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地面数字电视国家标准DTMB技术解读
作者:清华大学 杨知行
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国标DTMB技术方案及性能指标

国标DTMB提供的地面数字多媒体业务包括HDTV、音频、视频、数据广播和交互多媒体等,重要特性包括:

★ 高信息容量:为HDTV节目提供大于24Mb/s的单信道码率。
★ 高度灵活的操作模式:通过选择不同的调制方式和地址信息,系统能够支持固定、便携、步行或高速移动接收。
★ 高度灵活的频率规划和覆盖区域:使用单频网和同频道覆盖扩展器/缝隙填充器的概念,通过选择不同保护间隔的工作模式可构建16公里和36公里覆盖范围的单频网。
★ 支持不同的应用: HDTV、SDTV、数据广播、互联网、消息传送等。
★ 支持多个传送/网路协议,例如 MPEG2 和 IP 协议集。易于与其他的广播和通信系统连接。
★ 在OFDM 调制系统(TDS-OFDM)中实现了先进的信道编码和时域信道估计/同步方案,降低了系统 C/N 门限,以便降低发射功率,从而减少对现有模拟电视节目的干扰。
★ 支持便携终端低功耗模式。
★ 支持多种工作模式(已经实施的部分工作模式,详见表1)。

传输速率可选范围5.414~32.486 Mbps;调制方式可选QPSK、16QAM、64QAM;保护间隔可选55.6ms、125ms;内码码率可选0.4、0.6、0.8。

国标DTMB方案构成如图1所示。电视节目或数据、文本、图片、语音等多媒体信息经过源编码、信道编码后,通过一个或一个以上的发射机发射出去,覆盖一定区域。

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图1 国标DTMB方案构成

根据地面数字多媒体电视广播的服务需求、传输条件和信道特征, 国标DTMB传输系统采用了创新的时域同步正交频分复用(TDS-OFDM)单多载波调制方式。这种调制方式,主要针对地面数字多媒体电视广播传输信道线性时变的宽带传输信道特性(频域选择性与时域选择性同时存在的传输信道)所设计。由于TDS-OFDM适用于具有多径干扰和多普勒频移的传输信道,因此其同样适用于地面数字多媒体电视广播以外的其他宽带传输系统。

1. 创新的TDS-OFDM 调制

国标DTMB系统采用了 TDS-OFDM,其特点是同步头采用了伪随机序列,在每个 OFDM 保护间隔周期性地插入时域正交编码的帧同步序列, TDS-OFDM调制按下列步骤进行:a.输入的MPEG-TS码流经过信道编码处理后通过星座映射形成3780点的星座;b. 采用IDFT将该3780点星座变换成长度为3780的离散样值(单载波模式不需要这一步骤)帧体(500μs);c. 在OFDM的保护间隔插入长度为420(或595,945)的PN序列作为帧头;d. 将帧头和帧体组合成时间长度为555.56μs(或578.7μs,625μs)的信号帧;e. 采用具有线性相位延迟特性的FIR低通滤波器对信号进行频域整形;f. 将基带信号进行上变频调制到RF载波上。

2. 原创的数字电视广播帧结构

为了实现快速稳定的同步,国标DTMB采用了分级帧结构, 如图2所示,它具有周期性,并且可以和绝对时间同步。帧结构的基本单元称为信号帧,225个信号帧定义为一个帧群,480个帧群定义为一个超帧。帧结构的顶层称为日帧,由超帧组成。

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图2 国标DTMB的分级帧结构

信号帧的帧体采用多载波调制方式或单载波调制方式,帧体的子载波数为3780或者为1。子载波数为3780时,相邻子载波的间隔为2 kHz,每个子载波符号采用MQAM调制。

信号帧的帧体除了正常的数据流外还包含传输参数信令(TPS),用以传送系统配置信息。它由36 比特组成,并用QPSK映射为18个子载波或者星座。

国标DTMB的超帧由一个控制帧和相邻的224个信号帧构成,每个超帧的持续时间为125 ms,超帧中的第一个信号帧被定义为超帧头(控制帧),用于传输控制该超帧的信令。超帧中的每一个信号帧有惟一的帧号,它被编码在帧头的PN序列中。每个超帧由一个9bit的超帧号标识。超帧号被编码在信号帧的传输参数信令(TPS)中。TPS在超帧的每个信号帧中重复,只在新的超帧开始时才能改变。

国标传输系统的分帧包含480个超帧,分帧中的每个超帧由其超帧号惟一识别。分帧的第一个超帧编号为0最后一个超帧编号为479,每个分帧的持续时间为60s。

国标DTMB的日帧由1440个分帧组成,以一个自然日为周期进行周期性重复。在北京时间0∶0∶0AM,系统的帧结构被复位并开始一个新的日帧。

3. 原创的广播同步传输技术

PN序列除了作为OFDM块的保护间隔以外,在接收端还可以被用做信号帧的帧同步、载波恢复与自动频率跟踪、符号时钟恢复、信道估计等用途。由于 PN 序列帧头与 数据帧体正交时分复用,且 PN 序列对于接收端来说是已知序列,因此,PN 序列和帧头与数据帧体在接收端是可以被分开的。接收端的信号帧去掉 PN 序列后可以看作是具有零填充保护间隔的OFDM。

如,信号 s(t) 经过地面传输信道后,接收端收到的基带信号 r(t) 包括两部分:PN 序列 rPN(t) 和帧体 rIDFT(t)。

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式中佳工机电网表示卷积,h(t) 是传输信道的单位脉冲响应,包括收发端成形滤波器、地面传输信道, n(t) 表示高斯噪声分量。

经过信道估计后,得到多径干扰后的PN 信号,从接收到的信号 r(t) 中减掉 PN 信号后,就可得到零填充保护间隔的 OFDM 符号,同时得到信道的单位脉冲响应 h(t)。

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理论和实践已经证明,具有零填充保护间隔的OFDM与具有循环前缀保护间隔的OFDM(例如DVB-T的COFDM)在理论上是等价的,如图3所示。

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图3 填充PN序列的保护音隔功能恢复原理

DTMB的技术特点

国标DTMB以时域正交频分复用(TDS-OFDM)调制技术为核心,形成了自有知识产权体系,具有自己鲜明的技术特点。

1. OFDM 调制时域同步技术

在OFDM系统中同步设置是最重要的环节之一,也是OFDM系统最重要的创新焦点。

在欧洲 DVB-T的C-OFDM中,系统同步是通过在频域OFDM符号中插入导频而实现的,即采用频域同步技术。与采用C-OFDM的DVB-T系统不同,国标DTMB采用了称为PN序列填充时域同步正交频分复用(TDS-OFDM)的技术,将PN序列填充传统OFDM的保护间隔作为帧头,由于此帧头信号已知,可以在接收端被去除,因此在对抗ISI的意义上等同为零填充的保护间隔。同时,PN序列作为同步序列,又被用于实现同步。而且,在接收端可用该PN序列通过相关计算估算出无线信道的时域冲击响应时间。

2. OFDM 调制保护间隔的新定义

在 OFDM系统中,OFDM信号结构是块结构,每个信号块称为OFDM符号,它在时域中由两部分组成:一个是数据部分,另一个是保护间隔。OFDM信号块数据部分是在频率域定义的,为了抗多径干扰必须有保护间隔,保护间隔长度一般大于传输多径信号的传播延时。

根据OFDM符号的保护间隔中的填充信号,传统的OFDM符号有两种独立定义:第一种是零值填充的(Zero-padding)的保护间隔(简称Z-OFDM),由于接收端处理算法较为复杂,这种模式一直没有得到广泛应用,由于拥有较多优点,最近其又成为研究的对象。第二种则是被广为应用的循环前缀填充(Cyclic-Prefix)保护间隔(简称C-OFDM)。

DTMB创新定义了以PN序列(PN-Padding)为保护间隔的OFDM信号(简称TDS-OFDM)。在 TDS-OFDM 系统中,保护间隔中填充的 PN 序列有以下重要作用:

a. 作为OFDM 调制的保护间隔。PN序列在接收端是已知的,进而可被去除,因而理论上等同为零填充(Zero-padding)的保护间隔。

b. 用于系统同步。PN序列作为同步序列,被用于实现系统帧同步、频率同步、时间同步等。

c. 用于信道估计和跟踪相位噪声。在接收端可用该PN序列通过相关计算获得对于无线信道的时域冲击响应的估计,以及抑制相位噪声。

3. 与绝对时间同步的分层帧结构

国标DTMB采用了不同于已有数字电视技术标准的、独具特色的分层复帧结构。这种与绝对时间同步的分层帧结构,可以在物理层为单频网提供与TS流对应的秒同步时钟,便于单频组网;可以与按日历日为周期的广播节目表相配合,便于进行定时接收;也有利于未来系统的功能扩展,如双向交互和定位功能等;其还有利于手持便携接收机的省电控制,这是一个重要的特性,是为适应未来数字电视广播系统应用需求而在物理层做出的安排,将有利于使未来系统更加安全可靠。

4. 传输效率或频谱效率高

在欧洲DVB-T中,用于同步和信道估计的导频载波数量占总载波的10%。

国标DTMB的PN序列放在OFDM保护间隔中,既作为帧同步、又作为OFDM的保护间隔。

欧洲DVB-T C-OFDM用10%的子载波传送用于同步和信道估计等的导频信号,同时存在循环前缀的保护间隔,而TDS-OFDM将时间保护间隔同时用于传输信道估计信号,因此DVB-T系统的传输效率只能达到国标DTMB系统的90%。

传输效率在多载波技术和单载波技术进行比较时,被认为是多载波技术的弱点,国标DTMB的核心技术正是针对解决这个问题而开发的。

5. 抗多径干扰能力强

多载波系统和单载波系统相比,OFDM系统具有抗多径干扰的能力,抵抗多径干扰的大小等于其保护间隔的长度。由于国标的时间保护间隔中插入的是已知的(系统同步后)PN序列,在给定信道特性的情况下,PN序列在接收端的信号可以直接算出,并去除。去掉PN序列后的OFDM信号与时间保护间隔为零值填充的OFDM信号等价,而时间保护间隔为零值填充的OFDM与时间保护间隔为周期延拓的OFDM在同样信道下的性能是等价的。而且,在多径延迟超过时间保护间隔的情况下,国标DTMB仍能工作。TDS-OFDM可以把几个OFDM帧的PN序列联合处理,使抵抗多径干扰的延时长度不受保护间隔长度的限制,而传统的OFDM保护间隔长度设计要求必须大于多径干扰的延时长度。

6. 信道估计性能良好

在AWGN信道下,TDS-OFDM的信道估计性能优于C-OFDM。这是由于TDS-OFDM用于信道估计的PN序列具有20dB左右的扩频增益,同时又没有C-OFDM做信道估计时特有的插值误差。尽管国标DTMB的样机功能还有待改善,但其AWGN信道的测试结果仍优于基于C-OFDM的国内外系统。(见表2)

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对于多径信道,TDS-OFDM的PN序列与多径信道造成的干扰信号是统计正交的。虽然TDS-OFDM信道估计的性能无法在原理上与C-OFDM直接比较,但是它与其他传输系统中采用PN序列进行信道估计的性能相当。(见表3)

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7. 适于移动接收

移动接收产生了多普勒效应和遮挡干扰,使传输信道具有随时间变化的特性(时变特性)。而需要强调的是任何OFDM系统的信号处理都是基于信道传输特性准时不变的假设(应用FFT的基本条件),即在一个OFDM符号的时间内,假设信道是不变的,信道的变化被认为是在OFDM符号间发生的。

TDS-OFDM的信道估计仅取决于OFDM的当前符号,而C-OFDM的信道估计需要4个连续的OFDM符号。因此,C-OFDM在移动情况下,要考虑4个OFDM符号的信道变化影响,而TDS-OFDM只需考虑1个OFDM符号的信道变化影响。可以看出,国标DTMB系统更适于移动接收,其移动特性优于欧洲 DVB-T 系统。测试结果证明,国标DTMB系统的高清电视移动接收性能居国际领先水平。

8. 系统同步快

TDS-OFDM是靠PN序列进行同步的,仅在时域进行,同步时间约为1毫秒,相当于相邻PN序列的时间间隔。这一优点已在广电测试中得到验证。而C-OFDM的同步技术实现复杂,同步时间为几十毫秒左右。

9. 易于构筑单频网

DVB-T在MPEG码流层进行单频网同步,其实现技术比较复杂。国标DTMB的帧结构以整秒为单位,能够在传输物理层对单频网进行同步,实现设备简单,建网成本低。

小结

2006年5月~2006年7月,国家数字电视系统测试实验室对以TDS-OFDM技术为基础的国标DTMB样机进行了测试,测试结果表明,主要系统性能指标超越欧洲DVB-T系统。

杨知行(清华大学数字电视传输技术研发中心主任、教授)(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (1/31/2007)
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