淺談數(shù)字廣播電視信號移動接收技術(shù)

黑龍江人民廣播電臺八一一臺 許正磊

隨著數(shù)字技術(shù)、信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，無線傳播領(lǐng)域正在相發(fā)一聲深刻的技術(shù)革命，就在這一兩年間，無線數(shù)字媒體的類型驟然豐富，除傳統(tǒng)媒體之外、手機電視、車載移動電視，樓字分類電視，多媒體信息亭、地鐵多媒體信息系統(tǒng)等新興媒體紛紛涌現(xiàn)，移動接收是個熱點，尤其是廣播電視的移動接收，成為發(fā)展方向之一。在早期，這種移動性主要受電源供電、設(shè)備尺寸的限制，基本上沒有辦法實現(xiàn)，移動接收帶來的技術(shù)問題也沒有提到議事日程上。在電子管時代，器件的尺寸比較大，耗電也多，真正的“移動”只在軍事方面，使攜式的收音機也有，但一直不能普及。到了晶本管時代，收音機小到可以放在口袋里，廣播的移動接收算是在一定程度上解決了。但是電視的移動接收問題要比廣播的移動接收困難得多，下面就數(shù)字廣播電視在移動中接收技術(shù)進行分析。

一、數(shù)字電視地面廣播

在現(xiàn)代通信中，通信傳輸手段主要是光纖、衛(wèi)星、數(shù)字微波等，加上地面無線電視廣播電視發(fā)射構(gòu)成信息主體。目前在我國數(shù)字電視按信號傳輸方式可以分為地面無線傳輸數(shù)字電視、衛(wèi)星傳輸數(shù)字電視、有線傳輸數(shù)字電視三類。而移動電視是數(shù)字電視地面廣播的重要應(yīng)用。數(shù)字電視地面廣播在應(yīng)用需求上要求實現(xiàn)移動和便攜接收的功能，使整個技術(shù)系統(tǒng)的要求最高。它具備無線數(shù)字系統(tǒng)所共有的優(yōu)點，較之衛(wèi)星接收，有實理容易、價格低廉的特點；較之有線接收不易受城市施工建設(shè)、自然災(zāi)害戰(zhàn)爭等因素造成的斷網(wǎng)影響；數(shù)字電視地面廣播通過電視臺制高點天線發(fā)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(jié)目，主要的受眾也是針對本地區(qū)的。完善的數(shù)字電視地面廣播系統(tǒng)所具備的蜂窩單頻網(wǎng)功能，不僅提高了頻譜的利用率，而且可應(yīng)用與寬帶無線接入市場；而移動和便攜的獨特優(yōu)勢使該系統(tǒng)能滿足現(xiàn)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。

二、移動接收所遇到的主要問題

移動接收采用的方式是無線數(shù)字信號發(fā)射、地面接收。因此，移動接收所遇到的問題之一就是衰落，這是所有無線通信系統(tǒng)都會遇到的問題。對于固定接收可以采用分集接收等方法予以克服，但對于移動接收而言分集接收的方法顯然不實用，因此衰落問題尤為突出。

電波在沿地表傳播中會受到各種阻礙物的反射、散射和吸收，實際到達收信天線處的電波除了來自發(fā)射天線的直接波外，還存在來自各種物體（包括地面）的反射波和散射波。反射波和散射波在收信天線處形成干涉場，此外，在移動通信中，還存在因移動臺（天線）的快速移動而劃過顛簸的波節(jié)和波幅的駐播現(xiàn)象及由于多普勒效應(yīng)而造成的相移，凡此種種原因，就使得實際移動臺接收到的場強在振幅和相位上均隨時隨地在急驟變化，使信號很不穩(wěn)定，這就是無線電波的衰落現(xiàn)象。衰落的嚴重程度通常隨頻率或路徑長度的增加而增大。目前還無法對衰落進行精確的預(yù)測，但區(qū)分繞射衰落和多徑衰落兩種不同類型的衰落是十分重要的。前者為慢衰落，短期信號中值電平在長期中的起伏：后者為快衰落，即瞬時信號電平在短期中的起伏。這兩種衰落的表現(xiàn)和影響是不同的另外，與其他無線通信系統(tǒng)不同的是，移動接收的關(guān)鍵點是移動。因此，移動接收還存在一個其他無線通信不會遇到的問題，這就是多普勒效應(yīng)。系統(tǒng)方面，移動接收還要考慮覆蓋網(wǎng)的建設(shè)，接收機（特別是便攜機）的耗電，接收天線的安裝等問題。從基本原理考慮，模擬廣播電視信號是不宜實現(xiàn)移動接的。

為解決移動接收中遇到的問題，廣播電視信號必須首先實現(xiàn)數(shù)字化。利用數(shù)字技術(shù)無線接收，可有效解決以上問題。只要在信號有效覆蓋范圍內(nèi)，所有移動交通工具，只要配有接收設(shè)備，都可以接收數(shù)字移動電視信號。

三、移動接收中的關(guān)鍵技術(shù)

PFDM是正交頻分復(fù)用（0rthogonal Frequency Division Multiplexing）的縮寫，是在嚴得電磁干擾的通信環(huán)境下保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定完整傳輸?shù)募夹g(shù)措施。OFDM的基本原理是：高速信息數(shù)據(jù)流通過串/并變換，分配到速率相對較低的若干子信道中傳輸，第個子信道中的符號周期相對增加，這樣可減少因無線信道多徑時延擴展所產(chǎn)生的時間彌散性對系統(tǒng)造成的碼間干擾。另外，由于引入保護間隔，在保護間隔大于最大多徑時延擴展的情況下，可以最大限度地消除多徑帶來的符號間干擾。如果用循環(huán)前綴作為保護間隔，還可避免多徑帶來的信道間干擾。在過去的頻分復(fù)用系統(tǒng)中，整個帶寬分成N個子頻帶，子頻帶之間不重疊，為了避免子頻帶間相互干擾，頻帶間通常加保護帶寬，但這會使頻譜利用率下降。為了克服這個缺點。OFDM采用N個重疊的子頻帶，子頻帶間正交，因而在接收端無需分離頻譜就可將信號接收下來。OFDM的特點是各子載波相互正交，擴頻調(diào)制后的頻譜可相互重疊，不但減少了子載波間的相互干擾，還大大提高了頻譜利用率。主要技術(shù)特點如下：1）可有效對抗信號波形間的干擾，適用于多徑環(huán)境和衰落信道中的高速數(shù)據(jù)傳輸；2）通過各子載波的聯(lián)合編碼，具有很強的抗衰落能力；3）各子信道的正交調(diào)制和解調(diào)可通過離散傅利葉反變換和離散傅利葉變換實現(xiàn)；OFDM能夠有效地對抗衰落和多普勒現(xiàn)象帶來的負面影響，使受到干擾的信號能夠可靠地接收。OFDM碼率低，又加入了時間保護間隔，具有極強的抗干擾能力。其多徑時延小于保護間隔，所以系統(tǒng)不受碼間干擾的困擾。在有關(guān)移動接收的幾種標(biāo)準(zhǔn)的制定過程中，都采用OFDM作為其核心技術(shù)。

四、移動接收制式

眾所周知，地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)目前有多種制式，這些制式總體上可以分為單載波方式和多載波方式兩類，美國用的ATSC是單載波的，歐洲的DVB-T是多載波的。英國是實施DVB-T標(biāo)準(zhǔn)最成功一個國家，并成功的開通了地面數(shù)字電視廣播。法國、瑞典、西班牙在實施地面數(shù)字廣播方面也獲得了成功。除我國自己提出的若干種制式，我國DTTB的制定原理是：

（1）傳輸信息要大，支持包括高清電視的多媒體廣播服務(wù)；

（2）抗干擾能力強，一般室內(nèi)環(huán)境下可接收；

（3）與現(xiàn)有模擬廣播電視頻道兼容，并有利于頻道規(guī)劃和模擬向數(shù)字過渡；

（4）具有靈活性；支持標(biāo)準(zhǔn)高清晰度和高表晰度兼容的電視廣播，支持移動接收設(shè)備，支持便攜接收設(shè)備；

（5）具有可擴展性；支持包括互聯(lián)網(wǎng)的交互數(shù)據(jù)綜合業(yè)務(wù)，支持廣播網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展需要。整體性能指標(biāo)應(yīng)優(yōu)于或相當(dāng)于相應(yīng)的國外現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的性能。通過地面數(shù)字廣播網(wǎng)絡(luò)向便攜/手持終端提供多媒體業(yè)務(wù)所制定的傳輸標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)是歐洲的數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)DVB-T的擴展應(yīng)用。和DVB－T相比，DVB-H終端具有功耗更低、移動接收和抗干擾性更強的特點，因此該標(biāo)準(zhǔn)適用于移動電話、手持計算機等小型便攜設(shè)備能過地面數(shù)字電視廣播網(wǎng)絡(luò)接收信號。也可以說DVB-H標(biāo)準(zhǔn)依托DVB-T傳輸系統(tǒng)，通過增加一定的附加功能和改時技術(shù)使手機等手持便攜設(shè)備能夠在固定和移動狀態(tài)下穩(wěn)定地接收廣播電視信號。在DVB-T的移動性進行測試的時候，也提出了DVB-T在移動環(huán)境下是否適合其他多媒體應(yīng)用的問題。移動電話制造商，對通過DVB-T的高數(shù)據(jù)率的應(yīng)用提供移動的多媒體服務(wù)特別感興趣。其動機是，在移動電話商業(yè)價值鏈中，電視最后一個不在手上的鏈路。由于用DVB-T向移動電話廣播有缺點，所以有了制定以DVB-T為基礎(chǔ)的，專用于手持接收機的標(biāo)準(zhǔn)的主意。這方案叫做DVB-H。DVB-H的基本商業(yè)要求是用電池供電的小的屏幕移動終端。它應(yīng)該能夠在手提式的，移動的和室內(nèi)的環(huán)境中，使用單一天線接收多媒體業(yè)務(wù)。

五、DAB和DVB-H在技術(shù)上的異同

從總體上看，DAB和DVB-T/H傳輸系統(tǒng)是以相同的調(diào)制和編碼技術(shù)為基礎(chǔ)的，這就是編碼正交頻分頻復(fù)用（COFDM）。它們之間的差別主要是在特定的區(qū)域，如載波間隔，載波調(diào)制，F(xiàn)FT的大小（也就是副載波的數(shù)量）等等。FFT大小：DAB在一個1.5MHz的信道里，可以應(yīng)用256，512，1k和2k的FFT；DVB-H可以在5，6，7或8MHz帶寬的信道中應(yīng)用2k，4k和8k的FFT。時間分片：DVB-H的時間分片是一種在接收機上節(jié)省功率的新機制。如果在沒有業(yè)務(wù)傳輸?shù)哪切r間段，接收機可以斷開，那么就可以節(jié)省電池的電力。DVB-H的時間分片意味著數(shù)據(jù)是以突發(fā)脈沖串的方式傳輸?shù)模@些脈沖串從幾毫秒到幾秒之間。這項技術(shù)以下列二個與業(yè)務(wù)有關(guān)的問題的折衷為基礎(chǔ)：業(yè)務(wù)需要什么數(shù)據(jù)率？而在接收機這邊應(yīng)當(dāng)節(jié)省多少電池的電力？DAB也是用串的形式傳輸數(shù)據(jù)的。這種“數(shù)據(jù)脈沖串”是DAB幀的一部份，幀跟隨在一個無效符號后，持續(xù)24ms。時間交織：DVB-H沒有采用時間交織，因為DVB-T標(biāo)準(zhǔn)不提供時間交織：DVB-T原先不是作為高速移動接收而設(shè)計的。DAB從一開始就是為移動接收而設(shè)計的。時間交織解決了在單天線的移動接收條件下的衰落問題。時間交織把突發(fā)誤碼分配在一個較大的時段上，使得FEC能夠校改正這些誤碼。在移動接收中，更有可能出現(xiàn)在是突發(fā)誤碼而不是單個誤碼。在DAB中，時間交織工和在16個“數(shù)據(jù)串”上。一個數(shù)據(jù)串持續(xù)24ms，使得時間交織工作在384ms上。不相等的誤碼保護（UEP）：不相等的誤碼保護意味著在解碼過程中，較重要的比特的保護優(yōu)于較低重要性的比特。DAB支持UEP。這意味著對解碼過程，比特是依照它們的重要性進行保護的。這對移動和便攜接收是非常重要的，因為一般來說，惡劣的接收條件是無可避免的，在惡劣的接收條件下的服務(wù)性能是關(guān)鍵問題。借助UEP，通過設(shè)計相對于主業(yè)務(wù)保護的不同的誤碼保護類型，就可以把失效特性對客觀或主觀的服務(wù)品質(zhì)實現(xiàn)最佳化。DVB-T/H沒有準(zhǔn)備UEP。這意味著，那些損害某些重要信候（例如控制信息）的誤碼只能像那些不明顯的比特那樣來保護。對于用戶，不明顯的比特是否被破壞是不要緊的，他們最關(guān)心的是，重要的同步是否丟失。多協(xié)議封包一前向誤碼糾錯（MPE-FEC）：在DVB-H中，多協(xié)議封包結(jié)合附加的前向糾錯（FEC），是用來改善單天線的移動接收的。但是這種誤碼保護只在一個時間片工作。但傳輸?shù)恼`碼通常不是單個的誤碼而是作為突發(fā)誤碼串出現(xiàn)的，如果時間片被擾亂太多，業(yè)務(wù)就丟失，不僅百間片的期間，也延伸直到下個時是片被傳輸?shù)钠陂g。MPE-FEC是一個在較高的協(xié)議層的附加FEC，能夠校正在較低層上的剩余誤碼，但只能在某個范圍內(nèi)。因此，DVB-H對它的有效比特沒有獨立的保護。現(xiàn)在計劃進行進一步的實驗室測試和現(xiàn)場試驗，以研究帶和不帶MPE－FEC兩種情況下，只用一個天線的DVB-H的接收性能。DAB不使用MPE-FEC，因為這只是在一個較高的傳輸層上的一個附加的誤碼保護機制。不過在DAB中使用MPE-FEC或類似的誤碼保護系統(tǒng)也不是問題WORLDDAB協(xié)會現(xiàn)在正在考慮DAB標(biāo)準(zhǔn)的擴展，它會包括像DVB-H那樣基于MPE-FEC的誤碼保護方案，或者如DVB-T和DVB-S標(biāo)準(zhǔn)所用的，MPEG-2傳輸流的基于R-S碼。可擴縮性：DAB的復(fù)接是以864個容量單元為基礎(chǔ)的，它們可以組合起來以適合業(yè)務(wù)需要的任何數(shù)據(jù)率。因此業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)率的最小值受容量單元的限制。根據(jù)所選擇的誤碼保護，這在1.3kbit/s的數(shù)量級：作為數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，通常用8kbit/s的倍數(shù)。DVB-H提供的業(yè)務(wù)可以從0－10Mbit/s。它只取決于時間片的大小。因為各種不同的理由，如果每個業(yè)務(wù)用的數(shù)據(jù)率為300kbit/s或更少，DAB更適合移動終端的技術(shù)需求。舉例來說，它在多工方面比較簡單。經(jīng)由DAB可以傳輸四到六套節(jié)目，然而在DVB-H有30套或更多的節(jié)目需要復(fù)接。這么多節(jié)目的處理是更困難的。利用差分相移鍵控（DQPSK），DAB的解調(diào)技術(shù)比較簡單。藉由這種解調(diào)技術(shù)，接收機的復(fù)雜性減少了。在接收機方面，DAB只需要DVB-T的5-20%的功率，而DBV-H消耗DVB-T的大約33%的功率。功率的減少取決于業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)率。相對DVB-H，DAB的帶寬較低，DAB發(fā)射網(wǎng)絡(luò)經(jīng)DVB-H發(fā)射率的功率小得多。DVB-H網(wǎng)絡(luò)的發(fā)射功率至少與DVB-T相同。通過利用大的SFN，DAB可以提供高的網(wǎng)絡(luò)頻譜效率。此外，通過為每個業(yè)務(wù)運行者進行頻譜規(guī)劃，頻率資源可以非常有效地利用。今天，DAB音頻業(yè)務(wù)在L波段上用得不多，這波段仍然有DAB多工可用的頻譜。

六、DVB-H和DAB的其他方面

全國性的單頻網(wǎng)：大體而言，DVB-H和DAB都可能建立全國性的單頻網(wǎng)，但是，因為減少自我干擾的靈敏度，DAB允許大的SFN。這是非常有頻譜效率的。與此相比，用16QAM模式的DVB-T/H，最大的SFN大約是200km。在歐洲，DVB-H和DAB之間開始合作，目標(biāo)是回答下列問題：是否有一個以DAB為基礎(chǔ)的，類似DVB-H的，有用的或可能的標(biāo)準(zhǔn)一種迎合兩個標(biāo)準(zhǔn)的最終用戶器件是否容易實現(xiàn)？DAB向移動用戶提供DVB-H業(yè)務(wù)需要什么？人們正在協(xié)調(diào)DAB和DVB-H。例如讓DAB能使用DVB-H的MPE-FEC.另外，另一種可能性可能在比較高層，例如視頻編碼（MPEG-4，H.264）和傳輸層（IP的使用）。真正需要的是在IP-DATACAST/DVB-H業(yè)務(wù)和DAB物理層之間有一個公共接口定義。有人提出，移動接收應(yīng)當(dāng)用DAB，他的理由是：從標(biāo)準(zhǔn)化進程的最開始，DAB就是為用單天線作移動接收而設(shè)計的；數(shù)據(jù)率從小顯示。1.2Mbit/s(在較低的誤碼保護為1.5Mbit/s)是可擴展的；DAB發(fā)脈沖噪聲是穩(wěn)健的；DAB需要的發(fā)射機功率比DVB-H低；不管音頻還是多媒體業(yè)務(wù)，DAB都是由廣播界推動的。隨著表面焊接技術(shù)，計算機CAD輔助設(shè)計技術(shù)，超大規(guī)模集成電路技術(shù)日臻完美，有利的推動了數(shù)字技術(shù)，信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，無線傳播、發(fā)射、接收技術(shù)也發(fā)生的日新月異的變化，在以后的發(fā)展中主要圍繞超大功率超遠程接收發(fā)射，節(jié)能環(huán)保等技術(shù)工作進行展開。