地面数字电视的系统原理与覆盖

摘　要：笔者对地面数字电视的传播技术与覆盖做了系统的介绍。重点介绍了各种制式的异同以及单频网覆盖的测试与调整。

关键词：单频网； 覆盖； 地面数字电视； 调制及复用
地面数字电视广播是高效、低成本、公益性的一种数字电视覆盖手段。具有30MBps以上的数据传输能力，可以在模拟地面电视传输模式下的一套电视节目带宽上传送多达7-8套标清数字电视节目，大大提高了无线频谱的利用率，可以节约出许多宝贵的频谱资源，提供多种多样的增值服务内容。因此得到业界高度重视和长足发展。
1 地面数字电视技术及标准
1995年﹑1997年和1999年，美国﹑欧洲和日本分别发布了三种不同的地面数字电视广播传输技术标准（ATSC，DVB-T和ISDB-T）。无论是哪一种标准制式，都要经过三个部分对信号节目源进行处理。即:信源编码，复用和信道编码或调制。
1.1 信源编码/压缩部分
分别用于音频、视频和辅助数据的压缩和编码。辅助数据包括条件接收控制数据，控制数据和与视频、音频节目相关的数据。3套标准均采用MPEG-2视频编码的核心技术，向后可以兼容MPEG-1，向前可携带更为先进的MPEG-4码流。ATSC用Dolby AC-3音频编码，DVB–T采用MPEG-2音频编码，而ISDBT采用基于MPEG-4的AAC压缩方式。1.2 复用/传送部分
分节目复用和系统传输复用。节目复用是将来自前段编码器的视频流、音频流以及辅助数据流交织复合成MPEG-2系统规范的统一格式的数据包，系统传输复用是将多路节目TS流合并成一个复合数据流。在传送数据结构时，要考虑各种传输媒体(如地面广播，卫星接收以及有线传输)以及计算机端口之间的互操作性。3套标准均采用MPEG-2复用方式。
1.3 信道编码和调制
信道编码也称差错控制编码或纠错编码。它是附加尽可能少的冗余信息到比特流中，而获得较强的检错和纠错能力的一种手段。三种标准都是以RS码作为外编码；ATSC用格栅码作为内编码，而其他两种则采用卷积码作为内编码。调制是将要传送的信号数据流变换成适合于信道传输的基带信号，然后经上变频形成射频信号。
这三种标准系统中，除了美国制式ATSC是基于单载波调制外，其余两种制式都是基于多载波调制——正交频分复用（OFDM），RS前向纠错系统，只是在多载波的分组方式和同步系统上有所不同。相对于单载波调制方式而言，多载波调制方式在抗多径；移动接收和组建单频网方面都有优胜的一面。
ATSC系统采用8-VSB传输模式，串行数据流输入到串/并转换器，变为3路并行比特数据流，经D/A变换成8电平的数据，与载波相乘，即经过平方根升余弦滤波器残留边带滤波后，完成残留边带的调制。它能够可靠地在6MHz的电视信道中传输19•4Mbit/s的流量，经RS编码后达到21•35Mbit/s，其图像分辨率是普通电视的5倍。ATSC系统的最大特点是“地面同播模式”以及在相同的场强条件下可以降低发射机功率10%左右。
ISDB-T标准是在DVB-T传输方案上的延伸，只是它采用了分频段OFDM调制。因为在一个6MH的带宽里可以包含13个ISDB-T传送带宽，所以ISDB-T把调制分成了13段OFDM。每个OFDM段由数据段和导频信号组成。每个数据段可以独立指定其载波调制方式、内码编码率、保护间隔比和时间交织深度等。因此在信号处理上具有相当的灵活性。
我国的地面数字电视传输标准的实际应用不仅在北京地区完成了地面数字电视广播的实验性播出；而且开拓了具有自主知识产权的CMMB传输的核心技术。系统采用了PN序列填充的时域同步正交频分复用（TDS－OFDM）多载波调制技术，这种独特的先进技术有机地将信号在时域和频域的传输结合起来，在频域传送有效载荷，在时域通过扩频技术传送控制信号以便进行同步、信道估计，实现快速码字捕获和稳健的同步跟踪性能，更可以降低接收端的耗电量。采用了RS编码和高度结构化低密度奇偶校验码－LDPC，不仅提高了接收灵敏度，而且极大的降低了整个编译码硬件执行的复杂性。在移动多媒体性能测试中表现出比现有任何地面数字电视标准都好得多的性能和优势。
2 地面数字电视发射系统
地面数字电视发射系统包括地面数字电视信源前段，传输网络以及地面数字电视发射前段三大部分。其中，地面数字电视信源前端完成码流的单频网适配功能。在保证原有节目码流不做任何改动基础上的ASI码流和路功能和传输网络适配功能；传输网络主要完成ASI码流端到端的100%透明传输功能（包括码流内容和格式）；地面数字电视发射前段主要完成ASI码流分路功能和节目码流的调制发射功能。
3 地面数字电视广播的组网方式与单频网的测试
地面数字电视广播的传输及组网方式可分为单频网和多频网。在多频网组网模式下，各个发射点采用不同的频率进行发射。在单频网组网模式下，各个发射点采用相同的频率在同一时刻发射相同的数据码流。目前，单频网是地面数字电视广播的重要组网方式。
地面数字电视广播单频网结构根据射频信号产生方式的不同可分两种形式：射频信号集中产生和射频信号分散产生。基于射频信号集中产生方式的地面数字电视单频网结构是利用各级中继技术将主站发射机发射的射频信号中继延伸。然而，此种结构的网络只有主站发射的信号质量能够得到充分保障。而中继获得信号的站点发射的信号会因为中继次数的逐渐增多会更加劣化。基于射频信号分散产生的地面数字电视广播单频网是目前采用的主要组网方式。来自复用器的TS码流首先送入到单频网适配器进行适配，完成码率适配和秒帧初始化包（SIP）插入功能，适配后形成包含秒帧初始化包的TS流通过节目分配网络传送到各个发射台。节目分配系统可以采用直连光纤，SDH和微波等。经过调制器同步处理后变换成射频信号进行发射。在地面数字电视单频网的构建过程中，为保证TS流的同步，需要依赖全球定位系统。地面数字电视单频网的网络性能与系统自身抗多径干扰能力是与单频网网络参数的设置以及覆盖区域的地理环境密切相关。为此，地面数字电视单频网调整的一个重要原则是减轻单频网各发射点在重叠覆盖区形成的多径干扰。所谓重叠覆盖区是指两个或两个以上发射点同时覆盖，并且接受到的来自不同站点起主要作用的信号之差小于射频保护率值的区域。具体而言，解决重叠覆盖区多径干扰的办法是要尽力减小延时长度，减弱多径信道存在的强度。具体可借助专用测试仪表的信道冲激响应功能分析地面数字电视单频网重叠覆盖区的多径传输特性。单频网的性能指标测试主要包括接收信号电平；最小接收信号电平；信号裕量和载噪比门限。以及移动接收测试时对单频网重复覆盖区的信号分布信息的整体了解。
总之，地面数字电视广播有着众多的先进之处，但也受制于经济基础和现有电视传播设备及接收设备的广泛使用。需要一定的完善过程和时间的整合，相信地面数字电视广播有着更加美好广阔的发展前景。
参考文献
[1] 张国庭. 地面数字电视广播信号在城市建筑密集地区的传播特性. 广播与电视技术，2006（12）.
[2] 冯景锋. 国家地面数字电视传输标准单频网覆盖测试. 广播与电视技术，2008（8）.
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