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第 5期 吴佑寿 数字电视无线传输技术的发展
数字电视无线传输技术的发展
吴 佑 寿
摘 要 展望了2l世纪头 l0年信息技术的发展，介绍了国外数字电视无线地
面传输系统、数字电视 ／多媒体地面传输系统(DMB-T系统)和高空平台信息系统 ，
分析了数字电视无线传输技术的发展现状和存在的问题。
关键词 数字电视 信息技术 多媒体 无线通信
一
、21世纪头 10年信息技术发展展望
2 0世纪后期，信息技术发展神速。光纤、卫星与蜂窝通信，计算机
与互联网以及数字电视等多媒体技术的发展突飞猛进，信息领域呈现
一 片兴旺发达、斑斓灿烂的大好局面。展望 21世纪，这种蓬勃发展的
势头仍将持续。在应用上，高清晰度电视将取代模拟电视，并可能成为
宽带多媒体业务的“中心”，实现更灵活、更方便的交互式业务。互联网
的资源将更为丰富多彩，移动业务也将更为广泛，将从城市拓展至农
村、山地甚至地球 的每个角落。从技术上看 ，新的无线传输体制，如高
空(平流层)平台通信技术将 日趋成熟并逐步付诸实用，从而构成另一
种功能更为强大的空中互联网和广播网，地球上将建立一个由卫星、
平流层平台与地面蜂窝组成的三维通信——广播网，实现价廉、便携、
内容多姿多彩的理想的 5w通信。
我国现在已拥有电视机 3．5亿台，是电视机的生产大国和消费大
国。按照国家计划，到 2 01 5年，电视将实现全数字化。电视是我国广大
吴佑寿 中国工程院院士，清华大学教授
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堡 堇 堕 茎 窭 ． 兰 堡! 旦 蔓曼塑
城 乡群众喜闻乐见的、集娱乐、教育与宣传政府法令等资讯于一体的
家电。因而，围绕数字电视推动多种业务融合 (即习惯上所谓“三网融
合’’)，开拓交互业务市场，将是促进信息技术发展的正确方向。
在上述发展进程中，无线技术将越来越显示出其重要的地位。随
着需求的增长，无线频谱资源短缺问题将 日益突出。因而，研制新的无
线传输体制，开发新的频谱资源，日益成为急需研究的课题。高空平台
系统或平流层系统的提出，将是继卫星和蜂窝通信之后无线技术的又
一 个新的里程碑式的进展，对数字电视 ／多媒体信号的传输也将发挥
重要作用。
本文首先扼要介绍国外数字电视地面传输技术研发工作的现状
和存在问题，着重探讨我国正在研制的一种新系统(DMB—T系统)，然后
介绍正在兴起的平流层信息平台的特点及其用于通信、广播的前景。
二、国外三种数字电视无线地面传输系统简介
与模拟电视相比，数字电视具有视像质量高，节省频带，信息服务
功能丰富多彩，便于实现广播、通信与网络运营处理等业务更好的融
合。
数字电视系统包括节目采录、编辑制作、信号处理、发送、传输、接
收、显示等环节。利用先进的图象压缩、误码保护、调制和高性能显示
等技术，可使电视质量与电影相比拟，达到高清晰度的要求。
电视信号传输信道有卫星、有线(光纤或 同轴线)和地面无线信道
三种。前两种信道的传输特性较好，传输 问题较易解决 ，目前 已有几种
成熟的标准和方案。地面无线信道则十分复杂，城市、山区、湖泊等不
同地 区，电磁 波的传播条件很不相同，特别是用于移动环境下的时一
空衰落和多普勒频移等因素的影响也较难解决。ITU虽然已批准 了三
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种方案，但都存在一些问题和弱点。图1是数字电视传输系统的框图。
∽
流
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据
输
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RS编码 TCbUTurbo 调 TS流数 据
．|- & 编码&矩阵 ◆ 发射 据输入 扰
乱 卷积交织 交织 制
1 r
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去 去卷积交织 去矩阵交织 均 解 道
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乱 ．一卜 ．．| TOM／Turbo ．I_ 衡 q- 调 RS卷解码
解码
载波恢复
信道估计 图
1 数字电视传输系统框图 同步恢复
接收
失
真
在数字电视地面广播系统中，同步、信道估计和误码纠错问题是
决定系统性能的关键。下面拟围绕这些问题对各种系统加以分析比
较。
1．8电平残留边带调制系统(8VSB系统)
美国高级电视系统委员会 (ATSC)的 8电平残 留边带调制系统
(8VSB系统)是按 6MHz带宽信道设计的，采用具有导频的单载波 8电
平残留边带调制，单路净荷数码率为 1 9．39Mbi t／s，单位频带数码率为
3．2 3bi t／s／Hz。接收端采用复杂的自适应均衡器，以解决传输信道衰
落问题。
ATSC系统采用级联的正向纠错和交织措施，用 RS(2 07，1 87 0)编
码，可纠正 1 0个误码，并且采用更长的 52个 RS块交织器，以平缓脉
冲干扰和同频道的NTSC干扰。这些措施使 ATSC系统在 c／N性能方面
具有约 0．5dB的优势。
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在用于加性 白噪声信道时，抗噪声能力较强，对于脉冲干扰和相
位噪声也有较好的抑制能力，其峰／均功率比也较小。用于多频率组网
(MFN)时，在 6MHz带宽 内传递 HDTV业务，较 DVB—T等系统具有优越
性。该系统的主要缺陷是移动接收问题。
2．欧洲数字视频地面广播 DVB-T标准
该标准采用多载波正交频分复用(COFDFM)技术，有 2kHz和 8kHz
两种模式，分别有 681 7个和 17 05个副载波。在 8MHz带宽内净荷数码
率为 4．98--31．67Mbi t／s，也可用于带宽为 6MHz或 7MHz的信道 ，但数
码率相应减少。信道频带为 6MHz时，传输码率为 3．7—2 3．8Mbi t／s，频
带利用率高于 ATSC系统，采用插入导频实现同步和信道估计，可用于
高斯、Ri ce和 Rayl ei gh信道，抗静态长延时多径干扰能力强，抗动态
多径失真能力也较好，可用于固定、便携和移动接收，其代价是有用数
码率相应降低，移动条件下接收性能较好。
系统带内插入 54个连续导频信号和 1／1 2个散布导频信号，实现
同步和信道估计。系统还有保护间隔，把有用信号隔开，以适应不同的
组网要求。例如，8k模式适用于单发射机情况，也适用于多个发射机的
大覆盖范围的单频网。
3．日本地面综合业务数字广播 ISDB-T标准
该标准采用频带分段传输，即正交频分复用 (BST—OFDM)调制
(Band Segmented Transmi SSion—Orthogona1 Fregneney Divi Sion
Mul t i pl ex，BST一0FDM)技术 ，有 2k、4k和 8k三种 FFT模式，适用于地
面广播(ISDB—T)或卫星广播(ISDB—S)。其节目内容可包括低清晰度电
视(LDTV)至高清晰度电视(HDTV)，以及音频、数据、图形、文本等等。当
信道带宽为 6MHz时，传输码率为 3．6～2 3．2Mbi t／s，带宽为 8MHz时，传
输码率为 4．9--31Mbi t／s。用户可根据需要选用不同的业务，对于可靠
性要求较高的业务，如密码或软件下载等，ISDB可保证其误码率足够
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低。
系统采用 QPSK，1 6QAM，64QAM和 DQPSK四种调制，带内插入 1／1 2
的散布导频。射频信道划分为 1 3个子块，采用三种副载频调制，不同
子块可以采用不同的副载频。用于移动接收时，采用 DQPSK的副载波
调制，还采用 0．5 s时间交织，以提高接收质量。
日本 ISDB—T系统于 1 9 98年在东京试播，预计 2003年开始商业
广播。这将是推广进度较快的一种数字电视系统。
三、数字电视 ，多媒体地面传输系统(DMB-T系统)
我国正在研制数字电视 ／多媒体地面传输系统(DMB—T系统)。这
是我们提 出的一种新的数字电视地面无线传输系统，采用时间同步正
交频分复用 (Time Doma i n Synhroni Zflt i on—Orthogona 1 Frequency
Di vi S i on Mul t i pl exing TDS—OFDM)调制方式。按 照我国有关部 门的
要求，该系统具有下列主要功能：
(1)射频信道与已有模拟广播兼容，基带带宽为 8MHz，净载荷数据
率应能传输包括 HDTV在内的多媒体广播和综合数据业务；
(2)支持固定、便携和移动接收，移动接收机时速不高于 1 30km／h；
(3)组网灵活，可用于单频组网，单发射机覆盖范围不超过 75km。
同步、信道估计和纠错是数字通信，特别是传输条件恶劣的无线
地面传输的主要问题。针对上述要求和问题，在系统设计时采用了下
列措施 ：
(1)数据检测和信道估计分别对待。采用周期伪随机序列 PN作为
参考信号，既用于实现帧同步，也用于信道估计。系统同步后，在接收
端把 PN序列去掉，这时可以把信号帧看作是具有零填充保护间隔的
OFDM。这种具有零填充保护间隔的 OFDM，理论上与具有循环前缀保护
间隔的OFDM(例如 DVB—T的COFDM)是等价的。这样，既解决 了同步与
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信道估计的问题，也提高了信道的利用率。
(2)采用 OFDM调制。这种制式的频谱效率高，抗多径干扰能力强，
适用于宽带信号传输。信号帧由PN同步序列和 OFDM块组成。这种结
构可以看作是正交时分复用(TDS—OFDM由此得名)。PN同步序列作为
OFDM的保护间隔，长度为 5 0 s，可满足时延分布的条件。
(3)为了提高系统的抗干扰能力，用于电视节 目时，前向纠错采用
格型 卷积交织及 RS码构成的级联码。用于多媒体传输时，采用多层
分组乘积码(BPC)。这种码可以采用高性能的TURBO算法解码，其性能
更接近于 山侬信息论的极限。RS码采用(209，1 87)码，可以纠正 1 1个
误码。8MHz频带能传送的数码率为 32．8Mbi t／s，可满足 HDTV广播的
要求，也可用于 DTV广播和多媒体接收。
基于上述指导思想设计的DMB—T系统已完成样机研制工作，并初
步进行野外实测。限于实验条件，当车速约为 80km／h时，仍能正常接
收。在码率为 22Mbi t／s、带宽为 8MHz条件下，接收灵敏度达 1 5．7dB
(相当于 Eb／No=l 1．3dB)。存在问题是，系统各部分参数还未优化，在阻
挡严重时(例如在城市楼群及立交桥之间)，接收性能明显下降，甚至
中断。
四、一种崭新的通信体系——高空平台信息系统
、 根据国际电联 ITU(S1．66A)的定义 ，高空平 台信息系统 (The H igh
hl t i tude Platform Sta t ions，HAPS)是一个“位于 20-5 0km高空、对
地球保持准静止位置的物体上的信息站”。高度在 2 0-50km的大气层
属于平流层，因而用于通信 的系统叫做平流层平 台通信系统。
高空平台分重型和轻型两大类。前一种是指作为平台的飞行器 ，
其比重大于空气，需借外力才能升空运行。飞机或直升机，如美国的间
谍飞机 sR一71、u一2等即属于这一类。轻于空气的平台，如热气球或充
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氦飞艇，可自行上升到几万米高空，是较为理想的载荷工具。
平流层是在对流层顶部 (其高度随纬度而不同)至高度约 5Okm的
大气层。这里空气稀薄，其密度约为海平面的百分之几，浮力很小，但
气流比较稳定 (通常主要风向是由东至西，或由西至东)，且风切较小，
是比较理想的部署高空悬停飞艇的空域。
1．高空定点平台的关键技术
(1)飞艇应 自备用于平衡平流层风力的推进器 ，以保持其位置的
固定 ；
(2)应 自备供各种设备，特别是推进器所需的能源系统，使飞艇和
有效载荷有较长寿命，能够长时间正常运行。
此外，还应有良好的测控系统，使气艇能 自动保持其位姿稳定，并
可以安全放飞及回收。
平流层平台所处的空间位于各种信息卫星 (高度几百公里至
36 000kin)、高空特种飞机、系留气球 (高度约几千米)和地面接力系统
(天线高一般在 1 OOm以下)之间，如图2所示。这是地球上空一块尚未
开垦的“处女地”，它的开发利用，对未来通信的发展，特别是 5w个人
通信的发展，具有重要的意义。
图 2 各类空中平台示意图
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2．平流层平台通信系统的特点
(1) 和通信卫星相 比，平流层平 台与地面 的距 离是 同步卫星 的
1／1 8 00，自由空间衰减少 65dB，延迟 时间只有 0．5ms，有利于通信终端
的小型化、宽带化和双工数据流的对称传输和互操作，实现对称双工
的无线接入。
(2)与地面蜂 窝系统相 比，平流层平 台的作用距离远 ，覆盖地 区
大。’当作为一个高接力站时，其作用距离可达 1 000km，比地面接力站约
大 2 0倍。而且信道衰落(按 Ri ce衰减)为 2 0dB／1 0倍程，仅为地面系
统 (按 Rayl e i gh衰减)衰减分贝数的 2／5，因而发射功率也可显著减
少。
(3)平流层平 台既适用于城市，也可用于海洋 、山区，还可以迅速
转移，用于发生自然灾害地区(如洪水、山火)的监测和通信。
(4)造价和通信资费低。平流层的放飞、回收与日常监测和一般的
民航系统相似，不需庞大的发射基地，估计每一平 台造价只为通信卫
星的 1／1 0。而且每个平台都可以独立运行，不象中低轨通信卫星那样
需发射几十颗卫星组成星座之后才能工作，且建设周期短，投资少。用
户端机价格一般也很低，通信资费也不会高于已有的公众电话。
(5)平 台可以回收，不会像卫星那样 失效后变成空间垃圾 ，有利于
环境保护。此外，平台高度在民航高度以h 也不会对空中航行安全造
成影响。
(6)平 台位于国境之 内，主权、管理权均属于本国，有利于开发适
用于本国的产品。 ，
3．平流层平台通信系统的工作频段
1 997年，ITU无线电大会通过把 47．2-4 7．5 GHz和 4 7．9-48．2GHz
频段分配给平流层平台固定业务使用。这个频段的特点是波长很短，
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天线尺寸小，但雨雪衰减大，有关器件和设备还在开发之中，价格 昂
贵。
2 000年 ，日本 向国际电联提 出增加一个 ka波段 (31-31．3GHz和
27．5-28．35GHz)的申请，已得到 ITU批准，可以用附加脚注的方式供
东亚国家使用。此外，还安排 2 GHz、1 0 GHz、2 0GHz等频段，以便和第
三代移动通信系统兼容，构成和地面蜂窝相互配合的信息网。．
4．平台覆盖区及其应用
高空平台作为一个承载工具可以有各种应用，如用于通信、广播、
遥感或科学探测等等。
平 台通信 业务 的覆 盖 区
域决定 于覆 盖 区边缘 至平 台
的仰角。仰角越小，覆盖区越
大。图 3是覆盖 区的示意 图。
美国 SSI公 司把平 台视线所
及 的 整 个 覆 盖 区分 为 市 区 ．
(UAC)、近郊 区 (SAC)和远郊 区
(RAC)，各 区边缘至平台的仰
角分别为 0=30。，1 0。和 0。，半
径 分 别 为 7 0 km、1 5 0 km和 图3 平流层通信系统覆盖区示意图
56 0km。每个覆盖区又分为 7 00个蜂 窝小 区，三个覆盖区共有 2 1 00个
小区，7个小区可重复使用同一个频率，因而频段再用率为 300。按每
赫兹 1比特的调制效率计算，在 47／48GHz频段的 300MHz频带中可提
供 6 00万个 64kbi t／s数字用户，或 1 5 0万个码率为 2 56kbi t／s的宽
带用户，或 1 8．75万个码率为 2Mbi t／s的 E1用户。这种体制相当于把
蜂窝通信结构架设在约两万米高空，和地面蜂窝及卫星通信网构成一
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个三维的立体通信网。
五、国际发展现状与存在问题
美国的SSI公司于 1 997年最早提出了建造平流层通信平台的建
议。之后，欧空局、日本和韩国也相继开展 了有关研究工作，估计 2 005
年前后将陆续有平流层平台投入应用。例如在英国，制作飞艇很有经
验的ATG公司(20世纪 7 0年代以来，已制作飞艇 5 00-6 00只)最近设
计了一个名为 St ra tSa t的飞艇，计划于 2004年完成艇长 2 00m、高
20km的试飞工作。该公司的G．Taylor近 日在北京声称，马来西亚准备
投资 5亿美元，与其合作制造 St ratSa t飞艇，2 004年后可付诸应用。
日本政府已批准一个 5年研究计划，每年研究经费为 25亿日元。在日
本 2000～2 004年的“千年计划”中，安排两次试验机 (试验艇长分别为
48米和 64米)的飞行试验，对飞艇材料、结构，飞艇的放飞、回收，以及
测控系统的设计与运行等关键技术问题，进行试验和技术评估。近两
年来，日本有关部件、飞艇材料和关键技术的研制工作已有进展。实用
机研制工作计划于 201 0年前完成，陆续用于通信、广播、灾害监测和
IMT-2 000等领域。他们还提 出一种把平流层通信系统与其它地面宽带
系统相结合的方案，用 1 00～200个平台构成一个覆盖 日本全境 (划分
为 64个直径为 5km的蜂窝)的网格型网络。每个平台覆盖面积为 40x
40km ，相邻平台用光通道相连，网络容量极大，鲁棒性也很好。
问题是，平流层气象条件虽然比较稳定，有利于定点平台的营建，
但和低空飞艇相比，也有一些不利因素。平流层的风场是对飞艇位姿
稳定性影响最大的因素，这是必须研究的问题。理论分析证明，保持飞
艇位置稳定所需的功率与风速的三次方成正比。风速越高，所需电源
供给越大。但是，目前对平流层气象的研究还相当不够，对系统设计，
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特别是电源设计，对系统的实用化很有影响。电源供应系统是平台的
“心脏"，是决定平台能否在空中长时间定点悬停的决定性因素。目前，
各国设计的飞艇大都采用太阳能电池来提供所需的动力。由于气艇表
面积很大，白天利用非晶硅太阳能电池能够产生足够的电能。但是，如
何在晚间提供能量，是平流层平台一个突出的问题。这是制约平流层
飞艇研究能否成功的瓶颈。此外，优化飞艇的结构与外形设计，降低飞
艇 自重，减小飞艇阻力以及提高飞艇囊皮的强度和抗老化性能，都是
需要解决的问题。
研制“平流层通信系统”的问题于 1 997年末提 出后，受到我 国各
界高度重视。“八六三”通信主题组，原电子科学研究院和教育部等部
门，先后拨款支持进行软课题研究。有关单位，如航天总公司、信息产
业部各研究所、清华大学、上海交大和北航等都积极参予了有关研究
工作。在信息产业部电信科学技术研究院领导下，先后参加了在 日本
召开的平流层信息平台国际会议，并对国内有关情况进行调研。605研
究所和上海交通大学等单位，分别提出了飞艇的初步设计方案和测控
系统。605研究所还为清华大学制作了一个长 1 5m，直径 4m的概念性
演示艇，主要进行对地观察，无线 Internet接入和无线多媒体通信三
方面的试验。飞艇于 2 001年 4月间在清华园试飞，并和地面各种设备
连接，取得了一些结果，如拍摄并制作了清华园的平面图。此次演示虽
然规模很小，但仍反映出了高空平 台通信系统的一些问题。而取得的
飞艇放飞、回收和控制的初步经验，对今后的工作有一定参考价值。
利用平流层平台作为数字 电视无线传输手段与同步卫星广播或
地面卫星相比，无论传播损耗或覆盖范围都有突出的优势，这是不言
而喻的，大力开展有关研究工作是信息领域一项紧迫的任务!
(收稿日期：2002．07-2o)
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