目前,数字电视广播的制式存在欧洲、北美或日本的三种制式,亚洲许多国家正在用8-VSB、COFDM??M%CF%B5%CD%" target="_blank">COFDM系统及其改进后的COFDM系统进行比较试播。本文从Mark Massel关于数字电视地面广播系统的专著(出版)中节选了部分内容,简要介绍8-VSB技术和COFDM技术的原理、两套系统的比较和竞争的趋势,为关心数字电视广播的中国工程师提供参考。
Mark Massel
DVD技术行销经理
意法半导体有限公司
数字电视传输制式之争已经持续了三年多的时间。欧洲定义了一个基于编码正交频分复用调制方式(COFDM)的系统,英国是世界上第一个将这种系统投入商用的国家。FCC的先进电视业务顾问委员会,建议美国采用基于8级残留边带调制方式(8-VSB)的系统。而日本提出了频带分段传输正交频分复用(BST-OFDM)系统,这种系统本质上是一种基于COFDM的系统。
尽管欧洲、韩国、美国和加拿大已确定了数字电视广播的制式,但亚洲国家还未完全做出数字电视广播制式的选择。因此,了解两种主要数字电视广播制式的基本技术特性、技术比较和发展趋势,有利于把握数字电视发展为人们带来的机遇。
美国的8-VSB系统
VSB采用调幅(AM)方式。在主载波频率的两侧,AM系统的调制载波信号都有频谱分布,称为边带,功率大部分集中于中心载波频率处,而每个边带的功率只有它的1/16。有多种方法可以减小这种传输系统的功率和带宽,例如,可抑制载波频率以节省大量发射功率,传输只通过边带进行,这种方法称为双边带抑制载波调幅(DSB-SC-AM)。由于两个边带中传输的信息相同,因此仅用一个边带传输就可以使带宽减小一半,这种方法称为单边带载波调幅(SSB-AM)。VSB实际上是DSB-SC-AM和SSB-AM两种方法的结合,此时要抑制载波,用双边带进行传输。但是因为减少一个边带,只保留了一个残余边带,因而称为残余边带调制。
图1显示了8-VSB的数据帧结构。在图中,数据分为两个数据场,发送周期为48.4ms。数据帧由伪随机数据序列、纠错字节、数据交织及格型编码构成,共包含313个数据段。每一帧的第一个数据段(data segment)是称为“数据场同步”的特殊同步信号,在接收机中均衡电路利用它来确定每个数据帧的起点。
每个数据段由832个符号(symbol)构成,起始的四个符号以二进制形式传输。这四个符号代表的两个同步场实际组成一个字节,用作208字节传输数据包的同步字节(这208个字节由一个同步字节+187个数据字节+20个Reed-Solomon字节组成),因此,剩余的828个符号用于对剩余的207个数据包字节进行编码。828个符号中,每个符号都具有8个不同的数值,每个值由一个3位序列表示,例如,值“-5”由数据序列011(LSB)表示。由于数据采用2/3格型编码方式,所以每2个或1个数据位实际要传输3位数据,因此828个符号编为1656个数据位,从而构成207个字节。
图2则显示了数据发送的整个顺序。输入数据是一种经过MPEG-2压缩的格式化传输数据流,它包含了许多标准清晰度的数字节目流或一到两个高清晰度节目流。数据随机处理(或能量扩散)电路用于去除信号中直流电平。随机处理电路对数据流进行随机处理,但数据场同步字节、数据段同步字节以及RS奇偶校验字节例外。数据场的开头是一个最大长度为16位的伪随机二进制序列(PRBS)。
Reed-Solomon编码器,或者通常称为外部编码器(outer encoder),在数据块的末端设置20个字节,以便接收机识别和校正数据块传输过程中出现的错误。但是识别和纠正错误的数量相当有限,例如一个数据块中由突发噪声引起的多个错误就不能靠这种编码器进行纠正,然而,数据交织编码器将这类错误加以展开,从而提高了Reed-Solomon编码系统的有效性。
纠错系统的最后一部分是格型编码器。它是一种增强型纠错技术,可以纠正前面未能纠正的编码错误。该编码器的处理对象是连续的位流而不是数据块。卷积编码器类似一个有限状态机,其状态及转换过程称为“格型图”。
通过综合利用上述所有纠错技术,在数字电视数据传输发射机和接收机之间,就可以建立QEF(准无误码)信道。
8-VSB系统的有用数据率可由下列公式计算:
有用数据率=((D×S×M×C×F)/T)×B×Fs
=((313×832×3×2/3×2)/48.4ms)×(188/208)×(312/313)
= 19.39(Mbps)
上述公式中:
D:数据段的数目(固定为313个)；
S:符号的数目(固定为832个)；
M:每个符号的位数(固定为3个)；
C:卷积(格型)编码比(固定为2/3)；
F:完整8-VSB数据帧中数据帧的数目(固定为2个)；
B:RS数据块的编码率(188/208)；
Fs:数据场同步脉冲的系数；
T:完整8-VSB数据帧的周期(48.4ms)。
欧洲的COFDM系统
OFDM技术的基础是频分多路复用(FDM)技术。如果通信系统的带宽足够并能充分加以利用,那么数据就可以分配到多个信道中传输,例如,同时召开多个电话会议,或同时传输大量数字视频数据的情况下,数据可以分配到多个信道上传输,在接收端重新组合。不同信道的数据以不同的频率进行调制,因此不同信道的数据传输是同时进行的,该技术可以充分利用带宽。
最初的主信号S(t)在特定时间周期T内被分解成n个符号。这些符号宽度是2位、4位或6位,具体情况取决于调制方案。然后构建n个并行数据信道,因而信号源S(t)就产生n个时变信号。
每一个信号调制到各自的载波频率上,然后所有载波信号sn(f)叠加并转换成发送频率,经发射机变成最终信号G(t),它是一个信号组,包含所有sn(t)信号的频率成分。
接收机接收到这个波形后,通过一个n阶带通滤波器阵列分离载波频率,再经过解调就可以重组原始的数据符号。
这是FDM系统的基本运作过程。为了避免干扰,对接收机带通滤波器的要求较高,同时,还需要n个载波解调模块。因此当n较大时,系统的成本很高。解决问题的办法是采用数字信号处理技术。
OFDM信号由多个载波构成,在2k模式是1705个,在8k模式是6817个。一般来说,载波信号之间的分隔必须保证载波信号适合6MHz、7MHz或8MHz信道的要求。上述载波信号包括:
1. 节目信息数据:每个载波信号的位数可变(2、4或6位)；
2．传输参数信令(TPS):传输与信道编码和调制参数有关的信息；
3．导频信号:用于接收机同步。该信号在比其它载波信号高的功率电平上发射,它包括以下两种类型:(a)连续导频:8k模式为177个,2k模式为45个；
(b)散布导频:8k模式为524个,2k模式为131个。
OFDM信号的频谱由6817个(8k模式)或1705个(2k模式)不同频率的单频离散载波组成,可见,这些频率要经过一定时间的传输才能到达接收机,其时域分布如图3所示,发送所有载波信号的这段特定时间,称之为有用数据周期Tu。有用数据的一部分会重复传输,且在Tu之前发送,这段时间称作保护间隔,其主要目的是消除回波和反射干扰。这些回波干扰是多径信号,会在电视上造成重影。正是由于COFDM具备消除回波的功能,使其比8-VSB系统更具优势,它可用于向移动电视接收机传输电视信号。目前,人们又把这一结构称为OFDM符号,如图3所示,OFDM帧由68个OFDM符号组成,4个OFDM帧构成一个OFDM超级帧。
COFDM系统整个数据发送过程相当复杂,如图4所示。MPEG-2传输数据流输入采用标准格式,经过随机处理器对其进行能量扩散后,进入前向纠错模块。外编码器在188字节置乱发送数据包的末端再添加16个字节,便于接收机进行纠错,这16个字节即为Reed-Solomon校验字节。外交织编码器可将误码扩散,从而使外编码器更为有效。
内编码器可以处理外编码器无法纠错的数据。纠错量的多少取决于传输信道的质量。“COFDM”中的“C”指的是纠错过程的编码部分。从内部编码器中输出的2、4或6位字节要映射到OFDM的一个载波信号中(2k模式下OFDM的节目信息数据载波数量为1512个,8k模式下为6048个),接着,插入导频和TPS信号,接收机利用这些信号来判断信道特性。TPS载波信号包含数据格式的详细信息,如模式、调制参数等。最后,要进行快速傅立叶反变换(IFFT)来生成所有载波信号和最终的时变信号,并加入保护间隔(可消除回波和反射),然后再转换成模拟信号,经过滤波、上行变换到发射。
与8-VSB系统不同,COFDM系统可根据实际情况,如地理位置、网络类型及临界接收状况等,对许多参数进行调整,可调参数如下:
1．载波模式:2k或8k；
2．调制类型:QPSK、16-QAM或64-QAM；
3．保护间隔:1/4、1/8、1/16或1/64；
4．内编码击穿率:1/2、2/3、3/4、5/6或7/8；
5．分层模式；
6．传输带宽选择:6MHz、7MHz或8MHz。
对于长回波而言,8k模式更适合于山区。选择调制类型时,要对信道内的噪声和位速率进行折衷考虑。选择保护间隔时,要具备消除或大或小回波的能力,并综合考虑位速率的要求。内编码速率是纠错冗余度的表征,在确定此速率时,要综合考虑信道噪声和位速率。如果临界接收机不能接收全速业务,可通过改变分层模式来接收低速标准业务。
COFDM系统的有用位速率可根据以下公式计算:
有用数据率=(B×C×M×N)/T(bps)
其中:
B:RS数据块编码的效率(188/204=0.92)；
C:卷积编码率(1/2、2/3、3/4、5/6或7/8)；
M:每个载波信号的位数(QPSK为2,16-QAM为4,64-QAM为6)；
N:所用的节目信息数据载波数量(2k模式为1512,8k模式为6048)。
T:包含保护间隔在内的符号持续周期。如8k模式为896us,保护间隔为28us,所占比率为1/32；2k模式为224us,保护间隔为7us,比率也为1/32。
8-VSB和COFDM的比较
一个国家选择数字电视广播制式时,需要考虑诸多因素,如地理位置、信道带宽分配、经济效益以及政治因素等等。但是,从纯技术角度进行选择时,可参考以下选择策略:
8-VSB系统的特点:
1．可在一个6MHz的信道内发送最高分辨率的HDTV信号；
2．同等广播覆盖面积下,所需的发射功率较小；
3．处理短脉冲噪声源的能力强。
COFDM系统的特点:1．由于具有优良的抗回波和反射性能,适用于移动和室内接收机；
2．适用于单频网络(SFN)；
3．分层模式可解决临界接收性能问题；
4．更多、更灵活的选择,能适应未来广播不断变化的需求；
5．对信道中产生的非线性干扰,灵敏度较低。
竞争的趋势
中国广电总局正在制定一个五年规划,准备拟出数字电视广播的时间表及其标准。有关HDTV的详细情况将于2003年宣布,2010年将停止播放模拟制式的电视信号。目前,中国正在用8-VSB、DVB-T COFDM系统及改进型COFDM系统进行比较试验。
台湾地区1999年选用ATSC(即8-VSB)系统,但现正进行更多测试,极有可能决定采用COFDM,主要原因在于COFDM系统信号可进行移动接收。
韩国已决定采用美国的ATSC系统,并于2000年9月对其广播系统进行了测试,预计2005年在韩国范围内使用,2010年将停止模拟电视信号广播。
新加坡已于1999年5月采用了欧洲的DVB-T COFDM标准,并一直在积极开拓新的应用领域。新加坡广播局(SBA)向6家机构颁发了数字电视试验许可证,以促进数字电视的研发及应用,如移动电视、增强型互动电视以及数字广播等。1999年7月,新加坡电视公司(TCS)与新加坡公共汽车服务公司合作,进行了一次移动电视接收试验。公共汽车行进时可以接收正在播放的数字电视节目。借助于移动电视后,通勤人员就可看到喜爱的电视节目,并随时获得各类最新信息。TCS于2000年底为2,000台公交车辆配备了数字电视。SBA颁发给新加坡媒体公司两个数字电视经营许可证,容许其经营商用移动电视业务和商用数字电视业务,这种商用数字电视业务可用数字形式播放现有的模拟电视节目。
现在决定采用DVB-T COFDM系统的国家,已经超过了12个。只有美国、加拿大和韩国决定采用ATSC。美国的系统似乎优势不大。亚洲乃至全球的标准和高清晰度电视节目的数字传输系统可能最终将归于COFDM系统的大旗之下。
京公网安备 11011202001138号
