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发表于 2005-11-1 19:12
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真相:北大徐孟侠教授有话要说!!!
主题:北京大学徐孟侠分析数字电视标准
http://forum.tech.sina.com.cn/cg ... 90&itemid=67941
徐孟侠教授有话要说!
下面列出的三份资料中,第一份(2005年3月4日)和第三份(2005年4月18日)已经公开散发。第二份(2005年4月17日)则是从本人给领导同志的信件中摘出的。
现在把这三份资料汇集在一起,供学术界“百家争鸣”。
需要特别说明的是,对于地面数字电视广播的中国传输方案或标准(草案):
1)这些资料说明:本人通过简单的理论分析,只支持单载波系统,而不支持多载波系统。
2)它们是本人在1998年第四季度至1999年第一季度的半年时间内,通过学习美国ATSC/8-VSB标准(1995年夏草案)、欧洲DVB-T/COFDM标准(1996年春草案)、以及日本ISDB-T/BST- COFDM标准(1998年秋草案)之后,反复思考所获得的基本结论。
随后本人又学习了澳大利亚、巴西和香港的测试报告,特别是学习了加拿大华裔学者吴奕彦等所撰写的权威性综述报告(2000年夏)以后,使得本人的有关观点,更为科学化和系统化。
3)考虑到充分鼓励国内多个方案竞争之需求,特别是考虑到单载波系统只有上海交通大学ADTB-T/OQAM一个建议,在技术上能够实现“优中选优”,而避免少数人的垄断行为,本人故意推迟这些观点的发表。
4)本人支持“数字电视领导小组”确定的“融合”方针。
但2004年初,当“融合过程”刚刚开始时,本人即指出及预报:
—— 地面数字电视广播的传输标准的技术,可以划分为系统层技术(由标准文件确定)和接收端解调器技术两大方面。解调器技术难度大,因为它要解决复杂信道传输过程中遇到的各种复杂情况。因此,在某种程度上可以说:系统层的技术是为解调器技术服务的。相应的知识产权归属也是这种情况。
—— 多载波系统与单载波系统是两种技术体制,“融合”有其利弊:a)可以实现技术上的“优中选优”;b)由知识产权和专利体现的“中国国家利益”和“研制单位的利益”,可以通过“某种专利池”而进行协调和统筹;c)多载波系统与单载波系统属于两种技术体制。“融合过程”将有一定难度。清华大学的DMB-T/TDS-OFDM方案的一系列主要参数:例如,带宽7.56 MHz、3,780个子载波、PN码的设计(逐个OFDM符号变动的)等,都是“不可更改的”;不然的话,其接收端解调器的大部分“核心技术”和相应的芯片设计将全部失效。反之,上海交通大学的ADTB-T/ OQAM系统却有较多的灵活性,例如其带宽不限于7.14 MHz,很容易更改为(7.14 + 7.56)/ 2 = 7.35 MHz,或清华方案的7.56 MHz,或广科院方案的参数,或欧洲标准的7.61 MHz等。[注 1]
[注 1] “融合方案”虽然有“多载波”和“单载波”两个“可选项”,但“融合方案”不得不受到清华DMB-T方案的“框架限制”。因此,“融合方案”不得不执行的方针是:在清华DMB-T方案基础上,改动愈少愈好。但这种做法是缺乏下述科学依据:通过理论分析、样机的实验室测试和样机的现场测试获得的数据,特别是通过工程界对性能价格比的分析,说明它是最佳的。
因此,可以说:这种做法是“非技术因素介入”的结果;使得“融合方案”不得不“穿上清华方案的小鞋”。
清华大学某些人在2004年秋及年底,不遗余力地宣传:“融合方案以清华方案为基础”和“清华方案中标”等,否认“联合工作组”内别的单位为了执行“领导小组”的“融合方针”进行妥协而做出重大让步,正是这种客观情况的充分反映。但是当清华大学某些人感觉到“融合方案”可能对他们不利时,他们又通过某院士等上书,宣传“放弃融合是上策”,其意图是:否认“融合”而给清华方案“开绿灯”。这种出尔反尔的宣传,实际上阻碍了“融合方案”的进展。
5)本人在学术上可以同意多载波系统在高码率的固定接收应用中,处理回波的某种简洁处理。(当然,当前的单载波系统采用“过取样的相位跟踪技术”也可以做到。)但是,多载波系统过去宣传的另外两大优势:移动接收和组建“单频网”,现在都已经被上海交通大学的ADTB-T/OQAM系统所突破。
本人当然希望多载波系统的提出者和支持者能够在当前情况下,能够继续从理论分析,实验数据和性能价格比等多方面,阐述多载波系统与单载波系统相比的优点,特别是盼望他们能够对下述三份资料提出批评意见,以便本人改正错误。
学术争论可以“分清真伪,明辨是非”,以真理为准则,那末就“不伤和气”而加强了团结,利国利民。
(I)5304xmx22.doc(供媒体界以任何形式发表)
[2005年3月19日徐孟侠重要注解:这份资料故意预留“地面电视频谱规划”这个要害问题;供进一步学术争论中“百家争鸣”中本人“一家之言”的重要补充。]
地面数字电视广播系统中,上海交通大学的ADTB-T/OQAM单载波系统在工程实现中的性能价格比,显著优于任何多载波系统
徐孟侠(个人意见)2005年3月4日
1 本文从技术角度的粗略分析,说明本人为何一直支持单载波系统(上海交通大学的ADTB-T/OQAM方案),而不支持任何多载波系统。
粗略的理论分析和测试数据都能说明:ADTB-T/OQAM单载波系统的性能价格比(包括考虑实际的工程实现),优于任何多载波系统(欧洲DVB-T/COFDM标准、日本ISDB-T/ BST- COFDM标准、清华大学DMB-T/TDS-OFDM系统或广播科学研究院CDTB-T系统)。
2 首先,从地面数字电视广播的发射部分来分析:
2.1 上交大单载波系统的发射机平均功率是多载波系统的二分之一,而其标定功率则是后者五分之一。
假设对于某地区确定的覆盖范围,为了实现高数据率的固定接收,上交大方案需要1 kW的平均发射功率,则其发射机的标定功率需要4 kW,因为其峰均比(PAR)接近6 dB。
对于多载波系统(以欧洲标准为代表)而言,如果要覆盖相同的地区,则其平均发射功率需要2.0 - 2.5 kW。这是因为:多载波系统与单载波系统相比,载噪比(C/N)门限值要增加3-4 dB[注 1]。其次,其发射机的标定功率需要20 - 25 kW,因为其峰均比(PAR)接近10 dB。
[注 1] 在大功率发射(例如,平均功率2 kW)条件下,由于发射机的非线性效应,多载波系统的C/N门限值比起计算机仿真或样机的试验室测试,要上升约2.5 dB。因此,计算机仿真和样机的试验室测试不能替代现场测试,因为后者更为接近实际工程实现。
因此,以欧洲标准为代表的多载波系统之发射机平均功率,将是上交大单载波系统的2.0 – 2.5倍,而其标定功率则将是后者的5 - 6倍。
2.2 上交大单载波系统在组建单频网(SFN)时,对发射机时钟频率的精度和稳定度的要求仅为E-9。这同任何多载波系统相比,要低三个数量级,其工程造价低。
多载波系统(欧洲标准、日本标准、清华方案或广科院方案)都要从GPS(或其他替代物;例如,高档的晶体时钟系统或低档的原子钟系统)获得较精确的时钟,其数量级为E-12。这是因为,多载波系统中发射机的时钟精度和稳定性,都是相对其相邻子载波的间隔而言的(欧洲标准2k模式为8 MHz/2048 = 3.91 kHz;清华方案4k 模式为8 MHz /4096 = 1.953 kHz),其要求较高。如果达不到E-12的要求,所有相邻子载波的正交性将被破坏,使误码率上升。
反之,上交大单载波系统对发射机时钟精度和稳定度的要求,是相对8 MHz而言;也即,是上述两类多载波系统的2048倍或4096倍,即降低三个数量级而为E-9 [注 2]。因此,上交大单载波方案不需要GPS系统,有利于国家安全和恶劣电磁环境下工作,而且其工程造价低。
[注 2] 这是电信网“同步数字系列”(SDH)对系统时钟精度和稳定度的要求。因而,对电信网SDH协议稍作软硬件改动,即可使上交大单载波系统通过SDH网络,把主发射机与多个辅助发射机连接而组建“单频网”(SFN),其造价较低。
2.3 多载波系统的频谱上下边带下降较陡峭,必须采用数字滤波器而不能采用廉价的模拟滤波器进行工程实现(特别是功率激励器和功率发射机),以保证整个发射系统的频带宽度[注 3],因而工程造价高。
[注 3] 多载波系统中,清华方案的频带宽度7.56 MHz(7.56/8 = 0.9450)同欧洲标准7.61 MHz(7.61/8 = 0.9513)接近;两个比例数都比较大。而单载波系统中,上交大方案的频带宽度7.14 MHz(7.14/8 = 0.8925)则同美国ATSC/8-VSB的5.38 MHz(5.38/6 = 0.8967)相似;两个比例数比起前两个比例数要小。
2.4 综合上述三方面因素来考虑性能和工程造价的差别(包括发射机4+1或3+1的配置、供电系统、机房、管理及电费等),估计多载波系统(欧洲标准或清华方案)发射部分的工程造价,可能是上海交大单载波方案的3 – 5倍。(后者有待工程界评论。)
2.5 由于多载波系统的频带宽度设计(欧洲标准7.61 MHz,清华方案7.56 MHz)比起上交大的单载波系统(7.14 MHz)要宽[注 3],造成“上下邻近频道干扰”(adjacent channel interferences,简写ACI;包括PAL对DTV的干扰、DTV对PAL的干扰以及DTV对DTV的干扰)比较严重,也即:其样机的试验室测试的保护率(protection ratio:所需信号与不需信号之比D/U)较高,不利于过渡期内和过渡期结束后对观众的更有效覆盖。这是多载波系统的理论缺陷。
2.6 综合以上的分析,从地面数字电视广播的发射部分来看,上交大单载波系统工程实现之性能价格比,显然优于任何多载波系统。
3 其次,从地面数字电视广播系统的接收端解调器来分析:
地面数字电视广播的传输系统是一大类单向的数字传输系统,不具有电信双向传输系统中“有错重发”(ARQ)的基本功能。而且,其接收端的解调器必须能够对付复杂的传输信道和环境,需要复杂的数字处理技术,才能获得优秀的接收效果。因此,从这种意义上说,地面数字电视广播的整个传输系统之设计,完全要为接收端解调器服务。
如果仅仅关注传输系统的发送端或系统设计,而不深入探讨接收端解调器(含调谐部分)之性能价格比,将是片面的。因为,地面数字电视广播传输系统的知识产权和专利,主要体现在今后工程实现中数以亿计的接收端解调器芯片。
3.1 上海交大单载波系统的接收端之数字处理简洁,反应快,造价低。它更加适合高速的移动接收(或专业应用中的移动发射和固定接收或移动接收)
美欧日三大国际标准的数据结构过大,不适应高速移动接收时所需的快速数字处理。它们好比是“日本相扑运动员”,不能“跑百米”,不能适应大城市楼群密集道路上强度迅速变化的主信号和多个回波信号。解决此问题的出路是“合理地缩小数据结构”(本人推荐的数据段时间为1-4 ms)。
从数字滤波器理论来说,任何时间域数字处理可以找到效果相同的频率域数字处理;以及任何频率域数字处理也可以找到效果相同的时间域数字处理。然而,在地面数字电视传输系统解调器中的时间域数字处理和频率域数字处理之间,却有着原则性的区别。
多载波系统的解调器中,都必须进行DFT模块的运算,把信号从频率域转换回时间域,然后再进行“信道估计和均衡”。其结果是:
1)为了进行DFT模块的运算,必须把串行数据流转换为并行数据流(“串并变换”)。当一串数据“没有全部到齐”时,不能进行DFT模块中完整的“蝶形运算”,而必须“停顿和等待”;后续的“信道估计和均衡”也不得不“停顿和等待”[注 4]。这类数字处理属于“批处理(块处理)”(一批数据,一起处理:“停顿和等待”一段时间,然后迅速进行一次并行处理),而不是“流水线处理”(来一个数据,处理一次:串行的连续处理,没有任何“停顿和等待”)。
[注 4] 对于欧洲标准2k 模式,需要等待1,705个时钟节拍(112 ms);而对于清华方案4k 模式,则需要等待3,780个时钟节拍(250 ms)。如果把保护间隔考虑在内,那末:欧洲标准是56(停顿)+ 112(停顿,然后一次并行处理)+ 112(停顿,然后一次并行处理)= 280 ms,而清华方案则是:50(停顿)+ 250(停顿,然后一次并行处理)+ 250(停顿,然后一次并行处理)= 550 ms。这样,清华方案与欧洲标准相比,虽然缩小了数据结构,但它仍然好比“年轻人跑百米”,在一个数据段的时间550 ms内,“停顿”两次(占550 ms的几乎全部时间),“飞跑”两次(占两个时钟节拍,共2/(2x7.56 MHz) = 0.132 ms)。
2)其次,DFT模块的“蝶形运算”,不仅需要一定时间,而且在运算过程中必须逐级增加处理的精度(逐级增加处理的比特位数):欧洲标准2k 模式需要11个时钟节拍,精度由8比特位逐级增加到19比特位;清华方案4k 模式则需要12个时钟节拍,精度则由8比特位逐级增加到20 比特位。
因此,多载波系统的解调器的整体数字处理,由于必须采用DFT模块,其处理复杂(非常“累赘”)、反应迟钝、效率低。
3.2 反之,在单载波系统中采用时间域数字处理,可以实现流水线处理(同时实现并行处理),没有上述“停顿和等待”的弊病。
3.3 此外,在大城市楼群密集的道路上实现高速移动接收时,主信号可能“时有时无”、“时强时弱”;而回波信号和噪声则一定存在。单载波系统可以只利用1-2个强信号(例如只取信号的高4个比特位),进行“信道估计和均衡”;没有必要把强信号连同其他信号(中等强度信号、弱信号及噪声)一起处理。因此,其处理可以做到非常简洁、反应快、效率高。因此,它更加适合高速移动接收和应付迅速变动的传输信道或环境。
3.4 解调制芯片面积的对比
由此大致可以猜测到:清华多载波方案的解调制芯片面积与上交大单载波方案相比,估计要大得多。是否要翻一番,有待考察。前者由于技术复杂,其解调器的整体成本(包括芯片和电路)比起后者要高。
3.5 综合以上的分析,从地面数字电视广播的接收端解调器来看,上交大单载波系统方案工程实现的性能价格比,显然优于任何多载波系统。
4 上交大单载波系统稍作补充,即可作为有线数字电视广播的传输标准候选方案,以及卫星数字电视广播的传输标准候选方案(ADTB-C和ADTB-S)。三者组成完整的体系。这样,一个芯片可以在三大类数字电视广播系统(地面、有线、卫星)中应用,其性能价格比最高,适合中国国情。而多载波系统则不能。
5 制定标准必须有样机的试验室和现场测试之科学数据为依据
5.1 美国、欧洲和日本制定其地面数字电视传输标准时,都有样机的试验室和现场测试的大量数据(美国公布了);澳大利亚、巴西、新加坡、香港也进行过大量对比测试(大部分也公布了)[注 5]。
[注 5] 我国由职能部门在2002-2003年组织的两轮测试,具有一定“水份”:1)在现场测试中采用小功率(312.5 W)发射,而不是大功率发射(北京移动电视主发射机2 kW,辅助发射机1 kW)。这样,多载波系统(欧洲标准、清华方案、广科院方案)在大功率发射机非线性效应造成C/N门限值上升的“系统性缺点”难以充分暴露。2)与此同时,在现场测试数据中,又不提供C/N门限值富裕量的测量数据,其目的是企图掩盖多载波系统的C/N门限值比起单载波系统要高3-4 dB的“系统性差距”(参阅第2.1节)。3)明明是进口仪器不具备检验OQAM调制的功能,却两次在测试报告“小结”中故意添加一句话:ADTB-T/OQAM的调制“类似VSB调制”。这就为某些人们几年来反复宣传“上交大方案摆脱不了美国ATSC/8-VSB专利”埋下伏笔!
5.2 上交大已经有三轮现场试验的科学数据,证明其性能优于欧洲标准:2004年3月在上海;2004年4-6月在香港[注 6];2004年12月在上海。
[注 6] 本人是该活动的倡议人。在初步阅读了“ADTB-T与DVB-T对比”的香港测试报告(英文130页;2004年9月版)后,本人同意香港同行对本人的口头通报(2004年4月)以及上交大在2004年11月开始公布的下述主要结果:
---- 高数据率的固定接收:上交大系统(单天线)显著优于欧洲标准系统(单天线),而且C/N门限值平均有3-4 dB的富裕量。
---- 低数据率移动接收:上交大系统(单天线)显著优于欧洲标准系统(单天线)(不再进行更多测试)。
---- 低数据率移动接收:上交大系统(单天线)与欧洲标准系统(最新双天线“分集式接收机”)相比的性能非常接近(very close)。
清华方案和广科院方案都缺乏同欧洲标准进行对比的详细测试结果(至少没有公布过)。香港ATV和TVB在2003年10月,同时邀请三个方案去香港作测试;但后来只有上交大去了,而另外两家都没有去。
上海交大方案已经有时速高达430 km/h(在上海磁悬浮高速列车上)移动接收成功之试验证据,据国际领先地位。它当然也可以在专业应用(包括军用)中实现“高速移动发射,固定接收或高速移动接收”。而欧洲标准、清华方案和广科院方案都缺乏这种高速移动接收的试验证据;虽然他们声称:多载波系统的优点“更加适合高速移动接收”,“是技术发展的潮流”。
5.3 如果上海“宏力集团”能够在近期提供复旦设计的清华多载波系统第四代芯片和上交大单载波系统的第二代芯片(0.18 mm工艺),那末,本人建议:把这两种方案的芯片组成之样机(连同欧洲标准的样机),在上海进行三种方案样机的实验室测试和现场测试,以获得对比的科学数据(并同时作工程造价的测算)。这样得出的结果,想必对制定地面数字电视标准的传输标准,将有重要参考价值。
6 中国制定具有自主知识产权的地面数字电视广播传输标准,在技术方面需要根据样机的实验室测试和现场测试的科学数据,才能够“去伪存真”和“分辨优劣”,把标准的制定工作建立在科学数据的基础上。这当然需要不断排除各种“非技术因素”的干扰,特别是形形色色“学术腐败”的干扰,其中包括“媒体炒作”和“股票炒作”。(第一份资料结束)
(II)2005年4月17日信件中摘出的有关部分:
1 本信主要论述地面数字电视广播的一个要害问题:地面电视广播的频谱规划。这是本人在今年两封给领导同志的信件以及“供媒体界公布的个人意见”(2005年3月4日)中,故意预留而不提及的。简单的论述即可说明:单载波系统更加有利于频谱规划。
从地面数字电视接收机中解调器今后20年左右的持续发展和竞争的潜力来看,单载波系统也显著优于多载波系统。
此外,本信还从技术发展的角度来说明:欧洲DVB-T/COFDM标准为代表的多载波系统,已经“日落西山”;而在中国大地上出现的多载波系统与单载波系统的争论,仅仅是多载波系统“进入坟墓前的回光返照”而已;完全符合“否定之否定”辩证发展的客观规律。
2 地面数字电视广播的单载波系统与多载波系统相比,有利于地面电视广播的频谱规划,在人口密集地区的未来数字电视频道的总数可能要多出5-10%,并降低地面电视广播电磁信号对环境的污染(有利于“人与自然的和谐”)。
2.1 以上海交通大学的ADTB-T/OQAM系统为代表的单载波系统(或“融合方案”中的“单载波可选项”),其平均发射功率只有多载波系统的二分之一。这是因为前者与后者相比,依据2004年4-6月香港测试的报告(9月版),载噪比(C/N)门限值要低3-4 dB[注 1]。
[注 1] 在大功率发射(例如,2 kW)条件下,采用价格昂贵的外国R&S公司激励器和发射机(有较好的“非线性校正功能”;清华DMB-T多载波系统就离不开昂贵的外国R&S公司设备),“融合方案中的单载波可选项”的载噪比(C/N)门限值,与“融合方案中的多载波可选项”相比,估计要低2.0-2.5 dB。如果采用国产设备,则仍然将有3-4 dB的差距。但不管怎样,这个系统性差距必定存在!
2.2 于是,在模拟制电视广播与数字制电视广播并存的过渡期以内,以及过渡期结束(模拟制电视广播全部停止)以后,单载波系统的地面数字电视广播信号造成的各种干扰(该数字电视信号对现存模拟电视PAL信号和其他数字电视信号的干扰)较小:它只是多载波系统的二分之一。
2.3 由此,单载波系统与多载波系统相比,地面电视广播的频谱规划(在过渡期以内和结束以后)容易进行,特别是长江三角洲、珠江三角洲、京津塘和河北省邻近地区等人口密集而且经济发达的平原地区。
2.4 在这些地区,未来的数字电视频道总数,采用单载波系统与多载波系统相比,本人猜测:可能将增加5-10%(建议职能单位给出对比的科学计算数据)。
2.5 由于单载波系统的平均发射功率只有多载波系统的二分之一,从较长的历史时期来看,其地面电视广播信号所生成的电磁污染,只有多载波系统的二分之一。由此可见,单载波系统更加有利于“人和自然的和谐”,符合中央提出的“和谐社会”要求。
2.6 目前,多载波系统提出者和支持者都力图回避在频谱规划中,由于载噪比(C/N)门限值的差别,多载波系统不如单载波系统这个要害问题。
2002年和2003年在北京进行过的两轮现场测试,1)采用小功率发射[注 2],2)不提供载噪比(C/N)门限值数据。这也是有意回避频谱规划这个要害问题,达到“保护多载波系统、抑制单载波系统”的目的。
[注 2] 采用312.5 W而不是实用的2 kW(北京移动电视的主发射机平均功率;外加组成“单频网”的辅助发射机平均功率1 kW),以掩盖功率发射机的非线性效应,造成多载波系统C/N门限值上升2-3 dB的事实。
3 接收端解调器今后20年左右内工程实现时,单载波系统具有的巨大的发展潜力,而多载波系统则极为有限
3.1 单载波系统今后发展的潜力巨大。这是因为:单载波系统中时间域的逐个取样之“流水线处理”,还可以同时实现“多路的并行处理”(例如,16路或64路)和高速的“过取样处理”(即处理时钟为取样频率的8倍或更高)。因而,不同解调器芯片厂商在今后可以持续进行不同算法的激烈竞争。
3.2 反之,多载波系统由于解调器中具有“DFT模块”,虽然也可以采用“过取样处理”,但必定存在本人在“个人意见”(3月4日)中分析过的“停顿和等待”(理论上的制约因素)。因此,多载波系统解调器今后发展的空间较小。如果多载波系统(如清华方案)也在“DFT”模块之前用PN码作“信道估计和信道均衡”(同单载波系统的处理相似),那末其解调器中的“DFT”模块就变成次要的内容,“多载波系统”的各种优势将不复存在,而其劣势(大功率发射时非线性效应导致C/N门限值上升;发射功率的峰值平均比较高;组建单频网时依赖GPS系统;接收端由于“DFT”模块将反应迟钝并较为复杂)却依然存在[注 3]。
[注 3] 多载波系统的解调器如果把其“信道估计和均衡模块”放在“DFT模块”之前,而不是按照通常那样放在“DFT模块”之后,那末它干脆删除“DFT模块”,而“简化”为单载波系统。
4 国际上地面数字电视广播三大传输标准(美欧日)的争论概况:欧洲DVB-T标准利用其移动接收和组建单频网的两大功能,抢占国际市场(我国也不例外)。已经出现了一个“国际迷信”:似乎“单载波系统永远不能实现移动接收和单频网”。
4.1 美国于1995年夏确定其ATSC/8-VSB单载波系统的标准(草案);欧洲于1996年春确定其DVB-T/COFDM多载波方案的标准(草案);而日本则于1998年秋确定其ISDB-T/BST-COFDM多载波方案的标准(草案)。他们维护其国家或地区的利益是不言而喻的。
4.2 2000年秋,加拿大华裔学者吴奕彦等撰写有权威性的综述论文,介绍美国标准(单载波系统)与欧日两个标准(多载波系统)对比的结果[注 4]:
[注 4] 此处仅提及美国ATSC/8-VSB单载波系统标准与欧洲DVB-T/COFDM多载波系统标准的对比结果。
4.2.1 单载波系统的优势是:1)载噪比(C/N)门限值要低4 dB。2)发射机功率的峰值平均比(PAR)要低2.5 dB。3)抵御脉冲噪声的能力较强。
4.2.2 单载波系统的劣势是:1)对付多径效应(主要是“回波”;即“重影”)的能力较差。2)移动接收的能力极差。3)不能组建“单频网”。
4.3 欧洲利用DVB-T标准具有移动接收和“单频网”的两个优势,在欧洲以外的全球各地抢占市场,并取得积极效果[注 5]。
[注 5] 2000年12月,新加坡开始在公交车上采用欧洲DVB-T标准(组建“单频网”),实现移动电视之商业运行。台湾当局于2001年夏放弃美国ATSC标准,转而采纳欧洲DVB-T标准,并于12月在台北开展移动电视业务。上海在2002年夏而北京则在2004年秋,也采纳欧洲DVB-T标准开展同类的移动电视业务。
4.4 在这种情况下,就出现了一个“国际迷信”:似乎“单载波系统永远不能实现移动接收和单频网”。
5 中国地面数字电视广播单载波系统的四个发展阶段(四个版本):“学习跟踪阶段”(第一版),“自主创新阶段”(第二版),“完善和试制芯片阶段”(第三版)以及“融合和国家标准形成阶段”(第四版)。
5.1 第一阶段为“学习跟踪阶段”(第一版;1996年夏至2000年夏,历时共4年):“HDTV总体组”(组长张文军)负责的“HDTV功能样机系统”,在1999年国庆50周年大庆时,成功实现了地面数字HDTV实况转播[注 6]。
[注 6] 国家投资。其单载波传输系统(浙江大学王匡负责),是美国ATSC/8-VSB标准的修订版,是中国科技人员“学习和跟踪外国”的阶段性成果。HDTV总体组同时还完成了学习和跟踪欧洲DVB-T的一个多载波系统方案(西安电子科大葛建华负责)。因此,张、王和葛对于单载波系统和多载波系统的优缺点,从理论到样机实现都是比较熟悉的。
清华大学方案负责人在各种场合宣传“上海交大方案摆脱不了美国8-VSB专利”(他们如何获得本该保守秘密的专利局 “内部审查报告”?又为何要到处“宣扬”?),实际上指的是这个版本,一个“可以放入科技博物馆作纪念的”版本。
5.2 第二阶段为“自主创新阶段”(第二版;2000年秋至2003年春;历时共2年半):2001年8月在国际会议发表具有鲜明特色的ADTB-T/OQAM单载波系统,其中包括缩小了数据结构和快速处理多径效应的能力(“过取样的相位跟踪技术”,over-sampling phase tracking),以适应高速移动电视接收。其样机系统从2002年夏开始,在上海楼群密集的街道上演示OQAM单载波系统的数字HDTV移动接收,在国际上属首次[注 7]。
[注 7] 1)在“HDTV总体组”工作的基础上。2)上海交大自筹资金,并投资与三个中国公民创办的美国LINX公司合作。3)2002年12月,包括美国ATSC原主席的很多外国著名专家和香港专家都观看了演示。4)上海广播电视界创建优秀的试验平台,保证上海交大持续不断地通过现场试验而改进算法,并方便新方案样机在现场测试中与欧洲DVB-T标准进行直接对比。5)美国Microsoft和LINX公司合作,在2003年4月的NAB会议期间,演示了ATSC/2-VSB的数字HDTV移动接收。此项活动吸取了中国的经验之后进行的。但其性能远远不如上海的演示。
5.3 第三阶段为“完善和试制芯片阶段”(第三版,2003年春起至2006年年底左右):采用更先进的纠错编码技术[注 8],以降低载噪比(C/N)门限值;整个系统(特别是解调器)的算法成熟完善,因而设计制作芯片;硕果累累。
[注 8] 名为“Turbo 乘积码”的纠错编码是一类“低密度奇偶校验”(LDPC)纠错编码。
5.3.1 2004年初,在国际上首次演示单载波系统组建“单频网”[注 9]。
[注 9] 加拿大和美国两国专家在吸取中国ADTB-T单载波系统的经验,随后(3月)分别在两国进行了美国ATSC/8-VSB单载波系统的“单频网”实验。2004年9月的ATSC A111标准文件中,已经包含组建“单频网”的技术规范。
5.3.2 2004年3月,在上海磁悬浮高速列车上成功实现430 km/h的移动电视接收,居国际领先地位。
5.3.3 2004年三次现场测试证实:ADTB-T单载波系统显著优于欧洲DVB- T标准的多载波系统[注 10]。
[注 10] 1)2004年3月由上海广播研究所在上海进行ADTB-T系统与欧洲DVB-T标准对比的移动接收性能现场测试(两个发射机组成“单频网”),证实前者显著优于后者。这次实验后,促使上海文广集团(SMG)停止在上海继续扩展欧洲DVB-T标准(第39频道;公共汽车上的移动电视业务),转而支持ADTB-T系统的业务试运营(第37频道;天线高度较低的出租轿车上的移动电视业务)。2)2004年4-6月,由香港广播界“亚洲电视”(ATV)和“无线广播”(TVB)在香港进行ADTB-T系统与欧洲DVB-T标准对比的固定接收和移动接收性能之现场对比测试(单个发射机),也初步证实前者显著优于后者(2004年9月,130页的英文报告稿)。这促使香港政府在7月采纳ATV和TVB的建议,优先考虑采纳中国自己的标准,暂时搁置原来打算采用欧洲DVB-T的建议。3)2004年12月,在上海“外环路”以内400 sq km的市区中心和向外辐射的主要道路,路程总长度达900 km的小轿车移动接收的测试中,接收成功率为99.6 %。单个发射机平均功率2.5 kW(东方明珠塔)。而欧洲DVB-T采用4个发射机(东方明珠塔1.8 kW + 广电大厦 1 kW + 东方台 500 W + 教育台 500 W;合计功率3.8 kW)组成“单频网”,其接收成功率仅为95.2 %。
5.3.4 第一轮芯片的接收机2004年年底在上海900辆出租车上安装,进行移动电视的业务试运营[注 11]。
[注 11] 1)2004年3月ADTB-T系统的第一轮芯片(带有测试电路)流片成功;其样机在香港的后期测试(6月)中,证实其性能与FPGA样机相同。2)ADTB-T系统正在进行第二轮芯片的批量生产(不带测试电路的;0.18 mm工艺;在上海流片;总面积37.5 sq mm)。预计在2005年5月可得小批量产品。计划到2005年年底前总共在上海的15,000辆出租车和私人小轿车上安装ADTB-T系统,并同时开展4,000个“电子站牌”和2,500个“电子捐助箱”等多种试验运营业务。4)上述活动以上海文广集团下属文广科技公司为主,并已列入上海市政府的高科技工程项俊?)与此同时,积极开展ADTB-T系统的非消费类应用:2004年11月,上海电视台采用ADTB-T系统进行马拉松比赛的全程实况转播,信号不中断,优于昂贵的名牌进口设备。2005年3月,在北京CCBN展览会上演示“移动发射,固定接收”成功;会后在多个保密单位进行现场演示,引起有关部门领导的高度重视。
5.5 第四阶段即“融合和国家标准形成阶段”(第四版,2004年春至2005年年底左右):按照“国家数字电视领导小组”的指示,2004年初开始由中国工程院组织“联合工作组”进行不同候选方案的“融合工作”。上海交大一直积极参与,并在实际行动中支持和执行领导同志的指示。
2004年夏,“联合工作组”提出一个具有“单载波可选项”和“多载波可选项”两个可选项的“融合方案”;2004年11月22日有一个版本;而目前正在继续修订中。预期2005年第二季度将进行样机的实验室测试和现场测试,为确定中国地面数字电视传输标准(草案)提供必要的科学数据。
本人预报:从“融合方案”样机的实验室测试和现场测试(需要采用大功率发射,例如2 kW)中获得的科学数据,并考虑工程实现时的性能价格比[注 12],“单载波可选项”整体性能将优于“多载波可选项”。如果本人的预报获得证实:那末,在“融合方案”中可以有根据地删除“多载波可选项”,只保留“单载波可选项”,并需要进行进一步改善[注 13]。
[注 12] 清华大学方案2003年10月在深圳演示时采用外国R&S公司的激励器(具有较好的非线性校正功能)。力合清华数字电视公司2005年3月在北京的展览会上,也展出同样的外国设备。他们依赖于外国设备来克服功率发射机的“非线性效应”。这是多载波系统的工程实现时除了依赖于GPS系统之外的另一个致命弱点。
[注 13] 需要在“有效频带宽度”和“有效比特率”之间进行适当的折衷。采用7.56 MHz(此数值来自清华方案,未必是最佳)虽然有较高的有效比特率;但对“邻近频道”的干扰较强,不利于频谱规划,而且工程造价高。而采用上海交大方案的7.14 MHz数值,则有利于频谱规划,而且工程造价低;但有效比特率稍有不足。因此,需要在7.56 MHz和7.14 MHz之间,在有关因素中进行必要的折衷而选取一个最佳的数值。
此外,既然依据样机的实验室测试和现场测试、工程实现时的性能价格比分析、地面数字电视频谱规划以及接收端解调器今后发展和竞争的潜力分析,“融合方案”中的“多载波可选项”不如“单载波可选项”而已被删除,不会出现“接收机由于两个可选项而较为复杂”。
这样得出的“修改的融合方案”将建筑在样机测试所得的科学数据和考虑工程实现时性能价格比的分析之基础上,符合“优中选优”(best of the best)原则,可以保证所出台的中国标准(草案),不仅在主要性能方面超过美欧日三大国际标准,而且经得起后人的历史检验。
5.5 需要特别提出的是:中国ADTB-T/OQAM单载波系统在2002年夏至2004年底的先后实践,在上海先后演示了高速移动接收和组建“单频网”的功能,从理论和实践两个方面彻底改变第4节讨论的国际上单载波系统与多载波系统争论的格局,并彻底破除了第4.4节提及的“国际迷信”:“单载波系统永远不能实现移动接收和单频网”。如果上海交大“摆脱不了美国ATSC/8-VSB标准的专利”,难道有可能做到“破除”上述“国际迷信”吗?
即将出台的“修改的融合方案”(中国地面数字电视传输标准草案;只保留单载波可选项)也将具有相似的功能。 (第二份资料结束)
(III)5418xdtvcc_cn.doc (供自由散发和讨论用;先有英文版并已向国外专家散发)
关于DVB-T 高速移动接收的注解
徐孟侠
北京大学 电子学系
1 本文作者高度欣赏法国公司DiBcom采用DVB-T标准实现高速移动接收时,所研究开发的先进技术,特别是其“分集式接收机”。
2 下述注解是供讨论用的:
2.1 本文作者猜测:DiBcom或别的公司采用的技术是在时间域进行高速处理,以实现信道估计和信道均衡,而这是在接收端解调器中DFT模块之前进行的,而与常规的处理在DFT模块之后进行的根本不同(除了对付大的Doppler频率偏置之技术以外)。而这些技术同单载波系统中采用的相似,例如上海交通大学在其ADTB-T/OQAM系统所采用的。
2.2 于是有三方面问题值得思考:
2.2.1 在DFT模块之后进行信道估计和信道均衡曾经被DVB-T的设计者们声称为多载波系统的主要优点。但是,它们现在却降低到次要地位。
2.2.2 保护间隔的设计曾经是多载波系统与单载波系统的显著区别之一,但是它现在却成为无用的了。
2.2.3 假设多载波系统与单载波系统采用相同的纠错编码、交织器和数据结构等,但是从纠错编码(还有解交织器)反馈回来的判据环路中,判断信道估计和信道均衡是否正确的角度来看,多载波系统中的DFT模块就变成了多余的负担。
3 小结:
3.1 DiBcom或其他公司用于高速移动接收所研究开发的技术,仅仅是对现存DVB-T标准的某种修修补补工作,而该标准本来就不是为移动接收设计的 [1]。
3.2 本文作者在NAB 2004(4月)会议期间曾经向DVB办公室的专家们建议:“DVB项目”应该研究开发一个新的单载波系统,使它在高速移动接收中更为有效。
3.3 本文作者向ATSC成员们建议:研究开发采用ATSC/8-VSB标准(单载波系统)的“分集式接收机”。
[1] Ulrich Reimer ed., Digital Video Broadcasting (DVB), English version, Springer, 2001. Page 231, Section 11.2, “(3) …; mobile reception is not a development notallownotallowobjective.”
[中文版的后记:日本的ISDB-T标准,中国的清华大学DMB-T方案、广科院方案以及“融合方案”中的“多载波可选项”,在实现高速移动接收时,都具有类似上述DVB-T标准所固有的理论弊病,其性能不如单载波系统。
反之,单载波系统在接收端的解调器中,却可以灵活考虑:在时间域处理为主的前提下,是否增加DFT模块作为辅助手段,以发挥频率域处理之优点。这就为地面数字电视广播的中国传输标准确定之后,可以由众多的高科技公司对接收端技术进行10-15年的持续竞争。
而对两种系统的解调器进行对比分析后,不难看出:多载波系统解调器今后竞争发展的空间则较小(不能删除DFT模块)。] |
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