《图一 ITU-R digital terrestrial television broadcasting model》

目前，数位电视广播在欧洲、北美、日本存在三种标准，分别是ATSC（Advanced Television Systems Committee）、DVB-T（Digital Video Broadcasting-Terrestrial standard）和ISDB（Integrated Services Digital Broadcasting）。亚洲许多国家正在用美规ATSC的8-VSB（Vestigial sideband modulation with 8 discrete amplitude levels）系统、欧规DVB-T（COFDM）系统及其改进后的COFDM系统进行比较试播。本文会简要介绍8VSB技术和COFDM技术的原理、两套系统的比较和竞争的趋势,为关心数位电视广播的业者及投资者提供参考。

数位电视传输标准之争已经持续了三年多的时间。欧洲定义了一个基于「编码正交频分多工」(COFDM；Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing)的系统，英国是世界上第一个将这种系统投入商用的国家。美国FCC的先进电视业务顾问委员会建议美国政府采用基于8级残留边带调变方式(8-VSB)的系统。而日本提出了「频带分段传送-正交频分多工(BST-OFDM；Band Segmented Transmission - Orthogonal Frequency Division Multiplexing)」系统，这种系统本质上是一种基于COFDM的系统。

尽管欧洲、韩国、美国和加拿大已确定了数位电视广播的标准，但亚洲国家还未完全做出数位电视广播标准的选择（我国原先采用ATSC标准，后来因为DVB-T的行动接收能力比ATSC强，所以目前国内五家无线电视业者都倾向改用DVB-T）。因此，了解两种主要数位电视广播标准的基本技术特性、技术比较和发展趋势，有利于把握数位电视发展为人们带来的机遇。

美规的8-VSB系统

《图二 VSB channel occupancy (nominal)》

VSB采用调幅(AM)方式。在主载波频率的两侧，AM系统的调变载波信号都有频谱分布，称为边带（sideband）,功率大部份集中于中心载波频率处，而每个边带的功率只有它的1 /16。有多种方法可以减小这种传输系统的功率和频宽，例如，可抑制载波频率以节省大量发射功率，传输只藉由边带进行，这种方法称为双边带抑制载波调幅(DSB-SC -AM)。由于两个边带中传输的资讯相同，因此仅用一个边带传输就可以使频宽减小一半，这种方法称为单边带载波调幅(SSB-AM)。VSB实际上是DSB-SC-AM和SSB-AM两种方法的结合，此时要抑制载波，用双边带进行传输。但是因为减少一个边带，只保留了一个残余边带，因而称为残余边带调变。再8-VSB的数据讯框结构中，数据分为两个数据场，发送周期为48.4ms。数据讯框由拟随机（pseudo-random）数据序列、纠错位元组、数据交织及格型编码构成，共包含313个数据段。每一讯框的第一个数据段(data segment)是称为“数据场同步”的特殊同步信号，在接收机中均衡电路利用它来确定每个数据讯框的起点。图一是ITU-R数位电视地面广播系统图，由图中可知此系统必须具有三个基本单元：讯号源编码和压缩、服务多工和传输、射频传送。图二是VSB-8的频宽分布图，总频宽为6MHz。 (图一)(图二)

每个数据段由832个符号(symbol)构成，如图三。起始的四个符号以二进制形式传输。这四个符号代表的两个同步场实际组成一个位元组，用作208位元组传输数据包的同步位元组(这208个位元组由一个同步位元组+187个数据位元组+20个Reed-Solomon位元组组成)，因此，剩余的828个符号用于对剩余的207个数据包位元组进行编码。 828个符号中，每个符号都具有8个不同的数值，每个值由一个3位序列表示，例如，值“-5”由数据序列011(LSB)表示。由于数据采用2/3格型编码方式，所以每2个或1个数据位元实际要传输3位元数据，因此828个符号编为1656个数据位元，从而构成207个位元组。 (图三)

图四则显示了VSB-8数据发送的整个顺序。输入数据是一种藉由MPEG-2压缩的格式化传输数据流，它包含了许多标准解晰度的数位节目流或一到两个高解晰度节目流。数据随机处理(或能量扩散)电路用于去除信号中直流电平。随机处理电路对数据流进行随机处理，但数据场同步位元组、数据段同步位元组以及RS奇偶校验位元组例外。数据场的开头是一个最大长度为16位的拟随机二进制序列(PRBS)。 (图四)

+Reed-Solomon编码器，或者通常称为外部编码器(outer encoder)，在数据块的末端设置20个位元组，以便接收机识别和校正数据块传输过程中出现的错误。但是识别和纠正错误的数量相当有限，例如一个数据块中，由突发噪声引起的多个错误就不能靠这种编码器进行纠正，然而，数据交织编码器将这类错误加以展开，从而提高了Reed-Solomon编码系统的有效性。

纠错系统的最后一部份是格型编码器。它是一种增强型纠错技术，可以纠正前面未能纠正的编码错误。该编码器的处理对象是连续的位元流而不是数据块。卷积编码器类似一个有限状态机，其状态及转换过程称为“格型图”。

藉由综合利用上述所有纠错技术，在数位电视数据传输发射机和接收机之间，就可以建立准无误码（QEF）通道。

8-VSB系统的有效数据率可由下列公式​​计算：

有用数据率=((D×S×M×C×F)/T)×B×Fs

=((313×832×3×2/3×2)/48.4ms)×(188/208)×(312/313)

= 19.39(Mbps)

上述公式中：

D：数据段的数目(固定为313个)；S：符号的数目(固定为832个)；M：每个符号的位数(固定为3个)；C：卷积(格型)编码比(固定为2/3)；F：完整8-VSB数据讯框中数据讯框的数目(固定为2个)；B：RS数据块的编码率(188/208)；Fs：数据场同步脉冲的系数；T：完整8-VSB+数据讯框的周期(48.4ms)。

《图三 VSB-8的数据段》

欧规的OFDM系统

OFDM技术的基础是频分多工(FDM)技术。如果通讯系统的频宽足够并能充分加以利用，那么数据就可以分配到多个通道中传输，例如，同时召开多个电话会议，或同时传输大量数位视频数据的情况下，数据可以分配到多个通道上传输，在接收端重新组合。不同通道的数据以不同的频率进行调变，因此不同通道的数据传输是同时进行的，该技术可以充分利用频宽。

最初的主信号S(t)在特定时间周期T内被分解成n个符号。这些符号宽度是2位元、4位元或6位元，具体情况取决于调变方案。然后构建n个平行数据通道，因而信号源S(t)就产生n个时变信号。每一个信号调变到各自的载波频率上，然后所有载波信号sn(f)叠加并转换成发送频率，经发射机变成最终信号G(t)，它是一个信号组，包含所有sn(t)信号的频率成分。接收机接收到这个波形后，藉由一个n阶带通滤波器阵列（BPF array）分离载波频率，再藉由解调就可以重组原始的数据符号。这是FDM系统的基本运作过程。为了避免干扰，对接收机带通滤波器的要求较高，同时，还需要n个载波解调模组。因此当n较大时，系统的成本很高。解决问题的办法是采用数位信号处理技术。

OFDM信号由多个载波构成，在2k模式是1705个，在8k模式是6817个。一般来说，载波信号之间的分隔必须保证载波信号适合6MHz、7MHz或8MHz通道的要求。上述载波信号包括：

1. 节目资讯数据:每个载波讯号的位元数是可变(2、4或6位);

2.传输参数信令(TPS):传输与通道编码与调变参数有关的资讯;

3．导频信号：用于接收机同步。该信号在比其它载波信号高的功率电平上发射，它包括以下两种类型：(a)连续导频：8k模式为177个，2k模式为45个；(b)散布导频：8k模式为524个，2k模式为131个。

OFDM信号的频谱由6817个(8k模式)或1705个(2k模式)不同频率的单频离散载波组成，由此可见，这些频率要藉由一定时间的传输才能到达接收机，发送所有载波信号的这段特定时间，称之为有效数据周期Tu。有效数据的一部份会重复传输，且在Tu之前发​​送，这段时间称作保护间隔，其主要目的是消除回波和反射干扰。这些回波干扰是多径信号，会在电视上造成重复影像。正是由于COFDM具备消除回波的功能，使其比8-VSB系统更具优势，它可应用于行动式电视接收机（mobile TV）。目前，这一结构也称为OFDM符号，OFDM讯框由68个OFDM符号组成，4个OFDM讯框构成一个OFDM超级讯框。

COFDM系统整个数据发送过程相当复杂，如图五。 MPEG-2传输数据流输入采用标准格式，藉由对其进行能量扩散后，进入前向纠错模组。外编码器在188位元组扰码发送数据包的末端再添加16个位元组，便于接收机进行纠错，这16个位元组即为Reed-Solomon校对位元组。外交织编码器可将误码扩散，从而使外编码器更为有效。内编码器可以处理外编码器无法纠错的数据。纠错量的多少取决于传输通道的品质。 “COFDM”中的“C”指的就是纠错过程的编码部份。从内部编码器中输出的2、4或6位元组要映射到OFDM的一个载波信号中(2k模式下OFDM的节目资讯数据载波数量为1512个，8k模式下为6048个)，接着，插入导频和TPS信号，接收机利用这些信号来判断通道特性。 TPS载波信号包含数据格式的详细资讯，如模式、调变参数等。之后，要进行快速傅立叶反变换(IFFT)来生成所有载波信号和最终的时变信号，并加入保护间隔(可消除回波和反射)，然后再转换成类比信号，再经过滤波、上行转换，最后到达发射器。 (图五)

与8-VSB系统不同，C​​OFDM系统可根据实际情况，如地理位置、网路类型及临界接收状况等，对许多参数进行调整，可调参数如下：

1．载波模式：2k或8k；

2.调变类型:QPSK、16QAM或64QAM;

3．保护间隔：1/4、1/8、1/16或1/64；

4．内编码率（code rate）：1/2、2/3、3/4、5/6或7/8；

5．分层模式；

6．传输频宽选择：6MHz、7MHz或8MHz。

对于长回波而言，8k模式更适合于山区。选择调变类型时，要对通道内的杂音和位元速率（bits/s）进行折衷考虑。选择保护间隔时，要具备消除或大或小回波的能力，并综合考虑位元速率的要求。内编码率是纠错冗余度的表征，在确定此比率时，要综合考虑通道杂音和位元速率。如果临界接收机不能接收全速业务（service），可藉由改变分层模式来接收低速标准业务。

COFDM系统的有效位元速率可根据以下公式计算：

有效传输数据率=(B×C×M×N)/T(bps)

其中：

B：RS数据块编码的效率(188/204=0.92)；C：卷积编码率​​(1/2、2/3、3/4、5/6或7/8)；M：每个载波信号的位元数(QPSK为2、16-QAM为4、64-QAM为6)；N：所用的节目资讯数据载波数量(2k模式为1512，8k模式为6048)。 T：包含保护间隔在内的符号持续周期。

如8k模式为896 μs,保护间隔为28 μs,所占比率为1/32;2k模式为224μs,保护间隔为7μs,比率也为1/32。

《图四 VSB-8数据发送的整个顺序》

8VSB和COFDM的比较

一个国家选择数位电视广播标准时，需要考虑诸多因素，如地理位置、通道频宽分配、经济效益以及政治因素等等。但是，从纯技术角度进行选择时，可参考以下选择策略：

8-VSB系统的特点：@内文:1．可在一个6MHz的通道内​​发送最高解析度的HDTV信号；

2．同等广播覆盖面积下，所需的发射功率较小；

3．处理短脉冲噪音源的能力强。

COFDM系统的特点：

《图五 COFDM系统整个数据发送过程》

1．由于具有优良的抗回波（echo cancellation）和反射性能，适用于行动和室内接收机；

2．适用于单频网路(SFN)；

3．分层模式可解决临界接收性能问题；

4．更多、更灵活的选择，能适应未来广播不断变化的需求；

5．对通道中产生的非线性干扰，灵敏度较低。

竞争的趋势

中国大陆广电总局制定了一个五年规划，拟出数位电视广播的时间表及其标准。有关HDTV的详细情况将于2003年宣布，2010年将停止播放类比标准的电视信号。目前，中国大陆正在用8-VSB、DVB-T COFDM系统及改进型COFDM系统进行比较试验。

我国于1999年选用ATSC(即8VSB)系统,但至今年决定采用COFDM,主要原因在于COFDM系统信号可进行行动接收。

韩国已决定采用美国的ATSC系统，并于2000年9月对其广播系统进行了测试，预计2005年在韩国范围内使用，2010年将停止类比电视信号广播。

新加坡已于1999年5月采用了欧洲的DVB-T COFDM标准，并一直在积极开拓新的应用领域。新加坡广播局(SBA)向6家机构颁发了数位电视试验许可证，以促进数位电视的研发及应用，如行动电视、增强型互动电视以及数位广播等。 1999年7月，新加坡电视公司(TCS)与新加坡公共汽车服务公司合作，进行了一次行动电视接收试验。公共汽车行进时可以接收正在播放的数位电视节目。借助于行动电视后，通勤人员就可看到喜爱的电视节目，并随时获得各类最新资讯。TCS于2000年底为2,000台公交车辆配备了数位电视。 SBA颁发给新加坡媒体公司两个数位电视经营许可证，容许其经营商用行动电视业务和商用数位电视业务，这种商用数位电视业务可用数位形式播放现有的类比电视节目。

现在决定采用DVB-T COFDM系统的国家，已经超过了12个。只有美国、加拿大和韩国决定采用ATSC，美国的系统似乎优势不大。亚洲乃至全球的标准和高解晰度电视节目的数位传输系统，最终可能全部都采用COFDM系统。

数位电视广播和电讯、通讯、电子、资讯产业之分工

从图六中，可以明白整个数位电视产业是包含广播、电信、通讯、电子、资讯等子产业，它可提升工业进步和促进经济成长。以传输系统别分类，数位电视广播系统可分成地面广播、直播卫星、有线电视网路（CATV）、卫星和地面电视共同天线（SMATV）系统、微波视讯（wireless cable）传输（MMDS和MVDS）。目前每一种系统都各有用户，以有线电视用户数量最多，所以有线电视网路现在已经成为最大的电视消费网路（70%~80%的占有率），并不断挤压传统地面广播或无线电视市场（只剩10%~20%），因为无线电视节目现在大都是藉由有线电视网路传输到每个家庭。不过，地面广播业者正借电视数位化、行动化之机会绝地大反攻。国内五家无线电视台一致坚持改用欧规COFDM系统，这个举措证明了地面广播业者想摆脱有线电视业者的束缚，转变成像新加坡行动电视业者一样，增取已流失的客户群。 (图六)

依照交通部计画民国95年12月，当数位电视收视普及率达到85％以上时，政府即强制收回现有类比频道，全面改采数位电视广播。不过，因适逢景气低迷，连美国都无法如预期全面改采数位电视广播，因此数位电视和其广播设备之需求在短期内是很难有成长的，不过因为改采数位电视广播是全世界的潮流，它的市场规模会是开放行动电话市场的数倍，而且行动话机、Internet、超薄型电脑、和数位电视将成会人类未来最常应用的工具，所以加强数位电视和其广播设备之研发现在就应该开始。

与数位电视相关的产品计有八大类：

一、 卫星制造:目前仅先进国家具有自主、发射卫星的科技能力。不过像卫星天线、抗热陶瓷等零组件市场是国内业者可以开发的领域。

二、 卫星电视传输系统：由于技术门槛高，目前仍为国外卫星视讯大厂分食的局面。

三、 直播卫星接收系统：包含能直接接收一个或数个卫星讯号的天线和调谐器。其中，能同时接收数个卫星讯号的平面天线和多工调谐器是未来市场的新宠。此外能整合DVD、VCR、CATV、Game STB等视讯装置于一身的接收系统之市场需求也很大。

四、 多通道多点分传系统（MMDS；Multichannel/Microwave Multipoint Distribution Systems），如图七，是用户接收端与卫星中间的中继系统，解码器、调变器、功率放大器是其关键零组件。 (图七)

五、卫星和地面电视共同天线（SMATV）系统：如图八所示，它可以同时接收地面和卫星广播，大楼用户可共同使用此一系统，不需另外装设。 (图八)

六、 地面数位电视广播系统：如前文所言，目前有美规ATSC和欧规DVB-T两大系统存在，国内业者可以选择其中的零组件、装置进行研发或OED/ODM生产。

七、 个人互动式电视：配合MPEG-2等视讯技术，可以满足个人对电视节目的选择和合理付费之要求。其中的「解码器」（CAS；Cond​​itional Access System）可使节目锁码更为安全、便利。图九是Divicom推出的PTV recorder与直播卫星、CATV STB之连接。未来的数位电视更可能将PTV recorder整合在内。 (图九)

八、商用数位电视（business TV）：藉由直播到家（DTH；Direct-to-Home）、MMDS、混合光纤同轴网路（HFC）、光纤到家（FTTH）网路将使数位电视更适合成为电子商务的标准平台。

《图六 数字电视的传输架构及媒介》

结语：

数位电视将延续行动通讯热潮，成为下一个燃烧焦点。不能提供行动接收的数位电视注定是没有吸引力的，这可从ATSC和DVB-T的竞争中得到证明。

由于人类越来越依赖电子装置，行动通讯和储存装置将促使半导体产业快速复苏。讽刺的是，原本要被数位化取代的类比技术，将因无线电装置对射频设计之急迫需求，而日形重要，而SoC混合讯号晶片（MMIC；Mixed Mode IC）将是加快数位电视时代早日到来的最大功臣。可预见的是，十年或十五年后，行动电话网路、个人区域网路、无线区域网路、有线电视网路、Internet和数位电视网路将会非常紧密的结合着。