DVB-T標準中實現(xiàn)中的高比特率固定接收與中比特率固定接收詳

1 引言

1996年秋批準的DVB-T標準，于1998年秋在英國率先啟動市場。它總共有280種可能的技術(shù)組合。但8年多來，其工程實現(xiàn)組合僅有10種，占技術(shù)組合總數(shù)的3.6％。DVB-T與ATSC的重要區(qū)別是：它具有多種可能的技術(shù)組合，可以“因地制宜”靈活適應(yīng)各國各地區(qū)DT-TB固定接收的具體需求；而ATSC則是單一的技術(shù)組合。DVB-T著重SDTV業(yè)務(wù)，其應(yīng)用國家總數(shù)和家庭用戶總數(shù)都超過ATSC(北美和中南美)或ISDB-T(日本)。而后兩者則著重HDTV業(yè)務(wù)。因此，DVB-T在各國各地區(qū)的工程實現(xiàn)將為我國DTTB發(fā)展，提供多種學(xué)習(xí)和借鑒的實例。

本文討論DVB-T的10種工程實現(xiàn)組合中前9種，即5種高比特率(20～27 Mbit／s)和4種中比特率(14～18 Mbit／s)的兩類固定接收(一般指室外的屋頂天線接收)的有關(guān)參數(shù)(有效比特率、頻譜利用率、載噪比門限值、發(fā)射功率的峰值與平均值和組建單頻網(wǎng))及其特點，并把它同ATSC標準和中國DTTB傳輸國家標準(以下簡稱“地面國標”)的樣機測試結(jié)果作對比。初步分析表明：中國標準優(yōu)于DVB-T。

2 DVB-T工程實現(xiàn)中高比特率固定接收

2.1 有關(guān)說明

DVB-T標準的頻道帶寬有6，7，8 MHz 3種可選項。本文僅討論8 MHz頻道帶寬，因為我國也采用此值。采用6 MHz的有中國***；而采用7 MHz的則有澳大利亞、德國VHF波段和意大利VHF波段。

其次，DVB-T固定接收的9種工程實現(xiàn)組合基本采用8K子載波可選項，僅英國采用2K模式。因為，英國當時啟動DVB-T固定接收時，只有2K解調(diào)器芯片。但此后各國和中國***啟動DVB-T固定接收時，都采用8K模式。而英國政府機構(gòu)OFCOM已決定：在2012年全面關(guān)閉地面模擬電視廣播前，把2K模式改為8K模式。8K子載波可選項同2K相比的優(yōu)點是：它更有利于組建單頻網(wǎng)(在第4節(jié)討論)；而2K模式則更有利于移動接收。但由于技術(shù)的進步，8K模式也可用于移動接收。

此外，為了方便把DVB-T標準同ATSC標準和中國“地面國標”作粗略對比，在以下討論中略去一些次要的因素。

2.2 獲盡可能高的有效比特率受限于峰值發(fā)射功率

DTTB的社會效益(公共服務(wù))和經(jīng)濟效益(主要是廣告費收入)都隨著有效比特率的增加而上升。因此，DTTB追求盡可能高的有效比特率。但對每個電視發(fā)射臺而言，其原有模擬電視廣播的覆蓋范圍是多年來已形成的(一般基于行政區(qū)域和地理因素)，并在原來的頻率規(guī)劃和指派下實現(xiàn)的，即其覆蓋范圍早已確定多年。

現(xiàn)在要發(fā)送地面數(shù)字電視信號，其首要任務(wù)是在既定覆蓋范圍內(nèi)實現(xiàn)“同播”，即播出原有的模擬電視節(jié)目內(nèi)容，同時以數(shù)字方式播出，為關(guān)閉地面模擬電視廣播和騰出大量地面無線電頻譜作好準備。而且，在既定的覆蓋范圍內(nèi)，收看數(shù)字標清電視的圖像和聲音質(zhì)量，不僅不能下降，還必須有所提高，且SDTV節(jié)目的套數(shù)可增加4～10倍，有條件的話，在黃金時段則播出數(shù)字高清晰度電視。

在既定覆蓋范圍的前提下，盡量采用峰值和平均值功率較低的發(fā)射系統(tǒng)，以降低成本，減少對環(huán)境的電磁污染，因峰值發(fā)射功率過大，將干擾現(xiàn)存的地面模擬電視廣播業(yè)務(wù)(或未來的地面數(shù)字電視廣播業(yè)務(wù))，而這在頻率規(guī)劃中是不能允許的。這就是說：峰值發(fā)射功率受到對“鄰近頻道”和“同頻道”干擾的限制。而發(fā)射功率平均值的確定除了考慮工作頻道、天線高度和方向性、地形等因素以外，從傳輸標準角度而言，主要考慮AWGN載噪比(C／N)門限值(以下簡稱門限值)。而平均值設(shè)計確定后，再由發(fā)射功率峰均比(PAR)(一般由樣機的試驗室測試獲得)確定其峰值設(shè)計。這樣，就可以核實：它是否符合對“鄰近頻道”和“同頻道”干擾的要求(過渡期內(nèi)和結(jié)束后)。

2.3 以64-QAM為特征的高比特率固定接收

DVB-T工程實現(xiàn)組合中的前5種是高比特率固定接收，如表1#1～#5所示。其有效比特率為20～27 Mbit／s；計算機仿真門限值分別為18.0 dB和16.5 dB(相應(yīng)的樣機門限估計值分別為20.5 dB和19.0 dB，因為通?？紤]：在計算機仿真門限值上加2.5 dB作為樣機測試門限估計值)。在這5種工程實現(xiàn)組合中，如果考慮電視家庭用戶數(shù)較多，則編號#3成為其中的典型接收。

2.4 DVB-T與ATSC在高比特率時的對比

表1中，編號#3與編號(1)對比：前者的頻譜利用率要低7.0％，而樣機門限值則要高3.8 dB。因此，DVB-T編號#3不如ATSC編號(1)。

2.5 DVB-T與中國標準在高比特率時的對比

表1中，中國“地面國標”編號(2)～(5)按有效比特率大小順序排列，其樣機門限測試值也同時列出，可看出：

1) 編號#3與編號(2)，(3)對比：后者的有效比特率分別高出7.6％或1.0％，而樣機門限值則降低約3.5 dR或3.7 dB?？梢?，中國“地面國標”編號(2)，(3)優(yōu)于DVB-T編號#3。

2) 編號#3與編號(4)，(5)對比：后者的有效比特率，頻譜利用率雖然分別減少10.3％或13.9％，但樣機門限值則降低較多(分別約7.7 dB或7.6 dB)(請參閱第3節(jié)的討論!)。

3) 此外，編號(2)與編號(1)對比：在門限值接近情況下，前者的頻譜利用率增加5％。其性能在表1中最優(yōu)。

但由于編號(2)的595／3 780=1／6.353，大于編號#3的保護間隔 1／32，更大于編號(1)的 1／207，即其頭部“開銷”稍大。如果希望提高有效比特率，則可對595／3 780增加(595／3 780)×(1／2，1／4或1／8)3個可選項，把有效比特率由25.989 Mbit／s，提高到27.89 Mbit／s(+7.30％)，28.94 Mbit／s(+11.36％)或29.50 Mbit／s(+13.51％)。

總之，從表1整體來看，中國“地面國標”編號(2)和(3)，都優(yōu)于DVB-T編號#3，且編號(2)的性能最優(yōu)(并有改善的余地!)。

3 DVB-T工程實現(xiàn)的中比特率固定接收

3.1 以16-QAM為特征的中比特率固定接收

DVB-T工程實現(xiàn)組合的4種是中比特率固定接收，(見表2)，其有效比特率為14～18 Mbit／s；而樣機門限值與ATSC接近(#6，#7，#8)或稍低(#9約低1.6 dB)。在這4種組合中，如果考慮電視家庭用戶數(shù)較多，則編號#6和#9是4種中的2個典型。因其門限值比編號#3低4 dB或更多，更易在既定覆蓋范圍內(nèi)實現(xiàn)“同播”和提高覆蓋率，但會以降低頻譜利用率為代價。

3.2 英國改用16QAM調(diào)制提高覆蓋率

英國1998年秋啟動地面數(shù)字電視廣播時，采用64QAM調(diào)制(編號#3)(目前少數(shù)業(yè)務(wù)中仍采用)。但OnDigital的“付費收看”業(yè)務(wù)啟動一年半后宣布失敗，而且覆蓋率不足(見表3)。因此，當BBC和Castle獲得OFCOM授權(quán)合作而重新啟動免費收看業(yè)務(wù)Freeview時，大部分地區(qū)改為16QAM調(diào)制(編號#6)，它可使既定覆蓋范圍的覆蓋率由66％上升到83％(見表3)。

這可能是：1)在過渡期內(nèi)數(shù)字發(fā)射功率峰值受到對現(xiàn)存地面模擬電視廣播鄰近頻道或同頻道的干擾之限制而采取的補救措施；2)降低門限值16.5-12.5=4.0(dB)以增加在既定覆蓋范圍內(nèi)的覆蓋率(見表3)；3)付出的代價是：原來8 MHz頻道內(nèi)有效比特率由24 Mbit／s下降為18 Mbit／s(由5套SDTV減少為4套)。

英國改用16QAM已經(jīng)生效。據(jù)稱，到2006年第3季度，英國數(shù)字電視家庭共1853.8萬戶(占電視家庭總數(shù)74.8％)。其中：地面37.8％；有線15.8％；衛(wèi)星46.4％(包括同時擁有兩者的)。這樣，英國在全球已經(jīng)成為DTTB家庭比例和數(shù)字電視比例最高的國家。

3.3 德國著重發(fā)展中比特率固定接收，以兼顧室內(nèi)接收(含便攜式接收)和移動接收

德國從2003年春起，采用16QAM調(diào)制(編號#9)啟動DTTB。由于其門限值較低(編號#3和#9相比，有5.4dB的差距)，更有利于在既定覆蓋范圍內(nèi)實現(xiàn)“同播”和提高覆蓋率。德國電視收看的基本國情是(2005年7月的數(shù)據(jù))：電視家庭總數(shù)3 390萬戶，其中：有線51.7％；衛(wèi)星43.1％；而地面僅9.7％(包括同時擁有兩者的)。

而據(jù)DVB網(wǎng)站資料的排序，德國DTTB業(yè)務(wù)的定位是：室內(nèi)接收(含便攜式接收)、移動接收和固定接收(一般指室外的屋頂天線接收)。

2004年8月，柏林和勃蘭登堡地區(qū)用9個月時間，完成地面模擬電視廣播向數(shù)字電視廣播的過渡。目前正在全國各地區(qū)大規(guī)模推廣。據(jù)報道，到2007年1月中旬，德國已有700萬地面數(shù)字電視接收機(含機頂盒)在運行(此數(shù)與電視家庭總數(shù)的直接比例為20.6％)。而2005年7月數(shù)字電視家庭的統(tǒng)計是：地面4.0％；有線5.0％；衛(wèi)星16.7％?？梢娨荒臧雭淼聡腄TTB業(yè)務(wù)進展也較快。

3.4 DVB-T與中國標準在中比特率時對比

1) 表2編號#6與表1編號(4)，(5)對比：后兩者的有效比特率(頻譜利用率)至少提高15％，而門限值則至少降低2.6 dB，也即中國“地面國標”編號(4)，(5)的高比特率模式顯著優(yōu)于DVB-T的#6中比特率模式。

2) 編號#7與編號(6)對比：后者的有效比特率接近前者，但門限值則低約5 dB?？梢姡袊暗孛鎳鴺恕本幪?6)也優(yōu)于DVB-T的#7。

3) 此外，編號(7)更適應(yīng)中比特率固定接收、兼顧室內(nèi)接收(含便攜式接收)和移動接收。因為其樣機門限值5.8 dB較低，而且它與新加坡的移動接收(2K模式，GI=1／4，F(xiàn)EC=1／4，QPSK調(diào)制)的估計值5.6 dB非常接近(計算機仿真值3.1 dB加2.5 dB)；而其有效比特率則翻一番有余(10.396 Mbit／s與4.98 Mbit／s對比)!可見，中國“地面國標”編號(7)的中比特率固定接收兼顧移動接收的模式，顯著優(yōu)于DVB-T的低比特率移動接收模式。

4 對DVB-T工程實現(xiàn)中其他參數(shù)的討論

4.1 發(fā)射功率的平均值和峰值

對于確定的覆蓋范圍，由于載噪比門限值和發(fā)射功率峰均比(PAR)的差別，采用不同的工程實現(xiàn)組合進行地面數(shù)字電視廣播時，所需發(fā)射機的平均值和峰值是不同的(見表4，對于某既定覆蓋范圍，假設(shè)DVB-T編號#3所需的發(fā)射功率平均值為1 kW)。

說明：方拮號內(nèi)的數(shù)值供參考。

從表4可以看出：

1) 編號#3和編號(1)對比：前者的門限值要高約3.8 dB；而發(fā)射功率峰均比(PAR)要高3.7 dB。因此，對于相同的覆蓋范圍，前者發(fā)射功率平均值和峰值分別是后者的3.4倍和7.9倍!可見，ATSC編號(1)優(yōu)于DVB-T編號#3。

2) 編號#3與編號(2)，(3)對比：前者的門限值至少要高約3.5 dB；PAR則要高2.76 dB或接近。因此，前者發(fā)射功率平均值是后者的2倍多，而前者的發(fā)射功率峰值則是后者的4倍多或2倍多?？梢姡袊暗孛鎳鴺恕本幪?2)，(3)優(yōu)于DVB-T編號#3，而且編號(2)的優(yōu)勢更大。

4.2 組建單頻網(wǎng)(SFN)時的有關(guān)參數(shù)

由表5可看出：DVB-T編號#3(8K模式，不含英國)和編號#9(8K模式)在組建SFN時，其覆蓋半徑分別是8.4 km或33.6 km；而編號#6(2K模式)只有2.1 km(過小)。這個結(jié)果說明：8K與2K模式相比，更有利于組建SFN。

說明：DVB-T的數(shù)據(jù)來自其標準文件文獻[7]；而中國“地面國標”的數(shù)據(jù)則來自文獻[5]。

中國“地面國標”編號(2)，(5)，(7)和(3)，(4)，(6)的覆蓋半徑分別是23.6 km和16.7 km，也都有利于組建SFN。

此外，DVB-T是多載波系統(tǒng)，對工作時鐘精度的要求約10-12；而ATSC或中國“地面國標”C=1可選項都是單載波系統(tǒng)，對工作時鐘精度的要求約10-9。兩者相差3個數(shù)量級。因為，相位噪聲對兩者造成的不良后果有3個數(shù)量級的差別：2K模式是單載波系統(tǒng)的2 048倍；4K模式為4 096倍；8K模式為8 192倍。

5 小結(jié)

1) DVB-T的64QAM高比特率固定接收(編號#3為例)，可在既定覆蓋范圍內(nèi)實現(xiàn)“同播”而峰值發(fā)射功率受限時，可獲得較高的有效比特率。

2) DVB-T的16QAM中比特率固定接收，有利于在既定覆蓋范圍內(nèi)實現(xiàn)“同播”(編號#6為例)并增加覆蓋率；或同時兼顧室內(nèi)接收、便攜式接收、移動接收和組建SFN(編號#9為例)。

3) 各國各地區(qū)采用DVB-T標準“因地制宜”開展DTTB的高比特率或中比特率固定接收工程實現(xiàn)的各種事例，可供我們學(xué)習(xí)和借鑒。

4) 中國“地面國標”優(yōu)于DVB-T標準。這可能由于采用LDPC編碼而獲得的改善。