我國數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)對比與分析

2006年9月，國家廣電總局頒布了我國地面數(shù)字電視國家標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)是清華DMB-T方案和上海交大ADTB-T方案的融合體，前者采用單載波調(diào)制，后者采用多載波調(diào)制。本文介紹了單載波調(diào)制和多載波調(diào)制的工作原理，以及ADTB-T和DMB-T的優(yōu)缺點。

什么是單載波調(diào)制和多載波調(diào)制
上海交大的ADTB-T方案和清華的DMB－T方案，雙方爭論的焦點就是，單載波調(diào)制性能優(yōu)越還是多載波調(diào)制性能優(yōu)越。因此，在這里還是有必要簡單介紹一下，什么是單載波調(diào)制和多載波調(diào)制。所謂單載波調(diào)制，就是將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流調(diào)制到單個載波上進行傳送，如：4-QAM（QPSK）、8-QAM、16-QAM、32-QAM、64-QAM、128-QAM、256-QAM或8-VSB、16-VSB等都是單載波調(diào)制。上海交大的ADTB-T方案選用的是單載波調(diào)制，在1999年50周年大慶試播的時候，上海交大的ADTB-T方案采用的是8-VSB數(shù)字調(diào)制，到后來才改為16-QAM數(shù)字調(diào)制。QAM調(diào)制也叫正交幅度調(diào)制，簡稱正交調(diào)幅；因為正交調(diào)幅有很多種調(diào)制模式，如上面列出的就有7種，一般記為n-QAM，n表示各種調(diào)制映射到星座圖上的模數(shù)。模數(shù)越低，調(diào)制和解調(diào)電路就越簡單，但傳輸?shù)拇a率也相應(yīng)降低，例如：4-QAM的碼率為2bit/S，而16-QAM的碼率為4bit/S。一般，信號傳輸條件越差，選擇的模式就越低，例如：衛(wèi)星通信只能選擇QPSK，而有線電視可選64-QAM和128-QAM，甚至256-QAM；對于地面電視廣播，信號發(fā)送一般選8-QAM、16-QAM、32-QAM，最高只能選到64-QAM。正交調(diào)幅就是把一序列需要傳送的數(shù)字信號（2進制碼）分成兩組，并分別對兩組數(shù)字信號進行幅度編碼，使之變成幅度不同的調(diào)制信號，即I信號和Q信號，然后用I信號和Q信號分別對兩個頻率相同，但相位正好相差的兩個載波進行調(diào)幅，最后再把兩路調(diào)制過的信號合成在一起進行傳送。由于在調(diào)制之前已經(jīng)對輸入信號進行過幅度編碼，因此，這種調(diào)制也稱為正交數(shù)字幅度調(diào)制。我國的HDTV如選用MPGE-2編碼，最高傳送碼率大約為20M bit/S，如果選用16-QAM調(diào)制模式，其頻譜利用率是每赫芝傳送4位數(shù)據(jù)，即碼率為4bit/S。由此可知其載波最高頻率約為6MHz，經(jīng)高頻調(diào)制后采用殘留邊帶發(fā)送，其載頻帶寬大約為7點多MHz。所謂多載波調(diào)制，就是將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，然后調(diào)制到在每個子信道上進行傳輸。如：n-COFDM，其中n為子載波數(shù)目。清華的DMB－T方案選用的是多載波調(diào)制，在DMB－T方案中采用3780-COFDM調(diào)制方式。多載波調(diào)制也叫編碼正交頻分復(fù)用調(diào)制。就多載波調(diào)制中的各個載波而言，其調(diào)制的工作原理與n-QAM單載波調(diào)制的工作原理基本相同，只是把需要傳送的數(shù)據(jù)分成很多組（這里為3780組），然后每組再分成兩組，通過幅度編碼以后便可生成兩組I信號和Q信號，而后用3780組I信號和Q信號分別對3780個頻率各不相同的載波進行正交調(diào)制，最后把所有的調(diào)制信號合在一起進行傳送。

ADTB-T和DMB-T的優(yōu)、缺點
上面我們簡單介紹了單載波調(diào)制和多載波調(diào)制的工作原理，下面我們進一步來分析單載波調(diào)制和多載波調(diào)制的優(yōu)、缺點。根據(jù)上面分析，采用16-QAM單載波調(diào)制，其最高碼率為24Mbit/S，載波頻率為6MHz；如果選用多載波調(diào)制，在碼率同樣為24Mbit/S的情況下，采用3780-OFDM多載波調(diào)制，對于3780個載波平均下來，每個載波平均傳送的碼率大約只有6.3Kbit/S，這樣，哪怕每個載波都選用QPSK調(diào)制，其載波的最高頻率還是可以選得很低；如果選用16-QAM或64-QAM調(diào)制，其載波的最高頻率還可以進一步降低。但這是在沒有考慮解碼以及圖像信號處理需要時間的理想情況，實際并不是這樣。一方面，在數(shù)字電視機中，選用的載波頻率也不能太低，因為，數(shù)字信號傳送的速度一定要大于圖像信號處理的速度，這樣，最后輸出信號才不會產(chǎn)生間斷。例如，我國HDTV的行掃描頻率大約為32KHz，如果不考慮MPEG解碼電路以及圖像信號處理電路對輸入信號處理所需要的時間，那么，多載波的最低頻率就不能低于32KHz，否則，行掃描電路就會出現(xiàn)沒有信號可掃描的情況，圖像顯示就會出現(xiàn)間斷。因此，MPEG解碼電路以及圖像信號處理電路對數(shù)字信號傳送速度也有同樣的要求。另一方面，多載波解調(diào)制對數(shù)字信號進行分批處理時候，每次都需要等3780個載波傳送的數(shù)據(jù)全部到齊以后，才能一次性地對數(shù)據(jù)進行處理，即需要對信號進行并轉(zhuǎn)串處理；因此，其解調(diào)制過程消耗的時間相對來說比較長，其最低頻率也就不能取得很低。另外，多載波調(diào)制一般都不采用殘留邊帶發(fā)送，因此，調(diào)制后的頻帶寬度相對于殘留邊帶發(fā)送來說大約要寬一倍。綜合以上因素，就平均而言，多載波的平均頻率相對來說可以低一些，但載波的最高頻率與單載波的頻率相對來說，并不會相差很大。載波頻率低的最大好處就是，可以降低信號傳送過程中的多經(jīng)反射干擾（即圖像重影效應(yīng)）。下面我們分三種情況來分析：比如單載波頻率為6MHz，其周期為0.17uS，兩個正交載波相差1/4個周期（90 o），為0.0425uS；由于電磁波的速度約等于光速，即每微妙為300米，那么，頻率為6MHz的載波對應(yīng)于一個周期所傳播的距離就是51米，即波長為51米；半個周期為25.5米（半波長），1/4個周期為12.75米（1/4波長）。如果反射體的路經(jīng)距離正好與電視接收點相差12.75米（或1/4波長的奇數(shù)倍），即電視接收機相當(dāng)于同時收到兩個信號，一個是主信號，另一個是反射信號，兩個調(diào)制載波信號的相位正好相差90 o（1/4波長）；這樣，兩個調(diào)制載波信號互相疊加以后，不但會改變原來信號的相位，同時也會改變信號的幅度，結(jié)果相當(dāng)于I和Q兩路信號互相串?dāng)_，并且，當(dāng)兩個信號疊加之后的相位差越接近90 o時，即反射信號越強，干擾就越嚴(yán)重；在這種情況下，數(shù)字電視接收機的調(diào)制解調(diào)電路可能無法正常解碼。如果反射體的路經(jīng)距離正好與電視接收點相差半個波長（25.5米，或半個波長的奇數(shù)倍），則兩個調(diào)制載波信號的相位正好相差180 o（半波長），由于正交調(diào)制的兩路信號（I和Q）都是對載波的半波進行幅度調(diào)制的，因此，兩路調(diào)制過的信號合成之后就相當(dāng)于是對載波的1/4波進行調(diào)制；當(dāng)原信號正、負半周是對稱時，則兩個信號互相疊加的結(jié)果會使接收信號減弱，相當(dāng)于電視接收機接收靈敏度降低；當(dāng)原信號正、負半周不是對稱時，則兩個信號互相疊加的結(jié)果會使接收信號失真，相當(dāng)于兩路信號（I和Q）互相串?dāng)_，與兩個調(diào)制載波信號的相位相差90 o時沒有多大區(qū)別。

如果反射體的路經(jīng)距離正好與電視接收點相差1個波長（51米，或1個波長的整數(shù)倍），兩個信號的相位正好相差360 o（1個波長）；當(dāng)原信號正、負半周為對稱時，則兩個信號互相疊加的結(jié)果會使接收信號加強，相當(dāng)于電視接收機接收靈敏度提高；當(dāng)原信號正、負半周不是對稱時，則兩個信號互相疊加的結(jié)果會使接收信號失真，相當(dāng)于兩路信號（I和Q）互相串?dāng)_，與兩個調(diào)制載波信號的相位相差90 o時沒有多大區(qū)別。由此可見，只要接收到兩個信號（主信號和反射信號）的相位角相差正好是90 o（1/4波長）的整數(shù)倍，對單載波正交調(diào)制信號造成的干擾最嚴(yán)重；對于其它相位差同樣也會產(chǎn)生干擾，只是干擾程度相對來說沒有90 o時那么嚴(yán)重。假設(shè)多載波的最高頻率只有3MHz，即為單載波頻率的二分之一，相對來說多載波的波長比較長；根據(jù)兩點之間的電磁場強度與距離的平方成反比的定理，可以求得，在1/4波長處是干擾最嚴(yán)重的地方，兩者的電磁場強度相差4倍。而對所有載波平均而言，甚至可以相差幾百倍，即多載波調(diào)制的多經(jīng)干擾相對來說比單載波輕。但多載波調(diào)制和解調(diào)的過程都非常麻煩，多個載波經(jīng)過調(diào)制后合在一起傳輸，解調(diào)時對其再進行分離就非常困難；因為，在高碼率傳送之下，它無法用濾波電路把各個調(diào)制載波信號選出來，只能采用同步分離的方法，因此，它對同步信號的相位要求非常嚴(yán)格，所以多個載波對相位噪音的要求比單載波高很多。如果多載波調(diào)制信號解調(diào)時各個載波信號分離不干凈，就相當(dāng)于多個載波之間會互相產(chǎn)生干擾，信噪比（S/N）就會降低。一般多載波解調(diào)電路要求信噪比（S/N）的門限值要比單載波解調(diào)電路高好幾個db（根據(jù)報道為3-4dB）。目前已經(jīng)有很多方法可以降低單載波多經(jīng)反射干擾，例如，采用數(shù)字延時均衡技術(shù)，即從信號中取出一部分信號經(jīng)延時一個相位后再與原信號疊加，現(xiàn)在這種技術(shù)可以通過軟件控制來實現(xiàn)，將來所有的數(shù)字信號接收機都可以采用這種技術(shù)。

很多人都認(rèn)為，只有多載波調(diào)制才能用于移動電視接收機，而單載波調(diào)制無法實現(xiàn)移動接收的功能。我認(rèn)為，這種想法毫無道理。比如，一輛汽車的速度是每小時100公里（28米/秒），那么，它跑1/4周期（6MHz）的時間（0.0425uS）所對應(yīng)的距離就是1.19×10－6米，這相當(dāng)于2.3×10－8個波長；或它跑1/4波長的距離（12.75米）所對應(yīng)的時間為0.46秒，相當(dāng)于2710000個周期。這兩個結(jié)果無論是在時間上或在距離上都沒有可比性。因此，汽車速度對單載波的相位影響幾乎等于零。而受影響最大的反而應(yīng)該是，在0.46秒時間內(nèi)，數(shù)字延時均衡電路是否能正常工作。而對于高頻載波在移動接收過程中產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)，它只影響接收頻率的偏移，這種影響對單載波調(diào)制和多載波調(diào)制都是一樣的。特別值得注意的是，由于ADTB-T是單載波技術(shù)，因此，它對廣電原有的發(fā)射系統(tǒng)能夠很方便的接洽。根據(jù)資料分析，在前端數(shù)字化改造方面，交大方案的成本要比清華方案的成本節(jié)省約80%～90％，僅需要一個MPEG和ADTB-T調(diào)制器即可利用原有模擬發(fā)射機發(fā)射數(shù)字信號，而清華方案必需要整套更換成全新的數(shù)字發(fā)射機，這筆代價在邊遠地區(qū)還是需要斟酌的很大的一筆開銷。同時，在衡量一個數(shù)字信號接收的時候，還需考慮信號的接收穩(wěn)定率；由于是數(shù)字信號的屬性是0和1，就是要么收到，要么收不到，這就凸現(xiàn)門限的意義；根據(jù)測試結(jié)果，DMB-T的接收門限比DVB-T低，可ADTB-T的接收門限比DMB-T還要低，這就是為什么采用ADTB-T的發(fā)射系統(tǒng)其覆蓋范圍比DMB-T的發(fā)射系統(tǒng)的覆蓋范圍更廣闊的原因，因為其門限低，采用ADTB-T接收機的靈敏度要比DMB-T接收機的靈敏度高3-4dB，因此，其能夠在更遠的距離上接收弱信號。

另外，上交大單載波系統(tǒng)在組建單頻網(wǎng)（SFN）時，對發(fā)射機時鐘頻率的精度和穩(wěn)定度的要求僅為E-9。這同任何多載波系統(tǒng)相比，要低三個數(shù)量級，因此，其工程造價較低。在發(fā)射功率方面相比，上交大單載波系統(tǒng)的發(fā)射機平均功率是多載波系統(tǒng)的二分之一，其標(biāo)定功率則是后者的五分之一。即：在同樣的覆蓋范圍之內(nèi)，為了實現(xiàn)高數(shù)據(jù)率的固定接收，上交大方案需要1kW的平均發(fā)射功率，則其發(fā)射機的標(biāo)定功率需要4kW，因為其峰均比（PAR）接近6dB。而對于多載波系統(tǒng)（以歐洲標(biāo)準(zhǔn)為代表）而言，如果要覆蓋相同的地區(qū)，則其平均發(fā)射功率需要2.0-2.5kW。這是因為：多載波系統(tǒng)與單載波系統(tǒng)相比，載噪比（C/N）門限值要增加3-4dB。其次，其發(fā)射機的標(biāo)定功率需要20-25kW，因為其峰均比（PAR）接近10dB。選用單載波系統(tǒng)將來還可以把地面接收和有線接收同用一個高頻頭和解碼器，因為，目前有線電視采用的調(diào)制方式基本上都是采用64-QAM，而地面?zhèn)鬏斠话愣疾捎?6-QAM，將來也可以選用64-QAM。上面這些分析，對老百姓來說，不一定會感興趣；但老百姓感興趣的是，怎么樣能買到既便宜又好用的電視機。相比之下，交大方案數(shù)字電視接收機的生產(chǎn)成本大約要比清華方案的生產(chǎn)成本低20%～30%。這很清楚，如果由老百姓自己來選擇的話，他們一定會知道自己應(yīng)該選擇什么樣的數(shù)字電視接收機。