數字廣播電視信號傳輸技術綜述

龔運高

【摘要】隨著高清電視、視訊點播和流動電視服務需求的增加，觀眾對更有效的帶寬、更完美和更清晰的視頻質量需求，推動了模擬廣播電視向數字廣播電視的轉變。本文簡要介紹了電視的發展歷史，并對世界各地不同的數字地面電視、衛星電視、有線電視和移動電視標準所采用的傳輸技術進行了綜述。

【關鍵詞】高清電視;數字電視廣播;移動電視;DTMB

中圖分類號：TN929? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2022.08.03

在全球范圍內，電視媒體可能是向人們提供信息、教育和娛樂的最具成本效益的平臺。電視接收機無疑是世界上最流行的電子娛樂設備。國際電信聯盟（ITU）估計，擁有電視機的家庭數量約為14億戶。廣播和電視服務對于向公眾提供影響他們生活的新聞和信息是至關重要的，同時廣播電視也是一種娛樂方式。廣播也可以通過傳播課程和其他教學材料來達到重要的教育目的。在接受教育和搜集信息方面，電視和廣播在只有少數人使用互聯網的貧困國家顯得尤其重要。

1. 數字電視系統概述

通過以太傳輸圖像的想法可以追溯到19世紀，隨后在20世紀出現了幾項重要的發展，這些發展導致了全電子彩電的發明。與此同時，其他通信形式也在發展，人們對高質量、沉浸式電視體驗的需求也在增長，它導致了數字廣播的廣泛應用，為人們帶來了完美的高清視頻和高保真音頻，并引入了新的互動服務和為移動電視設計電視系統。數字電視系統由視頻編碼、音頻編碼、傳輸流格式、中間件和傳輸技術等幾個標準化概念組成。在本節中，我們將對這些概念進行概述，而論文的其余部分將重點討論在不同的數字電視標準中使用的傳輸技術。

1.1 視頻與音頻編碼

高清視頻和高保真音頻傳輸正在成為電視行業的常態，對高清視頻、視頻點播和多媒體視頻和圖像服務的需求正在增加。因此，采用有效的數字壓縮技術對視頻和音頻信號進行編碼是非常必要的。在過去的幾十年里，為了有效地表示視頻和音頻信號，已經投入了大量的研究工作。源編碼是將模擬視頻/音頻信號（例如由攝像機捕捉到的信號）轉換為數字信號并適當壓縮數字信號以降低數據速率傳輸的過程。源解碼器執行編碼器的反向操作，將壓縮的視頻流轉換成未壓縮的格式。在數字電視中，視頻和音頻編碼減少了傳輸高質量視頻和音頻信號所需的帶寬，并降低了傳輸功率。視頻/音頻編碼技術對于降低傳輸速率是至關重要的，但這可能會導致視頻/音頻質量的降低。所以數據壓縮算法必須進行精心設計。

運動圖像專家組（MPEG）成立于1988年，目的是為數字存儲媒體標準化視頻和音頻編碼壓縮算法。MPEG-1是第一個MPEG標準，旨在將數字視頻和音頻壓縮到1-1.5Mbits/s。它主要針對數字存儲媒體例如光盤。MPEG-1隨后也進行了電視信號傳輸測試，它能夠保持模擬電視信號的質量。MP3音頻壓縮標準是基于MPEG-1標準開發的配置文件3。MPEG-2是為了消除MPEG-1在電視傳輸方面的缺點而進一步開發的。MPEG-2標準化了MPEG-1的壓縮算法，并且提供了更好的視頻質量。MPEG-2被用于世界上大多數的數字電視標準，包括DVB，ATSC，ISDB和DTMB解決方案。MPEG-4是專門針對互聯網或移動網絡上的視頻傳輸而設計的。MPEG-4也用于數字電視應用，特別是高清數字電視。此外，MPEG-4第10部分（也被稱為H.264/AVC）的設計目的是在降低實現復雜度的情況下提供MPEG-2或MPEG-4質量的視頻。H。264/QVC被用于最新的數字電視標準，包括DVB-T2、ISDTV和DTMB。

1.2 數據流多路復用格式

數字電視信號集包括視頻、音頻和其他互動服務。它們的傳輸由控制信號支持，包括為傳輸特定幀調用的信道編碼碼速率和調制方案標識。視頻、音頻、控制信息和其他服務在信息傳輸之前以專門設計的描述幀進行傳輸。最流行的流結構是MPEG-2音頻和視頻傳輸流（TS）結構。

TS由TS數據包序列組成，每個數據包長度為188字節，其中包含一個同步字節（sync byte）和數據包ID （PID）。MPEG還定義了程序特定信息（PSI），其中包括關于TS有效載荷的信息，然后接收器使用這些信息來解碼來自流的適當數據。有一個與PID'0'相關聯的程序關聯表（PAT），它包含接收端用來解碼程序映射表（PMT）的PID的信息。PMT包含關于每個服務的基本流的PID的信息。這些流可以包括音頻、視頻和數據，比如字幕。當接收器解碼特定服務時，它首先從PAT獲取PMT所需的信息，然后從PMT獲取服務的PID。

MPEG-TS結構被用于所有已出版的數字電視標準中。DVB-T2定義了一些其他的流結構，稱為通用流（GS），以保證該標準的未來安全性。

1.3 交互式服務和中間件

20世紀90年代網絡大爆炸后，廣播業界擔心觀眾會從傳統的廣播內容轉向網絡內容。因此，電視市場出現了一些創新并引發了互動電視的出現。這意味著電視媒體引入新的服務，讓觀眾可以控制音頻、視頻和文本元素?，F在有一種趨勢是為各種不同屏幕尺寸的電子娛樂設備提供電視內容。還有允許用戶通過提供反饋通道與電視進行交互，例如用戶可以使用增強的遙控器與電視進行交互。

互動電視是傳統電視廣播服務與互聯網的結合。然而，這兩種技術的融合并不像簡單地將兩者進行組合，因為兩種信息媒體下的底層技術是不同的。在這種情況下，必須將硬件及其驅動程序從應用程序中分離出來。這種軟件分離層被稱為中間件。中間件不直接訪問硬件或應用程序，它通過查看器的輸入設備如遙控器等設備從應用程序接收輸入，并通過反饋通道將信息發送到電視或遠程設備。不同的標準化組織已經制定了一些中間件標準。3E893C9A-8CEF-4A88-91D6-02373353C0DC

1.4 傳輸技術

傳輸技術是指在物理層中用于傳輸電視內容的技術。這包括作為所遇到的近瞬時無線信道質量的函數而激活的特定調制和編碼技術。數字電視是為地面、有線、衛星和移動頻道開發的。衛星傳輸具有較低的接收功率、較高的信道帶寬和典型的視距線傳輸介質，僅受加性高斯白噪聲影響，不受時變衰落影響。另一方面，基于電纜的信道具有高信噪比和有限帶寬的特點，僅受白噪聲的影響，沒有多徑干擾。同軸電纜提供的典型帶寬約為500MHz，由共享電纜的所有電視頻道共享。但是電纜的衰減系數很高，因此代表不同電視頻道的信號被映射到6-8MHz的帶寬，以允許電纜傳輸更長距離的信號，從而減少所需的中繼器數量。

地面信道無疑是上述系統中最具挑戰性的方案。地面廣播信號經歷多徑衰落，導致延遲擴散。此外，地面廣播將為配備屋頂天線的固定接收機以及依靠小型內置天線的移動接收機提供信號覆蓋范圍。因此，第一代衛星和電纜標準并未采用復雜和更為穩健的正交頻分復用（OFDM）原理，但這在地面廣播中是必要的。

2. 綜合服務數碼廣播（ISDB）

在日本，日本公共廣播公司NHK設想在21世紀通過數字技術傳輸高清晰度電視的數字廣播。這一設想可以追溯到20世紀80年代，其目標是將所有廣播系統轉換為數字技術，以適應高質量的視頻/音頻和多媒體服務，同時允許用戶在家中和移動中都享受高質量的服務。

日本無線電工業和商業協會（ARIB）在1998年批準了被稱為地面綜合服務數字廣播，或簡稱ISDB-T的數字地面廣播系統的規范。圖1顯示了ISDB-T發射器的框圖，其中包括與其他標準相同的基本塊，包括置亂/能量分散、交織、信道編碼和調制。ISDB-T系統采用MPEG-2視頻編碼和MPEG-2高級音頻編碼（AAC），采用MPEG-2TS對數據流進行封裝。ISDB-T系統是一個基于OFDM的系統，但它使用帶段傳輸OFDM（BST-OFDM）。顧名思義，BST-OFDM將可用帶寬分成稱為段的基本頻率塊。BST-OFDM改進了編碼OFDM，在相同的多路復用中對一些OFDM載波進行不同的調制。在ISDB-T中，BST-OFDM依賴于13段，不同的段可以采用不同的編碼調制方案。

BST-OFDM的一個基本特征是能夠在一個或多個OFDM段中使用不同的調制和編碼參數。這就產生了等級傳播的思想。ISDB-T使用分層傳輸，其中傳輸參數包括OFDM載波的調制方案、內部碼的編碼速率和時間交織器長度可以獨立指定為每個OFDM數據段。ISDB-T定義了最多三個層或三個不同的段組，稱為層a、層B和層C，用于同時在一個通道中傳輸。更明確地說，視頻編碼的比特通常有不同的錯誤敏感性，因為它們的損壞會導致不同的感知效果。因此，最敏感的比特通常由更強的FEC碼編碼，并可能映射到錯誤敏感性較低的調制方案。

MPEG-2TS首先由GF（256）上的RS（204，188，8）編碼。然后將RS編碼器的輸出分成204字節的數據包，再根據預先確定的控制信息進行分層，即最多分為三層，如圖1所示。在非分級傳輸的情況下，為傳輸定義了單個流。每一層中的處理都以相同的方式進行，盡管不同層中不同塊的配置可能不同。然后，圖1中的擾頻器將每一層的數據隨機化，使用LFSR多項式進行能量分散。然后，隨機流通過延遲補償塊。延遲補償用于補償獨立流之間的延遲差異。更明顯的是，由于每一層所采用的調制和編碼方案的不同，在不同的流中字節交錯所引起的延遲是不同的。因此，為了補償延遲差異，在交錯之前執行延遲補償，這也包括在去交錯過程中對延遲差異的補償。

綜上所述，ISDB-T系統使用BST-OFDM并支持最多3層的分層傳輸，通常稱為A、B和C層。傳輸參數可以在每一層中改變，目的是允許低復雜度的手持接收器解調分級傳輸的單個段。這在感知上并不一定是不合適的，因為小型手持屏幕不需要像高清電視屏幕那樣高的分辨率。

3. 數碼地面多媒體廣播（DTMB）

在中國，數字電視的發展始于1994年，當時中國政府發布了一項研究計劃。2006年，經過廣泛的實驗室和現場測試，《中國廣播影視行業標準》宣布發布數字電視標準，即數字地面多媒體廣播（DTMB），簡稱GB20600-2006。該標準在2007年8月被強制執行，預計模擬電視將在2015年全部關閉。

圖2展示了DTMB發射機的高層框圖。物理層傳輸系統定義了物理邏輯信道（PLCH），根據信道編碼速率、調制星座和分配的時隙數來配置PLCH的吞吐量和魯棒性。PLCH分為40個時間槽，其中有一個控制邏輯通道（CLCH）和一個服務邏輯通道（SLCH）。CLCH占用PLCH中的第一個時隙，而SLCH可以占用多個時隙，為不同的廣播服務提供不同的傳輸能力。該PLCH采用MPGE-2TS結構復用。

如圖2所示，首先使用LFSR多項式對MPEG-2 TS進行能量分散/置亂隨機化。隨機數據流然后使用GF（256）上的可變速率（240，K）RS編碼進行編碼，其中k可以有以下值240，224，192和176。RS編碼后，數據使用行列交織器進行字節交錯。外部編碼器的輸出按字節分組，其中一行由240字節的RS輸出包組成，行數取決于調制方案和內部編碼器編碼率的具體組合。數據按行寫入，按列讀取。

然后由碼率為1/2或3/4的LDPC編碼器對交織幀進行編碼。LDPC編碼器的輸出幀長度為9216位，這意味著1/2速率碼的輸入長度為4608位，3/4速率碼的輸入長度為6912位。LDPC編碼器的輸出幀然后位交錯。圖2中使用的比特交織器是一個行-列位交織器，它對LDPC輸出幀進行操作。然后使用BPSK、QPSK或16-QAM星座調制比特交織的比特流。數據流然后與分散的和連續的導頻復用。接收機知道導頻，并用于載波采集，時鐘同步和信道估計。輸出幀被一個復雜的偽隨機序列置亂，以便在接收端實現更快的同步和更準確的信道估計。然后，使用1024或4096個符號的FFT對置亂序列進行OFDM調制。DTMB標準設計用于支持固定和移動接收器。因此它被設計成一個靈活的系統，能夠播放多個高清電視節目，結合多個SDTV和其他多媒體內容。它支持4.8-32.5 Mbit/s的編碼數據速率，同時支持單頻和多頻網絡。

4. 結論

在過去幾年中，消費者的習慣一直在追隨新趨勢，包括社交網絡和用戶生成內容，以及依賴智能手機和平板電腦等移動設備。伴隨這些趨勢而來的是車內娛樂的日益普及，人們對在家看電視和在路上看電視的需求，最后是追趕潮流的電視、視頻點播和互動應用的普及。上述趨勢的一個共同主題是支持流動性。移動電視有望使數字電視成為一種無處不在的體驗。移動電視被認為是一項不斷發展的技術，它不僅僅包括在屏幕更小的移動設備上看電視。除此之外，它還具有視頻點播、時間和設備切換等先進功能，便于稍后觀看電視節目，即使切換到其他設備，也可以繼續觀看。此外，它還有望與社交媒體進行復雜的整合。未來將是廣播、移動和寬帶服務的融合。包括廣播服務、移動服務和寬帶服務成為一個單一的網絡。隨著網絡向基于IP的技術的遷移，我們現在處在一個通信服務可以融合的時代。這主要是由于數字技術的使用，成本的降低伴隨著計算能力的提高，數據壓縮技術的進步和基于IP的分組交換的廣泛采用。

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