从ATSC1.0到ATSC3.0/3.1过渡的简洁快捷途径——基于LDM(层分复用)+OFDM(或OFDM/SCS)

徐孟侠

从ATSC1.0到ATSC3.0/3.1过渡的简洁快捷途径
——基于LDM(层分复用)+OFDM(或OFDM/SCS)

徐孟侠

摘要:介绍ATSC3.0草案标准3方面技术亮点：1)广播业者优先向用户提供无线宽带互联网的移动接收服务；2)其视频节目源频谱利用率与1.0相比，有约5.1倍关系；3)采纳层分复用(LDM)创新技术后，不更换发射机的条件下，可在6 MHz频道内、同时提供传统屋顶天线固定接收的4K-UHDTV(用户“在家时”)和其720p-HDTV版移动接收(用户“出门时”)共两大类崭新服务。重点向ATSC主席建议，依据新资料的详细说明：增添LDM+UL-OFDM/LL-SCS新内容；对于美国超过90%的中小广播业者，提出一条简洁快捷途径、实现ATSC1.0向3.0/3.1过渡，即用极少量投资、抢先发展单向的服务，从数字红利中积累资金，以缓慢步伐逐步升级，也能达到建成用户以双向无线宽带互联网移动接收为主的同样目标，而技术上则采纳LDM+OFDM或LDM+OFDM/SCS。此外，还讨论ATSC3.0组建大中小功率发射的合理地面数字电视网络部署，再次建议ATSC3.0采纳中国地面国标已应用的“宽带多频道DTV发射机组建M-SFN”技术。关键词:地面数字电视广播；ATSC3.0/3.1；过渡；层分复用；单载波系统；M-SFN

1ATSC3.0国内外发展成果

1.1ATSC3.0草案标准制定的进展概况[1]

2011年10月，SkipPizzi(NAB，美国广播业者协会)代表ATSCPT-2(规划组-2)提出对ATSC3.0的160多条需求。2011年11月11日，ATSC等11个机构在上海发布“未来广播电视(FOBTV)倡议”宣言，表达联合制定全球通用广播电视系统标准的共同愿望，并成立FOBTV国际组织[2]。2011年11月30日，负责制定ATSC3.0草案标准的ATSC/TG-3(技术组-3)举行首次会议。2013年3月26日，TG-3发布对ATSC3.0物理层“征集提案(CfP)”，并在截至日期2013年8月23日后共接纳11个提案，其中1个来自中国，由上海数字电视国家研究中心(NERC-DTV)[3]牵头。

[注1]上海交通大学和中科院下属上海高等研究院参加，共3个单位。后来，还有NERC的3个电视工业成员单位参与有关活动：深圳TCL、青岛海尔和北京北广科技。

2013年10月15日—18日，TG-3举行3天会议，物理层11个提案单位各自详细介绍其提案细节，共同讨论如何合作进行工作和组织实施等。2014年6月24日，ATSC/TG-3主席Rich Chernock在中国烟台举行的“FOBTV峰会”上，发表“ATSC3.0的进展”[4]，这是7个月来TG-3首次阶段性的公开报告。

媒体报道，先后有3个合作单位宣称可演示ATSC3.0的4K-UHDTV系统：1)2014年10月，美国Sinclair广播集团(SGB)与其下属Technicolor合作，在Baltimore(华盛顿东北)进行ATSC3.0的实验性广播。2)2015年1月，韩国三星/美国Comark/法国Teamcast合作，在CEA(美国消费电子协会)年会展台演示ATSC3.0的4K-UHDTV系统。3)韩国LGE、其美国分公司Zenith和美国GatesAir广播集团合作组成的FutureCast联盟，动用大功率发射机，从2015年7月1日起进行为期9个月的ATSC3.0现场测试，其地形特征是位于Palma的发射机西侧是楼群密集的大城市Cleveland；北侧有大湖，其北岸为加拿大地区，可接收其信号；而其余大部分地区则是起伏不大的郊区农场平原。但上述3方面的活动都没有获得ATSC授权。

2015年4月11日至18日，美国NAB年会期间，ATSC安排特殊展台，演示ATSC3.0的3个核心成果：

1)西班牙Basque州立大学PabloAngueira教授小组和韩国电子通信研究院(ETRI)合作演示ATSC3.0的“层分复用(LDM)”技术[5-6]，在6 MHz频道内，下分层(LL)是4K-UHDTV，而上分层(UL)则是其720p-HDTV版(载噪比门限值低于0 dB)，上下分层采用可伸缩视频编码MPEG-HEVC/H.265。

2)中国NERC-DTV[3]演示了ATSC3.0物理层的4K-UHDTV全链路，从发送端(摄像机拍摄景物)、视频编解码、信道编解码、自引导程序、激励器和发射机、空中传输，到接收端等多种技术，包括4K-UHDTV的大屏幕显示等。

3)以Triveni Digital为代表的3家美国公司演示了ATSC3.0各种个性化的交互式功能。上述3方面演示了ATSC3.0已获得的成果。

接着ATSC按计划在华盛顿举行2项重要活动：

1)2015年5月13日举办“训练营(Bootcamp)”，共发表16篇幻灯片报告[7](2015年5月28日在ATSC网站[1]发布)。

2)2015年5月14日举行“广播电视会议”，在ATSC网站[1]先发布其重要视频片断和照片，后有快讯。特别是超级高峰论坛由担任过FCC主席和积极推进ATSC1.0标准的Dick Wiley主持，而3位发言人则分别是NAB主席Gorton Smith、NCTA(美国有线和电信协会)主席Michael Powell(也担任过FCC主席)和CEA主席Gary Shapiro。这3位已担任多届负责人，他们共同认为[1]：ATSC3.0在今后几年内将给电视带来“光明的未来(bright future)”。

综合上述情况，可预计：ATSC3.0将转入样机的实验室测试和现场测试，为草案标准提供所必需的测试数据。而且可望：ATSC3.0在2015年底前完成草案标准的制定工作；在2016年秋，ATSC3.0从美国开始启动其商业应用。TG-3主席Rich Chernock已明确提出这个日程表(见图1)[7]。

注：“工业界”在美国包括广播业者图1　ATSC3.0的总日程表

[注2]笔者曾预报[8]：乐观的估计是美国在2016年12月圣诞节前启动ATSC3.0的试验性广播；而不乐观的估计则延迟到2017年圣诞节前。

1.2本文重点

本文是英文版建议[8]依据新资料[7]的中文详细说明和重要补充(增加LDM+OFDM/SCS)。下面第2章介绍ATSC3.0的3方面新技术亮点：优先向用户提供无线宽带互联网服务，以满足其移动接收的需求；ATSC3.0具有极高的视频节目源频谱利用率：与ATSC1.0相比有约5.1倍关系；采用创新的层分复用(LDM)技术：在6 MHz频道内，可同时提供4K-UHDTV传统屋顶天线固定接收和大屏幕显示(数据率较高，而稳健性如同过去接收HDTV)及其720p-HDTV版的移动接收(数据率较低，但稳健性极高，载噪比门限值低于0 dB)；总共两种崭新服务。第3章给出ATSC1.0向ATSC3.0/3.1过渡的多种可能途径，其中突出笔者的建议[8]内容：对于美国超过90%的中小广播业者(尤其是各大广播集团在各地的分支和代理机构)，提出一条简洁快捷途径，实现ATSC1.0到ATSC3.0/3.1的过渡，用极少量投资(不更换发射机)抢先启动单向的固定接收和移动接收新服务，从数字红利中获得资金积累，有计划地以缓慢步伐逐步升级(不“迈一大快步”)，也能达到建成用户以双向无线宽带互联网移动接收为主的同样目标。当不更换发射机、在单个6 MHz频道和采用LDM+UL-OFDM/LL-OFDM或LDM+UL-OFDM/LL-SCS，都可同时提供1套4K-UHDTV固定接收(OFDM或SCS)及其720p-HDTV版的移动接收(OFDM)；但UL-SCS的突出优点是4K-UHDTV具有达到“稍有下降”的潜力。第4章讨论在组建ATSC3.0的DTTB网络部署中，如何合理地设计大中小功率发射，以符合发展绿色低碳产业的需求。第5章则是简短小结。

[注3]笔者把“分层复用(LDM)”改用“层分复用”，以便与时分复用(TDM)和频分复用(FDM)对应。

2ATSC3.0的3方面新技术亮点

ATSC3.0训练营报告[7]共有16篇，内容极为丰富，涉及的技术创新方面非常广泛。笔者已发表“ATSC3.0的技术亮点”[9]作扼要介绍。本文介绍其3方面的基本亮点。

2.1优先向用户提供无线宽带互联网服务，以满足其日益增长的移动接收需求

ATSC3.0保证广播业者下一代广播平台(NGBP)今后将提供如下服务[9-10](请参阅图2的ATSC3.0概念性协议模型[7])：

1)为主的无线宽带互联网崭新服务(简称B-服务，图2的右下输出)：用户“出门时(On-The-Go)”可用其手持设备(手机、平板电脑和手持接收机等)和各类车载设备，实现移动接收(双向可交互式的)；其中特别包括4K-UHDTV崭新节目源的720p-HDTV版移动接收。当然，用户“在家时”也可享受B-服务。

图2　ATSC3.0的概念性协议模型(请参阅文献[10]的图3)

2)为辅的传统广播服务(简称T-服务，图2的中下输出)：用户“在家时(In-The-Home)”可按传统屋顶天线实现固定接收和大屏幕显示，特别是4K-UHDTV崭新节目源服务(也是双向可交互式的)。

此外，ATSC3.0还可提供11.1(或7.1+4)声道的沉浸式环绕声(immersive surround sound)、具有空间和距离定位的崭新主观感知效果。其播放的室内11.1扬声器部署见图3，而占用的数据率预期是384 kbit/s(原5.1环绕声的数据率)，特别是ATSC3.0正在制定新型耳机可收听11.1节目源的标准，后者价廉物美、更大众化，符合移动接收需求，其主观感知性能将优于5.1环绕声。

注：LF为左前；C为中间；RF为右前；LFE为超低频效果；LS为左侧；LR为左后；RR为右后；RS为右侧；ULF为上左前；ULR为上左后；URR为上右后；URF为上右前。图3　用户获得ATSC3.0的11.1沉浸式环绕声声源之多种途径

而提供B-服务，需优先解决“入门条件”：1)把MPEG传送层188 byte传送流(TS)换成2 048 byte IP(互联网协议)节目流(PS)(见图4)[7]。2)由于移动接收设备在使用时具有位置的随意性(天线增益也较低)，再考虑其接收环境(楼群密集地区和室内)会有多个回波的情况，ATSC3.0调制技术已按需求采纳正交频分多工(OFDM)多载波系统[8]。

图4　ATSC3.0管理和协议的关键特性

[注4]但笔者认为：ATSC3.0优先采纳OFDM是必需的，没有疑义。但仅仅采纳OFDM，而没有同时采纳单载波系统(SCS)则将具有片面性[11]。因为，后者更适合屋顶天线的传统接收方式(T-服务)。

2.2ATSC3.0有极高的视频节目源频谱利用率

ATSC3.0采纳的MPEG-HEVC/H.265视频编解码之典型压缩性能见表1[7]。而ATSC1.0(A/53)采纳MPEG-2对HDTV的视频编解码需18.8 Mbit/s(总有效比特率为19.38 Mbit/s；AC-3的5.1环绕声占用0.384 Mbit/s)。所以，从ATSC1.0升级到ATSC3.0，视频编解码获得的视频节目源频谱利用率为18.8/5=3.76倍。

表1HEVC的典型压缩性能

4∶2∶0 50/60Hz+HFR+HDR+WCG+HDR+WCG+HDR+WCG+HFRHDHEVC-5Mbit/s6.25.95.46.47.74KHEVC-15Mbit/s18.617.816.319.323.0

注：假设对HDTV的MPEG-AVC/H.264发送需要的典型比特率约9 Mbit/s；HFR为高图像帧频；HDR为高动态范围；WCG为更宽的彩色舌形图。

而在信道编解码方面，ATSC 3.0与1.0相比，则有约1.36倍关系。其来由如下：从计算机仿真的率失真曲线(图5)[7]左上角标明的“比特交织编码(BICM)中64-QAM虚线”(图解中各小点连线向左挪动约0.2 dB)来看：ATSC 1.0(A/53)垂直线向上与ATSC3.0该虚线之交叉点坐标值为：信息总容量约4.25 bit/s/Hz(纵坐标)和约14.7 dB(横坐标,即A/53数值)。图6给出的NUC+2D(维)掩模处理时，64-nuQAM与64-QAM相比，在R=9/15或10/15时可得约0.5 dB改善。

可特别指出：图5中部A/53左上方率失真曲线ATSC 3.0工作点连线都接近直线,其斜率为1.43(bit/s/Hz)/5 dB=0.286 bit/s/Hz/dB。因而，水平方向的0.5 dB相当于垂直方向的0.143 bit/s/Hz。于是可得信道编码总改善为(4.25+ 0.143)/3.23≈1.36倍。而4.39 bit/s/Hz在6 MHz频道时相当于26.3 Mbit/s。

因此，把信道编码约1.36倍和视频编码约3.76倍的结果汇总：ATSC3.0与ATSC1.0相比，视频节目源频谱利用率有1.63×3.76≈5.1倍关系。

图5　ATSC3.0的率失真曲线(Guass模型和LDPC长码字=64 800 bit)

注：浅色部分是一维处理，深色部分是二维处理图6　ATSC3.0不均匀星座图的改善

[注5]图5中的小三角形点是64-QAM调制，与A/53的8-VSB相当；其信道编码率R=2/15,3/15，…，12/15和13/15(从左下到右上)总共12个工作点。而A/53水平线左侧的2个邻近点：上方是8/15；下方是7/15；而其R=2/3(=10/15)点则在8/15点右上方(中间隔9/15点)。

2.3ATSC3.0采纳“层分复用(LDM)”创新技术

ATSC3.0物理层的突出亮点是采纳“层分复用(LDM)”技术(TDM和FDM的高级组合形式)，其中西班牙Basque州立大学PabloAngueira教授小组和ETRI有较多贡献[5-6,8]。以双分层为例(多分层可类推)，原理如下：

1)把上分层(Upper Level，UL)的SNR门限值设计为：与下分层(LL,Lower Level)相比，低于0 dB；可把UL“重叠使用于”LL已占用的频道(如6 MHz；见图7[7])。技术上则优先采用信道编码率的可选项中的后几个[7]，即显著增大纠错码的比例(同时增大其发射功率)，在13/15(纠错比例0.13)，12/15(0.20)，…，2/15(0.87)共12个信道编码率中选用后5个。

图7　层分复用技术中UL和LL可重叠使用于同一个RF频道

2)可设计UL注入电平(injection level)参数，以确定总功率在UL和LL两个分层之间的分配：推荐在0～25 dB用6 bit来表示。例如，UL注入电平若为-4 dB(相对LL而言是2.51倍)时，UL功率占总功率71.5%，而LL功率仅占总功率28.5%(71.5/28.5=2.5倍，即4.0 dB)。

3)而在接收机中则首先对UL解码；接着把它从接收信号中删除(称为信号删除技术)，它仅需模2加⊕运算；然后可得LL信号，请参阅图8，引自文献[5]中的“图2三分层A，B，C”发送端框图，该图解中共有2个模2加⊕运算，而接收端的处理则是其逆过程。“双分层”时，只有1个模2加⊕运算。

4)UL和LL的例子见表2[7](表2仅用于说明LDM的原理，并不代表ATSC3.0，详见第3.2节)。其中UL注入电平为-4 dB时，采纳稳健性高的UL-B-服务(2.0 Mbit/s,SNR=-2 dB，可发送4K-UHDTV崭新节目源的720p-HDTV版)，以及“中数据率-1”20.5 Mbit/s的LL-T-服务(可发送高质量的4K-UHDTV崭新节目源；请参阅表2；在采纳+HDR+WCG后，还剩下1.2 Mbit/s，足以提供11.1沉浸式环绕声、字幕和其他数据)。而SNR=18.5 dB是过去OFDM系统提供HDTV数据率所需的门限值。其中特别是UL和LL两者在同一个6 MHz频道内采纳LDM技术后，以频谱重叠方式同时提供。但笔者把

图8　多分层的分层子系统之发送端

表2上述1套典型数据在图5寻找ATSC3.0的对应工作点时发现，这套数据不反映3.0的实际情况(第3.2节将深入讨论)。

表2LDM双分层系统的例子

不同情况数据率/(Mbit·s-1)SNR/dBLDM传输系统(6MHz频道)上分层UL(稳健模式)2.0(QPSK3/15)-2.0上分层UL(中数据率)2.7(QPSK4/15)-0.3上分层UL(高数据率)4.1(QPSK6/15)+2.7上分层UL具有-4dB的注入电平低数据率14.3(64QAM7/15)14.6中数据率-120.5(64QAM10/15)18.5中数据率-224.6(256QAM9/15)21.2高数据率30.1(256QAM11/15)24.4

5)此外，由于UL的SNR门限值低于0 dB，其覆盖范围与原A/53的15.2 dB相比，将显著扩大(图9引自文献[6]幻灯片第9页)；而不致于干扰邻近地区的同一个RF频道、另一家电视台的现存服务。

2.4ATSC3.0和DVB-T2的对比

顺便讨论ATSC3.0和DVB-T2的对比：率失真曲线图(图5中)中ATSC3.0的大批小符号下方的曲线就是DVB-T2工作点连线。从该图的中部到右上方(4.0 bit/s/Hz以上，适用于固定接收服务)，ATSC3.0的SNR与DVB-T2相比，有1.0～2.0 dB的改善。而从中左部到左下方(2.0 bit/s/Hz以下，适用于移动接收服务)，则也有0.2～1.0 dB的改善。

图9　双分层LDM传输系统可显著扩大UL的覆盖范围

而整体改善的来源有3方面：1)LDPC编解码算法的改善；0.1 dB的改善也争取。2)幻灯片报告[6]第21页有DVB-T2+NGH与采纳LDM的讨论。前者的UL占用25%的时间，而LL则占用75%的时间；两者没有“重叠使用频谱”，仅时分复用(TDM)。而采纳LDM技术后，只需要占用75%的时间(重叠使用)。这就是说：后者的信道编码效率提高4/3≈1.333倍，相当1.36 dB，是主要改善。或者说，在6 MHz频道内采纳LDM后、可同时发送UL+LL。而DVB-T2+NGH因未采纳LDM(仅TDM)，发送同样的UL+LL则需8 MHz频道。3)此外，再考虑不均匀星座图(NUC)对星座图的改善(见图6)：nu64-QAM与64-QAM相比，有约0.5 dB改善(更高阶调制改善更多)。但图6没有列出NUC的结果。

DVB组织积极参加ATSC3.0制定。其中由韩国ETRI提出的LDM技术就是西班牙Basque州立大学小组(作为DVB的杰出成员)进行大量的计算机仿真和现场测试工作，对ATSC3.0物理层采纳LDM有重大贡献。此外，LDPC的长码字(64 800 bit)和短码字(16 200 bit)是直接引自DVB-T2标准。因而可预期：DVB将以ATSC3.0物理层为基本内容，进行某些软件修订后，即得DVB-T3标准(2016年底前或2017年春)。

3对ATSC1.0到3.0/3.1过渡途径的讨论

3.1“迈一大步”的快速过渡途径

广播业者实现ATSC3.0需投资的设备大致有4方面：1)ATSC3.0节目源的制作，包括4K-UHDTV视频节目源和11.1沉浸式环绕声音频节目源；2)发送端的调制器、激励器、大功率发射机和新发射天线等；3)双向回传信道所需设备，包括新接收和发送天线；4)扩大的计算机系统，至少满足无线宽带互联网启动初期的最低需求。

以美国为例，除五大广播集团(CBS,NBC,ABC,FOX和PBS)以外，还有SBG，GatesAir等一批第二层次的广播集团，完全可于2016年秋至2017年在30～40个大城市投资而启动B-服务为主、T-服务为辅的ATSC3.0崭新服务。这就是“迈一大步”快速过渡的途径。

[注6]FCC是否需制定过渡期(或半年)；国会是否讨论利用国家财政“免费发放机顶盒代金卷”新法案；美国各地如何动用空白频谱实现“回传信道”的相关法规等。

如果没有违反FCC法规，美国任何广播业者都可在ATSC1.0现存服务没有关闭前：1)配置前2类设备后，在自己拥有许可证、正在使用的频道内，启动SNR门限值低于0 dB之单向的B-服务；今后再升级到双向的B-服务(“迈2中步”)；2)或者“迈1中步”(进行4方面的投资)，即直接开展双向的B-服务。这些也是可选的过渡途径，特别是在ATSC1.0到ATSC3.0的过渡期，可不动用另外的临时频道。

3.2本文建议的另外一条从ATSC1.0过渡到ATSC3.0/3.1的简洁快捷途径[8]

此建议对于美国超过90%的中小广播业者特别重要；尤其是数量众多的大广播集团在各地之分支和代理机构。其基本思路是：只需极少量投资(不更换发射机)，优先开展单向的B-服务和T-服务，充分利用ATSC3.0与1.0相比的视频节目源频谱利用率约5.1倍关系，通过过渡后的数字红利积累资金，有计划分批添置新设备，“以缓慢的步伐”逐步升级；最终也可完成建设双向的B-服务为主、T-服务为辅的无线宽带互联网同样目标。

本文利用系列报告[7]中的新数据，对建议[8]进行修订和重要补充,其中MG(融合)是本文讨论重点新增的。下面讨论的前提条件是：1)仅少量投资配置ATSC3.0调制器,启动时暂不添置新发射机、新激励器、新天线。2)绝大部分ATSC3.0节目源(特别是4K-UHDTV及其720p-HDTV版，还有11.1沉浸式环绕声等崭新节目源)都由大广播集团通过传输网络提供。3)仅少量本地(local)节目源由ATSC1.0升级到ATSC3.0，需投资新软硬件设备。4)在ATSC3.0启动初期只提供单向的B-服务和T-服务；暂不投资双向回传系统和扩大计算机系统。在这些条件下，关闭ATSC1.0信号，发送ATSC3.0信号。

因此，以下的讨论以不更换发射机的发射功率为重要前提条件。

1)首先，在图5中选取适当工作点，讨论LDM+UL-OFDM/LL-OFDM或/LL-SCS(后者是重点)双分层技术实现UL的B-服务和LL的T-服务(/OFDM或/SCS)；其中参照表2给出的数据对：稳健模式的UL和中数据率-1的LL：[2.0 Mbit/s, 20.5 Mbit/s]，进行半定量估算，因未计入数据帧头部开销。

(1)UL-OFDM可在图5左下侧小圆形选取工作点X[QPSK，R=6/15](用于B-服务)；而LL-OFDM可在与图5类似的Rayleigh模型曲线(略)中偏左上部黑菱形选取工作点Y[64 QAM，R=9/15]，/LL-SCS则可在图5中偏左上部黑菱形选取工作点Z[64 QAM，R=10/15](Y和Z都用于T-服务)：

工作点X：2.2 Mbit/s，SNR=-0.5 dB。

工作点Y：21.0 Mbit/s，SNR=14.4 dB。

工作点Z：24.0 Mbit/s，SNR=13.0 dB。

此外，总信息容量约4.39 bit/s/Hz在6 MHz频道的数据率为约26.3 Mbit/s。工作点X的数据率向Y或Z“转换”估算时，需利用调制和编码率的内在关系：QPSK到64QAM有16倍关系；R=6/15到R=9/15或R=10/15，分别增为9/6=1.50倍或10/6=1.667倍。

(2)UL需保证其SNR低于0 dB，UL注入电平需不大于-3.0 dB，可增大UL数据率、而不追求扩大覆盖范围；而LL的SNR则需保证不大于A/53的14.7 dB理论值。

2)笔者对OFDM方案O1，O2的讨论，两者都采纳LDM创新技术(LDM+UL-OFDM/LL-OFDM)。

(1)推荐方案O1优先保证工作点X[QPSK，R=6/15；2.2 Mbit/s，SNR=-0.5 dB]为O1-UL，可发送1套高质量720p-HDTV的B-服务(需2.0 Mbit/s)。剩下的信息容量则用于工作点Y的O1-LL数据率。

[注7]O1-UL可设计其注入电平为-4.0 dB和SNR=-0.5 dB，其数据率“转换”到O1-LL时，考虑功率的平方根量纲才是数据率，可得约10.0 Mbit/s，即4K-UHDTV所需16.0 Mbit/s的62.5 %(图形质量下降较多)。功率分配中，O1-LL为0.285，O1-UL为0.715。O1-UL数据率设计为2.0 Mbit/s时，请参阅MG-UL的设计。而两者完全可以是相互独立的节目源。

(2)推荐方案O2则优先保证工作点Y[64 QAM，R=9/15；21.0 Mbit/s，SNR=14.4 dB]为O2-LL，可发送1套高质量4K-UHDTV的T-服务(需20.5 Mbit/s，具有+HDR+WCG)；剩下的功率太小，不能实现O2-UL的注入电平要求。

[注8] O2-LL占用21.0 Mbit/s后，还剩下(26.2-21.0)Mbit/s =5.2 Mbit/s。功率分配中，O2-LL为0.802，而O2-UL则太小，不能实现LDM技术的“频谱重叠原理”。

3)若ATSC 3.1采纳SCS(单载波系统)调制后，对推荐方案MG(融合系统)的讨论；其要点是：T-服务的调制由OFDM改为SCS，即采纳LDM+ UL-OFDM/LL-SCS)：

MG-UL和MG-LL可分别采用工作点X[QPSK，R=6/15；QPSK，R=6/15]和工作点Z[64QAM，R=10/15；24.0 Mbit/s，SNR=13.0 dB]进行讨论。

而为了保证B-服务为主，优先讨论MG-UL满足1套720p-HDTV数据率1.8 Mbit/s(表 2参考数据率2.0 Mbit/s的90 %)。

[注9]MG-UL可设计其注入电平为-3.0 dB和SNR=-0.5 dB，其数据率“转换”到MG-LL时，考虑功率的平方根之量纲才是数据率，可得11.7 Mbit/s，即4K-UHDTV所需16.0 Mbit/s的73.1 %。若考虑MG-LL与O1-LL的SNR有1.4 dB的优势，相当于数据率为2.2 Mbit/s时，MG-LL将有13.9 Mbit/s(所需的86.9 %，图像质量改善为“稍有下降”)。功率分配中，MG-UL为0.667，MG-UL为0.333，而两者完全可以是相互独立的节目源。

由此可见，方案MG可同时实现O1和O2两者的功能，充分发挥“UL-OFDM/LL-SCS融合系统”的优势，仅MG-UL/LL两者图像质量稍有下降，尤其是非专家难以在手持设备接收中觉察，因而这种简洁快捷途径将是ATSC 3.1在各国启动时可供考虑的技术模式。

4)当然，以上讨论仅是框架性构想，急需依据ATSC 3.0/3.1草案标准公布的各种技术参数重新修订。但从整体来看，通过表3的讨论可看出，无论采用OFDM调制，或者提供B-服务(OFDM)都需要更大的发射功率为代价。笔者建议在T-服务中采纳SCS就是为了弥补这个不足。

表3从ATSC 1.0到3.0/3.1过渡的简洁快捷途径可能方案

方案注入电平(UL)/dB发射功率分配B-服务(UL)T-服务(LL)UL/%LL/%技术参数SNR/dB技术参数SNR/dB服务O1-4.071.528.52.2Mbit/sQPSK6/15-0.510.2Mbit/s64QAM9/15～14.4T有1套4K-UHDB有1套720p-HDO2无无80.2无无21.0Mbit/s64QAM9/15～14.4T有1套4K-UHD没有B服务MG-3.066.733.31.8Mbit/sQPSK6/15-0.511.7Mbit/s64QAM10/1513.0T有1套4K-UHDB有1套720p-HD

注：A/53的现场测试SNR=15.2 dB，推荐方案O1和MG的4K-UHDRV图像质量都有所下降，但其突出优点是在不更换发射机条件下，都可同时提供B-和T-服务。

4对ATSC3.0组建DTTB网络的讨论

4.1妥善处理加大功率、但又有措施保证ATSC3.0大规模应用时能够符合绿色低碳产业的需求

地面电视广播由模拟制向数字制的过渡除提供更多的节目源以外，其附带收获是发射功率可下降约一个数量级(每套SDTV能耗显著下降)，符合绿色低碳产业的发展需求。但今后开展ATSC3.0的UL/LL崭新服务时，从第3节的讨论可知，OFDM或LDM都将需显著增加发射功率。因此，急需谨慎处置大功率发射在ATSC3.0的DTTB网络组建中的部署。

当然，数量不多的大功率电视台在任何国家或地区总是必需的。因为，在出现天灾或人祸时，它们可发挥其独特的作用。但其不利因素是：近场信号过强(白白浪费能源)，电磁污染严重，不符合绿色低碳产业发展的需求。

[注9]ATSC3.0今后可在发生天灾时的作用：“应急告警信息”报告[7]开篇就提到：1)纽约市在2014年某次沙尘暴天气时，空中的电信网络有25%失效，立即出现“网络拥挤”，但电视台的服务则不受任何影响。2)美国东部某州电视台在2014年5月启动“气象告警信息”(60个字符)服务，而在当年8月预报洪水灾害时发挥过积极作用。但60个字符信息太少，不能向个人用户提供如何主动应对躲避措施或“一对一”的个性化救援服务(后者包括专家咨询和直升机救援等)。

4.2因地制宜合理设计大中小功率发射相结合的DTTB网络之MFN和SFN

在ATSC3.0实施DTTB网络覆盖时需考虑：

1)大功率电视台尽量设置在人口密集的平原地区(利用高楼顶部或新建大发射塔)。这样可避免“高山台”在无人区或人口稀少山区却有过高的场强，白白浪费能源；其思路是沿袭原模拟制地面电视广播的旧工程设计(利用高度落差以节省投资)。

2)大中小功率的发射机相结合组成DTTB网络需因地制宜拟定规划。以报告[7]中的图解(图10)为例：依据美国Iowa州的地理特点(图解中信号较强地区正是人口密集地区)，部署大中小发射机，将是最经济、最有效又符合绿色产业发展的需求。

图10　美国Iowa州第36频道组成SFN(截图)

3)可从MFN(多频网，模拟制地面电视广播和DTTB并存期)启动ATSC3.0服务(特别是模拟制地面电视广播未关闭的国家和地区)；然后分阶段关闭模拟制地面电视广播，再分阶段按地理特性调整到地域规模稍大的SFN(单频网，美国为州级，中国为省级)。

4)在楼群密集的大城市中心的“阴影区”，可采取中小功率发射的“空隙填充器”补充信号覆盖。

5)在高楼内部的房间和过道内(还有楼梯间、电梯和地下车库等)，可采用楼顶天线接收、楼内有线中继，再在楼内外或室内外部署ATSC3.0的小功率“空隙填充器”。此外，在郊区住宅内外也可采用这类技术，完成每个房间、地下室、楼道和庭院的无线覆盖。

[注10]DTTB网络覆盖的特例是，上海交大归琳(女教授)小组承担的ADTB-T单载波系统项目：高速铁路720p-HDTV移动电视接收系统[11]；2007年10月在D字头高速铁路上演示成功；最高时速达192 km/h；在总长度达90 km余的路程中，专家们没有觉察“中断”(如显著的“马赛克”)，而仅仪器记录1次。720p-HDTV节目源由上海上行到卫星，在铁路小站的电信机房附近接收，通过电信小铁塔发射ADTB-R单载波信号。上海郊区3个发射点，无锡站及其东侧共6个发射点，合计9个发射点；每2个发射点相距9～10 km，动用1个8 MHz电视频道。发射天线具有“8字形”辐射图案；而车厢顶部的接收天线在行驶方向也具有“8字形”辐射图案。

ADTB～T单载波系统电视信号覆盖特点是：其信号仅仅在铁轨上方“截面为半圆形(半径50～100 m)”的“空中隧道”中传输；或者说DTTB信号“沿线(铁路线)传输”(高速铁路最多只有大弧线，没有急转弯)。其次，仅仅在2个小站信号的交叉覆盖路段内，才有“0 dB回波”问题(文献[12]专门讨论)；全程中没有其他幅度较大的回波问题，因为2个小站的发射信号较强。此外，由于采纳单载波系统，小站的发射功率仅13 W即有余量(按30 W设计，考虑雷雨恶劣天气条件留有较多余量)，再充分利用电信机房和小铁塔现有设备，总造价较低。

原理上可动用较多频道，因为“空中隧道”信号与广播业者的“点到面”信号对于多数频道将“互不干扰”，除非广播业者的某频道信号在铁路沿线上方的“空中隧道”相互重叠而有较强信号(但一般不会是所有DTTB频道)。所以这种“空中隧道”特例与“点到面”的传统覆盖具有“相辅相成”的关系。

4.3中国地面国标推广应用中已采纳“宽带多频道发射机+M-SFN”[12]的经验

中国从2008年起在地面国标(DTMB)的推广应用中，已广泛采纳“宽带多频道DTV发射机组建M-SFN(多频道单频网)”技术[13]。其中M是同时动用的8 MHz频道总数(推荐M=4)；而这4个频道可以是相邻的，但中间也可有“空白”(频道已被动用)。而ATSC3.0物理层报告[8]提及的“频道跨接(bonding，捆绑)”技术只推荐M=2，看来是吸取中国发展M-SFN技术之经验而采纳的(请参阅文献[10])。

“宽带多频道DTV发射机+MFN”创新技术的优点是：简化框图设计、提高可靠性、降低成本(价廉物美)；而缺点是总功率还不够大(仅约1 kW；每个频道仅200～250 W)[11,13]；但作为大功率发射配套组建ATSC3.0网络所需的中小功率发射，将有数量众多的大规模应用。

5简短小结

本文扼要介绍了ATSC3.0的3方面技术亮点。其草案标准有望如期在2015年底完成，并于2016年秋在美国率先启动市场，随后陆续带动所有发达国家。而由于其B-服务为主的无线宽带互联网基本属性，各类移动接收设备以及广播业者所需的新设备，都面临一次大规模“更新换代”。

由个人建议[8]依据新资料补充讨论可知：美国中小广播业者可有一条简洁快捷途径(只需少量投资)完成从ATSC1.0到ATSC3.0/3.1过渡。在单个6 MHz频道内，采用LDM+UL-OFDM/LL -OFDM与LDM+UL-OFDM/LL-SCS相比，在发射机不变的条件下，前者只能发送1套720p-HDTV版的移动接收崭新B-服务，或者只能发送1套4K-UHDTV崭新T-服务(含11.1沉浸式环绕声)，而后者的“融合系统”则可同时发送两者(实现兼顾)，充分发挥SCS在T-服务中SNR门限值较低的优势。

本文对ATSC 3.0/3.1建议的“简洁快捷过渡途径”，更加适用于资金不足的发展中国家(特别是中国)推广应用。

6后记

笔者在修订此稿时获悉，2015年10月下旬，ATSC在上海举行“Plug-Fest(对接节日)”，5台ATSC3.0硬件调制器和4台硬件解调器进行“互联互通”的“交叉对接测试”(150种虚拟工作模式)获得优秀结果。2015年11月初，ATSC网站有公开报道和照片；而ATSC主席Mark Richer公开讲话中表示，这次测试非常成功，对ATSC会员们投票支持A/321文件(自引导程序)和A/322(物理层传输部分)起着积极作用，并感谢NERC作为本地承办者的贡献。而笔者还获悉，中国NERC研制的ATSC3.0硬件调制器和解调器已达到Sony美国分公司或韩国ETRI相似的国际一流水平。

ATSC主席在2016年新年的备忘录中提及：草案标准虽然核心部分已经解决，但还有大量工作要做，如“管理和协议”分层和“应用和演示”分层，还有“音频系统”预期在元月先后进行投票，随后是“安全性”和“交互性”的投票。此外，媒体报道：以LGE牵头、Samsung牵头和Sinclair广播集团牵头的三大团体，在刚结束的CES展会从拉斯维加斯南边的黑山发射台发射信号，而在会场或其他演示地点演示ATSC 3.0 4K-UHDTV系统。LGE和Sanmung的接收端产业化进度值得关注。

致谢:

感谢NERC-DTV的夏平建、管云峰、王尧和何大治诸位教授提供的有关信息。感谢夏劲松教授(上海全波通信技术总监，上海交大特邀研究员)从2014年10月至2015年4月初提供大量公开资料。还要特别感谢广西广电专家毋长江教授多年来的合作。

在修订稿件过程中，笔者有幸与电视电声研究所(中国电科集团第三研究所)总工陈科教授对率失真曲线进行深入讨论，使笔者改正原稿B1-方案门限值之原理性错误，在此表示感谢。

参考文献：

[1]News Release[EB/OL].[2015-11-11].http://www.atsc.org.

[2]FOBTV.[EB/OL].[2015-11-15].http://www.fobtv.org.

[3]上海数字电视国家研究中心网站[EB/OL].[2015-11-12].http://www.nercdtv.org.

[4]CHERNOCKR.FOBTV summit：update on ATSC3.0[R].Yantai，China：[s.n.]，2014.

[5]MONTALBáN J.Cloud transmission:system performance and application senarios[J].IEEE transactions on broadcasting,special issue on FOBTV，2014，60(2)：170-184.

[6]ANGUEIRA P. Layered division multiplexing:a technique to make flexible use of spectrum[R].Geneva：[s.n.]：2014.

[7]ATSC 3.0 bootcamp report list[EB/OL].[2015-11-02].http://atsc.org/pdf/?dir=bootcamp/.

[8]XU M X.A fast and easy way to transit from ATSC1.0 to 3.0,based on LDM+OFDM[EB/OL].[2015-04-26].http://www.ratiog.org/mht/ver4.mht.

[9]徐孟侠.ATSC3.0的技术亮点[EB/OL].[2015-11-02].http://www.ratiog.org/htm/atsc_30.htm.

[10]徐孟侠.对ATSC3.1版物理层的个人建议[J].电视技术，2014，38(24)：23-33.

[11]陆靖侃，马文峰.铁路电视单频网信道简化模型覆盖设计[J].电视技术，2011，35(8)：35-39.

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

责任编辑：许盈

Fast easy way to transit from ATSC 1.0 to ATSC3.0/3.1:based on

LDM+UL-OFDM/LL-SCS (or OFDM/SCS)

XU MengxiaAbstract:The progress of ATSC 3.0 draft standards is briefly reviewed first in this paper, and three technical highlights of 3.0 are introduced: 1) wireless broadband Internet services for users′mobile reception by broadcasters in the first place. 2) the video sources bandwidth efficiency of 3.0 in comparison to 1.0 with～5.1 times improvement. 3) new LDM (Layered Division Multiplexing) technique adopted, to deliver 4K-UHDTV services in traditional roof-top antenna fixed reception for users “In-The-Home”, together with its 720p-HDTV version for the users′ new mobile reception “On-The-Go”, within the same 6 MHz channel,without change of emitter. The main content of this paper is the Chinese version of the author’s proposal to the President of ATSC, with detailed discussions based on new publications, as well as important addition of LDM+UL-OFDM/LL-SCS. For > 90 % of US broadcasters, there is a fast easy way to transit from ATSC 1.0 to 3.0/3.1: with little investments at the start, delivering one-way signals only, winning new incomes from digital dividend, planning′several steps in moderate paces (not a large quick pace)′, and reaching the same final goal to upgrade their systems into Two-Way wireless broadband Internet services for the mobile users. The reasonable DTTB networks deployment of ATSC 3.0 is discussed, using large, middle and small power emissions together, while wide-band multi-channel DTV emitters using M-SFN (Multi-channels Single Frequency Network) technique, widely used in DTMB of China, is once again recommended.

Key words:DTTB;ATSC3.0/3.1;transition;LDM;single carrier system;M-SFN

中图分类号：TN949

文献标志码：A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.02.003

收稿日期：2015-12-01

文献引用格式：徐孟侠.从ATSC1.0到ATSC3.0/3.1过渡的简洁快捷途径——基于LDM(层分复用)+OFDM(或OFDM/SCS)[J].电视技术，2016，40(2):13-22.

XU M X.Fast easy way to transit from ATSC 1.0 to ATSC3.0/3.1:based on LDM+UL-OFDM/LL-SCS(or OFDM/SCS)[J].Video engineering，2016，40(2):13-22.