地面数字多媒体电视广播传输协议

地面数字多媒体电视广播传输协议扬知行，杨林，王兴军，门爱东(清华大学数字电视传输技术研发中心)摘要：本论文介绍了地面数字多媒体电视广播(DMB-T)传输协议的开发背景，提供了一个DMB--T协议的系统级描述以及构成，分析了DMB--T协议传输系统的主要特点和应用。关键词：DMB-T，DTVTDS-OFDM1概述在经历了机械电视时代、黑白电子电视和彩色电视时代以后，NHK从70年代初期开始研究高清晰度电视，后来有许多国家和国际标准组织也积极开展了这方面的研发。但直到1990年之前，它们还都是全模拟的或者模拟数字混合的。在1990年6月1日，美国GI公司向美国高级电视顾问委员会(ACATS)提交了全数字地面HDTV制式，电视从此进人了一个新时代：数字电视时代。电视向着高清晰度电视和数字化方向前进、模拟电视在全世界范围内正在逐步消失，电视面临着它问世以来最根本的技术革命。从那以后，经过十多年坚持不懈的研究和发展，数字电视地面广播(DigitalTelevisionTerrestrialBroadcasting，DTTB)已经取得了很多的成果，达到了可以实现阶段。从1998年11月北美和欧洲已经开播DTTB节目，许多国家宣布了它们的DTTB制式选择和实现计划。目前，世界上主要有3种DTTB传输标准：①美国高级电视系统委员会(AdvancedTelevisionSystemsCommittee，ATSC)研发的格形编码的8电平残留边带(Trellis-Coded8-LevelVestigialSide-Band，TCM8-VSB)调制。1996年12月26日FCC正式公布了数字电视标准ATSC。1998年11月首先由28家电视台正式开始地面数字电视广播，到2000年1月已经有100多家电视台开展数字电视业务。但美国Sinclair广播集团对ATSC制式有异议。ATSC调制方案采用了具有导频信号的单载波调制，即8电平残留边带调制(8-VSB)，它是成熟的现有AM调制技术的高度发展，其性能高度依赖于自适应均衡器。因此。为了抵抗多径回波和各种干扰，需要非常复杂和昂贵的均衡器。加拿大、韩国、阿根廷和我国的台湾在1997年和1998年先后宣布采用美国的ATSC标准。②欧洲数字视频地面广播(DigitalVideoTerrestrialBroadcasting-Terrestrial，DVB-T)标准采用的编码正交频分复用(CodedOrthogonalFrequencyDlvisionMultiplexing，COFDM)调制。欧洲ETSI在1994年和1996年先后公布了DVB-S(卫星广播)、DVB-C(有线电视广播)和DVB-T(地面广播)的标准等，欧洲的数字电视有完整的标准系列。欧洲各国自1996年以来先后在卫星直播、有线电视和地面广播等方面开展了SDTV业务，考虑到市场需求的原因，目前尚未开展HDTV业务。在地面传输方面，它采用多载波OFDM调制(ADSL中相似的技术称为DMT)。DVB-T使用了1705(2k)或6817(8k)个载波。而且它有更多的选项，以适应不同的应用需求，例如可变的载波调制类型。和美国的8-VSB调制技术相比。COFDM技术属于正在不断发展和提高的新技术。除了欧洲国家以外，澳大利亚、新加坡、印度、巴西先后在1998年和1999年宣布采用欧洲的DVB标准。③日本地面综合业务数字广播(IntegratedServiceDigitalBroadcasting-Terrestrial，ISDB-T)采用的频带分段传输正交频分复用(BandWidthSegmentedTransmissionOFDM，BST-OFDM)。日本1998年11月公布了用于地面数字电视广播的ISI)B，T标准。系统采用的调制方法称为频带分段传输(BST)OFDM。由一组共同的称为BST段的基本频率块组成。日本的ISDB-T是基于自己的国情。在欧洲COFDM基础上的一种改进，特别是针对多媒体广播和移动接收的需求。3种标准的视频编码和码流复接基本均采用MPEG2标准，最大的差别是调制方式的不同，ATSC采用单载波方式，而其它两种采用多载波调制技术。因为3个标准推出的时间有先后，因此，采用的技术水平越来越高，对地面广播需求的理解也越来越深。但它们毕竟是基于90年代中期或之前的状况。几年来，技术在飞速发展，应用需求也在不断变化在此背景下，我们对上述3个地面数字电视系统进行了深入研究，借鉴和吸收了美国ATSC、欧洲DVB、日本IS皿和国内HDTV研究的经验和教训，结合几年来数字地面电视广播技术和通信技术的最新发展和需求，提出了创新的地面数字多媒体电视广播(TerrestrialDigitalMultimedia-TelevisionBroadcasting，DMB-T)传输协议。系统的核心采用了mQAM／QPSK的时域同步正交频分复用(TimeDomainSynchronousOrthogonal-Frequency-Division-Multiplex，TDS-OFDM)调制技术；系统使用更加先进的前向纠错编码FEC来抵抗突发误码和各种干扰，例如Turbo码等；实现了分级调制和编码，可以提供分级服务；同时可以实现快速同步，适于数据业务。2系统描述和参数对于地面数字电视广播来讲，首先要求有足够高的传输码率，以便在单个信道中提供高质量HDTV节目。其次要在现有分配的电视频道中传输DTV节目，实现和模拟电视节目的同播；更重要的特性是要支持移动接收。其它的要求包括：抵抗各种干扰/失真；易于其它媒介或服务器的接口；支持多节目/业务；高度灵活的操作模式，通过选择不同的调制方案，系统能够支持固定、便携、步行、或移动接收；能够通过分级调制得到分级服务；具有交互性；高度灵活的频率规划和覆盖区域，能够使用单频网和同频道覆盖扩展/缝隙填充；需要先进的信道编码(例如级联码、平行级联系统卷积／网格码、或网格编码)和信道估计方案，以便降低系统C／N门限，以此降低发射功率。从而减少了对现有模拟电视节目的干扰；对于便携终端，它优先要支持低功耗模式，等等。数字电视系统信号结构通常由压缩层、传送层和传输层3大部分组成，其系统结构见图1。传输层的具体构成。是由传输信道(或者叫传输媒介)决定的。传输媒介有有线媒介(包括光纤、同轴和两者的混合网)、无线媒介(包括卫星、微波、MMDS等)、地面波传输的无线媒介。对于每种传输媒体，目前DTTB系统的压缩层和传送层基本上都是一样的，区别就在传输层上。图1系统的信号构成点击此处查看全部新闻图片信道编码和信道解码属于传输层，根据不同的信道情况和不同的应用需求，数字电视系统采用了不同的纠错编码和调制技术方案，其构成见图2所示。地面数字电视广播DTTB中的纠错部分，基本上都采用了外码纠错(Reed-Solomen码)、交织I、内码纠错(卷积码／Turbo码)、交织II，而调制技术目前主要有两种方案--单载波调制和多载波调制。属于单载波调制的有美国的ATSC8VSB调制，而多载波调制的有欧洲的DVB-TCOFDM、日本ISDB-TBSTOFDM，本系统所采用的调制技术IDS-OFDM也属于多载波技术。图2地面数字电视传输层点击此处查看全部新闻图片由于在技术方案选择和具体实现的参数上的不同，导致了不同系统之间性能的差异。为了更好地满足上述地面数字电视广播的需求，DMB-T传输协议设计了相应的系统参数，表1提供了基于TDS-OFDM的系统参数，以及和其它3个世界标准的比较。虽然此次样机是为8MHz频道开发的，但它很容易地缩放到6或7MHz频道。（3信道帧结构地面数字多媒体电视广播(DMB-T)协议基于TDS-OFDM技术，其物理信道帧结构如图3所示。帧结构是分级的，1个基本帧结构称为1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0～254，信号帧号(FN)被编码到当前信号帧的帧同步PN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。超帧群号(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0:0:0AM，物理信道帧结构被复位并开始一个新的超帧群。因此，DMB-T协议的物理信道是周期的，并且和绝对时间同步，这样可使接收机能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要的信息时，才进入接收状态，以达到省电的目的。一个信号帧由两部分组成：帧同步和帧体。帧同步信号采用沃尔什编码的随机序列，以实现多基站识别。帧同步包含前同步、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。所以，帧同步能作一个特殊信号帧的帧同步特征而用于识别。帧同步采用BPSK调制以得到稳定的同步。帧体的基带信号是一个正交频分复用(OFDM)块。一个OFDM块可进一步分成保护间隔和一个DFT块，如图3所示。DFT块在其时域中有3780个取样，它们是频域中3780个子载波的逆离散傅氏变换。图3下行传输协议的分级帧结构表1本系统和世界上3种DTTB系统主要特性的比较美国ATSC8—VSB欧洲DVB—TCOFDM日本ISDB—TBST—OFDM清华DMB—TTDS—OFDM源编码视频ISO／IEC13818—2(MPEG-2—视频部分)主类(MainProfile)语法音频ATSC标准A／52(DolbyAC-3)ISO／IEC13818—2(MPEG-2-音频第二层layerIIaudio)和DolbyAC-3ISO/IEC13818-7(MPEG-2-AAC音频)ISO／IEC13818-3第I、II层和DolbyAC-3传送码流ISO／IECl3818—l(MPEG—2TS)传送码流TS信道编码外码R—S(207，187，t＝10)R—S(204，188，t＝8)RS(208，188)和RS(208，200)外码交织52R—S块交织12R—S块交织309RS块交织、51RS块交织、15RS块交织内码2／3码率格形码缩短的卷积码：码率：1／2，2/3，3／4，5／6，7／8约束长度＝7，多项式(八进制)17l，1331／2，2／3卷积码、网格码、Turbo码内码交织12:1格形码交织卷积交织和频率交织卷积交织，频率交织，和选择的时间交织时间交织和频率交织数据随机化16-bitPRBS16-bitPRBS16-bitPRBS16-bitPRBS调制方案8—VSB和16—VSBCOFDM具有13个频率分段的BST-OFDMTDS-OFDM均匀星座图8VSB，16VSBQPSK，16QAM和64QAMQPSK，QPSK，16QAM和64QAMQPSK、16QAM和64QAM分级调制多分别率星座图(16QAM和54QAM)分级调制：在13个分段上有3种不同的调制多分别率星座图(64QAM和256QAM)载波数目2k，8k2k，4k，8k3780保护间隔OFDM符号1／32，1／16，1／8＆1／4OFDM符号1／32，1／16，1／8＆1／4OFDM符号0，1／6，1／9，1／12，1/20，1／30(16～80us)有6种可选的保护间隔大小，即DFT块大小的0、1／6、1/9、1/12、1/20、1/30。保护间隔的信号相同于DFT块时域信号的最后一段。4技术特点和传统广播技术不同，DMB-T协议结合了传统的广播技术和现代通信技术，是一种新型信息广播技术。它不仅适用于传统的电视节目(视频码流)广播，也适用于提供其它多媒体的信息传输服务。此协议具有以下特性：●与现有电视广播的传输频率兼容这是地面数字电视广播的一个基本需求。DMB-T传输协议考虑了我国模拟电视接收机的持有量，根据我国现行的电视广播频率规范所设计的，因此完全兼容现行的电视广播及接收系统。●高数据码率DMB-T传输协议在8MH