移動媒體時代數字電視系統關鍵技術應用與研究

陳浩華

（作者單位：珠海傳媒集團）

數字電視在應用中不斷改進，逐漸趨于信息化、網絡化、移動化，清晰度也從傳統的480P發展到了當前的4K或8K，同時為了適應平板電腦、智能手機等移動設備的需求，逐漸引入了很多先進技術，如前向糾錯、星座旋轉、高階調制或交織技術[1]。數字電視系統由信號發射、信號傳輸和信號接收等系統組成，本文根據數字電視的應用需求，將數字電視系統劃分為前端信源系統、傳輸系統和無線覆蓋系統。前端信源系統具有信號發射、信號接收等功能，傳輸系統可以實現數字電視信息的廣播和輸送，無線覆蓋系統則實現數字信號的接入范圍通信覆蓋功能[2]。數字電視系統的優點非常多，數字信號具有更高的穩定性，抗干擾能力更強，能夠提高頻譜資源的利用率，支持多路信號復用和疊加；數字信號具有非常高的可擴展性，有助于廣播電視公司開展電信增值業務，比如，加入動畫廣告數字，進一步提高數字電視的業務盈利能力[3]；隨著大容量數字存儲服務器的增加，數字信號傳輸和存儲都非常便捷，能夠提高數字電視的雙向傳輸能力[4]。

1 移動媒體時代數字電視系統分析

移動媒體時代，數字電視系統包括前端信源系統、數字信號傳輸系統、無線信號覆蓋系統三個部分，每一個部分都根據系統的應用實際，引入了相關的關鍵技術，如前向糾錯碼、星座旋轉、高階調制和交織技術，系統功能結構如圖1所示。

圖1 移動媒體時代數字電視系統組成結構

1.1 前端信源系統

前端信源系統的關鍵功能是實現數字電視節目信號的編碼和復用，使用單頻網適配器將原有的傳送流加入單頻網控制包，形成一個帶有單頻網信息的傳送碼流，從而可以傳輸數字電視信號。前端信源系統可以基于單頻網構建一個網絡拓撲結構，并且將這個拓撲結構進行適應性更改，壓縮數字電視的傳輸編碼，提高數字電視系統的發送節目套數，比如，1個單頻點可以輸送8～16套4K或8K高清晰節目。

1.2 傳輸系統

數字電視單頻網傳輸網絡類型主要包括三種，分別是光纖傳輸、數字無線傳輸和衛星傳輸。數字電視節目為了適應新時期移動多媒體的應用需求，多采用數字無線網絡傳輸模式，該模式可以實現同步數字體系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）干線無線網絡的傳輸，并且將數字信號進行加密制作，有效地提高數字電視傳輸的能力。同時，數字無線傳輸網絡不受地域的限制，建設成本也比較低，因此可以更好地滿足移動多媒體時代廣覆蓋、無縫覆蓋的傳輸需求，從而可以為不同地域的用戶傳輸數字電視信號。

1.3 無線覆蓋系統

數字電視的無線覆蓋系統主要包括5個部分，分別是天饋系統、發射主機、激勵器、功放模塊和上變頻器。單頻網控制包可以通過發射主機發射數字電視信號，由每一個發射站點的激勵器實現數字信號的同步，完成信道編碼形成一個安全的數字電視視頻信號。功放模塊可以將數字電視信號的功率放大，從而對外實現更廣泛的傳輸。上變頻器可以利用發射機的輸出，形成一個良好的單頻網基站覆蓋面積，并且可以利用極化參數、方位設置參數或發射天線場形參數進行調校設置，從而擴大數字電視系統的覆蓋范圍，達到無縫覆蓋的目標。

2 移動媒體時代數字電視系統關鍵技術研究

2.1 前向糾錯碼技術

移動媒體時代的數字電視系統采用前向糾錯碼，可以有效地控制系統發射信號傳輸數據中發生的錯誤。前向糾錯碼的應用原則是在糾錯碼中增加冗余的比特，從而能夠進行糾錯碼的認證。但是，數字電視系統采用前向糾錯碼，容易增加空碼的數量，這就會影響數據傳輸速度。目前，數字電視系統的傳輸速率要求非常大，數字信號傳輸質量規定，當電視業務解碼器傳輸速率達到5 Mb/s，1小時內發生不可糾錯的次數要＜1。數字電視系統為了提高傳輸速率，達到去空包傳送流凈輸入速率＞50 Mb/s且8 MHz帶寬內傳送流最高凈輸入速率＞100 Mb/s，可以利用二元線性循環碼和低密度奇偶校驗碼加強數字編碼傳輸數字電視信號，這樣就可以大幅度地提升Wi-Fi網絡、5G移動通信網絡傳輸信號。

2.2 星座旋轉技術

星座旋轉又稱為信號空間分集（Signal Space Diversity，SSD），可以使兩個星座點之間達到更高的分集度，是將符號在空間層次上實現分集的技術。移動媒體時代，數字電視系統采用星座旋轉技術配合前向糾錯編碼技術，既可以提高數字電視系統在干擾信號較多的惡劣信道的安全傳輸能力，也可以提高數字電視系統的傳輸穩定性和傳輸效率。移動媒體時代，數字電視系統利用星座旋轉實現比特交織和單元交織，即使在信息傳輸環境中，星座旋轉技術依然可以獲得較高的分集增益和容量增益。

2.3 高階調制技術

移動媒體時代數字電視系統也采用了正交頻分復用 技 術（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）實現數據的高速傳輸。正交頻分復用系統將一個完整的傳輸信道進行分割和分片，從而可以劃分為多個子信道，各個子信道可以實現重疊傳輸信號。在傳輸過程中，為了避免各個子信道傳輸信號相互影響，本文采用正交頻分復用技術實現信道編碼，并且結合OFDM技術解決信號平坦性衰落問題[5]。OFDM可以有效地解決多徑衰落和同頻干擾問題，并且能夠在每一個信號周期插入保護間隔A，這樣就可以解決頻譜干擾問題。移動媒體時代，由于數字電視系統的傳輸數據規模大、速度快，因此，需要采用“RS+TCM”級聯碼并輔以交織解決頻譜干擾問題，這樣就可以將數據傳輸的調制階數增高，除支持從4階到64階的調制技術外，還可以支持256階調制，并且增加了6階傅里葉大小變換點數。

2.4 交織技術

移動媒體時代，數字電視系統采用了兩種交織技術，分別是分組交織和卷積交織。交織技術可以有效地提高數字電視系統的傳輸安全性和可靠性，從而提高數字信號的抗干擾性，確保信道傳輸的穩定性。本文在數字電視系統中引入交織編碼技術，數字交織編碼技術可以基于同樣的長度對數字電視信號進行信息分割，按照既定的規則進行組合和排列，從而完成數據的集成，避免切割后的數據發生錯位。

數字電視系統采用數據交織技術，可以按照傳送流的標準，構建基于頻率、基于比特和基于時間的交織器。頻率交織器的基本實施原則是傳輸數據比鄰比特需要在不同的載波上分散傳輸，并且要選擇最遠的載波進行處理，從而降低頻率在數字電視系統信號傳輸信道上的影響，因此頻率交織器可以采用單元映射的方式，盡可能地將每一個信號都映射到有效載波上，并且提高數字的信息化和隨機化。時間交織器利用時間空隙，每隔一段時間就重復性地發送數據信號，接收端就可以接收到多個信號，根據這些信號的衰落情況不同，確保信號之間的獨立性，并且增強系統的抗干擾性。比特交織器可以重新排列每一個數據流的比特位置，進而將差錯編碼實現隨機化設置，這樣就可以提高數字電視系統的抗干擾能力，提高數字電視系統的應用成效。

3 實驗及結果分析

本文設計的數字電視系統適合移動時代多媒體的傳輸和播放，為了驗證系統的數據傳輸質量，從傳輸延時、傳輸比特差錯率進行實驗分析，從而證明本文系統適合平板電腦、智能手機等移動設備。實驗結果顯示本文提出的系統能夠滿足華為、小米、蘋果等各種智能手機及平板應用需求，傳輸延時非常低，比特誤差率也非常低，具體內容見表1。

表1 數字電視系統在移動設備上的應用成效

本文提出的數字電視系統在華為Mate40Pro版本的傳輸延時僅僅為0.01 ms，傳輸比特誤差率僅僅為10-6，這就表明數字電視系統能夠傳輸高清晰的4K、8K電視信號，滿足騰訊視頻、優酷視頻等應用視頻軟件的傳輸需求。為了能夠更好地驗證本文提出的數字電視系統，本文又將其應用于小米手機、蘋果手機、OPPO手機、榮耀平板等移動設備上，實驗結果顯示其可以滿足這些設備的需求。

本文針對提出的數字電視系統的清晰度也進行了多次測試，測試結果顯示，隨著清晰度的提升，移動設備的數據傳輸時間逐漸增大，但是與傳統電視系統相比，數字電視系統支持的數據傳輸時延非常小。比如：傳輸清晰度為640P時，數字電視系統傳輸時延為0.001 ms，模擬電視系統傳輸時延為0.01 ms，數字電視系統的傳輸時延僅為模擬電視系統的1/10；傳輸清晰度為2K時，數字電視系統傳輸時延為0.01 ms，模擬電視系統傳輸時延為0.1 ms，數字電視系統的傳輸時延僅為模擬電視系統的1/10；在最高達到8K時，數字電視系統傳輸時延為0.02 ms，模擬電視系統傳輸時延為0.9 ms，數字電視系統的傳輸時延僅為模擬電視系統的2/100，表明數字電視系統具有較強的優勢，詳細數據如圖2所示：

圖2 兩種電視系統傳輸時延對比分析結果

數字電視系統的傳輸比特誤差率較低，可以有效地滿足移動通信環境下的數據傳輸需求，具有較強的魯棒性。數字電視系統還可以同時傳輸多套節目，比如，同時滿足騰訊視頻、優酷視頻等多應用用戶的訪問，實現較高的并發能力。數字電視系統不僅適用于移動設備，還適用于電視（TV）設備，通過Wi-Fi即可接入互聯網，實現數據的操作和服務。

4 結語

5G移動通信技術的有效發展，促進了我國智能手機、平板電腦等移動設備的應用，2021年《全球移動市場報告》顯示，全球智能手機的用戶已經超過40億，中國以9.54億的智能手機用戶總量居首，因此基于數字電視系統的多媒體視頻也在不斷地發展，應用規模數以億計。為了保證數字電視系統傳輸信號的穩定和高質量，滿足4K、8K等高清晰視頻的應用需求，本文構建了一個移動媒體時代的數字電視系統，該系統包括3個關鍵組成部分，分別是前端信源系統、數字信號傳輸系統和無線覆蓋系統，集成在一起實現了數字信號發射、接收、調制、傳輸等功能，并且采用了先進的前向糾錯碼、星座旋轉、高階調制和交織技術，能夠有效地提高數字信號發射、傳輸和接收的質量，還可以大幅度提高數字電視的應用水平，具有重要的意義。