论地面数字电视标准（国际篇）

冯传岗

2011年12月22日，我国DMB-T/TDS-OFDM（地面数字多媒体与电视广播系统/时域同步正交频分复用）标准被ITU（国际电信联盟）命名为国际标准，这将一洗几十年来模拟电视标准给我国带来的困惑和阴霾，大大促进全球在电视的产业、分工、贸易等方面的发展。世界各国都非常重视其地面数字电视传输标准的制定以及相关的自主知识产权问题。本文就目前全球四种地面数字电视标准及其相关的发展过程、技术特点等，进行分析和论述（分国际篇和国内篇两部分），以提高业内人士的关注。

电视是一个技术媒体，是人类通信技术与信息技术迅猛发展的产物。随着信息时代的到来和数字技术的飞速发展，世界各国的电视先后都逐步进入了数字时代。

正如模拟电视有PAL（相位逐行倒相制电视制式）、NTSC（正交平衡调幅制电视制式）和SECAM（顺序彩色与存储制电视制式）标准一样，数字电视也有本身的标准。因为标准是一种产业和经济的秩序，也是产业存在的技术方案。从国家层面上讲，“标准对内可以促进产业、分工和贸易的发展，对外意味着产业壁垒。”

如今，国际上还没有统一的数字HDTV（高清晰度电视）通用标准，只有美国ATSC（先进电视系统委员会）、欧洲DVB（数字视频广播制）、日本ISDB（综合业务数字广播）和中国DMBT（地面数字多媒体与电视广播）四种数字电视标准，先后被ITU（国际电信联盟）批准为国际标准，这四种国际标准都是根据各自地面数字电视传输系统的标准来确定的。

数字电视标准原本是专指用于HDTV系统，由于数字HDTV系统的技术指标的严格性，导致了电视台在建设数字HDTV系统的初期，必须投入极高的费用。

为了能更顺利地从模拟电视过渡到数字HDTV，各国采取了一些折衷性的方案，目的都是为了降低建设的成本。这些方案归根到底，就是采用数字压缩编码技术，来降低信号的带宽，使数字化后的电视图像清晰度高于现有模拟电视、低于HDTV。

1996年底，FCC（美国联邦通信委员会）就规定：“所有美国的HDTV接收机必须采用数字技术，但并不意味着所有数字电视接收机都必须是HDTV接收机，同时还有其它的可能性 …… ”

随后，美国的DirecTV系统、日本的PerfectTV系统、欧洲的DVB-S系统，均以数字SDTV（标准清晰度电视）技术形式出现，并约定俗成：“使用模拟电视接收机的用户，如果暂时不想更换成数字电视接收机，可以购买一个STB（机顶盒），将接收的数字信号变成模拟信号。”这就潜移默化地重新定位了数字电视标准的技术指标概念 —— 既可用于SDTV，亦可用于HDTV。

数字电视系统按照信号传输方式有：卫星数字电视传输系统，有线数字电视传输系统，地面数字电视传输系统。

与有线和卫星数字电视传输系统相比，在信道传输状况、应用需求等方面，地面数字电视传输系统最为复杂，其标准制定和选择的争义也最大，是焦点中的焦点，是数字电视产业真正的敲门砖。

国外地面数字电视传输标准

上世纪80年代初期，欧洲率先提出了数字电视的概念。随后，欧美国家的研发机构和企业，在彩色电视产业自主知识产权的经济利益趋动下，用了近10年时间，完成了数字电视传输技术的研发以及标准的制订。日本迫于数字电视的发展形势的压力，随后也出台了自主研发的数字电视传输标准。

目前全球地面数字电视传输标准有四种（国外三种、国内一种），具体如下：

1、美国ATSC/8-VSB（先进电视系统委员会/格形编码八电平残留边带）传输标准，1996年。

2、欧洲DVB-T/COFDM（数字视频地面广播/编码正交频分复用）传输标准，1997年。

3、日本ISDB-T/OFDM（地面综合业务数字广播/正交频分复用）传输标准，1999年。

4、中国DMB-T/TDS-OFDM（地面数字多媒体与电视广播系统/时域同步正交频分复用）传输标准，2011年。

(一)美国 — ATSC/8-VSB

1998年11月1日，数字HDTV的ATSC/8-VSB地面数字电视广播在美国正式开播，从此揭开了人类从模拟电视转入数字时代的序幕，美国成了世界上第一个开播地面数字电视广播的国家。

1、美国电视数字化发展的过程

上世纪80年代，在模拟电视高清技术方面，日本一直处于全球领先地位，美国只是支持和跟踪日本的方案，当意识到未来巨大的潜在市场，美国便利用本国在高科技和数字技术领域的坚实基础，于1987年成立了ACATS（高级电视业务顾问委员会），对美国多达23种新的电视技术标准进行研讨，最终提出了“全数字HDTV方案”，独自筹划美国ATV（高级电视）的开发计划。

1993年，美国又成立了数字电视Grand Alliance（大联盟），对当时正在开发的四种数字电视的技术标准和方案进行比较分析，着手制定统一的美国数字电视标准。1995年FCC正式批准（在Grand Alliance的地面数字电视传输系统进行的室内和开放测试所获得的大量实验数据的基础上制定的）ATSC为美国的ATV国家标准。

标准一经制定，美国政府立即采取了一些强制性的过渡方案，FCC宣布“美国将在2008年终止NTSC模拟电视制式”。

1996年年底ITU批准ATSC为国际标准，全美掀起的数字HDTV浪潮，波折全球。

1997年4月4日（当看到欧洲正在加紧实施地面数字电视方案）FCC又宣布：“原先确定的2008年全美实现数字电视广播的决定提前至2006年。”同时向美国各大电视台免费提供一个数字电视信道的资源，已推动美国电视数字化的进程。至1998年10月，全美开播数字HDTV节目的除10个大城市（纽约、华盛顿、芝加哥、洛杉矶、底特律、旧金山、亚特兰大、费城、波士顿、达拉斯）的28家电视台外，还有17个小城市的电视台也开播了数字HDTV节目；随后ABC（美国广播公司）、CBS（哥伦比亚广播公司）、NBC/NBI（全美广播公司）、FOX（福克斯公司）的四大有线电视运营商和HBO家庭票房公司（美国付费电视网络之一）也正式在各自的网上开播了数字HDTV节目。到1998年年底美国已有23个大城市的46家电视台开始了数字HDTV广播。

2003年9月，NAB（美国广播业者协会）公布：“美国数字电视台达到1003家，分布在201地区，用户总数占美国电视家庭的99.17%。”2003年年底全美数字电视家庭已经超过4500万户（近1000万家庭拥有HDTV接收机），其中有线数字电视家庭用户达2600万户。

2004年，美国最大的有线电视运营商Comcast公司和其他有线运营商们已开通了多达15个数字HDTV频道。其发展的规模和速度正如NAB主席兼CEO Edwaed O.Fritts所说：“这对长期以来作为数字HDTV领先的美国广播业者来说，是一个里程碑。”

目前，ATSC标准已被加拿大、韩国、阿根廷、中国台湾、墨西哥以及亚洲及中北美洲的许多国家地区采用。

2、ATSC系统及其最大的特点 ——“地面同播模式”

（1）ATSC数字电视传输系统，是由四个分离的层级组成，层级之间有清晰的界面。

最高为图像层，确定图像的形式，包括象素阵列、幅型比和帧频。接着是图像压缩层，采用MPEG-2压缩标准。再下来是系统复用层，特定的数据被纳入不同的压缩包中，采用MPEG-2压缩标准。最后是传输层，确定数据传输的调制和信道编码方案。

下面两层共同承担普通数据的传输。上面两层确定在普通数据传输基础上运行的特定配置，如HDTV或SDTV。

（2）ATSC标准支持的具体图像格式，共有18种（HDTV6种、SDTV12种），其中14种采用逐行扫描方式。

在6种HDTV图像格式中，因为1920×1080格式不适合在6MHz信道内以60帧/秒进行逐行扫描，故以隔行扫描取代之。SDTV的640×480图像格式与计算机的VGA格式相同，保证了与计算机的适用性。

在12种SDTV图像格式中，有9种采用逐行扫描，保留3种为隔行扫描方式以适应现有的视频系统。

（3）ATSC还开发并通过了可为采用50Hz帧频的国家使用的另行标准。其HDTV格式的象素阵列相同，但帧频为25Hz和50Hz；SDTV格式的垂直分辨率为576行，水平分辨率则不同；也包含352×288格式，适应必要的窗口设置。

（4）ATSC的地面数字电视广播系统，采用Zenith公司开发的8-VSB传输模式，在现有地面电视广播6MHz的频道上可实现19.3Mb/s的传输速率，其图像分辨率是模拟电视的五倍之多。

（5）ATSC系统最大特点的是“地面同播模式”，可低抗NTSC模拟电视的干扰，允许在原有的NTSC模拟电视发射机上配置一个额外的具有相应覆盖范围的数字电视发射机，并对现存NTSC模拟电视的节目影响较小。

3、ATSC系统的先天缺陷是结构复杂和不支持移动接收

（1）由于ATSC系统中加入了0.3dB的导频信号（主要用于系统辅助载波恢复）和段同步信号（主要用于系统同步和时钟信道编码纠错保护措施），不但增加了系统结构的复杂性，而且也增加了系统对付强动态多径的困难。

（2）系统在与NTSC模拟电视同播时，由于采用了梳状滤波器，当梳状滤波器开启时，系统门限将上升3dB，且开启与否是通过判决后的硬开关来控制的。这在实际的应用中，不仅会使开关受噪声或多径变化的影响来回跳动，造成系统工作的不稳定，还由于其引入的电平数目和12路交织，影响系统网格和均衡器的工作。

（3）ATSC系统虽然具有较好的载噪比（系统可在较低的载噪比下运行），但系统为了抗击NTSC模拟电视的同步干扰，在接收机中加入了梳状滤波器，牺牲了约3.5dB的载噪比指标。对于抗击多径效应而造成的频率选择性的哀落，系统采用了对回波时延变化很敏感均衡器来消除回波，致使系统结构更加复杂。

（4）系统使用单载波固定码率的数字传输系统，没有考虑支持移动电视的接收。

(二)欧洲 —DVB-T/COFDM

1、欧洲电视数字化发展的过程

（1）欧洲对电视数字化可讲是“先知先觉”，早在1987年就成立了MPEG（运动图象专家组）组织，专门从事全球性的数字视频压缩标准的制定、开发和产品制造；1995年，开始研发、实施数字电视的DVB系列标准。

（2）1996年，欧洲以MPEG-2作为数字电视的技术基础，出台了DVB-S卫星数字电视传输标准，利用ASTRA系列卫星，把4颗DBS（直播卫星）共同定位于19.2°E，直播几百套数字SDTV节目。1996年底，已有意大利、法国、德国、比利时、北欧等国的7颗卫星开始数字SDTV广播。1997年起，又有英国等国的3颗卫星进行数字SDTV广播。目前欧洲卫星数字电视用户已超过500万，并扩展至东欧。1997年作为有线数字电视传输的DVB-C标准出台，并在有线电视网上应用。

（3）欧洲数字电视的重点是放在数字SDTV上，发展的是数字SDTV而不是数字HDTV，这与美国以及其他国家地区不同。

（4）1998年11月，英国开始地面数字电视DVB-T广播，随后瑞典、西班牙、荷兰、德国、意大利、法国等国也开播了地面数字电视广播。由于英国政府一直推行免费收看的成功做法，英国仍是欧洲最大的地面数字电视广播市场。据统计，当时英国是全球数字电视普及率最高的国家，2003年底数字电视入户率达到了50.4%。2003年年底，整个欧洲数字电视家庭已经达到3100万户。

（5）DVB标准组织的主要目标是要找到一种适用于所有传输媒体的数字电视技术和系统，使系统能够灵活的传送MPEG-2视频、音频和数据信息，使用统一的MPEG-2传送的比特流复用、统一的服务信息系统、统一的加扰系统（可有不同的加密方式）、统一的RS（里德-索罗门）前向纠错系统，最终形成一个通用的数字电视系统。

（6）DVB系列标准还为不同传输媒体提供不同的调制方式和通道编码方法，如：卫星数字电视传输系统采用DVB-S/QPSK，有线数字电视传输系统采用DVB-C/QAM，地面数字电视传输系统采用DVB-T/COFDM。所有的DVB系列标准完全兼容MPEG-2标准。另外，DVB还制定了解码器公共接口标准、支持条件接收、提供数据广播系统等特性。

2、DVB-T系统及其技术核心 ——“插入大量导频”和“保护间隔”技术

（1）DVB-T（ETS 300 744）地面数字电视传输标准，在欧洲DVB系列标准中最为复杂，其数字电视发射的传输容量，理论上与有线电视系统相当，本地区覆盖好。在8MHz带宽内能传送4套SDTV节目，传输质量高；但其接收费用高。

（2）DVB-T使用MPEG-2传送比特流复用，RS前向纠错系统，采用COFDM（编码正交频分复用）调制方式，8M带宽，把传输比特分割到数千计的低比特率副载波上，用1705个载波（“2k”）或6817个载波（“8k”）模式。“2k”模式用于普通网，“8k”模式用于在小单频网（SFN），“2k”与“8k”系统是相互兼容的。

（3）DVB-T技术，首先是在系统中放置了大量的、穿插在数据之中的、高于数据功率3dB的导频信号，这些导频信号一举多得，完成了系统同步、载波恢复、时钟调整和信道估计。其次，系统又使用了“保护间隔”技术，即在每个符号（块）前加入一定长度的该符号的后段重复数值，由此抵御多径的影响。正是这两项技术使欧洲系统能够在抗强多径和动态多径及移动接收的实测性能方面优于美国系统。再次，DVB-T系统还能对载波数目、保护间隔长度和调制星座数目等参数进行组合，形成了两到三种传输模式供使用者选择，以对应固定接收和移动接收的应用。

（4）由于DVB-T系统有利于数字与模拟电视共存，在与模拟电视混合传输方面显示出优势，设计上不需优化就能对付各种模拟制式的干扰，有抗多径失真的能力，在移动接收方面显示其独特的优势，在澳大利亚、拉丁美洲等地区受到欢迎。

3、DVB-T系统固有的缺陷是频带损失严重

（1）大量导频信号和保护间隔的插入，约占据了DVB-T系统14%左右的有效带宽，若采用大的保护间隔，此数值将超过30%，DVB-T方案的综合频带利用率比ATSC方案多损失6%至23%。因此，以降低宝贵的系统传输容量为代价来换取系统的抗多径性能，造成频带损失严重，并非是一个好的折衷方案。

（2）COFDM中的导频信号是一个亚采样信号，且COFDM采用块信号处理方式（每次上千点），插入大量导频信号，对信道估计仍是不足，在理论上就不可能完全精确地描绘出信道特性，只能给出大约平均值，导致了欧洲系统始终无法达到理论值的原因之一（与理论值差2-3dB）。事实上，COFDM并不是对付移动多径最有效的手段。

（3）DVB系统在交织深度、抗脉冲噪波干扰及信道编码等方面的性能存在明显不足。DVB还强调在卫星、有线和地面传输方案中使用相同的信道编码模块以保证三者之间的兼容性，因为信道编码模块在电路实现中所占比例不大，这种兼容方式阻止了在地面广播方案中采用更有效的其它信道编码方案。

（三）日本— ISDB-T/OFDM

日本由于产业自主知识产权等利益的趋动，一开始就把精力集中在如何提高模拟电视的清晰度上，提出了模拟高清电视的概念，成为全球开发模拟高清电视最早的国家，渴望建立一个国际性的模拟高清电视标准，投入大量的人力物力，走了一段很长的弯路，忽视了数字技术发展的大趋势，使日本在数字电视技术方面，落后欧美4-5年。

1、日本电视数字化发展的过程

1964年，日本就开始研究模拟高清电视，1985年建立了1125线、60帧的MUSE模拟制式。1988年率先在汉城奥运会进行试播。1989年NHK（日本广播协会）开始进行模拟高清电视的广播演示，开始播放一种完全不同的模拟高清电视。到1991年底，每天定时播放8小时。1990年底SONY公司发行了全球第一卷模拟高清电视录影带。

1993年年初，日本开始研究全新概念的ISDB电视技术，9月开始研究、制定卫星数字电视ISDB标准。

1994年11月的ITU-R（国际电信联盟-无线电通信组）会议后，日本才决定采用 MPEG-2作为数字电视的技术基础，正式开始涉足数字电视领域，至1996年10月，利用BS-4N卫星开始卫星数字电视广播。

1997年3月，日本决定在“2005年前部分城市将实施地面数字电视广播。”1997年下半年，欧美数字电视标准出台，日本岛国呼声强烈，迫于数字电视发展形势的压力，日本政府“不愿意在数字电视领域处于尴尬境地”，开始研究、制定数字ISDB电视标准。规定其核心内容包括：既传数字电视节目，又传其它数据的综合业务服务系统；视频编码、音频编码和系统复用均遵循MPEG-2标准；以卫星数字电视传输信道为主。

1998年2月，日本在鹿儿岛有线电视网中开始试播数字SDTV节目。

1999年，日本正式决定将模拟HDTV系统改为与DVB-T相似，但却不完全一样的数字电视制式，并将“原定于‘2005年前部分城市将实施地面数字电视广播的计划，改为2000年。”出台了ISDB-T数字电视标准，使全球的地面数字电视也出现了三种标准并存的局面。2003年12月1日，日本在东京、大阪、名古屋三地同时开播ISDB-T地面数字电视广播。

目前，ISDB筹划指导委员会有委员17个，其他成员23个，成员都是日本国内的电子公司和广播机构。

2、“覆盖全球各种服务”的设计宗旨，加大了ISDB-T系统的复杂性和技术难度

ISDB-T系统采用MPEG-2传送比特复用，OFDM调制方式，其编码方式、调制、传输与DVB-T基本相同，可以说是修改过的欧洲标准，不同之处在于接收方面增加了部分接收和分层传输，将整个6MHz频带划分为13个子带，每个子带432kHz，将中间一个用于传输音频信号，并大大加长了交织深度（最长达0.5秒），增加交织深度将引入长达几百毫秒的延迟，影响频道转换和双向业务。ISDB-T系统“覆盖全球各种服务” 的设计宗旨，导致了系统不得不面对各种需求，而且一个业务可能和另一个业务是不同的。使系统及终端接收设备复杂性加大、技术难度加深。

（四）ATSC、DVB、ISDB三种数字电视传输标准的对比及分析

由于信道编码和调制方式的不同，导致了ATSC、DVB、ISDB三种数字电视传输标准的出现，其目的都是为了争得产业自主的知识产权，根本点是为了抢占未来的DCTV（数字彩色电视）市场。

三种地面数字电视传输标准在技术参数和功能上各有优劣，其比较、分析见表1、表2和表3。

未完待续，见《论地面数字电视标准（国内篇）》