原创数字电视传输方案

 2007-11-28 17:22  3137 3 3 分类: 消费电子

一． 数字电视传播方式

数字电视信号的传播与模拟电视信号完全不同，模拟电视信号属于电波传播，它是将模拟电视信号调制在无线电射频载波上发送出去；数字电视则是先进行信源压缩编码、再进行信道纠错编码、最后利用数字调制技术实现频谱搬移，将由“0”、“1”序列组成的二进制码流送入传输信道中进行传输。目前数字电视主要有三种传播方式：数字电视地面开路广播、数字电视有线广播、数字电视卫星广播，如图8-12所示。

1．数字电视地面广播

地面开路广播是最普及的电视广播方式，用于在地面VHF/UHF广播信道上传输数字电视节目，其特点是环境复杂、干扰严重、频道资源紧张，因此数字电视地面广播一般启用禁用频道(Taboo Channel)进
行同播，同时地面广播主要面临加性噪声、多径传输、码间干扰等不利因素。为适应数字电视地面广播传输环境恶劣、条件复杂等特点，其调制方式的选择既不同于
模拟电视、也不同于数字电视有线传输与卫星传输两种方式，目前国际上数字电视地面广播主要采用两种调制制式：即美国提出的VSB(残留边带)调制方式以及欧洲提出的COFDM(编码正交频分复用)调制方式。

2．数字电视卫星广播

卫星电视广播的特点是覆盖面广、质量较好，并且资源丰富，它是目前极为重要的通信手段，其发展趋势是直播至户(DTH)，又称卫星直播服务。在数字电视卫星广播中，通过采用数字化技术，并利用数据压缩编码技术，一颗大容量卫星可转播10HD～500套节目，因而它是未来多频道电视广播的主要方式，其调制方式在世界范围内都统一采用QPSK(正交移相键控)方式。

3．数字电视有线广播

有线电视广播具有传输质量高、节目频道多等特点，因而便于开展按节目收费(PPV)、视频点播(VOD)以及其他双向业务。数字电视有线广播是利用有线电视(CATV)系统来传送多路数字电视节目，其调制方式大多都采用QAM(正交幅度调制)方式，目前普遍采用同轴电缆与光纤混合网形式进行有线传输，即利用HFC方式来实现数字有线电视的宽带接入与传输。数字电视有线广播具有质量优异、资源丰富等特点，但其成本在数字电视三种传播方式中最高，目前借助有线电视技术来实现数字交互式电视业务是最佳方案。

二．数字电视地面广播模型

数字电视系统是一个能够在带宽为6 MHz的信道中传输高质量视频、音频、辅助数据及控制信息的系统：在地面广播传输方式中，它能可靠传输约19.29 Mb／s的数字信息；在有线电视传输方式中，它能可靠传输约38 Mb／s的数字信息。因此，在6 MHz带宽的信道中，为传送数字高清晰度电视节目，必须将数码率压缩至原来的1／50甚至更低，因而数字电视系统中必须采用高效的视频、音频压缩编码与数字传输技术。

数字电视地面广播(Digital Television Terrestria Broadcasting)模型如图8-13所示，它由ITU-R(国际电信联盟无线电通信部门)提
出。由图可见，数字电视系统主要由三个子系统组成：即信源压缩编码子系统、业务复用与传送子系统以及发射与传输子系统，其中地面广播模型中规定的发射与传
输子系统是专为地面开路广播与有线电视广播而设计，而信源压缩编码子系统、业务复用与传送子系统还可应用在任何其他场合。

1．信源压缩编码子系统

信源压缩编码子系统主要完成对视频、音频、辅助数据及控制信息的压缩编码，其中视频编码采用MPEG-2标准，音频编码采用杜比AC-3数字音频压缩标准。

2．业务复用与传送子系统

业务复用与传送子系统是将压缩编码后的视频、音频码流与辅助数据及控制信息一起打成统一格式的数据包，并将它们复用组成一个复合数据流。美国ATSC系统中的业务复用与传送子系统采用MPEG-2传送流语法，因而也适用于信道带宽受限以及存储记录媒体容量有限的应用场合，同时它也考虑了与ATM传送机制的互操作性。

3．发射与传输子系统

发射与传输子系统主要实现信道编码与调制功能，信道编码又称纠错编码，是对传送来的复用数据流附加冗余信息，以便增加传输的可靠性，使接收端能够正确无误地恢复出原始发送信号，调制则是将数据码流变换成适合于信道传输特性的数据流进行传输，调制子系统提供两种工作模式：即8VSB(地面广播模式)与16VSB(高数据率模式)。

三． 数字电视地面广播的主要问题

数字电视传输信道主要包括地面、有线和卫星三大传输通道，其中数字电视地面广播是指利用电视台制高点天线发射无线电波，以实现覆盖一定范围之内的数字电视用户，覆盖范围之内的用户可通过接收天线与数字电视接收机来收看数字电视节目。数字电视地面广播(DTTB，Digital Television Terrestrial Broadcasting)是数字电视广播最基本的传输形式，它同时也是一个重要的国家安全基础设施，当国家出现紧急情况时，它可作为一种最直接、最可靠的政府喉舌，因而数字电视地面广播在数字电视传输中占据重要地位。

由
于地面信道状况非常复杂，又要求实现移动接收与便携接收，因而在数字电视地面广播、有线广播和卫星广播三种方式中，数字电视地面广播技术含量最高、系统实
现难度也最大。数字电视地面广播受众多因素影响，主要有多径接收、接收方式、接收区域、频率规划等问题，这些问题会使地面广播问题复杂化，使接收信道特性
随频率、时间和地点而发生变化。

多
径接收是指因地形、地貌等因素，使到达接收点的信号不止一个，它是引起不同频率信号发生衰落的主要原因，它使信道出现频率选择性衰落。多径接收在模拟电视
接收中反映为重影现象，在数字电视接收中，某些特定相位的多径信号则会使接收完全失败，在这种情况下，接收性能的好坏不仅仅依赖于距离发射台的远近，而且
在很大程度上还依赖于接收信号之间的相位。

接
收方式是指固定接收、移动接收和便携接收。固定接收是指与固定天线相连接，因而电视接收机不能够随便搬移，一般来说，固定接收条件经调整后不再变化；移动
接收通常是指车载高速移动接收，其接收条件因地貌的不断变化而发生变化，同时车速变化还会使接收受到多普勒频移效应的影响，因而会使信道出现时间选择性衰
落；便携接收则包括两种情况，一种是在居室内使用机上天线，它可在居室内不同地点进行数字电视节目接收，这种情况下，接收条件变化会使信道特性存在差异，
另一种便携接收是指将微型数字电视接收机装入衣袋，可在户外进行低速移动接收。此外，数字电视地面广播还受接收区域影响，由于接收地点与主发射台的距离发
生变化或者接收地点与其他发射台的相对关系发生变化而引起接收条件发生变化，从而使接收出现地点选择性。

数字电视地面广播不仅具备数字无线系统的共有优点与基本特征，它还具有卫星广播与有线广播所不具备的特点：与卫星接收相比较，地面广播实现容易，价格低廉；与有线接收相比较，地面广播不易受自然灾害、战争、施工建设等因素影响。此外，数字电视地面广播具备蜂窝单频网(SFN，Single Frequency Network)功
能，采用蜂窝单频网技术可提高频谱资源利用率，而且数字电视地面广播可应用于宽带无线接入领域，还能实现移动接收与便携接收，这正好与现代信息社会所追求
的个人通信目标相一致，即任何人可在任何时间、任何地点实现任何方式的通信。总之，数字电视地面广播具有巨大的社会需求与市场商机，因而开发具有自主知识
产权的数字电视地面广播系统对中国数字电视产业的发展具有非常重要的意义。

四． 数字电视系统传输方案

1．DVB传输系统

数字电视节目可在不同传输介质中、利用不同传输技术传送到用户接收端，其传输方式主要有地面广播、卫星广播和有线广播三种。与之相对应，DVB传输方案分为DVB-C、DVB-T、DVB-S三种，其中数字电视卫星广播采用DVB-S方案，数字电视地面广播采用DVB-T方案，数字电视有线广播采用DVB-C方案。

中国数字电视卫星广播采用DVB-S标准，目前已经完成了广播电视卫星传输的数字化改造，并形成了基于DVB-S技术架构的数字电视卫星广播网；中国数字电视有线广播采用DVB-C标准作为广播电视行业内标准，目前正在利用光纤同轴电缆混合方式，即HFC方式进行单向有线电视网的全面双向化改造，DVB-C已经在中国数字有线电视双向HFC网络中广泛应用；中国数字电视地面广播目前还未最终确定传输标准，目前正在抓紧制订具有自主知识产权的数字电视地面广播国家标准，其中清华大学提出的DMB-T方案、上海交通大学提出的ADTB-T方案、广播科学研究院提出的CDTB-T方案已经列为最终候选方案，最后的地面标准很有可能是将以上三种方案相互整合、有机融合为一个国家标准。DVB标准在国际上影响重大，而且技术成熟，其中DVB-S与DVB-C已分别作为中国数字电视卫星广播的国家标准以及数字电视有线广播的行业标准，同时由于中国数字电视地面广播国家标准一直未颁布，因而国内也一直没有放弃对DVB-T方案进行实际测试。

DVB传输系统基本结构如图8-14所示，它可分成信源编码与信道编码两大部分，其中信源编码采用MPEG-2压
缩编码标准，它首先对视频、音频数据分别进行视频编码、音频编码，然后与辅助信息、控制信息一起进行节目复用，形成数字电视节目流，再将多个节目流进行传
输复用。信道编码部分主要包括前向纠错编解码、调制解调、上下变频三部分，前向纠错码根据不同的传输媒介采用不同组合，调制方案的选择通常是卫星广播采用QPSK调制、有线广播采用QAM调制、地面开路广播采用COFDM调制或16VSB调制。

(1)DVB-S卫星传输系统

数字电视卫星传输系统的设计必须满足卫星转发器的带宽以及卫星信号的传输特点，DVB-S可适应于多种卫星广播系统，它是一个单载波系统，其基本处理结构是将有用数据置于核内部，外面包有许多保护层，从而增强信号抵御误码的能力，并使其适应信道传输特性，以使信号在传输过程中具有更强的抗干扰能力。DVB-S卫星传输系统的基本结构如图8-15所示，可见视频、音频、辅助数据与控制信息一同被放入固定长度打包的MPEG-2传输码流中，然后进行信道处理，在信道编码中采用外码与内码相结合的双层纠错编码机制，以实现更强的检错、纠错能力，最后进行QPSK调制，送入卫星传输信道。

(2)DVB-C有线传输系统

DVB-C有线传输系统如图8-16所示，它可分为有线电视系统前端与综合解码接收机(IRD)两部分，其中核心部分与卫星传输系统基本相同，但调制系统采用QAM方式，主要采用64QAM，也可采用16QAM、32QAM、128QAM、256QAM，调制方式的具体选择应在系统容量与数据可靠性之间进行折中处理，传输信息量越高则抗干扰能力越低。DVB-C有线传输系统也采用MPEG-2压缩编码的传输流，由于传输媒介采用同轴电缆，外界干扰比卫星传输小，信号强度也相对高一些，因而不需要进行内码前向纠错。

(3)DVB-T地面开路传输系统

DVB-T地面开路传输系统如图8-17所示，由图8-17可见，视频、音频等信息的信源编码仍然采用MPEG-2标准，信源编码在数字电视地面开路传输系统中占有重要地位，由于传输环境复杂，信道编码采用内外码相结合的双层纠错编码机制，而且增加了外码扰码与内码交织。但在调制方式的选取上，地面传输与卫星传输、有线传输存在重大差别，它采用COFDM调制方式。COFDM曾经成功应用于DAB数字音频广播中，它是将信息分布到许多载波上，以避免传输环境造成的多径反射效应，通常载波数量越多，对于给定的最大反射延时时间，传输容量损失就越小，但是总有一个平稳点，增加载波数量会使接收机复杂性增加，同时也破坏了相位噪声灵敏度。COFDM方式也有不足，抗多径反射的代价是引入了保护间隔，它们会占用一部分传输带宽。

COFDM可分为两种应用方式，即2K载波方式与8K载波方式，其中2K载波方式适用于小范围单发射机场合，8K载波方式适用于大范围多发射机场合。此外，COFDM所具有的抗多径反射性能，可应用于单频网(SFN，Single Frequency Network)，它可以潜在地允许单频网中相邻网络的电磁波覆盖、重叠，在重叠区域内可将来自两个发射塔的电磁波视为一个发射塔的电磁波与其自身反射波的叠加，如果两个发射塔相距较远，则从两塔发射的电磁波的时延就较长，因而所需的保护间隔也较长。

2．数字电视传输方案

按照调制方式划分，数字电视传输方案主要有三种，即QAM传输方案、VSB传输方案、COFDM传输方案。

(1)QAM传输方案

采用QAM调制方式的数字电视传输方案如图8-18所示，其中分为发射机与接收机两部分，在发射机部分，将打包的图像与伴音数据先进行RS编码、然后进行格栅编码、映射，再进行QAM调制，最后将调制后的信号送入发射机中射频输出，接收机部分与发射机部分相反。

(2)VSB传输方案

采用VSB调制方式的数字电视传输方案如图8-19所示，分为发射机与接收机两部分。在发射机部分，将打包的图像与伴音数据先进行RS编码、随后进行数据交织、网格编码、节目多路复用，再插入导频信号，其目的是便于接收端恢复系统时钟，最后进行VSB调制，并送入发射机中射频输出。接收机部分与发射机部分相反。

(3)COFDM传输方案

OFDM(正交频分复用技术)在数字电视传输领域被广为采用，它是宽带无线传输技术的发展方向，并已成为第四代移动通信(4G)和宽带无线局域网的主流技术。实现数字电视移动接收的关键就是要解决动态多径与多普勒频移问题、从而减少符号问干扰。而OFDM的基本原理就是将高码率的串行数据流变换成N个低码率的并行数据流，并对N个彼此相互正交的载波分别进行调制，由于符号码率降低实质上就是符号周期增大，因而使由动态多径和多普勒频移引起的码问干扰减小，又由于设置了保护间隔，因而减少了多径反射对多载波正交特性的影响，使码间干扰进一步减小，从而能够很好地支持移动接收。

COFDM与OFDM原理基本相同，它是编码的正交频分复用技术。采用COFDM调制方式的数字电视传输方案如图8-20所示，分为发射机与接收机两部分。在发射机部分，将打包的图像与伴音数据先进行RS编码、再经串并转换、16QAM调制、反向快速傅里叶变换、最后送入发射机中射频输出。接收机部分与发射机部分相反。