12DVB数字视频广播系统与DTMB国标

第十二课DVB数字视频广播系统与DTMB国标2012.5.15.12.1DVB数字视频广播系统12.1.1MEPG-2系统标准在DVB中的实施•DVB数字广播系统是欧洲标准，包含DVB-C\DVB-T\DVB-S,这些标准是由ETSI（欧洲电信标准学会）制定的，其中最先的参数规范是演播室参数标准和信源编码标准。12.1.2DVB-S信道编码与调制系统1．DVB-S•DVB-S是1994年12月由ETSI(欧洲电信标准学会)制定标准的。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。系统功能框图如图12-1所示，左边部分为MPEG-2信源编码和复用，右边是信道编码和高频调制部分。图12-1DVB-S系统功能框图2．•输入TS流是188字节的包，其中第一个字节是同步字节(SYNC)。在DVB-S中，对TS流包的处理如图12-2所示。图12-2TS流包的加扰和RS编码3．外码编码•外码编码即是RS编码，是在每188字节后加入16字节的RS码(204，188，t=8)，参见图12-2(b)。4．外交织•为提供抗突发干扰的能力，在RS编码后采用字节为单元的交织，称为字节交织或外交织，交织深度I=12字节。5．卷积内编码•内码编码与外码编码相结合，构成了DVB-S中的级联编码，它增强了信道纠错能力，有利于抗御卫星广播信道传输中干扰的影响。•内码编码与外码编码相结合，构成了DVB-S中的级联编码，它增强了信道纠错能力，有利于抗御卫星广播信道传输中干扰的影响。6．收缩卷积码和基带成形•基带卷积输出X，Y输入至收缩卷积码电路，实现2/3或3/4等编码效率，而后再使该串行序列经串/并变换电路形成I，Q两路并行输出。7．误码性能要求•卫星接收端有确定的误码性能要求，以确保接收信号质量。在传输信道中，对于出现的相加性白高斯噪声(AWGN)引起的信号质量下降，通常以Eb/N0进行衡量。7．可用比特率与转换器带宽的关系•一个卫星转发器能以QPSK调制方式传输的可用比特率值，除了决定于可选用的不同值的内码编码率外，更加决定于卫星转发器本身的带宽。•由上面所述可以看出，DVB-S的特点在于卫星信道的带宽大(24MHz)，但转发器的辐射功率不高(十几瓦至一百多瓦)，传输信道质量不够高(传输路径远，特别是易于受雨衰影响)。因此，为保证接收可靠而采用了调制效率较低、抗干扰能力强的QPSK调制。12.1.3DVB-C信道编码与调制系统1．DVB-C简介•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。•DVB-C系统定义了有线数字电视广播系统的功能块组成，它使MPEG-2基带数字电视信号与有线信道特性相匹配。•正交振幅调制（QAM）是一种幅度和相位联合键控（APK）的调制方式。它可以提高系统可靠性，且能获得较高的信息频带利用率，是目前应用较为广泛的一种数字调制方式。•正交振幅调制是用两路独立的基带数字信号对两个相互正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制，利用已调信号在同一带宽内频谱正交的性质来实现两路并行的数字信息传输。2．DVB-C信道编码与DVB-S的共通部•由图12-3可见，发送端框图中的前4个方框是与DVB-S一样的。3．字节到m•DVB-C中，符号交织(交织深度I=12字节)之后没有级联的卷积编码，也即只有外编码而无内编码，原因在于有线信道质量较好，不必将FEC做得复杂化。图12-3DVB-C前端与接收端框图4．不同M值的MQAM•图12-4所示的为MQAM星座图，它们的实现都基于图12-3所示的符号变换框图。图7-1464QAM调制星座图图12-4MQAM信号的星座图•在数字电视地面、有线、卫星传输方式中，数字电视地面传输系统环境最为复杂，也因其技术要求最高、受众广而备受关注。地面系统的标准化工作也十分重要。•12.1.4DVB-T采用地面广播进行传输的数字电视系统•1地面广播的标准•欧洲采用以COFDM为核心技术的DVB-T/H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；•我国采用自主研制的DTMB技术标准。•2地面数字电视系统组成地面数字电视的系统主要由前端系统、发射系统和接收系统组成。图12-5基于IFFT/FFT的OFDM系统•3国内经过多年探索和竞争，也推出了中国自主知识产权的数字地面电视技术标准：清华大学提出的以TDS-OFDM时域同步正交频分复用为核心技术的DMB-T/TH标准和上海交通大学的基于VSB单载波残留边带调制技术的ADTB-T(先进数字电视广播-地面标准)。•目前，地面无线数字电视国家标准融合了上海交通大学的单载波和清华大学的多载波方案。•12.1.5DVB广播电视传输系统几个概念•1比特率和波特率•比特率是指二元数字码流的信息传输速率，表示每秒可传输多少个二元比特，单位是bie/s。•波特率是指三元及三元以上数字码流的信息传输速率，单位是band/s,表示每秒可传输多少个多元码字。•2频谱效率•频谱效率指传输信道中每赫兹带宽可以传输的比特率。64QAM频谱效率高达6bit/s/Hz。•3滚降系数•升余弦滚降信号的最大带宽超出对应的理想低通信号带宽（1/2）T的部分，与对应的理想低通信号带宽（1/2）T的比例称为滚降系数。工程中滚降系数大多取0.35.•4误码率•误码率指在经过系统的传输后，发生错误的码字占信源发送出的总码字数的比例。•通常以10（k=1,2,3…）形式表示；•5信噪比S/N、载噪比C/N•信噪比S/N是指传输信号的平均功率S与噪声的平均功率N之比，以对数表示；•载噪比C/N是指已经调制的信号的平均功率C与噪声的平均功率N之比，以对数表示；12.2地面数字电视国家标准DTMB技术介绍•12.2.1国标DTMB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•传输速率可选范围5.414～32.486Mbps；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。12.2.2国标DTMB方案•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。•12.2.3国标DTMB方案构成电视节目或数据、文本、图片、语音等多媒体信息经过信源编码、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。图12-6国标DTMB的方案构成•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它宽带传输系统。•12.2.4国标DTMB方案要点•（1）创新的TDS-OFDM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。••（2）原创的数字电视广播帧结构图12-7国标DTMB的分级帧结构图12-8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12-7、12-8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2kHz,每个子载波符号采用MQAM调制。图12-9滤波器幅度响应•（3）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。•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。•12.2.5DTMB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：•1OFDM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。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。•2OFDM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。•3与绝对时间同步的分层帧结构国标DTMB采用独具特色的分层复帧结构。这种分层帧结构，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。•4传输效率或频谱效率高欧洲DVB-TC-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%。•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。•6信道估计性能良好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。•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）。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。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同步时间约为1毫秒，而C-OFDM的同步技术实现复杂，同步时间为几十毫秒左右。•9.易于构筑单频网DVB-T在MPEG码流层进行单频网同步，其实现技术比较复杂。