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本文目录:
一、Eit项目硕士怎么读博
首先欧洲EIT项目是获得双学位,不会对美国读博士造成任何影响,本科毕业就可以直接申请美国博士,而无需再读一个硕士。如果在欧洲读EIT2年时间,再去美国读博士5年时间,这时间将会非常久。
二、数据中心电能使用EEUE分析
世界能源委员会1995年对能源效率的定义为:减少提供同等能源服务的能源投入。对于能耗居高不下的数据中心,研究提高能源效率具有深远的社会效益和经济效益。除了能源效率之外,数据中心还有多项其他性能指标,按照国际标准组织ISO的定义统称为关键性能指标,或称为关键绩效指标,研究这些指标对于数据中心同样具有十分重要的意义。
在已经颁布的数据中心性能指标中最常见的是电能使用效率PUE。在我国,PUE不但是数据中心研究、设计、设备制造、建设和运维人员最为熟悉的数据中心能源效率指标,也是政府评价数据中心工程性能的主要指标。
除了PUE之外,2007年以后还出台了多项性能指标,虽然知名度远不及PUE,但是在评定数据中心的性能方面也有一定的参考价值,值得关注和研究。PUE在国际上一直是众说纷纭、莫衷一是的一项指标,2015年ASHRAE公开宣布,ASHRAE标准今后不再采用PUE这一指标,并于2016年下半年颁布了ASHRAE 90.4标准,提出了新的能源效率;绿色网格组织(TGG)也相继推出了新的能源性能指标。对PUE和数据中心性能指标的讨论一直是国际数据中心界的热门议题。
鉴于性能指标对于数据中心的重要性、国内与国际在这方面存在的差距,以及在采用PUE指标过程中存在的问题,有必要对数据中心的各项性能指标,尤其是对PUE进行深入地研究和讨论。
1.性能指标
ISO给出的关键性能指标的定义为:表示资源使用效率值或是给定系统的效率。数据中心的性能指标从2007年开始受到了世界各国的高度重视,相继推出了数十个性能指标。2015年之后,数据中心性能指标出现了较大变化,一系列新的性能指标相继被推出,再度引发了国际数据中心界对数据中心的性能指标,尤其是对能源效率的关注,并展开了广泛的讨论。
2.PUE
2.1PUE和衍生效率的定义和计算方法
2.1.1电能使用效率PUE
TGG和ASHRAE给出的PUE的定义相同:数据中心总能耗Et与IT设备能耗之比。
GB/T32910.3—2016给出的EEUE的定义为:数据中心总电能消耗与信息设备电能消耗之间的比值。其定义与PUE相同,不同的是把国际上通用的PUE(powerusage effectiveness)改成了EEUE(electricenergy usage effectiveness)。国内IT界和暖通空调界不少专业人士对于这一变更提出了不同的看法,根据Malone等人最初对PUE的定义,Et应为市电公用电表所测量的设备总功率,这里的Et就是通常所说的数据中心总的设备耗电量,与GB/T32910.3—2016所规定的Et应为采用电能计量仪表测量的数据中心总电能消耗的说法相同。笔者曾向ASHRAE有关权威人士咨询过,他们认为如果要将“power”用“electricenergy”来替代,则采用“electricenergy consumption”(耗电量)更准确。显然这一变更不利于国际交流。虽然这只是一个英文缩写词的变更,但因为涉及到专业术语,值得商榷。
ISO给出的PUE的定义略有不同:计算、测量和评估在同一时期数据中心总能耗与IT设备能耗之比。
2.1.2部分电能使用效率pPUE
TGG和ASHRAE给出的pPUE的定义相同:某区间内数据中心总能耗与该区间内IT设备能耗之比。
区间(zone)或范围( boundary)可以是实体,如集装箱、房间、模块或建筑物,也可以是逻辑上的边界,如设备,或对数据中心有意义的边界。
ISO给出的pPUE的定义有所不同:某子系统内数据中心总能耗与IT设备总能耗之比。这里的“子系统”是指数据中心中某一部分耗能的基础设施组件,而且其能源效率是需要统计的,目前数据中心中典型的子系统是配电系统、网络设备和供冷系统。
2.1.3设计电能使用效率dPUE
ASHRAE之所以在其标准中去除了PUE指标,其中一个主要原因是ASHRAE认为PUE不适合在数据中心设计阶段使用。为此ISO给出了设计电能使用效率dPUE,其定义为:由数据中心设计目标确定的预期PUE。
数据中心的能源效率可以根据以下条件在设计阶段加以预测:1)用户增长情况和期望值;2)能耗增加或减少的时间表。dPUE表示由设计人员定义的以最佳运行模式为基础的能耗目标,应考虑到由于数据中心所处地理位置不同而导致的气象参数(室外干球温度和湿度)的变化。
2.1.4期间电能使用效率iPUE
ISO给出的期间电能使用效率iPUE的定义为:在指定时间测得的PUE,非全年值。
2.1.5电能使用效率实测值EEUE-R
GB/T32910.3—2016给出的EEUE-R的定义为:根据数据中心各组成部分电能消耗测量值直接得出的数据中心电能使用效率。使用EEUE-R时应采用EEUE-Ra方式标明,其中a用以表明EEUE-R的覆盖时间周期,可以是年、月、周。
2.1.6电能使用效率修正值EEUE-X
GB/T32910.3—2016给出的EEUE-X的定义为:考虑采用的制冷技术、负荷使用率、数据中心等级、所处地域气候环境不同产生的差异,而用于调整电能使用率实测值以补偿其系统差异的数值。
2.1.7采用不同能源的PUE计算方法
数据中心通常采用的能源为电力,当采用其他能源时,计算PUE时需要采用能源转换系数加以修正。不同能源的转换系数修正是评估数据中心的一次能源使用量或燃料消耗量的一种方法,其目的是确保数据中心购买的不同形式的能源(如电、天然气、冷水)可以进行公平地比较。例如,如果一个数据中心购买当地公用事业公司提供的冷水,而另一个数据中心采用由电力生产的冷水,这就需要有一个系数能使得所使用的能源在相同的单位下进行比较,这个系数被称为能源转换系数,它是一个用来反映数据中心总的燃料消耗的系数。当数据中心除采用市电外,还使用一部分其他能源时,就需要对这种能源进行修正。
2.1.8PUE和EEUE计算方法的比较
如果仅从定义来看,PUE和EEUE的计算方法十分简单,且完全相同。但是当考虑到计算条件的不同,需要对电能使用效率进行修正时,2种效率的计算方法则有所不同。
1)PUE已考虑到使用不同能源时的影响,并给出了修正值和计算方法;GB/T32910.3—2016未包括可再生能源利用率,按照计划这一部分将在GB/T32910.4《可再生能源利用率》中说明。
2)PUE还有若干衍生能源效率指标可供参考,其中ISO提出的dPUE弥补了传统PUE的不足;EEUE则有类似于iPUE的指标EEUE-Ra。
3)EEUE分级(见表1)与PUE分级(见表2)不同。
4)EEUE同时考虑了安全等级、所处气候环境、空调制冷形式和IT设备负荷使用率的影响。ASHRAE最初给出了19个气候区的PUE最大限值,由于PUE已从ASHRAE标准中去除,所以目前的PUE未考虑气候的影响;ISO在计算dPUE时,要求考虑气候的影响,但是如何考虑未加说明;PUE也未考虑空调制冷形式和负荷使用率的影响,其中IT设备负荷率的影响较大,应加以考虑。
2.2.PUE和EEUE的测量位置和测量方法
2.2.1PUE的测量位置和测量方法
根据IT设备测点位置的不同,PUE被分成3个类别,即PUE1初级(提供能源性能数据的基本评价)、PUE2中级(提供能源性能数据的中级评价)、PUE3高级(提供能源性能数据的高级评价)。
PUE1初级:在UPS设备输出端测量IT负载,可以通过UPS前面板、UPS输出的电能表以及公共UPS输出总线的单一电表(对于多个UPS模块而言)读取。在数据中心供电、散热、调节温度的电气和制冷设备的供电电网入口处测量进入数据中心的总能量。基本监控要求每月至少采集一次电能数据,测量过程中通常需要一些人工参与。
PUE2中级:通常在数据中心配电单元前面板或配电单元变压器二次侧的电能表读取,也可以进行单独的支路测量。从数据中心的电网入口处测量总能量,按照中等标准的检测要求进行能耗测量,要求每天至少采集一次电能数据。与初级相比,人工参与较少,以电子形式采集数据为主,可以实时记录数据,预判未来的趋势走向。
PUE3高级:通过监控带电能表的机架配电单元(即机架式电源插座)或IT设备,测量数据中心每台IT设备的负载(应该扣除非IT负载)。在数据中心供电的电网入口处测量总能量,按照高标准的检测要求进行能耗测量,要求至少每隔15min采集一次电能数据。在采集和记录数据时不应该有人工参与,通过自动化系统实时采集数据,并支持数据的广泛存储和趋势分析。所面临的挑战是以简单的方式采集数据,满足各种要求,最终获取数据中心的各种能量数据。
对于初级和中级测量流程,建议在一天的相同时间段测量,数据中心的负载尽量与上次测量时保持一致,进行每周对比时,测量时间应保持不变(例如每周周三)。
2.2.2EEUE的测量位置和测量方法
1)Et测量位置在变压器低压侧,即A点;
2)当PDU无隔离变压器时,EIT测量位置在UPS输出端,即B点;
3)当PDU带隔离变压器时,EIT测量位置在PDU输出端,即C点;
4)大型数据中心宜对各主要系统的耗电量分别计量,即E1,E2,E3点;
5)柴油发电机馈电回路的电能应计入Et,即A1点;
6)当采用机柜风扇辅助降温时,EIT测量位置应为IT负载供电回路,即D点;
7)当EIT测量位置为UPS输出端供电回路,且UPS负载还包括UPS供电制冷、泵时,制冷、泵的能耗应从EIT中扣除,即扣除B1和B2点测得的电量。
2.2.3PUE和EEUE的测量位置和测量方法的差异
1)PUE的Et测量位置在电网输入端、变电站之前。而GB/T32910.3—2016规定EEUE的Et测量位置在变压器低压侧。数据中心的建设有2种模式:①数据中心建筑单独设置,变电站自用,大型和超大型数据中心一般采用这种模式;②数据中心置于建筑物的某一部分,变电站共用,一般为小型或中型数据中心。由于供电局的收费都包括了变压器的损失,所以为了准确计算EEUE,对于前一种模式,Et测量位置应该在变压器的高压侧。
2)按照2.2.2节第6条,在计算EIT时,应减去机柜风机的能耗。应该指出的是,机柜风机不是辅助降温设备,起到降温作用的是来自空调设备的冷空气,降温的设备为空调换热器,机柜风机只是起到辅助传输冷风的作用,因此机柜风机不应作为辅助降温设备而计算其能耗。在GB/T32910.3征求意见时就有人提出:机柜风机的能耗很难测量,所以在实际工程中,计算PUE时,EIT均不会减去机柜风机的能耗。在美国,计算PUE时,机柜风机的能耗包括在EIT中。
3)PUE的测点明显多于GB/T32910.3—2016规定的EEUE的测点。
2.3.PUE存在的问题
1)最近两年国内外对以往所宣传的PUE水平进行了澄清。我国PUE的真实水平也缺乏权威调查结果。GB/T32910.3—2016根据国内实际状况,将一级节能型数据中心的EEUE放宽到1.0~1.6,其上限已经超过了国家有关部委提出的绿色数据中心PUE应低于1.5的要求,而二级比较节能型数据中心的EEUE规定为1.6~1.8,应该说这样的规定比较符合国情。
2)数据中心总能耗Et的测量位置直接影响到PUE的大小,因此应根据数据中心建筑物市电变压器所承担的荷载组成来决定其测量位置。
3)应考虑不同负荷率的影响。当负荷率低于30%时,不间断电源UPS的效率会急剧下降,PUE值相应上升。对于租赁式数据中心,由于用户的进入很难一步到位,所以数据中心开始运行后,在最初的一段时间内负荷率会较低,如果采用设计PUE,也就是满负荷时的PUE来评价或验收数据中心是不合理的。
4)数据中心的PUE低并非说明其碳排放也低。完全采用市电的数据中心与部分采用可再生能源(太阳能发电、风电等),以及以燃气冷热电三联供系统作为能源的数据中心相比,显然碳排放指标更高。数据中心的碳排放问题已经引起国际上广泛地关注,碳使用效率CUE已经成为数据中心重要的关键性能指标,国内对此的关注度还有待加强。
5)GB/T32910.3—2016规定,在计算EIT时,应减去机柜风机的耗能。关于机柜风机的能耗是否应属于IT设备的能耗,目前国内外有不同的看法,其中主流观点是服务器风机的能耗应属于IT设备的能耗,其原因有二:一是服务器风机是用户提供的IT设备中的一个组成部分,自然属于IT设备;二是由于目前服务器所采用的风机基本上均为无刷直流电动机驱动的风机(即所谓EC电机),风机的风量和功率随负荷变化而改变,因此很难测量风机的能耗。由于数据中心风机的设置对PUE的大小影响很大,需要认真分析。从实际使用和节能的角度出发,有人提出将服务器中的风机取消,而由空调风机取代。由于大风机的效率明显高于小风机,且初投资也可以减少,因此这种替代方法被认为是一个好主意,不过这是一个值得深入研究的课题。
6)国内相关标准有待进一步完善。GB/T32910.3—2016《数据中心资源利用第3部分:电能能效要求和测量方法》的发布,极大地弥补了国内标准在数据中心电能能效方面的不足;同时,GB/T32910.3—2016标准颁布后,也引起了国内学术界和工程界的热议。作为一个推荐性的国家标准如何与已经颁布执行的强制性行业标准YD 5193—2014《互联网数据中心(IDC)工程设计规范》相互协调?在标准更新或升级时,包括内容相似的国际标准ISOIEC 30134-2-2016在内的国外相关标准中有哪些内容值得借鉴和参考?标准在升级为强制性国家标准之前相关机构能否组织就其内容进行广泛的学术讨论?都是值得考虑的重要课题。ASHRAE在发布ASHRAE90.4标准时就说明,数据中心的标准建立在可持续发展的基础上,随着科学技术的高速发展,标准也需要不断更新和创新。
7)PUE的讨论已经相当多,事实上作为大数据中心的投资方和运营方,更关心的还是数据中心的运行费用,尤其是电费和水费。目前在数据中心关键性能指标中尚缺乏一个经济性指标,使得数据中心,尤其是大型数据中心和超大型数据中心的经济性无法体现。
2.4.PUE的比较
不同数据中心的PUE值不应直接进行比较,但是条件相似的数据中心可以从其他数据中心所提供的测量方法、测试结果,以及数据特性的差异中获益。为了使PUE比较结果更加公平,应全面考虑数据中心设备的使用时间、地理位置、恢复能力、服务器可用性、基础设施规模等。
3.其他性能指标
3.1.ASHRAE90.4
ASHRAE90.4-2016提出了2个新的能源效率指标,即暖通空调负载系数MLC和供电损失系数ELC。但这2个指标能否为国际IT界接受,还需待以时日。
3.1.1暖通空调负载系数MLC
ASHRAE对MLC的定义为:暖通空调设备(包括制冷、空调、风机、水泵和冷却相关的所有设备)年总耗电量与IT设备年耗电量之比。
3.1.2供电损失系数ELC
ASHRAE对ELC的定义为:所有的供电设备(包括UPS、变压器、电源分配单元、布线系统等)的总损失。
3.2.TGG白皮书68号
2016年,TGG在白皮书68号中提出了3个新的能源效率指标,即PUE比(PUEr)、IT设备热一致性(ITTC)和IT设备热容错性(ITTR),统称为绩效指标(PI)。这些指标与PUE相比,不但定义不容易理解,计算也十分困难,能否被IT界接受,还有待时间的考验。
3.2.1PUE比
TGG对PUEr的定义为:预期的PUE(按TGG的PUE等级选择)与实测PUE之比。
3.2.2IT设备热一致性ITTC
TGG对ITTC的定义为:IT设备在ASHRAE推荐的环境参数内运行的比例。
服务器的进风温度一般是按ASHRAE规定的18~27℃设计的,但是企业也可以按照自己设定的服务器进风温度进行设计,在此进风温度下,服务器可以安全运行。IT设备热一致性表示符合ASHRAE规定的服务器进风温度的IT负荷有多少,以及与总的IT负荷相比所占百分比是多少。例如一个IT设备总负荷为500kW的数据中心,其中满足ASHRAE规定的服务器进风温度的IT负荷为450kW,则该数据中心的IT设备热一致性为95%。
虽然TGG解释说,IT设备热一致性涉及的只是在正常运行条件下可接受的IT温度,但是IT设备热一致性仍然是一个很难计算的能源效率,因为必须知道:1)服务器进风温度的范围,包括ASHRAE规定的和企业自己规定的进风温度范围;2)测点位置,需要收集整个数据中心服务器各点的进风温度,由人工收集或利用数据中心基础设施管理(DCIM)软件来统计。
3.2.3IT设备热容错性ITTR
TGG对ITTR的定义为:当冗余制冷设备停机,或出现故障,或正常维修时,究竟有多少IT设备在ASHRAE允许的或建议的送风温度32℃下送风。
按照TGG的解释,ITTR涉及的只是在出现冷却故障和正常维修运行条件下可接受的IT温度,但是ITTR也是一个很难确定的参数。ITTR的目的是当冗余冷却设备停机,出现冷却故障或在计划维护活动期间,确定IT设备在允许的入口温度参数下(<32℃)运行的百分比,以便确定数据中心冷却过程中的中断或计划外维护的性能。这个参数很难手算,因为它涉及到系统操作,被认为是“计划外的”条件,如冷却单元的损失。
3.3.数据中心平均效率CADE
数据中心平均效率CADE是由麦肯锡公司提出,尔后又被正常运行时间协会(UI)采用的一种能源效率。
CADE提出时自认为是一种优于其他数据中心能源效率的指标。该指标由于被UI所采用,所以直到目前仍然被数量众多的权威著作、文献认为是可以采用的数据中心性能指标之一。但是笔者发现这一性能指标的定义并不严谨,容易被误解。另外也难以测量和计算。该指标的提出者并未说明IT资产效率如何测量,只是建议ITAE的默认值取5%,所以这一指标迄今为止未能得到推广应用。
3.4.IT电能使用效率ITUE和总电能使用效率TUE
2013年,美国多个国家级实验室鉴于PUE的不完善,提出了2个新的能源效率——总电能使用效率TUE和IT电能使用效率ITUE。
提出ITUE和TUE的目的是解决由于计算机技术的发展而使得数据中心计算机配件(指中央处理器、内存、存储器、网络系统,不包括IT设备中的电源、变压器和机柜风机)的能耗减少时,PUE反而增加的矛盾。但是这2个性能指标也未得到广泛应用。
3.5.单位能源数据中心效率DPPE
单位能源数据中心效率DPPE是日本绿色IT促进协会(GIPC)和美国能源部、环保协会、绿色网格,欧盟、欧共体、英国计算机协会共同提出的一种数据中心性能指标。GIPC试图将此性能指标提升为国际标准指标。
3.6.水利用效率WUE
TGG提出的水利用效率WUE的定义为:数据中心总的用水量与IT设备年耗电量之比。
数据中心的用水包括:冷却塔补水、加湿耗水、机房日常用水。根据ASHRAE的调查结果,数据中心基本上无需加湿,所以数据中心的用水主要为冷却塔补水。采用江河水或海水作为自然冷却冷源时,由于只是取冷,未消耗水,可以不予考虑。
民用建筑集中空调系统由于总的冷却水量不大,所以判断集中空调系统的性能时,并无用水量效率之类的指标。而数据中心由于全年制冷,全年的耗水量居高不下,已经引起了国内外,尤其是水资源贫乏的国家和地区的高度重视。如何降低数据中心的耗水量,WUE指标是值得深入研究的一个课题。
3.7.碳使用效率CUE
TGG提出的碳使用效率CUE的定义为:数据中心总的碳排放量与IT设备年耗电量之比。
CUE虽然形式简单,但是计算数据中心总的碳排放量却很容易出错。碳排放量应严格按照联合国气象组织颁布的计算方法进行计算统计。
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四、高手进来,有关数字电视的3个问题
数字电视传输系统性能的优越性主要来源于信道编码和信号调制方式。卫星和有线电视网络环境与理想的白噪声模型极为接近,而优秀的信道编码和信号调制方式一般都是针对白噪声模型设计的,这样的信道编码调制可以在卫星和有线电缆广播中得到很好的应用,系统性能可以接近理论值。而地面广播的环境显然不是白噪声模型,没有任何信道编码调制技术可以在地面广播的环境下被优化地使用。美、欧已有的系统都反映出这一特点:即在实验室的白噪声环境下,两者都接近理论值,但一旦处于实际的地面广播环境下,两套系统性能都发生明显的劣化。美国系统虽然在白噪声性能方面优于欧洲系统,但美国系统没有考虑严重的多径环境和衰落现象,其接收实际地面广播信号能力相对于欧洲系统较弱。事实上,现有系统在白噪声条件下具有增益的编码在实际环境中不但无助于提高性能,反而加剧了系统性能的恶化。地面广播的信道特性变化剧烈,信号幅度、相位的变化,多径的时延和幅度的变化速度都远比卫星和有线电缆信道复杂。系统能稳定工作的区域有限,对系统信号处理能力,尤其是处理速度及稳定性要求苛刻。再加上地面广播要求与现有模拟电视广播兼容,大功率非线性发射使相邻频道间的干扰加剧,若系统各个纠错编码保护环节不能很好地协调工作,就会顾此失彼,各部分性能互相牵制,使系统始终处于不稳定状态。因此,在恶劣的地面广播多变通道条件下,如何采用一种各个功能强自适应工作的数字电视地面广播传输系统标准,是我们每一名广播电视技术人员思考的问题,下面就国外数字电视地面广播系统的三种传输性能和实现,就系统的主要设计讨论抗多径干扰技术、频谱、标准制定,以及频谱的高效利用,数据传输、稳定的固定接收和移动接收能力作一些探讨。
二、地面数字电视传输系 统标准
目前全球共有三套国际地面传输系统标准,美国1996年高级电视系统委员会(ATSC) 研发的格形编码八电平残留边带(8-VSB) 即:ATSC 8-VSB;欧洲1997年提出的数字视频地面广播(DVB-T) 采用编码正交频分复用(COFDM) 即:DVB-T COFDM;日本1999年提出的地面综合业务数字广播(ISDB-T) 采用正交频分复用(OFDM) 即:ISDB-T OFDM。这三种系统标准,其系统设计从技术上限于当时的设计方向、使用环境、技术水平和硬件支持能力,没有发挥出系统应有的潜力。
1、美国ATSC 8-VSB系统
美国ATSC 8VSB系统是为了在单个 6MHz 频道中传输高质量视频和音频(HDTV)以及辅助数据而设计的,用于地面广播分配系统。它能够可靠地在 6MHz 内用8VSB调制传输 19.4 Mbit/s 的数据。8-VSB “地面同播模式” 可抵抗 NTSC 干扰,对于地面广播,此系统的设计允许在已有的NTSC 发射机上分配一个额外的具有可比覆盖范围的数字发射机,并且在区域和人口覆盖方面对现存 NTSC 节目影响最小。系统的射频发射特性经过仔细选择后,上述能力是可以达到,通过 18 种视频格式,提供各种图像质量。利用系统的数据传输能力,基于数据的业务具有巨大的潜力。系统提供固定的接收。
8-VSB系统加入了0.3dB的导频信号,用于辅助载波恢复;并加入了段同步信号,用于8-VSB系统同步和时钟信道编码纠错保护措施。如此设计使美国系统具备噪声门限低(理论值≈14.9dB),大传输容量(固定有用数据位率为19.4Mb/S) 和实现串行数据流MPEG-2Packet188bit(1bit同步+187bit) 主要技术优势。但美国系统存在一系列问题。最主要的是对付强动态多径困难:在近的强多径变化(相位)时,导频信号会受到严重影响,载波恢复出现困难。同时,均衡器的性能在载波没有精确恢复时会急剧下降;系统虽然使用了训练序列,但两个训练序列之间相隔24毫秒,期间多径的快速变化无法被跟踪,虽然美国系统同时使用数据判决反馈"DFE",利用数据本身产生的误差信号进行调节,用以跟踪变化快的多径,但DFE需要信道被均衡到一定程度(错误判决少于10%)才能正常工作,在强多径下,系统是不稳定的。因此,美国系统的原有设计思想、导频放置、数据结构等,都使得该系统不能有效对付强多径和快速变化的动态多径,造成某些环境中固定接收不稳定以及不支持移动接收。另外,美国系统在对付模拟电视同播时采用了梳状滤波器,梳状滤波器开启时,系统门限上升3dB,且开启与否是通过判决后的硬开关。这一方案在实用中不仅会使开关受噪声或多径变化的影响来回跳动,造成系统工作不稳定,还由于其引入的电平数目和12路交织,影响系统网格解码和均衡器的工作。ATSC 8-VSB传输系统具较好的载噪比,可在较低的载噪比下运行,但系统为抗NTSC同步干扰在接收机中加梳状滤波器,却牺牲了约3.5dB的载噪比性能;对抗多径效应而造成的频率选择性哀落,8VSB传输方式采用了均衡器来消除回波,但对回波时延变化很敏感;结构复杂,是一个固定码率的数字传输系统使用单载波调制技术,不支持移动接收。
2、欧洲DVB-T COFDM系统
欧洲DVB-T COFDM系统是欧洲数字电视广播(DVB) 开发的系列标准中的数字地面电视广播系统标准,在系列标准中DVB-T是最复杂的DVB系统。使用MPEG-2传送比特流复用,里德-索罗门(RS) 前向纠错系统,采用COFDM调制方式,把传输比特分割到数千计的低比特率副载波上,用1705个载波(“2K”)或6817个载波(“8K”) 模式。“2K” 模式用于普通网,“8K” 模式用于大小单频网(SFN) ,“2K”与“8K” 系统是兼容的。欧洲系统中放置了大量的导频信号,穿插于数据之中,并以高于数据3dB的功率发送。这些导频信号一举多得,完成系统同步、载波恢复、时钟调整和信道估计。由于导频信号数量多,且散布在数据中,能够较为及时地发现和估计信道特性的变化。为进一步降低多径造成的码间干扰,欧洲系统又使用了"保护间隔"的技术,即在每个符号(块)前加入一定长度的该符号后段重复数值,由此抵御多径的影响。可以认为,大量导频信号插入和保护间隔技术是欧洲系统的技术核心,正是这两项技术使欧洲系统能够在抗强多径和动态多径及移动接收的实测性能方面优于美国ATSC 8-VSB系统。另外,欧洲系统还对载波数目、保护间隔长度和调制星座数目等参数进行组合,形成了多种传输模式供使用者选择。多种模式常用的其实只有两到三种,分别对应固定接收和移动接收应用。欧洲系统同样存在一系列缺陷。首先是频带损失严重:导频信号和保护间隔至少占据了有效带宽的14%左右,若采用大的保护间隔,此数值将超过30%。欧洲方案的综合频带利用率比美国的VSB方案多损失6%至23%。因此,以过分下降宝贵的系统传输容量为代价来换取系统的抗多径性能,显然不是一个好的折衷方案。其次,即使放置了大量导频信号,对信道估计仍是不足:COFDM中的导频信号是一个亚采样信号,且COFDM采用块信号处理方式(每次上千点),在理论上就不可能完全精确地描绘出信道特性,只能给出大约平均值,这也是欧洲系统始终无法达到理论值的原因之一(与理论值差2-3dB),因此,现有欧洲COFDM系统事实上并不是对付移动多径最有效的手段。再次,欧洲系统在交织深度、抗脉冲噪声干扰及信道编码等方面的性能存在明显不足。欧洲还强调在其卫星、有线和地面传输方案中使用相同的信道编码模块以保证其三者之间的兼容性,因为信道编码模块在电路实现中所占比例不大,这种部分兼容方式阻止了在地面广播方案中采用更有效的其它信道编码方法。 对于地面广播,此系统在现存的已分配给模拟电视传输的 UHF 频谱内广播可选择3.7-23.8Mb/S的传输速率。虽然系统是为8MHz 频道开发的,但能用于任何频道带宽(6、7、8MHz),只是相应地改变数据容量。8MHz 信道内传输的有效净比特码率在 4.98~31.67Mbit/s 范围内,取决于信道编码参数、调制类型和保护间隔的选择。在设计上允许码率可变,显示其灵活性,可根据信噪比提供多种码率。 DVB-T COFDM系统,有利于数字与模拟电视共存,在与现行模拟电视混合传输方面显示出优势,设计上不需耍优化就能对付各种模拟制式的干扰。有抗多径失真的能力,在移动接收方面显示其独特的优势,它因有灵活性使得可以按特定的工作环境与服务耍求进行传输试验,在澳大利亚、拉丁美洲、香港地区等受到赞许。
3、日本ISDB-T OFDM系统
日本提出的“综合业务数字广播”ISDB-T OFDM系统采用MPEG-2传送比特复用,OFDM调制方式,使用的编码方式、调制、传输与DVB-T COFDM基本相同,可以说是经修改的欧洲方式,不同之处在于接收方面增加了部分接收和分层传输,将整个6MHz频带划分为13个子带,每个子带432KHz,将中间一个用于传输音频信号,并大大加长了交织深度(最长达0.5秒),增加交织深度将引入长达几百毫秒的延迟影响频道转换和双向业务。ISDB-T 概念覆盖了各种服务,因此系统不得不面对各种需求,而且一个业务可能和另一个业务是不同的。例如,对于 HDTV 节目就需要大容量的传输能力,而对于条件接收中的密钥传输、软件下载等等,则需要高有效性(或传输可靠性)。为了综合不同的业务需求,系统提供了可选择的调制和误码保护方案和灵活的组合,以便面对这些综合业务的每种需求。
在一个地面频道中有 13 个 OFDM 频谱段,有用的带宽是 13×BW/14 MHz (对于6 MHz 频道是 5.57MHz,7 MHz 频道是 6.50MHz,8MHz 地面频道是 7.43MHz)。系统采用的调制方法称为频带分段传输(BST)OFDM,由一组共同的称为 BST 段的基本频率块组成。每段的带宽为 BW/14 MHz,这里 BW 指的是地面电视信道带宽(6、7 或 8MHz,依赖于所处地区)。例如,对于 6MHz 信道,每段占据 6/14 MHz = 428.6KHz 频谱,7段等于 6×7/14MHz = 3MHz。
在 OFDM 特性之外,BST-OFDM 对不同的 BST 段采用不同的载波调制方案和内码编码码率,依此提供了分级传输特性。每个数据段有其自己的误码保护方案(内码编码码率、时间交织深度)和调制类型(QPSK DQPSK、16-QAM 或者 64QAM),因此每段能满足不同的业务需求。许多段可以灵活地组合到一起,提供宽带业务(例如 HDTV)。通过传输不同参数的 OFDM 段群,可以达到分级传输。在一个地面频道中可提供三个业务层(三种不同的段群)。通过使用只有一个 OFDM 段的窄带接收机,可以接收传输信道中的部分节目。
虽然系统是为 6MHz 频道开发和测试的,但它可用于任何的信道带宽(X×BW/14 MHz),只是相应的改变数据容量。6MHz信道中每一段的净比特码率为 280.85~1787.28kbit/s。5.57MHz DTV 频道的数据吞吐量在 3.65 到 23.23Mbit/s 范围之间。
4、三种地面数字电视传输系 统的比较
在不同的损伤和操作条件下ATSC 8-VSB、DVB-T COFDM 和 ISDB-T BST-OFDM 输系统的性能。
从调制的观点看,OFDM 和单载波调制方案,例如 VSB 和 QAM,对相加性高斯白噪声(AWGN)信道应该有相同的 C/N 门限。信道编码、信道估计、均衡方案以及其它的实现限制(相位噪声、量化噪声、互调失真)等导致了不同的 C/N 门限。
数据码率和门限定义差别,在AWGN 信道上的 Eb/N0 门限,如表2 所示。为 DVB-T 和 ISDB-T 选择了两种卷积编码率,R=2/3 和 3/4,提高了和 ATSC 系统可比的数据码率。从射频背靠背的测试数据看,ATSC 系统在 AWGN 信道上目前有几个 dB 的好处。再一次应该指出的是所有的系统都是可能提高改善的,并且对于 DTTB,AWGN 信道可能不是最好的信道模型,特别是室内接收。
因为三个系统都能不用改变信道编码方案而用于不同的信道带宽,例如 6、7、8MHz,系统 Eb/N0 值对于 6、7、8MHz 系统一般是正确的对于地面广播,
三、抗多径干扰技术
多径接收在模拟电视中反映是重影,在数字接收中,多径效应将使接收完全失效。地面数字电视传输,由于多径效应造成的频率选择性衰落会引起码间干扰,生产误码。因此地面数字电视传输必须采用抗多径干扰技术。目前有自适应均衡和正交频分多路复用技术。 自适应均衡器所采用的算法为最小均方(LMS) ,基于最小平方(LS) 和快速横向滤波器算法:
K=-N,-1,0,1, …M
寻找均方误差最小值使均衡器能最有效的消除码间干扰。
OFDM正交频分复用调制技术只是一种并行传输方案,在指定频带上设置K个等间隔的子载波, 每个载波单独被数字调制,每个子载波上的调制符号将被延长K倍, 是抗多径干扰的有效方法。采用加保护间隔和基准电平来实现
一个码元时间间隔内,设基带OFDM信号表示为:
其中M(n)表示第 n个子信道的调制信号,N为并行传输信道数。
为了提高抗多径干扰的能力,加入保护间隔,于是码元宽度变为T=T5+△,信道间隔仍为 ,在t时刻,OFDM信号为:
经过多径信道后,子信道之间的正交性受到破坏。假设,相对时延小于的传输径数为M1,而超过的为M2, 则第K个信道在第I时刻的解调输出为:
上式中第一项为有用信号,,第二项是信道间干扰,第三项是码间干扰,第四项是白噪声。如果保护间隔足够长,使相对多径时间差小于△,则解调后信号中不存在码间干扰和信道间干扰。(当T=64-192us,△=20祍时就可以基本消除地面广播中存在的多径干扰。)
但是上述输出的有用信号还受到一个乘性干扰影响,需要在每个子信道交替插入基准电平信号,求得信道逆响应,对接收信号进行幅度相位校正来消除多径效应。另外时间交织、频率交织、保护时间与编码结合帮助OFDM提高抗多径干扰的能力,并且可以有效的利用多径干扰信号的能量。
DVB-T 和 ISDB-T 中采用的 OFDM 调制系统具有很强的抗多径失真的能力,它能抵抗高达 0dB 的回波。在城区,当使用室内或机顶天线时,由于发射机的直线路由被阻挡,通常会产生很大的回波。保护间隔能够完全消除码间干扰,除非回波的延时超过了保护间隔的范围。不管怎样,带内衰落仍将影响所需的 C/N,特别是当 COFDM 载波上采用高阶调制时。为了抵抗 0dB 的强回波,DVB-T 和 ISDB-T 需要很强的内码纠错和良好的信道估计系统,以及更高的 C/N。当使用 R = 2/3 卷积码时,它需要大约多6dB的信号功率,以便处理 0dB 回波。无论如何,增加的 C/N 的一部分可以由回波信号功率得到补偿。这些需求的平衡将依赖于所选择的码率。使用消除技术的软判决解码能够显著地提高性能。
DVB-T 和 ISDB-T 系统的保护间隔能用于处理超前的或延迟的多径失真。这一点对于 SFN(单频网) 能够运行是重要的。ATSC 系统不能处理长的预回波,因为它是为 MFN(多频网) 环境设计的,在室外固定接收的情况下,它们通常不会产生长的预回波。因为一个区域内的所有的发射机都工作在同一个频率,以及由于增加了接收多发射机所发信号的概率而带来的某些网络增益,SFN 能够显著地节省频谱需求和传输功率。
四、频谱效率
OFDM 作为多载波调制方案,比单载波调制系统的频谱效率要稍高一些,因为它的频谱具有非常快速的初始滚降,甚至在没有输出频谱成型滤波器时。对于 6MHz 信道,DVB-T系统的有用的带宽(3dB)为 5.7MHz(或5.7/6=95%),ISDB-T 系统为 5.6MHz (或 13/14 = 93%),相比较,ATSC 系统的有用带宽为 5.38MHz(或 5.28/6 = 90%)。所以,OFDM 调制有至多 5% 的频谱效率优势。
不管如何,DVB-T 和 ISDB-T系统中用于抵消多径失真的保护间隔,以及为了快速信道估计而插入的带内导频,将减少数据容量。例如,DVB-T 提供了系统保护间隔的选择,为实际符号持续时间的 1/4、1/8、1/16、1/32,这等同于数据容量分别减少了 20%、11%、6% 和 3%。1/12 带内导频插入将导致码率损失 8%。总体上,对于不同的保护间隔,数据吞吐量将减少 28%、19%、14% 和11%。减去前面提到的OFDM 系统 5% 的带宽效率优势,DVB-T 系统相对于 ATSC 系统的总数据容量分别减少为 23%、14%、9%和 6%。这意味着对于 6MHz 系统,假定具有相同的信道编码和调制方案(64QAM,R=2/3),DVB-T 系统在上述保护间隔比例下将提供14.9、16.6、17.6 和 18.1Mbit/s 数据码率;ISDB-T 系统将提供 14.6、16.4、17.2 和 17.7Mbit/s 数据码率;相应的 ATSC系统码率为固定的 19.4Mbit/s。
实际上,DVB-T和ISDB-T系统能适应各种发射机,从而使覆盖范围变大和频谱效率提高。基于MFN(多频网) 环境,DVB-T 优点有:适合严重的多径环境;快速移动的多径环境;单频网 SFN;移动接收;和非指向性接收天线位置。而在 SFN 环境中,许多发射机可使用相同的频率(频道)覆盖一个巨大的范围,这将导致 DVB-T 和 ISDB-T 系统频谱和传输功率的全面节省。
五、数字电视地面传输标准的制定
传输方案将构成一个国家的数字电视地面广播传输标准的基本技术内容。作为一个电视生产和消费大国,作为一个正在融入全球经济一体化并面临全球性技术竞争的发展中国家,我国已认识到掌握和拥有关键技术、自主研制重要的数字电视系统标准能够为我国经济所带来的巨大发展空间和机遇。世界先进工业国家本着扩大世界市场和获取高额技术利润的目的,依仗他们的技术领先优势及产业基础,近几年来不遗余力地向我国推荐采用他们的标准。特别是以数字电视地面广播传输标准为推荐重点,意欲借此系统标准来推动全面采用其整个标准系列。对此,我们应对自主研究制定传输方案的必要性和可行性有充分和客观的认识。
地面系统由一个一个电视发射台和电视台组成,单台覆盖面小,要一个一个更新。而且我国相应的标准尚在研究之中,尚需一定时间才能确定。而美国、日本等国家在地面数字标准制订后的过渡期都在10年左右,我国还要更慢一些。地面数字电视通常先从大城市和发达地区开始,如中国最可能先从北京、上海和深圳等城市开始。我国广播影视"十五"计划发展规划指出,2003年完成数字电视地面广播传输标准制定,建立数字电视试验台。到2005年,省级以上广播电台、电视台基本实现采、编、播数字化,全国广播电视系统基本实现网络化。到2010年基本实现广播电视节目制作、播出、传输、发射和接收数字化,到2015年完成模拟向数字的过渡。
我国推动数字地面电视的驱动力与国外有很大的不同,美国家庭大都木屋结构,相对较为分散,地面电视主要以本地节目为主。我国地面传输已不象黑白、彩色电视刚发展时那样是唯一的途径。目前卫星和有线的传输方式已经非常成熟,城市主要以有线电视传输为主,边远地区和农村地区主要以卫星为主。大多数城市居民已不再使用室外天线接收电视节目,而是通过有线电视。用室内天线对高楼住户有一定困难,许多楼房或是屏蔽或是朝向不对。在已有有线电视的家庭再要求用户在收有线标清电视的同时再用室内天线收一套高清晰度电视是很不方便的。考虑到从有线传送高清与传送普通清晰度电视所需设备是完全相同的。因此在高清晰度电视的发展中,地面传输的重要性与黑白和彩色电视发展初期已完全不同。
究竟中国的地面数字电视如何推动,选用什么制式,播出什么类型的节目,应当有什么样的政策引导,都是需要解决的问题。中国有中国的国情,与美国不一样,与欧州也不一样。采用地面数字电视广播究竟有什么好处,美国为什么要推动数字地面广播?第一位的原因是节省频率资源。美国FCC在模拟到数字的转换结束时,可以完全收回VHF频段,并逐步对电视频率收费。第二个原因是能启动美国数字电视市场需求。英国推动DVB-T也有类似的理由。因此对中国数字电视的分析就要在两种不同的条件进行分析。一是不对电视台的频率收费和不作硬性限时转换的规定。因为中国是一个发展中国家,电视又是普通老百姓娱乐和获取信息的最重要的工具。二是要能促进中国的产业,其中最重要的是电视机产业、芯片产业和软件产业。这时地面数字电视广播的驱动就来自市场和政策。地面数字电视不仅要能做到固定接收,还要做到便携接收和移动接收。节目是另外一个重要因素,如果数字节目与模拟节目相同,观看质量上会比原模拟有线电视有一定提高,但提高不大。用户没有必要花几百美元买一个机顶盒来收看几乎相同质量的节目。有人设想,可能可以用一套比较好的节目来推广数字电视,但如果你已经有了一套比较好的节目,不用购买机顶盒的模拟方案也许会有更好的经济效益和更快的回报。而用数字方案节目制作的投入和机顶盒的投入也许完全抵消了好节目带来的经济效益,或者说很少有人会投资在这样一个看不清的市场上。也有人举出数字16:9的市场在欧洲得到了很好的响应,因为普通清晰度16 :9给观众带来的好处和所要花的演播室改进和接收机价格提高相比实在太微不足道了。我国现在已经有高清晰度16:9电视,马上就要进入市场。由此可见,中国地面数字电视发展的关键在高清晰度电视。地面数字广播可以在原普通模拟电视频道内播出一套完整的高清晰度电视节目,清晰度有大幅度的提高,声音质量有大幅度的提高,可以做到真正的家庭影院。原来担心的高清晰度电视机的价格也已降低很多,作为起步,已经有很好的市场前景。
我国在政府组织下,对数字高清晰度电视系统技术已开展了近十年的研发工作,先后研制成功两代数字高清晰度电视地面广播样机系统,并进行过实况信号转播实验。经过科研、广播和产业各界技术人员的共同努力,特别在数字电视地面传输技术方面逐步形成了具备自主专利技术的多种实现方案。如清华大学自主开发完成了“地面数字多媒体电视广播传输系统DMB-T” 采用OFDM多频调制技术在8MHz的带宽中传输最大净荷率达33Mb/s,在整个系统设计中没有采用任何国外现成的芯片,每一步都独立自主进行设计,实现了完全的自主知识产权,具有很大的市场潜力,目前该项技术己完成了计算机仿真和FPGA原型机验证阶段,进入了专利申报和实用化阶段。国家同时也在安排计划,拟对现有国内外的传输方案进行性能测试与比较。依据现有研究基础和推进速度,我国完全有可能在各级政府部门的全力支持下,在较短的时间内,经过测试、分析和改进,集众家所长,制订出具有自己特色和自主知识产权的中国数字电视地面广播传输标准。
我国现行电视广播频道带宽为8 MHz,与欧洲基本相同,但与美国、日本不同。我国地面广播频道频谱分配和规划情况复杂,而且受我国政治、文化、经济现状决定,其数字电视节目和其它业务形式与发达国家需求不完全一致。我国所研制的传输标准方案在技术上应努力达到以下技术要求:尽量满足数字电视地面广播需求条件,系统具备固定接收和移动接收两种主要工作模式,采用抗多径干扰技术使系统能够实现在强多径和动态环境中稳定接收,同时,提高频谱效率保证系统的传输数据容量。考虑到数字地面广播和有线电缆广播可能构成我国未来数字电视广播的主要市场,所研制的地面传输方案应使其接收机易于兼容数字有线电缆解调解码方案。即系统应兼容数字有线电缆方案。系统应努力克服上述国外系统的不足,形成自己的系统组成和数据结构系统应及早形成接收芯片的设计方案,并应以中国企业首先申请接收技术实现专利和研制成功符合标准方案。
六、结束语
通过上面探讨分析可得到这样的结论数字电视地面广播系统能够实现频谱的高效利用、足够大的数据传输容量、稳定的固定接收和移动接收能力。数字电视广播系统为了节约传输带宽,就要采用调制技术,信道编码,提高传输的可靠性,使每Hz频带能传送更多的bit(数据率) 。我们采用的标准应是一个能够在固定和移动接收环境中,稳定实现大数据容量传输的数字电视地面广播系统。在已有国外标准方案的基础上,我国目前正在研究制定自己的数字电视标准,在地面广播传输领域已积累了相当多的实际经验,具有较好的研究基础。只要继续在政府支持下,不懈努力,汲取现代技术精华,完全有可能形成技术先进、性能优越的传输标准方案。这对于我国数字电视产业乃至整个电子消费市场的健康发展将产生深远影响。
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