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1、地面无线数字电视概述 文广新局科技股 杨冲 地面无线数字电视是我国一种先进实用、拥有自主知识产业的数字电视覆盖技术，其主要实现方式就是通过采用数字压缩技术，利用只有县级以上播出机构（广播电视台）拥有的无线频道传送电视节目（用一个原有的模拟频道就可传送6-10套标清数字电视节目）。这种覆盖方式符合国家强制执行的广播电视数字化要求，相对于其它覆盖方式具有传输安全、建设和运行费用低、建设周期短、性价比高、用户消费相对廉价等优点。世界各国政府都非常重视地面数字电视广播的发展，主要有以下原因：一是地面数字电视广播是公共服务，数字化过程涉及到大众的利益；二是频率资源是社会的公共资源，是由政府管理和控制的不
2、可再生资源；三是数字电视广播发展会对信息制造业产生巨大的影响。一 地面无线数字电视定义数字电视是指采用数字技术将活动图像和声音信号加以处理、压缩和编码，经储存和实时广播后，供用户接受和播放的电视系统。系统的各个环节包括从演播室节目制作到处理、传送、存储/传输，直至接收、显示等过程都采用数字信号。与传统的模拟电视相比，数字电视在图像和声音质量两面都有重大改进。根据清晰度可分为：标准清晰度数字电视（SDTV：Standard Definition Television ）和高清晰度数字电视（HDTV：High Definition Television）,码率分别约为4 兆和20 兆比特左右。这里
3、说的地面无线电视中无线是指电视信号通过以微波的形势发射和接收，而不在利用光纤或电缆来传输电视信号；地面是指电视信号通过在地面所建的基站直接发送给用户，不在需要通过直播卫星来传送电视信号。二 地面无线数字电视的优势地面数字电视广播是广播电视体系中重要的组成部分。地面数字电视广播不仅克服了模拟无线电视易受干扰、图像质量差、有重影的缺点，还可以在一个电视频道内传送多达8套电视节目，极大提高了无线频谱的利用率。地面无线数字电视带来的更大变化是可以在移动状态下稳定接收到高质量电视节目信号，使得车载电视、便携手持电视成为可能。有线电缆广播电视着重于解决“信息到户”的问题，适用于城镇人口居住稠密地区，但“最
4、后一公里”建设成本很高，对幅员辽阔的广大地区，收看有线电视短期内无法实现。而地面无线广播作为电视广播的传统手段，由于其独有简单接收和移动接收的能力，能够满足现代信息化社会所要求的“信息到人”的基本需求。而与直播卫星相比，地面无线数字电视可以根据各个地方的实际情况选择电视节目进行发射，让用户可以收看本地方节目。总之，地面无线数字电视有许多优点。2.1 数字电视与模拟电视相比，有下面的优点：（1）数字信号比模拟信号质量更稳定。因为数字设备只输出1和0两个电平，恢复时不究大小，因而信号稳定，抗干扰强，非常适合远距离的数字传输。数字信号在多次处理和传输中进入杂波后，其杂波幅度不超过某额定电平，可以通过
5、数字再生清除；即使引入的杂波幅度超过了额定值，造成了误码，也可以引入信道的纠错编码技术，在接受端纠正过来。所以数字传输不会降低信噪比，避免了系统非线性失真的影响，大大提高了图像的质量。而在模拟系统中，非线性失真会造成图像明显损伤，如非线性产生的相位畸变会导致色调失真。而模拟信号在处理和传输中，每次都可能引入新的杂波，为了保证最终输出有足够的信噪比，就必须对各种处理设备提出较高信噪比的要求。换言之，在相同的覆盖面积下，数字电视大大节省了发射功率。模拟信号在传输过程中噪声逐步积累，而数字信号在传输过程中基本不产生新的噪声，信噪比基本不变。（2）易于实现信号的存储，而存储时间与信号的特性无关。 大规
6、模集成电路技术发展迅速，使半导体存储器可以存储多帧电视信号，从而完成用模拟技术不可能达到的处理功能。 （3）数字电视采用数据压缩技术，便于实现计算机网或Internet、电视网、电信网走向融合，构成一类多媒体通信系统，成为未来国家信息基础设施的重要组成部分。三网走向融合是大势所趋，也是充分实现真正意义上的信息资源共享，避免重复建设的关键所在。 （4）数字技术可以实现时分多路，充分利用信道容量，利用数字电视信号中的行、场消隐时间，实现文字多工广播（容易实现数字变换，为图、文、声、数据并茂的综合业务数字网开拓了广阔的应用领域）。 （5）压缩后的数字电视信号经数字调制后，可进行多种形式的高质量广播。
7、其服务区的观众将以极大概率实现“无差错接受”，收看到的电视声像质量非常接近演播室质量。 （6）具有开放性和兼容性。通过机顶盒或电缆调制解调器可以实现模拟接收和回传信号，改变了模拟体制下NTSC、PAL、SECAM制电视节目不能交换的特性。 （7）可以合理地利用各种类型的频谱资源。以地面广播为例，数字电视可以启用模拟电视的“禁用频道”，而且在今后能够采用“单频率网络（SFN）”技术，例如1套电视节目仅占用同1个数字电视频道而覆盖全国。 （8）在同步转移模式（STM）的通信网络中，可实现多种业务的“动态组合”。例如，在数字高清晰度电视节目中，经常会出现图像细节较少的时刻，这时由于压缩后的图像数据量
8、较少，可插入其他业务（如电视节目指南、传真、电子游戏软件等），而不必插入大量没有意义的“填充比特”。（9）很容易实现密码措施，即加密/解密和加/干扰，便于专业应用（包括军用）以及数据广播业务的应用。特别是开展各类条件接收的收费业务，这是数字电视的重要增值点，也是数字电视得以快速滚动式发展的基础。（10）具有可扩展性、可分极性和互操作性，便于在各类通信信道特别是异步转移模式（ATM）的网络中传播，也便于与计算机网络联通。（11）改变人们接受电视的方式。如交互电视的产生为电视的应用开辟了新天地。交互电视/视频点播使人们在收看高清晰电视的同时，可以享受到“电视导演或电视编辑”的乐趣，可以足不出户地收
9、看高清晰电影。 （12）数字电视的出现还将极大地改变信息家电的市场结构。目前，模拟电视机除了产业结构不合理以外，重要的还是因其相对技术含量不高，导致在飞速发展的电子产品市场竞争中处于不利地位。而数字电视能够促进电视机扩大画面、提高分辨率及展宽屏面，并以全新型电视机的姿态提高销售价格。2.2 无线传输相对于有线传输的优势数据传输可以简单地分为有线（包括架设光缆、电缆或租用电信专线）和无线（分为建立专用无线数据传输系统或借用CDPD、 GSM、CDMA 等公用网信息平台）两大类方式。相比较而言，用无线数据传输模块建立专用无线数据传输方式比其它方式具有如下优点，下面介绍一下用无线数据传输模块建立专用
10、无线数据传输方式相比于有线通讯的优点。 （1）本钱廉价 有线通讯方式的建立必须架设电缆，或挖掘电缆沟，因此需要大量的人力和物力；而用无线数据传输电台建立专用无线数据传输方式则无需架设电缆或挖掘电缆沟，只需要在每个终端连接无线数传电台和架设适当高度的天线就可以了。相比之下用无线数据传输模块建立专用无线数据传输方式，节省了人力物力，投资是相当节省的。当然在一些近间隔的数据通讯系统中，无线的通讯方式并不比有线的方式本钱低，但是有时候实际的现场环境难以布线，客户根据现场环境的需要还是会选用无线的方式来实现通讯。 （2）建设工程周期短当要把相距数公里到数十公里间隔的远程站点相互连接通讯的时候，采用有线的
11、方式，必须架设长间隔的电缆或者挖掘漫长的电缆沟，这个工程周期可能就需要数个月的时间，而用数据传输模块建立专用无线数据传输的方式，只需要架设适当高度的天线，工程周期只需要几天或者几周就可以，相比之下，无线的方式可以迅速组建起通讯链路，工程周期大大缩短。 （3）适应性好有线通讯的局限性太大，在碰到一些特殊的应用环境，比如碰到山地、湖泊、林区等特殊的地理环境或是移动物体等布线比较困难的应用环境的时候，将对有线网络的布线工程有着极强的制约力，而用无线数据传输模块建立专用无线数据传输方式将不受这些限制，所以说用无线数传模块建立专用无线数据传输方式将比有线通讯有更好的更广泛的适应性，几乎不受地理环境限制。
12、 （4）扩展性好在用户组建好一个通讯网络之后，经常由于系统的需要增加新的设备。假如采用有线的方式，需要重新的布线，施工比较麻烦，而且还有可能破坏原来的通讯线路，但是假如采用无线数据传输电台建立专用无线数据传输方式，只需将新增设备与无线数据传输电台相连接就可以实现系统的扩充了，相比之下有更好的扩展性。 （5）设备维护上更轻易实现 用无线系统来发射电视信号相对于有线系统设备使得传输线路得到精简，有线通讯链路的维护需沿线路检查，出现故障时，一般很难及时找出故障点，而采用无线数据传输模块建立专用无线数据传输方式只需维护数据传输模块，出现故障时则能快速找出原因，恢复线路正常运行。三 地面无线数字电视系统
13、组成 整个地面无线数字电视系统的构成非常复杂，但可从宏观上看地面数字电视系统由数字前端、网络管理系统、传输系统和用户终端构成，其结构如图（一）所示。图（一）地面无线数字电视系统的结构图3.1 地面无线数字电视前端系统地面无线数字电视前端系统可分成四部分：信源部分、处理部分、管理部分和大功率无线发射部分。1、信源部分。主要用来产生各种电视节目和数据信息，其来源包括卫星接收、电信接收、自制节目和互联网等，其主要设备包括数字卫星接收机、视频服务器、MPEG-2编码器、节目采编工作站、信息服务器、信息采编工作站等。2、处理部分。主要是对各种数字信号进行处理，通过这些处理使系统提供的附加服务具有多样性和
14、灵活性，并使广播电视运营商能方便地控制各种设备，其主要包括传输流处理器、传输流复用器、条件接收系统等。3、管理部分。是控制复杂化的数字前端的关键，要满足差错管理、设置管理、性能管理、安全性管理和用户管理等网络运行的基本要求。4、大功率无线发射部分。主要将各种数据流选择合适的调制方式并转换为无线电频率对空中发射。3.2 地面无线数字电视传输系统地面无线数字电视传输系统能够实现频谱的高效利用、足够大的数据传输容量、稳定的固定接收和移动接收能力。为了节约传输带宽，就要采用调制技术，信道编码，提高传输的可靠性，使每Hz频带能传送更多的bit(数据率) 。清华大学自主开发完成了“地面数字多媒体电视广播传
15、输系统DMB-T” 采用OFDM多频调制技术在8MHz的带宽中传输最大净荷率达33Mb/s。我们采用的标准应是一个能够在固定和移动接收环境中，稳定实现大数据容量传输的地面无线数字电视传输系统。（1）地面无线数字电视信号频率选择 地面无线数字电视信号常用于无线摄像机、移动转播车和车载电视等便携式电子设备，为了方便这些电子设备的使用要求其发射或接受天线的尺寸竟可尽可能小，这个尺寸通常为分米级，而无线电波的发射和接收要求天线的尺寸要大于电波的波长，即电子设备接受或发射无线电波波长为分米级，其信号频率为几百兆赫兹，频率范围为微波段。（2）地面无线数字电视信号传输方式的选择根据主要的传播途径来说的,无线
16、电波在地表有三种传播方式：地波、天波和沿直线传播。 地波沿地球表面附近的空间传播的无线电波叫地波。地面上有高低不平的山坡和房屋等障物，根据波的衍射特性，当波长大于或相当于障碍物的尺寸时，波才能明显地绕到障碍物的后面。地面上的障碍物一般不太大，长波可以很好地绕过它们。中波和中短波也能较好地绕过，短波和微波由于波长过短，绕过障碍物的本领就很差了。 地球是个良导体，地球表面会因地波的传播引起感应电流，因而地波在传播过程中有能量损失。频率越高，损失的能量越多。所以无论从衍射的角度看还是从能量损失的角度看，长波、中波和中短波沿地球表面可以传播较远的距离，而短波和微波则不能。 地波的传播比较稳定，不受昼夜
17、变化的影响，而且能够沿着弯曲的地球表面达到地平线以外的地方，所以长波、中波和中短波用来进行无线电广播。 由于地波在传播过程中要不断损失能量，而且频率越高(波长越短)损失越大，因此中波和中短波的传播距离不大，一般在几百千米范围内，收音机在这两个波段一般只能收听到本地或邻近省市的电台。长波沿地面传播的距离要远得多，但发射长波的设备庞大，造价高，所长波很少用于无线电广播，多用于超远程无线电通信和导航等。 天波依靠电离层的反射来传播的无线电波叫做天波。什么是电离层呢？地球被厚厚的大气层包围着，在地面上空50千米到几百千米的，产生带范围内，大气中一部分气体分子由于受到太阳光的照射而丢失电子，即发生电离正
18、电的离子和自由电 子，这层大气就叫做电离层。电离层对于不同波长的电磁波表现出不同的特性。实验证明，波长短于10m的微波能穿过电离层，波长超过3000km的长波，几乎会被电离层全部吸收。对于中波、中短波、短波，波长越短，电离层对它吸收得越少而反射得越多。因此，短波最适宜以天波的形式传播，它可以被电离层反射到几千千米以外。但是，电离层是不稳定的，白天受阳光照射时电离程度高，夜晚电离程度低。因此夜间它对中波和中短波的吸收减弱，这时中波和中短波也能以天波的形式传播。收音机在夜晚能够收听到许多远地的中波或中短波电台，就是这个缘故。地面无线数字电视信号的频段范围属于微波，微波的频率极高，波长就非常短，衍射
19、能力差，用地表传输衰减大；而由于微波对电离层的穿透能力强，几乎不反射，也不适于天波传输；因此，可用直接传输的方式来传输地面无线数字电视的微波信号。针对直接输出方式中信号的传播距离只能达到几十千米，覆盖面积有限的问题，可通过增加基站的方式来达到某区域的全面覆盖。3.3地面无线数字电视终端系统地面无线数字电视终端系统包含接收天线、机顶盒等设备，其主要作用是将基站所发射出来的数字电视信号接收并解码、解扰后还原为模拟电视能接收和识别的电视信号。机顶盒的基本功能是接收数字电视节目，调谐模块接收射频信号并下变频为中频信号，然后进行转换变为数字信号，再送入QAM解调模块进行解调，输出MPEG传输流串行或并行
20、数据。解复用模块接收MPEG传输流，从中抽出一个节目的PES数据，包括视频PES和音频PES。视频PES送入视频解码模块，取出MPEG视频数据，并对MEPG视频数据进行解码，然后输出到PAL/NTSC编码器，编码成模拟电视信号，再经视频输出电路输出。音频PES送入音频解码模块，取出MPEG音频数据，并对MPEG音频数据进行解码，输出PCM音频数据到PCM解码器，PCM解码器输出立体声模拟音频信号，经音频输出电路输出。有线电视数字机顶盒可以支持几乎所有的广播和交互式多媒体应用，包括有数字电视广播接收、EPG、NVOD、PPV、软件在线升级、数据广播、Internet接入、电子邮件、IP电话、VO
21、D等。四 地面无线数字电视国家标准和发展条件（1）中国地面无线数字电视标准目前，国际上形成了四种不同的地面数字电视广播传输标准，即美国的ATSC标准、欧洲的DVB-T标准、日本的ISDB-T标准，2006年8月18日，我国颁布了自己的地面数字电视传输数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制国家标准(标准号为GB20600-2006)，并将从2007年8月1日起正式实施。（2）适宜发展无线数字电视的条件一是农村无线数字广播电视的发展，符合国家政策与国家对广播电视技术发展的大背景要求。根据国家广电总局的发展规划，到2015年，国家将在全国范围内停止模拟电视信号的发射、传输，数字电视发展已是大
22、势所趋。 二是农村无线数字广播电视技术手段已经非常成熟。中国数字电视地面广播标准GB20600-2006数字电视地面广播传输系统帧结构、信道强词编码和调制已于2006年8月18日正式颁布，并于2007年7月1日起强制实行。它是我国具有自主知识产权的地面数字电视传输技术体系，具有多项基础性技术发明，大量采用了无线数字通信方面的最新技术，是一项原创性无线数字电视传输新体制。具有传输容量大、覆盖范围广、抗干扰能力强、支持室内、便携和移动接收、业务扩展能力强等特点。特别是随着国标的强制实施，地面无线广播电视系统规模和用户规模的逐渐扩大，国内相关的产业支持和配套能力逐步增强，使得目前地面无线广播电视系统
23、建网成本和用户终端成本进一步降低。因此，建设地面数字电视广播网（DMB-TH）是目前广播电视信号覆盖远郊、广大农村地区及边远山区的一个投资较省、见效较快的有效选择。 三是农村无线数字广播电视，能将地方政府的声音传入广大农村的千家万户，让更多的，尤其是分散居住在广大的农村地区的农民群众受益于这项“文化惠民”的民心工程。这项技术可将上星电视节目、中央台的3、5、8套加密频道节目和地方台的广播电视节目通过集成方式进行整合，再利用无线数字技术进行发射。广大农民群众可以用一付天线和一个机顶盒即可收看到微波发射的广播电视节目，节目多、效果好，而且不受行政区域的限制。农民朋友不仅可以收看上星节目，还能通过收
24、听、收看当地的广播电台、电视台视节目，了解国家和地方党委委、市府的方针、政策和工作措施。五 地面无线数字电视对地理环境和用户环境的要求（1）地面无线数字电视对地理环境的要求根据无线电视固特有的属性，地面无线数字电视适在平原地区以及部分丘陵地带使用和发展，但在高山和森林地带不适合发展地面无线数字电视。（2）地面无线数字电视对用户环境的要求在不超过无线数字电视基站覆盖范围内，只要不是在极端低洼地区或者深山、森林地带的用户，都可以通过固定接收或者移动接收等方式收看无线地面无线数字电视。六 总结数字电视一个频点在通过网络管理和软件的控制下，可以同时收看多套标清晰度电视节目、调频广播节目及数据广播等，对电视观众来说，是质的进步，而且数字电视地面广播的传输和使用能克服环境恶劣和从根本上解决了频谱资源紧张的问题。无疑，数字电视地面广播的推广和产业化将带来不可估量的经济增长。当今国内许多省市已开始进行数字电视地面广播的试验，上海文广集团在数字电视无线发射、移动接收方面走在了前面，而且在经济上也得到了很好的回报；北京广电传媒公司的数字移动接收也已投入运行，前景看好，潜力巨大。还有的省市正蓄势待发，为抢占这巨大的潜力市场而努力工作，数字地面广播已成为社会各界关注的焦点，新一轮的发展，对我们提出了新的挑战，刻苦学习数字技术，加强调研研究，做好知识储备，积蓄力量，这是摆在我们面前的重要课题。