高清地面?zhèn)鬏敿夹g(shù)

文｜宋文君

高清電視HDTV是High Definition Television的簡稱，意思是高清晰度電視，它是一種數(shù)字電視技術(shù)。數(shù)字電視技術(shù)是指從演播室到發(fā)射、傳輸、接收過程中的所有環(huán)節(jié)都是使用數(shù)字電視信號，或?qū)υ撓到y(tǒng)所有的信號傳播都是通過由二進制數(shù)字所構(gòu)成的數(shù)字流來完成的。也就是說HDTV從電視節(jié)目的采集、制作到電視節(jié)目的傳輸，以及到用戶終端的接收全部實現(xiàn)數(shù)字化。

高清電視與傳統(tǒng)模擬電視和標清電視相比更強調(diào)畫面、聲音的清晰度，其掃描線在1080行,每行1920像素，寬高比16:9，與4:3寬高比的標清電視相比，畫面的震撼力更強，更加符合人們的視覺特性，圖像質(zhì)量更高。它的音頻效果也很好，通過和家庭影院搭配使用，輸出杜比5.1的環(huán)繞立體聲，可以實現(xiàn)良好的視聽效果。由于它采用全數(shù)字化的信號處理模式，圖像在傳輸過程中，不會出現(xiàn)任何低質(zhì)量問題，因此用戶在家里也可享受與演播室一樣的清晰畫面質(zhì)量。

高清電視最早是由美國聯(lián)邦通訊委員會FCC提出，在已有的地面電視廣播頻道規(guī)劃下，通過使用空閑頻道或原來的禁用頻道與現(xiàn)行的模擬信號實現(xiàn)同播, 以后將通過同播作過渡, 逐漸取代模擬電視。這一計劃對于頻率資源再利用和現(xiàn)有電視向HDTV過渡都具有很重要的意義。

高清地面?zhèn)鬏斨械母蓴_抑制

地面無線傳輸作為電視廣播傳輸?shù)膫鹘y(tǒng)手段，由于其獨具的簡單接收和移動接收的能力，能夠滿足現(xiàn)代信息化社會所要求的信息到人的基本需求。通過電視臺的制高點天線，對外發(fā)射無線電視，對所有電視用戶進行覆蓋，用戶可以利用接收天線及電視機隨時觀看電視節(jié)目，這是支持地面?zhèn)鬏數(shù)幕緜鬏斝问健＿^去，在模擬電視傳輸網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下，難以解決噪聲污染、多徑干擾等問題，因此人們只能將天線放在室外，因此樓群中大面積發(fā)展公用天線。HDTV地面廣播在未來數(shù)十年中將成為新的需求增長點，具備極大的商業(yè)價值，但與衛(wèi)星廣播和有線電視相比，它也有信道質(zhì)量惡劣、干擾嚴重、頻道資源緊張等問題。所以HDTV地面廣播在傳輸系統(tǒng)中也要對干擾采取抑制措施。

在HDTV地面廣播的傳輸中主要有噪聲干擾、多徑干擾和同頻干擾3種干擾形式。

（1）噪聲干擾

數(shù)字電視地面廣播中的噪聲干擾主要有兩類，一類為高斯白噪聲，另一類為沖激噪聲，這兩類噪聲干擾都屬于加性干擾，會疊加在電視信號上。噪聲干擾在模擬電視中造成雪花，但在數(shù)字電視中會造成圖像的大面積失真，甚至無法收看。

（2）多徑干擾

多徑干擾又叫回波干擾，在地面廣播中最為普遍，地面廣播中發(fā)射信號的電磁波遇到山脈、樹木及樓房等障礙物時產(chǎn)生十幾秒的回波，反射信號進入接收機中就會造成回波干擾?；夭ǜ蓴_在模擬電視中造成的就是重影，而在數(shù)字電視中造成的是數(shù)字通信中的符號間干擾。

（3）同頻干擾

為了提高地面廣播的頻譜資源利用率，將數(shù)字電視放在禁用頻道上廣播，而禁用頻道在本地的模擬電視不用，只是在相鄰服務(wù)區(qū)的模擬電視中使用，這樣，在本地的禁用頻道中播放了數(shù)字電視，這種方式叫“同播”。由于同播的要求，相鄰服務(wù)區(qū)同一頻道的模擬電視節(jié)目有可能進入數(shù)字電視接收機，產(chǎn)生同頻干擾，這種干擾仍然屬于加性干擾。

高清電視（HDTV）是全球廣播電視行業(yè)最引人注目的焦點之一，它已成為第3代電視標準。2008年1月1日北京進行地面數(shù)字廣播高清（HDTV）業(yè)務(wù)和標清（SDTV）業(yè)務(wù)，構(gòu)建了33頻道中央臺高清和14頻道北京臺高清地面發(fā)射系統(tǒng)。從2010年開始，高清市場在全國進入快速發(fā)展期。

應(yīng)對HDTV地面?zhèn)鬏斨械倪@些干擾有以下的抑制方法：

（1）噪聲干擾的抑制

為了消除噪聲干擾,在數(shù)字電視地面廣播的傳輸系統(tǒng)中要加入強有力的糾錯措施。傳輸系統(tǒng)中的糾錯編碼由兩種糾錯碼級聯(lián)構(gòu)成，一般將具有強大的糾正連續(xù)誤碼能力的RS碼（Reed-solomon碼）作為外碼，內(nèi)碼一般選用卷積碼,因為在相同的編碼效率的前提下,卷積碼具有比分組碼更優(yōu)良的性能。目前這一技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用于數(shù)字電視系統(tǒng)中,系統(tǒng)中的內(nèi)碼和調(diào)制是綜合進行的。而沖激噪聲的抑制需要將交織與糾錯編碼一起進行。

（2）多徑干擾的消除

目前,克服多徑干擾的方法在技術(shù)上可以分為兩類:時域均衡技術(shù)和正交頻分復(fù)用調(diào)制技術(shù)(OFDM)。

均衡技術(shù)是一項傳統(tǒng)技術(shù),被廣泛應(yīng)用于數(shù)字通信系統(tǒng)中,美國的ATSC地面系統(tǒng)(ATSC 8-VSB)采用均衡技術(shù)來消除回波，它的特點是技術(shù)成熟。但均衡技術(shù)只適用于消除時延較短的回波，對時延較長的回波效果差,而且對回波時延的變化很敏感，此外它的結(jié)構(gòu)也很復(fù)雜。

（3）同頻干擾的抑制

數(shù)字視頻廣播系統(tǒng)的信號發(fā)射功率低于普通電視信號的發(fā)射功率,所以數(shù)字視頻廣播對相鄰服務(wù)區(qū)普通電視的干擾幾乎為零，但當(dāng)數(shù)字電視信號與同頻道的普通電視同播時，普通電視可能對數(shù)字電視產(chǎn)生干擾。美國和歐洲解決同頻干擾的方法不同,在美國的系統(tǒng)中,使用一個NTSC同頻干擾濾波器，比較好地消除了同頻干擾，但收發(fā)兩端需使用12對編解碼器，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜。歐洲D(zhuǎn)VB系統(tǒng)采用的是OFDM方式，考慮到普通電視的能量集中在視頻載波、色副載波以及伴音載波附近,可以直接在頻譜上開槽來消除同頻干擾，這種方法實現(xiàn)起來簡單，無需另外增加設(shè)備,但在頻譜利用率上有少許降低。

高清地面?zhèn)鬏斣?/h2>

從上述對地面?zhèn)鬏數(shù)姆治鰜砜?，HDTV的地面廣播不僅要有高效的圖像壓縮編碼技術(shù)，保證能在6/8MHz帶寬內(nèi)傳送，更要有一整套信道編碼措施，如R-S糾錯編碼，擾碼、交織、格形編碼及調(diào)制技術(shù)來保護。

HDTV地面廣播的基本要求是在單個頻道（6/8MHz）內(nèi)傳輸經(jīng)壓縮的圖像和伴音信息。圖1是全數(shù)字式HDTV發(fā)送端原理框圖。

下面對這幾個過程逐一分析：

圖1 HDTV發(fā)射端原理圖

信源編碼中的圖像信號: 活動圖像專家組(MPEG)建議的具有運動補償?shù)膸g預(yù)測/離散余弦變換, 壓縮比在20-60之間。

信源編碼中的伴音信號:可采用杜比AC-3的算法, 5.1 聲道(五個聲道加一個重低音聲道的環(huán)繞聲)編碼。

擾碼器的作用是避免信息比特流長時間為0或1 ,以免影響有關(guān)的同步信息提取。由于電視頻道帶寬限制和HDTV高信息速率要求, 需采用多電平傳輸。

RS 編碼（Reed-solomon碼）是行之有效的多符號糾突發(fā)錯誤的編碼方法, 是一種改善抗干擾性能的外信道編碼。在同樣編碼冗余度下,RS碼具有最強的糾錯能力。RS碼在通信領(lǐng)域已被廣泛地應(yīng)用。當(dāng)前國際上所提出的各種數(shù)字HDTV地面?zhèn)鬏敺桨笩o不采用RS碼。以RS碼作為外碼,多電平格狀編碼作為內(nèi)碼的級聯(lián)碼,加上完全的數(shù)據(jù)交織,為數(shù)字HDTV傳輸提供強有力的前向糾錯能力。

交織編碼器用來進一步減少信道中的突發(fā)干擾影響, 因它可使突發(fā)干擾變成隨機干擾。糾錯編碼在實際應(yīng)用中往往要結(jié)合數(shù)據(jù)交織技術(shù)。這是因為許多信道中差錯是突發(fā)的,也就是說發(fā)生錯誤時,往往是有很強的相關(guān)性,甚至是連續(xù)一片數(shù)據(jù)都出了錯。這時由于錯誤集中在一起，常常超出了糾錯碼的糾錯能力。所以在發(fā)送端加上數(shù)據(jù)交織器，在接收端加上解交織器，使得信道的突發(fā)差錯分散開來，把突發(fā)差錯信道改造成獨立隨機差錯信道。

內(nèi)信道編碼和調(diào)制結(jié)合在一起優(yōu)化成格狀編碼,其結(jié)果在不改變波形速率,也就是不改變帶寬的條件下,通過擴展了使用的信號電平數(shù),也就是擴展了采用的信號數(shù)目,使得按波形的符號錯誤概率的性能得到了改善。但同時也使設(shè)備相應(yīng)變得復(fù)雜了。利用格形編碼, 可使系統(tǒng)在幾乎不增加帶寬下, 獲得相當(dāng)?shù)木幋a增益(3-5dB), 從而改善系統(tǒng)抗噪聲能力或降低解調(diào)門限。

同步信號加入是為了保證信息傳輸?shù)耐揭? 而測試信號則是為了利用它在接收端來估計信道特性。

由于廣播信道受環(huán)境條件影響大, 導(dǎo)頻信號的插入可保證在強干擾下系統(tǒng)能維持正常工作。

最后, 經(jīng)調(diào)制將信號送至射頻發(fā)射。其中, 調(diào)制的基本要求是, 調(diào)制后的信號滿足電視頻道(6/8MHz)帶寬的要求。

圖2是相應(yīng)的接收機原理框圖。

圖2中, 通過中頻（IF）濾波器可獲得導(dǎo)頻信號。為此, 利用頻率和相位鎖定環(huán)路獲得本地相干載波, 實現(xiàn)相干解調(diào)。

抑制濾波器的作用是盡量減少同頻道的現(xiàn)存模擬制電視信號的影響。其基本原理是利用梳狀濾波器的特性把能量主要集中在三個載波(圖像、彩色副載波、伴音)的模擬信號加以抑制。為避免該濾波器對HDTV信號影響, 在發(fā)射端應(yīng)作相應(yīng)的預(yù)編碼。

均衡器用來補償信道的線性畸變?；驹硎? 通過檢測測試信號, 獲得有關(guān)信道的狀態(tài)信息 , 從而對接收的數(shù)據(jù)信息進行線性補償。時域均衡是在匹配濾波器后插入一個帶抽頭的延時線組成的橫向濾波器，抽頭間隔等于符號周期,各抽頭的延時信號經(jīng)加權(quán)后送到加法器輸出，再經(jīng)抽樣送往判決電路,各個抽頭的加權(quán)系數(shù)是自適應(yīng)調(diào)整的,這樣就可以消除符號間干擾。

其它的處理，均為發(fā)送端的逆過程。

圖2 HDTV接收端原理圖

高清地面調(diào)制技術(shù)

高清電視在VHF（甚高頻）/ UHF（超高頻）波段進行地面?zhèn)鬏斨卸疾扇∪珨?shù)字技術(shù),其基帶信號調(diào)制主要有兩類方式,一類可稱為單載波方式，即正交幅度調(diào)制(QAM)和殘留邊帶調(diào)制（VSB）方式,另一類可稱為多載波方式，即OFDM(正交頻分復(fù)用)調(diào)制方式。目前，我國高清地面電視33頻道和14頻道都使用16QAM調(diào)制方式，標清地面電視32頻道使用OFDM多載波調(diào)制方式。就以上所提到的HDTV地面?zhèn)鬏數(shù)囊恍┮? 對這兩類調(diào)制方式進行討論。

單載波調(diào)制方式

首先來看單載波調(diào)制方式, 即QAM和VSB調(diào)制方式。采用雙邊帶調(diào)制時,數(shù)字HDTV信號要能在6/8MHz信道傳輸,必須采用4bit/s/Hz的調(diào)制方法。如果使用簡單的幅度波形，則要用16電平幅度調(diào)制,但這種信號的抗干擾性能很差。可以把數(shù)據(jù)流中每4bit的數(shù)字分成兩個2bit數(shù)字,分別構(gòu)成4電平波形,再調(diào)制到載波的兩個互相正交的分量上。由于載波的兩個分量相互正交,在接收端對合成信號可以采用同步解調(diào)恢復(fù)出兩路4電平波形并且不會引起互相干擾。通常載波的兩個正交分量分別稱為同相分量I和正交分量Q。這種方法稱為正交幅度調(diào)制(QAM)。

QAM傳輸方式屬串行傳輸方式，為對付信道中的多徑效應(yīng)，接收端必須加入自適應(yīng)均衡器，以抵消碼間串?dāng)_。

由于殘留邊帶調(diào)制的信號帶寬接近單邊帶調(diào)制信號的帶寬（即基帶信號帶寬），故用8電平VSB調(diào)制，即可滿足17-20Mbit/s的信息流在6/8MHz信道帶寬中傳輸。

正交頻分復(fù)用技術(shù)(OFDM)

相應(yīng)于單載波調(diào)制, 還有一種多載波調(diào)制方式(MCM, 也稱為正交頻分復(fù)用OFDM調(diào)制)。在單載波調(diào)制中, 每一個符號都是對一個載波進行調(diào)制。壓縮后的符號占滿整個頻帶。而在多載波調(diào)制中, 是把頻帶分為若干個子頻帶, 使用并行數(shù)據(jù)對多個載波同時進行調(diào)制, 數(shù)據(jù)對各并行載波的調(diào)制可以采用PSK、QAM等多種方式?？紤]到頻譜利用率, 一般采用QAM進行調(diào)制。使用QAM調(diào)制的子頻帶即使頻譜交疊,但仍可以進行正交解調(diào), 并無載波間的干擾。

OFDM信號的一個好處就是實現(xiàn)時可以采用IFFT（快速傅里葉逆變換）和FFT（快速傅里葉變換）作調(diào)制器和作解調(diào)器，這可以大大降低系統(tǒng)的復(fù)雜性。

實際上，多載波調(diào)制可以認為是一種頻域技術(shù), 而單載波調(diào)制則是一種時域電子技術(shù), 因此，存在一種時域和頻域的對稱性。多載波調(diào)制抗時域沖擊干擾能力較強, 因為這一干擾會在FFT中被抹平。但由于多載波調(diào)制中各并行載波的功率都很小, 因此易于受頻域沖擊干擾的影響, 單頻干擾會嚴重損傷載波。而單載波調(diào)制抗頻域沖擊干擾能力較強, 只要單頻干擾信號低于載波功率一定水平即可, 但單載波調(diào)制較易于受時域沖擊干擾的影響。

調(diào)制技術(shù)是HDTV傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)之一, 盡管HDTV地面廣播環(huán)境最復(fù)雜, 條件最惡劣, 但研究全數(shù)字式的HDTV地面廣播傳輸體制仍是現(xiàn)階段的熱點。特別是利用OFDM技術(shù)利于組成單頻網(wǎng)，前景誘人。

結(jié)束語

2009年，總局先后下發(fā)《關(guān)于促進高清電視發(fā)展的通知》和《關(guān)于促進高清電視發(fā)展的補充通知》，明確了高清電視發(fā)展的原則、措施和要求，批準中央電視臺新聞綜合頻道和北京等8個衛(wèi)視頻道高、標清同播。2009年9月，同播的9個高清電視的發(fā)展方向高清頻道一同開播，同時進入有線電視網(wǎng)絡(luò)傳輸，培養(yǎng)了高清電視市場，促進了高清電視節(jié)目和影視劇制作，帶動了高清電視設(shè)備的研發(fā)和生產(chǎn)，為高清電視發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)。

隨著高清技術(shù)全球產(chǎn)業(yè)化, 以及消費級的高清平板電視的日益增長, HDTV 這一技術(shù)已經(jīng)逐步邁入尋常百姓家。 HDTV 是整個數(shù)字電視技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢, 也是地面數(shù)字電視廣播業(yè)務(wù)的主流應(yīng)用。我國地面 HDTV發(fā)展的計劃是爭取用幾年時間盡快在全國推廣開來, 屆時全國90%以上的人都能通過無線數(shù)字電視的方式收看到地面HDTV節(jié)目。免費 HDTV節(jié)目的播出, 使消費者每年節(jié)省約千元的收視費用, 將會對用戶的地面數(shù)字電視和高清設(shè)備消費帶來新一輪動力。我國 HDTV技術(shù)的進步和相關(guān)市場的新一輪發(fā)展, 也將帶動亞太地區(qū) HDTV市場的加速發(fā)展?！?/p>