（通信与信息系统专业论文）cdmb多媒体广播（手机电视）标准关键技术研究.pdf

北京邮电大学工学硕士论文 c d m b 多媒体广播( 手机电视) 标准关键技术研究 摘要 在市场需求的强力推动下，移动及手持终端多媒体广播己成为当 今及未来几年国内外技术和产业发展的热点，它代表着现代个人移动 多媒体通信及信息接入发展的趋势，将给人们的生活、学习、工作和 娱乐方式带来又一次重大变革。 本文研究的c d m b 手机电视标准是中国标准化协会发布的中国 自主知识产权的手机电视标准，基于d a b 的信道传输技术和a v s 信 源编码技术，具有显著的低功耗、低成本、抗干忧能力强和高速移动 特性。 本文首先介绍了d a b 数字音频广播的发展历程，第二章介绍了 d a b 系统的总体结构及关键技术。第三章详细研究介绍了c d m b 标 准，包括系统结构，a v s 信源编码，业务复用机制等。第四章提出了 t u r b o 码在c d m b 标准中的应用，第五给出仿真结果，证明比传统的 r s + c o n v 的编码方式在性能上有所改进同时节省了开销，可更有效 的传输视频节目。 手机电视技术是一种全新的大众传媒，将带给人们一种全新的个 人多媒体信息及娱乐的体验及享受，具有巨大的市场前景。 关键词：数字多媒体广播、手机电视、d a b 、a v s 、t u r b o 码 北京邮电大学工学硕士论文 r e s e a r c ho nk e yt e c h o n o l o g i e so f c d m bm u 皿m e d i ab r o a d c a s t i n g ( m o b i l et v ) s y s t e m m o b i l em u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n gh a sb e c o m et h eh o to ft e c h n o l o g y a n di n d u s t r i a ld e v e l o p m e n ti nt h en e x tf e wy e a r sb o t ha th o m ea n da b o a r d ， w h i c hi sd r i v e nb yt h eh u g em a r k e td e m a n d i tr e p r e s e n t sam o d e m p e r s o n a lm o b i l em u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n sa n di n f o r m a t i o na c c e s s d e v e l o p m e n tt r e n d ，w h i c hw i l lb r i n ga n o t h e rm a j o rc h a n g et ot h ep e o p l e s l i v i n g ，s t u d y , w o r ka n de n t e r t a i n m e n t t h i sp a p e rs t u d i e st h ec d m bm o b i l et vs t a n d a r d ，w h i c hi si s s u e d b y t h ec h i n aa s s o c i a t i o nf o rs t a n d a r d i z a t i o no w n s i n d e p e n d e n t i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t s i ti sb a s e do nt h ed a bc h a n n e lt r a n s m i s s i o n t e c h n o l o g ya n dt h ea v ss o u r c ec o d i n gt e c h n o l o g yw i t has i g n i f i c a n t l o w p o w e r , l o w c o s t ，a n t i s t e mw o r r i e sc a p a b i l i t ya n dh i g h s p e e dm o b i l e p r o p e r t i e s i nt h i s p a p e r ，w ef i r s ti n t r o d u c et h ed e v e l o p m e n tc o u r s eo fd a b 2 北京邮电大学工学硕士论文 ( d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g ) ，a n dt h es e c o n dc h a p t e ri n t r o d u c e st h ed a b s y s t e m so v e r a l ls t r u c t u r ea n dc r i t i c a lt e c h n o l o g i e s c h a p t e ri i id e t a i l e d s t u d i e so nc d m bs t a n d a r d s ，i n c l u d i n gs y s t e ma r c h i t e c t u r e ，a v ss o u r c e c o d i n g ，b u s i n e s sr e u s em e c h a n i s m s c h a p t e ri vp r o p o s e st ou s et u r b o c o d ei nt h ec d m bs t a n d a r d ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r eg i v e ni nt h e c h a p t e rv ，w h i c hp r o v e st h a tc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lr s + c o n v c o d i n gm e t h o d ，i tn o to n l yc a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c eb u ta l s oc a ns a v e c o s t s ，t h e r e f o r e ，i tc a nb em o r ee f f e c t i v ef o rv i d e ot r a n s m i s s i o n m o b i l et v t e c h n o l o g yi san e wm a s sm e d i a ，a n di tw i l lg i v ep e o p l e an e we x p e r i e n c eo fe n j o y i n gt h ep e r s o n a lm u l t i m e d i ai n f o r m a t i o na n d e n t e r t a i n m e n ，w h i c hh a sa ne n o r m o u sm a r k e tp r o s p e c t s k e yw o r d s ：d i g i t a lm u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n g ，m o b i l et v , d a b ， a v s ，t u r b oc o d e 3 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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签锄艚 7 日期： 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：本学 本人签名 导师签名 适用本授权书。 日期： 北京邮电大学工学硕士论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 1 1 1 背景 数字音频广播d a b 是继单声道广播、立体声广播之后的第三代广播。它1 9 8 6 年1 2 月始于尤里卡( e u r e k a ) 1 4 7 计划，是欧洲的一个重点开发项目，于1 9 8 8 年1 月1 日开始执行。之后由欧洲通讯标准化协会( e t s i ) 、欧洲电工标准委员会 ( c e n e l e c ) ，国际电工委员会( ie c ) 等组织颁布了系列的技术标准 d a b 广播主要优越在：不论是固定、便携式或移动接收，d a b 都能提供 c d 质量的音频广播；除音频信息外，改进后的d a b 还可以传送数据、文字、 图形与视频多种载体，是名符其实的数字多媒体广播d m b ( d i g i t a lm u l t i m e d i a b r o a d c a s t i n g ) 。 现今，d a b 己在世界各地广泛应用，根据世界d a b 论坛最近公布的资料， 现在世界范围内有近4 0 个国家在正式进行d a b 广播或试验广播，收听d a b 节 目的人口已达4 7 5 亿，公众和私营广播电台播出d a b 的节目套数共有8 0 0 多套。 d a b 的民用接收设备是从1 9 9 8 年夏季开始较大量投放市场，到2 0 0 5 年底各种 各样的用于汽车、家庭与便携民用d a b 接收机产品( 包括h i f i 接收机和p c 卡) 多达2 0 0 余种，价格也越来越便宜。同时，还开发了很多d a b 专业设备，如： d a b 发射设备、d a b 芯片、d a b 接收机等。 1 9 9 6 年1 2 月1 5 日，亚太地区第一个d a b 先导网在广东佛山建立，1 9 9 9 年1 0 月完成了d a b 到d m b ( d i g i t a lm u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n g ) 的升级改造，2 0 0 1 年全国第九届运动会上，d m b 用于传输实时视频节目，得到党和国家领导人的 好评。 2 0 0 6 年5 月1 8 日，中国国家广电总局正式出台了9 3 0 m h z 一3 0 0 0 m h z 地面 数字音频广播系统技术规范( g 2 1 4 2 0 0 6 ) ，欧洲的d a b 标准正式成为中国 数字广播行业标准，并于2 0 0 6 年6 月1 日开始正式在中国执行。 作为我国具备自主知识产权的第二代视音频信源编码标准a v s ，其标准化制 定程度越来越完善，同时，a v s 的产业化步伐在标准制订过程中已经开始，目前 正处在大规模产业化的启动期。 北京邮电大学工学硕十论文 1 1 2 惹义 个性化、移动化以及多媒体化是当今通信和信息技术及其产业化的发展趋 势。在市场需求的强力推动下，移动及手持终端多媒体广播已成为当今及未来几 年国内外技术和产业发展的热点。总的来说，个人及移动多媒体广播基于无线传 输技术，允许人们利用个人或车载终端( 包括手提电脑、p d a 、车载电视、随身 多媒体终端及手机等) 随时随地接收数字电视及其它多媒体内容及信息，带给人 们一种全新的个人多媒体信息及娱乐的体验及享受。它代表着现代个人移动多媒 体通信及信息接入发展的趋势，将给人们的生活、学习、工作和娱乐方式带来又 一次重大变革，因而有着巨大的市场潜力及广阔的发展前景。 北京2 0 0 8 年奥林匹克运动会为中国移动及手持终端多媒体广播带来绝佳的 发展契机。移动及手持终端多媒体广播的开播将向世界展现一场“数字奥运，高 科技奥运，同时切实满足人们随时随地观看接收精彩比赛的需求。借此机遇， 研究并制定我国具有自主知识产权的数字移动多媒体广播( 手机电视) 系统标准， 并推动中国移动及手持终端多媒体广播行业的全面发展，可极大的带动国家与之 相关的软件、设备、芯片、网络、内容提供等产业的发展，对于我国国民经济发 展，构建和谐社会都具有重大的战略意义。 1 2d a b 发展历程 1 2 1d a b 起因 调频广播起源于2 0 世纪4 0 年代，它是为固定接收而开发的，调频( f m ) 广播 曾经是最好声音广播质量的代表，受到听众的欢迎。 然而f m 广播这种模拟的窄带传输方法的主要问题是对于多径传输缺乏抵 抗力。在运动的车中接收，特别是在密集的建筑群和山区中接收时，信号会受到 很强的干扰和严重损害。 此外，由于f m 广播频段电台越来越多，频带过密地被占用，在这种局面下， 即如在家中固定接收，质量也会受到影响。 多年来，人们为了改进f m 广播的技术质量，采用了不少新的方法和技术， 虽然收到了一定的成效，但都有一定的局限性，并不能彻底改变f m 广播的固有 弱点。 对f m 广播技术的改进主要有【1 l ： 1 、r d s r d s 是欧洲开发的f m 广播数据系统，它是利用5 7 k h z 副载波，兼容传输 用于接收机自动调谐的信息、开关控制信息和其它应用信息。在移动接收时，接 2 北京邮电大学工学硕士论文 收机可以根据节目网识别( p i ) 码和发射网的替换频率表( a f ) 码，自动快速寻找 信号最强的替换频率，并自动调谐于该频率的电台。这对于移动接收确实带来了 很大的好处。但是，r d s 并不能改善f m 广播本身的质量，或者说r d s 只能间 接地改善接收质量。 2 、f m x 系统 f m x 是美国开发的系统，其目的是改善导频制f m 立体声广播的信噪比。 它是原有导频制f m 立体声基带信号的基础上，增加一个正交副信道，传送压缩 的“差信号；接收机通过扩展而改善了“差 信号的信噪比，进而改善了立体 声重放的lr 信号的信噪比。这种方法既可以实现同传统导频制f m 立体声广 播兼容，又能改善信噪比( 主要是弱场强区) ，可使f m 立体声广播的覆盖得到扩 展。 3 、d y n a s 系统 d y n a s 是德国发明的新的f m 接收技术。d y n a s 是“动态选择性和动态 灵敏度”的简称。它是在传统的f m 接收机的基础上，增添了特殊的电路。根据 邻频道干扰的现实状况，通过微处理器动态调节接收机的选择性和灵敏度两个重 要参数，用动态滤波器代替传统的带宽固定的滤波器。据称，在不影响立体声分 离度和低频失真的前提下，接收f m 电台几乎感觉不到噪声。接收机灵敏度可提 高8 1 0 d b ，能很强地抑制邻频道干扰( 选择性增益约3 0 d b ) ，d y n a s 系统主要 是在强干扰电平时或在弱的有用信号时改善选择性。 人们从理论和和实践中已经认识到，现行模拟方式的f m 广播质量没有根本 改善的可能。一方面是现有的f m 广播不能令人满意，另一方面是近年来音频技 术领域中c d 、d c c 、d a t 等数字技术的应用，尤其是c d 的普及，人们已经了 解并习惯于c d 这种高质量的声音重放，不满足于f m 广播，因而对声音广播提 出更高的要求。 1 9 8 9 年欧洲实施的数字卫星广播( d s r ) ，可以用直径为3 0 c m 的抛物面天 线接收来自卫星具有c d 质量的立体声节目。从此开始了数字声音广播的新时 代。新的系统为用户带来了接收质量的改善和提供节目数量的增加，因而很快得 到公众的承认。但是d s r 也是为固定接收而设计的，不适合于移动接收。 在上述形势下，迫切需要一种地面的新型数字音频广播系统，这种系统就是 我们所说的d a b ( d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g ) 。 1 2 2尤里卡1 4 7 计划 在1 9 8 6 年1 2 月于斯德哥尔摩举行的欧洲部长会议上，决定了尤里卡1 4 7 - - d a b 计划。该计划由法国、英国、荷兰和德国的九家公司和五个研究机构承 3 北京邮电大学t 学硕士论文 担。首先进行了四年( 1 9 8 7 1 9 9 1 ) 的先期开发性研究，1 9 8 9 年1 2 月和1 9 9 0 年元 月首次在德国进行了d a b 试验发射。1 9 9 2 年6 月9 日在法国境内位于法德边境 的斯特拉斯堡第一个德法d a b 试验网投入运行。接着，欧洲许多国家和地区先 后建设了许多d a b 先导试验发射网【1 1 。 有关d a b 标准的公开讨论已于1 9 9 4 年8 月结束。1 9 9 5 年英国正式开始d a b 试验广播，其它多数国家从1 9 9 7 年正式启用d a b 。 尤里卡计划还准备从2 0 1 0 年起，在d a b 系统中充分利用声音广播节目的附 加传输容量，增加新的公众通讯业务。此外，还有可能个别的节目( 例如高级精 品音乐) 用多声道技术传送。 1 3d a b 发展的现状 d a b 源于欧洲，从1 9 8 7 年起就成为“e u r e k a1 4 7 项目，1 9 9 5 年d a b 的正式规范e n 3 0 04 0 1 出台。从1 9 9 5 年9 月开始正式广播以来，d a b 已经走过 了1 0 多年的发展历程。 根据世界d a b 论坛最近公布的资料，现在世界范围内有近4 0 个国家在正式 进行d a b 广播或试验广播，收听d a b 节目的人口已达4 7 5 亿，公众和私营广 播电台播出d a b 的节目套数共有8 0 0 多套。d a b 的民用接收设备是从1 9 9 8 年 夏季开始较大量投放市场，到2 0 0 5 年底各种各样的用于汽车、家庭与便携民用 d a b 接收机产品( 包括h i f i 接收机和p c 卡) 多达2 0 0 余种，价格也越来越便宜。 同时，还开发了很多d a b 专业设备，如：d a b 发射设备、d a b 芯片、d a b 接收机等。 以下分别介绍欧、美、日、中国d a b 现状和韩国卫星d m b 现状。 l 、欧、美、日d a b 产业现状 目前全球数字多媒体广播的发展在现有d a b 标准的基础上，主要有照搬、 修改、另起炉灶三种模式。欧共体等大多数国家遵循尤里卡1 4 7 标准：加拿大等 国在参照该标准的基础上略做修改，有所不同：美、日等发达国家则为了自己的 商业利益，基本另起炉灶，各国现状如下： ( 1 ) 欧共体：欧共体等大多数国家遵循尤里卡1 4 7 标准，作为d a b 发祥地 的德国，已明确规定将在2 0 1 5 年由d a b 代替现有的f m 与a m 广播，到时f m ， a m 将停止使用。 ( 2 ) 美国：早在1 9 9 0 年，美国数字广播集团( u s a d r ) 就提出了“带内同频 i b o c - d a b 的方案，在地上利用现有的a m 和f m 发射机进行覆盖，在天上则 用d s b 卫星广播方式覆盖。结果用了1 0 年时间，一直未能解决好邻近频道串扰、 4 北京邮电大学工学硕士论文 抗多径衰落差的问题。直到2 0 0 0 年4 月，技术问题的解决基本有了眉目，美国 国家广播制式委员会( n r s c ) 才决定进行正式的i b o c d a b 标准的制定。 ( 3 ) 日本：在对欧共体和美国的制式进行了反复甄别后，日本提出了自己 的解决方案：i s d b t ( 数字广播地面综合服务) 国家标准。这个标准的最大技 术含量在于，它既可以使用窄带又可使用宽带来同时播出数字广播和数字电视节 目。在传输上，它利用了尤里卡1 4 7 d a b 的c o f d m 编码正交频分复用的信道 编码和调制方法。 2 、中国现状 ( 1 ) 我国自8 0 年代末以来一直跟踪国际上d a b 技术发展动向。1 9 9 2 年6 月，原广播电影电视部通过了广播科学研究院完成的在我国开展d a b 重大科研 项目的可行性报告，并上报国家科委。1 9 9 4 年1 2 月，国家科委通过了广播电影 电视部起草的数字音频广播( d a b ) 重大科技产业工程可行性论证报告1 9 9 6 年5 月1 3 日，国家科委在京召开了“国家重大科技产业工程数字音频广播( d a b ) 实施方案一专家综合评审会，通过了“实施方案 ，1 2 月1 1 日正式将此项目列 入“九五 国家重大科技产业工程计划。该项目主要有三个目标： 制订我国d a b 标准 建立d a b 先导网 发展我国d a b 产业 到2 0 0 0 年底，d a b 项目己完成广东d a b 先导网建设，开始试播并进行了 初步测试( 包括d m b ) 。已完成北京廊坊天津d a b 网的建设，初步完成d a b 制式比较；开发出部分发端设备和接收机功能样机；完成部分接收机专用集成电 路设计。 ( 2 ) 2 0 0 6 年5 月1 8 日，中国国家广电总局正式出台了( ( 3 0 m h z 一3 0 0 0 m h z 地面数字音频广播系统技术规范( g 岍2 1 4 2 0 0 6 ) ，欧洲的d a b 标准正式成为 中国数字广播行业标准，并于2 0 0 6 年6 月1 日开始正式在中国执行。 目前我国北京、上海、广东等地正在利用建成的d a b 先导网进行d m b 试 播，但都采用的韩国t - d m b 技术。 3 、韩国d m b 近年来韩国扩展了d a b 技术，率先以d m b 的形式为移动用户传输视频业 务( 手机电视) 获得了商业的成功。2 0 0 5 年秋季，商业的s d m b 收费业务在韩国 正式运行。在业务开出后的前三周就卖出了1 0 万台接收机。到2 0 0 5 年1 1 月底， 根据t u m e d i a k o r e a 的资料用户数量已达3 0 万。2 0 0 5 年1 2 月1 日在韩国首尔 地区启动了t - d m b 的正式运行( 三个发射台) 。所有的业务都没有加密，可以免 费接收。s a m s u n g 、l g 等企业在i f a2 0 0 5 展览会上已经展出了1 8 种不同的 5 北京邮电人学t 学硕上论文 d m b 接收机样机。2 0 0 6 年三星公司在c e b i t 上展示了全球首部“双模d m b 手 机一，可同时接收s - d m b 与t - d m b 信号。终端设备与广播节目相辅相成，使数 字广播走上了良性发展的道路。 1 4 课题来源及主要研究内容 我国的标准化管理委员会已经明确提出制订我国自主的手机电视标准，手机 电视系统的特性如下： 1 ) 低功耗：累计连续播放时间至少超过5 小时，要求电视手机信道解调 信源解码芯片总功耗不超过2 0 0 m w ： 2 ) 小屏幕：显示屏尺寸一般小于7 英寸，主要在2 4 英寸到4 英寸范围内， 达到每秒2 5 帧以上，达到q v g a 3 2 0 * 2 4 0 的漂亮画质： 3 ) 低码流：每个频道数据码流一般不会超过3 8 4 k b s ： 4 ) 高速移动性：最高移动速度要达到中国动力组火车2 0 0 k m h 、未来达到 3 0 0 k m h ，甚至4 0 0 k m m 环境下正常观看手机电视的要求； 5 ) 能够组建低成本的全国同频手机电视广播网：要求手机电视广播网络发 射设备质优价廉，性能可靠稳定，网络覆盖成本低。特别要求组建全国 性同频广播网只能采用单一( 而不是选项) 的信道调制技术规范，电视 手机的视频接收灵敏度要优于9 5 d b ； 6 ) 抗干扰能力强：要保障电视手机在各种复杂的无线干扰环境中，特别是 移动速度达到2 0 0 k m h 3 0 0 k m h 环境中都能j 下常工作； 7 ) 高性能低成本：要促进电视手机产业规模的持续发展，使广播电视功能 在手机上成为标准配制。一般说来，在中国手机产业界能够大规模应用 的条件是每套电视手机功能模组包括信道解调信源解码芯片模组的目 标成本是1 0 美元，甚至更低； 8 ) 无知识产权纠纷：由于电视手机市场规模巨大，会涉及到每个中国人， 一旦确立电视手机国家标准，则会持续使用三十年以上，每台电视手机 几个美元的专利使用费累积起来的费用总数将是天文数字。因此，中国 自己的手机电视标准一定要将专利费降到最低； 外信道艏源标准要统一考虑：制定电视手机国家标准，不能只强调信道传 输技术要求，信道解调信源解码技术也应统一考虑，做到电视手机整体 性能价格比最优。因为信源编解码技术一旦确定，将影响深远，中途更 换，损失会很大，特别是在拥有巨大用户的基础上将会非常困难； 基于以上特性要求，同时考虑到目前d a b 成熟的发展现状：d a b 在欧洲的 6 北京邮电大学工学硕士论文 覆盖率已达9 5 ，我国也制定了d a b 的国家标准( g y t2 1 4 _ _ 2 0 0 6 ) ，并且我 国在d a b 方面已有1 0 余年的生产、广播运营方面的技术铺垫。在广东省、上海、 北京等地都相继在d a b 基础上进行了d m b 试验。我们认为，随着a v s 视音频 编码标准的不断成熟，在已有d a b 网络基础上，打造基于a v s 编码标准的数字 移动多媒体广播( 手机电视) 系统，是具有重大的科学及经济意义的。本课题就 对此进行了研究，主要研究内容包括： 根据相关理论，提出d a b 同步网络的组网方案； 研究在d a b 信道中传输a v s 视频流的机制： 研究多媒体及数据业务传输、复用、保护机制。 1 5 本章小结 本章首先提出了项目背景，并对d 伽m b 业务进行了简单的介绍。然后通 过分析近几年国i 内# b d a b d m b 业务开展情况和本系统的优势，强调了在中国积 极发展基于d a b 的手机电视业务的重要意义，最后明确了本课题研究的主要内 容。 7 北京邮电大学工学硕士论文 第二章d a b 系统总体结构及其关键技术 本章对数字音频广播( d a b ) 系统的总体结构进行了描述。d a b 优越的性能 来自于它采用的关键技术，包括其使用的m u s i c a m 信源编码、信道编码和 o f d m 调制技术，就此本章也做了具体的介绍。d a b 不单单只传送声音广播节 目，还可以传送数据业务，甚至可传送图像信息，实现多业务传输，己属于数字 多媒体广播( d m b ) 范畴，多媒体对象传输协议m o t 为d m b 的实现作了具体的 规范。下面就d a b 系统总体结构和关键技术作详细描述。 2 1d a b 系统总体结构 d a b 系统传输原理方块图如图2 - 1 所示，每个方块的内容表明了它所实现 的功能。各块功能的具体描述如下【2 1 。 2 1 1d a b 的传输机制 d a b 用于传输数据的机制有两种：快速信息信道方式( f i c ) 和主业务信道方 式( m s c ) 。f i c 由快速信息块( f i b ) 组成，用于承载说明m s c 配置所需的控制信 息，这些控制信息中最基本的部分是复用配置信息( m c i ) 和复用结构信息，除此 之外，还有业务信息、条件访i h ( c a ) 管理和快速信息数据信道( f i d c ) 。为了快速 安全响应m c i ，f t c 不用时间交织，但使用高水平的保护措施以防止传输误差。 m s c 由一系列的公共交织帧( c i f ) 组成，一个c i f 是一个5 5 2 9 6 6 b i t s 的数据 区，每2 4 m s 传输一次。c i f 中最小的可寻址单位是6 4 6 i t s 大小的容量单元( a 。 一定数量的c u 组成一个基本的m s c 传输单元，叫做子信道，m s c 由子信道复 合而成。 在m s c 中的业务成分定义了两种不同的传输模式：流模式和包模式。流模 式是在一个给定的子信道中以固定的比特率提供一个从源到目地的透明数据传 输；包模式是几种不同的业务成分用单一的子信道传输，每个子信道可以是一个 或多个业务成分。 8 北京邮电大学工学硕士论文 m c i 刊 f i d c 一复 f l c a 叫s 。复合l 坐 音l 燃m 籼 蓁引茎悱腱 萎三咂 卷积 编码 时间 交织i l 子 信 丽广攀 交织i i 子 信 磊n 篁 交织i： i 子 信 袢 交织l ： m s c 复 厶 口 器 c i f i 传输帧 图2 1 ：概念上的d a b 传输原理方块图【2 l 2 1 2 复用配置信息( m c i ) m c i 在f i c 中传输，主要提供以下信息： 1 ) 定义子信道的组织； 列举了复合信号中的有效业务； 3 ) 建立业务和业务成分之间的连接； 4 ) 建立子信道与业务成分的连接； 5 ) 管理复用重新配置信息。 甲 同步 信道 n cm s c 符号 ( 频率交织) 产生 器 符号产生器 ij c o 】f d m 符号产生器 2 1 3 音频编码 d a b 系统使用了m p e g - 1 第二层( l a y e r i i ) 的音频编码，又称m u s i c a m 编码。取样频率为4 8 k h z 或2 4 k h z 的p c m 音频信号，输入到m u s i c a m 编码 器，产生一个压缩了比特率从8 k b i t s 到3 8 4 k b i f f s 范围的音频比特流。 2 1 4 条件接收( c a ) c a 的目的是防止未授权的用户接收业务信息。m c i 有专门的参数用于指示 业务成分是否加扰和怎样找到解扰的参数。加扰通常在两种情况下使用，一是节 目数据的提供者要向用户收取费用，通过加扰有意限制使用权；一种是在数据业 务时，业务内容含有秘密的信息，例如个人电文呼叫业务等，需进行通信保密。 9 积码 一 一积码 一 一积码 卷编 一 一帮绷 一 一卷编 北京邮电人学工学硕j ：论文 2 1 5 能量扩散 把传输信号随机化以利于在信道中传输。数据流在送往卷积编码器之前，通 常都要经过能量扩散处理( 也称为扰码或扰乱) ，其作用是减少连“0 码和连“1 码，以确保位( 比特) 定时恢复。通过对二进制系列的随机化处理，限制连“0 码和连“1 码的长度，使信号频谱弥散而保持稳恒。 需要进行能量扩散的数据序列，与生成多项式为x 9 + x 6 + 1 的伪随机二进制 序列( p r b s ) 发生器产生的p r b s 模2 相加，便得到能量扩散输出信号。 与加密处理相同，能量扩散只改变数据序列的信号形式，而不改变码率。 2 1 6 卷积编码 编码参数视业务类型、净比特率和所期望的误差保护水平而定。有两种误码 保护处理方式：不等差错保护( u e p ) 和等差错保护( e e p ) ，前者用于音频业 务，后者适用于音频也适用于数据。在d a b 规范中，考虑了从r 1 = 8 9 、 r 2 = 8 1 0 、r 2 3 = 8 3 1 、r 2 4 = 8 3 2 = 1 4 共2 4 种不同的编码率。 2 1 7 交织 有时间交织和频率交织，用于防止“块差错，时间交织只用于m s c 中， 而不用于f i c 中。 作为通过卷积编码进行差错保护的补充手段，经过卷积编码的数据还要进行 时间交织，以提高纠正突发性差错的能力。 时间交织，是人为按照既定的规律打乱数据序列的自然顺序，在接收端通过 去交织后又可以恢复原来的顺序。频率交织的实施相对比较简单，根据相邻的比 特在尽可能远的不同载波上传送的原则，进行简单的数学上的排列组合。如果不 进行频率交织，相邻的比特尽管在不同的时刻点发送，然而实际这种传输的载波 频率保持不变，那么在低的行车速度下移动接收或在静止接收时，即如在这种宽 带的传输方法中，对于传输频段的一部分来说，也有可能产生持续期较长的深度 衰落。如果通过频率交织，相邻的比特安置在大于无线电信道的相关带宽的不同 载波上，这种衰落的影响便可以消除。 2 1 8d a b 传输信号 d a b 定义了四种传输模式，如表2 - 1 所剥2 1 。以帧结构传输由一系列的正交 频分复用( o f d m ) 符号构成。 一个传输帧包括了三组o f d m 符号：同步信道符号，快速信息信道符号和 主业务信道符号。同步信道符号包含零符号和相位参考符号，而零符号也常用于 i o 北京邮电大学工学硕士论文 传输发射机标识信息。 表2 1 ：d a b 传输模式和工作频段 参数模式i模式i i 模式模式 射频带宽1 5 3 6 z1 5 3 6 姗z1 5 3 6 z1 5 3 6 m h z 载波总数1 5 3 63 8 41 9 27 6 8 总的调制符号持续期 1 2 4 6 t s3 1 2 t s1 5 6 t s6 2 3 比s 保护间隔 2 4 6 蝉s6 2 4 t s3 1 i s1 2 3 a s 传输信道总数据率2 4 3 2 k b s2 4 3 2 k b s2 4 4 8 k b s2 4 3 2 k b s 传输信道十、i l ，棼数据塞 2 3 0 4 m b s2 3 0 4 m s2 3 0 4 m s 2 3 0 4 m b s 频率范围( 移动接收) 3 7 5 m h z 1 5 g h z 3 g h z + 叱桫+ e x p ( 心：) + w 电) ) ) 式( 3 2 ) b 龇，哪。g 瞳唧c 叫卅忡舳，) ) 一， b 姚。嘶川。g 瞳毗肿忡舳，) ) 加4 ， l l r ， ，p ) 一l o g p t u ，- l r ) - l o g p ( u ，一o r ) 式( 3 - 5 ) 其中d 1 ，2 ) 表示两个分量码译码器，p 表示迭代次数。由于t u r b o 码译码分别 对两个分量码译码器采用串行迭代译码算法，输入下一译码器的软信息必须是外 部信息，即与本译码器先验输入独立，因此： a 。仍) = z 尺，q p ) 一z ，o ) 式( 3 - 6 ) z 。( 七) = l l r ，( 2 ，p ) 一a 。 式( 3 7 ) 其中，e 为转移分支，w ( e ) 是分支的概率，e 。是输入信息比特u 到某一状态 的分支，而e 2 。是从时刻t - 1 到时刻t 所有输入为u 的分支。当满足迭代次 北京邮电大学工学硕上论文 数要求或符合截止译码条件时，对l 乙尺，( d ，p ) 进行判决，输出译码结果。式 ( 3 1 ) 一( 3 5 ) 主要包括指数和对数运算，按下式简化后即为m a x l o g - m a p 算法 【3 4 ，3 5 1 ： l o g ( e x p ( a l ”+ e x p ( 倪2 ) + + e x p ( a f ) ) 一m a x ( o f l ，倪2 ，口，) 式( 3 - 8 ) t u r b o 码译码还有s o v a 算法。但综合性能和复杂度，推荐采用 m a x l o g - m a p 算法。 4 3 码率兼容删除t u r b o 码 4 3 1 删除t u r b o 码原理 采用t u r b o 码作为数字广播系统信道编码方案，仍然必须解决卷积码面对的 同样问题，即对不同应用场合提供不同纠错能力的编码。解决该问题的简单方法 也和卷积码相似，即在t u r b o 母码的基础上定义一族码率兼容的删除t u r b o 码 ( r c 眦：r a t ec o m p a t i b l ep u n c t u r e dt u r b oc o d e s ) 。 事实上，文献【9 】中1 2 码率的t u r b o 码已经对校验位进行了删除，即本质上 是对母码为1 3 码率的t u r b o 码进行删除。仿删除卷积码，还可对其作进一步删 除，得到更高码率的t u r b o 码。文献【2 3 】最早提出删除t u r b o 码，其编码器基本 结构如图3 5 所示，信息比特流输入到母码编码器，码率为1 3 ，码流再输入删 除器，根据删除模式进行周期性删除( 只对校验位进行删除) ，为保证解码器输 入信号独立( 消除信道相关性) ，应在删除器后加一交织器，交织后的码流送入 符号映射器，进行m 阶调制，映射方式一般采用g r a y 星座映射，调制后的信号 点为复数符号，此时传输的谱效率为： r = r 。l o g 式( 3 - 9 ) 陛 刁七1 3 删交 f 日 除 织 号彳七+ 歹上 、， t u r b o映 器 舆 雷口 射 图睨：删除t u r b o 码编码器 图4 3 为相应解码器结构。通常只对校验位进行删除，如删除模式1 为 ( 1 1 1 1 ：1 0 0 0 ：1 3 0 0 0 ) 时，码率为4 5 ；删除模式2 即( 1 1 0 0 ：1 0 1 0 ：0 0 0 1 ) ，删除了信 息比特，码率同样为4 5 。仿真发现，低信噪比时删除模式1 比删除模式2 好； 北京邮电大学工学硕上论文 高信噪比时删除模式1 出现误码平台，而删除模式2 误码率迅速减小，未出现误 差平台。由此可见，对信息位也进行删除时，可保证在一个删除周期中各校验位 均用到至少一次，其出发点是考虑到码率变高时，若只对校验位进行删除，过多 地删除校验位将使得部分系统信息位没有编码保护，从而导致性能恶化，事实上 校验位包含了系统信息，系统信息可通过解码过程得到恢复，均匀地删除校验位 不会导致性能恶化。文献 2 4 1 通过研究不同删除模式，发现相对于卷积码，t u r b o 码的性能对删除模式更加敏感，其原因如上所述。即由于对校验位进行了删除， 使得对系统信息位的保护不均等。 x k 。 一 a 留七l a l l r 心d 解 a ( c ：)t u r b o 刁七 计算 交 解码器 y 七 织 a ( c ：) 图4 - 3 ：删除卷积码的解码器结构 经典t u r b o 码结构为并联两路相同r s c 码，码率为1 3 。以此为母码的r c p t c 设计方法主要包括3 个步骤：首先选择分量r s c 码，尽可能保证在低信噪比下 可提供较好性能( 在允许的复杂度前提下) ；再以交织器的长度为参数，根据一 定优化准则选择合适的交织器；最后设计删除模式，即删除矩阵，满足码率兼容 的要求，同时保证性能。 设计时，可从需要的最高码率开始。一般可根据是否对系统信息比特进行删 除把删除t u r b o 码分为系统r c p t c ( 不删除系统信息比特) 和非系统r c p t c 。 选择删除模式时，可假设采用归一化交织器( u n i f o r mi n t e r l e a v e r ) 。r c p t c 设计的 本质是优化r c p t c 的输入输出重量分布函数，有如下3 种优化准则： 自由距准则：从候选的删除模式选择具有最大自由距离的删除模式1 2 5 l ； 最小斜率准则：用一条直线近似输出重量分布函数( w e f ：w e i g h te n u m e r a t i n g f u n c t i o n ) 前3 0 项输出距离d 的系数，选择删除模式使得此百线具有最小斜率； 最优( d 。，n j 序列准则：d ，是输入重量为w 的码字的最小重量，n 。是 重量为w 的码字数，假设输入信息的重量为w - 2 ，w 咖。，选择删除模式具有 最优的( d 。，n ) 序列特性，即有最小的d 。和最小的n ，。 由于系统r c p t c 保留了所有信息比特，所以相比非系统r c p t c 在高信噪 比下更有优势( b e r 很低) 。因此可根据业务的q o s 选择合适的删除类型。 北京邮电大学工学硕十论文 4 3 2 删除t u r b o 码实现不等保护 类似r c p c ，r c p t c 也能提供不等保护( u e p ) 。但直接套用r c p c 方式对 一帧中需不等保护的部分进行不同码率的删除无法提供r c p c 那样明显的u e p 性能。因为交织器使得删除的比特既含有需要低保护的信息，也含有需要高保护 的信息，因而u e p 的界限变得非常模糊。t u r b o 码实现u e p 的一个简单方法为 采用两级交织器： 由于一般t u r b o 码起始和结束时刻的信息具有较高的保护( 状态己知) ，可 把信息比特序列按图4 4 所示组织：块1 和块3 中的信息属于高保护信息被独立 交织，块2 中的信息只要低保护即可，被另一交织器交织。由于两个交织器独立， 可等效为一个交织器( 与d r m 进行不等保护的交织器类似) 。编码器对不同保 护部分采用不同的删除格式。仿真结果表明此方法可使得r c p t c 获得与r c p c 相近的不等保护性能i 硐。 4 4t u r b o 码交织器 图“：不等保护t u r b o 码帧结构 如前所述，t u r b o 码的设计包括交织器的设计。自t u r b o 码出现，寻找高性 能交织器的研究一直在进行，使得码字具有好的距离谱。好的交织器可使编码器 产生最少的小重量码字，即改善码的重量谱。从理论上看，设计交织器是非常繁 琐的，通常有如下步骤： 1 ) 产生随机交织器； 2 ) 生成所有输入信息序列： 3 ) 对所有输入信息序列进行编码并计算码字重量，从而得到码的重量谱； 4 ) 计算具有最小重量的码字数目。 以上过程反复进行，按编码器生成最少的小重量码字准则选出最优交织器， 显然此方法实践上不可行。下面先介绍各种t u r b o 码交织器，然给出本编码方案 推荐的交织器选择。 本系统所涉及的交织器分为两种：一是在t u r b o 码中使用的交织器，称为内 交织器或t u r b o 码交织器；二是在编码器之外使用的交织器，称为外交织器或信