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DTMB-数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制
作者:管理员    发布于:2015-05-29 13:33:58    文字:【】【】【
摘要:备受瞩目的地面数字电视传输国家标准已于2007年 8月 1 日正式实施。业内人士普遍认为,随着国产芯片和相关产品走向成熟,相关技术和测试的日渐完善,国标已具备实施的条件。而地面数字电视广播的实施,可能提供价值几千亿元的数字电视终端市场,中国地面数字电视产业的发展今年有望进入发展快车道。在这样的机遇下德赛公司推出了具有模式全、价格低、测试设备好、性能指标高的DTMB-T国标调制器。并且全部核心调制模块和配套软件代码均由德赛研发部门自主研发。

新技术突破

根据地面数字多媒体电视广播的服务需求、传输条件和信道特征, 国标DTMB传输系统采用了创新的时域同步正交频分复用(TDSOFDM)单多载波调制方式。这种调制方式,主要针对地面数字多媒体电视广播传输信道线性时变的宽带传输信道特性(频域选择性与时域选择性同时存在的传输信道)所设计。由于TDSOFDM适用于具有多径干扰和多普勒频移的传输信道,因此其同样适用于地面数字多媒体电视广播以外的其他宽带传输系统。

1 创新的TDS-OFDM 调制

国标DTMB系统采用了 TDS-OFDM,其特点是同步头采用了伪随机序列,在每个 OFDM 保护间隔周期性地插入时域正交编码的帧同步序列, TDS-OFDM调制按下列步骤进行。

a.输入的MPEGTS码流经过信道编码处理后通过星座映射形成3780点的星座。

b. 采用IDFT将该3780点星座变换成长度为3780的离散样值(单载波模式不需要这一步骤)帧体(500μs)。

c. OFDM的保护间隔插入长度为420(或595945)的PN序列作为帧头。

d. 将帧头和帧体组合成时间长度为555.56μs(或578.7μs625μs)的信号帧。

e. 采用具有线性相位延迟特性的FIR低通滤波器对信号进行频域整形。

f. 将基带信号进行上变频调制到RF载波上。

2 原创的数字电视广播帧结构

为了实现快速稳定的同步,国标DTMB采用了分级帧结构, 如图1所示,它具有周期性,并且可以和绝对时间同步。帧结构的基本单元称为信号帧,225个信号帧定义为一个帧群,480个帧群定义为一个超帧。帧结构的顶层称为日帧,由超帧组成。

信号帧的帧体采用多载波调制方式或单载波调制方式,帧体的子载波数为3780或者为1。子载波数为3780时,相邻子载波的间隔为2 kHz,每个子载波符号采用MQAM调制。

(信号帧的帧体除了正常的数据流外还包含传输参数信令(TPS),用以传送系统配置信息。它由36 比特组成,并用QPSK映射为18个子载波或者星座。

国标DTMB的超帧由一个控制帧和相邻的224个信号帧构成,每个超帧的持续时间为125 ms,超帧中的第一个信号帧被定义为超帧头(控制帧),用于传输控制该超帧的信令。超帧中的每一个信号帧有惟一的帧号,它被编码在帧头的PN序列中。每个超帧由一个9bit的超帧号标识。超帧号被编码在信号帧的传输参数信令(TPS)中。TPS在超帧的每个信号帧中重复,只在新的超帧开始时才能改变。 国标传输系统的分帧包含480个超帧,分帧中的每个超帧由其超帧号惟一识别。分帧的第一个超帧编号为0,最后一个超帧编号为479,每个分帧的持续时间为60s。国标DTMB的日帧由1440个分帧组成,以一个自然日为周期进行周期性重复。在北京时间0:0:0AM,系统的帧结构被复位并开始一个新的日帧。

3 原创的广播同步传输技术

PN序列除了作为OFDM块的保护间隔以外,在接收端还可以被用做信号帧的帧同步、载波恢复与自动频率跟踪、符号时钟恢复、信道估计等用途。由于 PN 序列帧头与 数据帧体正交时分复用,且 PN 序列对于接收端来说是已知序列,因此,PN 序列和帧头与数据帧体在接收端是可以被分开的。接收端的信号帧去掉 PN 序列后可以看作是具有零填充保护间隔的OFDM

例如,信号 s(t) 经过地面传输信道后,接收端收到的基带信号 r(t) 包括两部分:PN 序列 rPN(t) 和帧体 rIDFT(t)

经过信道估计后,得到多径干扰后的PN 信号,从接收到的信号 r(t) 中减掉 PN 信号后,就可得到零填充保护间隔的 OFDM 符号,同时得到信道的单位脉冲响应 h(t)

理论和实践已经证明,具有零填充保护间隔的OFDM与具有循环前缀保护间隔的OFDM(例如DVB-TCOFDM)在理论上是等价的,如图2所示。

主要技术特点

国标DTMB以时域正交频分复用(TDS-OFDM)调制技术为核心,形成了自有知识产权体系,具有自己鲜明的技术特点。

1 传输效率或频谱效率高

在欧洲DVB-T中,用于同步和信道估计的导频载波数量占总载波的10%。国标DTMBPN序列放在OFDM保护间隔中,既作为帧同步、又作为OFDM的保护间隔。

欧洲DVB-T C-OFDM10%的子载波传送用于同步和信道估计等的导频信号,同时存在循环前缀的保护间隔,而TDS-OFDM将时间保护间隔同时用于传输信道估计信号,因此DVB-T系统的传输效率只能达到国标DTMB系统的90%

传输效率在多载波技术和单载波技术进行比较时,被认为是多载波技术的弱点,国标DTMB的核心技术正是针对解决这个问题而开发的。

2 抗多径干扰能力强

多载波系统和单载波系统相比,OFDM系统具有抗多径干扰的能力,抵抗多径干扰的大小相应于其保护间隔的长度。由于国标的时间保护间隔中插入的是已知的(系统同步后)PN序列,在给定信道特性的情况下,PN序列在接收端的信号可以直接算出,并去除。去掉PN序列后的OFDM信号与时间保护间隔为零值填充的OFDM信号等价,而时间保护间隔为零值填充的OFDM与时间保护间隔为周期延拓的OFDM在同样信道下的性能是等价的。而且,在多径延迟超过时间保护间隔的情况下,国标DTMB仍能工作。TDS-OFDM可以把几个OFDM帧的PN序列联合处理,使抵抗多径干扰的延时长度不受保护间隔长度的限制,而传统的OFDM保护间隔长度设计要求必须大于多径干扰的延时长度。

3 信道估计性能良好

AWGN信道下,TDS-OFDM的信道估计性能优于C-OFDM。这是由于TDS-OFDM用于信道估计的PN序列具有20dB左右的扩频增益,同时又没有C-OFDM做信道估计时特有的插值误差。尽管国标DTMB的样机功能还有待改善,但其AWGN信道的测试结果仍优于基于C-OFDM的国内外系统。 对于多径信道,TDS-OFDMPN序列与多径信道造成的干扰信号是统计正交的。虽然TDS-OFDM信道估计的性能无法在原理上与C-OFDM直接比较,但是它与其他传输系统中采用PN序列进行信道估计的性能相当。

4 适于移动接收

移动接收产生了多普勒效应和遮挡干扰,使传输信道具有随时间变化的特性(时变特性)。而需要强调的是任何OFDM系统的信号处理都是基于信道传输特性准时不变的假设(应用FFT的基本条件),即在一个OFDM符号的时间内,假设信道是不变的,信道的变化被认为是在OFDM符号间发生的。TDS-OFDM的信道估计仅取决于OFDM的当前符号,而C-OFDM的信道估计需要4个连续的OFDM符号。因此,C-OFDM在移动情况下,要考虑4OFDM符号的信道变化影响,而TDS-OFDM只需考虑1OFDM符号的信道变化影响。可以看出,国标DTMB系统更适于移动接收,其移动特性优于欧洲 DVB-T 系统。测试结果证明,国标DTMB系统的高清电视移动接收性能居国际领先水平。

201112月,国际电信联盟在修订地面数字电视国际标准时,将我国的数字电视地面多媒体广播系统DTMB标准纳入其中,DTMB标准也正式成为继美、欧、日之后的第四个数字电视国际标准。[1] 

 
 
脚注信息
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