转帖]地面数字电视广播试验系统的构建与分析

HT-BEYOND · 发表于 2006-7-10 08:32:50

地面数字电视广播试验系统的构建与分析 
关键词]数字电视广播 
[摘要]构建地面数字电视广播系统的基本目标，是利用一个无线电视频道传输一套或一套以上数字电视节目和多媒体业务，有效地覆盖本地区，实现数字电视节目和多媒体业务的固定接收和车载移动接收。相对来说，固定接收主要适用于农村地区，车载移动接收主要适用于城市地区。作为构建地面数字电视广播系统的前提性条件，地面数字电视国家标准还未正式确定和颁布，因此目前各地区开展地面数字电视广播试验的系统必须具备今后改造为符合地面数字电视国家标准的能力。本文主要是以DMB-T标准为例，对如何构建能有效地覆盖某个城市地区的地面数字电视广播试验系统，进行了详细分析和介绍。 
 
构建地面数字电视广播系统的基本目标，是利用一个无线电视频道传输一套或一套以上数字电视节目和多媒体业务，有效地覆盖本地区，实现数字电视节目和多媒体业务的固定接收和车载移动接收。相对来说，固定接收主要适用于农村地区，车载移动接收主要适用于城市地区。作为构建地面数字电视广播系统的前提性条件，地面数字电视国家标准还未正式确定和颁布，因此目前各地区开展地面数字电视广播试验的系统必须具备今后改造为符合地面数字电视国家标准的能力。本文主要是以DMB-T标准为例，对如何构建能有效地覆盖某个城市地区的地面数字电视广播试验系统，进行了详细分析和介绍。 一、地面数字电视广播标准 
 1. 概述 
 目前国内外地面数字电视广播标准主要有美国ATSC/VSB、欧洲DVB-T、日本ISDB-T、上海交大ADTB-T、清华大学DMB-T、广科院TiMi等。有关统计资料显示，在世界人口众多的100个国家或地区中，47%已采用DVB-T，16%可能采用DVB-T，6%已采用美国ATSC，2%已采用日本ISDB-T，29%尚未决定。作为在国内构建地面数字电视广播系统的前提性条件，地面数字电视广播国家标准还未正式确定和颁布，因此目前各地区开展地面数字电视广播试验的系统必须具备今后改造为符合国家标准的能力。据不完全统计，目前上海、北京、深圳、宁波、佛山等地已经正式进行地面数字电视广播试验，广州、南京、天津、武汉等地也已经启动地面数字电视广播试验，试验采用的标准主要涉及DVB-T、ADTB-T、DMB-T等。 
 2. 国外标准 
 国外标准中要数DVB-T标准最适合我国国情，DVB-T标准的编码正交频分复用调制（COFDM）系统是一种多载波系统，它将信号样值由成千个载波分别传输，具有很强的抗多径干扰的能力。子载波的个数有两种选择：固定接收8K模式和移动接收2K模式，如果要兼顾固定接收和移动接收，子载波的个数应采用2K模式。对移动接收来说，接收效果和传输效率是一对矛盾，需要进行合理取舍，子载波间隔应选择较大一点，保证足够的保护间隔，以抵抗较长延时的回波信号，增强对各种回波信号的处理能力，消除单频网（SFN）环境下数据符号间的超前多径、滞后多径、强多径和动态多径干扰。为便于完成系统同步、载波复用、时钟调整和信道估计，DVB-T/COFDM系统还设置了大量导频信号穿插于数据之中，并以高于数据3dB的功率发送。因此DVB-T标准具备组建大范围单频网的能力，比较适合地面数字电视广播移动接收时信道特性不断变化的情况。 
 3. 采用国外标准的主要益处 
 地面数字电视广播采用国外标准的主要益处，一是有利于国内数字电视设备商在拥有国内市场的同时，还拥有国外市场，容易实现规模化生产，以降低价格，便于推广普及。二是有利于尽快出台地面数字电视国家标准，我国移动人群数量庞大，移动接收市场庞大，众多运营商希望尽快开发地面数字电视广播产业，占领地面数字电视广播市场，满足移动人群收看电视的需求。三是有利于国外数字电视设备商的产品进入国内，从而繁荣国内地面数字电视广播市场，推动地面数字电视广播产业快速发展。 
 4. 国内标准 
 地面数字电视广播国内标准的研究中，相对比较成熟的ADTB-T和DMB-T这两个标准都已有了相应的调制、解调芯片，并完成了相关的产权注册，两套方案都具有自己的技术特色，试运行取得良好的效果，实测达到国际先进水平，可基本满足数字电视地面广播的要求。ADTB-T采用的是单载波调制技术，DMB-T采用的是多载波调制技术。 
 5. 采用国内标准的主要益处 
 地面数字电视广播采用国内标准的主要益处，是有利于国内在数字电视节目制作、播出、传输、接收等各个环节拥有更多的自主知识产权。从国家和民族的利益考虑，应优先考虑选择使用国内的研究成果，国内研究机构在地面数字电视广播领域取得的成就，为地面数字电视广播的发展开辟了十分广阔的前景。但是，国家标准的形成和出台，需要经过在不同地区、不同环境、不同应用范围及较长时间内进行实际应用和检验。当前应该把国内标准的研究成果（如ADTB-T、DMB-T等标准）送到若干不同地区的电视台去进行实际应用、检验和测试，以发现问题、解决问题，最终使之完善。同时还应该将ADTB-T、DMB-T等标准与DVB-T等国外标准进行对比实验，让用户去提意见，让市场去选择。 
 二、地面数字电视广播系统前端 
 1. 视音频编码和压缩标准 
 在地面数字电视广播试验系统中，选择何种视音频编码和压缩标准，是一个重要的决策难点和必须解决的具体问题。地面数字电视广播系统前端（以下简称前端）的信号源编码和压缩部分，负责根据选择的视音频编码和压缩标准，对视音频信号源和辅助数据进行压缩编码。视音频编码和压缩标准的选择受限条件较多，原因是地面数字电视广播的移动接收条件比较差。在保证覆盖较好的情况下，采用MPEG-2的压缩方式目前只能传输一路实时数字电视节目，采用较高压缩率的压缩方式如MPEG-4，可以实现在一个电视频道中发送多路节目，完成多套数字电视节目地面广播和移动接收。前端系统的视音频编码和压缩标准，目前可以采用MPEG-2或MPEG-4。 
 2. 前端功能 
 前端负责完成： 
 * 对视音频节目进行编辑和制作，形成可以广播的视音频节目源。 
 * 对视音频节目进行MPEG-2（或MPEG-4）编码和压缩，存放于数字视音频码流服务器的硬盘阵列中。数字视音频码流服务器的输入数据和输出数据均采用ASI接口，兼具MPEG-2（或MPEG-4）编码和压缩器以及码流服务器的功能。 
 * 将数字视音频数据流和辅助数据流打成统一格式的视音频节目数据包。 
 * 根据应用需求对其它多种应用数据进行协议转换，并根据数据广播协议进行打包，然后与视音频节目数据包进行节目级码流复用，以复用成一个节目级复用数据流。 
 * 播出控制软件根据具体业务要求制定调用顺序，并生成相应的控制信息和控制流。 
 * 数字视音频码流服务器根据节目单所定的顺序，实时播出或输出相应视音频节目MPEG-2（或MPEG-4）数据流和其它业务或应用码流。 
 * 将需要输出的节目级复用数据流与控制流进行系统级码流复用，形成数字电视MPEG传输码流（MPEG-TS）。在考虑传输数据结构时，要兼顾各种传播媒体(地面、有线、卫星)和记录媒体与计算机接口之间的互操作性。 
 * 将数字电视MPEG传输码流（MPEG-TS）通过单频网适配器，对码流进行调整和适配，并传输到单频网的各个发射点，进行同步调制与同步发射，实现同步广播与同步覆盖。 
 前端主要由非线性编辑系统、播出控制软件、MPEG-2（或MPEG-4）视音频编码器、数字视音频码流服务器、码流发生器、数据协议处理器和数据打包机、节目级码流复用器、系统级码流复用器、单频网适配器、GPS（全球定位系统）同步时钟源等组成。 
 三、传输网络 
 1. 传输网络功能 
 对于单频网覆盖方式，地面数字电视广播系统具有多个发射系统（发射点），而且前端一般与发射系统不在同一处，地面数字电视广播系统的传输网络是负责将数字电视MPEG传输码流（MPEG-TS）传输到发射系统，并完成数字电视MPEG传输码流的恢复和同步等。 
 传输网络主要由发送网络适配器、分配网络、网络传播媒体（如光缆、微波等）、接收网络适配器等部分组成。传输网络上接单频网适配器，下连单频网同步系统，用以选择合适的传播媒体及其对应的收发适配器，进行点对点或一点对多点分配，并提供各类接口，如ASI接口、ATM接口、SDH接口等。 
 2. 单频网的规划与建设 
 在地面数字电视广播试验系统中，如何实现本地区的有效覆盖，是另一个重要的决策难点和必须解决的具体问题。以DMB-T标准为例，地面数字电视广播及其移动接收系统通常采用单频网（SFN）覆盖方式，即基于若干发射点，建成本地区的DMB-T单频网，解决覆盖问题。 
 在规划与建设本地区的单频网时，要对本地区覆盖情况进行大量实际接收测量，了解电磁波传播的特性和各点电磁波的直射、反射等多方面情况，采取理论和实践相结合的办法。 
 针对一个发射点，用MPEG-2（或MPEG-4）编码压缩方式进行一套数字电视节目地面广播和移动接收试验。 
 根据试验结果结合理论分析进行单频网规划和试验，检验实际接收效果。经过大量的实测后，在掌握本地区发射塔单发射点工作时整个地区覆盖盲区数据的情况下，适当增加发射点，要正确选择发射机的台数与功率、发射机间距，并满足载噪比、接收门限场强等技术条件。 
 单频网建成后，为消除信号特别差的盲区、盲点，除可采用小功率发射机进行补点，改善覆盖效果外，应依靠改善接收条件、应用新技术加以解决，比如提高接收机的抗干扰能力和灵敏度、采用较高增益的接收天线等办法。 
 3. 单频网同步广播与同步覆盖 
 单频网的建设目标是实现同节目、同频率、无缝隙的同步广播与同步覆盖，单频网必须满足同步广播与同步覆盖的三要素： 
 * 同频：相邻发射点发射机之间的频率差要足够小。 
 * 同时：相邻发射点发射机发射的已调波的时间差要足够小。 
 * 同字：相邻发射点发射机在同一时间发送的码流字节必须相同。 
 单频网实现同步广播与同步覆盖的主要难点，是让单频网中所有发射点同时、同频地发出相同的信号，因此前端的MPEG-2（或MPEG-4）系统级码流复用器输出的MPEG传输码流（MPEG-TS），在经过单频网适配器进行网络传输时，在各发射点必须通过单频网同步系统恢复时间信息，以保证各发射点发出的信号完全同步。 
 系统中标准频率参考源可提供一个高精度的10MHz频率信号和一个GPS标准时钟秒脉冲同步信号。系统实现单频网同步功能的主要模块是传输网络发送端的单频网适配器和接收端的单频网同步系统，单频网适配器负责在MPEG传输码流（MPEG-TS）中插入同步信息，而单频网同步系统则负责从MPEG传输码流（MPEG-TS）中提取同步信息，并控制调制和发射部分实现单频网同步广播与同步覆盖的要求。 
 四、激励器与发射系统 
 1. 激励器 
 数字电视发射机的激励器的主要功能是进行信道编码、调制和上变频，目的是增强抗干扰能力，保证数字电视信号能正确地传输和接收。MPEG传输码流（MPEG-TS）信号输入到激励器后，由激励器的信道编码与调制单元输出为标准的模拟中频信号，然后经变频器上变频至所需频道的模拟RF射频信号，输出的模拟RF射频信号再经数字电视发射机的射频放大器放大后发射出去。 
 （1）编码器模块 
 编码器模块负责对各子载波分别进行调制，采用并行调制技术，提高抗多径干扰能力。编码器模块输入前的比特率适应电路，用以使激励器能够输入任何比特率的MPEG传输码流（MPEG-TS）。 
 （2）调制和上变频模块 
 模拟电视发射机激励器中的调制和上变频过程是将视音频信号调制到一个中频载波上，中频频率是固定的，对所有的频道都相同，然后经上变频器转换到所要求的RF频道上。数字电视发射机激励器中的调制过程，可以采用与模拟电视发射机相同的调制和上变频过程。 
 （3）单频网输入模块 
 单频网（SFN）在进行同步广播与同步覆盖时，所有发射机工作在同一频率、在同一时间使用同样的比特率。SFN输入模块插在激励器上，用以确保时间同步和频率同步。频率同步是指单频网上所有发射机必须与参考频率同步锁相，因此参考频率的选择非常重要，可使用来自GPS接收机的10 MHz频率信号作为参考频率信号源。时间同步是指SFN输入模块从MPEG-TS输入码流中提取出时间信息包，经过延时处理后，用以保证单频网上所有发射机在时间上同步。 
 在一个8MHZ带宽的电视频道内，单频网上所有发射机的激励器进行的所有数字处理都需要有高精度的时钟和同步信号，单频网输入模块和上变频器也需要一些其它的时钟信号，且必须要有很高的频率稳定度，彼此间要相互锁定。这些时钟和同步信号可由高性能的锁相环（PLL）电路产生，与激励器的输入码流或参考时钟信号（如GPS信号）同步锁相。当GPS信号失锁时，激励器内部的参考时钟信号必须十分稳定可靠。 
 （4）数字预校正模块 
 激励器在中频部分设有数字预校正电路模块，用来抵消由于放大器的放大特性的漂移等所造成的非线性失真，以改善放大器的线性，从而降低放大过程中产生的互调产物，并提高放大器的效率，在给定的条件下获得较大的功率输出。 
 （5）遥控接口模块 
 为了适应全天24小时播出和无人职守的需要，在激励器上安装有RS-232接口和以太网接口等遥控接口，用以对激励器的工作状态进行全程遥控和监测，主要包括： 
 * 监测输入激励器的码流。 
 * 监测所有的信号处理过程。 
 * 监测输出的模拟信号。 
 2. 发射系统 
 以DMB-T标准为例，地面数字电视广播系统的发射系统设备包括：激励器、数字电视发射机、单频网适配器、数字邻频双工器（选配件）、GPS同步时钟源、高增益隙缝发射天线等。各发射点的发射设备要采用相同的DMB-T数字电视发射机、数字邻频双工器、发射天线等设备。 
 发射系统必须组成单频网，以实现复杂地形条件下的地面广播覆盖，因此地面数字电视广播系统的发射系统的任务是将MPEG传输码流（MPEG-TS）进行同步调制、变频、放大、滤波和发射。单频网适配器在MPEG传输码流（MPEG-TS）中插入同步信息，各发射点的激励器将码流进行抗干扰处理、调制并变换成中频信号，发射机将中频信号上变频为RF射频信号，并且尽量不失真地进行功率放大，然后通过发射天线向空中发射。如果在同一发射塔上有模拟频道的邻频发射，则无须再架设发射天线和馈线，只要增加一台数字邻频双工器就可实现数字电视信号在模拟频道的邻频发射。 
 五、移动接收系统 
 移动接收系统负责将接收到的高频调制信号进行变频和解调，得到数字电视MPEG传输码流（MPEG-TS），再进行解复用、解码、控制和处理，最终在显示屏上显示。数字电视移动接收机的高频头负责将射频信号转换成解调器可以接收的中频或基带调制信号，解调器负责信道特性补偿、信道解调和信道解码，输出为包含数字电视节目和多媒体业务的广播数据码流，解复用器负责将所需的广播数据码流从其它码流信号中分离出来，视音频解码器则根据控制信息，从分离出来的码流信号中选择对应于本机的视音频广播数据码流进行下载或实时播放，同时对得到的其它多媒体数据进行相应的处理，并最终根据用户的要求在显示屏上显示。 
 地面数字电视广播系统的移动接收系统由高增益全向移动接收天线、移动接收机（或者是支持移动接收的MPEG-2（或MPEG-4）数字电视机顶盒）、移动接收控制软件、移动存储软件、显示屏等组成。数字电视移动接收机（或移动接收数字电视机顶盒）又包括高频头、解调器、解复用器、视音频解码器等功能模块。 
 六、结束语 
 在地面数字电视国家标准还未正式确定和颁布之前，目前各地区开展地面数字电视广播试验的系统必须具备今后改造为符合地面数字电视国家标准的能力。开展地面数字电视广播试验，必须按照有关程序上报广电总局批准，要严格执行广电总局“关于加强地面数字电视试验管理的通知”，并严格遵循广电总局“地面数字电视频率规划”。各个试验地区还应该加强协调和配合，要处理好局部和全局、眼前利益和长远利益、现有业务和新业务的关系，统筹协调卫星、有线、无线等多种技术手段，实现广播电视从模拟向数字的平稳过渡，推动广播电视事业和产业健康、有序、快速地发展。 
 
[作者]徐俭 
[单位]江苏省扬州市广播电视局

安徽CAYV · 发表于 2006-7-14 19:04:38

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