数字电视技术第6章

第6章数字电视标准,6.1ATSC标准6.2DVB标准6.3ISDB-T标准6.4ADTB方案6.5DMB-T方案,6.1ATSC标准,6.1.1ATSC系统1.系统组成ATSC标准采用了ITU-RTechGroup113模式(数字电视地面广播模式)，由信源编码和压缩、业务复用和传送、RF发送三个子系统组成，如图6-1所示。信源编码与压缩用来得到视频、音频和辅助数据流。辅助数据(AncillaryData)是指控制数据、条件接收控制数据和与视频、音频节目有关的数据。业务复用和传送把视频、音频和辅助数据流打包成统一格式的数据包并合成一个数据流。RF发送也称为信道编码和调制。信道编码的目的是从受到传输损失的信号中恢复出原信号，在地面传输中采用8-VSB调制，在有线电视中采用16-VSB调制。,图6-1ITU-R数字电视地面广播模式,2.基准频率图6-2是编码设备方框图，图中有两套频率，信源编码器部分和信道编码部分采用不同的基础频率。在信源编码器部分，以27MHz时钟为基础(f27MHz),用来产生42b的节目时钟参考。根据MPEG-2规定，这42b分成33b的programclockreferencebase（节目时钟参考基础）和9b的programclockreferenceextension（节目时钟参考扩展）两部分，用于在视频和音频编码中产生时间表示印记PTS(PresentationTimeStamp)和解码时间印记DTS(DecodeTimeStamp)。图6-2中，fa和fv分别是音频和视频时钟，必须锁定在27MHz的频率上。信道编码部分传送比特流频率ftp和VSB符号频率fsym必须锁定，并有如下的关系：,(6-1),图6-2编码设备方框图,6.1.2VSB调制1.VSB调制过程数字VSB调制方式输出一种单载波幅度调制的、抑制载波的残留边带信号。图6-3是VSB调制方框图，从传送编码输入的TS流信息码率是19.28Mb/s，每个数据包（TS包）为188B，包含一个同步字节和187B数据，码率是19.39Mb/s（19.28188/187）。先进行数据随机化，其生成多项式为,G(x)x16+x13+x12+x11+x7+x6+x3+x+1,(6-2),接着进行FEC编码（同步字节不进行随机化和前向纠错，在复用时转成段同步信号），采用t=10(207，187)RS编码器，其域生成多项式为,P(x)x8+x4+x3+x2+1,(6-3),附加20B纠错码后，每个数据包变为208B，通过N=208、M4、I52的卷积交织器交织后，再经23网格编码器输出到复用器，与数据段同步和数据场同步复用。复用的输出数据插入适当的导频(pilotfrequency)，经过均衡滤波器后和调制载频相乘，再经VSB滤波器输出已调制的VSB信号。,图6-3VSB调制方框图,2.网格编码器ATSC中，TCM编码器由干扰抑制滤波器预编码器、格栅编码器和8电平符号映射器3部分组成，如图6-4所示。,图6-4ATSC的网格编码器,网格编码器的输入X2和X1是数据交织器输出的串行数据流经串并变换后的两路并行数据流，每对X2、X1代表一个符号，有4种状态。X2数据流经过预编码器进行梳状滤波，延时器D使数据延时12个符号时间，输出为Y2、Y1X1。X2、X1经过有一定频率响应的一个数字滤波器后成为Y2、Y1，减弱了对同频道NTSC信号的干扰。在格栅编码器中，Z2Y2，Z1Y1。Z2的值决定8电平符号映射器中输出的8电平的正、负值。Y1经过12编码率的编码器产生Z0。在符号映射器的表格中，可看到Z2Z1Z0与R的映射关系。原来X2X1的4电平状态经TCM后变成了Z2Z1Z0的8电平状态。,对载波采用平衡调幅方式时，对于X2X1原来的4电平，已调制载波可有1，3，5和7共8种不同的振荡波(不同的幅度和相位)。TCM编码后使一定幅度的调制载波的幅度分级数目加倍，级差减半，不影响已调波的信息速率和所需的信道带宽。级差缩小的已调波受到杂波干扰后，造成接收端解码误差的可能性加大，但在接收端TCM解码中依靠信号具有的TCM编码特性又加强了纠错能力，所以总效果还是使解码差错降低。,预编码器的作用是减弱对同频道NTSC信号的干扰。NTSC频道6MHz内的图像载波V、色度副载波C和声音载波A之间的相对位置如图6-5上部所示，V与频道下端相距1.25MHz，C比V高出3.579545MHz，A比V高出4.5MHz，A离频道上端0.25MHz。其中，fH为NTSC信号行频。梳状滤波器的频率响应如图6-5下部所示，根据滤波器中D12符号1.115ps的关系，可以计算出滤波器在6MHz内有7个波谷点，相邻波谷点间隔为57fH10.762MHz12896.85kHz。,图6-5预编码器的梳状滤波,ATSC的载波D位置距离频道下端约310kHz，这是第一波谷点的所在。依次推算，第二波谷点近乎对准V，第六波谷点对准C，第七波谷点近乎于对准A。因此，加入预编码后，ATSC信号在波谷点处没有能量发射，不会干扰同频道NTSC信号内主要能量所在的V、C和A附近的信号成分。ATSC解码器中有一个类似的梳状滤波器(NTSC拒斥滤波器)，它能抑制来自同频道NTSC信号中主要能量所在的V、C和A附近的信号成分。这样，ATSC编码器中的滤波器可抑制与ATSC信号干扰同频道的NTSC信号，ATSC解码器中的滤波器可防止ATSC接收机受到同频道NTSC信号的干扰。按美国的计划，在2006年之后要停止NTSC制电视广播，那时此类滤波器可不再使用。,网格编码器有助于抗随机干扰，但抵抗脉冲干扰和突发误码性能并不好。为了改善这方面的性能，为了使接收端的网格解码器电路简化，编码器中采用了12个同样的网格编码器并行工作，它们接收经过块交织的、交织深度I12符号的数据符号。图6-6是网格编码交织器的方框图。图中，每个TCM内各包括预编码器和网格编码器，它们的输出逐个接通8电平符号映射器。,图6-6网格编码交织器的方框图,这里实施的是段内符号交织，使每段828个符号(0827)中的符号0，12，24，36作为第一组进行格栅编码，符号1，13，25，37作为第二组，符号2，14，26，38作为第三组，依次类推，对12组符号分别进行格栅编码。对于每组符号组成的字节b7b0，高位比特(b7,b5,b3,b1)进行预编码，低位比特(b6,b4,b2,b0)进行反馈卷积编码。,3.VSB数据结构VSB数据结构如图6-7所示。数据帧(DataFrame)分成两个数据场(DataField)，每场又有313个数据段(Segments)。每场第一个数据段是数据场同步(DataFieldSync)，其中包括用于接收机均衡的训练序列；其余312个数据段每段携带了相当于TS包中187B的信息和FEC编码附加数据。交织使每段数据来自不同的TS包。每段共832个符号，前4个符号传送数据段同步(DataSegmentSync)，其余的828个符号相应于传送包187B的信息加上20B的FEC数据。采用23网格编码，2b将变成3b。8VSB调制恰好可以表示3b信息，相当于2b转换为一个8VSB符号(8种电位：7，5，3，1V)，或1B转换为4个8VSB符号，因此同步字节占4个符号位，187个数据字节加20B纠错数据共207B数据占828个符号位。,图6-7VSB数据帧,4.VSB频谱VSB在6MHz带宽内的频谱安排如图6-8所示，在两侧各安排了形状为均方根升余弦响应的过渡段310kHz，3dB带宽为6-0.62=5.38MHz，可以支持的符号率为Sr=25.38=10.76MS/s。这样，段速率fseg=Sr832=12.93kseg/s，帧速率为fframe=fseg626=20.67frame/s。,图6-8VSB频谱图,6.1.318种扫描格式,表6-1ATSC标准的18种扫描格式,6.2DVB标准,DVB标准是以欧洲为主，世界上有200多个组织参加开发的项目。它以发展标准电视SDTV为主，是一套完整的数字电视解决方案，得到了广泛的应用。DVB系统的主要标准有：(1)DVB-S：用于1112GHz频段的数字卫星系统，适用于多种转发器带宽与功率，传输层的数码率最大为38.1Mb/s。(2)DVB-C：用于8MHz数字有线电视系统，与DVB-S兼容，传输层的数码率最大为38.1Mb/s。(3)DVB-T：用于6MHz、7MHz、8MHz地面数字电视系统，传输层的数码率最大为24Mb/s。,(4)DVB-CS：用于数字卫星共用天线电视系统（SMATV），由DVB-C和DVB-S改变得出，用于共用天线电视系统安装。(5)DVB-SI：服务信息系统。(6)DVB-TXT：固定格式图文广播传送规范。(7)DVB-CI：用于条件接收及其它应用的DVB公共接口。(8)DVB-DATA：用于数据广播的技术规范。(9)DVB-RCC/RCTNIP：用于交互电视回传信道。,DVB基带处理部分主要包括视频信号、音频信号的压缩处理方法，数码流的组成等。DVB直接采用了MPEG-2标准中的系统、视频、音频部分，用于形成DVB的基本流ES(ElementaryStream)和传送流TS(TransportStream)。MPEG-2为覆盖很大的应用范围，规定了不同应用可以采用相应的参数集和参数取值范围，为此在DVB中有专门的标准介绍使用MPEG-2的指南，定义了MPEG-2可以使用的语法子集和参数等。DVB还在TS流中定义了许多辅助信息，称为服务信息SI(ServiceInformation)，以便于选择节目，了解与节目相关的一些信息，提供节目之间的相互关系以及携带特定的数据。DVB在MPEG-2的节目特定信息PSI(ProgramSpecificInformation)基础上，补充规定了一系列SI表格，并规定了一些表格的PID值。,6.2.1DVB-S的信道编码与调制DVB-S是1994年12月由ETSI(EuropeanTelecommunicationsStandardsInstitute，欧洲电信标准学会)制定的，标准编号为ETS300421。ITU(国际电信联盟)的相应标准号是ITU-RBO.1211。我国相应的国家标准号是GB/T17700-1999。我国国家标准与上述两个国际标准的差异是：我国将使用范围扩展到了C波段（46GHz）固定卫星业务中的相应业务；DVB-S系统使用QPSK调制方式，不使用BPSK调制方式，而我国国家标准主要使用QPSK调制方式，但增加了在特定的条件下可使用BPSK调制方式。DVB-S系统定义了从MPEG-2复用器输出到卫星传输通道的特性，总体上分成信道编码和高频调制两大部分。DVB-S系统功能方框图如图6-9所示，左边部分为MPEG-2信源编码和复用，右边部分为卫星信道适配器，即信道编码和高频调制部分。,图6-9DVB-S系统功能方框图,2.外码编码、交织和成帧外码编码是RS编码。已随机化的传送包如图6-10（b）所示。用截短的RS(204，188，t8)生成一个误码保护数据包，如图6-10(c)所示，是在每188B后加入16B的RS码。数据包同步字节，不论是未取反的47H还是取反后的B8H都要进行RS编码处理。RS(204，188，t8)是由原始的RS(255，239，t8)截短得到的，其生成多项式g(x)=(x+)(x+2)(x+16)（=02H）。域生成多项式P(x)=x8+x4+x3+x2+1。编码时在数据包204B前要添加51个全“0”字节，产生RS码后丢弃前面51个空字节，形成截短的(204，188)RS码。,图6-10帧结构,3.内编码、基带成形和调制图6-11是DVB-S的内编码和调制方框图。DVB-S的内编码采用(2，1，7)的收缩卷积码(详见4.5.3中介绍的收缩卷积码)。进行调制之前，I支路、Q支路信号要进行基带整形，整形滤波器为升余弦平方根滤波器，滚降系数为0.35。DVB-S采用常规的格雷码编码的QPSK调制，采用不进行差分编码的绝对映射。信号空间的位映射图如图5-3所示。,图6-11DVB-S的内编码和调制方框图,卫星信号的频带宽（24MHz），卫星转发器的辐射功率不高(十几瓦至一百多瓦)，卫星信道路径远，易于受雨衰影响，传输质量不够高。为保证可靠接收，DVB-S采用了调制效率较低、抗干扰能力强的QPSK调制。根据具体的转发器功率、覆盖要求和信道质量，可以利用不同的内码编码率来适应特定的需要。例如，为确保良好的传输和接收，编码率可以是12或23；而若希望可用比特率高时，编码率可以是34或更大。总之，DVB-S系统的参数选择在内码编码率上有较大的灵活性，可适用于不同的卫星系统和业务要求。,6.2.2DVB-C的信道编码与调制DVB-C标准规定了有线数字电视广播系统中传送数字电视的帧结构、信道编码和调制方式。DVB-C的欧洲标准是由ETSI(欧洲电信标准学会)于1994年12月制定的，标准编号为ETS300429。ITU（国际电信联盟）的相应标准为ITU-TJ.83建议书。我国制定的相应标准为有线数字电视广播信道编码和调制规范，编号为GYT170-2001。DVB-C信道编码层尽量与DVB-S的编码相协调，这样便于使卫星传送的多节目数字电视进入DVB-C馈送网络向用户分配。有线数字电视广播系统的特点包括：传输信道的带宽窄（8MHz）；信号电平高，接收端最小输入信号在100mVp-p以上；传输信道质量好，光缆和电缆内的信号不易受到外来干扰。因此，DVB-C系统对FEC处理的要求可降低，其高频调制效率(b(sHz)可提高。,图6-12DVB-C有线前端与接收的原理框图,图中发送端的前4个方框与DVB-S是一样的，但在卷积交织器后没有级联的卷积编码，即只有外编码而无内编码，因为有线信道质量较好，FEC不必做得复杂化。为提高调制效率，采用的MQAM容许在16，32，64，128和256QAM中选择，通常为64QAM。高质量的光缆、电缆下可以采用128QAM甚至256QAM。为实现QAM调制，需将交织器的串行字节输出变换成适当的m位符号，这就是字节到符号的映射。,1.字节到符号的映射不同M值的QAM调制，映射成的符号数不相同，在任何情况下，符号Z的MSB应取字节V的MSB，该符号的下一个有效位应取字节的下一个有效位。2mQAM调制的情况下，将字节映射到n个符号，8k=nm。图6-13是64QAM情况下字节到符号变换的示意图，这时m6，k3，n4。,图6-1364QAM时字节到m比特符号变换示意图,64QAM调制时，每个符号为6b，分成两路，每路为3b。I轴和Q轴各自为3b，构成1，3，5，7的8电平，符号映射时将3B变换成4符号。图中，b0为每个字节或每个符号的最低有效位(LSB)，符号Z在符号Z+1之前传输。,2.调制DVB-C采用QAM调制方式。若多元调制为2mQAM，则需把k字节映射成n个符号，即8k=nm，映射后的符号的最高两比特要进行差分编码(DifferentialCode)。图6-14是字节到m比特符号变换、两位MSB差分编码示意图，编码后形成Ik和Qk分量，差分由下面的布尔表达式给出：,图6-14字节到m比特符号变换、两位MSB差分编码示意图,接着进入具有均方根升余弦滚降特性(滚降系数=0.15)的滤波器进行基带整形，然后与其它符号位一起进入QAM调制器完成信号调制。因此，DVB-C的调制实际上是采用格雷码在星座图上的差分编码映射，随着Ik和Qk分量从星座图第1象限的00依次变换到第2象限的10、第3象限的11、第4象限的01，符号的较低位从第1象限旋转/2到第2象限、从第2象限旋转/2到第3象限、从第3象限旋转/2到第4象限，完成整个星座的映射。图6-15图6-19分别是16QAM、32QAM、64QAM、128QAM、256QAM星座图。,图6-1516QAM星座图,图6-1632QAM星座图,图6-1764QAM星座图,图6-18128QAM星座图,图6-19256QAM星座图,6.2.3DVB-T的信道编码与调制DVB-T是1997年8月由ETSI(欧洲电信标准学会)制定的，标准编号为ETS300744。DVB-T的信道编码和调制系统方框图如图6-20所示。图中前4个方框与DVB-S是相同的，信道编码也采用RS（204，188，t8）外编码和删余卷积内编码，内编码可根据需要采用不同的编码率(R1278)。,图6-20DVB-T信道编码和调制系统方框图,1.内交织DVB-T中的高频载波采用COFDM调制方式，在8MHz射频带宽内设置1705(2k模式)或6817(8k模式)个载波，将高数码率的数据流分解成2k路(或8k路)低数码率的数据流，分别对每个载波进行QPSK，16QAM或64QAM调制。为提高COFDM信号接收解调时维特比(Viterbi)解码器对突发误码的纠错能力，DVB-T对卷积编码后的数据流进行了内交织，它包括比特交织和符号交织两个步骤，不同的调制方式(QPSK，16QAM，64QAM等)有不同的交织模式。,图6-21是在QPSK，16QAM和64QAM三种调制模式下，收缩卷积码经过并串转换后的串行数据流输入x0,x1处理成输出调制符号的映射过程。图中的串并转换器在QPSK，16QAM和64QAM三种模式中将数据流分别变成并行的2，4，6路比特流。在16QAM时，输入x0,x1变换成b00、b01，b10、b11，b20、b21和b30、b31四路并行比特流。然后，进入四个比特交织器I0、I1、I2和I3，各自交织成a00、a01，a10、a11，a20、a21和a30、a31四路并行比特流。,图6-21在QPSK，16QAM和64QAM三种调制模式下的内交织示意图,这里，对不同的交织器I0，I1，定义了不同的交织模式。DVB-T中对交织规律作了较详细的规定。比特交织后的符号串在符号交织器中进一步实现符号交织。根据2k模式(除导频信号外的有效载波数1512=12126)或8k模式(有效载波数604848126个)的COFDM调制，可将12个或48个符号组（每组126符号）顺序进行交织。内交织的作用相当于被调制载波的频率交织，而外交织相当于时间交织。,2.映射和星座图COFDM调制中，由每个符号对各个载波进行调制，QPSK调制时符号为2b，16QAM调制时符号为4b，64QAM调制时符号为6b。图6-22(a)所示的是QPSK调制时，2b的符号y0,A,y1,A应用格雷码映射成的4点星座图，图(b)和图(c)的16QAM和64QAM星座图可以类推。,3.插入保护间隙和导频地面数字电视的传输频谱很宽，而实际OFDM的载波数目N是有限的，不能保证每路载波的带宽总是小于f，因而会产生码间干扰，影响正交条件。多径反射的结果是前一个符号的尾部拖延到后一个符号的前部，解决的办法是在每个符号之前设置保护间隙Tg，在接收机中对每个符号开始的Tg时间内的信号不予考虑，以此来消除多径延时小于Tg的码间干扰。保护间隙的插入使频谱利用率略有下降。,OFDM是由N个频率的已调制载波综合成的信号。在2k模式中N1705，在8k模式中N6817。68个OFDM符号构成一个OFDM帧，它们分别受到2、4或6比特符号进行的QPSK、16QAM或64QAM调制。由序列号为067的OFDM符号构成一个OFDM帧，由4个OFDM帧构成一个超帧。每个OFDM符号中有一些载波不用于数据传输而用于连续导频、散布导频和TPS（TransmissionParameterSignaling，传输参数信令）信号的传输，它们是接收端获取解调和编码有关信息所必需的。,OFDM中对每个载波的调制都是抑制载波的。接收端解调时是需要基准信号的，这些基准信号称为导频信号，它们在OFDM符号内分布于不同的时间和频率上，具有已知的幅度和相位。导频分为连续导频和散布导频。连续导频以恒定数量分布于OFDM符号内，在2k模式的1705个载波中安排了45个连续导频载波，在8k模式的6817个载波中安排了177个连续导频载波，它们在每个符号中的具体载波位置是随机的，但在各符号间的相应安排位置是一样的，且接收端已知其规律。连续导频的作用是向接收端提供同步和相位误差估值信息。在每12个载波中第12个为散布导频，逐个OFDM符号依此类推下去，直至一帧结束。在一些载波位置上，连续导频和散布导频是重合的。散布导频的作用是提供频率选择性衰落、时间选择性衰落和干扰的动态变化情况等关于信道特性的信息，以便接收端及时地实现动态信道均衡。,接收机利用连续导频和散布导频能快速同步和正确解调，但用于数据传输的载波数目减少很多，载波使用效率下降。2k模式中实际有用的载波为1512个，8k模式中的有用载波为6048个，载波使用效率均为88.7。,图6-22QPSK、16QAM、64QAM星座图(a)QPSK；(b)16QAM；,图6-22QPSK、16QAM、64QAM星座图(c)64QAM,4.COFDM信号的形成N路信号组成的N维复矢量要进行IFFT，对IFFT输出的复矢量的实部和虚部要分别进行并串变换、DA转换和低通滤波。随后对虚部信号和实部信号进行正交调制，即分别乘以cost和-sint后再相加，在所规定的中频频带上形成COFDM信号。这里的COFDM信号是以复信号的形式传输的。正交调制后的信号最后经频率变换搬移到射频，馈送至天线发射出去。在接收机中对COFDM信号的解调按与上述调制过程相反的顺序进行。,6.2.4DVB设备接口标准1.ASI(AsynchronousSerialInterface,异步串行接口)ASI采用270Mbs的固定连接速率，适用于电缆传输和光缆传输。在用于电缆传输时，采用BNC连接器。图6-23（a）所示为一个典型的使用同轴电缆的ASI。发送端首先将TS包按字节进行8B10B编码，每字节编码成为10b。在ITU-TJ.83中对编码作了详细规定。这些10b码字的游程长度等于或小于4b且直流偏置最小，这些码字在并/串变换器变换为固定的270Mbs输出码率。若输入数据不足，可以插入同步字节填充。270Mbs的串行码经过放大、缓冲和阻抗匹配，由BNC连接器输出。接收部分是发送的逆过程，比较特别的是有一个时钟恢复环节，用于从比特流中恢复出270MHz的时钟。图6-23（b）为使用光缆的ASI。,图6-23ASI传输链路(a)由同轴电缆构成传输链路；(b)由光缆构成传输链路,已恢复的串行数据经8B10B解码器变换回原始的字节。为保证字节对齐，解码器要首先搜索同步字，该同步字的码型在10b码字中是惟一的，与所有可能的由8B10B编码器产生的输入数据字节均不同。一旦搜索到该同步字，即为随后接收的数据字标定了边界，从而建立了解码输出字节的正确的字节排列。,2.SPI(SynchronousParallelInterface,同步并行口)SPI是以ITU-RBT656-2为基础制定的，用于较短距离的信号连接。接口连接器采用25针D型超小型连接器，提供11对信号线和3条地线，信号采用低电压差分信号(LVDS)电平。信号线是平衡的，每个信号有A、B两条线。11对信号线中有8对数据信号(Data0Data7)，1对时钟信号(Clock)，1对包同步信号(Psync)和1对数据有效信号(Dvalid)。其中，包同步信号标志一个包的开始，对应于包同步字节；数据有效信号标志当前字节是否为包的有效数据，它与包的传送格式有关；时钟信号频率fp取决于数据流的速率，也与包的传送格式有关。传送格式1的包长为188B；传送格式2的包长为204B，包含188B有效数据和16B无效位；传送格式3的包长为204B，经过RS编码后204B全部有效。传送格式1时，fp=fu/8；传送格式2或3时，fp=204fu/(1888)。fu为对应于TS速率的频率，如TS速率为8Mb/s,则fu=8MHz。,表6-2SPI的25针D型超小型连接器针脚分配表,3.SSI(SynchronousSerialInterface,同步串行口)SSI可以看作是做了并/串转换的SPI的扩展，它使用的速率就是传输码流的速率，传输介质可以是电缆或光缆。采用电缆传输时采用BNC连接器。线路编码采用双相标记编码，编码规则是：不管值为“1”还是“0”，跳变始终发生在比特的起点上；对于逻辑“1”，在比特的中点上还有一次跳变发生；对于逻辑“0”，在比特的中点上无跳变发生。,6.3ISDB-T标准,6.3.1频宽分段传输日本ISDB-T标准采用频宽分段传输正交频分复用调制方式(BandwidthSegmentedTransmission，OFDM)，可以在6MHz带宽中传递HDTV服务或多节目服务。与DVB不同的是，ISDB-T标准将整个带宽分割成一系列的频率段，称为OFDM段。ISDB-T提供几种调制方式的组合(DQPSK、QPSK、16QAM、64QAM)和内编码的编码率(coderate)(12、23、34、56、78)。这些参数对每个OFDM段可以独立选择。ISDB-T的模拟带宽有5.6MHz(宽带ISDB-T)和430kHz(窄带ISDB-T)两种选择。宽带ISDB-T由13个OFDM段组成，可以分层传输。也就是说，各个OFDM段可以具有不同的参数，这样就能够满足综合业务接收机的需要。窄带ISDB-T仅由一个OFDM段构成，适合语音和数据广播。宽带接收机可以接收窄带信号，窄带接收机可以接收宽带信号的中心频率段。,一个OFDM段帧由108个载波和204个符号构成。按载波调制方式分，OFDM段可以分成两类：一类为差分调制(DQPSK)，另一类为连续调制(QPSK，16QAM，64QAM)。每个OFDM段除了具有数据载波外，同时还有一些特别的符号或载波，其中包括SP(分散导频)、CP(连续导频)、TMCC(传输和复用配置控制)、AC1(辅助信道1)和AC2(辅助信道2)。CP、AC1、AC2和TMCC用于频率同步，SP用于信道估计，TMCC用于传送载波调制方式和内编码的编码率。,6.3.2高强度时间交织适应移动接收为实现数字电视地面移动接收，ISDB-T采用了高强度时间交织，最大限度地缓冲突发误码对系统的冲击。地面移动信道的动态多径造成的误码具有强突发性质，误码持续时间远大于脉冲干扰引起的突发误码。系统纠错体系难以对高频度突发误码做出响应，以至产生误码累积效应。对付这种突发误码的最好方法是采用时域数据交织技术将误码沿时间轴离散化，以均衡误码的冲击能量。,图6-24ISDB-T系统内层方框图,6.4ADTB方案,6.4.1ADTB系统的设计依据1.我国的室内接收环境优于美国美国的山脉由北向南，密西西比河也由北向南，北方的寒流到来时，一天内可以纵贯北美大陆。气候相对干燥。在住房方面，美国地广人稀，住房一般不超过三层。房屋一般是木质结构，最外层是厚度达12mm的铝皮，墙内有玻璃纤维隔热，玻璃纤维的底层往往是一层对内全反射、对外漫反射的铝箔。这样，室内在被热屏蔽的同时也被电磁屏蔽，电视信号严重衰减，室内接收到的信号十分微弱。由于房屋一般是方形结构，室内信号在墙之间反射，形成驻波，造成强的、近的多径信号，并在室内形成多个波谷点，使本来已经微弱的信号在波谷点被进一步衰减，室内接收效果极差。,我国的主要山脉由西至东，长江、黄河也由西至东，北方的寒流到来时被山脉阻挡，形成梅雨季节，气候相对潮湿。我国住房一般超过三层，主要是砖结构。砖的反射系数和吸收系数远小于铝。信号既不会被大幅衰减，也不会在室内形成驻波。因此，我国没有美国室内接收的恶劣环境，相同发射功率时接收到的信号功率会强很多。,2.我国城市环境中存在较严重的冲击噪声和多径反射美国的电视发射天线一般都位于市区中心的高层建筑顶上，不同的电视台可能还利用不同的地点发射。而我国的电视发射天线一般都位于市郊的山上，常常只有一个集中发射点。我国大城市楼群的数量较多且分布相对分散，楼内的住户密度较高。这些特点造成我国城市的多径反射的强度和延迟情况较美国严重。另外，我国城建的多头管理和工程施工质量不稳定的现状，造成我国电视无线和有线广播环境中存在较严重的冲击噪声和多径反射。,3.单载波和多载波调制不是系统性能好坏的决定因素以美国ATSC标准为代表的单载波调制方式与以欧洲DVB-T标准为代表的多载波调制方式的性能之争由来已久。国际组织的多次比较测试结果表明，除了ATSC标准没有包含移动接收模式而无法判断其移动性能外，两个标准在室内、室外接收效果相差不大。根据MSTV（MaximumServiceTelevision）和NAB（NationalAssociationofBroadcasters）在美国华盛顿、巴尔的摩和克利夫兰于2000年的测试结果可知，美国标准的室内、室外接收效果都明显优于欧洲标准。加拿大CRC（CommunicationsResearchCentre）在2000年和2001年的测试中也得出了同样的结论。这些试验的另一重要结论是，即使美国标准的测试机性能优于欧洲标准的测试机性能，其接收性能(特别是室内接收)也不能满足数字电视地面广播需求。也就是说，现有国外的单载波和多载波系统都需要进一步改进。,4.多普勒频率不是系统移动接收性能的决定因素在移动接收时，对系统性能造成影响的决定性因素并不是多普勒(Doppler)频率，而是信号幅度的变化，即栅栏效应。在移动接收时，信号时而可以直达，时而被挡住，接收到信号的幅度变化速度与程度是系统稳定工作与否的决定因素。,5.接收机的三个关键部件(1)调谐器是数字电视地面广播系统的物理瓶颈。(2)信号处理是数字电视地面广播系统的核心。(3)信息处理必须与信号处理相结合。,6.4.2ADTB系统,1.系统框图图6-25是地面广播模式的系统框图。来自于固定接收、移动接收和数据服务的码流分别进入各自的缓冲器。3路码流分别经独立的扰码、外码编码(RS编码)、交织、内码编码后，根据系统控制单元以时分的形式混合成一路，再经同步信号插入、导频插入、OQAM调制后形成基带信号，基带信号经上变换器调制到中频。,图6-25地面广播模式的系统方框图,图6-26是电缆模式的系统框图。输入码流经扰码、外码编码(RS编码)、交织后，再经同步信号插入、导频插入、OQAM调制后形成基带信号，基带信号经上变换器调制到中频。电缆模式有256OQAM，64OQAM和16OQAM三种，但是每一频道中仅传输其中一种，即在电缆上没有混合传输模式。,图6-26电缆模式的系统方框图,2.信道编码ADTB系统的传输方案具有段、场、帧结构，分别由段同步、场同步和帧同步指示。段同步指示每一段的开始，场同步指示每一场的开始，帧同步指示每一(业务)帧的开始。场同步和帧同步信号包含有系统信息。输入码流首先经扰码处理获得平坦的频谱，处理后的数据由t=10的RS编码器完成外码编码。编码后的数据进入卷积交织器。卷积交织后的输出在地面广播模式下进入内码编码，在电缆模式下直接进入同步插入。含有同步信号的数据经导频插入，OQAM调制后形成基带信号。,3.系统信息系统信息包括传输模式、复位信息等，它通过32倍扩展频谱处理后通过场同步和帧同步发送。,4.混合传输模式ADTB系统的地面广播支持混合传输模式。在混合传输模式下，来自于固定接收、移动接收和数据服务的码流分别经过独立的信道编码和插入系统信息后，以时分复用的方式混合发送。混合比例可以通过控制单元动态调节。在地面广播模式下，在单一传输模式时，在每一个8MHz频道内，固定传输模式可以传输25Mbs的数据，移动传输模式可以传输12.5Mbs的数据，数据传输模式可以传输6.3Mbs的数据。,在地面广播模式下，在混合传输模式时，在每一个8MHz频道内，以111为例，可以同时以固定传输模式传输15Mbs的数据用于一路HDTV节目，并以移动传输模式传输4Mbs的数据用于一路SDTV节目，还可以数据传输模式传输512kb/s的数据。在电缆模式下，在每一个8MHz频道内，256OQAM模式可以传输50Mb/s的数据，64OQAM模式可以传输38Mb/s的数据，16OQAM模式可以传输25Mb/s的数据。电缆模式不包含混合传输。,5.OQAM调制I和Q信号以图6-27所示的方式形成。奇点符号构成I通道，并以7.14MHz为间隔；偶点符号构成Q通道，并以7.14MHz为间隔；I通道信号与Q通道信号以14.28MHz为间隔。,图6-27I、Q信号的形成,图6-28是OQAM调制框图。I、Q信号的形成也可以理解为将输入符号乘以+1，0，-1，0的序列以形成I通道信号，将输入符号乘以0，+1，0，-1的序列以形成Q通道信号。,图6-28OQAM调制框图,6.基带频谱图6-29是OQAM信号的基带频谱。该频谱宽8MHz，有效带宽7.14MHz，信道滤波器为12的RRC滤波器。上下边带分别为0.43MHz，占有效带宽的12。在上下边带的中心各有一个0.15dB的导频信号。,图6-29OQAM信号的基带频谱,6.4.3ADTB系统的优点适合中国国情2.灵活的服务方式3.能与模拟电视很好地兼容4.高的带宽使用效率和数据率5.时钟恢复和载波恢复迅速可靠6.优良的移动接收便携接收性能7.同步快、延迟短、噪声影响小8.系统信息保护好9.与其它制式的兼容性好10.自主知识产权,6.5DMB-T方案,6.5.1DMB-T系统的设计依据DMB-T系统是根据中国政府主管部门对数字电视广播业务与服务提出的下列需求而设计的：提供包括HDTV在内的多媒体广播和综合数据业务；支持固定、便携、移动等接收设备；高度灵活的频率规划和广播覆盖区域。根据中国地面广播电视的具体情况，将上述业务与服务需求归纳为下面关于地面数字多媒体电视广播传输系统的设计要求：,(1)射频信道范围与现有模拟电视广播兼容。(2)基带频率带宽为8MHz。(3)移动接收机的时速小于130kmh。(4)单发射机覆盖范围的半径小于75km。(5)适用地区为都市、郊区、城镇、乡村。(6)适用地貌为平原、丘陵、海滨、湖畔。(7)使用环境为室内、室外、车载、便携。,通过理论分析，可以得出地面数字多媒体电视广播传输系统的信道特征如下：(1)频率选择性：时延分布(DelaySpread)约为50s。(2)时间选择性：多普勒分布(DopplerSpread)约为100Hz。(3)信道模型：广义平稳并非相关散射(WSSUS)的多径信道。(4)噪声干扰模型：加性高斯白噪声(AWGN)、脉冲式干扰、单频干扰等。,针对上述信道特征，DMB-T传输系统的设计指导思想是将数据检测与信道估计分别对待，以获得最佳接收效果。对于数据检测，DMB-T传输系统采用了频谱效率高、抗多径干扰能力强、适用于宽带信号传输的OFDM调制方式。对于信道估计，DMB-T传输系统在时域里采用了已知的周期伪随机PN(PseudorandomNumber)序列作为参考信号。与现有的数字电视传输标准相比，DMB-T是一种将时域信号处理和频域信号处理相结合的创新技术，可以同时发挥数字信号处理在时域和频域的特点。,表6-3几种数字电视地面传输系统的特点,6.5.2DMB-T系统的帧结构,1.信号帧通常的OFDM信号帧由前置保护间隔和IDFT帧体组成，如图6-30（a）所示。保护间隔通常是帧体的循环前缀或为全0比特。在接收端首先去除保护间隔，再进行DFT变换以恢复数据。在欧洲和日本标准中，需要在IDFT帧体内插入约10的已知导频，用于在接收端通过频域处理的方法获得可靠的系统同步。这种方式降低了有用数据的传输效率。,图6-30两种OFDM信号帧结构比较(a)通常的OFDM信号帧结构；(b)DMB-T中的OFDM信号帧结构,DMB-T中的OFDM信号帧结构中，保护间隔被一段伪随机码帧头取代，如图6-30（b）所示。而IDFT帧体中没有插入任何导频。PN头既可作为训练序列用于同步和信道估计，又在客观上起到了保护间隔的作用。对接收端来说，由于PN码帧头是已知序列，因此可通过时域信号处理算法将PN头与帧体分开并获得系统同步。这种用时域处理而不是频域处理方法完成同步的技术称为时域同步正交频分复用调制，是DMB-T协议的核心。DMB-T的PN码帧头结构如图6-31所示。它包含前同步缓冲、PN序列和后同步缓冲三个部分。前同步缓冲和后同步缓冲是PN序列的循环延拓，起保护作用。DMB-T的每一帧采用不同的PN头作为帧标志，在发射端对PN头采用BPSK调制以获得可靠的传输效果。在接收端则通过同样的PN序列产生器来产生本地PN序列，并与接收信号的PN码帧头进行时域相关运算，从而完成帧同步、频率同步、时间同步、信道传输特性估计和相位噪声跟踪等一系列同步计算。,图6-31PN码帧头结构,DMB-T的IDFT帧体中包含3744个复数数据符号。同时，传输参数信令TPS(TransmissionParameterSignaling)也需要嵌入在OFDM帧中，用以传送系统配置信息，如帧群ID号，调制星座图和分级方法，内外码和交织模式等。TPS由72b组成，并用QPSK方式调制为36个符号。这样,IDFT块中总的调制符号数，也即OFDM的子载波数为3744+36=3780。在每个子载波上使用MQAM调制并结合纠错编码，调制方式的选择为支持分层传输，可以是QPSK，16QAM非均匀16QAM或64QAM非均匀64QAM符号星座图。,2.帧群、超帧和日帧DMB-T传输系统的帧群是由一个控制帧和随后的252个信号帧构成的。帧群中的第一个信号帧被定义为帧群头(控制帧)，用于传输控制该帧群的信令。帧群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。每个帧群的持续时间为139.15ms。每个帧群由一个9b的帧群号标识，帧群号被编码在信号帧的传输参数信令(TPS)中。TPS在帧群中每个信号帧中重复，只在新的帧群开始时才能改变。,DMB-T系统的超帧包含512个帧群。超帧中每个帧群由其帧群号惟一识别。超帧的第一个帧群编号为0，最后一个帧群编号为511。每个超帧的持续时间为71.2448s。DMB-T系统的日帧是由1213个超帧组成，并以一个自然日为周期进行周期性重复。在北京时间000am或其它选定的参考时间，DMB-T传输系统的帧结构被复位并开始一个新的日帧。每个日帧的最后一个超帧是不完整的。,3.信号帧的参数选择在OFDM信号帧的各项参数中，子载波数量的选择是最重要的。DVB-T的OFDM子载波数k=1705(2k模式)或k=6817(8k模式)，不能进行因数分解或分解后基数很大，难以直接采用FFT算法。为了提高传输效率，DVB-T系统在补零后采用了2的整数次幂的FFT运算，因此降低了运算效率。如8k模式下，用8192个点的FFT来对6817个点的数据进行运算，其效率仅为83。采用补零方式后，FFT运算的速度就必然要高于数据速率，特别是在解调端，FFT速率不等于奈奎斯特速率，结果必然是要经过复杂的内插运算方能完成解调。日本标准也存在同样的问题。DMB-T的帧参数经过精心设计，避免了这一问题。,DMB-T中的正交频分复用调制子载波数的选取是从以下几个方面考虑的：(1)子载波数的选择主要取决于要求控制回波的时延范围，即保护间隔的长度。由于保护间隔(DMB-T中为PN头)的固定存在，为保证传输效率不降低，信号周期就要拉长，这就要增加载波数。从测试数据中可以看出，在大量的山区，回波时延的最大范围可达2030s。这样，载波数就必须选为2048甚至更高。,(2)子载波的频率间隔的倒数即为OFDM符号周期。对于8MHz频带的数字电视广播，为了消除符号间干扰ISI，OFDM符号周期应该较长，即子载波的频率间隔应该较小；然而，在移动环境下存在多普勒频移，而且本地振荡存在相位噪声，如果子载波的频率间隔太小，信号由上述原因产生的频率偏移将严重破坏子载波间的正交性，导致严重的误码。,(3)DMB-T采用了时域和频域混合的OFDM方案，时域PN码的目的之一是进行频域信道估计，PN的带宽必须覆盖整个8MHz电视频道。由于PN码置于每一个IDFT块前，因此利用其更新的信道估计结果将作用于随后的IDFT数据，如果OFDM符号周期过长，在信道状况快速变化的情况下(如高速移动)，可能造成信道估计的结果跟不上信道变化，导致误码大量增加甚至使系统无法工作。(4)子载波数的选择要便于IDFT和DFT的实现。为得到全部的DFT系数，直接计算N点DFT需要N2次复数乘法和N(N-1)次复数加法，计算数据量非常大，必须采用FFT算法减少计算次数。FFT的基本原理是将DFT分解为一连串简单的蝶形运算的组合。因此从理论上说，N分解的基数越少越好。,(5)为了防止OFDM信号的频率泄漏到8MHz的带宽以外，通常在OFDM的发射端使用线性相位的带通滤波器控制带外功率，这种带通滤波器的过渡带越窄越难实现。所以OFDM信号最好不要占满整个带宽。(6)在OFDM系统中一般需要使用纠错编码，同时为了支持多种业务以及对某些系统参数能作灵活的配置，通常要在子载波上携带一些控制信息TPS。子载波数目的选择应该兼顾这些因素。因此，影响OFDM载波数选择的因素较多，例如频域分辨率、时域OFDM符号长度、占用电视频道的有效带宽以及计算复杂度等，而且这些因素互相关联。在选择过程中，需要首先把其中某个参数确定下来，然后才能进一步计算其它参数。,首先把一个OFDM的符号长度固定为Ts500s。在数字电视地面广播的绝大多数情况下，可以认为在Ts时间间隔内的信道情况是不变的，这也是OFDM可以利用DFT实现的前提条件。那么，由OFDM的定义可知，OFDM符号长度(周期)的倒数就是子载波的频率间隔，由此得到OFDM子载波的频率间隔f1500s2kHz。为了充分利用电视的8MHz频谱带宽，同时兼顾便于实现输出成型滤波器，OFDM信号的基带带宽范围应为7.5MHzkf8MHz，也就是OFDM子载波数的取值范围在37504000之间。,最后，确切地选择子载波数还要考虑便于IDFT和DFT的快速实现。在上述的37504000范围内，经过寻找比较，最终可确定OFDM符号的子载波数为3780。此时，信号的基带带宽为2kHz3780=7.56MHz，频道间留下了0.44MHz的保护带。DMB-T正交频分复用多载波调制方法的FFT效率为100，比DVB-T的FFT运算效率更高。时域DFT块由3780个取样表示，这些取样也叫做奈奎斯特取样，这是在8MHz电视带宽下，时域和频域混合的最佳奈奎斯特取样。在接收端无需进行内插计算。,现在考虑时域PN码长度对信道的估计特性。DMB-T中规定了5种PN头保护间隔工作模式，分别为IDFT帧体大小的16，19，112，120和130，如表6-4所