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苏州广电总台移动数字电视技术方案论证
 
慧聪网   2005年1月12日11时31分   信息来源:依马狮网    

   

作者:沈宏 张跃进 顾春方明 苏州广电总台

    [摘要]  本文通过对国内外数字电视地面广播各种标准的比较,介绍苏州广电总台对数字移动电视试播技术方案的论证及拟进行的试验方案。

    作为一种全新的大众传播媒体,移动数字电视有着抗干扰能力强,频率利用率、功率利用率高,信号质量强等无可比拟的优势,越来越受到国内外业界的广泛关注。
目前,北京、上海、深圳、长沙、南京等城市已试播了移动数字电视,2008年我国将在主要城市普及数字电视的商用播出,2015年关闭模拟电视,在全国范围内普及数字电视。

    一.三种地面传输系统标准

    目前全球共有三套国际地面传输系统标准,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) 即:ATSC 8-VSB;欧洲1997年提出的数字视频地面广播(DVB-T) 采用COFDM调制,即:DVB-T COFDM;日本1999年提出的地面综合业务数字广播(ISDB-T) 采用正交频分复用(OFDM) 即:ISDB-T OFDM。这三种系统标准,其系统设计从技术上限于当时的设计方向、使用环境、技术水平和硬件支持能力,没有发挥出系统应有的潜力。

 美国的ATSC标准欧洲的DVB-T标准日本的ISDB-T标准
频道宽度6MHz6MHz、7MHz、8MHz6MHz、7MHz、8MHz
视频压缩MPEG-2视频编码 MPEG-2视频编码??MPEG-2视频编码???
图像格式HDTV1920×1080 16∶9HDTV1920×1080 16∶9HDTV1920×1080 16∶9
SDTV704×480 4∶3SDTV704×576 4∶3SDTV720×576 4∶3
音频压缩Dolby AC-3MPEG-2层ⅡMUSICAMMPEG-2层ⅢAAC
音频编码音频编码音频编码
复用方式MPEG-2系统TC码流MPEG-2系统TC码流MPEG-2系统TC码流
数据随机化16位PRBS15位PRBS15位PRBS
信道外码RS码(207,187,T=10)RS码(204,188,T=8)RS码(204,188,T=8)
外码交织52RS块交织12RS块交织12RS块交织
信道内码网格编码(TCM)卷积编码卷积编码
内码交织网格交织卷积交织卷积交织
调制技术8-VSB调制16QAM/32QAM/64QAM中选译OFDM调制
总码率19~28Mb/s(6MHz)4.98~31.67Mb/s(8MHz)3.68~23.42Mb/s(5.6MHz)
载波数单载波2K、8K2K、4K、8K
接收门限15dB19dB19dB
传输方案8VSB传输方案OFDM传输方案分频段OFDM传输方案
特征抵御电气干扰能力强克服多径干扰能力强克服多径干扰能力强
有效的覆盖区域可做单频网可做单频网
不考虑移动接收可用于移动接收可用于移动接收
三种地面数字电视传输系统的比较

    二.在不同的损伤和操作条件下三种传输系统的性能

    从调制的观点看,OFDM 和单载波调制方案,例如 VSB 和 QAM,对相加性高斯白噪声(AWGN)信道应该有相同的 C/N 门限。信道编码、信道估计、均衡方案以及其它的实现限制(相位噪声、量化噪声、互调失真)等导致了不同的 C/N 门限。

    DVB-T 和ISDB-T 选择了两种卷积编码率,R=2/3 和3/4,提高了和ATSC系统可比的数据码率。从射频背靠背的测试数据看,ATSC 系统在 AWGN 信道上目前有几个 dB 的好处。再一次应该指出的是所有的系统都是可能提高改善的,并且对于 DTTB,AWGN 信道可能不是最好的信道模型,特别是室内接收。 因为三个系统都能不用改变信道编码方案而用于不同的信道带宽,例如 6、7、8MHz,系统 Eb/N0 值对于6、7、8MHz 系统一般是正确的对于地面广播,不管如何,DVB-T 和 ISDB-T系统中用于抵消多径失真的保护间隔,以及为了快速信道估计而插入的带内导频,将减少数据容量。

    三.传输环境中的各种干扰源 

    我们知道地面数字电视的传输环境是非常恶劣的,有城市内建筑物的多反射干扰、城市电磁波干扰,还有多普乐频偏的干扰,而接收机的天线增益又非常低,我们可以将上面的各种干扰总结如下。

    1. 字符交叉干扰(ISI) 

    造成ISI的第一个原因是某些反射波或来自其它发射机的电磁波的延迟大于保护间隔,这样第n个字符与第n-1个字符叠加形成干扰,必须对发射机进行合理布局,才能解决干扰。

    其次,某些载波的反射波与入射波叠加使合成波的幅度为零而形成的破坏性干扰,这种干扰也会产生ISI。当然建设性“干扰”也会存在,即反射波与入射波的幅度叠加后会增强,这也就是前面所提到的单频网的功率增强效益。

    最后,由于机顶盒对保护间隔的错误采集和判断也会造成ISI,当机顶盒收到信号后,它必须对每一个字符的保护间隔进行判断,如果发生错误,这就等同于收到了超过最大保护间隔的反射波;甚至在某些单频网中,由于加入同频功率增强器,反射波有可能提前于主波到达接收机,这样也会产生ISI。

    2. 频道交叉干扰(CCI) 

    这里是指相邻频道之间的干扰,通常是指相邻的模拟频道对数字频道的干扰 。

    3. 载波交叉干扰(ICI) 

    这种干扰的第一个来源在于接收机内调谐器的锁相环(PLL)电路,由于它必须要在VHF/UHF全频段内进行捷变,而且频率步进非常小,因此产生的相位噪声会干扰COFDM调制的载波,在8k模式下,载波相距只有1.116kHz,这样很容易产生相邻载波之间的干扰。

    这种干扰的第二个来源在于移动接收时的多普乐频偏,接收机在移动接收时,同时接收入射波和反射波,以及来自不同的发射塔的信号,这些信号相对于移动的接收机有些是正向速度,有些是反向速度,因此会同时产生正向与负向的频偏,当频偏严重时,相邻的载波就会发生叠加干扰。 

    4. 白噪声干扰

    此处指高斯噪声,这一干扰平均存在于所有频道上。

    四.我国现有的两种制式

    (一)、清华大学的DMB-T

清华大学的DMB-T

    采用了最先进的Turbo卷积码和Turbo网格码等误码纠错技术和QPSK/mQAM的TDS-OFDM信号调制技术。

    其帧结构是分级的,分为信号帧、帧群、超帧和超帧群。超帧群携带发送的日历日期,超帧群以一个自然日为周期进行周期性重复。在某个选定的参考时间,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,并且可以和绝对时间同步,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。

帧结构1440个超帧/日帧,480个帧群/超帧群,225或200个信号帧/帧群,信号帧 =帧头(保护间隔)+OFDM符号,每个帧群传整数个MPEG传输包
调制TDS-OFDM
载波数/有效间隔3780/3744/2KHz
导频和TPS无导频,TPS载波数36个,QPSK调制
保护间隔1/9(55.56us)、1/4(125us)
子载波调制QPSK、16QAM、64QAM
前向纠错编码级联纠错码
外码RS(208,188)
外交织支路数B=52,M=24
内码R=2/3系统卷积码(64QAM) R=4/9 串行级联系统卷积码(QPSK)
内交织时域卷积交织:(0,0)、(52,48)、(52,120)、(52.240)、频域交织:OFDM符号内交织
带宽/有效带宽/滚降8MHz/7.56MHz/0.05
同步在OFDM保护间隔内。时域PN序列BPSK调制
清华DMB-T系统参数


    在实际应用中,存在着各种各样的应用环境、需求和数据类型。为了适应这种情况,内码纠错编码为各种不同编码方式的组合。

    系统采用TDS-OFDM调制方案,其特点是同步头采用了沃尔什编码的扩频伪随机序列,能够实现快速同步,系统的同步时间约为5ms,而其它数字电视标准在100ms以上。而且同步抗干扰能力强,在-20dB信噪比下,也能可靠的恢复同步。同时利用此时域插入序列进行信道性能的估计,采用信道冲激响应算法,具有噪声干扰影响小、算法复杂度低、估算精度高的特点。

    相对国际上现有的同类技术,其优点如下:
    * 系统性能更稳健
    针对 OFDM 技术对同步性能的严格要求,采用不同于C-OFDM的时域同步的正交频分复用调制方式(TDS-OFDM) ,简单方便地实现了快速码字捕获和稳健的同步跟踪。
    * 信息容量更大
    针对多径传输引起的码间串扰和信道畸变,发明了基于PN序列扩频的高保护同步填充OFDM保护间隔技术,提高了传输系统的频谱利用效率10%和同步保护增益20dB以上。
    * 移动性能更好
    针对现有传输标准的信道估计迭代过程较长的不足,通过正交相关和付立叶变换实现快速信道估计(一次有效参数估计约需0.6ms),提高了系统移动接收性能。
    * 广播覆盖性能更好
    针对采用多载波 COFDM 技术的信噪比门限较差的现实,发明了一种系统级联纠错内码和最小欧氏距离最大化映射技术,使采用多载波技术的系统信噪比门限改善10%以上。
    * 单频网更容易实现
    方便设置自动唤醒功能达到省电目的和支持便携接收;和绝对时间同步还特别有利于单频网的同步发送信号的功能控制,使DMB-T单频网同步设备比国际同类设备简单。
    * 多业务广播更方便
    为每一个长度500μs的信号帧设定了独特地址的帧头,方便数据信息的识别和分离,具有融合多业务广播的技术基础,还将为"双向互动"提供同步。

    (二)、上海交大ADTB-T系统方案介绍

上海交大ADTB-T系统方案

    ADTB-T 系统方案特点

中码率(11Mbps)高码率(29Mbps)高码率(23Mbps)中码率(11Mbps)低码率(5.5Mbps)
ADTB-T16.0dB12.7dB5.5dB1.5dB
ATSC14.9dB
DVB-T20.1dB16.5dB8.8dB3.2dB


    ADTB-T具有低的接收门限,有利于频谱规划、增加覆盖范围、减小发射功率、降低电磁污染、提高接收可靠度和保证接收效果。

 高码率(29Mbps)高码率(23Mbps)中码率(11Mbps)低码率(5.5Mbps)
ADTB-T-83dBm-87dBm-94dBm-98dBm
ATSC-84dBm
DVB-T-76dBm-80dBm-86dBm-91dBm


    ADTB-T具有高的接收灵敏度,有利于频谱规划、增加覆盖范围、减小发射功率、降低电磁污染、提高接收可靠度和保证接收效果。

 高码率高码率中码率低码率
ADTB-T29.223.3115.5
ATSC19.2(6MHz)
DVB-T2922.19.954.97


    ADTB-T具有高的频谱利用率及传输效率。
    ADTB-T具有最低的峰均比,好处是:
    * 信号失真小,发射功率可调范围大,对发射机线性度要求低,对发射机功率裕量要求小。
    * 可以直接使用现有模拟上变频器和现有模拟放大器。
    * 有利于频谱规划、增加覆盖范围、减小发射功率、降低电磁污染、 降低发射机成本。

 高码率高码率高码率高码率
 99.99%99.99%99.99%99.99%
ADTB-T6.75.374.554.55
ATSC7.44
DVB-T9.69.69.69.6


    先进的信道编码
    * TPC编码效率高,8/9的编码就可以将16OQAM门限由16 dB降为12.7 dB,不需要增加调制度;
    * TPC编码没有误码平层,不需要额外的编码,如RS;
    * TPC解码硬件复杂度低,适用于高数据率。
    相对国际上现有的同类技术,其优点如下:
    * 可靠的系统信息传输
    采用扩展频谱的方法传输系统信息;
    * 系统解码延迟小
    由于使用TPC编码,纠错能力强,交织器深度可以减小,适用于未来可能的双向业务;
    * 独有的混合传输模式设计
    在同一8 MHz带宽内以时分的方式混合传输用于不同应用的各种调制模式,有利于开展多种新型数字广播业务;
    * 系统扩展能力强
    对TS包头47 HEX透明传输,在同样的传输模式下,以TS包为最小单位传输多种不同的业务和应用;
    最大程度兼容国内外有线和地面传输标准;
    易于和ATSC,DVB-C兼容,降低产业成本,占领国内外最大份额的数字电视市场。

    五.苏州广播电视总台的地面数字移动电视的实施构想

    我们计划在近期内实施地面数字移动电视的试验或试运行,准备采用国内标准,即在清华与上海交大之间选择一家联合运作,考虑到交大标准对发射机要求较低,可利用现有的模拟发射机的功放单元,因此我们首先对交大的方案进行试验。

    基于数字电视移动接收的特点,发射天线采用垂直极化,这样,在接收端,只要使用一根垂直的鞭状接收天线,就能有效地接收到电视信号,实现非定向天线的可移动接收。现我台6频道电视发射机开路发射我台副频道第三套节目,发射天线就采用垂直极化,因此,我们首先考虑在6频道白天播出时段进行数字电视试播,同时,由于现在国内数字电视试播中还没有一家电视台使用VHF频段,因此我们采用6频道进行试验也能为研究单位提供一定数据供研究。

    苏州地形比较平坦,古城区内限制高层建筑,无地铁、隧道等信号盲区,古城东面为工业园区,有少量高楼,南、北面大多为中低层建筑,基本无高楼遮挡,只有在西面新区范围内高楼较密集,并有几座山遮挡,电视塔位于古城区的东南角,无线模拟电视信号基本上能覆盖整个古城区及古城区的东、南、北三个方向5公里范围。我台6频道发射机发射功率为300W,天线高度为130米左右,为4层单偶极子天线,天线增益约8dB,馈管采用SDY-50-37-3型,在6频道处衰减为14dB/km,以馈管长度150米计算,衰减2.1dB,考虑到功率回退及天馈系统损耗,实际发射功率约为100W,由于VHF频段传输效率较高,因此在东、南、北三个方向上基本可覆盖半径20公里的范围,然后根据实际覆盖情况,选择一至二个布点提高覆盖,通过这一单频网的组建,估计可保证全市95%以上的覆盖范围。

    同时,我们计划选择18频道进行晚间试播,我台18频道现播出本台第一套节目,发射功率5000W,天线高度为140米左右,采用水平极化,模拟电视信号覆盖半径为35—40公里。选择此频道是试验在数字电视地面广播常用频率及大功率发射下的覆盖情况。最后根据两个频道的试验结果,确定正式播出的频率及使用功率。

    一旦试播成功,随着业务的发展,我们考虑使用复用器,在一个频道内压缩多套电视节目及附加数据广播服务,同时积累地面数字电视广播的经验,为以后从模拟电视网向数字电视网转化作好准备。

 

 
 
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