（通信与信息系统专业论文）移动数字电视dvbh链路层关键技术研究.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 移动数字电视d v b h 链路层关键技术研究 通信与信息系统 崔星( 签名 李白萍( 签名 摘要 d v b h 标准以d v b t 为基础，是为通过地面数字广播网络向手持终端提供多媒体 业务所制定的传输标准。完整的d v b h 系统包括物理层、链路层以及业务信息。d v b h 在链路层使用了以下两项技术：( 1 ) 时间分片技术，用于降低手持终端的平均功耗，便于 进行平稳、无缝的业务切换；( 2 ) 多协议封装前向纠错技术( m p e f e c ) ，用于提高移动 信道中的c n 门限和多普勒性能，也能增强抗脉冲干扰的能力。 本文对d v b h 数据链路层的m p e f e c 和时间分片技术进行研究。将一种利用提取2 比特删除信息进行译码的机制与标准中建议的采用c r c 3 2 循环校验得到删除信息的方 法进行比较，仿真验证了此方法可以提高可接收数据的利用率。 对利用时间分片技术实现软切换的算法进行分析，提出了在设计d v b h 网络软切换 算法时需要考虑的5 个关键问题。在基于信噪比滞后余量的切换算法的基础上，提出一 种基于信噪比衰落速率的可变滞后余量的切换算法，理论上可以更好地解决乒乓效应、 “伪信号 和功耗问题，从而实现无缝切换。 关键词：d v b h ；数据链路层；多协议封装前向纠错；时间分片；软切换 研究类型：理论研究 s u b j e c t ：a n a l i z i n go fk e yt e c h n o l o g i e si nd v b - h d a t al i n kl a y e r s p e c i a l t y ：c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m n a m e：c u ix i n g i n s t r u c t o r ：l ib a i p i n g a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) d v b hb a s e do nd v b ti sat r a n s m i s s i o ns t a n d a r d ，w h i c hi ss e td o w nt op r o v i d e m u l t i m e d i as e r v i c e sf o rh a n d h e l dt e r m i n a l sb yt e r r e s t r i a ld i g i t a lb r o a d c a s t i n gn e t w o r k af u l l d v b hs y s t e mi sac o m b i n a t i o no fe l e m e n t so ft h ep h y s i c a la n dl i n kl a y e r s ，a sw e l la ss e r v i c e i n f o r m a t i o n d v b hm a k e su s eo ft h ef o l l o w i n gt e c h n o l o g i c a le l e m e n t sf o rt h el i n k l a y e r ：( 1 ) t i m e s l i c i n gt e c h n o l o g yi no r d e rt or e d u c et h ea v e r a g ep o w e rc o n s u m p t i o no f t h e h a n d h e l dt e r m i n a la n de n a b l es m o o t ha n ds e a m l e s ss e r v i c eh a n d o v e r ( 2 ) f o r w a r d e r r o r c o r r e c t i o nf o rm u l t i p r o t o c o le n c a p s u l a t e dd a t a ( m p e f e c ) t e c h n o l o g yf o ra ni m p r o v e m e n ti n c na n dd o p p l e rp e r f o r m a n c ei nm o b i l ec h a n n e l s ，a n da l s ot oi m p r o v et h e t o l e r a n c et o i m p u l s ei n t e r f e r e n c e t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e sm p e - f e ca n dt h et i m es l i c i n gt e c h n o l o g i e si nd v b hd a t a 1 i n kl a y e r a ne f f i c i e n td e c o d i n gm e t h o dw h i c hu s e s2b i te r a s u r ei n f o r m a t i o ni sc o m p a r e dt o t h er e c o m m e n d e dm e t h o di nt h es t a n d a r d w h i c hu s e sc r c 3 2t oo b t a i ne r a s u r ei n f o r m a t i o n c o m p u t e rs i m u l a t i o ni sa c c o m p l i s h e d t ov 丽匆t h en e wm e t h o dc a ni m p r o v et h a tt h e u t i l i z a t i o no fr e c e i v a b l ed a t a t i m es l i c i n gt e c h n o l o g yf o rs o f th a n d o v e ra l g o r i t h mi sa l s oa n a l i z e d f i v ek e yp r o b l e m s n e e d e dt od e s i g ns o f th a n d o v e ra l g o r i t h mi nd v b - hn e t w o r ka r ep r o p o s e d g r o u n d e du p o n p o s t - p r o c e s s i n go fv a l u e sb a s e dh a n d o v e ra l g o r i t h m ，v a r i a b l ep o s t - p r o c e s s i n go fs n r f a d i n g r a t eb a s e dh a n d o v e ra l g o r i t h mi sp u tf o r w a r d i nt h e o r y , p i n gp o n ge f f e c t ，f a k es i g n a l s ”，a n d p o w e rc o n s u m p t i o na r eb e t t e rs o l v e di no r d e r t oa c h i e v es e a m l e s sh a n d o v e r k e y w o r d s：d v b - hd a t al i n kl a y e rm p e f e c t i m es l i c i n gs o f th a n d o v e r t y p eo ft h e s i s - t h e o r ys t u d y 要斜技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文, p 口n 以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使玎过的材料。与我一同t 作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：位罨日期：刎 砷 l 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。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电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： 穆星 l 1 绪论 1 绪论 数字电视从视频信号和伴音信号全部用数字压缩编码，传输信道用数字通信的调制 和纠错技术，实现从节目制作、节目传输、节目接收的全过程、全系统的数字化，即全 数字电视，简称为“数字电视”。数字电视的图像清晰、稳定，图像质量不会因信号传 输距离的远近而变化。数字信号不会受传输距离和传输环境的影响而出现图像模糊、阴 影干扰、雪花或条纹，只要接收信号达到一定门限，就能再现原始信号。 目前，全球主要的移动数字电视广播标准包括欧洲的d v b h 、韩国的t - d m b 、日 本的i s d b t ，美国高通的m e d i a f l o 以及中国出台的d t t b s 、m m b 标准。上述几大标准 派系中，比较成熟的是欧洲标准d v b h 和韩国标准t - d m b 。其中d v b h 的发展脚步较 快，因此，对其链路层关键技术进行研究是很有必要的。 1 1 移动数字电视d v b h 标准 d v b h ( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g h a n d h e l d ) 是在d v b t 标准基础上稍做改动而形 成的，结合了移动通信和互联网i p 技术。它将电视广播与移动通信相结合，可开展移动 手机电视服务。基于d v b h 的i p 数据广播业务，将d v b h 与互联网i p 技术相结合，对移 动内容分配和接收进行优化。i p 数据广播以i p 数据包格式发送内容。这使得基于i p 的数 字信息可以用于电视广播；同样，数字电视广播节目也可在移动手持终端上接收。传输 数据流( t s ) 可为d v b t 和d v b h 共享，而不会影响d v b t 。d v b h 采用了时间分片技术 ( t i m es l i c i n g ) ，降低了手持设备的耗电量，为确保移动接收设备的电池支持长时间运行。 i p 数据广播在“突发 ( b u r s t s ) 期间接收数据信息，并对之进行缓存、回放。在“突发 的间隙，接收机关闭，以达到节电的目的。 手持设备屏幕小，所需数据量l i , d v b t 小。通过d v b h 发送i p 数据广播，每个频道 传输的码流是1 2 8 3 8 4 l 洲s ；而传统数字电视采用大屏幕，码流为2 5 m b s 。在同样条 件下，前者可传输5 0 - 8 0 个视频流节目，后者则可传3 4 个频道节目。 由于移动数字电视采用了数字电视技术，交通工具在时速1 2 0 k i n 之内的运动状态中， 也可以稳定、清晰地接收到电视节目，实时性强，移动数字电视服务的对象包括城市各 类运载工具和人流密集区域的流动人口。移动数字电视让移动人流随时随地可以看到电 视，获得更多更新的资讯，极大地满足了快节奏社会中人们对于信息的需求，受众可免 费获取信息；信息利用率高；信息覆盖面大；信息传播性价比高。 数字电视广播这种点到多点的传输方案已可以将更多形式的内容传输给用户，而且 结合无线通信网络和广播网络的特点，可以实现手机电视的交互式服务。众所周知，手 机正在从一个纯粹的通话设备迅速转变成个人通信娱乐设备、手机用户已经越来越多地 西安科技大学硕士学位论文 在使用m p 3 播放、音乐下载、e m a i l 、彩信、收听f m 调频广播、电影播放和游戏等功能。 而移动数字电视为下一代手机带来新动力。但是，如何解决电池功耗一直是手持数字电 视终端遇到的一个很大的问题。可以预想，收看移动数字电视、电影互动下载、浏览互 联网、进行可视通话和收听短波广播也将成为手机用户的使用选项。而这一应用发展趋 势也必将促进w i f i w i m a x 、3 g 4 g 、h 2 6 4 压缩解压缩、微硬盘和燃料电池等技术的 发展，以及它们在下一代手机中的融合。 i p 数据广播网络的拓扑构成规模，介于电视发射覆盖网和蜂窝式通信网之间。换言 之，其发射点要比传统电视广播网多，但比传统蜂窝式通信网少。实际中，可对现有电 视广播网的发射点与蜂窝式通信网的发射点进行组合。d v b h 可实现个性化数据服务， 满足大量商业化应用的需求：允许无缝漫游；可提供基于i p 的各种服务，同时可利用l p 进行加密服务。将蜂窝移动电话网和地面数字电视网相结合，可以在手机上实现数字电 视广播和多媒体综合服务。 新一代的多媒体移动标准d v b h 是d v b t 在移动接收方面的扩展。针对移动接收的 特点，d v b h 提出了几项颇受瞩目的新技术，实现了对手机等手持式移动终端接收地面 数字广播电视信号的良好支持，包括降低能耗、无缝切换、提高移动环境中的抗干扰能 力以及灵活的组网方案等。【l j 1 2d v b h 的发展趋势 d v b h 系统不是简单的将数据广播和d v b t 融合在一起，这主要是因为d v b h 标 准支持的是手机等小型终端设备，它们的天线更小巧，移动更为灵活，因此d v b h 传输 系统还具有以下特殊要求：由于接收端采用电池供电，为提高电池的使用时间，终端 应能够周期地关掉一部分接收电路以节省功耗；对于漫游的拥护，当用户进入新区域 后应仍能非常顺利的接收d v b h 业务；对于室内、室外、步行、乘车等不同的接收方 式，传输系统应能保证在各种移动速率下顺利接收d v b h 业务；在充斥大量脉冲干扰 的环境中，传输系统应能采取有效的措施减少该类干扰带来的影响；d v b h 作为手持 终端的通用业务规范，系统应能提供足够的灵活性以满足不同传输带宽和信道带宽要 求。 d v b h 将对广播和通信领域产生重大影响。d v b h 继承于d v b t ，在d v b t 网络 上只要做很小的修改就可以发送符合d v b h 标准的数据流。对采用d v b t 的国家( 约有 5 0 多个国家，主要集中在欧洲) 来说，推广d v b h 的代价相对较低，但是对于采用其他 地面数字电视传输标准的国家，这个问题就需要做进一步的探讨。在美国，地面数字电 视传输标准a t s c 采用8 v s b 技术，移动性较差，需要引入新的技术或标准来推广数字电 视，目前已有公司采用d v b h 技术布网：在r 本，考虑到功耗、移动性等因素，d v b h 甚至有取代日本本土i s d b t 标准的趋势。d v b h 标准主要是为数字电视广播做准备， 2 1 绪论 因此视频压缩技术是其中极其重要的技术，广播中传统的视频压缩标准，如e g 2 ， 显然不能满足d v b h 的需求。d v b 组织的d v b h 成员考查了多种视频压缩格式，其中 最为看重的是h 2 6 4 ( 即m p e g 4 的第1 0 部分) ，目前问题主要集中于h 2 6 4 的知识产权上； 另一个压缩格式是微软的w i n d o w sm e d i a 9 ，它的性能正在逐步提高。但是过多的选择可 能会使移动视频陷于混乱的局面，显然用户不希望面对这些彼此不兼容的平台。值得关 注的是，在中国，能否在最终确定的数字电视地面传输标准上做微小的改动，推出适合 手机等移动便携设备收看数字电视的标准。 总之，d v b h 标准主要解决了基于d v b 数据广播和地面电视标准融合后的两个问 题： ( 1 ) 采用基于时分复用的策略，实现节省功耗和业务的无缝交互。 ( 2 ) 增力r l d v b t 的模式和参数，使用额外m p e f e c 技术，提供健壮性更强的信号， 更为高效的网络规划手段，使得在室内低速率移动和室外高速率移动的手持终端( 特别 是手机) 都能正常进行业务访问。 1 3 本文研究内容及各章安排 本论文主要研究d v b h 数据链路层的m p e f e c 和时间分片技术。 研究m p e f e c 算法，给出用于帧校验的循环冗余校验( c r c ) 码的编码计算步骤。 分析m p e f e c 中采用的纠删纠错r s 译码的算法，尤其对r s 码超出纠错范围的情况进行 讨论。将一种利用提取2 l l 特删除信息进行译码的机制与标准中建议的采用c r c 3 2 循环 校验得到删除信息的方法进行比较，仿真验证了此方法可以提高可接收数据的利用率。 分析利用时问分片技术实现软切换的算法，提出在设计d v b h 网络软切换算法时需 要考虑的5 个关键问题。在基于信噪比滞后余量的切换算法的基础上进行了改进，提出 一种基于信噪比衰落速率的可变滞后余量的切换算法。理论上可以更好地解决乒乓效 应、“伪信号 和功耗问题，从而提高切换的成功率和平滑性。 本论文各章安排如下： 第一章介绍移动数字电视d v b h 标准及其发展趋势。 第二章对数字电视地面广播传输系统进行详述，重点对d v b h 不同于d v b t 而引入 的各项关键新技术进行介绍，并列举了d v b h 标准的主要参数。 第三章介绍d v b h 定义的数据链路层的数据结构；对d v b h 数据链路层的 m p e f e c 算法进行研究；对m p e f e c 中采用的纠删纠错r s 译码的算法以及r s 码超出纠 错范围的情况进行分析；仿真验证一种利用提取的2 比特删除信息进行译码的机制，在 8 k 模式，1 6 q a m ，1 4 保护间隔，2 3 码率的情况下，与标准中建议的方法相比有移动性、 抗突发干扰性的提高。 第四章研究d v b - h 数据链路层的时间分片和软切换技术。对利用时问分片技术实现 3 西安科技大学硕士学位论文 软切换的算法进行分析；并得到在5 0 0 k b p s 原始数据流数据率的情况下，接收机至少要 有4 秒的待机时间才能得到9 0 的功耗节省的结论。在基于信噪比滞后余量的切换算法 的基础上，提出一种基于信噪比衰落速率的可变滞后余量的切换算法。理论上可以更好 地解决乒乓效应、“伪信号 和功耗问题。 第五章对上述内容进行了总结，并提出了今后有待研究的课题。 4 2d v b h 标准研究 2d v b h 标准研究 d v b h 是建立在d v b 和d v b t 两个标准之上的标准，因此无论是结构模式还是数 据类型均与后两者相近甚至相同，但是它又不完全等同于两个标准的简单叠加，而是基 于自身独特的系统要求，在增加了许多新的技术模块之后而推出的新一代传输标准。 2 1d v b h 标准的系统总体方案 d v b h 总体方案示意图如图2 1 所示。它由数字电视前端系统、传输网络、多个发 射系统和手机接收系统组成。数字电视前端系统对信源的信息进行数据压缩。压缩标准 可以是国际标准h 2 6 4 ，在我国也可以是a v s 标准( 数字音视频编解码技术标准) 。传输 网络一般采用光纤网络，由光纤网络把信源送来的信号分发到各单频网( s e n ，s i n g l e f r e q u e n c yn e t w o r k ) 组成的蜂窝网的各发射机中，再由发射机进行开路广播。移动接收 设备或手机可接收信号，并可实现漫游。 一发射系统1 l 薷嘉案翼 _ 一 一发射系统2 手机电视 接收系统 叫发射系统n 图2 1d v b h 总体方案示意图 2 2 数字电视地面广播传输系统 d v b h 采用分级调制和多级编码来实现高、低优先级数据的分层广播。在发送端， 分离器将复用器输出的码流分为两个独立的m p e g 传输流。然后通过各自的扰码器，将 数据进行随机化；再经过r s 编码器、外交织器、卷积编码器、比特交织器和符号交织器 完成信道编码；通过映射将编码后的数据映射到信号的星座点上；经过o f d m 帧形成、 插入导频和t p s ；再通过i f f t ；最后插入保护间隔，实现正交频分复用。整个系统框图 如图2 2 所示。 5 西安科技大学硕士学位论文 ( a ) 发送端框图 ( b ) 接收端框图 图2 2 数字电视地面广播传输系统框图 为了保证接收机接收到分层发射的信号，分层仅限于信道编码和调制，不使用分层 源编码，因此不同的节目可用具有不同抗扰度的各自码流发射。无论在哪种情况下，接 收机仅需一组互逆的单元：内解交织器、内解码器、外解交织器、外解码器、解扰器。 唯一对接收机的附加要求是其调制器的逆映射器具有从发端映射码流中选择产生某一 码流的能力。 接收端的信号流程是这样的：从天线接收下来的信号经高频头，变成中频模拟信号， 6 2d v b h 标准研究 放大后经过a d 转换变为数字信号。其中a d 采样钟受晶振v c x o 控制，采样钟偏移由采 样钟同步部分估计得到。a d 转换后的数据一路做a g c 检测去控制高频头的输出，一路 经r c 变换成f f t 所需要的两路信号( 数据实虚部) 。 t i m i n gs y n c 部分估计得到一个时域符号同步头，并粗略估计由于收发频率不一致而 引起的频偏，再分别送至i j f f t 单元和f r e q s h i f t 单元去定出f f t 窗口位置和校正带有频偏 的数据。数据流经过数字频偏校j 下后，在f f t 单元做o f d m 解调。解调后的频域信号由 f r e qs y n c 模块和t p s 译码模块分别得到频域载波同步头和帧同步头位置，同时，采样钟 同步模块估计得到由于f f t 窗位置估计偏差及a i d 采样钟偏差带来的相位偏转值，在相 位校正块进行校正。校正后的数据经过信道估计，得到无线信道模型，经过均衡处理， 消除掉信道多径的影响，然后经过维特比量度、量化，进入和发端编码相逆的解码过程： 解内交织、维特比译码、r s 码同步、解卷积交织、r s 解码、解扰，最后得至t j t s 码流。 下面对各个部分进行简单描述。 ( 1 ) 信源编码及复用。该部分与数字有线电视d v b c 及数字卫星电视d v b s 相同，它 对多路数字音频及数据进行复用，合成多节目传输流( m p t s ) 。在复用器中插用e p g 电子 节目菜单，根据管理及服务模式对全部节目或部分节目进行加扰、加密，复用器的输出 信号可以传送至u d v b t 的发送端加入信道纠错及o f d m 调制。 ( 2 ) 分级调制。从复用器出来的信号被一分为二，d v b h 根据传输环境的不同，分 别实行不同的信道纠错保护，一个码流可以采用较强的纠错码，利用抗干扰性强的调制 方式如q p s k ，但码流率较低；另一个码流可以采用较弱的纠错码，利用抗干扰弱的调 制方式，例如1 6 q a m ，码流率较高。接收机通常接收码流率较高的码流，内容丰富， 图像质量优良；当传输信道恶化时，接收机可以转换到接收码流率较低的码流。 ( 3 ) 能量扩散。从复用器出来的传输流有可能包含连续的0 和1 ，使信号含有直流分量， 造成接收解码困难，能量扩散( 加扰) 的目的是采用随机的方法将这些连续的0 或1 分散 开来。 ( 4 ) p l - 宝q 错码。采用r e e ds o l o m o n 码，简称r s 码。它在m p e g 2 数字电视传输流1 8 8 字节上，加入1 6 个字节的冗余纠错码，构成一个2 0 4 字节长度的传输流，该纠错码主要 面向突发性连续错误。 ( 5 ) 外交织。外交织纠错也i l q f o m e y 卷积交织，其功能是将连续的错误打散，让它们 平均分布在多个1 8 8 传输包码流当中，以提高上面的外纠错码的纠错效率。 ( 6 ) 内纠错码。内纠错码也称卷积码。r s 码是面向1 8 8 长度的传输包进行纠错的，而 卷积码是面向比特的纠错码。根据加入的冗余码长度，可以分成1 2 、2 3 、3 4 、5 6 、7 8 四种。1 2 具有最强的纠错码能力，但是其保护码与有用码比例为1 ：1 ，带宽比较浪费， 7 8 的保护码只占有用的1 8 ，带宽利用率高，但是纠错能力弱。 ( 7 ) 内交织。包括比特交织及字符交织两部分。比特交织是将从内纠错码输出的二路 7 西安科技大学硕士学位论丈 码流分别按照q p s k 、1 6 q a m 和6 4 q a m 的要求交织成为二路、四路及六路比特流，然后 将分别含有2 比特、4 比特和6 比特的字符映射至l j 2 k 模式中的1 5 1 2 个载波或8 k 模式中的 6 0 4 8 个载波中，再实现字符交织( s y m b o li n t e r l e a v i n g ) 。 ( 8 ) 幅度相位映射。将上面分别由2 比特、4 l k 特和6 比特构成的字符，依据q p s k 、 1 6 q a m 和6 4 q a m - 一- - 种不同的调制方式，进行幅度和相位的映射。 ( 9 ) o f d m 帧形成。传输信号每帧由6 8 个o f d m 符号组成，持续期为t f 。每4 帧组成 一个超帧，每个符号由一组持续期为t s 的载波组成。2 k 模式的载波数k = 1 7 0 5 。t s 由持 续期为t u 的有用部分和持续期为d e l t 的保护问隔两部分组成。保护间隔与有用部分构成 周期性的连续段，它插入在有用部分t u 之前，一个o f d m 帧的符号数为0 6 7 。所有的符 号均含有数据和参考信息。 o f d m 帧结构允许在一个o f d m 超帧内传输一个整数的2 0 4 字节长的r s 码字节包， 因此，无论星座类型、保护间隔长度或码率如何，可避免任何填充的需要。每个o f d m 超帧内保护间隔为1 1 6 、码率为2 3 、2 k 模式和1 6 q a m 映射方式时非分层系统的有用比 特率为1 5 6 1 m b i t s 。由于o f d m 信号包括了许多分别被调制的载波，可依次将每个符号 分解为单元( c e l l ) ，每个单元对应于一个符号持续期内对某一载波的调制。 ( 1 0 ) 导频及传输参数信令插入。除了所传输的数据外，一个o f d m 帧包括：连续的 导频信号( c o n t i n u a lp i l o t s ) 、分散的导频信号( s c a t t e r e dp i l o t s ) 和传输参数信令( t p s ： t r a n s m i s s i o np a r a m e t e rs i g n a l i n g ) 。t p s 描述了d v b h 系统的主要传输参数，它包括：2 k 、 4 k 或8 k 模式，q p s k 、1 6 q a m 、6 4 q a m 调制方式，保护间隔，等级调制参数a ，内纠错 卷积码等。导频信号( p i l o t s ) 可用于帧同步、频率同步、时间同步、信道估计和传输模式 识别，也能用于跟踪相位噪声。 ( 1 1 ) o f d m 调制。o f d m 调制( 反向快速傅立叶变换i f f t ) ，实现了将i 、q 信号向2 k 模式1 5 1 2 个载波或向8 k 模式的6 0 4 8 个载波的转换。 ( 1 2 ) 保护间隔插入。为了克服反射波的干扰以及来自多个发射机的多波效应，将每 一帧最后一个字符进行重复作为保护间隔，重复长度可以是有用字符长度的i 4 、1 8 、 1 1 6 和1 3 2 ，以防止由于多路反射机上造成第n 一1 个字符与第n 个字符的重叠。1 7 j 2 3d v b h 关键新技术 d v b h 协议层次划分时，其中网络层不在d v b h 标准范围内，标准将实现数据链 路层和物理层。因此，一个完整的d v b h 的系统是由链路层、物理层以及服务信息组成 的。d v b h 在d v b t 的基础上，分别在物理层和链路层增加了以下的内容以实现上述对 于手持终端设备接收的特定要求： ( 1 ) 数据链路层。采用时间分片技术，用于降低手持终端的平均功耗，便于进行平稳、 无缝的业务交换。采用m p e f i i j 向纠错技术，用于提高移动使用中的c n 门限和多谱勒性 8 2d v b h 标准研究 能，同时也能增强抗脉冲干扰的能力。 ( 2 ) 物理层。在t p s 比特中增j j h d v b h 信令，用于提高业务发展速度。小区标识在 t p s 中指示，用于支持移动接收时的快速信号扫描和频率交换。增力1 1 4 k 模式以适应移动 接收特性和单频网小区的大小，提高网络设计、规划的灵活性。2 k 和4 k 模式进行深度 符号交织，进一步提高它们在移动环境和冲击噪声环境下的鲁棒性。 由于上述这些新措施大大改善蜂窝环境下的性能，d v b h 与d v b t 相比在以下3 个 方面得到改进：移动信道的c n 、移动信道的多普勒效应和抗脉冲干扰能力。另外在网 络设计上应充分考虑移动特性，由于d v b h 终端在网络内移动时接收天线小巧且单一， 因此对于大、中型单频网要有优化设计考虑。d v b h 标准对时间分片、蜂窝标识和 d v b h 信令技术作为强制性要求必须使用，其他各技术组合是可选的。 2 3 1 链路层的m p e f e c d v b h 标准在数据链路层为i p 数据报增加了r s ( r e e d s o l o m o n ) 坌q 错编码，作为m p e 的前向纠错编码，校验信息将在指定的f e c 段中传送，我们称之为m p e f e c 。它是用来 改善单天线的移动接收性能的，但是这种误码保护只在一个时间片工作。这部分内容在 标准中不是强制的，因此没有m p e f e c 功能的接收终端可以简单地略过f e c 段完成业务 接收，体现出很好的兼容性。 实验证明，即使在非常糟糕的接收环境中，适当的使用m p e f e c 仍可以准确无误恢 复出i p 数据。m p e f e c 的数据开销分配非常灵活，在其它传输参数不变的情况下，如果 校验开销提高到2 5 ，则m p e f e c 能够使手持终端达到和使用天线分集接收时相同的 c n 。实际上，我们可以通过选定一个高配置的传输参数提高传输码率来补偿m p e f e c 的开销，而它将提供 = l d v b t ( 没有m p e f e c ) 好得多的性能，例如在高速、单一天线的 情况下，采用m p e f e c 的手持终端能够在d v b t 环境下接收8 k 1 6 一q a m 甚至是 8 k 6 4 一q a m 信号，此外m p e f e c 提供非常好的抗脉冲干扰能力。 2 3 2 链路层的时间分片和软切换 时间分片( t i m es l i c i n g ) 基于时分复用技术，用于节省接收端功耗和便于网络交换。 采用时间分片技术使手持终端能够在业务传送空闲周期对相邻小区进行监视，扫描其他 频率信号、测试信号强度，但并不中断本业务的接收。那么当用户进入新的小区时，手 持终端根据监视结果在空闲周期切换到具有相同业务的不同传输流上，从而实现准最 优、无缝业务交换。此时，需要考虑的问题是这种监视工作必定会影响降低功耗要求， 实际上如果将这种影响限制在一个可接受的量级，减少需监测信号的数量，就可以满足 d v b h 系统的要求。 9 西安科技大学硕士学位论文 2 3 3 物理层的4 k 传输模式 d v b h 标准在d v b t 原有的2 k ( 2 0 4 8 ) 和8 k ( 8 1 9 2 ) 模式下增加t 4 k ( 4 0 9 6 ) 模式，通过 协调移动接收性能和单频网规模进一步提高网络设计的灵活性。同时，为进一步提高移 动时2 k 和4 k 模式的抗脉冲干性能，d v b h 标准特为二者引入了深度符号交织( i n d e p t h i n t e r l e a v i n g ) 技术。 在d v b t 系统中，2 k 模式l l 8 k 模式提供更好的移动接收性能，但是2 k 模式的符号 周期和保护间隔非常短，使得2 k 模式仅仅适用于小型单频网。新增加的4 k 模式符号具 有较长的周期和保护间隔，能够建造中型单频网，网络设计者能够更好地进行网络优化， 提高频谱效率，虽然这种优化不如8 k 模式的效率高，但是4 k 模式t l 8 k 模式的符号周期 短，能够更频繁的进行信道估计，提供一个l l 8 k 更好的移动性能。总之，4 k 模式的性 能介于2 k 和8 k 之间，为覆盖范围、频谱效率和移动接收性能的权衡提供了一个额外的 选项。 d v b h 中3 种模式关于单频网蜂窝规模和移动接收性能的特点可总结如下： ( 1 ) 8 k 模式适用于单个发射机和大、中、小型单频网，它的多普勒性能允许进行高 速的移动接收。 ( 2 ) 4 k 模式适用于单个发射机和中、小型单频网，它的多普勒性能允许进行更高速 的移动接收。 ( 3 ) 2 k 模式适用于单个发射机和小型单频网，它的多普勒性能允许进行超高速的移 动接收。 2 3 4 物理层的深度符号交织 在原有的d v b t 系统中，内码的符号交织是对一个符号进行的，我们称其为n a t i v e i n t e r l e a v e r 在d v b h 系统中，可以采用原来8 k 模式的交织器对2 k 和4 k 模式的符号进行交 织，这样交织的深度就分别扩大到4 个和2 个符号的长度，我们称其为i n d e p t hi n t e r l e a v e r 。 在脉冲噪声干扰条件下，由于8 k 模式的符号周期较长，噪声功率被平均分配至m j 8 1 9 2 个子载波上，因此比2 k 和4 k 具有更好的抗干扰性能。d v b h 标准为克服这一缺点，利 用8 k 符号的交织器对2 k 和4 k 进行深度符号交织，使二者能够具有接近8 k 模式的抗脉冲 干扰性能。 虽然4 k 模式和深度符号交织器处在物理层，但这并不意味着要对d v b t 设备过多改 造，事实上一个典型的d v b t 移动解调器已经具有足够的r a m 和逻辑控制单元。此外， 4 k 模式的发射频谱与2 k 和8 k 模式非常相似，预计不需要对发射机的滤波器进行改造。 1 0 2d v b h 标准研究 2 3 5 物理层的t p s 信息 d v b - h 的传输参数信令( t p s ) f l 邑够为系统供一个鲁棒、易访问的信令机制，能使接收 机更快地发现d v b h 业务。t p s 是一个具有良好鲁棒性的信号，即使在低c n 的条件下， 解调器仍能快速将其锁定。 d v b h 系统使用两个新t p s h ：特标识时间分片和可选的m p e f e c 是否存在，另外用 d v b t 中已存在的一些共享比特表示4 k 模式、符号交织深度和蜂窝标识。 表2 1d v b - h 新增的t p s 信息 $ 4 8 ，$ 4 9d v b h 专用的t p s x ，0没采用m p e f e c x 1 采用m p e f e c 1 x 没有采用t i m es l i c i n g 0 ，x 至少有一个基本流采用了t i m es l i c i n g $ 3 8 ，$ 3 9传输模式 0 ，0 2 k 0 ，l 4 k l ，0 8 k 1 , 1预留 $ 2 8 。$ 2 9 分层模式 0 ，0不分层 0 ，l a = l l ，0 i x = 2 1 , 1 a = 4 $ 2 7 深度符号交织 0 不采用深度符号交织 l 采片j 深度符号交织 2 3 6d v b h 标准的主要参数 d v b h 系统中可调节的参数如下： ( 1 ) 内码码率( 1 2 ，2 3 ，3 4 ，5 6 ，7 8 ) ； 西安科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 子载波调制方式( q p s k ，16 q a m ，6 4 q a m ) ； ( 3 ) 保护间隔( 1 4 ，1 8 ，1 1 6 ，1 3 2 ) ； ( 4 ) 等级调制参数( a = 1 ，非等级；a = 2 ，等级) ； ( 5 ) 载波数量( 2 k = 1 7 0 5 个载波，4 k = 3 4 0 9 个载波，8 k = 6 8 1 7 个载波) 。 各种o f d m 参数的选择就是需要在多项要求冲突中进行折衷考虑。通常来讲，首先 需要确定的是三个参数：带宽、比特速率以及时延扩展。时延扩展直接决定保护问隔的 长度，按照惯例，保护问隔的时间长度一般应为时延扩展均方根值的2 ：至u 4 倍。一旦确定 了保护间隔，则符号周期长度就可以固定。为了最大限度地减小由于插入保护比特所带 来的信噪比损失，希望o f d m 符号周期长度要远远大于保护间隔长度。但是符号周期长 度又不可能任意大，否则就意味着o f d m 系统中要包括更多的子载波，从而导致子载波 间隔会相应减小，系统的实现复杂度就会增加，而且还加大了系统的平均峰值功率比， 并且使系统对频率偏差会更敏感。因此在实际应用当中，一般选择符号周期长度是保护 间隔长度的5 倍，这样由于插入保护比特所造成的信噪比损耗只有l d b 左右。 在确定了符号周期和保护间隔之后，子载波的数量可以直接利用3 d b 带宽除以子载 波间隔( 即去掉保护间隔之后的符号周期的倒数) 得到。或者，可以利用所要求的比特 速率除以每个信道中的比特速率来确定子载波的数量。每个子信道中传输的比特速率可 以由调制类型例如( q p s k 、1 6 q a m ) 、编码速率以及符号速率来确定。 另外一个影响参数选择的问题就是要求在f f t i f f t 运算时间内和符号间隔内的采 样数量必须要为整数。 8 1 2 4 本章小结 d v b 组织为通过地面数字广播网络向便携手持终端提供多媒体业务而制定的 d v b h 传输标准，此标准依托目前d v b t 传输标准，通过增加一定的附加功能和改进技 术使手机等便携设备能够稳定地接收广播电视信号。 本章介绍d v b h 标准的系统总体方案和数字地面广播传输系统；分析手持终端接收 系统特有的要求( 如省电，高移动性能，高抗脉冲噪声性能以及小区切换等) ；研究d v b h 新增加的技术，其中包括数据链路层的时间分片和m p e f e c 、物理层的4 k 调制模式和 深度符号交织，以及相应的d v b h 的t p s 信息；深入研究d v b h 链路层时间分片和 m p e f e c 技术。 1 2 3d v b h 链路层f e c 算法的研究 3d v b h 链路层f e c 算法的研究 d v b t 的物理层承载的是按照m p e g 2 的编码标准压缩的音视频数据流，然后打包 成m p e g 2 标准定义的t s 流进行传输。但是，m p e g 2 的高数据音视频压缩数据流的译 码需要比较大的功耗。由时间分片内容可知，系统节省的功耗和接收码流的数据率成反 比，所以，对于d v b h 接收系统来说，m p e g 2 的编码标准并不是一个最佳的选择。 选择i p 数据流可以使得传输的数据流和前端音视频数据流的编码标准无关。传输层 就有更多的选择，例如h 2 6 4 以及m p e g4 的音视频流，这些音视频信息源相对于m p e g 2 的音视频流，在译码的时候消耗的功率更小。i p 数据流相对于m p e g 2 的音视频流不受 译码时的缓存和时延影响。因此对于融合移动通信和数字广播的接收终端来说，采用i p 进行数字广播是一个最优化的选择。 在整个数字通信传输系统中，d v b h 传输标准在d v b t 传输标准的基础上增加了i p e n c a p s u l a t o r 模块。其中包括m p e f e c ( m u l t i p r o t o c o le n c a p s u l a t i o nf o r w a r de r r o r c o r r e c t i o n ) ，和t i m es l i c i n g ，网络层的i p 数据包进入。d v b h 的i p 封装器将i p 数据包进 行时间交织和编码后，再将数据封装成协议定义的m p e 段和m p e f e c 段，分时传送不同 的服务信息，最后打成t s 流，和d v b t 的t s 一起进入复用器。在d v b h 传输标准中， d v b h 的链路层包括i p 数据封装器和解封装，d v b h 的物理层包括了在d v b t 的基础增 加一定功能的调制和解调器部分。图3 1 为d v b h 系统发端和收端数据封装结构。 图3 1d v b h 系统发端和收端数据封装结构 1 3 西安科技大学硕士学位论文 3 1 链路层的m p e f e c d v b h 标准在数据链路层为i p 数据报增加了r s ( r e e d - s o l o m o n ) 8 q 错编码，作为 m p e 的前向纠错编码，校验信息将在指定的f e c 段中传送，我们称