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| 光榮與夢想:中國數字電視發展之路星期四, 10/23/2008 - 14:04 — 陶顯芳
作者:陶顯芳 康佳集團
一、蹉跎歲月
2006年8月30日,國家標準化管理委員會在其官方網站上刊登了“2006年第8號(總第95號)中國國家標準批準發布公告”,標準號為GB20600-2006的《數字電視地面廣播傳輸系統幀結構、信道編碼和調制》就藏身于這批標準之中。公告顯示,標準的批準時間為8月18日。作為國家強制性標準,國家給了一年的產業準備期,2007年8月1日將正式實施。
現在,一年的產業準備期已經過去了,我們還沒有看到國內哪個電視臺的電視節目表中有“高清”的字樣,也沒看到有哪個電視臺給高清數字電視節目頻道分配了頻率使用表。在商場中也沒有看到符合這個高清標準的電視機賣;由此,人們不得不懷疑,這套3合1的中國高清數字電視地面傳輸標準是否實施艱難。
自從1999年,中國政府有關部門宣布我國的高清數字電視節目試播成功以來,數字電視就開始成為中國人們生活中的一件大事,在各種新聞媒體上,有關數字電視的消息不斷流傳。從2000年起,每次在深圳高交會上都是一個最大的亮點。
2001年10月,在深圳高新技術交易會上,國內幾大電視機生產廠商都展出了自己的高清數字電視產品,這不但給深圳高新技術交易會增添了光彩,也給政府有關部門以及各大電視機廠出盡了風頭。
2002年國家廣電總局向世人宣布:2003年廣電將開播10套以上數字電視影視頻道;2004年為中國廣播電視的數字化年和產業化年;然而這些美好的愿望一直沒有實現。
2003年10月,上海交大的ADTB-T方案和清華DMB-T方案,同時在深圳高新技術交易會上亮相,并突然傳出我國優選的兩套高清數字電視技術標準方案測試都未能成功。人們才開始知道,以前宣布我國的高清數字電視節目試播成功是“大紅燈籠高高掛”中的四姨太懷孕——假的。
從此,關于上海交大的ADTB-T方案和清華的DMB-T方案的好消息不斷傳出。美國在成立華盛頓新政府的時候,曾召開過一次新憲法修改討論會,各個州的代表為了表達自己的利益,互相討價還價,使討論會連續開了200多天,最終才制訂出一部以今天的人看來也是一部非常成功的憲法;而我們為了制定一個“數字電視地面廣播傳輸標準”雙方也爭斗了7年多的時間,這說明,我們的這個標準比美國的憲法還要偉大。只不過是,美國的新憲法當時是代表46個州的利益;而我們現在的新標準只是代表兩方的利益。
實際上在2001年10月至2002年4月期間,國家標準化管理委員會還另外收到過成都電子科技大學和廣電總局下屬的廣科院等4家單位提出的3套方案,他們也要求加入地面傳輸標準的競標行列。這樣,我國的高清數字電視地面傳輸標準方案就不只是上海交大和清華兩家,而是6家。可能是因為其它4家單位實力還不夠雄厚,或者臉皮薄,才不敢與上海交大和清華爭斗,要么,5套方案一起包裝成一個5合1的中國高清數字電視地面傳輸標準,哪就更起勁了。
二、是標準催生數字電視,還是數字電視催生標準
什么叫做標準?標準就是產品生產廠家對自己生產的產品質量的承諾和保證,也是國家技術、質量督察和檢測部門對產品質量進行檢查的法律依據。因此,標準一般都是首先在企業中使用,這稱之為企業標準;爾后,等使用企業標準的企業逐步多起來以后,經過同一修改,企業標準才慢慢升為行業標準或國家標準,最后升為國際標準。企業標準一般要求優于行業標準;而行業標準又優于國家標準或國際標準。
當然任何標準都需要技術來支持,采用什么樣的技術就有什么樣的標準,但對于一個標準卻可以采用多種不同的技術來實現。例如:采用16-QAM數字調制,其碼率是4bit/秒;而采用8-VSB數字調制,也可以達到同樣效果,或者選用3780-COFDM數字調制,也同樣實現這個功能。但各種不同技術的應用,雖然功能一樣,在性能上多少還是有些差別的。正是因為有這么一點點的差別,就使得ADTB-T和DMB-T兩個方案的組織互相爭斗的時間達6、7年之久。
制定一個技術標準一直以來都是一件很簡單的事,國家標準化管理部門只需在現有各類產品的企業標準基礎上,對所有廠家的各種型號產品的主要技術性能和質量指標,進行統一測試、對比、分類,然后制定一個既能體現各種產品的主要技術性能和質量指標,同時也符合用戶質量要求的標準,一個新產品的技術標準(國家標準)就這樣地誕生了。
因此,一項新的技術發明首先必須有人使用,并且要把它轉化成產品后,才有可能成為標準。這種技術轉化的過程應該是企業,即生產產品的單位,而不是學校或技術研究所。企業生產產品首先要經過設計定型、生產定型這兩個基本過程,然后才能向技術質量檢測和標準部門申請產品技術標準,即企業標準。
標準的制定過程應該是企業與國家標準化管理部門份內的事,而這次HDTV地面傳輸標準的制定卻要勞動這么多單位,這么多部門,這可不是一件簡單的事情。但我們不得不懷疑,沒有企業的參與,制定這樣的一個標準能夠成功嗎?可曾想過不久前出臺的EVD、AVS等標準,這些標準還沒等到產品生產出來,就將要過期了,它們很可能就是HDTV地面傳輸標準的前車之鑒。
國家標準出臺太早,對技術產品性能的提高一點沒有好處。比如我國發展最快的產品VCD、CVCD、SVCD以及逐行掃描電視;一開始的時候,這些產品都沒有國家標準,所以它才能這么快的發展起來;但另一方面,如果沒有國家標準,各個企業的產品質量也會魚龍混雜,一些企業就會粗制濫造。因此,國家標準就是用來規范這些企業的行為,對他們產品質量進行監督和處罰,防止一些企業粗制濫造浪費社會資源。
數字電視也一樣,不是有了一個國家標準就能發展起來的,相反,如果要想讓數字電視產業能發展起來,國家就不應該馬上制定國家標準,而是要等數字電視產品的技術性能和質量基本穩定以后再制定國家標準。在國家標準還沒出臺之前,一種產品有幾個企業標準都是正常的,到最后,國家應該把幾個企業標準統一到一個標準之中。
三、什么是單載波調制和多載波調制
大家都知道,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。
四、ADTB-T和DMB-T誰能當駙馬
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,最后由大家來猜一猜,ADTB-T和DMB-T,誰能當駙馬?
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°),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°(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°(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°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°(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°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°(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°時那么嚴重。
假設多載波的最高頻率只有3MHz,即為單載波頻率的二分之一,相對來說多載波的波長比較長;根據兩點之間的電磁場強度與距離的平方成反比的定理,可以求得,在1/4波長處是干擾最嚴重的地方,兩者的電磁場強度相差4倍。而對所有載波平均而言,甚至可以相差幾百倍,即多載波調制的多經干擾相對來說比單載波輕。
但多載波調制和解調的過程都非常麻煩,多個載波經過調制后合在一起傳輸,解調時對其再進行分離就非常困難;因為,在高碼率傳送之下,它無法用濾波電路把各個調制載波信號選出來,只能采用同步分離的方法,因此,它對同步信號的相位要求非常嚴格,所以多個載波對相位噪音的要求比單載波高很多。
如果多載波調制信號解調時各個載波信號分離不干凈,就相當于多個載波之間會互相產生干擾,信噪比(S/N)就會降低。一般多載波解調電路要求信噪比(S/N)的門限值要比單載波解調電路高好幾個db(根據報道為3-4dB)。
目前已經有很多方法可以降低單載波多經反射干擾,例如,采用數字延時均衡技術,即從信號中取出一部分信號經延時一個相位后再與原信號疊加,現在這種技術可以通過軟件控制來實現,將來所有的數字信號接收機都可以采用這種技術。
很多人都認為,只有多載波調制才能用于移動電視接收機,而單載波調制無法實現移動接收的功能。我認為,這種想法毫無道理。
比如,一輛汽車的速度是每小時100公里(28米/秒),那么,它跑1/4周期(6MHz)的時間(0.0425uS)所對應的距離就是1.19×10-6米,這相當于2.3×10-8個波長;或它跑1/4波長的距離(12.75米)所對應的時間為0.46秒,相當于2710000個周期。這兩個結果無論是在時間上或在距離上都沒有可比性。因此,汽車速度對單載波的相位影響幾乎等于零。而受影響最大的反而應該是,在0.46秒時間內,數字延時均衡電路是否能正常工作。
而對于高頻載波在移動接收過程中產生的多普勒效應,它只影響接收頻率的偏移,這種影響對單載波調制和多載波調制都是一樣的。
特別值得注意的是,由于ADTB-T是單載波技術,因此,它對廣電原有的發射系統能夠很方便的接洽。根據資料分析,在前端數字化改造方面,交大方案的成本要比清華方案的成本節省約80~90%,僅需要一個MPEG和ADTB-T調制器即可利用原有模擬發射機發射數字信號,而清華方案必需要整套更換成全新的數字發射機,這筆代價在邊遠地區還是需要斟酌的很大的一筆開銷。
同時,在衡量一個數字信號接收的時候,還需考慮信號的接收穩定率;由于是數字信號的屬性是0和1,就是要么收到,要么收不到,這就凸現門限的意義;根據測試結果,DMB-T的接收門限比DVB-T低,可ADTB-T的接收門限比DMB-T還要低,這就是為什么采用ADTB-T的發射系統其覆蓋范圍比DMB-T的發射系統的覆蓋范圍更廣闊的原因,因為其門限低,采用ADTB-T接收機的靈敏度要比DMB-T接收機的靈敏度高3-4dB,因此,其能夠在更遠的距離上接收弱信號。
另外,上交大單載波系統在組建單頻網(SFN)時,對發射機時鐘頻率的精度和穩定度的要求僅為E-9。這同任何多載波系統相比,要低三個數量級,因此,其工程造價較低。
在發射功率方面相比,上交大單載波系統的發射機平均功率是多載波系統的二分之一,其標定功率則是后者的五分之一。即:在同樣的覆蓋范圍之內,為了實現高數據率的固定接收,上交大方案需要1kW的平均發射功率,則其發射機的標定功率需要4kW,因為其峰均比(PAR)接近6dB。
而對于多載波系統(以歐洲標準為代表)而言,如果要覆蓋相同的地區,則其平均發射功率需要2.0-2.5kW。這是因為:多載波系統與單載波系統相比,載噪比(C/N)門限值要增加3-4 dB。其次,其發射機的標定功率需要20-25kW,因為其峰均比(PAR)接近10dB。
選用單載波系統將來還可以把地面接收和有線接收同用一個高頻頭和解碼器,因為,目前有線電視采用的調制方式基本上都是采用64-QAM,而地面傳輸一般都采用16-QAM,將來也可以選用64-QAM。
上面這些分析,對老百姓來說,不一定會感興趣;但老百姓感興趣的是,怎么樣能買到既便宜又好用的電視機。相比之下,交大方案數字電視接收機的生產成本大約要比清華方案的生產成本低20~30%。這很清楚,如果由老百姓自己來選擇的話,他們一定會知道自己應該選擇什么樣的數字電視接收機。但什么時候老百姓有過自己的選擇權,皇帝家的駙馬是由老百姓來選擇的嗎?
五、ADTB-T和DMB-T是雙胞胎,還是畸形兒
誰都清楚,是雙胞胎就應該分開來撫養,是畸形兒就應該趕快動手術。上海交大的ADTB-T方案和清華的DMB-T方案,是兩套功能完全相同的系統方案,它們在功能上沒有互補性,在性能上也沒有多大區別,它們在使用中完全可以互相取代,即他們是一對雙胞胎。
既然是雙胞胎,為什么在標準號為GB20600-2006的《數字電視地面廣播傳輸系統幀結構、信道編碼和調制》標準中還要把他們捆綁在一起,這不是把雙胞胎又改變成畸形兒了嗎?這個道理,在一般人看來是很難想象的,在醫學上更無法進行解釋。
實踐已經證明,把上海交大的ADTB-T方案和清華的DMB-T方案,兩個捆綁在一起,既增加成本(估計增加30%),還會降低機器的技術性能。國內所有電視機生產企業都強烈反對,殊不知中國的老百姓是否反而會喜歡這種奇特電視機?如果不是這樣的話,那么只能認為,把兩個方案捆綁在一起,唯一的好處就是能夠增加“雞的P”。
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