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广播电视移动接收的制式及技术

来源:依马狮网  作者:   发布时间: 2005-3-13   访问次数: 6568


近年,广播电视的移动接收是个热点,尤其是电视广播的移动接收,不仅吸引了广播业者的关注,更引起许多生产厂家注意。

    本来,无线电广播在它诞生的时候,其特点之一就是它摆脱了原有的连线而有一定的移动性,但在早期,这种移动性主要受电源供电、设备尺寸的限制,基本上没有办法实现,移动接收带来什么技术问题也没有提到议事日程上。在电子管时代,器件的尺寸比较大,耗电也多,真正的“移动”只在军事方面,便携式的收音机也有,但一直不能普及。到了晶体管时代,收音机小到可以放在口袋里,广播的移动接收算是在一定程度上解决了。但是电视的移动接收问题要比广播的移动接收困难得多,所以至今还没有得到解决。

    随着社会的进步,信息技术的发展,移动接收成为发展方向之一。比如移动电话,它现在的普及程度已经不低于固定电话。广播电视虽然有很长的历史,但移动接收的进展却不尽人意。即使是调频广播,在汽车高速行驶中的接收也往往遇到困难。所以广播电视的移动接收引起广电界的重视。

    移动接收的考虑因素

    移动接收和固定接收有很多不同。实际上,移动接收的提法比较笼统,它可以细分为便携式接收、低速移动接收和高速移动接收,它们在接收过程中遇到的问题是不一样的。

    所谓便携式接收,某个意义上是相对固定的接收,只不过是接收机易于携带,经常从一个地点拿到另一个地点进行接收。对广播来说,这不是难事,但对模拟电视来说就不容易了,因为模拟电视的接收要求良好的定向天线,这就使不同接收点上的接收效果大不相同。对于高场强地区使用拉杆天线的电视机,一旦更换了接收机的位置,天线必须重新调整以便取得较好的效果。而对于一般场强的地区,室外天线是少不了的,这就限制了接收的移动性,即使是便携式接收也要看天线安装的条件允许不允许。
    低速的移动接收是指以每小时几公里的速度移动(如人的步行)时的接收,比如边走边听广播就是很典型的例子。高速移动接收是指在汽车上的接收。汽车的速度一般在每小时120公里以下,当然,超过这个速度的接收,如飞机上的接收可以列入超高速接收。

    在接收机的形式方面,人们可以把接收机分为台式机,车载式,便携式,手持式等等。

    在信号条件方面,移动接收碰到的主要问题有信号的衰落、“重影”、多普勒效应等。造成信号衰落的原因既有在移动过程中走入阴影区而产生的遮挡性衰落,也有因电波多径传输而造成的衰落(这两种衰落的表现和影响是不同的)。多径传输不仅造成信号的衰落,也会造成模拟电视图像的重影,数字系统误码率的增加。

    在系统方面,移动接收还要考虑覆盖网的建设,接收机的耗电,接收天线的安装等问题。

    从基本原理考虑,模拟广播电视信号是不宜实现移动接收的,因为模拟信号的处理十分复杂和困难。为了解决移动接收中遇到的问题,广播电视信号必须首先实现数字化。今天谈论的移动广播电视实际集中在对不同的数字广播电视系统的移动接收性能进行分析和比较。

    移动接收制式

    众所周知,地面数字电视广播系统目前有多种制式,除了国外正在使用的几种标准外,还有我国自己提出的若干种制式。这些制式总体上可以分为单载波方式和多载波方式两类,美国用的ATSC是单载波的,欧洲的DVB-T是多载波的。在上世纪,这些制式提出来的时候,实际上并没有充分考虑电视的移动接收问题。当这些系统投入使用后,人们发现多载波用的OFDM调制似乎更适合移动接收。但经过一段时间的努力,人们发现单载波方式并非不能实现移动接收,而是两种方式在移动接收时各有优缺点。详细的分析可以参考资料[1、2]。

    在欧洲,针对DVB-T在移动接收中的不足,人们提出了一种DVB-H的制式专门用于移动接收,而原有的数字音频广播也发展到播出多媒体,下文将重点比较DVB-H和DAB的差别。

    DAB适合于多媒体的分发,而DVB-H则是来自DVB的最新标准,它们有不同的历史:

    DAB是在1988到1992年间开发的。系统当初主要打算作为音频广播,但对传送数据和多媒体业务也有准备。尽管到目前为止在许多国家没有达到普及的程度,但DAB业务已经在多个国家开始。在英国,预计到2004年底之前,英国的DAB接收机的销售将超过一百万台。在德国,虽然卖出的DAB接收机比在英国要少,但数字也正在稳定地增加。DAB系统,尤其是它的传输网络,是以1.5m的天线高度作为户外的接收而设计的。因此,DAB为汽车接收提供良好的覆盖。

    DVB系统是一个系列,包括了卫星、有线、地面等几个标准。它的地面广播版本DVB-T是在上世纪90年代中期开发的。它当初主要是打算使用屋顶天线,为手提式的和静止的接收使用地面DVB系统。系统的设计受到接收机价格的强烈影响。为了使接收机更便宜,它没有使用时间交织,而时间交织对移动接收是很有益的;作为代替,它使用了卫星系统DVB-S相同的纠错方法。

    DVB-T接收机的普及是令人鼓舞的。在德国的柏林,2003年从模拟转换到数字电视之后,卖出的DVB-T接收机达到250,000台。不同的欧盟赞助项目,如ACTS-MOTIVATE(1998-99),MCP(2000-2001)和CONFLUENT(2002-2003),对DVB-T用作移动和手提式接收进行过考察,也对接收机进行了优化。结论是,使用(双天线)分集接收机技术可以使DVB-T实现高速移动接收。

    在对DVB-T的移动性进行测试的时候,也提出了DVB-T在移动环境下是否适合其他多媒体应用的问题。像诺基亚这样的移动电话制造商,对通过DVB-T的高数据率的应用提供移动的多媒体服务特别感兴趣。其动机是,在移动电话商业价值链中,电视是最后一个不在手上的链路。由于用DVB-T向移动电话广播有缺点,所以有了制定以DVB-T为基础的,专用于手持接收机的标准的主意。这方案叫做DVB-H。DVB-H的基本商业要求是用电池供电的小的屏幕移动终端。它应该能够在手提式的,移动的和室内的环境中,使用单一天线接收多媒体业务。

    DAB和DVB-H在技术上的异同

    从总体上看,DAB和DVB-T/H传输系统是以相同的调制和编码技术为基础的,这就是编码正交频分频复用(COFDM)。它们之间的差别主要是在特定的区域,如载波间隔,载波调制,FFT的大小(也就是副载波的数量)等等。

    FFT大小: DAB在一个1.5MHz的信道里,可以应用256,512,1k和2k的FFT;DVB-H可以在5,6,7或8MHz带宽的信道中应用2k,4k和8k的FFT。

    时间分片:DVB-H的时间分片是一种在接收机上节省功率的新机制。如果在没有业务传输的那些时间段,接收机可以断开,那么就可以节省电池的电力。DVB-H的时间分片意味着数据是以突发脉冲串的方式传输的,这些脉冲串从几毫秒到几秒之间。这项技术以下列二个与业务有关的问题的折衷为基础:业务需要什么数据率?而在接收机这边应当节省多少电池的电力?

    DAB也是用串的形式传输数据的。这种“数据脉冲串”是DAB帧的一部份,帧跟随在一个无效符号后,持续24ms。

    时间交织:DVB-H没有采用时间交织,因为DVB-T标准不提供时间交织:DVB-T原先不是作为高速移动接收而设计的。DAB从一开始就是为移动接收而设计的。时间交织解决了在单天线的移动接收条件下的衰落问题。时间交织把突发误码分配在一个较大的时段上,使得FEC能够校改正这些误码。在移动接收中,更有可能出现的是突发误码而不是单个误码。在DAB中,时间交织工作在16个“数据串”上。一个数据串持续24ms,使得时间交织工作在384ms上。

    不相等的误码保护(UEP):不相等的误码保护意味着在解码过程中,较重要的比特的保护优于较低重要性的比特。DAB支持UEP。这意味着对解码过程,比特是依照它们的重要性进行保护的。这对移动和便携接收是非常重要的,因为一般来说,恶劣的接收条件是无可避免的,在恶劣的接收条件下的服务性能是关键问题。借助UEP,通过设计相对于主业务保护的不同的误码保护类型,就可以把失效特性对客观或主观的服务品质实现最佳化。DVB-T/H没有准备UEP。这意味着,那些损害某些重要信息(例如控制信息)的误码只能像那些不明显的比特那样来保护。对于用户,不明显的比特是否被破坏是不要紧的,他们最关心的是,重要的同步是否丢失。

    多协议封包-前向误码纠错(MPE-FEC):在DVB-H中,多协议封包结合附加的前向纠错(FEC),是用来改善单天线的移动接收的。但是这种误码保护只在一个时间片工作。但传输的误码通常不是单个的误码而是作为突发误码串出现的,如果时间片被扰乱太多,业务就丢失,不仅在时间片的期间,也延伸直到下个时间片被传输的期间。MPE-FEC是一个在较高的协议层的附加FEC,能够校正在较低层上的剩余误码,但只能在某个范围内。因此,DVB-H对它的有效比特没有独立的保护。现在计划进行进一步的实验室测试和现场试验,以研究带和不带MPE-FEC两种情况下,只用一个天线的DVB-H的接收性能。DAB不使用MPE-FEC,因为这只是在一个较高的传输层上的一个附加的误码保护机制。不过在DAB中使用MPE-FEC或类似的误码保护系统也不是问题。WorldDAB协会现在正在考虑DAB标准的扩展,它会包括像DVB-H那样基于MPE-FEC的误码保护方案,或者如DVB-T和DVB-S标准所用的,MPEG-2传输流的基于R-S码。

    可扩缩性:DAB的复接是以864个容量单元为基础的,它们可以组合起来以适合业务需要的任何数据率。因此业务数据率的最小值受容量单元的限制。根据所选择的误码保护,这在1.3kbit/s的数量级:作为数据业务,通常用8kbit/s的倍数。DVB-H提供的业务可以从0-10Mbit/s。它只取决于时间片的大小。

    因为各种不同的理由,如果每个业务用的数据率为300kbit/s或更少,DAB更适合移动终端的技术需求。举例来说,它在多工方面比较简单。经由DAB可以传输四到六套节目,然而在DVB-H有30套或更多的节目需要复接。这么多节目的处理是更困难的。利用差分相移键控(DQPSK),DAB的解调技术比较简单。藉由这种解调技术,接收机的复杂性减少了。在接收机方面,DAB只需要DVB-T的5-20%的功率,而DVB-H消耗DVB-T的大约33%的功率。功率的减少取决于业务的数据率。

    相对DVB-H,DAB的带宽较低,DAB发射网络比DVB-H发射网络的功率小得多。DVB-H网络的发射功率至少与DVB-T相同。通过利用大的SFN,DAB可以提供高的网络频谱效率。此外,通过为每个业务运行者进行频谱规划,频率资源可以非常有效地利用。今天,DAB音频业务在L波段上用得不多,这波段仍然有DAB多工可用的频谱。

    DVB-H和DAB的其他方面

    全国性的单频网:大体而言,DVB-H和DAB都可能建立全国性的单频网,但是,因为减少自我干扰的灵敏度,DAB允许大的SFN。这是非常有频谱效率的。与此相比,用16QAM模式的DVB-T/H,最大的SFN大约是200km。

    在欧洲,DVB-H和WorldDAB之间开始合作,目标是回答下列问题:是否有一个以DAB为基础的,类似DVB-H的,有用的或可能的标准?一种迎合两个标准的最终用户器件是否容易实现? DAB向移动用户提供DVB-H业务需要什么?人们正在协调DAB和DVB-H。例如让DAB能使用DVB-H的MPE-FEC。另外,另一种可能性可能在比较高层,例如视频编码(MPEG-4,H.264)和传输层(IP的使用)。真正需要的是在IP-Datacast/DVB-H业务和DAB物理层之间有一个公共接口定义。

    在DAB中已经存在为音频和数据分发的流模式。还有一个数据业务的“包模式”。正在讨论的是一个“加强包和流模式”和MPEG传输流的流模式。

    DVB-H服务需要的发射机功率:对室内的,便携式的和移动的接收,不同制式覆盖的要求并不相同。表1显示的是GSM,DVB-T/H和DAB的不同灵敏度需求。参照表1底部一行可以看到,对相同的服务,DVB-H/QPSK必须比DAB多发射8个分贝(18.5-10.5),而DVB-H/16QAM 需要比DAB多发射15个分贝(25.5 - 10.5)。

 
GSM
DVB-T/H
DVB-T/H
DAB
频率范围 D-Net(900MHz)
E-Net(1800MHz)
VHF (174-230MHz)
UHF (470-838MHz)
同左 VHF (174-230MHz)
L波段(1452-1477MHz)
调制 GMSK 16QAM QPSK DQPSK
热噪声(dBm/Hz) -174 -174 -174 -174
带宽(dBHz) 54.3 68.8 68.8 61.76
噪声指数(dB) 10 7 7 6
系统要求的C/N
或Ec/No(dB)
8 22 15 15
灵敏度(dBm) -101.7 -76.2 -83.2 -91.24
差值(dB) 0 25.5 18.5 10.5
表 1 几个移动系统的比较


    有人提出,移动接收应当用DAB,他的理由是:从标准化进程的最开始,DAB就是为用单天线作移动接收而设计的;数据率从小显示到1.2Mbit/s(在较低的误码保护为1.5Mbit/s)是可扩展的;DAB发射网络的建立比DVB-H网络便宜;在L波段有可用的频谱,用来提供多媒体业务的多工;由于它的时间交织特征,DAB对脉冲噪声是稳健的;DAB需要的发射机功率比DVB-H低;不管音频还是多媒体业务,DAB都是由广播界推动的。

    小结

    广播电视的移动接收作为当前的技术热点,尽管它的市场前景和受众分析还有待进一步的研究,但它的技术还在发展中。要说哪一种制式最适合移动接收还为时尚早,因为每种制式都会根据市场的需要及时改进其技术,从而改善其移动接收的性能。

   

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