文｜宋文君

高清電視HDTV是High Definition Television的簡(jiǎn)稱，意思是高清晰度電視，它是一種數(shù)字電視技術(shù)。數(shù)字電視技術(shù)是指從演播室到發(fā)射、傳輸、接收過(guò)程中的所有環(huán)節(jié)都是使用數(shù)字電視信號(hào)，或?qū)υ撓到y(tǒng)所有的信號(hào)傳播都是通過(guò)由二進(jìn)制數(shù)字所構(gòu)成的數(shù)字流來(lái)完成的。也就是說(shuō)HDTV從電視節(jié)目的采集、制作到電視節(jié)目的傳輸，以及到用戶終端的接收全部實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。

高清電視與傳統(tǒng)模擬電視和標(biāo)清電視相比更強(qiáng)調(diào)畫(huà)面、聲音的清晰度，其掃描線在1080行,每行1920像素，寬高比16:9，與4:3寬高比的標(biāo)清電視相比，畫(huà)面的震撼力更強(qiáng)，更加符合人們的視覺(jué)特性，圖像質(zhì)量更高。它的音頻效果也很好，通過(guò)和家庭影院搭配使用，輸出杜比5.1的環(huán)繞立體聲，可以實(shí)現(xiàn)良好的視聽(tīng)效果。由于它采用全數(shù)字化的信號(hào)處理模式，圖像在傳輸過(guò)程中，不會(huì)出現(xiàn)任何低質(zhì)量問(wèn)題，因此用戶在家里也可享受與演播室一樣的清晰畫(huà)面質(zhì)量。

高清電視最早是由美國(guó)聯(lián)邦通訊委員會(huì)FCC提出，在已有的地面電視廣播頻道規(guī)劃下，通過(guò)使用空閑頻道或原來(lái)的禁用頻道與現(xiàn)行的模擬信號(hào)實(shí)現(xiàn)同播, 以后將通過(guò)同播作過(guò)渡, 逐漸取代模擬電視。這一計(jì)劃對(duì)于頻率資源再利用和現(xiàn)有電視向HDTV過(guò)渡都具有很重要的意義。

高清地面?zhèn)鬏斨械母蓴_抑制

地面無(wú)線傳輸作為電視廣播傳輸?shù)膫鹘y(tǒng)手段，由于其獨(dú)具的簡(jiǎn)單接收和移動(dòng)接收的能力，能夠滿足現(xiàn)代信息化社會(huì)所要求的信息到人的基本需求。通過(guò)電視臺(tái)的制高點(diǎn)天線，對(duì)外發(fā)射無(wú)線電視，對(duì)所有電視用戶進(jìn)行覆蓋，用戶可以利用接收天線及電視機(jī)隨時(shí)觀看電視節(jié)目，這是支持地面?zhèn)鬏數(shù)幕緜鬏斝问?。過(guò)去，在模擬電視傳輸網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下，難以解決噪聲污染、多徑干擾等問(wèn)題，因此人們只能將天線放在室外，因此樓群中大面積發(fā)展公用天線。HDTV地面廣播在未來(lái)數(shù)十年中將成為新的需求增長(zhǎng)點(diǎn)，具備極大的商業(yè)價(jià)值，但與衛(wèi)星廣播和有線電視相比，它也有信道質(zhì)量惡劣、干擾嚴(yán)重、頻道資源緊張等問(wèn)題。所以HDTV地面廣播在傳輸系統(tǒng)中也要對(duì)干擾采取抑制措施。

在HDTV地面廣播的傳輸中主要有噪聲干擾、多徑干擾和同頻干擾3種干擾形式。

（1）噪聲干擾

數(shù)字電視地面廣播中的噪聲干擾主要有兩類，一類為高斯白噪聲，另一類為沖激噪聲，這兩類噪聲干擾都屬于加性干擾，會(huì)疊加在電視信號(hào)上。噪聲干擾在模擬電視中造成雪花，但在數(shù)字電視中會(huì)造成圖像的大面積失真，甚至無(wú)法收看。

（2）多徑干擾

多徑干擾又叫回波干擾，在地面廣播中最為普遍，地面廣播中發(fā)射信號(hào)的電磁波遇到山脈、樹(shù)木及樓房等障礙物時(shí)產(chǎn)生十幾秒的回波，反射信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)中就會(huì)造成回波干擾?；夭ǜ蓴_在模擬電視中造成的就是重影，而在數(shù)字電視中造成的是數(shù)字通信中的符號(hào)間干擾。

（3）同頻干擾

為了提高地面廣播的頻譜資源利用率，將數(shù)字電視放在禁用頻道上廣播，而禁用頻道在本地的模擬電視不用，只是在相鄰服務(wù)區(qū)的模擬電視中使用，這樣，在本地的禁用頻道中播放了數(shù)字電視，這種方式叫“同播”。由于同播的要求，相鄰服務(wù)區(qū)同一頻道的模擬電視節(jié)目有可能進(jìn)入數(shù)字電視接收機(jī)，產(chǎn)生同頻干擾，這種干擾仍然屬于加性干擾。

高清電視（HDTV）是全球廣播電視行業(yè)最引人注目的焦點(diǎn)之一，它已成為第3代電視標(biāo)準(zhǔn)。2008年1月1日北京進(jìn)行地面數(shù)字廣播高清（HDTV）業(yè)務(wù)和標(biāo)清（SDTV）業(yè)務(wù)，構(gòu)建了33頻道中央臺(tái)高清和14頻道北京臺(tái)高清地面發(fā)射系統(tǒng)。從2010年開(kāi)始，高清市場(chǎng)在全國(guó)進(jìn)入快速發(fā)展期。

應(yīng)對(duì)HDTV地面?zhèn)鬏斨械倪@些干擾有以下的抑制方法：

（1）噪聲干擾的抑制

為了消除噪聲干擾,在數(shù)字電視地面廣播的傳輸系統(tǒng)中要加入強(qiáng)有力的糾錯(cuò)措施。傳輸系統(tǒng)中的糾錯(cuò)編碼由兩種糾錯(cuò)碼級(jí)聯(lián)構(gòu)成，一般將具有強(qiáng)大的糾正連續(xù)誤碼能力的RS碼（Reed-solomon碼）作為外碼，內(nèi)碼一般選用卷積碼,因?yàn)樵谙嗤木幋a效率的前提下,卷積碼具有比分組碼更優(yōu)良的性能。目前這一技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用于數(shù)字電視系統(tǒng)中,系統(tǒng)中的內(nèi)碼和調(diào)制是綜合進(jìn)行的。而沖激噪聲的抑制需要將交織與糾錯(cuò)編碼一起進(jìn)行。

（2）多徑干擾的消除

目前,克服多徑干擾的方法在技術(shù)上可以分為兩類:時(shí)域均衡技術(shù)和正交頻分復(fù)用調(diào)制技術(shù)(OFDM)。

均衡技術(shù)是一項(xiàng)傳統(tǒng)技術(shù),被廣泛應(yīng)用于數(shù)字通信系統(tǒng)中,美國(guó)的ATSC地面系統(tǒng)(ATSC 8-VSB)采用均衡技術(shù)來(lái)消除回波，它的特點(diǎn)是技術(shù)成熟。但均衡技術(shù)只適用于消除時(shí)延較短的回波，對(duì)時(shí)延較長(zhǎng)的回波效果差,而且對(duì)回波時(shí)延的變化很敏感，此外它的結(jié)構(gòu)也很復(fù)雜。

（3）同頻干擾的抑制

數(shù)字視頻廣播系統(tǒng)的信號(hào)發(fā)射功率低于普通電視信號(hào)的發(fā)射功率,所以數(shù)字視頻廣播對(duì)相鄰服務(wù)區(qū)普通電視的干擾幾乎為零，但當(dāng)數(shù)字電視信號(hào)與同頻道的普通電視同播時(shí)，普通電視可能對(duì)數(shù)字電視產(chǎn)生干擾。美國(guó)和歐洲解決同頻干擾的方法不同,在美國(guó)的系統(tǒng)中,使用一個(gè)NTSC同頻干擾濾波器，比較好地消除了同頻干擾，但收發(fā)兩端需使用12對(duì)編解碼器，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜。歐洲D(zhuǎn)VB系統(tǒng)采用的是OFDM方式，考慮到普通電視的能量集中在視頻載波、色副載波以及伴音載波附近,可以直接在頻譜上開(kāi)槽來(lái)消除同頻干擾，這種方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)簡(jiǎn)單，無(wú)需另外增加設(shè)備,但在頻譜利用率上有少許降低。

高清地面?zhèn)鬏斣?/h2>

從上述對(duì)地面?zhèn)鬏數(shù)姆治鰜?lái)看，HDTV的地面廣播不僅要有高效的圖像壓縮編碼技術(shù)，保證能在6/8MHz帶寬內(nèi)傳送，更要有一整套信道編碼措施，如R-S糾錯(cuò)編碼，擾碼、交織、格形編碼及調(diào)制技術(shù)來(lái)保護(hù)。

HDTV地面廣播的基本要求是在單個(gè)頻道（6/8MHz）內(nèi)傳輸經(jīng)壓縮的圖像和伴音信息。圖1是全數(shù)字式HDTV發(fā)送端原理框圖。

下面對(duì)這幾個(gè)過(guò)程逐一分析：

圖1 HDTV發(fā)射端原理圖

信源編碼中的圖像信號(hào): 活動(dòng)圖像專家組(MPEG)建議的具有運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)膸g預(yù)測(cè)/離散余弦變換, 壓縮比在20-60之間。

信源編碼中的伴音信號(hào):可采用杜比AC-3的算法, 5.1 聲道(五個(gè)聲道加一個(gè)重低音聲道的環(huán)繞聲)編碼。

擾碼器的作用是避免信息比特流長(zhǎng)時(shí)間為0或1 ,以免影響有關(guān)的同步信息提取。由于電視頻道帶寬限制和HDTV高信息速率要求, 需采用多電平傳輸。

RS 編碼（Reed-solomon碼）是行之有效的多符號(hào)糾突發(fā)錯(cuò)誤的編碼方法, 是一種改善抗干擾性能的外信道編碼。在同樣編碼冗余度下,RS碼具有最強(qiáng)的糾錯(cuò)能力。RS碼在通信領(lǐng)域已被廣泛地應(yīng)用。當(dāng)前國(guó)際上所提出的各種數(shù)字HDTV地面?zhèn)鬏敺桨笩o(wú)不采用RS碼。以RS碼作為外碼,多電平格狀編碼作為內(nèi)碼的級(jí)聯(lián)碼,加上完全的數(shù)據(jù)交織,為數(shù)字HDTV傳輸提供強(qiáng)有力的前向糾錯(cuò)能力。

交織編碼器用來(lái)進(jìn)一步減少信道中的突發(fā)干擾影響, 因它可使突發(fā)干擾變成隨機(jī)干擾。糾錯(cuò)編碼在實(shí)際應(yīng)用中往往要結(jié)合數(shù)據(jù)交織技術(shù)。這是因?yàn)樵S多信道中差錯(cuò)是突發(fā)的,也就是說(shuō)發(fā)生錯(cuò)誤時(shí),往往是有很強(qiáng)的相關(guān)性,甚至是連續(xù)一片數(shù)據(jù)都出了錯(cuò)。這時(shí)由于錯(cuò)誤集中在一起，常常超出了糾錯(cuò)碼的糾錯(cuò)能力。所以在發(fā)送端加上數(shù)據(jù)交織器，在接收端加上解交織器，使得信道的突發(fā)差錯(cuò)分散開(kāi)來(lái)，把突發(fā)差錯(cuò)信道改造成獨(dú)立隨機(jī)差錯(cuò)信道。

內(nèi)信道編碼和調(diào)制結(jié)合在一起優(yōu)化成格狀編碼,其結(jié)果在不改變波形速率,也就是不改變帶寬的條件下,通過(guò)擴(kuò)展了使用的信號(hào)電平數(shù),也就是擴(kuò)展了采用的信號(hào)數(shù)目,使得按波形的符號(hào)錯(cuò)誤概率的性能得到了改善。但同時(shí)也使設(shè)備相應(yīng)變得復(fù)雜了。利用格形編碼, 可使系統(tǒng)在幾乎不增加帶寬下, 獲得相當(dāng)?shù)木幋a增益(3-5dB), 從而改善系統(tǒng)抗噪聲能力或降低解調(diào)門限。

同步信號(hào)加入是為了保證信息傳輸?shù)耐揭? 而測(cè)試信號(hào)則是為了利用它在接收端來(lái)估計(jì)信道特性。

由于廣播信道受環(huán)境條件影響大, 導(dǎo)頻信號(hào)的插入可保證在強(qiáng)干擾下系統(tǒng)能維持正常工作。

最后, 經(jīng)調(diào)制將信號(hào)送至射頻發(fā)射。其中, 調(diào)制的基本要求是, 調(diào)制后的信號(hào)滿足電視頻道(6/8MHz)帶寬的要求。

圖2是相應(yīng)的接收機(jī)原理框圖。

圖2中, 通過(guò)中頻（IF）濾波器可獲得導(dǎo)頻信號(hào)。為此, 利用頻率和相位鎖定環(huán)路獲得本地相干載波, 實(shí)現(xiàn)相干解調(diào)。

抑制濾波器的作用是盡量減少同頻道的現(xiàn)存模擬制電視信號(hào)的影響。其基本原理是利用梳狀濾波器的特性把能量主要集中在三個(gè)載波(圖像、彩色副載波、伴音)的模擬信號(hào)加以抑制。為避免該濾波器對(duì)HDTV信號(hào)影響, 在發(fā)射端應(yīng)作相應(yīng)的預(yù)編碼。

均衡器用來(lái)補(bǔ)償信道的線性畸變。基本原理是: 通過(guò)檢測(cè)測(cè)試信號(hào), 獲得有關(guān)信道的狀態(tài)信息 , 從而對(duì)接收的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行線性補(bǔ)償。時(shí)域均衡是在匹配濾波器后插入一個(gè)帶抽頭的延時(shí)線組成的橫向?yàn)V波器，抽頭間隔等于符號(hào)周期,各抽頭的延時(shí)信號(hào)經(jīng)加權(quán)后送到加法器輸出，再經(jīng)抽樣送往判決電路,各個(gè)抽頭的加權(quán)系數(shù)是自適應(yīng)調(diào)整的,這樣就可以消除符號(hào)間干擾。

其它的處理，均為發(fā)送端的逆過(guò)程。

圖2 HDTV接收端原理圖

高清地面調(diào)制技術(shù)

高清電視在VHF（甚高頻）/ UHF（超高頻）波段進(jìn)行地面?zhèn)鬏斨卸疾扇∪珨?shù)字技術(shù),其基帶信號(hào)調(diào)制主要有兩類方式,一類可稱為單載波方式，即正交幅度調(diào)制(QAM)和殘留邊帶調(diào)制（VSB）方式,另一類可稱為多載波方式，即OFDM(正交頻分復(fù)用)調(diào)制方式。目前，我國(guó)高清地面電視33頻道和14頻道都使用16QAM調(diào)制方式，標(biāo)清地面電視32頻道使用OFDM多載波調(diào)制方式。就以上所提到的HDTV地面?zhèn)鬏數(shù)囊恍┮? 對(duì)這兩類調(diào)制方式進(jìn)行討論。

單載波調(diào)制方式

首先來(lái)看單載波調(diào)制方式, 即QAM和VSB調(diào)制方式。采用雙邊帶調(diào)制時(shí),數(shù)字HDTV信號(hào)要能在6/8MHz信道傳輸,必須采用4bit/s/Hz的調(diào)制方法。如果使用簡(jiǎn)單的幅度波形，則要用16電平幅度調(diào)制,但這種信號(hào)的抗干擾性能很差。可以把數(shù)據(jù)流中每4bit的數(shù)字分成兩個(gè)2bit數(shù)字,分別構(gòu)成4電平波形,再調(diào)制到載波的兩個(gè)互相正交的分量上。由于載波的兩個(gè)分量相互正交,在接收端對(duì)合成信號(hào)可以采用同步解調(diào)恢復(fù)出兩路4電平波形并且不會(huì)引起互相干擾。通常載波的兩個(gè)正交分量分別稱為同相分量I和正交分量Q。這種方法稱為正交幅度調(diào)制(QAM)。

QAM傳輸方式屬串行傳輸方式，為對(duì)付信道中的多徑效應(yīng)，接收端必須加入自適應(yīng)均衡器，以抵消碼間串?dāng)_。

由于殘留邊帶調(diào)制的信號(hào)帶寬接近單邊帶調(diào)制信號(hào)的帶寬（即基帶信號(hào)帶寬），故用8電平VSB調(diào)制，即可滿足17-20Mbit/s的信息流在6/8MHz信道帶寬中傳輸。

正交頻分復(fù)用技術(shù)(OFDM)

相應(yīng)于單載波調(diào)制, 還有一種多載波調(diào)制方式(MCM, 也稱為正交頻分復(fù)用OFDM調(diào)制)。在單載波調(diào)制中, 每一個(gè)符號(hào)都是對(duì)一個(gè)載波進(jìn)行調(diào)制。壓縮后的符號(hào)占滿整個(gè)頻帶。而在多載波調(diào)制中, 是把頻帶分為若干個(gè)子頻帶, 使用并行數(shù)據(jù)對(duì)多個(gè)載波同時(shí)進(jìn)行調(diào)制, 數(shù)據(jù)對(duì)各并行載波的調(diào)制可以采用PSK、QAM等多種方式?？紤]到頻譜利用率, 一般采用QAM進(jìn)行調(diào)制。使用QAM調(diào)制的子頻帶即使頻譜交疊,但仍可以進(jìn)行正交解調(diào), 并無(wú)載波間的干擾。

OFDM信號(hào)的一個(gè)好處就是實(shí)現(xiàn)時(shí)可以采用IFFT（快速傅里葉逆變換）和FFT（快速傅里葉變換）作調(diào)制器和作解調(diào)器，這可以大大降低系統(tǒng)的復(fù)雜性。

實(shí)際上，多載波調(diào)制可以認(rèn)為是一種頻域技術(shù), 而單載波調(diào)制則是一種時(shí)域電子技術(shù), 因此，存在一種時(shí)域和頻域的對(duì)稱性。多載波調(diào)制抗時(shí)域沖擊干擾能力較強(qiáng), 因?yàn)檫@一干擾會(huì)在FFT中被抹平。但由于多載波調(diào)制中各并行載波的功率都很小, 因此易于受頻域沖擊干擾的影響, 單頻干擾會(huì)嚴(yán)重?fù)p傷載波。而單載波調(diào)制抗頻域沖擊干擾能力較強(qiáng), 只要單頻干擾信號(hào)低于載波功率一定水平即可, 但單載波調(diào)制較易于受時(shí)域沖擊干擾的影響。

調(diào)制技術(shù)是HDTV傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)之一, 盡管HDTV地面廣播環(huán)境最復(fù)雜, 條件最惡劣, 但研究全數(shù)字式的HDTV地面廣播傳輸體制仍是現(xiàn)階段的熱點(diǎn)。特別是利用OFDM技術(shù)利于組成單頻網(wǎng)，前景誘人。

結(jié)束語(yǔ)

2009年，總局先后下發(fā)《關(guān)于促進(jìn)高清電視發(fā)展的通知》和《關(guān)于促進(jìn)高清電視發(fā)展的補(bǔ)充通知》，明確了高清電視發(fā)展的原則、措施和要求，批準(zhǔn)中央電視臺(tái)新聞綜合頻道和北京等8個(gè)衛(wèi)視頻道高、標(biāo)清同播。2009年9月，同播的9個(gè)高清電視的發(fā)展方向高清頻道一同開(kāi)播，同時(shí)進(jìn)入有線電視網(wǎng)絡(luò)傳輸，培養(yǎng)了高清電視市場(chǎng)，促進(jìn)了高清電視節(jié)目和影視劇制作，帶動(dòng)了高清電視設(shè)備的研發(fā)和生產(chǎn)，為高清電視發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)。

隨著高清技術(shù)全球產(chǎn)業(yè)化, 以及消費(fèi)級(jí)的高清平板電視的日益增長(zhǎng), HDTV 這一技術(shù)已經(jīng)逐步邁入尋常百姓家。 HDTV 是整個(gè)數(shù)字電視技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì), 也是地面數(shù)字電視廣播業(yè)務(wù)的主流應(yīng)用。我國(guó)地面 HDTV發(fā)展的計(jì)劃是爭(zhēng)取用幾年時(shí)間盡快在全國(guó)推廣開(kāi)來(lái), 屆時(shí)全國(guó)90%以上的人都能通過(guò)無(wú)線數(shù)字電視的方式收看到地面HDTV節(jié)目。免費(fèi) HDTV節(jié)目的播出, 使消費(fèi)者每年節(jié)省約千元的收視費(fèi)用, 將會(huì)對(duì)用戶的地面數(shù)字電視和高清設(shè)備消費(fèi)帶來(lái)新一輪動(dòng)力。我國(guó) HDTV技術(shù)的進(jìn)步和相關(guān)市場(chǎng)的新一輪發(fā)展, 也將帶動(dòng)亞太地區(qū) HDTV市場(chǎng)的加速發(fā)展。■