上海市数字电视地面广播系统

zjol

2004-04-19 上海市广播科学研究所

一、概述

广播电视从模拟方式全面转向数字方式已成为世界广播电视发展的必然趋势。数字电视地面广播已经走出实验室，开始产业化。上海文广集团紧跟世界数字化潮流、敏锐的觉察出这一广播方式在上海这个超大城市发展的前景，适时提出了在上海市开展数字电视车载移动接收广播。采用这一广播方式不仅可充分利用数字方式的容量大、传输效率高等优点，而且还具有灵活性大、可以进行实时电视节目广播等其它媒体无法取代的优势。

系统的目标是：采用地面广播的方式进行数字电视广播，要求广播覆盖上海市区，并实现数字电视节目的车载移动接收。

在系统中，实现覆盖是一个非常复杂的难点。我们在已有的数字电视地面广播试验平台的基础上，做了大量的测量工作，在掌握了原有的覆盖情况下，进行了推算并参考了一些国外的资料，确定了单频网的方案。然后增加了一些发射网点，并进行了调试，建成了上海地区的DVB-T单频网。在此基础上，还采取了一些其它措施，如研制新的天线，提高接收灵敏度。经测量统计，上海地区单频网建成后，在上海市外环线内的信号覆盖率平均达到95%，确信在外环线内地区接收效果良好。

系统中的另一个重点是视频压缩标准和系统。目前正式运行的系统使用MPEG-2视频压缩系统。其它压缩方法正在开发和试验。在目前的码流中已经加入了MPEG-4压缩流做开路试验。

在前端使用了我所开发的硬盘播出系统和播出控制系统，从播出服务器输出的视频采用了MPEG-2的编码系统进行处理，并经过单频网适配器后发往各发射点。

各发射点的发射设备除东方明珠的发射机外，基本上都采用我所自行研制的DVB-T发射机、双工器、天线等。

接收端的天线部分采用了我所研制的高增益全向天线，机顶盒目前采用的是支持移动接收的MPEG-2机顶盒。目前基于MPEG-4的接收机样机已经完成，正在做测试和改进。

本文将首先解释系统方案及其确定的依据，然后叙述单频网的规划和实现方法，接着对系统的各部分进行进一步说明，最后介绍下一步的计划并总结。

二、系统方案

1、基本技术目标

在技术上，要求用一个无线电视频道传输一套以上电视节目，并且还可能在以后增加一些多媒体应用。节目和应用需要覆盖上海地区，实现各种车辆的移动接收。

2、系统组成

数字地面电视系统主要由以下几个部分组成：

前端系统：主要完成节目的制作、编辑、播出控制、视音频编码、数据协议转换、码流复用、单频网适配等任务。 传输网络：系统前端一般与发射系统不在同一处。在单频网的方式下，发射系统还有多个。传输网络的主要任务是将完成的数字电视码流传输到数字电视的发射系统，并完成码流的恢复和同步等。

发射系统：发射系统的主要任务是将输入的码流进行同步调制、变频、放大、滤波、信号合成、通过馈线传输到天线，进行有效的地面传输。

接收系统：接收系统将收到的高频调制信号进行变频、解调、得到数字电视码流，再进行解复用、解码，结合相应的控制，完成用户需要的功能。 系统的总体框图如图1：





3、初期技术条件

数字电视地面广播制式方面，我国的制式还没有确定，刚刚开始对提出的几种制式进行测试。能够使用的几种国外制式也各有优缺点。对单频网的认识虽做过一些实验，但并没有完全掌握相关的实践经验。有利条件是，当时已有国家计委在上海建成的“数字电视地面广播试验平台”，并开通了位于东方明珠发射塔的39频道数字电视发射机。
图象压缩方法和设备方面，只有MPEG-2是真正成熟并用于广播的视频压缩方式。而MPEG-4主要应用于流媒体方面，而且MPEG-4的标准灵活性太大，编码和解码器的兼容性很差。在广播上的应用还是试探阶段。其它更有效的压缩方法，如JVT和Windows Media 9还在研制和发展，没有成熟的产品。相应的采用MPEG-4或其它更高效的压缩方法的数字电视广播前端系统也没有成熟的方案。

在接收机方面，成熟的产品只有支持MPEG-2解码的机顶盒，而有关MPEG-4和其它高效压缩方式的接收机没有现成的产品，研制这样的产品需要较长的时间。

4、方案选择

（1）制式和覆盖方式选择

国内有关数字电视地面广播制式的标准还没有形成。国内已经提出了多个数字电视地面广播制式，但目前成熟的不多，都还不能满足实际使用的要求。估计要最后确定制式并能够实际投入应用，还得有几年的时间。 已经能够应用的数字电视地面广播制式有：DVB-T，ISDB-T和VSB。其中VSB是采用单载波方式，不适合抗多径干扰和抗多谱勒效应。因而，在需要建立单频网的地区和进行移动接收的情况下，VSB制式目前还不太合适甚至无法实现。ISDB-T虽然能够满足单频网和移动接收的应用，但是该技术的成熟程度比DVB-T要差一些，而且应用较少，接收模块和前端设备都比较少，使用有一定的困难。因此，系统采用DVB-T制式，即数字调制方式采用COFDM。由于需要移动接收，这里选用2K模式。

在覆盖方式方面，因为上海地区城市环境对电波传播很不利，所以为了防止某一些特定方向上的阻挡和衰减，决定还是采用单频网。另外，从对已有的平台的测量看，也需要建立单频网进行覆盖。

（2）视频编码方式选择

视频编码方式的选择受限的条件较多，主要原因是：数字电视地面广播的移动接收条件比较差，因而有效带宽比较小，在保证覆盖较好的情况下，采用MPEG-2的压缩方式在现有条件下只能传输一路实时节目；而其它较好的压缩方式可以达到较高压缩率，能够实现在一路电视频道中发送多路节目，但是它们都不是很成熟，特别是没有现成的接收机。 所以这里采用的方式是分步实现：在初期，先采用MPEG-2实现一路节目的传输，这样可以达到迅速推广应用的目的；同时开发其它压缩方式下的接收机，在条件成熟时再用其它压缩方式进行广播，并逐步将MPEG-2节目替换。

5、系统实施阶段

根据系统的要求和现有技术条件的限制，系统的总体方案分四步实现：

1. 采用一个发射点，用现成的成熟的图象编码方式进行一套节目的数字电视地面广播和移动接收试验。

2. 根据试验结果，结合理论分析进行网络规划，决定是否采用单频网，进行试验并完成单频网。并采用各种途径改进实际接收效果。

3. 研制新的有效压缩方式的前端和终端系统，试验并完成多套节目的数字地面电视广播和移动接收。

4. 根据要求，对某些信号较差的区域以及特殊地区采用小功率的发射机进行补点，改善覆盖效果。

三、单频网规划和实施

1、基本规划思路

单频网络规划是一个非常艰巨的任务，它需要对整个上海市的覆盖情况进行接收测量，了解电波传播的特性和各点电波的直射、反射等多方面的情况。在新加坡这样的工作进行了一年多的时间，国外虽有专门从事这方面的专业测量和分析公司，但收费都很昂贵。

我们在规划过程中采取的基本思路是：应用理论和实践相结合的办法，充分利用文广集团现有传输资源，用尽量经济的方式组建单频网。基于无论是模拟电视或数字电视，其电波传播的理论基本是相通的，只不过在接收门限电平和对回波处理等方面要求有所不同的原理，我们在进行了大量的实测后，在已掌握了上海东方明珠单机工作时上海市区覆盖盲区数据的情况下，根据实际情况适当增加发射点，找到经济、快捷和具有可操作性的方法来进行这项工作。

2、初期状况

东方明珠发射塔，数字小功率39频道发射机与模拟38频道发射机共用一付天馈系统。因为38频道的覆盖范围和要求与39频道不同，因此架设在420米高度上UHF天线的波束倾斜角对数字39频道仅覆盖市区的要求是不符的；而要在东方明珠塔上再架一付符合39频道覆盖要求的天线以达到最佳覆盖，实际上也是困难的。由于塔上没有可安装无方向性天线的位置，因此只能利用现有的天线，这样就加重了小功率DVB-T电视覆盖的困难。
经测量，在有东方明珠的发射点后，上海外环线内部分区域还需要增强覆盖效果，经推算和选择，选定区域的大致分布是：

西区：虹桥、徐家汇地区。若以虹桥广播大厦为中心，半径约5公里左右。
浦东地区：浦东以东视发射点为基准西南4公里，南面6公里，东北8公里。但该地区高层建筑较少，可以考虑用500W发射机。
杨浦地区：军工路以西、共和新路以东、控江路以北地区，形成的扇形区域东西向8公里，南北向5公里。

3、参数的选择

选择传输效率较高的子载波调制方式、保护间隔和信道编码率，比如(64QAM,1/64保护间隔，3/4)，是不适合作城市内移动接收的。因为在城市移动接收的条件比较差，信号衰减和遮挡严重，信道条件变化很快，一般子载波调制方式选择QPSK或16QAM，保护间隔1/4，信道编码率选择1/2或2/3，最低限度的选择是（QPSK，1/4保护间隔，1/2）。在这种情况下，接收和解调对信号的要求最低，适合面对最恶劣的接收环境，如高层建筑密度极大的区域、高架下面等等。但这时候信道能传输的信息量最少，其码流只有4.976Mb/s。所以接收的效果和传输效率是相互矛盾的一对，需要进行合理取舍。保护间隔可选择最大1/4，在取值较大时，一方面可以抵抗较长延时的回波，另一方面在目前发射点较少的单频网中可以将发射点距离拉开。较小的保护间隔要求的延时时间达不到远距离发射点产生的延迟时间，将会造成信号干扰，单频网难以调整。子载波的个数有两种选择：2K模式和8K模式。由于要支持移动接收，为了抵抗多谱勒效应，子载波间隔不能太小，所以这里采用2K模式。

目前上海使用的参数如下表：





4、单频网的实施

我们充份利用国家计委在上海建成的“数字电视地面广播试验平台”，开通位于东方明珠发射塔的39频道数字电视发射机（DVB-T发射机功率2.5KW，实际开到1.8KW），于2002年3月5日开始沿市区主要交通线路进行覆盖情况的收测，历时两个月的时间，经过对上海121条公交线路接收状况的测量之后得出如下结论：在只有东方明珠一个发射点，发射机功率1.8KW的情况下，上海市区覆盖率约为56%。在某些区域，尤其是在高楼密集区、高架道路下，存在接收盲区。经过分析对比和推算，认为要解决上海覆盖问题，根据现实条件最经济和快捷的实施方案是进行单频网建设。经过一个多月的准备工作，从2002年7月26日开始进行上海第二个发射点即虹桥路广播大厦发射点的建设（发射机功率1KW，天线高度150M，天线增益11dB）。经过深入的分析研究和大量的实践调试，该点于2002年9月8日完成与东方明珠发射点形成单频网，建成后效果比较理想，基本解决了西区覆盖问题。之后于2002年10月12日又完成了第三个点浦东东视大厦发射点建设（发射机功率500W，天线高度140m，天线增益11dB）和单频网调试，该点建设也比较理想基本解决了浦东的覆盖问题。第四个点的建设遇到了一些技术困难，经过艰苦的调试，最终于2003年2月8日完成了杨浦区教育台大厦发射点的建设（发射机功率1KW，天线高度92m，天线增益11dB）和单频网调试，建成后基本解决了上海东北区覆盖问题，至此上海地区数字电视地面广播单频网系统基本建设完成。

建成后单频网系统图如图2：





图 2 上海数字电视单频网系统

四、前端系统

数字地面移动电视前端的框图如图三：





前端主要完成的任务是：
1. 对节目进行编辑和制作，形成可以广播的节目源。
2. 将视音频节目进行编码压缩，存放于视频服务器。
3. 其它数据进行协议转换，并根据数据广播协议进行打包。
4. 播出控制软件根据具体业务要求制定调用顺序，并生成相应的控制流。
5. 根据所定的顺序输出相应的节目、数据流或其它实时节目码流。
6. 将需要输出的码流与控制流进行复用。
7. 将复用后的码流通过单频网适配器，对码流进行调整，传输到单频网的其它节点，进行同步调制并发射。

前端主要设备和软件包括：非线性编辑系统、视音频编码器、数字视音频码流服务器、播出控制软件、码流发生器、数据协议处理和打包机、复用器、同步钟源等。

五、传输系统

系统中传输网络上接单频网适配器，下连单频网同步系统，其主要由发送网络适配、网络分配、接收网络适配等部分组成。它的主要功能是选择合适的传播媒体及其对应的收发适配器，如光缆、微波等，进行点对点或一点对多点分配，以及提供各类接口，如：ATM接口、SDH接口、PDH接口等。





在上海的系统中，由于有足够的光纤接口，分配网络部分是采用对ASI信号直接进行光调制并进行光分配传送的方法。系统比较简洁，设备也比较简单。

六、发射系统





发射系统的主要任务是组成单频网，以便实现复杂地形条件下的地面广播覆盖。
发射网络由传输网络与发射台组成，各发射台中有调制器（包含单频网适配器）和发射机，还需要一个同步钟源（一般采用GPS）。

单频网适配器的主要功能是在数字码流中插入了一个MIP包，以传输同步信号，各点调制器将码流进行抗干扰处理并调制成IF信号，发射机将IF信号上变频为RF信号，并且尽量不失真地进行功率放大，然后通过天线向空中发射。

由于RF信号是宽带数字功率谱，因此天线的带宽十分重要。如果要在同一塔上模拟频道的邻频播出，无须再架设天线和馈线，只要添置一台数字邻频双工器就可实现数字信号在模拟频道的邻频发射。

发射系统主要设备和软件包括：数字发射机、调制器、单频网适配器、数字邻频双工器、GPS同步钟源、隙缝发射天线等。

七、接收端

数字地面移动电视系统接收设备的框图如图六：





高频头是负责将射频信号转换成解调器可以接受的中频或基带调制信号。解调器负责信道特性补偿、信道解调、信道解码等，输出为包含广播数据的码流。
解复用将所需的广播数据从其它码流信号中分离出来。根据控制信息，从分离出来的信号中选择对应于本机的广播数据进行下载或实时播放。所得到的数据进行相应的处理，并最终根据用户的要求在显示器件上显示。

系统主要设备和软件包括：移动接收天线、移动接收机、移动接收控制软件、移动存储软件、显示屏等。

八、下一步计划 1、覆盖的改善

单频网建成后总体上覆盖率达到95%左右，但不可避免地仍存在盲区、盲点。这些盲区盲点除个别区域可采用补点办法解决外，其余应依靠改善接收条件、应用新技术如采用预存储播放的办法加以克服。对有些特殊地方例如过江隧道、地铁等则应采用泄漏电缆的信号场强，最终达到更理想的覆盖要求。

根据我们反复收测、收看的情况来看，绝大多数收看不好的点是因为接收场强未达到要求（一般要求≥35dBmv/m），如果提高接收机的抗干扰能力和灵敏度，采用较高增益的接收天线也应是解决这一问题行之有效的办法。

2、压缩方式选择

在压缩方式选择方面，目前可选的高压缩率方式有：MPEG-4、JVT、Windows Media 9。目前比较成熟的主要是MPEG-4和Windows Media 9。MPEG-4和JVT的可采用的技术比较灵活，但是各种格式之间的兼容性比较差。而这些格式基本上都是采用软件进行解码，为达到较好的性能，需要对相应的硬件处理器进行优化。

所以压缩方式的选取，一方面要根据压缩方式的压缩效率进行选择，另一方面还要看相关方式在接收机处理器上进行优化的程度。

3、前端技术准备

在系统前端方面，我们正在研制和已经研制了许多与码流相关的设备，包括：数据协议转换和打包设备、数字电视字幕设备、码流服务器、软件复用器等等。 目前已经实现了基于MPEG-4的广播系统前端，并与接收机配合进行MPEG-4格式压缩的视频广播。

这些设备和系统的研制，为采用新的压缩方式进行数字电视地面广播的前端系统的建立作了准备。

4、接收机的研制

接收机的研制也在进行之中。基于XSCALE的嵌入式接收机的硬件部分已经完成，目前已经实现数字地面广播信号的接收、码流的处理、MPEG-4节目的解码、MP3的解码等功能。存储设备也已经可以使用。

目前正在做控制的完善和同步，以及存储设备的存取控制等。并正在进行性能方面的完善和提高。其它的接收机方案也在考虑之中。


九、总结

经过一年多的努力，上海市数字电视地面广播及其移动接收系统目前已经基本建成。系统采用了DVB-T的传输方法，建立了单频网基本解决了覆盖问题，目前采用MPEG-2进行视频压缩，正在研制新压缩方式的相关设备并已经开路试验。

在上海地面广播电视数字化方面我们仅仅迈出了第一步，今后的道路还很长，任务还很重，仅从上海数字电视地面移动接收系统来说也还有很多地方要完善，还有很多技术问题要探索、要解决，有很多新技术也在进一步开发应用。