地面数字多媒体电视广播传输协议

地面数字多媒体电视广播传输协议 扬知行，杨林，王兴军，门爱东(清华大学数字电视传输技术研发中心) 摘要：本论文介绍了地面数字多媒体电视广播(DMB-T) 传输协议的开发背景，提供了一个 DMB-T 协议的系统级描述以及构成，分析了 DMB-T 协议传输系统的主要特点和应用。 关键词：DMB-T，DTV TDS-OFDM 1 概述 在经历了机械电视时代、黑白电子电视和彩色电视时代以后，NHK 从 70 年代初期开始研究高清晰度 电视，后来有许多国家和国际标准组织也积极开展了这方面的研发。但直到 1990 年之前，它们还都是全 模拟的或者模拟数字混合的。在 1990 年 6 月 1 日，美国 GI 公司向美国高级电视顾问委员会(ACATS)提 交了全数字地面 HDTV 制式，电视从此进人了一个新时代：数字电视时代。电视向着高清晰度电视和数字 化方向前进、模拟电视在全世界范围内正在逐步消失，电视面临着它问世以来最根本的技术革命。 从那以后，经过十多年坚持不懈的研究和发 展，数字电视地面广播(Digital Television Terrestrial Broadcasting，DTTB)已经取 得了很多的成果，达到了可以实现阶段。从 1998 年 11 月北美和欧洲已经开播 DTTB 节目，许多国 家宣布了它们的 DTTB 制式选择和实现计划。目 前，世界上主要有 3 种 DTTB 传输标准： 美国高级电视系统委员会(Advanced Television Systems Committee，ATSC)研 发的格形编码的 8 电平残留边带(Trellis-Coded 8-Level Vestigial Side-Band，TCM 8-VSB)调 制。 1996 年 12 月 26 日 FCC 正式公布了 “数字电视标准“ATSC 。1998 年 11 月首先由 28 家电视台正式开始 地面数字电视广播，到 2000 年 1 月已经有 100 多家电视台开展数字电视业务。但美国 Sinclair 广播 集团对 ATSC 制式有异议。 ATSC 调制方案采用了具有导频信号的单载波调制，即 8 电平残留边带调制(8-VSB)，它是成熟的现 有 AM 调制技术的高度发展，其性能高度依赖于自适应均衡器。因此。为了抵抗多径回波和各种干扰，需 要非常复杂和昂贵的均衡器。 加拿大、韩国、阿根廷和我国的台湾在 1997 年和 1998 年先后宣布采用美国的 ATSC 标准。 欧洲数字视频地面广播(Digital Video Terrestrial Broadcasting- Terrestrial，DV B-T)标准采用的编码正交频分复用 (Coded Orthogonal Frequency Dl vision Multiplexing，COFDM)调制。 欧洲 ETSI 在 1994 年和 1996 年先后公布了 DVB-S(卫星广播 )、DVB-C(有线电视广播)和 DVB- T(地面广播 )的标准等，欧洲的数字电视有完整的标准系列。欧洲各国自 1996 年以来先后在卫星直播、 有线电视和地面广播等方面开展了 SDTV 业务，考虑到市场需求的原因，目前尚未开展 HDTV 业务。 在地面传输方面，它采用多载波 OFDM 调制(ADSL 中相似的技术称为 DMT)。DVB-T 使用了 1705(2k)或 6817(8k)个载波。而且它有更多的选项，以适应不同的应用需求，例如可变的载波调制类 型。和美国的 8-VSB 调制技术相比。COFDM 技术属于正在不断发展和提高的新技术。 除了欧洲国家以外，澳大利亚、新加坡、印度、巴西先后在 1998 年和 1999 年宣布采用欧洲的 DVB 标准。 日本地面综合业务数字广播(Integrated Service Digital Broadcasting- Terrestrial，ISDB-T)采用的频带分段传输正交频分复用(Band Width Segmented Transmission OFDM，BST-OFDM) 。 日本 1998 年 11 月公布了用于地面数字电视广播的 ISI)B，T 标准。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。 日本的 ISDB-T 是基于自己的国情。在欧洲 COFDM 基础上的一种改进，特别是针对多媒体广播和移 动接收的需求。 3 种标准的视频编码和码流复接基本均采用 MPEG2 标准，最大的差别是调制方式的不同，ATSC 采用 单载波方式，而其它两种采用多载波调制技术。因为 3 个标准推出的时间有先后，因此，采用的技术水平 越来越高，对地面广播需求的理解也越来越深。但它们毕竟是基于 90 年代中期或之前的状况。几年来， 技术在飞速发展，应用需求也在不断变化 在此背景下，我们对上述 3 个地面数字电视系统进行了深入研究，借鉴和吸收了美国 ATSC、欧洲 DVB、 日本 IS 皿和国内 HDTV 研究的经验和教训，结合几年来数字地面电视广播技术和通信技术的最新发展和 需求，提出了创新的“地面数字多媒体电视广播(Terrestrial Digital Multimedia-Television Broadcasting，DMB-T) 传输协议“。系统的核心采用了 mQAMQPSK 的时域同步正交频分复用(Time Domain Synchronous Orthogonal-Frequency-Division-Multiplex，TDS-OFDM)调制技术； 系统使用更加先进的前向纠错编码 FEC 来抵抗突发误码和各种干扰，例如 Turbo 码等；实现了分级调制 和编码，可以提供分级服务；同时可以实现快速同步，适于数据业务。 2 系统描述和参数 对于地面数字电视广播来讲，首先要求有足 够高的传输码率，以便在单个信道中提供高质量 HDTV 节目。其次要在现有分配的电视频道中传输 DTV 节目，实现和模拟电视节目的同播；更重要 的特性是要支持移动接收。其它的要求包括：抵 抗各种干扰/失真；易于其它媒介或服务器的接口； 支持多节目/业务；高度灵活的操作模式，通过选 择不同的调制方案，系统能够支持固定、便携、 步行、或移动接收；能够通过分级调制得到分级服务；具有交互性；高度灵活的频率规划和覆盖区域，能 够使用单频网和同频道覆盖扩展/缝隙填充；需要先进的信道编码(例如级联码、平行级联系统卷积网 格码、或网格编码)和信道估计方案，以便降低系统 CN 门限，以此降低发射功率。从而减少了对现有 模拟电视节目的干扰；对于便携终端，它优先要支持低功耗模式，等等。 数字电视系统信号结构通常由压缩层、传送层和传输层 3 大部分组成，其系统结构见图 1。传输层的 具体构成。是由传输信道(或者叫传输媒介)决定的。传输媒介有有线媒介(包括光纤、同轴和两者的混合 网)、无线媒介(包括卫星、微波、MMDS 等)、地面波传输的无线媒介。对于每种传输媒体，目前 DTTB 系统的压缩层和传送层基本上都是一样的，区别就在传输层上。 图 1 系统的信号构成 点击此处查看全部新闻图片 信道编码和信道解码属于传输层，根据不同的信道情况和不同的应用需求，数字电视系统采用了不 同的纠错编码和调制技术方案，其构成见图 2 所示。 地面数字电视广播 DTTB 中的纠错部分，基本上都采用了外码纠错(Reed-Solomen 码)、交织 I、 内码纠错(卷积码Turbo 码)、交织 II，而调制技术目前主要有两种方案-单载波调制和多载波调制。 属于单载波调制的有美国的 ATSC 8VSB 调制，而多载波调制的有欧洲的 DVB-T COFDM、日本 ISDB-T BST OFDM，本系统所采用的调制技术 IDS-OFDM 也属于多载波技术。 图 2 地面数字电视传输层 点击此处查看全部新闻图片 由于在技术方案选择和具体实现的参数上的不同，导致了不同系统之间性能的差异。 为了更好地满足上述地面数字电视广播的需求，DMB-T 传输协议设计了相应的系统参数，表 1 提供 了基于 TDS-OFDM 的系统参数，以及和其它 3 个世界标准的比较。虽然此次样机是为 8MHz 频道开发的， 但它很容易地缩放到 6 或 7MHz 频道。（ 3 信道帧结构 地面数字多媒体电视广播(DMB-T)协议基于 TDS-OFDM 技术，其物理信道帧结构如图 3 所示。帧结 构是分级的，1 个基本帧结构称为 1 个信号帧。帧群定义为 255 个信号帧，其第一帧定义为帧群头。帧 群中的信号帧有唯一的帧号，标号从 0254，信号帧号(FN) 被编码到当前信号帧的帧同步 PN 序列中。 超帧定义为一组帧群，帧结构的顶层称为超 帧群。超帧被编号，从 0 到最大帧群号。超帧号 (SFN)与超帧群号(SFGN)一起被编码到超帧的第 一个帧群头中。 超帧群号(SFGN)被定义为超帧群发送的日历日期， 超帧群以一个自然日为周期进行周期性重复，它 被编码为下行线路超帧群中一个超帧的第一个帧 群头中的前两个字节。在太平洋标准时间(PST) 或北京时间 0:0:0AM，物理信道帧结构被复位并开始一个新的超帧群。 因此，DMB-T 协议的物理信道是周期的，并且和绝对时间同步，这样可使接收机能在需要的时候才 开机，这意味着接收机可以设计成只有接收所需要的信息时，才进入接收状态，以达到省电的目的。 一个信号帧由两部分组成：帧同步和帧体。帧同步信号采用沃尔什编码的随机序列，以实现多基站识 别。帧同步包含前同步、PN 序列和后同步。对于一个信号帧群中的不同信号帧，有不同的帧同步信号。 所以，帧同步能作一个特殊信号帧的帧同步特征而用于识别。帧同步采用 BPSK 调制以得到稳定的同步。 帧体的基带信号是一个正交频分复用(OFDM)块。一个 OFDM 块可进一步分成保护间隔和一个 DFT 块， 如图 3 所示。DFT 块在其时域中有 3780 个取样，它们是频域中 3780 个子载波的逆离散傅氏变换。 图 3 下行传输协议的分级帧结构 表 1 本系统和世界上 3 种 DTTB 系统主要特性的比较 美国 ATSC 8VSB 欧洲 DVBT COFDM 日本 ISDBTBSTOFDM 清华 DMBT TDS OFDM 视频 ISOIEC 138182(MPEG-2视频部分)主类(Main Profile)语法 音频 ATSC 标准 A52(DolbyAC-3) ISOIEC 13818 2(MPEG-2-音频第二 层 layer II audio)和 Dolby AC-3 ISO/IEC 13818-7(MPEG- 2- AAC 音频) ISOIEC 13818-3 第 I、II 层和 Dolby AC- 3 源 编 码 传送码流 ISOIECl3818l(MPEG2TS)传送码流 TS 外码 R S(207，187，t1 0) RS(204，188，t8) RS(208，188)和 RS(208，200) 外码交织 52RS 块交织 12RS 块交织 309RS 块交织、51RS 块交织、 15RS 块交 织 内码 23 码率格形码 缩短的卷积码： 码率：12，2/3，34，56，78 约束 长度7，多项式(八进制)17l，133 12，23 卷积码、 网格码、Turbo 码 内码交织 12:1 格形码交织 卷积交织和频率交 织 卷积交织，频率交织， 和选择的时间交织 时间交织和频率交织 信 道 编 码 数据随机化 16-bit PRBS 16-bit PRBS 16-bit PRBS 16-bit PRBS 调制方案 8VSB 和 16VSB COFDM 具有 13 个频率分段的 BST-OFDM TDS-OFDM 均匀星座图 8VSB，16VSB QPSK，16QAM 和 64QAM QPSK，QPSK，16QAM 和 64QAM QPSK、16QAM 和 64QAM 分级调制 多分别率星座图 分级调制：在 13 个分段 多分别率星座图 (16QAM 和 54QAM) 上有 3 种不同的调制 (64QAM 和 256QAM) 载波数目 2k，8k 2k，4k，8k 3780 保护间隔 OFDM 符号 132，116，1 814 OFDM 符号 132，116，181 4 OFDM 符号 0，16，19，11 2，1/20，130(16 80us) 有 6 种可选的保护间隔大小，即 DFT 块大小的 0、16、1/9 、1/12 、1/20、1/30。保护间隔的 信号相同于 DFT 块时域信号的最后一段。 4 技术特点 和传统广播技术不同，DMB-T 协议结合了传统的广播技术和现代通信技术，是一种新型信息广播技 术。它不仅适用于传统的电视节目(视频码流)广播，也适用于提供其它多媒体的信息传输服务。此协议 具有以下特性： 与现有电视广播的传输频率兼容 这是地面数字电视广播的一个基本需求。 DMB-T 传输协议考虑了我国模拟电视接收机 的持有量，根据我国现行的电视广播频率规范所 设计的，因此完全兼容现行的电视广播及接收系 统。 高数据码率 DMB-T 传输协议在 8MHz 电视频道中，最大净荷码率高达每秒 33Mbits，能够充分满足 HDTV 广播 要求。同时也使 DMB-T 传输协议既能用于 DTV 广播，也可用于数据通信。 支持蜂窝单频网 和欧洲 DTV 标准相似，DMB-T 传输协议支持单频网，它意味着邻近的电视台可以使用相同的频率广 播相同的内容。与现有的单载波多频网广播系统相比，单频网有利于频率规划，增加频谱利用率，可使国 家有限的频率资源得到充分地利用。 我们进一步在广播协议中引进通信技术，使 DMB-T 传输协议支持蜂窝单频网络。 卓越的移动接收能力 和有线相比，地面数字电视广播的移动接收是一个最重要和突出的特性之一。同时，移动接收也是 用无线“最后一公里”接入方案的特性之一，特别是对于便携设备和手持终端，它是非常重要的。 DMB-T 传输协议采用基于 OFDM 的调制方案 TDS-OFDM，这将使得人们在乘坐汽车和火车时能得到 可靠的、即时的多媒体信息服务。 快速同步 这是 DMB-T 传输协议区别于其它所有数字电视传输协议的重要特性之一。电视节目是连续的视频数 据码流，对于单纯的视频广播协议来讲，同步时间不是一个至关重要的问题，但是，数据通信需要非常快 速的同步时间，以更处理突发数据和短消息。考虑了数据通信的这种要求，我们开发了时域同步方案，以 便获得非常快速的同步时间。DMB-T 传输协议的同步时间约为 5ms，而其它数字电视标准在 l00ms 以上。 对于手持设备，一个重要的要求是省电。DAG-T 传输协议和绝对时间保持同步，在需要的时候才开 机，达到省电的目的。 在各种条件和环境下接收能力强 DMB-T 传输协议采用了最先进的误码纠错技术和信号调制技术，使接收机能够在各种各样的条件和 环境中可靠地接收信号。与其它 D1V 标准相比，抵抗室内电器产生的脉冲干扰和汽车移动过程中的动态 干扰的性能尤为显著。 低建网成本和运营成本 不同于传统无线通信网络，大区域的蜂窝网建成后才能支持服务，支持漫游更需要跨区域的网络建设。 DMB-T 传输协议基于现有的电视广播体系结构，一旦电视台从模拟传输转到数字传输，业务提供者就可 开始数据广播业务运营。当随着用户和传输内容的增加而容量成为问题时，可以通过逐渐的建设蜂窝网提 高网络容量。 DMB-T 传输协议应用模式是一种广播和点对点服务的混合模式。公共信息以非常低的成本传送给各 个消费者。这使得 DMB-T 传输协议解决方案的运行成本较低。 因为 DMB-T 传输协议基于现有的电视广播体系结构，因此，它能够很快速地开展起来。 这对于新技术市场启动是非常重要的。 和其它 DTV 标准的比较 目前，国际电联(1TU)已经批准了 3 种地面数字电视传输标准。它们是美国的 ATSC 标准、欧洲的 DVB-T 标准和日本的 ISDB-T 标准。ATSC 标准基于 8-VSB 技术，而 DVB-T 和 ISDB-T 基于 COFDM 调 制技术。表 2 是 DMB-T 传输协议和这些标准的比较。 表 2 DMB-T 传输协议和其它 DTV 标准的比较 DMBT ATSC DVBTISDBT 移动接收 最好 坏 好 室内接收 好 坏 好 支持突发数据 是 否 否 支持蜂窝网 是 否 否 支持省电功能 是 否 否 支持双速率传输 是 否 是 此表说明 DMB-T 传输协议技术有更好的优越性，特别是对于数据通信。支持“移动接收“使它成为理 想的无线解决方案；支持“突发数据“使它能够处理短数据或消息；“省电“设计是手持设备的需要；而支 持“蜂窝网“ 使它能够扩展，满足未来更大的容量需求。 5 发展历程 伴随着中国数字电视的发展，清华大学地面数字多媒体电视传输 DMB-T 系统也经历了不断发展、完 善和提高的过程。 1998 年 10 月，在北京召开的第 3 届国际专 用集成电路学术会议上(ASICON98)杨林博士发 表有关设计开发数字电视集成电路的论文，受到 国内有关方面关注。 1999 年 10 月，将数字电视传输方案的各种 版本修改稿和广电总局全国数字电视标准委员会 的信道组、国家高清晰数字电视总体组的专家进 行讨论，并向有关专家征求对该方案的意见。 1999 年 12 月，在清华大学完成数字电视传输系统计算机仿真系统，并向广电总局数字电视标准委 员会、国家高清晰度数字电视总体组及其他专家、学者汇报演示。 2000 年 1 月 19 日，由广电总局数字电视标准委员会和清华大学共同主办数字电视传输系统研讨会。 2000 年 6 月，完成清华大学 DMB-T 数字电视传输中频硬件系统测试平台调试(由 25 片 40 万门 片)FPGA 实现的样机)。