（通信与信息系统专业论文）基于国标adtbt分数间隔均衡器的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 数字电视地面广播( d t t b ) 是近年来国际上大学和企业研究的热点之一， 数字电视的地面广播基本代表了宽带数字通信的发展前沿，其特有的产值潜力 引起了业界最大程度的关注。当前，世界上已有三种地面数字电视广播传输标 准：采用8 v s b 调制的美国高级系统委员会a t s c 标准：采用编码正交频分 复用( c o f d m ) 的欧洲数字视频广播组织d v b t 标准；采用频带分段传输 正交频分复用( b s t o f d m ) 的日本i s d b t 标准。而整合了a d t b t 单载波标 准和d m b t 多载波标准的我国地面数字电视标准也于2 0 0 6 年正式公布，因此研 究符合本国标准的地面传输接收技术有着深远的意义。 d t t b 所面临的困难主要是在无线广播信道中强烈的多径扩散会引起严重 的信号衰落，尤其是在移动接收环境中信道的快速时变特性使得信号的恢复更 加困难。如何消除多径干扰是地面数字电视接收机设计的重点和难点。对于单 载波系统来说，一般采用时域均衡的方式消除多径干扰。本论文就是针对于国 标a d t b t 接收系统提出一种高性能低复杂度的时域均衡器的实现方案。论文 首先介绍中国地面数字电视标准，给出地面数字电视国家标准接收系统设计结 构框图，然后对地面数字电视无线信道模型进行讨论，接着从时域均衡基本原 理，均衡器基本结构以及均衡算法等方面对时域均衡器理论进行分析，最后讨 论本设计采用的均衡器设计方案：本设计在结构上采用分数间隔的判决反馈均 衡方式，减小了均衡器对定时误差的敏感度。在均衡算法上采用c m a + l m s 的 混合均衡算法，实现了快速稳定的均衡性能，并且为了减小均衡器硬件电路的 开销，权衡静态信道和动态信道性能以及减小突发错误出现概率，本设计还采 用了降低复杂度算法，步长控制算法以及减小误差扩散算法等优化算法。 本文所提及的设计方案，在国标a d t b t 仿真平台上进行全面的仿真，从 测试结果来看，本方案无论是对于静态信道还是动态信道都能获得了良好的性 能，满足国标a d t b t 接收系统的性能要求。 关键词：地面数字电视， a d t b t ， 时域均衡，l m s ， c m a ，多径干扰 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t 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 ( d t t b ) i so n eo fh o t s p o t sr e s e a r c h e d b yu n i v e r s i t i e sa n de n t e r p r i s e sa r o u n dt h ew o r l dr e c e n t l y d t t bb a s i c a l l yr e p r e s e n t s t h ed e v e l o p i n gp r e c u r s o ro fb r o a db a n dd i g i t a lc o m m u n i c a t i o n i t sp o t e n t i a lo f p r o d u c tv a l u ea r o u s e st h em o s tc a r ea m o n gt h ei n d u s t r y a tp r e s e n t ，t h e r ea r et h r e e d t t bs t a n d a r d s ：( 1 ) a t s cs t a n d a r d ，w h i c ha d o p t s8 v s bm o d u l a t i o n ( 2 ) d v b t s d a n d a r d ，w h i c ha d o p t so f d mt e c h n o l o g y ( 3 ) i s d b ts t a n d a r d ，w h i c ha d o p t s b s t - o f d mt c h c h n o l o g y n a t i o n a ld t t bs t a n d a r d ，c o m p o s e do fs i n g l ec a r d e r a d t b ts t a n d a r da n dm u l t ic a r d e rd m b ts t a n d a r dh a sb e e nr e l e a s e di n2 0 0 6 r e s e a r c ho nt e r r e s t r i a lt r a n s m i s s i o nt e c h n i q u ea c c o r d i n gt od i g j i t a lt e l e v i s i o ns t a n d a r d o fo u rc o u n t r yh a sf a r - r e a c h i n gm e a n i n g d t t bh a st h es t u m b l i n gb l o c ko fs e r i o u ss i g n a lf a d i n g ，w h i c hi sc a u s e db yh i g h m u l t i - p a t hp e r v a s i o ni nw i r e l e s sb r o a d c a s t i n gc h a n n e l e s p e c i a l l y ，i ti sm o r ed i f f i c u l t t or e c o v e r ys i g n a l si nm o v i n gr e c e i v e re n v i r o n m e n t ，d u et ot h ef a s tt i m ev a r i a b l e c h a r a c t e r i s t i co ft h ec h a n n e l s ot o w a r d sd i b 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 r e c e i v i n gs y s t e m ，h o wt od e a l 诮t 1 1i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c ei sak e y s t o n ea n d d i f f i c u l t y f o rs i n g l ec a r d e rs y s t e m ，w ea l w a y sa d o p tt i m i n ge q u a l i z e rt oe l i m i n a t e i n t e r s y m b o l i n t e r f e r e n c e al o wc o m p l e x i t y f r a c t i o n a l l ys p a c e de q u a l i z e r i s p r e s e n t e db a s e do nn a t i o n a ld t t b s t a n d a r da d t b - ti nt h i sp a p e r a tt h eb e g i n n i n g o ft h i sp a p e r ，n a t i o n a ld t t bs t a n d a r di si n t r o d u c e d ，a n dr e c e i v i n gs y s t e ms t r u c t u r e o fn a t i o n a ld t t bs t a n d a r di sg i v e n t h e np a p e rd i s c u s s e sw i r e l e s sc h a n n e lm o d e lo f d t t bs y s t e m ，a n da n a l y s e se q u a l i z e rt h e o r yi ns e v e r a la s p a c e s ，s u c ha s ：e q u a l i z a t i o n b a s i cp r i n c i p i u m ，s t r u c t u r es o r to fe q u a l i z e ra n ds e l f - a d a p t i v ea l g o r i t h mo fe q u a l i z e r a tl a s t ，t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ed e s i g np r o j e c to fe q u a l i z e ra d o p t e di na d t b t r e c e i v i n gs y s t e m ：af r a c t i o n a ls p a c e dd e c i s i o nf e e d b a c ke q u a l i z e rs t r u c t u r ei sa d o p t e d t om i n i s hs e n s i t i v i t yo fe q u a l i z e rt ot i m ee r r o r f o ra l g o r i t h mo fe q u a l i z e r ，a c m a + l m so m n i b u sa l g o r i t h mw i t he f f e c t i v es w i t c h i n gc o n t r o lm a k et h ee q u a l i z e r h a v eh i g hc o n v e r g e n ts p e e da n dw e l lb a s i cp e r f o r m a n c e ，a tt h es a m et i m e ，i no r d e rt o i i 武汉理工大学硕士学位论文 o p t i m i z ep e r f o r m a n c eo fe q u a l i z e r ，as e r i e sa l g o r i t h ms u c ha s l o wc o m p l e x i t y a l g o r i t h m ，s t e ps i z ec o n t r o la l g o r i t h m ，m i t i g a t i n ge r r o rp r o p a g a t i o na l g o r i t h ma n ds o o n ，i sp r e s e n t e dt h i sp a p e r a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t sb a s e do na d t b tp l a t f o r m ，t h i sd e s i g nh a s w e l lp e r f o r m a n c et o w a r d sn o to n l yf o rs t a t i cc h a n n e l sb u ta l s of o rd y m a t i cc h a n n e l s ， a n dm a k e st h ep e r f o r m a n c ed a r n a n do fn a t i o n a la d t b ts t a n d a r d s r e c e i v i n g s y s t e m k e yw o r d s ：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 ，a d t b t ，e q u a l i z e r ，l m s ， c m a ，i t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 期： 出聋翻l i 目 f 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、 交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅； 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 使用学位论文的规定，即学校有权保留、送 学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 曼遨圆! ) 导师签名： 概移 v 。 一 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景和意义 数字电视是现代电子技术、通信技术和信息加工技术高度发展的基础上集 多方成就于一身的高科技产物。当前高清晰度电视在国外已正跨出科研阶段而 进入商品化的时代，这也促进了数字电视在中国的发展一0 0 6 年8 月我国颁 布了中国数字电视地面广播标准数字电视地面传输系统帧结构、信道编码和 调制技术规范，并于2 0 0 7 年8 月1 日正式实施。其中，上海交大的a d t b t 是重要组成部分，所以基于国标a d t b t 的接收系统的研究对于促进了数字电 视在中国的发展，对于中国数字电视芯片的商业化具有举足轻重的意义。 同其他无线通信系统一样，无线信道对于系统的影响是巨大的。地面无线 传输系统由于受到地形等影响，传输的信号在信道中发生了严重的畸变。一般 来说数字电视接受机收到的信号除了常规干扰，如：白高斯噪声、脉冲干扰等 外还会受到以下三种干扰：多径干扰、多普勒频移以及来自其它广播信号的共 道或者临道干扰。而这其中多径干扰几乎以1 0 0 的概率出现，信道中出现 2 0 u s 2 0 u s 的强多径也是常有的，这样长强多径干扰可能使系统无法工作。而对 抗多径干扰在单载波系统中最常用也是最有效的方法就是进行时域均衡，所以 在无线通信系统中研究时域均衡器十分必要。 时域均衡器有多种结构，现在国内外研究较多的是整数间隔均衡器( b s e ) ， 这主要是考虑到实现的简单。但是根据n y q u i s t 抽样定理可知，整数间隔均衡器 会造成频谱混叠，在边带部分具有不同幅度和时延特性的信道在频谱重叠部分 存在一个快速变化的频率响应区域。这使得常规的按波特率采样的均衡器( b s e ) 对定时相位非常敏感，从而增加了时钟恢复模块( t r ) 的设计复杂度。为了解 决这个矛盾就有必要进行分数间隔均衡器( f s e ) 的研究，f s e 的延时线按照t 时间间隔采样，t 小于码元间隔t ，不存在频谱重叠，对时钟恢复要求低，对采 样噪声也不敏感。 所以，基于国标a d t b t 的分数间隔均衡器的研究对于数字电视接收系统 整体性能有着重要的理论研究意义，对于国标数字电视接收芯片早日商品化具 有重要的商业意义。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 课题研究的现状 1 2 1 地面数字电视发展现状 目前，世界上已有三种地面数字电视广播传输标准：采用8 v s b 调制的美 国高级系统委员会a t s c 标准；采用编码正交频分复用( c o f d m ) 的欧洲数 字视频广播组织d v b t 标准；采用频带分段传输正交频分复用( b s t o f d m ) 的日本i s d b t 标准。 a t s c 0 1 标准是于1 9 9 7 年被i t u 接受成为国际上第一个数字电视传输标准。 a t s c 的固定接收效果优于其它制式，且具有频谱效率较高，噪声门限低( 接近 于1 4 9 d b 的理论值) 、传输容量大( 6 m h z 带宽传输1 9 3 m b p s ) 、传输远、覆盖 范围广和接收方案易实现等主要技术优势。但是早期的a t s c 8 v s b 接收机没有 考虑移动接收和单频网的业务需求。 欧洲国家提出的基于编码的正交频分复用的d v b t t 2 1 于1 9 9 8 年被i t u 接 受成为第二个数字电视传输标准。其思路是把传输信号分配到若干相互正交的 子载波窄带中进行调制，各子信道的频率响应在窄带内是近似平坦的。d v b t 采用的大量导频信号插入和保护间隔技术使得系统具有较强的多径反射适应能 力，能够移动接收适合于信号有屏蔽的山区。但是其覆盖面积小，频带利用率 低，在交织深度、抗脉冲噪声干扰及信道编码等方面的性能存在明显不足。 日本的i s d n t 1 3 】是于2 0 0 1 年被i t u 正式批准的，它可以说是d v b t 的一 种改进，它将整个带宽分割成若干个频率段，使得在6 m h z 带宽中传输多节目 服务。i s d n t 可用于大范围s f n ，特别是移动接收环境，可提高移动接收的自 量和抗突发噪声，同时在频谱使用上比d v b t 更加灵活。但是i s d n t 也具有 其不足之处：简单的用家常交织深度来解决移动接收的稳定度，会引入长达数 百毫秒的延时，这不但在频道转换是难以接受，而且影响到双向交互业务。 中国从9 0 年代末开始制定了具有我国独立自主知识产权、符合中国国情的 数字电视标准，现在国标主要是由主要是由清华大学的d m b t 与上海交大的 a d t b t 标准组成的单载波双载波双模标准。 d m b t 采用了p n 序列填充的时域同步正交频分复用( t d s o f d m ) 多载波 调制技术。与现有的国外数字电视地面标准相比，此标准的优势主要包括：提 供了更大的有效载荷、能够在高速移动状态下接收、能更好的支持单频网、具有 更高的接收灵敏度等。a d t b - t 方案基于单载波时域调制技术( q a m ) 调制，除 2 武汉理工大学硕士学位论文 了具有单载波调治的频带利用率高，峰均比低，灵敏度高覆盖面积广等特点，它 还突破了目前国际上普遍认为的单载波无法实行移动接收的技术瓶颈。该方案在 世界范围内率先实现了8 m h z 带宽内1 2 m b p s 高数据容量的稳定移动接收效果。 1 2 2 时域均衡器发展现状 ( 1 ) 均衡器算法 均衡器的发展有半个世纪的历史，在这过程中产生了很多均衡算法，但就 基础算法来说可以分为自适应算法( 非盲均衡算法) 和盲均衡算法。 自适应算法是通过系统提供的发射端辅助数据( 训练序列) 或者判决器的 输出来跟踪信道的变化自适应调节均衡器抽头系数。自适应算法具有收敛后工 作稳定，能够准确地工作在全局最小点上的特点，但是自适应算法需要训练序 列，这样就降低了发射端传输效率，同时收敛速度慢，而且如果在眼图没打开 的状态下，数据段采用直接判决的自适应方式工作，会产生误差扩散。 盲均衡通过定义一个代价函数，调整代价函数使其最小化，可使系统不使 用训练序列的辅助( 仅根据接收信号和以概率信源模型表示的某些附加信息) 直接使均方误差最小。盲均衡算法具有收敛速度快，但是它的代价曲面除了有 全局最小点外还有局部最小点，可能使系统收敛到局部最小点上，产生抽头系 数的误调整，同时相对于自适应算法稳态剩余误差较大。 这两类算法各有优缺点，所以本设计考虑在系统收敛过程中采用盲均衡算 法，快速打开眼图，在系统收敛后采用自适应算法让系统稳定地跟踪信道。另 外判决反馈结构均衡器会出现误差传播现象，长期以来对于误差传播的控制没 有很好的办法，本设计中采用约束算法设计，对于误差传播有较好的抑制作用。 ( 2 ) 均衡器基本结构 现在国内外采用的均衡器大多数都是整数间隔的，也就是说输入到均衡的 数据是以符号间隔采样的，同时均衡器的抽头间隔也是一个符号间隔，这样一 来就会产生频谱折叠，对于在边带部分具有不同幅度和时延特性的信道在频谱 重叠部分存在一个快速变化的频率响应区域。这使得常规的按波特率采样的均 衡器( b s e ) 对定时相位非常敏感，同时符号间隔均衡器需要无限响应长度的均 衡器才能够完全消除符号间干扰，达到理想均衡，反过来说整数间隔均衡器的 残留干扰很大，另外，当信道的频谱存在零点时，均衡过程中会造成加性噪声 的放大，严重影响符号的判决。 武汉理工大学硕士学位论文 所以上世纪8 0 年代，人们为了寻求接收码元定时信息的方法，提出在接收 端以高于接收码元符号间隔的速率对接收码元进行采样，将这种方法应用于均 衡器就产生分数间隔均衡器( f s e ) ，f s e 对于符号定时不敏感，具有匹配滤波 的功能能够补偿严重的边带失真，最重要的是当均衡器满足两个强理想均衡条 件时，有限抽头分数均衡器可以完全消除多径干扰【4 l 。但是这中均衡器的硬件开 销要比b s e 大很多。如何使均衡器有较高的性能又可以减小系统的硬件开销将 是本研究的工作的重点。 1 3 课题研究工作和论文内容安排 本课题的主要研究任务是针对于中国地面数字电视a d t b t 标准的调制方 式、组帧模式以及中国数字电视无线信道特征，设计一种高性能、低复杂度的 时域均衡器以消除无线信道多径干扰。本论文内容安排如下： 第l 章介绍课题研究的背景和意义，并从地面数字电视标准和均衡器两个 方面介绍本课题的发展现状。 第2 章介绍中国地面数字电视标准的调制方式和组帧模式，并且讨论国标 a d t b t 标准相对于国际上三大地面数字电视标准的优缺点，最后给出国标 a d t b t 接收系统设计结构，以便于国标a d t b - t 接收系统中均衡器的设计。 第3 章从理论上分析地面数字电视无线信道受到的三种选择性衰落一时 间选择性衰落、频率选择性衰落以及空间选择性衰落和两种干扰同频干扰 和加性干扰的产生原理，并对地面数字电视信道进行信道建模。 第4 章进行均衡器理论分析，从时域均衡器均衡原理出发，介绍线性均衡 器，判决反馈均衡器，整数间隔均衡器以及分数间隔均衡器实现结构以及其优 缺点，最后介绍当前应用最多的两种均衡算法c m a 算法( 恒模算法) 和l m s 算法( 最小均方算法) 。 第5 章首先分析本设计中采用的均衡器实现结构，并给出误差更新、主径 初始化，主径位置的配置方法。然后分析本设计采用的均衡基础算法，并讨论 本设计采用的降低复杂度，步长控制以及消除误差传播的优化算法，并给出仿 真结果。 第6 章对本文进行总结，在此基础上对本课题的前景进行展望，并对本课 题需要进一步研究的内容作简要的讨论。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章中国地面数字电视接收系统概述 数字电视是指采用数字技术将活动图像和声音等信号加以处理、压缩、编 码，经存储或实时广播后，供用户接收、播放的电视系统。系统的各个环节， 包括从演播室节目制作，到处理、传送、存储传输，直至接收、显示等过程都 采用数字信号。数字高清晰度电视是数字电视( d t v ) 标准中最高级的一种，简称 为h d t v ( h i g hd e f i n i s i o nt v ) ，与之对应的是标准清晰度数字电视( s d t v ： s t a n d a r d d e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ) ，他们的码率分别约为2 0 兆和4 兆比特左右。数字 电视和现行的模拟电视最大的区别是数字电视的图像清晰而稳定，在覆盖区域 内图像质量不会因信号传输距离的远近而变化，在信号传输整个过程中外界的 噪声干扰都不会影响电视图像。而模拟电视会随着信号传输距离越远，图像质 量越差。近年来，技术开发实力较强的企业开始在视频处理电路中采用数字技 术处理信号，提高了模拟电路的性能，例如：使模拟电视的行频、场频提高，实 现逐行扫描和倍场( i o o h z ) 扫描，以消除闪烁和提高图像质量。但是这同前面提 到的数字电视在上作原理上是完全不同的，其效果还是比数字电视差很多。例 如：高清晰度电视的显示格式1 9 2 0 x 1 0 8 0 i 图像像素密度可达1 3 5 电影胶卷的图像 质量。数字电视还具有多种清晰度等级不同的图像显示格式。我国的高清显示 格式为1 9 2 0 x1 0 8 0 i 5 0 h z 隔行扫描，而美国的高清晰度电视显示格式有1 9 2 0 x 1 0 8 0 i 6 0 h z 隔行扫描，1 2 8 0 x 7 2 0 p 6 0 h z 逐行扫描，标准清晰度显示格式有 7 2 0 x 4 8 0 p 6 0 h z 逐行扫描，这些都是模拟电视所没有的。 2 1 中国地面数字电视接收标准 经过多年的研究，到目前为止，国际电信联盟( i t u ) 已经受理了三种地面数 字电视广播系统标准建议，即：美国的a t s c ，欧洲的d v b t 和日本的i s d b t 。 三种国际地面数字电视标准技术特点在绪论中已经介绍本章节不作详细讨论。 我国自1 9 9 4 年起，也开始了高清晰度电视的研究工作。并于1 9 9 8 年研制 成功了中国第一代高清晰度电视功能样机，从而填补了我国在这个领域的空白。 数字电视地面广播标准的制定工作也从9 0 年代末开始起步。经过近1 0 年的研 究，我国出现了5 套数字电视地面广播传输方案1 5 】： 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 广电总局广播科学研究院的射频子带分割双载波混合调制系统 ( c d t b t ) 。 ( 2 ) 以上海交大为主组成的国家h d t v 总体组的高级数字电视广播系统 ( a d t b t ) ，它采用q a m 调制，为混合传输模式的单载波系统。 ( 3 ) 国家h d t v 总体组的b d b t 系统，它基于多载波调制技术。 ( 4 ) 电子科技大学的同步多载波扩频地面数字电视传输系统( s m c c c o f d m ) 。 ( 5 ) 清华大学微波与数字通信国家重点实验室提出的地面数字多媒体与电 视广播系统( d m b t ) ，它采用时域同步正交频分复用技术( t d s o f d m ) 。 2 0 0 6 年8 月3 0 日国家标准化管理委员会发布了数字电视地面广播传输 系统帧结构、信道编码和调制标准，标准号为g b 2 0 6 0 0 2 0 0 6 。确定了中国地 面数字电视标准由上海交大的a d t b t 单载波模式和清华大学的d m b t 多载波 模式组成，同时采用了广电总局广播科学研究院提出的l d p c 内码编码方式。 标准支持在8 m h z 电视带宽内传输4 8 1 3 m b p s 一3 2 4 8 6 m b p s 的净荷数据率支持开 展标准清晰度电视业务和高清晰度电视业务支持包括固定接收和移动接收在内 的多种接收模式。此外标准还支持多频网和单频网的组网模式。 2 1 1 地面数字电视国家标准发射系统 与现有国际三大地面数字电视传输标准( 美国：a t s c 欧洲；d v b c 以及日 本：i s d b t ) 类似，地面数字电视传输国家标准发端系统包括随机化、前向纠错编 码( f e c ) 、星座映射和交织、复用、帧体数据处理、组帧、基带后处理和正交上 变频等8 个主要功能模块完成从输入数据流到无线射频信号输出的整个转换过 程。地面数字电视传输国家标准发端系统原理图如图2 1 所示。首先对外部输入 的m p e g 2t s 包( 18 8 字节) 码流进行扰码( 随机化) 和f e c ，然后完成比特流到符 号流的星座映射。映射的符号流经过交织后形成基本数据块，基本数据块插入 系统信息后并经过帧体数据处理形成帧体。帧体数据与相应的帧头( p n 序列) 复 接为信号帧( 组帧) 然后经过基带后处理转换为基带输出信号。基带后处理产生的 基带模拟信号经过上变频转换为所需的射频信号【6 l 7 1 。 6 武汉理工大学硕士学位论文 恢头卜 帧 基正 复 体 组 带 交 后上 卧 数斗斗 处 变 据 帧理频 用 处 理 i - j 图2 i地面数字电视国家标准发射原理图 ( 1 ) 随机化 为了保证传输数据的随机性以便于传输信号处理，输入的数据码流数据需 要用扰码进行加扰。 扰码是一个最大长度的二进制伪随机序列。该最大长度二进制伪随机序列 由图2 2 所示的线性反馈移位寄存器生成。其生成多项式定义为： g ( x ) ：l + x 1 4 + x 1 5( 2 1 ) 该l f s r 的初始状态定义为1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 。 输入的比特码流( 字节码字从m s b 到l s b ) 与p n 序列进行逐位模二加后 产生数据扰乱码。扰码器的移位寄存器在信号帧开始时复位到初始状态。 初始相位1 0olo101ooooooo 图2 2 扰码器组成框图 ( 2 ) f e c 扰码后的比特流接着进行前向纠错编码。f e c 由前向纠错编码由外码( b c h 码) 和内码( l d p c ) 级联实现。 如图2 3 所示系统外码采用b c h ( 7 6 2 ，75 2 ) 码，固定编码效率。外码采用低 密度校验纠错码( l d p c ) ，l d p c 码输出码长度固定根据编码效率的不同l d p c 码 输入信息比特各不相同。在进行l d p c 编码时将删除l d p c 输出码块中前5 个 7 武汉理工大学硕士学位论文 校验比特。系统f e c 的具体参数见表2 1 。 图2 3f e c 编码框图 表2 1f e c 码参数 b c h 对应的内 编号 块长【比特】信息比特 个数 码码率 码率147 4 8 83 0 0 8o 4 码率2 6 7 4 8 84 5 1 2o 6 码率387 4 8 86 0 1 6o 8 ( 3 ) 符号星座映射 前向纠错编码后的比特流要转换成均匀的n q a m ( n ：星座点数) 符号流( 最 先进入的第一个比特是符号码字l s b ) 。本标准包含以下几种符号映射关系： 6 4 q a m 、3 2 q a m 、1 6 q a m 、4 q a m 、4 q a m - n r 。各种符号映射加入相应的功 率归一化因子，使各种符号映射的平均功率趋同。以1 6 q a m 为例给出其星座图， 其他映射方式星座图类似。 对于1 6 q a m ，每4 比特对应于1 个星座符号。f e c 编码输出的比特数据被 拆分成4 比特为一组的符号( b 3 b z b l b o ) ，该符号的星座映射是同相分量i = b l b 0 ； 正交分量q = b 3 b 2 ，星座点坐标对应的i 和q 的取值为6 ，2 ，2 ，6 。图2 4 给 出1 6 q a m 星座映射图 l o 1 0 0 11 0 1 l1 0 1 0 6 b 1 1 ( b 3 t 1 1 0 01 1 0 ll l l ll l l o - 2 - 6226 0 1 0 00 l o lo l l l 0 l l o - 2 舢0 0 0 1o o l ll o - 6 o 图2 - 41 6 q a m 星座映射图 8 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 符号交织 时域符号交织编码是在多个信号帧的基本数据块之间进行的。数据信号( 即 数据码的星座符号) 的基本数据块间交织采用基于星座符号的卷积交织编码， 如图2 5 所示，其中变量b 表示交织宽度( 支路) ，变量m 表示交织深度( 延迟 缓存器) 。进行符号交织的基本数据块的第一个符号与支路0 同步。交织去交织 对的总时延为m ( b 一1 ) x b 符号。取决于应用情况，基本数据块间交织的编码 器有2 种工作模式： 一模式1 ：b = 5 2 ，m = 2 4 0 符号，交织解交织总延迟为1 7 0 个信号帧； 模式2 ：b = 5 2 ，m = 7 2 0 符号，交织解交织总延迟为5 1 0 个信号帧。 善= ： 严三兰兰 三二。o o o o 。oo 、 | 爿s 列h 。1 苗 b - 2 酽 b _ l 。 图2 5 卷积式数据块间交织 ( 5 ) 频域交织 频域交织仅适用于c = 3 7 8 0 模式，目的是将调制星座点符号映射到帧体包含 的3 7 8 0 个有效载波上，频域交织为帧体内的符号块交织，交织大小等于载波数 3 7 8 0 。 ( 6 ) 组帧 地面数字电视国家标准的数据帧结构如图2 - 6 所示，是一种四层结构。其中， 一个基本帧称为信号帧，信号帧由帧头和帧体两部分组成。超帧定义为一组信 号帧。分帧定义为一组超帧。帧结构的顶层称为日帧( c a l e n d a rd a yf r a m e ，c d f ) 。 信号结构是周期的，并与自然时间保持同步。 9 武汉理工大学硕士学位论文 0 0 芝2 一 i 么荨i 擘令 锄 图2 6 分级复帧结构 信号帧是系统帧结构的基本单元，一个信号帧由帧头和帧体两部分时域信 号组成。帧头和帧体信号的基带符号率相同( 7 5 6 m s p s ) 。帧头部分由p n 序列 构成，帧头长度有三种选项。帧头信号采用i 路和q 路相同的4 q a m 调制。帧 体部分包含3 6 个符号的系统信息和3 7 4 4 个符号的数据，共3 7 8 0 个符号。超帧 的时间长度定义为1 2 5 毫秒，8 个超帧为1 秒，这样便于与定时系统( 例如g p s ) 校准时间。超帧中的第一个信号帧定义为首帧，由系统信息的相关信息指示。 一个分帧的时间长度为1 分钟，包含4 8 0 个超帧。日帧以一个公历自然日为周 期进行周期性重复，由1 4 4 0 个分帧构成，时间为2 4 小时。在北京时间0 0 ：0 0 ：0 0 a m 或其它选定的参考时间，日帧被复位，开始一个新的日帧。 一个基本帧称为信号帧，信号帧由帧头和帧体两部分组成，为适应不同应 用，定义了三种可选帧头长度。三种帧头所对应的信号帧的帧体长度和超帧的 长度保持不变。对于下图图2 7 ( a ) 的帧结构，每2 2 5 个信号帧组成一个超帧；对 于下图图2 7 ( b ) ，每2 1 6 个信号帧组成一个超帧：对于下图图2 - 7 ( e ) ，每2 0 0 个 信号帧组成一个超帧。 信号帧包含帧头和帧体两个部分，根据帧头的不同，有三种结构。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 帧头( 4 2 0 个符号) 帧体c 含系统信息和数据，c 3 7 8 。个符号，c 5 0 0 螂， i l( 5 5 6 炉) ( a ) 信号帧结构1 i 帧头( 5 9 5 个符号) ( 7 8 7 峪) i 帧体( 含系统信息和数据) ( 3 7 8 0 个符号) ( 5 0 0 u s )i ( b ) 信号帧结构2 i 帧头( 9 4 5 个符号) ( 1 2 5 1 a s ) l 帧体( 含系统信息和数据) ( 3 7 8 0 个符号) ( 5 0 0 1 a s )l ( c ) 信号帧结构3 图2 7 信号帧结构 ( 7 ) 系统信息 系统信息为每个信号帧提供必要的解调和解码信息，包括符号映射方式、 l d p c 编码的码率、交织模式信息、帧体信息模式等。国标预设了6 4 种不同的 系统信息模式，并采用扩频技术传输。一个完整的帧体信息结构可以由以下框 图表示： m l 4 个帧体模式符号 i 3 2 个调制和码率等模式符号 l 3 7 4 4 个数据符号 i i m - _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ 一 系统信息( 3 6 个符号) + 数据( 3 7 4 4 个符号) 图2 8 帧体信息结构 ( 8 ) 帧体数据处理 映射后3 7 4 4 个数据符号复接系统信息后，形成帧体，用c 个子载波调制， 占用的r f 带宽为7 5 6 m h z ，时域信号块长度为5 0 0 i t s 。 c 有两种模式：c = i 或c = 3 7 8 0 ； 令x ( k ) 为对应帧体信息的符号； 当c = i 时，生成的时域信号可表示为： f b o d y ( k ) = x ( 七)k = 0 ，1 ，3 7 7 9 ( 2 2 ) 在载波数c = i 模式下，作为可选项，对帧头和帧体经过组帧后形成的基带 数据在士o 5 符号速率位置插入双导频，两个导频的总功率相对数据的总功率为 一1 6 d b 。插入方式为从日帧的第一个符号( 编号为o ) 开始，在奇数符号上实部 加l 、虚部加o ，在偶数符号上实部加1 、虚部加0 。 当c = 3 7 8 0 时，相邻的两个子载波间隔为2 k h z ，对帧体信息符号x ( k ) 进行 频域交织( 根据附录f 给出的输入与输出符号的地址关系表进行) ，得到x ( n ) ， 然后按下式进行变换得到时域信号： 武汉理工大学硕士学位论文 f b 。咖( 七) ：而1 cx ( 理) e j 2 “孝 七：o ，l ，一，3 7 7 9 ( 2 3 ) v l * 1 ( 9 ) 基带后处理 基带后处理( 成形滤波) 采用平方根升余弦( s q u a r er o o tr a i s e dc o s i n e ， s i 冰c ) 滤波器进行基带脉冲成形。s r r c 滤波器的滚降系数口为o 0 5 。 平方根升余弦滤波器频率响应表达式如下式所示： 日( d = l i f l - ( 1 - a ) 2 t , 丢+ 圭c 。s ( ! 丛三曼芝耋；二三型 ) i c 一口，2 c ( 1 + a ) 2 t ， 其中t s 为输入信号的符号周期( 1 7 5 6 “s ) ，0 t 为平方根升余弦滤波器滚降 系数。 口 v 趟 龆 熟 锝 雷 l 、 jl 相对于中心频率忙的频率值( m ) 图2 - 9 成形滤波后基带信号频谱 ( 1 0 ) 射频信号 调制后的r f 信号由下式描述： s ( ，) = r e e x p ( j 2 r r - f c t ) 【办( f ) of r a m e ( t ) ( 2 - 5 ) 其中s ( t ) 为r f 信号，c 表示载波频率( m h z ) ，h ( t ) 表示s r r c 滤波器的 脉冲成形函数，f r a m e ( t ) 为组帧后的基带信号，由帧头和帧体组成。 2 1 2 地面数字电视国家标准发射系统技术特点 地面数字电视国家标准采用了我国的自主发明专利和技术创新点，并在充 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 分分析国外现有数字电视传输标准的基础上，吸收了近年信息传输领域的新技 术，实现了较国外已有标准更佳的性能，体现自主创新具有与国外数字电视地 面传输标准不同特点、并能提高系统性能的主要关键技术有：利用特殊设计的 p n 序列作为同步和信道估计的符号保护间隔填充方法、低密度校验纠错码 ( l d p c ) 、系统信息的扩谱传输方法等【8 1 1 9 1 1 0 】。 ( 1 ) 使用能实现快速同步和高效信道估计的p n 序列帧头 为了实现系统同步和信道估计，美国a t s c 使用了一段p n 序列作为均衡器 的训练，欧洲d v b t 使用了时域循环前缀和频域导频。国标地面数字电视采用 特殊设计的p n 序列填充保护间隔，利用p n 序列实现了快速稳健的同步和快速 高效的信道估计。该p n 序列也可以用作为时域均衡器的训练序列，充分发挥判 决反馈的作用。由于去掉了导频，本标准不同于采用多载波o f d m 技术的欧洲 d v b t 和日本i s d b - - t 系统，既提高了频谱利用率，又易于单载波和多载波 调制两种模式的集成。 ( 2 ) 使用先进的信道编码 现有三种地面数字电视广播传输标准方案均使用级连码，其中a t s c 标准外 码使用r s 码，内码使用t c m 码；d v b t 标准外码使用r s 码，内码使用卷积 码；i s d b - t 标准外码也使用r s 码，内码也使用卷积码。国标准外码使用b c h 码，内码使用l d p c 码，因此本标准方案在相同频谱利用率条件下接收门限比 已有三个i t u 标准接收门限低，更利于固定和移动接收。 ( 3 ) 抗衰落的系统信息保护 采用w a l s h 正交序列联合扩频序列的方式来保护传输中的系统信息，使得系 统信息在多径时变信道时有很强的抗衰落特性。像g s m 中根据语音信息不同部 分的重要性来分层保护一样，通过该方式保护的系统信息具有很强的鲁棒性。 未来的手机电视等新业务可能需要在不同的帧传输不同的模式，抗衰落的系统 信息保护对这种情况下的应用有较大的意义。 ( 4 ) 支持单载波调制和多载波调制两种模式 目前我国电视大面积覆盖的基本情况是：城市有线电视用户( 含已数字化 改造后的用户) 仅占全国电视总用户数的1 3 ；四级办电视体制下的市县两级电 视机构构成了我国电视覆盖网的主体，这部分电视台( 占全国电视台总数和播 出功率总数的9 0 以上) 的基础设施水平远低于沿海发达地区较大规模电视台， 且短时间内不可能获得技术改造所需的大量资金；在城市中随着信息产业的高 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 速发展，电视业务出现了许多新的需求，如移动电视、与互联网电信网相关联 的交互式移动视频终端等。国准中的单载波模式由于采用了较小数据帧结构块 和特殊设计的信道估计与均衡技术，从而能跟踪上时变信道变化，能支持高速 移动接收。本标准中的多载波模式由于采用了p n 作为时域训练序列，同步性能 得到大大改善。本标准中的单载波和多载波模式各