（通信与信息系统专业论文）国标地面数字电视单频网重叠覆盖区性能研究.pdf

独创性( 或创新性) 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中所罗列的内容以外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机 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。 萎灵薹墨? 帮不实之处， 本人签名：丝整! 叁 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学 校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段 保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文 滞篡箬产逖竺? 鬣! 坐生一 本人签名：垂邀 日期：竺! ! ：! ： 一 导师签名： 一j 爿墓l同期：j 丝乒厶_ l i 一 国标地面数字电视单频网重叠覆 摘要 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 。 本标准为国家强制性标准，批准日期为2 0 0 6 年8 月1 8 日，2 0 0 7 年8 月1 日起正式实施。 国标地面数字电视采用了国家知识产权局评估为基础性发明的帧 结构和时域同步正交频分复用( t d s o f d m ) 体制，对单频网具有良好 的支持能力。考虑到我国模数过渡阶段频率资源紧缺的现状以及国标地 面数字电视对单频网的良好支持能力，单频网是我国国标地面数字电视 实现覆盖的主要组网模式。 单频网重叠覆盖区的性能决定着整张单频网的覆盖质量，本论文以 单频网重叠覆盖区的性能研究为课题，通过理论仿真与单频网重叠覆盖 区性能调整实践相结合，探索单频网重叠覆盖区性能调整与优化的方 法。 在理论仿真环节上，通过对单频网进行建模，从信道估计和信道均 衡的角度探索本地延时和发射台站之间的相对功率对单频网重叠覆盖 区内接收机接收性能的影响。 在实践环节上，根据本文作者长期的单频网组网、性能调整实践， 以北京地区单频网技术试验为例，介绍了单频网性能调整的过程。 本论文的研究通过理论与实践相结合，提出了单频网重叠覆盖区性 能调整与优化的一般方法，对于实际单频网的性能优化具有一定的指导 性的意义。 关键字：g b 2 0 6 0 0 2 0 0 6 ，单频网，重叠覆盖区，性能 l i 唧r e s e a r c ho no v e i 也a p p i n gc o v e r a g e a e r ao fs i n g l ef r e q u e n c yn e t w o r k i ng bt e r r e s t r i a i ，d i g l l a lt v a bs t r a c t 。i h es t a t es t a n d a r d i z a t i o n a d m i n i s t r a t i o no fc h i n ai s s u e d g b 2 0 6 0 0 2 0 0 6s t a n d a r d ，t h e d i g i t a l t e l e v i s i o nt e r r e s t r i a l b r o a d c a s t i n g t r a n s m i s s i o n s y s t e m f r a m e s t r u c t u r e ，c h a n n e lc o d i n g a n dm o d u l a t i o n s t a n d a r do na u g u s t3 0 ，2 0 0 6 ，w h i c hi san a t i o n a lc o m p u l s o r ys t a n d a r d t h e a p p r o v a ld a t ei sa u g u s t18 t h ，2 0 0 6a n dt h ei m p l e m e n t a t i o nd a t ei sa u g u s t 1 s t ，2 0 0 7 t h eg bt e r r e s t r i a ld i g i t a lt vu s e st h ef r a m es t r u c t u r ea n dt i m e d o m a i n s y n c h r o n o u so r t h o g o n a lf r e q u e n c y - d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( t d s - o f d m ) s y s t e mw h i c hi se v a l u a t e da sab a s i ci n v e n t i o nb yt h es t a t ei n t e l l e c t u a l p r o p e r t yo f f i c e i tc a ns u p p o r tt h es i n g l ef r e q u e n c yn e t w o r k ( s f n ) w e l l c o n s i d e r i n g t h e s h o r t a g e o ff r e q u e n c yr e s o u r c e sa n dg b 2 0 6 0 0 2 0 0 6 s t a n d a r d ss u p p o r t a b i l i t yf o rt h es f n ，s f ni st h ep r i m a r yn e t w o r k i n gm o d e l f o rg bt e r r e s t r i a ld i g i t a lt vt oa c h i e v ec o v e r a g e t h ep e r f o r m a n c eo fo v e r l a p p i n gc o v e r a g ea r e ad e t e r m i n e st h eq u a l i t y o fs f n t h i s p a p e rf o c u s e so nt h er e s e a r c ho ft h ep e r f o r m a n c eo f o v e r l a p p i n gc o v e r a g ea r e a , a n de x p l o r e st h ea d j u s t i n ga n do p t i m i z a t i o nb o t h t h e o r e t i c a l l ya n dp r a c t i c a l l y i nt h e o r e t i c a ls i m u l a t i o n ，t h i sp a p e re x p l o r e st h ee f f e c tb r o u g h tb y p o w e ra n dl a t e n c y 。 i n p r a c t i c e ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ep r o c e s s o fa d j u s t i n gt h e p e r f o r m a n c eo fs f n b a s e do nl o n g t e r mp r a c t i c eo nn e t w o r k o p t i m i z a t i o n t h ep r o p o s e dm e t h o di nt h i sp a p e ri si n s t r u c t i v ef o rt h ef u t u r er e s e a r c h a n dw o r ko f s i i i 一2 0 0 6 ， s i n g l ef r e q u e n c yn e t w o r k ( s f n ) ， p e r f o r m a n c e 目录 第一章绪论1 1 1 地面数字电视发展历程l 1 1 1 地面数字电视相对于模拟电视的优势l 1 1 2 各国地面数字电视开展情况2 1 1 3 地面数字电视标准化情况3 1 2 本文的主要内容6 1 2 1 本文的主要研究内容6 1 2 2 本文的内容安排。6 第二章地面数字电视传输信道8 2 1 电视信道分类8 2 2 地面无线信道的特点8 2 2 1 地面无线信道的主要特点8 2 2 2 地面无线信道中的电磁波传播9 2 2 3 地面无线信道电磁波传播损耗9 2 3 地面数字电视电波传播模型1 1 第三章单频网技术在国标地面数字电视中的应用1 3 3 1 国标简介13 3 1 1 国标地面数字电视系统结构1 3 3 1 2 国标地面数字电视帧结构1 3 3 2 地面数字电视组网模式1 5 3 3 地面数字电视单频网系统结构16 3 3 1 单频网适配器1 8 3 4 单频网技术在国标地面数字电视中应用的理论依据2 l 3 4 1o f d m 技术简介2 l 3 4 2o f d m 调制解调基本原理j 2 2 3 4 3o f d m 的保护间隔与循环前缀2 3 3 4 4 国标地面数字电视中的保护间隔2 5 第四章单频网重叠覆盖区性能仿真研究2 6 4 1 单频网重叠覆盖区建模。2 6 4 1 1 单频网重叠覆盖区定义2 6 4 1 2 单频网重叠覆盖区内接收功率2 7 4 1 3 单频网重叠覆盖区接收信号建模2 7 4 2 单频网重叠覆盖区性能仿真系统建模2 9 4 2 1 国标地面数字电视基于p n 序列的信道估计3 0 4 2 2 国标地面数字电视中的信道均衡3 4 4 3 单频网重叠覆盖区性能仿真3 5 4 3 1 单点发射与单频网发射接收性能比较3 5 4 3 2 延时和功率调整对接收性能的影响3 7 v 4 0 4 0 实践4 2 z i ：! 4 3 4 5 4 5 ! ；1 5 7 5 7 ! ；7 ! ； ； 6 ( ) 61 v i 北京邮电人学2 0 1 0 届硕上研究生毕业论文 第一章绪论 在模拟电视阶段，广播电视实现无线覆盖的主要方式为多频网，即相邻发射台 需要使用不同的频率发送节目以避免同频干扰，频率资源需要在一定距离之外才能 重用。随着o f d m 多载波调制技术在地面数字电视系统中的应用，地面数字电视 的覆盖方式中引入了单频网( s f n ) 组网模式，即在一个区域内各个发射台站可以 在同一时刻、同一频率下发送同一套节目以覆盖整个区域。单频网技术的引入大大 的缓解了频率资源紧缺的现状。同时，通过单频网发射网络的合理设置，可以用多 个小功率发射机达到一个大功率发射机的覆盖效果甚至更优，可以减小信号的辐射 与电磁波污染。目前单频网在国内外地面数字电视的覆盖中被广泛应用。 2 0 0 6 年8 月3 0 同，我国国家标准化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即g b 2 0 6 0 0 2 0 0 6 ，它是一个强制性的标准，现 在已经在全国推广应用。因此基于国标地面数字电视的单频网性能研究具有一定的 实际应用价值。 1 1 地面数字电视发展历程 1 1 1 地面数字电视相对于模拟电视的优势 从1 9 2 8 年在美国纽约州斯勘尼克塔狄( s c h e n e c t a d y ) 进行第一次电视广播以来， 电视技术的发展日新月异，经历了从模拟黑白电视、模拟彩色电视到数字电视的发 展历程。模拟电视顾名思义就是指其电视信号是以幅度和时间都连续变化的模拟信 号的形式传输的。模拟电视信号的传输形式也就决定了模拟电视一系列的缺陷，包 括图像清晰度差、抗干扰能力差、带宽利用率低、稳定性差等等。随着人们对高质 量的试听享受的不断追求，模拟电视渐渐满足不了人们的要求。自从上世纪9 0 年 代开始，广播电视数字化风潮席卷全球，其信源采用数字压缩编码技术，信道传输 采用纠错编码技术与数字调制技术。相对于模拟电视，数字电视具有如下优势： 1 ：更高的频谱利用效率 数字电视相对于模拟电视而言具有更高的频谱利用效率。传统的模拟电视，一 个8 m 带宽只能传送一套模拟电视节目。而对于数字电视，一个8 m 带宽至少能传 输4 8 套标准清晰度电视或者一套高清晰度电视。同时，数字电视能够通过单频网 技术( s i n g l ef r e q u e n c yn e t w o r k ) 实现无线网络的覆盖，这也大大的提高了频谱资源的 利用效率。 在技术研究、覆盖网建设、业务推广和运营等方面积累了丰富的经验。各国普遍组建 全国性的运营公司开展地面数字电视业务并且首先都采用公共服务的方式免费收看， 政府还给予了政策和经济支持。与此同时，少数国家在普遍开展免费业务的基础上 还探索性地开展地面数字电视收费电视业务。各国地面电视业务推广情况如下n 1 ： 英国于1 9 9 8 年开始数字电视的地面广播服务，目前已提供4 0 多套电视节目和2 0 多 套广播节目，数字电视覆盖率已接近7 5 ，并计划在2 0 12 年停止模拟电视的播出。 意大利于2 0 0 4 年1 月正式开播地面数字电视，最初是提供免费电视业务服务。2 0 0 5 年开始提供基于按次付费的意大利足球甲级联赛的实况比赛，计划于2 0 1 2 年停止播出 地面模拟电视信号。 2 北京邮电人学2 0 1 0 届烦j ：研究生毕业论文 法国于2 0 0 5 年3 月3 1 日开播地面数字电视，提供2 9 个频道包括个1 8 免费频道和1 1 个付费频道。预计到2 0 1 1 年法国地面数字电视广播( d 1 m ) 用户可达1 4 9 0 万户将成 为法国最大的数字电视平台。 瑞典地面数字电视于19 9 9 年9 月开播是世界上开播地面数字电视服务最早的国家 之一，并于2 0 0 7 年1 0 月1 5 同彻底关闭了地面模拟电视信号。 美国于1 9 9 6 年1 2 月正式确定采用a t s c 作为美国数字电视地面广播标准。1 9 9 8 年 美国开始地面数字电视的播出截至2 0 0 5 年6 月，在2 0 9 个电视市场中已有1 4 9 1 座地面 电视台( 其中包括2 8 9 座公共电视台) 开办了数字电视频道，覆盖了9 9 7 的电视家庭。 2 0 0 7 年3 月1 日起全面禁售模拟电视机，2 0 0 9 年2 月1 7 日将关闭地面模拟电视信号。 日本于2 0 0 3 年1 2 月1 日采用i s d b t 地面数字电视标准正式开播地面数字电视， 2 0 0 6 年开始全国普及数字电视，转播站也将陆续修建，预计于2 0 11 年7 月全面完成数 字化。 韩国于2 0 0 3 年起在6 个城市开展地面数字电视业务，到2 0 0 4 年推广到全部省会城 市，2 0 0 5 年全国开播。韩国政府计划在2 0 1 0 年结束模拟信号传输。 中国已经于2 0 0 6 年8 月确定地面数字电视国标( g b 2 0 6 0 0 2 0 0 6 ) ，并预定在 2 0 1 0 年到2 0 1 5 年逐步停播模拟电视播放，全面提供数字电视服务。 1 1 3 地面数字电视标准化情况 地面数字电视在美国、欧洲和日本的发展基本上是同时进行的，由于这些国家 的数字电视广播标准化组织都具有强烈的知识产权意识，或多或少地受其它相关标 准的影响( 例如m p e g 2 视频和音频编码标准) ，同时都致力于发展自有知识产权、 可以和当地现有的媒体和带宽相兼容的传输标准，从而导致了所制定的数字电视标 准之间存在着一定的差异n 羽。美国、欧洲、日本分别制定了三种传输标准( a t s c 、 d v b t 、i s d b t ) 并相继被国际电联所采纳。 1 1 3 1 美国a t s c 标准 a t s c 标准是由美国的高级电视委员会开发，它采用格形编码的八电平残留边带 ( t r e l l i sc o d e d8 - l e v e lv e s t i g i a ls i d e b a n d ，8 - v s b ) 调制。它是按6 m h z 带宽设计的系 统，在地面信道中能可靠的传送1 9 4 m b i t s s 的数据，在有线信道中能可靠的传送 3 8 8 m b i t s s 。其图像分辨率为普通电视的5 倍。 a t s c 系统能够有效的抵抗n t s c 模拟电视的干扰，同时对n t s c 模拟电视的干扰 也很小。它能够有效的抑制高斯白噪声，对脉冲干扰、相位噪声的抑制能力也较强， 具有较低的峰均功率比。但是同时由于a t s c 的设计目标是用于室外固定接收的地面 3 北京邮电大学2 0 1 0 届硕l ：研究生毕业论文 广播和有线分配系统，因此其对移动接收的支持能力较差。n t s c 的接收性能高度依 赖予自适应均衡器，当信道中存在多径回波时，通常其均衡器结构需要非常复杂。 a t s c 系统最主要的问题在对付强动态多径上的性能较差。对于时延较小的强多径情 况，导频信号受到的影响比较严重，同步出现难，均衡器的性能急剧下降。在系统中 虽然使用了训练序列用以跟踪动态信道，但是两个训练序列之间相隔2 4 m s ，无法有 效跟踪变化较快的信道。同时系统中还使用了结构复杂的判决反馈( d f e ) ，利用数据 自身的误差对信号进行自适应调节，但判决反馈需要信道被均衡到错误判决少于1 0 时才能正常工作，而且d f e 是i i r 结构，在强多径情况下是不稳定的。另外，系统较 强的抵抗n t s c 模拟电视的干扰是以加入梳状滤波器牺牲约3 d b 的载噪比指标为代价 的。 a t s c 标准主要应用于美国、加拿大、韩国、洪都拉斯和墨西哥。 1 1 3 2 欧洲d v b t 标准 欧洲电信协会e t s i 于1 9 9 7 年6 月正式提出欧洲数字电视视频地面广播( d i g i t a l v i d e ob r o a d c a s t i n g - t e r r e s t r i a l ，d v b t ) 标准。采用多载波正交频分复用技术 ( c o f d m ) ，载波模式有2 k 与8 k 两种模式，其8 m 带宽内能够传输的有效净比特码 率在4 9 8 31 6 7 m b i t s 范围内，码率取决于编码参数、保护间隔以及调制类型的选择。 d v b t 系统将信道分成许多子信道，将数据通过串并转换，分别在各个子信道上 传输。系统中同时还放置了大量的导频信号，其功率大于数据功率3 d b 。接收端利用 这些导频信号完成系统同步、载波恢复、时钟调整和信道估计。同时d v b t 系统还采 用了o f d m 的保护间隔技术，只要多径信号的最长延时大于保护间隔，系统就能有效 的对抗多径干扰。但是同时d v b t 的导频信号和保护间隔占据了占据了大量的有效带 宽，如果采用较大的保护间隔，其所占比例将超过3 0 ，使得频带损失严重。其次， c o f d m 的细同步算法需要利用导频信号在频域上实现，而导频信号是在d f t 之前插 入的，进行d f t 计算又需要在同步之后才能进行正确进行。因此，c o f d m 中的同步 需要迭代逼近，存在收敛误差和收敛时间的问题。再者使用c o f d m 进行信道估计时， 要获得一次全信道估计需要连续的4 个c o f d m 帧，信道估计时间较长，因此对于跟 踪快速变化的信道性能并不好。 d v b t 标准主要应用于欧洲各国以及印度、新加波、中国台湾、澳大利亚。 1 1 3 3r 本i s d b t 标准 1 9 9 5 年日本无线电工商业协会( a s s o c i a t i o no f r a d i oi n d u s t r i e sa n db u s i n e s s e s ， a r i b ) 提出了日本地面综合业务数字广播( t e r r e s t r i a li n t e g r a t e d s e r v i c ed i g i t a l b r o a d c a s t i n g ，i s d b t ) 标准。它系统的综合了各种类型的数字内容，可包括从s d t v 4 北京邮i u 人学2 0 1 0 届硕i ：t o f 究生毕业论文 到h d t v 的多节目视频、多节目音频、图形和文本等。 该标准是一种在欧洲标准基础上加入频带分段传输( b a n d w i d t hs e g m e n t e d t r a n s m i s s i o n ，b s n 技术的新体制，b s t 技术是指将地面电视信道带宽分成1 4 个小 段，每个小段称为一个b s t 段。以6 m 带宽为例子，则每个b s t 段带宽为 6 1 4 m h z = 4 2 8 6 k h z 。不同的b s t 段可以采用不同的载波调制方案和内码编码码 率，因此每段都能满足不同的业务需求。同时这些b s t 段还能灵活的组合在一起， 以提供宽带的服务。但是该系统在实现业务多样化的同时也付出了相应的代价，如 频谱分段传输对系统频率分集性能与净载荷率的影响；采取以频谱分段为基础实现 不同误码率分层传输对系统复杂度的影响；在系统内层采用延时长达数百毫秒交织 环节对系统业务同步响应的影响。 i s d b - t 的传输方案与d v b t 相似，也是采用c o f d m ，其性能与d v b t 近 似。 i s d b - t 标准主要应用于日本，目前巴西也已决定采用其标准。 1 1 3 4 中国的数字电视标准 2 0 0 6 年8 月3 0 同国家标准化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，即g b 2 0 6 0 0 2 0 0 6 。该标准融合了清华大学 d m b t h ( t e r r e s t r i a ld i g i t a l m u l t i m e d i a t v b r o a d c a s t i n g ) 与上海交大 a d t b t ( a d v a n c e dd i g i t a lt vb r o a d c a s t i n g - t e r r e s t r i a l ) 。该标准是国家强制性标准， 融合了单载波与多载波两种模式，实现了关键技术的创新，同时具有多项自主知识 产权的专利技术。它支持在8 m 带宽内传输4 8 1 3 m b p s 3 2 4 8 6 m b p s 的净荷数据率， 支持固定接收与移动接收。在固定接收模式下支持标准清晰度数字电视业务、高清 晰度电视业务、数字声音广播业务、多媒体广播与数据服务业务；在移动接收模式 下支持标准清晰度数字电视业务、数字声音广播业务、多媒体广播与数据服务业务。 该标准支持单频网与多频网两种组网模式，可根据应用业务的特性和组网环境选择 不同的传输模式和参数，并支持多业务的混合模式，达到业务特性与传输模式的匹 配，实现业务运营的灵活性和经济性。 国标地面数字电视( g b 2 0 6 0 0 2 0 0 6 ) 采用了t d s 。o f d m 技术，它将多载波调 制技术与扩频通信相结合。t d s o f d m 技术将o f d m 的循环前缀用p n 序列填充， 并用填充的p n 序列做时域同步，包括帧同步、频率同步、时间同步、信道传输特 性估计和跟踪相位噪声等。与c o f d m 技术不同，t d s o f d m 中不需要加入导频 信号，因此即保留了o f d m 技术的优点，又避免了c o f d m 技术的缺点。 与现行的美国a t s c8 - v s b 系统，欧洲d v b tc o f d m 系统，日本 5 北京邮电人学2 0 1 0 届硕。t ：研究生毕业论文 i s d b t o f d m 系统相比，我国的数字地面电视标准具有相当或更优的测试结果。 它具有更高的接收灵敏度，纠错能力强、合理的帧结构等使系统在更低的载噪比下 获得良好的接收效果；更大的有效载荷，系统频谱利用率高，传输更多的有效载荷； 更好的抗误码能力，获得更好的系统误码性能；简单、精确、快速同步，支持高速、 高码率、单天线接收，更容易实现与通信网络的交互；在高速移动状态下接收，采 用时域的快速信道估计技术，使系统同步和信道估计时间由其他标准的约2 0 0 m s 和 l m s 分别降低到2 m s 和0 6 m s 左右；同一网络结构下支持多种业务模式，与绝对 时间同步的帧结构和时频域混合处理使国标可以在物理层支持包括手持终端在内 的多种业务模式；更好地单频网支持，与绝对时间同步的帧结构，使其单频网同步 ， 设备更易实现，同时可在更大范围内支持移动接收单频网；更强的功能扩展，支持 互连网的扩展设计、灵活的接v i 方案。 1 2 本文的主要内容 1 2 1 本文的主要研究内容 考虑到我国模数过渡阶段频率资源紧缺的现状以及国标地面数字电视对单频 网的良好支持能力，单频网是我国国标地面数字电视实现覆盖的主要组网模式。本 文的主要研究内容集中在单频网重叠覆盖区的性能研究上，通过理论仿真与单频网 重叠覆盖区性能调整实践相结合，探索单频网重叠覆盖区性能调整与优化的方法。 在理论仿真环节上，对单频网进行了建模，从信道估计和信道均衡的角度探索 本地延时和发射台站之间的相对功率对单频网重叠覆盖区内接收机接收性能的影 响。 在单频网重叠覆盖区性能调整实践环节上，本文作者在研究生阶段一直从事单 频网( 包括地面数字电视单频网与移动多媒体电视单频网) 的组网、性能优化调整 以及覆盖性能测试工作。 单频网重叠覆盖区的接收性能直接决定着整张单频网的覆盖质量，本文的研究 通过理论与实践相结合，提出了单频网重叠覆盖区性能调整与优化的方法。因此本 文的研究对于实际单频网的性能优化具有一定的指导性的意义。 1 2 2 本文的内容安排 一本文的后续章节安排如下 第二章：介绍地面数字电视传输信道特点以及常用的电波传播模型，这是第四 章性能仿真的理论基础； 6 北京邮i u 人学2 0 1 0 届硕i ：研究生毕业论文 第三章：研究了国标地面数字电视帧结构以及单频网系统结构，对单频网在国 标地面数字电视覆盖中的应用原理做了理论分析； 第四章：4 1 节对单频网重叠覆盖区进行了建模，包括对重叠覆盖区进行定义 以及对重叠覆盖区内的接收功率、接收信号模型进行了研究；4 2 节对本论文的仿 真系统进行了建模，对仿真环节中的信道估计与信道均衡算法进行了研究；4 3 节 根据单频网模型以及仿真模型对单频网重叠覆盖区内的接收性能做了仿真，分析仿 真结果得出结论。4 4 对单频网是否存在增益从各个不同的角度进行了分析。 第五章：根据本文作者长期的单频网组网、性能调整实践，以北京地区单频网 技术试验为例，介绍了单频网性能调整的过程与方法。 7 2 1 电视信道分类 北京邮电大学2 0 1 0 届硕1 二研究生毕业论文 第二章地面数字电视传输信道 电视广播的传输方式主要有卫星、有线和地面三种传输方式。卫星传输用于解 决大面积覆盖；有线电视广播用于解决“信息到户”，主要是城镇等人口居住稠密、 高楼大厦林立的地区；地面无线广播做为广播电视最传统的覆盖手段，由于地面接 收特有的接收便利和移动接收的能力，能够满足现代信息化社会所要求的“信息到 人”的基本要求n 羽。卫星信道与有线信道可认为是恒参信道，即其信道冲激响应是 非时变的，当冲激响应满足一定条件时，信号经过信道可以不失真。而在地面无线 信道中，因为信号在空间中自由传播，因此其所受到的干扰最多、最严重，被认为 是随参信道。随参信道具有三个特点，即对信号的衰耗随时间变化、对信号的时延 随时间变化以及多径效应。按照无线信道对接收信号的影响，可以分为大尺度效应 与小尺度效应。大尺度效应主要包括：视距损耗、绕射、阴影和雨或植被造成的衰 弱等效应；小尺度效应主要是指由于多普勒频移与多径效应引起的衰弱。 2 2 地面无线信道的特点 2 2 1 地面无线信道的主要特点 地面无线信道有三个主要特点口3 l 传播的开放性 一切无线信道都是基于电磁波在空间的传播来实现开放式信息传输的。它不同 于固定的有线通信，是基于全封闭式的传输线来实现信息传输的。 2 接收环境的复杂性 接收环境的复杂性是指接收点地理环境的复杂性与多样性。一般可以将接收点 地理环境划分为下列3 类典型区域：高楼林立的城市繁华区；以一般建筑物为主体 的近郊区；以山丘、湖泊、平原为主体的农村和远郊区。 3 用户的随机移动性 针对地面电视广播的移动接收，包括慢速步行用户的接收与高速车载用户的接 收。 8 北京邮i 毡人学2 0 1 0 届硕上研究生毕业论文 2 2 2 地面无线信道中的电磁波传播 在无线信道中，电波传播的几种主要方式为：直射波、反射波、绕射波以及散 射波。它们的主要特点： ( 1 ) 直射波：它指在视距覆盖区内无遮挡的传播，直射波传播的信号最强。 ( 2 ) 反射波：指从不同建筑物或其他物体反射后达到接收点的传播信号。反 射波的信号强度次之。 ( 3 ) 绕射波：从较大的山丘或建筑物绕射后达到接收点的传播信号，其信号 强度与反射波相当。 ( 4 ) 散射波：由空气中离子受激后二次反射所引起的漫反射后到达接收点的 传播信号，其信号强度最弱。 2 2 3 地面无线信道电磁波传播损耗 地面无线信道中电磁波传播损耗可以分为三类，分别是路径传播损耗、慢衰落 损耗以及快衰落损耗。 ( 1 ) 路径传播损耗 路径传播损耗是指电波在空间传播所产生的损耗，它反映了在大范围的空间距 离上( 千米量级) 的信号传播损耗。在计算损耗时，通常认为大气传播近似于自由 空间传播，因此可将自由空间电波传播损耗认为是路径传播损耗。自由空间是指各 向同性、无吸收、电导率为零的均匀介质所存在的空间，是某些实际空间的一种科 学的抽象。当电磁波在自由空间中传播时，其路径可认为是连接收发信机的一条直 线。自由空间电波传播损耗可表示为： l p = l o l g ( 4 笋) 2 = 1 0 1 9 ( 半) 2 式( 2 1 ) 其中表示自由空间电波传播损耗，单位为d b ；d 表示路径长度，单位为m ；f 为 无线电波频率，单位为h z ；c 表示光速，即3 x 1 0 8 m s 。 将公式展开，可得： = - 1 4 7 6 + 2 0 1 9 d + 2 0 1 9 f 式( 2 2 ) 可见d 每增加1 倍，其路径损耗就增加6 d b ，同时，无线电波频率的提高也会 使路径损耗增大。 ( 2 ) 慢衰弱损耗 9 阻挡而 号均值 我们称 它主要 斯分布 时，其 间因距 收信号 时间选 于信道 称之为 的均值 ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 相干带宽为信道在两个频移处的频率响应保持强相关时的最大频率差。从式 ( 2 - 4 ) 可以看出相干带宽与时延扩展成反比。时延扩展越小，相干带宽越大；时延 扩展越大，相干带宽越小。当通过信道的信号带宽大于信道的相干带宽时，信号的 相关性变差，信号将会受到频率选择性衰落，从而引起码间干扰；当通过信道的信 号带宽小于信道的相干带宽时，则信号的相关性很强，信号受到平坦性衰落，也即 慢衰落。 时间选择性衰落 时间选择性衰落主要是由于接收机与发射台之间的相对运动所引起的。由于接 收机与发射台之间是相对运动的，接收机接收到的信号会发生多普勒频移。可用公 式表示 l o 北京i l l g l l 巳人学2 0 1 0 届硕i ：研究生毕业论文 石= 三c o s p 式( 2 5 ) 其中毛为多普勒频移，v 为接收机与发射台之间的相对移动速度，九为载波波 长，0 为到达接收机的入射波与运动方向的夹角。当0 等于0 时，即入射波方向与 运动方向同向时，多普勒频移达到最大。 根据最大多普勒频移，可以计算出相干时间t c = l f m a ；，它反映了信道冲激响应 的时变性。 其中表示最大多普勒频移。 当需要传输的信号的符号间隔大于信道的相干时间时，在信号的符号间隔内， 信道冲激响应快速变化，因此信号在传输过程中产生失真，也就是产生了时间选择 性衰落。相反，当所传信号的符号间隔小于信道的相干时间时，在信号的符号间隔 内，可以认为信道的冲激响应基本不变，此时信号受到平坦性衰落，也即慢衰落。 2 3 地面数字电视电波传播模型 地面数字电视电波频段主要是米波( v h f ) 和分米波( u h f ) ，国际电信联盟 无线电通信部门( i t u r ) 等国际组织对响应频段的电波传播特性进行了深入的研 究，综合得出的电波传播模型主要包括：3 7 0 模型、1 5 4 6 模型和5 2 6 模型，除了i t u r 建议书上的模型以外，常用的模型还有o k u m u r a h a m 模型与l o n g l e y - r i c e 模型。 ( 1 ) 3 7 0 模型 3 7 0 模型是基于i t u rp 3 7 0 建议书，其传播曲线主要由视距以内和视距以外两 部分构成。视距以内的曲线是在平滑地表的理论传播曲线的基础上根据大量的实测 数据进行修正得出的：视距以外的曲线则完全是根据大量的实测数据绘制而成。该 模型已于2 0 0 1 年1 0 月撤销，被i t u rp 1 5 4 6 所代替。 ( 2 ) 1 5 4 6 模型 1 5 4 6 模型是在3 7 0 模型的基础上发展而来，其在频率适用范围与距离适用范围 上都较3 7 0 模型有较大的提高。在频率适用范围上，从3 7 0 模型的3 0 1 0 0 0 m h z 扩展到3 0 3 0 0 0 m h z ，分为3 0 3 0 0 m h z 、3 0 0 1 0 0 0 m h z 、1 0 0 0 3 0 0 0 m h z 三 个频段，距离适用范围从3 7 0 模型的1 0 1 0 0 0 k m 扩展到l 1 0 0 0 k m 。同时，1 5 4 6 模型同时还对海洋陆路混合路径传播给出了具体的场强修正算法，对气候条件的变 化也给出了校正因子。世界上许多国家和地区都采用基于1 5 4 6 模型进行规划分析 和双边协调。 ( 3 ) 5 2 6 模型 1 2 第三 3 1 国标简介 3 1 1 国标地面数字电视系统结构 。国标数字电视地面广播传输系统发送端完成从输入数据码流到地面电视信道 传输信号的转换。输入数据码流经过扰码器( 随机化) 、前向纠错编码( f e c ) ， 然后进行从比特流到符号流的星座映射，再进行交织后形成基本数据块。基本数据 块与系统信息组合( 复用) 后，经过帧体数据处理形成帧体。而帧体与相应的帧头 ( p n 序列) 复接为信号帧( 组帧) ，经过基带后处理转换为基带输出信号( 8 m h z 带宽内) 。该信号经正交上变频转换为射频信号( u h f 和v h f 频段范围内) 。其 原理框图如图3 1 所示 塑颦懦剥 帧头 一 i 鬻卜 帧 基正 体 组 带 交 后 上 i 与交织i 复数 帧 处 变 用据 系统信息卜 处 理频 理 图3 - i 国标地面数字电视系统框图 其中加扰是为了保证传输数据的随机性以便于传输信号处理；前向纠错编码由 外码( b c h 码) 和内码( l d p c 码) 级联实现 3 1 2 国标地面数字电视帧结构 国标地面数字电视系统帧结构是一种四层结构，如图3 2 所示。 1 3 一viilj 北京l i l l j t e 人学2 0 1 0 届硕i j 研究生毕业论文 l0 c 2 4 臼d ， 1 4 3 9 i i ( 、时 l 上上= = 二= = 二l 歹土- 上上= = = 二u 0 ：0 ：0m ，7 分帧、 2 4 ：0 0 ：0 0m ( 1 分钟)、 o 、4 7 9 上二二= = = - _ 上_ 7 l 上二= = = = 上二二土 0 ：0 7 越l 帧，。 1 ：0 0 ( i 2 5 毫秒) 、 ，、 l ；i：ill 。 i ： i：；j 酋帧，一。侪号帧 、。、 5 5 5 加柳8 巾啪2 、 k ：些兰i 些竺 二：；l 卜。p n 序翔一叫一一数据块叫 图3 - 2 国标地面数字电视系统帧结构 其中，数据帧结构的基本单元为信号帧，信号帧由帧头和帧两部分组成。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 y f 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。 超帧的时间长度定义为1 2 5 m s ，8 个超帧为1 s ，这样便于与定时系统( g p s ) 校 准时问。分帧的时间长度定义为1 m i n ，包含4 8 0 个超帧。日帧以一个公历自然同为 周期进行周期性重复，由1 4 4 0 个分帧构成，时间为2 4 h 。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。 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速率相同( 7 5 6 m s p s ) 。帧体部分包括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。帧体长度是5 0 0 u s ( 3 7 8 0 7 5 6 u s ) 。 帧头部分由p n 序列构成，帧头长度有三种选项，分别为长度4 2 0 、长度5 9 5 、长度9 4 5 。 针对三种不同的帧头长度，国标地面数字电视有三种不同的信号帧结构，如图3 3 所示 l 帧头( 4 2 0 个符号) i 帧体( 含系统信息和数据) ( 3 7 8 0 个符号) l l ! 至兰：鱼堕!l ! ! q 塑璺!i 国标信号帧结构1 l 赫个符引降( 含系统信息和数据) ( 3 7 8 0 个符驯5 。i 国标信号帧结构2 l 麓s 个符引降( 含系统信息和数据) ( 3 7 8 。个( 5 0 i 国标信号帧结构3 图3 3 国标地面数字电视信号帧结构 北京邮l u 人学2 0 1 0 届硕上研究生毕业论文 帧头模式l 其帧头长度为4 2 0 个符号，由一个前同步、一个p n 2 5 5 序列和一个后 同步构成。前同步和后同步定义为p n 2 5 5 序列的循环扩展，其中前同步长度为8 2 个 符号，后同步长度为8 3 个符号，如图3 4 所示。帧头模式1 中的产生p n 2 5 5 序列的 生成多项式为g 2 5 5 ( x ) = l + x + x 5 + x 6 + x 8 。 i前同步8 2 个符号l p n 2 5 5 l 后同步8 3 个符号l 图3 - 4p n 4 2 0 结构 帧头模式2 采用1 0 阶最大长度的位随机二进制序列截短而成，帧头信号的 长度为5 9 5 个符号，是该长度为1 0 2 3 的m 序列的钱5 9 5 个码片。生成该最大长度 的伪随机二进制序列的生成多项式为g 1 0 2 3 ( x ) = 1 + x 3 + x l o 。 帧头模式3 其帧头长度为9 4 5 ，由一个前同步、一个p n 5 1 1 序列和一个后同 步构成。前同步与后同步均为p n 5 11 序列的循环扩展且长度均2 1 7 个符号。其 生成多项式为g 川( x ) = 1 + x 2 - i - x 7 + x 3 + x 9 。 论文中的研究都是以帧头长