地面数字电视新的技术发展.pdf

数字电视新技术 清华大学数字电视技术研究中心 潘长勇 教授 pcy 2 1991年 全球第一份地面数字电视建议草案 2012年8月 ITU第二代地面数字电视系统DVB-T2的建议书ITU-R BT.1877-1 1972年7月5-18日，CCIR(ITU-R的 前身)在日内瓦召开的数字电视广播 及HDTV研究会议 2011年 中国地面数字电视标准DTMB被确定为全球第4大地面数 字电视标准 2012年5月 ITU正式推出超高清电视UHDTV相关标准 1993年 HDTV基本参数标准CCIR BT.709 2000年 全球3大地面数字电视标准(ATSC、DVB、ISDB) 通过ITUR BT.1306建议书确定 数字电视发展历程 ITU第6研究组 名誉主席 M.Krivocheev教授： 1972-2012 年 全 球 数字电视广播的重大 里程碑事件 3 A系统：美国ATSC标准 VSB制式 全时域处理技术 6、7、8MHz带宽可选 B系统：欧洲DVB-T标准 C-OFDM制式 全频域处理技术 6、7、8MHz带宽可选 C系统：日本ISDB-T标准 C-OFDM制式 全频域处理技术 6、7、8MHz带宽可选 D系统：中国DTMB标准 TDS-OFDM制式 时、频域联合处理技术 6、7、(增补)8MHz带宽可选 第一代数字电视国际标准四个系统 要求适当的系统 给定 要求适当的系统 给定C/N 门限的情况下高 斯频道的最高数据速率 门限的情况下高 斯频道的最高数据速率 要求要求A或或D 不要求 A、B、C或D 最高的抗多径干扰性能最高的抗多径干扰性能(1)要求要求B、C或或D 不要求 A、B、C或D 单频网络单频网络 (SFN)要求要求B、C或或D 不要求 A、B、C或D 移动接收移动接收(1), (2)要求要求B、C或或D 不要求 A、B、C或D 同时传输不同的质量水平 （分级传输） 同时传输不同的质量水平 （分级传输） 极为重要极为重要C或或 (E-DTMB) 要求 B或C 不要求 A、B或C或D 子数据块独立解码（如， 为了便于进行声音广播） 子数据块独立解码（如， 为了便于进行声音广播） 要求要求C或或 (E-DTMB) 不要求 A、B、C或D 在高斯环境中给定功率的 情况下最大覆盖 在高斯环境中给定功率的 情况下最大覆盖(3) 要求要求A或或D 不要求 A、B、C或D 最高的抗脉冲干扰性能最高的抗脉冲干扰性能要求要求A或或D 不要求 A、B、C或D ITU标准 2013-12-23 5 美国ATSC演进标准：ATSC-M/H S4-130r12 31 December 2008H.264 编码 视频子系统 视频 音频子系统 音频 服 务 复 用 控制数据 辅助数据 MPEG 2 传送 视频子系统 视频 音频子系统 音频 服 务 复 用 和 IP 封 装 控制数据 辅助数据 IP 传送 传统ATSC系统 ATSC移动/手持系统 TPC/FIC M/H结构数据 M/H 帧 信道编码 RF 传输系统 调制 数字电视移动/手持电视 RTP HE-AAC v2编码 H.264 编码 HE-AAC v2编码 ATSC2.0 ATSC-M ATSC3.0 大容量 多业务 多分辨率 交互式 应急广播 11个提案 ATSC的其他进展 146项需求 13个应用场景 频谱的灵活使用 鲁棒性 移动 超高清 混合服务 3D内容（视频） 增强的拟真音频 可及性 先进的紧急警报 个性化/互动性 广告/货币化 共同的世界标准 ATSC3.0系统需求 9.27日 征求到11个方案proposals 10.15-17th方案介绍presentations 采用Email和电话的工作方式 工作状态 主要功能架构 FramerScramblerFECBit IntlMapperTime Intl Scheduler Freq Intl OFDM Frame r SFN / cell muxing IFFTGIPreambl e/ Spectru m Shaping / layering D/APilot / TR PAPR FormattingBICMFreq IntlPreamble Data Control Info Unicast IP Data 下行 上行 下行 上行 OFDM Gen FramerDFTBICMScrambler Framer User Data Control Scrambler FramerAccess Ch Gen MIMO Multilayer? Waveform 1.Modulation (OFDM, SCMT) 2.Waveform parameters (FFT size, GI, sampling frequency, spectral shaping etc.) 3.Pilots Preamble Signaling structure Frame NewBased on DVB-T modulation: based on DVB-T 多业务物理层管道 (PLPs) Bit- Input processing interleaved coding and modulation Bit- Input pre- processing Input processing interleaved coding and modulation Frame builder OFDM generation Bit- interleaved coding and modulation Input processing 9 纠错编码LDPC LDPC+BCH 与与DVB-S2兼容兼容 BaseBand Frame Header DataLDPC check bits BCH FEC bits FEC frame = 64800 bits LDPC码长码长 64800 bits 码率码率: 1/2, 3/5, 2/3, 3/4, 4/5, 5/6 短码短码 16200 bits ，低码率业务，低码率业务 相比相比DVB-T 纠错增益纠错增益 30% 10 星座图 T2 仍然采用QAM， 256-QAM 8 bits 6 bits / 64 QAM 更高的容量 T2 保留了QPSK-64QAM星座图 保护间隔和FFT T2 仍然使用传统的COFDM GIDataGIDataGIData Symbol 子载波数量迅速增加 1K, 2K, 4K, 8K, 16K, 32K 16K and 32K: 有利于大的单频网 1K 便于灵活使用带宽和频率 增加子载波数量等效于增大符号间隔 GI GI 保护间隔和FFT 增大符号周期的好处 减少保护间隔的消耗 提高单频网效率 8K symbol25% overhead 32K symbol6% overhead T2 提供了更加多的保护间隔选项 GIs in T2: 1/128, 1/32, 1/16, 19/256, 1/8, 19/128, 1/4 GI 1/8 + 32K 最大的SFN保护范围 约450us (135Km) 扩展子载波 通过扩展子载波，可以提高可以频率带宽 相比正常的频谱模板可以提高2% 14 DVB-T2 带宽选项 DVB-T2 比DVB-T多3个带宽选项 DVB-T 6 MHz 7 MHz 8 MHz DVB-T2 1.7 MHz 5 MHz 6 MHz 7 MHz 8 MHz 10 MHz (10 MHz 用于专业用途) u2 u1 16 旋转星座图 对星座图进行旋转 可以有效对抗删除信道 I/Q 不独立 正常情况下会恶化 Rotated 16-QAM constellation, showing bit 0 mapping. Blue points represent a 0 and red points represent a 1 20 导频模式 DVB-T2定义了新的导频模式，与FFT和GI有关 FFT size Pilot patterns available for each guard interval (SISO) 1/128 1/32 1/16 19/256 1/8 19/128 1/4 32K 16K 8K 4K, 2K 1K PP7 PP7 PP7 NA NA PP4 PP6 PP7 PP4 PP6 PP7 PP4 PP7 PP4 NA PP2 PP8 PP4 PP2 PP8 PP4 PP5 PP8 PP4 PP5 PP4 PP5 PP4 PP5 PP2 PP8 PP4 PP2 PP8 PP4 PP5 PP8 PP4 PP5 NA NA PP2 PP8 PP2 PP3 PP8 PP2 PP3 PP8 PP2 PP3 PP2 PP3 PP2 PP8 PP2 PP3 PP8 PP2 PP3 PP8 NA NA NA PP1 PP8 PP1 PP8 PP1 PP1 Research & Development BBC MMXII 38 DVB-T2-Lite / NGH DVB-T2 的V1.3.1 提出 DVB-T2-Lite DVB-T2的简化模式 低成本，低功耗 面向移动和手持终端 增加了两种更强的FEC (1/3, 2/5) DVB-NGH 下一代手持终端标准 2012.11 支持MIMO，可变分辨率编码，卫星地面混合传输 我国相关的进展我国相关的进展 应用情况应用情况 27 27 两国政府间签署协议：古巴、老挝、柬 埔寨、巴基斯坦 ，覆盖人口超过 古巴、老挝、柬 埔寨、巴基斯坦 ，覆盖人口超过2亿。亿。 应用方政府与中国企业签署协议：吉尔 吉斯坦、斯里兰卡、埃塞俄比亚、津 巴布韦、吉布提，覆盖人口 吉尔 吉斯坦、斯里兰卡、埃塞俄比亚、津 巴布韦、吉布提，覆盖人口1.6亿。亿。 已完成考察交流，双方协议正在评审中： 塔吉克斯坦、布隆迪、乌干达、马拉 维、马达加斯加、利比里亚、贝宁、 苏丹、乍得、喀麦隆、莫桑比克、坦 桑尼亚、多哥、刚果金、尼日尔、尼 泊尔、缅甸、泰国等 塔吉克斯坦、布隆迪、乌干达、马拉 维、马达加斯加、利比里亚、贝宁、 苏丹、乍得、喀麦隆、莫桑比克、坦 桑尼亚、多哥、刚果金、尼日尔、尼 泊尔、缅甸、泰国等18国，覆盖人 口超过 国，覆盖人 口超过3亿。亿。 巴基斯坦已签署政府协议。巴基斯坦已签署政府协议。 2013年年3月哈瓦那市已经开播。月哈瓦那市已经开播。 老挝已覆盖老挝已覆盖3省一市。 公告宣布采用 省一市。 公告宣布采用DTMB标准。标准。 津巴布韦已签署商业津巴布韦已签署商业MOU。 吉尔吉斯坦已吉尔吉斯坦已DTMB商用。商用。 建立建立DTMB商用试验网。商用试验网。 塞拉利昂已启动商业运营。塞拉利昂已启动商业运营。 吉布提已签署吉布提已签署MOU。 截止到今年上半年，香港、澳门以外，亚、非、拉地区已有截止到今年上半年，香港、澳门以外，亚、非、拉地区已有9 个国家签署了采用个国家签署了采用DTMB标准的备忘录，覆盖标准的备忘录，覆盖3.6亿人口，可预 期 亿人口，可预 期6千万终端用户，潜在数千亿元国际市场。千万终端用户，潜在数千亿元国际市场。 28 28 C-OFDM：全频域信号处理.同步和数据互为依赖 信道估计需较复杂的迭代算法，且频谱效率受损 系统同步在数据块中提取：信号截获速度慢 TDS-OFDM：时、频域信号综合处理：同步信号独立 信道估计采用较简单的相关算法，参数更新快，移动性能好 系统同步独立提取：信号截获速度快，同步稳健 复制复制 循环前缀循环前缀 DFT 数据数据 循环前缀循环前缀 DFT 数据数据 复制复制 DFT 数据保护间隔 TDS-OFDM 符号 PN序列PN序列 DFT 数据数据DFT 数据DFT 数据 PN序列PN序列 DVB-T时频分布 TDS-OFDM 时频分布 TDS-OFDM VS COFDMTDS-OFDM VS COFDM DVB-T2时频分布(选项) 新业 务预 编码 新业务 数据格 式匹配 电视业务数据包 新业务 数据包 复 接 控制 模块 DTMB 调制器 DTMB 发射机 DTMB 接收机 DTMB 收芯片 截取 有效 数据 新业 务解 映射 新业 务预 解码 香港是应用DTMB标准最好的城市 6主+23辅发射站的单频网人口覆盖率不少於99% 用户数已超160万，渗透率达70%以上 200多款DTMB终端产品在市场销售 Enhanced DTMB (E-DTMB)系统 在现有DTMB接收机正常使用的基础上，后向兼容 增强型数据业务适应移动、室内接收，具有高灵敏度 日帧 分帧 超帧 日帧 分帧 超帧 0 0:0:0AM 0 479 0 超帧头超帧头 (控制帧)(控制帧) 帧同步头帧同步头 24:00:00AM 60s0:0 125ms 信号帧 （555.6ms/625ms） 帧体 (500ms) 超帧 （125毫秒） 分帧 (1分钟) 主业务调制方式64QAM(75的帧)，新业务调制方式QPSK(25的帧) 主业务帧与新业务帧相对位置固定，每8个OFDM帧为周期重复 Demapping (DTMB ) FEC Decoder (DTMB ) Conventional TV Service Down Converter Baseband Processing (DTMB ) Equivalent QAM De mapping Catching New Service Data De interleaver (DTMB ) PreFEC Decoder New Service 检测项目检测项目 工作模式工作模式 64QAM, 0.6, 420， 24.3Mbps 64QAM, 0.8, 420， 32.4Mbps 高斯信道门限高斯信道门限 (dB) 主业务主业务7515.018.3 新业务新业务25-0.7-1.0 莱斯信道门限莱斯信道门限 (dB) 主业务主业务7515.518.8 新业务新业务25-0.6-0.5 瑞利信道门限瑞利信道门限 (dB) 主业务主业务7517.622.0 新业务新业务251.91.9 V-A信道门限信道门限 (dB) 主业务主业务7517.922.6 新业务新业务252.01.6 最大脉冲持续时间（最大脉冲持续时间（s） 主业务主业务751750125 新业务新业务2567255900 30s 0dB回波门限回波门限(dB) 主业务主业务7518.323.1 新业务新业务251.72.6 动态信道门限动态信道门限 (dB) 主业务主业务7520.0接收失败接收失败 新业务新业务253.33.1 动态信道多普勒动态信道多普勒 (Hz) 主业务主业务75105接收失败接收失败 新业务新业务25177179 最大净码率（最大净码率（Mbps） 主业务主业务7518.273624.3648 新业务新业务250.67681.0152 新业务复用比例为25% 地面调制方式64QAM， FEC码率0.6， 支持TS速率18.2Mbps 新业务调制方式QPSK， FEC码率0.4， 支持TS速率676kbps E-DTMB 激励器 传统业务电视 码流17.6Mbps （1HD, 1SD） 新增业务电视 码流 660kbps 港岛东西走廊移动测试误码情况 接收率为95.3% 黄埔花园移动测试误码情况 接收率为99.3% 弥敦道移动测试误码情况 接收率为98.6% 启德机场至蓝田移动测试误码情况 接收率为97.1% 启德机场至荔景移动测试误码情况 接收率为97.1% 测试结论：E-DTMB 系统与 DTMB 系统具有良好的兼容 性， E-DTMB的移动业务具 有更好的接收门限和更强的 抗干扰能力。 35 第一代地面数字电视传输标准第二代地面数字电视传输标准 标准名称 第一代地面数字电视传输标准第二代地面数字电视传输标准 标准名称DTMBDVB-TDTMB-ADVB-T2 频道带宽频道带宽8MHz6，7，8MHz1.7， 6，7，8， 10MHz 1.7，5，6，7，8， 10MHz 纠错编码 及码率 纠错编码 及码率 BCH+LDPC(7 K) 0.4,0.6,0.8 RS+卷积码卷积码1/2, 2/3,3/4,5/6,7/8 BCH+LDPC(15K, 61K) 1/2, 2/3,9/10 BCH+LDPC(16K,64K) 1/2,3/5,2/3,3/4,4/5,5/6 星座点映 射 星座点映 射 QPSK,16QAM, 64QAM QPSK,16QAM, 64QAM 4APSK,16APSK6 4APSK,256APSK QPSK, 16QAM, 64QAM, 256QAM 保护间隔保护间隔 1/9，595/3780， 1/4 1/32, 1/16, 1/8, 1/4 1/64,1/32,1/16, 1/8,1/4,1/2 1/128, 1/32，1/16, 19/256,1/8, 19/128,1/4 FFT大小大小1，4K2K, 8K1K, 2K, 4K, 8K, 16K, 32K 1K, 2K, 4K, 8K, 16K, 32K 离散导频离散导频08% of total01%,2%,4%,8% of total 连续导频连续导频02.6% of total00.35% of total 帧结构多层帧帧结构多层帧OFDM符号多层帧信号帧、符号多层帧信号帧、超帧超帧 交织时域、频域时域、频域时域交织时域、频域时域、频域时域,频域频域,比特比特时域时域,频域频域,比特比特, 数据分割时域、频域时域时域、频域时域、数据分割时域、频域时域时域、频域时域、频域频域 扩展功能定位无定位扩展功能定位无定位,多天线定位多天线定位,多天线多天线 35 扰 码 LDPC 编码 7k,15k6 1k 星座映射 与交织4， 16，64， 256APSK 系统 信息 复 用 成 帧 体 帧体数据 IFFT:1,4k, 8k,16k,32k 双PN 帧头 组成 复合 帧结 构 基带 成形 = 0.05 正 交 上 变 频 空频 编码 发 射 机 自主知识产权，兼容自主知识产权，兼容DTMB，产业化专项在进行中，产业化专项在进行中 8MHz带宽传输速率范围：带宽传输速率范围：5.00-49.31Mbps AWGN 信道下信道下C/N门限范围：门限范围： 0.6-21.2 dB DTMB-A总体性能达到或超越总体性能达到或超越DVB-T2 双频域二值序列双频域二值序列(PN-MC) 帧结构可有效支持帧结构可有效支持256高阶调制高阶调制 灵活支持多业务的复帧结构和新型复帧同步信令（复帧同 步信道） 灵活支持多业务的复帧结构和新型复帧同步信令（复帧同 步信道） 类高斯星座图，突破传统类高斯星座图，突破传统QAM理论极限（理论极限（DVB-T2距离距离 QAM理论极限理论极限0.71.2dB），显著提高接收性能），显著提高接收性能 基于互信息的新型极坐标分解理论，大幅降低高阶基于互信息的新型极坐标分解理论，大幅降低高阶APSK 解映射的复杂度解映射的复杂度 QC-LDPC码 自主知识产权 码 自主知识产权 兼容多种码率设计 （ 兼容多种码率设计 （1/2，2/3，5/6） 兼容多种码长设计 （ 兼容多种码长设计 （15360，61440） 面向面向APSK的比特映射技术 （包括比特交织和比特置换） 的比特映射技术 （包括比特交织和比特置换） 在多种码长、多种码率条件 下，性能超越 在多种码长、多种码率条件 下，性能超越DVB-T2 SNR门限门限(dB)1/2长码长码2/3长码长码5/6长码长码 2/3短码短码 DTMB-A0.842.754.952.89 DVB-T20.852.975.053.09 仿真条件：仿真条件：DVB-T2 64800码长 无码长 无DEMUX； DTMB-A 61440码长 无比特置换；码长 无比特置换； BPSK，SPA译码，迭代译码，迭代50次，次，AWGN信道，信道，BER=1e-4 0.511.522.533.544.555.5 10 -8 10 -7 10 -6 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 p50-AWGN -DT MB-A-61k p50-AWGN -DVB-T 2-64k p67-AWGN -DT MB-A-61k p67-AWGN -DVB-T 2-64k p83-AWGN -DT MB-A-61k p83-AWGN -DVB-T 2-64k p67-AWGN -DT MB-A-15k p67-AWGN -DVB-T 2-16k OFDM 和传统行列交织器同样的实现复杂度和传统行列交织器同样的实现复杂度 更优越的频率分集增益更优越的频率分集增益 相对于相对于DVB-T2的导频结构，由于基础资源块更完整，能 更有效地支持多业务 的导频结构，由于基础资源块更完整，能 更有效地支持多业务 DVB-T time-frequency grid TDS-OFDM time-frequency grid 帧体 帧头 第i个信号帧 天线1 帧头 天线2 第i1个信号帧 P0 0P 时域分集时域分集 频域分集（可选）频域分集（可选） 帧体 帧头 第i个信号帧 天线1 帧头 天线2 第i1个信号帧 P P P P 10152025 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 SNR (dB) BER Brazil A, No Transmit Diversity Brazil A, Transmit Diversity ITU Vehicular B, No Transmit Diversity ITU Vehicular B, Transmit Diversity BrazilA信道多普勒频率100Hz ITU VB信道多普勒频率10Hz 星座 映射 星座 映射 LDPCN=4096N=8192N=32768 码率码率K=256K=512K=1024K=256K=512K=1024K=256K=512K=1024 QPSK 1/26.665.995.007.056.665.997.387.267.05 2/38.908.016.679.428.898.009.859.709.41 5/611.1310.028.3511.7811.1310.0112.3312.1411.78 16 APSK 1/213.3211.999.9914.113.3211.9814.7514.5314.09 2/317.7916.0113.3418.8417.7916.0119.7019.4018.82 5/622.2620.0416.7023.5722.2620.0324.6524.2823.55 64 APSK 1/219.9817.9814.9921.1519.9817.9822.1321.7921.14 2/326.6924.0220.0228.2526.6824.0129.5629.128.23 5/633.3930.0525.0535.3533.3930.0436.9836.4135.33 256 APSK 1/226.6423.9819.9828.2126.6423.9729.5129.0528.19 2/335.5832.0326.6937.6735.5832.0139.4138.837.64 5/644.5340.0733.3947.1444.5140.0649.3148.5547.10 44 信道 噪声干扰噪声干扰 图像解码 电视信 号输出 电视信 号输出 TS 流流 电视信 号输入 电视信 号输入 图像编码 发射机 调谐器 美国美国 ATSC -T 纠错 编码 纠错 编码 调 制调 制 中国中国 DTMB-A TS 流流 欧洲欧洲 DVB T2 纠错 解码 纠错 解码 解 调解 调 欧洲欧洲 DVB T2 信道估计 同步恢复 信道估计 同步恢复 中国 DTMB-A 假设理想同步、理想信道估计 DVB-T2仿真结果摘自最新的Implementation Guide 8MHz带宽传输速率范围：5.00-49.31Mbps AWGN 信道下C/N门限范围： 0.6-21.2 dB DTMBADVBT2 OFDM大小大小81928192 保护间隔保护间隔双PN256256 （1/32模式） 带宽带宽8M8M 信道编码信道编码 61440长码，码率2/364800长码，码