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2020年3月31日星期二
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中国地面数字电视传输标准及其移动、便携接收应用

清华大学数字电视传输技术研发中心主任、教授 杨知行




中国地面数字电视传输标准

地面数字电视传输标准是数字电视传输系统的标准。针对这个标准,广电总局有这样的要求:支持单向广播基本模式,将非对称双向传输作为扩展模式;支持固定(含室内、外)接收和移动(含便携手持)接收;它传输的业务是高清、标清、数字声、多媒体信息、数据广播及各种混合业务。广电总局的规划是2008年开始全面推广地面数字电视,2015年关闭模拟电视。根据目前的情况来看,今年年底中国将在有涉奥项目的六个城市和四个省来进行试点播出。

根据这样的要求,我国制定了一个被命名为"数字电视地面多媒体广播(DTMB)"的标准。这个标准(下文简称“国标”)2006年8月正式对外公布,成为我国广播领域里唯一的强制性的标准,今年8月1日开始执行。

图1 (略)

从原理上讲,这个标准支持330种可组合的模式。现在大家关心的问题不是模式多,而是单载波和多载波都有的问题。由图1可以看到,所谓单载波和多载波,在表现成数字处理作快速识别变换的时候,只有一个差别,快速识别变换的次数是1就是单载波,次数是3780就是多载波。除了这一点不同以外,其他所有的结构都是单载波、多载波放在一起的。从这个意义上讲,DTMB不是单载波与多载波的拼接、组合,而是一个融合。
地面数字电视传输标准的数据输入用什么接口?我认为MPEG-Ⅱ是不可回避的。因为它同时可以兼容AVS,AVS在移动接收和手机电视里将会大有作为。

DTMB采用了最新的纠错编码方式——LDPC+BCH纠错编码。这是继Turbo码之后又一种可以逼近香农极限的信道编码,前向纠错编码由外码(BCH码)和内码(LDPC,低密度奇偶校验码)级联实现。

DTMB采用了分级帧结构,见图2。最小的帧只有500微秒,所以,任何一天里的任何500微秒的信息都可以被分割出来,分别加以存储和传输。这是中国标准的一个特色。
国标DTMB的系统数据传输率共33种,最低的码率:8兆的通道可以传输4.8Mbps的数据率,最高的传输速率是32.486Mbps。

图2 (略)


DTMB的关键技术

数字电视地面传输标准集中了传输领域里最新的技术。它要解决的问题很多。
首先、宽带问题。第三代移动通信是5兆的模拟带宽,传输2兆固定速率,384K的移动速率。而数字电视的宽带是8兆的模拟带宽,传输32兆的固定速率,传输24兆可移动的速率。从这个意义上讲,数字电视几乎是第三代移动通信的10倍的频谱利用率,这很难做到。因此,采用单载波技术是目前国际上的主流技术。

第二、高速移动问题。与移动通信一样,数字电视地面传输应该将地面所有的移动工具能够达到的速率都包括在内。我们设计的速率从原来的130兆突破到现在300兆的每秒速度。对于宽带信息,移动速度高是非常难的,它需要快速的信道估计。

第三、覆盖范围大的问题。它带来的麻烦就是长延时多径干扰严重,单域处理难。
第四、数字电视地面传输既要照顾大屏幕的接收,又要照顾手机电视,因此功耗的限制更加严格。

目前,同时能解决这四个问题的方案几乎没有,但是专家学者和相关人士都在努力解决这些问题。比如,欧洲的方案,采用多天线的办法来解决高清电视的移动问题,提高移动速率。用“DVB-H”来解决手持电视的问题。美国的电视标准,是在原有帧结构基础上,频繁增设"训练序列"支持高清移动。

在同时解决这四个难题方面,中国的国标(DTMB)有比较明显的优势。这个优势主要来自一个关键技术的改进。

中国在制定标准时对DVB-T的C-OFDM技术作了改进。C-OFDM技术用固定导频来解决同步问题,用离散导频解决信道估计问题。这种安排,得到两个方面的核心保护,一个是保护间隔填充帧体,一个是在帧体数据块中插入连续和离散导频。这样的技术是比较优化的,但也还是有缺陷。它的缺陷在于循环前缀降低频谱效率,同步与数据关联、处理速度慢,同步和时变信道估计欠稳健。在制定国标时,我们把同步从数据里统统清除掉,把同步用PN序列放到了保护间隔里,取代了循环前缀另外一个保护点。这个发明被称为TDS-OFDM。采用这项技术,刷新时间比C-OFDM快1倍,信号截获时间快了20倍。

TDS-OFDM的帧结构,是我国首先采用的,见上文图2。其独特的复帧结构,与绝对时间(日时分秒)同步,每500微秒数据都有地址信息,具有多媒体广播特点和省电功能。它的时-频结合处理的信道估计和均衡使信号捕获时间比频域C-OFDM和时域VSB快4倍以上。


DTMB的系统性能

DTMB与外国现有同类标准具有相同接口,而所有的不同技术都可以集中在两个芯片里面,所以它的产业化主要是这两个芯片,而其他的元器件和国际上是统一的。
国标(DTMB)和欧洲标准(DVB-T)的系统参数比较,见表1。在系统性能方面,国标系统性能更稳健,信息容量更大,移动性能更好,广播覆盖性能更好,多业务广播更方便,单频网设备更简单、更可靠。

表1:DTMB和DVB的典型系统参数(略)

国标与欧洲标准的系统性能/实现复杂性分析,见表2。笼统地讲,它们的系统复杂性差不多,将来芯片的价格应该也是相当的。

表2:DTMB与DVB-T的系统性能/实现复杂性分析(略)

DTMB的知识产权

国标有完整的自主知识产权。目前为止,还没有发现需要向国外专利缴费的问题。
2005年3月,清华、上海交大、广科院等11个单位承诺:在中国数字电视地面传输标准对应的发射机和接收机所使用到的技术中,源自各方的专利和技术不论多少均贡献给国家,组成本标准的专利池。2006年6月,国家数字电视领导小组建议自标准颁布之日起两年内不收专利费,两年后由数字电视国家工程研究中心执行“专利池”一站式服务。

DTMB的产业化基础

图3可以说明国标与手机电视标准的关系。在清华大学提出的地面数字电视传输标准(图中黑色字体部分)的基础上,做出图中蓝色字体的改进,就成了国标。在国标的基础上,增加红色字体的部分,就将会变成清华大学提出的手机电视的标准。因此,将来的手机电视的标准,只要在地面数字电视标准基础上增加一个新的层次或者控制,就可以了。

图3 DMB-T/DTMB/DMMB的典型结构(略)

产业化方面,国标芯片2001年已经开始研制。目前,国内外几十个厂家在地面电视的专用芯片、收发系统、组网设备、测试仪表等方面都有参与,产业链是很完整的。国标公布的同时,凌讯科技就率先推出DTMB接收专用芯片,今年年内还有3家厂商可能推出接收芯片。

生产DTMB发射机的企业,国内外各两家。生产DTMB电视机和机顶盒的企业,国内外共有30多家。一些企业也已经介入到DTMB专用测试设备生产中来。

《世界电子元器件》2007.7
         
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