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浅析数字电视地面广播技术及其应用
2004年度河南省广播电视优秀科技论文一等奖 内容提要 ：本文介绍了数字电视地面广播（ DTTB ）技术在车载移动电视和便携式移动终端的最新应用情况，对 DVB-T 及最新的 DVB-H 标准进行介绍，并探讨了数字电视地面广播的发展方向及前景。
关 键 词 ：数字电视地面广播 (DTTB) 、移动电视、 DVB-T 、 DVB-H
数字电视正在用活生生的事实，将诸多的不可能变成可能，并最终将让所有的人都理解数字电视的真实。 数字电视不仅仅是一种新发明，不仅仅创造了一个新市场、提供了一种新工具，而且还会对传统的各个领域产生冲击。也就是说，数字电视不仅仅是你是否使用的问题，而是它将改变人和企业的命运。 今 天，数字电视正逐步成为现实，这一进程必将是可视用户终端的革命。这次革命性的跃进，不仅刷新电视媒介的概念，更将极大地改变我们的生活方式。
数字电视时代，电视本身也是数据的一种。数字电视地面广播（DTTB）的应用将会带动除电视以外的其他业务，首先数字电视出现在移动交通工具上， 随着移动电视的面世，传统的电视覆盖理论被打破了！电视将无所不在！ 中国数字电视地面广播（ DTTB）已经进入了实施阶段，同时开创 了传统无线电视的一种全新应用：移动接收。 随着该业务被大众接受，又逐步扩大到移动载体。随着电池容量和视频压缩技术的发展，从车载发展到个人手持终端。随着终端产品的发展，其他业务又将得到发展。数字电视地面广播（ DTTB ）技术在更大程度上给传统的收看电视方式带来新的变化，孕育着创造一个新的移动电视市场的机遇，其应用前景将更加深远。
一.数字电视地面广播 （ DTTB ： Digital Television Terrestrial Broadcasting ）
在现代通信中，通信传输手段主要是光纤、卫星、数字微波等，加上地面无线电广播电视发射构成信息传输主体。 目前在我国数字电视按信号传输方式可以分为地面无线传输数字电视（地面数字电视）、卫星传输数字电视（卫星数字电视）、有线传输数字电视（有线数字电视）三类。而移动电视是数字电视地面广播的重要应用。 数字电视地面广播 在应用需求上要求实现移动和便携接收的功能 ，使整个技术系统的要求最高。它具备无线数字系统所共有的优点；较之卫星接收，有实现容易、价格低廉的特点；较之有线接收；不易受城市施工建设、自然灾害、战争等因素造成的断网影响； 数字电视地面广播通过电视台制高点天线发射无线电波，覆盖电视用户，用户通过接收天线和电视机收看电视节目，主要的受众也是针对本地区的。 完善的数字电视地面广播（ DTTB）系统所具备的蜂窝单频网功能，不仅提高了频谱的利用率，而且可应用与宽带无线接入市场；而移动和便携的独特优势使该系统能满足现代信息社会“信息到人”的要求，也就是无论何人何时在何地均能任意获取他想得到的信息。
地面数字电视可以做到便携接收和移动接收，可以供私人轿车、出租车后座、长途客车和火车乘客观看，还可以供手机等便携机用户观看。按接收方式可分为固定接收，车载移动接收和便携接收。固定接收接有固定天线，电视机不能随便搬移，一般来说接收条件经调整后不再变化；便携接收是可以将接收机装入衣袋，在户外低速移动接收。移动接收，指车载高速移动接收。我们日常接触最多的是传统的固定接收的电视，下面我们就对车载移动电视和手机电视进行详细的介绍。
1 、 车载移动电视
所谓移动电视就是通过无线数字信号发射、地面数字设备接收的方法进行电视节目的播放和接收。在数字电视技术的支持下，交通工具在时速 120 公里以下的移动状态中，能够稳定、清晰地接收到电视节目 , 主要针对公交、地铁、出租等交通工具上的移动人流 。这种 在数字技术支持下，人们在运动状态中可以收看电视节目的方式被称为 " 移动电视 " ，下图就是出现在汽车中的移动电视。学术界、传媒界已经开始将 “ 移动电视（移动多媒体） ” 称为区别于传统媒体和网络媒体的 “ 第五大媒体 ” 。
我们传统的电视必须坐在某个固定的地方观看。在信息激增的时代，由于人们对信息量的要求和实时性的要求增加，把电视提供给移动人群这一市场被发掘出来。
移动电视的应用首先在新加坡开始，在全新加坡建设了 8 个数字电视（ DTV ）发射站，于 2001 年 2 月 14 日开始在 1500 辆公共汽车上为 150 万人次的乘客提供移动电视服务。由于采用了数字电视（ DTV ）技术，图像清晰，实时性强，通过一年多的运行，特别是通过 2002 年中的世界杯足球比赛报道，逐步被人们所接受，给移动电视的商业发展带来了曙光。
2002 年，在我国的上海正式推出以公交车辆为主要载体的移动电视商用系统及其相关服务，目前是中国首个、全球第二个普及移动电视的城市。这标志着在中国数字电视地面广播（ DTTB ）已经进入了实施阶段，同时开创了传统无线电电视业务的有效模式。也许，移动电视是目前唯一能够看到的地面数字电视。
数字电视地面广播（ DTTB ）的成功试验也为移动电视商业化运作提供了基础。上海是继新加坡之后世界上第二个提供移动电视业务的城市，上海每天有 500 万人次通过公交线路出行，而平均每人在公交车上大约需花费 40 分钟时间。上海拥有 2 万辆公交车、 4 万辆出租车，其他移动车辆和移动人口难以统计，这是一个未开发和潜在的市场。鉴于上海现有的播出和发射环境以及光缆路由等条件，组建了一个经济实用的数字电视地面广播单频网，覆盖上海市区超过 90% 。 数字电视地面广播的推广主要来自市场。
英国是实施 DVB-T 标准最成功的一个国家，并成功地开通了地面数字电视广播。法国、瑞典、西班牙在实施地面数字广播方面也获得了成功。阿姆斯特丹的电车公交系统已试验了移动 DVB-T 。因为欧洲的数字电视广播业者很久以前就 明白，他们的地面数字电视系统 ( 基于 DVB-T 标准 ) 具有不一般的移动性能。汽车接收 DVB-T 广播信号等早期实验已经证实了 DVB-T 标准适合于便携式电视。目前，世界上有三种数字电视地面广播标准：欧洲的 DVB -T（Digital Video Broadcasting - Terrestrial）、美国的ATSC（Advanced Television Systems Committee）和日本的ISDB-T （Integrated Servic es Digital Broadcasting Terrestrial ）（综合业务数字广播）。 DVB-T 是数字电视地面广播系统标准，是 DVB 一系列标准中较新的一个标准，也是最复杂的 DVB 传输系统。此标准是 1998 年 2 月批准通过的，用于地面开路数字电视系统。第一个正式的开路数字电视系统于 1998 年初开始运营。地面数字电视发射的传输容量理论上与有线电视系统相当，本地区覆盖最好。 DVB-T 标准中开路传输的核心是 MPEG － 2 数字视音频压缩编码。采用编码正交频分复用 COFDM （ Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing ） 调制方式，适用于大范围多发射机的 8k载波方式， 在 8MHz带宽内能传送4套电视节目， 为高清晰度电视（ HDTV ）信号传输提供大于 20Mbps 的净荷码率 , 并能使用简单天线支持室内固定接收；为标准清晰度电视（ SDTV ）信号传输提供大于 5Mbps 的净荷码率 , 并能在车速移动条件下支持移动接收；具有单频组网能力； 传输质量高，但接收费用也高。
移动电视技术的核心是移动接收，即车载高速移动接收，接收的条件因地貌不断变化而变化，同时因车速的变化还会受到多普勒效应频率变化的影响。接收地点是指由于接收地点离主发射台的距离变化和与其他发射台发射信号间相对关系的变化而引起的接收条件的变化。 移动接收主要解决是动态多径和多普勒频移的问题。因为移动接收 主要受地形地貌，如山、房屋等反射的影响，使到达接收点的信号不止一个。在模拟电视中的反映是重影，在数字接收中，某些特定相位的多径信号将使接收完全失败。在这种情况下，接收好坏不单单依赖于与发射台距离的远近，而且在很大程度上还依赖于接收信号之间的相位。由于上述问题使得地面广播问题复杂化，使接收信道随时间、频率和地点而发生变化。引起不同频率信号衰落的主要原因是多径接收，其结果使信道出现频率选择性。移动接收时，主信号和反射信号到达接收点的角度有可能不同，因多普勒效应，其频率发生了不同的变化，两者的差拍使接收信号的幅度随时间周期变化，其结果使信道出现时间选择性。而由于接收地点的不同和相邻台距离的不同，主信号和其他台信号之间的关系不同而使接收出现地点的选择性。
DVB-T 由于采用 OFDM 调制系统，它首先是将高码率的串行数据流变成 N 个低码率的并行数据流，并对 N 个彼此互不影响（正交）的载波分别进行调制符号码率的降低，实际上是符号周期的增大，使动态多径和多普勒频移造成的码间干扰减小，加上保护间隔的设置，减少了多径对多载波正交特性的影响，使码间干扰进一步减小，从而能很好的支持移动接收。
我国现在正在研究适合自己的数字电视地面广播的标准， 期望在搭建数字电视中有更大的自主权。 地面数字电视传输标准作为一个基础标准， 涉及的是一个无线系统， 我国明确提出必须满足数字电视广播传输系统应用和产业两个方面的基本需求，并为今后实现扩展功能做好必要的准备。 我国 DTTB 的制定原则是： 1) 传输信息量要大，支持包括高清电视的多媒体广播服务； 2) 抗干扰能力强，在一般室内环境下可接收； 3) 与现有模拟广播电视频道兼容，并有利于频道规划和模拟向数字过渡； 4) 具有灵活性：支持标准高清晰度和高清晰度兼容的电视广播，支持移动接收设备，支持便携接收设备； 5) 具有可扩展性：支持包括互联网的交互数据综合业务，支持广播网络化的发展需要。整体性能指标应优于或相当于相应的国外现有标准的性能。目前已提交了 5 套 DTTB 传输方案，有关部门对 5 套标准进行了比较和测试， 4 月 11 日测试结果已有定论： “ 清华方案 ” 、 “DVB-T” 、 “ 总体组方案 ” 依次是测试和接收效果的优劣顺序。据悉国家有意考虑以清华大学提交的方案为主融合其他方案之长，形成我国的 DTTB 标准。 清华的地面数字多媒体 /电视广播传输标准（DMB-T）方案采用自主原创的时域同步正交频分复用（TDS-OFDM）技术。与国际现有的数字电视地面传输标准比较，具有多项鲜明的应用特点、较好的整体性能。其采用以下几项主要技术：（1）时域同步的正交多载波技术。（2）保护间隔的PN填充技术。（3）快速信道估计技术。（4）前向纠错编码与相位映射相结合的纠错技术。（5）与绝对时间同步的帧结构。（6）系统信息传送。
2、手机电视
电视是最大的媒体，是手机中缺少的最后一个内容，数字移动通信系统的高速发展提高了人们生活空间的移动性，在这个移动世界中 公众也非常渴望让电视进入手机，这样无论身处何地都可以看到自己喜欢的电视节目 如：喜剧、电子报纸、旅游指南、商务电视、游戏、音乐、体育、购物、新闻服务、电子学习、媒体点播和互动式选择等。从而可以为陷入利润危机的电视业带来新的收入。这 不仅将取悦移动运营商，对于设备制造商和广播业者来说，它将使电视变成寿命更长、重量更轻的手持产品。
数字电视地面广播与移动通信的结合将给人们带来更多新的、引人入胜的业务，它不仅扩展了电视广播内容的种类，而且支持内容的移动接收，这种结合最新的体现就是欧洲 DVB-T 标准的出现。 对采用移动 网络 (手机)和地面广播(电视机)两种接收电视节目方。
式进行比较，可以看出，由于手机电视的屏幕较小，因此每一路电视节目所需的码率较低，对于基于 DVB-T的IP数据广播，每个视频流占用100-384KHz的带宽,于是在一个8MHz带宽的电视频道上可以传送25-80套电视节目。由于移动网络覆盖能力强大，带宽不高，价格较贵，非常适合小文件VOD使用；而地面电视广播每个电视节目需要2-5MHz的带宽，一个8MHz频道只能广播3-4套节目，地面电视广播的优点是没有带宽限制，价格便宜，但不适合VOD，网络覆盖能力也差。它主要使用范围在城市地区，而且仍然有很多盲区，特别是在楼道、地铁、电梯和高楼林立的地方。为了寻求两者结合的模式，DVB组织制定出了一个地面数字广播网络向便携/手持终端提供多媒体业务的传输标准：DVB-H。它将蜂窝电话网络和地面数字电视广播网络更好的结合，并将用于向所有用户传送视听及多媒体服务。今年2月份DVB-H标准得到了TDVB Technical Module的批准。这标志着DVB成员公司走过了最后一个阶段，接下来就可以利用该标准设计产品和服务。目前正在进行的最大的试验性项目是把广播视频和音频扩展到移动设备。
DVB-H （Digital Video Broadcasting Handheld）标准被认为是DVB-T标准的扩展应用，但是和DVB-T相比，DVB-H终端具有更低的功耗，移动接收和抗干扰性能更为优越，因此该标准适用于移动电话、手持计算机等小型便携设备通过数字电视地面广播网络接收信号。如图4所示，DVB-H标准就是依托目前DVB-T传输系统，通过增加一定的附加功能和改进技术使手机等便携设备能够稳定的接收广播电视信号。
图 4 DVB-H所扮演的角色
虽然 DVB-T已经被证明在固定、移动、便携接收等方面具有非常出众的性能，但如果DVB-T用于手机接收地面DTV信号有三个主要问题：“功耗、性能(特别是在冲动干扰区的性能)及移动网络设计的灵活性。DVB—H项目组给DVB-T增加了一些选项，使广播业者能继续利用它作为DVB-H的基础同时支持手持接收所要求的众多关键特点。
DVB-H的关键新技术
（ 1）时间片技术
DVB-H终端采用电池进行供电，由于手机体积小、屏幕小、内置天线，而且由电池供电，所以 电池的使用时间是观看电视主要要解决的问题之一， 因此要求射频接收和信道解调、解码部分的功耗小于 100mW。DVB-H采用最新的时间分片技术，基于时分复用技术，它不但能够有效降低手持终端的平均功耗，并且还是不同网络间实现平稳、无缝业务交换的基础。时间分片技术采用突发方式传送数据，每个突发时间片传送一个业务，在业务传送时间片内该业务将单独占有全部数据带宽，并指出下一个相同业务时间片产生的时刻，这样手持终端能够在指定的时刻接收选定的业务，在业务空闲时间做节能处理，接收机就可以断电，从而降低总的平均 功耗。如图 5 所示，在业务空闲时间前端发射机是一直工作的，在相同业务的两个时间片之间将会传送其他业务数据， DVB-H 信号就是由这样许多的时间片组成的。从接收机的角度而言，接收到的业务数据并非是如传统恒定速率的连续输入方式，数据以离散的方式间隔到达，因此称之为突发传送，如果解码终端要求数据速率较低但必须是恒定码率，接收机可以对接收到的突发数据首先进行缓冲，然后生成速率不变的数据流。
(2)MPE-FEC
由于蜂窝环境下的信道状况多变，因此 DVB-T要在以下3个方面进行改进：移动信道的C/N、多普勒效应和抗脉冲干扰能力。
DVB-H 标准在数据链路层为 IP 数据报增加了 RS （ Reed-Solomon ）纠错编码， 用于提高系统的移动和抗脉冲干扰能力， 作为 MPE 的前向纠错编码，校验信息将在指定的 FEC 段中传送，我们称之为 MPE-FEC 。 实验证明即使在非常糟糕的接收环境中，适当的使用 MPE-FEC 仍可以准确无误恢复出 IP 数据。例如在高速、单一天线的情况下，采用 MPE-FEC 的手持终端能够在 DVB-T 环境下接收 8K/16-QAM 甚至是 8K/64-QAM 信号。
(3)4K模式
网络设计应充分考虑移动特性，由于 DVB-H终端在网络内移动时接收天线小巧且单一，因此对于大、中型单频网要有优化设计考虑。
DVB-H 标准在 DVB-T 原有的 2K （ 2048 ）和 8K （ 8192 ）模式下增加了 4K （ 4096 ）模式，通过协调移动接收性能和单频网规模进一步提高网络设计的灵活性。在 DVB-T 系统中， 2K 模式比 8K 模式提供更好的移动接收性能，但是 2K 模式的符号周期和保护间隔非常短，使得 2K 模式仅仅适用于小型单频网。新增加的 4K 模式符号具有较长的周期和保护间隔，能够建造中型单频网，更好地进行网络优化，提高频谱效率，虽然这种优化不如 8K 模式的效率高，但是 4K 模式比 8K 模式的符号周期短，能够更频繁的进行信道估计，提供一个比 8K 更好的移动性能。总之， 4K 模式的性能介于 2K 和 8K 之间，为覆盖范围、频谱效率和移动接收性能的权衡提供了一个额外的选项。
(4)DVB-H TPS
DVB-H TPS为DVB-H设计专用的传输参数信令， 使接收机能更快地发现 DVB-H 业务，即使在低 C/N 地条件下，解调器仍能快速将其锁定。
用于提高系统同步和业务访问速度。
DVB-H 标准由于采用以上新技术，解决了基于 DVB 数据广播和地面电视标准融合后的两个问题：实现了节省功耗和业务的无缝交互；增加 DVB-T 的模式和参数，使得在室内低速率移动和室外高速率移动的手持终端（特别是手机）都能正常进行业务访问。
二、数字电视地面广播（ DTTB）技术的应用前景
自上海宣布开展移动电视试验后，得到了国家有关部门的支持，几个月的运行已经初见成效，很多城市纷纷到上海来参观并跃跃欲试。 现在除了已经在陆上公交系统中试用移动接收，在水路运输中也在试行移动收看，为往来的行人及时提供时政新闻和市场信息。移动接收的含义很广，例如便携式收看，慢移动查询，接收点挪动，在移动着的水、陆交通工具上收看等等。 事实上，数字电视地面广播的开通，是开通了一个宽带的支持移动的数据广播通道，如图 6所示，它不光可以传输电视，把电视也作为一种数据。未来数字电视地面广播的应用将会带动除电视以外的其他业务，借助于数字电视地面广播技术和目前的技术条件，并分析目前的市场情况，首先在公共汽车开展移动电视业务是比较明智的选择，随着该业务被大众接受，将逐步扩大到移动载体。随着电池容量和视频压缩技术的发展，从车载将发展到个人手持终端。 数字电视和数字通讯除了信息所占用的频带宽度和内容不同外，就信息传输基本技术而言两者是相同的，这就为在接收端的所谓的 数字电视地面广播 + 因特网 + 移动通信三者结合即 “三网合一”的收看提供了技术基础， 三网合一的方式应该是将来发展的主流。 其中 数字电视地面广播有着可提供无线的天然优势， DVB-T 标准中的 编码正交频分复用调制 （ COFDM ）还有着提供移动接收的优势； 宽带电视可以提供优质的声、像并茂的信息，将来的通信技术也有这种潜力。 如图 6 所示，从网上下载大的文件如图象和声音，尤其是用多点传播时可通过 DVB—T 。在服务器端和客户端都有开关可自动切换。移动电话和数字电视地面广播各发挥所长，应该认为是最佳的配合，达到了优势互补的效果。数字电视地面广播 的特点和应用将会引起人们收视和获得信息的方式变化。
以后数字化将会给我们的生活带来更多变化， 由此我想象到这样一幅情景，在不久的将来，我可能坐着火车从一个城市到另一个城市。比如我可能从郑州到北京，以后也许要 5个小时或更短的时间。我坐在座位上，打开座位前的屏幕就可以看到电视节目，或许我只想轻松一下，看看肥皂剧或喜剧频道、甚至到那时我还可以看到2008年北京奥运会的实况转播。另外利用它有的电子邮件装置或参与一个节目，或上网浏览。我的智能卡将允许我接入，而且了解我的语言能力、喜好并控制我想接入业务的权利。这个景象的实现为期不远了——全因有了DVB-T。
数字化也将给新闻的采访方式带来很大变化，这种技术上的变化将改变电视记者的工作内容，具有改变记者和编辑职能的冲击力。今后的记者，将带着移动电话、电脑和高画质数字摄像机，在正式的采访组赶到现场之前进行采访，抢发首家新闻。由于信息量的增加和数字技术的采用，我们可以把作为背景材料用的影像素材或文本数据不断传送到记者随身携带的移动电话或电脑上，记者出门在外也能看到具体的影像，没有必要再随身携带成堆的文件就能知道曾经有过某一新闻，使记者的判断更具有准确性。数字化的数据可以伸展或压缩时间轴，即使是很窄的频道也能传送影像。比如，使用电话线路就可以传送电视影像。利用 INS （高度信息通信系统），运用电话线路和压缩技术，这样记者就可以直接从采访现场将新闻及时传送回台里。如果是一个 2 分钟的素材，只要花上数倍的传送时间，就能成为毫不逊色的影像。从技术的角度来说，目前看起来困难或是不可能的事情，并不一定实现不了。只要提出一个概念，技术就会跟上来。以往的事实都证明了这一点。可以说，技术上的制约，就是为了被超越而存在的。 让我们借助于支持移动和宽带广播的技术，去想象它的应用，想象我们未来的生活。
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