空間自適應的數字電視廣播系統：降低能耗，節約成本！

導讀

最近，英國布里斯託大學的科研人員開發出一種空間自適應的數字電視廣播系統，讓電視廣播傳輸能耗可降低35%，這樣不僅減少了碳排放，而且還節約了成本。

關鍵字

數字電視系統、功率、碳排放

背景

如今，廣播電視系統已經進入了數字化的時代。相對於傳統的模擬電視，數字電視具有頻率利用率高、抗干擾性強、服務多樣化、視頻和音頻效果更佳等優勢。

所謂數字廣播電視系統，是指廣播電視信息的發射、傳輸和接收的過程中都是採用數字信號（0和1的二進位數字流），而模擬廣播電視系統採用的是模擬信號。

對於這兩種系統的區別，我們可以借鑒一下布里斯託大學科研人員的解釋，寬泛且粗略地說一下：

• 模擬電視系統

如果電視接收到的信號功率越大，那麼顯示的畫面質量就會越好，功率和畫面質量呈現出一個類似線性增長的關係。

• 數字電視系統

情況會變得不同，功率變化和畫面質量的關係，取決於一個功率「切換點」，即閾值。

當功率達到或者超過該閾值時，電視就可以進行正常信息解碼，獲取到圖像，且圖像質量是保持相對穩定的，不會由於功率繼續升高，變好或變壞。但是，如果功率低於閾值時，就會無法顯示圖像。

所以，在模擬電視網路中，如果電視接收到的信號功率較低時，至少還會有些圖像，只是圖像效果不佳。而對於數字電視的來說，這種圖像質量則可以用「要麼有，要麼沒有。」來形容。

當接收到的信號功率高於閾值時，我們就可以看到完好的視頻和音頻：

（圖片來源於：布里斯託大學）

當接收到的信號功率低於閾值時，沒有任何視頻和音頻：

（圖片來源於：布里斯託大學）

創新

所以，要想降低數字電視系統的能耗，那麼首先必須要考慮數字電視系統的特點：

如果信號功率比閾值高很多，只會帶來能量浪費，而並不會提高電視視頻和音頻的質量，不會給電視觀眾帶來任何益處。但是，如果當信號功率低於閾值的時候，那麼將會沒有任何信號。

所以，工程師們進行數字電視系統的網路規劃時，就必須特別小心和仔細，既能考慮到最壞的情況，又可以降低系統能耗。最理想的情況就是：

接收信號功率儘可能靠近閾值，且不低於閾值，從而保證系統的效率最大化。

為此，就需要根據信道動態特性，使得信號發送端可以實時獲取信號接收端的情況，即需要設計一個反饋網路，讓廣播設備能夠實時了解用戶接收端的信號強度，然後相應地調整發射功率，使整個系統變得「自適應」。

英國布里斯託大學的工程師們就進行了這樣的創新探索，他們設計了一種空間自適應的系統，實時優化了無線廣播電視信號的強度和方向性。

（圖片來源於：布里斯託大學）

技術

說起技術，開門見山，先為向大家展示該自適應系統的原理框圖：

（圖片來源於：布里斯託大學）

從圖中可見，自適應系統包括：線性反饋的輸入、多信道射頻升頻器、調製器、DSP、實時資料庫、網路介面、功率放大器、低功率過濾器、用戶設備等。

另外，研究人員還通過實驗模擬並演示了該系統：

（圖片來源於：布里斯託大學）

首先，他們通過用筆記本電腦作為信號播放源，輸出高清視頻流。然後，他們通過HDMI轉DVB-T的調製器，接收高清視頻流，再模擬數字電視信號發射塔發射信號的狀況，雖然在實際情況中，信號是通過空中無線傳輸的。但是，基於實驗室條件，研究人員使用
Anite F8信道模擬器，模擬了信號在空中廣播傳輸的情況，然後將信號輸入到數字電視中。

在此過程中，研究人員利用了信道模擬器，對於信道的情況進行了仔細分析：

（圖片來源於：布里斯託大學）

然後，他們在實驗系統中加入了通用軟體無線電外設收發器（NI USRP），它可可以發送和接收高頻信號。它是一個研究軟體無線電的理想的原型平台，可用於教學實驗室和物理層通信研究。

NI USRP 用於測量接收到的信號，並將信號強度反饋給筆記本電腦。然後，筆記本電腦就可以根據反饋信號，調整廣播功率，從而形成一個完整的自適應系統。

（圖片來源於：布里斯託大學）

這種自適應的系統，讓廣播發射設備可實時地收到接收端信號的發聵，調整發射器發射信號的覆蓋範圍。這一點其實與無線蜂窩網路類似，無線蜂窩網路也能根據使用者的需求和位置，實時調整發射功率，例如根據用戶相對於基站的位置，手機也會不斷地改變其發射功率，從而降低手機的功耗，且提升電池的使用時間。

（圖片來源於：布里斯託大學）

價值

從傳統意義上來說，電視廣播都是單向的，數據從廣播設備流向觀眾。所以，這種電視廣播系統，無法實時優化發射信號，達到節能的目的。然而，如果廣播設備能夠訪問到觀眾接收端的信號情況，那麼整個系統就能得以優化。

目前，這種空間自適應的數字電視系統，由於加入了反饋控制，所以可以降低能耗，節約成本。這項研究顯示：未來的數字電視廣播網路還會有更多進步，不僅服務質量還會繼續提升，而且耗電也會更少。

參考資料

【1】http://www.bris.ac.uk/news/2017/may/broadcast-system.html

【2】『Spatially adaptive TV broadcast system: hardware in the loop operational analysis』 by Peter, Bagot, Mark Beach, Andrew Nix, Joe McGeehan and John Boyer in IEEE Transactions on Broadcasting

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