数字广播电视信号传输技术综述

龚运高

【摘要】随着高清电视、视讯点播和流动电视服务需求的增加，观众对更有效的带宽、更完美和更清晰的视频质量需求，推动了模拟广播电视向数字广播电视的转变。本文简要介绍了电视的发展历史，并对世界各地不同的数字地面电视、卫星电视、有线电视和移动电视标准所采用的传输技术进行了综述。

【关键词】高清电视;数字电视广播;移动电视;DTMB

中图分类号：TN929                    文献标识码：A                    DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2022.08.03

在全球范围内，电视媒体可能是向人们提供信息、教育和娱乐的最具成本效益的平台。电视接收机无疑是世界上最流行的电子娱乐设备。国际电信联盟（ITU）估计，拥有电视机的家庭数量约为14亿户。广播和电视服务对于向公众提供影响他们生活的新闻和信息是至关重要的，同时广播电视也是一种娱乐方式。广播也可以通过传播课程和其他教学材料来达到重要的教育目的。在接受教育和搜集信息方面，电视和广播在只有少数人使用互联网的贫困国家显得尤其重要。

1. 数字电视系统概述

通过以太传输图像的想法可以追溯到19世纪，随后在20世纪出现了几项重要的发展，这些发展导致了全电子彩电的发明。与此同时，其他通信形式也在发展，人们对高质量、沉浸式电视体验的需求也在增长，它导致了数字广播的广泛应用，为人们带来了完美的高清视频和高保真音频，并引入了新的互动服务和为移动电视设计电视系统。数字电视系统由视频编码、音频编码、传输流格式、中间件和传输技术等几个标准化概念组成。在本节中，我们将对这些概念进行概述，而论文的其余部分将重点讨论在不同的数字电视标准中使用的传输技术。

1.1 视频与音频编码

高清视频和高保真音频传输正在成为电视行业的常态，对高清视频、视频点播和多媒体视频和图像服务的需求正在增加。因此，采用有效的数字压缩技术对视频和音频信号进行编码是非常必要的。在过去的几十年里，为了有效地表示视频和音频信号，已经投入了大量的研究工作。源编码是将模拟视频/音频信号（例如由摄像机捕捉到的信号）转换为数字信号并适当压缩数字信号以降低数据速率传输的过程。源解码器执行编码器的反向操作，将压缩的视频流转换成未压缩的格式。在数字电视中，视频和音频编码减少了传输高质量视频和音频信号所需的带宽，并降低了传输功率。视频/音频编码技术对于降低传输速率是至关重要的，但这可能会导致视频/音频质量的降低。所以数据压缩算法必须进行精心设计。

运动图像专家组（MPEG）成立于1988年，目的是为数字存储媒体标准化视频和音频编码压缩算法。MPEG-1是第一个MPEG标准，旨在将数字視频和音频压缩到1-1.5Mbits/s。它主要针对数字存储媒体例如光盘。MPEG-1随后也进行了电视信号传输测试，它能够保持模拟电视信号的质量。MP3音频压缩标准是基于MPEG-1标准开发的配置文件3。MPEG-2是为了消除MPEG-1在电视传输方面的缺点而进一步开发的。MPEG-2标准化了MPEG-1的压缩算法，并且提供了更好的视频质量。MPEG-2被用于世界上大多数的数字电视标准，包括DVB，ATSC，ISDB和DTMB解决方案。MPEG-4是专门针对互联网或移动网络上的视频传输而设计的。MPEG-4也用于数字电视应用，特别是高清数字电视。此外，MPEG-4第10部分（也被称为H.264/AVC）的设计目的是在降低实现复杂度的情况下提供MPEG-2或MPEG-4质量的视频。H。264/QVC被用于最新的数字电视标准，包括DVB-T2、ISDTV和DTMB。

1.2 数据流多路复用格式

数字电视信号集包括视频、音频和其他互动服务。它们的传输由控制信号支持，包括为传输特定帧调用的信道编码码速率和调制方案标识。视频、音频、控制信息和其他服务在信息传输之前以专门设计的描述帧进行传输。最流行的流结构是MPEG-2音频和视频传输流（TS）结构。

TS由TS数据包序列组成，每个数据包长度为188字节，其中包含一个同步字节（sync byte）和数据包ID （PID）。MPEG还定义了程序特定信息（PSI），其中包括关于TS有效载荷的信息，然后接收器使用这些信息来解码来自流的适当数据。有一个与PID'0'相关联的程序关联表（PAT），它包含接收端用来解码程序映射表（PMT）的PID的信息。PMT包含关于每个服务的基本流的PID的信息。这些流可以包括音频、视频和数据，比如字幕。当接收器解码特定服务时，它首先从PAT获取PMT所需的信息，然后从PMT获取服务的PID。

MPEG-TS结构被用于所有已出版的数字电视标准中。DVB-T2定义了一些其他的流结构，称为通用流（GS），以保证该标准的未来安全性。

1.3 交互式服务和中间件

20世纪90年代网络大爆炸后，广播业界担心观众会从传统的广播内容转向网络内容。因此，电视市场出现了一些创新并引发了互动电视的出现。这意味着电视媒体引入新的服务，让观众可以控制音频、视频和文本元素。现在有一种趋势是为各种不同屏幕尺寸的电子娱乐设备提供电视内容。还有允许用户通过提供反馈通道与电视进行交互，例如用户可以使用增强的遥控器与电视进行交互。

互动电视是传统电视广播服务与互联网的结合。然而，这两种技术的融合并不像简单地将两者进行组合，因为两种信息媒体下的底层技术是不同的。在这种情况下，必须将硬件及其驱动程序从应用程序中分离出来。这种软件分离层被称为中间件。中间件不直接访问硬件或应用程序，它通过查看器的输入设备如遥控器等设备从应用程序接收输入，并通过反馈通道将信息发送到电视或远程设备。不同的标准化组织已经制定了一些中间件标准。3E893C9A-8CEF-4A88-91D6-02373353C0DC

1.4 传输技术

传输技术是指在物理层中用于传输电视内容的技术。这包括作为所遇到的近瞬时无线信道质量的函数而激活的特定调制和编码技术。数字电视是为地面、有线、卫星和移动频道开发的。卫星传输具有较低的接收功率、较高的信道带宽和典型的视距线传输介质，仅受加性高斯白噪声影响，不受时变衰落影响。另一方面，基于电缆的信道具有高信噪比和有限带宽的特点，仅受白噪声的影响，没有多径干扰。同轴电缆提供的典型带宽约为500MHz，由共享电缆的所有电视频道共享。但是电缆的衰减系数很高，因此代表不同电视频道的信号被映射到6-8MHz的带宽，以允许电缆传输更长距离的信号，从而减少所需的中继器数量。

地面信道无疑是上述系统中最具挑战性的方案。地面广播信号经历多径衰落，导致延迟扩散。此外，地面广播将为配备屋顶天线的固定接收机以及依靠小型内置天线的移动接收机提供信号覆盖范围。因此，第一代卫星和电缆标准并未采用复杂和更为稳健的正交频分复用（OFDM）原理，但这在地面广播中是必要的。

2. 综合服务数码广播（ISDB）

在日本，日本公共广播公司NHK设想在21世纪通过数字技术传输高清晰度电视的数字广播。这一设想可以追溯到20世纪80年代，其目标是将所有广播系统转换为数字技术，以适应高质量的视频/音频和多媒体服务，同时允许用户在家中和移动中都享受高质量的服务。

日本无线电工业和商业协会（ARIB）在1998年批准了被称为地面综合服务数字广播，或简称ISDB-T的数字地面广播系统的规范。图1显示了ISDB-T发射器的框图，其中包括与其他标准相同的基本块，包括置乱/能量分散、交织、信道编码和调制。ISDB-T系统采用MPEG-2视频编码和MPEG-2高级音频编码（AAC），采用MPEG-2TS对数据流进行封装。ISDB-T系统是一个基于OFDM的系统，但它使用带段传输OFDM（BST-OFDM）。顾名思义，BST-OFDM将可用带宽分成称为段的基本频率块。BST-OFDM改进了编码OFDM，在相同的多路复用中对一些OFDM载波进行不同的调制。在ISDB-T中，BST-OFDM依赖于13段，不同的段可以采用不同的编码调制方案。

BST-OFDM的一个基本特征是能够在一个或多个OFDM段中使用不同的调制和编码参数。这就产生了等级传播的思想。ISDB-T使用分层传输，其中传输参数包括OFDM载波的调制方案、内部码的编码速率和时间交织器长度可以独立指定为每个OFDM数据段。ISDB-T定义了最多三个层或三个不同的段组，称为层a、层B和层C，用于同时在一个通道中傳输。更明确地说，视频编码的比特通常有不同的错误敏感性，因为它们的损坏会导致不同的感知效果。因此，最敏感的比特通常由更强的FEC码编码，并可能映射到错误敏感性较低的调制方案。

MPEG-2TS首先由GF（256）上的RS（204，188，8）编码。然后将RS编码器的输出分成204字节的数据包，再根据预先确定的控制信息进行分层，即最多分为三层，如图1所示。在非分级传输的情况下，为传输定义了单个流。每一层中的处理都以相同的方式进行，尽管不同层中不同块的配置可能不同。然后，图1中的扰频器将每一层的数据随机化，使用LFSR多项式进行能量分散。然后，随机流通过延迟补偿块。延迟补偿用于补偿独立流之间的延迟差异。更明显的是，由于每一层所采用的调制和编码方案的不同，在不同的流中字节交错所引起的延迟是不同的。因此，为了补偿延迟差异，在交错之前执行延迟补偿，这也包括在去交错过程中对延迟差异的补偿。

综上所述，ISDB-T系统使用BST-OFDM并支持最多3层的分层传输，通常称为A、B和C层。传输参数可以在每一层中改变，目的是允许低复杂度的手持接收器解调分级传输的单个段。这在感知上并不一定是不合适的，因为小型手持屏幕不需要像高清电视屏幕那样高的分辨率。

3. 数码地面多媒体广播（DTMB）

在中国，数字电视的发展始于1994年，当时中国政府发布了一项研究计划。2006年，经过广泛的实验室和现场测试，《中国广播影视行业标准》宣布发布数字电视标准，即数字地面多媒体广播（DTMB），简称GB20600-2006。该标准在2007年8月被强制执行，预计模拟电视将在2015年全部关闭。

图2展示了DTMB发射机的高层框图。物理层传输系统定义了物理逻辑信道（PLCH），根据信道编码速率、调制星座和分配的时隙数来配置PLCH的吞吐量和鲁棒性。PLCH分为40个时间槽，其中有一个控制逻辑通道（CLCH）和一个服务逻辑通道（SLCH）。CLCH占用PLCH中的第一个时隙，而SLCH可以占用多个时隙，为不同的广播服务提供不同的传输能力。该PLCH采用MPGE-2TS结构复用。

如图2所示，首先使用LFSR多项式对MPEG-2 TS进行能量分散/置乱随机化。随机数据流然后使用GF（256）上的可变速率（240，K）RS编码进行编码，其中k可以有以下值240，224，192和176。RS编码后，数据使用行列交织器进行字节交错。外部编码器的输出按字节分组，其中一行由240字节的RS输出包组成，行数取决于调制方案和内部编码器编码率的具体组合。数据按行写入，按列读取。

然后由码率为1/2或3/4的LDPC编码器对交织帧进行编码。LDPC编码器的输出帧长度为9216位，这意味着1/2速率码的输入长度为4608位，3/4速率码的输入长度为6912位。LDPC编码器的输出帧然后位交错。图2中使用的比特交织器是一个行-列位交织器，它对LDPC输出帧进行操作。然后使用BPSK、QPSK或16-QAM星座调制比特交织的比特流。数据流然后与分散的和连续的导频复用。接收机知道导频，并用于载波采集，时钟同步和信道估计。输出帧被一个复杂的伪随机序列置乱，以便在接收端实现更快的同步和更准确的信道估计。然后，使用1024或4096个符号的FFT对置乱序列进行OFDM调制。DTMB标准设计用于支持固定和移动接收器。因此它被设计成一个灵活的系统，能够播放多个高清电视节目，结合多个SDTV和其他多媒体内容。它支持4.8-32.5 Mbit/s的编码数据速率，同时支持单频和多频网络。

4. 结论

在过去几年中，消费者的习惯一直在追随新趋势，包括社交网络和用户生成内容，以及依赖智能手机和平板电脑等移动设备。伴随这些趋势而来的是车内娱乐的日益普及，人们对在家看电视和在路上看电视的需求，最后是追赶潮流的电视、视频点播和互动应用的普及。上述趋势的一个共同主题是支持流动性。移动电视有望使数字电视成为一种无处不在的体验。移动电视被认为是一项不断发展的技术，它不仅仅包括在屏幕更小的移动设备上看电视。除此之外，它还具有视频点播、时间和设备切换等先进功能，便于稍后观看电视节目，即使切换到其他设备，也可以继续观看。此外，它还有望与社交媒体进行复杂的整合。未来将是广播、移动和宽带服务的融合。包括广播服务、移动服务和宽带服务成为一个单一的网络。随着网络向基于IP的技术的迁移，我们现在处在一个通信服务可以融合的时代。这主要是由于数字技术的使用，成本的降低伴随着计算能力的提高，数据压缩技术的进步和基于IP的分组交换的广泛采用。

参考文献：

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