移动数字电视相关技术研究

-14-移动数字电视相关技术研究胡伟军1汤旭光2（1．信广信传媒实业有限责任公司四川成都2。成都新光微波工程有限责任公司四川成都）引言随着通信和信息技术的迅猛发展，人类获取信息的发展趋势正在由固定走向移动，由语音走向多媒体。目前，能够在移动环境向大量观众提供多媒体内容的网络架构主要有三种：移动通信网络（2.5/3G）；无线局域网（WLAN）；地面数字广播网络。此外，DVB组织已经正式发布了为通过地面数字电视广播网络向便携/手持终端提供多媒体业务所专门制定的DVB-H标准（DigitalVideoBroadcastingHandheld）[1]，从而使这一领域的竞争更为激烈。成都新光微波工程有限责任公司是我国较早研究数字电视调制及发射系统的公司，目前已成功研制出移动数字电视重要部件DVB-T调制器，正在研制DMB-T调制器，数字电视发射机已投入使用。现将移动数字电视相关技术研究心得，发表出来，与大家共勉。1。移动数字电视的相关技术及应用按功能来分，数字电视系统由3大部分组成：信源部分、信道部分和信宿部分。图1给出一个数字电视系统的基本组成框图。该系统在应用中可以分为发射和接收2个子系统（图1的上下两部分）。在技术上，数字电视系统又可以分为信源和信道两部分（对应图1以复用和解复用为界的左右两部分）。信源编码部分包括信源（音频／视频）编码器和复用器。信源编码对视频／音频信号进行压缩编码，在一定压缩率的前提下得到最高的解码图像质量；信源部分算法主要依照MPEG-2标准（或MPEG-4标准）（多声道音频编解码还可依照杜比AC-3算法实现），视频编码器的性能对整个DTV系统的图像性能有决定性影响。复用器保证系统业务的灵活性和可扩展性，完成各种数字码流的组合、调整以及提供与各种传输网络（如电信网络、卫星传输信道、有线电视、地面发射等）相适配的接口。信道传输部分包括信道编码与调制、发射机、传输媒质、接收机和信道解调与解码，其中传输方式音频解码器视频解码器视频输出音频输出解复用器数据输出信道解码与解调调谐器音频编码器视频编码器视频输入音频输入复用器数据输入信道编码与调制发射机发射接收信源信道图1数字电视系统的基本组成框图-15-可以是CATV、卫星、地面（含MMDS/MUDS）等。根据媒质的不同在信道传输部分中将会采取不同的信道编码和调制方式，信道传输部分对应有三类标准：地面广播、卫星广播和有线电视（包括HFC和MMDS）。由于地面广播信道的条件十分不理想，各种干扰和杂波使信号的差错率增加、业务质量下降，为了更有效地克服恶劣的环境，同时还支持移动接收，地面广播信道所采用的技术相对其他两类要复杂。本节主要阐述地面数字电视广播的相关技术。1.1数字电视地面传输标准如前文所述，信道传输部分的任务是在给定传输带宽并考虑传输信道所存在的各种干扰的前提下,保证最大容量数据流的正确传输，它是一个相对于信源透明的数据码流传输公共平台，与所传输的数据内容无关。数字信号的编码与调制方式决定了信道传输部分的主要性能，采用不同编码与调制方式构成了各国数字电视地面传输标准的不同。1.1.1国外电视地面传输标准目前国际上共有三套成熟的数字电视地面传输标准，即：美国1996年高级电视系统委员会（ATSC）研发的“格形编码八电平残留边带”（8-VSB），欧洲1997年提出的数字视频地面广播（DVB－T）采用编码正交频分复用（COFDM），日本1999年提出的地面综合业务数字广播（ISDB－T）。美国ATSC8-VSB系统。ATSC采用的8电平残留边带调制方式，它是有导频的单载波调制，也是对现有成熟AM调制技术的发展。它能够可靠地在6MHz内用8-VSB调制传输19.36Mbps的数据。8-VSB系统加入了0.3dB的导频信号，用于辅助载波恢复,并加入了段同步信号，用于8-VSB系统同步。系统噪声门限低（理论值≈14.9dB）,抗多径和抗干扰的能力依赖于复杂的自适应均衡器，但对回波时延变化很敏感。系统提供固定的接收，不支持移动接收。欧洲DVB－T系统。欧洲DVB－T系统采用COFDM调制方式，把传输比特分割到数千计的低比特率副载波上（例如，2k模式有1705个载波；8k模式有6817个载波）。欧洲系统中放置了大量的导频信号，穿插于数据之中，并以高于数据3dB的功率发送。这些导频信号完成系统同步、载波恢复、时钟调整和信道估计。导频信号数量多且散布在数据中，能够较为及时地估计信道特性的变化。为进一步降低多径效应造成的码间干扰，欧洲系统又使用了“保护间隔”技术，以抵御多径的影响。可以认为，大量导频信号插入和保护间隔技术是欧洲系统的技术核心，正是这两项技术使欧洲系统能够在抗强多径和动态多径及移动接收的实测性能方面优于美国ATSC8-VSB系统。另外，欧洲系统还对保护间隔长度和调制星座等参数进行组合，形成了多种传输模式供使用者选择。不过DVB-T的综合频带利用率比美国的VSB方案低，它是以额外开销系统传输容量为代价来换取系统的抗多径性能。值得注意的是，欧洲DVB-T系统在交织深度、抗脉冲噪声干扰及信道编码等方面的性能存在明显不足。至于系统容量方面，虽然DVB-T系统是为8MHz频道开发的，但能用于任何频道带宽（6，7，8MHz），8MHz信道内传输的有效净比特码率在4.98～31.67Mbps范围内，实际的频道带宽取决于信道编码参数、调制类型和保护间隔的选择。关于欧洲DVB－T系统，下一节再做详细阐述。日本ISDB－T系统。日本提出的“综合业务数字广播”即ISDB－T系统使用的编码调制方式与DVB－T基本相同，可以说是经修改的欧洲方式，不同之处在于接收方面增加了部分接收和分层传输，将整个6MHz频带划分为13个子带，每个子带432kHz，将中间一个用于传输音频信号，并大大加长了交织深度（最长达0.5s），增加交织深度将引入长达几百ms的延迟,该延迟将影响频道切换和双向业务。为了综合不同的业务需求，系统提供了可选择的调制和误码保护方案，以便面对综合业务的需求。在一个地面频道中有13个OFDM频谱段，有用的带宽是13×BW／14MHz（对于6MHz频道是5.57MHz，7MHz频道是6.50MHz，8MHz地面频道是7.43MHz）。每段的带宽为BW／14MHz，这里BW指的是地面电视信道带宽（6，7或8MHz，依赖于所处地区）。例如，对于6MHz信道，每段占据6／14MHz＝428.6kHz频谱，7段等于7×6／14MHz＝3MHz。根据分层和窄带接收同时实现固定、移动和便携接收，是日本制式的特点。3种国外地面数字电视传输系统的比较-16-美国的ATSC标准欧洲的DVB-T标准日本的ISDB-T标准频道宽度6MHz6MHz、7MHz、8MHz6MHz、7MHz、8MHz视频压缩MPEG-2视频编码MPEG-2视频编码MPEG-2视频编码图像格式HDTV1920×108016∶9HDTV1920×108016∶9HDTV1920×108016∶9SDTV704×4804∶3SDTV704×5764∶3SDTV720×5764∶3音频压缩DolbyAC-3MPEG-2层Ⅱ，MUSICAMMPEG-2层Ⅲ，AAC音频编码音频编码音频编码复用方式MPEG-2系统TS码流MPEG-2系统TS码流MPEG-2系统TS码流数据随机化16位PRBS15位PRBS15位PRBS信道外码RS码(207，187，T＝10)RS码(204，188，T＝8)RS码(204，188，T＝8)外码交织52RS块交织12RS块交织12RS块交织信道内码网格编码(TCM)卷积编码卷积编码内码交织网格交织卷积交织卷积交织调制技术8-VSB调制16QAM/32QAM/64QAMOFDM调制总码率19～28Mb/s(6MHz)4.98～31.67Mb/s(8MHz)3.68～23.42Mb/s(5.6MHz)载波数单载波2K、8K2K、4K、8K接收门限15dB19dB19dB传输方案8VSB传输方案OFDM传输方案分频段OFDM传输方案特征抵御电气干扰能力强克服多径干扰能力强克服多径干扰能力强有效的覆盖区域可做单频网不考虑移动接收可用于移动接收可用于移动接收1.1.2国内电视地面传输标准目前，我国提出了5套地面数字电视广播传输方案：(1)广电总局广播科学研究院的“射频子带分割双载波混合调制系统”(CDTB-T)；(2)国家HDTV总体组的高级数字电视广播系统(ADTB-T)，它采用OQAM调制，为混合传输模式的单载波系统；(3)国家HDTV总体组的BDB-T系统，它基于多载波调制技术；(4)电子科技大学的“同步多载波扩频地面数字电视传输系统”(SMCC/COFDM)；(5)清华大学微波与数字通信国家重点实验室提出的“地面数字多媒体与电视广播系统”(DMB-T)，它采用时域同步正交频分复用技术(TDS-OFDM)。本小节将对DMB-T系统的技术要点做个归纳[3]。DMB-T的系统组成。DMB-T传输系统由传输协议、信号处理算法和硬件系统等功能模块组成。系统的发射端结构如图2所示。DMB-T的技术特性。DMB-T的设计目标是实现多媒体信息在室内外、固定、移动和便携单向广播和双向通信。DMB-T系统的传输协议基于TDS-OFDM的多载波调制技术，主要有以下特点：TS码流数据扰乱纠错编码时域交织、串/并转换IFFT、频域交织并/串变换加保护带复接器同步信息、其它信息成型滤波、D/A变换IF变换、IF滤波中频输出图2DMB-T系统发射端结构框图-17-a.分级的帧结构。其帧结构是分级的，分为信号帧、帧群、超帧和日帧。一个基本帧结构称为一个信号帧。帧群定义为255个信号帧，其第一帧定义为帧群头。帧群中的信号帧有唯一的帧号，标号从0到254，信号帧号(FN)被编码到当前信号帧的帧同步序列中。超帧定义为一组帧群，帧结构的顶层称为超帧群。超帧被编号，从0到最大帧群号。超帧号(SFN)与超帧群号(SFGN)一起被编码到超帧的第一个帧群头中。SFGN被定义为超帧群发送的日历日期，超帧群以一个自然日为周期进行周期性重复，它被编码为下行线路超帧群中一个超帧的第一个帧群头中的前两个字节。在太平洋标准时间(PST)或北京时间00:00:00AM，物理信道帧结构被复位并开始一个新的超帧群。DMB-T系统的物理信道是周期的，并且可以和绝对时间同步，从而可使接收机在需要的时候才开机。这意味着接收机可以设计成只有接收所需信息时才进入接收状态，从而达到省电的目的。其帧结构如图3所示。b.快速同步。一个信号帧由帧同步和帧体两部分组成。帧同步信号采用沃尔什编码(WalshCode)的伪随机序列，能实现多基站识别，它包含前同步、PN序列和后同步。对于一个信号帧群中的不同信号帧，有不同的帧同步信号，可利用帧同步对信号帧进行识别。DMB-T系统采用TDS-OFDM调制方案，其采用沃尔什编码的扩频伪随机序列同步头，能够实现快速同步。DMB-T系统的同步时间约为5ms，而其它数字电视标准的同步时间却在100ms以上；并且，其同步抗干扰能力强，能在－20dB信噪比下可靠恢复同步。c.可选保护间隔。DMB-T系统有6种可选的保护间隔，即可选为DFT块大小的0、1/6、1/9、1/12、1/20、1/30。保护间隔中插入PN序列作为帧头。图3DMB-T传输系统的帧结构d.接收性能好。DMB-T系统中使用RS(209,187)内码。在RS编码器中，信息数据以8b组成一个字节进行处理，每个MPEG-2TS复用包去除同步字节并加扰后，加入22个纠错字节，可纠11字节以内的误码，并可对超出纠错能力的误码给出报警信息。RS编码器后跟随一个卷积交织器，进一步增强了外码的抗干扰能力。卷积交织在RS复用包间进行，交织深度和宽度采用(19,22)。时域交织能将解码后的连续误码分散到不同的RS码字中，使其不超出RS码的纠错能力。e.适应性强。实际中，存在着各种各样的应用环境、需求和数据类型。为了适应情况的差异，系统还采用了内码编码，可以选格形码(TCM)、卷积码、Turbo-TCM码、分