（通信与信息系统专业论文）地面数字电视信号分析测试系统设计与实现.pdf

北京邮电大学硕：t = 研究生论文 地面数字电视信号分析测试系统设计与实现 摘要 近几年来，广播电视领域正处在从模拟电视向数字电视转化的过 程中。在经历了数年的努力后，我国的数字电视地面广播传输系统国 家标准已经发展成熟并最终公布。国家标准是一个融合了单载波技术 和多载波技术的方案。随着标准的公布，各地的地面数字电视广播正 在逐步推进中。为了加快推广和应用，也为了对已有的地面数字电视 广播传输系统进行评价，需要有一套方便易用的信号分析测试系统。 本论文首先介绍了当前数字电视在国内外的发展情况，并对他们 进行了比较。然后论文详细描述了地面数字电视的信道特征，国标数 字电视地面传输系统的结构以及m p e g 2 的传输流。在国标系统中又 重点介绍了编码，调制和o f d m 信号的帧结构。接着论文分析了测 试系统的设计要求，并提出了整体的设计思路。在硬件实现部分，论 文介绍了硬件接收板的框图，e z u s bf x 2 架构以及u s b 的固件和 驱动开发。在软件实现部分，论文按主观评价和客观评价分析介绍了 具体的实现。客观评价主要是信道参数的分析，解调信息的分析，误 码的计算等。主观评价主要是基于d i r e c t s h o w 的视频播放。在论文 的最后，对所做的工作进行了总结。 关键词：地面数字电视广播传输标准信号分析测试系统 北京邮电人学硕：t = 研究生论文 t h ed e s i g n m e n ta n di m p l e m e n t 枷o no ns i g n a la n a iy s i s a n dm e a s u r e m e n ts y s t e mo fd l g i t a lt e l e s i o n t e r r i s i t r i a lb r o a d c a s t i n gs y s t e m i nr e c e n ty e a r s ，i ti sc o n v e r t e df r o ma n a l o gt vt od i g i t a lt vi nt h ef i e l do f b r o a d c a s ta n dt e l e v i s i o n a f t e rt h ee f f o r to fs e v e r a ly e a r s ，c h i n e s en a t i o n a ls t a n d a r do n d i g j 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 y s t e mh a sr e a c h e dam a t u r ea n de v e n t u a l l y r e l e a s e d t h en a t i o n a ls t a n d a r di sam i x e ds t a n d a r do fs i n g l ec a r r i e rt e c h n o l o g ya n d m u l t i p l ec a r r i e rt e c h n o l o g y w i t h t h er e l e a s e do ft h e s t a n d a r d ，d i g i t a l t e l e v i s i o n t e r r e s t r i a lb r o a d c a s t i n gi sb e i n gg r a d u a l l ye x t e n d e di nm a n yp l a c e s i no r d e rt os p e e d u pt h ee x t e n s i o na n dt h ea p p l i c a t i o n ，a l s ot oe v a l u a t et h ee x i s t i n gd i g i t a lt e l e v i s i o n t e r r e s t r i a l b r o a d c a s t i n gs y s t e m ，w e n e e da e a s y - t o - u s es i g n a la n a l y s i s a n d m e a s u r e m e n ts y s t e m f i r s t l y , t h et h e s i si n t r o d u c e dt h ec u r r e n td e v e l o p m e n to fd i g i t a lt e l e v i s i o na th o m e a n da b r o a da n dc o m p a r e dt h e m t h e nt h et h e s i sd e t a i l e d l yd e s c r i b e dt h ec h a n n e l c h a r a c t e r so ft e r r e s t r i a ld i 【g i t a lt e l e v i s i o n ，t h es t r u c t u r eo fd i 西t a lt 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 gs y s t e m i nc h i n aa n dt h et r a n s m i s s i o ns t r e a md e f i n e di nm p e g - 2 s t a n d a r d i nt h eg bs y s t e m ，t h et h e s i sf o c u s e do nt h e c o d i n g ，m o d u l a t i o na n d t h ef r a m e s t r u c t u r eo ft h eo f d ms i g n a l t h e nt h et h e s i s a n a l y z e d t h er e q u i r e m e n to f m e a s u r e m e n ts y s t e m ，a n dp u tf o r w a r dt h eo v e r a l l d e s i g n m e n t i n t h eh a r d w a r e i m p l e m e n t a t i o n ，t h et h e s i si n t r o d u c e dt h eb l o c kd i a g r a mo ft h er e c e i v e r , e z - u s bf x 2 a r c h i t e c t u r ea n dt h ed e v e l o p m e n to ff i r m w a r ea n dd r i v e ra b o u tu s b i nt h es o f t w a r e i m p l e m e n t a t i o n ，t h e t h e s i sd e s c r i b e dt h e s p e c i f i ci m p l e m e n t a t i o n i n s u b j e c t i v e e v a l u a t i o na n do b j e c t i v ee v a l u a t i o n ，i n c l u d i n gt h ea n a l y s i so fc h a n n e lp a r a m e t e r sa n d d e m o d u l a t i o ni n f o r m a t i o na n dt h ec a l c u l a t i o no fb i t - e r r o r - r a t e t h e s u b j e c t i v e e v a l u a t i o ni s m a i n l yv i d e ob a s e do nd i r e c t s h o w a tt h ee n do ft h et h e s i s , w e s u m m a r i z e dt h ew o r kt h a th a db e e nc o m p l e t e d k e y w 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 t r a n s m i s s i o ns t a n d a r d s i g n a la n a l y s i sm e a s u r e m e n ts y s t e m 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。 申请学位论 本人签名： 处，本人承担一切相关责任。 日期：立牛l 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 文注释： 本人 导师 用本授权书。 日期：j 掣p l 日期：么垒净i 仁 北京邮电大学硕：研究生论文 1 1课题的背景 第一章绪论 上世纪9 0 年代以来，大规模集成电路、计算机、数字信号处理、图像压缩、 网络传输等技术的革命，促使广播电视技术和业务飞跃发展。广播电视从节目编 辑，制作，存储到传输，接收都在向数字化方向发展。数字广播电视的高节目质 量，高频谱利用率，新一代高清晰度电视，数字音频广播和移动多媒体广播的发 展，以及多媒体交互数据广播业务的出现将成为广播电视的发展趋势。 广播电视传输主要有有线传输、卫星传输和地面传输三类。在这三类当中， 地面传输信道是城市复杂的多径环境，传输环境最为恶劣，因此地面传输标准技 术最为复杂。 1 1 1 地面数字电视传输的基本要求 对于数字电视地面广播来讲，首先要求数字电视有足够好的接收性能，在室 内采用简单、小型和低增益天线实现稳定接收。甚至在较强静态和动态多径的环 境中，系统仍能够稳定工作。其次，要求有足够高的传输码率，以便在单个6 8 m h z 信道中提供高质量高清晰度的节目( 大约2 0 m b p s ) ，考虑到数字电视同后 发展的广阔空间和业务应用的多样性，对传输容量的需求还将不断增长。另外还 要求有利于频率规划，使用现有的可分配的电视频道传输数字电视节目，实现和 模拟电视节目的同播；当没有额外的频道分配时可使用禁用频道( 由于干扰过大， 不能用于模拟电视的频道) ，并具有和现有的模拟电视台相当的覆盖范围。 其它的要求包括：需要先进的信道编码和信道估计方案，以便降低系统c n 门限，以此降低发射功率，并减少了对现有模拟电视节目的干扰，抵抗各种干扰 失真。高度灵活的操作模式，通过选择不同的调制方案，系统能够支持固定、 便携、步行、手持或移动接收。易于和其它媒介或服务器的接口，支持多节目 业务，能够通过分级调制得到分级服务，具有交互性。高度灵活的频率规划和覆 盖区域，能够使用单频网和同频道覆盖扩展缝隙填充。而且系统应允许多种成 本价格的接收机实现，包括低成本实现等等。 1 1 2 国外地面数字电视传输的现状 在经过了长时间的研究之后，数字电视地面广播( d i g i t a l t e l e v i s i o n t e r r e s t r i a l b r o a d c a s t i n g ，d i t b ) 技术已经走向成熟，各国根据删的基本原则结合自己的 特点实施各自的数字电视研究计划并分别提出很多不同的系统方案。目前国际上 北京邮电大学硕士研究生论文 经国际电信联盟( 1 t u ) 批准的d t r b 传输标准主要有三种【1 】【2 j f 3 】： 美国高级电视委员会( 瑚r s c ) 研发的格形编码的8 电平残留边带( 8 一v s b ) 调制系统。 欧洲数字视频地面广播标准( d v b t ) ，它采用编码正交频分复用调制 ( c o f d m ) 。 日本地面综合业务数字广播( i s d b - t ) ，它采用频带分段传输正交频分复用 调制( b s t o c o f d m ) 。 三种传输标准使用相类似的信源编码方案和不同的信道编码调制方案，其传 输参数比较如表1 - 1 所示。 表1 - 1 三种国际d t r b 传输标准参数比较 标准a t s c ( 美国)d v b t ( 欧洲) i s d b t ( 同本) 频带宽度6 m h z 6 m h z 、7 m h z 、8 m h z 视频压缩m p e g 2 视频编码 音频压缩 d o l b ya c 一3 m p e g 2 层i im p e g 2 层i 音频编码m u s i c a m 音频编a a c 音频编码 码 复用方式m p e g 2 系统t s 流 传输方案 8 v s bo f d m分频段o f d m 载波数单载波 2 k 、8 k2 k 、4 k 、8 k 调制技术 8 v s bq p s k 、1 6 q a m 、6 4 q a m 数据随机1 6 位p r b s1 5 位p r b s 信道外码 r s 码( 2 0 7 ，1 8 7 ) t = 1 0 r s 码( 2 0 4 ，18 8 ) t = 8 外码交织5 2 r s 块交织1 2 r s 块交织 信道内码t c m ( 码率2 3 ) 卷积码( 码率1 2 ，2 3 ，3 4 ，5 6 ，7 8 ) 内码交织网格交织卷积交织 总码率 1 9 - 2 8 m b p s4 9 8 3 1 6 7 m b p s3 6 8 2 3 4 2 m b p s ( 6 m h z )( 8 m h z )( 5 6 m h z ) 接收门限 c n = 1 5 d b c n = 1 9 d b a t s c 、d v b t 、i s d b t 标准的频道宽度均为6 - - 8 m h z ，每个频道都可以 设置固定接收1 个高清晰度电视( h r v ) 或4 - - 5 个标准清晰度电视( s d t v ) ， 数字电视频道的宽度和原有模拟电视频道相同，处在转换期的同播状况，均采用 “放弃信源兼容，坚持信道兼容的政策 。a t s c 在6 m h z 内可稳定地传输一套 h d t v 电视。d v b - t 由于保护间隔的插入，从而减少了频谱的利用率，在6 m h z 内较难稳定地接收一套h d t v 电视，必须加大带宽才能稳定地接收。目前d v b - t 2 北京邮电大学硕：t 研究生论文 首先采用的是s d t v 电视。 就基带编码而言，三种方案均采用基于m p e g 2 框架的活动图像信源压缩 解压缩标准和m p e g 2 传输流复用方式。只是在音频编码方面有所区别。 在传输方案上，a t s c 采用8 v s b 传输方案，单载波，采用r s 码为信道外 码加上网格编码( t c m ) 为信道内码的信道编码方案。而d v b t 采用o f d m 传 输方案，载波数有2 k 、8 k 两种模式，而i s d b - t 标准采用分段o f d m 传输方案， 载波数有2 k 、4 k 、8 k 三种模式，其余i s d b - t 和d v b t 一样，载波均可选择 q p s k 、1 6 删、6 4 q a m 三种调制技术，均采用r s 码为信道外码加上卷积编 码为信道内码的信道编码方案。 a t s c 采用网格编码调制，理论和实测都表明，接收门限( c n ) 达1 5 d b ， 提高了电视发射机覆盖范围。d v b t 和i s d b t 接收门限( o n ) 大约在1 9 d b 左右。从接收场强看，a t s c 要优于d v b t 和i s d b t3 - 4 d b 左右。模拟接收 的门限一般为4 0 d b 左右，可见，数字接收大大提高了广播的覆盖范围。 系统特性方面，a t s c 抵御电气干扰能力强，覆盖区域广，但不支持移动接 收，而d v b - t 和i s d b - t 克服多径干扰能力强，可组建单频网，且支持移动接 收。 可以看到，i s d b - t 和d v b - t 有很多相似的地方，可以说日本使用的是修改 的欧洲方案。 一 另外，世界上其它一些国家和地区也通过对不同标准制式的测试确定了自己 的数字电视地面传输标准，如澳大利亚和巴西选用了d v b - t 制式，亚洲的韩国 和我国台湾地区选用了a t s c 制式，印度、新加坡、中国香港等地区也已经开始 发展数字电视地面广播。【4 】【5 】【6 l 1 1 3 国内地面数字电视传输的现状 2 0 0 1 年起我国正式在全国范围内广泛征集地面数字电视传输标准，共收到 了4 家单位提交的5 套技术方案，分别是： ( 1 ) 广电总局广播科学研究院提出的“射频子带分割双载波混合调制系统 ( c d t b t ) i ( 2 ) 以上海交大为主的国家h d t v 总体组提出的“高级数字电视广播系统 ( a d t b t ) ，它采用o 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 总体组提出的“b d b t o f d m 系统一，它基于多载波调制 技术； ( 4 ) 电子科技大学提出的“同步多载波扩频地面数字电视传输系统一 ( 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 3 北京邮电大学硕上研究生论文 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f f o s o m m ) 。 在2 0 0 6 年8 月1 8 日，国家标准化管理委员会第9 5 号公告j 下式发布了我国 具有自主知识产权的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 ( 以下简称国标) 【7 1 。该标准为国家强制性标准， 并于2 0 0 7 年8 月1 日起正式开始实施。 标准融合了清华大学d m b t 和上海交大a d t b - t 两套方案。原清华方案技 术的核心采用了n q a m q p s k 的时域同步正交频分复用( t d s o f d m ，t i m e d o m a i ns y n c h r o n o u s o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 调制技术，原 上海交大技术采用了低阶调制( 4 q a _ , v i 、1 6 q a m 和3 2 q a m ) 的基于时域同步和 信号处理的单载波技术。 标准作为融合方案，提供了单载波和多载波两种技术选项，同时体现了采用 单载波和o h ) m 多载波技术在频率规划中的特点。单载波技术具有频谱效率高、 峰均比低、接收门限低的特点，而o f d m 多载波技术具有抗多径衰落和码间串 扰、支持单频网的特点。 标准支持在8 m i - i z 电视带宽内传输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，支持多频网和单频网的组网模式。 我国计划于2 0 1 5 年左右关闭地面模拟电视，完成从地面模拟电视到地面数 字电视的过渡。在此之前的这段时间里地面模拟电视和地面数字电视是共存同 播，地面数字电视逐渐发展。 1 2课题的内容和意义 随着地面数字电视传输标准作为国家强制性标准公布，全国各地的数字电视 转换已经提上了议事日程。无论是从旧有的模拟制式转换还是从某些地区已经提 前上马的其它数字电视标准转换，对一个新的广播网络的覆盖范围和接收效果进 行评价都是一个十分重要的课题。 广播电视系统通过设置固定的发射台来覆盖整个城市区域，它所传送的信号 都是在确定的预先分配的频率上。所以广播电视系统设计的核心目标是实现最大 可能的覆盖区域，并且在覆盖区域内接收功率相对于背景噪声有足够大的信噪比 来满足一定质量的接收要求。一般通过将发射机放置在很高的建筑物顶部和发射 最大允许功率等办法来实现这一目标。我们知道，随着城市发展的进程，城市的 规模不断扩大，城市中的高层建筑数量也急剧增加。也因此造成了预期覆盖区域 的扩大，无线传输中的阴影效应愈发的明显，这种情况对数字电视系统的无线覆 盖提出了很大的挑战。 4 北京邮电大学硕士研究生论文 传统的模拟电视测试大都采用定点收看接收效果的方法来完成，依靠测试人 员手工进行接收效果的评价和记录。这种办法虽然简便易行，但难以对接收效果 进行客观的量化，也难以进行测试数据的后期处理，全靠测试人员当时的主观评 判，也容易造成差异。对于模拟电视而言，在1 日有的单发射台覆盖模式下，提高 电视信号接收质量的方法几乎只有提高发射机功率一种。而地面数字电视传输系 统可以很方便的利用单频网技术和补点发射技术来对城市中的接收盲点进行补 充覆盖，这些技术的使用可以大大提高电视信号的覆盖质量，但同时也给网络的 规划和测试工作带来了新的挑战。 为了便于新的国家标准在各地的推广和使用，就迫切需要有一套方便易用的 地面数字电视信号分析测试系统来完成数字电视广播开播之前的测试工作。这套 信号分析测试系统不但要求能进行简单、快速而且全面的参数测量，而且要求设 备小巧便携、智能化、性能稳定。 1 3论文的结构和安排 本论文以数字电视地面广播传输系统为背景，主要围绕地面数字电视信号分 析测试系统的设计与实现展开。本论文的各章内容如下： 第一章介绍了地面数字电视信号分析测试的相关背景，内容和意义。 第二章介绍了地面数字电视信号分析测试的相关理论知识，包括数字电视系 统，地面数字电视广播的信道特征，国标数字电视地面广播传输系统，m p e g 2 标准。 “ 第三章介绍了信号分析测试系统的总体设计和硬件实现，包括系统总体设计 要求，系统硬件实现方案，c y 6 8 0 1 3 芯片与e 乙u s b 2 架构，u s b 芯片的固 件程序开发，u s b 芯片的d r i v e r 设计与开发。 第四章介绍了信号分析测试系统的软件设计与实现，包括u s b 接口的软件 实现，信道解调信息分析，星座图分析和m e r 计算，频谱图分析和s n r 计算， 信道冲激响应分析，误码分析，m p e g 2 的t s 流分析，基于d i r e c t s h o w 架构的 视频播放实现。 第五章是对全文的总结。 5 北京邮电大学硕士研究生论文 第二章地面数字电视信号分析测试的相关知识 2 1数字电视系统介绍 按功能来分，数字电视系统由三大部分组成：信源部分、信道部分和信宿部 分。图2 1 给出一个数字电视系统的基本组成框图。该系统在实际应用中可以分 为发射和接收两个子系统( 图2 1 的上下两部分) 。从技术实现的角度上，数字 电视系统又可以分为信源和信道两部分( 对应图2 - 1 以复用和解复用为界的左右 两部分) 。 l 信源：信道 一数据输 一视频输 一音频输 图2 - 1 数字电视系统的基本组成框图 信源编码部分包括信源( 音频视频) 编码器和复用器。信源编码器对视频 音频信号进行压缩编码，在一定压缩率的前提下得到最高的解码图像质量：信 源部分算法主要依照m p e g 2 标准( 或m p e g - 4 标准) ( 多声道音频编解码还可 依照杜比a c 3 算法实现) ，视频编码器的性能对整个d t v 系统的图像性能有决 定性影响。复用器保证系统业务的灵活性和可扩展性，完成各种数字码流的组合、 调整以及提供与各种传输网络( 如电信网络、卫星传输信道、有线电视、地面发 射等) 相适配的接口。 信道传输部分包括信道编码与调制、发射机、传输媒质、接收机和信道解调 与解码，其中传输方式可以是有线、卫星、地面( 含m m d s m u d s ) 等。根据 6 北京邮电人学硕士研究生论文 传输媒质的不同，在信道传输部分中将会采取不同的信道编码和调制方式，信道 传输部分对应有三类标准：地面广播、卫星广播和有线电视( 包括h f c 和 m m d s ) 。由于地面广播信道的条件十分不理想，各种干扰和杂波使信号的差错 率增加、业务质量下降，为了更有效地克服恶劣的环境，同时还支持移动接收， 地面广播信道所采用的技术相对其他两类要复杂。 总体来说，数字电视的优势和特点主要表现在下面五个方面： ( 1 ) 清晰度高、音频效果好。由于数字电视全过程采用数字信号，不受节 目编辑、传输、转播和接收的影响。s d t v 数字电视节目可以达到d v d 质量， 在观看h d t v 节目时清晰度是目前电视的4 倍以上，如3 5 m m 电影般清晰。 ( 2 ) 频带利用率高。原p a l 频道可播放4 到8 套标准清晰度数字电视。 ( 3 ) 抗干扰性能好。解决了模拟电视中的闪烁、重影、亮色互串等问题； 可以实现城市楼群的高质量接收，移动载体中也可接收到清晰的数字电视节目。 ( 4 ) 便于开展各种综合业务和交互业务( 包括因特网业务) ，有利于构建“三 网合一 的信息基础设施。 ( 5 ) 节目的加密处理等应用。 2 2地面数字电视广播的信道特征 信道是发射端和接收端之间传播媒介的总称，它是任何一个通信系统不可或 缺的组成部分。相对于有线和卫星信道，地面广播信道面对的干扰最多，也最严 重，尤其是多径的时延和幅度的变化速度远比卫星和有线传输信道复杂。在如此 恶劣的环境下，如何设计出一个性能优越、工作稳定的系统，是数字电视地面广 播( 啪) 的根本技术难点。 数字电视地面广播无线信道是一个宽带( 8 m h z ) 、高速( 8 m b s ) 、高容量 ( 多级码元) 、大范围( 几十公里) 的信道。实际情况中影响信号接收的主要因 素有：信号衰减、多径干扰、d o p p l e r 频移以及来自其它信号的同频道或邻频道 干扰和噪声干扰。在数字电视地面广播传输中，信道的主要特征是由移动和多径 传播引起的多径衰落现象。由于同播的要求，会收到常规模拟电视干扰影响。同 播时相邻服务区的同一频道的普通模拟电视节目有可能进入数字电视接收机，产 生强同频干扰。而且，在数字电视地面广播传输u h f 厂f 频段，还有诸如单频 干扰、邻频干扰等对传输信号迭加影响。 2 2 1 大尺度衰落和小尺度衰落 一般来说，电磁波在空间传播主要受反射、衍射和折射的影响。大多数发射 机和接收机之间往往不存在直接视距路径，而且高层建筑产生了强烈的绕射损 耗。此外，由于不同物体的多路径反射，经过不同长度路径的电磁波相互作用引 7 北京邮电大学硕士研究生论文 起多径损耗，同时随着发射机和接收机之间距离的不断增加而引起电磁波强度按 平方衰减。从宏观上描述接收信号的场强变化的信道模型，称为大尺度传播模型。 而从微观上描述短距离或短时间的接收信号场强的快速波动的模型，称为小尺度 传播模型。 大尺度衰落包括信号经过一段距离时信号的平均衰减( 在理想的视距传播条 件下，它与距离的平方成正比) ，以及大型物体( 如山脉或摩天大楼) 导致的信 号衍射。大尺度衰落主要会导致整体信号的电平衰落。它对设备的影响是，由于 降低了接收的信号功率，从而降低了信噪比( s n r ) 。阴影效应和大范围反射表 现为在这种平均路径衰减上的偏差。 小尺度衰落是多径传播和多普勒频移两者作用的结果。由于被发送信号在遇 到信箱、树木和正在移动的车辆时导致反射、衍射和局部散射，而通过不同的路 径到达接收机，所以会发生多径衰落。因此，接收机在不同的到达时间获得信号 的多个拷贝。这些拷贝以不同的相位和功率电平进行接收，导致信号互相干扰而 发生功率波动。在接收机设计中总是更多地关注小尺度衰落模型。 发射台与接收机之间的传播路径非常复杂，从简单的视距传播，到遭遇各种 建筑物、山脉和树叶等。尤其是对于移动接收机，信道的情况更加复杂。由于数 字电视发送信号的数据率非常高而且在v h f 和u h f 波段传播，因此具有随机的 幅度、延迟和相位的多径信号，在接收机上合成为一个幅度和相位都急剧变化的 信号。1 8 】 2 2 2 多普勒频移一时间选择性衰落 无线信道的时变性是由于发射机和接收机的相对运动或者信道中其他物体 的运动所引起的。信道的时变性导致时间选择性衰落，表现在信号的频谱被展宽。 描述无线信道时变性的两个重要参数是多普勒扩展和相干时间。 地面数字电视广播信道与接收方式有关，接收方式包括固定接收、车载移动 接收、便携手持接收。接收机与发射台之间的相对运动会产生d o p p l e r 频移。假 设移动接收机以恒定速率 ，运动，其运动方向与信号入射方向之间的夹角为口， 发射信号波长为a ，则d o p p l e r 频移为 厶- 姜s 0 式( 2 - 1 ) 如果接收机朝向入射波方向运动，则d o p p l e r 频移为正；否则d o p p l e r 频移 为负。d o p p l e r 频移造成的直接后果是，接收信号的载波频率和符号时钟发生漂 移，给符号采样时钟的同步带来困难。在移动接收机中，载波恢复和符号时钟电 路要能够及时跟踪这一变化，从而给出精确的符号采样时钟。假设发射机载频是 厶，光速为c ，则最大多普勒频移为 8 北京邮电大学硕士研究生论文 厂叫一一f 0w f o 式( 2 一2 ) ，叫一了一。 瓦。z ) t , 最大多普勒频移常用来描述无线信道的时变性所引起的接收信号的频谱展 宽的程度，有些文献称之为多普勒扩展。当发射机在地面广播传输信道上发送一 个频率为五的单载波正弦波时，e h 于多普勒效应，接收信号的频谱被展宽，将包 含频率厶一，叫至厶+ ，眦的频谱称为多普勒频谱。若传输基带信号的带宽用只 表示，则根据只和，傩的关系，将无线信道分为慢衰落信道( 色 厂蛐) 和快衰 落信道( e 0 ) 为第f 条径衰减的幅度，q 为第f 条径产生的随机相位，毛为 第f 条径的延时，如果是静态信道，a ；，倪，t 是固定常数，不随时间变化而变 化。对式( 2 3 ) 作傅立叶变换，可得 日( 厂) 。荟m “刎铲钔 式( 2 - 4 ) 由式( 2 - 4 ) 可见，时域中的多径衰落在频域中的表现就是频率选择性衰落。 且各径信号相对主径信号越强，深衰落越明显。当多径的时间跨度越远，在频谱 9 北京邮电大学硕上研究生论文 上造成的衰落也就越密。 信号的多径传播会导致时延扩展，其结果是发生符号间干扰( i s l ) ，体现在 频域就是频率选择性衰落，即信号在不同频率上遭受的衰落是不同的。描述无线 信道多径效应的两个重要参数是时延扩展( d e l a ys p r e a d ) 和相干带宽( c o h e r e n c e b a n d w i d t h ) 。1 9 l 2 3国标数字电视地面广播传输系统 数字电视地面广播传输系统是广播电视系统的重要组成部分，不但必须具有 支持传统电视广播服务的基本功能，而且还要具有适应广播电视服务的可扩展功 能。数字电视地面广播传输系统支持固定( 含室内、外) 接收和移动接收两种模 式。在固定接收模式下，可以提供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、多媒体广播和数据服务业务：在移动接收模式下，可以提供 标准清晰度数字电视业务、数字声音广播业务、多媒体广播和数据服务业务。 数字电视地面广播传输系统支持多频网和单频网两种组网模式，可根据应用 业务的特性和组网的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，以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。 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) 。发 送端原理框图如图2 2 所示。 _ 撒据输 图2 - 2 发送端原理框图 传输系统允许不同码率的l d p c 前向纠错编码、不同级别的删调制、不 同参数的交织模式、均匀和非均匀两种星座映射方式以及不同长度的p n 帧头。 该系统主要功能模块简述如下： 1 0 北京邮电大学硕t 研究生论文 ( 1 ) 能量扩散。为了保证在任何情况下进入传输系统的数据码流中“0 与 “1 一的概率都能基本相等，首先用一个伪随机序列对输入的髑码流进行随机 化处理。伪随机序列是由一个标准的伪随机序列发生器生成，其中“0 与“1 一 出现的概率接近5 0 。随机化后的数据码流中的“0 与“1 的概率都接近5 0 。 从信号功率谱的角度看，随机化过程相当于将数字信号的功率谱弥散，因此随机 化过程又被称为“能量扩散”。随机化后的数据不仅能保持信号频谱的稳恒，也 能改善帧同步和自适应时域均衡等系统的性能。 ( 2 ) 纠错编码。传输系统中采用l d p c ( 低密度奇偶校验码) 来提高纠错 能力。l d p c 输出数据块长为7 0 4 8 比特，允许0 4 、o 6 、0 8 三种码率的编码方 式。l d p c 编码后的比特数据通过洲映射实现比特数据到符号数据的转换。 系统允许q p s k 、1 6 q a m 、3 2 q a m 、6 4 q a m 或者q p s k + n r 五种调制方式。为 了在接收端能纠正大于l d p c 纠错能力的突发错误，对洲映射后的符号数据 进行交织编码。系统采用b ( 交织宽度) = 5 5 ，m ( 交织深度) ：6 3 0 或b = 5 5 ， m = 2 1 0 两种时域符号交织模式。交织后的数据与系统信息( s ) 组成数据块送 入帧体数据处理模块进行处理。 一、 ( 3 ) 帧体数据处理。传输系统允许两种帧体数据处理模式：时域和频域模 式。在频域模式下，采用t d s o f d m ( 时域同步正交频分复用) 的多载波传输 方式。复用后的频域数据由3 7 8 0 点子载波组成，每个子载波间隔为2 k ，占用的 的r f 带宽为7 5 6 m h z 。其通过3 7 8 0 点的i f f t 运算变回时域数据，并和p n 帧 头数据组成o f d m 符号。其中，p n 帧头数据可由一个f i b o n a c c i 型线性反馈移 位寄存器( l f s r ) 来实现，经“0 一到“+ 1 一值及。1 一到“一1 一值的映射变换 为非归零的二进制信号。p n 帧头数据不仅有助于接收机的载波同步、符号同步、 定时同步和信道估计，也能有效的对抗多径干扰。插入帧头数据的长度决定了系 统抗多径能力的强弱。方案允许n = 4 2 0 、5 9 5 、9 4 5 三种长度的帧头模式。 ( 4 ) 信号成形。为了消除符号间干扰，o f d m 符号需要进行四倍插值的滚 降滤波。系统采用滚降系数为o 0 5 的s r r c ( 均方根升余弦) 滤波器进行基带脉 冲成形。滤波后的信号进行数字上变频和d a 转换后变成模拟中频信号，再经 模拟上变频至r f 后进行功率放大，最后经天线发射。 国标标准只对发射端技术做出了规范，却没有对地面接收设备标准进行规 范。从天线接收下来的射频信号首先经过t u n e r 和a d c 进行采样和量化，前端 量化后的信号首先经过h i b e r t 变换，然后经过载波恢复、定时恢复、h 丌、信道 估计与均衡以及去除相位噪声得到解调后的i 、q 两路信号，最后通过时域交织 和f e c 解码完成整个信道解调过程。通常的国标信号接收解调过程如图2 3 所 示。 北京邮电大学硕：e 研究生论文 2 4编码和调制 图2 - 3 接收端原理框图 2 4 1 加扰 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二进制伪随机序列。该序列由图2 4 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 + ，5式( 2 5 ) 该l f s r 的初始相位定义为1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 。 输入的比特码流( 来自输入接口的数据字节的m s b 在前) 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 相位。 初 相 图“扰码器组成框图 2 4 2 前向纠错 扰码后的比特流接着进行前向纠错编码。前向纠错编码由外码( b c h 码) 和内码( l d p c ) 级联实现。f e c 码的具体参数见表2 1 。 1 2 北京邮电大学硕上研究生论文 表2 - 1f e c 码参数 编号 块长【比特】 信息比特编码效率 码率17 4 8 83 0 0 8 o 4 码率27 4 8 8 4 5 1 20 6 码率37 4 8 86 0 1 60 8 b c h ( 7 6 2 ，7 5 2 ) 码由b c h ( 1 0 2 3 ，1 0 1 3 ) 系统码缩短而成。在7 5 2 比特 数据扰乱码前添加2 6 1 比特0 成为1 0 1 3 比特，编码成1 0 2 3 比特( 信息位在前) 。 然后去除前2 6 1 比特0 ，形成7 6 2 比特b c h 码字。该b c h 码的生成多项式为： g 二讲o ) i gl + x 3 + 工1 0 式( 2 - 6 ) 三种码率的前向纠错码使用同样的b c h 码。 l d p c 码的生成矩阵吒的结构如式( 2 7 ) 所示： q g 0 。og o ，l o o ，1 ioo q 。吼 吼。o i o ； g f 。j i；。； g i l oq u q k - l oo i 式( 2 7 ) 其中，i 是b x b 阶单位矩阵，0 是b x b 阶零阵，而g ，是b x b 循环矩阵，取 0 f 墨k - 1 ，0sj 墨c - 1 。 b c h 码字按顺序输入l d p c 编码器时，最前面的比特是信息序列矢量的第 一个元素。l d p c 编码器输出的码字信息位在后，校验位在前。三种不同内码码 率的f e c 码的结构分别为： ( 1 ) 码率为0 4 的f e c ( 7 4 8 8 ，3 0 0 8 ) 码： 先由4 个b c h ( 7 6 2 ，7 5 2 ) 码和u ) p c ( 7 4 9 3 ，3 0 4 8 ) 码级联构成，然后将l d p c ( 7 4 9 3 ，3 0 4 8 ) 码前面的5 个校验位删除。l d p c ( 7 4 9 3 ，3 0 4 8 ) 码的生成矩阵具有 式2 - 4 所示的矩阵形式，其中参数k - 2 4 ，c = 3 5 和b = 1 2 7 。 ( 2 ) 码率为0 6 的f e c ( 7 4 8 8 ，4 5 1 2 ) 码： 先由6 个b c h ( 7 6 2 ，7 5 2 ) 码和u ) p c ( 7 4 9 3 ，4 5 7 2 ) 码级联构成，然后将l d p c ( 7 4 9 3 ，4 5 7 2 ) 码前面的5 个校验位删除。l d p c ( 7 4 9 3 ，4 5 7 2 ) 码的生成矩阵具有 式2 4 所示的矩阵形式，其中参数k = 3 6 ，c - 2 3 和b = 1 2 7 。 ( 3 ) 码率为0 8 的f e c ( 7 4 8 8 ，6 0 1 6 ) 码： 先由8 个b c h ( 7 6 2 ，7 5 2 ) 码和u ) p c ( 7 4 9 3 ，6 0 9 6 ) 码级联构成，然后将l d p c ( 7 4 9 3 ，6 0 9 6 ) 码前面的5 个校验位删除。l d p c ( 7 4 9 3 ，6 0 9 6 ) 码的生成矩阵具有 式2 - 4 所示的矩阵形式，其中参数k = 4 8 ，c , = l l 和b = 1 2 7 。 2 4 3 符号星座映射 1 3 北京邮电大学硕上研究生论文 前向纠错编码产生的比特流要转换成均匀的n q a m 符号流( 最先进入的f e c 编码比特作为符号码字的l s b ) 。传输系统包含以下几种符号映射关系：6 4 洲、 3 2 q 舢订、1 6 洲、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。 对于6 4 q a m ，每6 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6 比特为一组的符号( b 5 b 4 b 3 b 2 b l b o ) ，该符号的星座映射是同相分量i - - , b 2 b l b o ，正交分量q = b 5 b 4 b 3 ，星座点坐标对应的i 和q 的取值为- 7 ，_