导读

最近,英国布里斯托大学的科研人员开发出一种空间自适应的数字电视广播系统,让电视广播传输能耗可降低35%,这样不仅减少了碳排放,而且还节约了成本。

关键字

数字电视系统、功率、碳排放

背景

如今,广播电视系统已经进入了数字化的时代。相对于传统的模拟电视,数字电视具有频率利用率高、抗干扰性强、服务多样化、视频和音频效果更佳等优势。


所谓数字广播电视系统,是指广播电视信息的发射、传输和接收的过程中都是采用数字信号(0和1的二进制数字流),而模拟广播电视系统采用的是模拟信号。


对于这两种系统的区别,我们可以借鉴一下布里斯托大学科研人员的解释,宽泛且粗略地说一下:

  • 模拟电视系统


如果电视接收到的信号功率越大,那么显示的画面质量就会越好,功率和画面质量呈现出一个类似线性增长的关系。


  • 数字电视系统

情况会变得不同,功率变化和画面质量的关系,取决于一个功率“切换点”,即阈值


当功率达到或者超过该阈值时,电视就可以进行正常信息解码,获取到图像,且图像质量是保持相对稳定的,不会由于功率继续升高,变好或变坏。但是,如果功率低于阈值时,就会无法显示图像。


所以,在模拟电视网络中,如果电视接收到的信号功率较低时,至少还会有些图像,只是图像效果不佳。而对于数字电视的来说,这种图像质量则可以用“要么有,要么没有。”来形容。


当接收到的信号功率高于阈值时,我们就可以看到完好的视频和音频:


(图片来源于:布里斯托大学

当接收到的信号功率低于阈值时,没有任何视频和音频:

(图片来源于:布里斯托大学

创新


所以,要想降低数字电视系统的能耗,那么首先必须要考虑数字电视系统的特点:


如果信号功率比阈值高很多,只会带来能量浪费,而并不会提高电视视频和音频的质量,不会给电视观众带来任何益处。但是,如果当信号功率低于阈值的时候,那么将会没有任何信号。


所以,工程师们进行数字电视系统的网络规划时,就必须特别小心和仔细,既能考虑到最坏的情况,又可以降低系统能耗。最理想的情况就是:


接收信号功率尽可能靠近阈值,且不低于阈值,从而保证系统的效率最大化。


为此,就需要根据信道动态特性,使得信号发送端可以实时获取信号接收端的情况,即需要设计一个反馈网络,让广播设备能够实时了解用户接收端的信号强度,然后相应地调整发射功率,使整个系统变得“自适应”。


英国布里斯托大学的工程师们就进行了这样的创新探索,他们设计了一种空间自适应的系统,实时优化了无线广播电视信号的强度和方向性。


(图片来源于:布里斯托大学


技术


说起技术,开门见山,先为向大家展示该自适应系统的原理框图:


(图片来源于:布里斯托大学

从图中可见,自适应系统包括:线性反馈的输入、多信道射频升频器、调制器、DSP、实时数据库、网络接口、功率放大器、低功率过滤器、用户设备等。


另外,研究人员还通过实验模拟并演示了该系统:


(图片来源于:布里斯托大学

首先,他们通过用笔记本电脑作为信号播放源,输出高清视频流。然后,他们通过HDMI转DVB-T的调制器,接收高清视频流,再模拟数字电视信号发射塔发射信号的状况,虽然在实际情况中,信号是通过空中无线传输的。但是,基于实验室条件,研究人员使用 Anite F8信道仿真器,模拟了信号在空中广播传输的情况,然后将信号输入到数字电视中。


在此过程中,研究人员利用了信道仿真器,对于信道的情况进行了仔细分析:


(图片来源于:布里斯托大学

然后,他们在实验系统中加入了通用软件无线电外设收发器(NI USRP),它可可以发送和接收高频信号。它是一个研究软件无线电的理想的原型平台,可用于教学实验室和物理层通信研究。


NI USRP 用于测量接收到的信号,并将信号强度反馈给笔记本电脑。然后,笔记本电脑就可以根据反馈信号,调整广播功率,从而形成一个完整的自适应系统。


(图片来源于:布里斯托大学

这种自适应的系统,让广播发射设备可实时地收到接收端信号的发聩,调整发射器发射信号的覆盖范围。这一点其实与无线蜂窝网络类似,无线蜂窝网络也能根据使用者的需求和位置,实时调整发射功率,例如根据用户相对于基站的位置,手机也会不断地改变其发射功率,从而降低手机的功耗,且提升电池的使用时间。


(图片来源于:布里斯托大学

价值

从传统意义上来说,电视广播都是单向的,数据从广播设备流向观众。所以,这种电视广播系统,无法实时优化发射信号,达到节能的目的。然而,如果广播设备能够访问到观众接收端的信号情况,那么整个系统就能得以优化。

目前,这种空间自适应的数字电视系统,由于加入了反馈控制,所以可以降低能耗,节约成本。这项研究显示:未来的数字电视广播网络还会有更多进步,不仅服务质量还会继续提升,而且耗电也会更少。

参考资料


【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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空间自适应的数字电视广播系统:降低能耗,节约成本!
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