移动数字电视相关技术研究(上)

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（Digital Video Broadcasting Handheld）[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。

图1 数字电视系统的基本组成框图

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ATSC 8-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6 MHz内用8-VSB调制传输19.36 Mbps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≈14.9 dB）,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。

图2 DMB-T系统发射端结构框图

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：

    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(Walsh Code)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。

图3 DMB-T传输系统的帧结构

    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。

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-2 TS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、分组乘积码BPC(3762, 2992)，并组合各种调制方式如QPSK、16QAM、64QAM。

    f、出色的移动接收能力。外码和内码编码器构成纠错编码器，其后连接一个帧间时域卷积交织器和帧内频域交织器。其中时域卷积交织器有0、(19, 132)、(19, 396)、(19, 2750)四种交织深度，可更好地支持移动接收和减小VHF频带内脉冲噪声的影响。内码和外码交织器具有相似的结构，但是两者的缓存器大小不一样。频域交织在OFDM载波间进行，深度为3780个子载波。

    g、抗噪声干扰能力强。利用时域插入序列进行信道性能估计，采用信道冲激响应算法，使之受噪声干扰影响小、算法复杂度低、估算精度高。

    h、建网成本和运营成本低。DMB-T传输协议基于现有的电视广播体系结构，一旦电视台从模拟传输转到数字传输，业务提供者就可开始数据广播业务运营。随着用户和传输内容的增加而容量成为问题时，可以通过逐渐建设蜂窝网提高网络容量。DMB-T传输协议应用模式是一种广播和点对点服务的混合模式，公共信息以非常低的成本传送给各个消费者，这使得DMB-T解决方案的运行成本较低。

    i、其它特点包括：与现有电视广播的传输频率兼容；DMB-T传输协议在8MHz电视频道中，最大净荷码率高达33Mb/s，能够满足HDTV广播要求；同时也使DMB-T既能用于DTV广播，也可用于数据通信；DMB-T传输协议支持单频网。

2 DVB－T传输系统

    DVB－T传输系统框图如图4所示。

    我们先观察发射端的信号流程。DVB-T采用COFDM调制方式，主要经过以下过程[4]：

    (1) 信源编码及复用。对多路数字视频/音频传输流及数据进行复用，合成多节目传输流(MPTS)。复用器的输出信号传送到DVB-T的调制器（激励器）进行信道纠错及OFDM调制。

    (2) 单频网适配器。该设备的作用是将来自全球定位系统(GPS)的标准频率及时间插入到数字电视传输流当中，为单频网(SFN)提供标准频率及时间信号，当采用多频网(MFN)时该设备可以省略。

    (3) 等级调制。从单频网适配器出来的信号被一分为二，DVB-T根据传输环境的不同，分别实行不同的信道纠错保护，一个码流可以采用较强的纠错码，利用抗干扰性强的调制方式（如QPSK），但码流速率较低；另一个码流可以采用较弱的纠错码，利用抗干扰弱的调制方式（如16QAM），码流速率较高。接收机通常接收码流速率较高的码流，内容丰富，图像质量优良；当传输信道恶化时，接收机可以转换到接收码流速率较低的码流。

    (4) 能量扩散。从复用器或单频网适配器出来的传输流有可能包含连续的0和1，使信号含有直流分量，造成接收解码困难，能量扩散的目的是采用随机的方法将这些连续的0或1分散开来。

    (5) 外码纠错。这部分纠错与DVB-C及DVB-S相同，采用Reed Solomon纠错，简称RS码。它在MPEG-2数字电视传输流188字节上，加入16个字节的冗余纠错码，构成一个204字节长度的传输流，该纠错码主要面向突发性连续错误。

    (6) 外交织。外交织纠错也叫Forney卷积交织，其功能是将连续的错误打散，让它们平均分布在多个188传输包码流当中，以提高外纠错码的纠错效率。

    (7) 内纠错码。内纠错码也称Viterbi纠错码。RS纠错码是面向188长度的传输包进行纠错的，而Viterbi纠错码是面向比特的纠错码。根据加入的冗余码长度，可以分成1/2、2/3、3/4、5/6、7/8四种。1/2具有最强的纠错码能力，但是其保护码与有用码比例为1∶1，带宽比较浪费，7/8的保护码只占有用的1/8，带宽利用率高，但是纠错能力弱。

    (8) 内交织编码。这里包括比特交织及字符交织两部分。比特交织是将从内纠错Viterbi编码输出的二路码流，分别按照QPSK，16QAM和64QAM的要求交织成为二路、四路及六路比特流，然后将分别含有2比特、4比特和6比特的字符映射到2k模式中的1512个载波或8k模式中的6048个载波中，再实现字符交织(Symbol Interleaving)。

    (9) 幅度相位映射。该功能将上面分别由2比特、4比特和6比特构成的字符，依据QPSK、160QAM和64QAM三种不同的调制方式，进行幅度和相位的映射。

    (10) 导频及传输参数信令插入。传输参数信令(TPS)描述了DVB-T系统的主要传输参数，它包括：2k或8k模式，QPSK、16QAM、64QAM调制方式，保护间隔，等级调制参数Alfa，内纠错Viterbi码等。导频信号(Pilots)的插入是为了方便接收机对接收信号的幅度及相位进行估算，提高接收质量。它包含连续导频信号(Continual Pilots)和离散导频信号(Scattered Pilots)。

    (11) OFDM调制。OFDM调制也称反向快速傅立叶变换(IFFT)，它实现了将I、Q信号向2k模式1512个载波或向8k模式的6048个载波的转换。一个时域信号可以分解成无穷多个频域信号的叠加，这一过程简单来讲就是正交频分复用调制(OFDM)，而这一过程在数学上等效为进行一个反向快速傅立叶变换。

    (12) 保护间隔插入。为了克服反射波的干扰以及来自多个发射机的多波效应，将每一帧最后一个字符进行重复，重复长度可以是有用字符长度的1/4、1/8、1/16和1/32，以防止由于多路反射极上造成第N-1个字符与第N个字符的重叠，这就是保护间隔。

图4 DVB－T传输系统框图

DVB-T系统中可以调节的参数如下：

    a. 内纠错码率(1/2，2/3，3/4，5/6，7/8)；
    b. 子载波调制方式(QPSK，16QAM，64QAM)；
    c. 保护间隔(1/4，1/8，1/16，1/32)；
    d. 等级调调制参数(α=1，非等级；α=2，4等级)；
    e. 载波数量(2k=1705个载波，8k=6817个载波)。

    DVB-T系统的可用净码流传输率可以采用如下公式计算：

式中, Ru：可用净码流比特率(Mb/s)；

    Rs：字符率6.75MS/s，它是有用数据载波数量与字符长度的倒数之积，例如：8k模式中6048/896uS，2k模式中1512/224uS；
    b：载波比特数，QPSK时b=2，16QAM时b=4，64QAM时b=6；
    CRv：内纠错码率(1/2，2/3，3/4， 5/6，7/8)；
    CRrs：RS纠错码，188/204
    Tu：有用字符长度；
    Ts：保护间隔字符及有用字符总长度，对于保护间隔1/4，1/8，1/16，1/32， (Tu/Ts)分别等于4/5，8/9，16/17，32/33。

    根据上面的公式，不难计算出DVB-T系统中可能出现的所有可用净码流比特率，见表1。从表1可以看出，净码流比特率随着内纠错码的提高而提高，随着保护间隔的减小而提高，随着调制效率QPSK/16QAM/64QAM的提高而提高，左上角的4.98Mb/s传输效率最低，但是最抗干扰的工作模式，对应着QPSK调制，保护间隔1/4，内纠错码1/2，右下角的31.67Mb/s对应着最高效的工作模式，64QAM，保护间隔1/32，纠错码7/8，但是信道最脆弱，抗干扰的能力也最差。

表1 DVB-T信道（8MHz带宽）的有效数据率（Mb/s）

表1 DVB-T信道（8MHz带宽）的有效数据率（Mb/s）

      在接收端，从天线接收下来的数据经高频头，变成中频模拟信号，放大后，经过A／D转换成数字信号。其中A／D采样时钟受晶振VCXO控制，采样时钟偏移由采样时钟同步部分估计得到。A／D转换后的数据一路做AGC检测去控制高频头的输出，一路经R／C变换成FFT所需要的复信号（数据实虚部）。Timing sync．部分估计得到时域符号同步位置并且粗略估计出由于收发频率不一致而引起的频偏，再分别送到FFT单元和Freq．shift单元去定出FFT窗口位置和校正带有频偏的数据。数据流经过数字频偏校正后，在FFT单元做OFDM解调。解调后的频域信号由Freq．Sync．模块和TPS译码模块分别得到频域载波同步头和帧同步头位置，同时采样钟同步模块估计得到由于FFT窗位置估计偏差及A／D采样钟偏差带来的相位偏转值，在相位校正块进行校正。校正后的数据经过信道估计和均衡处理，消除掉信道多径的影响，然后经过维特比量度、量化，进入和发端编码相逆的解码过程：解内交织、维特比译码、RS码同步、解卷积交织、RS解码、解扰，最后得到TS码流。

      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，2 k模式有1705个载波；8 k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3 dB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ATSC 8-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8 MHz频道开发的，但能用于任何频道带宽（6，7，8 MHz），8 MHz信道内传输的有效净比特码率在4.98～31.67 Mbps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6 MHz频带划分为13个子带，每个子带432 kHz，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0.5 s），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／14 MHz（对于6 MHz频道是5.57 MHz，7 MHz频道是6.50 MHz，8 MHz地面频道是7.43 MHz）。每段的带宽为BW／14 MHz，这里BW指的是地面电视信道带宽（6，7或8 MHz，依赖于所处地区）。例如，对于6 MHz信道，每段占据6／14 MHz＝428.6 kHz频谱，7段等于7×6／14 MHz＝3 MHz。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。

三种国外地面数字电视传输系统的比较 

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]。