数字电视传输网络技术与标准

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三种传输网络、三大传输标准体系，组成了一个数字电视“网格”。不同的数字电视系统都会占据一个“网格”。中国正在培育自己的地面数字电视传输标准，希望在搭建数字电视“网格”中有更大的自主权。
　　
　　数字电视有三种传输网络

　　数字电视传输网络主要指地面、有线和卫星三大数字电视广播传输网络。地面数字电视广播网络通过电视台制高点天线发射无线电波，覆盖电视用户，用户通过接收天线和电视机收看电视节目。这是数字电视广播最基本的传输网络形式，除了娱乐、学习等公益功能之外，其普遍性、可控性和抗毁性还被视为国家安全设施，使之成为紧急情况下动员国民最直接最可靠的政府喉舌。

　　由于模拟电视传输网络无力处置噪声积累和多径干扰，迫使人们把天线架出室外，导致公用天线系统在楼群中发展。随着全频道模拟电视广播信号的光纤宽带传输技术的突破，一个以光纤为干、同轴电缆为支的树形光纤/同轴电缆混合网（HFC）在城市得到普遍利用，逐渐演进成为脱离地面广播系统而独立存在的有线电视广播网络，拥有绝大多数的城市电视用户。与地面广播网必须全国统一频率规划不同，有线广播网可以一城一网或一地一网，具有企业运营特征，在电视用户端它们通过有线制式机顶盒和电视机连接。

　　和地面、有线数字电视广播传输网络不同，卫星数字电视广播网络（简称卫星直播系统）是把数字电视节目信息集中经卫星地面发射站用微波发送到离地面3.8万公里高度的同步卫星上，同步卫星用微波转发回地面，用户电视机通过对星无遮挡的小型卫星接收天线和卫星制式机顶盒收视卫星数字电视节目。根据电波传播原理，卫星数字电视广播信道是微波直线传播的恒参信道，传输功率效率是其主要矛盾。

　　ATSC标准:频谱效率高、功率峰均比低

　　目前，数字电视传输有三大标准，即美国的ATSC、欧洲的DVB和日本的ISDB三种不同的标准。

　　ATSC数字电视标准由四个分离的层级组成，层级之间有清晰的界面。最高为图像层，确定图像的形式，包括像素阵列、幅型比和帧频；图像压缩层，采用MPEG-2压缩标准；系统复用层，特定的数据被纳入不同的压缩包中，采用MPEG-2压缩标准；最后是传输层，确定数据传输的调制和信道编码方案。对于地面广播系统，ATSC采用了Zenith企业开发的8-VSB传输模式，在6MHz地面广播频道上可实现19.3Mbps的传输速率。该标准也包含适合有线电视系统的16-VSB传输模式，可在6MHz有线电视信道中实现38.6Mbps的传输速率。

　　最低的两层共同承担普通数据的传输。最高的两层确定在普通数据传输基础上运行的特定配置，如HDTV或SDTV；确定ATSC标准支撑的具体图像格式，共有18种(HDTV 6种、SDTV 12种)，其中14种采用逐行扫描方式。

　　尽管ATSC DTV标准包含16-VSB传输模式，但美国有线电视业实际上是采用相近但不相同的标准，因为其在ATSC DTV标准被FCC通过之前已在有线电视数字化方面投入了大量的资金。作为ATSC的重要成员，有线电视通信工程协会已采纳了数字有线电视系统标准，此标准协调了美国有线电视业现行标准和ATSC DTV标准。另外，有线电视标准包括反映现行标准的一级图像格式、ATSC SDTV图像格式，并设定了一套可供有线电视业用于向后兼容电视上的二级图像格式。二级图像格式与ATSC DTV格式相同，包括HDTV和SDTV。

　　DVB标准：支撑室内接收、移动接收等需求DVB标准包括4个系统。

　　1． DVB传输系统
　　DVB传输系统涉及卫星、有线电视、地面、SMATV、MMDS 等所有传输媒体。它们对应的DVB标准为：
　　● DVB-S数字卫星广播系统标准。卫星传输具有覆盖面广、节目容量大等特点。数据流的调制采用四相相移键控调制(QPSK)方式，工作频率为11G/12GHz。在使用MPEG-2 MP@ML格式时，用户端若达到CCIR 601演播室质量，码率为9Mbps；达到PAL质量，码率为5Mbps。一个54MHz转发器传送速率可达68Mbps，可用于多套节目的复用。DVB-S标准几乎为所有的卫星广播数字电视系统所采用。我国也选用了DVB-S标准。
　　● DVB-C数字有线电视广播系统标准。它具有16、32、64QAM(正交调幅)三种调制方式，工作频率在10GHz以下。采用64QAM时，一个PAL通道的传送码率为41.34Mbps，可用于多套节目的复用。系统前端可从卫星和地面发射获得信号，在终端需要电缆机顶盒。
　　● DVB-T数字地面电视广播系统标准。这是最复杂的DVB传输系统。地面数字电视发射的传输容量理论上与有线电视系统相当，本地区覆盖最好。采用编码正交频分复用(COFDM)调制方式，在8MHz带宽内能传送4套电视节目，传输质量高，但接收费用也高。

　　另外，DVB-SMATV是数字卫星共用天线电视(SMATV)广播系统标准，DVB-MS是高于10GHz的数字广播MMDS分配系统标准，DVB-MC是低于10GHz的数字广播MMDS分配系统标准。

2. DVB 基带附加信息系统

　　DVB数字广播系统除传送视频、音频信号外，还可传送接收IRD调谐、节目指南及图文、字幕、图标等信息。适用于此类基带附加信息系统的DVB标准包括：
　　● DVB-SI为数字广播业务信息系统标准。
　　● DVB-TXT为数字图文广播系统标准，用于固定格式图文电视的传送。
　　● DVB-SUB为数字广播字幕系统标准，用于字幕及图标的传送。

　　3． DVB交互业务系统

　　DVB数字广播系统能根据需要，提供交互业务服务。构成交互业务系统的要素包括:与其他相关国际标准兼容的交互业务网络独立协议、传送交互服务过程命令与控制信号的回传信道等。对应的DVB标准有：DVB-NIP、DVB-RCC和DVB-RCT。

　　4. DVB 条件接收及接口标准

　　在DVB数字广播系统中，有些业务传送加扰的条件接受信息。通过条件接收的通用接口，使 IRD能够解扰采用通用加扰算法的加扰信息。条件接收是付费电视广播的基本部分，对数字电视运行的成功至关重要。DVB数字广播系统与其他电信网络(如SDH、ATM等)连接，扩展了DVB技术的应用范围，可实现DVB向电信网络的过渡。此外，还有利于连接专业设备及IRD的接口。关于这些接口的DVB标准包括：DVB-CI、DVB-PDH、DVB-SDH、DVB-ATM、DVB-PI和DVB-IRDI。

　　日本的ISDB利用一种标准化的复用方案，在一个普通的传输信道上可发送各种不同的信号，同时可以通过各种不同的传输信道发送复用信号。ISDB具有柔韧性、扩展性、共通性等特点，可以灵活地集成和发送多节目的电视和其他数据业务。

　　目前，采用美国ATSC标准的有5个国家或地区，已有两家经过技术比较研究后退出。决定采用欧洲DVB-T标准的已有33个国家或地区。

　　近年来大量的研究和产业发展表明，OFDM多载波技术是宽带无线传输技术发展的方向，不仅在数字电视传输方面被多数国家采纳，而且已成为新一代（4G）移动通信和宽带无线局域网的主流技术。

　　我国对地面传输标准的要求

　　目前全国有3.2亿多电视用户，其中有线电视用户近1亿;而70%的用户家庭依靠无线方式接收广播电视节目;卫星直播仅在“村村通广播电视”范围内试点。因此，地面广播拥有大多数用户，是我国广播影视数字化的重点和难点。广电部门贯彻国家“十五”计划要求提出了“三步走”战略：在前两年有线数字电视试验的基础上，2003年开始大力发展有线数字电视；2005年我国发射直播卫星后开始开展卫星直播业务；2008年开始大力发展地面数字电视，分区域、分阶段、分步骤，扎扎实实推进数字化进程。

　　电视广播的数字化是一个发展过程。与之对应，数字电视传输标准也有一个不断扩展的工程。地面数字电视传输标准作为一个基础标准，我国明确提出必须满足数字电视广播传输系统应用和产业两个方面的基本需求，并为今后实现扩展功能做好必要的准备。

　　应用需求：利用电视广播频道，在8MHz带宽内，为高清晰度电视（HDTV）信号传输提供大于20Mbps的净荷码率,并能使用简单天线支撑室内固定接收；为标准清晰度电视（SDTV）信号传输提供大于5Mbps的净荷码率,并能在车速移动条件下支撑移动接收；具有单频组网能力；整体性能指标应优于或相当于相应的国外现有标准的性能。

　　为适应未来发展的需要，在支撑数字电视、数据广播等多种业务的同时，应具有较强的数据分级保护传输能力，支撑传输多优先级多媒体数据码流，以便同时传输HDTV、SDTV、音频、数据、短信息等不同保护级别的信息。为今后实现接收机定位、定时接收和双向交互业务以及对用户的个性化信息服务等系统功能扩展提供必要的技术基础。

　　产业需求：从产业发展的角度还有两个互相关联的重要需求，即产权的自主性和产品的经济性。我国是世界上最大的电视市场，也是世界上最大的电视机生产国，我国必须力求利用自己的基础发明专利有机地整合成独立的传输标准体系，形成比较完整的自主常识产权，构筑保护我国数字电视产业的技术壁垒。

　　产品的经济性对于标准来说还意味着技术的成熟性和对市场的适应性，即要很快拿出性价比优于国外传输标准的专用芯片，提供给国内骨干企业，形成可靠的系统生产能力。为了适应国外市场的扩展，应有可能争取成为国际上第四个地面数字电视传输标准。同时力求和国际最通用的标准具有最大的产品接口兼容性，以便开发多制式数字电视产品，最大限度地占领市场。

　　自有标准DMB-T 的优势

　　国内有五套方案的研究小组都致力于研发我国的地面数字电视传输标准。这里仅以清华方案为例，1999年7月，清华大学数字电视传输技术研发中心提出了地面数字多媒体/电视广播传输标准（DMB-T）方案。该方案采用自主原创的时域同步正交频分复用（TDS-OFDM）技术，拥有多项基础性发明。与国际现有的数字电视地面传输标准比较，具有多项鲜明的应用特点、较好的整体性能和清晰的自主常识产权。其采用以下几项主要技术：

　　（1）时域同步的正交多载波技术。地面宽带无线传输的最大困难在于多径引起的频率选择性衰落，OFDM技术则在对抗频率选择性衰落方面具有独特的优势。然而，子载波间的正交性对同步提出严格的要求。欧洲采用全频域处理方式形成其核心技术——编码的OFDM（COFDM）技术，由于其系统同步和信道估计互为条件，需用复杂的迭代算法和强功率同步导频等技术措施。而TDS-OFDM通过时域和频域混合处理，简单方便地实现了快速码字捕获和稳健的同步跟踪，形成了与欧、日多载波技术不同的自主核心技术。

　　（2）保护间隔的PN填充技术。为了在多径时延扩散信道中避免码间串扰，DVB采用了循环前缀填充的OFDM保护间隔，使其传输的效率有所损失。DMB-T发明了基于PN序列扩频技术的高保护同步传输技术，并用其填充OFDM保护间隔，使系统的频谱利用效率提高10%，并有20dB以上同步保护增益。

　　（3）快速信道估计技术。针对现有地面数字电视传输标准的信道估计迭代过程较长（一次有效参数估计约需1.024ms）的不足，DMB-T发明了新的TDS-OFDM信道估计技术，通过正交相关和付立叶变换实现快速信道估计（一次有效参数估计约需0.6ms），提高了系统移动接收性能。

　　（4）前向纠错编码与相位映射相结合的纠错技术。针对采用多载波COFDM技术的信噪比门限相对VSB单载波技术较差的现实，DMB-T发明了一种新的系统级联纠错内码和最小欧氏距离最大化映射技术，使采用多载波技术的系统信噪比门限获得10%以上的改善。

　　（5）与绝对时间同步的帧结构。DMB-T传输协议设计了与绝对时间同步的复帧结构，方便自动唤醒功能设置，达到省电目的，支撑便携接收；与绝对时间同步机制有利于单频网同步发送信号的功能控制，使DMB-T单频网同步设备比国际现有标准的同类设备更容易实现。

　　（6）系统信息传送。DMB-T传输协议为每一个长度500μS信息数据的信号帧设定了独特地址的帧头，方便数据信息的识别和分离，具有融合多业务广播的技术基础，故称“多媒体/电视广播”。该帧识别功能还将为“双向互动”系统提供同步体系。