DTTB地面移动数字电视讲义.doc

1-“地面移动数字电视技术” 讲义2006.7“地面移动数字电视技术”目 录1. 数字电视基本理论1.1 关于数字电视1.2 视频编码1. 3 MPEG-2压缩编1. 4 时分复用 TDM1. 5 MPEG-2码流结构2. 地面移动数字电视技术2.1 地面移动电视需要解决问题2.2 地面移动数字电视系统2.3 地面移动电视传输方式2.4 信道编码2.5 数字调制2.6 导频信号2.7 单频网2.8 保护间隔2.9 电视地面传输标准3. 我国地面电视广播标准解析4. 模拟电视发送设备改造数字电视发射机5数字地面电视系统测量 1. 数字电视基本理论数字电视是一个复杂的系统，主要包括演播室里完成信号的抽样、量化、压缩编码的信源压缩部分，发射机房中的为传输稳定和可靠进行的信道传输部分，以及千家万户使用的接收和显示部分等。信源部分的国际标准主要是MPEG （活动图像专家组）提出的MPEG-1 、MPEG-2 、MPEG-4 等视音频标准。信道部分的标准比较多，根据传输媒介的不同分为卫星、有线、地面三种，其中卫星的标准有欧洲DVB 组织提出的DVB-S ，有线主要有DVB-C 。当前，地面数字电视的国际标准主要有三个：欧洲DVB 组织提出的以COFDM为核心技术的DVB-T 标准；美国大联盟组织提出的以8VSB 为核心技术的ATSC标准；日本提出的以BST-OFDM 为核心技术的ISDB-T 标准。我国清华大学提出以TDS-OFDM 为核心技术DMB-T 方案1.1.1 什么是数字电视数字电视（DTV ：Digital Television ）是指采用数字技术将活动图像和声等信号加以处理、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。与传统的模拟电视相比，数字电视在图像和声音质量两面都有重大改进。根据清晰度可分为：标准清晰度数字电视（SDTV ：Standard Definition Television ）和高清晰度数字电视（HDTV ：HighDefinition Television ）,码率分别约为4 兆和20 兆比特左右。近几年来，市场上常见的数码电视，尽管在原有模拟电视的个别环节中使用了一些数字信号处理技术如清晰度、降噪、去闪烁等，用来提高和改善模拟彩色电视机的图像和声音质量，但从天线接收的信号，都不是真正意义上的数字电视。它与全数字电视信号并不能直接兼容。相反，真正的数字电视则可以接收全数字电视信号，充分发挥数字电视的优越性。1.1.2 数字电视有哪些优势和特点（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。SDTV 数字电视节目可以达到DVD 质量，在观看HDTV 节目时清晰度是目前电视的4 倍以上，如35mm 电影般清晰。（2 ）频带利用率高。原PAL 频道可播放4 到8 套标清数字电视。（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。1.1.3 数字电视的传输媒介有哪些根据传输媒介的不同，主要分为：地面数字电视、有线数字电视（包括光纤、铜轴和两者的混合网）、卫星数字电视等。1.1.4 数字电视都有什么样的标准信源部分的国际标准主要是MPEG （活动图像专家组）提出的MPEG-1 、MPEG-2 、MPEG-4 等视音频标准。信道部分的标准比较多，根据传输媒介的不同分为卫星、有线、地面三种，其中卫星的标准有欧洲DVB 组织提出的DVB-S ，有线主要有DVB-C 。当前，地面数字电视的国际标准主要有三个：欧洲DVB 组织提出的以COFDM为核心技术的DVB-T 标准美国大联盟组织提出的以8VSB 为核心技术的ATSC标准日本提出的以BST-OFDM 为核心技术的ISDB-T 标准清华大学提出以TDS-OFDM 为核心技术DMB-T 方案上海交大ADTB-T(单频)广电科学究研院TiMi(多频)我国地面电视广播标准会是多频，单频传送的融合，提高移动的接收能力。不久会出台。1.1.5 发展地面数字电视有什么益处首先，地面数字电视广播网络可以通过电视台制高点的天线发射无线电波覆盖电视用户，客户端通过接收天线和电视机收视节目。地面广播也是数字电视广播最基本的传输网络形式。除了提供娱乐、学习等公益服务之外，其普遍性、可控性和抗毁性还被视为国家安全设施，使之成为紧急情况下动员国民最直接最可靠的政府喉舌。其次，开发地面数字电视市场可以满足人们随时随地收看多媒体节目的要求。数字电视的发展已经不仅仅是收看内容的多少，而是收看地点的灵活性、收看时段的随意性。很重要的就是，开展地面数字电视服务能够利用目前大量闲置的无线频谱资源，实现更多的应用业务以提高频率效益。作为广播运营单位，不但可以利用原有电视频道，也可利用闲置的无线频谱来开展地面数字电视广播，提供数字电视的移动接收和便携接收服务（支持大于5Mbps 的码率），或者提供高清晰度电视以便用室内简单天线进行固定接收（传输大于20Mbps 的码率来），提高频率利用的经济效益。此外在开发一般的数字电视业务和数据广播的同时，如果能够实现接收机定位、定时接收和双向交互业务以及对用户的个性化信息等业务，将大大扩展无线频道的业务能力，为无线电视台提供更广阔的发展机会。总之，地面数字电视项目具有投资少、见效快的特点，而且可以带动相关产业的发展。开展地面数字电视，等于为我国这个世界上最大的电视消费和生产国开发了一个巨大的产业机会。1.1.6 地面数字电视传输系统的需求和要求都有哪些从宏观上看，地面数字电视主要从标准、用户、产业等角度考虑。首先对于地面数字电视传输标准，第一要求满足地面数字电视传输要求；第二要真正具有我国自主知识产权；第三方面要在功能上具有可扩展性；第四个方面；还要求研制相应的试验系统，以验证所建议的传输标准。其次从用户角度，要求可以为HDTV 信号传输提供大于 20Mbps 的净荷码率，为 SDTV 信号传输提供大于 5Mbps 的净荷码率，并能使用简单天线支持室内固定接收和能在车速移动条件下支持移动接收；还要具有信号覆盖半径不少于35公里的单频组网能力；另外整体性能指标应优于或相当于相应的国外现有标准的性能。在功能上具有支持传输HDTV 、SDTV 、音频、数据、短信息等多优先级多媒体数据码流的可扩展性，为将来实现接收机定位、定时接收和双向交互业务以及对用户的个性化信息服务等系统功能扩展提供必要的技术基础。对于产业方面的需求，首要的就是具有自主性，也就是用自己的基础发明专利有机地整合成自己的传输标准体系，形成比较完整的自主知识产权，构筑保护我国数字电视产业的技术壁垒。然后还要求具有很好的经济性：技术成熟并有自己的专用芯片；力求和国际最通用的标准具有最大的产品兼容性，以便拓展我国数字电视产业的国际发展空间和共享国际技术设备资源。从地面广播的无线传输系统本身考虑，就要从传输信息容量、抗动态多径干扰/频率选择性衰落信道、单频网信号覆盖等方面进行考虑。通常来讲，DTTB 的发射天线高度为几百米，发射功率为几百到几千瓦，覆盖几十公里；DTTB 应能够工作在单频网模式，以便进行更大面积的同频信号覆盖；我国的DTTB 传输带宽8 兆赫，传输技术措施主要应针对频率选择性衰落。在传输信息容量上，HDTV 就要求提供大于20Mbps 的净荷码率；SDTV 需要提供大于5Mbps 的净荷码率；此外，多媒体业务数据提供大于20Mbps 的净荷码率。1.2 视频编码1.2.1 视频数字化数字化过程见将件编码是将一种规律性符号排序变换为另一种现律性排序过程。如信源编码、信道编码，压缩编码采用的各种编码。如PCM1.2.2 源编码视频数字化标准 CCIR 601号建议以分量编码4：2：2标准作为电视演播室数字编码的国际标准4：2：2为主标准4：4：4用于高档级演播室4：2：2常用标准称为STV标清4：1：1(4：2：0)为低档数字设备，如DV格式数字录像机。视频数字化在广播电视中采用分量方式，这是世界统一的数字编码标准，有利于国际间的电视节目交换。CCIR 601号建议：625行/50场和525行/60场兼容的分量编码标准，是用亮度信号Y色差信号R-Y色差信号B-Y表示采样频率值。 444标准422标准411标准211标准亮度信号13.5MHz13.5 MHz13.5MHz6.75MHzR-Y色差信号13.5MHz6.75 MHz3.375MHz3.375 MHzB-Y色差信号13.5MHz6.75 MHz3.375MHz3.375 MHz1.2.3 源编码码率源编码码率：它取决于抽样频率量化比特通道数字电视采用视频分量信号YCRCB源编码。主标准(13.5MHz + 6.75MHz+ 6.75MHz)10 =270Mpbs经压缩后的码率取决于压缩比。源编码码率/压缩比。采用不同的压缩编码方式(单个或分层、联合)，压缩比不同。1.3 MPEG-2压缩编码 1.3.1数码压缩的必要性关键点在于摸拟信号数字化后如何传输。一路6MHz的普通电视其数码率高达167Mbps(13.5MHz6.375MHz6.375MHz)8。信道带宽将近84MHz。一套模拟电视信号近距离仅用6MHz，远距离传输8MHz。对储存器说，其容量要求也大。采用电缆，550MHz带宽仅传7套电视节目。数字化优势不可发挥。即可操作性困难。必须将高数码率降下来，所以数码压缩意义重大。1.3.2码率压缩的可行性建筑于信源的数据是信息量(信源熵)和信息冗余量之和。(1)空间冗余在同一行上相邻像素之间的相拟性(相关性)称为行相关；在相邻行之间上、下方向像素的相关性称垂直相关。由于具有空间相关性，使得传送相关性很强的数据没有必要。将没有必要传送的空间相关性数据，称其为空间冗余。(2)时间冗余在一幅活动画面中经常出现背景不变，局部画面会随时间改变位置，或将其分解为一幅幅画面，在时间上存有相关性，称为时间相关性。等到变更为另外内容的画面，相关性消失。(3)结构冗余结构是指在图画面中，许多物体、动物、植物等也存在的相同的规律性。这些结构上的规律性，产生的数据是冗余的。(4)视觉冗余是指人眼难于识别的数据，或对于人眼视觉效果影响甚微的数据是多余的，称这些冗余为视觉冗余。(5)熵冗余用符号出现概率来计算信息量比较麻炊，可用平均信息量概念来计算。平均信息量是每个符号所含信息量的平均值。熵就是信源输出的平均信息量。概率即事物出现的几率。当概率不等，虽然概率小的符号其信息增加，而出现概率大的符号所含信息很少。故总平均信息量反而降低。通常信息中各符号概率不相等，因此熵值却达不到最大值，含有多余成分，即熵冗余。通过信源编码，除去熵冗余，使平均码长接近熵值。小结：由于画面中存有大量的相关性，冗余量，冗余量减少可以减少数据量而不减少信源的信息量。从数学角度看，图像是一个多维函数，压缩这个函数的数据量实质是减少其相关性。如：每幅画面中景物的边沿轮廓细节部分为考虑清晰度，应选用高抽样频率(注意此时降低量比持)，而大面积减小抽样频率(不应同时降低量化比比特)因为降低量化比持，噪声会加大，在大面积出现容易查觉。相反适当提高量化比特数。对于画面变更快的应提尚高传送图像速率，可同时降低量化比特数和抽样频率。此时无论信噪声或图像细节都会受到损伤，但画面变化快，人眼短时间内不易查觉。在编码中可将这些冗余数据省略，其结果是源码率下降，达到码率压缩的目的。对于音频信号而言也存有冗余量，掩蔽效应说明强音出现后，一些低于强音的声音，人耳听觉效果会减弱。这些影响甚微的数据是多余的。13.3 压缩方法MPEG-2压缩编码是DCT和DPCM混合的宏块结构。采用预测编码，离散余弦变换器DCT处理图1-0 利用不同图像的相关性，在图像编编中将图像分为I，P，B-图像处理，并依据解码器的要求将I，P，B-图像重新进行排列。(1) I-图像为“帧内编码”的图像，特点是数据量大，解码时不需额外信息，不包含矢量。以块(88像素)为单位直接顺序输入DCT，处理后以DCT变换系数的大到小排列，当出现零系数，以EOB字符结束。而后输入量化器Q进行变换系数的量化处理(利用量化表)。量化之后一路送入图像复用编码器。加入各种附加信息形码流送入传输缓冲器。另一路则送入反量化器Q-1初反和反离散余弦变换器DCT-1，通过输出I帧图像数据(此时为直通I或P帧存储器，以供后边P帧或B帧进行帧间编码用。自适应量化挖控制器对于I帧，P帧或B帧都是适用的。它及时检测复用编码器输出的码率，反馈到编码统计处理器，对片各宏块的码率进行统计分析，及时向自适应量化控制器报告当前码率与上限码率之间的差距，以便相应地选用或调整量化步长，使总的码率始终保持平稳。 (2) P帧编码过程 A、找出运动矢量(运动估值)。把当前P帧图像以宏块为单位送入下方的运动估值器，同时把前边的I帧或P帧图像也送入运动估值器，针对当前输入P帧的宏块像区在前边I帧或P帧中通过搜索获得匹配的宏块，得到相应的运动矢量H、V。分别为水平位移坐标，垂直坐标。B、运动补偿预测。将找到的运动矢量(运动估值)分两路输出，一路送入右边的复用编码器，作码流的附加信息用于接收解码器参考，另一路送入运动补偿预测器。同时，前边的I帧或P帧数据也送入此预测器。根据运动矢量坐标H、V，以及当前P帧宏块坐标位置x、y，找出前边I帧或P帧的匹配宏块P( x + H，y + V)。此宏块(1616数据块)由运动补偿预测器向上分为两路输出，一路通过开关送入加法器；另一路送入上方加法器。此加法器为反相加法即减法。设当前P帧宏块数据为C(x，y)，I帧运动匹配宏块数据为P( x + H，y + V)，则预测差值为 MB x y = C (x，y)- P( x + H，y + V)C、预测差值编码。上方开关应在帧间位置，预测差值通过此开关送入DCT编码器，再把变换系数送入量化器Q，之后的处理与I帧基本相同。 P-帧图像是从前一幅图像中得到的预测图像。前一帧图像可以是I帧或P帧。P帧图像数据比I帧数据量少一半。(3) B帧编码 开关置于帧间编码位置；I、B断开位置。量化器Q下边的开关处在“B”即断开位置。A、找出运动矢量。对B帧输入进行编码时，前边的I帧和P帧及后边的P帧，通过帧重排后已经存储在右下方的I、P两个存储器内，当B帧宏块输入运动估值器时，I帧和P帧也按一定规律先后送入运动估值器。先在I帧内进行匹配搜索。如果搜索到完全匹配，即最小差值为零或近于零，不必再搜索。如果不完全匹配，继续在P帧中搜索。最后搜索到最佳匹配宏块，或者按一定比例系数由前后两帧合成的宏块作为匹配块，由此得到相应的运动矢量MV1和MV2及比例系数。B、运动补偿预测。把得到的运动矢量MV与相应的系数一路送入复用编码器，作为接收解码参考信息，另一路送入运动补偿预测器，按照运动矢量系数在I帧和P帧中取出匹配宏块，与输入B帧中相应的宏块在加法器中计算预测差值MBC、预测差值编码。B帧的预测编码方式基本与P帧相似，但经过量化器Q之后的数据只直接送入图像复用编码器，不向下送入存储器(此时图中下边的开关在断位置)这是因为B帧不作为基准帧，不必存储备用。(4)复用编码器。其作用是对量化后的系数值加入各种辅助信息数据，构成数据(码流)输出。它由Z字扫描，零游程长编码，等组成。B-帧图像是从前后的I帧图像或P帧图像上中得到的双向预测图像。包含有运动矢量。B帧图像数据最小。1.4 时分复用 TDM 1.4.1 时分复用概念图1-1TDM原理 1.4.2 节目复用与系统复用 1. 包的概念所谓打包是先将顺序连续传输的复合信息按一定的时隙长度分段，在每段数据流前加入同步比特信息以及描述段内信息类型和用户类型的标志比特信息，构成具有特定结构和时隙长度的传输单元，将此传输单元称之为“包”。2. 打包器图1-2 节目时分复用 TDM 图1-3 系统时分复用 TDM 1.5 码流结构 1.5.1 ES基本数据流图1-14 ES 码流结构 A. 图1-14 ES 码流结构 B块是DCT变换的基本单位，为亮度或色度的88矩阵，在基本码流中，首先发送直流系数，再发其他频率系数，以EOB结束。 分为亮度和两个色度宏块。色度宏块大小与抽样格式(4：2：2，4：4：4)有关 每个宏块在包头信息中含二维运动矢量。 ES称为视频基本码流。其结构分为6层即： A、 图像序列(Video Sequence) 图像序列头、图像序列、图像序列终止序列头指定图像的垂直和水平尺寸、宽高比、色度取样格式、帧频、图像类(P)和级(L)。没有序列头信息，解码器无法解码数据流。序列头是解码器开始正 确操作的进入点。 B、 图像组(Group of Picture) 由多个或单个I，P，B帧不同类型的图像组成。C 、图像(Picture)D 、宏块条(Silce) 它表示一帧结构。由宏块条起始码，宏块条头，宏块条数据构成。E、宏块(Macroblock) 组成宏块条，由宏块类型(亮度还是色差)，运动矢量，宏块数据F、块(Block) 是DCT变换的基本单位，为亮度或色度的88矩阵，在基本码流中，首先发送直流系数，再发其他频率系数，以EOB结束。 分为亮度和两个色度宏块。色度宏块大小与抽样格式(4：2：2，4：4：4)有关每个宏块在包头信息中含二维运动矢量。1.5.2 PES 打包基本码流 图1-15 PES 码流结构1其中 Packet Start Code Prefix 包起始码，表示PES包开始 (24bit)(1100 ) ( 1111) ( )音频包 MPEGL视频包 序号Stream ID 流识别符(8bit) PID 包识别符以上用来识别数据包内容是视频还是音频。PES Packed Length包基本流包长 (16bit)PES Header Flage包基本流头识别标志 代表着多种信息(14bit)含有的信息见下图PES HeaderLength 包头长度 (8bit) PTS节目时间标记用来传递音频和视频之间的定时关系(显示时间)DTS数据时间标记对基本数据流进行有效的时基，还解决音、视频之间的同步(解码时间)。T-STD传输目标解码器PES Header Fields 打包基本流头帧 (可变长度) PES Packet Date Block 打包基本流数据块 图1-16 PES 码流结构2SC加扰指示 2bitPR优先级指示 1bit DA校正数据 1bitCR版权OC原版或拷贝指示PD时钟指示(表示有无节目时钟或解码时钟)ESCR表示包头部是否有基本码流的时钟基信息RATE表示包头是否有基本码率信息TM表示是否有8比特字段来说明数字存储媒体模式AC未定义CRC表示有否有循环冗余检验码(CRC)字段EXT表示是否有扩展标志1.5.3 PS与TS A、 节目流(PS Program Stream). 图1-17 PS码流结构1图1-18 PS码流结构2为什么要分为PS和TS。这是考虑产生误码的可能性大小。对于信道传输产生误码低下系用PS，而信道环境恶劣，也就是说噪声、干扰大，会产生较高误码，则用TS。图1-19 TS码流结构 TS与PS区别：第一点前者包结构是固定长度,PS是可变长度。因为PS是将完整的视频和音频PES包进行复用形成，由于视、音频编码器本身特性，使得PES包长度是可变。故PS包的长度也是可变的。对于TS是将视视频、音频的PES包作为固定长度的TS包的净负荷对TS包进行复用形成第二点两者在结构有些差异。导致抗误码上具有不同抵抗能力。因为TS是固定包长，当产生误码被坏TS的同步信息，还可以在固定位置检测出后面包的同步信息，使得接收机仍能获取到同步信号。而PS一旦丢失同步信号状就无法准确工作，导致严重误码。第三点采用固定包长格式的TS，在多路数据复用还可提供了许多灵活性以及其他长处，故在媒体中进行传输MPEG-2 PES都采用TS格式。总结；1， 包长度短，仅为188字节。给纠错和解码带来方便2， 包长不足188字节应补足3， 含有各自独立的时钟。B、传输流TS结构TS由链接头、适应头、和净荷组1. 净荷承载的信息有 (1)音、视频的PES包收辅助数据 (2)描述单路节目复用信息的节目映射表(PMT Program Map Table)即与单路节目复用有关的控制信号。(3)描述多路节目复用信息的节目关联表PAT(Progran Associate Table)即多路节目复用有关的控制信号映射之意为影射即将节目或符号照射什么面(位置)上。2.适应头一个可变长度的区域。其功能：第一点 是解决视、音频编解码器的同步。因为音、视频编码后变为串行比特流，在数字电视中，图像编码方式(I、B、P帧)和图像画面复杂不一样，造成编码后每帧图像数据量不等，无法从比特流中直接获取帧同步，而模拟信号不管图像什么样，场同步是固定时间上解决的方法是经过选择的TS包的适应头中，将系统时钟27MHz(13.5MHz的一倍，见抽样频率获取)的一个抽样值传送给接收机，作为解码器的时钟基准信号。称为节目时钟基准PCR(Program Clock Reference)。每隔100ms传输一坎。接收机接收下来，为基准信号采用PLL调整本地时钟。故而PCR很重要。在MPEG-2中仅规定了传送PCR信息格式。至于恢复的方法末做明文规定，各厂家采用不同的PCR恢复算法，这就引起不同厂家的MPEG-2编解码之间兼容的问题。第二点 本地节目插入是利用在包适应头中的一些标志来支持。具体做法是：插入的PCR值与插入前的节目PCR值有所不同。这样需要有指示信息告之解码器PCR值已发生变化，从而解码器能够及时改变时钟频率和相位，与插入节目建立同步关系(做为时分制传输，两地的同步致很重要，否则接收错误)。第三点传输一些辅助信息：有适应域长度通知解码器适应头的长度只要适应头存在，最少具有两个字节的基本长度。当适应头扩展，可通过这个长度信号通知扩展的长度。OPCR标志原始时钟参考，用于指示单路节目在解码器中OPCR的最后一个比特的理想到达时刻。2. 地面移动电视技术2.1 地面移动电视需要解决问题2.1.1 地面数字电视广播的基本需求是什么 所谓需求条件，就是设计一个系统所需达到的主要性能要求。只有首先明确系统哪些需求要满足，才能从技术上寻找对应的或是经过折衷的相对最佳解决方案。对于地面数字电视广播来讲，首先要求数字电视有足够好的接收性能，在室内采用简单、小型和低增益无线实现稳定接收。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，有足够高的传输码率，以便在单个8MHz 信道中提供高质量高清晰节目(大约20Mbps)，考虑到数字电视日后发展的广阔空间和业务应用的多样性，对传输容量的需求不断增长。还要有利于频率规划，使用现有分配的电视频道中传输DTV 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 (Taboo) 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。总结上述需求条件，可见DTTB 系统的主要设计目标是实现频谱的高效利用，在保证足够大的数据传输速率下提供稳定的固定和移动接收能力。在数字电视广播三种方式中，地面广播是使用最广泛的，特别适用于地域广大、广播网较复杂的国家。但是地面广播信道面临的干扰最多，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电缆信道复杂。卫星和有线电缆的广播环境与理想的AWGN 信道极为接近，采用优秀的信道编码和信号调制方式一般可以使卫星和有线电缆广播系统性能接近理论值。而在地面环境中，广播的环境显然不满足AWGN 信道，系统能稳定工作的区域有限。再加上地面广播要求与现有模拟电视广播兼容，大功率非线性发射使相邻频道间的干扰加剧，对系统稳定性要求苛刻。因此，在这样恶劣的地面广播环境下，如何设计一个各个功能模块正常工作的系统，是数字电视地面广播系统的根本技术难点。2.1.2 地面数字电视广播的典型信道模型有哪些 在数字电视广播的三种方式中，地面广播信道面临的干扰最多，也最严重。从技术上讲，DTTB 无线信道是一个宽带 (8MHz)、高速(8Msps)、高容量(多级码元)、大范围(几十公里)的信道。在地面广播传输环境下，除常规的干扰，如高斯白噪声 (电视屏产生雪花)、脉冲 (家电/汽车冲放电产生) 干扰等，其信道还具有以下几个特点：（1 ）多径干扰。射频 (RF) 信号会因山川、建筑物、移动物体的影响产生反射，这样经不同路径到达接收机的信号相位相互影响，从而导致瑞利衰落 (快衰落)，同时也会引起信号频谱的深度衰落 (频率选择性衰落)。多径干扰对模拟电视影响的结果是使电视屏产生重影 (Ghost)。多径传输干扰严重时，单靠增加发射机功率提高接收时的信噪比并不能降低误码率。因此，克服多径干扰成为实现地面数字电视广播的关键技术。（2 ）多普勒频移。以火车声为例说明多普勒效应产生的机理，火车声音在空气中传播时，空气分子在与波同一个平面内前后运动，各分子作疏密交替的运动，产生相继的压缩区和稀疏区，但由于火车速度的存在，稀疏区和压缩区的变化分隔更紧密/稀疏，从而使声音的频率增加（接近时）或减少(远离时)，音调上升或下降，此现象称为多普勒效应。声音周期被火车速度部分修改地面数字电视广播信道与接收方式有关，接收方式是指接收、车载移动接收，还是便携手持接收。接收机或发射机的运动会产生多普勒频移。例如，当接收机以速度 移动并且其运动方向和入射波的夹角为 此时的多普勒频移由式给出其中，其中 为载波的波长。（3 ）由于同播的要求会受到常规电视干扰影响。同播时相邻服务区的同一频道的普通电视节目将有可能进入HDTV 接收机，产生强同频干扰。而且在数字地面广播传输UHF/VHF频段，还有诸如单载波干扰、邻频干扰等对传输信号迭加影响。信道均衡时我们除了要考虑多径的影响之外，还必须考虑到如何对抗频带内的单频干扰和同频PAL 模拟电视干扰。所有上述问题均使地面广播问题复杂化，使得接收信道随时间、频率和地点而发生变化，在传输方案选择时都必须加以考虑。2.1.3 无线传播衰落 (1) 地面电视广播的一个重要基础就是无线电波的传输。无线电波通过自由空间波、对流层反射波、电离层波、地波等多种方式从发射天线传播到接收天线。自由空间波又称直达波，沿直线传播，用于卫星和外部空间通信，以及陆上视距的传播（如两个微波塔之间），视距传播要考虑大气效应和地面效应。对流层在地球上方 10 英里处，是异类介质，反射系数随着高度的增加而减小。大气中 40 英里到 400 英里高度是电离层，电离层可产生电波散射。电离层和对流层都具有随机快速的连续波动特性，对电波产生折射、散射和反射。散射信道不存在电波的直射分量。地波传播可以看成是直达波、反射波和表面波的综合。在地面电视广播中，无线电波主要是以地波方式传播，但是由于表面波随着频率的升高衰减增大，传播距离很有限。所以，在分析地面广播信道时，主要考虑直达波和反射波的影响。一般情况下，在研究地面对电波发射时，都是按地面波处理，即电波在反射点的入射角等于反射角，电波相位发生一次反相。在接收端的接收信号是直达波和多个反射波的合成。由于大气折射随时间变化，传播路径也随时间和近端地形地物变化，信号有时同相相加，有时反相抵消，由此造成接收端信号的幅度的变化，称为衰落。在移动接收中，散射体的运动和接收机的运动对接收信号的影响是一致的。如果接收机和附近的散射体始终保持一致，则所接收到的信号包络保持不变；如果二者存在相对运动，则接收到的信号包络有起伏变化。由于建筑物和其他地物的反射作用，信号（电磁场强）矢量合成的结果形成驻波分布，即在不同地点的场强不同。当接收机在驻波场中运动时，接收场强出现快速、大幅度的周期性变化，称为多径快衰落。统计表明，在障碍物均匀的城市街道或森林中，信号包洛起伏变化近似于 Rayleigh 分布，故多径快衰落又称为瑞利（Rayleigh ）衰落。Rayleigh 衰落的衰落幅度变化与地形地物有关，可达 10dB 到 30dB ，衰落速度和接收机移动速度有关。例如在郊区或非规则地形上，车速 40km/h ，电波频率800MHz 时，衰落速度达每秒 3040 次。接收信号除了瞬时值出现快速 Rayleigh 衰落之外，场强中值也会出现缓慢变化。变化的原因主要有两个方面：一是地区位置的改变；二是由于气象条件变化，大气相对介电常数垂直梯度发生缓变，以致电波折射系数随时间变化，多径传播到达固定接收点的信号时延随之变化。这种由于阴影效应和气象原因引起的信号变化，称为慢衰落，后一原因引起的变化较小，通常忽略。长期慢衰落服从对数正态分布，表示本地平均或对数正态衰落分量，它的幅度是对数正态功率密度函数。(2) 高斯正态分布 慢衰落接收信号近似服从对数正态分布，是由于移动信道中固定障碍物（建筑物、 山丘、树林等）的阴影引起的，变化幅度取决于障碍物状况、工作频率、变化速率、障碍物和接收机移动速度。高斯正态分布的表达式和波形如下图所示。其中，s 表示标准方差，sx 、sy 表示 x 、y 轴方向的方差；m 为均值，高斯分布以均值对称，峰值处于均值处，最小值在 处，形状如同“钟形”。(3) 瑞利分布 快衰落是由于收发信双方的相对运动地点的变化而产生。由于多径，产生时间扩散，引起信号符号间干扰；由于运动，产生多普勒效应和时间变化，引起信号相位迅速变化，不同的测试环境有不同的快衰落特性。快衰落引起的信号包洛起伏变化近似于 Rayleigh(瑞利) 分布2.2 地面移动数字电视系统地面移动数字电视系统由3大部分组成：信源部分、信道部分和信宿部分。图1给出一个数字电视系统的基本组成框图。该系统在应用中可以分为发射和接收2个子系统（图1的上下两部分）。在技术上，数字电视系统又可以分为信源和信道两部分（对应图1以复用和解复用为界的左右两部分）图1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MPEG-2标准（或MPEG-4标准）（多声道音频编解码还可依照杜比AC-3算法实现），视频编码器的性能对整个DTV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CATV、卫星、地面（含MMDS/MUDS）等。根据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HFC和MMDS）。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。本节主要阐述地面数字电视广播的相关技术。 2.3 地面移动电视传输方式2.3.1信息传输方式1. 单载波调制 用一个信号去调制一个载波，并且在一个信道中只有一个载波信号，即一个已调信号占据了信道的所有带宽。在单载波调制技术中，调制信号改变载波的三个特征：振幅、频率和相位。在数字调制技术中，相应地为振幅键控（ASK ）、频移键控（FSK ）、移相键控（PSK ）、正交调幅（QAM ）和其它的一些调整方法。2.多载波调制 多载波调制（Multi-Carrier Modulation ，MCM ）的原理就是将要传输的高速数据流分解成若干个低速比特流，并且用这些比特流去并行调制若干个子载波，即在频域内将给定的一信道分成许多子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制。一般子信道之间没有频谱重叠。MCM 本质上可以看作是一种频分复用 FDM 调制。多载波调制的主要优点是具有抵抗无线信道时间弥散的特性。3.频分复用（FDM ）在一个通信系统中，一个信道所提供的带宽一般远远大于传送一路信号所需要的带宽。如果一个信道只用于传输一路信号将是极大的浪费，因此，为了充分利用信道带宽，提出了信道分配复用技术。所谓的“复用”就是将许多彼此独立的信号合并为一个可在同一个信道上传输的复合信号的方法，其中按信号所占频率区分的复用称为频分复用（Frequency Division Multiplexing ，FDM ），而按时间区分的复用称为时分复用（Time Division Multiplexing ，TDM ）。4.正交频分复用（OFDM ）正交频分复用调制 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing ，OFDM) 是一种多载调制技术，其子载波之间保持正交性，有重叠。由于 OFDM 系统中的载波数量常达几百, 所以在实际应用中不可能象传统的 FDM 系统中那样, 使用 N 个振荡器和锁相环阵列进行相干解调。与单载波串行传输比较要求传输总数据率M相同，射频总带宽B等同下单载波传输，传送的符号持续期短，为TS=t1 /K 在 t1 时间内传送K个符号。多载波传输，选用K个同时传送，每个载波的带宽为B/K，每个载波传输的数据率为M/K，此寸符号持续期TS=KTS符号持续期加长可减弱多径传输时反射波带来的不良影响。因为反射波信道脉冲响应占据一定符号期，持续期加长会减小占据符号期的较小部分。则影响作用将大大减弱。直到S.B.Weinstein 提出了一种用离散付立叶变换 DFT 实现 OFDM 的方法，简化了系统实现，才使得OFDM 技术实用化。S.B.Weinstein 的核心思想是将通常在通带实现的正交频分复用信号 OFDM 转化为在基带实现，先得到 OFDM 的等效基带信号，再乘以一个载波将等效基带信号搬移到所需的频带上。在过去的几十年中，OFDM 作为高速数据通信的调制方法，在数字音频广播（Digital Audio Broadcasting ，DAB ）、地面数字视频广播（Terrestial Digital Video Broadcasting ，DVB-T ）、无线局域网802.11 和802.16 、非对称数字用户环ADSL 和甚高速数字用户环 VDSL等方面得到实际的应用。OFDM 技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，而且各子载波并行传输。这样就可以把宽带变成窄带，解决频率选择性衰落问题。在传统的频分复用 FDM 传输系统中，各个频带没有重叠，频谱利用率低。但OFDM的各个子载波是相互正交的，子载波间有部分重叠，所以它比传统的FDMA 提高了频带利用率。如何选择OFDM 子载波数量 N 与冗余码元一样，保护间隔的引入必然会降低实际系统的频谱效率。对于一个确定延时的多径信道，系统的实际频谱效率为 因此，为了在保持信息速率的前提下提高系统的频谱效率，就必须增加s T ，也就是增加子载波的数量N 。但是，子载波数量也不是越多越好。除DFT 计算复杂度和硬件消耗会随N 值增加而迅速上升外，还因为限带系统的子载波间隔与N 值成反比；子载波间隔越小，对时间选择性衰落和多普勒效应造成的频谱扩展以及载波相位噪声越敏感，越容易失去正交性。因此在工程应用中，需要在这一对矛盾间折衷考虑。此外，我们选择的N 值还应该能够分解成小基数的乘积，以便采用FFT 蝶形算法。目前在地面数字电视广播系统中，子载波数量一般为 2K 、4K 或8K 。至于具体选择哪一种参数，除了上述因素外，还要考虑移动性、网络规划灵活性等。在移动性能方面，在 2K 模式下提供非常好的移动性能，明显好于 8K 模式。在网络规划方面，很大的地理区域只被单一频率覆盖从而构成单频率网络 (SFN) ，但 2K 模式的符号持续时间和相应的保护间隔很短，这就使得网络设计者难于进行频率规划，阻碍了其在这类环境中的使用。所以，2K 模式只适合于小型单频网（SFN ），而8K 模式更适合于构成一个大范围的 SFN 4K 模式是在移动性能和网络规划灵活性方面一个很好的折中。欧洲 DVB-T 原来只有2K 和 8K 模式，日本 ISDB-T 和欧洲后来的 DVB-H 在原来 2K 和 8K 的基础上增加了4K 模式。清华大学 DMB-T 系统采用了 4K 模式，更好地兼顾移动和网络规划。简而言之，子载波数目的选择不影响传播能力，但是要在可容忍的多普勒频移和最大回波延迟之间折衷。OFDM 调制优点 抗多径干扰支持移动接收构建单频网 SFN ，易于频率规划。陡峭（高效）的频谱，好的频谱掩模。便于信道估计，易于实现频域均衡灵活的频谱应用有效的实现技术，利用 FFT 算法用单载波调制实现 OFDM 。易于实现天线分集和 MIMO 系统OFDM 实验室和场地测试表现良好OFDM 在众多新制定的国际标准中得到采用，是未来宽带无线通信的主流技术。 OFDM 调制缺点 （1 ）对频率偏移和相位噪声敏感这是一个接收机的实现问题，对于 OFDM 调制技术，需要更好的调谐器，以及更好的定时和频率恢复算法。相位噪声的影 响可以模型化为两部分：一是公共的旋转部分，它引起所有 OFDM 载波的相位旋转，容易通过参考信号来跟踪。二是分散的部分，或者载波间干扰部分，它导致类似噪声的载波星座点的散焦，补偿困难，将稍微降低 OFDM 系统的噪声门限。（2 ）高的峰均功率比 PAPROFDM 的 PAPR 比单载波高 2.5dB 左右，这意味着需要更大的发射机动态范围，或者功率回退，以避免进入发射机的非线性区；需要更好的滤波，以减少邻频道干扰。减少 PAR 是研究热点之一，近年已提出了一些行之有效的技术，例如用非线性失真减少峰值幅度，又不引起 ISI 。另外，OFDM 调制高 PAPR 的缺点只影响数量少的发送端，不影响数量巨大的接收用户。而且采用单频网时，由于发射机功率小，PAR 将不是问题。（3 ）插入保护间隔降低了约 10 的传输有效码率人们正在积极寻找方法克服此问题，例如清华大学地面数字电视传输系统 DMB-T 中就在保护间隔中插入了 PN 序列，代替 OFDM 常用的循环前缀方式，用于系统定时、同步。5. 编码正交频分复(COFDM) 编码的正交频分复用（Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing ，COFDM ）技术是欧洲数字音频 DAB 和数字视频广播 DVB 系统为克服在地面广播发送中多径传播的干扰和移动接收以及频率资源的利用问题而引入的多载波调制方案。COFDM 具有以下主要的与OFDM一样不是单一的载波调制，而是将其分配在相邻的，正交的大量子载波上。不同的点有：(1) 对 FEC 纠错编码后的数据进行 OFDM 调制。增加“C”，Code 编码。这是为了可以修正传输中可能出现的错码，在源编码数拷据流中加入纠错校验码的处理。即对FEC编错编码处理后的数据进行OFDM，以增强自身纠错能力。 (2) OFDM 保护间隔中插入的是循环前缀，即把每个 OFDM 符号的最后一分复制到保护间隔中。如果在每个符号间插入保护间隔，则只要多径延时不超过保护间隔的长度，多径传输就不会带来符号间的相互干扰，只能是在符号内部相互叠加或相互削弱，而这种特性可以表示为信道的传输函数。(3) 在 OFDM 符号中插入导频信号，使用这些导频信号可以在接收端得到这样的传输函数，从而可以正确恢复符号的原始值。2.4 信道编码2.4.1 信道编码必要性在实际的通信系统设计中，我们不仅要关心有效性，还同样关心可靠性问题，即每一次传输过程能否在收端得到正确的信息恢复。信息通过信道传输，由于物理介质的干扰和噪声无法避免，信道的输入和输出之间仅具有统计意义上的关系，在作出唯一判决的情况下将无法避免差错，其差错概率完全取决于信道特性。因此，一个完整、实用的通信系统通常都包括信道编译码模块。视频信号在传输前都会经过高度压缩以降低码率，传输错误会对最后的图象恢复产生极大的影响，因此信道编码的性能显得尤为重要。2.4.2信道编码分类 差错控制的基本方式可以粗分为两大类，一类是反馈方式，包括反馈重发（ARQ ）、信息反馈（IRQ ）和混合纠错（HEC