地面数字电视国家标准DTMB技术解读

地面数字电视国家标准地面数字电视国家标准 DTMBDTMB 技术解读技术解读 杨知行 清华大学数字电视传输技术研发中心主任 教授 国标国标 DTMB 技术方案及性能指标技术方案及性能指标 国标 DTMB 提供的地面数字多媒体业务包括 HDTV 音频 视频 数据广 播和交互多媒体等 重要特性包括 高信息容量 为 HDTV 节目提供大于 24Mb s 的单信道码率 高度灵活的操作模式 通过选择不同的调制方式和地址信息 系统能 够支持固定 便携 步行或高速移动接收 高度灵活的频率规划和覆盖区域 使用单频网和同频道覆盖扩展器 缝 隙填充器的概念 通过选择不同保护间隔的工作模式可构建 16 公里和 36 公里 覆盖范围的单频网 支持不同的应用 HDTV SDTV 数据广播 互联网 消息传送等 支持多个传送 网路协议 例如 MPEG2 和 IP 协议集 易于与其他 的广播和通信系统连接 在 OFDM 调制系统 TDS OFDM 中实现了先进的信道编码和时域信 道估计 同步方案 降低了系统 C N 门限 以便降低发射功率 从而减少对现 有模拟电视节目的干扰 支持便携终端低功耗模式 支持多种工作模式 已经实施的部分工作模式 详见表 1 传输速率可选范围 5 414 32 486 Mbps 调制方式可选 QPSK 16QAM 64QAM 保护间隔可选 55 6ms 125ms 内码码率可选 0 4 0 6 0 8 图 1 国标 DTMB 的传输数据率 Mbps 点击此处查看全部新闻图片 国标 DTMB 方案构成如图 1 所示 电视节目或数据 文本 图片 语音等 多媒体信息经过源编码 信道编码后 通过一个或一个以上的发射机发射出去 覆盖一定区域 根据地面数字多媒体电视广播的服务需求 传输条件和信道特征 国标 DTMB 传输系统采用了创新的时域同步正交频分复用 TDS OFDM 单多载波 调制方式 这种调制方式 主要针对地面数字多媒体电视广播传输信道线性时 变的宽带传输信道特性 频域选择性与时域选择性同时存在的传输信道 所设 计 由于 TDS OFDM 适用于具有多径干扰和多普勒频移的传输信道 因此其 同样适用于地面数字多媒体电视广播以外的其他宽带传输系统 1 创新的创新的 TDS OFDM 调制调制 国标 DTMB 系统采用了 TDS OFDM 其特点是同步头采用了伪随机序列 在每个 OFDM 保护间隔周期性地插入时域正交编码的帧同步序列 TDS OFDM 调制按下列步骤进行 a 输入的 MPEG TS 码流经过信道编码处理后通 过星座映射形成 3780 点的星座 b 采用 IDFT 将该 3780 点星座变换成长度 为 3780 的离散样值 单载波模式不需要这一步骤 帧体 500 s c 在 OFDM 的保护间隔插入长度为 420 或 595 945 的 PN 序列作为帧头 d 将帧头和帧体组合成时间长度为 555 56 s 或 578 7 s 625 s 的信号帧 e 采用具有线性相位延迟特性的 FIR 低通滤波器对信号进行频域整形 f 将基带信号进行上变频调制到 RF 载波上 2 原创的数字电视广播帧结构原创的数字电视广播帧结构 图 2 国标 DTMB 的分级帧结构 为了实现快速稳定的同步 国标 DTMB 采用了分级帧结构 如图 2 所示 它具有周期性 并且可以和绝对时间同步 帧结构的基本单元称为信号帧 225 个信号帧定义为一个帧群 480 个帧群定义为一个超帧 帧结构的顶层称 为日帧 由超帧组成 信号帧的帧体采用多载波调制方式或单载波调制方式 帧体的子载波数为 3780 或者为 1 子载波数为 3780 时 相邻子载波的间隔为 2 kHz 每个子载 波符号采用 MQAM 调制 信号帧的帧体除了正常的数据流外还包含传输参数信令 TPS 用以传 送系统配置信息 它由 36 比特组成 并用 QPSK 映射为 18 个子载波或者星座 国标 DTMB 的超帧由一个控制帧和相邻的 224 个信号帧构成 每个超帧的 持续时间为 125 ms 超帧中的第一个信号帧被定义为超帧头 控制帧 用 于传输控制该超帧的信令 超帧中的每一个信号帧有惟一的帧号 它被编码在 帧头的 PN 序列中 每个超帧由一个 9bit 的超帧号标识 超帧号被编码在信号 帧的传输参数信令 TPS 中 TPS 在超帧的每个信号帧中重复 只在新的超 帧开始时才能改变 国标传输系统的分帧包含 480 个超帧 分帧中的每个超帧由其超帧号惟一 识别 分帧的第一个超帧编号为 0 最后一个超帧编号为 479 每个分帧的持续 时间为 60s 国标 DTMB 的日帧由 1440 个分帧组成 以一个自然日为周期进行周期性 重复 在北京时间 0 0 0AM 系统的帧结构被复位并开始一个新的日帧 3 原创的广播同步传输技术原创的广播同步传输技术 PN 序列除了作为 OFDM 块的保护间隔以外 在接收端还可以被用做信号 帧的帧同步 载波恢复与自动频率跟踪 符号时钟恢复 信道估计等用途 由 于 PN 序列帧头与 数据帧体正交时分复用 且 PN 序列对于接收端来说是已 知序列 因此 PN 序列和帧头与数据帧体在接收端是可以被分开的 接收端 的信号帧去掉 PN 序列后可以看作是具有零填充保护间隔的 OFDM 如 信号 s t 经过地面传输信道后 接收端收到的基带信号 r t 包 括两部分 PN 序列 rPN t 和帧体 rIDFT t 式中表示卷积 h t 是传输信道的单位脉冲响应 包括收发端成形 滤波器 地面传输信道 n t 表示高斯噪声分量 经过信道估计后 得到多径干扰后的 PN 信号 从接收到的信号 r t 中减掉 PN 信号后 就可得到零填充保护间隔的 OFDM 符号 同时得到信道的 单位脉冲响应 h t 理论和实践已经证明 具有零填充保护间隔的 OFDM 与具有循环前缀保护 间隔的 OFDM 例如 DVB T 的 COFDM 在理论上是等价的 如图 3 所示 图 3 填充 PN 序列的保护音隔功能恢复原理 DTMB 的技术特点 国标 DTMB 以时域正交频分复用 TDS OFDM 调制技术为核心 形成了 自有知识产权体系 具有自己鲜明的技术特点 1 OFDM 调制时域同步技术 在 OFDM 系统中同步设置是最重要的环节之一 也是 OFDM 系统最重要的 创新焦点 在欧洲 DVB T 的 C OFDM 中 系统同步是通过在频域 OFDM 符号中插入 导频而实现的 即采用频域同步技术 与采用 C OFDM 的 DVB T 系统不同 国 标 DTMB 采用了称为 PN 序列填充时域同步正交频分复用 TDS OFDM 的技术 将 PN 序列填充传统 OFDM 的保护间隔作为帧头 由于此帧头信号已知 可以在 接收端被去除 因此在对抗 ISI 的意义上等同为零填充的保护间隔 同时 PN 序列作为同步序列 又被用于实现同步 而且 在接收端可用该 PN 序列通过 相关计算估算出无线信道的时域冲击响应时间 2 OFDM 调制保护间隔的新定义 在 OFDM 系统中 OFDM 信号结构是块结构 每个信号块称为 OFDM 符号 它在时域中由两部分组成 一个是数据部分 另一个是保护间隔 OFDM 信号块 数据部分是在频率域定义的 为了抗多径干扰必须有保护间隔 保护间隔长度 一般大于传输多径信号的传播延时 根据 OFDM 符号的保护间隔中的填充信号 传统的 OFDM 符号有两种独立 定义 第一种是零值填充的 Zero padding 的保护间隔 简称 Z OFDM 由于接收端处理算法较为复杂 这种模式一直没有得到广泛应用 由于拥有较 多优点 最近其又成为研究的对象 第二种则是被广为应用的循环前缀填充 Cyclic Prefix 保护间隔 简称 C OFDM DTMB 创新定义了以 PN 序列 PN Padding 为保护间隔的 OFDM 信号 简称 TDS OFDM 在 TDS OFDM 系统中 保护间隔中填充的 PN 序列有 以下重要作用 a 作为 OFDM 调制的保护间隔 PN 序列在接收端是已知的 进而可被 去除 因而理论上等同为零填充 Zero padding 的保护间隔 b 用于系统同步 PN 序列作为同步序列 被用于实现系统帧同步 频率 同步 时间同步等 c 用于信道估计和跟踪相位噪声 在接收端可用该 PN 序列通过相关计 算获得对于无线信道的时域冲击响应的估计 以及抑制相位噪声 3 与绝对时间同步的分层帧结构 国标 DTMB 采用了不同于已有数字电视技术标准的 独具特色的分层复帧 结构 这种与绝对时间同步的分层帧结构 可以在物理层为单频网提供与 TS 流对应的秒同步时钟 便于单频组网 可以与按日历日为周期的广播节目表相 配合 便于进行定时接收 也有利于未来系统的功能扩展 如双向交互和定位 功能等 其还有利于手持便携接收机的省电控制 这是一个重要的特性 是为 适应未来数字电视广播系统应用需求而在物理层做出的安排 将有利于使未来 系统更加安全可靠 4 传输效率或频谱效率高 在欧洲 DVB T 中 用于同步和信道估计的导频载波数量占总载波的 10 国标 DTMB 的 PN 序列放在 OFDM 保护间隔中 既作为帧同步 又作为 OFDM 的保护间隔 欧洲 DVB T C OFDM 用 10 的子载波传送用于同步和信道估计等的导频 信号 同时存在循环前缀的保护间隔 而 TDS OFDM 将时间保护间隔同时用于 传输信道估计信号 因此 DVB T 系统的传输效率只能达到国标 DTMB 系统的 90 传输效率在多载波技术和单载波技术进行比较时 被认为是多载波技术的 弱点 国标 DTMB 的核心技术正是针对解决这个问题而开发的 5 抗多径干扰能力强 多载波系统和单载波系统相比 OFDM 系统具有抗多径干扰的能力 抵抗 多径干扰的大小等于其保护间隔的长度 由于国标的时间保护间隔中插入的是 已知的 系统同步后 PN 序列 在给定信道特性的情况下 PN 序列在接收端 的信号可以直接算出 并去除 去掉 PN 序列后的 OFDM 信号与时间保护间隔为 零值填充的 OFDM 信号等价 而时间保护间隔为零值填充的 OFDM 与时间保护 间隔为周期延拓的 OFDM 在同样信道下的性能是等价的 而且 在多径延迟超 过时间保护间隔的情况下 国标 DTMB 仍能工作 TDS OFDM 可以把几个 OFDM 帧的 PN 序列联合处理 使抵抗多径干扰的延时长度不受保护间隔长度的限制 而传统的 OFDM 保护间隔长度设计要求必须大于多径干扰的延时长度 6 信道估计性能良好 在 AWGN 信道下 TDS OFDM 的信道估计性能优于 C OFDM 这是由于 TDS OFDM 用于信道估计的 PN 序列具有 20dB 左右的扩频增益 同时又没有 C OFDM 做信道估计时特有的插值误差 尽管国标 DTMB 的样机功能还有待改 善 但其 AWGN 信道的测试结果仍优于基于 C OFDM 的国内外系统 见表 2 表 2 点击此处查看全部新闻图片 对于多径信道 TDS OFDM 的 PN 序列与多径信道造成的干扰信号是统计 正交的 虽然 TDS OFDM 信道估计的性能无法在原理上与 C OFDM 直接比较 但是它与其他传输系统中采用 PN 序列进行信道估计的性能相当 见表 3 表 3 点击此处查看全部新闻图片 7 适于移动接收 移动接收产生了多普勒效应和遮挡干扰 使传输信道具有随时间变化的特 性 时变特性 而需要强调的是任何 OFDM 系统的信号处理都是基于信道传 输特性准时不变的假设 应用 FFT 的基本条件 即在一个 OFDM 符号的时间 内 假设信道是不变的 信道的变化被认为是在 OFDM 符号间发生的 TDS OFDM 的信道估计仅取决于 OFDM 的当前符号 而 C OFDM 的信道估 计需要 4 个连续的 OFDM 符号 因此 C OFDM 在移动情况下 要考虑 4 个 OFDM 符号的信道变化影响 而 TDS OFDM 只需考虑 1 个 OFDM 符号的信道变 化影响 可以看出 国标 DTMB 系统更适于移动接收 其移动特性优于欧洲 DVB T 系统 测试结果证明 国标 DTMB 系统的高清电视移动接收性能居国际 领先水平 8 系统同步快 TDS OFDM 是靠 PN 序列进行同步的 仅在时域进行 同步