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國(guó)標(biāo)DTMB技術(shù)與特點(diǎn)

一、概述

　　備受矚目的地面數(shù)字電視傳輸國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)已于2007年 8月 1 日正式實(shí)施。業(yè)內(nèi)人士普遍認(rèn)為，隨著國(guó)產(chǎn)芯片和相關(guān)產(chǎn)品走向成熟，相關(guān)技術(shù)和測(cè)試的日漸完善，國(guó)標(biāo)已具備實(shí)施的條件。而地面數(shù)字電視廣播的實(shí)施，可能提供價(jià)值幾千億元的數(shù)字電視終端市場(chǎng)，中國(guó)地面數(shù)字電視產(chǎn)業(yè)的發(fā)展今年有望進(jìn)入發(fā)展快車道。在這樣的機(jī)遇下德賽公司推出了具有模式全、價(jià)格低、測(cè)試設(shè)備好、性能指標(biāo)高的DTMB-T國(guó)標(biāo)調(diào)制器。并且全部核心調(diào)制模塊和配套軟件代碼均由德賽研發(fā)部門(mén)自主研發(fā)。

二、新技術(shù)的突破

　　根據(jù)地面數(shù)字多媒體電視廣播的服務(wù)需求、傳輸條件和信道特征， 國(guó)標(biāo)DTMB傳輸系統(tǒng)采用了創(chuàng)新的時(shí)域同步正交頻分復(fù)用（TDS－OFDM）單多載波調(diào)制方式。這種調(diào)制方式，主要針對(duì)地面數(shù)字多媒體電視廣播傳輸信道線性時(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(shè)計(jì)。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(shù)字多媒體電視廣播以外的其他寬帶傳輸系統(tǒng)。

　　1 創(chuàng)新的TDS-OFDM調(diào)制

　　國(guó)標(biāo)DTMB系統(tǒng)采用了 TDS-OFDM，其特點(diǎn)是同步頭采用了偽隨機(jī)序列，在每個(gè) OFDM 保護(hù)間隔周期性地插入時(shí)域正交編碼的幀同步序列， TDS-OFDM調(diào)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(zhǎng)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(hù)間隔插入長(zhǎng)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(zhǎng)度為555.56μs（或578.7μs，625μs）的信號(hào)幀。

　　e. 采用具有線性相位延遲特性的FIR低通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻域整形。

　　f. 將基帶信號(hào)進(jìn)行上變頻調(diào)制到RF載波上。

　　2 原創(chuàng)的數(shù)字電視廣播幀結(jié)構(gòu)

　　為了實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定的同步，國(guó)標(biāo)DTMB采用了分級(jí)幀結(jié)構(gòu)， 如圖1所示，它具有周期性，并且可以和時(shí)間同步。幀結(jié)構(gòu)的基本單元稱為信號(hào)幀，225個(gè)信號(hào)幀定義為一個(gè)幀群，480個(gè)幀群定義為一個(gè)超幀。幀結(jié)構(gòu)的頂層稱為日幀，由超幀組成。

　　信號(hào)幀的幀體采用多載波調(diào)制方式或單載波調(diào)制方式，幀體的子載波數(shù)為3780或者為1。子載波數(shù)為3780時(shí)，相鄰子載波的間隔為2 kHz,每個(gè)子載波符號(hào)采用MQAM調(diào)制。

　　（信號(hào)幀的幀體除了正常的數(shù)據(jù)流外還包含傳輸參數(shù)信令（TPS），用以傳送系統(tǒng)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(guó)標(biāo)DTMB的超幀由一個(gè)控制幀和相鄰的224個(gè)信號(hào)幀構(gòu)成，每個(gè)超幀的持續(xù)時(shí)間為125 ms，超幀中的*個(gè)信號(hào)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(hào)幀有惟一的幀號(hào)，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(hào)標(biāo)識(shí)。超幀號(hào)被編碼在信號(hào)幀的傳輸參數(shù)信令（TPS）中。TPS在超幀的每個(gè)信號(hào)幀中重復(fù)，只在新的超幀開(kāi)始時(shí)才能改變。 國(guó)標(biāo)傳輸系統(tǒng)的分幀包含480個(gè)超幀，分幀中的每個(gè)超幀由其超幀號(hào)惟一識(shí)別。分幀的*個(gè)超幀編號(hào)為0，zui后一個(gè)超幀編號(hào)為479，每個(gè)分幀的持續(xù)時(shí)間為60s。國(guó)標(biāo)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(fù)。在北京時(shí)間0:0:0AM，系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)被復(fù)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(hù)間隔以外，在接收端還可以被用做信號(hào)幀的幀同步、載波恢復(fù)與自動(dòng)頻率跟蹤、符號(hào)時(shí)鐘恢復(fù)、信道估計(jì)等用途。由于 PN 序列幀頭與 數(shù)據(jù)幀體正交時(shí)分復(fù)用，且 PN 序列對(duì)于接收端來(lái)說(shuō)是已知序列，因此，PN 序列和幀頭與數(shù)據(jù)幀體在接收端是可以被分開(kāi)的。接收端的信號(hào)幀去掉 PN 序列后可以看作是具有零填充保護(hù)間隔的OFDM。

　　例如，信號(hào) s（t） 經(jīng)過(guò)地面?zhèn)鬏斝诺篮螅邮斩耸盏降幕鶐盘?hào) r（t） 包括兩部分：PN 序列 rPN（t） 和幀體 rIDFT（t）。

　　經(jīng)過(guò)信道估計(jì)后，得到多徑干擾后的PN 信號(hào)，從接收到的信號(hào) r（t） 中減掉 PN 信號(hào)后，就可得到零填充保護(hù)間隔的 OFDM 符號(hào)，同時(shí)得到信道的單位脈沖響應(yīng) h（t）。

　　理論和實(shí)踐已經(jīng)證明，具有零填充保護(hù)間隔的OFDM與具有循環(huán)前綴保護(hù)間隔的OFDM（例如DVB-T的COFDM）在理論上是等價(jià)的，如圖2所示。

三、主要技術(shù)特點(diǎn)

　　國(guó)標(biāo)DTMB以時(shí)域正交頻分復(fù)用（TDS-OFDM）調(diào)制技術(shù)為核心，形成了自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)體系，具有自己鮮明的技術(shù)特點(diǎn)。

　　1 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(jì)的導(dǎo)頻載波數(shù)量占總載波的10%。國(guó)標(biāo)DTMB的PN序列放在OFDM保護(hù)間隔中，既作為幀同步、又作為OFDM的保護(hù)間隔。

　　歐洲D(zhuǎn)VB-T C-OFDM用10%的子載波傳送用于同步和信道估計(jì)等的導(dǎo)頻信號(hào)，同時(shí)存在循環(huán)前綴的保護(hù)間隔，而TDS-OFDM將時(shí)間保護(hù)間隔同時(shí)用于傳輸信道估計(jì)信號(hào)，因此DVB-T系統(tǒng)的傳輸效率只能達(dá)到國(guó)標(biāo)DTMB系統(tǒng)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(rèn)為是多載波技術(shù)的弱點(diǎn)，國(guó)標(biāo)DTMB的核心技術(shù)正是針對(duì)解決這個(gè)問(wèn)題而開(kāi)發(fā)的。

　　2 抗多徑干擾能力強(qiáng)

　　多載波系統(tǒng)和單載波系統(tǒng)相比，OFDM系統(tǒng)具有抗多徑干擾的能力，抵抗多徑干擾的大小相應(yīng)于其保護(hù)間隔的長(zhǎng)度。由于國(guó)標(biāo)的時(shí)間保護(hù)間隔中插入的是已知的（系統(tǒng)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(hào)可以直接算出，并去除。去掉PN序列后的OFDM信號(hào)與時(shí)間保護(hù)間隔為零值填充的OFDM信號(hào)等價(jià)，而時(shí)間保護(hù)間隔為零值填充的OFDM與時(shí)間保護(hù)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(hù)間隔的情況下，國(guó)標(biāo)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(zhǎng)度不受保護(hù)間隔長(zhǎng)度的限制，而傳統(tǒng)的OFDM保護(hù)間隔長(zhǎng)度設(shè)計(jì)要求必須大于多徑干擾的延時(shí)長(zhǎng)度。

　　3 信道估計(jì)性能良好

　　在AWGN信道下，TDS-OFDM的信道估計(jì)性能優(yōu)于C-OFDM。這是由于TDS-OFDM用于信道估計(jì)的PN序列具有20dB左右的擴(kuò)頻增益，同時(shí)又沒(méi)有C-OFDM做信道估計(jì)時(shí)*的插值誤差。盡管國(guó)標(biāo)DTMB的樣機(jī)功能還有待改善，但其AWGN信道的測(cè)試結(jié)果仍優(yōu)于基于C-OFDM的國(guó)內(nèi)外系統(tǒng)。 對(duì)于多徑信道，TDS-OFDM的PN序列與多徑信道造成的干擾信號(hào)是統(tǒng)計(jì)正交的。雖然TDS-OFDM信道估計(jì)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(tǒng)中采用PN序列進(jìn)行信道估計(jì)的性能相當(dāng)。

　　4 適于移動(dòng)接收

　　移動(dòng)接收產(chǎn)生了多普勒效應(yīng)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(qiáng)調(diào)的是任何OFDM系統(tǒng)的信號(hào)處理都是基于信道傳輸特性準(zhǔn)時(shí)不變的假設(shè)（應(yīng)用FFT的基本條件），即在一個(gè)OFDM符號(hào)的時(shí)間內(nèi)，假設(shè)信道是不變的，信道的變化被認(rèn)為是在OFDM符號(hào)間發(fā)生的。TDS-OFDM的信道估計(jì)僅取決于OFDM的當(dāng)前符號(hào)，而C-OFDM的信道估計(jì)需要4個(gè)連續(xù)的OFDM符號(hào)。因此，C-OFDM在移動(dòng)情況下，要考慮4個(gè)OFDM符號(hào)的信道變化影響，而TDS-OFDM只需考慮1個(gè)OFDM符號(hào)的信道變化影響。可以看出，國(guó)標(biāo)DTMB系統(tǒng)更適于移動(dòng)接收，其移動(dòng)特性優(yōu)于歐洲 DVB-T 系統(tǒng)。測(cè)試結(jié)果證明，國(guó)標(biāo)DTMB系統(tǒng)的高清電視移動(dòng)接收性能居水平。

　　2011年12月，電信聯(lián)盟在修訂地面數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，將我國(guó)的數(shù)字電視地面多媒體廣播系統(tǒng)DTMB標(biāo)準(zhǔn)納入其中，DTMB標(biāo)準(zhǔn)也正式成為繼美、歐、日之后的第四個(gè)數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)。