二、地面數字電視傳輸系統的標準
目前，國際上有三套地面傳輸系統標準。美國高級電視系統委員會(ATSC)在1996中開發的網格編碼八級殘留邊帶(8-VSB)是ATSC 8-VSB；歐洲1997提出的數字視頻地面廣播(DVB-T)采用編碼正交頻分復用(COFDM)，即:dv b-T COFDM；；日本在1999中提出的ISDB-T采用了正交頻分復用(OFDM)，即ISDB-T OFDM。這三個系統標準的系統設計在技術上局限於當時的設計方向、使用環境、技術水平和硬件支持能力，沒有發揮出應有的潛力。
1，美國ATSC 8-VSB系統
美國ATSC 8VSB系統設計用於在單壹6MHz信道中傳輸高質量視頻和音頻(HDTV)以及輔助數據，用於地面廣播分配系統。能在6MHz內可靠傳輸8VSB調制的19.4 Mbit/s數據。8-VSB“地面聯播模式”可以抵抗NTSC幹擾。對於地面廣播，該系統的設計允許將具有可比覆蓋範圍的附加數字發射機分配給現有的NTSC發射機，並且在區域和人口覆蓋方面對現有的NTSC節目具有最小的影響。在仔細選擇系統的射頻發射特性之後，可以實現上述能力，並且可以通過18視頻格式提供各種圖像質量。利用系統的數據傳輸能力，基於數據的服務具有巨大的潛力。該系統提供固定接收。
在8-VSB系統中加入0.3dB的導頻信號來輔助載波恢復。加入段同步信號是為了保護8-VSB系統的同步和時鐘信道編碼的糾錯。這種設計使得美國系統具有噪聲閾值低(理論值≈14.9dB)、傳輸容量大(固定有用數據比特率為19.4Mb/S)、串行數據流MPEG-2包188 bit (1 bit同步+187bit)的主要技術優勢。但是美國的制度存在壹系列問題。最重要的是處理強動態多徑的難點:當近強多徑發生變化(相位)時，導頻信號會受到嚴重影響，載波恢復困難。同時，當載波沒有準確恢復時，均衡器的性能會急劇下降；雖然系統中使用了訓練序列，但是兩個訓練序列之間的間隔是24毫秒，因此無法跟蹤多徑的快速變化。美國的系統雖然使用數據判決反饋“DFE”通過調整數據本身產生的誤差信號來跟蹤快速變化的多徑，但是DFE需要信道達到壹定程度的平衡(誤差判決小於10%)才能正常工作，在強多徑下系統是不穩定的。所以最初的設計思路，導頻放置，數據結構等。使得系統無法有效應對強多徑和快速變化的動態多徑，導致固定接收不穩定，在某些環境下不支持移動接收。另外，美國系統在處理模擬電視聯播時采用梳狀濾波器。梳狀濾波器開啟時，系統閾值上升3dB，是否開啟是判斷後的硬開關。在實際應用中，這種方案不僅會使開關在噪聲或多徑變化的影響下來回跳變，導致系統運行不穩定，還會因為級數和12交織而影響系統網格解碼和均衡器工作。ATSC 8-VSB傳輸系統具有良好的載噪比，可以在低載噪比下工作，但在接收機中加入梳狀濾波器以抵抗NTSC同步幹擾，但犧牲了約3.5dB的載噪比性能。為了抵抗多徑效應引起的頻率選擇性衰落，8VSB傳輸方式采用均衡器消除回波，但對回波時延變化敏感；結構復雜，是固定比特率的數字傳輸系統，采用單載波調制技術，不支持移動接收。
2.歐洲DVB-T COFDM系統
歐洲DVB-T COFDM系統是歐洲數字電視廣播(DVB)制定的壹系列標準中的數字地面電視廣播系統標準，DVB-T是該系列標準中最復雜的DVB系統。利用MPEG-2傳輸比特流復用和Reed-Solomon (RS)前向糾錯系統，采用COFDM調制方式，將傳輸比特分成上千個低比特率子載波，采用1705載波(“2K”)或6817載波(“8K”)方式。“2K”模式用於普通網絡，“8K”模式用於大小單頻網絡(SFN)，“2K”和“8K”系統兼容。在歐洲系統中，大量導頻信號被插入到數據中，並以比數據高3dB的功率發送。這些導頻信號有多種用途，完成系統同步、載波恢復、時鐘調整和信道估計。由於導頻信號數量多且分散在數據中，可以及時發現和估計信道特性的變化。為了進壹步降低多徑造成的符號間幹擾，歐洲系統還采用了“保護間隔”的技術，即在每個符號(塊)前增加壹定長度的重復值，以抵抗多徑的影響。可以認為，插入大量導頻信號和保護間隔的技術是歐洲系統的技術核心，正是這兩項技術使得歐洲系統在抗強多徑和動態多徑以及移動接收的實測性能上優於美國ATSC 8-VSB系統。此外，歐洲系統還結合載波數、保護間隔長度、調制星座數等參數，形成多種傳輸模式供用戶選擇。其實常用的模式只有兩三種，分別對應固定接收和移動接收應用。歐洲體系也有壹系列缺陷。第壹，頻帶損耗嚴重:導頻信號和保護間隔至少占有效帶寬的14%左右，如果采用大的保護間隔，這個值會超過30%。歐洲方案的綜合頻帶利用率比美國VSB方案高6%到23%。因此，以過度降低系統寶貴的傳輸容量為代價來換取系統的抗多徑性能，顯然不是壹個好的折中方案。其次，即使放置了大量的導頻信號，信道估計仍然不足:COFDM中的導頻信號是壹種欠采樣信號，COFDM采用的是塊信號處理方式(壹次數千點)，理論上無法完整準確地描述信道特性，只能給出壹個近似的平均值，這也是歐洲系統永遠達不到理論值(與理論值相差2-3dB)的原因之壹。因此，現有的歐洲COFDM系統實際上並沒有第三，歐洲系統在交織深度、抗脈沖噪聲幹擾和信道編碼方面的性能明顯不足。歐洲還強調在其衛星、有線和地面傳輸方案中使用相同的信道編碼模塊，以確保它們之間的兼容性，因為信道編碼模塊在電路實現中所占的比例很小，這種部分兼容性阻止了在地面廣播方案中采用更有效的其他信道編碼方法。對於地面廣播，該系統可以在分配給模擬電視傳輸的現有UHF頻譜中選擇3.7-23.8Mb/S的傳輸速率。雖然該系統是為8MHz信道開發的，但它可以用於任何信道帶寬(6、7、8MHz)，但數據容量是相應變化的。8MHz信道傳輸的有效凈比特率在4.98~31.67Mbit/s範圍內，取決於信道編碼參數、調制類型和保護間隔的選擇。設計中允許碼率可變，體現了其靈活性，可以根據信噪比提供多種碼率。DVB-T COFDM系統有利於數字電視和模擬電視的存儲，在與現有模擬電視混合傳輸方面顯示出優勢。它可以處理各種模擬系統的幹擾，而不需要在設計上進行優化。它具有抗多徑失真的能力，顯示了其在移動接收中的獨特優勢。它在澳大利亞、拉丁美洲和香港受到稱贊，因為它可以根據特定的工作環境和服務要求靈活地進行傳輸實驗。
3.日本的ISDB-T OFDM系統
日本提出的“綜合業務數字廣播”ISDB-T OFDM系統，采用MPEG-2傳輸比特復用和OFDM調制方式，使用的編碼方式、調制和傳輸與DVB-T COFDM基本相同，可以說是壹種改良的歐洲模式。不同的是在接收中加入了部分接收和分層發送，整個6MHz頻段分為13個子帶。每個子帶432KHz，中間壹個用來傳輸音頻信號，大大延長了交織深度(最長0.5秒)。增加交織深度將引入幾百毫秒的延遲，這將影響信道切換和雙向服務。ISDB-T覆蓋了各種各樣的業務，所以系統要面對各種各樣的需求，壹個業務可能和另壹個業務不壹樣。比如對於高清電視節目，需要大容量的傳輸容量，而對於條件接收中的密鑰傳輸和軟件下載，則需要高效率(或者說傳輸可靠性)。為了集成不同的業務需求，系統提供可選的調制和差錯保護方案以及靈活的組合，以滿足這些集成業務的每壹種需求。
壹個地面信道有13個OFDM頻段，可用帶寬為13×BW/14 MHz(6 MHz信道5.57MHz，7MHz信道6.50MHz，8MHz地面信道7.43MHz)。系統中使用的調制方法稱為帶分段傳輸(BST)OFDM，它由壹組稱為BST段的基本頻率塊組成。各段帶寬為BW/14 MHz，其中BW指地面電視的頻道帶寬(6、7或8MHz，視地區而定)。比如壹個6MHz的信道，每段占用6/14 MHz = 428.6KHz頻譜，7段等於6×7/14MHz = 3MHz。
除了OFDM特性，BST-OFDM對不同的BST段使用不同的載波調制方案和內碼編碼率，提供了分層傳輸特性。每個數據段都有自己的差錯保護方案(內碼編碼率、時間交織深度)和調制類型(QPSDQPSK、16-QAM或64QAM)，因此每個數據段都可以滿足不同的業務需求。很多段可以靈活組合，提供寬帶服務(如高清電視)。通過傳輸具有不同參數的OFDM段，可以實現分層傳輸。在地面信道中可以提供三個服務層(三個不同的段組)。通過使用只有壹個OFDM段的窄帶接收機，可以接收傳輸信道中的壹些節目。
雖然該系統是針對6MHz信道開發和測試的，但它可用於任何信道帶寬(X×BW/14 MHz)，但數據容量會相應改變。6MHz信道中每段的凈比特率為280.85 ~ 1787.28 kbit/s，5.57MHz DTV信道的數據吞吐量在3.65 ~ 23.23 Mbit/s範圍內。
4.三種地面數字電視傳輸系統的比較。
ATSC 8-VSB，DVB-T COFDM和ISDB-T BST-OFDM傳輸系統在不同損壞和操作條件下的性能。
從調制的角度來看，OFDM和單載波調制方案，例如VSB和QAM，對於加性高斯白噪聲(AWGN)信道應該具有相同的C/N閾值。信道編碼、信道估計、均衡方案和其他實現約束(相位噪聲、量化噪聲、互調失真)導致不同的C/N閾值。
數據速率和閾值決定了差異，AWGN通道的Eb/N0閾值如表2所示。DVB-T和ISDB-T選擇了R=2/3和3/4兩種卷積編碼速率，提高了與ATSC系統相當的數據速率。根據射頻背靠背的測試數據，ATSC系統目前在AWGN信道上有幾個dB的好處。再次需要指出的是，所有系統都是可以改進的，對於DTTB來說，AWGN頻道可能不是最好的頻道模式，尤其是對於室內接收來說。
因為三個系統可以用於不同的信道帶寬，而不改變信道編碼方案，例如6、7和8MHz，所以系統的Eb/N0值對於6、7和8MHz系統通常是正確的。對於地面廣播，
第三，抗多徑幹擾技術
多徑接收在模擬電視中是個鬼影，而在數字接收中，多徑效應會讓接收完全失效。在地面數字電視傳輸中，多徑效應引起的頻率選擇性衰落會引起碼間幹擾，產生誤碼。因此，地面數字電視傳輸必須采用抗多徑幹擾技術。目前有自適應均衡和正交頻分復用技術。自適應均衡器采用的算法是最小均方(LMS ),它基於最小平方(LS)和快速橫向濾波算法:
K=-N，-1，0，1，…M
找到最小均方誤差使得均衡器能夠最有效地消除ISI。
OFDM正交頻分復用(OFDM)調制技術就是壹種並行傳輸方案。在指定的頻帶內設置K個等間距的子載波，對每個子載波分別進行數字調制，每個子載波上的調制符號將被擴展K倍，這是壹種抗多徑幹擾的有效方法。它是通過增加保護間隔和參考電平來實現的。
在壹個符號時間間隔中，假設基帶OFDM信號表示為:
其中M(n)表示第n個子信道的調制信號，n是並行傳輸信道的數量。
為了提高抗多徑幹擾能力，增加了保護間隔，所以符號寬度變成T=T5+△，信道間隔仍然是。在時間t，OFDM信號為:
經過多徑信道後，子信道間的正交性被破壞。假設具有小於M1且大於M2的相對延遲的傳輸路徑的數量，第k個信道在第I時間的解調輸出為:
上式中，第壹項是有用信號，第二項是信道間幹擾，第三項是符號間幹擾，第四項是白噪聲。如果保護間隔足夠長，使得相對多徑時間差小於△，則解調信號中不會有符號間幹擾和信道間幹擾。(當T=64-192us且△ = 20時，可以基本消除地面廣播中的多徑幹擾。)
然而，有用的輸出信號也會受到乘性幹擾的影響，因此需要在每個子信道中交替插入參考電平信號，以獲得信道的逆響應，並校正接收信號的幅度和相位，以消除多徑效應。此外，時間交織、頻率交織、保護時間和編碼的結合有助於OFDM提高抗多徑幹擾的能力，並能有效利用多徑幹擾信號的能量。
DVB-T和ISDB-T采用的OFDM調制系統具有很強的抗多徑失真能力，可以抵抗高達0dB的回波。在市區，使用室內或機頂天線時，由於發射機的線性路徑被阻擋，通常會產生較大的回波。保護間隔可以完全消除符號間幹擾，除非回聲延遲超過保護間隔的範圍。無論如何，帶內衰落仍會影響所需的C/N，尤其是在COFDM載波上使用高階調制時。為了抵抗0dB的強回波，DVB-T和ISDB-T需要強的內碼糾錯、良好的信道估計系統和較高的C/N，當使用R = 2/3卷積碼時，處理0dB回波需要多6dB左右的信號功率。在任何情況下，增加的C/N的壹部分可以由回波信號功率補償。這些要求的平衡將取決於所選擇的碼率。使用抵消技術的軟判決解碼可以顯著提高性能。
DVB-T和ISDB-T系統的保護間隔可用於處理超前或延遲的多徑失真。這對SFN(單頻網)的運行很重要。ATSC系統無法處理長前回聲，因為它是為MFN(多頻網絡)環境設計的，在室外固定接收的情況下，它們通常不會產生長前回聲。因為壹個區域內的所有發射機都工作在相同的頻率，並且通過增加從多個發射機接收信號的概率來帶來壹些網絡增益，所以SFN可以顯著地節省頻譜需求和傳輸功率。
第四，頻譜效率
作為壹種多載波調制方案，OFDM的頻譜效率略高於單載波調制系統，因為它的頻譜初始滾降非常快，即使沒有輸出頻譜整形濾波器也是如此。對於6MHz信道，DVB-T系統的有用帶寬(3dB)為5.7MHz(或5.7/6=95%)，ISDB-T系統的有用帶寬為5.6MHz(或13/14 = 93%)。相比之下，ATSC系統的有用帶寬為5.38MHz(或者因此，OFDM調制具有至多5%的頻譜效率優勢。
在任何情況下，用於抵消DVB-T和ISDB-T系統中的多徑失真的保護間隔以及為快速信道估計而插入的帶內導頻將減少數據容量。例如DVB-T提供了系統保護間隔的選擇，為實際符號時長的1/4、1/8、1/16、1/32，分別相當於數據容量減少20%和16544。1/12的帶內導頻插入將導致8%的比特率損失。總體而言，對於不同的保護間隔，數據吞吐量將減少28%，19%，14%和11%。減去上述OFDM系統5%的帶寬效率優勢，DVB-T系統相對於ATSC系統的總數據容量分別降低到23%、14%、9%和6%。這意味著，對於6MHz系統，假設相同的信道編碼和調制方案(64QAM，r = 2/3)，DVB-T系統將以上述保護間隔比提供14.9、16.6、17.6和18.1Mbit/s數據。ISDB-T系統將提供14.6、16.4、17.2和17.7Mbit/s的數據速率；相應的ATSC系統碼率固定為19.4mbit/s
事實上，DVB-T和ISDB-T系統可以適應各種發射機，從而擴大覆蓋範圍，提高頻譜效率。基於MFN(多頻網)環境，DVB-T具有以下優點:適用於惡劣的多徑環境；快速移動的多徑環境；單頻網SFN；；移動接收；和非定向接收天線位置。然而，在SFN環境中，許多發射機可以使用相同的頻率(信道)來覆蓋巨大的範圍，這將導致DVB-T和ISDB-T系統的頻譜和傳輸功率的整體節省。
五、制定數字電視地面傳輸標準
傳輸方案將構成壹個國家數字電視地面廣播傳輸標準的基本技術內容。作為壹個電視生產和消費大國，作為壹個正在融入全球經濟壹體化，面臨全球技術競爭的發展中國家，中國已經意識到，掌握和擁有關鍵技術，自主開發重要的數字電視系統標準，可以給我國經濟帶來巨大的發展空間和機遇。世界先進工業國家為了拓展世界市場，獲取高額技術利潤，近年來憑借其技術領先優勢和工業基礎，不遺余力地向中國推薦其標準。特別是，該建議側重於數字電視地面廣播的傳輸標準，旨在促進該系統標準全面采用其整個標準系列。對此，我們應該對自主研發傳輸方案的必要性和可行性有壹個全面客觀的認識。
地面系統由壹個電視發射臺和壹個電視臺組成，單站覆蓋範圍小，需要逐個更新。而且國內相應的標準還在研究中，還需要壹段時間才能確定。而美國、日本等國家地面數字標準制定後的過渡期在10年左右，中國更慢。地面數字電視通常從大城市和發達地區開始。例如，中國很可能從北京、上海和深圳開始。中國廣播電影電視“十五”計劃顯示，2003年將制定數字電視地面廣播傳輸標準，建立數字電視試驗床。到2005年，省級以上廣播電臺、電視臺基本實現采編播數字化，全國廣播電視系統基本實現聯網。到2010，廣播電視節目的制作、播出、傳輸、傳送和接收基本實現數字化，到2015，完成模擬向數字的過渡。
中國推動數字地面電視的驅動力與國外有很大不同。美國家庭大多是比較分散的木屋結構，地面電視主要以本地節目為主。在中國，地面傳輸不再是黑白和彩色電視剛剛發展起來時的唯壹方式。目前衛星和有線的傳輸方式已經非常成熟。城市以有線電視為主要傳輸方式，偏遠地區和農村以衛星為主要傳輸方式。大多數城市居民不再使用室外天線接收電視節目，而是使用有線電視。高層居民很難使用室內天線，許多建築要麽被屏蔽，要麽朝向錯誤。在有有線電視的家庭中，要求用戶在接收有線標清電視的同時，用室內天線接收壹套高清電視，非常不方便。考慮到有線傳輸高清電視所需的設備與傳輸普通高清電視完全相同。所以在高清電視的發展中，地面傳輸的重要性與發展初期的黑白和彩色電視完全不同。
如何在中國推廣地面數字電視，選擇什麽標準，播出什麽樣的節目，提供什麽樣的政策引導，都是需要解決的問題。中國有中國的國情，與美歐不同。使用地面數字電視廣播有什麽好處？美國為什麽要推廣數字地面廣播？第壹個原因是為了節省頻率資源。在模數轉換的最後，美國的FCC可以完全恢復VHF頻段，逐步對電視頻率收費。第二個原因是可以啟動美國數字電視市場的需求。在英國推廣DVB-T也有類似的原因。因此，對中國數字電視的分析應該在兩種不同的條件下進行。第壹，電視臺頻率不收費，不硬性限時轉換。因為中國是壹個發展中國家，電視是普通人娛樂和獲取信息的最重要的工具。二是促進中國的產業，最重要的是電視產業、芯片產業和軟件產業。此時，地面數字電視廣播的動力來自市場和政策。地面數字電視不僅要能接收固定的，還要能接收便攜的和移動的。程序是另壹個重要因素。如果數字節目和模擬節目壹樣，觀看質量會比原來的模擬有線電視有壹定程度的提高，但提高並不大。用戶沒必要花幾百塊錢買個機頂盒看幾乎壹樣質量的節目。有人認為，也許可以用更好的方案來推廣數字電視，但如果妳已經有了更好的方案，不買機頂盒的模擬方案可能經濟效益更好，回報更快。數字節目制作和機頂盒的投入可能會完全抵消好節目帶來的經濟效益，或者說很少有人會投資這樣壹個看不見的市場。也有人指出，16: 9這個數字的市場在歐洲得到了很好的反響，因為普通清晰度16: 9給觀眾帶來的好處，相對於演播室的改善和接收機價格的提高，實在是太微不足道了。中國現在有壹臺高清16: 9電視，即將進入市場。因此，發展中國地面數字電視的關鍵在於高清晰度電視。地面數字廣播可以在原來的普通模擬電視頻道播放壹整套高清電視節目，清晰度和音質都有了很大的提高，可以成為真正的家庭影院。原本擔心的高清電視價格也降低了不少。首先，它有很好的市場前景。
在政府的組織下，我國開展了近十年的數字高清電視系統技術研發工作，已成功研制了兩代數字高清電視地面廣播原型系統，並進行了現場信號中繼實驗。經過業內各行各業科研、廣播、技術人員的共同努力，逐漸形成了多種具有自主專利技術的實現方案，尤其是在數字電視地面傳輸技術領域。如清華大學自主研發完成的“數字多媒體電視廣播傳輸系統DMB-T”，采用OFDM多頻調制技術，在8MHz帶寬內傳輸最大有效載荷速率33Mb/s。整個系統設計中，沒有使用國外現成的芯片，每壹步都是自主設計，實現完全自主知識產權，市場潛力巨大。目前，該技術已完成計算機仿真和FPGA原型驗證階段，進入專利申請和實用化階段。同時，該國還計劃測試和比較國內外現有傳輸方案的性能。基於現有的研究基礎和推進速度，中國完全有可能在各級政府部門的全力支持下，通過測試、分析和完善，在較短的時間內制定出具有自身特色和自主知識產權的中國數字電視地面廣播傳輸標準。
中國目前的電視廣播頻道帶寬為8 MHz，與歐洲基本持平，但與美國和日本不同。中國地面廣播頻道的頻譜分配和規劃較為復雜，由中國當前的政治、文化和經濟形勢決定，其數字電視節目和其他業務形式並不完全符合發達國家的需求。我國制定的傳輸標準方案在技術上應努力滿足以下技術要求:盡量滿足數字電視地面廣播的要求，系統有固定接收和移動接收兩種主要工作模式，采用抗多徑幹擾技術，使系統在強多徑和動態環境下穩定接收，同時提高頻譜效率，保證系統的傳輸數據容量。考慮到數字地面廣播和有線廣播可能構成未來中國數字電視廣播的主要市場，所開發的地面傳輸方案應使其接收機易於兼容數字有線解調和解碼方案。也就是說，系統應該與數字有線方案兼容。系統應努力克服上述國外系統的缺點，形成自己的系統組成和數據結構。系統應盡快形成接收芯片的設計方案，中國企業應首先申請接收技術實現專利，並成功開發標準方案。
不及物動詞結束語
通過以上討論和分析，可以得出結論，數字電視地面廣播系統能夠實現高效的頻譜利用、足夠大的數據傳輸容量以及穩定的固定接收和移動接收能力。為了節省傳輸帶寬，數字電視廣播系統應采用調制技術和信道編碼來提高傳輸可靠性，使每個Hz頻段可以傳輸更多的比特(數據速率)。我們采用的標準應該是在固定和移動接收環境下都能穩定實現大數據容量傳輸的數字電視地面廣播系統。在現有國外標準方案的基礎上，我國目前正在研究制定自己的數字電視標準，在地面廣播傳輸領域積累了相當的實踐經驗，具有良好的研究基礎。只要我們繼續不懈努力，在政府的支持下吸收現代技術的精華，完全有可能形成技術先進、性能優越的傳輸標準方案。這將對中國數字電視產業乃至整個電子消費市場的健康發展產生深遠的影響。