数字视频历史
二、地面数字电视传输系统的标准
目前，国际上有三套地面传输系统标准。美国高级电视系统委员会(ATSC)在1996中开发的网格编码八级残留边带(8-VSB)是ATSC 8-VSB；欧洲1997提出的数字视频地面广播(DVB-T)采用编码正交频分复用(COFDM)，即:dv b-T COFDM；；日本在1999中提出的ISDB-T采用了正交频分复用(OFDM)，即ISDB-T OFDM。这三个系统标准的系统设计在技术上局限于当时的设计方向、使用环境、技术水平和硬件支持能力，没有发挥出应有的潜力。
1，美国ATSC 8-VSB系统
美国ATSC 8VSB系统设计用于在单一6MHz信道中传输高质量视频和音频(HDTV)以及辅助数据，用于地面广播分配系统。能在6MHz内可靠传输8VSB调制的19.4 Mbit/s数据。8-VSB“地面联播模式”可以抵抗NTSC干扰。对于地面广播，该系统的设计允许将具有可比覆盖范围的附加数字发射机分配给现有的NTSC发射机，并且在区域和人口覆盖方面对现有的NTSC节目具有最小的影响。在仔细选择系统的射频发射特性之后，可以实现上述能力，并且可以通过18视频格式提供各种图像质量。利用系统的数据传输能力，基于数据的服务具有巨大的潜力。该系统提供固定接收。
在8-VSB系统中加入0.3dB的导频信号来辅助载波恢复。加入段同步信号是为了保护8-VSB系统的同步和时钟信道编码的纠错。这种设计使得美国系统具有噪声阈值低(理论值≈14.9dB)、传输容量大(固定有用数据比特率为19.4Mb/S)、串行数据流MPEG-2包188 bit (1 bit同步+187bit)的主要技术优势。但是美国的制度存在一系列问题。最重要的是处理强动态多径的难点:当近强多径发生变化(相位)时，导频信号会受到严重影响，载波恢复困难。同时，当载波没有准确恢复时，均衡器的性能会急剧下降；虽然系统中使用了训练序列，但是两个训练序列之间的间隔是24毫秒，因此无法跟踪多径的快速变化。美国的系统虽然使用数据判决反馈“DFE”通过调整数据本身产生的误差信号来跟踪快速变化的多径，但是DFE需要信道达到一定程度的平衡(误差判决小于10%)才能正常工作，在强多径下系统是不稳定的。所以最初的设计思路，导频放置，数据结构等。使得系统无法有效应对强多径和快速变化的动态多径，导致固定接收不稳定，在某些环境下不支持移动接收。另外，美国系统在处理模拟电视联播时采用梳状滤波器。梳状滤波器开启时，系统阈值上升3dB，是否开启是判断后的硬开关。在实际应用中，这种方案不仅会使开关在噪声或多径变化的影响下来回跳变，导致系统运行不稳定，还会因为级数和12交织而影响系统网格解码和均衡器工作。ATSC 8-VSB传输系统具有良好的载噪比，可以在低载噪比下工作，但在接收机中加入梳状滤波器以抵抗NTSC同步干扰，但牺牲了约3.5dB的载噪比性能。为了抵抗多径效应引起的频率选择性衰落，8VSB传输方式采用均衡器消除回波，但对回波时延变化敏感；结构复杂，是固定比特率的数字传输系统，采用单载波调制技术，不支持移动接收。
2.欧洲DVB-T COFDM系统
欧洲DVB-T COFDM系统是欧洲数字电视广播(DVB)制定的一系列标准中的数字地面电视广播系统标准，DVB-T是该系列标准中最复杂的DVB系统。利用MPEG-2传输比特流复用和Reed-Solomon (RS)前向纠错系统，采用COFDM调制方式，将传输比特分成上千个低比特率子载波，采用1705载波(“2K”)或6817载波(“8K”)方式。“2K”模式用于普通网络，“8K”模式用于大小单频网络(SFN)，“2K”和“8K”系统兼容。在欧洲系统中，大量导频信号被插入到数据中，并以比数据高3dB的功率发送。这些导频信号有多种用途，完成系统同步、载波恢复、时钟调整和信道估计。由于导频信号数量多且分散在数据中，可以及时发现和估计信道特性的变化。为了进一步降低多径造成的符号间干扰，欧洲系统还采用了“保护间隔”的技术，即在每个符号(块)前增加一定长度的重复值，以抵抗多径的影响。可以认为，插入大量导频信号和保护间隔的技术是欧洲系统的技术核心，正是这两项技术使得欧洲系统在抗强多径和动态多径以及移动接收的实测性能上优于美国ATSC 8-VSB系统。此外，欧洲系统还结合载波数、保护间隔长度、调制星座数等参数，形成多种传输模式供用户选择。其实常用的模式只有两三种，分别对应固定接收和移动接收应用。欧洲体系也有一系列缺陷。第一，频带损耗严重:导频信号和保护间隔至少占有效带宽的14%左右，如果采用大的保护间隔，这个值会超过30%。欧洲方案的综合频带利用率比美国VSB方案高6%到23%。因此，以过度降低系统宝贵的传输容量为代价来换取系统的抗多径性能，显然不是一个好的折中方案。其次，即使放置了大量的导频信号，信道估计仍然不足:COFDM中的导频信号是一种欠采样信号，COFDM采用的是块信号处理方式(一次数千点)，理论上无法完整准确地描述信道特性，只能给出一个近似的平均值，这也是欧洲系统永远达不到理论值(与理论值相差2-3dB)的原因之一。因此，现有的欧洲COFDM系统实际上并没有第三，欧洲系统在交织深度、抗脉冲噪声干扰和信道编码方面的性能明显不足。欧洲还强调在其卫星、有线和地面传输方案中使用相同的信道编码模块，以确保它们之间的兼容性，因为信道编码模块在电路实现中所占的比例很小，这种部分兼容性阻止了在地面广播方案中采用更有效的其他信道编码方法。对于地面广播，该系统可以在分配给模拟电视传输的现有UHF频谱中选择3.7-23.8Mb/S的传输速率。虽然该系统是为8MHz信道开发的，但它可以用于任何信道带宽(6、7、8MHz)，但数据容量是相应变化的。8MHz信道传输的有效净比特率在4.98~31.67Mbit/s范围内，取决于信道编码参数、调制类型和保护间隔的选择。设计中允许码率可变，体现了其灵活性，可以根据信噪比提供多种码率。DVB-T COFDM系统有利于数字电视和模拟电视的存储，在与现有模拟电视混合传输方面显示出优势。它可以处理各种模拟系统的干扰，而不需要在设计上进行优化。它具有抗多径失真的能力，显示了其在移动接收中的独特优势。它在澳大利亚、拉丁美洲和香港受到称赞，因为它可以根据特定的工作环境和服务要求灵活地进行传输实验。
3.日本的ISDB-T OFDM系统
日本提出的“综合业务数字广播”ISDB-T OFDM系统，采用MPEG-2传输比特复用和OFDM调制方式，使用的编码方式、调制和传输与DVB-T COFDM基本相同，可以说是一种改良的欧洲模式。不同的是在接收中加入了部分接收和分层发送，整个6MHz频段分为13个子带。每个子带432KHz，中间一个用来传输音频信号，大大延长了交织深度(最长0.5秒)。增加交织深度将引入几百毫秒的延迟，这将影响信道切换和双向服务。ISDB-T覆盖了各种各样的业务，所以系统要面对各种各样的需求，一个业务可能和另一个业务不一样。比如对于高清电视节目，需要大容量的传输容量，而对于条件接收中的密钥传输和软件下载，则需要高效率(或者说传输可靠性)。为了集成不同的业务需求，系统提供可选的调制和差错保护方案以及灵活的组合，以满足这些集成业务的每一种需求。
一个地面信道有13个OFDM频段，可用带宽为13×BW/14 MHz(6 MHz信道5.57MHz，7MHz信道6.50MHz，8MHz地面信道7.43MHz)。系统中使用的调制方法称为带分段传输(BST)OFDM，它由一组称为BST段的基本频率块组成。各段带宽为BW/14 MHz，其中BW指地面电视的频道带宽(6、7或8MHz，视地区而定)。比如一个6MHz的信道，每段占用6/14 MHz = 428.6KHz频谱，7段等于6×7/14MHz = 3MHz。
除了OFDM特性，BST-OFDM对不同的BST段使用不同的载波调制方案和内码编码率，提供了分层传输特性。每个数据段都有自己的差错保护方案(内码编码率、时间交织深度)和调制类型(QPSDQPSK、16-QAM或64QAM)，因此每个数据段都可以满足不同的业务需求。很多段可以灵活组合，提供宽带服务(如高清电视)。通过传输具有不同参数的OFDM段，可以实现分层传输。在地面信道中可以提供三个服务层(三个不同的段组)。通过使用只有一个OFDM段的窄带接收机，可以接收传输信道中的一些节目。
虽然该系统是针对6MHz信道开发和测试的，但它可用于任何信道带宽(X×BW/14 MHz)，但数据容量会相应改变。6MHz信道中每段的净比特率为280.85 ~ 1787.28 kbit/s，5.57MHz DTV信道的数据吞吐量在3.65 ~ 23.23 Mbit/s范围内。
4.三种地面数字电视传输系统的比较。
ATSC 8-VSB，DVB-T COFDM和ISDB-T BST-OFDM传输系统在不同损坏和操作条件下的性能。
从调制的角度来看，OFDM和单载波调制方案，例如VSB和QAM，对于加性高斯白噪声(AWGN)信道应该具有相同的C/N阈值。信道编码、信道估计、均衡方案和其他实现约束(相位噪声、量化噪声、互调失真)导致不同的C/N阈值。
数据速率和阈值决定了差异，AWGN通道的Eb/N0阈值如表2所示。DVB-T和ISDB-T选择了R=2/3和3/4两种卷积编码速率，提高了与ATSC系统相当的数据速率。根据射频背靠背的测试数据，ATSC系统目前在AWGN信道上有几个dB的好处。再次需要指出的是，所有系统都是可以改进的，对于DTTB来说，AWGN频道可能不是最好的频道模式，尤其是对于室内接收来说。
因为三个系统可以用于不同的信道带宽，而不改变信道编码方案，例如6、7和8MHz，所以系统的Eb/N0值对于6、7和8MHz系统通常是正确的。对于地面广播，
第三，抗多径干扰技术
多径接收在模拟电视中是个鬼影，而在数字接收中，多径效应会让接收完全失效。在地面数字电视传输中，多径效应引起的频率选择性衰落会引起码间干扰，产生误码。因此，地面数字电视传输必须采用抗多径干扰技术。目前有自适应均衡和正交频分复用技术。自适应均衡器采用的算法是最小均方(LMS ),它基于最小平方(LS)和快速横向滤波算法:
K=-N，-1，0，1，…M
找到最小均方误差使得均衡器能够最有效地消除ISI。
OFDM正交频分复用(OFDM)调制技术就是一种并行传输方案。在指定的频带内设置K个等间距的子载波，对每个子载波分别进行数字调制，每个子载波上的调制符号将被扩展K倍，这是一种抗多径干扰的有效方法。它是通过增加保护间隔和参考电平来实现的。
在一个符号时间间隔中，假设基带OFDM信号表示为:
其中M(n)表示第n个子信道的调制信号，n是并行传输信道的数量。
为了提高抗多径干扰能力，增加了保护间隔，所以符号宽度变成T=T5+△，信道间隔仍然是。在时间t，OFDM信号为:
经过多径信道后，子信道间的正交性被破坏。假设具有小于M1且大于M2的相对延迟的传输路径的数量，第k个信道在第I时间的解调输出为:
上式中，第一项是有用信号，第二项是信道间干扰，第三项是符号间干扰，第四项是白噪声。如果保护间隔足够长，使得相对多径时间差小于△，则解调信号中不会有符号间干扰和信道间干扰。(当T=64-192us且△ = 20时，可以基本消除地面广播中的多径干扰。)
然而，有用的输出信号也会受到乘性干扰的影响，因此需要在每个子信道中交替插入参考电平信号，以获得信道的逆响应，并校正接收信号的幅度和相位，以消除多径效应。此外，时间交织、频率交织、保护时间和编码的结合有助于OFDM提高抗多径干扰的能力，并能有效利用多径干扰信号的能量。
DVB-T和ISDB-T采用的OFDM调制系统具有很强的抗多径失真能力，可以抵抗高达0dB的回波。在市区，使用室内或机顶天线时，由于发射机的线性路径被阻挡，通常会产生较大的回波。保护间隔可以完全消除符号间干扰，除非回声延迟超过保护间隔的范围。无论如何，带内衰落仍会影响所需的C/N，尤其是在COFDM载波上使用高阶调制时。为了抵抗0dB的强回波，DVB-T和ISDB-T需要强的内码纠错、良好的信道估计系统和较高的C/N，当使用R = 2/3卷积码时，处理0dB回波需要多6dB左右的信号功率。在任何情况下，增加的C/N的一部分可以由回波信号功率补偿。这些要求的平衡将取决于所选择的码率。使用抵消技术的软判决解码可以显著提高性能。
DVB-T和ISDB-T系统的保护间隔可用于处理超前或延迟的多径失真。这对SFN(单频网)的运行很重要。ATSC系统无法处理长前回声，因为它是为MFN(多频网络)环境设计的，在室外固定接收的情况下，它们通常不会产生长前回声。因为一个区域内的所有发射机都工作在相同的频率，并且通过增加从多个发射机接收信号的概率来带来一些网络增益，所以SFN可以显著地节省频谱需求和传输功率。
第四，频谱效率
作为一种多载波调制方案，OFDM的频谱效率略高于单载波调制系统，因为它的频谱初始滚降非常快，即使没有输出频谱整形滤波器也是如此。对于6MHz信道，DVB-T系统的有用带宽(3dB)为5.7MHz(或5.7/6=95%)，ISDB-T系统的有用带宽为5.6MHz(或13/14 = 93%)。相比之下，ATSC系统的有用带宽为5.38MHz(或者因此，OFDM调制具有至多5%的频谱效率优势。
在任何情况下，用于抵消DVB-T和ISDB-T系统中的多径失真的保护间隔以及为快速信道估计而插入的带内导频将减少数据容量。例如DVB-T提供了系统保护间隔的选择，为实际符号时长的1/4、1/8、1/16、1/32，分别相当于数据容量减少20%和16544。1/12的带内导频插入将导致8%的比特率损失。总体而言，对于不同的保护间隔，数据吞吐量将减少28%，19%，14%和11%。减去上述OFDM系统5%的带宽效率优势，DVB-T系统相对于ATSC系统的总数据容量分别降低到23%、14%、9%和6%。这意味着，对于6MHz系统，假设相同的信道编码和调制方案(64QAM，r = 2/3)，DVB-T系统将以上述保护间隔比提供14.9、16.6、17.6和18.1Mbit/s数据。ISDB-T系统将提供14.6、16.4、17.2和17.7Mbit/s的数据速率；相应的ATSC系统码率固定为19.4mbit/s
事实上，DVB-T和ISDB-T系统可以适应各种发射机，从而扩大覆盖范围，提高频谱效率。基于MFN(多频网)环境，DVB-T具有以下优点:适用于恶劣的多径环境；快速移动的多径环境；单频网SFN；；移动接收；和非定向接收天线位置。然而，在SFN环境中，许多发射机可以使用相同的频率(信道)来覆盖巨大的范围，这将导致DVB-T和ISDB-T系统的频谱和传输功率的整体节省。
五、制定数字电视地面传输标准
传输方案将构成一个国家数字电视地面广播传输标准的基本技术内容。作为一个电视生产和消费大国，作为一个正在融入全球经济一体化，面临全球技术竞争的发展中国家，中国已经意识到，掌握和拥有关键技术，自主开发重要的数字电视系统标准，可以给我国经济带来巨大的发展空间和机遇。世界先进工业国家为了拓展世界市场，获取高额技术利润，近年来凭借其技术领先优势和工业基础，不遗余力地向中国推荐其标准。特别是，该建议侧重于数字电视地面广播的传输标准，旨在促进该系统标准全面采用其整个标准系列。对此，我们应该对自主研发传输方案的必要性和可行性有一个全面客观的认识。
地面系统由一个电视发射台和一个电视台组成，单站覆盖范围小，需要逐个更新。而且国内相应的标准还在研究中，还需要一段时间才能确定。而美国、日本等国家地面数字标准制定后的过渡期在10年左右，中国更慢。地面数字电视通常从大城市和发达地区开始。例如，中国很可能从北京、上海和深圳开始。中国广播电影电视“十五”计划显示，2003年将制定数字电视地面广播传输标准，建立数字电视试验床。到2005年，省级以上广播电台、电视台基本实现采编播数字化，全国广播电视系统基本实现联网。到2010，广播电视节目的制作、播出、传输、传送和接收基本实现数字化，到2015，完成模拟向数字的过渡。
中国推动数字地面电视的驱动力与国外有很大不同。美国家庭大多是比较分散的木屋结构，地面电视主要以本地节目为主。在中国，地面传输不再是黑白和彩色电视刚刚发展起来时的唯一方式。目前卫星和有线的传输方式已经非常成熟。城市以有线电视为主要传输方式，偏远地区和农村以卫星为主要传输方式。大多数城市居民不再使用室外天线接收电视节目，而是使用有线电视。高层居民很难使用室内天线，许多建筑要么被屏蔽，要么朝向错误。在有有线电视的家庭中，要求用户在接收有线标清电视的同时，用室内天线接收一套高清电视，非常不方便。考虑到有线传输高清电视所需的设备与传输普通高清电视完全相同。所以在高清电视的发展中，地面传输的重要性与发展初期的黑白和彩色电视完全不同。
如何在中国推广地面数字电视，选择什么标准，播出什么样的节目，提供什么样的政策引导，都是需要解决的问题。中国有中国的国情，与美欧不同。使用地面数字电视广播有什么好处？美国为什么要推广数字地面广播？第一个原因是为了节省频率资源。在模数转换的最后，美国的FCC可以完全恢复VHF频段，逐步对电视频率收费。第二个原因是可以启动美国数字电视市场的需求。在英国推广DVB-T也有类似的原因。因此，对中国数字电视的分析应该在两种不同的条件下进行。第一，电视台频率不收费，不硬性限时转换。因为中国是一个发展中国家，电视是普通人娱乐和获取信息的最重要的工具。二是促进中国的产业，最重要的是电视产业、芯片产业和软件产业。此时，地面数字电视广播的动力来自市场和政策。地面数字电视不仅要能接收固定的，还要能接收便携的和移动的。程序是另一个重要因素。如果数字节目和模拟节目一样，观看质量会比原来的模拟有线电视有一定程度的提高，但提高并不大。用户没必要花几百块钱买个机顶盒看几乎一样质量的节目。有人认为，也许可以用更好的方案来推广数字电视，但如果你已经有了更好的方案，不买机顶盒的模拟方案可能经济效益更好，回报更快。数字节目制作和机顶盒的投入可能会完全抵消好节目带来的经济效益，或者说很少有人会投资这样一个看不见的市场。也有人指出，16: 9这个数字的市场在欧洲得到了很好的反响，因为普通清晰度16: 9给观众带来的好处，相对于演播室的改善和接收机价格的提高，实在是太微不足道了。中国现在有一台高清16: 9电视，即将进入市场。因此，发展中国地面数字电视的关键在于高清晰度电视。地面数字广播可以在原来的普通模拟电视频道播放一整套高清电视节目，清晰度和音质都有了很大的提高，可以成为真正的家庭影院。原本担心的高清电视价格也降低了不少。首先，它有很好的市场前景。
在政府的组织下，我国开展了近十年的数字高清电视系统技术研发工作，已成功研制了两代数字高清电视地面广播原型系统，并进行了现场信号中继实验。经过业内各行各业科研、广播、技术人员的共同努力，逐渐形成了多种具有自主专利技术的实现方案，尤其是在数字电视地面传输技术领域。如清华大学自主研发完成的“数字多媒体电视广播传输系统DMB-T”，采用OFDM多频调制技术，在8MHz带宽内传输最大有效载荷速率33Mb/s。整个系统设计中，没有使用国外现成的芯片，每一步都是自主设计，实现完全自主知识产权，市场潜力巨大。目前，该技术已完成计算机仿真和FPGA原型验证阶段，进入专利申请和实用化阶段。同时，该国还计划测试和比较国内外现有传输方案的性能。基于现有的研究基础和推进速度，中国完全有可能在各级政府部门的全力支持下，通过测试、分析和完善，在较短的时间内制定出具有自身特色和自主知识产权的中国数字电视地面广播传输标准。
中国目前的电视广播频道带宽为8 MHz，与欧洲基本持平，但与美国和日本不同。中国地面广播频道的频谱分配和规划较为复杂，由中国当前的政治、文化和经济形势决定，其数字电视节目和其他业务形式并不完全符合发达国家的需求。我国制定的传输标准方案在技术上应努力满足以下技术要求:尽量满足数字电视地面广播的要求，系统有固定接收和移动接收两种主要工作模式，采用抗多径干扰技术，使系统在强多径和动态环境下稳定接收，同时提高频谱效率，保证系统的传输数据容量。考虑到数字地面广播和有线广播可能构成未来中国数字电视广播的主要市场，所开发的地面传输方案应使其接收机易于兼容数字有线解调和解码方案。也就是说，系统应该与数字有线方案兼容。系统应努力克服上述国外系统的缺点，形成自己的系统组成和数据结构。系统应尽快形成接收芯片的设计方案，中国企业应首先申请接收技术实现专利，并成功开发标准方案。
不及物动词结束语
通过以上讨论和分析，可以得出结论，数字电视地面广播系统能够实现高效的频谱利用、足够大的数据传输容量以及稳定的固定接收和移动接收能力。为了节省传输带宽，数字电视广播系统应采用调制技术和信道编码来提高传输可靠性，使每个Hz频段可以传输更多的比特(数据速率)。我们采用的标准应该是在固定和移动接收环境下都能稳定实现大数据容量传输的数字电视地面广播系统。在现有国外标准方案的基础上，我国目前正在研究制定自己的数字电视标准，在地面广播传输领域积累了相当的实践经验，具有良好的研究基础。只要我们继续不懈努力，在政府的支持下吸收现代技术的精华，完全有可能形成技术先进、性能优越的传输标准方案。这将对中国数字电视产业乃至整个电子消费市场的健康发展产生深远的影响。