电视业正在发生着一场数字化电视革命,然而这场革命却阻碍了数字电视进入家庭。我们正处于数字电视时代。这场数字电视革命预计将会给电视业带来更高的清晰度、更优的画质、更高的互动性……。电视广播的实现方式作为这场变革的一部分,与20世纪50年代的模拟系统截然不同。Mark Massel在他的新作《数字电视DVB-T COFDM与 ATSC 8-VSB》(由出版)一书中对现有的两个广播系统进行了详述和对比。近年,这两个系统在欧洲和美国之间引起一场激烈的技术争论。这场争论的结果将决定美国和其它国家要用哪一系统,这场争论虽然十分激烈,但很快就会结束。
在过去的50年中,电视广播的标准比较稳定。美国、日本、韩国使用NTSC系统,欧洲和其它国家使用PAL系统,这些模拟系统采用每条信道6和7或8 MHz的带宽。
然而,欧美之间有关数字电视传输标准的争论愈演愈烈,已长达三年之久。
欧洲制订了一个基于COFDM(编码正交频分多路复用)的系统。DTG在英国 (数字地球集团)已经采用并实现了DVB-T(数字电视——地球)标准。实际上英国是全球上第一个拥有全面运行的商业系统的国家,早在1998年OnDigital业务出现时,这个系统就开始进行商业运行了。出人预料的是,欧洲标准的OFDM 系统竞出自于美国军方20世纪50年代在MCM (多载波调制)上的研究成果。这一成果属于高频无线电领域,R．W．Chang在美国申请了这一成果的专利权,于四年后获了这一专利。
FCC(联邦通讯委员会)先进电视业务顾问委员会推荐美国使用8-VSB(8级残留边带)标准。这个标准的主要支持者是grand alliance财团,该集团成立于1993年,是一家著名的财团。这家财团游说FCC采用8-VSB系统来传送数字标准分辨率电视以及数字高清晰度电视。该集团由以下公司组成:AT&T, David Sarnoff Research Center, General Instruments Corporation, Massachusetts Institute of Technology, Philips Electronics North America Corporation, Thomson Consumer Electronics, 和Zenith Electronics Corporation.
事实上,还存在着第三个系统。这个系统正在日本使用,也是一个基于COFDM的系统。这是一个频带分段传输的OFDM系统 (BST-OFDM),和DVB-T的实现方式十分相似。
虽然,欧洲、南韩、美国和加拿大等国都确定了各自的数字电视标准,但是,亚洲将怎样决定,还很难预料。
在注意各国的数字电视的发展动态之前,我们还是看看这两个主要系统的基本技术特性。
美国US 8-VSB系统
VSB 是一种幅度调制法(AM),在AM系统中,一个经过调制的载波信号,在主载波频率的两边均有它的部分频带。这些频带被称为边带,如图1所示:
可以看出,主要功率是在中央的载波频率上,只1/16在边带上。曾考虑过几种方法,来减少传输系统的带宽,例如,减少发射机的功率,只传输边带,可以抑制载波频率。这一技术被称为双边带抑制载波幅度调制技术(DSB-SC-AM),因为同一信息同时在两个边带上传送,于是就需要把带宽缩减一半。这很好实现,只要发送一个边带就可以了。这种技术被称为单边带幅度调制法(SSB-AM),VSB是真正的DSB-SC-AM和SSB-AM结合的技术。抑制载波使用双边带。然而,一个边带减少了,但它的残留边带仍然存在。因此出现了残留边带调制法这个术语。图2描述了格栅 8-VSB数据帧的结构。
如图所示,这个数据的组成有两个数据域,然后在48.4 ms的时长上传输。该数据帧由伪随机数据序列构成,包括纠错字节、数据交叉和格栅编码等功能。它有313个数据段,在每个帧中,第一个数据段是一个被称为数据域同步的特殊同步信号。接收机均衡器利用这个信号发现每个帧的起始。每个数据段均由832个标志组成,每个数据段中的前4 个标志采用二进制传输(仅在两级电平上,一级表示1,另一级表示0)。这两个同步字段组成一个字节,这个字节实际上用于208字节传输包的同步字节。(1同步字节+187数据字节+20Reed-Solomon字节＝208字节)。因此,在832个标志中,剩下的828个标志用于对余下的207个传输包字节编码。在这828个标志中,每个标志都可以分成8个不同的级,每个标志只能有其中一个级。每个级表示一个三位序列,例如,第五级表示数据序列011,但是,该数据使用一个2/3格栅编码进行编码,因此,对于每2个实际或唯一的数据位,有3位传输。因此,828标志可以对2х828或1656个唯一数据位编码,它组成了所需的207字节。整个传输顺序如图3所示
输入数据是MPGE2压缩和格式化传输流,包含若干个标准清晰度数字节目流,或一个(或2个)高清晰度数字节目流。
数据随机函数发生器(randomiser)是一种去除信号中DC电平的方法,如果不去掉DC电平,会给信道另一端的接收机带来问题。
随机函数发生器对数据字段同步、数据段同步和RS奇偶字节之外的数据有效负荷进行不规则分布,在数据字段的起始部,开始一个最长为16位的伪随机二进制序列 (PRBS)。
Reed-Solomon编码器, 或者经常叫做外编码器,在每个数据块的后部都增加20个字节,这样,接收机便可使用这些字节检测和纠正数据块在传输过程中出现的错误,但是,这种方法仅能检测并纠正少量的错误。 这样,当突发性噪声效应在单个数据块中引起多个错误时,这种方法就会带来问题,不过数据交叉器块会分散这些错误,从而提高Reed-Solomon的系统效率。
纠错系统中的最后的块是格栅编码器,这是一个附加的纠错技术,它针对前面的块未纠正的错误而设计,它对连续的位流操作,而不对数据块操作。格栅编码器的结构好像是一种为玫瑰花等花草搭建的木架子。“格栅” 这一术语用于卷积编码中,格栅图表在过去用来描述外形和这种结构相似的编码器的行为。卷积编码器的作用相当于一个有限状态机器,因此,它有状态转换的状态。这些状态及状态转换被称为“格栅图”这些纠错技术融合在一起后,在接收机与发射机之间产生一个准免错信道(QEF),这是数字电视所要求的。信号电平如图4所示:
通过下面的方程式,计算8-VSB系统的有用数据位率:
有用 数据 位 率 
位／秒
兆位／秒
说明:
D 表示数据段的数量(固定数量为313)
S 表示标志的数量(固定数量为832)
M表示每一个所包含的位的数量(固定数量为3位)
C表示卷积码(格栅)编码速率(固定数量为3位)F表示一个完整的8-VSB数据帧中所包含的帧的数量(固定数量为2个)
B表示RS块代码(188／208)的效率。
Fs表示数据域同步脉冲带来的额外花费。
T表示完整的8-VSB数据帧的时长。
欧洲COFDM系统
在讨论COFDM系统之前,我们有必要先了解一下模拟技术的频分多路复用(FDM)系统,因为OFDM在很大程度上是建立在这一系统上。如果存在一个可以建设通讯系统的带宽,为了充分利用这一逞宽,则需要将数据分成若干个信道。例如,将若干个电话通话或者大量的数字电视数据分解后传输,在接收机上再重新合并。每个不同的信道上的数据在不同的频带上调制。因此,数据就可同时传递,从而实现充分利用现有带宽的目的。按照某一特定时隙将主信号S(T)分解成N个标志,这些标志的大小取决于所使用的调制方案,可以是2、4、6或更多位。然后,由这些标志组成的并行信道就建立了,我们从原始信号S(T)获得N倍的不同信号。
然后,这些信号分别在各自的载波频率调制。接着,调制的信号都号加在一起,上转换到传输频率,最终的信号可以看作是一组信号,因此,称做G(t)。这一信号包含Sn(t)信号的所有频率,接收机接收这一波形,并通过由N个带通滤波器组成的阵列,完成对其滤波处理。这些滤波器分离出原始载波频率,通过解调处理,恢复原始数据标志。
这是FDM系统的基本工作原理,然而,当N值较大时,实现这样的系统需要很大的开销。为避免干扰影响,接收机带通滤波器(BPF)要求有较高的质量,而且一台接收机就需要很多这样的滤波器。此外,还需要N个载波调制块。这一问题的解决方案是,用数字计算取代模拟技术来完成这种信号处理过程。在20世纪60年代后期,R. W. Chang算出,FDM等于在发射机的一次逆离散傅里叶变换(IDFT)和接收机上的一次离散傅里叶变换(DFT)。随后他提出了正交概念,从而实现了载波频率的紧密靠近(因此保证了带宽的充分利用)。
OFDM信号的基本结构是由若干个可变频的载波构成,有1075个载波时,被称为2k模式；有6817个载波时,被称为8k模式。一般情况下,这些载波空分的目的是允许插入6、7或8个现有信道。
这些载波包括:
(i)数据:每个载波上都有若干个可变的位(2、4、6)
(ii)TPSC(传输参数信令)传输信息
(iii)引导:用于实现接收同步,它有两种形式存在,均在增加功率后的电平上传输。
(a)连续载波:在8k模式时有177个,2 k模式时,为45个
(b) )离散载波:在8k模式时有524个,2 k模式时,为13个
信号结构如图6所示:
如图6所示,一个COFM信号是由离散频率组成,因此,图示是通过与频率对比,来描绘幅度变化的。不过,将这些频率传到接收机,就必须通过时间传递。从时间域上可以看出,这些载波是按照一定的时长,全部传输的。这个时长称为有用数据时间(TU),这个有用数据的某个部分是重复性的,并在这个有用数据之前传输,这个部分叫做保护间隙,它主要用于抵抗回声和反射(引起室内模拟电视假像的多路信号)。就是这种功能使COFDM比8-VSB系统具有优势,因为这可以使COFDM用于对移动接收机设备的传输。
如图7所示:
从图中可以看出,OFDM帧是由68个ODFM标志组成,再由4个ODFM帧组成一超级帧。COFDM的整体传输序列是相当复杂的,如图8所示。MPEG2传输流输入是一个标准格式,在随机函数发生器上完成能量分散后,它经过几个前向纠错块。外编码器在188字节无规则的传输包的后部增加16个字节,使纠错功能在接收机上实现。这16个字节被叫做Reed Solomon校验字节。外部交叉功能主要是为了分布错误,使外编码器工作更高。内编码器对外编码器功能未覆盖的地方进行补充,根据传输通道的情况,通过编程可以控制其纠错功能的大小(CODFM中的C是指纠错处理过程中的编码功能)。内编码器输出的2、4或6位的字节映射到其中的一个ODFM载波上(2k模式1512或8k模式6048),然后,插入引导和TPS(传输参数信令)的载波。这些是用于在接收机上估算通道特性。TBS包含模式、调制法等有关数据格式的详细信息,最后进行IFFT(逆快速傅里叶变换),
生成载波和最终时间变化信号,在加入保护间隙(抗回声和反射)后,载波和时间变化信号转换成模拟格式,再经过过滤、上转换然后传输。COFDM与8-VSB不同,它允许根据地理位置、网络类型、边际接收策略等各因素,对多个参数进行修改。可修改的参数包括:
(i) 载波模式:2k或8k
(ii) 调制类型:QPSK、16-QA、M64-QAM
(iii) 保护间隙:1/41/81/161/64
(iv) 内部编码器穿孔速率:1/2、2/3、3/4、5/6、7/8
(v) 分层模式
(vi) 传输带宽选择:(6/7/8 MHz)
8k较适合克服回声较长的问题,因此适用于深远山区。选择调制方法时,应在位率与通讯通道内的噪声级之间选择折衷方案。保护间隙提供了抗回声功能,也应与位率对比,选择二者之间的折衷方案。内编码器具有纠错的容错功能,同样,在位率与通讯通道内的噪声级之间选择折衷方案时,也应给予考虑。在全速率业务不能接收时,分层模式允许在边际接收站接收低标准速率业务。使用下面的方程式,计算COFDM系统的有用数据位率:
有用数据位率
位／秒
其中:
B 是 RS块代码的效率(188/204 = 0.92).
C 是卷积码速率 (1/2, 2/3, 3/4, 5/6 or 7/8).
M 是每个载波中位的数量 (QPSK 2 位, 16-QAM, 4位,或 64-QAM 6位).
N 是所用数据载波的数量 (2k 模式1512或8k 模式 6048).
T 是包括保护间隙在内的标志的总时长 (eg 896?s + 8k 模式 28?s 和 1/32 保护间隙, or 224?s + 2k 模式7?s 和1/32 保护间隙).
选择8-VSB还是COFDM？
在一个国家选用数字业务广播系统时,应在实际中考虑地理位置、信道带宽分配、经济、政治等各种因素,不过,如果从纯技术方面考虑,下面则是有关系统选择的普遍观点。
ATSC 8-VSB系统
1) 能在一个16MHz的信道内传输最大分辨率的HDTV
2) 在相同的广播覆盖域内,所需发射机功率较其它系统小
3) 较高的短脉冲噪声源抵抗性
DVB-TCOFDM系统
1) 卓越的抗回声、抗反射的容错功能
2) 也适用于单频率网络(SFN)
3) 提供分层模式,可满足边际接收功能的需求
4) 较高的灵活性,选择范围广,可满足未来广播的需求
5) 对通讯通道引入的非线性敏感度较低
标准之战还在继续
中国广电局正在制定一个5年发展计划,旨在制定中国数字电视发展日程和标准。计划在2003年公布有关HDTV的细则,2010年模拟交换机停止使用。
中国在去年10月的国家庆典时,开始启动HDTV广播计划。尽管广电科学会展示了自主开发的原型标准,但是很多人却希望中国从北美、欧洲或日本引进标准。目前中国正在使用8-VSB 和DVB-T COFDM和自主开发的基于COFDM系统进行广播试验
台湾去年选择了ATSC标准,但是数家地面广播公司对这一决定不满意,正在督促政府选择DVB标准。现在进行多项测试,估计很有可能选用COFDM系统,因为这一标准具有移动接收功能。
韩国选择了美国的ATSC系统,于今年9月开始试播,定于2001年在汉城开始商业性广播,2010年关闭所有的模拟交换机。
新加坡自去年5月选用了欧洲DVD COFDM标准后,工业企业都在积极开发这一新的领域。新加坡广播电视局为此作出了反应,向新加坡电视公司、Advent TV、Cathay Organisation、 DigitalONE、 HealthAnswers 和MediaManager六家公司颂布了数字电视试用许可证,以指导移动电视台、增强型交互电视、数据广播等数字电视业务和应用的研发工作。
去年7月,新加坡电视公司(TCS)与新加坡公交汽车服务公司合作,进行了第一个现场公用移动电视的试验。这是搭乘公共汽车的上班族第一次座车收看现场数字电视节目,有了数字电视,他们可以在到家之前就能观看自己喜爱的电视节目,接看现场新闻报道。
新加坡广播局批准新加坡媒体公司两项数字业务经营权,其中包括一个商业移动电视和一个商业数字电视,要求数字移动电视采用数字形式传输现有模拟式的电视节目。
新加坡电视公司计划到今年年底为2000部公共汽车配备数字电视。
大约有12个国家宣布采用DVB-T DOFDM数字电视系统(仅有美国、加拿大和韩国决定采用ATSC系统),似乎美国系统在这场电视标准之战中肯定要失去战场。因为亚洲和全世界很可能都使用欧洲的COFDM系统来传输标准和高清晰度电视节目。
如果你想了解有关技术的详细内容,不妨读一下Massel的《数字电视DVB-T COFDM与 ATSC 8-VSB》一书。这本书的内容涵盖了整个传送处理过程,除序之外,这本书共有七章:第一章 关于节目数据流的结构和压缩技术；第二章 COFDM系统创立的主要原则 第三章 机顶盒体系结构简介,无论是地面传输还是有线、卫星传送,机顶盒最终实现观众在家观看节目制作。第四章详述美国ATSC系统的,第五章 欧美两种系统的对比 第六章 结论:未来高清晰度技术 第七章 介绍一些标准数学理论,供希望进一步了解COFDM的读者参考。
这本231页的力作,共有105张图示,内容和写作都有很高的水平,对数字广播业进行了详尽介绍,适合对数字电子消费品感兴趣的工程专业或专业人员阅读。如果通过网上直接从出版商购买,每本可享受20%的优惠。
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