数字电视地面广播系统

1、课程设计说明书第 i 页数字电视地面广播系统摘要数字电视地面广播系统是广播电视体系中的重要组成部分，它与卫星数字电视广播系统和有线数字电视广播系统以及其它辅助系统一起相互协同提供全面的受众覆盖，是我国广播电视综合覆盖网的重要部分。作为atsc 、dvb-t 和isdb-t 后的又一个地面数字电视传输标准，该标准提出如下技术要求：业务模式除了支持基本的单向广播外，通过扩展应该能够支持非对称双向传输，系统应该能够支持室内外的固定接收和移动、便携式接收，具有较强的抗噪声、多径、脉冲、单频、模拟及数字的同频和邻频等干扰的能力和快捕、低时延、高速移动的接收能力， 支持多频网和大范围的单频网组网。数字电视

2、地面广播传输系统中最核心的信号帧结构、信道编码和调制方式。该标准（dttb ）具有自主创新特点并能提高系统性能的主要关键技术有：能实现快速同步和高效信道估计与均衡的pn序列帧头设计和符号保护间隔填充方法、低密度奇偶校验码（ldpc ）、系统信息的扩频传输方法等。关键词：数字电视，地面广播系统，ldpc 课程设计说明书第 ii 页目录1、dttb标准介绍 . 11.1 dttb 系统主要参数 . 11.2 数据输入接口 . 21.3 射频输出接口 . 32 前向纠错 -fec. 33 符号交织 . 44 帧结构 . 45 qam调制. 66 单载波与多载波模式 . 97 系统信息 . 108 载

3、荷. 119 邻频广播应用 . 1110 多径干扰及其解决办法.12 10.1多径干扰 . .12 10.2 多径干扰的消除 . .13 结论. .14致谢. 15参考文献 . 错误！未定义书签。课程设计说明书第 1 页1、dttb 标准介绍国标定义了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。输入数据码流经过数据随机化、前向纠错（fec ）编码、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后并经过帧体数据处理形成帧体；而帧体与相应的帧头（pn序列）复接为信号帧（组帧），根据帧地址组帧单元构建与绝对时间日、时、分、秒同步的复帧

4、结构；经过基带后处理转换为基带输出信号（8mhz带宽内）；该信号经正交上变频转换为射频信号（uhf和 vhf频带范围内）。该标准具有自主创新特点并能提高系统性能的主要关键技术有：能实现快速同步和高效信道估计与均衡的pn序列帧头设计和符号保护间隔填充方法、低密度奇偶校验码（ ldpc ）、系统信息的扩展传输方法等。dttb系统的组成框图如图 1 所示图 1 dttb 系统的组成框图1.1 dttb 系统主要参数课程设计说明书第 2 页表 1 国标主要参数1.2 数据输入接口mpeg-2 作为一个国际标准，目前在国内电视台制作、存储、传输等各个阶段已经普遍使用， 考虑到地面数字电视广播传输标准实施

5、后的产业化进程，采用mpeg-2 是当前的最佳选择。但是，随着目前压缩编码技术的不断发展，多个新的压缩编码标准正在推广，为了与这些新标准的兼容，国标采用了mpeg-2 的接口但并没有采用整个mpeg-2 的结构，这样在保证了系统现有的成熟性之外还提供了良好的扩展性。国标数据输入接口支持标准 gb/t 17975.1 。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。该序列生成多项式定义为：g(x)=1+x14+x15该序列的初始相位定义为100101010000000 。输入的数据流与pn序列进行逐位模二加实现数据扰乱。课程

6、设计说明书第 3 页1.3 射频输出接口dttb系统的射频接口符合sj/t 10351 电视发射设备通用技术条件，在uhf和 vhf频段(48.5 862mhz) ，每个数字电视频率占8mhz带宽。2 前向纠错 -fec 纠错编码技术是国标相对于国外现有的三个地面数字电视广播标准的主要区别之一。低密度校验码(low density parity check codes，ldpc 码) 是目前通信界研究的热点，它因为自身的结构和特点，具有良好的纠错增益， 可以在一定程度上逼近山农极限， 是一种性能优异的编码方式， 在无线通信等领域受到了广泛的重视。ldpc 码虽然拥有目前最好的编码效率和性能，但

7、是有限长度的ldpc 在低误码率时存在误码平层，即随着信噪比的增加，误码率并不是单调减小的， 而是趋近于一个很小的常数。 虽然通过不同的编码方法可以降低这个平层，但是难以彻底消除，为此，国标系统采用级联码的方式来解决这个问题。bch码在系统中可以起到两个重要的作用，首先bch 可以降低误码平层，测试表明，国标系统的误码平层低于 1e-12，完全满足高清数字广播的需求；其次，bch 码可以完成速率适配，使得在每个信号帧里面有整数个mpeg 包。dttb系统的 fec由外码 (bch码)和内码 (ldpc码) 级联而成。我国数字电视地面传输标准中， fec编码的外码 bch 码为 bch(762

8、，752)。bch(762 ，752)码是由 bch(1023 ，1013)系统码缩短而成的。它在752 比特信息位前添加261 比特 0补足 1013长度，然后进行bch (1023，1013)编码， bch(1023 ，1013)生成多项式为： gbch(x)=1+x3+x10。编码后得到 1023b码字，然后删除前261b 的 0，得到了码长为 762b的 bch 码。根据线性分组码的原理，bch(1023 ，1013)码可以纠 1b的突发错误。在 ddtb 标准中，提供了3 种码率的前向纠错编码使用相同的bch 码和 3 种不同码率的 ldpc 编码方式供选择， 它们分别是：码率 1：

9、等效编码码率为 r=0.4的 ldpc (7493，3048)码；码率 2：等效编码码率为r=0.6的 ldpc (7493，4572)码；码率 3：等效编码码率为 r=0.8 的 ldpc (7493，6096)码。编码效率为 0.6 、课程设计说明书第 4 页64qam ，载荷速率为 24.365mb/s 的系统实测曲线如图2所示。从图 2 中可以看出系统具有较好的误码平层特性。图 2 系统实测曲线3 符号交织dttb国标系统采用了时域符号交织技术以提高抗脉冲噪声干扰和对抗时间选择性衰落信道的能力。时域交织编码是在多个信号帧之间进行的。国标支持2 种交织模式， 交织深度分别为 240 个符

10、号和 720 个符号，这 2 种交织模式的交织深度不同，一种称为短交织，一种称为长交织。长交织可以提供更好的抗干扰能力，但是将带来更长的延时 (在 1/9 保护间隔的情况下约280ms)并需要较多的解交织存储器 (约 23mbs)，这在考虑交互、实时应用方面有一定的缺陷。短交织模式由于交织深度只有长交织的1/3 ，它的抗宽脉冲干扰性能有些差距。考虑到目前 64mbsdram属于主流产品，因此，建议在可能的情况下采用长交织模式。4 帧结构dttb系统中信号是由一系列帧结构组成复帧结构承载的，数据帧结构分为信号帧、超帧、分帧、日帧4 层结构，如图 3 所示，其中信号帧是系统帧结构的基本单元。课程设

11、计说明书第 5 页日帧（ 24小时）0143900:00:00 am24:00:00 am分帧（ 1分钟）0479超帧（ 125毫秒）首帧信号帧（ 555.6us/578.7us/625us）帧头帧体pn 序列数据块图 3 数据帧结构信号帧由保护间隔和idft块组成。帧同步和帧体的基带符号率相同，帧同步采用 qpsk 调制，根据保护间隔的不同，信号帧的长度有三种模式：555.6s、578.7 s 和 625s。每个信号帧内可以包含整数个mpeg 包。超帧：由 225 个信号帧组成的，其长度为125ms ，每秒有整数个 mpeg-2 ts 包。超帧中第一个信号帧为超帧头，其中每一个信号帧有唯一的

12、帧号。由于保护间隔的长度不同，超帧里面包含的信号帧数也不相同。分帧：由480 个超帧组成，时间长度为1min。日帧（cdf ）：由 1440个分帧组成，时间为 24h。它是国标最顶层帧结构，日帧与北京时间自然日同步，每天重复一次。一个信号帧由 3780个子载波的帧体和保护间隔构成，信号帧包含帧头和帧体两个部分，根据帧头的不同，信号帧有三种结构，如图 4 所示。 3780 个子载波中， 3744 个子载波传输载荷数据和36 个子载波传输 tps信号。 tps信号传输发射端的各种载波方式、调制方式、纠错码率、交织和保护间隔长度等信息，在接收机端通过对tps信号的解调可以得到发射机端信息，这样可以方

13、便接收机端自动适应发端的工作模式，实现自动接收功能。对于3780个子载波，每个子载波占有的带宽均相同。在8mhz 带宽信道中，每个子载波占有2khz 带宽， 3780个子载波总共占有7.56mhz 。 国标系统的保护间隔有三种模式： 1/9 帧体长度 (420课程设计说明书第 6 页个符号 ) 、1/6 帧体长度 (595 个符号 ) 和 1/4 帧体长度 (945 个符号 ) ，保护间隔的增加可以适应更大范围的单频网，但同时也降低了系统的效率。1/9 保护间隔可以提供 56ms的保护间隔，适合在城市环境下组建地区性的单频网，1/4 保护间隔可以提供高达125ms的保护间隔， 适合组建全省、

14、全国性的大范围的单频网网络。帧头（ 420 个符号）（55.6us）帧体（含系统信息和数据）（3780 个符号）（500us）信号帧结构1 帧头 （595 个符号）(78.7us) 帧体（含系统信息和数据）（3780 个符号）（500us）信号帧结构2 帧头（945 个符号）(125us) 帧体（含系统信息和数据）（3780 个符号）（500us）信号帧结构3图 4 信号帧结构5 qam调制国标系统支持多种调制方式，64qam 、32qam 、16qam 、4qam 、4qam-nr。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。5.1 64qam调制及其星座映射图64q

15、am 作为高阶调制模式，每个符号可传输6 比特数据，可以提供最高的频谱利用率，最高传输速率可达32.4mb/s，该模式可以作为固定接入、固定广播等领域的应用。对于64qam ，每 6 比特对应于 1 个星座符号。 fec编码输出的比特数据被拆分成6 比特为一组的符号 （b5b4b3b2b1b0 ），该符号的星座映射是同相分量 i= b2b1b0; 正交分量 q= b5b4b3，星座点坐标对应的i 和 q的取值为 -7，-5 ，-3，-1 ，+1，+3，+5 和+7。其星座映射见图 5。课程设计说明书第 7 页0000000000011357-1-3-5-7-1-3-5-713570000110

16、000100010000010010010110010100110000110010110110110100100000100010100110100101100001100011100111100101110001110011110111110101010001010011010111010101000001000011000111000101101001101011101111101101111001111011111111111101011001011011011111011101001001001011001111001100001100011100111100101100001110

17、01111011111010111000101001101011101010101000100001100011100010100iqbit 顺序（ b5b4b3b2b1b0）图 5 64qam 星座映射5.2 32qam调制及其星座映射图对于 32qam ，每 5 比特对应于 1 个星座符号。 fec编码输出的比特数据被拆分成 5 比特为一组的符号（ b4b3b2b1b0 ）。星座点坐标对应的实部i 和虚部 q的取值为 -7.5 ，-4.5 ，-1.5 ，+1.5，+4.5，+7.5。其星座映射见图6。课程设计说明书第 8 页1.54.57.5-1.5-4.5-7.5-1.5-4.5-7.5

18、1.54.57.51010110001100000010100001101000010000000101100011000010100100011100011101111001111110011100101011010011110101111111110111100101001010001110101101011001100011100qibit 顺序（b4b3b2b1b0）图 6 32qam 星座映射5.3 16qam调制及其星座映射图16qam 模式是适应高效传输和高速移动的一种折中，该模式在提供每个符号可传输 4比特数据的同时也可以提供较高性能的移动特性，该模式可以作为大中城市中小范 (

19、2050km半径)移动覆盖使用。 对于 16qam ，每 4 比特对应于 1 个星座符号。 fec编码输出的比特数据被拆分成4 比特为一组的符号（ b3b2b1b0），该符号的星座映射是同相分量i = b1b0 ；正交分量 q = b3b2，星座点坐标对应的 i 和 q的取值为 -6，-2，+2，+6。其星座映射见图7。26-2-6-2-6260000000101000101110011011000100111101111101010110011011100100110q ibit 顺序（b3b2b1b0）课程设计说明书第 9 页图 7 16qam 星座映射5.4 4qam调制及其星座映射图4

20、qam 模式提供了较高的抗干扰能力、灵敏度和移动特性。该模式的接收灵敏度为 -97dbm ，c/n 门限为 1.9db，可以支持几百公里 / 小时的高速移动。 该模式可作为大范围、高接通率的覆盖使用。对于4qam ，每 2 比特对应于 1 个星座符号。fec编码输出的比特数据被拆分成2比特为一组的符号（ b1b0），该符号的星座映射是同相分量i =b0; 正交分量 q =b1，星座点坐标对应的i 和 q 的取值为-4.5 ，+4.5。其映射见图 8。4.5-4.5-4.54.500101101qibit 顺序（b1b0）图 8 4qam 星座映射6 单载波与多载波模式dttb系统提供了两种载波

21、方式：c=1的单载波模式和 c=3780的多载波式。两种载波模式具有统一带宽、统一传输码率、统一定时时钟、统一系统信息和统一帧结构，单多载波在实现时的区别仅在于ifft 的处理算法不尽相同。除ifft单元之外，系统其它功能单元完全一样应用，具有相同的实现结构。 系统可以根据应用需要在单载波与多载波之间进行简单切换。单载波模式的特点：帧头模式2（pn595 ）采用非循环简洁的伪随机二进制序列作为帧头， 有利于信道均衡快速收敛， 同时帧头功率与帧体信号的平均功率相同，保证了单载波信号的低峰均比特性。采用 walsh 正交序列联合扩频序列的方式来保护传输中的系统信息，使得系统信息在多径时变信道时有很

22、强的抗课程设计说明书第 10 页衰落特性。 高效信道编码方案与低阶星座映射的结合，既保证了频谱利用率有提升了抗信道衰落的性能。 稳定、可靠和准确的系统载波恢复和时钟获得是单载波系统中有良好的固定和移动接收的必要条件，因此，在发射信号内需要另加入导频信号。改进的均衡接收技术，在传统的lms 算法基础上， 依靠简洁数据结构，采用 nr准正交解映射与均衡结合的算法，突破了单载波抗多径、高速移动接收的难题。同时，均衡lms算法能够自适应地对付单频干扰、窄带干扰。多载波模式具有系统固有的抗多径干扰能力强、频谱利用率高等方面的优点，目前的宽带无线传输技术的发展趋势充分表明，多载波技术在无线广播和通信系统应

23、用中具有一定的优势。国标的实验室测试证明： 国标的多载波方式和单载波方式的峰均比指标基本相同，在频域均衡接收条件下， 系统的白噪声门限和抗相位噪声、多谱勒频移、单频、同频、脉冲干扰等性能指标基本相当，抗多径干扰能力和场地应用测试效果则多载波具有明显优势。7 系统信息系统信息为每个信号帧提供必要的解调和解码信息，包括符号星座模式、ldpc 编码的码率、交织模式信息、保护间隔长度、单多工作模式、帧体信息模式等。系统信息长度为 36 个符号。36 个符号的前 4 个符号用作单多模式指示符，其中用 0000表示单载波， 1111 表示多载波。本系统中预设了 64 种不同的系统信息模式， 并采用扩频技术

24、传输。 这 64 种系统信息在扩频前可以用6 个信息比特来表示，该 6 比特系统信息将采用扩频技术变换为 32 比特长的系统信息矢量，即用长度为32 的 walsh序列和长度为32 的随机序列来映射保护，使得系统信息在多径时变信道时有很强的抗衰落特性，具有很强的鲁棒性。系统信息采用i 、q相同的 qpsk 映射方式。信息系统如图 9 所示。图 9 信息系统课程设计说明书第 11 页8 载荷在不同信号帧长度、内码码率和调制方式下， dttb标准支持从 4.81332.486mb/s 的速率，计算公式如下：rate = 3744 （3780pn ） rirm 7.56mb/s，式中， pn为保护间

25、隔，pn=420/595/945； rm为调制效率，rm=2/4/5/6； ri 为编码效率，0.4= 3008/7488，0.6=4512/7488 ，0.8=6016/7488 。根据此公式， dttb系统在不同模式下的净荷数据率, 如图 10 所示。图 10 净荷数据率从图 10 中可以看出， dttb系统的载荷速率范围覆盖从4.8 32.4mb/s，可以满足广播电视的各种业务需求。9 邻频广播应用课程设计说明书第 12 页dttb系统支持邻频广播，对于上下邻频是模拟信号时，频谱要求模板如图11 所示。当邻频是数字频道时频谱模板如图12 所示。需要注意的是上述两个频谱模板的信号平顶部分的

26、电平为 -32.8db 。图 11 模拟信号频谱模板图 12 数字信号频谱模板10 多径干扰及其解决办法10.1 多径干扰多径干扰又叫回波干扰， 在地面广播中最为普遍， 地面广播中发射信号的电磁波遇到山脉、 树木及楼房等障碍物时产生十几秒的回波，反射信号进人接收中就会造成回波干扰。 在有线电视系统中， 由于网络节点的阻抗不匹配也可能造成一定的回波干扰， 但程度要比地面广播中的轻。 卫星广播中因为天线的方向性很强，一般不存在回波干扰。 回波干扰在模拟电视中造成的就是重影，而在数字电课程设计说明书第 13 页视中造成的是数字通信中所谓的“符号间干扰”(isi) 。符号间干扰是数字通信系统中除噪声干

27、扰之外最主要的干扰，它不同于加性的噪声干扰， 而是一种乘性的干扰。造成符号间干扰的原因比较多，只要传输信道的频带是有限的，就会不可避免地造成一定的符号间干扰。在数字电视系统中， 回波是造成符号间干扰最主要的原因，习惯上， 人们将数字电视中的isi 仍称为回波干扰。 从接收机的角度看，回波干扰相当于将发射信号延时再进行幅度衰减和相位旋转后叠加在原发射信号上，因此回波信号对通信系统设计有影响的特性有3 项： 回波的时延、 回波的幅度衰减和回波的相位旋转。10.2 多径干扰的消除克服多径干扰的方法在技术上可以分为两类：时域均衡技术和正交频分复用调制技术 (ofdm) 。均衡技术是一项传统技术，被广泛

28、应用于数字通信系统中，美国的 atsc 地面系统 (atsc8一 vsb)采用均衡技术来消除回波， 它的特点是技术成熟。 时域均衡是在匹配滤波器后插人一个带抽头的延时线组成的横向滤波器，抽头间隔等于符号周期， 各抽头的延时信号经加权后送到加法器输出，再经抽样送往判决电路， 各个抽头的加权系数是自适应调整的，这样就可以消除符号间干扰(isi)。但均衡技术只适用于消除时延较短的回波，对时延较长的回波效果差，而且对回波时延的变化很敏感，此外它的结构也很复杂。当信道非常恶劣时，可采用主副径变换的方法， 这种方法利用了快信道相关估计原理，计算机仿真结果表明这种方法行之有效， 特别是对于前向大多径和超大幅度的多径性能处理极限提升明显，该方案的实现难点在于快速信道估计、硬件实现很耗资源，但