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淺析數字電視地面廣播技術及其應用
2004年度河南省廣播電視優秀科技論文一等獎 內容提要 ：本文介紹了數字電視地面廣播（ DTTB ）技術在車載移動電視和便攜式移動終端的最新應用情況，對 DVB-T 及最新的 DVB-H 標準進行介紹，并探討了數字電視地面廣播的發展方向及前景。
關 鍵 詞 ：數字電視地面廣播 (DTTB) 、移動電視、 DVB-T 、 DVB-H
數字電視正在用活生生的事實，將諸多的不可能變成可能，并最終將讓所有的人都理解數字電視的真實。 數字電視不僅僅是一種新發明，不僅僅創造了一個新市場、提供了一種新工具，而且還會對傳統的各個領域產生沖擊。也就是說，數字電視不僅僅是你是否使用的問題，而是它將改變人和企業的命運。 今 天，數字電視正逐步成為現實，這一進程必將是可視用戶終端的革命。這次革命性的躍進，不僅刷新電視媒介的概念，更將極大地改變我們的生活方式。
數字電視時代，電視本身也是數據的一種。數字電視地面廣播（DTTB）的應用將會帶動除電視以外的其他業務，首先數字電視出現在移動交通工具上， 隨著移動電視的面世，傳統的電視覆蓋理論被打破了！電視將無所不在！ 中國數字電視地面廣播（ DTTB）已經進入了實施階段，同時開創 了傳統無線電視的一種全新應用：移動接收。 隨著該業務被大眾接受，又逐步擴大到移動載體。隨著電池容量和視頻壓縮技術的發展，從車載發展到個人手持終端。隨著終端產品的發展，其他業務又將得到發展。數字電視地面廣播（ DTTB ）技術在更大程度上給傳統的收看電視方式帶來新的變化，孕育著創造一個新的移動電視市場的機遇，其應用前景將更加深遠。
一.數字電視地面廣播 （ DTTB ： Digital Television Terrestrial Broadcasting ）
在現代通信中，通信傳輸手段主要是光纖、衛星、數字微波等，加上地面無線電廣播電視發射構成信息傳輸主體。 目前在我國數字電視按信號傳輸方式可以分為地面無線傳輸數字電視（地面數字電視）、衛星傳輸數字電視（衛星數字電視）、有線傳輸數字電視（有線數字電視）三類。而移動電視是數字電視地面廣播的重要應用。 數字電視地面廣播 在應用需求上要求實現移動和便攜接收的功能 ，使整個技術系統的要求最高。它具備無線數字系統所共有的優點；較之衛星接收，有實現容易、價格低廉的特點；較之有線接收；不易受城市施工建設、自然災害、戰爭等因素造成的斷網影響； 數字電視地面廣播通過電視臺制高點天線發射無線電波，覆蓋電視用戶，用戶通過接收天線和電視機收看電視節目，主要的受眾也是針對本地區的。 完善的數字電視地面廣播（ DTTB）系統所具備的蜂窩單頻網功能，不僅提高了頻譜的利用率，而且可應用與寬帶無線接入市場；而移動和便攜的獨特優勢使該系統能滿足現代信息社會“信息到人”的要求，也就是無論何人何時在何地均能任意獲取他想得到的信息。
地面數字電視可以做到便攜接收和移動接收，可以供私人轎車、出租車后座、長途客車和火車乘客觀看，還可以供手機等便攜機用戶觀看。按接收方式可分為固定接收，車載移動接收和便攜接收。固定接收接有固定天線，電視機不能隨便搬移，一般來說接收條件經調整后不再變化；便攜接收是可以將接收機裝入衣袋，在戶外低速移動接收。移動接收，指車載高速移動接收。我們日常接觸最多的是傳統的固定接收的電視，下面我們就對車載移動電視和手機電視進行詳細的介紹。
1 、 車載移動電視
所謂移動電視就是通過無線數字信號發射、地面數字設備接收的方法進行電視節目的播放和接收。在數字電視技術的支持下，交通工具在時速 120 公里以下的移動狀態中，能夠穩定、清晰地接收到電視節目 , 主要針對公交、地鐵、出租等交通工具上的移動人流 。這種 在數字技術支持下，人們在運動狀態中可以收看電視節目的方式被稱為 " 移動電視 " ，下圖就是出現在汽車中的移動電視。學術界、傳媒界已經開始將 “ 移動電視（移動多媒體） ” 稱為區別于傳統媒體和網絡媒體的 “ 第五大媒體 ” 。
我們傳統的電視必須坐在某個固定的地方觀看。在信息激增的時代，由于人們對信息量的要求和實時性的要求增加，把電視提供給移動人群這一市場被發掘出來。
移動電視的應用首先在新加坡開始，在全新加坡建設了 8 個數字電視（ DTV ）發射站，于 2001 年 2 月 14 日開始在 1500 輛公共汽車上為 150 萬人次的乘客提供移動電視服務。由于采用了數字電視（ DTV ）技術，圖像清晰，實時性強，通過一年多的運行，特別是通過 2002 年中的世界杯足球比賽報道，逐步被人們所接受，給移動電視的商業發展帶來了曙光。
2002 年，在我國的上海正式推出以公交車輛為主要載體的移動電視商用系統及其相關服務，目前是中國首個、全球第二個普及移動電視的城市。這標志著在中國數字電視地面廣播（ DTTB ）已經進入了實施階段，同時開創了傳統無線電電視業務的有效模式。也許，移動電視是目前唯一能夠看到的地面數字電視。
數字電視地面廣播（ DTTB ）的成功試驗也為移動電視商業化運作提供了基礎。上海是繼新加坡之后世界上第二個提供移動電視業務的城市，上海每天有 500 萬人次通過公交線路出行，而平均每人在公交車上大約需花費 40 分鐘時間。上海擁有 2 萬輛公交車、 4 萬輛出租車，其他移動車輛和移動人口難以統計，這是一個未開發和潛在的市場。鑒于上�，F有的播出和發射環境以及光纜路由等條件，組建了一個經濟實用的數字電視地面廣播單頻網，覆蓋上海市區超過 90% 。 數字電視地面廣播的推廣主要來自市場。
英國是實施 DVB-T 標準最成功的一個國家，并成功地開通了地面數字電視廣播。法國、瑞典、西班牙在實施地面數字廣播方面也獲得了成功。阿姆斯特丹的電車公交系統已試驗了移動 DVB-T 。因為歐洲的數字電視廣播業者很久以前就 明白，他們的地面數字電視系統 ( 基于 DVB-T 標準 ) 具有不一般的移動性能。汽車接收 DVB-T 廣播信號等早期實驗已經證實了 DVB-T 標準適合于便攜式電視。目前，世界上有三種數字電視地面廣播標準：歐洲的 DVB -T（Digital Video Broadcasting - Terrestrial）、美國的ATSC（Advanced Television Systems Committee）和日本的ISDB-T （Integrated Servic es Digital Broadcasting Terrestrial ）（綜合業務數字廣播）。 DVB-T 是數字電視地面廣播系統標準，是 DVB 一系列標準中較新的一個標準，也是最復雜的 DVB 傳輸系統。此標準是 1998 年 2 月批準通過的，用于地面開路數字電視系統。第一個正式的開路數字電視系統于 1998 年初開始運營。地面數字電視發射的傳輸容量理論上與有線電視系統相當，本地區覆蓋最好。 DVB-T 標準中開路傳輸的核心是 MPEG － 2 數字視音頻壓縮編碼。采用編碼正交頻分復用 COFDM （ Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing ） 調制方式，適用于大范圍多發射機的 8k載波方式， 在 8MHz帶寬內能傳送4套電視節目， 為高清晰度電視（ HDTV ）信號傳輸提供大于 20Mbps 的凈荷碼率 , 并能使用簡單天線支持室內固定接收；為標準清晰度電視（ SDTV ）信號傳輸提供大于 5Mbps 的凈荷碼率 , 并能在車速移動條件下支持移動接收；具有單頻組網能力； 傳輸質量高，但接收費用也高。
移動電視技術的核心是移動接收，即車載高速移動接收，接收的條件因地貌不斷變化而變化，同時因車速的變化還會受到多普勒效應頻率變化的影響。接收地點是指由于接收地點離主發射臺的距離變化和與其他發射臺發射信號間相對關系的變化而引起的接收條件的變化。 移動接收主要解決是動態多徑和多普勒頻移的問題。因為移動接收 主要受地形地貌，如山、房屋等反射的影響，使到達接收點的信號不止一個。在模擬電視中的反映是重影，在數字接收中，某些特定相位的多徑信號將使接收完全失敗。在這種情況下，接收好壞不單單依賴于與發射臺距離的遠近，而且在很大程度上還依賴于接收信號之間的相位。由于上述問題使得地面廣播問題復雜化，使接收信道隨時間、頻率和地點而發生變化。引起不同頻率信號衰落的主要原因是多徑接收，其結果使信道出現頻率選擇性。移動接收時，主信號和反射信號到達接收點的角度有可能不同，因多普勒效應，其頻率發生了不同的變化，兩者的差拍使接收信號的幅度隨時間周期變化，其結果使信道出現時間選擇性。而由于接收地點的不同和相鄰臺距離的不同，主信號和其他臺信號之間的關系不同而使接收出現地點的選擇性。
DVB-T 由于采用 OFDM 調制系統，它首先是將高碼率的串行數據流變成 N 個低碼率的并行數據流，并對 N 個彼此互不影響（正交）的載波分別進行調制符號碼率的降低，實際上是符號周期的增大，使動態多徑和多普勒頻移造成的碼間干擾減小，加上保護間隔的設置，減少了多徑對多載波正交特性的影響，使碼間干擾進一步減小，從而能很好的支持移動接收。
我國現在正在研究適合自己的數字電視地面廣播的標準， 期望在搭建數字電視中有更大的自主權。 地面數字電視傳輸標準作為一個基礎標準， 涉及的是一個無線系統， 我國明確提出必須滿足數字電視廣播傳輸系統應用和產業兩個方面的基本需求，并為今后實現擴展功能做好必要的準備。 我國 DTTB 的制定原則是： 1) 傳輸信息量要大，支持包括高清電視的多媒體廣播服務； 2) 抗干擾能力強，在一般室內環境下可接收； 3) 與現有模擬廣播電視頻道兼容，并有利于頻道規劃和模擬向數字過渡； 4) 具有靈活性：支持標準高清晰度和高清晰度兼容的電視廣播，支持移動接收設備，支持便攜接收設備； 5) 具有可擴展性：支持包括互聯網的交互數據綜合業務，支持廣播網絡化的發展需要。整體性能指標應優于或相當于相應的國外現有標準的性能。目前已提交了 5 套 DTTB 傳輸方案，有關部門對 5 套標準進行了比較和測試， 4 月 11 日測試結果已有定論： “ 清華方案 ” 、 “DVB-T” 、 “ 總體組方案 ” 依次是測試和接收效果的優劣順序。據悉國家有意考慮以清華大學提交的方案為主融合其他方案之長，形成我國的 DTTB 標準。 清華的地面數字多媒體 /電視廣播傳輸標準（DMB-T）方案采用自主原創的時域同步正交頻分復用（TDS-OFDM）技術。與國際現有的數字電視地面傳輸標準比較，具有多項鮮明的應用特點、較好的整體性能。其采用以下幾項主要技術：（1）時域同步的正交多載波技術。（2）保護間隔的PN填充技術。（3）快速信道估計技術。（4）前向糾錯編碼與相位映射相結合的糾錯技術。（5）與絕對時間同步的幀結構。（6）系統信息傳送。
2、手機電視
電視是最大的媒體，是手機中缺少的最后一個內容，數字移動通信系統的高速發展提高了人們生活空間的移動性，在這個移動世界中 公眾也非�？释岆娨曔M入手機，這樣無論身處何地都可以看到自己喜歡的電視節目 如：喜劇、電子報紙、旅游指南、商務電視、游戲、音樂、體育、購物、新聞服務、電子學習、媒體點播和互動式選擇等。從而可以為陷入利潤危機的電視業帶來新的收入。這 不僅將取悅移動運營商，對于設備制造商和廣播業者來說，它將使電視變成壽命更長、重量更輕的手持產品。
數字電視地面廣播與移動通信的結合將給人們帶來更多新的、引人入勝的業務，它不僅擴展了電視廣播內容的種類，而且支持內容的移動接收，這種結合最新的體現就是歐洲 DVB-T 標準的出現。 對采用移動 網絡 (手機)和地面廣播(電視機)兩種接收電視節目方。
式進行比較，可以看出，由于手機電視的屏幕較小，因此每一路電視節目所需的碼率較低，對于基于 DVB-T的IP數據廣播，每個視頻流占用100-384KHz的帶寬,于是在一個8MHz帶寬的電視頻道上可以傳送25-80套電視節目。由于移動網絡覆蓋能力強大，帶寬不高，價格較貴，非常適合小文件VOD使用；而地面電視廣播每個電視節目需要2-5MHz的帶寬，一個8MHz頻道只能廣播3-4套節目，地面電視廣播的優點是沒有帶寬限制，價格便宜，但不適合VOD，網絡覆蓋能力也差。它主要使用范圍在城市地區，而且仍然有很多盲區，特別是在樓道、地鐵、電梯和高樓林立的地方。為了尋求兩者結合的模式，DVB組織制定出了一個地面數字廣播網絡向便攜/手持終端提供多媒體業務的傳輸標準：DVB-H。它將蜂窩電話網絡和地面數字電視廣播網絡更好的結合，并將用于向所有用戶傳送視聽及多媒體服務。今年2月份DVB-H標準得到了TDVB Technical Module的批準。這標志著DVB成員公司走過了最后一個階段，接下來就可以利用該標準設計產品和服務。目前正在進行的最大的試驗性項目是把廣播視頻和音頻擴展到移動設備。
DVB-H （Digital Video Broadcasting Handheld）標準被認為是DVB-T標準的擴展應用，但是和DVB-T相比，DVB-H終端具有更低的功耗，移動接收和抗干擾性能更為優越，因此該標準適用于移動電話、手持計算機等小型便攜設備通過數字電視地面廣播網絡接收信號。如圖4所示，DVB-H標準就是依托目前DVB-T傳輸系統，通過增加一定的附加功能和改進技術使手機等便攜設備能夠穩定的接收廣播電視信號。
圖 4 DVB-H所扮演的角色
雖然 DVB-T已經被證明在固定、移動、便攜接收等方面具有非常出眾的性能，但如果DVB-T用于手機接收地面DTV信號有三個主要問題：“功耗、性能(特別是在沖動干擾區的性能)及移動網絡設計的靈活性。DVB—H項目組給DVB-T增加了一些選項，使廣播業者能繼續利用它作為DVB-H的基礎同時支持手持接收所要求的眾多關鍵特點。
DVB-H的關鍵新技術
（ 1）時間片技術
DVB-H終端采用電池進行供電，由于手機體積小、屏幕小、內置天線，而且由電池供電，所以 電池的使用時間是觀看電視主要要解決的問題之一， 因此要求射頻接收和信道解調、解碼部分的功耗小于 100mW。DVB-H采用最新的時間分片技術，基于時分復用技術，它不但能夠有效降低手持終端的平均功耗，并且還是不同網絡間實現平穩、無縫業務交換的基礎。時間分片技術采用突發方式傳送數據，每個突發時間片傳送一個業務，在業務傳送時間片內該業務將單獨占有全部數據帶寬，并指出下一個相同業務時間片產生的時刻，這樣手持終端能夠在指定的時刻接收選定的業務，在業務空閑時間做節能處理，接收機就可以斷電，從而降低總的平均 功耗。如圖 5 所示，在業務空閑時間前端發射機是一直工作的，在相同業務的兩個時間片之間將會傳送其他業務數據， DVB-H 信號就是由這樣許多的時間片組成的。從接收機的角度而言，接收到的業務數據并非是如傳統恒定速率的連續輸入方式，數據以離散的方式間隔到達，因此稱之為突發傳送，如果解碼終端要求數據速率較低但必須是恒定碼率，接收機可以對接收到的突發數據首先進行緩沖，然后生成速率不變的數據流。
(2)MPE-FEC
由于蜂窩環境下的信道狀況多變，因此 DVB-T要在以下3個方面進行改進：移動信道的C/N、多普勒效應和抗脈沖干擾能力。
DVB-H 標準在數據鏈路層為 IP 數據報增加了 RS （ Reed-Solomon ）糾錯編碼， 用于提高系統的移動和抗脈沖干擾能力， 作為 MPE 的前向糾錯編碼，校驗信息將在指定的 FEC 段中傳送，我們稱之為 MPE-FEC �！ 嶒炞C明即使在非常糟糕的接收環境中，適當的使用 MPE-FEC 仍可以準確無誤恢復出 IP 數據。例如在高速、單一天線的情況下，采用 MPE-FEC 的手持終端能夠在 DVB-T 環境下接收 8K/16-QAM 甚至是 8K/64-QAM 信號。
(3)4K模式
網絡設計應充分考慮移動特性，由于 DVB-H終端在網絡內移動時接收天線小巧且單一，因此對于大、中型單頻網要有優化設計考慮。
DVB-H 標準在 DVB-T 原有的 2K （ 2048 ）和 8K （ 8192 ）模式下增加了 4K （ 4096 ）模式，通過協調移動接收性能和單頻網規模進一步提高網絡設計的靈活性。在 DVB-T 系統中， 2K 模式比 8K 模式提供更好的移動接收性能，但是 2K 模式的符號周期和保護間隔非常短，使得 2K 模式僅僅適用于小型單頻網。新增加的 4K 模式符號具有較長的周期和保護間隔，能夠建造中型單頻網，更好地進行網絡優化，提高頻譜效率，雖然這種優化不如 8K 模式的效率高，但是 4K 模式比 8K 模式的符號周期短，能夠更頻繁的進行信道估計，提供一個比 8K 更好的移動性能�？傊�， 4K 模式的性能介于 2K 和 8K 之間，為覆蓋范圍、頻譜效率和移動接收性能的權衡提供了一個額外的選項。
(4)DVB-H TPS
DVB-H TPS為DVB-H設計專用的傳輸參數信令， 使接收機能更快地發現 DVB-H 業務，即使在低 C/N 地條件下，解調器仍能快速將其鎖定。
用于提高系統同步和業務訪問速度。
DVB-H 標準由于采用以上新技術，解決了基于 DVB 數據廣播和地面電視標準融合后的兩個問題：實現了節省功耗和業務的無縫交互；增加 DVB-T 的模式和參數，使得在室內低速率移動和室外高速率移動的手持終端（特別是手機）都能正常進行業務訪問。
二、數字電視地面廣播（ DTTB）技術的應用前景
自上海宣布開展移動電視試驗后，得到了國家有關部門的支持，幾個月的運行已經初見成效，很多城市紛紛到上海來參觀并躍躍欲試。 現在除了已經在陸上公交系統中試用移動接收，在水路運輸中也在試行移動收看，為往來的行人及時提供時政新聞和市場信息。移動接收的含義很廣，例如便攜式收看，慢移動查詢，接收點挪動，在移動著的水、陸交通工具上收看等等。 事實上，數字電視地面廣播的開通，是開通了一個寬帶的支持移動的數據廣播通道，如圖 6所示，它不光可以傳輸電視，把電視也作為一種數據。未來數字電視地面廣播的應用將會帶動除電視以外的其他業務，借助于數字電視地面廣播技術和目前的技術條件，并分析目前的市場情況，首先在公共汽車開展移動電視業務是比較明智的選擇，隨著該業務被大眾接受，將逐步擴大到移動載體。隨著電池容量和視頻壓縮技術的發展，從車載將發展到個人手持終端。 數字電視和數字通訊除了信息所占用的頻帶寬度和內容不同外，就信息傳輸基本技術而言兩者是相同的，這就為在接收端的所謂的 數字電視地面廣播 + 因特網 + 移動通信三者結合即 “三網合一”的收看提供了技術基礎， 三網合一的方式應該是將來發展的主流。 其中 數字電視地面廣播有著可提供無線的天然優勢， DVB-T 標準中的 編碼正交頻分復用調制 （ COFDM ）還有著提供移動接收的優勢； 寬帶電視可以提供優質的聲、像并茂的信息，將來的通信技術也有這種潛力。 如圖 6 所示，從網上下載大的文件如圖象和聲音，尤其是用多點傳播時可通過 DVB—T 。在服務器端和客戶端都有開關可自動切換。移動電話和數字電視地面廣播各發揮所長，應該認為是最佳的配合，達到了優勢互補的效果。數字電視地面廣播 的特點和應用將會引起人們收視和獲得信息的方式變化。
以后數字化將會給我們的生活帶來更多變化， 由此我想象到這樣一幅情景，在不久的將來，我可能坐著火車從一個城市到另一個城市。比如我可能從鄭州到北京，以后也許要 5個小時或更短的時間。我坐在座位上，打開座位前的屏幕就可以看到電視節目，或許我只想輕松一下，看看肥皂劇或喜劇頻道、甚至到那時我還可以看到2008年北京奧運會的實況轉播。另外利用它有的電子郵件裝置或參與一個節目，或上網瀏覽。我的智能卡將允許我接入，而且了解我的語言能力、喜好并控制我想接入業務的權利。這個景象的實現為期不遠了——全因有了DVB-T。
數字化也將給新聞的采訪方式帶來很大變化，這種技術上的變化將改變電視記者的工作內容，具有改變記者和編輯職能的沖擊力。今后的記者，將帶著移動電話、電腦和高畫質數字攝像機，在正式的采訪組趕到現場之前進行采訪，搶發首家新聞。由于信息量的增加和數字技術的采用，我們可以把作為背景材料用的影像素材或文本數據不斷傳送到記者隨身攜帶的移動電話或電腦上，記者出門在外也能看到具體的影像，沒有必要再隨身攜帶成堆的文件就能知道曾經有過某一新聞，使記者的判斷更具有準確性。數字化的數據可以伸展或壓縮時間軸，即使是很窄的頻道也能傳送影像。比如，使用電話線路就可以傳送電視影像。利用 INS （高度信息通信系統），運用電話線路和壓縮技術，這樣記者就可以直接從采訪現場將新聞及時傳送回臺里。如果是一個 2 分鐘的素材，只要花上數倍的傳送時間，就能成為毫不遜色的影像。從技術的角度來說，目前看起來困難或是不可能的事情，并不一定實現不了。只要提出一個概念，技術就會跟上來。以往的事實都證明了這一點�？梢哉f，技術上的制約，就是為了被超越而存在的。 讓我們借助于支持移動和寬帶廣播的技術，去想象它的應用，想象我們未來的生活。
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