高清地面传输技术

文｜宋文君

高清电视HDTV是High Definition Television的简称，意思是高清晰度电视，它是一种数字电视技术。数字电视技术是指从演播室到发射、传输、接收过程中的所有环节都是使用数字电视信号，或对该系统所有的信号传播都是通过由二进制数字所构成的数字流来完成的。也就是说HDTV从电视节目的采集、制作到电视节目的传输，以及到用户终端的接收全部实现数字化。

高清电视与传统模拟电视和标清电视相比更强调画面、声音的清晰度，其扫描线在1080行,每行1920像素，宽高比16:9，与4:3宽高比的标清电视相比，画面的震撼力更强，更加符合人们的视觉特性，图像质量更高。它的音频效果也很好，通过和家庭影院搭配使用，输出杜比5.1的环绕立体声，可以实现良好的视听效果。由于它采用全数字化的信号处理模式，图像在传输过程中，不会出现任何低质量问题，因此用户在家里也可享受与演播室一样的清晰画面质量。

高清电视最早是由美国联邦通讯委员会FCC提出，在已有的地面电视广播频道规划下，通过使用空闲频道或原来的禁用频道与现行的模拟信号实现同播, 以后将通过同播作过渡, 逐渐取代模拟电视。这一计划对于频率资源再利用和现有电视向HDTV过渡都具有很重要的意义。

高清地面传输中的干扰抑制

地面无线传输作为电视广播传输的传统手段，由于其独具的简单接收和移动接收的能力，能够满足现代信息化社会所要求的信息到人的基本需求。通过电视台的制高点天线，对外发射无线电视，对所有电视用户进行覆盖，用户可以利用接收天线及电视机随时观看电视节目，这是支持地面传输的基本传输形式。过去，在模拟电视传输网络状态下，难以解决噪声污染、多径干扰等问题，因此人们只能将天线放在室外，因此楼群中大面积发展公用天线。HDTV地面广播在未来数十年中将成为新的需求增长点，具备极大的商业价值，但与卫星广播和有线电视相比，它也有信道质量恶劣、干扰严重、频道资源紧张等问题。所以HDTV地面广播在传输系统中也要对干扰采取抑制措施。

在HDTV地面广播的传输中主要有噪声干扰、多径干扰和同频干扰3种干扰形式。

（1）噪声干扰

数字电视地面广播中的噪声干扰主要有两类，一类为高斯白噪声，另一类为冲激噪声，这两类噪声干扰都属于加性干扰，会叠加在电视信号上。噪声干扰在模拟电视中造成雪花，但在数字电视中会造成图像的大面积失真，甚至无法收看。

（2）多径干扰

多径干扰又叫回波干扰，在地面广播中最为普遍，地面广播中发射信号的电磁波遇到山脉、树木及楼房等障碍物时产生十几秒的回波，反射信号进入接收机中就会造成回波干扰。回波干扰在模拟电视中造成的就是重影，而在数字电视中造成的是数字通信中的符号间干扰。

（3）同频干扰

为了提高地面广播的频谱资源利用率，将数字电视放在禁用频道上广播，而禁用频道在本地的模拟电视不用，只是在相邻服务区的模拟电视中使用，这样，在本地的禁用频道中播放了数字电视，这种方式叫“同播”。由于同播的要求，相邻服务区同一频道的模拟电视节目有可能进入数字电视接收机，产生同频干扰，这种干扰仍然属于加性干扰。

高清电视（HDTV）是全球广播电视行业最引人注目的焦点之一，它已成为第3代电视标准。2008年1月1日北京进行地面数字广播高清（HDTV）业务和标清（SDTV）业务，构建了33频道中央台高清和14频道北京台高清地面发射系统。从2010年开始，高清市场在全国进入快速发展期。

应对HDTV地面传输中的这些干扰有以下的抑制方法：

（1）噪声干扰的抑制

为了消除噪声干扰,在数字电视地面广播的传输系统中要加入强有力的纠错措施。传输系统中的纠错编码由两种纠错码级联构成，一般将具有强大的纠正连续误码能力的RS码（Reed-solomon码）作为外码，内码一般选用卷积码,因为在相同的编码效率的前提下,卷积码具有比分组码更优良的性能。目前这一技术已被广泛地应用于数字电视系统中,系统中的内码和调制是综合进行的。而冲激噪声的抑制需要将交织与纠错编码一起进行。

（2）多径干扰的消除

目前,克服多径干扰的方法在技术上可以分为两类:时域均衡技术和正交频分复用调制技术(OFDM)。

均衡技术是一项传统技术,被广泛应用于数字通信系统中,美国的ATSC地面系统(ATSC 8-VSB)采用均衡技术来消除回波，它的特点是技术成熟。但均衡技术只适用于消除时延较短的回波，对时延较长的回波效果差,而且对回波时延的变化很敏感，此外它的结构也很复杂。

（3）同频干扰的抑制

数字视频广播系统的信号发射功率低于普通电视信号的发射功率,所以数字视频广播对相邻服务区普通电视的干扰几乎为零，但当数字电视信号与同频道的普通电视同播时，普通电视可能对数字电视产生干扰。美国和欧洲解决同频干扰的方法不同,在美国的系统中,使用一个NTSC同频干扰滤波器，比较好地消除了同频干扰，但收发两端需使用12对编解码器，系统的结构复杂。欧洲DVB系统采用的是OFDM方式，考虑到普通电视的能量集中在视频载波、色副载波以及伴音载波附近,可以直接在频谱上开槽来消除同频干扰，这种方法实现起来简单，无需另外增加设备,但在频谱利用率上有少许降低。

高清地面传输原理

从上述对地面传输的分析来看，HDTV的地面广播不仅要有高效的图像压缩编码技术，保证能在6/8MHz带宽内传送，更要有一整套信道编码措施，如R-S纠错编码，扰码、交织、格形编码及调制技术来保护。

HDTV地面广播的基本要求是在单个频道（6/8MHz）内传输经压缩的图像和伴音信息。图1是全数字式HDTV发送端原理框图。

下面对这几个过程逐一分析：

图1 HDTV发射端原理图

信源编码中的图像信号: 活动图像专家组(MPEG)建议的具有运动补偿的帧间预测/离散余弦变换, 压缩比在20-60之间。

信源编码中的伴音信号:可采用杜比AC-3的算法, 5.1 声道(五个声道加一个重低音声道的环绕声)编码。

扰码器的作用是避免信息比特流长时间为0或1 ,以免影响有关的同步信息提取。由于电视频道带宽限制和HDTV高信息速率要求, 需采用多电平传输。

RS 编码（Reed-solomon码）是行之有效的多符号纠突发错误的编码方法, 是一种改善抗干扰性能的外信道编码。在同样编码冗余度下,RS码具有最强的纠错能力。RS码在通信领域已被广泛地应用。当前国际上所提出的各种数字HDTV地面传输方案无不采用RS码。以RS码作为外码,多电平格状编码作为内码的级联码,加上完全的数据交织,为数字HDTV传输提供强有力的前向纠错能力。

交织编码器用来进一步减少信道中的突发干扰影响, 因它可使突发干扰变成随机干扰。纠错编码在实际应用中往往要结合数据交织技术。这是因为许多信道中差错是突发的,也就是说发生错误时,往往是有很强的相关性,甚至是连续一片数据都出了错。这时由于错误集中在一起，常常超出了纠错码的纠错能力。所以在发送端加上数据交织器，在接收端加上解交织器，使得信道的突发差错分散开来，把突发差错信道改造成独立随机差错信道。

内信道编码和调制结合在一起优化成格状编码,其结果在不改变波形速率,也就是不改变带宽的条件下,通过扩展了使用的信号电平数,也就是扩展了采用的信号数目,使得按波形的符号错误概率的性能得到了改善。但同时也使设备相应变得复杂了。利用格形编码, 可使系统在几乎不增加带宽下, 获得相当的编码增益(3-5dB), 从而改善系统抗噪声能力或降低解调门限。

同步信号加入是为了保证信息传输的同步要求, 而测试信号则是为了利用它在接收端来估计信道特性。

由于广播信道受环境条件影响大, 导频信号的插入可保证在强干扰下系统能维持正常工作。

最后, 经调制将信号送至射频发射。其中, 调制的基本要求是, 调制后的信号满足电视频道(6/8MHz)带宽的要求。

图2是相应的接收机原理框图。

图2中, 通过中频（IF）滤波器可获得导频信号。为此, 利用频率和相位锁定环路获得本地相干载波, 实现相干解调。

抑制滤波器的作用是尽量减少同频道的现存模拟制电视信号的影响。其基本原理是利用梳状滤波器的特性把能量主要集中在三个载波(图像、彩色副载波、伴音)的模拟信号加以抑制。为避免该滤波器对HDTV信号影响, 在发射端应作相应的预编码。

均衡器用来补偿信道的线性畸变。基本原理是: 通过检测测试信号, 获得有关信道的状态信息 , 从而对接收的数据信息进行线性补偿。时域均衡是在匹配滤波器后插入一个带抽头的延时线组成的横向滤波器，抽头间隔等于符号周期,各抽头的延时信号经加权后送到加法器输出，再经抽样送往判决电路,各个抽头的加权系数是自适应调整的,这样就可以消除符号间干扰。

其它的处理，均为发送端的逆过程。

图2 HDTV接收端原理图

高清地面调制技术

高清电视在VHF（甚高频）/ UHF（超高频）波段进行地面传输中都采取全数字技术,其基带信号调制主要有两类方式,一类可称为单载波方式，即正交幅度调制(QAM)和残留边带调制（VSB）方式,另一类可称为多载波方式，即OFDM(正交频分复用)调制方式。目前，我国高清地面电视33频道和14频道都使用16QAM调制方式，标清地面电视32频道使用OFDM多载波调制方式。就以上所提到的HDTV地面传输的一些要求, 对这两类调制方式进行讨论。

单载波调制方式

首先来看单载波调制方式, 即QAM和VSB调制方式。采用双边带调制时,数字HDTV信号要能在6/8MHz信道传输,必须采用4bit/s/Hz的调制方法。如果使用简单的幅度波形，则要用16电平幅度调制,但这种信号的抗干扰性能很差。可以把数据流中每4bit的数字分成两个2bit数字,分别构成4电平波形,再调制到载波的两个互相正交的分量上。由于载波的两个分量相互正交,在接收端对合成信号可以采用同步解调恢复出两路4电平波形并且不会引起互相干扰。通常载波的两个正交分量分别称为同相分量I和正交分量Q。这种方法称为正交幅度调制(QAM)。

QAM传输方式属串行传输方式，为对付信道中的多径效应，接收端必须加入自适应均衡器，以抵消码间串扰。

由于残留边带调制的信号带宽接近单边带调制信号的带宽（即基带信号带宽），故用8电平VSB调制，即可满足17-20Mbit/s的信息流在6/8MHz信道带宽中传输。

正交频分复用技术(OFDM)

相应于单载波调制, 还有一种多载波调制方式(MCM, 也称为正交频分复用OFDM调制)。在单载波调制中, 每一个符号都是对一个载波进行调制。压缩后的符号占满整个频带。而在多载波调制中, 是把频带分为若干个子频带, 使用并行数据对多个载波同时进行调制, 数据对各并行载波的调制可以采用PSK、QAM等多种方式。考虑到频谱利用率, 一般采用QAM进行调制。使用QAM调制的子频带即使频谱交叠,但仍可以进行正交解调, 并无载波间的干扰。

OFDM信号的一个好处就是实现时可以采用IFFT（快速傅里叶逆变换）和FFT（快速傅里叶变换）作调制器和作解调器，这可以大大降低系统的复杂性。

实际上，多载波调制可以认为是一种频域技术, 而单载波调制则是一种时域电子技术, 因此，存在一种时域和频域的对称性。多载波调制抗时域冲击干扰能力较强, 因为这一干扰会在FFT中被抹平。但由于多载波调制中各并行载波的功率都很小, 因此易于受频域冲击干扰的影响, 单频干扰会严重损伤载波。而单载波调制抗频域冲击干扰能力较强, 只要单频干扰信号低于载波功率一定水平即可, 但单载波调制较易于受时域冲击干扰的影响。

调制技术是HDTV传输的关键技术之一, 尽管HDTV地面广播环境最复杂, 条件最恶劣, 但研究全数字式的HDTV地面广播传输体制仍是现阶段的热点。特别是利用OFDM技术利于组成单频网，前景诱人。

结束语

2009年，总局先后下发《关于促进高清电视发展的通知》和《关于促进高清电视发展的补充通知》，明确了高清电视发展的原则、措施和要求，批准中央电视台新闻综合频道和北京等8个卫视频道高、标清同播。2009年9月，同播的9个高清电视的发展方向高清频道一同开播，同时进入有线电视网络传输，培养了高清电视市场，促进了高清电视节目和影视剧制作，带动了高清电视设备的研发和生产，为高清电视发展奠定了良好基础。

随着高清技术全球产业化, 以及消费级的高清平板电视的日益增长, HDTV 这一技术已经逐步迈入寻常百姓家。 HDTV 是整个数字电视技术及产业发展的趋势, 也是地面数字电视广播业务的主流应用。我国地面 HDTV发展的计划是争取用几年时间尽快在全国推广开来, 届时全国90%以上的人都能通过无线数字电视的方式收看到地面HDTV节目。免费 HDTV节目的播出, 使消费者每年节省约千元的收视费用, 将会对用户的地面数字电视和高清设备消费带来新一轮动力。我国 HDTV技术的进步和相关市场的新一轮发展, 也将带动亚太地区 HDTV市场的加速发展。■