高级残留边带调制(A-VSB)：ATSC的数字电视改进方案

高级残留边带调制(A-VSB)：ATSC的数字电视改进方案刘宗毕等JungpilYU、Eui-JunPARK、Yong-SikKWON、JoonSooKIM、JinHeeJEONG、Jong-HunKIM、KumranJI、C.B.PSTEL、HaejooJEONG先生，韩国三星电子公司成员；MikeSIMON先生，美国Rohde&Schwarz公司成员。本文选自《NAB2007》，版权归NAB所有。和彦洁女士译。关键词:IPTV资源整合终端扩展互动本文详细描述了ATSC-VSB数字电视标准在系统层面的增强方案。高级残留边带调制(A-VSB)技术是后向兼容的，传统的非A-VSB接收器会忽略信号中增加的信息而只接收多电平残留边带调制(8-VSB)电视码流，A-VSB调制改善了在动态环境中主要码流的接收效果，它也提供称作Turbo码流的额外码流，这种码流是针对低信噪比(SNR)的高动态环境。就像单频网(SFN)可以在其服务区内提供一个以上的信号强度一样，A-VSB方案也允许广播电视公司同时开启两台或者多台同步发射机。一引言在A-VSB系统中，通过采用MPEG-2的自适应字段(AdaptationField)，在传输信号中加入后向兼容的附加参考序列数据(SRS)，SRS在信息组中可以得到多次应用，利用SRS，A-VSB的均衡器能跟踪到信号的动态变化范围，这有助于A-VSB接收器在固定环境中面对快速改变的多径干扰，或者当接收器本身移动的时候，都能够持续接收到信号。SRS在接收器设计中加入昀新的算法，改进了接收器在动态多径环境中的性能，SRS是一种系统层面的解决方案，这种解决方案能够将快速均衡算法(EqualizerTraining)应用在8-VSB物理层，从而有助于新的接收器减少动态多径效应。A-VSB调制的Turbo码流对严重信号失真有较大的宽容度，足以支持各种广播电视应用，例如室内和步行移动业务。Turbo码流通过采用附加的前向纠错——一种串行级联卷积码(SerialConcatenatedConvolutionalCode），能够获得较低的单频网的可视门限(ThresholdofVisibility，TOV)。除了对SFN的改进之外，Turbo码流还具有比特层交织(Bit-levelInterleaving)特性，能提供额外的时间分集(Time-diversity)功能。Turbo码流中的应用编码电路从直觉上来说是ATSC特有的，因为其所采用的内部编码器是VSB系统的一部分。本文还介绍了A-VSB的关键技术，这些技术开发的基础是A-VSB建议的三种应用工具，分别是：SRS、Turbo码流和SFN。这些关键技术促成了VSB系统中兼容性的改进，即众所周知的确定帧(DF)和确定网格复位(DTR)。这些改变使ATSC-VSB系统在运行时是完全确定的，换句话说，这使A-VSB系统具有可扩展性，而这正是A-VSB的目标。二A-VSB的增强方式A-VSB的首要目的是改善8-VSB业务在固定和便携模式下的接收问题。由于现有的(普通的8-VSB)接收器性能不会反过来受到A-VSB信号的影响，所以这一系统是后向兼容的。A-VSB系统定义了如下关键技术：DF和DTR，以及如下应用工具：SRS、Turbo码流和SFN。这些关键技术和应用工具在A-VSB中的组合采用如图1所示。图1表明关键技术(DF和DTR)是所有应用工具的基础，其中，实线表示从属关系。特定的工具用于特定的广播电视业务的传播信道环境，各种工具被协同地组合在一起，针对特定地区环境构成了特定业务所采用的工具。“应用工具”和“业务环境”之间的实线说明这种大致的依赖关系。虚线框和虚线是潜在的未来工具，其依赖关系尚未描述。三确定帧和网格复位1.确定帧(DF)A-VSB的第一种关键技术就是要创建ATSC传输码流包的映射，这是一种确定的或者同步的过程(当前的A/53标准中是异步的过程)。现在的ATSC多路复用器能产生固定码率的传输码流，而无需知道8-VSB物理层的帧结构以及数据包进入VSB帧的段的映射，在ATSC调制器中，这些信息随后将出现在发射机处。在持续供电的情况下，普通(8-VSB)ATSC调制器能独立地决定起始段和帧在哪个包中；在A-VSB系统中，并不需要通过这个方法作出决定，因此，在VSB帧中任何传输流数据包的时间位置对于现在的ATSC多路复用系统而言都是已知的。在A-VSB系统中，像发射多路复用器这样的设备能收到有关帧的时间信息，并且使第一个数据包能够选择开始VSB帧的段。这种帧判定信息随后被悄悄地发给A-VSB调制器，这些信息是通过运行和维护包(OMP)定期插入的，而OMP有ATSC保留的进程标识符(PID)——0x1FFA。OMP所采用的语法和包含的语义使A-VSB调制器隶属于发射多路复用器，而发射多路复用器用于定义帧的结构，OMP通常每20帧发送一次(大约1s)。总之，通过改变样式以及允许发射多路复用器选择起始数据包并将这一决定传送给A-VSB调制器，发射多路复用器获得了高级信息或时间位置图，当被转换成VSB帧的时候，每个数据包的每一个字节都将随之确定。图2显示这一位置关系。进一步来说，A-VSB发射多路复用器与A-VSB调制器同步工作(主/从)能适应一定的智能多路复用，这允许数据包的一些挑选出来的字节经计算预处理之后出现在A-VSB发射多路复用器中。这种关键技术DF显示在图1中，成为可扩展性和所示的应用工具的基础之一。发射站采用DF技术对于ATSC接收器来说并没有负面影响，作者认为ATSC的主要贡献是为未来ATSC地面业务的发展带来价值。2.确定网格复位(DTR)第二种关键技术就是确定网格复位，该技术重排了在ATSC调制器中采用网格编码调制技术(TCM)的编码器状态(预编码器和网格编码器状态)。利用发射复用器插入的确定字节，复位指令在VSB帧中所选定的时间位置被触发。图3所示为用于网格编码的8-VSB的TCM编码器，从图3可以看出，有两个新的复用电路通过线路连接在复位键上，复位键加在所示电路中现有的逻辑门上。当位置1保持两个符号的时钟周期相同时，TCM编码器被驱动至确定的零位。异或门(XOR)的逻辑运算真值表(TruthTable)规定，“当两个输入都用相同的逻辑电平来表示(要么是1要么是0)时，经异或运算的结果总是0”。需要注意的是这里有S0、S1、S2三个D锁存器(D-Latches)，并由其形成内存。锁存器处于两种可能的状态(0或者1)之一，因此，TCM编码器开始状态的独立性被设置到已知的0状态，即S0=S1=S2=0，从此DTR被提交给A-VSB调制器，具体的做法是：当超过两个符号时钟(SymbolClock)周期时，对已选的确定字节进行后处理或者触发使复位键变为1，而这些确定的字节正是基于这个目的被A-VSB发射多路复用器插入的。当复位键处于非激活状态，即复位键=0时，这个部件就像普通的8-VSBTCM的编码器一样。图1表明DTR是A-VSB中第二关键的技术。总之，A-VSB关键技术(DF、DTR)所带来的价值是ATSC系统在传输层和物理层能以确定的或者同步的方式运转。为了平衡这些关键技术，创建了几种新的应用工具，即SRS、Turbo、SFN等，而这些工具为ATSC地面业务带来了新的应用，这些将在下面讨论。四附加参考序列数据(SRS)图4显示的是有SRS的ATSC制式数字电视发射机。被SRS处理修改的块(复用器及网格编码调制编码器块)用灰色标记，新引入的块(SRS填充物)以深灰色标记，其他块是现有的ATSC制式的8-VSB块。ATSC制式的发射多路复用器考虑了针对SRS预定义的确定帧模型，包括为SRS保留在包中的字节的映射。为了保持后向兼容，这些保留字节被放在ATSC传输包的自适应字段中，生成包在A-VSB调制器中用于SRS后处理。随机发生器(普通A/53)丢弃引入的传输码流包中所有的同步字节，然后将这些数据包随机化，通过了解发射多路复用器所用的帧模板，SRS填充区就会被触发，并在有预定字节序列(SRS字节)的数据包的自适应字段中充满填充区。为了用里德·索罗门(207187)码进行前向纠错，含有SRS的数据包随后就会被处理；在字节交织器中，来自RS—编码器的字节被分配并产生与207接近的SRS字节，207个字节单元是有效负载，这些字节在TCM编码器中编码，在每一个SRS字节序列开始时，DTR能初始化TCM编码器，这是因为A-VSB的确定性特质以及A-VSB调制器知道所用的确定帧模型。在SRS字节序列开始时，用DTR将TCM编码器状态设置成已知的确定状态。确定的已知字节序列(SRS字节)根据网格编码调制编码器的0初始状态计算出来，SRS填充区插入SRS字节后立即被TCM编码。从TCM编码器输出的8电平符号在VSB帧的确定位置出现，这种符号序列被称作SRS序列，可用于额外均衡器训练序列对接收器，因为SRS已知的预计算序列被插入在ATSC随机发生器之后的A-VSB调制器中，所以这些8电平符号必须具有类似噪音频谱的特性和0直流值(这是SRS字节的设计标准)。图5表示VSB帧结构图，普通VSB帧在左边，而有SRS的A-VSB帧在右边，每个A-VSB帧有8级SRS符号中的12组，每组有10、15、20或26个连续数据段，而每个数据段有184个可用的SRS符号。在MPEG-2传输码流解码时，SRS符号出现在自适应字段中，并将被传统接收器忽略不计。图5用灰色显示了12个平行四边形，根据SRS字节的数目，每个平行四边形都有不同的组成。被填满的实际SRS字节和SRS符号的相应组是预先确定并固定不变的。在8-VSB标准中，有两个数据场同步(DFS)；A-VSB在此基础上还提供每个数据段184个符号的SRS跟踪序列。根据连续数据段个数的不同(10、15、20或26)，分别对应每帧任选的120、180、240或312个数据段。在VSB帧中，常出现更多的训练序列，有助于新的SRS接收器均衡器跟踪动态变化的信道状况，而这些动态变化的状况可能是由于目标的移动、或者人在固定的位置但接收器本身在移动而引起的。因为这些变化(DTR以及相应变化的SRS字节)发生在里德·索罗门(Reed-Solomon)码编码之后，所以之前算出的RS奇偶字节不再有效。为了纠正这些错误的奇偶字节，需要重新进行计算，老的奇偶字节将在采用DTR的TCM块中被重新计算过的奇偶字节替代，如图4所示。在图4中，Turbo码流后处理器仅在Turbo码流使用的时候才被激活，其余的块与标准ATSCVSB调制器是一样的。表1说明有效负载损失与每个数据包的SRS字节数有关。大概的有效负载损失可通过公式(1)计算出来。如果1片(52段)为4.03ms，SRS为10字节，那么有效负载损失如下：()1.24Mb/s.84.03mscketsbytes.52pa210=+五Turbo码流采用Turbo码流的ATSC制式数字电视发射机的功能如图6所示。ATSC制式发射复用器接收普通的码流以及另一种码流——Turbo码流，经过对Turbo码流的预处理之后，ATSC制式发射多路复用器产生一个传输码流(TS)，并在传输码流包的自适应字段将Turbo码流打包，TS数据包是符合Turbo码流的已知的帧模型。对于已选择1/2或1/4的码流而言，处理器能扩展Turbo码流的TS数据包，具体方法就是对后来的Turbo码流而言插入必需的占位符字节。在调制器中，随机发生器丢弃来自复用器的传输码流包的同步字节，然后随机化数据包。图6中的SRS填充区仅在SRS被使用的时候才是激活的，在(207，187)里德·索罗门码编码器中被编码之后，数据流进行字节交织。此后，Turbo码流后处理器收集保留在预处理器中的占位符字节(Turbo码流数据)，并将它们用冗余比特充满。剩余块与标准ATSCVSB调制器是一样的。发射复用器会通知现有的Turbo码流模式的调制器，将OMP扩展至包括Turbo码流指令，有关现有Turbo码流模式的信息也会通过数据字段同步保留区域指令被发送到接收器