如何设计音频接收系统的数字滤波处理

、MPEG-2多声道编解码过程

MPEG-2感知编码系统充分利用了心理声学中的掩蔽效应和哈斯效应，利用压缩编码技术，将原始音频信号中不相关分量和冗余分量有效的去除掉，在不影响人耳听觉阈度和听音效果质量上，将音频信号压缩。

4．1 MPEG音频子带编码器的基本结构

感知型子带音频编码器不断地对音频输入信号进行分析。由一个心理声学模型动态地确定掩蔽门限，即在该掩蔽门限之下的多余的噪声是无法为人的听觉系统听到的。由该心理声学模型产生的信息被馈至一个比特分配模块，该模块的任务是将各声道可用的比特以一种优化的方式在频谱范围内进行分配。输入信号还与上述过程并行地被分割到一系列称为子带的频带中。每个子带信号都在经过定标处理后被重新进行量化，该量化编码过程引入的量化噪声不能超过已确定的对应子带的掩蔽门限。

因此量化噪声频谱就与信号频谱进行了动态自适应。“比例因子”和各子带所使用的量化器的相关信息与编码后的子带样值一同进行传输。

解码器可以在不了解编码器如何确定编码所需信息的情况下对码流进行解码。这可以降低解码器的复杂度，并为编码器的选择和解码器开发提供了很大的灵活性。如在心理声学研究上取得了新的结果，则更高效率和更高性能的编码器可在与所有现有解码器完全兼容的条件下得以应用。这一灵活性目前已有了成功的例子，现在最高技术水平的编码器的性能已超过了标准化过程中使用的早期编码器。如图12所示。

4．2 层

MPEG音频标准包括了三种不同的算法，称为层。层数越高，相应可达到的压缩比就越高，而复杂度、延时及对传输误码的敏感度也越高。层II专门对广播应用进行了优化。它使用了具有32个等宽子带划分的子带滤波，自适应比特分配和块压扩。单声道的码率范围为32-192 kbps，立体声为64-384 kbps。

它在256 kbps及192 kbps相关立体声条件下的表现十分出色。128 kbps（立体声）条件下的性能在许多应用中仍可接受。

4．3 MPEG-2在多声道音频方面的扩展

ITU-R工作组TG10-1在关于多声道声音系统的建议方面进行了工作。该项工作的主要成果就是建议BS.775，其中说明一个适当的多声道声音配置应包含五个声道，分别代表左、中央、右、左环绕、右环绕声道。如果使用了一个作为选项的低频增强声道（LFE），则该配置被称为“5.1”。五声道配置也可表示为‘3/2’，即三个前置声道及两个环绕（后置）声道。

MPEG已认识到应根据ITU-R建议775来增加音频标准的多声道能力的必要性。

这是在第二阶段完成的，由此产生了MPEG-2音频标准。在多声道声音方面的扩展支持在一路码流中传输五个输入声道、低频增强声道以及7个旁白声道。该扩展与MPEG-1保持前向及后向兼容。前向兼容性意味着多声道解码器可正确地对立体声码流进行解码。后向兼容性则意味着一个标准的立体声解码器在对多声道码流进行解码时可输出兼容的立体声信号。

这是通过一种真正的可分级方式实现的。在编码器端，五个输入声道被向下混合为一路兼容立体声信号。该兼容立体声信号按照MPEG-1标准进行编码。所有用于在解码器端恢复原来的五个声道的信息都被置于MPEG-1的附加数据区内，该数据区被MPEG-1解码器忽略。这些附加的信息在信息声道T2、T3及T4以及LFE声道中传输，这几个信息声道通常包含中央、左环绕和右环绕声道。MPEG-2多声道解码器不但对码流中的MPEG-1部分进行解码，还对附加信息声道T2、T3、T4及LFE解码。根据这些信息，它可以恢复原来的5.1声道声音。如图13所示。

13 MPEG-2编码器/解码器框图

当相同码流馈送至MPEG-1解码器时，解码器将只对码流的MPEG-1部分进行解码，而忽略所有附加的多声道信息。由此它将输出在MPEG-2编码器中经向下混合产生的两个声道。这种方式实现了与现有的双声道解码器的兼容性。也许更为重要的是，这种可分级的方式使得即使在多声道业务中仍可使用低成本的双声道解码器。考虑到所使用的其它所有编码策略，多声道业务中的双声道解码器本质上就是一个对所有声道进行解码并在解码器中产生双声道向下混合信号的多声道解码器。如图14所示。

图14

就其包含了不同的可由编码器使用以进一步提高音频质量的技术而言，该标准是具有很大灵活性的。

4．4 定向逻辑兼容性

如果源素材已经经过环绕声编码（如Dolby环绕声），广播业者可能希望将它直接播送给听众。一种选择是将该素材直接以2/0（仅为立体声）模式播送。环绕声编码器主要是将中央声道信号分别与左右声道信号同相相加，而将环绕声道信号分别与左右声道信号反相相加。为能对这些信息正确解码，编解码器必须保持左右声道彼此之间的幅度和相位关系。这在MPEG编码中是通过限制强度立体声编码

只能在高于8kHz的频率范围内使用而得以保障的，因为环绕声编码仅在低于7kHz的范围内使用环绕声道信息。如图15所示。

图15 使用MPEG-1音频播送环绕声素材

当传输多声道信息时，与现有（专利的）环绕声解码器的兼容性可通过几种手段得以实现。多声道编码器在工作时使用一个环绕声兼容的矩阵。这可以使立体声解码器能够接收环绕声编码的信号，并可选择将其传送给环绕声解码器。一个完整的多声道解码器将对所有信号进行再变换，以获得原来的多声道表现。MPEG-2多声道语法支持这种模式，进而也为DVB规范所支持。如图16所示。

图16 MPEG-2音频混合后环绕声兼容性

4．5 MPEG-2在低采样率方面的扩展

除了在多声道方面的扩展外，MPEG-2音频还包含了MPEG-1音频在低采样率方面的扩展。该扩展的目的是以一种简单的方式获得改进的频谱分辨率。通过将采样率减半，频率分辨率就提高了两倍，但时间分辨率则劣化了两倍。这可使许多稳态信号获得更好的质量，而对一些在时间特性上要求严格的信号而言质量则下降了。半采样率的使用是在码流中通过将每帧帧头中的某一比特，即ID位置设为“0”

来表示的。而且，可用码率表也进行了修改，以便在低码率条件下提供更多的选择，每个子带可用的量化器也为适应更高的频率分辨率作了修改。

5、先进音频编码（Advanced Audio Coding－AAC）

MPEG AAC（先进音频编码）是于1997年成为ISO/IEC标准的（参见ISO/IEC 13818）。AAC是以新建立的MPEG-4标准中的时域到频域映射的编码算法组成的。AAC从提高效率的角度出发，放弃了与原MPEG-1解码器的后向兼容性，这也是该算法在开始时被称为NBC的原因。

5.1 AAC的主要特点

AAC可以支持1到48路之间任意数目的音频声道组合、包括15路低频效果声道、配音/多语声声道，以及15路数据。它可同时传送16套节目，每套节目的音频及数据结构可任意规定。在码率为64kbps/声道的条件下，AAC可以提供很高的声音质量。

根据不同的应用场合，AAC提供了三种类型（Profile）以供选择，即主要类型（Main Profile）、低复杂度类型（Low Complexity Profile）、可放缩采样率类型（Scaleable Sampling Rate, SSR Profile）。因而其可应用范围很广。

5.2 AAC算法结构

为提高音频编码效率，AAC采用了许多先进技术，如霍夫曼编码、相关立体声、声道耦合、反向自适应预测、时域噪声整形、修正离散余弦变换（MDCT）、及混合滤波器组等。其算法基本结构框图如图17所示。

图17

其中，滤波器组与MPEG层III所采用的滤波器组相比，由于层III算法在对滤波器进行选择时考虑了兼容性问题，因而具有固有的结构上的不足；而AAC则直接采用了MDCT变换滤波。同时，AAC增加了窗口长度，由1152点增至2048，使MDCT的性能优于原来的滤波器组。

时域噪声整形（TNS）技术是时域/频域编码中一项新颖的技术。它利用频域的自适应预测的结果来对时域中量化噪声的分布进行整形处理。通过采用TNS技术，可以使特殊环境下的话音信号质量得到显著的提高。

后向自适应预测是一项在语音信号编码系统领域建立起来的技术。它主要利用了某一特定形式的音频信号易于预测的特点。

在量化过程中，通过对量化精度更为精细的控制，可以使给定的码率得到更加有效的利用。

在码流复接时，通过对必须传输的信息进行熵编码使冗余度降至最低。

通过以上各种编码技术的运用以及采用一种可变的码流结构，使AAC编码算法在得到大大优化的同时，也为将来进一步提高编码效率提供了可能性。

事实上，在AAC编码的三种类型中，各种编码技术的使用也是不同的，也就是说，三种类型的算法复杂度是不同的。这一不同考虑了编、解码两端的算法复杂度。例如，后向自适应预测约占解码运算量的45%左右，在LC和SSR类型中都没有采用这一技术。另外，在LC类型中，TNS滤波器的长度被限制为12个系数，但仍保持了18 KHz带宽；在SSR类型中，TNS也只使用12个系数，并且带宽限制为6 KHz，同时该类型也没有采用声道耦合技术，在混合滤波器组的结构及增益控制方面也与另两种类型不同。

AAC可以在低数据率的情况下提供较高质量的音频信息，如每个声道仅64kb/s时就会有比较好的性能。

AAC当前的应用主要用于日本的数字音频广播及美国的IBOC（带内同频技术）。

6、用于DTS的相干声学编码DTS系统中采用的数字音频压缩算法——相干声学编码，主要目的就是用于提高民用音频重放设备重放的音频质量的，其音频重放质量可以超越原有的如CD唱片的质量。同时通过更多扬声器的使用，使得听众可以感受到普通立体声无法达到的声音效果。因此总体目标就是将听众真正的带入专业的音响领域及多声道环绕声的天地。

相干声学编码器是一种感知、优化、差分子带音频编码器，它使用了多种技术对音频数据进行压缩。下面将分别对其进行详细的描述。从整体来看，编码器与解码器的实现是不对称的。理论上编码器可以设计的非常复杂，但实际上，编码器发展成为包括两种音频分析的模式。解码器与编码器相比则简单的多，因为解码算法是根据编码数据流中的参数来控制的，解码器不需要做任何的计算来决定重放的音频质量。

6.1 编码过程

编码过程中的第一步是通过一个多相滤波器组将每个声道的全频带24比特线性PCM源信号进行分割到一定数目的子带中去。这种滤波方式提供了一种框架，既可以消除频谱滚降较快的音频信号分量，同时又去除了感知上的冗余度。多相滤波器只要通过低复杂度的计算就可以实现更好的线性、更高的理论编码增益和更理想的阻带衰减。每一个子带信号都包含了相应的、严格限制带宽的线性PCM音频数据。子带的个数及相应的带宽是由源信号的带宽来决定的，一般情况下分为32个独立的子带。

图18 相干声学编码器流程图

在每个子带中进行差分编码（子带ADPCM），这一步可以去除信号中的客观冗余量，如周期很短的信号。

通过对信号的对比分析、心理声学及信号瞬态的分析可以判断信号中的感知冗余信息。通过子带范围比特率的选择和上述分析的结果，来调整对每个信号的差分编码程序的执行。差分编码与心理声学模型（如噪声掩蔽门限）的结合可以得到较高的编码效率，甚至可以在不影响主观听觉的基础上进一步降低比特率。

如果使用较高的比特率，那么对于心理声学模型的依赖性则相对较弱，但可以肯定随着比特率的增加，编码信号的保真度也会提高。

比特指派程序管理着所有音频声道中子带信息的编码指派和分配。在时间和频率上的自适应可以优化音频质量。作为音频编码系统设计的基础，比特指派程序通过对音频信号比特的分配和使用的比特率来决定音频质量。通过在编码策略中独立的执行这些程序使得运算的复杂程度大大提高，但是这样做却可以使得解码器相对的简单。相反，随着比特率的增加，比特指派程序的灵活性也将大大降低，但是可以确保音频质量的透明性。

编码过程中最后一步就是将来自每个子带ADPCM处理后的音频数据进行数据复用（或称打包）。数据复用器将所有声道中子带数据加上附加的辅助信息进行打包，形成特殊数据语法格式的编码数据流。在数据流中加入的同步信息将用于解码器对编码数据流的同步。

6.2 对编码数据流同步以后，首先就是对编码数据流进行解包，如果必要的话还将对编码数据流进行检错及误码校正，然后将解包的音频数据送到相应声道的子带中去。

图19 相干声学解码器流程图

第二步是通过在每个子带中传输的辅助信息指令，对子带中的差分信号进行反量化得到子带PCM信号。这些通过反量化得到的子带PCM信号再进行反滤波处理，得到每个声道的全频带的时域PCM信号。在解码器中，没有程序用于音频质量的调整。

在解码器中包括一个可选的DSP功能模块，这个模块主要用于用户的编程使用。它允许对单个声道或全部声道中子带或是全频带PCM信号进行处理。这些功能诸如上矩阵变换、下矩阵变换、动态范围控制以及声道之间的延时调整等。

6.3 DTS系统最早是用于电影应用中的。在1993年的电影“Jurassic Park”（侏罗纪公园）中，没有使用AC-3，而是使用了DTS多声道数字音频系统。DTS系统中的音频数据是存储在一张CD-ROM上的，取代了将声音记录在胶片上的方式，而是在胶片上记录用于同步CD-ROM音频信息的时间码，通过电影胶片上的时间码来同步播放CD-ROM。由于CD-ROM与电影胶片磁迹相比，具有更大的容量和更稳定的可靠程度，因此它可以在4：1压缩比的情况下提供质量更高的多声道音频信息。对于AC-3来说，典型的压缩比为12：1。随着应用的普及，DTS系统又提出一种低数据率版本，其参数规范如下：

音频声道的个数DTS=1——10.1

FsDTS=8——192kHz

RDTS=16——24bit

BDTS=32——6144kb/s

数据帧大小DTS=512样本

在低数据率版本中，由0到24kHz的32个子带的频率，通过一个512抽头的多相正交镜象滤波器（PQMF）来实现从时域到频域的映射。另外8个附加的子带覆盖了24kHz到48kHz之间频率范围，2个附加的子带覆盖了48 kHz到96 kHz之间的频率范围。为了进一步减小冗余度，采用了前向自适应线性预测，同时心理声学模

型用来对信号进行预测，在量化过程中使用了标度量化和矢量量化。

DTS的大多数应用都是采用相对较小的压缩比、工作在几乎无损情况的模式下的。一般来说，数据率在1Mb/s的情况下，DTS可以提供较好质量的音频。DTS的应用也主要是在电影、CD及DVD视频中。另外，DTS所具有的可变比特率编码方式使得它同样可以应用于DAB及DVD的广播中。

7、数字音频广播系统的发展是从85年以后开始的，其中包括了我们熟知的Eureka 147 DAB（尤里卡147数字音频广播）和DVB。不断发展的数字调制方式及编码算法都为数字音频广播提供了更加有效的传输和存储方式，使得在有限的带宽中以较低比特率来传输声道数更多、质量更优的音频信号成为可能。同样在数字音频广播系统的发展中也充分利用了这些以此为核心的新技术。以前，立体声广播起着主导的作用，现在随着越来越多的多声道数字音频系统的应用，在数字音频广播领域也已经开始接纳并制定相关的音频标准了。在Eureka 147 DAB和DVB中，已经包括了多声道数字音频的扩展。

7.1 Eureka 147 DAB国际协议是于1986年由16个欧洲成员组织为制定数字音频广播标准而制定的标准规范。随后又有一些新的组织机构加入到这项协议工作中去，并于1995年形成了第一个DAB的标准。在同一年中，世界范围的DAB论坛也相继成立，它们的目标就是促进世界各地更多的组织机构采用以Eureka 147 DAB为

蓝本的数字音频广播的实现。

Eureka 147 DAB系统的设计是用来取代现行的FM广播业务的，它采用COFDM（编码正交频分复用）以便于更好地进行移动接收和克服多径效应，载波采用DQPSK（差值正交相移键控）进行调制，通道编码采用卷积编码，以满足可调整码率的需要。

Eureka 147 DAB系统使用1.536MHz的频谱带宽来传输最大不超过1.5Mb/s的数据，因此对于多声道来说，如为6个声道，则每个声道的数据率最大不超过256kb/s。对于声道如何分配及使用，则是根据节目数量/数据业务与音频质量来折衷考虑的。由于早期的Eureka 147 DAB源编码的发展没有反映出当前最新发展的技术，同时由于历史原因及DAB标准由欧洲制定，而欧洲长期以来都采用的是MPEG技术，考虑到兼容等问题，因此DAB系统中音频编码系统采用的是MPEG Layer II编码方案。不能说MPEG Layer II编码方案有什么不好，但是如果我们综观当前多声道数字音频系统的最新发展，不难看出，有更多更好的方案可以被采用，如在提高声音质量上可采用DTS系统，在增加声道数目上可采用MPEG AAC系统。

7.2 DVB项目是在1993年由220多个世界组织来制定建立的。这些世界组织包括广播业者、制造商、网络管理者和致力于发展数字电视标准的各种组织机构。最早的DVB业务是在欧洲开始的，现在DVB标准不仅是欧洲的数字电视标准，而且它也扩展到亚洲、非洲、美洲及澳大利亚等地区，成为这些地区数字电视的选择标准

之一。与此不同的美国采用的是ATSC系统。

在DVB的标准中规定了三个子系统：DVB-S（卫星）、DVB-C（有线）和DVB-T（地面）系统。DVB-S系统是一种单载波系统，是最早实现的DVB标准，它是建立在正交相移键控（QPSK）调制和通道编码（卷积编码和里得-所罗门块编码）的基础之上的，典型的码率为40Mb/s左右。DVB-C系统是以DVB-S系统为基础建立的，不同的是它采用QAM（正交调幅）调制方式，取代了用于DVB-S中的QPSK调制方式。在DVB-C中如果使用64点QAM调制，则可以实现在8MHz的带宽中传输38.5Mb/s的数据。DVB-T系统与以上两者都不同的是采用了COFDM的调制方式，而通道编码则与前两者基本相同。在DVB-T系统中，可以实现在7MHz的带宽中传输19.35Mb/s的数据。

DVB系统的源编码是建立在MPEG-2视频和MPEG-2系统标准上的。同时在DVB中也提供了与立体声相兼容的多声道数字音频系统。同样由于历史及其他一些原因，在DVB音频部分中仍然采用的是MPEG Layer II多声道数字音频系统，在DVB的标准中也同时规定可以采用灵活性更大、质量更高，超过MPEG Layer II MC系统的多声道数字音频系统作为DVB的音频部分。

总之，随着数字广播的不断发展，相信这些已经成熟的各种技术都将有它们各自的用武之地。

8、结语

在本文中，我们主要讨论了当前较流行、较成熟的几种多声道数字音频系统，同时也对它们所采用的编码方法的主要技术做了详尽的分析比较。随着存储媒体及传输带宽技术的不断发展，相信多声道数字音频系统会逐渐取代传统的如CD格式的音频系统；同样应用于多声道数字音频系统中的音频编码及传输方案也会不断的进行更新、发展。更多声道的实现及更高质量的音频系统实现都会成为可能，如新建立的DVD-Audio音频技术中的编码方案已远远超越了PCM音频方式。

总而言之，我们相信在今后的数字广播的发展中，不管是DVB、DAB、数字视频、音频广播，还是ATSC数字电视系统等，都将会采用不受带宽限制（相对而言）、可提供更高质量、更多声道的多声道数字音频系统。

数字电视传输系统性能的优越性主要来源于信道编码和信号调制方式。卫星和有线电视网络环境与理想的白噪声模型极为接近，而优秀的信道编码和信号调制方式一般都是针对白噪声模型设计的，这样的信道编码调制可以在卫星和有线电缆广播中得到很好的应用，系统性能可以接近理论值。而地面广播的环境显然不是白噪声模型，没有任何信道编码调制技术可以在地面广播的环境下被优化地使用。美、欧已有的系统都反映出这一特点：即在实验室的白噪声环境下，两者都接近理论值，但一旦处于实际的地面广播环境下，两套系统性能都发生明显的劣化。美国系统虽然在白噪声性能方面优于欧洲系统，但美国系统没有考虑严重的多径环境和衰落现象，其接收实际地面广播信号能力相对于欧洲系统较弱。事实上，现有系统在白噪声条件下具有增益的编码在实际环境中不但无助于提高性能，反而加剧了系统性能的恶化。地面广播的信道特性变化剧烈，信号幅度、相位的变化，多径的时延和幅度的变化速度都远比卫星和有线电缆信道复杂。系统能稳定工作的区域有限，对系统信号处理能力，尤其是处理速度及稳定性要求苛刻。再加上地面广播要求与现有模拟电视广播兼容，大功率非线性发射使相邻频道间的干扰加剧，若系统各个纠错编码保护环节不能很好地协调工作，就会顾此失彼，各部分性能互相牵制，使系统始终处于不稳定状态。因此，在恶劣的地面广播多变通道条件下，如何采用一种各个功能强自适应工作的数字电视地面广播传输系统标准，是我们每一名广播电视技术人员思考的问题，下面就国外数字电视地面广播系统的三种传输性能和实现，就系统的主要设计讨论抗多径干扰技术、频谱、标准制定，以及频谱的高效利用，数据传输、稳定的固定接收和移动接收能力作一些探讨。

二、地面数字电视传输系 统标准

目前全球共有三套国际地面传输系统标准，美国1996年高级电视系统委员会(ATSC) 研发的格形编码八电平残留边带(8-VSB) 即：ATSC 8-VSB；欧洲1997年提出的数字视频地面广播(DVB-T) 采用编码正交频分复用(COFDM) 即：DVB-T COFDM；日本1999年提出的地面综合业务数字广播(ISDB-T) 采用正交频分复用(OFDM) 即：ISDB-T OFDM。这三种系统标准，其系统设计从技术上限于当时的设计方向、使用环境、技术水平和硬件支持能力，没有发挥出系统应有的潜力。

1、美国ATSC 8-VSB系统

美国ATSC 8VSB系统是为了在单个 6MHz 频道中传输高质量视频和音频（HDTV）以及辅助数据而设计的，用于地面广播分配系统。它能够可靠地在 6MHz 内用8VSB调制传输 19.4 Mbit/s 的数据。8-VSB “地面同播模式” 可抵抗 NTSC 干扰，对于地面广播，此系统的设计允许在已有的NTSC 发射机上分配一个额外的具有可比覆盖范围的数字发射机，并且在区域和人口覆盖方面对现存 NTSC 节目影响最小。系统的射频发射特性经过仔细选择后，上述能力是可以达到，通过 18 种视频格式，提供各种图像质量。利用系统的数据传输能力，基于数据的业务具有巨大的潜力。系统提供固定的接收。

8-VSB系统加入了0.3dB的导频信号，用于辅助载波恢复；并加入了段同步信号，用于8-VSB系统同步和时钟信道编码纠错保护措施。如此设计使美国系统具备噪声门限低（理论值≈14.9dB），大传输容量(固定有用数据位率为19.4Mb/S) 和实现串行数据流MPEG-2Packet188bit(1bit同步+187bit) 主要技术优势。但美国系统存在一系列问题。最主要的是对付强动态多径困难：在近的强多径变化（相位）时，导频信号会受到严重影响，载波恢复出现困难。同时，均衡器的性能在载波没有精确恢复时会急剧下降；系统虽然使用了训练序列，但两个训练序列之间相隔24毫秒，期间多径的快速变化无法被跟踪，虽然美国系统同时使用数据判决反馈"DFE"，利用数据本身产生的误差信号进行调节，用以跟踪变化快的多径，但DFE需要信道被均衡到一定程度（错误判决少于10%）才能正常工作，在强多径下，系统是不稳定的。因此，美国系统的原有设计思想、导频放置、数据结构等，都使得该系统不能有效对付强多径和快速变化的动态多径，造成某些环境中固定接收不稳定以及不支持移动接收。另外，美国系统在对付模拟电视同播时采用了梳状滤波器，梳状滤波器开启时，系统门限上升3dB，且开启与否是通过判决后的硬开关。这一方案在实用中不仅会使开关受噪声或多径变化的影响来回跳动，造成系统工作不稳定，还由于其引入的电平数目和12路交织，影响系统网格解码和均衡器的工作。ATSC 8-VSB传输系统具较好的载噪比，可在较低的载噪比下运行，但系统为抗NTSC同步干扰在接收机中加梳状滤波器，却牺牲了约3.5dB的载噪比性能；对抗多径效应而造成的频率选择性哀落，8VSB传输方式采用了均衡器来消除回波，但对回波时延变化很敏感；结构复杂，是一个固定码率的数字传输系统使用单载波调制技术，不支持移动接收。

2、欧洲DVB-T COFDM系统

欧洲DVB-T COFDM系统是欧洲数字电视广播(DVB) 开发的系列标准中的数字地面电视广播系统标准，在系列标准中DVB-T是最复杂的DVB系统。使用MPEG-2传送比特流复用，里德-索罗门(RS) 前向纠错系统，采用COFDM调制方式，把传输比特分割到数千计的低比特率副载波上，用1705个载波（“2K”）或6817个载波(“8K”) 模式。“2K” 模式用于普通网，“8K” 模式用于大小单频网(SFN) ，“2K”与“8K” 系统是兼容的。欧洲系统中放置了大量的导频信号，穿插于数据之中，并以高于数据3dB的功率发送。这些导频信号一举多得，完成系统同步、载波恢复、时钟调整和信道估计。由于导频信号数量多，且散布在数据中，能够较为及时地发现和估计信道特性的变化。为进一步降低多径造成的码间干扰，欧洲系统又使用了"保护间隔"的技术，即在每个符号（块）前加入一定长度的该符号后段重复数值，由此抵御多径的影响。可以认为，大量导频信号插入和保护间隔技术是欧洲系统的技术核心，正是这两项技术使欧洲系统能够在抗强多径和动态多径及移动接收的实测性能方面优于美国ATSC 8-VSB系统。另外，欧洲系统还对载波数目、保护间隔长度和调制星座数目等参数进行组合，形成了多种传输模式供使用者选择。多种模式常用的其实只有两到三种，分别对应固定接收和移动接收应用。欧洲系统同样存在一系列缺陷。首先是频带损失严重：导频信号和保护间隔至少占据了有效带宽的14%左右，若采用大的保护间隔，此数值将超过30%。欧洲方案的综合频带利用率比美国的VSB方案多损失6%至23%。因此，以过分下降宝贵的系统传输容量为代价来换取系统的抗多径性能，显然不是一个好的折衷方案。其次，即使放置了大量导频信号，对信道估计仍是不足：COFDM中的导频信号是一个亚采样信号，且COFDM采用块信号处理方式（每次上千点），在理论上就不可能完全精确地描绘出信道特性，只能给出大约平均值，这也是欧洲系统始终无法达到理论值的原因之一（与理论值差2-3dB），因此，现有欧洲COFDM系统事实上并不是对付移动多径最有效的手段。再次，欧洲系统在交织深度、抗脉冲噪声干扰及信道编码等方面的性能存在明显不足。欧洲还强调在其卫星、有线和地面传输方案中使用相同的信道编码模块以保证其三者之间的兼容性，因为信道编码模块在电路实现中所占比例不大，这种部分兼容方式阻止了在地面广播方案中采用更有效的其它信道编码方法。 对于地面广播，此系统在现存的已分配给模拟电视传输的 UHF 频谱内广播可选择3.7-23.8Mb/S的传输速率。虽然系统是为8MHz 频道开发的，但能用于任何频道带宽（6、7、8MHz），只是相应地改变数据容量。8MHz 信道内传输的有效净比特码率在 4.98~31.67Mbit/s 范围内，取决于信道编码参数、调制类型和保护间隔的选择。在设计上允许码率可变，显示其灵活性，可根据信噪比提供多种码率。 DVB-T COFDM系统，有利于数字与模拟电视共存，在与现行模拟电视混合传输方面显示出优势，设计上不需耍优化就能对付各种模拟制式的干扰。有抗多径失真的能力，在移动接收方面显示其独特的优势，它因有灵活性使得可以按特定的工作环境与服务耍求进行传输试验，在澳大利亚、拉丁美洲、香港地区等受到赞许。

3、日本ISDB-T OFDM系统

日本提出的“综合业务数字广播”ISDB-T OFDM系统采用MPEG-2传送比特复用，OFDM调制方式，使用的编码方式、调制、传输与DVB-T COFDM基本相同，可以说是经修改的欧洲方式，不同之处在于接收方面增加了部分接收和分层传输，将整个6MHz频带划分为13个子带，每个子带432KHz，将中间一个用于传输音频信号，并大大加长了交织深度（最长达0.5秒），增加交织深度将引入长达几百毫秒的延迟影响频道转换和双向业务。ISDB-T 概念覆盖了各种服务，因此系统不得不面对各种需求，而且一个业务可能和另一个业务是不同的。例如，对于 HDTV 节目就需要大容量的传输能力，而对于条件接收中的密钥传输、软件下载等等，则需要高有效性（或传输可靠性）。为了综合不同的业务需求，系统提供了可选择的调制和误码保护方案和灵活的组合，以便面对这些综合业务的每种需求。

在一个地面频道中有 13 个 OFDM 频谱段，有用的带宽是 13×BW/14 MHz （对于6 MHz 频道是 5.57MHz，7 MHz 频道是 6.50MHz，8MHz 地面频道是 7.43MHz）。系统采用的调制方法称为频带分段传输（BST）OFDM，由一组共同的称为 BST 段的基本频率块组成。每段的带宽为 BW/14 MHz，这里 BW 指的是地面电视信道带宽（6、7 或 8MHz，依赖于所处地区）。例如，对于 6MHz 信道，每段占据 6/14 MHz = 428.6KHz 频谱，7段等于 6×7/14MHz = 3MHz。

在 OFDM 特性之外，BST-OFDM 对不同的 BST 段采用不同的载波调制方案和内码编码码率，依此提供了分级传输特性。每个数据段有其自己的误码保护方案（内码编码码率、时间交织深度）和调制类型（QPSK DQPSK、16-QAM 或者 64QAM），因此每段能满足不同的业务需求。许多段可以灵活地组合到一起，提供宽带业务（例如 HDTV）。通过传输不同参数的 OFDM 段群，可以达到分级传输。在一个地面频道中可提供三个业务层（三种不同的段群）。通过使用只有一个 OFDM 段的窄带接收机，可以接收传输信道中的部分节目。

虽然系统是为 6MHz 频道开发和测试的，但它可用于任何的信道带宽（X×BW/14 MHz），只是相应的改变数据容量。6MHz信道中每一段的净比特码率为 280.85~1787.28kbit/s。5.57MHz DTV 频道的数据吞吐量在 3.65 到 23.23Mbit/s 范围之间。

4、三种地面数字电视传输系 统的比较

在不同的损伤和 *** 作条件下ATSC 8-VSB、DVB-T COFDM 和 ISDB-T BST-OFDM 输系统的性能。

从调制的观点看，OFDM 和单载波调制方案，例如 VSB 和 QAM，对相加性高斯白噪声（AWGN）信道应该有相同的 C/N 门限。信道编码、信道估计、均衡方案以及其它的实现限制（相位噪声、量化噪声、互调失真）等导致了不同的 C/N 门限。

数据码率和门限定义差别，在AWGN 信道上的 Eb/N0 门限，如表2 所示。为 DVB-T 和 ISDB-T 选择了两种卷积编码率，R=2/3 和 3/4，提高了和 ATSC 系统可比的数据码率。从射频背靠背的测试数据看，ATSC 系统在 AWGN 信道上目前有几个 dB 的好处。再一次应该指出的是所有的系统都是可能提高改善的，并且对于 DTTB，AWGN 信道可能不是最好的信道模型，特别是室内接收。

因为三个系统都能不用改变信道编码方案而用于不同的信道带宽，例如 6、7、8MHz，系统 Eb/N0 值对于 6、7、8MHz 系统一般是正确的对于地面广播，

三、抗多径干扰技术

多径接收在模拟电视中反映是重影，在数字接收中，多径效应将使接收完全失效。地面数字电视传输，由于多径效应造成的频率选择性衰落会引起码间干扰，生产误码。因此地面数字电视传输必须采用抗多径干扰技术。目前有自适应均衡和正交频分多路复用技术。 自适应均衡器所采用的算法为最小均方(LMS) ，基于最小平方(LS) 和快速横向滤波器算法:

K=-N,-1,0,1, …M

寻找均方误差最小值使均衡器能最有效的消除码间干扰。

OFDM正交频分复用调制技术只是一种并行传输方案，在指定频带上设置K个等间隔的子载波, 每个载波单独被数字调制，每个子载波上的调制符号将被延长K倍, 是抗多径干扰的有效方法。采用加保护间隔和基准电平来实现

一个码元时间间隔内，设基带OFDM信号表示为：

其中M（n）表示第 n个子信道的调制信号，N为并行传输信道数。

为了提高抗多径干扰的能力，加入保护间隔，于是码元宽度变为T=T5+△，信道间隔仍为 ，在t时刻，OFDM信号为：

经过多径信道后，子信道之间的正交性受到破坏。假设，相对时延小于的传输径数为M1，而超过的为M2, 则第K个信道在第I时刻的解调输出为：

上式中第一项为有用信号,,第二项是信道间干扰,第三项是码间干扰，第四项是白噪声。如果保护间隔足够长，使相对多径时间差小于△，则解调后信号中不存在码间干扰和信道间干扰。（当T=64-192us，△＝20祍时就可以基本消除地面广播中存在的多径干扰。）

但是上述输出的有用信号还受到一个乘性干扰影响，需要在每个子信道交替插入基准电平信号,求得信道逆响应，对接收信号进行幅度相位校正来消除多径效应。另外时间交织、频率交织、保护时间与编码结合帮助OFDM提高抗多径干扰的能力，并且可以有效的利用多径干扰信号的能量。

DVB-T 和 ISDB-T 中采用的 OFDM 调制系统具有很强的抗多径失真的能力，它能抵抗高达 0dB 的回波。在城区，当使用室内或机顶天线时，由于发射机的直线路由被阻挡，通常会产生很大的回波。保护间隔能够完全消除码间干扰，除非回波的延时超过了保护间隔的范围。不管怎样，带内衰落仍将影响所需的 C/N，特别是当 COFDM 载波上采用高阶调制时。为了抵抗 0dB 的强回波，DVB-T 和 ISDB-T 需要很强的内码纠错和良好的信道估计系统，以及更高的 C/N。当使用 R = 2/3 卷积码时，它需要大约多6dB的信号功率，以便处理 0dB 回波。无论如何，增加的 C/N 的一部分可以由回波信号功率得到补偿。这些需求的平衡将依赖于所选择的码率。使用消除技术的软判决解码能够显著地提高性能。

DVB-T 和 ISDB-T 系统的保护间隔能用于处理超前的或延迟的多径失真。这一点对于 SFN(单频网) 能够运行是重要的。ATSC 系统不能处理长的预回波，因为它是为 MFN(多频网) 环境设计的，在室外固定接收的情况下，它们通常不会产生长的预回波。因为一个区域内的所有的发射机都工作在同一个频率，以及由于增加了接收多发射机所发信号的概率而带来的某些网络增益，SFN 能够显著地节省频谱需求和传输功率。

四、频谱效率

OFDM 作为多载波调制方案，比单载波调制系统的频谱效率要稍高一些，因为它的频谱具有非常快速的初始滚降，甚至在没有输出频谱成型滤波器时。对于 6MHz 信道，DVB-T系统的有用的带宽（3dB）为 5.7MHz（或5.7/6=95%），ISDB-T 系统为 5.6MHz (或 13/14 = 93%)，相比较，ATSC 系统的有用带宽为 5.38MHz（或 5.28/6 = 90%）。所以，OFDM 调制有至多 5％ 的频谱效率优势。

不管如何，DVB-T 和 ISDB-T系统中用于抵消多径失真的保护间隔，以及为了快速信道估计而插入的带内导频，将减少数据容量。例如，DVB-T 提供了系统保护间隔的选择，为实际符号持续时间的 1/4、1/8、1/16、1/32，这等同于数据容量分别减少了 20%、11%、6％ 和 3％。1/12 带内导频插入将导致码率损失 8％。总体上，对于不同的保护间隔，数据吞吐量将减少 28％、19％、14％ 和11％。减去前面提到的OFDM 系统 5％ 的带宽效率优势，DVB-T 系统相对于 ATSC 系统的总数据容量分别减少为 23％、14％、9％和 6％。这意味着对于 6MHz 系统，假定具有相同的信道编码和调制方案（64QAM，R＝2/3），DVB-T 系统在上述保护间隔比例下将提供14.9、16.6、17.6 和 18.1Mbit/s 数据码率；ISDB-T 系统将提供 14.6、16.4、17.2 和 17.7Mbit/s 数据码率；相应的 ATSC系统码率为固定的 19.4Mbit/s。

实际上，DVB-T和ISDB-T系统能适应各种发射机，从而使覆盖范围变大和频谱效率提高。基于MFN(多频网) 环境，DVB-T 优点有：适合严重的多径环境；快速移动的多径环境；单频网 SFN；移动接收；和非指向性接收天线位置。而在 SFN 环境中，许多发射机可使用相同的频率（频道）覆盖一个巨大的范围，这将导致 DVB-T 和 ISDB-T 系统频谱和传输功率的全面节省。

五、数字电视地面传输标准的制定

传输方案将构成一个国家的数字电视地面广播传输标准的基本技术内容。作为一个电视生产和消费大国，作为一个正在融入全球经济一体化并面临全球性技术竞争的发展中国家，我国已认识到掌握和拥有关键技术、自主研制重要的数字电视系统标准能够为我国经济所带来的巨大发展空间和机遇。世界先进工业国家本着扩大世界市场和获取高额技术利润的目的，依仗他们的技术领先优势及产业基础，近几年来不遗余力地向我国推荐采用他们的标准。特别是以数字电视地面广播传输标准为推荐重点，意欲借此系统标准来推动全面采用其整个标准系列。对此，我们应对自主研究制定传输方案的必要性和可行性有充分和客观的认识。

地面系统由一个一个电视发射台和电视台组成，单台覆盖面小，要一个一个更新。而且我国相应的标准尚在研究之中，尚需一定时间才能确定。而美国、日本等国家在地面数字标准制订后的过渡期都在10年左右，我国还要更慢一些。地面数字电视通常先从大城市和发达地区开始，如中国最可能先从北京、上海和深圳等城市开始。我国广播影视"十五"计划发展规划指出，2003年完成数字电视地面广播传输标准制定，建立数字电视试验台。到2005年，省级以上广播电台、电视台基本实现采、编、播数字化，全国广播电视系统基本实现网络化。到2010年基本实现广播电视节目制作、播出、传输、发射和接收数字化，到2015年完成模拟向数字的过渡。

我国推动数字地面电视的驱动力与国外有很大的不同，美国家庭大都木屋结构，相对较为分散，地面电视主要以本地节目为主。我国地面传输已不象黑白、彩色电视刚发展时那样是唯一的途径。目前卫星和有线的传输方式已经非常成熟，城市主要以有线电视传输为主，边远地区和农村地区主要以卫星为主。大多数城市居民已不再使用室外天线接收电视节目，而是通过有线电视。用室内天线对高楼住户有一定困难，许多楼房或是屏蔽或是朝向不对。在已有有线电视的家庭再要求用户在收有线标清电视的同时再用室内天线收一套高清晰度电视是很不方便的。考虑到从有线传送高清与传送普通清晰度电视所需设备是完全相同的。因此在高清晰度电视的发展中，地面传输的重要性与黑白和彩色电视发展初期已完全不同。

究竟中国的地面数字电视如何推动，选用什么制式，播出什么类型的节目，应当有什么样的政策引导，都是需要解决的问题。中国有中国的国情，与美国不一样，与欧州也不一样。采用地面数字电视广播究竟有什么好处，美国为什么要推动数字地面广播？第一位的原因是节省频率资源。美国FCC在模拟到数字的转换结束时，可以完全收回VHF频段，并逐步对电视频率收费。第二个原因是能启动美国数字电视市场需求。英国推动DVB-T也有类似的理由。因此对中国数字电视的分析就要在两种不同的条件进行分析。一是不对电视台的频率收费和不作硬性限时转换的规定。因为中国是一个发展中国家，电视又是普通老百姓娱乐和获取信息的最重要的工具。二是要能促进中国的产业，其中最重要的是电视机产业、芯片产业和软件产业。这时地面数字电视广播的驱动就来自市场和政策。地面数字电视不仅要能做到固定接收，还要做到便携接收和移动接收。节目是另外一个重要因素，如果数字节目与模拟节目相同，观看质量上会比原模拟有线电视有一定提高，但提高不大。用户没有必要花几百美元买一个机顶盒来收看几乎相同质量的节目。有人设想，可能可以用一套比较好的节目来推广数字电视，但如果你已经有了一套比较好的节目，不用购买机顶盒的模拟方案也许会有更好的经济效益和更快的回报。而用数字方案节目制作的投入和机顶盒的投入也许完全抵消了好节目带来的经济效益，或者说很少有人会投资在这样一个看不清的市场上。也有人举出数字16：9的市场在欧洲得到了很好的响应，因为普通清晰度16 ：9给观众带来的好处和所要花的演播室改进和接收机价格提高相比实在太微不足道了。我国现在已经有高清晰度16：9电视，马上就要进入市场。由此可见，中国地面数字电视发展的关键在高清晰度电视。地面数字广播可以在原普通模拟电视频道内播出一套完整的高清晰度电视节目，清晰度有大幅度的提高，声音质量有大幅度的提高，可以做到真正的家庭影院。原来担心的高清晰度电视机的价格也已降低很多，作为起步，已经有很好的市场前景。

我国在政府组织下，对数字高清晰度电视系统技术已开展了近十年的研发工作，先后研制成功两代数字高清晰度电视地面广播样机系统，并进行过实况信号转播实验。经过科研、广播和产业各界技术人员的共同努力，特别在数字电视地面传输技术方面逐步形成了具备自主专利技术的多种实现方案。如清华大学自主开发完成了“地面数字多媒体电视广播传输系统DMB-T” 采用OFDM多频调制技术在8MHz的带宽中传输最大净荷率达33Mb/s，在整个系统设计中没有采用任何国外现成的芯片，每一步都独立自主进行设计，实现了完全的自主知识产权，具有很大的市场潜力，目前该项技术己完成了计算机仿真和FPGA原型机验证阶段，进入了专利申报和实用化阶段。国家同时也在安排计划，拟对现有国内外的传输方案进行性能测试与比较。依据现有研究基础和推进速度，我国完全有可能在各级政府部门的全力支持下，在较短的时间内，经过测试、分析和改进，集众家所长，制订出具有自己特色和自主知识产权的中国数字电视地面广播传输标准。

我国现行电视广播频道带宽为8 MHz，与欧洲基本相同，但与美国、日本不同。我国地面广播频道频谱分配和规划情况复杂，而且受我国政治、文化、经济现状决定，其数字电视节目和其它业务形式与发达国家需求不完全一致。我国所研制的传输标准方案在技术上应努力达到以下技术要求：尽量满足数字电视地面广播需求条件，系统具备固定接收和移动接收两种主要工作模式，采用抗多径干扰技术使系统能够实现在强多径和动态环境中稳定接收，同时，提高频谱效率保证系统的传输数据容量。考虑到数字地面广播和有线电缆广播可能构成我国未来数字电视广播的主要市场，所研制的地面传输方案应使其接收机易于兼容数字有线电缆解调解码方案。即系统应兼容数字有线电缆方案。系统应努力克服上述国外系统的不足，形成自己的系统组成和数据结构系统应及早形成接收芯片的设计方案，并应以中国企业首先申请接收技术实现专利和研制成功符合标准方案。

六、结束语

通过上面探讨分析可得到这样的结论数字电视地面广播系统能够实现频谱的高效利用、足够大的数据传输容量、稳定的固定接收和移动接收能力。数字电视广播系统为了节约传输带宽，就要采用调制技术，信道编码，提高传输的可靠性，使每Hz频带能传送更多的bit(数据率) 。我们采用的标准应是一个能够在固定和移动接收环境中，稳定实现大数据容量传输的数字电视地面广播系统。在已有国外标准方案的基础上，我国目前正在研究制定自己的数字电视标准，在地面广播传输领域已积累了相当多的实际经验，具有较好的研究基础。只要继续在政府支持下，不懈努力，汲取现代技术精华，完全有可能形成技术先进、性能优越的传输标准方案。这对于我国数字电视产业乃至整个电子消费市场的健康发展将产生深远影响。

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