我國數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，前者采用單載波調制，后者采用多載波調制。本文介紹了單載波調制和多載波調制的工作原理，以及ADTB-T和DMB-T的優缺點。

什么是單載波調制和多載波調制
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，單載波調制性能優越還是多載波調制性能優越。因此，在這里還是有必要簡單介紹一下，什么是單載波調制和多載波調制。所謂單載波調制，就是將需要傳輸的數據流調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等都是單載波調制。上海交大的ADTB-T方案選用的是單載波調制，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數字調制，到后來才改為16-QAM數字調制。QAM調制也叫正交幅度調制，簡稱正交調幅；因為正交調幅有很多種調制模式，如上面列出的就有7種，一般記為n-QAM，n表示各種調制映射到星座圖上的模數。模數越低，調制和解調電路就越簡單，但傳輸的碼率也相應降低，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，信號發送一般選8-QAM、16-QAM、32-QAM，最高只能選到64-QAM。正交調幅就是把一序列需要傳送的數字信號（2進制碼）分成兩組，并分別對兩組數字信號進行幅度編碼，使之變成幅度不同的調制信號，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幅，最后再把兩路調制過的信號合成在一起進行傳送。由于在調制之前已經對輸入信號進行過幅度編碼，因此，這種調制也稱為正交數字幅度調制。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調制模式，其頻譜利用率是每赫芝傳送4位數據，即碼率為4bit/S。由此可知其載波最高頻率約為6MHz，經高頻調制后采用殘留邊帶發送，其載頻帶寬大約為7點多MHz。所謂多載波調制，就是將信道分成若干正交子信道，將高速數據信號轉換成并行的低速子數據流，然后調制到在每個子信道上進行傳輸。如：n-COFDM，其中n為子載波數目。清華的DMB－T方案選用的是多載波調制，在DMB－T方案中采用3780-COFDM調制方式。多載波調制也叫編碼正交頻分復用調制。就多載波調制中的各個載波而言，其調制的工作原理與n-QAM單載波調制的工作原理基本相同，只是把需要傳送的數據分成很多組（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制，最后把所有的調制信號合在一起進行傳送。

ADTB-T和DMB-T的優、缺點
上面我們簡單介紹了單載波調制和多載波調制的工作原理，下面我們進一步來分析單載波調制和多載波調制的優、缺點。根據上面分析，采用16-QAM單載波調制，其最高碼率為24Mbit/S，載波頻率為6MHz；如果選用多載波調制，在碼率同樣為24Mbit/S的情況下，采用3780-OFDM多載波調制，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，在數字電視機中，選用的載波頻率也不能太低，因為，數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沒有信號可掃描的情況，圖像顯示就會出現間斷。因此，MPEG解碼電路以及圖像信號處理電路對數字信號傳送速度也有同樣的要求。另一方面，多載波解調制對數字信號進行分批處理時候，每次都需要等3780個載波傳送的數據全部到齊以后，才能一次性地對數據進行處理，即需要對信號進行并轉串處理；因此，其解調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，多載波調制一般都不采用殘留邊帶發送，因此，調制后的頻帶寬度相對于殘留邊帶發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）。如果反射體的路經距離正好與電視接收點相差12.75米（或1/4波長的奇數倍），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，兩個調制載波信號的相位正好相差90 o（1/4波長）；這樣，兩個調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，數字電視接收機的調制解調電路可能無法正常解碼。如果反射體的路經距離正好與電視接收點相差半個波長（25.5米，或半個波長的奇數倍），則兩個調制載波信號的相位正好相差180 o（半波長），由于正交調制的兩路信號（I和Q）都是對載波的半波進行幅度調制的，因此，兩路調制過的信號合成之后就相當于是對載波的1/4波進行調制；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，與兩個調制載波信號的相位相差90 o時沒有多大區別。

如果反射體的路經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，與兩個調制載波信號的相位相差90 o時沒有多大區別。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）的整數倍，對單載波正交調制信號造成的干擾最嚴重；對于其它相位差同樣也會產生干擾，只是干擾程度相對來說沒有90 o時那么嚴重。