DTMB标准推动电视中国制造变中国创造

      数字电视是融数字处理、宽带传输、无线技术为一体的新一代技术。我国正积极地发展数字电视产业规模和技术水平，计划在2015年实现由模拟电视生产大国向数字电视强国的转变。实现高清晰度数字电视的关键之一是数字信号的信道传输制式。电视广播传输一如数字电视的精萃血液，需时刻保持着稳健，这种稳健的保持需要有电视广播传输标准。

      电视广播传输标准发展至今主要有地面、有线、卫星和互联网四种，其中，有线、卫星和互联网电视广播属于商业范畴，地面电视广播属于政府喉舌，关系国家安全，我国地面数字电视广播传输标准得到国家领导人的高度重视，曾明确提出制定具有自主知识产权的我国自己的国家标准。

      近十多年来，清华大学微波与数字通信国家重点实验室常务副主任杨知行教授组建清华大学数字电视传输技术研发中心、中关村数字电视产业联盟、北京数字电视国家工程实验室，为中国地面数字电视传输标准走上世界、面向未来，呕心沥血、艰苦求索，成为中国地面数字电视传输技术的领军人。

      在偶然的机会下，笔者终于有幸见到了杨知行教授，听杨教授侃侃而谈这十几年的收获并且与他愉悦的交谈着，从他明亮的双目，依然能够感受到他就事论事，奋力一搏到底的决心和科学的侠义精神。

      行业梦想：自主专利大变身

      杨教授的梦想之一，便是提升中国地面数字电视广播传输技术的水平，通过地面数字电视广播传输标准促进我国电视产业从“中国制造”变成“中国创造”。

      地面数字电视广播是一种宽带/高速传输系统,覆盖范围大,性能要求高,支持固定、移动和便携接收,传输环境复杂。已有的编码正交频分复用调制方式C-OFDM采用循环前缀和频域导频等核心技术,频谱效率较低,同步时间较长。针对这些缺点,杨知行教授等人原创性地提出时域同步的正交频分复用调制方式(TDS-OFDM),采用特殊设计的PN序列作为同步信号填充OFDM保护间隔,实现了快速稳健的同步和高效的信道估计,与C-OFDM相比，系统参数刷新约快一倍，频谱效率提高约10%左右。TDS-OFDM及其帧头和帧体的保护技术被中国知识产权局评估为三项基础性发明专利，2005年世界知识产权组织和中国专利局联合授予中国专利金奖。杨知行教授作为该研究项目的第一负责人，领导了方案制定、关键技术突破、系统研究与产业化、工程试验等全过程，起到了领军人的作用。

      经过艰苦创新，该项目成果申请国内外发明专利四十多项，在国际上首次成功取代传统的C-OFDM，发明无导频插入无保护间隔多载波体制抗多径干扰方式、可支持自动唤醒省电功能的复帧结构、可支持高清电视高速移动接收的快速信道估计等技术，研发成功基于TDS-OFDM的地面数字多媒体/电视广播传输系统DMB-T。测试证明：比较国外同类标准具有信息容量更大；移动性能更强；广播覆盖更好；多业务广播更方便；单频组网更简单可靠等优点。2001年3月，信息产业部和国家广电总局联合决定采用具有基础性发明和系统结构性创新的清华大学DMB-T方案以信息文稿《TERRESTRIALDIGITALMULTIMEDIA/TELEVISIONBROADCASTINGSYSTEMDEVELOPMENTINCHINA》通报到国际电联，得到ITU-RSG6组及其工作会议的强烈反响，载入主席报告并为此专门建立了一个有76个代表成员参加的EmailReflector，跟踪关注其发展。2002年，DMB-T通过教育部组织的技术鉴定，以叶培大院士为首的专家鉴定认为：在OFDM保护间隔的PN序列填充技术上取得重大突破，主要性能指标处同类技术的国际领先水平，获得2004年北京市科技进步奖一等奖，2005年国家技术发明奖二等奖。

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      在产业化和核心芯片方面，2001年2月首次研制成功DMB-T测试专用芯片，随后三年经过系统测试和播出试验、优化算法和改进工艺，在场地试验中，固定及移动接收成功率从不到10％改进达到100％，测试车都跑坏了一辆，单日测试路径最多达400公里。相继开发出产业化试验、产品试用等接收专用芯片。其收、发设备已在国内20多个广播电视骨干企业生产，初步形成了产业链；我国19个省市的31个城市采用该系统进行实地测试和试播，测试和使用性能优于国外同类技术，成功地抵御了欧洲DVB-T标准对我国数字电视市场的侵蚀，获得2005年中国电子学会电子信息科学技术奖一等奖。

      挑战高难：地面数字多媒体/电视广播传输系统DTMB

      2003年，国家数字电视领导小组委托中国工程院组织清华、上海交大、北航等国内11个单位成立标准研究工作组，研究并制定了DTMB标准。该标准要求清华DMB-T方案的帧结构兼容上海交大ADTB方案的单载波技术和采用广科院TIMI方案的纠错编码技术，经过非常艰苦的努力，形成了一个统一结构和参数的的融合方案。

      融合方案的国家标准面临三大挑战：第一兼容单、多载波调制方式；第二保持完整的自主知识产权并统一系统结构和参数；第三系统的性能价格比不低于国外同类标准。当时标准研究工作组内有人戏称：谁解决单、多载波调制方式融合这个世界性难题，就应给予诺贝尔奖。杨教授领导的清华团队为了自主制定标准的国家意志能继续贯彻执行，毅然接受了这个严峻的挑战。经过夜以继日的连续奋战，充分发挥自主原创的TDS-OFDM技术具有独特的时、频二维信号处理的灵活性，首次证实DTMB标准总体架构的可行性，在标准研究工作组内公布了融合单、多载波的调制方案及其仿真结果，并向有关单位提供了部分实现技术原代码，为DTMB标准的制定迈出了最关键的一大步，同时取得了以下关键技术创新：

      （1）突破传统概念限制，将接收的DTMB基带信号分成时域和频域两部分进行多域联合优化处理，通过时频变换参数的选择，只要调整子载波数就可以实现在同一个硬件平台上兼容解决单、多载波解调问题，在国内外首次提出DTMB接收机总体架构，理论分析与仿真结果证明优于现有的国内外同类系统，其发明专利被评为北京市发明专利奖一等奖。针对流传我国自主制定的DTMB标准是单、多载波两种标准的并存，杨教授特别指出：这种观点是错误的。

      （2）针对频域和时域双重选择性衰落信道，发明一种系统同步的多域算法，解决了快速同步技术难题，在复杂多径干扰和高速移动条件下保证系统同步的高稳定性和可靠性、高跟踪精度和大捕获范围，使信号跟踪速度远远优于美国、欧洲和日本同类系统。

      （3）利用PN帧头优化了恶劣信道下的快速信道估计和系统均衡性能，发明一种创新的快速信道估计方法在同一个硬件平台上完成单、多载波工作模式的信道估计和均衡，单、多载波工作模式只差一次反富立叶变换，在秘鲁进行的高清移动对比测试结果证明：DTMB标准的高清电视移动接收性能处国际领先水平。

      （4）在国内外同类标准中DTMB标准首次采用LDPC纠错码，性能先进，但接收机芯片资源消耗很大。一种新的兼容多码率的解码器架构及其算法，通过时钟周期内流水线实现高速处理降低了接收机的实现复杂度，使接收机芯片的逻辑单元减少到原有的1/3，存储资源减少到原有的1/2，保持纠错性能优于欧洲和日本同类系统2dB以上。

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      （5）针对多业务广播服务，一种基于时、频二维分割的多业务信号组帧方式，兼容解决了中国DTMB标准的多业务接入问题，其扩展应用的无线数字图像/多媒体传输系统已立功于公共安全的许多重大事件中。

      上述创新技术成果已固化成专用芯片，支持了国内外数十个企业，覆盖了DTMB标准的接收机、发射机、组网设备和专用测试仪表，现已有数百个品牌产品形成了市场竞争。欧标DVB-T接收专用芯片单价从20美元降到5美元用了8年时间，本项目专用芯片具有性能价格比的明显优势，同样的价格降幅仅用了4年。

      2006年8月经国务院批准，全国标准化管理委员会颁布GB20600-2006(DTMB)为强制性国家标准，2007年8月实施。

     同台竞技：DTMB国内及国际推广应用

      全世界现有五个在用的地面数字电视传输标准，美国ATSC标准采用全时域处理的VSB制式，欧洲DVB-T、日本ISDB和巴西ISDB-TB标准采用全频域处理的C-OFDM制式，中国DTMB标准采用时、频域联合处理的TDS-OFDM制式。面临多种标准选择，有些国家希望深入了解中国DTMB标准，诚挚邀请参加他们举办的地面数字电视国际标准对比测试。经过2年多的国际同类标准应用现场对比测试，亚洲和南美多个国家和地区都评价中国DTMB标准“技术第一”，极大地提升了中国DTMB标准的国际竞争力。中国DTMB标准境外应用的推广工作得到了国家发改委、工信部、广电总局、国家标准委、科技部、商务部、外交部、中国工程院等八个部门的支持。

      比较C-OFDM，TDS-OFDM具有独立的专利技术体系和优势：快速的码字捕获和同步跟踪技术使系统性能更稳健；提高了传输系统的频谱利用效率10%左右，信息容量更大；信道估计速度提高一倍，信号捕获延时缩短5倍左右，移动性能更好；每500μs的信号帧都有独特的帧地址，开展多业务广播更方便；与绝对时间同步的复帧结构，使单频组网更简单可靠。同时，DTMB首次吸取先进的LDPC纠错编码用于地面数字电视传输标准中，和欧、日同类标准采用RS+卷积码的级联纠错编码相比，在相同传输码率条件下，中国DTMB可以信号发射功率更低、覆盖性能更好，有利于低碳环境，降低电磁污染。

      2007年6月8日，中关村数字电视产业联盟成立，杨知行教授出任联盟主席。该联盟集合了清华大学、上海交大、广科院、中国普天、海尔等国内141家主要从事数字电视研发、生产单位，形成完整的产业链，代表了我国数字电视产业的技术和生产水平。在中关村科技园区管委会的项目支持下，联盟成功地开发了适应拉丁美洲国家应用的中国标准6MHz?Э硐低常?橹?院６??徘Ｍ返墓虐汀⑽?谌鹄?曜纪乒愎ぷ髯楹鸵云仗旒?徘Ｍ返拿芈场⒍蚬隙喽?曜纪乒愎ぷ髯椋?直鹪诠虐汀⑽?谌鹄?⒚芈澈投蚬隙喽?人墓?渭又小⒚馈⑴贰⑷铡?臀魑甯霰曜季赫??ü?曜夹?埠拖殖《员炔馐裕?泄?TMB标准均取得明显的技术优势，被一致评价为“技术第一”，这个评估结论在亚非拉地区得到广泛认可。

      2007年6月，香港经过严格的全性能对比测试，正式宣布采用中国DTMB标准。同年12月31日，香港“亚视”和“无线”首先采用DTMB标准正式播出，香港特首亲自出席开播仪式。香港现已建成由6个发射台和5个补点器组成的地面数字电视单频网，是当前世界上覆盖特性最好的单频网之一。到2010年3月，香港经济发展局局长宣布DTMB用户已有106万，渗透率达46.5%，200多款终端产品在香港市场上销售，已经形成比较规范的市场竞争，成为DTMB的应用典范。2008年3月澳门也宣布采用DTMB标准播出。

      2008年1月1日，中央电视台采用DTMB试播后北京、上海等八个城市为转播北京奥运高清节目服务相继播出DTMB信号。目前全国已有一百多个电视台采用DTMB播出，广电总局计划2012年完成全国360个地级市和2077个县的DTMB信号覆盖，同时全国公交车移动电视都将转为DTMB系统。DTMB接收机现已在全国规模应用，用户终端已超千万，工信部拟要求2012年以后国内销售的全部电视机都必须具备接收DTMB信号的功能。

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      DTMB扩展应用的《无线数字图像传输系统》是一个多点单兵便携发射机和广播台站发射机共同支持的双向广播网，信息获取和接收都可在高速移动中完成。现有全国30多个城市使用，在北京奥运会火炬传递、拉萨“3·14”事件、汶川地震等许多公共安全突发事件中起到重大作用。

      2009年国际电联已将中国DTMB列入《地面数字电视应用手册》，2010年国际电联接受中国DTMB标准报告，准备启动修改国际标准相关文件的程序。老挝国家电视台已采用DTMB播出，并计划今年内完成DTMB转换，首次实现了中国强制性格式标准在国外的应用，促进了一批亚非拉国家已经或正在商谈采用中国DTMB标准。截至目前，全世界尚有一百多个国家的地面数字电视传输标准待定，DTMB的国外推广潜在很大的发展空间。

      随着相关科学技术的发展，我国同美国、欧洲均已开始研究或实施新一代数字电视传输标准。杨教授说，清华团队去年已启动“国标DTMB的演进和新标准的研究”课题，现已全面突破关键技术难题并形成了新一代标准系统方案。这在坚持清华原创的具有自主知识产权的时域同步正交频分复用数字传输技术（TDS-OFDM）的基础上，对数字电视广播信道的物理层核心技术开展进一步的理论研究，现已经在帧结构、信道编码和调制等领域取得全面突破，系统仿真测试显示：其主要性能指标已超越国际同类的新一代标准。可以预见，地面数字电视传输技术和系统的新一轮国际标准竞争即将在国际电联和遴选标准的国家热烈展开。

      根据国家主管部门的安排，杨知行教授出任数字电视国际标准推进工作专家组组长，正在致力于中国地面数字电视传输标准争取成为国际电联标准，取得美、欧、日同等国际地位；同时率领中国地面数字电视技术团队和骨干企业，在中关村数字电视产业联盟的基础上组建北京数字电视国家工程实验室，完成中国新一代地面数字电视传输标准方案的研发及产业化，形成产业链，促进国标DTMB技术演进，继续推进中国DTMB标准扩大海外应用，带动我国数字电视的技术、标准、产品、服务成套出口，推动我国数字电视产业结构调整和升级，促进电视产业由“中国制造”向“中国创造”的发展。

      杨教授领导的清华团队在数字电视领域的原创性研究历时十余年，已取得一批基础性的研究成果，申请发明专利80余件，已获授权50多件；发表学术论文200余篇，其中SCI收录40篇，EI收录70余篇，被引用500余次，出版一本专著《地面数字电视传输技术与系统》，受到广泛好评。培养各种档次的研究人才一百多人、工程师愈千人，应国外数字电视主管部门的特别邀请和配合商务部技术公关工作，向近千名国外政府官员和技术管理人员宣讲了中国DTMB标准，为我国DTMB标准系统的国内外应用，促进电视行业进步发挥了重大作用。

      采访结束时，杨教授也提到了DTMB在推广至国际的道路上还存在着一些需要不断去克服的困难，但是他相信，在国外参与国际标准竞争中，只要技术过硬，这项标志着中国独立创新的数字电视传输技术将在更多的国家和地区得到广泛的运用。