我國數(shù)字電視標準技術對比與分析

2006年9月，國家廣電總局頒布了我國地面數(shù)字電視國家標準，該標準是清華DMB-T方案和上海交大ADTB-T方案的融合體，前者采用單載波調(diào)制，后者采用多載波調(diào)制。本文介紹了單載波調(diào)制和多載波調(diào)制的工作原理，以及ADTB-T和DMB-T的優(yōu)缺點。

什么是單載波調(diào)制和多載波調(diào)制
上海交大的ADTB-T方案和清華的DMB－T方案，雙方爭論的焦點就是，單載波調(diào)制性能優(yōu)越還是多載波調(diào)制性能優(yōu)越。因此，在這里還是有必要簡單介紹一下，什么是單載波調(diào)制和多載波調(diào)制。所謂單載波調(diào)制，就是將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流調(diào)制到單個載波上進行傳送，如：4-QAM（QPSK）、8-QAM、16-QAM、32-QAM、64-QAM、128-QAM、256-QAM或8-VSB、16-VSB等都是單載波調(diào)制。上海交大的ADTB-T方案選用的是單載波調(diào)制，在1999年50周年大慶試播的時候，上海交大的ADTB-T方案采用的是8-VSB數(shù)字調(diào)制，到后來才改為16-QAM數(shù)字調(diào)制。QAM調(diào)制也叫正交幅度調(diào)制，簡稱正交調(diào)幅；因為正交調(diào)幅有很多種調(diào)制模式，如上面列出的就有7種，一般記為n-QAM，n表示各種調(diào)制映射到星座圖上的模數(shù)。模數(shù)越低，調(diào)制和解調(diào)電路就越簡單，但傳輸?shù)拇a率也相應降低，例如：4-QAM的碼率為2bit/S，而16-QAM的碼率為4bit/S。一般，信號傳輸條件越差，選擇的模式就越低，例如：衛(wèi)星通信只能選擇QPSK，而有線電視可選64-QAM和128-QAM，甚至256-QAM；對于地面電視廣播，信號發(fā)送一般選8-QAM、16-QAM、32-QAM，最高只能選到64-QAM。正交調(diào)幅就是把一序列需要傳送的數(shù)字信號（2進制碼）分成兩組，并分別對兩組數(shù)字信號進行幅度編碼，使之變成幅度不同的調(diào)制信號，即I信號和Q信號，然后用I信號和Q信號分別對兩個頻率相同，但相位正好相差的兩個載波進行調(diào)幅，最后再把兩路調(diào)制過的信號合成在一起進行傳送。由于在調(diào)制之前已經(jīng)對輸入信號進行過幅度編碼，因此，這種調(diào)制也稱為正交數(shù)字幅度調(diào)制。我國的HDTV如選用MPGE-2編碼，最高傳送碼率大約為20M bit/S，如果選用16-QAM調(diào)制模式，其頻譜利用率是每赫芝傳送4位數(shù)據(jù)，即碼率為4bit/S。由此可知其載波最高頻率約為6MHz，經(jīng)高頻調(diào)制后采用殘留邊帶發(fā)送，其載頻帶寬大約為7點多MHz。所謂多載波調(diào)制，就是將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，然后調(diào)制到在每個子信道上進行傳輸。如：n-COFDM，其中n為子載波數(shù)目。清華的DMB－T方案選用的是多載波調(diào)制，在DMB－T方案中采用3780-COFDM調(diào)制方式。多載波調(diào)制也叫編碼正交頻分復用調(diào)制。就多載波調(diào)制中的各個載波而言，其調(diào)制的工作原理與n-QAM單載波調(diào)制的工作原理基本相同，只是把需要傳送的數(shù)據(jù)分成很多組（這里為3780組），然后每組再分成兩組，通過幅度編碼以后便可生成兩組I信號和Q信號，而后用3780組I信號和Q信號分別對3780個頻率各不相同的載波進行正交調(diào)制，最后把所有的調(diào)制信號合在一起進行傳送。

ADTB-T和DMB-T的優(yōu)、缺點
上面我們簡單介紹了單載波調(diào)制和多載波調(diào)制的工作原理，下面我們進一步來分析單載波調(diào)制和多載波調(diào)制的優(yōu)、缺點。根據(jù)上面分析，采用16-QAM單載波調(diào)制，其最高碼率為24Mbit/S，載波頻率為6MHz；如果選用多載波調(diào)制，在碼率同樣為24Mbit/S的情況下，采用3780-OFDM多載波調(diào)制，對于3780個載波平均下來，每個載波平均傳送的碼率大約只有6.3Kbit/S，這樣，哪怕每個載波都選用QPSK調(diào)制，其載波的最高頻率還是可以選得很低；如果選用16-QAM或64-QAM調(diào)制，其載波的最高頻率還可以進一步降低。但這是在沒有考慮解碼以及圖像信號處理需要時間的理想情況，實際并不是這樣。一方面，在數(shù)字電視機中，選用的載波頻率也不能太低，因為，數(shù)字信號傳送的速度一定要大于圖像信號處理的速度，這樣，最后輸出信號才不會產(chǎn)生間斷。例如，我國HDTV的行掃描頻率大約為32KHz，如果不考慮MPEG解碼電路以及圖像信號處理電路對輸入信號處理所需要的時間，那么，多載波的最低頻率就不能低于32KHz，否則，行掃描電路就會出現(xiàn)沒有信號可掃描的情況，圖像顯示就會出現(xiàn)間斷。因此，MPEG解碼電路以及圖像信號處理電路對數(shù)字信號傳送速度也有同樣的要求。另一方面，多載波解調(diào)制對數(shù)字信號進行分批處理時候，每次都需要等3780個載波傳送的數(shù)據(jù)全部到齊以后，才能一次性地對數(shù)據(jù)進行處理，即需要對信號進行并轉串處理；因此，其解調(diào)制過程消耗的時間相對來說比較長，其最低頻率也就不能取得很低。另外，多載波調(diào)制一般都不采用殘留邊帶發(fā)送，因此，調(diào)制后的頻帶寬度相對于殘留邊帶發(fā)送來說大約要寬一倍。綜合以上因素，就平均而言，多載波的平均頻率相對來說可以低一些，但載波的最高頻率與單載波的頻率相對來說，并不會相差很大。載波頻率低的最大好處就是，可以降低信號傳送過程中的多經(jīng)反射干擾（即圖像重影效應）。下面我們分三種情況來分析：比如單載波頻率為6MHz，其周期為0.17uS，兩個正交載波相差1/4個周期（90 o），為0.0425uS；由于電磁波的速度約等于光速，即每微妙為300米，那么，頻率為6MHz的載波對應于一個周期所傳播的距離就是51米，即波長為51米；半個周期為25.5米（半波長），1/4個周期為12.75米（1/4波長）。如果反射體的路經(jīng)距離正好與電視接收點相差12.75米（或1/4波長的奇數(shù)倍），即電視接收機相當于同時收到兩個信號，一個是主信號，另一個是反射信號，兩個調(diào)制載波信號的相位正好相差90 o（1/4波長）；這樣，兩個調(diào)制載波信號互相疊加以后，不但會改變原來信號的相位，同時也會改變信號的幅度，結果相當于I和Q兩路信號互相串擾，并且，當兩個信號疊加之后的相位差越接近90 o時，即反射信號越強，干擾就越嚴重；在這種情況下，數(shù)字電視接收機的調(diào)制解調(diào)電路可能無法正常解碼。如果反射體的路經(jīng)距離正好與電視接收點相差半個波長（25.5米，或半個波長的奇數(shù)倍），則兩個調(diào)制載波信號的相位正好相差180 o（半波長），由于正交調(diào)制的兩路信號（I和Q）都是對載波的半波進行幅度調(diào)制的，因此，兩路調(diào)制過的信號合成之后就相當于是對載波的1/4波進行調(diào)制；當原信號正、負半周是對稱時，則兩個信號互相疊加的結果會使接收信號減弱，相當于電視接收機接收靈敏度降低；當原信號正、負半周不是對稱時，則兩個信號互相疊加的結果會使接收信號失真，相當于兩路信號（I和Q）互相串擾，與兩個調(diào)制載波信號的相位相差90 o時沒有多大區(qū)別。

如果反射體的路經(jīng)距離正好與電視接收點相差1個波長（51米，或1個波長的整數(shù)倍），兩個信號的相位正好相差360 o（1個波長）；當原信號正、負半周為對稱時，則兩個信號互相疊加的結果會使接收信號加強，相當于電視接收機接收靈敏度提高；當原信號正、負半周不是對稱時，則兩個信號互相疊加的結果會使接收信號失真，相當于兩路信號（I和Q）互相串擾，與兩個調(diào)制載波信號的相位相差90 o時沒有多大區(qū)別。由此可見，只要接收到兩個信號（主信號和反射信號）的相位角相差正好是90 o（1/4波長）的整數(shù)倍，對單載波正交調(diào)制信號造成的干擾最嚴重；對于其它相位差同樣也會產(chǎn)生干擾，只是干擾程度相對來說沒有90 o時那么嚴重。