地面数字电视信号实时传输的改善措施

■山东省广播电视传输保障中心昆嵛山转播台：于仁迪

地面数字电视作为传统广播电视向数字化高清转型的产物，自21世纪中期开始获得全面应用与发展。我国于20世纪末提出了数字电视网络规划，2007—2015年期间陆续完成模拟电视向数字电视的转换。目前地面数字电视已经覆盖全国绝大部分地区城乡居民，成为电视媒体传输的主流技术。在传送标准和发射站建设逐步完善的背景下，如何确保信号高效实时可靠传输，提升终端用户体验，是摆在地面数字电视产业面前的重要课题。因此，本文针对地面数字电视信号传输特性进行研究，阐述了地面数字电视信号传输影响因素，从而提出了改善地面数字电视信号实时传输的措施。

1. 数字电视信号实时传输概述

随着数字电视技术的发展，地面数字电视信号从制作端到用户终端的实时传输已成为行业发展趋势。实时传输指信号源内容在产生后的极短时间内，就被传送至用户终端显示，其最大特征在于传输延迟极低。地面数字电视信号具有强制性的实时传输需求，这主要体现在频道切换和直播广播等业务中。为支持上述服务，数字电视网依赖于高速宽带传输通道和严密的时间同步机制。运营商利用数字调制和纠错编码技术，从而保障信号实时传输品质。但随机性延迟抖动仍可能引起画面卡顿和马赛克。应用层仍需注意防止IP分组丢失与重新排序问题，以满足数字电视对实时传输的苛刻标准[1]。

2. 地面数字电视信号传输特性

2.1 服务覆盖面广

数字信号传输功率高、发射设备成本低，可在不增加发射站数量条件下扩展服务半径。例如：我国部分地区采用8 kW的发射功率，农村覆盖半径超过40km。此外，数字电视网支持单频网模式，相比分频网频谱高效很多。调制方式的灵活配置，可以更好适应不同用户密度区域。在电磁波衰减大的复杂地形环境下，数字电视信号调制可靠、纠错强健，抗干扰能力显著增强。因此，服务覆盖面广是地面数字电视的突出特点。具体实现技术上还需综合规划发射模式、发射功率和安装分布等参数。

2.2 传输网络灵活

地面数字电视信号传输的网络实现形式丰富，可分为无线传输和有线传输。如在无线传输方面，数字电视网相较模拟电视可利用单频网络技术，大幅降低对频谱资源的占用；在有线传输方面，数字电视信号能够通过光纤、同轴电缆等各类网线进行传输，还支持按IP协议的数据包封装并传送，展现了数字电视传输网络的高度灵活性。地面数字电视的传输网络构成多样，支撑多种信号传输手段，扩大了网络的适应范围。

2.3 抗干扰能力强

地面数字电视信号在传输过程中，常面临多种干扰源的威胁。与模拟电视相比，数字电视通过引入调制、编码、信号处理等技术手段，极大提升了信号的抗干扰能力。这种抗干扰能力的显著增强，成为地面数字电视信号传输突出特点之一，保证了信号在强噪声干扰环境下传输的可靠性，减少了误码率[2]。

3. 地面数字电视信号实时传输过程中的影响因素

3.1 天气条件

地面数字电视信号传输容易受到雨、雪等恶劣天气的影响。一方面气溶胶的存在会产生衰减和散射作用，从而减小有效信号强度；另一方面暴雨雪形成的大量水分子，会产生新的散射体和吸收体，促使信号损耗加大。统计数据显示，部分地区较为严重的台风、暴雨都会对数字电视信号的收视造成不同程度的干扰。例如：在青藏高原等地区，冬季大雪对无线数字信号传播产生阻塞效应，严重阻碍视距传播路径，距离较远的用户会出现明显的噪声立方增大，信号丢包、画面失真等质量下降的问题。而在东南沿海等地区，数字电视信号在台风雨汛期间也常出现中断，甚至在风力较大区域发生几公里范围内的区域性停摆。因此，面对天气环境的不确定性，要提高数字电视信号的抗干扰性能，还需从系统层面增强链路的冗余度和稳健性。

3.2 地形和建筑物

地面数字电视无线电波信号传播，容易受到地形地貌的阻挡和遮蔽。诸如高山、丘陵等复杂地形，都会使传播路径产生衰减、折射、散射等效应，这种遮挡对电磁波造成类似物理屏障的屏蔽作用，在传入信号方向形成电波的衰落区。例如，山峰地形会产生信号绕射，山谷地形会产生致盲区；而丘陵等起伏地带则容易产生传播信号的多次反射。此外，城市区域内密集的高楼大厦，采用了金属材质和射频吸波结构，也会形成大量的信号反射、折射效应，传播路径进一步复杂，造成严重的多途径衰落、图像产生严重回声、虚影等质量退化等问题。由于地面数字电视使用470～860 MHz的高频UHF频段，这类频率对地形遮蔽和建筑反射的敏感性加大，相较模拟电视的频段，地面数字电视信号更易产生衰减和扰动。

3.3 信号源和接收设备的质量

地面数字电视信号传输的质量与终端设备的性能密切相关，信号发射站所用的发射天线及射频功放器的技术指标，决定了发射数字电视信号的频谱纯度、发射增益和发射功率等参数的高低，直接影响传播过程中的信噪比和覆盖质量。用户终端中机顶盒和数字电视机所使用的调频解调、信道译码与信号处理电路的性能，也决定了复杂环境下接收数字电视信号的稳定性。传输线路中如光纤链路、同轴干线、发射站间微波链路等设备的技术指标，也是影响链路可靠性的关键因素。高品质的源站和终端设备，良好的传输网络性能，是实现地面数字电视信号稳定传输与反馈的基础[3]。

4. 地面数字电视信号实时传输对接收效果的影响分析

4.1 信号传输延迟

4.1.1 传输路径延时

地面数字电视信号所经过的无线传输距离较长，空间传播存在时间延迟。无线电波空间传播速度仅为光速三分之一，传播范围就带来明显延时。复杂地形也影响传播时间。针对微秒级的传播延迟，数字电视对同步和精度要求较高，这关系到源头与用户终端之间的时延抖动控制。传输路径的距离与环境对地面数字电视的实时传输产生一定的负面影响。

4.1.2 信号处理延时

地面数字电视信号传输链路上设置有多级信号处理设备，带来一定的缓冲等待时间。例如：发射端信号处理设备负责源编码、多路复用、信道编码、频率调制等处理，其时延积累影响整体传输时效。终端用户设备中的调制解调、信道译码、多媒体处理等视频音频信号的还原处理，也存在框架间的等待与缓冲现象。特别是当下级设备的处理能力较弱时，重复的编解码与格式转换处理带来更大延时。信号处置与传输所存在的这类“软”延迟，叠加在传播“硬”延迟之上，进一步拉大终端用户对源内容的感知延时，不利于地面数字电视的实时体验，影响接收效果。

4.2 接收质量下降

4.2.1 图像清晰度、色彩还原度降低

地面数字电视信号经过有损的实时无线传输后，终端用户感知到的图像清晰度和色彩还原质量可能出现减弱。这与传输链路中的编码压缩损耗、无线信道诸多随机干扰源以及终端设备硬件解码性能等因素相关。例如：源头使用越高的压缩比，丢失的图像细节和色彩动态范围越大，这类“数字压缩噪声”难以避免；而室外天线接收的传播信号，容易受到相邻频段的共信道干扰，产生图像泛光、雪花噪声，损害了清晰度和色彩纯度。因此，地面数字电视信号经过复杂环境的实时编码传输，图像视频质量的劣化在一定程度上不可避免，使观众端感受到的接收效果存在差强人意的情况。

4.2.2 声音质量下降，出现杂音

地面数字电视信号的实时传送对音频质量提出了更高要求。在编码传输环节中，源声音信号经压缩后易造成接收端音质下降的问题。例如：在低码率条件下的语音编码，常使人声产生低保真的音质效应。此外，传输链路中的噪声干扰也会引入破裂的杂音。特别是无线信道质量变化时，容易出现丢帧和重复的音视频不连贯问题，严重影响观众端的声音质量体验。

4.3 抗干扰能力减弱

4.3.1 强干扰下信号丢失率提高

地面数字电视信号实时无线传播可靠性较差，容易造成数据丢失。其主要源于强噪声干扰条件下，传输系统抗干扰性能的减弱。诸如遇到恶劣天气时信道质量剧烈变化，或车载移动终端快速切换覆盖区域，都可能产生瞬时的深度信号衰落。这时调制正交特性难以恢复载波，信号完全丢失的概率大为增加。在有源服务条件下，视频语音传输的帧与码流随机丢失，势必造成画面失真、卡顿和音频出现杂音。

4.3.2 接收信号稳定性变差

地面数字电视信号实时无线传播的随机脉冲噪声，会导致用户接收端信号品质时变性上的波动问题。当传输链路中信噪比剧烈起伏时，会出现严重的误码率突增。接收机解调译码环节的误码校验、纠错中会因突发激增的误差率而不符合要求。此时前向纠错能力退化，直接导致图像视频语音出现马赛克、抖动、杂音等大面积质量损伤。这类接收端信号品质的剧烈波动，失去稳定性，对用户感知造成极其负面影响。尤其是当传输链路抗干扰能力本身存在不足时，稳定性更易受损，影响数字电视的实时体验效果[4]。具体原因流程如图1所示。

图1 地面数字电视信号传输稳定性变差原因分析流程图

5. 改善地面数字电视信号实时传输的措施

5.1 选择合理的调制编码模式和码率

改善地面数字电视信号实时传输，需要匹配信道与业务选择调制编码模式与码率配置。面向固定用户时可采用抗干扰强的8K/64QAM参数；针对移动场景则应降级使用16QAM模式，避免误码翻增。此外，针对大容量高清业务量，选择HEVC等高效视音频编码压缩算法，可在保证质量基础上节省比特率开销。发射端还需考虑其信道干扰情况，适当调低发射功率。调制编码参数的设置需要结合用户分布、目标服务区域等，采用仿真分析方法获得最佳配置方案。

5.2 增加差分编码以提高抗干扰能力

针对地面数字电视信号传输过程中的突发脉冲噪声干扰，采用差分编码机制可以有效提升其抗干扰能力。差分编码通过计算当前编码单元帧与之前帧的差分信息，而不是直接编码，可将随机误码转化为固定模式的稀疏误差，便于后续差分译码端的纠正。这种基于帧间时间冗余的编码自适应算法，可显著减小突发单个误码爆发对图像质量的破坏程度。具体实现上，可在视频帧内运动补偿过程中增加差分帧类型，进行层次化缩减冗余编码。这种融合全差分与帧内差分技术的设计方案，可基本消除10 dB高斯白噪声环境下视频质量损失，增强抗干扰性能。

5.3 部署主、备传输链路实现冗余备份

为增强地面数字电视信号传输的可靠性与容错性，可构建主备冗余的传输链路与设备。例如：在发射系统端，可采用1+1热备份机制，实现两个独立并行的发射子系统同时工作，主系统故障时，备系统快速接管信号发射。这种主备发射方式可实现信号无缝切换，避免覆盖范围中出现的长时间工作间隙。在长途干线传输环节也可部署光电复用的1:1备份链路，一条信道发生中断时迅速完成业务回切。同时，发射站之间也应建立微波装备冗余方案，组成自愈式传输网格结构。

5.4 加强终端信号实时监控预警机制

为准确判断地面数字电视信号传输的实时效果，需要在用户侧加强对接收信号品质的测量与监控。如在机顶盒等终端设备上可内置信号强度与质量参数的采集模块，如载波幅度、信噪比、误码率等的测量。将这类客观质量参数进行归一化处理后，以指数的形式呈现和记录。同时将监测指标与预设的质量阈值和服务级别协议相对应，设定超出正常范围的视听预警与告警。终端可通过这套预警机制对信号异常情况进行实时监测与评估，并有针对性地触发台站和运营商的检查与修复环节，从而保障信号的传输质量与用户体验[5]。

6. 结束语

地面数字电视采用无线实时传输方式，难免面临传输路径的时间延误，以及信号解码处理中的“软”延时问题。这对数字电视的低延时高同步需求带来一定的负面影响。此外，复杂多变的环境干扰是造成接收质量下降、抗干扰性能削弱的关键因素。为改善这一切实情况，应合理配置调制编码模式，以适配不同用户与场景，还可采用差分编码算法提高抗干扰能力。同时，从系统层面增设主备传输链路，构建冗余备份与可恢复的传输机制，以及在终端实时监测信号异常与质量预警等手段，保障数字电视信号实时可靠传输。未来，随着无线通信技术持续演进，数字电视信号传输与保障理论与方法也可望不断完善，以期实现极低延时和稳定高品质的无线实时互动体验。