ATSC_M_H数字电视标准综述

*教育部“新世纪优秀人才支持计划”资助项目·综述·
文章编号：1002－8692（2009）07-0007-03
ATSC-M/H数字电视标准综述*
马瑞丰，潘长勇
（清华信息科学与技术国家实验室（筹）；微波与数字通信技术国家重点实验室；清华大学电子工程系，北京100084）
【摘要】介绍了ATSC-M/H（ATSC-Mobile/Handheld）候选标准的系统框架、帧数据结构和各主要模块（信源编码与压缩、业务复用和传送、RF/传输）的关键技术。

详细描述了传输特性中对M/H业务数据的MHE封装、非系统RS编码等处理方法。

M/H系统的物理层采用时间分片技术，可有效降低移动终端的平均功耗。

最后总结了ATSC-M/H标准的特点，并对移动电视技术进行了展望。

【关键词】数字电视；移动电视；ATSC-M/H标准；时间分片；M/H帧结构；非系统RS编码
【中图分类号】TN911.73【文献标识码】B
Overview of ATSC-M/H DTV Standard
MA Rui-feng,PAN Chang-yong
（Tsinghua National Laboratory for Information Science and Technology（TNList）;State Key Laboratory on Microwave and Digital Communications；
Department of Electronic Engineering,Tsinghua University,Beijing100084,China）
【Abstract】This paper introduces the system framework and frame data structure of ATSC-M/H.and presents key techniques of system components（including source coding and compression,service multiplex and transport,RF/transmission）.Also,M/H service data processing,such as MHE encapsulation and non-systematic RS encoding,are described in details.The time slicing technique utilized by M/H system physical layer,which can effectively reduce the average power consumption of mobile terminals is also given.Finally,some features of ATSC-M/H are summarized and the prospect of mobile TV technology is also presented.
【Key words】digital TV;mobile TV;ATSC-M/H;time slicing;M/H frame structure;non-systematic RS encoding
1概况
ATSC-M/H（ATSC-Mobile/Handheld）是美国数字电视标准组织先进电视系统委员会ATSC（Advanced Television System Committee）于2007年宣布开发的一种新的移动数字电视传输技术标准，用于帮助广播公司将数字电视业务数据通过DTV广播信道传送到用户的移动/手持设备上（包括手机）。

此标准后向兼容，在相同的RF频道上支持传统的ATSC业务，而对传统的接收装置不会产生不利影响。

该技术标准支持免费和付费电视、实时交互式业务和内容下载延生播放，并有可能用来将导航数据实时传输到车载接收设备。

M/H候选方案已于2009年1月初公布，预计在大约6个月之后此方案将变为候选标准。

在此期间候选方案可能会被修改。

2ATSC-M/H系统的结构及关键技术2.1系统概述
ATSC-M/H广播系统的整体框图如图1所示，系统与传统ATSC广播业务（“主业务”）具有相同的RF信道。

它利用传统ATSC8-VSB带宽19.39Mbit/s的一部分来提供移动/手持广播业务，而剩余部分依然可用于多路高清或标清电视业务。

在非常简易的条款下，M/H系统通过IP传送标准和增添额外的训练序列和前向纠错功能满足了移动接收的实用需要，其中M/H广播内同一种业务传输的IP数据报和IP数据流必须具有相同的IP协议。

M/H业务（M/H广播传送的IP流数据包）的总带宽需求取决于若干因素，包括程序业务的类型与数目/编号、质量级别、实用要求水平等。

对ATSC传输系统物理层的增补是M/H系统的中心，它即使在高多普勒速度的条件下也具有很好的可译码性。

附加额外的训练序列和前向纠错（FEC）也可以协助加强信息流的接收。

标准也考虑到系统的许多细节，这些细节使此类复用信号可以与ATSC传统接收机兼容，特别是音频解码缓冲器、MPEG传送包头指针标准、传统PSIP压缩包所要求的限制等。

这些变化不会影响发射频率特性[1]。

传送实时媒体的数据流时，ATSC-M/H系统结构和OSI参考模型的对比模型见图2，其中网络层遵守IP协议，传输层是用户数据报协议（UDP），会话层是实时传输协议（RTP）。

2.2M/H数据结构
在ATSC-M/H物理层的系统中，M/H数据以时间分
片的机制进行转换，这样终
端能够在指定的时刻接收选
定的业务。

由于在每一个时
间片上使用全部的系统带宽
容量来传送数据，因此每一
时间片的时段很短，接收机
大部分时间处于待机或关闭
状态，从而大大地降低了移
动/手持终端的平均功耗。

M/H帧是携带ATSC主
数据和M/H数据（MHE封
装）的时间段，时间长度为
968ms，大小相当于20个VSB数据帧。

每个帧被分为5
个时间长度相同的子帧（subframe），而每个M/H子帧又
被分为4个时间长度为48.4ms的字段（占用时间相当
于一个VSB数据帧），对应VSB数据帧的时间字段可分
为4个M/H时隙（slot）。

这样每个M/H子帧中共有16个
M/H时隙，但具体与VSB数据帧对应时边界处会有37
个数据段的错位。

要传输的M/H数据被打包成一组连续的RS帧（基
本的数据传送单元），而这组RS帧在逻辑上形成了一个
M/H族（M/H Ensemble，业务需求和FEC编码方式相同
的业务集合）。

在单一的M/H帧所传输RS帧中的数据被
分裂为若干个M/H数据组（M/H Group，在数据包层携带
M/H业务数据的118个MHE封装的连续MPEG-2传输
数据包），而FEC参数相同的M/H数据组又合成M/H群
（M/H Parade）。

特定M/H群中携带的M/H数据组可能来
自于一或两个RS帧，M/H群中的各个M/H数据组会按
照预定算法分配到各个时隙（时隙是M/H帧中各个子帧
均分得到的结果）。

对于多族数据结构的具体分配如图
3，其中NoG表示特定M/H族在每个子帧中的M/H数据
组数。

2.3视频、音频系统特性
视频、音频系统特性附件中所用的规范文件有ITU
Rec.H.264|ISO/IEC14496-10和ISO/IEC14496-3。

视频编码采用MPEG-4编解码（通常被称为高级视
频编码AVC），并选择采用可伸缩视频编码（SVC）；音频
压缩采用MPEG-4中的HE-AAC v2，它是MPEG-4
AAC、谱带复制（SBR）和参数立体声（PS）3种音频编码
工具的结合体[2]。

2.4业务复用和传送系统特性
M/H传送系统利用了很多来自于M/H物理层子系
统的参数，包括M/H群序号、子帧号、NoG、N（RS帧的列
数）、FIC版本号等。

数据封装方面：RS帧是基本的数据传送单元，它也
是封装着IP数据报的二维数据帧结构。

RS帧结构包括
187行，每行N byte（字节），其中N值由M/H物理层子
系统所携带的参数和传输模式决定。

M/H群可以和一个
RS帧相关，也可以同时与一个RS从帧相关。

RS帧的数
量和大小由物理层子系统的传输模式决定。

特有的是，
同一个M/H群对应的RS主帧比RS次帧大。

RS每行包
括2byte的头指针，同一行余下的字节可用于存放数据。

每一行的M/H传送包（Transport Packet，TP）包含IP数据
报，传送包按端到端的次序装入每行，在每一行的末尾
可能还有数据包装[3]。

具体结构和打包方案参照图4。

M/H复用方面：通常，一种M/H业务完全包含在一
个M/H族内；然而，有时可能需要将一种M/H业务的各
组成部分分散在多个M/H群中。

由于接收器在分析的同时需要对每个M/H群中的一个RS帧进行解码，所以接收器必须具备同时解码多个RS帧的能力，只有这样才能获得M/H的各种业务。

同时需要保证各群中的M/H 业务没有UDP/IP的地址冲突。

快速信息信道FIC：与RS帧传输信道相独立的数据信道。

FIC的主要目的是有效传送那些快速获取M/H业务所需的信息；这些信息主要包括M/H业务和携带它们的M/H族之间的结合信息，同时还包括每个M/H族业务信令通道对应的版本信息。

FIC具体比特流句法参照标准文献。

业务信令传送：每个M/H族中的一段会携带IP多路广播数据，其中包括业务映射表（SMT-MH）、指南访问表（GAT-MH）、手机信息表（CIT-MH）、业务标签表（SLT-MH）和评价区域表格（RRT）。

各种M/H业务信令表格通过每个表格起始端包括的表序号和表扩展序号进行区分。

文件传送：本标准可以传送两种类型的文件。

第一种文件是内容文件，例如音乐或视频文件；而第二种文件是一部分业务指南。

这其中包括用于保护业务质量的密钥、标签和SDP文件。

在每种情况下，发送机制是相同的，而不同目标的解决是由终端来完成。

2.5射频/传输特性
M/H数据被分为若干族，每一个族包含一或两种业务。

每一个族分别使用一个独立的RS帧（FEC结构）；并且，每个族根据实际应用将纠错能力编码到不同的层次。

M/H编码包括在包层和网格层上的前向纠错、将长而且间隔固定的训练序列插入M/H数据。

同时，为了方便使用，M/H接收机还会插入完整可靠的控制数据。

M/H 系统为M/H数据提供突发传输，这使得M/H接收机可以在调谐器和解调器之间循环使用能量，从而达到节约能量的目的。

ATSC-M/H系统与传统ATSC广播业务（“主业务”）具有相同的RF信道。

但M/H传输系统接收两组接收流：其中一组包括主要业务数据的MPEG传输信息流包（TS），另一组包括M/H业务数据。

在更高的一个层面，正如下图5所示，M/H传输系统的功能是将两个不同类型的数据流结合成一个MPEG TS包的流，并将它处理、调制成ATSC网格编码形式的标准8-VSB信号[4]。

为了与传统的8-VSB接收器兼容，M/H的业务数据被封装在特殊的MPEG-2传输流数据包中，这被指定为M/H封装（MHE）的数据包。

M/H传输系统可以兼容任何需要格式的封装业务数据。

例如，用MPEG传输流（包括MPEG-2、视频/音频、MPEG-4视频/音频和其他数据）携带的业务和用IP数据包携带的业务。

和没有M/H流的情况相比，对主流数据和M/H数据的时分复用使主业务数据包的发射时间发生改变。

“包计时和PCR调节”模块可以彻底补偿在交接点处发生的临时替换，这样才能使发射信号与MPEG和ATSC 标准相一致，从而达到保护传统接收机的目的。

M/H传输系统对M/H数据的操作分为两步：预处理和后处理[5]。

2.5.1预处理
预处理的功能包括：将M/H业务数据转换成M/H 数据格式，通过附加前向纠错过程来增强M/H业务数据的稳健性，插入训练序列，随后把处理过的加强数据封装成MHE数据流压缩包。

操作包括以下模块：M/H帧编码：其中包括与M/H帧中群的数量完全相同的RS帧编码器；每个编码器为一个群建立了一或两个RS帧，并将每一个RS帧分成若干段。

RS帧分割后的每个部分都和一个数据组携带的信息量相对应。

块处理：它的主要功能是对RS帧编码器的输出进行SCCC外编码，其中包括卷积编码和符号交织等过程；最终输出M/H块。

M/H信令编码：信令传输系统（TPC和FIC）分配每一个M/H组中数据块B4的第一个数据段和第二个数据段前69byte（共276byte）用做接收机的信令。

此模块包括FIC数据的（51，37）RS编码、TPC数据的（18，10）
图5M/H传输系统结构图
主业务复用包计时和PCR调节
M/H业务
复用
M/H
帧编码
块处
理器
组格
式化
数据包
格式化
包
复
用
预处理
信令
编码
改进的数据
随机发生器
系统/非系统
的RS编码器
数据
交织器
校验
替换器
改进的网格
编码器
非系统RS
编码器
后处理
同步
复用
导频
插入
预均衡
滤波器
（可选）
8VSB
调制器
RF
上变频器
段同步
场同步
（下转第33页）
RS0编码、大小为TNoG51的块交织器、结合TPC和块交织型FIC数据的复用器、随机数发生器和一个1/4码率的PCCC编码器。

组格式化：此模块包括交织组格式化器和解交织器。

格式化器的功能有将块处理器输出的FEC编码M/H 业务数据映射到组中相应的块、添加预知的训练序列和PCCC编码信令数据、附加用于网格编码器初始化的数据字节；同时插入主业务数据、MPEG-2头指针、非系统RS校验码和一些伪数据的占位字节，这样就完成了扩展组格式的建立。

包格式化：首先去除主业务数据和RS校验位占据的位置（这些数据是组格式化为方便数据解交织操作而插入），然后用含有一个MHE数据包PID的MPEG指针代替3byte MPEG指针的所在位置。

在每个187byte的数据包之前都插入一个MPEG TS的同步字节，这样包格式器对每个组都输出118个M/H数据封装的TS数据包（MHE）。

2.5.2后处理
后处理的功能包括：用标准的8-VSB编码来处理主业务数据和控制结合流中的M/H预处理业务数据，从而保证和ATSC8-VSB接收机的兼容性。

结合流中的主业务数据按照标准的8-VSB传输处理方法：随机序列码发生器、RS编码、交织和网格编码。

结合流中M/H业务数据和主业务数据的处理方法有所不同，预处理后的M/H业务数据未经过随机序列码发生器。

预处理后的M/H业务数据后续将用非系统RS 编码器来处理；非系统RS编码（校验位插入信息位之间的预定位置）允许传统接收机插入长而且间隔固定的训练序列，而并不破坏传统接收机的接收质量。

另外还要对预处理后的M/H业务数据进行附加操作，如对预处理后M/H业务数据包括的每一组训练序列开始处的网格编码进行校验替换和初始化。

3结束语
ATSC-M/H技术通过对传统ATSC技术的改进（包括IP传送、附加额外的训练序列和前向纠错功能、视频编码采用AVC-SVC、音频压缩采用MPEG-4HE-AAC v2）实现了对移动/手持终端接收地面数字广播电视信号的良好支持。

M/H系统利用传统ATSC8-VSB带宽19.39Mbit/s的一部分来提供移动/手持广播业务，而剩余部分依然可用于多路高清或标清电视业务。

在简易的条款下，实现了节省能量、接收设备兼容、发射频率特性稳定和抗干扰能力强等技术优点。

移动/手持业务是移动通信和电视广播技术相融合的产物。

随着移动数据业务的普及、手机性能的提高以及数字电视技术和网络的迅速发展，移动电视已成为近年来无线应用的新热点。

目前，移动电视不仅在技术上已基本成型而且成为了行业新宠，已经引起移动业界的广泛关注。

加强对移动电视业务的专题研究，提出有针对性与操作性的对策建议显得尤为迫切。

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