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楊知行（清華大學(xué)數(shù)字電視傳輸技術(shù)研發(fā)中心主任、教授）
國標DTMB技術(shù)方案及性能指標 國標DTMB提供的地面數(shù)字多媒體業(yè)務(wù)包括HDTV、音頻、視頻、數(shù)據(jù)廣播和交互多媒體等，重要特性包括： ★ 高信息容量：為HDTV節(jié)目提供大于24Mb/s的單信道碼率。 傳輸速率可選范圍5.414～32.486 Mbps；調(diào)制方式可選QPSK、16QAM、64QAM；保護間隔可選55.6ms、125ms；內(nèi)碼碼率可選0.4、0.6、0.8。
圖1 國標DTMB的傳輸數(shù)據(jù)率（Mbps） 國標DTMB方案構(gòu)成如圖1所示。電視節(jié)目或數(shù)據(jù)、文本、圖片、語音等多媒體信息經(jīng)過源編碼、信道編碼后，通過一個或一個以上的發(fā)射機發(fā)射出去，覆蓋一定區(qū)域。 根據(jù)地面數(shù)字多媒體電視廣播的服務(wù)需求、傳輸條件和信道特征， 國標DTMB傳輸系統(tǒng)采用了創(chuàng)新的時域同步正交頻分復(fù)用（TDS－OFDM）單多載波調(diào)制方式。這種調(diào)制方式，主要針對地面數(shù)字多媒體電視廣播傳輸信道線性時變的寬帶傳輸信道特性（頻域選擇性與時域選擇性同時存在的傳輸信道）所設(shè)計。由于TDS－OFDM適用于具有多徑干擾和多普勒頻移的傳輸信道，因此其同樣適用于地面數(shù)字多媒體電視廣播以外的其他寬帶傳輸系統(tǒng)。 1. 創(chuàng)新的TDS-OFDM 調(diào)制 國標DTMB系統(tǒng)采用了 TDS-OFDM，其特點是同步頭采用了偽隨機序列，在每個 OFDM 保護間隔周期性地插入時域正交編碼的幀同步序列， TDS-OFDM調(diào)制按下列步驟進行：a.輸入的MPEG－TS碼流經(jīng)過信道編碼處理后通過星座映射形成3780點的星座；b. 采用IDFT將該3780點星座變換成長度為3780的離散樣值（單載波模式不需要這一步驟）幀體（500μs）；c. 在OFDM的保護間隔插入長度為420（或595，945）的PN序列作為幀頭；d. 將幀頭和幀體組合成時間長度為555.56μs（或578.7μs，625μs）的信號幀；e. 采用具有線性相位延遲特性的FIR低通濾波器對信號進行頻域整形；f. 將基帶信號進行上變頻調(diào)制到RF載波上。 2. 原創(chuàng)的數(shù)字電視廣播幀結(jié)構(gòu)
圖2 國標DTMB的分級幀結(jié)構(gòu) 為了實現(xiàn)快速穩(wěn)定的同步，國標DTMB采用了分級幀結(jié)構(gòu)， 如圖2所示，它具有周期性，并且可以和絕對時間同步。幀結(jié)構(gòu)的基本單元稱為信號幀，225個信號幀定義為一個幀群，480個幀群定義為一個超幀。幀結(jié)構(gòu)的頂層稱為日幀，由超幀組成。 信號幀的幀體采用多載波調(diào)制方式或單載波調(diào)制方式，幀體的子載波數(shù)為3780或者為1。子載波數(shù)為3780時，相鄰子載波的間隔為2 kHz,每個子載波符號采用MQAM調(diào)制。 信號幀的幀體除了正常的數(shù)據(jù)流外還包含傳輸參數(shù)信令（TPS），用以傳送系統(tǒng)配置信息。它由36 比特組成，并用QPSK映射為18個子載波或者星座。 國標DTMB的超幀由一個控制幀和相鄰的224個信號幀構(gòu)成，每個超幀的持續(xù)時間為125 ms，超幀中的第一個信號幀被定義為超幀頭（控制幀），用于傳輸控制該超幀的信令。超幀中的每一個信號幀有惟一的幀號，它被編碼在幀頭的PN序列中。每個超幀由一個9bit的超幀號標識。超幀號被編碼在信號幀的傳輸參數(shù)信令（TPS）中。TPS在超幀的每個信號幀中重復(fù)，只在新的超幀開始時才能改變。 國標傳輸系統(tǒng)的分幀包含480個超幀，分幀中的每個超幀由其超幀號惟一識別。分幀的第一個超幀編號為0最后一個超幀編號為479，每個分幀的持續(xù)時間為60s。 國標DTMB的日幀由1440個分幀組成，以一個自然日為周期進行周期性重復(fù)。在北京時間0∶0∶0AM，系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)被復(fù)位并開始一個新的日幀。 3. 原創(chuàng)的廣播同步傳輸技術(shù) PN序列除了作為OFDM塊的保護間隔以外，在接收端還可以被用做信號幀的幀同步、載波恢復(fù)與自動頻率跟蹤、符號時鐘恢復(fù)、信道估計等用途。由于 PN 序列幀頭與 數(shù)據(jù)幀體正交時分復(fù)用，且 PN 序列對于接收端來說是已知序列，因此，PN 序列和幀頭與數(shù)據(jù)幀體在接收端是可以被分開的。接收端的信號幀去掉 PN 序列后可以看作是具有零填充保護間隔的OFDM。 如，信號 s(t) 經(jīng)過地面?zhèn)鬏斝诺篮?，接收端收到的基帶信?r(t) 包括兩部分：PN 序列 rPN(t) 和幀體 rIDFT(t)。
式中 經(jīng)過信道估計后，得到多徑干擾后的PN 信號，從接收到的信號 r(t) 中減掉 PN 信號后，就可得到零填充保護間隔的 OFDM 符號，同時得到信道的單位脈沖響應(yīng) h(t)。
理論和實踐已經(jīng)證明，具有零填充保護間隔的OFDM與具有循環(huán)前綴保護間隔的OFDM（例如DVB-T的COFDM）在理論上是等價的，如圖3所示。
圖3 填充PN序列的保護音隔功能恢復(fù)原理 DTMB的技術(shù)特點 國標DTMB以時域正交頻分復(fù)用（TDS-OFDM）調(diào)制技術(shù)為核心，形成了自有知識產(chǎn)權(quán)體系，具有自己鮮明的技術(shù)特點。 1. OFDM 調(diào)制時域同步技術(shù) 在OFDM系統(tǒng)中同步設(shè)置是最重要的環(huán)節(jié)之一，也是OFDM系統(tǒng)最重要的創(chuàng)新焦點。 在歐洲 DVB-T的C-OFDM中，系統(tǒng)同步是通過在頻域OFDM符號中插入導(dǎo)頻而實現(xiàn)的，即采用頻域同步技術(shù)。與采用C-OFDM的DVB-T系統(tǒng)不同，國標DTMB采用了稱為PN序列填充時域同步正交頻分復(fù)用（TDS-OFDM）的技術(shù)，將PN序列填充傳統(tǒng)OFDM的保護間隔作為幀頭，由于此幀頭信號已知，可以在接收端被去除，因此在對抗ISI的意義上等同為零填充的保護間隔。同時，PN序列作為同步序列，又被用于實現(xiàn)同步。而且，在接收端可用該PN序列通過相關(guān)計算估算出無線信道的時域沖擊響應(yīng)時間。 2. OFDM 調(diào)制保護間隔的新定義 在 OFDM系統(tǒng)中，OFDM信號結(jié)構(gòu)是塊結(jié)構(gòu)，每個信號塊稱為OFDM符號，它在時域中由兩部分組成:一個是數(shù)據(jù)部分，另一個是保護間隔。OFDM信號塊數(shù)據(jù)部分是在頻率域定義的，為了抗多徑干擾必須有保護間隔，保護間隔長度一般大于傳輸多徑信號的傳播延時。 根據(jù)OFDM符號的保護間隔中的填充信號，傳統(tǒng)的OFDM符號有兩種獨立定義：第一種是零值填充的（Zero-padding）的保護間隔（簡稱Z－OFDM），由于接收端處理算法較為復(fù)雜，這種模式一直沒有得到廣泛應(yīng)用，由于擁有較多優(yōu)點，最近其又成為研究的對象。第二種則是被廣為應(yīng)用的循環(huán)前綴填充（Cyclic-Prefix）保護間隔（簡稱C-OFDM）。 DTMB創(chuàng)新定義了以PN序列（PN-Padding）為保護間隔的OFDM信號（簡稱TDS－OFDM）。在 TDS-OFDM 系統(tǒng)中，保護間隔中填充的 PN 序列有以下重要作用： a. 作為OFDM 調(diào)制的保護間隔。PN序列在接收端是已知的，進而可被去除，因而理論上等同為零填充（Zero-padding）的保護間隔。 b. 用于系統(tǒng)同步。PN序列作為同步序列，被用于實現(xiàn)系統(tǒng)幀同步、頻率同步、時間同步等。 c. 用于信道估計和跟蹤相位噪聲。在接收端可用該PN序列通過相關(guān)計算獲得對于無線信道的時域沖擊響應(yīng)的估計，以及抑制相位噪聲。 3. 與絕對時間同步的分層幀結(jié)構(gòu) 國標DTMB采用了不同于已有數(shù)字電視技術(shù)標準的、獨具特色的分層復(fù)幀結(jié)構(gòu)。這種與絕對時間同步的分層幀結(jié)構(gòu)，可以在物理層為單頻網(wǎng)提供與TS流對應(yīng)的秒同步時鐘，便于單頻組網(wǎng)；可以與按日歷日為周期的廣播節(jié)目表相配合，便于進行定時接收；也有利于未來系統(tǒng)的功能擴展，如雙向交互和定位功能等；其還有利于手持便攜接收機的省電控制，這是一個重要的特性，是為適應(yīng)未來數(shù)字電視廣播系統(tǒng)應(yīng)用需求而在物理層做出的安排，將有利于使未來系統(tǒng)更加安全可靠。 4. 傳輸效率或頻譜效率高 在歐洲D(zhuǎn)VB-T中，用于同步和信道估計的導(dǎo)頻載波數(shù)量占總載波的10%。 國標DTMB的PN序列放在OFDM保護間隔中，既作為幀同步、又作為OFDM的保護間隔。 歐洲D(zhuǎn)VB-T C-OFDM用10%的子載波傳送用于同步和信道估計等的導(dǎo)頻信號，同時存在循環(huán)前綴的保護間隔，而TDS-OFDM將時間保護間隔同時用于傳輸信道估計信號，因此DVB-T系統(tǒng)的傳輸效率只能達到國標DTMB系統(tǒng)的90%。 傳輸效率在多載波技術(shù)和單載波技術(shù)進行比較時，被認為是多載波技術(shù)的弱點，國標DTMB的核心技術(shù)正是針對解決這個問題而開發(fā)的。 5. 抗多徑干擾能力強 多載波系統(tǒng)和單載波系統(tǒng)相比，OFDM系統(tǒng)具有抗多徑干擾的能力，抵抗多徑干擾的大小等于其保護間隔的長度。由于國標的時間保護間隔中插入的是已知的（系統(tǒng)同步后）PN序列，在給定信道特性的情況下，PN序列在接收端的信號可以直接算出，并去除。去掉PN序列后的OFDM信號與時間保護間隔為零值填充的OFDM信號等價，而時間保護間隔為零值填充的OFDM與時間保護間隔為周期延拓的OFDM在同樣信道下的性能是等價的。而且，在多徑延遲超過時間保護間隔的情況下，國標DTMB仍能工作。TDS-OFDM可以把幾個OFDM幀的PN序列聯(lián)合處理，使抵抗多徑干擾的延時長度不受保護間隔長度的限制，而傳統(tǒng)的OFDM保護間隔長度設(shè)計要求必須大于多徑干擾的延時長度。 6. 信道估計性能良好
在AWGN信道下，TDS-OFDM的信道估計性能優(yōu)于C-OFDM。這是由于TDS-OFDM用于信道估計的PN序列具有20dB左右的擴頻增益，同時又沒有C-OFDM做信道估計時特有的插值誤差。盡管國標DTMB的樣機功能還有待改善，但其AWGN信道的測試結(jié)果仍優(yōu)于基于C-OFDM的國內(nèi)外系統(tǒng)。（見表2）
表 2 對于多徑信道，TDS-OFDM的PN序列與多徑信道造成的干擾信號是統(tǒng)計正交的。雖然TDS-OFDM信道估計的性能無法在原理上與C-OFDM直接比較，但是它與其他傳輸系統(tǒng)中采用PN序列進行信道估計的性能相當(dāng)。（見表3）
表 3 7. 適于移動接收 移動接收產(chǎn)生了多普勒效應(yīng)和遮擋干擾，使傳輸信道具有隨時間變化的特性（時變特性）。而需要強調(diào)的是任何OFDM系統(tǒng)的信號處理都是基于信道傳輸特性準時不變的假設(shè)（應(yīng)用FFT的基本條件），即在一個OFDM符號的時間內(nèi)，假設(shè)信道是不變的，信道的變化被認為是在OFDM符號間發(fā)生的。 TDS-OFDM的信道估計僅取決于OFDM的當(dāng)前符號，而C-OFDM的信道估計需要4個連續(xù)的OFDM符號。因此，C-OFDM在移動情況下，要考慮4個OFDM符號的信道變化影響，而TDS-OFDM只需考慮1個OFDM符號的信道變化影響。可以看出，國標DTMB系統(tǒng)更適于移動接收，其移動特性優(yōu)于歐洲 DVB-T 系統(tǒng)。測試結(jié)果證明，國標DTMB系統(tǒng)的高清電視移動接收性能居國際領(lǐng)先水平。 8. 系統(tǒng)同步快 TDS-OFDM是靠PN序列進行同步的，僅在時域進行，同步時間約為1毫秒，相當(dāng)于相鄰PN序列的時間間隔。這一優(yōu)點已在廣電測試中得到驗證。而C-OFDM的同步技術(shù)實現(xiàn)復(fù)雜，同步時間為幾十毫秒左右。 9. 易于構(gòu)筑單頻網(wǎng) DVB-T在MPEG碼流層進行單頻網(wǎng)同步，其實現(xiàn)技術(shù)比較復(fù)雜。國標DTMB的幀結(jié)構(gòu)以整秒為單位，能夠在傳輸物理層對單頻網(wǎng)進行同步，實現(xiàn)設(shè)備簡單，建網(wǎng)成本低。 小結(jié) 2006年5月～2006年7月，國家數(shù)字電視系統(tǒng)測試實驗室對以TDS-OFDM技術(shù)為基礎(chǔ)的國標DTMB樣機進行了測試，測試結(jié)果表明，主要系統(tǒng)性能指標超越歐洲D(zhuǎn)VB-T系統(tǒng)。(完) |
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來自： lvgs > 《數(shù)字電視》
表示卷積，h(t) 是傳輸信道的單位脈沖響應(yīng)，包括收發(fā)端成形濾波器、地面?zhèn)鬏斝诺溃?n(t) 表示高斯噪聲分量。
