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清华大学《时域同步正交频分复用数字传输技术(TDS-OFDM)》

  宽带无线传输技术是信息技术发展的重要前沿领域,它对于重大产业的升级换代(如数字电视)和形成新的产业生长点(如无线局域网)具有重要的意义。近年来,编码的正交频分复用技术(C-OFDM)成为宽带传输领域普遍采用的核心技术。这一技术是被国外专利严密保护的。在国际电联推出的三个数字电视传输标准中,采用C-OFDM的欧洲DVB-T标准为大多数国家采用,并已侵蚀到我国市场。如果采用国外标准,仅我国现有的4亿台电视机更新换代就可能要付出数百亿元的技术标准使用费。

  数字电视传输有三大标准:卫星传输、有线传输和地面传输。其中地面传输标准是最基本的标准,因为它不仅技术含量最高,也是受众最多的大众传媒标准。更为重要的是,地面无线传输关乎国家安全和民族利益,尤其是在遭遇战争、灾难等意外情况下更是如此。要保证“永不消逝的电波”和民族产业可持续发展,必须研制出拥有自主知识产权的数字电视地面传输标准,才不会受制于人。 从世界范围看,以数字电视为代表的广播电视技术的数字化,是自上世纪末通信技术数字化以来,全球信息革命的不可阻挡的新浪潮。从模拟电视到数字电视,各国都设立了技术转换的时间表。美国在2006年将完成转换,欧洲定在2008年,日本预计要到2012年。我国宣布将在2008年奥运会期间播出数字电视并将于2015年关闭模拟电视网络。

  我国是模拟彩电消费和生产的世界头号大国。模拟电视数字化的技术革命,是变大国为强国的重大机遇。我国政府敏锐地认识到模拟电视数字化的技术革命,是我国电视产业变电视生产大国为电视强国的重大机遇,为此,国家设立了高新技术重大专项并成立了国家数字电视工作领导小组,决心用自主创新的技术发明自主制定技术标准,这样不仅可以形成保护我国产业的技术壁垒,同时还能占领无线宽带传输领域的技术制高点,为我国自主研发新一代无线宽带通信系统奠定技术基础。

  为国家和民族利益做贡献、服务于国民经济主战场是清华大学的一贯传统。1999年7月,清华大学微波与数字通信技术国家重点实验室与几位校友在美国硅谷创办的凌讯科技公司联合,组建了清华大学数字电视传输技术研发中心。在学校“985”计划重点项目的支持下,在一批前瞻性研究成果的基础上,借鉴国际现有的美国、欧洲和日本三种标准的经验和教训,力求推出具有领先的系统性能、鲜明的应用特点和自主知识产权体系的数字电视地面无线传输技术,作为我国自主数字电视地面传播技术标准的重要基础。但是,实现这一目标的难度很大,必须在技术上另辟蹊径。本项技术(即TDS-OFDM技术)的关键意义正是在于它突破了目前国际上流行的C-OFDM技术壁垒并在技术性能上超越了C-OFDM技术。

  针对C-OFDM的全频域信号处理导致数据和同步互相依赖需用复杂算法、循环前缀技术损失频谱效率、高功率同步导频有损系统功率效率等问题。我们运用最新的时变系统框架理论和软硬平台循环验证的实验方法,经过六年的艰苦探索和创新研究,原创性地提出了时域同步的正交频分复用数字传输技术(TDS-OFDM)。用时-频域综合处理方式解决了同步和数据相互独立问题(专利号:ZL00123597.4),简单方便地实现了快速码字捕获和稳健的同步跟踪,形成了与欧、日多载波技术不同的自主核心技术,在宽带传输领域的调制技术上取得了一次重大突破;用PN序列填充技术取代循环前缀,提高了频谱效率(专利:ZL01130659.9),这项发明已成为三种保护间隔填充技术之一,这也是学术上的一个重大突破;发明了—种独特的循环PN序列设置取代了高功率同步导频,同时提高了同步信号的鲁棒性和系统功率效率(专利号:ZL01124144.6),通过正交相关和付立叶变换实现快速信道估计,使系统信号捕获和信道估计时间由其他标准的约200ms和1ms分别降低到2ms和0.6ms左右。提高了系统移动接收性能。支持高清电视移动接收的性能达到国际领先水平。与绝对时间同步的帧结构的新型技术方便自动唤醒功能设置达到省电目的,支持便携接收,并特别有利于单频网同步设备简单实现。国家知识产权局根据“和已有技术相比有实质性改进或根本不同”的原则确认上述三项专利(共71项权利要求)为基础性发明专利,其中一项基础性系统框架发明(专利号:ZL00123597.4)的权利要求共60条,并已经在美国获得保护,(美国授权专利号:PCT/US01/26565)。

  基于TDS-OFDM的地面数字多媒体/电视传输系统(DMB-T)是一种全新的传输体制,15项已授权发明专利共138项权利要求,具有完整的自主知识产权体系。信息产业部和广电总局联合推荐DMB-T方案以信息文稿《中国的地面数字多媒体电视广播系统的发展》通报到国际电联,ITU-R为此专门建立了一个有76个代表成员参加的Email Reflector跟踪关注其发展。这是我国首次在国际上宣示我国数字电视的水平和参与国际竞争的信心,得到极好的国际影响。DMB-T专用芯片目前已经可以在国内批量生产和相关系统设备在国内外相关大型企业实现了产业化并形成了完整的产业链,经国家有关专业部门的测试和评估证明:技术经济指标达到了国内外同类技术的领先水平;经与国内外同类技术产品的市场竞争,现有北京、天津、广州、河南、河北、江西等19个省、自治区的25个城市成功进行运营性试用,已经取得了过亿元的显著经济效益和有国际重大影响的社会效益。2005年2月4日,对于广州增城市正果镇畲族村榕树冚村这个7户人家的小山村来说,是个大喜的日子。增城市地面数字电视广播站的建立和清华数字电视地面传输系统的应用,使村民们不仅结束了看电视“雪花飘”的现状,节目内容也由原来的1套增至6套。利用我校研制的地面数字电视传输系统,广州市解决了大山中的零散居民家庭看电视的难题,以最低的成本和最好的效果使“村村通”变成了“户户通”。

  以TDS-OFDM技术为核心的DMB-T方案全部电路与算法分别固化在一块发送信道处理专用芯片和一块接收信道处理专用芯片上。自2001年第一块DMB-T实验测试芯片开发成功以来,已取得了试验、试产和量产等四代芯片的成功。2005年1月,由凌讯公司、我校和复旦大学联合完成的基于我校DMB-T技术的中国第一块拥有完全自主知识产权的“中视一号”数字电视地面传输芯片在复旦大学问世,被称为“中国数字电视百万门级专用集成电路自主设计和制造技术的重大突破”。

  从1999年7月采用TDS-OFDM技术的DMB-T方案提出至今,在6年的时间里,DMB-T经过方案论证、系统仿真、专家评估三个层次的理论分析,功能、测试、优化平台的三代样机研发,在密集楼群、中小城市、现代化都市的三类场地试验,全国广电标委会、国家知识产权局、中国工程院的三个专业部门评估测试,测试、试验、试用、量产的四代专用芯片开发,广播发射系统、机顶盒和电视机、测试仪器三种系统设备的产业化,以及全国十几个省市的试验应用,其技术优越性经受了种种考验。

  综上所述,时域同步正交频分复用数字传输技术是经过充分验证、有重大应用前景的广播与通信领域的技术发明,是我国自主创新的宽带传输基础性核心技术,也是我国专利战略、标准战略的成功典型。三项基础性发明及其15个已获授权的发明专利构成的自主知识产权体系是我国自主制定数字电视地面传输标准的技术基础。国内经过多年的研发,现已在中国工程院的组织下形成采用了本项重大发明技术的中国地面数字电视传输标准建议方案,这将是我国电视设备从“中国制造”迈向“中国创造”的一个里程碑,也是我国建设创新型国家的成功范例。(编辑 文清)

2006年01月13日 09:18:50  清华新闻网

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