國標DTMB技術(shù)方案及性能指標
國標DTMB提供的地面數字多媒體業(yè)務(wù)包括HDTV、音頻、視頻、數據廣播和交互多媒體等，重要特性包括：
★ 高信息容量：為HDTV節目提供大于24Mb/s的單信道碼率。
★ 高度靈活的操作模式：通過(guò)選擇不同的調制方式和地址信息，系統能夠支持固定、便攜、步行或高速移動(dòng)接收。
★ 高度靈活的頻率規劃和覆蓋區域：使用單頻網(wǎng)和同頻道覆蓋擴展器/縫隙填充器的概念，通過(guò)選擇不同保護間隔的工作模式可構建16公里和36公里覆蓋范圍的單頻網(wǎng)。
★ 支持不同的應用： HDTV、SDTV、數據廣播、互聯(lián)網(wǎng)、消息傳送等。
★ 支持多個(gè)傳送/網(wǎng)路協(xié)議，例如 MPEG2 和 IP 協(xié)議集。易于與其他的廣播和通信系統連接。
★ 在OFDM 調制系統（TDS-OFDM）中實(shí)現了先進(jìn)的信道編碼和時(shí)域信道估計/同步方案，降低了系統 C/N 門(mén)限，以便降低發(fā)射功率，從而減少對現有模擬電視節目的干擾。
★ 支持便攜終端低功耗模式。
★ 支持多種工作模式（已經(jīng)實(shí)施的部分工作模式，詳見(jiàn)表1）。
傳輸速率可選范圍5.414～32.486 Mbps；調制方式可選QPSK、16QAM、64QAM；保護間隔可選55.6ms、125ms；內碼碼率可選0.4、0.6、0.8。
圖1 國標DTMB的傳輸數據率（Mbps）
國標DTMB方案構成如圖1所示。電視節目或數據、文本、圖片、語(yǔ)音等多媒體信息經(jīng)過(guò)源編碼、信道編碼后，通過(guò)一個(gè)或一個(gè)以上的發(fā)射機發(fā)射出去，覆蓋一定區域。
根據地面數字多媒體電視廣播的服務(wù)需求、傳輸條件和信道特征， 國標DTMB傳輸系統采用了創(chuàng )新的時(shí)域同步正交頻分復用（TDS－OFDM）單多載波調制方式。這種調制方式，主要針對地面數字多媒體電視廣播傳輸信道線(xiàn)性時(shí)變的寬帶傳輸信道特性（頻域選擇性與時(shí)域選擇性同時(shí)存在的傳輸信道）所設計。由于TDS－OFDM適用于具有多徑干擾和多普勒頻移的傳輸信道，因此其同樣適用于地面數字多媒體電視廣播以外的其他寬帶傳輸系統。
1. 創(chuàng )新的TDS-OFDM 調制
國標DTMB系統采用了 TDS-OFDM，其特點(diǎn)是同步頭采用了偽隨機序列，在每個(gè) OFDM 保護間隔周期性地插入時(shí)域正交編碼的幀同步序列， TDS-OFDM調制按下列步驟進(jìn)行：a.輸入的MPEG－TS碼流經(jīng)過(guò)信道編碼處理后通過(guò)星座映射形成3780點(diǎn)的星座；b. 采用IDFT將該3780點(diǎn)星座變換成長(cháng)度為3780的離散樣值（單載波模式不需要這一步驟）幀體（500μs）；c. 在OFDM的保護間隔插入長(cháng)度為420（或595，945）的PN序列作為幀頭；d. 將幀頭和幀體組合成時(shí)間長(cháng)度為555.56μs（或578.7μs，625μs）的信號幀；e. 采用具有線(xiàn)性相位延遲特性的FIR低通濾波器對信號進(jìn)行頻域整形；f. 將基帶信號進(jìn)行上變頻調制到RF載波上。
圖2 國標DTMB的分級幀結構
為了實(shí)現快速穩定的同步，國標DTMB采用了分級幀結構， 如圖2所示，它具有周期性，并且可以和絕對時(shí)間同步。幀結構的基本單元稱(chēng)為信號幀，225個(gè)信號幀定義為一個(gè)幀群，480個(gè)幀群定義為一個(gè)超幀。幀結構的頂層稱(chēng)為日幀，由超幀組成。
信號幀的幀體采用多載波調制方式或單載波調制方式，幀體的子載波數為3780或者為1。子載波數為3780時(shí)，相鄰子載波的間隔為2 kHz,每個(gè)子載波符號采用MQAM調制。
信號幀的幀體除了正常的數據流外還包含傳輸參數信令（TPS），用以傳送系統配置信息。它由36 比特組成，并用QPSK映射為18個(gè)子載波或者星座。
國標DTMB的超幀由一個(gè)控制幀和相鄰的224個(gè)信號幀構成，每個(gè)超幀的持續時(shí)間為125 ms，超幀中的第一個(gè)信號幀被定義為超幀頭（控制幀），用于傳輸控制該超幀的信令。超幀中的每一個(gè)信號幀有惟一的幀號，它被編碼在幀頭的PN序列中。每個(gè)超幀由一個(gè)9bit的超幀號標識。超幀號被編碼在信號幀的傳輸參數信令（TPS）中。TPS在超幀的每個(gè)信號幀中重復，只在新的超幀開(kāi)始時(shí)才能改變。
國標傳輸系統的分幀包含480個(gè)超幀，分幀中的每個(gè)超幀由其超幀號惟一識別。分幀的第一個(gè)超幀編號為0最后一個(gè)超幀編號為479，每個(gè)分幀的持續時(shí)間為60s。
國標DTMB的日幀由1440個(gè)分幀組成，以一個(gè)自然日為周期進(jìn)行周期性重復。在北京時(shí)間0∶0∶0AM，系統的幀結構被復位并開(kāi)始一個(gè)新的日幀。
3. 原創(chuàng )的廣播同步傳輸技術(shù)
PN序列除了作為OFDM塊的保護間隔以外，在接收端還可以被用做信號幀的幀同步、載波恢復與自動(dòng)頻率跟蹤、符號時(shí)鐘恢復、信道估計等用途。由于 PN 序列幀頭與 數據幀體正交時(shí)分復用，且 PN 序列對于接收端來(lái)說(shuō)是已知序列，因此，PN 序列和幀頭與數據幀體在接收端是可以被分開(kāi)的。接收端的信號幀去掉 PN 序列后可以看作是具有零填充保護間隔的OFDM。
如，信號 s(t) 經(jīng)過(guò)地面傳輸信道后，接收端收到的基帶信號 r(t) 包括兩部分：PN 序列 rPN(t) 和幀體 rIDFT(t)。
式中
經(jīng)過(guò)信道估計后，得到多徑干擾后的PN 信號，從接收到的信號 r(t) 中減掉 PN 信號后，就可得到零填充保護間隔的 OFDM 符號，同時(shí)得到信道的單位脈沖響應 h(t)。
理論和實(shí)踐已經(jīng)證明，具有零填充保護間隔的OFDM與具有循環(huán)前綴保護間隔的OFDM（例如DVB-T的COFDM）在理論上是等價(jià)的，如圖3所示。
圖3 填充PN序列的保護音隔功能恢復原理
DTMB的技術(shù)特點(diǎn)
國標DTMB以時(shí)域正交頻分復用（TDS-OFDM）調制技術(shù)為核心，形成了自有知識產(chǎn)權體系，具有自己鮮明的技術(shù)特點(diǎn)。
1. OFDM 調制時(shí)域同步技術(shù)
在OFDM系統中同步設置是最重要的環(huán)節之一，也是OFDM系統最重要的創(chuàng )新焦點(diǎn)。
在歐洲 DVB-T的C-OFDM中，系統同步是通過(guò)在頻域OFDM符號中插入導頻而實(shí)現的，即采用頻域同步技術(shù)。與采用C-OFDM的DVB-T系統不同，國標DTMB采用了稱(chēng)為PN序列填充時(shí)域同步正交頻分復用（TDS-OFDM）的技術(shù)，將PN序列填充傳統OFDM的保護間隔作為幀頭，由于此幀頭信號已知，可以在接收端被去除，因此在對抗ISI的意義上等同為零填充的保護間隔。同時(shí)，PN序列作為同步序列，又被用于實(shí)現同步。而且，在接收端可用該PN序列通過(guò)相關(guān)計算估算出無(wú)線(xiàn)信道的時(shí)域沖擊響應時(shí)間。
2. OFDM 調制保護間隔的新定義
在 OFDM系統中，OFDM信號結構是塊結構，每個(gè)信號塊稱(chēng)為OFDM符號，它在時(shí)域中由兩部分組成:一個(gè)是數據部分，另一個(gè)是保護間隔。OFDM信號塊數據部分是在頻率域定義的，為了抗多徑干擾必須有保護間隔，保護間隔長(cháng)度一般大于傳輸多徑信號的傳播延時(shí)。
根據OFDM符號的保護間隔中的填充信號，傳統的OFDM符號有兩種獨立定義：第一種是零值填充的（Zero-padding）的保護間隔（簡(jiǎn)稱(chēng)Z－OFDM），由于接收端處理算法較為復雜，這種模式一直沒(méi)有得到廣泛應用，由于擁有較多優(yōu)點(diǎn)，最近其又成為研究的對象。第二種則是被廣為應用的循環(huán)前綴填充（Cyclic-Prefix）保護間隔（簡(jiǎn)稱(chēng)C-OFDM）。
DTMB創(chuàng )新定義了以PN序列（PN-Padding）為保護間隔的OFDM信號（簡(jiǎn)稱(chēng)TDS－OFDM）。在 TDS-OFDM 系統中，保護間隔中填充的 PN 序列有以下重要作用：
a. 作為OFDM 調制的保護間隔。PN序列在接收端是已知的，進(jìn)而可被去除，因而理論上等同為零填充（Zero-padding）的保護間隔。
b. 用于系統同步。PN序列作為同步序列，被用于實(shí)現系統幀同步、頻率同步、時(shí)間同步等。
c. 用于信道估計和跟蹤相位噪聲。在接收端可用該PN序列通過(guò)相關(guān)計算獲得對于無(wú)線(xiàn)信道的時(shí)域沖擊響應的估計，以及抑制相位噪聲。
3. 與絕對時(shí)間同步的分層幀結構
國標DTMB采用了不同于已有數字電視技術(shù)標準的、獨具特色的分層復幀結構。這種與絕對時(shí)間同步的分層幀結構，可以在物理層為單頻網(wǎng)提供與TS流對應的秒同步時(shí)鐘，便于單頻組網(wǎng)；可以與按日歷日為周期的廣播節目表相配合，便于進(jìn)行定時(shí)接收；也有利于未來(lái)系統的功能擴展，如雙向交互和定位功能等；其還有利于手持便攜接收機的省電控制，這是一個(gè)重要的特性，是為適應未來(lái)數字電視廣播系統應用需求而在物理層做出的安排，將有利于使未來(lái)系統更加安全可靠。
4. 傳輸效率或頻譜效率高
在歐洲DVB-T中，用于同步和信道估計的導頻載波數量占總載波的10%。
國標DTMB的PN序列放在OFDM保護間隔中，既作為幀同步、又作為OFDM的保護間隔。
歐洲DVB-T C-OFDM用10%的子載波傳送用于同步和信道估計等的導頻信號，同時(shí)存在循環(huán)前綴的保護間隔，而TDS-OFDM將時(shí)間保護間隔同時(shí)用于傳輸信道估計信號，因此DVB-T系統的傳輸效率只能達到國標DTMB系統的90%。
傳輸效率在多載波技術(shù)和單載波技術(shù)進(jìn)行比較時(shí)，被認為是多載波技術(shù)的弱點(diǎn)，國標DTMB的核心技術(shù)正是針對解決這個(gè)問(wèn)題而開(kāi)發(fā)的。
5. 抗多徑干擾能力強
多載波系統和單載波系統相比，OFDM系統具有抗多徑干擾的能力，抵抗多徑干擾的大小等于其保護間隔的長(cháng)度。由于國標的時(shí)間保護間隔中插入的是已知的（系統同步后）PN序列，在給定信道特性的情況下，PN序列在接收端的信號可以直接算出，并去除。去掉PN序列后的OFDM信號與時(shí)間保護間隔為零值填充的OFDM信號等價(jià)，而時(shí)間保護間隔為零值填充的OFDM與時(shí)間保護間隔為周期延拓的OFDM在同樣信道下的性能是等價(jià)的。而且，在多徑延遲超過(guò)時(shí)間保護間隔的情況下，國標DTMB仍能工作。TDS-OFDM可以把幾個(gè)OFDM幀的PN序列聯(lián)合處理，使抵抗多徑干擾的延時(shí)長(cháng)度不受保護間隔長(cháng)度的限制，而傳統的OFDM保護間隔長(cháng)度設計要求必須大于多徑干擾的延時(shí)長(cháng)度。
在A(yíng)WGN信道下，TDS-OFDM的信道估計性能優(yōu)于C-OFDM。這是由于TDS-OFDM用于信道估計的PN序列具有20dB左右的擴頻增益，同時(shí)又沒(méi)有C-OFDM做信道估計時(shí)特有的插值誤差。盡管?chē)鴺薉TMB的樣機功能還有待改善，但其AWGN信道的測試結果仍?xún)?yōu)于基于C-OFDM的國內外系統。（見(jiàn)表2）
表 2
對于多徑信道，TDS-OFDM的PN序列與多徑信道造成的干擾信號是統計正交的。雖然TDS-OFDM信道估計的性能無(wú)法在原理上與C-OFDM直接比較，但是它與其他傳輸系統中采用PN序列進(jìn)行信道估計的性能相當。（見(jiàn)表3）
表 3
7. 適于移動(dòng)接收
移動(dòng)接收產(chǎn)生了多普勒效應和遮擋干擾，使傳輸信道具有隨時(shí)間變化的特性（時(shí)變特性）。而需要強調的是任何OFDM系統的信號處理都是基于信道傳輸特性準時(shí)不變的假設（應用FFT的基本條件），即在一個(gè)OFDM符號的時(shí)間內，假設信道是不變的，信道的變化被認為是在OFDM符號間發(fā)生的。
TDS-OFDM的信道估計僅取決于OFDM的當前符號，而C-OFDM的信道估計需要4個(gè)連續的OFDM符號。因此，C-OFDM在移動(dòng)情況下，要考慮4個(gè)OFDM符號的信道變化影響，而TDS-OFDM只需考慮1個(gè)OFDM符號的信道變化影響?？梢钥闯?，國標DTMB系統更適于移動(dòng)接收，其移動(dòng)特性?xún)?yōu)于歐洲 DVB-T 系統。測試結果證明，國標DTMB系統的高清電視移動(dòng)接收性能居國際領(lǐng)先水平。
8. 系統同步快
TDS-OFDM是靠PN序列進(jìn)行同步的，僅在時(shí)域進(jìn)行，同步時(shí)間約為1毫秒，相當于相鄰PN序列的時(shí)間間隔。這一優(yōu)點(diǎn)已在廣電測試中得到驗證。而C-OFDM的同步技術(shù)實(shí)現復雜，同步時(shí)間為幾十毫秒左右。
9. 易于構筑單頻網(wǎng)
DVB-T在MPEG碼流層進(jìn)行單頻網(wǎng)同步，其實(shí)現技術(shù)比較復雜。國標DTMB的幀結構以整秒為單位，能夠在傳輸物理層對單頻網(wǎng)進(jìn)行同步，實(shí)現設備簡(jiǎn)單，建網(wǎng)成本低。
小結
2006年5月～2006年7月，國家數字電視系統測試實(shí)驗室對以TDS-OFDM技術(shù)為基礎的國標DTMB樣機進(jìn)行了測試，測試結果表明，主要系統性能指標超越歐洲DVB-T系統。(完)
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