地面数字电视广播-清华大学潘长勇

地面数字电视广播技术及产业化应用清华大学数字电视技术研究中心潘长勇教授2007年9月24日清华大学数字电视技术中心什么是电视？WhatisTelevision„图象Images-灰度的黑白变化„颜色Colour-色调和饱和度Hue&Saturation„声音Sound-音频信息„数据Data-文本和其它数据„同步Synchronisation-定时指示„传送系统TransportSystem-把上述内容传到你的电视机清华大学数字电视技术中心NTSC„NationalTelevisionSystemsCommittee(NTSC)„世界上第一个得到广泛采用的彩色电视系统(1966)„一般用于60Hz国家„有影响的是525行电视系统„亮度和同步采用AM调制(4.2MHz)„U&V色度采用AM正交调制(IQ)„色度副载波3.579545MHz„声音采用FM或数字子载波调制清华大学数字电视技术中心SECAM„SequentielCouleurAvecMemoire(SECAM)„在PAL之前，法国开发的。„625行50Hz彩色系统„亮度和同步采用AM调制„轮行顺序传送U&V色度分量„接收机需要1H色度延迟线„色度使用FM，副载波频率4.43361875MHz„声音使用FM清华大学数字电视技术中心PAL„PhaseAlternationLine-rate(PAL)ColourSystem„NTSC和SECAM之后，欧洲开发的。„一般用于50Hz国家„有影响的是625行系统„亮度和同步采用AM调制(5MHz)„U&V色度分量采用AM正交调制，V(R-Y)分量逐行倒相。„色度副载波4.43361875MHz„声音FM或数字子载波调制清华大学数字电视技术中心世界电视标准NTSCNTSCPALPALSECAMSECAMPAL/SECAMPAL/SECAMUnknownUnknown清华大学数字电视技术中心传输带宽-VHF66MHzMHz77MHzMHz88MHzMHzNotinUseNotinUse清华大学数字电视技术中心传输带宽-UHF66MHzMHz77MHzMHz88MHzMHzNotinUseNotinUse中国使用中国使用8MHzUHF8MHzUHF清华大学数字电视技术中心为什么数字化为了克服模拟电视的缺陷„无噪声图象„无重影NoGhosting„高清晰度图象、宽屏幕HDTV„多声道、增强的声音节目„其它的数据业务数字电视DigitalTelevision清华大学数字电视技术中心„DTTB设计为电视携带视频、音频和数据。„DTTB能够携带更多的信息，不仅仅是电视节目‹电子节目指南、图文信息‹宽带多媒体数据、新闻、天气。‹昀好的internet服务‹交互服务‹软件更新、游戏„业务可以动态重配地面数字电视内容和业务清华大学数字电视技术中心„现有的电视显示系统„4:3宽高比图象，隔行扫描„中国/欧洲‹625行-720pixelsx576lines显示‹50frames/sec25pictures/sec‹共有414720pixels„美国/日本‹525lines-704pixelsx480linesdisplayed‹60frames/sec30pictures/sec‹共有337920pixelsStandardDefinitionTelevisionSDTV清华大学数字电视技术中心„没有精确的定义-许多系统„系统具有更高的图象分辨率„大于1000行的分辨率，1080i/P„图象有更少的缺陷或失真„更大的图象，更强的现场感。„更宽的宽高比，更好利用视角边缘。„逐行扫描图象代替隔行扫描图象。HighDefinitionTelevision-HDTV清华大学数字电视技术中心„卫星Satellite(DBS)‹DVB-S‹覆盖范围广泛‹接收要求高‹容量有限‹不能支持移动上行Uplink下行Downlink数字电视-类型I清华大学数字电视技术中心„有线Cable‹DVB-C/16-VSB‹容量大‹需要线缆连接‹不能支持移动MainCoaxFibreTeeSpurTap数字电视-类型II清华大学数字电视技术中心„地面Terrestrial(DTTB)‹DVB-T/8-VSB/ISDB-T‹空中免费数字电视(广播)‹支持移动接收，‹覆盖范围大，‹接入方便快捷数字电视-类型III清华大学数字电视技术中心数字电视广播方式DMB-T公众网QAM调制QAM调制DTV有线广播用户机顶盒/接收机各种用户接收机各种用户接收机QPSK调制QPSK调制DTV卫星广播节目复用器节目复用器数字压缩/复用数字压缩/复用演播室数字压缩/复用数字压缩/复用演播室数字压缩/复用数字压缩/复用演播室DTV地面广播TDS-OFDM调制TDS-OFDM调制现有国标标准情况清华大学数字电视技术中心三种数字电视传输国际标准„美国的ATSC8-VSB„欧洲的DVB-TCOFDM„日本的ISDB-TBST-OFDM清华大学数字电视技术中心ATSC8-VSB系统1„占用带宽:5.38MHz(R=10.3%)„符号码率:2×5.38=10.76MSps„净荷数据码率:19.39Mbps„在频带低端边缘有一个导频信号(310kHz)„级联的信道编码(TCM+RS)„用梳状滤波器或数字陷波器抑制同频NTSC干扰清华大学数字电视技术中心†ATSC8-VSB传送系统发送框图数据随机化R-S编码交织网格编码复用导频插入预均衡滤波VSB调制RF上变频数据段同步数据场同步TS码流■目标：可靠性与有效性在地面广播的6MHz=△f内用8-VSB调制传送约19.39Mb/s的净荷数据。■串行数据流：MPEG2Packet188Byte（1Byte同步字＋187Byte数据）ATSC8-VSB系统2清华大学数字电视技术中心■外码RS码：RS（207，187，t=10）本原域（Primitive）生成多项式（Galois域）G(256)=x8+x4+x3+x2+1■交织：52RSBlockInterleaver，卷积字节交织。交织深度≈1/6数据场（4ms）■内码：R=2/3网格编码（TrellisCode），即：1输入比特经R=1/2卷积编码后变为2bit，另1输入bit经预编码后仍输出1bit。■交织：网格编码交织——12个相同的网格编码和预编码器进行交织。†ATSCFECATSC8-VSB系统3清华大学数字电视技术中心†ATSC帧结构数据场同步＃1数据＋FEC数据场同步＃2数据＋FEC数据段同步313个数据313个数据24.3ms24.3ms1个数据段=7703us4828个符号ATSC8-VSB系统4清华大学数字电视技术中心■数据场的第一个数据段：数据场同步＋接收机中均衡器所需的训练序列■每段数据：段同步（4个符号二进制）＋数据符号（828个符号＝187BytePackt＋FEC开销），其符号用3bit表示——8电平，包含828×3＝2484bit数据■每数据帧＝313＋313个数据段ATSC8-VSB系统5†ATSC帧结构清华大学数字电视技术中心导频5.38MHz6.0MHz0.310.3100.71.0◆导频：发一小载波(310kHz)，用作接收载波恢复，比平均数据功率低11dB，标准电平＋5～-5。†ATSC频谱——抑制载波的谱ATSC8-VSB系统6清华大学数字电视技术中心ATSC频谱清华大学数字电视技术中心+7+5+3+1-1-3-5-7LevelsBeforePilotAddition(Pilot=1.25)828符号207Bytes4符号数据+FEC数据段同步数据段832符号208Bytes4符号数据段同步†ATSC调制电平（多电平）8-VSBATSC8-VSB系统7清华大学数字电视技术中心71234560均衡器之前均衡器之后†ATSC调制电平实际图ATSC8-VSB系统8清华大学数字电视技术中心†ATSC接收机框图■载波恢复：用调谐器IFPLL（中频频率锁相环）在小导频上恢复载波■段同步和符号时钟恢复■数据场同步恢复数据随机化R-S解码数据交织相位跟踪均衡器NTSC抑制滤波IF滤波及同步滤波调谐器TS码流同步及定时ATSC8-VSB系统9清华大学数字电视技术中心■均衡器：消除回波（补偿信道线性失真）用带反馈的多抽头FIR滤波器（64抽头正馈和192判决抽头反馈），工作在10.76MHz符号速率下。用二进制训练序列，采用LMS（昀小均方）算法，调节滤波器抽头，降低均衡器输出误差。对快速动态回波用盲均衡。■结构复杂，成本较高■仅对时延较短的ISI效果比较好，对时延较长的ISI效果比较差‹ATSC在近的强多径变化时，导频信号会受到严重影响，载波恢复困难。‹均衡器的性能在载波没有精确恢复时会急剧下降；系统虽然使用了训练序列，但两个训练序列之间相隔24毫秒，期间多径的快速变化无法被跟踪，虽然美国系统同时使用数据判决反馈均衡器DFE，利用数据本身产生的误差信号进行调节，用以跟踪变化快的多径，但DFE需要信道被均衡到一定程度（错误判决少于10%）才能正常工作，在强多径下系统是不稳定的。†ATSC信道估计和补偿ATSC8-VSB系统10清华大学数字电视技术中心„消除模拟NTSC同频干扰：用电视梳状滤波器去除。由于噪声增加，不是所有时间都用。‹梳状滤波器开启时，系统门限上升3dB，且开启与否是通过判决后的硬开关。‹在实用中会使开关受噪声或多径变化的影响来回跳动，造成系统工作不稳定‹由于其引入的电平数目和12路交织，影响系统网格解码和均衡器的工作。‹ATSC8-VSB传输系统具较好的载噪比，可在较低的载噪比下运行，但系统为抗NTSC同步干扰在接收机中加梳状滤波器，却牺牲了约3.5dB的载噪比性能；†ATSC同频干扰ATSC8-VSB系统11清华大学数字电视技术中心†ATSC8-VSBDoppler性能限制†ATSC8-VSBDoppler性能限制DOPPLER频移(±Hz)VHF-频段III00001008VSB,“快速模式”,3dBdegrade车辆8VSB51103023106622飞机目前的实现具有均衡器的8VSB很可能只处理昀多30us后重影和昀多3us前重影。速度(公里/小时)UHFATSC8-VSB系统12清华大学数字电视技术中心†ATSC小结A优点：接收灵敏度高；频带效率好。A缺点：C美国ATSC系统昀初的设计目标是用于室外固定接收的地面广播和有线分配系统，不支持便携和移动接收，室内接收效果也不好。C美国ATSC不支持分级调制，换句话说，在调制层面上不支持不同优先级的业务。C不支持单频网SFNA信道估计：训练序列和时域均衡A采用的国家和地区：美国、加拿大、墨西哥、韩国，其中正式播出的只有美国ATSC8-VSB系统13清华大学数字电视技术中心ATSC昀新进展„全面数字化„专利收费„采用频域均衡„移动电视标准A-VSB„更低成本、集成度增加清华大学数字电视技术中心DVB-TCOFDM系统1„两种操作模式:2k，4K或8kFFT„信号星座图:QPSK,16QAM,64QAM„保护间隔:8k模式224us、112us、56us和28us2k模式56us、28us、14us和7us„带内导频:54连续导频和1/12分散导频„信道:外码RS(204,188);内码卷积码,编码率为1/2、2/3、3/4、5/6、7/8„数据吞吐量:8MHz信道内5-32Mbps6MHz信道内3.7-23.8Mbps清华大学数字电视技术中心†DVB-T传送系统数据随机化外码RS(204,188)外交织I=12删除卷积码内码交织映射OFDM帧Pilot&TPSLikeDVB-CDVB-STS码流RF/IFIQMod保护插入IFFTRe(z)In(z)QIQIQID/A和滤波DVB-TCOFDM时域频域DVB-TCOFDM系统2清华大学数字电视技术中心‰1个OFDM符号：Ù2k模式k=1705个载波，其间距为4.46KHzÙ8k模式k=6817个载波，其间距为1.11KHzÙ4K模式k=3409个载波，其间距为2.23K