（信号与信息处理专业论文）数字电视地面广播及信道级联编码性能研究.pdf

摘要f 随着第二代电视一彩色电视向第三代电视一数字电视迈进的步伐越来越快，对数字电视地面广播技术方案的研究变得愈发重要。而我国在确立了数字电视卫星和有线传输标准后，正集中力量组织开发适合于我国国情并具有相当先进性和自主知识产权的数字电视地面广播标准。刁本文对数字电视地面广播的需求条件和技术特点进行了描述和分析后，比较了目前国际电联确定的三大标准a t s c8 - v s b 、d v b tc o f d m 和i s d b tb s t o f d m 的优缺点，尤其是具有代表性的前两者。本文重点从传输系统着手深入剖析了针对地面信道所采用的技术手段。信道纠错编码是数字电视地面广播传输系统的重要组成部分，是抵御地面恶劣环境的有效手段。由于信道编码的种类繁多，性能各异，因此是目前研究工作的重点之一。本文详细分析和研究了几种信道纠错编码的原理和性能，并针对外码内码级联纠错结合地面信道瑞利衰落提出了一种有效的理论分析方法和性能的计算机比较演示方案，总结了不同级联方案的性能特点，对于我国目前的数字电视地面广播标准的研究和信道级联纠错方案的确立及其参数选择具有一定的参考价值。关键词：数字电视地面广播，传输系统，信道编码，级联码，性能分析a b s t r a c ta st h es t e po f t h ec o l o rt v ( t h es e c o n dg e n e r a t i o n ) t ot h ed i g i t a lt v ( t h et h i r dg e n e r a t i o n ) i sl a r g e ra n dl a r g e r ，t h er e s e a r c ho fd i g i t a lt e l e v i s i o nt e r r e s t r i a lb r o a d c a s t i n g ( d t t b ) b e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n t 。i nc h i n a ，w ea r ec o n c e n t r a t i n go nt h es t a n d a r do f d t t bw h i c hi ss u i tf o ro u rc o u n t r y 。a f t e rd e s c r i b i n ga n da n a l y z i n gt h et e c h n i c a ls t i p u l a t i o na n ds p e c i a l i t yo fd t t b ，t h i sp a 口e rc o m p a r e sa t s c8 - v s bw i t hd v b tc o f d ma n di s d b tb s t o f d m 。t h ee m p h a s i so ft h i s a r t i c l el i e si nt h et e c h n i c a ls o l u t i o na b o u tt r a n s f e r r i n gs y s t e m 。c h a n n e lc o d i n gi si m p o r t a n tc o m p o n e n to fd t t b ，w h i c hc a nr e s i s tf r o mt h eb a dc i r c u m s t a n c e s 。b e c a u s eo f l o t so f v a r i e t i e sa n dd i f f e r e n tp e r f o r m a n c e ，c h a n n e lc o d i n gb e c o m eo n eo f t h ee m p h a s i so f t h er e s e a r c hw o r k 。t h i sp a p e ra n a l y z e sa n dr e s e a r c h e st h et h e o r ya n dp e r f o r m a n c eo ft h ed i f f e r e n tc h a n n e lc o d i n gp a r t i c u l a r l y ，p o i n t so u ta ne f f e c t i v et h e o r e t i ca n a l y s i sm e t h o da n dc o m p m e rd e m oo fp e r f o r m a n c ec o m p a r i s o n 。at h e o r e t i c a lm e t h o df o re s t i m a t i n gt h ep e r f o r m a n c eo fc o n c a t e n a t e dc o d e si sp r o p o s e di nt h i sp a p e r 。t h i si sa c h i e v e db yc o m b i n i n gt h ep e r f o r m a n c eo fs i n g l el e v e lc o d i n g 、r a y l e i g hf a d i n gc h a n n e la n dt h ec h a r a c t e ro f c h a r m e lm o d u l a t i o n 。i tm a yb eu s e f u lt or e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h ef u t u r ed i g i t a lt e l e v i s i o nt e r r e s t r i a lb r o a d c a s t i n gs t a n d a r do fo u rc o u n t r y 。k e y w o r d s ：d t t b ( d i g i t a lt e l e v i s i o nt e r r e s t r i a lb r o a d c a s t i n g ) ，t r a n s f e r r i n gs y s t e m ，c h a n n e lc o d e s ，c o n c a t e n a t e dc o d e s ，p e r f o r m a n c ee s t i m a t i o n致谢在近三年的研究生的学习和生活阶段，我首先要感谢我的导师单承赣教授。由于我已工作几年且仍然在职，学习中遇到的问题和困难较多。单老师总是给予我更多的关注，及时的解答，尽心的指导和无私的帮助。单老师儒雅的学者风范和严谨的治学态度深深地感染了我。他那细致入微的科研作风，平易近入的处世原则，循循善导的教学方法潜移默化地影响和教育着我，使我有了人生努力的方向和奋斗的目标。同时，我还要感谢我的同学杨友庆、严晓芳、刘涛等。他们不断的给予我大量的帮助和有益的建议，使我能一步一步地走到现在。我尤其要感谢我的妻子王璐璐，在读研和工作相结合的这些日子里，她帮助我渡过了一个又一个的难关共同探讨学习、生活、工作中遇到的种种问题，使我树立了坚定的信心和前行的动力并深受鼓舞。可见，本文的顺利完成并非我一人的心血，也包含了大家的辛劳和付出。在次，我谨代表自己向他们表示发自内心的感谢和由衷的敬意!姜寅2 0 0 2 1 6 18图卜l图1 2图1 3图1 4图1 5图1 6图卜7图卜8图i 一9图2 1图2 2图2 3图2 - 4图2 - 5图2 - 6图3 1图3 - 2图3 - 3图3 - 4图3 5图3 - 6图3 7图3 8图3 9图3 1 0图3 一1 1图3 1 2图3 一1 3图3 1 4图3 - 1 5图3 1 6图3 - 1 7图3 一1 8插图清单数字电视标准目前的分布状况i模拟电视的m e n 多频网2数字电视的s f n 单频网2数字电视传输系统3i t u rt a s kg r o u p11 3 的数字电视地面广播模型4美国大联盟标准v s b 系统框图5欧洲d v b - t 标准c o f d m 系统框图5“空洞”填补覆盖示意图8观众收看电视图像的主观质量9d v b t 的帧结构1 4v s b 数据场同步1 5日本i s d b - t 分级传输和部分接收示意图1 68 - v s b 的峰值平均功率比的累加分配函数2 08 - v s b 、4 状态格状编码、r s ( 2 0 7 ，1 8 7 ) 的分段误码概率2 1在a = t u 4 保护间隔时3 7 b 系统的频谱理论值2 4d t t b 一般传输系统3 0加扰解扰器原理框图3 2改进型交叉交织编码器一例3 4卷积交织器与去卷积交织器原理框图3 4残留边带信号频谱3 5滤波法产生残留边带信号原理图3 6移相法产生残留边带信号原理图3 6标称的v s b 系统之信道响应3 6o f d m 信号频谱3 7o f d m 系统结构3 8纠错编码的种类简示图3 9抗干扰码的树状分类图3 9分组码构成图4 0几种r s 码的输入输出误比特率的关系4 4卷积码的编解码原理图4 5一种卷积码编码器的输入与输出关系4 51 2 码率卷积码的性能曲线4 7l 3 码率卷积码的性能曲线4 7图3 1 9图3 2 0图4 1图4 2图4 - 3图4 4图4 - 5图4 6图4 7图4 8图4 - 9图4 - 1 0图4 11图41 2图4 1 3图4 - 1 4图4 1 5图4 1 6无编码时误码率曲线4 7b c h 码单级纠错性能曲线4 9地面多径效应示意图5 0多径扩散与衰落5 0正弦波加高斯噪声的包络的概率密度函数5 1级联码的实现方框图5 3以b c h ( 7 ，4 ，1 ) 为内码的不同级联方案5 5以b c h ( 7 ，4 ，1 ) 为内码的不同级联方案放大图5 6以b c h ( 1 5 ，7 ，2 ) 为内码的不同级联方案性能5 7编码效率同为约1 3 的不同级联方案的性能比较5 8以( 3 ，1 ，2 ) 为内码的级联码性能5 9以( 2 ，l ，2 ) 为内码的级联码性能5 9以( 2 ，1 ，2 ) 为内码的级联码性能2 5 9以( 3 ，l ，2 ) 为内码的级联码性能2 5 9以r s ( 1 5 ，1 1 ) 为外码，不同i n 的1 2 码率卷积内码级联码性能6 0以r s ( 1 5 ，1 1 ) 为外码，不同1 i i 的l 3 码率卷积内码级联码性能6 0不同级联方案的性能曲线6 0性能分析控制窗口界面6 1表21表2 2表23表2 4表2 5表3 一l表32表3 3列表清单保护间隔的规定长度1 6a t s c8 - v s b 与d v b tc o f d m 的比较1 9基于测试结果的c n 阀值2 2系统的g n u 阀值2 3用于频率规划的各种d t v 保护比例2 7r s 码参数表4 2具有最大d r r e e 的最佳码4 6由小于2 6 级本原元生成的b c h 码4 8合肥工业大学硕士学位论文第章绪论i i 1 引言第一章绪论1 - 1 数字电视概述电视技术经历了从黑白电视到彩色电视的发展过程，现在正处于向革命性的第三代电视数字电视过渡的关键阶段。所谓数字电视，是将传统的模拟电视信号经过抽样、量化和编码转换成用二进制数代表的数字式信号，然后进行各种功能的处理、传输、存储和记录，也可以用计算机进行处理、监测和控制。采用数字技术不仅使各种电视设备获得比原有模拟式设备更高的技术性能，而且还具有模拟技术不能达到的新功能，使电视技术进入崭新的时代 2 1e 8 2 。数字电视经过一段时间的发展形成了几个主要的标准，其大致分布状况如图卜1 所示 4 1 1 ：图卜i 数字电视标准目前的分布状况1 1 2 数字电视技术的优越性合肥工业大学硕士学位论文第一章绪论数字电视技术与原有的模拟电视技术相比，有如下优点 2 ：1 ) 信号杂波比和连续处理的次数无关。因为数字信号具有“再生”能力并有纠错编解码技术，所以数字信号在传输过程中不会降低信杂比，只要求s n ，2 0 d b ，而模拟信号要求s n 一 4 0 d b 。2 ) 可避免系统的非线性失真的影响。而在模拟系统中，非线性失真会造成图像的明显损伤。3 ) 数字设备输出信号稳定可靠。4 ) 易于实现信号的存储，而且存储时间与信号的特性无关。5 ) 可以实现设备的自动化操作和调整，与计算机配合可实现各种自动化控制和操作。6 ) 数字技术可以实现时分多路、码分多址等，充分利用信道容量。7 ) 与模拟电视一样，压缩后的数字电视信号经数字调制后，可进行开路广播，在设计的服务区内，观众将以极大的概率实现“无差错接收”，收看到的电视图像及声音质量接近演播室质量。8 ) 可以合理的利用各种类型的频谱资源。以地面广播为例，数字电视可以启用模拟电视的“禁用频道”，如图卜2 中b i 所示【3 吼并能采用“单频网”( s f n ) 技术，如图卜3 所示 4 0 。现有的8 m h z 模拟电视频道，可用于传输一套数字高清晰度电视节目或4 6 套数字常规电视节目。图卜2 模拟电视的m f n 多频网图卜3 数字电视的s f n 单频网9 ) 可实现多种业务的“动态组合”。可插入电子节目指南、传真、电子杂志、综合服务信息等多种数据业务。l o ) 很容易实现加密解密和加扰解扰技术，便于专业应用以及各类收费业务。11 ) 具有可扩展性、可分级性和互操作性，便于在各类通信信道特别是异步转移模式( a t m ) 的网络中传输，也便于与计算机网络联通。垒里三些查兰堡主兰壁丝苎一! 三蔓生! ! 竺一1 1 3 数字电视传输系统数字电视传输系统的框图如图卜4 所示一划型谁痹 丑也刮到引目l 翟射嵩一一i 践解输多道八路解接。复码口用收端图1 4 数字电视传输系统数字电视广播主要通过卫星、有线电视及地面无线等三种传输方式实现。一般认为 1 ：卫星广播着重于解决大面积覆盖，信道质量好，频道资源丰富，适用于国家和省级电视广播。有线电视( c a t v ) 广播着重于解决“信息到户”，特别是在城镇等人口居住稠密地区，信道质量最好，大中城市较普及，是一种较有吸引力的传播媒体。地面无线广播作为电视广播的传统手段，由于其所独具的简单接收和移动接收的能力，数字电视地面广播在未来数十年中将具备极大的商业价值，但信道质量恶劣，干扰严重，且频道资源紧张。另一方面，数字电视广播近十年来的技术发展告诉我们，卫星和有线电视广播的基本传输体制已确定，世界技术先进国家在系统设计和芯片开发上已有相当技术积累，其相关市场应用和产品也极为丰富。而数字电视地面广播的传输环境恶劣，频谱资源有限，应用需求分散，其标准在各国仍有极大的争议，特别是在提高固定接收的稳定性以及移动接收的性能等方面有很大的改进潜力。合肥工业大学硕士学位论文第一章绪论广义而言，数字电视地面广播系统可被视为一个宽带无线数字通信系统。现有的移动通信系统，如t d m a 、c d m a 等，目前只能在较低的数据速率下工作优秀的无线、宽带、移动传输系统是当前世界信息技术领域研究焦点之一。1 1 4 数字电视地面广播由于使用宝贵的无线频率资源、广播环境相对( 有线和卫星) 恶劣、应用需求变化等原因，数字电视地面广播传输方案的确定成为各国制定数字电视标准的焦点与难点。国际电联数字电视地面广播系统方框图如图l 一5 所示m ：图l 一5i t u rt a s kg r o u p11 3 的数字电视地面广播模型目前，全球共有三套已成为国际标准的地面传输系统方案，分别由美国( a t s c ，1 9 9 5 年) 、欧洲( d v b t ，1 9 9 7 年) 和日本( i s d b t ，1 9 9 9 年) 研制而成。这些方案的设计构思至少还要早两年左右，即国外标准的技术水平及设计是基于2 0 世纪9 0 年代中期的条件。美国和欧洲两大标准的地面传输子系统如图卜6 、图1 7 所示：我国数字电视自主研究开发正是从地面无线广播技术入手，至今已有近十年的软硬件系统开发经验与成果积累，完全有可能在充分借鉴吸收国外最先进合肥工业大学硕士学位论文第章绪论经验和教训的基础上，借助目前我国正在研究制定数字电视标准的历史性契机，形成集众家所长、具有自主知识产权的我国数字电视地面广播传输方案及标准。图卜6 美国大联盟标准v s b 系统框图图卜7 欧洲d v b t 标准c o f d m 系统框图此举将增强我国在数字电视乃至无线移动通信等领域的国际技术竞争能力，为国内芯片设计和加工产业创造发展空间，早日实现我国由模拟电视生产大国向数字电视生产强国转变的梦想。为达到这个宏伟目标，首先要搞清楚两个问题：第一，近年数字电视的应用发展，为地面广播系统方案设计提出了哪些新的技术要求? 现有国外方案能否满足这些要求?第二，我国方案应具备怎样的技术特点和能力，才能既满足新应用需求、又摆脱国外标准的技术专利束缚?合肥工业大学硕士学位论文第一章绪论1 2 1应用发展卜2 数字电视地面广播的需求条件与有线和卫星广播相比，地面广播所独具的应用就是移动接收( 含便携接i 芟) 。直至上世纪9 0 年代中期，由于受技术水平的限制，宽带移动传输没有在数字电视广播传输标准中予以认真考虑。随着近年互联网的普及和发展，宽带无线接入技术广受重视，广播界逐步认识到数字电视提供的是一个信息管道，各种通信和广播技术会在这里汇合，萌生新的应用。从技术发展趋势看，数字地面广播与其它传输方式的竞争优势，将主要体现于移动接收高速视音频及其它业务数据。设计一个优秀的无线、宽带和移动传输系统已成为全世界的技术热点。因此，数字地面广播的应用不仅要考虑数字电视信号的传统广播方式，还要兼顾移动通信服务，包括便携式图像接收和移动数据接收。为了提高移动接收的信号强度、扩大覆盖范围，可采用单频网( s f n ) 。另外，考虑到数字有线网的普及，地面广播传输方案应与有线传输方案兼容这尤其适合我国国情1 2 2 数字电视地面广播技术要求基于数字地面广播的应用方向和工作环境，对系统设计有以下技术要求：1 ) 必须优先考虑传输效率，即高效利用广播带宽，为不断增长的传输业务量提供相当时期的保证；2 ) 应充分考虑对频谱规划的影响，数字、模拟频道的相互干扰应尽可能小：3 ) 必须考虑应用的多样化需求，即对固定接收、便携接收、移动接收和有线电视的兼容，针对不同的应用设计不同的接收机模式，在性能和价格上作合理取舍：4 ) 能够有效应付各种干扰，如：强脉冲噪声、相位噪声、不同频段模拟信号的干扰等：5 ) 应考虑在s f n 环境下使用，支持同频转发，即在远距离的强多径环境下使用。1 2 3 数字电视地面广播需求条件台肥工业大学硕士学位论文第一章绪论所谓需求条件，就是设计一个系统所需达到的主要性能要求。只有首先明确系统有哪些需求要满足，才能从技术上寻找对应的最佳解决方案或是经过折衷的相对最佳解决方案。参照国外已有系统的设计要求及实际试验与应用结果，可以列出以下数字电视地面广播需求条件，各项条件的重要性依排列顺序递减：1 ) 数字电视接收应至少与现有模拟电视接收一样好。电视观众可使用接l 恢模拟电视信号的设施容易地接收到稳定的无线数字电视信号，包括在室内采用简单、小型和低增益天线实现稳定接收。在数字电视服务区边缘地带及其它一些信号微弱地区，可以通过使用带方向性、高增益的室外天线接收到数字电视信号。也就是说，在存在较强静态和动态多径的环境中( 包括存在瑞利衰落) ，数字电视地面广播系统能够稳定工作。2 ) 系统的数据传输容量应得到保证。在规定的广播频道带宽内，要求数字电视广播系统能够提供包括高清晰度电视、多路标准清晰度电视、多路音频数据以及包括系统业务和控制信息、节目指南、多语种等在内的大量辅助数据。系统应具备足够高的净荷“p a y l o a d ”以支持这些业务，考虑到数字电视日后发展的广阔空间和业务应用的多样性和对传输容量的不断增长的需求，数据传输容量的大小是衡量一个数字电视广播系统设计好坏的重要指针。对相对传输总容量较小的地面广播就更显得关键和重要。在试图提高系统其它性能指标时，不能以过多损失数据传输容量为代价。3 ) 系统必须支持便携接收应用。便携接收应是无线广播的最基本接收形式之一。但便携接收的定义是指“允许接收机从处搬移到另处，但观看时是不动的”，还是指“步行移动接收”，例如使用笔记本计算机在较低运动速度f 收看数字电视广播信号，需要确定。4 ) 系统应考虑支持移动接收应用。国外现有系统在设计定型阶段大多没有充分考虑系统的移动接收性能。事实上，移动接收能力是数字电视地面广播与卫星及有线电视广播相比独具特色之处，若系统能够以较大的传输码率实现移动接收( 至少是在车辆行驶速度范围内) ，地面广播的应用范围和形式会大大增加。当然，移动接收时的传输容量要明显低于固定接收的传输容量。5 ) 系统应方便频谱分配并支持差转广播阳z 。数字电视系统应具备好的同频和邻频抗干扰性，允许使用模拟电视“禁用”频道，允许使用差转广播甚至同频广播等形式扩大覆盖和填补“空洞”区域，如图卜8 所示：6 ) 系统应允许多种成本价格的接收机实现。包括低成本实现。总结上述各项需求条件，作者认为数字电视地面广播系统的主要设计目标是频谱的高效利用、足够大的数据传输容量、稳定的固定接收和移动接收能力。事实上，上述条件在具体实施时应该有定量要求，如广播区域的界定、移动速台肥工业大学硕士学位论文第一章绪论图卜8 “空洞”填补覆盖示意例度的上限以及多径的幅度种类等参数，这正是目前国内外正在研究试验的工作内容。1 3 制定我国地面传输标准的要求与可行性1 3 1我国传输标准方案的主要技术要求我国现行电视广播频道带宽为8m h z ，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致。作者认为，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：( 按重要性顺序，尽量满足上节中所列出的数字电视地面广播需求条件) 2 7 2 9 1 ) 系统具备固定接收和移动接收两种主要工作模式，能够实现在强多径和动态环境中稳定接收的同时，保证系统的传输数据容量不低于现有国外系统的对应值。具体说，系统的整体性能应至少与欧洲系统一样好或更加优异。2 ) 考虑到数字地面广播和有线电视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视方案。3 ) 系统应努力克服本文后面章节中所列出的国外系统的不足，并尽可能多地绕开国外系统中的专利，特别是核心技术专利。形成自己的系统组成和数据结构。4 ) 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的样片。- 8 台肥工业大学硕士学位论文第一章绪论1 3 2 制定传输方案的必要性和可行性先把中国广播电视接收现状做一个说明：中国拥有t v 总量4 亿台左右，清晰度约为3 0 0 线，7 5 接收地面广播，收看到的图像质量平均约2 2 5 分( v c d为3 3 分) ，如图卜9 所示 1 2 ：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，依仗他们的技术图卜9 观众收看电视图像的主观质量丢失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。标准是国家利益的集中体现，在当今知识经济时代，更是为发展中国家保护和促进本国产业的发展提供了一种合法手段。每个国家都希望通过标准制订来实现本国利益最大化：1 ) 我国若要凝聚自己的技术实力，保护和扩大本国企业的市场份额，必须在标准问题上采取“以我为主，借鉴先进”的策略。2 ) 我国拥有巨大的数字电视潜在市场，不同于那些本国市场狭小的出口型国家，中国的市场规模足以支撑形成一个新的数字电视标准。我国正在研制的第三代移动通信标准也正是依靠了市场规模的支持。合肥工业大学硕士学位论文第一章绪论3 ) 自主制订标准不等于从头全面制订，制订标准不等于保护落后，不等于不选用先进技术。制订标准的根本目的恰恰在于认真比较分析各项先进技术能否为我所用，能否得到进一步改进。而直接选用标准等于“- - d t + 障目”，等于对先进技术改进的否定。4 ) 制订标准可更有利于欧美等发达国家向我开放技术。另外，由于数字技术具备加密、隐密等特点，直接选用标准所可能造成的盲目引进甚至会危及国家信息安全。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十年多的研发工作，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。国家计委已在北京、上海和深圳等城市设立了我国首批数字电视试验区，这些方案将在试验区中得到充分实验和改进。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，我国完全有百j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。1 4 我国标准方案的设计1 4 1 参照标准的选择判断我国标准方案是否先进、可行，可以一个现有标准为参照。整体来看，d v b t 具有简洁明了的数据排放组合、多工作模式设置及加入各种抗干扰措施等特点；就其系统结构而言，是一个灵活的、通过参数设置就可以对付不同应用的系统。d v b t 应作为我国标准方案的参照，即我国方案应能从理论和实测证明，在各主要应用方向上和关键技术指标上均不劣于d v b t 系统 2 a 2 7 。1 4 2 设计重点分析表明，对付远的和邻近的强多径，检测信道正在发生的多径变化，并使得系统的同步和均衡能够迅速跟踪、补偿这些变化，是决定方案性能( 特别是移动接收性能) 好坏的关键技术措施。为使信道特性好，c o f d m 加入大量导频，v s b 的支持者也希望在v s b 系统中加入更多的训l 练信号。然而，上述任何一种方法都没有利用数据本身跟踪信道更为迅速。因此，应设计收敛迅速和稳定的台肥工业大学硕士学位论文第一章绪论信道均衡器。要使均衡器满足这样的高要求，将均衡器和信道解码结合使用可能是根本的解决途径之一。均衡器和信道解码结合，使得系统在信道解码工作门限之下仍能正常工作，这为系统性能的改进提供了空间。必须指出，信道编码的选择和信道的特征是紧密相关的。传统的卷积码、块状码和t u r b o 码都是针对白噪声的，前面已经指出，系统的瓶颈并不在白噪声。因此，信道编码的选择必须兼顾静态要求( 白噪声门限低) 和动态要求( 能与信道估计和均衡器有效、迅速地结合) 。在这样的要求下，传统的信道编码是不能被简单、直接地使用，尤其是传统t u r b o 码极深的交织无法满足快速反馈的要求。欧洲和日本标准中使用的块处理方法，使均衡器和信道解码结合非常困难。因此，c o f d m 技术并不是“包治百病的神药”，v s b 技术也不是天生不能用于移动接收。应从优化系统整体性能入手，注意系统接收各功能模块的结合和相互支持，只有这样，才能找到实现固定和移动接收的最佳办法。1 4 3 系统兼容性考虑我国国情及地面广播应用的不断发展，我国标准方案应该既体现适合未来应用的灵活性，又具备对现有主要应用的包容性。数字有线电视传输符合我国现时主要市场应用需求，因而在设计地面广播方案时应考虑其与有线传输方案兼容。我国的有线和无线电视市场将会在统一的管理和运行体制下共同发展，在地面标准方案中尽可能兼容有线传输，从而能够进一步降低我国实现数字电视的总成本，保证数字电视市场发展的连续性。因此，这种兼容性是我国地面方案设计的要素之一。l ，4 4 知识产权保护标准方案研发过程中所形成的新技术，应及时通过法律手段加以保护。构造知识产权保护策略，是研制我国数字电视地面广播标准的重要组成部分。衡量方案是否含有自主知识产权，主要体现在方案的系统设计、功能模块设计及具体电路实现三个层面：系统设计包括数据结构、信道编码和调制方法、基本工作模式等规定。能否绕开国外技术专利，主要取决于系统设计内容，例如：导频安置方法、训练序列的产生和利用、信道编码的选择、场结构等。功能模块设计主要指载波恢复、时钟恢复、信道估计，均衡器的算法和信道解码等模块的实现算法，是提高系统性能的技术诀窍。具体电路实现是优化和调整系统各模块工作状态的技术，也直接为专用合肥工业大学硕士学位论文第一章绪论芯片设计奠定基础。应以系统设计和功能模块设计为重点，申请尽可能多的专利，形成交叉覆盖的专利集合。在这两个层面上，我国若没有或仅有一两个局部的相关专利，就根本无法保护我国标准的知识产权和利益。1 4 5 结论实现高质量的数字电视( 高速数据) 固定和移动接收，主要技术指标优于国外相应标准，能够最大程度地与数字有线传输标准兼容，核心技术摆脱国外专利束缚并形成自己的专利集合，是设计我国数字电视地面广播标准方案的四大要素。国外已有标准在移动接收和对付快速变化多径等方面的不足，为我国提出新的标准方案提供了空间。我们应抓住这一机遇，认真地进行研发和测试，实现我国制定自主标准的既定目标。鱼里三、业查兰堡主丝兰兰三兰婴鱼堑堡堕垡壁兰垡里些璺：一2 1 1 发展状况第二章现有标准的性能分析比较2 1 国外现有系统方案的技术特点经过十年的深入研究和开发，数字电视地面广播( d t t b ) 最后进入了实施阶段。目前的三大标准从技术上而言，限于当时的设计方向、使用环境、技术水平和硬件支持能力，这些系统没有发挥出系统应有的潜力。1 9 9 8 年1 1 月以来，d t t b 业务已经在美国和欧洲推行。很多国家已经宣布他们选择的d t t b 系统和他们的实施计划。然而，在d t t b 系统中采用的有两种很不相同的数字调制技术：由“高级电视制式委员会”( a t s c ) 开发的网格编码的8电平残留边带( 8 - - v s b ) 调制系统；以及在“数字视频地面广播”( d v b - - t ) 标准中采用的“编码的正交频分复用”( c o f d m ) 调制系统。在日本也制定了另一种同样基于c o f d m 的d t t b 调制系统：“频带分割传输”b s t - - o f d m 系统，用于地面综合业务数字广播( i s d b - - t ) ，在日本已完成开发。由于有了一个以上的d t t b 系统，很多国家和政府目前正在从事选取某个d t t b 系统的进程。每个国家有其各自独特的特点和需求。d t t b 系统的选取必须依据这两个调制系统的每一个如何更好地符合特定的条件，例如：频谱资源和政策，覆盖需求和网络结构，接收条件，节目交换，对于消费者和广播业者的价格等等1 8 f q 1o 。2 1 2 国外现有系统方案的技术特点数字传输系统的关键在于载波恢复、时钟恢复和信道均衡。载波恢复是将接收机中的解调频率和相位调整到与发送端的调制频率和相位一致。时钟恢复是将接收机系统时钟的频率和相位调整到与调制器系统时钟的频率和相位一致。信道均衡是用于补偿因信道失真( 如：多径、带内频谱波动) 所造成的码间干扰。国夕b - - - - 个标准基于两种信号处理方法：时域处理( a t s c ) 和频域处理( d v b t 、i s d b t ) 。这两种处理的根本区别在于：时域方法基于点处理，通过使用工作稳台肥工业大学硕士论文第二章现有标准的性能分析比较定的均衡器逐点跟踪；频域方法基于块处理，通过对放置的导频信号的横向和纵向滤波来进行信道估计，从而提供信道变化的信息。分析如下：1 ) a t s c 虽然使用了训练序列来训练均衡器，但两个训练序列相隔2 4 m s ，其间多径的变化无法被跟踪，因而对付动态多径非常困难。a t s c 使用的是一个时域信号，可以借助数据判决反馈( d f e ) 提高均衡器的速度，也就是用被切割的数据当作已知信号来计算信道变化。a t s c 系统从总体上看还是不稳定的，因为它住设计时没有针对单频网，且不认为远的、强的、动态的多径是常见的现象，系统设计显得先天不足。理论上，a t s c 系统的设计思想、应用方向、数据结构、导频放置，以及推荐的实现方案，都使得它不能有效地对付远而强的多径和快速变化的动态多径，因而不适合移动接收和单频网。2 ) 现有分析普遍认为欧洲使用的c o f d m 技术是最适合移动宽带通信的传输方式。但c o f d m 事实上并不是对付移动多径的最有效的手段。c o f d m 相对a t s c系统仅仅使用场同步均衡，而将大量导频以高出数据一倍的功率( 3 d b ) 穿插于数掘中间，如图2 1 所示 3 8 1 ：k 。d j0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 o d 0 0 0 0o o o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0d 口o o o 0 0 0 口0 0 o o 口0 0 0d o o o o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 d0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 o o 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0t p sp i l o t sa n dc o n t i n u a lp i l o t * ；d e t w e 。c nk “a n dk i i l cn o ti n d i c a t e db o o s t e dp i l o t0d a t a图2 一ld v b t 的帧结构这固然能更迅速地反映信道的变化。但是，c o f d m 在移动接收时显示出系统设计的几个严重缺陷：首先，导频不是、也不可能逐点插入，因而不能全面、精确地反映信道特性。其次，c o f d m 是块信号处理，即每次将2 0 0 0 多个采样点经过快速傅立叶变换( f f t ) 后一起处理，信号经历了时域到频域的变换，在这一个数据块内的信道变化将无法反映出来。因此，c o f d m 并不能有效跟踪信道变化，只能给出一个大约的平均值。同时，由于跨域信号处理及块信号处理的延迟，信道解码无法及时、有效地与信道估计和均衡器结合，极大地限制了系统的性能。第三，在移动接收时，c o f d m 的编码率达到1 2 ，即信息码和信道编码的kk；fr叫m78l6=卵n r2 3徽黜掣黟砰盼d000dd00do0 0 0 0 0 0 0 0 0 0000ooo00o o o 0 0 0 0 0 0 00000000000000000000000000000d0000d00d000000000000000000000000000000000000 0 0 0 0 0 0 0 0 0d000000000oooooo000 0 0 0 0 0 0 0 0 0o o 0 0 0 0 0 0 0 000ooo0000 0 0 0 0 0 0 0 0 0鱼里三、业查堂堡主丝兰塑三量堡鱼堑堡塑堡堕鱼鲨生墅垒一比例达到1 ：l ，信道编码携带t , n 信息码同样多的信息，其增益高达6 d b 。换言之，仅仅使用信息码( 或导频信号) 与同时使用信息码和信道编码，二者相差6 d b之多。也就是说，在d v b t 系统中，尽管系统的白噪声门限在3 2 d b ，但信道估计和均衡器却工作在无编码增益的9 d b 。在这种情况下，3 2 d b 的白噪声门限是没有意义的。因为在实际中，信道估计和均衡器必须一直参与运行，然而一旦均衡器启动，根据信道估计的结果对信道进行补偿，系统就处于9 d b 的门限以上，这就是d v b t 在移动接收时性能表现不佳的主要原因之一。此外，频域信号( 无星座) 和块信号处理( 速度慢) 无法实现精确、高速的相位跟踪和调整，对于调谐器的相位噪声无能为力。因此，d v b t 必须使用相位噪声低的单转换调谐器，且不能同时工作在u h f 和v h f 频段。3 ) 从技术上讲，日本的系统就是使用时域交织器将c o f d m 块处理所引入错误数据硬性打散，以利于信道纠错解码而纠正这些错误数据。这就是i s d b t 的移动接收性能要优于d v b t 的原因。但这并没有从根本上解决上述问题m 。4 ) 美国v s b 系统加入了0 3 d b 的导频信号，用于辅助载波恢复；并加入了段同步信号，用于系统同步和时钟恢复；还加入了长度达5 l l 的两电平场同步信号，用于系统同步和均衡器训练，如图2 2 所示( 3 61 。另外，系统配以较强的内外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( 接近于1 4 9对于e - v s b 上一个段的量后12 个符号将在埒同步中的量后12 个保留符号里重复图2 - 2v s b 数据场同步d b 的理论值) 、传输容量大( 6 m h z 带宽传输1 9 3 m b s ) 和接收方案容易实现等主要技术优势。5 ) 欧洲d v b t 系统利用频域变换技术将信号样值由数干个载波分别传输。欧洲系统之所以被称为c o f d m 是因为频域信号样值是经信道纠错保护编码之后的编码样值。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3 d b 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、时钟调第二章现有标准的性能分析比较整和信道估计。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，如表2 1 所示 a 2 。即在每个符号( 块) 前加入一定长度的该符号后段重复数值，由此抵御多径影响。可以表2 - 】保护闭隔的规定长度p 1o p o r t io nt ot h el e n g t hi 。e n g t ho ft h eg u a ldi n t e r v a l0 ft h eu s e f u l i n t e r v a l8 km o d e2 k m o d el 42 2 4us5 6us，81 1 2us2 8us1 1 65 6 “s1 4us1 3 22 8us7us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v s b 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。这众多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。6 ) 日本的o f d m 系统衍生于欧洲系统。主要变动是将频带划分为1 3 个子带，可方便实现分级传输和部分接收，如图2 3 所示 。大大加长了交织深度( 最图2 - 3e l 本i s d b t 分级传输和部分接收示意图长达0 5 s ) 。虽然日本系统在巴西的测试中表现出一定的优越性( 也相应证明了合肥工业大学硕士论文第二童现有标准的性能分析比较欧洲系统需要改进) ，但根据以上对c o f d m 系统的分析可知，日本系统并没有解决c o f d m 中的实质性问题m 。增加交织深度所引入的长达数百毫秒的延迟不但在转换频道时难以接受，而且在未来可能有的双向业务中也是致命的。2 2 国外标准的不足之处2 2 ，l 实际测试反映出的问题在过去的几年中，国外三种标准的样机或产品先后在澳大利亚、新加坡、加拿大、香港及巴西等地进行了实验室技术指标测试及野外现场接收测试。测试结果所暴露的问题分析如下 2 2 2 3 ：1 ) 固定接收：三套系统使用室外天线都能正常接收，但a t s c 的工作门限要低3 4 d b ( 大部分情形) ，表明它可以在相同发射功率下实现更大的覆盖范围。室内接收时，由于信号场强较弱且多径反射较多，三种系统接收效果都不够稳定，但由于a t s c 系统有较低的工作门限，其室内接收的总成功率要高于其它两个系统。2 ) 移动接收：a t s c 系统设计时就没有考虑此功能。因此，美国现有标准及其推荐的实现方案不适用于移动接收。欧洲宣称d v b t 可以用于移动接收，但实际测试结果表明：其使用1 6 q a m 调制的各工作模式在城市中接收状态经常不稳定：而使用q p s k 调制模式( 8 m h z 带宽仅传输约5 m b s ) 时，基本可实现稳定的移动接收，但在快速衰落情形下也会出现接收失败现象。日本正是发现了d v b t的这一弱点，在i s d b t 中采取了加入超长时域交织器等改进措施，实测中i s d b - t表现出最好的移动性能。3 ) 在严重多径衰落时，a t s c 和d v b t 固定接收都不稳定，i s d b t 效果稍妤。4 ) 单频网应用：只进行了小规模实验测试，d v b t 和i s d b - t 适用，a t s c 推荐的实现方案由于没有针对远的强多径设计，目前不适合。可见，单纯用于固定接收时，美国系统有一定优势。欧洲标准在强保护、低传输速率模式下可以实现一定程度的移动接收，但对信道快速变化和衰落情形尚有缺陷，不能稳定工作。日本标准在不改变欧洲标准基础框架的基础上，仅通过加深交织深度而加强了信道保护措施，移动接收性能相对最好。总体上，三种国外标准在应对严重多径衰落情形时都还存在困难。2 2 2 对问题的技术分析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：在近的强多径鱼贮三、业查堂堡主堡塞笙= 童堡复堡堡堕丝堕坌塑些璺! 一变化( 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2 4 m s ，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“d f e ”，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d f e 需要信道被均衡到一定程度( 错误判决少于l o ) 才能正常工作，其次d f e 是无限冲击响应结构“i i r