我国数字电视标准技术对比与分析

2006年9月，国家广电总局颁布了我国地面数字电视国家标准，该标准是清华DMB-T方案和上海交大ADTB-T方案的融合体，前者采用单载波调制，后者采用多载波调制。本文介绍了单载波调制和多载波调制的工作原理，以及ADTB-T和DMB-T的优缺点。

什么是单载波调制和多载波调制
上海交大的ADTB-T方案和清华的DMB－T方案，双方争论的焦点就是，单载波调制性能优越还是多载波调制性能优越。因此，在这里还是有必要简单介绍一下，什么是单载波调制和多载波调制。所谓单载波调制，就是将需要传输的数据流调制到单个载波上进行传送，如：4-QAM（QPSK）、8-QAM、16-QAM、32-QAM、64-QAM、128-QAM、256-QAM或8-VSB、16-VSB等都是单载波调制。上海交大的ADTB-T方案选用的是单载波调制，在1999年50周年大庆试播的时候，上海交大的ADTB-T方案采用的是8-VSB数字调制，到后来才改为16-QAM数字调制。QAM调制也叫正交幅度调制，简称正交调幅；因为正交调幅有很多种调制模式，如上面列出的就有7种，一般记为n-QAM，n表示各种调制映射到星座图上的模数。模数越低，调制和解调电路就越简单，但传输的码率也相应降低，例如：4-QAM的码率为2bit/S，而16-QAM的码率为4bit/S。一般，信号传输条件越差，选择的模式就越低，例如：卫星通信只能选择QPSK，而有线电视可选64-QAM和128-QAM，甚至256-QAM；对于地面电视广播，信号发送一般选8-QAM、16-QAM、32-QAM，最高只能选到64-QAM。正交调幅就是把一序列需要传送的数字信号（2进制码）分成两组，并分别对两组数字信号进行幅度编码，使之变成幅度不同的调制信号，即I信号和Q信号，然后用I信号和Q信号分别对两个频率相同，但相位正好相差的两个载波进行调幅，最后再把两路调制过的信号合成在一起进行传送。由于在调制之前已经对输入信号进行过幅度编码，因此，这种调制也称为正交数字幅度调制。我国的HDTV如选用MPGE-2编码，最高传送码率大约为20M bit/S，如果选用16-QAM调制模式，其频谱利用率是每赫芝传送4位数据，即码率为4bit/S。由此可知其载波最高频率约为6MHz，经高频调制后采用残留边带发送，其载频带宽大约为7点多MHz。所谓多载波调制，就是将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，然后调制到在每个子信道上进行传输。如：n-COFDM，其中n为子载波数目。清华的DMB－T方案选用的是多载波调制，在DMB－T方案中采用3780-COFDM调制方式。多载波调制也叫编码正交频分复用调制。就多载波调制中的各个载波而言，其调制的工作原理与n-QAM单载波调制的工作原理基本相同，只是把需要传送的数据分成很多组（这里为3780组），然后每组再分成两组，通过幅度编码以后便可生成两组I信号和Q信号，而后用3780组I信号和Q信号分别对3780个频率各不相同的载波进行正交调制，最后把所有的调制信号合在一起进行传送。

ADTB-T和DMB-T的优、缺点
上面我们简单介绍了单载波调制和多载波调制的工作原理，下面我们进一步来分析单载波调制和多载波调制的优、缺点。根据上面分析，采用16-QAM单载波调制，其最高码率为24Mbit/S，载波频率为6MHz；如果选用多载波调制，在码率同样为24Mbit/S的情况下，采用3780-OFDM多载波调制，对于3780个载波平均下来，每个载波平均传送的码率大约只有6.3Kbit/S，这样，哪怕每个载波都选用QPSK调制，其载波的最高频率还是可以选得很低；如果选用16-QAM或64-QAM调制，其载波的最高频率还可以进一步降低。但这是在没有考虑解码以及图像信号处理需要时间的理想情况，实际并不是这样。一方面，在数字电视机中，选用的载波频率也不能太低，因为，数字信号传送的速度一定要大于图像信号处理的速度，这样，最后输出信号才不会产生间断。例如，我国HDTV的行扫描频率大约为32KHz，如果不考虑MPEG解码电路以及图像信号处理电路对输入信号处理所需要的时间，那么，多载波的最低频率就不能低于32KHz，否则，行扫描电路就会出现没有信号可扫描的情况，图像显示就会出现间断。因此，MPEG解码电路以及图像信号处理电路对数字信号传送速度也有同样的要求。另一方面，多载波解调制对数字信号进行分批处理时候，每次都需要等3780个载波传送的数据全部到齐以后，才能一次性地对数据进行处理，即需要对信号进行并转串处理；因此，其解调制过程消耗的时间相对来说比较长，其最低频率也就不能取得很低。另外，多载波调制一般都不采用残留边带发送，因此，调制后的频带宽度相对于残留边带发送来说大约要宽一倍。综合以上因素，就平均而言，多载波的平均频率相对来说可以低一些，但载波的最高频率与单载波的频率相对来说，并不会相差很大。载波频率低的最大好处就是，可以降低信号传送过程中的多经反射干扰（即图像重影效应）。下面我们分三种情况来分析：比如单载波频率为6MHz，其周期为0.17uS，两个正交载波相差1/4个周期（90 o），为0.0425uS；由于电磁波的速度约等于光速，即每微妙为300米，那么，频率为6MHz的载波对应于一个周期所传播的距离就是51米，即波长为51米；半个周期为25.5米（半波长），1/4个周期为12.75米（1/4波长）。如果反射体的路经距离正好与电视接收点相差12.75米（或1/4波长的奇数倍），即电视接收机相当于同时收到两个信号，一个是主信号，另一个是反射信号，两个调制载波信号的相位正好相差90 o（1/4波长）；这样，两个调制载波信号互相叠加以后，不但会改变原来信号的相位，同时也会改变信号的幅度，结果相当于I和Q两路信号互相串扰，并且，当两个信号叠加之后的相位差越接近90 o时，即反射信号越强，干扰就越严重；在这种情况下，数字电视接收机的调制解调电路可能无法正常解码。如果反射体的路经距离正好与电视接收点相差半个波长（25.5米，或半个波长的奇数倍），则两个调制载波信号的相位正好相差180 o（半波长），由于正交调制的两路信号（I和Q）都是对载波的半波进行幅度调制的，因此，两路调制过的信号合成之后就相当于是对载波的1/4波进行调制；当原信号正、负半周是对称时，则两个信号互相叠加的结果会使接收信号减弱，相当于电视接收机接收灵敏度降低；当原信号正、负半周不是对称时，则两个信号互相叠加的结果会使接收信号失真，相当于两路信号（I和Q）互相串扰，与两个调制载波信号的相位相差90 o时没有多大区别。

如果反射体的路经距离正好与电视接收点相差1个波长（51米，或1个波长的整数倍），两个信号的相位正好相差360 o（1个波长）；当原信号正、负半周为对称时，则两个信号互相叠加的结果会使接收信号加强，相当于电视接收机接收灵敏度提高；当原信号正、负半周不是对称时，则两个信号互相叠加的结果会使接收信号失真，相当于两路信号（I和Q）互相串扰，与两个调制载波信号的相位相差90 o时没有多大区别。由此可见，只要接收到两个信号（主信号和反射信号）的相位角相差正好是90 o（1/4波长）的整数倍，对单载波正交调制信号造成的干扰最严重；对于其它相位差同样也会产生干扰，只是干扰程度相对来说没有90 o时那么严重。假设多载波的最高频率只有3MHz，即为单载波频率的二分之一，相对来说多载波的波长比较长；根据两点之间的电磁场强度与距离的平方成反比的定理，可以求得，在1/4波长处是干扰最严重的地方，两者的电磁场强度相差4倍。而对所有载波平均而言，甚至可以相差几百倍，即多载波调制的多经干扰相对来说比单载波轻。但多载波调制和解调的过程都非常麻烦，多个载波经过调制后合在一起传输，解调时对其再进行分离就非常困难；因为，在高码率传送之下，它无法用滤波电路把各个调制载波信号选出来，只能采用同步分离的方法，因此，它对同步信号的相位要求非常严格，所以多个载波对相位噪音的要求比单载波高很多。如果多载波调制信号解调时各个载波信号分离不干净，就相当于多个载波之间会互相产生干扰，信噪比（S/N）就会降低。一般多载波解调电路要求信噪比（S/N）的门限值要比单载波解调电路高好几个db（根据报道为3-4dB）。目前已经有很多方法可以降低单载波多经反射干扰，例如，采用数字延时均衡技术，即从信号中取出一部分信号经延时一个相位后再与原信号叠加，现在这种技术可以通过软件控制来实现，将来所有的数字信号接收机都可以采用这种技术。

很多人都认为，只有多载波调制才能用于移动电视接收机，而单载波调制无法实现移动接收的功能。我认为，这种想法毫无道理。比如，一辆汽车的速度是每小时100公里（28米/秒），那么，它跑1/4周期（6MHz）的时间（0.0425uS）所对应的距离就是1.19×10－6米，这相当于2.3×10－8个波长；或它跑1/4波长的距离（12.75米）所对应的时间为0.46秒，相当于2710000个周期。这两个结果无论是在时间上或在距离上都没有可比性。因此，汽车速度对单载波的相位影响几乎等于零。而受影响最大的反而应该是，在0.46秒时间内，数字延时均衡电路是否能正常工作。而对于高频载波在移动接收过程中产生的多普勒效应，它只影响接收频率的偏移，这种影响对单载波调制和多载波调制都是一样的。特别值得注意的是，由于ADTB-T是单载波技术，因此，它对广电原有的发射系统能够很方便的接洽。根据资料分析，在前端数字化改造方面，交大方案的成本要比清华方案的成本节省约80%～90％，仅需要一个MPEG和ADTB-T调制器即可利用原有模拟发射机发射数字信号，而清华方案必需要整套更换成全新的数字发射机，这笔代价在边远地区还是需要斟酌的很大的一笔开销。同时，在衡量一个数字信号接收的时候，还需考虑信号的接收稳定率；由于是数字信号的属性是0和1，就是要么收到，要么收不到，这就凸现门限的意义；根据测试结果，DMB-T的接收门限比DVB-T低，可ADTB-T的接收门限比DMB-T还要低，这就是为什么采用ADTB-T的发射系统其覆盖范围比DMB-T的发射系统的覆盖范围更广阔的原因，因为其门限低，采用ADTB-T接收机的灵敏度要比DMB-T接收机的灵敏度高3-4dB，因此，其能够在更远的距离上接收弱信号。

另外，上交大单载波系统在组建单频网（SFN）时，对发射机时钟频率的精度和稳定度的要求仅为E-9。这同任何多载波系统相比，要低三个数量级，因此，其工程造价较低。在发射功率方面相比，上交大单载波系统的发射机平均功率是多载波系统的二分之一，其标定功率则是后者的五分之一。即：在同样的覆盖范围之内，为了实现高数据率的固定接收，上交大方案需要1kW的平均发射功率，则其发射机的标定功率需要4kW，因为其峰均比（PAR）接近6dB。而对于多载波系统（以欧洲标准为代表）而言，如果要覆盖相同的地区，则其平均发射功率需要2.0-2.5kW。这是因为：多载波系统与单载波系统相比，载噪比（C/N）门限值要增加3-4dB。其次，其发射机的标定功率需要20-25kW，因为其峰均比（PAR）接近10dB。选用单载波系统将来还可以把地面接收和有线接收同用一个高频头和解码器，因为，目前有线电视采用的调制方式基本上都是采用64-QAM，而地面传输一般都采用16-QAM，将来也可以选用64-QAM。上面这些分析，对老百姓来说，不一定会感兴趣；但老百姓感兴趣的是，怎么样能买到既便宜又好用的电视机。相比之下，交大方案数字电视接收机的生产成本大约要比清华方案的生产成本低20%～30%。这很清楚，如果由老百姓自己来选择的话，他们一定会知道自己应该选择什么样的数字电视接收机。