孙锡礼

简析数字电视传输的关键技术

孙锡礼

烟台广播电视台海阳转播台，山东 海阳 265100

首先对数字电视的概念、特点和信号传输类型做了概要介绍，随后简要分析了数字电视传输的几项关键技术——码流复用、信道编码及数字调制解调技术，结论是分析、掌握数字电视传输的关键技术，对整个广播电视技术水平的提高将发挥更重要的作用。

数字电视；码流复用；信道编码；数字调制

数字电视（因电视信号由二进制数字0、1构成码流而得名）的传输信道，是由传统的模拟电视广播信道转换而来的，主要分为三种：卫星信道（通常称为卫星数字电视）、有线信道（通常称为有线数字电视）和无线信道（通常称为地面数字电视，包括移动电视）[1]。

由于数字电视信号在传输过程中有效利用了码流复用、信道编码和数字调制等关键技术，因此无论在信号质量、传输速率还是频道利用率上都有很大提高，同时还具有视频点播、互联网接入、信息服务等多种扩展功能。

1 码流复用

众所周知，整个数字电视系统是以MPEG-2标准为基础的。其中的MPEG-2系统层标准描述视频、音频及辅助数据所组成码流（称为基本码流，或ES流）的复用方式。

ES流按网络通信要求的格式打包后形成PES流。按照MPEG-2系统层标准的规定，适用于干扰极少的传输信道（如演播室、多媒体存储）的码流格式是节目码流（PS流），它是把PES流中完整的数据包通过节目复用器组合而成的；适用于干扰多、环境差的传输信道（即电视广播信道）的码流格式是传输码流（TS流），它通过传输复用器把PES流分割为188字节固定长度的数据包。码流复用也使数字电视信号很方便地进入数字媒体信息发布系统，从而可以借助当今任何网络进行传输，为促进“三网融合”的实现起到关键作用[2]。传输复用器还有将几路不同来源的TS流合成一路新TS流的功能，可以实现频谱资源的多功能复用——在原来的一个模拟电视频道内传送多套数字电视节目（即提高了频道利用率），还可以同时提供视频点播、互联网接入、信息服务等互动业务。

2 信道编码

数字电视信号在传输过程中，因信道传输特性不理想（传输线路不佳造成能量损失、障碍物引起信号衰落等）和电磁脉冲干扰、信号抖动、信号漂移等的影响，接收的电视信号不可避免地会出现差错（称为误码，通常分为随机错误和突发错误）。只有采取措施将误码控制在允许范围之内，到达接收端的信号才能可靠接收。常用措施有：通过提高线路质量获得信道改善、在发送端增加信号能量（这肯定是有限度的）、由信道设备通过信道编码实现误码控制等。在许多情况下，信道改善是不可能或不经济的，这时只能采用具有一定纠错能力的信道编码技术。

为达到提高传输可靠性的目的，信道编码的主要技术要求如下：（1）所传输信号可以内容不受任何限制地通过信道；（2）具有一定的检错纠错能力；（3）要求编码效率高——为具有一定纠错能力而在原码流中添加的冗余码尽可能少；（4）为保证接收端准确解码，应包含适当的定时和同步信息。针对这些要求，信道编码主要做了以下技术处理：（1）使用数字序列的频谱形成技术（即信号码型的选取、转换等）改变信号频谱特性，使传输的信号可以内容不受任何限制地通过信道；（2）在原码流中添加冗余码（称为误码控制码元）实现检错纠错，因此，信道编码也可认为是前向纠错编码[3]。国家标准GB 20600－2006《数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制》中规定采用的前向纠错编码，是一种由外码和内码组成的、纠错能力很强的级联编码。用作外码的为BCH码：把信源待发送的信息按固定的k位一组划分成消息组，再将每一消息组独立变换成n（n＞k）位二进制数字组成的码字，记为BCH（n，k），国家标准采用BCH（762，752）。解码算法较简单、具有抗突发错误特性的低密度奇偶校验码（LDPC码）被用作内码。内、外码之间进行时域交织，交织的目的是把较长的突发错误分散成随机错误，从而进一步提高了纠错能力[1]。

3 调制解调

由于数字电视信号在广播信道中必须采用载波传输，因此调制解调技术成为数字电视广播在传输和接收环节的关键技术。最大限度提高数字电视覆盖率是数字电视传输的首要目标。为适应传输信道较高频谱范围的要求，传输前必须进行调制。与传统的三种模拟调制方式——调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM）是完全类似的。基本的数字调制方式分别相应被称为幅度键控（ASK）、移频键控（FSK）和移相键控（PSK）。

传输信道的不同决定了数字调制方式的不同：由大气放电现象产生的天电干扰对卫星数字电视影响严重，噪声漏斗效应则影响有线数字电视上行信道——上述信道需要选择正交移相键控（QPSK）方式，以提高信号传输的效率和抗干扰能力；有线数字电视下行信道由于各种噪声干扰较小，应选择频谱利用率较高的正交幅度调制（QAM）方式；地面数字电视因多径效应特别严重，应选用可显著降低多径效应、广泛应用于无线通信的正交频分复用（OFDM）调制技术。以下简述了这几种数字电视广播用的调制方式基本原理。

（1）正交移相键控（QPSK）方式，也称四相移相键控，它属于那种恒定包络的相位调制方式，因此QPSK已调信号平均功率是恒定的，噪声干扰造成的幅度失真不会导致误码产生，即抗噪声性能好。QPSK是用载波四种相隔90°的相位（通常分别为45°、135°、225°、315°）来表征调制器输入的四种二进制数字组合（00、01、10、11）的，调制器输入的二进制码流每两个比特分成一组（只会有上述四种组合状态）。这种组称为双比特码元，通过载波上述四种相位分别传输对应的码元即可完成调制。

（2）正交幅度调制（QAM）方式。它将调制信号分成两个序列分别去调制两个相互正交（相位差为90°）的同频载波的幅度。QAM已调信号的幅度和相位同时变化，因两个相互正交的分量可分别以ASK方式并行、独立地传输信号，与普通幅度键控相比，其频谱利用率将提高1倍。目前QAM最高已达到1024 QAM（1024个样点）。每个样点表示一种幅度和相位的组合状态（这种组合状态与传输比特之间有规定的对应关系），样点数目越多，传输效率就越高。因此，QAM的频谱利用率和信噪比都是比较高的，但载波幅度失真会导致误码产生，即抗干扰能力不如PSK。QAM信号的解调是首先使用两路正交的相干载波，解调出两路相互正交的多电平信号，再通过幅度检测和判决解调出原来的调制信号，比仅需正确检测相位的PSK解调要复杂得多。

（3）正交频分复用（OFDM）调制技术。它将一个拥有整个信道带宽的载波划分为频率上等间隔（我国规定间隔2 kHz）的C个子载波（我国规定C=3 780），原本串行的调制信号转换为并行的C个子信号后，分别去调制相互正交、互不干扰的C个并行子载波（应用于各个子载波的具体调制方法不必相同）。OFDM信号的解调过程是：先通过积分电路把每个子载波分离出来，再按照每个子载波的具体调制方法解调出每个子信号。地面数字电视传输中的多径效应会使信号发生频率选择性衰落，而上述子载波把整个信道划分成了C个窄的子信道，因其信号带宽仅为整个信道带宽的几千分之一，每个子信道内的频率选择性衰落基本可以忽略。多径效应严重时还会破坏子载波间的正交性，引起信道间干扰而导致解调出误码；如果每个子信道的OFDM已调信号在送入信道之前，首先进行周期扩展，使每个OFDM已调信号前都加入保护间隔，并且这种保护间隔的持续时间总是大于信道的最大多径时延，那么信道之间的多径分量再也不会相互干扰。因此，OFDM能有效对抗多径效应，消除信道间干扰。

数字电视还在进一步推广和普及之中，分析、掌握数字电视传输的关键技术，必将对整个广播电视技术水平的提高发挥更重要的作用。

[1]弥俊伟. 数字电视传输技术探讨[J]. 中国传媒科技，2012（24）：129-130.

[2]吴文利. 数字电视传输网络技术分析[J]. 数字技术与应用，2011（4）：173-174.

Brief Analysis of the Key Technologies of Digital Television Transmission

Sun Xili

Haiyang Broadcasting Station of Yantai Radio and Television Station, Shandong Haiyang 265100

The paper firstly gives a brief introduction to the concept, characteristics and signal transmission types of digital television. After that, it briefly analyzes several key technologies of digital television transmission-code stream multiplexing, channel coding and digital modulation and demodulation technology. The conclusion is that analyzing and mastering the key technologies of digital television transmission will play a more important role in improving the overall level of broadcast and television technology.

digital television; stream multiplexing; channel coding; digital modulation

TN943

A

孙锡礼（1971—），男，汉族，山东海阳人，本科学历，现供职于烟台广播电视台海阳转播台，任工程师，研究方向为广播电视工程。