AVS+DTMB地面数字电视双国标系统大规模试点应用与研究
刘志飞 王来科 李学武
（国家新闻出版广播电影电视总局无线电台管理局）
摘 要： 本文详细介绍了国家广电总局进行AVS+DTMB地面数字电视双国标系统大规模试点应用的实施过程，对相关技术方案进行了研究、系统搭建和效果测试，对试点应用中存在的问题进行了分析，提出了AVS+DTMB地面数字电视双国标系统未来的发展方向，对我国地面数字电视项目的全面推广具有一定的实践价值。关键词： AVS DTMB 双国标 试点应用 地面电视是广播电视传输覆盖网的重要组成部分，是各级党委政府提供广播电视公共服务的主要手段，是广大人民群众获取新闻信息、享受精神文化生活的重要渠道。自2006年国家标准化管理委员会（SAC）发布具有完全自主知识产权和国际水准的《数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制》强制性国家标准（GB 20600-2006）以来，我国的地面数字电视建设和推广应用取得了较大进展。根据国家广电总局的统一部署和要求，由广电总局无线电台管理局承担实施的无线广播电视数字化项目利用中央专项财政资金在全国347个地级及以上城市和部分试点县市开通了地面数字电视信号。按照广电总局科技司批复的《无线广播电视数字化项目技术方案》要求，地面数字电视覆盖网的传输系统信道部分采用《数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制》强制性国家标准（简称DTMB标准），信源部分采用MPEG-2视频压缩编码标准进行工程实施。而由地方广电主导实施的各类地面数字电视项目中，尽管其性质属性、管理主体和运营模式千差万别，但从技术层面看，其信源编码部分也基本上都采用了MPEG-2标准。MPEG-2数字视频压缩编码标准是1994年MPEG和ITU合作制定的第一代音视频编解码标准的主要格式，设计目标是高级工业标准的图象质量以及更高的传输率。MPEG-2利用图像的空间相关性和时间相关性来实现压缩编码，可提供3-10Mbps的传输率，并能够实现广播级的视频图像和CD级的音质。是目前国际上最为通用且技术成熟的音视频编解码标准，广泛应用在我国的有线数字电视、卫星电视等系统中，因为其技术成熟且相关设备产业链完备，国家广电总局在批复地面数字电视全国覆盖网建设时也选用了MPEG-2标准作为信源编码标准。近年来信息技术快速发展，加之学界在编码技术方面持续深入的研究与创新，出现了H.264以及AVS等一批更加先进和高效的数字音视频编码标准。与第二代数字视频压缩编码标准相比，MPEG-2标准编码效率较低，在无线频谱资源日趋紧张的今天，采用高效的信源编码标准，提高频谱利用效率就显得尤为重要。考虑到我国具有自主知识产权的第二代信源编码标准----《信息技术 先进音视频编码》系列标准（简称AVS标准）取得了重大进展，其编码效率相对于MPEG-2标准已大幅提高，可以达到MPEG-2标准的2-3倍，编码效率以及编解码器实现的复杂度等相关性能已与国际电联ITU和MPEG组织联合发布的同属第二代音视频编解码标准的H.264相当或更优。加上AVS编码技术为具有自主知识产权，专利授权模式简单，费用较H.264大幅降低。近年来，国家发改委、工信部、广电总局等部门也在鼓励并大力推进包括AVS在内的国家标准的产业化应用。为此，国家广电总局科技司提出了在地面数字电视系统中采用AVS视频压缩编码国家标准进行AVS+DTMB双国标系统大规模多环境试点应用与研究的要求。在国家级的地面数字电视广播覆盖网中采用AVS视频压缩编码国家标准进行大规模的试点应用，对完善并促进AVS视频压缩编码国家标准的发展和产业化应用以及进一步提升地面数字电视系统服务能力均有着极为重要的意义。1 AVS+DTMB双国标地面数字电视系统试点应用项目的实施过程：
为加快推进AVS视频压缩编码国家标准的产业化，促进AVS国家标准在广播电视新业务中的应用并提高无线频谱资源的利用率。2010年10月，国家广电总局科技司下发了《广电总局科技司关于调整无线广播电视数字化项目技术方案的通知》，对无线广播电视数字化项目技术方案进行了部分调整和补充完善，通知要求“在没有开办省级高清电视节目的省会城市中，选择石家庄、太原、长春、南昌、兰州等5个城市开展AVS视频压缩编码国家标准的应用试点工作，采用标清编码方案，在播出地方节目的电视频道中，播出省一、省二、市一、市二等4套标清电视节目”。根据总局科技司的要求，无线电台管理局成立了AVS+DTMB双国标地面数字电视系统试点应用项目组，研讨并制定了应用试点工作的实施计划和任务分工。对该试点项目分解为项目筹备、现场调研、方案制定、工程实施、试运行及项目验收等几个阶段有序推进。在项目调研阶段，项目组对试点应用城市进行了调研和勘察。通过与台站及相关单位领导和技术人员沟通，并对相关台站进行了实地勘察走访、编制了各台站的基础设施勘察表。根据频率规划和各台站的基础设施情况，制定了无线广播电视数字化项目AVS视频压缩编码国家标准试点应用的技术方案和工程实施计划。主要包括试验系统的技术方案，所需设备情况及数量清单，确定前端及发射设备的安装位置、节目源的引接方案、天馈线方案、电力系统、通风系统以及接地系统的改造方案等，并制定各站点的实施的具体进度计划。在工程实施阶段，根据无线广播电视数字化项目AVS视频压缩编码国家标准试点应用的要求和技术方案，研究制定了AVS标清编码器、复用器、发射机以及天馈线等相关设备的技术要求。根据五个试点城市的基础设施状况及所需设备的技术要求等对相关设备进行了招标采购。完成了节目源传输链路、电力系统、通风系统以及接地系统等配套工程的建设和改造工作，根据工程实施方案先后完成了南昌、长春、太原、石家庄和兰州等五城市的AVS+DTMB双国标地面数字电视试点应用系统的建设，在上述五地采用AVS视频压缩编码国家标准播出了省一、省二和市一、市二标清节目。在系统试运行及验收测试阶段，先后对南昌、长春、太原、石家庄和兰州等五个试点城市搭建的AVS+DTMB双国标地面数字电视系统设备进行技术测试，对AVS编码器、统计复用器、DTMB激励器以及机顶盒等相关设备进行了连通性、完整性、兼容性以及可扩展性技术试验，联合相关设备厂家对测试中出现的系统兼容性和可扩展性等问题进行了研讨分析，提出了解决方案。并委托广电总局规划院对上述五个试点城市进行了信号覆盖测试。经过一年多的试运行，上述五个城市的AVS+DTMB双国标地面数字电视试点应用系统于2013年先后通过了广电总局科技司组织的技术审查和验收，顺利完成了南昌、长春、太原、石家庄和兰州等五个城市的AVS+DTMB双国标地面数字电视系统的试点应用工作。2 AVS+DTMB双国标地面数字电视系统试点应用技术方案：
2．1 AVS+DTMB双国标地面数字电视试点应用系统概述AVS+DTMB双国标地面数字电视试点应用系统之所以称为双国标系统，是因为其信源部分采用我国具有自主知识产权的信源编码国家标准----《信息技术 先进音视频编码》系列标准（简称AVS标准），信道部分采用同样具有自主知识产权的《数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制》强制性国家标准（简称DTMB标准）。该系统主要包括节目源及传输系统、AVS信源编码系统、统计复用系统、DTMB信道编码及地面UHF波段发射系统。AVS+DTMB双国标地面数字电视试点应用系统框图如图1所示。图1.AVS+DTMB双国标地面数字电视试点应用系统框图
根据广电总局科技司的规划要求并结合各试点台站现有节目源及传输路由情况设计了节目源及传输系统，将本台站没有的节目源通过光纤、SDH或数字微波等方式传送到机房后通过同轴电缆引接到AVS信源编码系统，本台站有的节目源则直接通过同轴电缆将节目引接到AVS信源编码系统，每套节目（复合视音频或SDI嵌入数字视音频流）单独使用一台联合信源数字音视频技术（北京）有限公司开发的AVS编码器对复合音视频节目进行编码或SDI数字节目源进行转码，输出标准的TS over ASI传输流，经过AVS编码后的省一、省二、市一和市二标清TS over ASI传输流送入北京数码视讯公司研发的10K312型统计复用器进行打包复用后，传输至地面数字电视发射机进行调制、上变频至UHF波段进行功率放大，滤波后再通过UHF波段天馈线系统进行发射。用户可通过具有AVS解码功能的机顶盒接收到播出的标清节目。2．2 技术参数的选择（1）频率规划根据广电总局的规划以及当地频谱资源情况和频率覆盖和干扰试算，石家庄、太原、长春、南昌、兰州等5个城市分别采用了DS-46、DS-32、DS-46、DS-23、DS-26频道进行AVS+DTMB双国标地面数字电视试点应用。（2）信道参数设置本试点应用系统采用了高码率地面数字电视系统传输工作模式。根据广电总局的规划和《无线广播电视数字化项目总体技术方案》，考虑到在无线广播电视数字化进程中模数同播的问题，一个UHF频道内要同时容纳4-6套，甚至有些少数民族地区需要容纳8-10套标清电视节目，并考虑未来AVS高清发展的空间。地面数字电视系统传输工作模式采用了广电总局推荐的七种工作模式中的两种高码率模式：1）模式6：多载波方式，载波数C=3780，调制方式64QAM，FEC=0.6，PN420，交织720，总码率24.365Mbps。2）模式7：单载波方式：载波数C=1，调制方式32QAM，FEC=0.8，PN595，交织720，总码率25.989Mbps。(3) 节目源参数设置根据广电总局的业务规划，五个试点城市的AVS频道要求播出省一、省二、市一和市二等4套标清电视节目，考虑到上述选择的高码率工作模式，信道容量富裕量较大，每套节目AVS视频编码输出码率设置均为3Mbps,音频编码由于暂时不支持DRA音频编码国家标准，编码方式采用为MPEG-1 LayerⅡ，输出码率为64Kbps。同时根据试验效果，可对AVS信源编码输出码率进行适当的调整，使其以最低码率条件下满足标清广播级主观收看需求。（4）发射功率选择根据各城市试点频率的覆盖和干扰试算结果，同时考虑到未来构建单频网的需要，各试点城市均采用数字1kW的发射功率进行发射。具体技术参数如表一所示：表一：AVS+DTMB双国标地面数字电视试点应用系统技术参数表
| 序号 | 试点城市 | 实施台站 | 频道 | 功率 | 技术参数 | 节目参数 |
| 1 | 河北省石家庄市 | 石家庄市广播电视发射台 | DS-46 | 1kW | 模式6，多载波方式：C=3780，调制方式64QAM，FEC=0.6，PN420，交织720，总码率24.365Mbps | 省一、省二、市一和市二标清 |
| 2 | 山西省太原市 | 太原市庙前山调频广播发射台228台 | DS-32 | 1kW | 模式7，单载波方式：C=1，调制方式32QAM，FEC=0.8，PN595，交织720，总码率25.989Mbps | 省一、省二、市一和市二标清 |
| 3 | 吉林省长春市 | 吉林省广播电视技术中心台 | DS-46 | 1kW | 模式6，多载波方式：C=3780，调制方式64QAM，FEC=0.6，PN420，交织720，总码率24.365Mbps | 省一、省二、市一和市二标清 |
| 4 | 江西省南昌市 | 江西省广电局节目传输中心 | DS-23 | 1kW | 模式6，多载波方式：C=3780，调制方式64QAM，FEC=0.6，PN420，交织720，总码率24.365Mbps | 省一、省二、市一和市二标清 |
| 5 | 甘肃省兰州市 | 甘肃省广电局六八七电视转播台 | DS-26 | 1kW | 模式6，多载波方式：C=3780，调制方式64QAM，FEC=0.6，PN420，交织720，总码率24.365Mbps | 省一、省二、市一和市二标清 |
3 AVS+DTMB双国标地面数字电视系统试点应用项目取得的成果
AVS+DTMB双国标地面数字电视系统试点应用项目总投资约650万元人民币，包含了五个城市的节目前端系统、传输发射系统及其他辅助设备费用和电力改造、机房改造、节目传输链路改造等工程配套费用。项目完成了石家庄、太原、长春、南昌、兰州等5个城市的AVS+DTMB双国标地面数字电视试点应用系统的方案设计、工程建设、系统安装调试和测试验收等工作。在上述5个试点城市采用高码率工作模式播出了省一、省二、市一和市二共4套标清电视节目，对我国已颁布的具有自主知识产权的AVS视频压缩编码国家标准在地面数字电视中进行了大规模、多环境的技术试验和实际应用试点研究，对AVS信源编码前端和接收设备进行了测试和研究分析，验证并修正完善了AVS+DTMB双国标地面数字电视系统的连通性、完整性、兼容性和可扩展性，为AVS信源编码、DTMB信道传输等相关配套技术和标准提供了应用案列、数据依据和解决方案。同时，对符合国家标准的接收终端进行分类调研，并根据调研结果开展推广应用的选型测试。完成了试点应用系统中AVS编码器、统计复用器、DTMB激励器、发射机和AVS机顶盒等主要设备的性能测试和连通性、兼容性及扩展性测试，联合相关设备厂家对测试中出现的系统兼容性和可扩展性等问题进行了研究分析，提出了解决方案。并委托广电总局规划院对试点频率进行了固定接收、移动接收以及信号覆盖效果测试，经测试，预覆盖区信号稳定，画面流畅、画质良好，音质清晰，室内外测点的固定接收成功率均在75%以上，覆盖效果均达到预期的基本覆盖要求（测试结果如表二所示）。为AVS视频压缩编码国家标准在我国地面数字电视系统中的大规模产业化应用奠定了基础。表二：AVS+DTMB双国标地面数字电视试点城市覆盖测试结果统计
| 序号 | 城市名称 | 频道 | 播出功率(w) | 播出频率(MHz) | 室外固定点平均接收电平(dBm) | 室内固定点平均接收电平（dBm） | 室外固定点接收成功率（%） | 室内固定点接收成功率（%） | 移动接收平均电平（dBm） |
| 1 | 石家庄 | 46 | 1000 | 778 | -68.8 | -64 | 100 | 100 | -63.57 |
| 2 | 太原 | 32 | 1000 | 668 | -57.2 | -70.2 | 100 | 75 | -77.346 |
| 3 | 长春 | 46 | 1000 | 778 | -72 | -72 | 75 | 80 | -72.997 |
| 4 | 南昌 | 23 | 1000 | 554 | -71.5 | -62.8 | 75 | 100 | -67.856 |
| 5 | 兰州 | 26 | 1000 | 618 | -62.3 | -58.8 | 100 | 100 | -63.446 |
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