DVB-T工程实现中的高/中比特率固定接收

2007-07-31 10:47:00来源: 电视技术

1 引言

1996年秋批准的DVB-T标准,于1998年秋在英国率先启动市场。它总共有280种可能的技术组合。但8年多来,其工程实现组合仅有10种,占技术组合总数的3.6%。DVB-T与ATSC的重要区别是:它具有多种可能的技术组合,可以“因地制宜”灵活适应各国各地区DT-TB固定接收的具体需求;而ATSC则是单一的技术组合。DVB-T着重SDTV业务,其应用国家总数和家庭用户总数都超过ATSC(北美和中南美)或ISDB-T(日本)。而后两者则着重HDTV业务。因此,DVB-T在各国各地区的工程实现将为我国DTTB发展,提供多种学习和借鉴的实例。

本文讨论DVB-T的10种工程实现组合中前9种,即5种高比特率(20~27 Mbit/s)和4种中比特率(14~18 Mbit/s)的两类固定接收(一般指室外的屋顶天线接收)的有关参数(有效比特率、频谱利用率、载噪比门限值、发射功率的峰值与平均值和组建单频网)及其特点,并把它同ATSC标准和中国DTTB传输国家标准(以下简称“地面国标”)的样机测试结果作对比。初步分析表明:中国标准优于DVB-T。

2 DVB-T工程实现中高比特率固定接收

2.1 有关说明

DVB-T标准的频道带宽有6,7,8 MHz 3种可选项。本文仅讨论8 MHz频道带宽,因为我国也采用此值。采用6 MHz的有中国台湾;而采用7 MHz的则有澳大利亚、德国VHF波段和意大利VHF波段。

其次,DVB-T固定接收的9种工程实现组合基本采用8K子载波可选项,仅英国采用2K模式。因为,英国当时启动DVB-T固定接收时,只有2K解调器芯片。但此后各国和中国台湾启动DVB-T固定接收时,都采用8K模式。而英国政府机构OFCOM已决定:在2012年全面关闭地面模拟电视广播前,把2K模式改为8K模式。8K子载波可选项同2K相比的优点是:它更有利于组建单频网(在第4节讨论);而2K模式则更有利于移动接收。但由于技术的进步,8K模式也可用于移动接收。

此外,为了方便把DVB-T标准同ATSC标准和中国“地面国标”作粗略对比,在以下讨论中略去一些次要的因素。

2.2 获尽可能高的有效比特率受限于峰值发射功率

DTTB的社会效益(公共服务)和经济效益(主要是广告费收入)都随着有效比特率的增加而上升。因此,DTTB追求尽可能高的有效比特率。但对每个电视发射台而言,其原有模拟电视广播的覆盖范围是多年来已形成的(一般基于行政区域和地理因素),并在原来的频率规划和指派下实现的,即其覆盖范围早已确定多年。

现在要发送地面数字电视信号,其首要任务是在既定覆盖范围内实现“同播”,即播出原有的模拟电视节目内容,同时以数字方式播出,为关闭地面模拟电视广播和腾出大量地面无线电频谱作好准备。而且,在既定的覆盖范围内,收看数字标清电视的图像和声音质量,不仅不能下降,还必须有所提高,且SDTV节目的套数可增加4~10倍,有条件的话,在黄金时段则播出数字高清晰度电视。

在既定覆盖范围的前提下,尽量采用峰值和平均值功率较低的发射系统,以降低成本,减少对环境的电磁污染,因峰值发射功率过大,将干扰现存的地面模拟电视广播业务(或未来的地面数字电视广播业务),而这在频率规划中是不能允许的。这就是说:峰值发射功率受到对“邻近频道”和“同频道”干扰的限制。而发射功率平均值的确定除了考虑工作频道、天线高度和方向性、地形等因素以外,从传输标准角度而言,主要考虑AWGN载噪比(C/N)门限值(以下简称门限值)。而平均值设计确定后,再由发射功率峰均比(PAR)(一般由样机的试验室测试获得)确定其峰值设计。这样,就可以核实:它是否符合对“邻近频道”和“同频道”干扰的要求(过渡期内和结束后)。

2.3 以64-QAM为特征的高比特率固定接收

DVB-T工程实现组合中的前5种是高比特率固定接收,如表1#1~#5所示。其有效比特率为20~27 Mbit/s;计算机仿真门限值分别为18.0 dB和16.5 dB(相应的样机门限估计值分别为20.5 dB和19.0 dB,因为通常考虑:在计算机仿真门限值上加2.5 dB作为样机测试门限估计值)。在这5种工程实现组合中,如果考虑电视家庭用户数较多,则编号#3成为其中的典型接收。

2.4 DVB-T与ATSC在高比特率时的对比

表1中,编号#3与编号(1)对比:前者的频谱利用率要低7.0%,而样机门限值则要高3.8 dB。因此,DVB-T编号#3不如ATSC编号(1)。

2.5 DVB-T与中国标准在高比特率时的对比

表1中,中国“地面国标”编号(2)~(5)按有效比特率大小顺序排列,其样机门限测试值也同时列出,可看出:

1) 编号#3与编号(2),(3)对比:后者的有效比特率分别高出7.6%或1.0%,而样机门限值则降低约3.5 dR或3.7 dB。可见,中国“地面国标”编号(2),(3)优于DVB-T编号#3。

2) 编号#3与编号(4),(5)对比:后者的有效比特率,频谱利用率虽然分别减少10.3%或13.9%,但样机门限值则降低较多(分别约7.7 dB或7.6 dB)(请参阅第3节的讨论!)。

3) 此外,编号(2)与编号(1)对比:在门限值接近情况下,前者的频谱利用率增加5%。其性能在表1中最优。

但由于编号(2)的595/3 780=1/6.353,大于编号#3的保护间隔 1/32,更大于编号(1)的 1/207,即其头部“开销”稍大。如果希望提高有效比特率,则可对595/3 780增加(595/3 780)×(1/2,1/4或1/8)3个可选项,把有效比特率由25.989 Mbit/s,提高到27.89 Mbit/s(+7.30%),28.94 Mbit/s(+11.36%)或29.50 Mbit/s(+13.51%)。

总之,从表1整体来看,中国“地面国标”编号(2)和(3),都优于DVB-T编号#3,且编号(2)的性能最优(并有改善的余地!)。

3 DVB-T工程实现的中比特率固定接收

3.1 以16-QAM为特征的中比特率固定接收

DVB-T工程实现组合的4种是中比特率固定接收,(见表2),其有效比特率为14~18 Mbit/s;而样机门限值与ATSC接近(#6,#7,#8)或稍低(#9约低1.6 dB)。在这4种组合中,如果考虑电视家庭用户数较多,则编号#6和#9是4种中的2个典型。因其门限值比编号#3低4 dB或更多,更易在既定覆盖范围内实现“同播”和提高覆盖率,但会以降低频谱利用率为代价。

3.2 英国改用16QAM调制提高覆盖率

英国1998年秋启动地面数字电视广播时,采用64QAM调制(编号#3)(目前少数业务中仍采用)。但OnDigital的“付费收看”业务启动一年半后宣布失败,而且覆盖率不足(见表3)。因此,当BBC和Castle获得OFCOM授权合作而重新启动免费收看业务Freeview时,大部分地区改为16QAM调制(编号#6),它可使既定覆盖范围的覆盖率由66%上升到83%(见表3)。

这可能是:1)在过渡期内数字发射功率峰值受到对现存地面模拟电视广播邻近频道或同频道的干扰之限制而采取的补救措施;2)降低门限值16.5-12.5=4.0(dB)以增加在既定覆盖范围内的覆盖率(见表3);3)付出的代价是:原来8 MHz频道内有效比特率由24 Mbit/s下降为18 Mbit/s(由5套SDTV减少为4套)。

英国改用16QAM已经生效。据称,到2006年第3季度,英国数字电视家庭共1853.8万户(占电视家庭总数74.8%)。其中:地面37.8%;有线15.8%;卫星46.4%(包括同时拥有两者的)。这样,英国在全球已经成为DTTB家庭比例和数字电视比例最高的国家。

3.3 德国着重发展中比特率固定接收,以兼顾室内接收(含便携式接收)和移动接收

德国从2003年春起,采用16QAM调制(编号#9)启动DTTB。由于其门限值较低(编号#3和#9相比,有5.4dB的差距),更有利于在既定覆盖范围内实现“同播”和提高覆盖率。德国电视收看的基本国情是(2005年7月的数据):电视家庭总数3 390万户,其中:有线51.7%;卫星43.1%;而地面仅9.7%(包括同时拥有两者的)。

而据DVB网站资料的排序,德国DTTB业务的定位是:室内接收(含便携式接收)、移动接收和固定接收(一般指室外的屋顶天线接收)。

2004年8月,柏林和勃兰登堡地区用9个月时间,完成地面模拟电视广播向数字电视广播的过渡。目前正在全国各地区大规模推广。据报道,到2007年1月中旬,德国已有700万地面数字电视接收机(含机顶盒)在运行(此数与电视家庭总数的直接比例为20.6%)。而2005年7月数字电视家庭的统计是:地面4.0%;有线5.0%;卫星16.7%。可见一年半来德国的DTTB业务进展也较快。

3.4 DVB-T与中国标准在中比特率时对比

1) 表2编号#6与表1编号(4),(5)对比:后两者的有效比特率(频谱利用率)至少提高15%,而门限值则至少降低2.6 dB,也即中国“地面国标”编号(4),(5)的高比特率模式显著优于DVB-T的#6中比特率模式。

2) 编号#7与编号(6)对比:后者的有效比特率接近前者,但门限值则低约5 dB。可见,中国“地面国标”编号(6)也优于DVB-T的#7。

3) 此外,编号(7)更适应中比特率固定接收、兼顾室内接收(含便携式接收)和移动接收。因为其样机门限值5.8 dB较低,而且它与新加坡的移动接收(2K模式,GI=1/4,FEC=1/4,QPSK调制)的估计值5.6 dB非常接近(计算机仿真值3.1 dB加2.5 dB);而其有效比特率则翻一番有余(10.396 Mbit/s与4.98 Mbit/s对比)!可见,中国“地面国标”编号(7)的中比特率固定接收兼顾移动接收的模式,显著优于DVB-T的低比特率移动接收模式。

4 对DVB-T工程实现中其他参数的讨论

4.1 发射功率的平均值和峰值

对于确定的覆盖范围,由于载噪比门限值和发射功率峰均比(PAR)的差别,采用不同的工程实现组合进行地面数字电视广播时,所需发射机的平均值和峰值是不同的(见表4,对于某既定覆盖范围,假设DVB-T编号#3所需的发射功率平均值为1 kW)。

说明:方拮号内的数值供参考。

从表4可以看出:

1) 编号#3和编号(1)对比:前者的门限值要高约3.8 dB;而发射功率峰均比(PAR)要高3.7 dB。因此,对于相同的覆盖范围,前者发射功率平均值和峰值分别是后者的3.4倍和7.9倍!可见,ATSC编号(1)优于DVB-T编号#3。

2) 编号#3与编号(2),(3)对比:前者的门限值至少要高约3.5 dB;PAR则要高2.76 dB或接近。因此,前者发射功率平均值是后者的2倍多,而前者的发射功率峰值则是后者的4倍多或2倍多。可见,中国“地面国标”编号(2),(3)优于DVB-T编号#3,而且编号(2)的优势更大。

4.2 组建单频网(SFN)时的有关参数

由表5可看出:DVB-T编号#3(8K模式,不含英国)和编号#9(8K模式)在组建SFN时,其覆盖半径分别是8.4 km或33.6 km;而编号#6(2K模式)只有2.1 km(过小)。这个结果说明:8K与2K模式相比,更有利于组建SFN。

说明:DVB-T的数据来自其标准文件文献[7];而中国“地面国标”的数据则来自文献[5]。

中国“地面国标”编号(2),(5),(7)和(3),(4),(6)的覆盖半径分别是23.6 km和16.7 km,也都有利于组建SFN。

此外,DVB-T是多载波系统,对工作时钟精度的要求约10-12;而ATSC或中国“地面国标”C=1可选项都是单载波系统,对工作时钟精度的要求约10-9。两者相差3个数量级。因为,相位噪声对两者造成的不良后果有3个数量级的差别:2K模式是单载波系统的2 048倍;4K模式为4 096倍;8K模式为8 192倍。

5 小结

1) DVB-T的64QAM高比特率固定接收(编号#3为例),可在既定覆盖范围内实现“同播”而峰值发射功率受限时,可获得较高的有效比特率。

2) DVB-T的16QAM中比特率固定接收,有利于在既定覆盖范围内实现“同播”(编号#6为例)并增加覆盖率;或同时兼顾室内接收、便携式接收、移动接收和组建SFN(编号#9为例)。

3) 各国各地区采用DVB-T标准“因地制宜”开展DTTB的高比特率或中比特率固定接收工程实现的各种事例,可供我们学习和借鉴。

4) 中国“地面国标”优于DVB-T标准。这可能由于采用LDPC编码而获得的改善。

关键字:频谱  发射  带宽  波段

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