地面數(shù)字多媒體電視廣播傳輸協(xié)議揚(yáng)知行，楊林，王興軍，門愛東(清華大學(xué)數(shù)字電視傳輸技術(shù)研發(fā)中心)

摘要：本論文介紹了地面數(shù)字多媒體電視廣播(DMB-T)傳輸協(xié)議的開發(fā)背景，提供了一個(gè)DMB--T協(xié)議的系統(tǒng)級(jí)描述以及構(gòu)成，分析了DMB--T協(xié)議傳輸系統(tǒng)的主要特點(diǎn)和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：DMB-T，DTVTDS-OFDM1概述在經(jīng)歷了機(jī)械電視時(shí)代、黑白電子電視和彩色電視時(shí)代以后，NHK從70年代初期開始研究高清晰度電視，后來(lái)有許多國(guó)家和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織也積極開展了這方面的研發(fā)。但直到1990年之前，它們還都是全模擬的或者模擬數(shù)字混合的。在1990年6月1日，美國(guó)GI公司向美國(guó)高級(jí)電視顧問(wèn)委員會(huì)(ACATS)提交了全數(shù)字地面HDTV制式，電視從此進(jìn)人了一個(gè)新時(shí)代：數(shù)字電視時(shí)代。電視向著高清晰度電視和數(shù)字化方向前進(jìn)、模擬電視在全世界范圍內(nèi)正在逐步消失，電視面臨著它問(wèn)世以來(lái)最根本的技術(shù)革命。

從那以后，經(jīng)過(guò)十多年堅(jiān)持不懈的研究和發(fā)展，數(shù)字電視地面廣播(DigitalTelevisionTerrestrialBroadcasting，DTTB)已經(jīng)取得了很多的成果，達(dá)到了可以實(shí)現(xiàn)階段。從1998年11月北美和歐洲已經(jīng)開播DTTB節(jié)目，許多國(guó)家宣布了它們的DTTB制式選擇和實(shí)現(xiàn)計(jì)劃。目前，世界上主要有3種DTTB傳輸標(biāo)準(zhǔn)：①美國(guó)高級(jí)電視系統(tǒng)委員會(huì)(AdvancedTelevisionSystemsCommittee，ATSC)研發(fā)的格形編碼的8電平殘留邊帶(Trellis-Coded8-LevelVestigialSide-Band，TCM8-VSB)調(diào)制。

1996年12月26日FCC正式公布了"數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)"ATSC。1998年11月首先由28家電視臺(tái)正式開始地面數(shù)字電視廣播，到2000年1月已經(jīng)有100多家電視臺(tái)開展數(shù)字電視業(yè)務(wù)。但美國(guó)Sinclair廣播集團(tuán)對(duì)ATSC制式有異議。ATSC調(diào)制方案采用了具有導(dǎo)頻信號(hào)的單載波調(diào)制，即8電平殘留邊帶調(diào)制(8-VSB)，它是成熟的現(xiàn)有AM調(diào)制技術(shù)的高度發(fā)展，其性能高度依賴于自適應(yīng)均衡器。因此。為了抵抗多徑回波和各種干擾，需要非常復(fù)雜和昂貴的均衡器。

加拿大、韓國(guó)、阿根廷和我國(guó)的臺(tái)灣在1997年和1998年先后宣布采用美國(guó)的ATSC標(biāo)準(zhǔn)。②歐洲數(shù)字視頻地面廣播(DigitalVideoTerrestrialBroadcasting-Terrestrial，DVB-T)標(biāo)準(zhǔn)采用的編碼正交頻分復(fù)用(CodedOrthogonalFrequencyDlvisionMultiplexing，COFDM)調(diào)制。歐洲ETSI在1994年和1996年先后公布了DVB-S(衛(wèi)星廣播)、DVB-C(有線電視廣播)和DVB-T(地面廣播)的標(biāo)準(zhǔn)等，歐洲的數(shù)字電視有完整的標(biāo)準(zhǔn)系列。歐洲各國(guó)自1996年以來(lái)先后在衛(wèi)星直播、有線電視和地面廣播等方面開展了SDTV業(yè)務(wù)，考慮到市場(chǎng)需求的原因，目前尚未開展HDTV業(yè)務(wù)。在地面?zhèn)鬏敺矫妫捎枚噍d波OFDM調(diào)制(ADSL中相似的技術(shù)稱為DMT)。DVB-T使用了1705(2k)或6817(8k)個(gè)載波。而且它有更多的選項(xiàng)，以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，例如可變的載波調(diào)制類型。和美國(guó)的8-VSB調(diào)制技術(shù)相比。COFDM技術(shù)屬于正在不斷發(fā)展和提高的新技術(shù)。除了歐洲國(guó)家以外，澳大利亞、新加坡、印度、巴西先后在1998年和1999年宣布采用歐洲的DVB標(biāo)準(zhǔn)。③日本地面綜合業(yè)務(wù)數(shù)字廣播(IntegratedServiceDigitalBroadcasting-Terrestrial，ISDB-T)采用的頻帶分段傳輸正交頻分復(fù)用(BandWidthSegmentedTransmissionOFDM，BST-OFDM)。日本1998年11月公布了用于地面數(shù)字電視廣播的ISI)B，T標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)采用的調(diào)制方法稱為頻帶分段傳輸(BST)OFDM。由一組共同的稱為BST段的基本頻率塊組成。

日本的ISDB-T是基于自己的國(guó)情。在歐洲COFDM基礎(chǔ)上的一種改進(jìn)，特別是針對(duì)多媒體廣播和移動(dòng)接收的需求。3種標(biāo)準(zhǔn)的視頻編碼和碼流復(fù)接基本均采用MPEG2標(biāo)準(zhǔn)，最大的差別是調(diào)制方式的不同，ATSC采用單載波方式，而其它兩種采用多載波調(diào)制技術(shù)。因?yàn)?個(gè)標(biāo)準(zhǔn)推出的時(shí)間有先后，因此，采用的技術(shù)水平越來(lái)越高，對(duì)地面廣播需求的理解也越來(lái)越深。但它們畢竟是基于90年代中期或之前的狀況。幾年來(lái)，技術(shù)在飛速發(fā)展，應(yīng)用需求也在不斷變化在此背景下，我們對(duì)上述3個(gè)地面數(shù)字電視系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究，借鑒和吸收了美國(guó)ATSC、歐洲D(zhuǎn)VB、日本IS皿和國(guó)內(nèi)HDTV研究的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，結(jié)合幾年來(lái)數(shù)字地面電視廣播技術(shù)和通信技術(shù)的最新發(fā)展和需求，提出了創(chuàng)新的"地面數(shù)字多媒體電視廣播(TerrestrialDigitalMultimedia-TelevisionBroadcasting，DMB-T)傳輸協(xié)議"。系統(tǒng)的核心采用了mQAM／QPSK的時(shí)域同步正交頻分復(fù)用(TimeDomainSynchronousOrthogonal-Frequency-Division-Multiplex，TDS-OFDM)調(diào)制技術(shù)；系統(tǒng)使用更加先進(jìn)的前向糾錯(cuò)編碼FEC來(lái)抵抗突發(fā)誤碼和各種干擾，例如Turbo碼等；實(shí)現(xiàn)了分級(jí)調(diào)制和編碼，可以提供分級(jí)服務(wù)；同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)快速同步，適于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

2系統(tǒng)描述和參數(shù)對(duì)于地面數(shù)字電視廣播來(lái)講，首先要求有足夠高的傳輸碼率，以便在單個(gè)信道中提供高質(zhì)量HDTV節(jié)目。其次要在現(xiàn)有分配的電視頻道中傳輸DTV節(jié)目，實(shí)現(xiàn)和模擬電視節(jié)目的同播；更重要的特性是要支持移動(dòng)接收。其它的要求包括：抵抗各種干擾/失真；易于其它媒介或服務(wù)器的接口；支持多節(jié)目/業(yè)務(wù)；高度靈活的操作模式，通過(guò)選擇不同的調(diào)制方案，系統(tǒng)能夠支持固定、便攜、步行、或移動(dòng)接收；能夠通過(guò)分級(jí)調(diào)制得到分級(jí)服務(wù)；具有交互性；高度靈活的頻率規(guī)劃和覆蓋區(qū)域，能夠使用載波數(shù)目2k，8k2k，4k，8k3780保護(hù)間隔OFDM符號(hào)1／32，1／16，1／8＆1／4OFDM符號(hào)1／32，1／16，1／8＆1／4OFDM符號(hào)0，1／6，1／9，1／12，1/20，1／30(16～80us)

有6種可選的保護(hù)間隔大小，即DFT塊大小的0、1／6、1/9、1/12、1/20、1/30。保護(hù)間隔的信號(hào)相同于DFT塊時(shí)域信號(hào)的最后一段。4技術(shù)特點(diǎn)和傳統(tǒng)廣播技術(shù)不同，DMB-T協(xié)議結(jié)合了傳統(tǒng)的廣播技術(shù)和現(xiàn)代通信技術(shù)，是一種新型信息廣播技術(shù)。它不僅適用于傳統(tǒng)的電視節(jié)目(視頻碼流)廣播，也適用于提供其它多媒體的信息傳輸服務(wù)。此協(xié)議具有以下特性：

●與現(xiàn)有電視廣播的傳輸頻率兼容

這是地面數(shù)字電視廣播的一個(gè)基本需求。

DMB-T傳輸協(xié)議考慮了我國(guó)模擬電視接收機(jī)的持有量，根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行的電視廣播頻率規(guī)范所設(shè)計(jì)的，因此完全兼容現(xiàn)行的電視廣播及接收系統(tǒng)?！窀邤?shù)據(jù)碼率

DMB-T傳輸協(xié)議在8MHz電視頻道中，最大凈荷碼率高達(dá)每秒33Mbits，能夠充分滿足HDTV廣播要求。同時(shí)也使DMB-T傳輸協(xié)議既能用于DTV廣播，也可用于數(shù)據(jù)通信?！裰С址涓C單頻網(wǎng)

和歐洲D(zhuǎn)TV標(biāo)準(zhǔn)相似，DMB-T傳輸協(xié)議支持單頻網(wǎng)，它意味著鄰近的電視臺(tái)可以使用相同的頻率廣播相同的內(nèi)容。與現(xiàn)有的單載波多頻網(wǎng)廣播系統(tǒng)相比，單頻網(wǎng)有利于頻率規(guī)劃，增加頻譜利用率，可使國(guó)家有限的頻率資源得到充分地利用。

我們進(jìn)一步在廣播協(xié)議中引進(jìn)通信技術(shù)，使DMB-T傳輸協(xié)議支持蜂窩單頻網(wǎng)絡(luò)?！褡吭降囊苿?dòng)接收能力

和有線相比，地面數(shù)字電視廣播的移動(dòng)接收是一個(gè)最重要和突出的特性之一。同時(shí)，移動(dòng)接收也是用無(wú)線“最后一公里”接入方案的特性之一，特別是對(duì)于便攜設(shè)備和手持終端，它是非常重要的。

DMB-T傳輸協(xié)議采用基于OFDM的調(diào)制方案TDS-OFDM，這將使得人們?cè)诔俗嚭突疖嚂r(shí)能得到可靠的、即時(shí)的多媒體信息服務(wù)。●快速同步

這是DMB-T傳輸協(xié)議區(qū)別于其它所有數(shù)字電視傳輸協(xié)議的重要特性之一。電視節(jié)目是連續(xù)的視頻數(shù)據(jù)碼流，對(duì)于單純的視頻廣播協(xié)議來(lái)講，同步時(shí)間不是一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題，但是，數(shù)據(jù)通信需要非常快速的同步時(shí)間，以更處理突發(fā)數(shù)據(jù)和短消息?？紤]了數(shù)據(jù)通信的這種要求，我們開發(fā)了時(shí)域同步方案，以便獲得非常快速的同步時(shí)間。DMB-T傳輸協(xié)議的同步時(shí)間約為5ms，而其它數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)在l00ms以上。

對(duì)于手持設(shè)備，一個(gè)重要的要求是省電。DAG-T傳輸協(xié)議和絕對(duì)時(shí)間保持同步，在需要的時(shí)候才開機(jī)，達(dá)到省電的目的?！裨诟鞣N條件和環(huán)境下接收能力強(qiáng)DMB-T傳輸協(xié)議采用了最先進(jìn)的誤碼糾錯(cuò)技術(shù)和信號(hào)調(diào)制技術(shù)，使接收機(jī)能夠在各種各樣的條件和環(huán)境中可靠地接收信號(hào)。與其它D1V標(biāo)準(zhǔn)相比，抵抗室內(nèi)電器產(chǎn)生的脈沖干擾和汽車移動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)干擾的性能尤為顯著?！竦徒ňW(wǎng)成本和運(yùn)營(yíng)成本不同于傳統(tǒng)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，大區(qū)域的蜂窩網(wǎng)建成后才能支持服務(wù)，支持漫游更需要跨區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。DMB-T傳輸協(xié)議基于現(xiàn)有的電視廣播體系結(jié)構(gòu)，一旦電視臺(tái)從模擬傳輸轉(zhuǎn)到數(shù)字傳輸，業(yè)務(wù)提供者就可開始數(shù)據(jù)廣播業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)。當(dāng)隨著用戶和傳輸內(nèi)容的增加而容量成為問(wèn)題時(shí)，可以通過(guò)逐漸的建設(shè)蜂窩網(wǎng)提高網(wǎng)絡(luò)容量。

DMB-T傳輸協(xié)議應(yīng)用模式是一種廣播和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)服務(wù)的混合模式。公共信息以非常低的成本傳送給各個(gè)消費(fèi)者。這使得DMB-T傳輸協(xié)議解決方案的運(yùn)行成本較低。

因?yàn)镈MB-T傳輸協(xié)議基于現(xiàn)有的電視廣播體系結(jié)構(gòu)，因此，它能夠很快速地開展起來(lái)。

這對(duì)于新技術(shù)市場(chǎng)啟動(dòng)是非常重要的?！窈推渌麯TV標(biāo)準(zhǔn)的比較目前，國(guó)際電聯(lián)(1TU)已經(jīng)批準(zhǔn)了3種地面數(shù)字電視傳輸標(biāo)準(zhǔn)。它們是美國(guó)的ATSC標(biāo)準(zhǔn)、歐洲的DVB-T標(biāo)準(zhǔn)和日本的ISDB-T標(biāo)準(zhǔn)。ATSC標(biāo)準(zhǔn)基于8-VSB技術(shù)，而DVB-T和ISDB-T基于COFDM調(diào)制技術(shù)。表2是DMB-T傳輸協(xié)議和這些標(biāo)準(zhǔn)的比較。表2DMB-T傳輸協(xié)議和其它DTV標(biāo)準(zhǔn)的比較DMB—TATSCDVB—T／ISDB—T移動(dòng)接收最好壞好室內(nèi)接收好壞好支持突發(fā)數(shù)據(jù)是否否支持蜂窩網(wǎng)是否否支持省電功能是否否支持雙速率傳輸是否是此表說(shuō)明DMB-T傳輸協(xié)議技術(shù)有更好的優(yōu)越性，特別是對(duì)于數(shù)據(jù)通信。支持"移動(dòng)接收"使它成為理想的無(wú)線解決方案；支持"突發(fā)數(shù)據(jù)"使它能夠處理短數(shù)據(jù)或消息；"省電"設(shè)計(jì)是手持設(shè)備的需要；而支持"蜂窩網(wǎng)"使它能夠擴(kuò)展，滿足未來(lái)更大的容量需求。5發(fā)展歷程伴隨著中國(guó)數(shù)字電視的發(fā)展，清華大學(xué)地面數(shù)字多媒體電視傳輸DMB-T系統(tǒng)也經(jīng)歷了不斷發(fā)展、完善和提高的過(guò)程。

1998年10月，在北京召開的第3屆國(guó)際專用集成電路學(xué)術(shù)會(huì)議上(ASICON'98)楊林博士發(fā)表有關(guān)設(shè)計(jì)開發(fā)數(shù)字電視集成電路的論文，受到國(guó)內(nèi)有關(guān)方面關(guān)注。1999年10月，將數(shù)字電視傳輸方案的各種版本修改稿和廣電總局全國(guó)數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)的信道組、國(guó)家高清晰數(shù)字電視總體組的專家進(jìn)行討論，并向有關(guān)專家征求對(duì)該方案的意見。1999年12月，在清華大學(xué)完成數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，并向廣電總局?jǐn)?shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)、國(guó)家高清晰度數(shù)字電視總體組及其他專家、學(xué)者匯報(bào)演示。2000年1月19日，由廣電總局?jǐn)?shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)和清華大學(xué)共同主辦數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)研討會(huì)。2000年6月，完成清華大學(xué)DMB-T數(shù)字電視傳輸中頻硬件系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)調(diào)試(由25片40萬(wàn)門／片)FPGA實(shí)現(xiàn)的樣機(jī))。2000年9月11日到12日，清華大學(xué)舉行了"地面數(shù)字多媒體電視傳輸協(xié)議DMB-T"技術(shù)研討會(huì)，中國(guó)工程院9位院士、國(guó)家數(shù)字電視系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化專家委員會(huì)16位委員、國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局等政府有關(guān)部門官員、電視臺(tái)及相關(guān)企業(yè)共80多人出席了會(huì)議。與會(huì)人員認(rèn)為清華提出的協(xié)議方案跳出了現(xiàn)有的3個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，從中國(guó)市場(chǎng)和產(chǎn)業(yè)需要出發(fā)，采用開放的合作研發(fā)方式，在技術(shù)上具有后發(fā)制人的優(yōu)勢(shì)。2000年9月30日，清華大學(xué)DMB一個(gè)數(shù)字電視傳輸射頻RF系統(tǒng)(FPGA)調(diào)試成功。2000年10月11日，清華大學(xué)DMB-T系統(tǒng)參加深圳高交會(huì)。高交會(huì)期間國(guó)家副總理吳邦國(guó)參觀了清華演示系統(tǒng)并給予高度評(píng)價(jià)。2000年11月8日，清華大學(xué)DMB-T系統(tǒng)編碼器芯片和解碼器IC芯片設(shè)計(jì)完成，送給芯片廠家流片。2001年2月20日，清華大學(xué)拿到DMB-T系統(tǒng)信道編解碼器IC芯片，開始進(jìn)行基于IC的演示系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。2001年3月，信息產(chǎn)業(yè)部、廣電總局將派有關(guān)專家赴日內(nèi)瓦參加3月底國(guó)際電聯(lián)ITU召開的2001年年會(huì)。會(huì)上，我國(guó)代表將向國(guó)際電聯(lián)介紹中國(guó)數(shù)字電視的發(fā)