對ATSC 3.1版物理層的個人建議

徐孟俠

對ATSC 3.1版物理層的個人建議

徐孟俠

ATSC正在積極制定ATSC 3.0版；預計2015年底將完成標準草案。提出其中可補充的3方面技術，作為對ATSC 3.1版物理層的個人建議：1）增加單載波調制的可選項（n-VSB和n-QAM等）；2）增加“單頻道方案”（僅使用指派頻道）實現“回傳信道”的可選項，作為“空白頻道方案”的補充；3）增加由中國工程師們自主創新的“寬帶數字電視（DTV）發射機+M-SFN（多頻道單頻網）技術”組建DTTB網絡，而當它使用于單載波系統的高比特率傳輸固定接收服務時（如4K/ 8K-UHDTV），具有一定技術優勢。

地面數字電視廣播；ATSC；單載波；寬帶數字電視發射機；多頻道單頻網

1 關于ATSC 3.0版標準

ATSC[1]正在積極制定ATSC 3.0版標準[注1]，從征集需求和提案、到標準草案制定的有關環節（特別是工作量最大的物理層），進展比較順利。

[注1]ATSC 1.0版于1996年12月圣誕節前由美國政府機構聯邦通信委員會（FCC）批準，迄今已近18年。1998年美國大規模推廣ATSC后，于2009年7月底前按計劃完成過渡，并騰出全部“700 MHz頻段”進行重新分配。而ATSC 2.0版（MH版，即移動/手持版）于2009年9月由FCC批準，迄今也已5年余。

2014年6月，ATSC技術委員會（TC）主席兼第3工作組（負責物理層）組長Richard Chernock博士在山東煙臺舉行的“未來廣播電視（FOBTV）”的高峰會[注2]上，介紹了ATSC 3.0版物理層的進展[2]，并給出ATSC 3.0版標準草案制定過程的日程表（在2015年底將完成全部標準草案）。有韓國和西班牙的專家向筆者表示：該標準爭取在2016年夏的巴西里約熱內盧奧運會期間，實現4K-UHDTV的地面試驗性廣播，其中視頻編碼則采用MPEG-HEVC/H.265標準。

[注2]該會議由2011年11月11日在上海成立的國際組織“未來廣播電視（FOBTV）”舉辦。后者的秘書處為中國上海NERC-DTV。詳見www.fobtv.org或www.nercdtv.org。

據悉，ATSC 3.0版物理層（PHY）共收到11個提案，其中1個來自中國，它由中國上海數字電視國家工程研究中心（NERC-DTV）、中科院上海高等研究院和上海交通大學3個單位聯合提出。約半年后，NERC的3個工業界成員（海爾、TCL這2家電視機制造廠商以及發射機制造廠商北京北廣科技）也參加了中國提案的工作。其余10個提案的提出單位有總部在歐洲的DVB、日本NHK科研所、Sony、韓國ETRI、韓國三星、美國Zenith、韓國LGE、加拿大通信研究中心（CRC）、電信界的Qualcomm和Ericsson等。從國別來看，掌握地面數字電視廣播（DTTB）高科技的絕大部分國家（歐洲國家及美、日、韓、中）都有機構參與。因此，筆者認為ATSC 3.0版將是“未來廣播電視”信道傳輸領域的唯一候選者[3]。

下面第2節扼要介紹ATSC 3.0版物理層的進展。第3～5節則是筆者對ATSC 3.1版的個人建議[注3]：第3節是增加單載波可選項（如n-VSB和n-QAM等）；第4節是增加“單頻道（指派頻道）方案”實現回傳信道的可選項，可不依賴于“空白頻譜”；第5節則是增加中國工程師們自主創新的“寬帶DTV發射機+M-SFN（多頻道單頻網）”DTTB組網技術的創新模式[4-6]，它特別適用于采用單載波系統實現高比特率固定接收服務（例如應用于4K/8K-UHDTV），以充分發揮單載波系統的若干技術優勢。最后的第6節則是簡短小結。

[注3]為了不影響ATSC 3.0版（特別是工作量較大的物理層）當前的工作，本文的建議可作為ATSC 3.0版標準草案基本確定后，ATSC準備繼續制定ATSC 3.1版時參考。

2 ATSC 3.0版物理層進展簡介[2]

Richard Chernock博士的幻燈片報告[2]內容是ATSC 3.0版物理層已有決定和可供公布的部分，內容極其豐富。本節僅扼要介紹其中的某些關鍵部分。

2.1 ATSC 3.0版的日程表

圖1為ATSC 3.0版的日程表，目前進展順利。預期可在2015年底完成全部標準草案的計劃。

圖1 ATSC 3.0版標準的日程表

2.2 ATSC 3.0版物理層

2.2.1 技術上可解決“無線三網融合”

ATSC 3.0版物理層從其重要框圖來看，在技術上可解決“無線三網融合”。圖2是ATSC 3.0版物理層的框架結構；圖3則是其“信息內容發送”的詳細圖解。從圖3可看出：1）左側完全是計算機系統的體系結構，可解決DTTB網絡與計算機網絡的融合；2）右下方的輸出有兩大部分（完全相同的信息內容源），傳統的DTTB網絡和寬帶網絡（即互聯網絡），可解決兩者的融合。

圖2 ATSC 3.0物理層的框架結構

2.2.2 信道編碼性能更加逼近Shannon理論極限

ATSC 3.0版物理層的信道編碼有幾項基本措施：1）數據結構采納IP的2 048 byte為基本單元，它仍屬于MPEG系統層中的“節目流（PS）”，而不采納188 byte的MPEG“傳送流（TS）”。2）調制（星座圖）基于正交頻分多工（OFDM），容易適應不同的電視頻道帶寬（6 MHz、7 MHz和8 MHz等）和有效帶寬，容易適應手持接收和移動接收的環境（“屋頂天線”固定接收暫不是重點）。3）糾錯編碼基于低密度奇偶校驗（LDPC），并參照DVB-T2（2009年7月）[7]采用“長碼”和“短碼”的兩大類碼字長度，以適應手持接收和移動接收兩大類服務（但尚未公布其具體長度）。

圖4是目前信道編碼計算機仿真的率失真曲線（階段性成果，左下部非常逼近Shannon理論極限），其中按照國際慣例采用AWGN模型和BER=10-6（與“回波模型”無關）。

所謂“非常逼近Shannon理論極限”可從3個方面來看：1）該結果與近18年前批準的ATSC 1.0版相比（圖4中部的A/53），門限值由現場測試值15.2 dB（計算機仿真值按14.2 dB估算）向左下降為約10.9 dB，改善約3.3 dB，離理論極限還有約1.4 dB的差距。2）該結果與5年前批準的DVB-T2[7]相比，具有“后來居上”的特點：表1是該曲線中部和中左部與DVB-T2典型數據（文獻[4]中引用的3個）對比，分別下降（改善）約0.5 dB、約0.8 dB和約1.0 dB。3）整個曲線從中左部到左下端，其逼近Shannon理論極限的差距由約1.0 dB逐步縮小到僅約0.1 dB。

圖3 ATSC 3.0物理層的信息內容發送

圖4 ATSC 3.0信道編碼性能逼近Shannon理論極限的計算機仿真結果

表1 ATSC 3.0信道編碼性能與DVB-T2典型數據3個的對比

這樣的階段性結果顯然是有關提案單位300～400人近1年密切合作拼搏所獲得的，充分挖掘LDPC信道糾錯編碼的技術潛力。

2.3 其他有關內容

1）靈活的服務模型（略）。

2）已選定MPEG-HEVC/H.265為核心視頻編解碼器（codec）。4K/8K-UH?DTV的圖像分辨率格式分別為3 840（像素）×2 160（掃描行）和7 680×4 320（兩者都是16∶9=1.778的寬高比）；但還有中間格式“5K”：4 800×2 160（64∶27=2.370的寬高比，更適合寬銀幕電影片）。而以上3種格式都是逐行掃描格式的，對隔行掃描格式最高只支持到1 080i。

3）實時運行環境：“已一致同意將定義一個基準檔次（baseline profile）”，并認為，“要實施交互式平臺，則必須包括HT?ML5等”。圖5是各種基本檔次和可選的特性。

4）對回傳信道沒有介紹任何內容。

3 建議1：對ATSC 3.1版物理層增加單載波調制的可選項

3.1 預計ATSC 3.0物理層將采納筆者建議的不同調制模式之融合系統框架結構

圖5 各種基本檔次和可選的特性

2011年11月11日，FOBTV在上海成立半年后，筆者發表論文[8]：建議國際通用的DTTB傳輸標準3.0版采納類似中國地面國標[9]的融合系統框架結構，可融合3種類型的調制模式。具體的建議是：數據幀結構可有3個層次，即數據超幀（super-frame）、數據幀（frame）和數據子幀（sub-frame）。而其中數據子幀是基本單元和重點，從時間域來看，有幀頭和幀體（負荷，payload）兩大部分（圖6），并按其采納的調制模式和插入導頻（pilot）信號方式的不同，可分為3大類型。

圖6 數據子幀的幀頭和幀體（負荷）

1）純多載波系統（簡稱類型M）：數據子幀的幀頭部分完全空白，沒有PN碼導頻信號（其輸出頻譜兩側能自動形成“陡降特性”，下面的類型H則不能）。PN碼導頻信號全部插入幀體（負荷）部分，而且幀體（負荷）的其余絕大部分采用OFDM調制（故稱為純多載波系統）。DVB-T、DVB-T2及ISDB-T都屬于這類。

2）單載波/多載波混合（Hybrid）系統（簡稱類型H）：數據子幀的幀頭部分插入PN碼作為導頻信號（與類型S相似，因而它具有單載波的屬性，并喪失純多載波系統輸出頻譜自動生成“陡降特性”的特征），其幀體（負荷）絕大部分采用正交頻分多工（OFDM）調制，因而稱為單載波/多載波混合系統。其幀體（負荷）部分可插入PN碼導頻信號（與類型M相似），但也可不插入（如中國地面國標-C=3 780可選項，其前身是TDS-OFDM）。

3）純單載波系統（簡稱類型S）：數據子幀的幀頭部分插入PN碼作為導頻（pilot）信號，其幀體（負荷）部分則是n-VSB（n=2，4，8，16，…）或n-QAM（n=4，16，64，256，…）等單載波調制（當然從邏輯上講，其幀體部分也可像類型M或類型H那樣插入PN碼導頻信號）。ATSC 1.0版（及2.0版）和中國地面國標-C=1可選項具有與類型S相似的基本結構。

預計：DVB對ATSC 3.0版的提案（還有日本等機構的提案），可能沿襲DVB-T或ISDB-T的傳統（技術及專利）：其數據子幀的幀頭部分（也稱保護間隔，GI）為空白，即屬于上述類型M。而中國提案則可能有所不同而采用上述類型H（沿襲中國地面國標的技術及專利）[注4]。

[注4]中國提案可能延續地面國標[9]的優勢而采納單載波/多載波混合系統（類型H）。但它為了避免TDS-OFDM的專利問題而與地面國標-C=3 780的不同之處可能是：除了在數據子幀的幀頭部分以外，還在其幀體（負荷）部分插入PN碼導頻信號。當然它還需要同DVB-T或ISDB-T有所不同。

如果ATSC 3.0版物理層準備“融合”類型M和類型H（特別是要同類型M有所不同），勢必將采納筆者論文[8]建議的融合系統（包容各種先進調制技術）。如果這樣，它已預留上述類型S可作為ATSC 3.1版新增加調制模式的可選項[注5]。

[注5]ATSC 3.0版物理層目前的提案為何沒有單載波的可選項？筆者以為：ATSC 3.0版（其物理層是重點）面臨的巨大現實需求是寬帶網絡（互聯網）的嶄新市場機遇，重點要解決DTTB網絡與寬帶網絡的“無線融合”。特別是從圖4可看出：其右下側就是寬帶網絡的輸出口。或者說，采納ATSC 3.0版物理層后的地面廣播業者的下一代播控平臺站就成為實實在在的寬帶網絡（互聯網）的網站。

美國2009年6月底完成關閉模擬電視后，騰出“700 MHz頻段”的108 MHz“空白頻譜”（占總頻譜資源的1/3）。這些空白頻譜在2008年夏進行公開拍賣時，賣出約60%，而中標者都是電信公司。然而這些年來，中標的電信公司似乎并沒有從這些頻譜所開展的服務中獲利。究其技術方面的原因可能是：2011年IEEE802.22 WRAN標準中最高的有效比特率也僅22.69 Mbit/s（其信道編碼效率為22.69 Mbit/s÷6 MHz= 3.78 bit/s/Hz，而糾錯編碼率為5/6），不適合低成本、大規模發送視頻服務。而本文圖4的率失真曲線在縱坐標中部的A/53左方，即有大于3.5 bit/s/Hz的結果（信道糾錯編碼率2/3，與上述5/6相比，可容忍的誤碼率為2倍關系）。而且圖4曲線的右上方最高可達大于8.5 bit/s/Hz，這可能是由于WRAN標準中的數據結構較短，導致在傳輸視頻服務時，“頭部開銷”過大，又沒有把LDPC針對固定接收和移動接收兩種服務而有區別地采納“長碼”和“短碼”2種長度的碼字。

另一方面，美國擁有電視節目源的主體就是地面廣播業者，如CBS，NBC，ABC，FOX等4大商業公司和非盈利的PBS等。現在他們不慌不忙騰出手來，從技術上制定ATSC 3.0版來解決DTTB網絡與寬帶網絡“融合”的技術標準，以開拓這方面的嶄新市場。或者說，他們優先考慮通過自辦寬帶網絡的網站，向平板電腦和手機接收的用戶提供完全嶄新的服務（室內接收、手持接收和移動接收），而不是優先考慮向傳統的“屋頂（室內）天線”固定接收用戶提供原有服務的升級版本。后者可留待下一步再解決。

換言之：實際的市場需要側重解決圖4率失真曲線應用的左下部、中左部和中部，而不是其右上部和右上端。因此，提案單位提出的技術方案只有類型M和類型H，才符合美國地面廣播業者自辦寬帶網絡（互聯網）的網站迅速進入現實嶄新市場的迫切需求。

美國地面廣播業者是否會繼續對“700 MHz”中108 MHz剩余的40%，通過FCC的拍賣獲得許可證和使用權后，2017年起主動開展寬帶網絡（互聯網）的嶄新服務，或者同時與電信界（已擁有該頻段60%的許可證和使用權）合作，采用ATSC 3.0版開展同樣的嶄新服務，值得人們繼續跟蹤。

3.2 單載波可選項的傳統技術優勢

ATSC 3.1版物理層增加單載波調制的可選項內容后，可使ATSC 1.0版和地面國標-C=1這2種純單載波系統（類型S）的下述技術優勢在今后有所延續而不致中斷：

1）現場測試的門限值較低（與計算機仿真值有所不同）：在覆蓋范圍邊緣地帶（fringe region）的開闊田野中的現場測試[3]的門限值較低。它適用于AWGN模型主導的類似美國城市郊區的ATSC信號“屋頂（室內）天線”固定接收服務的典型接收環境。

因為，1995—1996年美國廣播業者內部曾有一場大爭論：究竟采用ATSC還是DVB-T作為美國固定接收的標準？前者以CBS為代表；后者以總部設在華盛頓東北Baltimore的Sinclair Groups為代表。因為，在大致相同的有效比特率時，計算機仿真的結果相似。但后來進行的現場測試對比結果卻證實：在固定接收服務中，ATSC的門限值有約4.0 dB的優勢。此后1998年的澳大利亞現場測試和2001年的巴西現場測試又都證實這一結論[3]。

現在再來審閱圖4的率失真曲線。其右上半部顯然是為高比特率固定接收服務設計的：AWGN模型的應用中，美國6 MHz帶寬頻道的最高有效比特率大于50 Mbit/s。那么，在工程實現的現場測試中，如果把類型S與類型M對比，上述約4.0 dB的差距是否繼續存在（甚至擴大）？如果是的話，那么采用類型M（或類型H）實現高比特率固定接收（為“屋頂天線”用戶們服務）時與采用類型S相比，對于相同的覆蓋范圍其發射功率將是后者的約2.5倍（約4.0 dB）以上（類型M與類型S相比，還有發射功率峰均比（PAPR）稍大的不足），其后果是增加電磁污染和電能耗、增加成本[注6]。

[注6]2016年夏的巴西里約熱內盧奧運會要采用ATSC 3.0版+MPEG-HEVC/H.265視頻等，實現4K/UHDTV的DTTB試驗性廣播，看來只會采用其純多載波可選項（類型M）或單載波/多載波可選項（類型H）。但從今后來看，采用單載波可選項（類型S），充分發揮其優勢，可顯著降低成本。

2）抵御同頻道干擾（CCI）和鄰近頻道干擾（ACI）的性能較好：1996年9月美國“大聯盟（GA）樣機”的高比特率固定接收的實驗室測試結果報告草案表明：ATSC（與類型S相似）有良好的抵御CCI和ACI的性能。中國地面國標[9]2006年8月批準前的測試報告也表明：其C=1可選項（與類型S相似）與C=3 780可選項（與類型H相似）在高比特率固定接收時抵御CCI和ACI性能的對比中，前者性能較好[注7]。

[注7]1995—1996年ATSC確定有效帶寬為5.38MHz時考慮到：模數并存的過渡期內大中小模擬和數字發射功率將并存的特性（若干NTSC的發射功率特別巨大），在有效帶寬內保證1套高質量的HDTV前提下，盡量縮小其有效帶寬，以便獲得較好的ACI性能，方便過渡期內的頻率規劃，盡快關閉模擬制地面電視廣播。并經過幾次頻率調整，騰出“700 MHz頻段”，以供拍賣（少數保留為公共專用）。為此，不得不忍痛降低約5%的有效比特率。

現在ATSC 3.0版的有效帶寬面臨2種可能：1）維持原5.38 MHz數值不變；原有的頻率規劃不需修訂。但可能性較大的是，收回1996年時忍痛降低的約5%有效比特率；2）由于原大功率NTSC模擬電視臺完全關閉，嚴重的NTSC對ATSC 1.0版DTTB的ACI干擾已不復存在。而當前和今后較長時期內，頻率規劃只需考慮DTTB相互間的ACI。那么FCC就可考慮采納新的“有效帶寬比”，并對原有的頻率規劃進行一次重大修訂。例如，ATSC 3.0版可采納“有效帶寬比”為約0.95，就可適應類型M和類型H等不同提案的融合（可選項為多種，其中仍可保留原5.38 MHz）。如果“有效帶寬比”有約0.95的可選項，那么從中國地面國標的測試經驗可知：類型S（與地面國標-C=1相似）抵御CCI和ACI的性能，比起類型H（與地面國標-C=3 780相似）要好些（而與類型M相比會更好些）。

3）單載波系統更有利于采用寬帶發射機實現M-SFN的組建省級/大區域DTTB網絡[4-6]；特別是ATSC 1.0版（還有2.0版）的“有效帶寬比”稍小，更有利于采用寬帶DTV發射機（請參閱[注3-4]和第5.3節）。

4 建議2：增加“單頻道方案”（僅使用指派頻道）實現“回傳信道”的可選項[3]

據悉，ATSC 3.0版物理層的“回傳信道”將采納“空白頻譜方案”[注8]。因為，從公開發表的文章來看，目前有加拿大通信研究中心（CRC）牽頭的4個組織（其余3個分別是西班牙Basque州立大學小組、韓國ETRI和日本NHK科研所）正在合作提出建議，采用“分層云傳輸（layered cloud transmission）”技術實現ATSC 3.0版物理層所需的回傳信道（包括上行鏈路）（本文從略）。

[注8]“空白頻譜”可分為三大類（對某特定的地理域覆蓋范圍而言）：1）“700 MHz頻段”以下的地面電視頻譜（以UHF頻段為主）中已指派而尚未動用的、或尚未指派的頻道；2）“700 MHz”頻段內的類似地面電視頻道；3）現存ATSC 1.0版2個頻道之間的“空隙（Gap）”有6.00 MHz-5.38 MHz=0.62 MHz，可動用的頻譜每個頻道約0.5MHz。

4.1 動用“空白頻譜”的優缺點

其優點有：容易把ATSC 3.0版物理層與和IEEE 802.22WRAN標準（回傳信道需要動用“空白頻譜”，適用于農村地區）協調；可促進電信業與地面廣播業的公平競爭或合作。但ATSC也可采納不同的技術，并與之公平競爭。而從圖4來看，ATSC 3.0版物理層將采用后一思路。

其缺點有：1）僅適用于美國等頻譜法規允許動用“空白頻譜”的國家。2）即使就美國而言，在紐約等大城市人口密集地區（收視率和經濟效益最高），往往沒有“空白頻譜”可供使用。地面廣播業者如果要在這些地區實施“回傳信道”，就不得不動用DTTB網絡以外的其他通信資源（如光纖、有線或衛星網絡）。這對于資金雄厚的地面廣播業或電信巨頭，沒有任何困難。但對于中小廣播者來說，如果他們需要在這類地區實時報道某種突發事件，就不得不付出高額費用來臨時租借別家公司的網絡（不能動用已擁有許可證的指派頻道），導致他們在市場競爭中處于不利地位。

4.2 增加具有雙向回傳信道的“單頻道（指派頻道）”可選項[3]

為此，本文建議在ATSC 3.1版物理層增加具有雙向回傳信道的“單頻道（僅使用指派頻道）”可選項，它不依賴于“空白頻譜”。而其基本技術措施是：既可采用時分半雙工（Time Division Duplex，TDD），也可采用頻分半雙工（Frequency Division Duplex，FDD），更可采用TDD/FDD兩者的組合。

在考慮“回傳信道”后，DTTB網絡共有4類數據流：上行回傳信道（Up Return Channel，Up-RC）、上行數據流（Up Streams，UpS）以及下行回傳信道（Down Return Channel，Dw-RC）、下行數據流（Down Streams，DwS），它們的基本單元都是數據子幀。

Up-RC和Dw-RC是保證每個用戶都能同廣播業者的下一代播控平臺（Next Generation Broadcasting Platform，NGBP）實現“一對一”的雙向連接，其有效比特率稍低（可確保重要指令、話音、短信、圖片和小尺寸視頻等信息），而穩健性（Robustness）要高些。而DwS和UpS則是攜帶數據量較大的、比特率較高的“有效信息”，其穩健性稍差。其中DwS首先是傳統的電視節目數據流（或在凌晨“空閑時段”給用戶發送“下載后再觀看”的免費或低交費服務）。而其中UpS則偶然由廣播業者動用于現場實況的實時廣播（某種敏感的突發事件）。當然，UpS也可由個別用戶向廣播業者提供的實時視頻新聞節目源（如高速路的車禍/堵塞現狀或旅游地/超市擁擠的手機拍攝視頻新聞）等。

TDD或/和FDD應用于指派頻道的雙向傳輸，可有下述3種技術組合模式。它們各自的基本單元在時間域都是以數據子幀為基本單元，相互間為“先后順序排列的”串聯關系（in series）。而且它們相互之間在時間域或頻率域都已設計某種對應的“保護間隔（Guard In?terval，GI）。

1）僅采用TDD的模式：適用于第3.1節的純單載波系統（類型S），以發揮單載波調制的某些技術優勢（見第3.2節），其數據子幀可分為4類：只含Up-RC、只含Up-RC/UpS、只含Dw-RC以及只含Dw-RC/DwS。其時間域的位置可考慮：Up-RC或Dw-RC設置在數據子幀的幀體（負荷）部分之起始端或全部（緊接在在PN碼導頻信號后，并采用BPSK/QPSK調制）；而UpS或DwS則設置在數據子幀的幀體（負荷）部分之尾部或全部（即下個數據子幀之前）。

2）僅采用FDD的模式：適用于第3.1節的純多載波系統（類型M），其數據子幀也分為4類。它們在頻率域的位置可考慮：Up-RC或Dw-RC設置在有效帶寬的頻率域低端（占用部分子載波的低端，并采用BPSK/ QPSK調制）或全部；而UpS或DwS則設置在有效帶寬的頻率域高端或全部。

3）TDD和FDD組合的模式：適用于第3.1節的單載波/多載波的混合系統（類型H），其數據子幀也分為4類。它們的設置可考慮：Up-RC或Dw-RC采用TDD模式；UpS或DwS則采用FDD模式。

4.3 ATSC 3.0版物理層給廣播業者運營寬帶網絡提供嶄新服務的巨大機遇

從圖3的“信息內容發送”圖解可看出，廣播業者（Broadcasters，在美國是指地面廣播電視運營者）下一代播控平臺的輸出有并行的兩大類：1）中下部就是傳統DTTB輸出；2）右下部則是嶄新的“傳統”寬帶網絡（互聯網）輸出，成為實實在在的一個網站。因此，ATSC 3.0版物理層給廣播業者帶來運營寬帶網絡嶄新服務的巨大歷史機遇[注9]。

[注9]此外，就美國而言，對已從拍賣獲得“700 MHz頻段”許可證的電信界，究竟繼續采用IEEE802.22的WRAN標準，還是改用ATSC 3.0版推進服務（或與地面廣播業者進行合作），有待跟蹤觀察。

但從總有效比特率的數值大小和分配角度來看，廣播業者實際運營傳統DTTB網絡與寬帶網絡（互聯網）時，提供的嶄新服務可粗略劃分為3大類：

1）服務類型B/T：寬帶網絡（互聯網）為主，傳統DTTB網絡為輔。其總有效比特率較低，而且大部分分配給前者，其穩健性較高（分配給后者的是小部分，當然也可改用比特率稍高，而穩健性稍差的模式）。它適用于大城市人口密集地區的運營，優先考慮寬帶網絡用戶的手持接收和移動接收的嶄新服務“無窮發展”需求。而從圖4的圖解來看，其絕大部分有效比特率的應用著重在該曲線的左中部和左下部，這部分就是ATSC 3.0版物理層需要優先解決的技術問題。

2）服務類型B&T：寬帶網絡（互聯網）兼顧傳統DTTB網絡，其總有效比特率為中等（兩者大致對半分配、或六四開、或四六開），穩健性仍較好（B或T的強健性可有不同模式）。它適用于城鄉結合部、人口密度稍低的地區，兼顧寬帶網絡新用戶和傳統DTTB用戶的需求。而從圖4的圖解來看，其應用著重在該曲線的中左部和中部，這部分就是ATSC 3.0版物理層接著需要著重解決的技術問題。

3）服務類型T/B：傳統DTTB網絡為主，寬帶網絡（互聯網）為輔，其總有效比特率較高（大部分分配給前者），但穩健性稍差（后者仍可采用穩健性稍好的模式）。它適用于人口較稀少的城市郊區或農村地區，以傳統的“屋頂（或室內）天線”固定接收用戶為主，寬帶網絡新用戶為輔。而從圖4的圖解來看，其應用著重在該曲線的右中部和右上部。至少對于美國的地面廣播業者而言，這部分可“不慌不忙”下一步再解決，因為傳統的市場他們已擁有約75年。

以上的劃分可能僅適用于白天的上班時段。除了每天19:00至24:00的黃金時段（還有節假日）和00:00至06:00用戶數較少的“空閑時段”以外，各地廣播業者都可因地制宜靈活交叉使用上述不同的類型。而如何實現最佳組合，還有待今后各地廣播業者依據其原有的節目源優勢，探索嶄新節目源類型，提供嶄新服務，滿足嶄新市場需求，獲得最佳的社會效益和經濟效益。

表2列出的內容是以總有效比特率在4大類數據流（Up-RC，Dw-RC，UpS和DwS）之間的大致分配和可能用途進行估計，供讀者參考和探討。

表2 廣播業者對寬帶網絡的嶄新服務和傳統DTTB網絡可能的比特率分配和應用（以美國6MHz帶寬頻道為例，中國8MHz頻道可把有效比特率乘以4/3換算而得）

然而，有下述幾類特殊的應用情況可作專門說明：1）緊急信息的應用：出現緊急事件時（如各種“天災（地震、臺風、水災和疫情等）”和“人禍”（恐怖事件）），可通過Dw-RC（直接通報“已連接”的用戶）和DwS（當時播出的所有節目源）提供“緊急信息”的內容及各類人群應采取的對應措施。

2）突發事件的應用：在出現類似美國紐約世貿大廈“9·11”事件、波士頓馬拉松槍擊案或中國昆明火車站等恐怖事件時，廣播業者除了采取“緊急信息的應用”模式以外，還可臨時動用UpS把該突發事件的音視頻數據（包括現場采集的視頻、效果聲、對話和講解等）上傳到下一代播控平臺，然后再以DwS在其主頻道節目中進行現場實況播出（real time broadcasting），并暫時中斷其原有的節目。當然，這個節目源也可由某用戶通過手機或平板電腦拍攝后，通過UpS而直接提供（廣播業者自己無需派人到現場）[注10]。

[注10]UpS使用時，其有效比特率至少保證1套DVD質量SDTV所需，這就不得不臨時擠占其他數據流的有效比特率（見下面說明）。但其總時間延遲（time delay）可爭取做到小于2 s（顯著小于衛星鏈路的時間延遲，成本又極低）。

需采取的臨時措施有：1）臨時降低其他DwS節目源（或Up-RC/Dw-RC）的平均比特率。例如降低其清晰度或者縮小其顯示圖像的幾何尺寸；或采用電視的“降幀技術（幀頻減半）”；插入的廣告也可改為靜止圖片。

2）與此同時，在所有其他DwS和Dw-RC中插入特殊的字幕通告（附上小尺寸視頻作為“畫中畫”），向所有觀眾通報此突發事件。

3）凌晨空閑時段的應用：可開展各類非實時的免費或低交費的各類“信息下載”服務（特別是視頻節目）。

4）節假日時段的應用：各國、各民族和各地區都會有各自的特殊情況，需因地制宜探索。

但不管怎樣，地面廣播業者（特別是美國）“萬變不離其宗”，在嶄新的寬帶網絡（互聯網）服務中，需要繼續發揮其固有的節目源優勢（并探索自己的新特色節目源）。

5 建議3：增加“寬帶DTV發射機+ M-SFN（多頻道單頻網）”的DTTB組網創新模式[4-6]

5.1 中國工程師們自主創新的“寬帶DTV發射機+ M-SFN”DTTB組網技術發展的回顧

2005年秋，趙章佑教授提出其概念[6]，2007年底，云南昭通市廣電局[10]在中國首次實施2個高山臺（位于昭通市區東西兩側的高山上，落差大于1 100m）上，分別安裝功率各為400W的寬帶DTV發射機，組建M-SFN；共動用6個頻道，每個頻道發射功率僅約35W；采用中國地面國標前期方案ADTB-T傳輸和MPEG-2視頻；其中1個頻道提供1套SDTV移動接收服務，其余5個頻道每個提供約8套DVD質量的SDTV服務（總共約40套）。

2014年6月24日，葉進教授（中國最大的發射機國企北京北廣科技總工）在山東煙臺舉行的“未來廣播電視（FOBTV）”國際高峰論壇的報告[5]中，除介紹該企業和國內外市場的概況外，其技術部分則著重介紹寬帶DTV發射機的框圖及其優點：框圖設計簡化、節能環保，在提高可靠性的同時又降低成本。湖南株洲的趙章佑教授最近則專門撰文[6]，系統介紹“寬帶DTV發射機+ M-SFN”組建DTTB網絡的基本概念、技術要點和經驗。

據悉，在趙章佑教授的協助下，中國中部某省級有線網絡公司采用“株洲經驗”[4]的“有線（有限）網絡，無線（無限）延伸”和“寬帶DTV發射機+M-SFN”DTTB組網創新模式等，2013年內總共在23個縣級的地域，共架設102個發射臺站，在各個縣域范圍內實施4個頻道的中國地面國標-C=1+AVS視頻（雙國標）+M-SFN，可提供36套DVD質量的SDTV，到2014年上半年的總用戶數達23萬。這種嶄新的DTTB組網創新模式，為模數并存的過渡期內和結束后，省級廣電部門實施全省統一的4個頻道的M-SFN，準備了技術條件（需有計劃進行幾次頻率優化調整）。

從2007年底到2013年底，我國工程師們奮斗而得這種嶄新技術模式，又“上一層樓”：從技術升級到實施規模擴大到省級/大區域網絡。這樣大規模的“寬帶DTV發射機+M-SFN”DTTB組網創新模式的案例，就筆者接觸到的美歐日等發達國家的資料，沒有見過先例。

5.2 組建DTTB網絡的2種模式：傳統模式和創新模式

5.2.1 傳統DTTB組網模式

傳統模式DTTB組網的發射端框圖見圖7，多臺DTV發射機（可能還有ATV（模擬電視）發射機）+1臺射頻復用器（RF-MUX，多工器），而節目源和發射機之間還有多臺調制器/激勵器。

圖7 傳統的DTTB組網模式的發射端（發射機在模數并存期除DTV外，還有ATV發射機）

DTTB網絡在縣級地域、地市級地域和省級地域擴展時，其發送端也采用類似的框圖。

傳統模式的優點是：1）模擬電視時代已大量采用；技術成熟。進入DTV時代繼續采用，特別是大功率的應用（單個頻道的平均功率大于 1 kW）。2）單頻道DTV發射機整機的電效率較高，可達35%。3）用戶總人數與管理總人數的比例較高，有利于日常運行管理（特別方便保證信息安全和可靠，它與電信的小蜂窩網成為2種相輔相成的模式）。

傳統模式的缺點是：1）多路射頻信號復用，必定采用射頻復用器[注11]，需支付設備和運營的成本（還占用機房較多的空間）。此外，為了解決其“溫度漂移”問題，機房環境溫度也有要求，增加成本。2）其插入損耗（Insertion Loss；含短饋線）則轉化為熱能而白白浪費掉，不符合綠色低碳產業的國際戰略需求。3）近距離或中距離的場強過大，也實屬電能量浪費和電磁污染[注12]。

[注11]2009年10月，湯旭光先生在報告[11]中提到某歐洲著名公司RF-MUX產品的單個頻道之插入損耗≤0.5 dB，但其價格昂貴。而國內產品價格雖然低廉，但性能稍差：2014年8月，筆者從網絡搜索到廣西桂林某公司的“八合一”RF-MUX產品性能[12]是：當8個DTV信號同時復用時，插入損耗≤1.5 dB。

[注12]以湖南高山臺系統為例（請訪問 www.hndmtv. com），由于采用無方向性天線，在近場或中近場必有無人區或人口稀少地區，而信號過強，純屬浪費。北京的CCTV大塔采用無方向性天線，導致北京西部、西北部和北部山坡上的信號“綽綽有余”，也純屬浪費。

另據發射機專家稱：RF-MUX在多個信號輸入時（特別是ATV與DTV并存時），由于不同頻道的中心頻率不同，對天線、長饋線、短饋線以及輸入/輸出連接部件的阻抗匹配和駐波比之調節，往往“顧此失彼”；因而造成多個功率信號輸入復用時與單個信號輸入時相比，各個頻道的插入損耗都將增大（而RF-MUX制造企業一般不公布其實測數據）。

5.2.2 中國自主創新的“寬帶DTV發射機+M-SFN”的DTTB組網技術（簡稱“創新模式”）

寬帶DTV發射機和M-SFN（多頻道單頻網）的基本概念：所謂“寬帶DTV發射機”就是1臺發射機的帶寬為n個頻道（2≤n≤8，目前n不宜過大），可同時發射M個頻道（M≤n）的DTTB信號，其總帶寬對中國而言等于n×8 MHz（最高不宜超過64 MHz）。在其有效帶寬內，M個頻道可以是相鄰的，也可以是隔頻道的（即中間有“空白頻道”）。而所謂“M-SFN”則是一種DTTB省級/大區域組網模式：首先在同一縣級區域內的不同發射臺站采用統一的M個頻道（推薦總數為4個，共4個中心頻率）組建單頻網（Single Frequency Network，SFN）；然后逐步擴展到相鄰的縣級區域、地市級區域、相鄰的地市級區域，最后到全省的省級大區域。

而把上述這2種自主創新的技術有機結合起來，可簡稱為DTTB組網的“創新模式”。它在過渡期內和結束后，用較低的成本完成模數過渡，并顯著節約地面電視頻譜資源，方便安全播出和省級地面國標的頻率規劃/網絡管理。而這種“創新模式”正是中國工程師們在采用小功率或中功率（每個頻道不大于500W）覆蓋地市級和縣級地域的地面國標工程實施中，通過6～7年來勇于創新、反復實踐和不斷完善的碩果。

創新模式DTTB組網的發射端框圖[5-6]見圖8：N路（N=2，3，…，8）節目源輸入1臺多頻道調制器/激勵器（含小功率射頻復用器和本地10 MHz晶體振蕩器）和1臺寬帶DTV發射機。其中省略功率級的RF-MUX（還有短饋線），徹底消除其插入損耗（還有其溫度漂移問題）。

圖8 創新的DTTB組網模式之發射端（僅供DTTB使用）

創新模式的優點：

1）粗略對比圖7和圖8的設備總數量（表3）可看出，創新模式的框圖設計簡化，在提高可靠性的同時降低了成本[5-6]。

表3 傳統模式與創模式新DTTB組網時，發射端設備數量對比（動用4個頻道為例）

2）從圖8與圖7對比（及表3最后一列）可看出，創新模式省略RF-MUX，從徹底消除插入損耗，符合節能環保的綠色低碳產業國際戰略需求。表4是傳統模式和創新模式在插入損耗方面的對比。

表4 傳統模式與創新模式在插入損耗方面的對比（以空中發射1 kW功率為例。單頻道DTV發射機的電效率按35%估算；而寬帶DTV發射機的電效率則按25%估算）

3）體積、能耗都大大減小，因而可節省機房空間（包括新建臺站成本低），特別適用于“無人值守型”中小功率的“轉發站”或“空隙填充器”。

創新模式的缺點：

1）功率放大的非線性效應：除了單個頻道帶內性能惡化外（表現為帶內的MER值下降[6]），幾個工作頻道相互間的交叉調制（crossmodulation）也會導致MER進一步惡化（地面國標-C=3 780由于其多載波的性能，比起C=1更要差些）。

2）在工作頻道（已確定具體的頻道數）之外還會出現較強的“雜散干擾（spurious interference）”，嚴重影響被干擾頻道的正常工作（不得不采用“陷波器”，需額外的電能耗和成本）。

3）多個頻道寬帶發射機的整機電效率還不如單個頻道的。

據悉：可工作于單個頻道的1 kW DTV發射機，采用創新模式和地面國標-C=1+AVS視頻（雙國標），并動用4個頻道工作時，每個頻道可有不大于250W的發射功率，而整機電效率可達25%。

5.2.3 傳統模式與創新模式具有相輔相成的關系

綜合上面的討論可知：傳統模式目前在大功率（每個頻道1 kW以上）覆蓋時，其成本及可靠性均優于創新模式，適用于人口密集、平原地區的大城市（或者高山臺）DTTB組網。而創新模式在中小功率（每個頻道不宜超過250W）進行DTTB組網覆蓋時，其方案簡單、成本較低（與傳統模式相比，可節省成本約40%）。它特別適合于中國大多數地市級和縣級中小城市及邊遠山區的DTTB組網覆蓋，也適用于大功率覆蓋的盲區采用“空隙填充器”的轉發覆蓋。因此，創新模式在一定時期內與傳統模式相輔相成、互為補充，對DTTB組網做出貢獻。中國工程師們創造的經驗，不僅適用于所有發展中國家，也同樣適用于所有發達國家。

但創新模式畢竟是有發展前途的高科技新碩果，如果再經過中國工程師們今后6～7年的持續努力，其性能可望繼續提高：如每個頻道的發射功率可望提高到約500W，總發射功率提高到2 kW或更多，發射機整機的電效率提高到約30%。而當這些目標實現時，將進一步證實表4的討論：創新模式符合節能環保國際綠色產業的戰略需求。傳統模式與創新模式的相互主次關系（從市場份額來看）今后可望逐步轉到“七三開”、“六四開”、“平起平坐”，直至“主次關系徹底顛倒”。

5.3 創新模式特別適用于ATSC標準的中小功率組建DTTB網絡

5.3.1 ATSC1.0版的應用（2.0版類似）

ATSC 1.0版（還有2.0版）的有效帶寬比（有效帶寬/帶寬）稍小（表5），更有利于采用寬帶DTV發射機，因而更有利于采納創新模式。因為，文獻[6]中已經提到：在地面國標-C=1的應用中，如果寬帶DTV發射機采用的頻道總數“乘2”時，其MER將劣化約3.0 dB（動用4個頻道與單個頻道相比而“乘4”時，MER將劣化約6 dB）。因而，對其寬帶發射機提供輸入信號的多頻道調制器/激勵器輸出的MER指標提出較苛刻要求。

表5 ATSC1.0版的有效帶寬比

而ATSC 1.0版的有效帶寬比與地面國標相比稍小。上述“乘4”（即M-SFN中的M=4）時MER將劣化約6 dB的情況是否會縮小到約3 dB（或更好）？或者輸出的發射功率可增加約3 dB（乘2倍）？

5.3.2 創新模式在ATSC3.0版和3.1版物理層的可能應用

由前面的討論，ATSC 3.0版可能對“有效帶寬比”修訂而增加約0.95的可選項（原5.38 MHz仍為可選項）。這時，文獻[6]提供的創新模式對地面國標-C=1或C=3 780調制器/激勵器MER指標測試的有關討論，可供ATSC 3.0版物理層的純多載波系統（類型M）、單載波/多載波混合系統（類型H）以及本文建議的ATSC 3.1版單載波可選項（類型S）提供重要參考[注13]。

[注13]DVB-T，DVB-T2和ISDB-T，還有ATSC 1.0版和ATSC 3.0版的類型M或類型H，同ATSC 3.1版可能有的類型S，都可以采用“寬帶DTV發射機+M-SFN”組建DTTB網絡創新模式。但根據中國地面國標-C=1與C=3 780的經驗來看，類型S（含ATSC 1.0版）的性能要稍好些。

6 小結

1）ATSC 3.0物理層很可能采納類似中國地面國標的融合系統[8]：既可容納純多載波系統（類型M，如參照DVB-T或ISDB-T的提案），也可容納單載波/多載波混合系統（類型H，如參照地面國標-C=3 780的中國提案，但后者與C=3 780不同之處可能是，在幀體（負荷）部分也插入導頻信號。

2）本文建議ATSC 3.1版物理層增加3方面技術：（1）增加單載波調制可選項（如n-VSB和n-QAM等）；（2）增加僅在單個頻道（即指派頻道）內實現“回傳信道”，不依賴于“空白頻譜”；（3）推薦中國工程師們自主創新的“寬帶DTV發射機+M-SFN（多頻道單頻網）”的DTTB組網技術，它特別適用于有效帶寬比稍小的ATSC 1.0版（還有2.0版）以及也適用于ATSC 3.1版（可能對“帶寬比”做修訂），它還可應用到DVB-T、DVB-T2和ISDB-T，但這些應用都限于中小功率發射（每個頻道一般不大于250W）。

7 補充

本文定稿和發稿之日（2014年10月9日）清晨收到上海全波公司夏勁松先生發自美國的郵件（筆者在此特別感謝夏先生），通報Deborah D.MACADAMS先生2014年10月8日上午07:12（美國西部時間）在TV Technology網站發表重要通訊[13]，題目是：Sinclair和Technicolor實施ATSC 3.0的4K空中廣播，副標題是：第一個位于美國的演示（4K-UHDTV的地面廣播試驗演示）。Sinclair Groups是美國第二檔的廣播集團，其總部位于這次試驗的Baltimore市，在華盛頓東北約150 km。該集團一直主張采用OFDM技術，因此在這次試驗中負責調制和傳輸部分，并提供4K-UHDTV等各類節目源。而Technicolor則是高科技公司，負責其余部分：音視頻編碼和解碼，還有極其重要的傳送（transport）部分。

參照這篇新報道，筆者可補充：

1）這種試驗平臺和地面廣播試驗，比起筆者設想的提前半年或更多。預計美國還會有第二個或第三個試驗平臺陸續出現。因而還可設想：美國地面廣播業者最早于2016年圣誕節前夕啟動ATSC 3.0版的市場（產業化也加速）：用戶有需求、手機和平版電腦需更新、機頂盒和電視機需更新（4K-UHDTV機）以及地面廣播業者需盡快占領寬帶網絡（互聯網絡）的嶄新市場。因而，ATSC 3.0版進入市場的日程表，只會提前，不會延遲。

2）技術先進和質量優越；（1）地面廣播業者的“下一代播控平臺（NGBP）”的輸出既是“傳統”電視服務的輸出，更是“傳統”寬帶網絡（互聯網路）服務的輸出，可實現無線“三網融合”。（2）信道糾錯編碼效率極高、不同穩健性（Robustness）時的各類服務的有效比特率極高，其計算機仿真的率失真曲線更加接近Shannon理論極限。（以上正文有說明）

致謝：

筆者以此文再次答謝ATSC對中國自主創新制定地面國標的多年支持。筆者特別要感謝Richard Chernock博士及時向筆者提供幻燈片報告[2]，并同意筆者增加中文翻譯（上海陳志葛教授校對）后，向不熟悉英文的我國專家散發（其報告6月底還在北京舉行的IEEE BTS 2014 BMSB和BIRTV會議，以及8月底在北京舉行的ISBT會議，又重復講了3遍）。有關“寬帶電視DTV發射機 + M-SFN”技術，筆者還要向趙章佑和陳志葛2位教授多年來的交流致謝。筆者還要向北京北廣科技集團公司的欒鶴峰教授致謝（2014年9月向筆者提供寬帶DTV發射機的最新進展）。

[1]ATSC[EB/OL].[2014-10-09].www.atsc.org.

[2]CHERNOCK R.Update on ATSC 3.0[R].Yantai，China：FOBTV 2014，2014.

[3] XU Mengxia.A hybrid merging system for ATSC 3.0 PHY(pri?vate proposals to ATSC)[R].Yantai，China：FOBTV 2014，2014.

[4] 徐孟俠.DTTB雙國標新系統——最節約的綠色低碳產業的候選者[J].電視技術，2014，38（10）：31-38.

[5] 葉進.融合的無線網絡發展動態與應用探析[R].煙臺：FOB?TV2014，2014.

[6]趙章佑.UHF頻段數字電視寬帶發射機與大區域M-SFN組網探討[J].電視技術，2014，38（21）：6-12.

[7] ETSIEN 302 755 v1.1.1，Digital video broadcasting(DVB):frame structure,channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system(DVB-T2)[S]. 2009.

[8]徐孟俠.對國際通用DTTB傳輸標準（3.0版）的建議[J].電視技術，2012，36（12）：20-21.

[9]GB 20600—2006，數字電視地面廣播傳輸系統幀結構、信道編碼和調制[S].2006.

[10] 昭通市廣播電視局，上海某公司，廣西桂林某公司，等.國標地面數字電視ADTB-TH寬頻發射系統覆蓋效果測試報告[R].昭通：出版者不詳，2008.

[11] 湯旭光.對數字電視發射機輸出濾波器的討論[EB/OL]. [2014-10-09].http://info.broadcast.hc360.com/2009/10/27193613 8777-4.shtml.

[12] Sinclair and Technicolor do ATSC 3.0 4K over-the-air broadcast [EB/OL].[2014-10-09].http://www.tvtechnology.com/article/sin?clair-and-technicolor-do-atsc--k-over-the-air-broadcast/2727 58.

Private Proposals to ATSC 3.1 PHY

XU Mengxia

ATSC 3.0 version is now actively promoted by ATSC,with its schedule of the draft standard completed by the end of 2015.Three possible fields of technology that could be supplemented into ATSC 3.1 PHY are proposed privately in this paper:1)Single carrier modulations(n-VSB and n-QAM,etc)could be added as options.2)“Single Channel Solution”for the return channel could be added as option to“White Space Solution”,using the single assigned channel only.3)The new technology innovated by Chinese engineers,i.e.the wideband digital television(DTV)emitter+M-SFN (Multiple Channels-Single Frequency Networks)for digital terrestrial television broadcasting(DTTB)networking,could be introduced,as a lot of the advantages of single carrier systems would be realized,especially in the services of high bit-rate fixed reception(i.e.,4K/8K-UHDTV).

DTTB;ATSC;single carrier;wideband DTV emitters;multiple-channels SFN(M-SFN)

TN949

A

?? 京

2014-10-28

【本文獻信息】徐孟俠.對ATSC 3.1版物理層的個人建議[J].電視技術，2014，38（24）.

徐孟俠（1931—），1955年北京大學物理系畢業后留系任教。1958年9月轉北京大學無線電電子學系（1994年改名電子學系）。1979年起開始視頻編碼研究，關注數字電視新技術的進展。1991年初退休后，推進VCD在我國的發展和更多關注地面數字電視傳輸技術在國內外的進展，特別是我國地面數字電視如何發展HDTV和服務農民家庭的SDTV；并于2001-03對單載波系統實現移動電視接收提出一些設想。2009年起積極推進“雙國標新系統”，特別是寬帶發射機在國內外的應用。