数字电视无线传输技术的发展

1、21 世纪头10 年信息技术发展的展望

20 世纪后期，信息技术发展神速。光纤、卫星与蜂窝通信， 计算机与互联网以及数字电视等多媒体技术突飞猛进， 信息领域呈现一片兴旺发达、斑斓灿烂的大好局面。展望21 世纪， 这种蓬勃发展势头仍将持续。在应用上，高清晰度电视将取代模拟电视， 并可能成为宽带多媒体业务的“中心”，实现更灵活、更方便的交互式业务； 互联网的资源将更为丰富多彩； 移动业务也将更为广泛， 从城市拓展至农村、山区甚至地球每个角落。在技术上，新的无线传输体制， 如高空（平流层） 平台通信技术将日趋成熟， 逐步付诸实用， 构成另一种功能更为强大的空中互联网和广播网， 在地球上建立一个由卫星、平流层平台与地面蜂窝组成的三维通信2广播网， 实现价廉、便携、且内容多姿多彩的理想的5W 通信。

我国现在已拥有电视机3. 5 亿台， 是电视机的生产大国和消费大国。按照国家计划， 2015 年电视将实现全数字化； 电视又是我国广大城乡群众喜见乐闻的、集娱乐、教育与传布政府法令等资讯于一体的家电。因而围绕数字电视推动多种业务融合（即习惯上所谓“三网融合”） ， 开拓交互业务市场， 将是促进信息技术发展的正确方向。

在上述发展进程中， 无线技术将越来越显示其重要的地位。随着需求的增长， 无线频谱资源短缺问题也日益突出， 因而研制新的无线传输体制，开发新的频谱资源， 也日益成为急需研究的课题。高空平台系统或平流层系统的提出， 将是继卫星和蜂窝通信之后无线技术的又一个新的里程碑式的进展， 对数字电视/多媒体信号的传输也将发挥重要的作用。

2、国外三种数字电视无线地面传输系统

2. 1　电视信号传输信道方式

和模拟电视相比， 数字电视具有视像质量高， 节省频带， 信息服务功能丰富多彩， 便于实现广播、通信与网络运营处理等业务更好地融合等特点。

数字电视系统包含节目采录、编辑制作、信号处理、发送、传输、接收、显示等环节。利用先进的图像压缩技术， 误码保护技术， 调制技术和高性能显示技术， 电视的影像质量可和电影相比拟， 达到高清晰度的要求。

电视信号传输信道有卫星、有线（光纤或同轴线） 和地面无线信道3 种。前2 种信道的传输特性较好， 传输问题较易解决， 目前已有几种成熟的标准和方案。地面无线信道十分复杂， 城市、山区、湖泊等不同地区， 电磁波的传播条件很不相同， 特别是用于移动环境时的时2空衰落和多普勒频移等因素的影响也较难解决。国际无线电联盟ITU 虽然已批准了3 种方案， 但都存在一些问题和弱点。

在数字电视地面广播系统中， 同步、信道估计和误码纠错问题是决定系统性能的关键。笔者将围绕这些问题对各种系统加以分析、比较。

2. 2　美国高级电视系统委员会（A TSC） 的8 电平残留边带调制系统（8V SB 系统）

这是按6MHz带宽信道设计的系统， 采用具有导频的单载波8电平残留边带调制， 单路净荷数码率为19. 39M b/s ， 单位频带数码率为3. 23b/s/Hz。接收端采用复杂的自适应均衡器以解决传输信道衰落问题。

ATSC 系统采用级联的正向纠错和交织措施， 用RS （207， 1870） 编码， 能够纠10 个误码， 并且采用更长的52 个RS 块交织器， 以平缓脉冲干扰和同频道的N TSC 干扰。这些措施使A TSC 系统在C/N 性能方面具有约0. 5 dB 的优势。

在用于加性白噪声信道时， 抗噪声能力较强，对于脉冲干扰和相位噪声也有较好的抑制能力，其峰/均功率比也较小。用于多频率组网（M FN ）时， 在6MHz 带宽内传递HDTV 业务， 较DVB-T 等系统具有优越性。但该系统未考虑移动接收问题是其主要缺陷。

2. 3　欧洲数字视频地面广播DVB-T 标准

该标准采用多载波正交频分复用（CO FDFM ） 技术， 有2 kHz 和8 kHz 两种模式，分别有6817 个和1 705 个副载波。在8MHz 带宽内净荷数码率为4. 98～ 31. 67M b/s。也可用于带宽为6 或7MHz 的信道， 但数码率相应减少。带宽为6MHz 时， 数码率为3. 7～ 23. 8M b/s。

频带利用率高于ATSC 系统， 采用插入导频实现同步和信道估计， 能用于高斯、Rice 和Rayleigh 信道， 抗静态长延时多径干扰能力强， 抗动态多径失真能力也较好。可用于固定、便携和移动接收， 其代价是有用数码率相应降低。移动条件下接收性能较好。

系统带内插入54 个连续导频信号和1/12 个散布导频信号， 实现同步和信道估计。系统还有保护间隔， 把有用信号隔开， 以适应不同的组网要求。例如， 8 k 模式适用于单发射机情况， 也适用于多个发射机的大覆盖范围的单频网。

2. 4　日本地面综合业务数字广播ISDB-T 标准

该标准采用频带分段传输2正交频分复用（BST-OFDM ） 调制（Band Segmented Transmission - Orthogonal Fregneney Division Multiplex， BST-OFDM ） 技术， 有2 k、4 k 和8 k 三种FFT 模式。适用于地面广播（ ISDB-T ） ， 或卫星广播（ ISDB-S） ， 其节目内容可包括低清晰度电视（LDTV ） 至高清晰度电视（HDTV ） ， 以及音频、数据、图形和文本等。当信道带宽为6MHz 时， 传输码率为3. 6～ 23. 2M b/s ， 带宽为8MHz 时， 传输码率为4. 9～ 31M b/s， 用户可以根据需要选用不同的业务， 例如， 对于可靠性要求高的业务， 如密码或软件下载等， ISDB 可保证其误码率足够低。

系统采用QPSK、16QAM、64QAM 和DQPSK4 种调制， 带内插入1/12 的散布导频。射频信道划分为13 子块， 采用3 种副载频调制， 不同子块可以采用不同的副载频， 用于移动接收时采用DQ PSK 的副载波调制， 还采用0. 5 s 时间交织以提高接收质量。

日本ISDB-T 系统于1998 年在东京试播， 预计2003 年开始商业广播。这将是推广进度较快的一种数字电视系统。

3、我国正在研制的数字电视/多媒体地面传输系统（DMB-T） 系统

这是笔者提出的一种新的数字电视地面无线传输系统， 采用时域同步正交频分复用TDS-OFDM （Time Domain Synhronization - Orthogonal Frequency Division Multiplexing ） 调制方式。按照我国有关部门要求， 该系统具有下列主要功能：

① 射频信道与已有模拟广播兼容， 基带带宽为8MHz， 净载荷数据率应能传输包括HDTV 在内的多媒体广播和综合数据业务；

② 支持固定、便携和移动接收， 移动接收机时速不高于130 km/h；

③ 组网灵活， 可用于单频组网， 单发射机覆盖范围不超过75 km。

同步、信道估计和纠错是数字通信， 特别是传输条件恶劣的无线地面传输的主要问题， 针对上述要求和问题， 在系统设计时采用了下列措施：

① 把数据检测和信道估计分别对待； 采用周期伪随机序列PN 作为参考信号， 既用于实现帧同步， 也用于信道估计； 在系统同步后， 在接收端把PN 序列去掉， 这时可以把信号帧看做是具有零填充保护间隔的OFDM。这种具有零填充保护间隔的OFDM 理论上与具有循环前缀保护间隔的OFDM （例如DVB-T 的COFDM ） 是等价的。这样既解决了同步与信道估计的问题， 也提高了信道的利用率。

② 采用OFDM 调制， 这种制式频谱率高， 抗多径干扰能力强， 适用于宽带信号传输。信号帧由PN 同步序列和OFDM 块组成， 该结构可以看做是正交时分复用（TDS-OFDM 由此得名）。PN 同步序列可作为OFDM 的保护间隔， 长度为50 μs，

满足时延分布的条件。

③ 为了提高系统的抗干扰能力， 用于电视节目时， 前向纠错采用格型、卷积交织及RS 码构成的级联码； 用于多媒体传输时， 采用多层分组乘积码（BPC） ， 这种码可以采用高性能的TU RBO 算法解码， 其性能更接近于山农信息论的极限。RS码采用（209， 187） 码， 可以纠正11 个误码， 在8MHz 频带能传送的数码率为32. 8M b/ s。它能满足HDTV 广播的要求， 也可用于DTV 广播和多媒体接收。

基于上述指导思想设计的DMB-T 系统已完成样机研制工作， 并初步进行野外实测。限于实验条件， 当车速约80 km /h 时， 仍能正常接收。在码率为22M b/ s、带宽8MHz 条件下， 接收灵敏度达15. 7 dB （相当于Eb/N o= 11. 3 dB）。存在问题是， 系统各部分参数还未优化， 在阻挡严重时（例如在城市楼群及立交桥之间） 接收性能明显下降， 甚至中断。

4、一种崭新的高空平台信息系统

4. 1　平流层平台通信系统的特点

根据国际电联ITU （S1. 66A ） 的定义， 高空平台信息系统HAPS （The High Altitude Platform Stations） 是“一个位于20～ 50 km 高空、对地球保持准静止位置的物体上的信息站”。高度在20～ 50 km 的大气层属于平流层， 因而把用于通信的系统叫做平流层平台通信系统。

高空平台分重型和轻型两大类： 前一种是指作为平台的飞行器， 其比重大于空气， 需籍外力才能升空运行。飞机或直升机， 如美国的间谍飞机SR-71、U -2 等属于这一类。后一种是指轻于空气的平台， 如热气球或充氦飞艇可自行上升到几万m 高空。它是较为理想的载荷工具。

平流层是在对流层顶部（其高度随纬度而不同） 至高度约50 km 的大气层。这里空气稀薄， 其密度约为海平面的百分之几， 浮力很小， 但气流比较稳定（通常主要风向是由东至西， 或由西至东） ， 且风力较小， 是比较理想的部署高空悬停飞艇的空域。在技术上使飞艇成为高空定点平台的关键是， 首先飞艇应自备用于平衡平流层风力的推进器， 以保持其位置的固定； 其次， 应自备供各种设备、特别是推进器所需的能源系统， 使飞艇和有效载荷有较长寿命， 能够长时间正常运行； 此外， 还应有良好的测控系统， 使气艇能自动保持其位姿稳定， 并可以安全放飞及回收。

平流层平台所处的空间位于各种信息卫星（高度几百至36000 km ）、高空特种飞机、系留气球（高度约几千m ） 和地面接力系统（天线高一般在100 m以下） 之间， 如图1 所示。这是地球上空一块尚未开垦的“处女地”， 它的开发利用， 对未来通信的发展，特别是5W 个人通信的发展， 具有重要的意义。

平流层平台通信系统具有如下特点：

图1　各类空中平台示意图

① 和通信卫星相比， 平流层平台与地面的距离是同步卫星的1/1800， 自由空间衰减少65 dB，延迟时间只有0. 5 m s， 有利于通信终端的小型化、宽带化和双工数据流的对称传输和互操作， 实现对称双工的无线接入。

② 与地面蜂窝系统相比， 平流层平台的作用距离远、覆盖地区大， 作为一个高接力站时， 其作用距离达1 000 km ， 比地面接力站约大20 倍， 且信道衰落（按R ice 衰减） 为20 dB/10 倍程， 只是地面系统（Rayleigh 衰减） 衰减分贝数的2/5， 因而发射功率也可显著减少。

③ 平流层平台既适用于城市， 也可用于海洋、山区， 还可以迅速转移， 用于发生自然灾害地

区（如洪水、山火） 的监测和通信。

④ 造价和通信资费低。平流层的放飞、回收与日常监测和一般民航系统相似， 不需庞大的发射基地， 估计每一平台造价为通信卫星的1/10；而且每个平台都可独立运行， 不像中低轨通信卫星那样需发射几十颗卫星组成星座之后才能工作， 建设周期短， 投资少。一般用户端机价格也很低， 通信资费也不会高于已有的公众电话。

⑤ 平台可以回收， 不像卫星那样失效后变成空间垃圾， 有利于环境保护。此外， 平台高度在民航高度以上， 也不会对空中航行安全造成影响。

⑥ 平台位于国境之内， 主权、管理权均属于本国， 有利于开发适用于本国的产品。

平流层平台通信系统的工作频段： 1997 年国际电联ITU 无线电大会通过把47. 2～ 47. 5 和

47. 9～ 48. 2 GHz 频段分配给平流层平台固定业务使用。这个频段的特点是波长很短， 天线尺寸小， 但雨雪衰减大， 有关器件和设备还在开发之中， 价格昂贵。

4. 2　日美研制平流层通信系统概况

2000 年日本向国际电联提出增加一个Ka 波段（31～ 31. 3 GHz 和27. 5～ 28. 35 GHz）的申请，已得到ITU批准，可以用附加脚注的方式供东亚国家使用。此外还安排2、10、20 GHz 等频段， 以便和第3 代移动通信系统兼容， 构成和地面蜂窝相互配合的信息网。

平台覆盖区及其应用： 高空平台做为一个承载工具可以有各种应用， 如通信、广播、遥感或科学探测等。

平台通信业务的覆盖区域决定于覆盖区边缘至平台的仰角， 仰角越小， 覆盖区越大。美国SS I 公司把平台视线所及的整个覆盖区分为市区（UAC）、近郊区（SAC） 和远郊区（RAC） ， 各区边缘至平台的仰角分别为Ө= 30°、10°、0°， 半径分别为70、150 和560 km； 每个覆盖区又分为700 个峰窝小区， 3 个覆盖区共有2100 个小区， 7 个小区可重复使用一个频率， 因而频段再用率为300。按每赫兹1 比特的调制效率计算， 在47/48 GHz 频段的300 MHz 频带中提供600 万个64 kb/s 数字用户， 或150 万个码率为256 kb/s 的宽带用户， 或18. 75 万个码率2M b/s 的E1 用户。这种体制相当于把蜂窝通信结构架设在约两万m 高空， 和地面蜂窝及卫星通信网构成一个三维的立体通信网。

美国SS I 公司于1997 年最早提出建造平流层通信平台的建议。后来欧空局、日本和韩国也都开展有关研究工作。估计2005 年前后将陆续有平流层平台投入应用。例如， 英国制作飞艇很有经验的A TG 公司（20 世纪70 年代以来已制作飞艇500～ 600 只） 最近设计了一个名为Strat-Sat 的飞艇， 计划于2004 年完成艇长200 m、高20 m 的试飞工作。该公司Taylor G 近日来北京， 声称马来西亚准备投资5 亿美元， 和他们合作制作St rat-Sat 飞艇， 2004 年后可付诸应用。日本政府已批准一个5 年研究计划， 每年研究经费为25 亿日元， 在日本2000～ 2004 年的“千年计划”中， 安排了2次试验机（试验艇长分别为48 m 和64 m ） 的飞行试验， 对飞艇材料、结构， 以及飞艇的放飞、回收， 以及测控系统的设计与运行等关键技术问题， 进行试验和技术评估。近2 年来， 日本有关部件、飞艇材料和关键技术的研制工作已有进展。实用机研制〗工作计划于2010 年以前完成， 陆续用于通信、广播、灾害监测和IM T 22000 等领域。他们还提出一种把平流层通信系统与其他地面宽带系统相结合的方案， 用100～ 200 个平台构成一个覆盖日本全境（划分为64 个直径5 km 的蜂窝） 的网格型

网络， 每个平台覆盖面积为40×40 km2， 相邻平台用光通道相连， 网络容量极大， 鲁棒性也很好。

平流层气象条件虽然比较稳定， 有利于定点平台的营建。但是， 和低空飞艇相比也有些不利的因素。必须研究的问题是： 平流层的风场是对飞艇位姿稳定性影响最大的因素； 理论分析证明， 保持飞艇位姿稳定所需的功率与风速的三次方成正比。风速越高， 所需电源供给也越大。但是目前对平流层气象的研究还相当不够， 对系统设计、特别是电源设计， 很有影响。电源供应系统是平台的“心脏”， 是决定平台能否在空中长时间定点悬停的决定性因素。目前各国设计的飞艇大都采用太阳能电池来提供所需的动力。由于气艇表面积很大， 白天利用非晶硅太阳能电池能够产生足够的电能。但是如何在晚间提供能量是平流层平台一个突出的问题。这是制约平流层飞艇研究能否成功的瓶颈。此外， 优化飞艇的结构与外形设计， 降低飞艇自重， 减小飞艇阻力以及提高飞艇囊皮的强度和抗老化性能， 都是需要解决的问题。

4. 3　我国研制平流层通信系统概况

研制“平流层通信系统”问题于1997 年末提出后， 受到我国各界高度重视。863 通信主题组， 原电子科学研究院和教育部等部门， 先后拨款支持进行软课题研究。有关单位， 如航天总公司、信息产业部各研究所、清华大学、上海交通大学和北航等都积极参与有关研究工作。在信息产业部电科院领导下， 先后参加在日本召开的平流层信息平台国际会议， 并对国内有关情况进行调研； 605研究所和上海交通大学等单位， 分别提出了飞艇的初步设计方案和测控系统。605 研究所还为清华大学制作了一个长为15 m 直径为4 m 的概念性演示艇， 主要进行对地观察， 无线Internet 接入和无线多媒体通信三方面的试验。飞艇于2001 年4 月间在清华园试飞， 并和地面各种设备连接， 取得了一些结果， 如拍摄并制作了清华园的平面图。此次演示虽然规模小， 仍然能够反映出高空平台通信系统的一些问题， 并取得了飞艇放飞、回收控制的初步经验， 对今后的工作有一定参考价值。

利用平流层平台作为数字电视无线传输手段， 与同步卫星广播或地面卫星传输相比， 无论传播损耗或覆盖范围都有突出的优势。这是不言而喻的。大力开展有关研究工作是信息领域一项紧迫的任务。