倍關系；采用創新的層分復用(LDM)技術：在6 MHz頻道內，可同時提供4K-UHDTV傳統屋頂天線固定接收和大屏幕顯示(數據率較高，而穩健性如同過去接收HDTV)及其720p-HDTV版的移動接收(數據率較低，但穩健性極高，載噪比門限值低于0 dB)；總共兩種嶄新服務。第3章給出ATSC1.0向ATSC3.0/3.1過渡的多種可能途徑，其中突出筆者的建議[8]內容：對于美國超過90%的中小廣播業者(尤其是各大廣播集團在各地的分支和代理機構)，提出一條簡潔快捷途徑，實現ATSC1.0到ATSC3.0/3.1的過渡，用極少量投資(不更換發射機)搶先啟動單向的固定接收和移動接收新服務，從數字紅利中獲得資金積累，有計劃地以緩慢步伐逐步升級(不“邁一大快步”)，也能達到建成用戶以雙向無線寬帶互聯網移動接收為主的同樣目標。當不更換發射機、在單個6 MHz頻道和采用LDM+UL-OFDM/LL-OFDM或LDM+UL-OFDM/LL-SCS，都可同時提供1套4K-UHDTV固定接收(OFDM或SCS)及其720p-HDTV版的移動接收(OFDM)；但UL-SCS的突出優點是4K-UHDTV具有達到“稍有下降”的潛力。第4章討論在組建ATSC3.0的DTTB網絡部署中，如何合理地設計大中小功率發射，以符合發展綠色低碳產業的需求。第5章則是簡短小結。

[注3]筆者把“分層復用(LDM)”改用“層分復用”，以便與時分復用(TDM)和頻分復用(FDM)對應。

2ATSC3.0的3方面新技術亮點

ATSC3.0訓練營報告[7]共有16篇，內容極為豐富，涉及的技術創新方面非常廣泛。筆者已發表“ATSC3.0的技術亮點”[9]作扼要介紹。本文介紹其3方面的基本亮點。

2.1優先向用戶提供無線寬帶互聯網服務，以滿足其日益增長的移動接收需求

ATSC3.0保證廣播業者下一代廣播平臺(NGBP)今后將提供如下服務[9-10](請參閱圖2的ATSC3.0概念性協議模型[7])：

1)為主的無線寬帶互聯網嶄新服務(簡稱B-服務，圖2的右下輸出)：用戶“出門時(On-The-Go)”可用其手持設備(手機、平板電腦和手持接收機等)和各類車載設備，實現移動接收(雙向可交互式的)；其中特別包括4K-UHDTV嶄新節目源的720p-HDTV版移動接收。當然，用戶“在家時”也可享受B-服務。

圖2　ATSC3.0的概念性協議模型(請參閱文獻[10]的圖3)

2)為輔的傳統廣播服務(簡稱T-服務，圖2的中下輸出)：用戶“在家時(In-The-Home)”可按傳統屋頂天線實現固定接收和大屏幕顯示，特別是4K-UHDTV嶄新節目源服務(也是雙向可交互式的)。

此外，ATSC3.0還可提供11.1(或7.1+4)聲道的沉浸式環繞聲(immersive surround sound)、具有空間和距離定位的嶄新主觀感知效果。其播放的室內11.1揚聲器部署見圖3，而占用的數據率預期是384 kbit/s(原5.1環繞聲的數據率)，特別是ATSC3.0正在制定新型耳機可收聽11.1節目源的標準，后者價廉物美、更大眾化，符合移動接收需求，其主觀感知性能將優于5.1環繞聲。

注：LF為左前；C為中間；RF為右前；LFE為超低頻效果；LS為左側；LR為左后；RR為右后；RS為右側；ULF為上左前；ULR為上左后；URR為上右后；URF為上右前。圖3　用戶獲得ATSC3.0的11.1沉浸式環繞聲聲源之多種途徑

而提供B-服務，需優先解決“入門條件”：1)把MPEG傳送層188 byte傳送流(TS)換成2 048 byte IP(互聯網協議)節目流(PS)(見圖4)[7]。2)由于移動接收設備在使用時具有位置的隨意性(天線增益也較低)，再考慮其接收環境(樓群密集地區和室內)會有多個回波的情況，ATSC3.0調制技術已按需求采納正交頻分多工(OFDM)多載波系統[8]。

圖4　ATSC3.0管理和協議的關鍵特性

[注4]但筆者認為：ATSC3.0優先采納OFDM是必需的，沒有疑義。但僅僅采納OFDM，而沒有同時采納單載波系統(SCS)則將具有片面性[11]。因為，后者更適合屋頂天線的傳統接收方式(T-服務)。

2.2ATSC3.0有極高的視頻節目源頻譜利用率

ATSC3.0采納的MPEG-HEVC/H.265視頻編解碼之典型壓縮性能見表1[7]。而ATSC1.0(A/53)采納MPEG-2對HDTV的視頻編解碼需18.8 Mbit/s(總有效比特率為19.38 Mbit/s；AC-3的5.1環繞聲占用0.384 Mbit/s)。所以，從ATSC1.0升級到ATSC3.0，視頻編解碼獲得的視頻節目源頻譜利用率為18.8/5=3.76倍。

表1HEVC的典型壓縮性能

4∶2∶0 50/60Hz+HFR+HDR+WCG+HDR+WCG+HDR+WCG+HFRHDHEVC-5Mbit/s6.25.95.46.47.74KHEVC-15Mbit/s18.617.816.319.323.0

注：假設對HDTV的MPEG-AVC/H.264發送需要的典型比特率約9 Mbit/s；HFR為高圖像幀頻；HDR為高動態范圍；WCG為更寬的彩色舌形圖。

而在信道編解碼方面，ATSC 3.0與1.0相比，則有約1.36倍關系。其來由如下：從計算機仿真的率失真曲線(圖5)[7]左上角標明的“比特交織編碼(BICM)中64-QAM虛線”(圖解中各小點連線向左挪動約0.2 dB)來看：ATSC 1.0(A/53)垂直線向上與ATSC3.0該虛線之交叉點坐標值為：信息總容量約4.25 bit/s/Hz(縱坐標)和約14.7 dB(橫坐標,即A/53數值)。圖6給出的NUC+2D(維)掩模處理時，64-nuQAM與64-QAM相比，在R=9/15或10/15時可得約0.5 dB改善。

可特別指出：圖5中部A/53左上方率失真曲線ATSC 3.0工作點連線都接近直線,其斜率為1.43(bit/s/Hz)/5 dB=0.286 bit/s/Hz/dB。因而，水平方向的0.5 dB相當于垂直方向的0.143 bit/s/Hz。于是可得信道編碼總改善為(4.25+ 0.143)/3.23≈1.36倍。而4.39 bit/s/Hz在6 MHz頻道時相當于26.3 Mbit/s。

因此，把信道編碼約1.36倍和視頻編碼約3.76倍的結果匯總：ATSC3.0與ATSC1.0相比，視頻節目源頻譜利用率有1.63×3.76≈5.1倍關系。

圖5　ATSC3.0的率失真曲線(Guass模型和LDPC長碼字=64 800 bit)

注：淺色部分是一維處理，深色部分是二維處理圖6　ATSC3.0不均勻星座圖的改善

[注5]圖5中的小三角形點是64-QAM調制，與A/53的8-VSB相當；其信道編碼率R=2/15,3/15，…，12/15和13/15(從左下到右上)總共12個工作點。而A/53水平線左側的2個鄰近點：上方是8/15；下方是7/15；而其R=2/3(=10/15)點則在8/15點右上方(中間隔9/15點)。

2.3ATSC3.0采納“層分復用(LDM)”創新技術

ATSC3.0物理層的突出亮點是采納“層分復用(LDM)”技術(TDM和FDM的高級組合形式)，其中西班牙Basque州立大學PabloAngueira教授小組和ETRI有較多貢獻[5-6,8]。以雙分層為例(多分層可類推)，原理如下：

1)把上分層(Upper Level，UL)的SNR門限值設計為：與下分層(LL,Lower Level)相比，低于0 dB；可把UL“重疊使用于”LL已占用的頻道(如6 MHz；見圖7[7])。技術上則優先采用信道編碼率的可選項中的后幾個[7]，即顯著增大糾錯碼的比例(同時增大其發射功率)，在13/15(糾錯比例0.13)，12/15(0.20)，…，2/15(0.87)共12個信道編碼率中選用后5個。

圖7　層分復用技術中UL和LL可重疊使用于同一個RF頻道

2)可設計UL注入電平(injection level)參數，以確定總功率在UL和LL兩個分層之間的分配：推薦在0～25 dB用6 bit來表示。例如，UL注入電平若為-4 dB(相對LL而言是2.51倍)時，UL功率占總功率71.5%，而LL功率僅占總功率28.5%(71.5/28.5=2.5倍，即4.0 dB)。

3)而在接收機中則首先對UL解碼；接著把它從接收信號中刪除(稱為信號刪除技術)，它僅需模2加⊕運算；然后可得LL信號，請參閱圖8，引自文獻[5]中的“圖2三分層A，B，C”發送端框圖，該圖解中共有2個模2加⊕運算，而接收端的處理則是其逆過程。“雙分層”時，只有1個模2加⊕運算。

4)UL和LL的例子見表2[7](表2僅用于說明LDM的原理，并不代表ATSC3.0，詳見第3.2節)。其中UL注入電平為-4 dB時，采納穩健性高的UL-B-服務(2.0 Mbit/s,SNR=-2 dB，可發送4K-UHDTV嶄新節目源的720p-HDTV版)，以及“中數據率-1”20.5 Mbit/s的LL-T-服務(可發送高質量的4K-UHDTV嶄新節目源；請參閱表2；在采納+HDR+WCG后，還剩下1.2 Mbit/s，足以提供11.1沉浸式環繞聲、字幕和其他數據)。而SNR=18.5 dB是過去OFDM系統提供HDTV數據率所需的門限值。其中特別是UL和LL兩者在同一個6 MHz頻道內采納LDM技術后，以頻譜重疊方式同時提供。但筆者把

圖8　多分層的分層子系統之發送端

表2上述1套典型數據在圖5尋找ATSC3.0的對應工作點時發現，這套數據不反映3.0的實際情況(第3.2節將深入討論)。

表2LDM雙分層系統的例子

不同情況數據率/(Mbit·s-1)SNR/dBLDM傳輸系統(6MHz頻道)上分層UL(穩健模式)2.0(QPSK3/15)-2.0上分層UL(中數據率)2.7(QPSK4/15)-0.3上分層UL(高數據率)4.1(QPSK6/15)+2.7上分層UL具有-4dB的注入電平低數據率14.3(64QAM7/15)14.6中數據率-120.5(64QAM10/15)18.5中數據率-224.6(256QAM9/15)21.2高數據率30.1(256QAM11/15)24.4

5)此外，由于UL的SNR門限值低于0 dB，其覆蓋范圍與原A/53的15.2 dB相比，將顯著擴大(圖9引自文獻[6]幻燈片第9頁)；而不致于干擾鄰近地區的同一個RF頻道、另一家電視臺的現存服務。

2.4ATSC3.0和DVB-T2的對比

順便討論ATSC3.0和DVB-T2的對比：率失真曲線圖(圖5中)中ATSC3.0的大批小符號下方的曲線就是DVB-T2工作點連線。從該圖的中部到右上方(4.0 bit/s/Hz以上，適用于固定接收服務)，ATSC3.0的SNR與DVB-T2相比，有1.0～2.0 dB的改善。而從中左部到左下方(2.0 bit/s/Hz以下，適用于移動接收服務)，則也有0.2～1.0 dB的改善。

圖9　雙分層LDM傳輸系統可顯著擴大UL的覆蓋范圍

而整體改善的來源有3方面：1)LDPC編解碼算法的改善；0.1 dB的改善也爭取。2)幻燈片報告[6]第21頁有DVB-T2+NGH與采納LDM的討論。前者的UL占用25%的時間，而LL則占用75%的時間；兩者沒有“重疊使用頻譜”，僅時分復用(TDM)。而采納LDM技術后，只需要占用75%的時間(重疊使用)。這就是說：后者的信道編碼效率提高4/3≈1.333倍，相當1.36 dB，是主要改善。或者說，在6 MHz頻道內采納LDM后、可同時發送UL+LL。而DVB-T2+NGH因未采納LDM(僅TDM)，發送同樣的UL+LL則需8 MHz頻道。3)此外，再考慮不均勻星座圖(NUC)對星座圖的改善(見圖6)：nu64-QAM與64-QAM相比，有約0.5 dB改善(更高階調制改善更多)。但圖6沒有列出NUC的結果。

DVB組織積極參加ATSC3.0制定。其中由韓國ETRI提出的LDM技術就是西班牙Basque州立大學小組(作為DVB的杰出成員)進行大量的計算機仿真和現場測試工作，對ATSC3.0物理層采納LDM有重大貢獻。此外，LDPC的長碼字(64 800 bit)和短碼字(16 200 bit)是直接引自DVB-T2標準。因而可預期：DVB將以ATSC3.0物理層為基本內容，進行某些軟件修訂后，即得DVB-T3標準(2016年底前或2017年春)。

3對ATSC1.0到3.0/3.1過渡途徑的討論

3.1“邁一大步”的快速過渡途徑

廣播業者實現ATSC3.0需投資的設備大致有4方面：1)ATSC3.0節目源的制作，包括4K-UHDTV視頻節目源和11.1沉浸式環繞聲音頻節目源；2)發送端的調制器、激勵器、大功率發射機和新發射天線等；3)雙向回傳信道所需設備，包括新接收和發送天線；4)擴大的計算機系統，至少滿足無線寬帶互聯網啟動初期的最低需求。

以美國為例，除五大廣播集團(CBS,NBC,ABC,FOX和PBS)以外，還有SBG，GatesAir等一批第二層次的廣播集團，完全可于2016年秋至2017年在30～40個大城市投資而啟動B-服務為主、T-服務為輔的ATSC3.0嶄新服務。這就是“邁一大步”快速過渡的途徑。

[注6]FCC是否需制定過渡期(或半年)；國會是否討論利用國家財政“免費發放機頂盒代金卷”新法案；美國各地如何動用空白頻譜實現“回傳信道”的相關法規等。

如果沒有違反FCC法規，美國任何廣播業者都可在ATSC1.0現存服務沒有關閉前：1)配置前2類設備后，在自己擁有許可證、正在使用的頻道內，啟動SNR門限值低于0 dB之單向的B-服務；今后再升級到雙向的B-服務(“邁2中步”)；2)或者“邁1中步”(進行4方面的投資)，即直接開展雙向的B-服務。這些也是可選的過渡途徑，特別是在ATSC1.0到ATSC3.0的過渡期，可不動用另外的臨時頻道。

3.2本文建議的另外一條從ATSC1.0過渡到ATSC3.0/3.1的簡潔快捷途徑[8]

此建議對于美國超過90%的中小廣播業者特別重要；尤其是數量眾多的大廣播集團在各地之分支和代理機構。其基本思路是：只需極少量投資(不更換發射機)，優先開展單向的B-服務和T-服務，充分利用ATSC3.0與1.0相比的視頻節目源頻譜利用率約5.1倍關系，通過過渡后的數字紅利積累資金，有計劃分批添置新設備，“以緩慢的步伐”逐步升級；最終也可完成建設雙向的B-服務為主、T-服務為輔的無線寬帶互聯網同樣目標。

本文利用系列報告[7]中的新數據，對建議[8]進行修訂和重要補充,其中MG(融合)是本文討論重點新增的。下面討論的前提條件是：1)僅少量投資配置ATSC3.0調制器,啟動時暫不添置新發射機、新激勵器、新天線。2)絕大部分ATSC3.0節目源(特別是4K-UHDTV及其720p-HDTV版，還有11.1沉浸式環繞聲等嶄新節目源)都由大廣播集團通過傳輸網絡提供。3)僅少量本地(local)節目源由ATSC1.0升級到ATSC3.0，需投資新軟硬件設備。4)在ATSC3.0啟動初期只提供單向的B-服務和T-服務；暫不投資雙向回傳系統和擴大計算機系統。在這些條件下，關閉ATSC1.0信號，發送ATSC3.0信號。

因此，以下的討論以不更換發射機的發射功率為重要前提條件。

1)首先，在圖5中選取適當工作點，討論LDM+UL-OFDM/LL-OFDM或/LL-SCS(后者是重點)雙分層技術實現UL的B-服務和LL的T-服務(/OFDM或/SCS)；其中參照表2給出的數據對：穩健模式的UL和中數據率-1的LL：[2.0 Mbit/s, 20.5 Mbit/s]，進行半定量估算，因未計入數據幀頭部開銷。

(1)UL-OFDM可在圖5左下側小圓形選取工作點X[QPSK，R=6/15](用于B-服務)；而LL-OFDM可在與圖5類似的Rayleigh模型曲線(略)中偏左上部黑菱形選取工作點Y[64 QAM，R=9/15]，/LL-SCS則可在圖5中偏左上部黑菱形選取工作點Z[64 QAM，R=10/15](Y和Z都用于T-服務)：

工作點X：2.2 Mbit/s，SNR=-0.5 dB。

工作點Y：21.0 Mbit/s，SNR=14.4 dB。

工作點Z：24.0 Mbit/s，SNR=13.0 dB。

此外，總信息容量約4.39 bit/s/Hz在6 MHz頻道的數據率為約26.3 Mbit/s。工作點X的數據率向Y或Z“轉換”估算時，需利用調制和編碼率的內在關系：QPSK到64QAM有16倍關系；R=6/15到R=9/15或R=10/15，分別增為9/6=1.50倍或10/6=1.667倍。

(2)UL需保證其SNR低于0 dB，UL注入電平需不大于-3.0 dB，可增大UL數據率、而不追求擴大覆蓋范圍；而LL的SNR則需保證不大于A/53的14.7 dB理論值。

2)筆者對OFDM方案O1，O2的討論，兩者都采納LDM創新技術(LDM+UL-OFDM/LL-OFDM)。

(1)推薦方案O1優先保證工作點X[QPSK，R=6/15；2.2 Mbit/s，SNR=-0.5 dB]為O1-UL，可發送1套高質量720p-HDTV的B-服務(需2.0 Mbit/s)。剩下的信息容量則用于工作點Y的O1-LL數據率。

[注7]O1-UL可設計其注入電平為-4.0 dB和SNR=-0.5 dB，其數據率“轉換”到O1-LL時，考慮功率的平方根量綱才是數據率，可得約10.0 Mbit/s，即4K-UHDTV所需16.0 Mbit/s的62.5 %(圖形質量下降較多)。功率分配中，O1-LL為0.285，O1-UL為0.715。O1-UL數據率設計為2.0 Mbit/s時，請參閱MG-UL的設計。而兩者完全可以是相互獨立的節目源。

(2)推薦方案O2則優先保證工作點Y[64 QAM，R=9/15；21.0 Mbit/s，SNR=14.4 dB]為O2-LL，可發送1套高質量4K-UHDTV的T-服務(需20.5 Mbit/s，具有+HDR+WCG)；剩下的功率太小，不能實現O2-UL的注入電平要求。

[注8] O2-LL占用21.0 Mbit/s后，還剩下(26.2-21.0)Mbit/s =5.2 Mbit/s。功率分配中，O2-LL為0.802，而O2-UL則太小，不能實現LDM技術的“頻譜重疊原理”。

3)若ATSC 3.1采納SCS(單載波系統)調制后，對推薦方案MG(融合系統)的討論；其要點是：T-服務的調制由OFDM改為SCS，即采納LDM+ UL-OFDM/LL-SCS)：

MG-UL和MG-LL可分別采用工作點X[QPSK，R=6/15；QPSK，R=6/15]和工作點Z[64QAM，R=10/15；24.0 Mbit/s，SNR=13.0 dB]進行討論。

而為了保證B-服務為主，優先討論MG-UL滿足1套720p-HDTV數據率1.8 Mbit/s(表 2參考數據率2.0 Mbit/s的90 %)。

[注9]MG-UL可設計其注入電平為-3.0 dB和SNR=-0.5 dB，其數據率“轉換”到MG-LL時，考慮功率的平方根之量綱才是數據率，可得11.7 Mbit/s，即4K-UHDTV所需16.0 Mbit/s的73.1 %。若考慮MG-LL與O1-LL的SNR有1.4 dB的優勢，相當于數據率為2.2 Mbit/s時，MG-LL將有13.9 Mbit/s(所需的86.9 %，圖像質量改善為“稍有下降”)。功率分配中，MG-UL為0.667，MG-UL為0.333，而兩者完全可以是相互獨立的節目源。

由此可見，方案MG可同時實現O1和O2兩者的功能，充分發揮“UL-OFDM/LL-SCS融合系統”的優勢，僅MG-UL/LL兩者圖像質量稍有下降，尤其是非專家難以在手持設備接收中覺察，因而這種簡潔快捷途徑將是ATSC 3.1在各國啟動時可供考慮的技術模式。

4)當然，以上討論僅是框架性構想，急需依據ATSC 3.0/3.1草案標準公布的各種技術參數重新修訂。但從整體來看，通過表3的討論可看出，無論采用OFDM調制，或者提供B-服務(OFDM)都需要更大的發射功率為代價。筆者建議在T-服務中采納SCS就是為了彌補這個不足。

表3從ATSC 1.0到3.0/3.1過渡的簡潔快捷途徑可能方案

方案注入電平(UL)/dB發射功率分配B-服務(UL)T-服務(LL)UL/%LL/%技術參數SNR/dB技術參數SNR/dB服務O1-4.071.528.52.2Mbit/sQPSK6/15-0.510.2Mbit/s64QAM9/15～14.4T有1套4K-UHDB有1套720p-HDO2無無80.2無無21.0Mbit/s64QAM9/15～14.4T有1套4K-UHD沒有B服務MG-3.066.733.31.8Mbit/sQPSK6/15-0.511.7Mbit/s64QAM10/1513.0T有1套4K-UHDB有1套720p-HD

注：A/53的現場測試SNR=15.2 dB，推薦方案O1和MG的4K-UHDRV圖像質量都有所下降，但其突出優點是在不更換發射機條件下，都可同時提供B-和T-服務。

4對ATSC3.0組建DTTB網絡的討論

4.1妥善處理加大功率、但又有措施保證ATSC3.0大規模應用時能夠符合綠色低碳產業的需求

地面電視廣播由模擬制向數字制的過渡除提供更多的節目源以外，其附帶收獲是發射功率可下降約一個數量級(每套SDTV能耗顯著下降)，符合綠色低碳產業的發展需求。但今后開展ATSC3.0的UL/LL嶄新服務時，從第3節的討論可知，OFDM或LDM都將需顯著增加發射功率。因此，急需謹慎處置大功率發射在ATSC3.0的DTTB網絡組建中的部署。

當然，數量不多的大功率電視臺在任何國家或地區總是必需的。因為，在出現天災或人禍時，它們可發揮其獨特的作用。但其不利因素是：近場信號過強(白白浪費能源)，電磁污染嚴重，不符合綠色低碳產業發展的需求。

[注9]ATSC3.0今后可在發生天災時的作用：“應急告警信息”報告[7]開篇就提到：1)紐約市在2014年某次沙塵暴天氣時，空中的電信網絡有25%失效，立即出現“網絡擁擠”，但電視臺的服務則不受任何影響。2)美國東部某州電視臺在2014年5月啟動“氣象告警信息”(60個字符)服務，而在當年8月預報洪水災害時發揮過積極作用。但60個字符信息太少，不能向個人用戶提供如何主動應對躲避措施或“一對一”的個性化救援服務(后者包括專家咨詢和直升機救援等)。

4.2因地制宜合理設計大中小功率發射相結合的DTTB網絡之MFN和SFN

在ATSC3.0實施DTTB網絡覆蓋時需考慮：

1)大功率電視臺盡量設置在人口密集的平原地區(利用高樓頂部或新建大發射塔)。這樣可避免“高山臺”在無人區或人口稀少山區卻有過高的場強，白白浪費能源；其思路是沿襲原模擬制地面電視廣播的舊工程設計(利用高度落差以節省投資)。

2)大中小功率的發射機相結合組成DTTB網絡需因地制宜擬定規劃。以報告[7]中的圖解(圖10)為例：依據美國Iowa州的地理特點(圖解中信號較強地區正是人口密集地區)，部署大中小發射機，將是最經濟、最有效又符合綠色產業發展的需求。

圖10　美國Iowa州第36頻道組成SFN(截圖)

3)可從MFN(多頻網，模擬制地面電視廣播和DTTB并存期)啟動ATSC3.0服務(特別是模擬制地面電視廣播未關閉的國家和地區)；然后分階段關閉模擬制地面電視廣播，再分階段按地理特性調整到地域規模稍大的SFN(單頻網，美國為州級，中國為省級)。

4)在樓群密集的大城市中心的“陰影區”，可采取中小功率發射的“空隙填充器”補充信號覆蓋。

5)在高樓內部的房間和過道內(還有樓梯間、電梯和地下車庫等)，可采用樓頂天線接收、樓內有線中繼，再在樓內外或室內外部署ATSC3.0的小功率“空隙填充器”。此外，在郊區住宅內外也可采用這類技術，完成每個房間、地下室、樓道和庭院的無線覆蓋。

[注10]DTTB網絡覆蓋的特例是，上海交大歸琳(女教授)小組承擔的ADTB-T單載波系統項目：高速鐵路720p-HDTV移動電視接收系統[11]；2007年10月在D字頭高速鐵路上演示成功；最高時速達192 km/h；在總長度達90 km余的路程中，專家們沒有覺察“中斷”(如顯著的“馬賽克”)，而僅儀器記錄1次。720p-HDTV節目源由上海上行到衛星，在鐵路小站的電信機房附近接收，通過電信小鐵塔發射ADTB-R單載波信號。上海郊區3個發射點，無錫站及其東側共6個發射點，合計9個發射點；每2個發射點相距9～10 km，動用1個8 MHz電視頻道。發射天線具有“8字形”輻射圖案；而車廂頂部的接收天線在行駛方向也具有“8字形”輻射圖案。

ADTB～T單載波系統電視信號覆蓋特點是：其信號僅僅在鐵軌上方“截面為半圓形(半徑50～100 m)”的“空中隧道”中傳輸；或者說DTTB信號“沿線(鐵路線)傳輸”(高速鐵路最多只有大弧線，沒有急轉彎)。其次，僅僅在2個小站信號的交叉覆蓋路段內，才有“0 dB回波”問題(文獻[12]專門討論)；全程中沒有其他幅度較大的回波問題，因為2個小站的發射信號較強。此外，由于采納單載波系統，小站的發射功率僅13 W即有余量(按30 W設計，考慮雷雨惡劣天氣條件留有較多余量)，再充分利用電信機房和小鐵塔現有設備，總造價較低。

原理上可動用較多頻道，因為“空中隧道”信號與廣播業者的“點到面”信號對于多數頻道將“互不干擾”，除非廣播業者的某頻道信號在鐵路沿線上方的“空中隧道”相互重疊而有較強信號(但一般不會是所有DTTB頻道)。所以這種“空中隧道”特例與“點到面”的傳統覆蓋具有“相輔相成”的關系。

4.3中國地面國標推廣應用中已采納“寬帶多頻道發射機+M-SFN”[12]的經驗

中國從2008年起在地面國標(DTMB)的推廣應用中，已廣泛采納“寬帶多頻道DTV發射機組建M-SFN(多頻道單頻網)”技術[13]。其中M是同時動用的8 MHz頻道總數(推薦M=4)；而這4個頻道可以是相鄰的，但中間也可有“空白”(頻道已被動用)。而ATSC3.0物理層報告[8]提及的“頻道跨接(bonding，捆綁)”技術只推薦M=2，看來是吸取中國發展M-SFN技術之經驗而采納的(請參閱文獻[10])。

“寬帶多頻道DTV發射機+MFN”創新技術的優點是：簡化框圖設計、提高可靠性、降低成本(價廉物美)；而缺點是總功率還不夠大(僅約1 kW；每個頻道僅200～250 W)[11,13]；但作為大功率發射配套組建ATSC3.0網絡所需的中小功率發射，將有數量眾多的大規模應用。

5簡短小結

本文扼要介紹了ATSC3.0的3方面技術亮點。其草案標準有望如期在2015年底完成，并于2016年秋在美國率先啟動市場，隨后陸續帶動所有發達國家。而由于其B-服務為主的無線寬帶互聯網基本屬性，各類移動接收設備以及廣播業者所需的新設備，都面臨一次大規模“更新換代”。

由個人建議[8]依據新資料補充討論可知：美國中小廣播業者可有一條簡潔快捷途徑(只需少量投資)完成從ATSC1.0到ATSC3.0/3.1過渡。在單個6 MHz頻道內，采用LDM+UL-OFDM/LL -OFDM與LDM+UL-OFDM/LL-SCS相比，在發射機不變的條件下，前者只能發送1套720p-HDTV版的移動接收嶄新B-服務，或者只能發送1套4K-UHDTV嶄新T-服務(含11.1沉浸式環繞聲)，而后者的“融合系統”則可同時發送兩者(實現兼顧)，充分發揮SCS在T-服務中SNR門限值較低的優勢。

本文對ATSC 3.0/3.1建議的“簡潔快捷過渡途徑”，更加適用于資金不足的發展中國家(特別是中國)推廣應用。

6后記

筆者在修訂此稿時獲悉，2015年10月下旬，ATSC在上海舉行“Plug-Fest(對接節日)”，5臺ATSC3.0硬件調制器和4臺硬件解調器進行“互聯互通”的“交叉對接測試”(150種虛擬工作模式)獲得優秀結果。2015年11月初，ATSC網站有公開報道和照片；而ATSC主席Mark Richer公開講話中表示，這次測試非常成功，對ATSC會員們投票支持A/321文件(自引導程序)和A/322(物理層傳輸部分)起著積極作用，并感謝NERC作為本地承辦者的貢獻。而筆者還獲悉，中國NERC研制的ATSC3.0硬件調制器和解調器已達到Sony美國分公司或韓國ETRI相似的國際一流水平。

ATSC主席在2016年新年的備忘錄中提及：草案標準雖然核心部分已經解決，但還有大量工作要做，如“管理和協議”分層和“應用和演示”分層，還有“音頻系統”預期在元月先后進行投票，隨后是“安全性”和“交互性”的投票。此外，媒體報道：以LGE牽頭、Samsung牽頭和Sinclair廣播集團牽頭的三大團體，在剛結束的CES展會從拉斯維加斯南邊的黑山發射臺發射信號，而在會場或其他演示地點演示ATSC 3.0 4K-UHDTV系統。LGE和Sanmung的接收端產業化進度值得關注。

致謝:

感謝NERC-DTV的夏平建、管云峰、王堯和何大治諸位教授提供的有關信息。感謝夏勁松教授(上海全波通信技術總監，上海交大特邀研究員)從2014年10月至2015年4月初提供大量公開資料。還要特別感謝廣西廣電專家毋長江教授多年來的合作。

在修訂稿件過程中，筆者有幸與電視電聲研究所(中國電科集團第三研究所)總工陳科教授對率失真曲線進行深入討論，使筆者改正原稿B1-方案門限值之原理性錯誤，在此表示感謝。

參考文獻：

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[11]陸靖侃，馬文峰.鐵路電視單頻網信道簡化模型覆蓋設計[J].電視技術，2011，35(8)：35-39.

[12]趙章佑.UHF頻段數字電視寬帶發射機語大區域M-SFN組網探討[J].電視技術，2014，38(21)：6-12.

責任編輯：許盈

Fast easy way to transit from ATSC 1.0 to ATSC3.0/3.1:based on

LDM+UL-OFDM/LL-SCS (or OFDM/SCS)

XU MengxiaAbstract:The progress of ATSC 3.0 draft standards is briefly reviewed first in this paper, and three technical highlights of 3.0 are introduced: 1) wireless broadband Internet services for users′mobile reception by broadcasters in the first place. 2) the video sources bandwidth efficiency of 3.0 in comparison to 1.0 with～5.1 times improvement. 3) new LDM (Layered Division Multiplexing) technique adopted, to deliver 4K-UHDTV services in traditional roof-top antenna fixed reception for users “In-The-Home”, together with its 720p-HDTV version for the users′ new mobile reception “On-The-Go”, within the same 6 MHz channel,without change of emitter. The main content of this paper is the Chinese version of the author’s proposal to the President of ATSC, with detailed discussions based on new publications, as well as important addition of LDM+UL-OFDM/LL-SCS. For > 90 % of US broadcasters, there is a fast easy way to transit from ATSC 1.0 to 3.0/3.1: with little investments at the start, delivering one-way signals only, winning new incomes from digital dividend, planning′several steps in moderate paces (not a large quick pace)′, and reaching the same final goal to upgrade their systems into Two-Way wireless broadband Internet services for the mobile users. The reasonable DTTB networks deployment of ATSC 3.0 is discussed, using large, middle and small power emissions together, while wide-band multi-channel DTV emitters using M-SFN (Multi-channels Single Frequency Network) technique, widely used in DTMB of China, is once again recommended.

Key words:DTTB;ATSC3.0/3.1;transition;LDM;single carrier system;M-SFN

中圖分類號：TN949

文獻標志碼：A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.02.003

收稿日期：2015-12-01

文獻引用格式：徐孟俠.從ATSC1.0到ATSC3.0/3.1過渡的簡潔快捷途徑——基于LDM(層分復用)+OFDM(或OFDM/SCS)[J].電視技術，2016，40(2):13-22.

XU M X.Fast easy way to transit from ATSC 1.0 to ATSC3.0/3.1:based on LDM+UL-OFDM/LL-SCS(or OFDM/SCS)[J].Video engineering，2016，40(2):13-22.