数字电视与移动多媒体广播技术及标准的探讨

数字电视与移动多媒体广播技术及标准的探讨  

   

1、前言

　　数字电视和移动通信无疑是当前IT业界的热点，二者在技术和应用方面都有相通相融的趋势，其中比较突出的就是所谓手机电视。利用移动通信技术是可以实现手机电视业务传输功能，但可能要付出占用双向对称信道带宽的代价，当然可以采取定向或组播等手段，但在业务用户数量急剧增加的情况下，网络服务的成本和QoS仍难以合理保障。实际上，视频等大容量多媒体业务的传输对网络的要求是非对称的，即下行数据量远远大于上行，下行更适宜采用广播方式，广播传输几乎没有用户数量的限制，在节目和频谱等资源利用率、系统用户容量和业务成本等方面都具有明显优势。

　　正因为如此，世界各国在制定或修订地面数字电视等无线广播标准时，都先后考虑到对移动接收的支持。当然，数字移动电视并未限定为手机接收，事实上包括车载接收机、笔记本电脑、PDA及MP4等便携设备都可作为接收终端；广播网络中传送和接收的也不只是电视节目，还有音频、图文、IP数据等多媒体业务。因而手机电视的名称不太准确，似乎应以移动多媒体业务数字广播来界定和讨论这类技术，才更清楚一些。

2、移动多媒体广播相关技术和标准

　　移动多媒体广播最重要的是为用户提供保证QoS的业务和网络支持，其中主要的技术手段包括业务数据压缩技术和数字广播传输技术。

　　（1）视频数据压缩

　　移动多媒体业务中数据容量最大的是电视节目。由于手机等便携终端的屏幕尺寸较小，一般分辨率达到QVGA即320×240像素便可满足要求。那么，对于25帧/s电视图像，在8bit像素、彩色分量为4:2:0数字抽样时，则图像信号传输比特率=320×240像素/帧×8bit/像素×25帧/秒×1.5≈23Mb/s。在图像质量可接受的情况下，目前已广泛应用的视频编码标准如MPEG-2/4能够达到压缩30～40倍，压缩后的码率≈575kb/s～767kb/s。这对于充分利用有限的无线频率带宽资源来传送更多业务的要求来说，是不太令人满意的。

　　因此新出现的视频压缩编码标准如H.264、VC-1及AVS便成为移动视频应用可以选择的技术手段。这些新的视频编码标准虽然仍采用与MPEG-2/4类似的基于DCT/MC的数据压缩技术，但在许多方面做了改进，使得它们的编码效率都达到MPEG-2的两倍以上，即可使QVGA图像压缩到200kb/s～300kb/s。

　　H.264、VC-1及AVS提高视频编码效率的途径有相似的技术特征，都基本采取了更精确（1/4像素）、更有效（改进帧内预测和B帧预测）的运动补偿技术、更优化的量化方法和熵编码算法以及消除分块效应的环路滤波器等。但具体的改进和优化的算法有一些不同，如H.264采用多达9种模式的亮度块帧内预测，AVS减少到5种，而VC-1不用空域而用变换域的帧内预测；帧间预测参考帧数量H.264最多16帧，AVS最多2帧，VC-1只需1帧；运动补偿内插滤波器设计略有不同；B帧预测和编码的方法也有所差异；量化和熵编码算法各不相同；环路滤波器设计也有一定差别。这些改进方法使它们都比MPEG-2/4在相同质量下的压缩率或在相同压缩率下的图像质量有明显提高。

　　此外H.264和VC-1采用了自适应分块DCT变换（包含4×4块），根据不同应用分出包含移动视频的不同级别，VC-1还提出了重叠平滑、分辨率转换及低码率工具等。AVS已公布的国标AVS1-P2主要针对较高清晰度（HD和SD）的视频广播和存储，但适应较低分辨率、低码率移动视频应用的AVS1-P7（AVS-M）正在申报，AVS-M以较小的性能损失获得减少20%的计算量。

　　这三种视频编码标准在相同条件下达到的图像性能基本相当，其中H.264复杂度或运算量相对而言较大一些，VC1和AVS则相对减少了一些算法实现的复杂度。但作为较早也较被普遍接受的国际标准，H.264基础较广泛、技术和产业也相对成熟一些，目前美国、欧洲等大部分地区手机电视试验就采用H.264视频压缩，但在中国，H.264高昂的专利使用费似乎会阻碍其应用。VC-1尽管已由SMPTE选为消费电子视频压缩标准，但因出自微软一家的技术，可能凭借微软在PC和互联网软件领域的强势在其中有所作为。AVS在专利许可方面有一定优势，但在产业化方面需要加快步伐。

　　（2）数字广播地面传输

　　基于地面数字广播网络实现移动多媒体业务传输，先后出现的标准有ISDB-T、DVB-H、T-DMB、MediaFLO等，大多处在试验阶段，已投入商用的只有韩国T-DMB。从全球来看，ISDB-T只在日本试播，DVB-H主要在欧洲试验，T-DMB已在韩国开播，MediaFLO尚在美国测试。中国对DVB-H和T-DMB都在进行测试，T-DMB在商用成本和成熟度上目前更有一些优势。

　　这几种广播技术相似的重要特征是都采用了OFDM多载波技术，载波数除T-DMB在2k以下，其它基本都用4k模式，并且都在地面电视频段内通过构建单频网（SFN）来实现大规模网络覆盖。此外在多载波频分复用的基础上也都不同程度、用不同方法实现减少接收终端功耗的目的。在OFDM技术基础上，它们采用的技术又各不相同，包括如下几个方面。

　　◆传输数据格式

　　在移动多媒体广播网络中需要传送的最终主要包括二种传输数据格式，一种是用于承载音视频压缩数据，多为MPEG媒体流格式（如传输流、TS），另一种则是携带其它业务和多媒体信息的IP数据。ISDB-T和T-DMB目前只支持MPEG格式的物理层数据接口，DVB-H则主要采用IP，并把传输流通过MPE封装成IP数据，MediaFLO则既可以直接接入媒体流，也可以承载其它IP数据。

　　◆分层调制和编码

　　尽管OFDM多载波方式为分层调制和编码提供了便利，但T-DMB采用了统一的DQPSK调制方式，信道差错控制也统一采用卷积码和RS码二级级联编码；其它三种制式则都采取分层调制方法，即针对携带不同业务的子载波，可采用不同的调制方式如QPSK和16QAM等。在信道差错控制方面，ISDB-T在其频率分段中以增强交织等方法为移动接收业务提供加强的纠错能力；DVB-H在卷积码和RS级联码之外，又引入一层RS码，以增强MPE-FEC时间片的抗误码性能，当然也增加了一定的开销；与其它采用复杂度较低的卷积内码和Viterbi译码的制式不同，MediaFLO采用复杂度较高但更高效的Turbo码内码，与RS码级联可获得更多的编码增益。

　　◆带宽和传输容量

　　OFDM允许不同的一个或多个子载波承载不同的业务数据。T-DMB在电视频带内只占用约1.712MHz频带，采用DQPSK调制，理论传输码率约2.3Mb/s，其它三种可采用QPSK或16QAM调制，理论传输码率在电视频带为6MHz时可达11.2Mb/s，电视频带为8MHz时可达15Mb/s。但在实际移动电视应用中，ISDB-T、T-DMB和DVB-H大多用DQPSK或QPSK，再加上有效的保护间隔、差错控制编码等开销，实际传输容量较低一些，例如，ISDB-T把6MHz带宽划分为13个OFDM段，每段可承载速率为230kb/s的业务数据，共可有13个数字频道；T-DMB在较窄的频带分为3个数字频道，每个频道约250kb/s；DVB-H用8MHz带宽可容纳12个信息速率为300kb/s的数字频道；MediaFLO可采用QPSK或16QAM调制，6MHz带宽可传送20个300kb/s的数字频道。

　　◆时分复用

　　在传输频带内OFDM符号占用一定的频率和时间，每个符号包括若干组子载波，均匀分布在频域中，从而在可用带宽内获得充分的频分复用。这些子载波组用来承载业务频道，而不同业务频道所分配的子载波组的占用时间和数量是不同的，这就具备了时分复用的灵活性，如给码率较低的频道分配较少的子载波组以增强时分复用，而码率较高的频道分配较多的子载波组，从而减少终端射频接收的工作时间，降低功耗。ISDB-T划分13段，T-DMB包含短时间帧、MediaFLO规定超帧结构，DVB-H在DVB-T基础上引入突发的时间片划分并以MPE-FEC改善性能，都可以达到时分复用，灵活性较强的MediaFLO的还可支持统计复用。

　　◆平均频道切换时间

　　与DVB-T一样，由于DVB-H必须解开编码的整个OFDM符号，因而有效信息捕获时间较长，平均频道切换时间约为5s，而其它制式平均频道切换一般只需1.5s。

3、DMB-TH技术特点

　　清华大学提出的地面数字电视传输标准TDS-OFDM方案，对于移动多媒体广播所要求的移动环境下的系统性能和网络设计都有出色的解决，并取得了较为满意的试验结果。在此基础上，又提出了解决移动终端功耗的方法并与TDS-OFDM传输方案结合，即DMB-TH技术。

　　有关TDS-OFDM方案的技术原理已有许多文章分析，这里不再赘述，仅就TDS-OFDM及DMB-TH在移动视频应用方面的特点作简要介绍。

　　DMB-TH采用BCH+QC-LDPC的信道编码方法，有效提高了移动信道的C/N，采用多种交织模式（时域交织、频域交织、符号交织）减小脉冲干扰的影响；在系统试验中，已经实现了高速、高码率、单天线HDTV移动接收。DMB-TH由于4k模式，能够实现从中规模到大规模SFN中的单天线移动接收。

　　DMB-TH灵活的帧结构，在PN序列帧头中包含帧体地址信息，可以承载媒体流和IP数据；能够实现对不同业务数据的分层调制和信道编码，对于移动业务，可用QPSK和16QAM调制方式，其信道编码QC-LDPC具有码长较短、时延较小、误码平台低、编码实现简单等特点，性能接近Shannon极限。

　　TDS-OFDM方案频谱效率高，在16QAM模式下可达到12Mb/s传输码率，能够传送30多个300kb/s业务频道。

　　时-频结合的TDS-OFDM方案，在时域保护间隔中填充特殊结构的PN序列帧头，可支持精确、快速的时域同步和信道估计，同步时间只需要5ms。这使得系统平均频道切换时间仅需要0.5s。

　　DMB-TH在原有与自然时间同步的可寻址复帧结构的基础上，提出支持时频二维复用多媒体业务的二维信道动态分配技术TFM（Time-Frequency Multiplexing），由四个信号帧构成一个帧群（Frame Group），占不到2.5ms；同一个业务的数据分散到不同超帧中的帧群上，传输灵活、效率高，并可支持统计复用。这样对一个业务来说空闲时间约等于一个超帧（125ms），如图1所示，从而以时间突发方式实现了减少约98%的功耗。同时由于DMB-TH的一个帧群不到2.5ms，远小于DVB-H最小业务单元（最小捕获信号时间）200ms，业务组合也要灵活得多。例如在传输码率为12Mb/s时，DMB-TH的最小业务单元为32kbi，对传送数据量小的业务非常方便。当然也可以动态组合传送数据量较大的业务。如图1所示。



图1　DMB-TH的传输帧结构

　　由图1可以看出，采用PN序列帧头，可谓一举多得，既作为OFDM时域保护间隔，又实现了时域快速同步和信道估计，同时与绝对时间同步的帧结构及帧头地址信息也为灵活的业务时-频复用提供了便利，从而达到了降低终端功耗的目的。

　　这些技术方案都具有自主知识产权，并且基于中国自己的地面数字电视广播协议并保持兼容，可用业务复用或分级方式引入DMB-TH业务，实现与地面数字电视共网传输，具有网络频谱资源等优势。当然也可以建设新的专用的DMB-TH地面广播网络。

　　目前DMB-T/TH系统各种配套设备包括DMB-TH解调芯片已经研发完毕，网络试验在全国30多个城市进行，效果良好，产业化准备也较充分。

4、未来需要解决的问题

　　目前在移动多媒体广播领域标准纷呈，竞争激烈。竞争固然能够促进技术进步，但也带来了一些问题。

　　（1）接收终端对多标准的兼容

　　手机作为移动通信终端不受地域限制，为了网络兼容现已有三频和双模。而手机电视的信源和信道标准难以统一，如果在手机芯片中实现兼容，必然增加成本。采用软件无线电及软件解码来解决，虽然不失为一条途径，但也存在许多技术和运营等方面的问题。

　　（2）与地面数字电视的兼容

　　手机电视与地面数字电视的兼容包含二个层次，一个是共网传输，需要移动多媒体广播与地面数字电视标准在物理层和网络设计等方面保持兼容，这方面DMB-TH和DVB-H具有优势；另一层是共用视频业务源，如果未来广播电视与手机电视视频编码标准统一，由于手机电视与地面数字电视分辨率不同，也许需要考虑可分级或可变尺度（Scale）的视频编码方法。

　　（3）条件接收和用户管理

　　手机电视大范围网络覆盖，用户数量庞大但频带有限，不可能用数字电视单向广播用户认证信息和密钥的方法。实际上可以利用移动网络原有的用户双向认证，以电信通道发送用户密钥，而以广播通道发送业务密钥；经过长期运营的移动通信网络，其用户管理系统功能也要强大和灵活得多，更适于手机电视。这些都需要广电与移动运营商之间的协调。

　　（4）电子业务指南（ESG）

　　在手机电视中可以多种方式发送ESG给用户，包括借助双向通信网络，由用户来订制，实现个性化服务等等。

　　总之，移动多媒体广播包括手机电视的技术和产品方兴未艾，有许多需要探讨和解决的问题，希望业界对此有较理性的分析，谋定而后动，才能真正利国利民。