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邁向新播世代：下一代數位廣播技術 (5G Broadcast, ATSC 3.0) 的測試挑戰與驗證策略

邁向新播世代：下一代數位廣播技術 (5G Broadcast, ATSC 3.0) 的測試挑戰與驗證策略


廣播的文藝復興－從傳統電視到IP化、行動化的新紀元

數位廣播技術正站在一個激動人心的十字路口，傳統的單向內容傳輸模式逐漸被更具互動性、個人化且能無縫覆蓋行動裝置的新一代標準所取代；其中，以ATSC 3.0和5G Broadcast (基於LTE/5G的FeMBMS/5G媒體串流) 為代表的下一代數位廣播技術，正引領著這場變革；它們不僅承諾帶來更高品質的影音體驗（如4K UHD、沉浸式音訊），更重要的是，它們深度整合了IP數據傳輸能力，開啟了互動服務、目標式內容投放、增強型緊急警報以及數據廣播（Data Casting）等眾多創新應用的可能性，尤其強調對行動接收的優化支援。

這些新興技術的引入，為廣播產業帶來了前所未有的機遇，但也對整個生態系統——從內容製播、訊號傳輸到終端接收——提出了全新的技術要求；為了確保這些先進服務能夠成功部署、被市場廣泛接受並提供卓越的使用者體驗，一套全面、嚴謹且具前瞻性的測試策略變得至關重要。

本文將深入探討ATSC 3.0與5G Broadcast等下一代數位廣播技術所帶來的獨特測試挑戰，並剖析相應的驗證策略與關鍵測試技術，同時探討如Averna AST-1000訊號產生平台及Averna RP-6500實場記錄回放系統等先進測試解決方案，如何在其中扮演關鍵角色。

解構新播技術－ATSC 3.0與5G Broadcast的特性及其對測試的深遠影響

ATSC 3.0 技術特性與核心測試要點

ATSC 3.0，作為北美地區接替ATSC 1.0的下一代數位電視廣播標準，其設計核心在於IP化、彈性化與可擴展性：

  • 核心技術特性：
    • 全IP化傳輸：
      所有內容（影音、數據、應用程式）均以IP封包形式傳輸，易於與網際網路服務整合。
    • 高效的物理層：
      採用OFDM調變、LDPC前向糾錯編碼以及多種調變編碼組合（ModCod），提供從極度穩健到極高傳輸速率的彈性配置，支援固定及行動接收。
    • 先進影音編碼：
      支援4K超高畫質（UHD）、高動態範圍（HDR）、寬色域（WCG）以及沉浸式/個人化音訊（如Dolby AC-4, MPEG-H Audio）。
    • 增強型互動能力：
      透過HTML5應用程式環境，支援豐富的互動電視應用與目標式廣告。
    • 先進緊急警報（AEA）：
      提供更豐富、更具目標性的緊急資訊發布能力。
    • 數據廣播與軟體更新：
      可利用廣播通道傳輸各種數據服務或進行設備的韌體更新。
  • 測試要點與挑戰：
    • RF物理層測試：
      驗證訊號品質（如MER、SNR、BER）、不同ModCod下的接收閾值、同頻網路（SFN）同步、行動接收下的都卜勒效應與通道衰落影響。
    • IP層測試：
      驗證ROUTE/DASH或MMTP等傳輸協定的正確性、IP封包的完整性與時序、服務信令（Signaling）的解析。
    • 應用層與呈現層測試：
      驗證HTML5應用的執行、互動功能的響應、影音內容的正確解碼與同步呈現、字幕與輔助數據的準確性。
    • 接收機符合性與互通性：
      確保不同製造商的接收機能夠正確接收並呈現ATSC 3.0服務。
    • 緊急警報功能驗證：
      測試AEA訊息的觸發、接收、呈現與目標區域定位的準確性。

5G Broadcast (FeMBMS/LTE-based 5G Broadcast) 技術特性與核心測試要點

5G Broadcast重點在利用現有的蜂巢網路基礎設施（特別是基於3GPP Rel-14/16/17的FeMBMS/LTE-based 5G Broadcast或更廣義的5G媒體串流功能）向大量使用者廣播/群播影音及數據內容，其核心是行動優先與網路融合：

  • 核心技術特性：
    • 基於蜂巢網路架構：
      可利用現有的LTE/5G基地台進行訊號覆蓋，支援高功率高塔（HPHT）單頻網模式或蜂巢式多點傳輸。
    • 行動接收優化：
      專為智慧型手機等行動裝置設計，具備良好的移動接收性能。
    • 與單播服務的無縫整合/切換：
      可實現廣播服務與普通行動網路單播服務之間的平滑過渡。
    • 低延遲與高效率：
      適用於體育賽事直播、大型活動轉播、緊急訊息發布、車聯網資訊推播、軟體更新等應用。
    • 服務層的靈活性：
      可傳輸線性電視、非即時內容、檔案、IP數據等。
  • 測試要點與挑戰：
    • RF物理層測試：
      驗證基於OFDMA的LTE/5G廣播波形品質、SFN同步、不同 MCS（調變與編碼策略）下的覆蓋與接收效能、行動性管理（如服務連續性）。
    • 網路整合與協定符合性：
      測試與核心網（如BM-SC, MBMS-GW）的介面、eMBMS/5G MBS使用者面與控制面協定的正確性。
    • 服務層驗證：
      驗證服務宣告、內容加密與DRM、服務發現與取得、串流媒體協定（如DASH）的運作。
    • 終端裝置相容性與效能：
      確保手機等終端能正確接收、解碼5G Broadcast服務，並評估其功耗、接收穩定性等。
    • 與單播網路的互操作：
      測試在廣播覆蓋邊緣或服務切換時的用戶體驗。

下一代數位廣播帶來的共通測試挑戰

無論是ATSC 3.0還是5G Broadcast，都面臨一些共通的測試挑戰：

  • IP數據傳輸的複雜性：
    全IP化架構引入了網路層的測試需求，如IP抖動、封包遺失對服務品質的影響。
  • 增強的互動性與數據服務：
    對後端伺服器、網路連接以及終端應用程式的端到端測試要求更高。
  • 行動接收下的多變通道：
    需要更精確的無線通道模擬以及大量的實場路測來驗證行動接收的穩健性。
  • 生態系統的互通性：
    涉及內容提供商、廣播業者、網路營運商、設備製造商等多方，互通性測試尤為重要。
  • 更高的頻譜效率與更複雜的調變編碼：
    對測試儀器的訊號產生與分析能力要求更高。

建構新播世代的品質基石－有效的測試策略與先進解決方案

面對下一代數位廣播的複雜性，一套涵蓋實驗室到實場、從物理層到應用層的綜合測試策略至關重要。

下一代數位廣播的綜合測試策略框架

一個有效的測試策略應至少包含以下環節：

  • 實驗室環境下的符合性與功能性驗證：
    • RF物理層符合性測試：使用標準化的測試向量與訊號產生器，驗證發射機與接收機的RF指標是否符合規範。
    • 協定堆疊驗證：測試IP層、傳輸層、訊令協定等的正確性與互操作性。
    • 應用與服務功能測試：驗證互動應用、緊急警報、數據廣播等功能的實現。
    • 壓力與效能測試：在極限條件下（如高負載、弱訊號、強干擾）評估系統的穩定性與效能。
  • 實場環境的覆蓋與效能驗證：
    • 網路覆蓋分析：實際路測以評估訊號強度、品質與覆蓋範圍。
    • 行動接收效能評估：在不同速度和傳播環境下測試服務的連續性與品質。
    • 真實干擾環境下的表現：分析真實世界中存在的各種干擾對接收效能的影響。
  • 接收機符合性與效能測試：
    針對不同製造商的接收終端（電視、機上盒、手機、車載接收器等）進行標準符合性測試和使用者體驗評估。
  • 互通性測試 (IOT)：
    確保產業鏈中不同廠商的設備和系統能夠正確協同工作。
  • 端到端服務驗證：
    從內容獲取、編碼、封裝、傳輸、發射到最終接收與呈現的全鏈路測試，確保整體服務品質。

先進測試技術與平台的應用：SDR與記錄回放的角色

要有效執行上述測試策略，離不開先進測試技術與平台的支援，其中軟體定義無線電 (SDR) 和RF記錄與回放技術扮演了核心角色：

  • SDR在下一代廣播測試中的應用：
    SDR技術的靈活性和可重構性使其成為測試ATSC 3.0和5G Broadcast等新興標準的理想選擇。
    • 多標準訊號產生與分析：
      基於SDR的測試平台，如Averna AST-1000 多合一訊號源，能夠透過軟體更新或載入不同的波形產生模組，靈活支援包括ATSC 1.0/3.0在內的多種數位廣播標準訊號的產生；其SDR架構使其具備快速適應未來標準（如潛在的5G Broadcast波形）或特定區域標準的潛力。

基於SDR和PXIe模組化架構的先進RF訊號產生平台（如Averna AST-1000），透過其軟體介面可配置產生多種複雜的數位廣播標準訊號，用於接收機的研發與驗證。
    • 客製化波形與場景模擬：
      SDR平台允許研究人員和測試工程師產生非標準或特定的測試訊號，模擬邊緣案例或特定的傳播條件，進行更深入的接收機演算法驗證。
    • 支援IP化測試：
      許多SDR平台具備處理IP數據流的能力，能夠產生或分析包含IP數據的廣播訊號，這對於測試ATSC 3.0和5G Broadcast的IP層特性至關重要。
  • RF記錄與回放在廣播測試中的價值：
    真實世界的RF環境充滿複雜性和不可預測性，RF記錄與回放系統（如Averna RP-6500）為此提供了有力的補充：
    • 實場訊號捕捉與實驗室再現：
      可在實際部署區域（如城市、鄉村、移動路線）記錄真實的ATSC 3.0或潛在的5G Broadcast訊號以及伴隨的各種環境干擾，這些記錄的數據（I/Q數據）可在實驗室中高保真回放，用於重複驗證接收機在真實複雜環境下的性能，而無需反覆進行昂貴的實場測試。

Averna RP-6500這類寬頻RF記錄與回放系統，能夠捕捉真實的廣播訊號與干擾環境，用於實驗室分析與接收機壓力測試。
 


RF記錄與回放系統（如Averna RP-6500）的工作流程，展示了從實場訊號採集、數據儲存到實驗室高保真回放的過程，有助於下一代廣播技術的實場效能驗證。
    • 干擾分析與故障排除：
      記錄到的包含干擾的RF頻譜數據，有助於分析干擾源特性，並用於優化接收機的抗干擾演算法。
    • 覆蓋範圍與訊號品質的路測數據收集：
      作為路測工具的一部分，記錄沿途的訊號品質數據，用於繪製實際的網路覆蓋圖。 下表為不同RF測試系統（體現SDR技術在不同應用側重）的功能特性比較，其中可見訊號產生與記錄回放技術在廣播測試（包含於資訊娛樂或現場測試應用中）的不同定位。
       

此比較表突顯了不同設計取向的SDR測試系統，如Averna RP-6500專注於現場訊號記錄回放，而Averna AST-1000則側重於資訊娛樂系統（常包含廣播接收）等應用的多標準訊號模擬。
 
  • IP層與應用層分析工具：
    除了RF層，還需要專用的IP網路分析儀、串流媒體分析工具來驗證數據傳輸的正確性、服務品質（QoS/QoE）以及互動應用的功能。
  • 自動化測試的重要性：
    下一代廣播標準涉及的測試案例眾多且複雜，引入自動化測試平台和腳本，對於提高測試效率、縮短測試週期、確保測試一致性至關重要。

擁抱變革，以嚴謹測試策略迎接下一代廣播的美好未來

ATSC 3.0與5G Broadcast等下一代數位廣播技術的發展，預示著一個充滿機遇的全新廣播時代的到來；它們將極大豐富人們的媒體消費體驗，並催生眾多創新的數據服務與應用；然而，這些技術的成功部署與普及，高度依賴於全面而有效的測試策略。從實驗室的RF物理層符合性驗證、IP協定分析，到實場的網路覆蓋與行動接收效能評估，再到終端互通性與使用者體驗的端到端考量，每一個環節都需要精密的測試技術與工具來保障。

軟體定義無線電 (SDR) 技術以其無可比擬的靈活性與可擴展性，在下一代廣播測試中扮演了中流砥柱的角色；基於SDR的測試平台，如Averna AST-1000，能夠快速適應不斷演進的標準，產生多樣化的測試訊號；而RF記錄與回放技術，如Averna RP-6500所提供的，則將真實世界的複雜性帶入實驗室，使得測試更貼近實際應用場景。這些先進測試手段的結合，構成了應對下一代廣播技術測試挑戰的有力武器。

展望未來，隨著廣播技術與5G/6G行動通訊的進一步融合，以及AI技術在訊號處理與測試優化中的應用，廣播測試策略將持續演進，更加注重智慧化、自動化與端到端的服務品質保障。
面對這一技術變革的浪潮，選擇一個既懂廣播技術又精通測試系統整合的合作夥伴至關重要；奧創系統 作為Averna在台灣的正式合作夥伴，致力於提供針對下一代數位廣播等先進應用的測試解決方案與專業整合服務；奧創系統能夠基於如Averna AST-1000（用於廣播訊號模擬）和Averna RP-6500（用於實場訊號記錄分析）等領先的測試平台，結合自身在系統整合與軟體客製化方面的經驗，為廣播業者、設備製造商及研發機構提供從實驗室建置到實場驗證的全方位技術支援；透過與奧創系統 的合作，客戶可以更從容地應對下一代廣播技術帶來的測試挑戰，加速創新服務的推出，共同迎接新播世代的美好未來。

若您對下一代數位廣播測試技術、相關解決方案或客製化系統整合有進一步的探討需求，歡迎洽詢奧創系統的專業團隊。

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