对ATSC 3.1版物理层的个人建议

徐孟侠

对ATSC 3.1版物理层的个人建议

徐孟侠

ATSC正在积极制定ATSC 3.0版；预计2015年底将完成标准草案。提出其中可补充的3方面技术，作为对ATSC 3.1版物理层的个人建议：1）增加单载波调制的可选项（n-VSB和n-QAM等）；2）增加“单频道方案”（仅使用指派频道）实现“回传信道”的可选项，作为“空白频道方案”的补充；3）增加由中国工程师们自主创新的“宽带数字电视（DTV）发射机+M-SFN（多频道单频网）技术”组建DTTB网络，而当它使用于单载波系统的高比特率传输固定接收服务时（如4K/ 8K-UHDTV），具有一定技术优势。

地面数字电视广播；ATSC；单载波；宽带数字电视发射机；多频道单频网

1 关于ATSC 3.0版标准

ATSC[1]正在积极制定ATSC 3.0版标准[注1]，从征集需求和提案、到标准草案制定的有关环节（特别是工作量最大的物理层），进展比较顺利。

[注1]ATSC 1.0版于1996年12月圣诞节前由美国政府机构联邦通信委员会（FCC）批准，迄今已近18年。1998年美国大规模推广ATSC后，于2009年7月底前按计划完成过渡，并腾出全部“700 MHz频段”进行重新分配。而ATSC 2.0版（MH版，即移动/手持版）于2009年9月由FCC批准，迄今也已5年余。

2014年6月，ATSC技术委员会（TC）主席兼第3工作组（负责物理层）组长Richard Chernock博士在山东烟台举行的“未来广播电视（FOBTV）”的高峰会[注2]上，介绍了ATSC 3.0版物理层的进展[2]，并给出ATSC 3.0版标准草案制定过程的日程表（在2015年底将完成全部标准草案）。有韩国和西班牙的专家向笔者表示：该标准争取在2016年夏的巴西里约热内卢奥运会期间，实现4K-UHDTV的地面试验性广播，其中视频编码则采用MPEG-HEVC/H.265标准。

[注2]该会议由2011年11月11日在上海成立的国际组织“未来广播电视（FOBTV）”举办。后者的秘书处为中国上海NERC-DTV。详见www.fobtv.org或www.nercdtv.org。

据悉，ATSC 3.0版物理层（PHY）共收到11个提案，其中1个来自中国，它由中国上海数字电视国家工程研究中心（NERC-DTV）、中科院上海高等研究院和上海交通大学3个单位联合提出。约半年后，NERC的3个工业界成员（海尔、TCL这2家电视机制造厂商以及发射机制造厂商北京北广科技）也参加了中国提案的工作。其余10个提案的提出单位有总部在欧洲的DVB、日本NHK科研所、Sony、韩国ETRI、韩国三星、美国Zenith、韩国LGE、加拿大通信研究中心（CRC）、电信界的Qualcomm和Ericsson等。从国别来看，掌握地面数字电视广播（DTTB）高科技的绝大部分国家（欧洲国家及美、日、韩、中）都有机构参与。因此，笔者认为ATSC 3.0版将是“未来广播电视”信道传输领域的唯一候选者[3]。

下面第2节扼要介绍ATSC 3.0版物理层的进展。第3～5节则是笔者对ATSC 3.1版的个人建议[注3]：第3节是增加单载波可选项（如n-VSB和n-QAM等）；第4节是增加“单频道（指派频道）方案”实现回传信道的可选项，可不依赖于“空白频谱”；第5节则是增加中国工程师们自主创新的“宽带DTV发射机+M-SFN（多频道单频网）”DTTB组网技术的创新模式[4-6]，它特别适用于采用单载波系统实现高比特率固定接收服务（例如应用于4K/8K-UHDTV），以充分发挥单载波系统的若干技术优势。最后的第6节则是简短小结。

[注3]为了不影响ATSC 3.0版（特别是工作量较大的物理层）当前的工作，本文的建议可作为ATSC 3.0版标准草案基本确定后，ATSC准备继续制定ATSC 3.1版时参考。

2 ATSC 3.0版物理层进展简介[2]

Richard Chernock博士的幻灯片报告[2]内容是ATSC 3.0版物理层已有决定和可供公布的部分，内容极其丰富。本节仅扼要介绍其中的某些关键部分。

2.1 ATSC 3.0版的日程表

图1为ATSC 3.0版的日程表，目前进展顺利。预期可在2015年底完成全部标准草案的计划。

图1 ATSC 3.0版标准的日程表

2.2 ATSC 3.0版物理层

2.2.1 技术上可解决“无线三网融合”

ATSC 3.0版物理层从其重要框图来看，在技术上可解决“无线三网融合”。图2是ATSC 3.0版物理层的框架结构；图3则是其“信息内容发送”的详细图解。从图3可看出：1）左侧完全是计算机系统的体系结构，可解决DTTB网络与计算机网络的融合；2）右下方的输出有两大部分（完全相同的信息内容源），传统的DTTB网络和宽带网络（即互联网络），可解决两者的融合。

图2 ATSC 3.0物理层的框架结构

2.2.2 信道编码性能更加逼近Shannon理论极限

ATSC 3.0版物理层的信道编码有几项基本措施：1）数据结构采纳IP的2 048 byte为基本单元，它仍属于MPEG系统层中的“节目流（PS）”，而不采纳188 byte的MPEG“传送流（TS）”。2）调制（星座图）基于正交频分多工（OFDM），容易适应不同的电视频道带宽（6 MHz、7 MHz和8 MHz等）和有效带宽，容易适应手持接收和移动接收的环境（“屋顶天线”固定接收暂不是重点）。3）纠错编码基于低密度奇偶校验（LDPC），并参照DVB-T2（2009年7月）[7]采用“长码”和“短码”的两大类码字长度，以适应手持接收和移动接收两大类服务（但尚未公布其具体长度）。

图4是目前信道编码计算机仿真的率失真曲线（阶段性成果，左下部非常逼近Shannon理论极限），其中按照国际惯例采用AWGN模型和BER=10-6（与“回波模型”无关）。

所谓“非常逼近Shannon理论极限”可从3个方面来看：1）该结果与近18年前批准的ATSC 1.0版相比（图4中部的A/53），门限值由现场测试值15.2 dB（计算机仿真值按14.2 dB估算）向左下降为约10.9 dB，改善约3.3 dB，离理论极限还有约1.4 dB的差距。2）该结果与5年前批准的DVB-T2[7]相比，具有“后来居上”的特点：表1是该曲线中部和中左部与DVB-T2典型数据（文献[4]中引用的3个）对比，分别下降（改善）约0.5 dB、约0.8 dB和约1.0 dB。3）整个曲线从中左部到左下端，其逼近Shannon理论极限的差距由约1.0 dB逐步缩小到仅约0.1 dB。

图3 ATSC 3.0物理层的信息内容发送

图4 ATSC 3.0信道编码性能逼近Shannon理论极限的计算机仿真结果

表1 ATSC 3.0信道编码性能与DVB-T2典型数据3个的对比

这样的阶段性结果显然是有关提案单位300～400人近1年密切合作拼搏所获得的，充分挖掘LDPC信道纠错编码的技术潜力。

2.3 其他有关内容

1）灵活的服务模型（略）。

2）已选定MPEG-HEVC/H.265为核心视频编解码器（codec）。4K/8K-UH⁃DTV的图像分辨率格式分别为3 840（像素）×2 160（扫描行）和7 680×4 320（两者都是16∶9=1.778的宽高比）；但还有中间格式“5K”：4 800×2 160（64∶27=2.370的宽高比，更适合宽银幕电影片）。而以上3种格式都是逐行扫描格式的，对隔行扫描格式最高只支持到1 080i。

3）实时运行环境：“已一致同意将定义一个基准档次（baseline profile）”，并认为，“要实施交互式平台，则必须包括HT⁃ML5等”。图5是各种基本档次和可选的特性。

4）对回传信道没有介绍任何内容。

3 建议1：对ATSC 3.1版物理层增加单载波调制的可选项

3.1 预计ATSC 3.0物理层将采纳笔者建议的不同调制模式之融合系统框架结构

图5 各种基本档次和可选的特性

2011年11月11日，FOBTV在上海成立半年后，笔者发表论文[8]：建议国际通用的DTTB传输标准3.0版采纳类似中国地面国标[9]的融合系统框架结构，可融合3种类型的调制模式。具体的建议是：数据帧结构可有3个层次，即数据超帧（super-frame）、数据帧（frame）和数据子帧（sub-frame）。而其中数据子帧是基本单元和重点，从时间域来看，有帧头和帧体（负荷，payload）两大部分（图6），并按其采纳的调制模式和插入导频（pilot）信号方式的不同，可分为3大类型。

图6 数据子帧的帧头和帧体（负荷）

1）纯多载波系统（简称类型M）：数据子帧的帧头部分完全空白，没有PN码导频信号（其输出频谱两侧能自动形成“陡降特性”，下面的类型H则不能）。PN码导频信号全部插入帧体（负荷）部分，而且帧体（负荷）的其余绝大部分采用OFDM调制（故称为纯多载波系统）。DVB-T、DVB-T2及ISDB-T都属于这类。

2）单载波/多载波混合（Hybrid）系统（简称类型H）：数据子帧的帧头部分插入PN码作为导频信号（与类型S相似，因而它具有单载波的属性，并丧失纯多载波系统输出频谱自动生成“陡降特性”的特征），其帧体（负荷）绝大部分采用正交频分多工（OFDM）调制，因而称为单载波/多载波混合系统。其帧体（负荷）部分可插入PN码导频信号（与类型M相似），但也可不插入（如中国地面国标-C=3 780可选项，其前身是TDS-OFDM）。

3）纯单载波系统（简称类型S）：数据子帧的帧头部分插入PN码作为导频（pilot）信号，其帧体（负荷）部分则是n-VSB（n=2，4，8，16，…）或n-QAM（n=4，16，64，256，…）等单载波调制（当然从逻辑上讲，其帧体部分也可像类型M或类型H那样插入PN码导频信号）。ATSC 1.0版（及2.0版）和中国地面国标-C=1可选项具有与类型S相似的基本结构。

预计：DVB对ATSC 3.0版的提案（还有日本等机构的提案），可能沿袭DVB-T或ISDB-T的传统（技术及专利）：其数据子帧的帧头部分（也称保护间隔，GI）为空白，即属于上述类型M。而中国提案则可能有所不同而采用上述类型H（沿袭中国地面国标的技术及专利）[注4]。

[注4]中国提案可能延续地面国标[9]的优势而采纳单载波/多载波混合系统（类型H）。但它为了避免TDS-OFDM的专利问题而与地面国标-C=3 780的不同之处可能是：除了在数据子帧的帧头部分以外，还在其帧体（负荷）部分插入PN码导频信号。当然它还需要同DVB-T或ISDB-T有所不同。

如果ATSC 3.0版物理层准备“融合”类型M和类型H（特别是要同类型M有所不同），势必将采纳笔者论文[8]建议的融合系统（包容各种先进调制技术）。如果这样，它已预留上述类型S可作为ATSC 3.1版新增加调制模式的可选项[注5]。

[注5]ATSC 3.0版物理层目前的提案为何没有单载波的可选项？笔者以为：ATSC 3.0版（其物理层是重点）面临的巨大现实需求是宽带网络（互联网）的崭新市场机遇，重点要解决DTTB网络与宽带网络的“无线融合”。特别是从图4可看出：其右下侧就是宽带网络的输出口。或者说，采纳ATSC 3.0版物理层后的地面广播业者的下一代播控平台站就成为实实在在的宽带网络（互联网）的网站。

美国2009年6月底完成关闭模拟电视后，腾出“700 MHz频段”的108 MHz“空白频谱”（占总频谱资源的1/3）。这些空白频谱在2008年夏进行公开拍卖时，卖出约60%，而中标者都是电信公司。然而这些年来，中标的电信公司似乎并没有从这些频谱所开展的服务中获利。究其技术方面的原因可能是：2011年IEEE802.22 WRAN标准中最高的有效比特率也仅22.69 Mbit/s（其信道编码效率为22.69 Mbit/s÷6 MHz= 3.78 bit/s/Hz，而纠错编码率为5/6），不适合低成本、大规模发送视频服务。而本文图4的率失真曲线在纵坐标中部的A/53左方，即有大于3.5 bit/s/Hz的结果（信道纠错编码率2/3，与上述5/6相比，可容忍的误码率为2倍关系）。而且图4曲线的右上方最高可达大于8.5 bit/s/Hz，这可能是由于WRAN标准中的数据结构较短，导致在传输视频服务时，“头部开销”过大，又没有把LDPC针对固定接收和移动接收两种服务而有区别地采纳“长码”和“短码”2种长度的码字。

另一方面，美国拥有电视节目源的主体就是地面广播业者，如CBS，NBC，ABC，FOX等4大商业公司和非盈利的PBS等。现在他们不慌不忙腾出手来，从技术上制定ATSC 3.0版来解决DTTB网络与宽带网络“融合”的技术标准，以开拓这方面的崭新市场。或者说，他们优先考虑通过自办宽带网络的网站，向平板电脑和手机接收的用户提供完全崭新的服务（室内接收、手持接收和移动接收），而不是优先考虑向传统的“屋顶（室内）天线”固定接收用户提供原有服务的升级版本。后者可留待下一步再解决。

换言之：实际的市场需要侧重解决图4率失真曲线应用的左下部、中左部和中部，而不是其右上部和右上端。因此，提案单位提出的技术方案只有类型M和类型H，才符合美国地面广播业者自办宽带网络（互联网）的网站迅速进入现实崭新市场的迫切需求。

美国地面广播业者是否会继续对“700 MHz”中108 MHz剩余的40%，通过FCC的拍卖获得许可证和使用权后，2017年起主动开展宽带网络（互联网）的崭新服务，或者同时与电信界（已拥有该频段60%的许可证和使用权）合作，采用ATSC 3.0版开展同样的崭新服务，值得人们继续跟踪。

3.2 单载波可选项的传统技术优势

ATSC 3.1版物理层增加单载波调制的可选项内容后，可使ATSC 1.0版和地面国标-C=1这2种纯单载波系统（类型S）的下述技术优势在今后有所延续而不致中断：

1）现场测试的门限值较低（与计算机仿真值有所不同）：在覆盖范围边缘地带（fringe region）的开阔田野中的现场测试[3]的门限值较低。它适用于AWGN模型主导的类似美国城市郊区的ATSC信号“屋顶（室内）天线”固定接收服务的典型接收环境。

因为，1995—1996年美国广播业者内部曾有一场大争论：究竟采用ATSC还是DVB-T作为美国固定接收的标准？前者以CBS为代表；后者以总部设在华盛顿东北Baltimore的Sinclair Groups为代表。因为，在大致相同的有效比特率时，计算机仿真的结果相似。但后来进行的现场测试对比结果却证实：在固定接收服务中，ATSC的门限值有约4.0 dB的优势。此后1998年的澳大利亚现场测试和2001年的巴西现场测试又都证实这一结论[3]。

现在再来审阅图4的率失真曲线。其右上半部显然是为高比特率固定接收服务设计的：AWGN模型的应用中，美国6 MHz带宽频道的最高有效比特率大于50 Mbit/s。那么，在工程实现的现场测试中，如果把类型S与类型M对比，上述约4.0 dB的差距是否继续存在（甚至扩大）？如果是的话，那么采用类型M（或类型H）实现高比特率固定接收（为“屋顶天线”用户们服务）时与采用类型S相比，对于相同的覆盖范围其发射功率将是后者的约2.5倍（约4.0 dB）以上（类型M与类型S相比，还有发射功率峰均比（PAPR）稍大的不足），其后果是增加电磁污染和电能耗、增加成本[注6]。

[注6]2016年夏的巴西里约热内卢奥运会要采用ATSC 3.0版+MPEG-HEVC/H.265视频等，实现4K/UHDTV的DTTB试验性广播，看来只会采用其纯多载波可选项（类型M）或单载波/多载波可选项（类型H）。但从今后来看，采用单载波可选项（类型S），充分发挥其优势，可显著降低成本。

2）抵御同频道干扰（CCI）和邻近频道干扰（ACI）的性能较好：1996年9月美国“大联盟（GA）样机”的高比特率固定接收的实验室测试结果报告草案表明：ATSC（与类型S相似）有良好的抵御CCI和ACI的性能。中国地面国标[9]2006年8月批准前的测试报告也表明：其C=1可选项（与类型S相似）与C=3 780可选项（与类型H相似）在高比特率固定接收时抵御CCI和ACI性能的对比中，前者性能较好[注7]。

[注7]1995—1996年ATSC确定有效带宽为5.38MHz时考虑到：模数并存的过渡期内大中小模拟和数字发射功率将并存的特性（若干NTSC的发射功率特别巨大），在有效带宽内保证1套高质量的HDTV前提下，尽量缩小其有效带宽，以便获得较好的ACI性能，方便过渡期内的频率规划，尽快关闭模拟制地面电视广播。并经过几次频率调整，腾出“700 MHz频段”，以供拍卖（少数保留为公共专用）。为此，不得不忍痛降低约5%的有效比特率。

现在ATSC 3.0版的有效带宽面临2种可能：1）维持原5.38 MHz数值不变；原有的频率规划不需修订。但可能性较大的是，收回1996年时忍痛降低的约5%有效比特率；2）由于原大功率NTSC模拟电视台完全关闭，严重的NTSC对ATSC 1.0版DTTB的ACI干扰已不复存在。而当前和今后较长时期内，频率规划只需考虑DTTB相互间的ACI。那么FCC就可考虑采纳新的“有效带宽比”，并对原有的频率规划进行一次重大修订。例如，ATSC 3.0版可采纳“有效带宽比”为约0.95，就可适应类型M和类型H等不同提案的融合（可选项为多种，其中仍可保留原5.38 MHz）。如果“有效带宽比”有约0.95的可选项，那么从中国地面国标的测试经验可知：类型S（与地面国标-C=1相似）抵御CCI和ACI的性能，比起类型H（与地面国标-C=3 780相似）要好些（而与类型M相比会更好些）。

3）单载波系统更有利于采用宽带发射机实现M-SFN的组建省级/大区域DTTB网络[4-6]；特别是ATSC 1.0版（还有2.0版）的“有效带宽比”稍小，更有利于采用宽带DTV发射机（请参阅[注3-4]和第5.3节）。

4 建议2：增加“单频道方案”（仅使用指派频道）实现“回传信道”的可选项[3]

据悉，ATSC 3.0版物理层的“回传信道”将采纳“空白频谱方案”[注8]。因为，从公开发表的文章来看，目前有加拿大通信研究中心（CRC）牵头的4个组织（其余3个分别是西班牙Basque州立大学小组、韩国ETRI和日本NHK科研所）正在合作提出建议，采用“分层云传输（layered cloud transmission）”技术实现ATSC 3.0版物理层所需的回传信道（包括上行链路）（本文从略）。

[注8]“空白频谱”可分为三大类（对某特定的地理域覆盖范围而言）：1）“700 MHz频段”以下的地面电视频谱（以UHF频段为主）中已指派而尚未动用的、或尚未指派的频道；2）“700 MHz”频段内的类似地面电视频道；3）现存ATSC 1.0版2个频道之间的“空隙（Gap）”有6.00 MHz-5.38 MHz=0.62 MHz，可动用的频谱每个频道约0.5MHz。

4.1 动用“空白频谱”的优缺点

其优点有：容易把ATSC 3.0版物理层与和IEEE 802.22WRAN标准（回传信道需要动用“空白频谱”，适用于农村地区）协调；可促进电信业与地面广播业的公平竞争或合作。但ATSC也可采纳不同的技术，并与之公平竞争。而从图4来看，ATSC 3.0版物理层将采用后一思路。

其缺点有：1）仅适用于美国等频谱法规允许动用“空白频谱”的国家。2）即使就美国而言，在纽约等大城市人口密集地区（收视率和经济效益最高），往往没有“空白频谱”可供使用。地面广播业者如果要在这些地区实施“回传信道”，就不得不动用DTTB网络以外的其他通信资源（如光纤、有线或卫星网络）。这对于资金雄厚的地面广播业或电信巨头，没有任何困难。但对于中小广播者来说，如果他们需要在这类地区实时报道某种突发事件，就不得不付出高额费用来临时租借别家公司的网络（不能动用已拥有许可证的指派频道），导致他们在市场竞争中处于不利地位。

4.2 增加具有双向回传信道的“单频道（指派频道）”可选项[3]

为此，本文建议在ATSC 3.1版物理层增加具有双向回传信道的“单频道（仅使用指派频道）”可选项，它不依赖于“空白频谱”。而其基本技术措施是：既可采用时分半双工（Time Division Duplex，TDD），也可采用频分半双工（Frequency Division Duplex，FDD），更可采用TDD/FDD两者的组合。

在考虑“回传信道”后，DTTB网络共有4类数据流：上行回传信道（Up Return Channel，Up-RC）、上行数据流（Up Streams，UpS）以及下行回传信道（Down Return Channel，Dw-RC）、下行数据流（Down Streams，DwS），它们的基本单元都是数据子帧。

Up-RC和Dw-RC是保证每个用户都能同广播业者的下一代播控平台（Next Generation Broadcasting Platform，NGBP）实现“一对一”的双向连接，其有效比特率稍低（可确保重要指令、话音、短信、图片和小尺寸视频等信息），而稳健性（Robustness）要高些。而DwS和UpS则是携带数据量较大的、比特率较高的“有效信息”，其稳健性稍差。其中DwS首先是传统的电视节目数据流（或在凌晨“空闲时段”给用户发送“下载后再观看”的免费或低交费服务）。而其中UpS则偶然由广播业者动用于现场实况的实时广播（某种敏感的突发事件）。当然，UpS也可由个别用户向广播业者提供的实时视频新闻节目源（如高速路的车祸/堵塞现状或旅游地/超市拥挤的手机拍摄视频新闻）等。

TDD或/和FDD应用于指派频道的双向传输，可有下述3种技术组合模式。它们各自的基本单元在时间域都是以数据子帧为基本单元，相互间为“先后顺序排列的”串联关系（in series）。而且它们相互之间在时间域或频率域都已设计某种对应的“保护间隔（Guard In⁃terval，GI）。

1）仅采用TDD的模式：适用于第3.1节的纯单载波系统（类型S），以发挥单载波调制的某些技术优势（见第3.2节），其数据子帧可分为4类：只含Up-RC、只含Up-RC/UpS、只含Dw-RC以及只含Dw-RC/DwS。其时间域的位置可考虑：Up-RC或Dw-RC设置在数据子帧的帧体（负荷）部分之起始端或全部（紧接在在PN码导频信号后，并采用BPSK/QPSK调制）；而UpS或DwS则设置在数据子帧的帧体（负荷）部分之尾部或全部（即下个数据子帧之前）。

2）仅采用FDD的模式：适用于第3.1节的纯多载波系统（类型M），其数据子帧也分为4类。它们在频率域的位置可考虑：Up-RC或Dw-RC设置在有效带宽的频率域低端（占用部分子载波的低端，并采用BPSK/ QPSK调制）或全部；而UpS或DwS则设置在有效带宽的频率域高端或全部。

3）TDD和FDD组合的模式：适用于第3.1节的单载波/多载波的混合系统（类型H），其数据子帧也分为4类。它们的设置可考虑：Up-RC或Dw-RC采用TDD模式；UpS或DwS则采用FDD模式。

4.3 ATSC 3.0版物理层给广播业者运营宽带网络提供崭新服务的巨大机遇

从图3的“信息内容发送”图解可看出，广播业者（Broadcasters，在美国是指地面广播电视运营者）下一代播控平台的输出有并行的两大类：1）中下部就是传统DTTB输出；2）右下部则是崭新的“传统”宽带网络（互联网）输出，成为实实在在的一个网站。因此，ATSC 3.0版物理层给广播业者带来运营宽带网络崭新服务的巨大历史机遇[注9]。

[注9]此外，就美国而言，对已从拍卖获得“700 MHz频段”许可证的电信界，究竟继续采用IEEE802.22的WRAN标准，还是改用ATSC 3.0版推进服务（或与地面广播业者进行合作），有待跟踪观察。

但从总有效比特率的数值大小和分配角度来看，广播业者实际运营传统DTTB网络与宽带网络（互联网）时，提供的崭新服务可粗略划分为3大类：

1）服务类型B/T：宽带网络（互联网）为主，传统DTTB网络为辅。其总有效比特率较低，而且大部分分配给前者，其稳健性较高（分配给后者的是小部分，当然也可改用比特率稍高，而稳健性稍差的模式）。它适用于大城市人口密集地区的运营，优先考虑宽带网络用户的手持接收和移动接收的崭新服务“无穷发展”需求。而从图4的图解来看，其绝大部分有效比特率的应用着重在该曲线的左中部和左下部，这部分就是ATSC 3.0版物理层需要优先解决的技术问题。

2）服务类型B&T：宽带网络（互联网）兼顾传统DTTB网络，其总有效比特率为中等（两者大致对半分配、或六四开、或四六开），稳健性仍较好（B或T的强健性可有不同模式）。它适用于城乡结合部、人口密度稍低的地区，兼顾宽带网络新用户和传统DTTB用户的需求。而从图4的图解来看，其应用着重在该曲线的中左部和中部，这部分就是ATSC 3.0版物理层接着需要着重解决的技术问题。

3）服务类型T/B：传统DTTB网络为主，宽带网络（互联网）为辅，其总有效比特率较高（大部分分配给前者），但稳健性稍差（后者仍可采用稳健性稍好的模式）。它适用于人口较稀少的城市郊区或农村地区，以传统的“屋顶（或室内）天线”固定接收用户为主，宽带网络新用户为辅。而从图4的图解来看，其应用着重在该曲线的右中部和右上部。至少对于美国的地面广播业者而言，这部分可“不慌不忙”下一步再解决，因为传统的市场他们已拥有约75年。

以上的划分可能仅适用于白天的上班时段。除了每天19:00至24:00的黄金时段（还有节假日）和00:00至06:00用户数较少的“空闲时段”以外，各地广播业者都可因地制宜灵活交叉使用上述不同的类型。而如何实现最佳组合，还有待今后各地广播业者依据其原有的节目源优势，探索崭新节目源类型，提供崭新服务，满足崭新市场需求，获得最佳的社会效益和经济效益。

表2列出的内容是以总有效比特率在4大类数据流（Up-RC，Dw-RC，UpS和DwS）之间的大致分配和可能用途进行估计，供读者参考和探讨。

表2 广播业者对宽带网络的崭新服务和传统DTTB网络可能的比特率分配和应用（以美国6MHz带宽频道为例，中国8MHz频道可把有效比特率乘以4/3换算而得）

然而，有下述几类特殊的应用情况可作专门说明：1）紧急信息的应用：出现紧急事件时（如各种“天灾（地震、台风、水灾和疫情等）”和“人祸”（恐怖事件）），可通过Dw-RC（直接通报“已连接”的用户）和DwS（当时播出的所有节目源）提供“紧急信息”的内容及各类人群应采取的对应措施。

2）突发事件的应用：在出现类似美国纽约世贸大厦“9·11”事件、波士顿马拉松枪击案或中国昆明火车站等恐怖事件时，广播业者除了采取“紧急信息的应用”模式以外，还可临时动用UpS把该突发事件的音视频数据（包括现场采集的视频、效果声、对话和讲解等）上传到下一代播控平台，然后再以DwS在其主频道节目中进行现场实况播出（real time broadcasting），并暂时中断其原有的节目。当然，这个节目源也可由某用户通过手机或平板电脑拍摄后，通过UpS而直接提供（广播业者自己无需派人到现场）[注10]。

[注10]UpS使用时，其有效比特率至少保证1套DVD质量SDTV所需，这就不得不临时挤占其他数据流的有效比特率（见下面说明）。但其总时间延迟（time delay）可争取做到小于2 s（显著小于卫星链路的时间延迟，成本又极低）。

需采取的临时措施有：1）临时降低其他DwS节目源（或Up-RC/Dw-RC）的平均比特率。例如降低其清晰度或者缩小其显示图像的几何尺寸；或采用电视的“降帧技术（帧频减半）”；插入的广告也可改为静止图片。

2）与此同时，在所有其他DwS和Dw-RC中插入特殊的字幕通告（附上小尺寸视频作为“画中画”），向所有观众通报此突发事件。

3）凌晨空闲时段的应用：可开展各类非实时的免费或低交费的各类“信息下载”服务（特别是视频节目）。

4）节假日时段的应用：各国、各民族和各地区都会有各自的特殊情况，需因地制宜探索。

但不管怎样，地面广播业者（特别是美国）“万变不离其宗”，在崭新的宽带网络（互联网）服务中，需要继续发挥其固有的节目源优势（并探索自己的新特色节目源）。

5 建议3：增加“宽带DTV发射机+ M-SFN（多频道单频网）”的DTTB组网创新模式[4-6]

5.1 中国工程师们自主创新的“宽带DTV发射机+ M-SFN”DTTB组网技术发展的回顾

2005年秋，赵章佑教授提出其概念[6]，2007年底，云南昭通市广电局[10]在中国首次实施2个高山台（位于昭通市区东西两侧的高山上，落差大于1 100m）上，分别安装功率各为400W的宽带DTV发射机，组建M-SFN；共动用6个频道，每个频道发射功率仅约35W；采用中国地面国标前期方案ADTB-T传输和MPEG-2视频；其中1个频道提供1套SDTV移动接收服务，其余5个频道每个提供约8套DVD质量的SDTV服务（总共约40套）。

2014年6月24日，叶进教授（中国最大的发射机国企北京北广科技总工）在山东烟台举行的“未来广播电视（FOBTV）”国际高峰论坛的报告[5]中，除介绍该企业和国内外市场的概况外，其技术部分则着重介绍宽带DTV发射机的框图及其优点：框图设计简化、节能环保，在提高可靠性的同时又降低成本。湖南株洲的赵章佑教授最近则专门撰文[6]，系统介绍“宽带DTV发射机+ M-SFN”组建DTTB网络的基本概念、技术要点和经验。

据悉，在赵章佑教授的协助下，中国中部某省级有线网络公司采用“株洲经验”[4]的“有线（有限）网络，无线（无限）延伸”和“宽带DTV发射机+M-SFN”DTTB组网创新模式等，2013年内总共在23个县级的地域，共架设102个发射台站，在各个县域范围内实施4个频道的中国地面国标-C=1+AVS视频（双国标）+M-SFN，可提供36套DVD质量的SDTV，到2014年上半年的总用户数达23万。这种崭新的DTTB组网创新模式，为模数并存的过渡期内和结束后，省级广电部门实施全省统一的4个频道的M-SFN，准备了技术条件（需有计划进行几次频率优化调整）。

从2007年底到2013年底，我国工程师们奋斗而得这种崭新技术模式，又“上一层楼”：从技术升级到实施规模扩大到省级/大区域网络。这样大规模的“宽带DTV发射机+M-SFN”DTTB组网创新模式的案例，就笔者接触到的美欧日等发达国家的资料，没有见过先例。

5.2 组建DTTB网络的2种模式：传统模式和创新模式

5.2.1 传统DTTB组网模式

传统模式DTTB组网的发射端框图见图7，多台DTV发射机（可能还有ATV（模拟电视）发射机）+1台射频复用器（RF-MUX，多工器），而节目源和发射机之间还有多台调制器/激励器。

图7 传统的DTTB组网模式的发射端（发射机在模数并存期除DTV外，还有ATV发射机）

DTTB网络在县级地域、地市级地域和省级地域扩展时，其发送端也采用类似的框图。

传统模式的优点是：1）模拟电视时代已大量采用；技术成熟。进入DTV时代继续采用，特别是大功率的应用（单个频道的平均功率大于 1 kW）。2）单频道DTV发射机整机的电效率较高，可达35%。3）用户总人数与管理总人数的比例较高，有利于日常运行管理（特别方便保证信息安全和可靠，它与电信的小蜂窝网成为2种相辅相成的模式）。

传统模式的缺点是：1）多路射频信号复用，必定采用射频复用器[注11]，需支付设备和运营的成本（还占用机房较多的空间）。此外，为了解决其“温度漂移”问题，机房环境温度也有要求，增加成本。2）其插入损耗（Insertion Loss；含短馈线）则转化为热能而白白浪费掉，不符合绿色低碳产业的国际战略需求。3）近距离或中距离的场强过大，也实属电能量浪费和电磁污染[注12]。

[注11]2009年10月，汤旭光先生在报告[11]中提到某欧洲著名公司RF-MUX产品的单个频道之插入损耗≤0.5 dB，但其价格昂贵。而国内产品价格虽然低廉，但性能稍差：2014年8月，笔者从网络搜索到广西桂林某公司的“八合一”RF-MUX产品性能[12]是：当8个DTV信号同时复用时，插入损耗≤1.5 dB。

[注12]以湖南高山台系统为例（请访问 www.hndmtv. com），由于采用无方向性天线，在近场或中近场必有无人区或人口稀少地区，而信号过强，纯属浪费。北京的CCTV大塔采用无方向性天线，导致北京西部、西北部和北部山坡上的信号“绰绰有余”，也纯属浪费。

另据发射机专家称：RF-MUX在多个信号输入时（特别是ATV与DTV并存时），由于不同频道的中心频率不同，对天线、长馈线、短馈线以及输入/输出连接部件的阻抗匹配和驻波比之调节，往往“顾此失彼”；因而造成多个功率信号输入复用时与单个信号输入时相比，各个频道的插入损耗都将增大（而RF-MUX制造企业一般不公布其实测数据）。

5.2.2 中国自主创新的“宽带DTV发射机+M-SFN”的DTTB组网技术（简称“创新模式”）

宽带DTV发射机和M-SFN（多频道单频网）的基本概念：所谓“宽带DTV发射机”就是1台发射机的带宽为n个频道（2≤n≤8，目前n不宜过大），可同时发射M个频道（M≤n）的DTTB信号，其总带宽对中国而言等于n×8 MHz（最高不宜超过64 MHz）。在其有效带宽内，M个频道可以是相邻的，也可以是隔频道的（即中间有“空白频道”）。而所谓“M-SFN”则是一种DTTB省级/大区域组网模式：首先在同一县级区域内的不同发射台站采用统一的M个频道（推荐总数为4个，共4个中心频率）组建单频网（Single Frequency Network，SFN）；然后逐步扩展到相邻的县级区域、地市级区域、相邻的地市级区域，最后到全省的省级大区域。

而把上述这2种自主创新的技术有机结合起来，可简称为DTTB组网的“创新模式”。它在过渡期内和结束后，用较低的成本完成模数过渡，并显著节约地面电视频谱资源，方便安全播出和省级地面国标的频率规划/网络管理。而这种“创新模式”正是中国工程师们在采用小功率或中功率（每个频道不大于500W）覆盖地市级和县级地域的地面国标工程实施中，通过6～7年来勇于创新、反复实践和不断完善的硕果。

创新模式DTTB组网的发射端框图[5-6]见图8：N路（N=2，3，…，8）节目源输入1台多频道调制器/激励器（含小功率射频复用器和本地10 MHz晶体振荡器）和1台宽带DTV发射机。其中省略功率级的RF-MUX（还有短馈线），彻底消除其插入损耗（还有其温度漂移问题）。

图8 创新的DTTB组网模式之发射端（仅供DTTB使用）

创新模式的优点：

1）粗略对比图7和图8的设备总数量（表3）可看出，创新模式的框图设计简化，在提高可靠性的同时降低了成本[5-6]。

表3 传统模式与创模式新DTTB组网时，发射端设备数量对比（动用4个频道为例）

2）从图8与图7对比（及表3最后一列）可看出，创新模式省略RF-MUX，从彻底消除插入损耗，符合节能环保的绿色低碳产业国际战略需求。表4是传统模式和创新模式在插入损耗方面的对比。

表4 传统模式与创新模式在插入损耗方面的对比（以空中发射1 kW功率为例。单频道DTV发射机的电效率按35%估算；而宽带DTV发射机的电效率则按25%估算）

3）体积、能耗都大大减小，因而可节省机房空间（包括新建台站成本低），特别适用于“无人值守型”中小功率的“转发站”或“空隙填充器”。

创新模式的缺点：

1）功率放大的非线性效应：除了单个频道带内性能恶化外（表现为带内的MER值下降[6]），几个工作频道相互间的交叉调制（crossmodulation）也会导致MER进一步恶化（地面国标-C=3 780由于其多载波的性能，比起C=1更要差些）。

2）在工作频道（已确定具体的频道数）之外还会出现较强的“杂散干扰（spurious interference）”，严重影响被干扰频道的正常工作（不得不采用“陷波器”，需额外的电能耗和成本）。

3）多个频道宽带发射机的整机电效率还不如单个频道的。

据悉：可工作于单个频道的1 kW DTV发射机，采用创新模式和地面国标-C=1+AVS视频（双国标），并动用4个频道工作时，每个频道可有不大于250W的发射功率，而整机电效率可达25%。

5.2.3 传统模式与创新模式具有相辅相成的关系

综合上面的讨论可知：传统模式目前在大功率（每个频道1 kW以上）覆盖时，其成本及可靠性均优于创新模式，适用于人口密集、平原地区的大城市（或者高山台）DTTB组网。而创新模式在中小功率（每个频道不宜超过250W）进行DTTB组网覆盖时，其方案简单、成本较低（与传统模式相比，可节省成本约40%）。它特别适合于中国大多数地市级和县级中小城市及边远山区的DTTB组网覆盖，也适用于大功率覆盖的盲区采用“空隙填充器”的转发覆盖。因此，创新模式在一定时期内与传统模式相辅相成、互为补充，对DTTB组网做出贡献。中国工程师们创造的经验，不仅适用于所有发展中国家，也同样适用于所有发达国家。

但创新模式毕竟是有发展前途的高科技新硕果，如果再经过中国工程师们今后6～7年的持续努力，其性能可望继续提高：如每个频道的发射功率可望提高到约500W，总发射功率提高到2 kW或更多，发射机整机的电效率提高到约30%。而当这些目标实现时，将进一步证实表4的讨论：创新模式符合节能环保国际绿色产业的战略需求。传统模式与创新模式的相互主次关系（从市场份额来看）今后可望逐步转到“七三开”、“六四开”、“平起平坐”，直至“主次关系彻底颠倒”。

5.3 创新模式特别适用于ATSC标准的中小功率组建DTTB网络

5.3.1 ATSC1.0版的应用（2.0版类似）

ATSC 1.0版（还有2.0版）的有效带宽比（有效带宽/带宽）稍小（表5），更有利于采用宽带DTV发射机，因而更有利于采纳创新模式。因为，文献[6]中已经提到：在地面国标-C=1的应用中，如果宽带DTV发射机采用的频道总数“乘2”时，其MER将劣化约3.0 dB（动用4个频道与单个频道相比而“乘4”时，MER将劣化约6 dB）。因而，对其宽带发射机提供输入信号的多频道调制器/激励器输出的MER指标提出较苛刻要求。

表5 ATSC1.0版的有效带宽比

而ATSC 1.0版的有效带宽比与地面国标相比稍小。上述“乘4”（即M-SFN中的M=4）时MER将劣化约6 dB的情况是否会缩小到约3 dB（或更好）？或者输出的发射功率可增加约3 dB（乘2倍）？

5.3.2 创新模式在ATSC3.0版和3.1版物理层的可能应用

由前面的讨论，ATSC 3.0版可能对“有效带宽比”修订而增加约0.95的可选项（原5.38 MHz仍为可选项）。这时，文献[6]提供的创新模式对地面国标-C=1或C=3 780调制器/激励器MER指标测试的有关讨论，可供ATSC 3.0版物理层的纯多载波系统（类型M）、单载波/多载波混合系统（类型H）以及本文建议的ATSC 3.1版单载波可选项（类型S）提供重要参考[注13]。

[注13]DVB-T，DVB-T2和ISDB-T，还有ATSC 1.0版和ATSC 3.0版的类型M或类型H，同ATSC 3.1版可能有的类型S，都可以采用“宽带DTV发射机+M-SFN”组建DTTB网络创新模式。但根据中国地面国标-C=1与C=3 780的经验来看，类型S（含ATSC 1.0版）的性能要稍好些。

6 小结

1）ATSC 3.0物理层很可能采纳类似中国地面国标的融合系统[8]：既可容纳纯多载波系统（类型M，如参照DVB-T或ISDB-T的提案），也可容纳单载波/多载波混合系统（类型H，如参照地面国标-C=3 780的中国提案，但后者与C=3 780不同之处可能是，在帧体（负荷）部分也插入导频信号。

2）本文建议ATSC 3.1版物理层增加3方面技术：（1）增加单载波调制可选项（如n-VSB和n-QAM等）；（2）增加仅在单个频道（即指派频道）内实现“回传信道”，不依赖于“空白频谱”；（3）推荐中国工程师们自主创新的“宽带DTV发射机+M-SFN（多频道单频网）”的DTTB组网技术，它特别适用于有效带宽比稍小的ATSC 1.0版（还有2.0版）以及也适用于ATSC 3.1版（可能对“带宽比”做修订），它还可应用到DVB-T、DVB-T2和ISDB-T，但这些应用都限于中小功率发射（每个频道一般不大于250W）。

7 补充

本文定稿和发稿之日（2014年10月9日）清晨收到上海全波公司夏劲松先生发自美国的邮件（笔者在此特别感谢夏先生），通报Deborah D.MACADAMS先生2014年10月8日上午07:12（美国西部时间）在TV Technology网站发表重要通讯[13]，题目是：Sinclair和Technicolor实施ATSC 3.0的4K空中广播，副标题是：第一个位于美国的演示（4K-UHDTV的地面广播试验演示）。Sinclair Groups是美国第二档的广播集团，其总部位于这次试验的Baltimore市，在华盛顿东北约150 km。该集团一直主张采用OFDM技术，因此在这次试验中负责调制和传输部分，并提供4K-UHDTV等各类节目源。而Technicolor则是高科技公司，负责其余部分：音视频编码和解码，还有极其重要的传送（transport）部分。

参照这篇新报道，笔者可补充：

1）这种试验平台和地面广播试验，比起笔者设想的提前半年或更多。预计美国还会有第二个或第三个试验平台陆续出现。因而还可设想：美国地面广播业者最早于2016年圣诞节前夕启动ATSC 3.0版的市场（产业化也加速）：用户有需求、手机和平版电脑需更新、机顶盒和电视机需更新（4K-UHDTV机）以及地面广播业者需尽快占领宽带网络（互联网络）的崭新市场。因而，ATSC 3.0版进入市场的日程表，只会提前，不会延迟。

2）技术先进和质量优越；（1）地面广播业者的“下一代播控平台（NGBP）”的输出既是“传统”电视服务的输出，更是“传统”宽带网络（互联网路）服务的输出，可实现无线“三网融合”。（2）信道纠错编码效率极高、不同稳健性（Robustness）时的各类服务的有效比特率极高，其计算机仿真的率失真曲线更加接近Shannon理论极限。（以上正文有说明）

致谢：

笔者以此文再次答谢ATSC对中国自主创新制定地面国标的多年支持。笔者特别要感谢Richard Chernock博士及时向笔者提供幻灯片报告[2]，并同意笔者增加中文翻译（上海陈志葛教授校对）后，向不熟悉英文的我国专家散发（其报告6月底还在北京举行的IEEE BTS 2014 BMSB和BIRTV会议，以及8月底在北京举行的ISBT会议，又重复讲了3遍）。有关“宽带电视DTV发射机 + M-SFN”技术，笔者还要向赵章佑和陈志葛2位教授多年来的交流致谢。笔者还要向北京北广科技集团公司的栾鹤峰教授致谢（2014年9月向笔者提供宽带DTV发射机的最新进展）。

[1]ATSC[EB/OL].[2014-10-09].www.atsc.org.

[2]CHERNOCK R.Update on ATSC 3.0[R].Yantai，China：FOBTV 2014，2014.

[3] XU Mengxia.A hybrid merging system for ATSC 3.0 PHY(pri⁃vate proposals to ATSC)[R].Yantai，China：FOBTV 2014，2014.

[4] 徐孟侠.DTTB双国标新系统——最节约的绿色低碳产业的候选者[J].电视技术，2014，38（10）：31-38.

[5] 叶进.融合的无线网络发展动态与应用探析[R].烟台：FOB⁃TV2014，2014.

[6]赵章佑.UHF频段数字电视宽带发射机与大区域M-SFN组网探讨[J].电视技术，2014，38（21）：6-12.

[7] ETSIEN 302 755 v1.1.1，Digital video broadcasting(DVB):frame structure,channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system(DVB-T2)[S]. 2009.

[8]徐孟侠.对国际通用DTTB传输标准（3.0版）的建议[J].电视技术，2012，36（12）：20-21.

[9]GB 20600—2006，数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制[S].2006.

[10] 昭通市广播电视局，上海某公司，广西桂林某公司，等.国标地面数字电视ADTB-TH宽频发射系统覆盖效果测试报告[R].昭通：出版者不详，2008.

[11] 汤旭光.对数字电视发射机输出滤波器的讨论[EB/OL]. [2014-10-09].http://info.broadcast.hc360.com/2009/10/27193613 8777-4.shtml.

[12] Sinclair and Technicolor do ATSC 3.0 4K over-the-air broadcast [EB/OL].[2014-10-09].http://www.tvtechnology.com/article/sin⁃clair-and-technicolor-do-atsc--k-over-the-air-broadcast/2727 58.

Private Proposals to ATSC 3.1 PHY

XU Mengxia

ATSC 3.0 version is now actively promoted by ATSC,with its schedule of the draft standard completed by the end of 2015.Three possible fields of technology that could be supplemented into ATSC 3.1 PHY are proposed privately in this paper:1)Single carrier modulations(n-VSB and n-QAM,etc)could be added as options.2)“Single Channel Solution”for the return channel could be added as option to“White Space Solution”,using the single assigned channel only.3)The new technology innovated by Chinese engineers,i.e.the wideband digital television(DTV)emitter+M-SFN (Multiple Channels-Single Frequency Networks)for digital terrestrial television broadcasting(DTTB)networking,could be introduced,as a lot of the advantages of single carrier systems would be realized,especially in the services of high bit-rate fixed reception(i.e.,4K/8K-UHDTV).

DTTB;ATSC;single carrier;wideband DTV emitters;multiple-channels SFN(M-SFN)

TN949

A

�� 京

2014-10-28

【本文献信息】徐孟侠.对ATSC 3.1版物理层的个人建议[J].电视技术，2014，38（24）.

徐孟侠（1931—），1955年北京大学物理系毕业后留系任教。1958年9月转北京大学无线电电子学系（1994年改名电子学系）。1979年起开始视频编码研究，关注数字电视新技术的进展。1991年初退休后，推进VCD在我国的发展和更多关注地面数字电视传输技术在国内外的进展，特别是我国地面数字电视如何发展HDTV和服务农民家庭的SDTV；并于2001-03对单载波系统实现移动电视接收提出一些设想。2009年起积极推进“双国标新系统”，特别是宽带发射机在国内外的应用。