孫錫禮

簡析數(shù)字電視傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)

孫錫禮

煙臺廣播電視臺海陽轉(zhuǎn)播臺，山東 海陽 265100

首先對數(shù)字電視的概念、特點(diǎn)和信號傳輸類型做了概要介紹，隨后簡要分析了數(shù)字電視傳輸?shù)膸醉?xiàng)關(guān)鍵技術(shù)——碼流復(fù)用、信道編碼及數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)，結(jié)論是分析、掌握數(shù)字電視傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)，對整個(gè)廣播電視技術(shù)水平的提高將發(fā)揮更重要的作用。

數(shù)字電視；碼流復(fù)用；信道編碼；數(shù)字調(diào)制

數(shù)字電視（因電視信號由二進(jìn)制數(shù)字0、1構(gòu)成碼流而得名）的傳輸信道，是由傳統(tǒng)的模擬電視廣播信道轉(zhuǎn)換而來的，主要分為三種：衛(wèi)星信道（通常稱為衛(wèi)星數(shù)字電視）、有線信道（通常稱為有線數(shù)字電視）和無線信道（通常稱為地面數(shù)字電視，包括移動(dòng)電視）[1]。

由于數(shù)字電視信號在傳輸過程中有效利用了碼流復(fù)用、信道編碼和數(shù)字調(diào)制等關(guān)鍵技術(shù)，因此無論在信號質(zhì)量、傳輸速率還是頻道利用率上都有很大提高，同時(shí)還具有視頻點(diǎn)播、互聯(lián)網(wǎng)接入、信息服務(wù)等多種擴(kuò)展功能。

1 碼流復(fù)用

眾所周知，整個(gè)數(shù)字電視系統(tǒng)是以MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的。其中的MPEG-2系統(tǒng)層標(biāo)準(zhǔn)描述視頻、音頻及輔助數(shù)據(jù)所組成碼流（稱為基本碼流，或ES流）的復(fù)用方式。

ES流按網(wǎng)絡(luò)通信要求的格式打包后形成PES流。按照MPEG-2系統(tǒng)層標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，適用于干擾極少的傳輸信道（如演播室、多媒體存儲）的碼流格式是節(jié)目碼流（PS流），它是把PES流中完整的數(shù)據(jù)包通過節(jié)目復(fù)用器組合而成的；適用于干擾多、環(huán)境差的傳輸信道（即電視廣播信道）的碼流格式是傳輸碼流（TS流），它通過傳輸復(fù)用器把PES流分割為188字節(jié)固定長度的數(shù)據(jù)包。碼流復(fù)用也使數(shù)字電視信號很方便地進(jìn)入數(shù)字媒體信息發(fā)布系統(tǒng)，從而可以借助當(dāng)今任何網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，為促進(jìn)“三網(wǎng)融合”的實(shí)現(xiàn)起到關(guān)鍵作用[2]。傳輸復(fù)用器還有將幾路不同來源的TS流合成一路新TS流的功能，可以實(shí)現(xiàn)頻譜資源的多功能復(fù)用——在原來的一個(gè)模擬電視頻道內(nèi)傳送多套數(shù)字電視節(jié)目（即提高了頻道利用率），還可以同時(shí)提供視頻點(diǎn)播、互聯(lián)網(wǎng)接入、信息服務(wù)等互動(dòng)業(yè)務(wù)。

2 信道編碼

數(shù)字電視信號在傳輸過程中，因信道傳輸特性不理想（傳輸線路不佳造成能量損失、障礙物引起信號衰落等）和電磁脈沖干擾、信號抖動(dòng)、信號漂移等的影響，接收的電視信號不可避免地會出現(xiàn)差錯(cuò)（稱為誤碼，通常分為隨機(jī)錯(cuò)誤和突發(fā)錯(cuò)誤）。只有采取措施將誤碼控制在允許范圍之內(nèi)，到達(dá)接收端的信號才能可靠接收。常用措施有：通過提高線路質(zhì)量獲得信道改善、在發(fā)送端增加信號能量（這肯定是有限度的）、由信道設(shè)備通過信道編碼實(shí)現(xiàn)誤碼控制等。在許多情況下，信道改善是不可能或不經(jīng)濟(jì)的，這時(shí)只能采用具有一定糾錯(cuò)能力的信道編碼技術(shù)。

為達(dá)到提高傳輸可靠性的目的，信道編碼的主要技術(shù)要求如下：（1）所傳輸信號可以內(nèi)容不受任何限制地通過信道；（2）具有一定的檢錯(cuò)糾錯(cuò)能力；（3）要求編碼效率高——為具有一定糾錯(cuò)能力而在原碼流中添加的冗余碼盡可能少；（4）為保證接收端準(zhǔn)確解碼，應(yīng)包含適當(dāng)?shù)亩〞r(shí)和同步信息。針對這些要求，信道編碼主要做了以下技術(shù)處理：（1）使用數(shù)字序列的頻譜形成技術(shù)（即信號碼型的選取、轉(zhuǎn)換等）改變信號頻譜特性，使傳輸?shù)男盘柨梢詢?nèi)容不受任何限制地通過信道；（2）在原碼流中添加冗余碼（稱為誤碼控制碼元）實(shí)現(xiàn)檢錯(cuò)糾錯(cuò)，因此，信道編碼也可認(rèn)為是前向糾錯(cuò)編碼[3]。國家標(biāo)準(zhǔn)GB 20600－2006《數(shù)字電視地面廣播傳輸系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)、信道編碼和調(diào)制》中規(guī)定采用的前向糾錯(cuò)編碼，是一種由外碼和內(nèi)碼組成的、糾錯(cuò)能力很強(qiáng)的級聯(lián)編碼。用作外碼的為BCH碼：把信源待發(fā)送的信息按固定的k位一組劃分成消息組，再將每一消息組獨(dú)立變換成n（n＞k）位二進(jìn)制數(shù)字組成的碼字，記為BCH（n，k），國家標(biāo)準(zhǔn)采用BCH（762，752）。解碼算法較簡單、具有抗突發(fā)錯(cuò)誤特性的低密度奇偶校驗(yàn)碼（LDPC碼）被用作內(nèi)碼。內(nèi)、外碼之間進(jìn)行時(shí)域交織，交織的目的是把較長的突發(fā)錯(cuò)誤分散成隨機(jī)錯(cuò)誤，從而進(jìn)一步提高了糾錯(cuò)能力[1]。

3 調(diào)制解調(diào)

由于數(shù)字電視信號在廣播信道中必須采用載波傳輸，因此調(diào)制解調(diào)技術(shù)成為數(shù)字電視廣播在傳輸和接收環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)。最大限度提高數(shù)字電視覆蓋率是數(shù)字電視傳輸?shù)氖滓繕?biāo)。為適應(yīng)傳輸信道較高頻譜范圍的要求，傳輸前必須進(jìn)行調(diào)制。與傳統(tǒng)的三種模擬調(diào)制方式——調(diào)幅（AM）、調(diào)頻（FM）和調(diào)相（PM）是完全類似的?；镜臄?shù)字調(diào)制方式分別相應(yīng)被稱為幅度鍵控（ASK）、移頻鍵控（FSK）和移相鍵控（PSK）。

傳輸信道的不同決定了數(shù)字調(diào)制方式的不同：由大氣放電現(xiàn)象產(chǎn)生的天電干擾對衛(wèi)星數(shù)字電視影響嚴(yán)重，噪聲漏斗效應(yīng)則影響有線數(shù)字電視上行信道——上述信道需要選擇正交移相鍵控（QPSK）方式，以提高信號傳輸?shù)男屎涂垢蓴_能力；有線數(shù)字電視下行信道由于各種噪聲干擾較小，應(yīng)選擇頻譜利用率較高的正交幅度調(diào)制（QAM）方式；地面數(shù)字電視因多徑效應(yīng)特別嚴(yán)重，應(yīng)選用可顯著降低多徑效應(yīng)、廣泛應(yīng)用于無線通信的正交頻分復(fù)用（OFDM）調(diào)制技術(shù)。以下簡述了這幾種數(shù)字電視廣播用的調(diào)制方式基本原理。

（1）正交移相鍵控（QPSK）方式，也稱四相移相鍵控，它屬于那種恒定包絡(luò)的相位調(diào)制方式，因此QPSK已調(diào)信號平均功率是恒定的，噪聲干擾造成的幅度失真不會導(dǎo)致誤碼產(chǎn)生，即抗噪聲性能好。QPSK是用載波四種相隔90°的相位（通常分別為45°、135°、225°、315°）來表征調(diào)制器輸入的四種二進(jìn)制數(shù)字組合（00、01、10、11）的，調(diào)制器輸入的二進(jìn)制碼流每兩個(gè)比特分成一組（只會有上述四種組合狀態(tài)）。這種組稱為雙比特碼元，通過載波上述四種相位分別傳輸對應(yīng)的碼元即可完成調(diào)制。

（2）正交幅度調(diào)制（QAM）方式。它將調(diào)制信號分成兩個(gè)序列分別去調(diào)制兩個(gè)相互正交（相位差為90°）的同頻載波的幅度。QAM已調(diào)信號的幅度和相位同時(shí)變化，因兩個(gè)相互正交的分量可分別以ASK方式并行、獨(dú)立地傳輸信號，與普通幅度鍵控相比，其頻譜利用率將提高1倍。目前QAM最高已達(dá)到1024?QAM（1024個(gè)樣點(diǎn)）。每個(gè)樣點(diǎn)表示一種幅度和相位的組合狀態(tài)（這種組合狀態(tài)與傳輸比特之間有規(guī)定的對應(yīng)關(guān)系），樣點(diǎn)數(shù)目越多，傳輸效率就越高。因此，QAM的頻譜利用率和信噪比都是比較高的，但載波幅度失真會導(dǎo)致誤碼產(chǎn)生，即抗干擾能力不如PSK。QAM信號的解調(diào)是首先使用兩路正交的相干載波，解調(diào)出兩路相互正交的多電平信號，再通過幅度檢測和判決解調(diào)出原來的調(diào)制信號，比僅需正確檢測相位的PSK解調(diào)要復(fù)雜得多。

（3）正交頻分復(fù)用（OFDM）調(diào)制技術(shù)。它將一個(gè)擁有整個(gè)信道帶寬的載波劃分為頻率上等間隔（我國規(guī)定間隔2?kHz）的C個(gè)子載波（我國規(guī)定C=3?780），原本串行的調(diào)制信號轉(zhuǎn)換為并行的C個(gè)子信號后，分別去調(diào)制相互正交、互不干擾的C個(gè)并行子載波（應(yīng)用于各個(gè)子載波的具體調(diào)制方法不必相同）。OFDM信號的解調(diào)過程是：先通過積分電路把每個(gè)子載波分離出來，再按照每個(gè)子載波的具體調(diào)制方法解調(diào)出每個(gè)子信號。地面數(shù)字電視傳輸中的多徑效應(yīng)會使信號發(fā)生頻率選擇性衰落，而上述子載波把整個(gè)信道劃分成了C個(gè)窄的子信道，因其信號帶寬僅為整個(gè)信道帶寬的幾千分之一，每個(gè)子信道內(nèi)的頻率選擇性衰落基本可以忽略。多徑效應(yīng)嚴(yán)重時(shí)還會破壞子載波間的正交性，引起信道間干擾而導(dǎo)致解調(diào)出誤碼；如果每個(gè)子信道的OFDM已調(diào)信號在送入信道之前，首先進(jìn)行周期擴(kuò)展，使每個(gè)OFDM已調(diào)信號前都加入保護(hù)間隔，并且這種保護(hù)間隔的持續(xù)時(shí)間總是大于信道的最大多徑時(shí)延，那么信道之間的多徑分量再也不會相互干擾。因此，OFDM能有效對抗多徑效應(yīng)，消除信道間干擾。

數(shù)字電視還在進(jìn)一步推廣和普及之中，分析、掌握數(shù)字電視傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)，必將對整個(gè)廣播電視技術(shù)水平的提高發(fā)揮更重要的作用。

[1]彌俊偉. 數(shù)字電視傳輸技術(shù)探討[J]. 中國傳媒科技，2012（24）：129-130.

[2]吳文利. 數(shù)字電視傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分析[J]. 數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2011（4）：173-174.

Brief Analysis of the Key Technologies of Digital Television Transmission

Sun Xili

Haiyang Broadcasting Station of Yantai Radio and Television Station, Shandong Haiyang 265100

The paper firstly gives a brief introduction to the concept, characteristics and signal transmission types of digital television. After that, it briefly analyzes several key technologies of digital television transmission-code stream multiplexing, channel coding and digital modulation and demodulation technology. The conclusion is that analyzing and mastering the key technologies of digital television transmission will play a more important role in improving the overall level of broadcast and television technology.

digital television; stream multiplexing; channel coding; digital modulation

TN943

A

孫錫禮（1971—），男，漢族，山東海陽人，本科學(xué)歷，現(xiàn)供職于煙臺廣播電視臺海陽轉(zhuǎn)播臺，任工程師，研究方向?yàn)閺V播電視工程。