徐孟俠

（北京大學 電子學系，北京 100871）

1 背景簡介

地面數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)分為單載波（Single Carri er，SC）和多載波（Multi-carrier，MC）兩大類技術。 前者以美國ATSC標準為代表，后者以歐洲D(zhuǎn)VB-T標準為代表。

在地面數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)中，接收端解調(diào)器中的信號處理部分是關鍵。

地面數(shù)字電視系統(tǒng)發(fā)送端的視音頻編碼技術比接收端解碼技術要復雜，目的是要提高解碼質(zhì)量或降低所占用的有效比特率；而接收端的解調(diào)技術則比發(fā)送端的調(diào)制技術復雜得多，因為它要面臨惡劣的空中傳輸環(huán)境。

此外，在發(fā)送端系統(tǒng)中除了有較強的糾錯編碼以外，還要增加各類同步碼，以方便接收端迅速捕獲信號，并保持對所需信號的可靠接收。

固定接收遇到的惡劣的空中傳輸環(huán)境有：大氣的湍流、漂浮物（霧狀細水滴或沙塵）及云雨雷電，大風造成的樹葉樹枝晃動（電波的反射或穿越），城鎮(zhèn)樓群密集的電波阻擋和反射（形成回波，即多徑），江河湖海的水面波浪反射，各種電氣火花（電動火車、汽車、拖拉機、霓虹燈、家用電器）的寬譜噪聲干擾，室內(nèi)風扇旋轉(zhuǎn)葉片或飛機螺旋槳的反射，大風引起發(fā)射天線所在的高樓或大鐵塔的晃動等。

因此，地面數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)的整體設計，首先要為接收端的關鍵技術服務。美國ATSC[1]、歐洲D(zhuǎn)VB-T[2]、日本ISDB-T和中國的地面國標（GB20600-2006）[3]的制定都是這樣。

地面數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)解調(diào)器的框圖見圖 1。其中，天線系統(tǒng)需要區(qū)分固定接收和移動接收。前者可采用方向性天線（4～10 dBi），特別是窗外天線或屋頂天線；而后者一般則采用無方向性天線。中間的3部分（調(diào)諧器、信號處理和信道解碼）中，實現(xiàn)解調(diào)器的同步、信道估計和均衡的信號處理部分是關鍵。而控制器內(nèi)的數(shù)字信號與模擬信號“交叉”的自動增益控制（AGC）、自動頻率控制（AFC）和A/D變換也非常重要。此外，中間3部分是相互密切關聯(lián)的，而非簡單級聯(lián)；3部分由控制器統(tǒng)一協(xié)調(diào)。但以上這些關鍵內(nèi)容難以從地面數(shù)字電視傳輸標準的文本中直接看出。而隨著集成電路性能的逐年提高，這些關鍵部分的算法就成為傳輸標準確定后各高科技公司不斷進行開發(fā)而競爭的主要內(nèi)容，并由此帶動全系統(tǒng)的性能價格比逐年提高，使消費者不斷受益。

圖1 地面數(shù)字電視系統(tǒng)解調(diào)器框圖

吳奕彥等曾在文獻[4]中指出過ATSC的優(yōu)點以及不能實現(xiàn)移動電視接收和組建單頻網(wǎng)（SFN）的不足。而DVB-T的推薦者一直宣傳“單載波系統(tǒng)不能實現(xiàn)移動電視接收”。這對中國學術界和廣電運營商也帶來一定影響。“單載波系統(tǒng)實現(xiàn)移動電視接收和組建單頻網(wǎng)（SFN）”成為國際難題。

實際上，ATSC本來就是為固定接收業(yè)務設計的，而DVB-T也是這樣。

在歐洲D(zhuǎn)VB組織多年擔任技術部主任的Ulrich Reimers（德國Braunschweig工業(yè)大學通信研究所主任）主編的數(shù)字電視廣播教科書[5]中，對DVB-T標準寫道：“該系統(tǒng)應該能夠為采用屋頂天線的固定接收提供最佳的覆蓋范圍。希望能夠支持便攜式接收機的固定接收；而移動接收則不是制訂標準的目標。”但DVB-T由于采用了OFDM技術，可實現(xiàn)移動電視接收。這樣，在1999年巴西對3種標準（美、歐、日）的測試[6]中，巴西強調(diào)移動電視性能，從而舍棄了ATSC，并最終采納了日本ISDB-T標準，并于2007年12月啟動業(yè)務。

DVB-T移動電視業(yè)務是2000年首先在新加坡實現(xiàn)的，而不是在歐洲本土；2002年夏又在我國上海實現(xiàn)，并隨即在我國一批城市中采用，其進展和規(guī)模大大超過歐洲！當時，正在研究制定中的具有我國自主知識產(chǎn)權的兩套方案——ADTB-T/OQAM系統(tǒng)（屬單載波）[7]和DMBT/TDS-OFDM系統(tǒng)（屬多載波）都面臨DVB-T的挑戰(zhàn)，尤其是前者是否能實現(xiàn)移動電視接收！

2002年12月，上海交大小組與上海東方明珠集團合作（單個發(fā)射點），在上海演示ADTB-T/OQAM系統(tǒng)的720 p HDTV移動接收：從浦東到浦西市區(qū)的主要街道總行駛距離約58 km、持續(xù)一個半小時余的深夜行程中，除過江隧道外，圖像顯示“中斷”較少。獲得觀看演示的ATSC主席Robert Graves先生等國外專家和香港ATV/TVB專家的好評[8]。2003年元月，該小組又在上海實現(xiàn)該單載波系統(tǒng)2個發(fā)射點組建SFN。

ADTB-T/OQAM系統(tǒng)的現(xiàn)場演示說明：單載波系統(tǒng)實現(xiàn)移動電視接收和組建單頻網(wǎng)的國際難題在技術上已經(jīng)解決；僅需在中國地面國標的制定和產(chǎn)業(yè)化過程中應用之、完善之。

2 對移動電視接收的初步分析

對于移動電視接收而言，典型的惡劣空中環(huán)境的例子是：在上海東方明珠大塔發(fā)射數(shù)字電視信號，而在市中心的淮海路（東西走向，長度超過10 km；位于發(fā)射塔的西偏南方向）高速行駛（深夜車速達120 km/h）的面包車上進行接收（測試采用“十”字形接收天線）。其特點除第1節(jié)已提及的以外，還有：

1）由于高樓林立的遮擋，絕大部分時間內(nèi)接收不到直達信號，而主要靠回波（多徑）信號；

2）一般公交汽車的無方向性接收天線的高度不足3 m（小轎車的不足2 m），與農(nóng)村家庭可使用高度10 m、方向性強（10 dBi）的屋頂天線相比，對場強的要求有巨大差別（>15 dB）；

3）周圍內(nèi)燃車輛的火花干擾在車輛啟動時（紅綠燈變換）尤為明顯，容易造成接收“中斷”；

4）車輛在道路邊緣行駛或停靠時，由于樓房和樹木的遮擋，信號顯著變?nèi)酰ㄏ陆?0 dB或更多），也容易造成接收“中斷”；

5）夜間則還有滿街的霓虹燈；等等。

圖2說明：在行駛中的車輛可能接收到的來自不同高樓的回波或多徑（兩者在理論上是等效的），而直達信號也可以看成是其中之一。其中E1和E4將有正的多普勒效應：解調(diào)器接收到的載波頻率上升！而E3和E5則將有負的多普勒效應：解調(diào)器接收到的載波頻率下降！而E2是正在由正的效應向負的轉(zhuǎn)變之中。

圖 2 行駛中的車輛可能接收到的回波

還可看出：采用無方向性天線接收時，接收到的信號有3類：1）主信號：解調(diào)器時鐘所鎖定的、在時間域的最強信號；2）超前回波：其信號在主信號之前到達，時間延遲為負值；3）滯后回波：其信號在主信號之后到達，時間延遲為正值（其幅度可能與主信號相等，稱為“0 dB回波”）。這3類信號的幅度和相位都在隨時間變化（多普勒效應相當相位變化）。

舍棄超前回波或滯后回波的兩類之一，或者采用正前方稍有方向性的天線（如3 dBi），由于各類回波的時延和相位都具有隨機性，看來都不可?。H鐵路移動電視ADTB-R系統(tǒng)（見上海高清網(wǎng)站：www.hdigroup.net）為例外：SFN的發(fā)射點“沿線”布設，火車則“沿線”行駛，因而可采用“8”字形輻射圖案的發(fā)射天線和接收天線。

假設車輛最高時速為400 km/h（中國高架鐵路），并有超前回波和滯后回波，則適應多普勒效應的解調(diào)器載波頻率偏移需滿足

式中：300000 km/s為無線電波傳輸速度。

地面國標C=1的“雙導頻”可選項可用于解調(diào)器對接收信號的載波頻率自動跟蹤。對于地面國標C=1的“雙導頻”可選項[3]而言，兩個導頻信號的頻率差值是7.56 MHz；它就是兩者由非線性電路生成的拍頻（beat）之頻率值。而由移動接收速度400 km/h的多普勒效應引起的拍頻頻偏等于：±3.704×10-7×7.56 MHz=2.80 Hz。此拍頻信號的數(shù)值大（頻偏?。纫泊螅ū绕骄β矢? dB）。因此，可設計某種高Q值單頻率信號檢測器，來檢測此拍頻信號，并通過AFC高效、快速完成頻率跟蹤。

從圖 2還可看出：5個回波中的任何1個或者幾個，都可看成是SFN的發(fā)射點的直達信號 （或其反射信號）。因此，如果在解調(diào)器的信號處理關鍵技術中解決了處置回波的技術難題，也同時解決了單載波系統(tǒng)組建SFN的技術難題。

與此同時，還可推論：固定接收也可開發(fā)類似技術來處置動態(tài)回波。后者的第一例是：在展覽會的展臺上演示無方向性天線發(fā)射地面數(shù)字電視信號，而采用無方向性天線接收。由于會場內(nèi)觀眾時多時少（衣著的電波吸收不同）和隨機挪動，加上建筑物鐵架復雜和多類平面墻體、廣告牌等的反射，接收到的回波信號復雜并隨機變動。后者的另一例是：在高樓密集的市區(qū)進行室內(nèi)或窗外的固定接收：當缺乏直達信號而依賴于回波信號進行固定接收時，由于市區(qū)車輛繁忙，其動態(tài)回波所造成的接收信號也是隨機變動的。

以上的討論主要針對固定發(fā)射－移動接收方式的應用，它同樣適用于移動發(fā)射－固定接收和移動發(fā)射－移動接收等應用。

最后，移動電視接收中往往難以避免地會出現(xiàn)接收“中斷”（drop-out）。因此，需要關注：解調(diào)器如何在接收中斷后迅速實現(xiàn)載波（頻率）恢復和時鐘恢復（即相位的跟蹤和同步捕獲），然后恢復正常顯示活動圖像（略去對伴音的討論）。本節(jié)已用地面國標C=1的“雙導頻”為例，說明解調(diào)器的載波頻率自動跟蹤技術；而相位跟蹤問題則將在第5節(jié)討論。

3 單載波實現(xiàn)移動電視接收原理

從原理來看，以DVB-T為代表的多載波技術利用OFDM的保護間隔原理，處理回波極為簡潔（圖 1的信號處理部分）。而DVB-T的不足之處是：發(fā)送端的3類導頻信號[8]過多占用“子載波”，導致頻譜利用率下降[9]。而地面國標C=3780把PN420或PN945放在“保護間隔”，提高了頻譜利用率[9]，但它卻變成一個單載波/多載波的混合系統(tǒng)，同時帶來一些不利因素。

而單載波系統(tǒng)與多載波系統(tǒng)相比在原理上是等效的。多載波系統(tǒng)能夠利用DFT簡潔解決回波問題，單載波系統(tǒng)則可望通過幾百條并行的算法（通過拼“算法”）來解決。在主信號和數(shù)量不多（如不多于2個）的強回波信號（都屬時間域信號）的條件下，在集成電路處理性能逐年提高的情況下，破解此國際難題是可能的。

4 考慮非專家主觀判據(jù)并合理縮小數(shù)據(jù)結構

在公交車輛（或小轎車）中坐著或站立著觀看移動電視的觀眾，其觀看條件是：屏幕尺寸較?。ú淮笥?4 in）、周圍聲音嘈雜、車輛顛簸震動等。這種注意力容易分散的觀看條件同家庭內(nèi)的固定接收顯然不同。

據(jù)此，本文提出移動接收的非專家主觀判據(jù)，允許“圖像凍結1個圖像幀時間（40 ms）”，來替代固定接收的專家判據(jù)。后者如美國ATSC的判據(jù)：專家剛剛沒有覺察任何圖像損傷的臨界情況，相當于BER=3×10-6。

為保證移動電視接收在出現(xiàn)中斷后能迅速恢復正常，需在系統(tǒng)設計中縮小數(shù)據(jù)結構。本文建議的合理數(shù)據(jù)幀絕對時間約4 ms，是針對圖像幀時間40 ms（幀頻25 Hz）提出的。ATSC和DVB-T的數(shù)據(jù)結構都偏大（表1）。

這是考慮：1）當解調(diào)器（圖1）出現(xiàn)未能糾正的誤碼時，允許顯示圖像“凍結”一次，持續(xù)40 ms（圖像顯示電路重復上一圖像幀）。這樣，在接收中斷時，不會出現(xiàn)一般觀眾容易覺察的“馬賽克”等圖像損傷或“黑屏”。2）這個數(shù)值不能太小（數(shù)據(jù)幀的頭部信息開銷過大），以避免有效比特率降低過多。3）它又不能太大，要保證在40 ms內(nèi)，解調(diào)器有足夠時間對數(shù)據(jù)幀進行多次反復的信號處理。因為，在40 ms的這段時間內(nèi)，數(shù)據(jù)幀同步信號將出現(xiàn)9次，如果用3次即完成同步捕獲，余下的時間（28 ms）都可留給信道估計和均衡（圖1信號處理）。

表1 各種方案的數(shù)據(jù)幀絕對時間

可對比的是：ATSC如果也用3次完成數(shù)據(jù)幀的同步捕獲，共需 48.4×3=145.2 ms；它是圖像幀時間33.33 ms的4.36倍。再考慮信道估計和均衡所需時間，例如，總共需要0.3～0.4 s。這對于固定接收是可以接受的；因為接收中斷極偶然發(fā)生。但對于經(jīng)常發(fā)生中斷的移動接收，圖像若凍結10幀（持續(xù)0.3 s），觀眾容易覺察（DVB-T超幀時間更大，情況更為嚴重）。

地面國標的數(shù)據(jù)結構則過短[9]。C=3780采用的PN420和PN945數(shù)據(jù)幀頭部的信號幅度還要加3 dB，有利于室內(nèi)的便攜式接收。但這卻增大了符號間干擾（ISI）[9]，給圖1的信號處理關鍵部分（信道估計和均衡）增加了難度，顧此失彼。

5 過采樣相位跟蹤

解調(diào)器接收到的回波信號的相位是隨機的。以ATSC每 48.4/2=24.2 ms（表 1）出現(xiàn) 1次的數(shù)據(jù)場同步 PN511[1，7]為例，進行討論。ATSC的PN63或地面國標的PN420，PN595，PN945等都有類似情況。

主信號PN511碼由于高速（如400 km/h）移動，多普勒效應產(chǎn)生的相位偏差并不嚴重（1 bit或BPSK調(diào)1個符號的相位變動相當于2π）

±3.704×10-7×511 bit=0.000189 3 bit

但家用接收機的廉價晶體振蕩器的頻率與額定頻率相比，一般可有±10-4的偏差！如果直接考慮PN511位碼的符合電路，這個容許的偏差相當于

±10-4×511 bit=±0.0511 bit

而±0.05 bit代表相位差為±π/10，即相位有所錯開。這樣，接收信號的PN511和解調(diào)器的PN511兩個序列的相位差從511位碼的第1位為0，逐個比特位增大；到256位時，為π/20；到511位碼的末位左右時，則為π/10左右（相位差18°）。符合電路的整體效率顯著下降（誤碼還未糾正）。

為此，1）建議取511碼的部分序列（partial sequence）。盡量使進入符合電路的兩對部分序列之相位差不超出±π/80的范圍。換言之，要提高符合電路的相位分辨率。2）過采樣：解調(diào)器采用高速處理電路進行并行處理，即其時鐘設計為有效帶寬的16倍或更高。據(jù)悉，ADTB-T/OQAM系統(tǒng)[7]的解調(diào)器芯片處理時鐘，是有效帶寬的16倍，即7.14×16=114.24 MHz。這就是說：在解調(diào)器中至少可有16套并行的電路，其相位差是2π/16=π/8。

2008年夏勁松關于ATSC接收機的兩篇論文[10-11]就是這方面的研究成果：把PN511拆成6組63位的“部分序列”，采用一系列相位錯開的并行電路，可獲得有效結果。

6 合理利用回波信號的能量

主信號和單個0 dB回波的能量疊加，可有3 dB的增益。無信號或信號過弱，則無法實現(xiàn)接收。但有多個回波而門限值上升或接收失敗，則可判斷解調(diào)器算法有待改進。要考慮到：把回波當作可利用的能量，而不當作干擾去抑制。

以主信號和單個0 dB回波 （其幅度與主信號相等）的簡單例子而言，如果能夠把這兩個信號的能量相加，應該獲得3 dB增益（門限值可望下降3 dB），其必要條件是：兩者的相位必須相同。

2003年秋美國LINX公司通報其ATSC與DVB-T接收機樣機由第三方進行的固定接收測試結果[8]（參見表 2），可見：7種回波模型中，ATSC樣機“徹底翻身”。而DVB-T的門限值性能也顯著改善。其中，7種回波模型中有4種模型的門限值與沒有回波時相比，下降2.6～4.0 dB（證實：合理利用回波能量的思考是有效的）。此外，其余3種巴西模型中的A稍有上升，B上升1.4 dB，E則上升5～6 dB（這些比起原來的結果有所改善，但都有待改進）。

移動電視系統(tǒng)的同步碼常用BPSK調(diào)制，而其負荷（payload；有效信息部分）則常用QPSK（或4-QAM）調(diào)制。下面以此出發(fā)進行討論。

如果接收到的強信號有1～3個（包括主信號和回波），其幅度差值不超過3 dB。那么，可只對這幾個強信號作處理，而舍棄其余弱信號和噪聲。方法是在中頻或基帶輸出的8或10位A/D變換輸出中，只取其最高有效位（msb）的前2位，而舍棄其余位，即舍棄小于-3 dB的所有信號，把它們置“0”。這樣可顯著提高運算的效率和速度（8位A/D只需處理其高2位，處理能力至少是4倍關系，大量運算弱信號和噪聲并無意義）。

表2 ATSC和DVB-T樣機的多種回波模型固定接收對比測試結果

7 采用非線性處理替代線性處理

信道自適應均衡器一般采用線線性濾波器進行處理，追求某種最小值：最小均方值（LMS）或最小均方誤差（MMSE）。ATSC標準文件介紹接收機自適應均衡器時采用 LMS，并提出 2個級聯(lián)的部分：1）64抽頭（tap）的“前饋橫向濾波器”；2）192抽頭的“判決反饋濾波器”。這2類濾波器顯然都是線性濾波器。而為了縮短運算時間，可考慮：1）把浮點運算改為整數(shù)運算；2）把線性濾波器改為非線性濾波器。

所謂“追求某種最小值”，就是通過自適應的算法，多次自動修改參數(shù)而“收斂”到某種最小值。而收斂過程是一個多次運算的過程。如果針對某種回波模型，參照線性濾波器的設計而找到某種非線性濾波器的近似解答，運算次數(shù)有可能減少，如減少為原來的1/2甚至1/4。

綜合以上討論，可得下面的表3。其中第1項容易做到。第2項結合“部分序列”概念和并行運算，可提高相位分辨率（加快同步捕獲；如相位分辨率達到π/16以上）。第3項僅處理主要能量的信號，不僅減少處理的位數(shù)，還可望提高整體處理效率。第4項則是用較少的運算達到相似的結果。而從綜合第3，4項的數(shù)值可看出：處理的速度將是原來的8倍甚至20倍。

把以上幾方面的技術措施綜合應用，就可創(chuàng)建單載波系統(tǒng)實現(xiàn)移動電視接收和組建SFN的新技術路線。

8 現(xiàn)場測試中建議的實驗方法

移動電視接收的回波模型首先是巴西廣播電視界提出的；隨后國際和中國有關組織都做了一些測試規(guī)定。但這些模型難以包括現(xiàn)場測試中遇到的 “千變?nèi)f化”的情況。因此，研究單載波系統(tǒng)實現(xiàn)移動電視接收性能算法的小組，在完成已知的各種模型的算法后，需要在現(xiàn)場測試中不斷發(fā)現(xiàn)新問題、提出新算法、不斷改善性能。

表3 解調(diào)器處理速度的提高

在移動電視的現(xiàn)場測試過程中，需要“邊走（車輛行駛）、邊記錄（有關數(shù)據(jù)）”?？捎涗浀挠嘘P數(shù)據(jù)有：門限值、誤碼率、頻譜和電視圖像（伴音）的錄像帶，特別是有GPS導航系統(tǒng)的行駛地圖記錄和特殊環(huán)境記錄（紅燈?？繒r；車輛沿路邊行駛或?？?；有摩托車在旁邊行駛過；夜間霓虹燈情況；偶然的雷電；其他人為噪聲干擾等）。

此外本文還建議：

1）為了觀察現(xiàn)場測試中的回波情況，可在接收機樣機的解調(diào)電路中，設計一個簡單的電路（利用“符合電路”），在示波器上顯示圖3的圖形。這樣，就能在實驗車輛行駛過程中，觀察到（以及記錄）始終在迅速變動中的圖3圖形，方便事后對不明原因“中斷”的分析。

2）把非專家判據(jù)的“凍結1次圖像幀”仍然當成“接收成功”。這樣，在分析所記錄的錄像帶時，按照1 s為單位統(tǒng)計的“接收成功率”比起國際規(guī)定的專家判據(jù)將高些。

這樣，單載波系統(tǒng)實現(xiàn)移動電視接收的性能不斷改進，就有“接收成功率”（包含專家和非專家共2種判據(jù)）的簡單量度。

9 簡短小結

1）本文探討單載波系統(tǒng)如何實現(xiàn)移動電視接收的一系列考慮；它已在ADTB-T/OQAM系統(tǒng)中獲得應用，并延伸到地面國標。

2）類似的技術也可望在ATSC的固定接收和ATSCMH標準的移動接收中獲得應用。

3）但任何技術都不是“萬能的”。需要繼續(xù)探討單載波系統(tǒng)和多載波系統(tǒng)各自的優(yōu)缺點。如果能“取長補短”而綜合兩者，則最理想。

[1]ATSC Doc.A/54A，Guide to the use of the ATSC digital television standard[S].2003.

[2]ETSI.EN 300744 V.1.2.1，Digital Video Broadcasting （DVB）：Framing structure，channelcoding and modulation fordigitalterrestrial television[S].1999.

[3]GB 20600-2006，數(shù)字電視地面廣播傳輸系統(tǒng)幀結構、信道編碼和調(diào)制[S].2006.

[4]吳奕彥，CARON B，BOUCHARD P，et al.地面數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)的比較：ATSC 8-VSB、DVB-T COFDM 和ISDB-T BST-OFDM[EB/OL].[2002-01-10].http：//www.eet-china.com/ARTICLES/2006SEP/PDF/DTCOL_2006SEP12_RFR_AVDE_TA_01.pdf?SOURCES=DOWN LOAD.

[5]REIMERS U.Digital Video Broadcasting：The international standard for digital television[M].New York：Springer，2001：231.

[6]CHIQUITO J G，ARANTES D S，COSTA M H M.為在巴西引入數(shù)字電視提交的“公開咨詢報告”文稿第291號[J].電視技術，2002，26（1）：22-26.

[7]張文軍，夏勁松，王匡，等.高級數(shù)字電視廣播系統(tǒng)傳輸方案[J].電視技術，2002（1）：6-11.

[8]徐孟俠.ATSC和DVB-T固定接收時的回波處理性能對比[J].電視技術，2010，34（1）：7-10.

[9]徐孟俠.評中國地面數(shù)字電視廣播傳輸標準[J].電視技術，2009，33（1）：9-12.

[10]XIA Jingsong.A carrier recovery approach for ATSC receivers[J].IEEE Trans.Broadcasting，2008，54（1）：131-139.

[11]XIA Jingsong.A novel clock recovery scheme for ATSC receivers[J].IEEE Trans.Broadcasting，2008，54（2）：276-282.