我國(guó)數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)對(duì)比與分析

2006年9月，國(guó)家廣電總局頒布了我國(guó)地面數(shù)字電視國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)。

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(zhēng)論的焦點(diǎn)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(jiǎn)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(gè)載波上進(jìn)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(shí)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(lái)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(jiǎn)稱正交調(diào)幅；因?yàn)檎徽{(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(jiǎn)單，但傳輸?shù)拇a率也相應(yīng)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(hào)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(duì)于地面電視廣播，信號(hào)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(hào)（2進(jìn)制碼）分成兩組，并分別對(duì)兩組數(shù)字信號(hào)進(jìn)行幅度編碼，使之變成幅度不同的調(diào)制信號(hào)，即I信號(hào)和Q信號(hào)，然后用I信號(hào)和Q信號(hào)分別對(duì)兩個(gè)頻率相同，但相位正好相差的兩個(gè)載波進(jìn)行調(diào)幅，最后再把兩路調(diào)制過(guò)的信號(hào)合成在一起進(jìn)行傳送。由于在調(diào)制之前已經(jīng)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行過(guò)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(guó)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(diǎn)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(hào)轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，然后調(diào)制到在每個(gè)子信道上進(jìn)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(fù)用調(diào)制。就多載波調(diào)制中的各個(gè)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(guò)幅度編碼以后便可生成兩組I信號(hào)和Q信號(hào)，而后用3780組I信號(hào)和Q信號(hào)分別對(duì)3780個(gè)頻率各不相同的載波進(jìn)行正交調(diào)制，最后把所有的調(diào)制信號(hào)合在一起進(jìn)行傳送。

ADTB-T和DMB-T的優(yōu)、缺點(diǎn)
上面我們簡(jiǎn)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(jìn)一步來(lái)分析單載波調(diào)制和多載波調(diào)制的優(yōu)、缺點(diǎn)。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(duì)于3780個(gè)載波平均下來(lái)，每個(gè)載波平均傳送的碼率大約只有6.3Kbit/S，這樣，哪怕每個(gè)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(jìn)一步降低。但這是在沒(méi)有考慮解碼以及圖像信號(hào)處理需要時(shí)間的理想情況，實(shí)際并不是這樣。一方面，在數(shù)字電視機(jī)中，選用的載波頻率也不能太低，因?yàn)?，?shù)字信號(hào)傳送的速度一定要大于圖像信號(hào)處理的速度，這樣，最后輸出信號(hào)才不會(huì)產(chǎn)生間斷。例如，我國(guó)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(hào)處理電路對(duì)輸入信號(hào)處理所需要的時(shí)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(huì)出現(xiàn)沒(méi)有信號(hào)可掃描的情況，圖像顯示就會(huì)出現(xiàn)間斷。因此，MPEG解碼電路以及圖像信號(hào)處理電路對(duì)數(shù)字信號(hào)傳送速度也有同樣的要求。另一方面，多載波解調(diào)制對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分批處理時(shí)候，每次都需要等3780個(gè)載波傳送的數(shù)據(jù)全部到齊以后，才能一次性地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，即需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行并轉(zhuǎn)串處理；因此，其解調(diào)制過(guò)程消耗的時(shí)間相對(duì)來(lái)說(shuō)比較長(zhǎng)，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(duì)于殘留邊帶發(fā)送來(lái)說(shuō)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(duì)來(lái)說(shuō)可以低一些，但載波的最高頻率與單載波的頻率相對(duì)來(lái)說(shuō)，并不會(huì)相差很大。載波頻率低的最大好處就是，可以降低信號(hào)傳送過(guò)程中的多經(jīng)反射干擾（即圖像重影效應(yīng)）。下面我們分三種情況來(lái)分析：比如單載波頻率為6MHz，其周期為0.17uS，兩個(gè)正交載波相差1/4個(gè)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(duì)應(yīng)于一個(gè)周期所傳播的距離就是51米，即波長(zhǎng)為51米；半個(gè)周期為25.5米（半波長(zhǎng)），1/4個(gè)周期為12.75米（1/4波長(zhǎng)）。如果反射體的路經(jīng)距離正好與電視接收點(diǎn)相差12.75米（或1/4波長(zhǎng)的奇數(shù)倍），即電視接收機(jī)相當(dāng)于同時(shí)收到兩個(gè)信號(hào)，一個(gè)是主信號(hào)，另一個(gè)是反射信號(hào)，兩個(gè)調(diào)制載波信號(hào)的相位正好相差90 o（1/4波長(zhǎng)）；這樣，兩個(gè)調(diào)制載波信號(hào)互相疊加以后，不但會(huì)改變?cè)瓉?lái)信號(hào)的相位，同時(shí)也會(huì)改變信號(hào)的幅度，結(jié)果相當(dāng)于I和Q兩路信號(hào)互相串?dāng)_，并且，當(dāng)兩個(gè)信號(hào)疊加之后的相位差越接近90 o時(shí)，即反射信號(hào)越強(qiáng)，干擾就越嚴(yán)重；在這種情況下，數(shù)字電視接收機(jī)的調(diào)制解調(diào)電路可能無(wú)法正常解碼。如果反射體的路經(jīng)距離正好與電視接收點(diǎn)相差半個(gè)波長(zhǎng)（25.5米，或半個(gè)波長(zhǎng)的奇數(shù)倍），則兩個(gè)調(diào)制載波信號(hào)的相位正好相差180 o（半波長(zhǎng)），由于正交調(diào)制的兩路信號(hào)（I和Q）都是對(duì)載波的半波進(jìn)行幅度調(diào)制的，因此，兩路調(diào)制過(guò)的信號(hào)合成之后就相當(dāng)于是對(duì)載波的1/4波進(jìn)行調(diào)制；當(dāng)原信號(hào)正、負(fù)半周是對(duì)稱時(shí)，則兩個(gè)信號(hào)互相疊加的結(jié)果會(huì)使接收信號(hào)減弱，相當(dāng)于電視接收機(jī)接收靈敏度降低；當(dāng)原信號(hào)正、負(fù)半周不是對(duì)稱時(shí)，則兩個(gè)信號(hào)互相疊加的結(jié)果會(huì)使接收信號(hào)失真，相當(dāng)于兩路信號(hào)（I和Q）互相串?dāng)_，與兩個(gè)調(diào)制載波信號(hào)的相位相差90 o時(shí)沒(méi)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(diǎn)相差1個(gè)波長(zhǎng)（51米，或1個(gè)波長(zhǎng)的整數(shù)倍），兩個(gè)信號(hào)的相位正好相差360 o（1個(gè)波長(zhǎng)）；當(dāng)原信號(hào)正、負(fù)半周為對(duì)稱時(shí)，則兩個(gè)信號(hào)互相疊加的結(jié)果會(huì)使接收信號(hào)加強(qiáng)，相當(dāng)于電視接收機(jī)接收靈敏度提高；當(dāng)原信號(hào)正、負(fù)半周不是對(duì)稱時(shí)，則兩個(gè)信號(hào)互相疊加的結(jié)果會(huì)使接收信號(hào)失真，相當(dāng)于兩路信號(hào)（I和Q）互相串?dāng)_，與兩個(gè)調(diào)制載波信號(hào)的相位相差90 o時(shí)沒(méi)有多大區(qū)別。由此可見(jiàn)，只要接收到兩個(gè)信號(hào)（主信號(hào)和反射信號(hào)）的相位角相差正好是90 o（1/4波長(zhǎng)）的整數(shù)倍，對(duì)單載波正交調(diào)制信號(hào)造成的干擾最嚴(yán)重；對(duì)于其它相位差同樣也會(huì)產(chǎn)生干擾，只是干擾程度相對(duì)來(lái)說(shuō)沒(méi)有90 o時(shí)那么嚴(yán)重。