《圖一　ITU-R digital terrestrial television broadcasting model》

目前，數位電視廣播在歐洲、北美、日本存在三種標準，分別是ATSC（Advanced Television Systems Committee）、DVB-T（Digital Video Broadcasting-Terrestrial standard）和ISDB（Integrated Services Digital Broadcasting）。亞洲許多國家正在用美規ATSC的8-VSB（Vestigial sideband modulation with 8 discrete amplitude levels）系統、歐規DVB-T（COFDM）系統及其改進後的COFDM系統進行比較試播。本文會簡要介紹8-VSB技術和COFDM技術的原理、兩套系統的比較和競爭的趨勢，為關心數位電視廣播的業者及投資者提供參考。

數位電視傳輸標準之爭已經持續了三年多的時間。歐洲定義了一個基於「編碼正交頻分多工」(COFDM；Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing)的系統，英國是世界上第一個將這種系統投入商用的國家。美國FCC的先進電視業務顧問委員會建議美國政府採用基於8級殘留邊帶調變方式(8-VSB)的系統。而日本提出了「頻帶分段傳送-正交頻分多工(BST-OFDM；Band Segmented Transmission - Orthogonal Frequency Division Multiplexing)」系統，這種系統本質上是一種基於COFDM的系統。

盡管歐洲、韓國、美國和加拿大已確定了數位電視廣播的標準，但亞洲國家還未完全做出數位電視廣播標準的選擇（我國原先採用ATSC標準，後來因為DVB-T的行動接收能力比ATSC強，所以目前國內五家無線電視業者都傾向改用DVB-T）。因此，了解兩種主要數位電視廣播標準的基本技術特性、技術比較和發展趨勢，有利於把握數位電視發展為人們帶來的機遇。

美規的8-VSB系統

《圖二　VSB channel occupancy (nominal)》

VSB採用調幅(AM)方式。在主載波頻率的兩側，AM系統的調變載波信號都有頻譜分佈，稱為邊帶（sideband）,功率大部份集中於中心載波頻率處，而每個邊帶的功率只有它的1/16。有多種方法可以減小這種傳輸系統的功率和頻寬，例如，可抑制載波頻率以節省大量發射功率，傳輸只藉由邊帶進行，這種方法稱為雙邊帶抑制載波調幅(DSB-SC-AM)。由於兩個邊帶中傳輸的資訊相同，因此僅用一個邊帶傳輸就可以使頻寬減小一半，這種方法稱為單邊帶載波調幅(SSB-AM)。VSB實際上是DSB-SC-AM和SSB-AM兩種方法的結合，此時要抑制載波，用雙邊帶進行傳輸。但是因為減少一個邊帶，只保留了一個殘餘邊帶，因而稱為殘餘邊帶調變。再8-VSB的數據訊框結構中，數據分為兩個數據場，發送周期為48.4ms。數據訊框由擬隨機（pseudo-random）數據序列、糾錯位元組、數據交織及格型編碼構成，共包含313個數據段。每一訊框的第一個數據段(data segment)是稱為“數據場同步”的特殊同步信號，在接收機中均衡電路利用它來確定每個數據訊框的起點。圖一是ITU-R數位電視地面廣播系統圖，由圖中可知此系統必須具有三個基本單元：訊號源編碼和壓縮、服務多工和傳輸、射頻傳送。圖二是VSB-8的頻寬分佈圖，總頻寬為6MHz。(圖一)(圖二)

每個數據段由832個符號(symbol)構成，如圖三。起始的四個符號以二進制形式傳輸。這四個符號代表的兩個同步場實際組成一個位元組，用作208位元組傳輸數據包的同步位元組(這208個位元組由一個同步位元組+187個數據位元組+20個Reed-Solomon位元組組成)，因此，剩餘的828個符號用於對剩餘的207個數據包位元組進行編碼。828個符號中，每個符號都具有8個不同的數值，每個值由一個3位序列表示，例如，值“-5”由數據序列011(LSB)表示。由於數據採用2/3格型編碼方式，所以每2個或1個數據位元實際要傳輸3位元數據，因此828個符號編為1656個數據位元，從而構成207個位元組。(圖三)

圖四則顯示了VSB-8數據發送的整個順序。輸入數據是一種藉由MPEG-2壓縮的格式化傳輸數據流，它包含了許多標準解晰度的數位節目流或一到兩個高解晰度節目流。數據隨機處理(或能量擴散)電路用於去除信號中直流電平。隨機處理電路對數據流進行隨機處理，但數據場同步位元組、數據段同步位元組以及RS奇偶校驗位元組例外。數據場的開頭是一個最大長度為16位的擬隨機二進制序列(PRBS)。(圖四)

+Reed-Solomon編碼器，或者通常稱為外部編碼器(outer encoder)，在數據塊的末端設置20個位元組，以便接收機識別和校正數據塊傳輸過程中出現的錯誤。但是識別和糾正錯誤的數量相當有限，例如一個數據塊中，由突發噪聲引起的多個錯誤就不能靠這種編碼器進行糾正，然而，數據交織編碼器將這類錯誤加以展開，從而提高了Reed-Solomon編碼系統的有效性。

糾錯系統的最後一部份是格型編碼器。它是一種增強型糾錯技術，可以糾正前面未能糾正的編碼錯誤。該編碼器的處理對象是連續的位元流而不是數據塊。卷積編碼器類似一個有限狀態機，其狀態及轉換過程稱為“格型圖”。

藉由綜合利用上述所有糾錯技術，在數位電視數據傳輸發射機和接收機之間，就可以建立準無誤碼（QEF）通道。

8-VSB系統的有效數據率可由下列公式計算：

有用數據率=((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：數據段的數目(固定為313個)；S：符號的數目(固定為832個)；M：每個符號的位數(固定為3個)；C：卷積(格型)編碼比(固定為2/3)；F：完整8-VSB數據訊框中數據訊框的數目(固定為2個)；B：RS數據塊的編碼率(188/208)；Fs：數據場同步脈衝的系數；T：完整8-VSB+數據訊框的周期(48.4ms)。

《圖三　VSB-8的數據段》

歐規的COFDM系統

OFDM技術的基礎是頻分多工(FDM)技術。如果通訊系統的頻寬足夠並能充分加以利用，那麼數據就可以分配到多個通道中傳輸，例如，同時召開多個電話會議，或同時傳輸大量數位視頻數據的情況下，數據可以分配到多個通道上傳輸，在接收端重新組合。不同通道的數據以不同的頻率進行調變，因此不同通道的數據傳輸是同時進行的，該技術可以充分利用頻寬。

最初的主信號S(t)在特定時間周期T內被分解成n個符號。這些符號寬度是2位元、4位元或6位元，具體情況取決於調變方案。然後構建n個平行數據通道，因而信號源S(t)就產生n個時變信號。每一個信號調變到各自的載波頻率上，然後所有載波信號sn(f)疊加並轉換成發送頻率，經發射機變成最終信號G(t)，它是一個信號組，包含所有sn(t)信號的頻率成分。接收機接收到這個波形後，藉由一個n階帶通濾波器陣列（BPF array）分離載波頻率，再藉由解調就可以重組原始的數據符號。這是FDM系統的基本運作過程。為了避免干擾，對接收機帶通濾波器的要求較高，同時，還需要n個載波解調模組。因此當n較大時，系統的成本很高。解決問題的辦法是採用數位信號處理技術。

OFDM信號由多個載波構成，在2k模式是1705個，在8k模式是6817個。一般來說，載波信號之間的分隔必須保証載波信號適合6MHz、7MHz或8MHz通道的要求。上述載波信號包括：

1. 節目資訊數據：每個載波信號的位元數是可變(2、4或6位)；

2．傳輸參數信令(TPS)：傳輸與通道編碼和調變參數有關的資訊；

3．導頻信號：用於接收機同步。該信號在比其它載波信號高的功率電平上發射，它包括以下兩種類型：(a)連續導頻：8k模式為177個，2k模式為45個；(b)散佈導頻：8k模式為524個，2k模式為131個。

OFDM信號的頻譜由6817個(8k模式)或1705個(2k模式)不同頻率的單頻離散載波組成，由此可見，這些頻率要藉由一定時間的傳輸才能到達接收機，發送所有載波信號的這段特定時間，稱之為有效數據周期Tu。有效數據的一部份會重複傳輸，且在Tu之前發送，這段時間稱作保護間隔，其主要目的是消除回波和反射干擾。這些回波干擾是多徑信號，會在電視上造成重複影像。正是由於COFDM具備消除回波的功能，使其比8-VSB系統更具優勢，它可應用於行動式電視接收機（mobile TV）。目前，這一結構也稱為OFDM符號，OFDM訊框由68個OFDM符號組成，4個OFDM訊框構成一個OFDM超級訊框。

COFDM系統整個數據發送過程相當複雜，如圖五。MPEG-2傳輸數據流輸入採用標準格式，藉由對其進行能量擴散後，進入前向糾錯模組。外編碼器在188位元組擾碼發送數據包的末端再添加16個位元組，便於接收機進行糾錯，這16個位元組即為Reed-Solomon校對位元組。外交織編碼器可將誤碼擴散，從而使外編碼器更為有效。內編碼器可以處理外編碼器無法糾錯的數據。糾錯量的多少取決於傳輸通道的品質。“COFDM”中的“C”指的就是糾錯過程的編碼部份。從內部編碼器中輸出的2、4或6位元組要映射到OFDM的一個載波信號中(2k模式下OFDM的節目資訊數據載波數量為1512個，8k模式下為6048個)，接著，插入導頻和TPS信號，接收機利用這些信號來判斷通道特性。TPS載波信號包含數據格式的詳細資訊，如模式、調變參數等。之後，要進行快速傅立葉反變換(IFFT)來生成所有載波信號和最終的時變信號，並加入保護間隔(可消除回波和反射)，然後再轉換成類比信號，再經過濾波、上行轉換，最後到達發射器。(圖五)

與8-VSB系統不同，COFDM系統可根據實際情況，如地理位置、網路類型及臨界接收狀況等，對許多參數進行調整，可調參數如下：

1．載波模式：2k或8k；

2．調變類型：QPSK、16-QAM或64-QAM；

3．保護間隔：1/4、1/8、1/16或1/64；

4．內編碼率（code rate）：1/2、2/3、3/4、5/6或7/8；

5．分層模式；

6．傳輸頻寬選擇：6MHz、7MHz或8MHz。

對於長回波而言，8k模式更適合於山區。選擇調變類型時，要對通道內的雜音和位元速率（bits/s）進行折衷考慮。選擇保護間隔時，要具備消除或大或小回波的能力，並綜合考慮位元速率的要求。內編碼率是糾錯冗餘度的表徵，在確定此比率時，要綜合考慮通道雜音和位元速率。如果臨界接收機不能接收全速業務（service），可藉由改變分層模式來接收低速標準業務。

COFDM系統的有效位元速率可根據以下公式計算：

有效傳輸數據率=(B×C×M×N)/T(bps)

其中：

B：RS數據塊編碼的效率(188/204=0.92)；C：卷積編碼率(1/2、2/3、3/4、5/6或7/8)；M：每個載波信號的位元數(QPSK為2、16-QAM為4、64-QAM為6)；N：所用的節目資訊數據載波數量(2k模式為1512，8k模式為6048)。T：包含保護間隔在內的符號持續周期。

如8k模式為896μs，保護間隔為28μs，所占比率為1/32；2k模式為224μs，保護間隔為7μs，比率也為1/32。

《圖四　VSB-8數據發送的整個順序》

8-VSB和COFDM的比較

一個國家選擇數位電視廣播標準時，需要考慮諸多因素，如地理位置、通道頻寬分配、經濟效益以及政治因素等等。但是，從純技術角度進行選擇時，可參考以下選擇策略：

8-VSB系統的特點：@內文:1．可在一個6MHz的通道內發送最高解析度的HDTV信號；

2．同等廣播覆蓋面積下，所需的發射功率較小；

3．處理短脈衝噪音源的能力強。

COFDM系統的特點：

《圖五　COFDM系統整個數據發送過程》

1．由於具有優良的抗回波（echo cancellation）和反射性能，適用於行動和室內接收機；

2．適用於單頻網路(SFN)；

3．分層模式可解決臨界接收性能問題；

4．更多、更靈活的選擇，能適應未來廣播不斷變化的需求；

5．對通道中產生的非線性干擾，靈敏度較低。

競爭的趨勢

中國大陸廣電總局制定了一個五年規劃，擬出數位電視廣播的時間表及其標準。有關HDTV的詳細情況將於2003年宣佈，2010年將停止播放類比標準的電視信號。目前，中國大陸正在用8-VSB、DVB-T COFDM系統及改進型COFDM系統進行比較試驗。

我國於1999年選用ATSC(即8-VSB)系統，但至今年決定採用COFDM，主要原因在於COFDM系統信號可進行行動接收。

韓國已決定採用美國的ATSC系統，並於2000年9月對其廣播系統進行了測試，預計2005年在韓國範圍內使用，2010年將停止類比電視信號廣播。

新加坡已於1999年5月採用了歐洲的DVB-T COFDM標準，並一直在積極開拓新的應用領域。新加坡廣播局(SBA)向6家機構頒發了數位電視試驗許可証，以促進數位電視的研發及應用，如行動電視、增強型互動電視以及數位廣播等。1999年7月，新加坡電視公司(TCS)與新加坡公共汽車服務公司合作，進行了一次行動電視接收試驗。公共汽車行進時可以接收正在播放的數位電視節目。借助於行動電視後，通勤人員就可看到喜愛的電視節目，並隨時獲得各類最新資訊。TCS於2000年底為2,000台公交車輛配備了數位電視。SBA頒發給新加坡媒體公司兩個數位電視經營許可証，容許其經營商用行動電視業務和商用數位電視業務，這種商用數位電視業務可用數位形式播放現有的類比電視節目。

現在決定採用DVB-T COFDM系統的國家，已經超過了12個。只有美國、加拿大和韓國決定採用ATSC，美國的系統似乎優勢不大。亞洲乃至全球的標準和高解晰度電視節目的數位傳輸系統，最終可能全部都採用COFDM系統。

數位電視廣播和電信、通訊、電子、資訊產業之分工

從圖六中，可以明白整個數位電視產業是包含廣播、電信、通訊、電子、資訊等子產業，它可提升工業進步和促進經濟成長。以傳輸系統別分類，數位電視廣播系統可分成地面廣播、直播衛星、有線電視網路（CATV）、衛星和地面電視共同天線（SMATV）系統、微波視訊（wireless cable）傳輸（MMDS和MVDS）。目前每一種系統都各有用戶，以有線電視用戶數量最多，所以有線電視網路現在已經成為最大的電視消費網路（70%~80%的佔有率），並不斷擠壓傳統地面廣播或無線電視市場（只剩10%~20%），因為無線電視節目現在大都是藉由有線電視網路傳輸到每個家庭。不過，地面廣播業者正藉電視數位化、行動化之機會絕地大反攻。國內五家無線電視台一致堅持改用歐規COFDM系統，這個舉措證明了地面廣播業者想擺脫有線電視業者的束縛，轉變成像新加坡行動電視業者一樣，增取已流失的客戶群。(圖六)

依照交通部計畫民國95年12月，當數位電視收視普及率達到85％以上時，政府即強制收回現有類比頻道，全面改採數位電視廣播。不過，因適逢景氣低迷，連美國都無法如預期全面改採數位電視廣播，因此數位電視和其廣播設備之需求在短期內是很難有成長的，不過因為改採數位電視廣播是全世界的潮流，它的市場規模會是開放行動電話市場的數倍，而且行動話機、Internet、超薄型電腦、和數位電視將成會人類未來最常應用的工具，所以加強數位電視和其廣播設備之研發現在就應該開始。

與數位電視相關的產品計有八大類：

一、 衛星製造：目前僅先進國家具有自製、發射衛星的科技能力。不過像衛星天線、抗熱陶瓷等零組件市場是國內業者可以開發的領域。

二、 衛星電視傳輸系統：由於技術門檻高，目前仍為國外衛星視訊大廠分食的局面。

三、 直播衛星接收系統：包含能直接接收一個或數個衛星訊號的天線和調諧器。其中，能同時接收數個衛星訊號的平面天線和多工調諧器是未來市場的新寵。此外能整合DVD、VCR、CATV、Game STB等視訊裝置於一身的接收系統之市場需求也很大。

四、 多通道多點分傳系統（MMDS；Multichannel/Microwave Multipoint Distribution Systems），如圖七，是用戶接收端與衛星中間的中繼系統，解碼器、調變器、功率放大器是其關鍵零組件。(圖七)

五、衛星和地面電視共同天線（SMATV）系統：如圖八所示，它可以同時接收地面和衛星廣播，大樓用戶可共同使用此一系統，不需另外裝設。(圖八)

六、 地面數位電視廣播系統：如前文所言，目前有美規ATSC和歐規DVB-T兩大系統存在，國內業者可以選擇其中的零組件、裝置進行研發或OED/ODM生產。

七、 個人互動式電視：配合MPEG-2等視訊技術，可以滿足個人對電視節目的選擇和合理付費之要求。其中的「解碼器」（CAS；Conditional Access System）可使節目鎖碼更為安全、便利。圖九是Divicom推出的PTV recorder與直播衛星、CATV STB之連接。未來的數位電視更可能將PTV recorder整合在內。(圖九)

八、商用數位電視（business TV）：藉由直播到家（DTH；Direct-to-Home）、MMDS、混合光纖同軸網路（HFC）、光纖到家（FTTH）網路將使數位電視更適合成為電子商務的標準平台。

《圖六　數位電視的傳輸架構及媒介》

結語：

數位電視將延續行動通訊熱潮，成為下一個燃燒焦點。不能提供行動接收的數位電視注定是沒有吸引力的，這可從ATSC和DVB-T的競爭中得到證明。

由於人類越來越依賴電子裝置，行動通訊和儲存裝置將促使半導體產業快速復甦。諷刺的是，原本要被數位化取代的類比技術，將因無線電裝置對射頻設計之急迫需求，而日形重要，而SoC混合訊號晶片（MMIC；Mixed Mode IC）將是加快數位電視時代早日到來的最大功臣。可預見的是，十年或十五年後，行動電話網路、個人區域網路、無線區域網路、有線電視網路、Internet和數位電視網路將會非常緊密的結合著。