下一代地面数字电视广播系统关键技术

2010年第十二届全国消费电子技术年会 暨数字电视研讨会 !!!●—，—●●——●—●——————●———■鼍●—●■，—l皇，蔓，l—_——·■_—·—I·一I——————●—●———●—●_—__—_——__··—_—I 下一代地面数字电视广播系统关键技术木 杨知行．王昭诚 清华大学数字电视技术研究中心。北京1000M 【摘要】简要介绍了下一代中国地面数字电视广播系统的关键技术。其中包括改进的帧结构、发射分集、 先进的信道编码和调制、多业务支持、广播回传信道和时频域定位等。 【关键词】DTrB；DTMB；帧结构；分集；LDPC；BICM—ID 1 引言 2006年，中国公布了自己的地面数字电视广播(DTrB)标准，也就是DTMB标准fl】。DTMB 系统使用了很多通信界最新的技术成果。测试结果表明．DTMB的系统性能要优于欧洲的 DVB—T标准【习、美国的ATSC标准f3】和日本的ISDB-T标准【4l。在中国。已经有非常多的城市使 用了DTMB系统。2007年6月，香港在经过严格的场地测试和性能评估以后，宣布使用 DTMB作为地面数字电视传输标准。2009年8月，澳门也采用了DTMB系统进行数字电视 信号的广播。2009年，国家广电总局开始在中国360个主要的城市构建DTMB网络。预计到 2012年，将会有2077个国家或城市采用DTMB标准。 最近，欧洲公布了第二代地面数字电视传输标准DVB—T2。解决了在DVB—T应用和建 网时发现的问圈。与DVB-T相比，DVB一1"2在系统性能、频谱效率和支持多媒体业务方面 都有很大的改进。同时，DVB—T2的系统性能也要优于现有的DTMB系统。另外．ATSC—M／H 也已经完成Iq。考虑到在2015年，中国将会关闭模拟电视频段，可以预计，在未来将会有更多 的商业需求，更有效地利用这些被空出的频段。为了更好地改善频谱效率。为多媒体业务提 供支持，使DTrB网络达到较高的能量效率，提供搭建单频网的能力。北京数字电视国家工 程实验室已经开始了下一代DTMB系统的研发。下一代DTrB系统包括但不限于以下的技 术领域：改进的帧结构，发射分集和在SFN中的应用，先进的信道估计和调制机制。多业务 支持，广播回传信道的解决方案，时频域定位等。 2 灵活填充的TPFB序列帧结构 图1给出了一个TDS—OFDM的帧结构，它由反傅里叶变换数据块和帧头两部分组成。 帧头由长度为膨的时域填充的频域二值序列(TPFB)构成，每个帧头可以由1个髑F1B序列 时序列构成(STPFB)，或者由连续仰lFB序列构成(DTPFB)。每K个帧组成一个超帧。其中K大 ·质检公益性行业科研专项经费资助项目(200910244) ·1 · 第十二届全国消费电子技术研讨会集 于I。第一个帧通常采用DTPFB填充。接下来的K-1个帧可以采用STPFB或者DTPFB填充。 基于不同的频谱效率的需 求。系统可以采用不同的DTPFB 填充模式。指示DTPFB的参数可 以由发射机和接收机事先约定． 也可以通过每个超帧的信息头来 确定。显然后者的灵活性更高。可 以应用于点对点的无线通信环 境。前者有更高的频谱效率。因此 推荐在广播系统中使用。基于采 样定理。当DTPFB变稀疏时。系 一 ·一一·l·一一- 41-M-I■H 一 - fmT嘲 仟丌嘶Blook T嘲 IF阿晰BlockTPFBTP豫 一一⋯■⋯一 ●HheK-titFrame--●- (a)没有超帧头的OFDM帧结构二斗衅‘ ·n“—·———“一 bTPFBTPFBIFFTD■●IMock tPP髂IF}TD■nBlock苎lH t哺 TPF窘 一● l■eIstFram●■ ●卜theK-thFrame-D (b)有超帧头的OFDM帧结构 图l 采用灵活’I甲FB填充的帧结构 统对多普勒的能力也会下降。相反，当每帧都采用DTPFB序列填充时。对多普勒扩展的处理 能力达到最大。因此，这种情况应用于有着大多普勒扩展和严重的多径衰落的情况下．反之 则采用稀疏的DTPFB。灵活的帧头填充机制，使系统获得了在频谱利用率和抗多普勒扩展 能力之间折中的能力。 3 分集 3．1发射分集 DTrB网络必须在多径衰落的环境下，支持固定和移动接收。信号经历的信道可能有频 率选择性衰落或多普勒扩展。众所周知，单频网(SFN)可以改善频谱效率。减少DTFB布网的 费用。但在单频网中，同一个接收机可能会收到多个发射能量几乎相同的发射机信号171。这些 信号能导致显著的性能恶化，因为在这种情况下，信道可能会经历深衰落。发射分集可以较 好地解决这个问题[sl。 为了能够得到发射分集，需要得到各个发射天线的信道估计和相应的空时或者空频编 码。两天线的系统模型如图2所示。作为一种简单的ML解调算法，STBC机制已经得到广泛 的研究。它首先由Alamouti[明提出，并有Tarokh，Jafarkhani和Calderbankl]o]继续研究。其中。这 些编码的重要性质体现在传输矩阵中每两列的正交性。因此，传输符号可以独立解码．而不 是联合解码。STBC编码器将数据符号Ⅸ。，x2】映射到天线l上，将阱，X，]映射到天线2上。其 中(·)+表示复共轭。 图3所示是提出的双天线 发射分集系统的帧结构。DTPEB 是一种时频正交的结构。在频域 上，STPFB序列P从天线1发 出，P=[Cl，c2，⋯，G_I'Q，⋯，C肛l， 钏，同时P1=【C。，一c2，⋯，一G-l’ G，⋯，od，一伽从天线2发出。 ．2． 图2双天线发射分集系统模型 第十二届全国消费电子技术研讨会论文集 实际上。当JP确定后，在保证正交的同时，P1有很多种选择，从中选出具有最低PAPR的那 个。在2个相邻的子载波中，P和尸1是相互正交的。在时域上，假设在2个相邻的时隙中， DTPFB序列[P，P】分别从天线l发出，P1，P1】或[廿上，P上】分别从天线2发出，能容易地看 出。在2个相邻时隙中，序列是相互正交的。到此，可以利用上述方法构造时频正交的11PFB 序列。 为了便于分析，分析频域 正交的2个序列。记发射天线 天线i到接收天线歹的信道频 域响应为风(iJ=1，2)，结合上 述所提出的帧结构，有2种方 法去进行信道估计。 ．Theithsignal flame ． ．The(，+1)山5i弘I妇" Trainingseq Trainingscq| Trainingscq．ITrainingSeq． Infrcdomaininfredomain|OFDMblock in缸．domainInfie domain 一 ’l’ 7I’ ’ 711 P P I P P [互][!]二二二二[i二[至l：：：：： 图3 带发射分集的帧结构 1)空频信道估计 当信道频域平坦时，可假设日1．日¨一日，2，跆日2。一如。设相邻的2个子载波上，天线1发 送【C。C司，天线2发送【C。一C司，忽略噪声的影响，接收信号可以写为 fRl2日-‘c-柑2‘c- (1) 【Rz=H1·C2-H2·C2 则信道可以计算为 jHl=1／2。(RJCI+R，IC2) (2) 【H2=l／2．(R。IC，-RdG) 2)空时信道估计 当信道变化比较缓慢时，可假设风J胡：=日等¨，其中k表示第||}个信号帧。设相邻的2 个时隙中，天线l发送【C。C司，天线2发送【C。一cd，从2个连续时隙的信号帧中，可以简单计 算得到信道估计 降2鼬c1啦!一C号／'tim=1／2·(Rll／Cl+R21ICl’ (3) }R2t=Hn。Cl-H21’C1【日21=1／2·(R1l，cl-R2l／C1) 3．2仿真结果 采用计算机仿真去验证所提出的发射分集的系统性能，其中系统参数和文献【4】中一样， 采用64QAM和0．6的码率。当信道频域平坦，而时域变化很快时(例巴西A信道，最大多普 勒频移为100Hz)，采用空频信道估计方法；当信道时域变化很慢，而频域选择性比较强时 (例ITUB信道，最大多普勒频移为10Hz)，采用空时信道估计方法。上述2种信道的时延扩 展参数如表l所示。从图4可以看出，当误码率为Ixl0一时，在时间选择性信道和频率选择 性信道下。提出的分集方法分别可以得到1．8dB和4．7dB的分集增益。 4信道编码和调制 比特交织编码调制(BICM)技术是一种较有价值的技术。该技术具有独立的解映射损失【n】。 ·3· 第十二届全国消费电子技术研讨会论文集 对于传统的编码技术，例如LDPC或 表1不同信道模型的参数 者turbo码。一般使用具有格雷性质 的正方形QAM星座图。与高斯符号 输入相比。这种星座图会导致另外 一种成型损失。具有迭代解映射和 解码的BICM(BICM—ID)并没有这些 缺点112-13l。他具有高误码平台，并且 在不同的信道下表现差异较大，所 以并没有受到很多重视。 有两种编码调制技术被选为下 一代D1MB系统的候选。一是 LDPC，包括LDPC编码、比特交织、 正方形星座图旋转和坐标交织。另 一个是采用APSK星座图、doping码 和坐标交织的BICM—ID技术。另外。 为了给数据提供保护．该机制也会 使用BCH外码。 4．1 LDPC机制 在LDPC中。计划采用61440bit 长的拟循环LDPC(QC—LDPC)，码率 为l／2或者加。LDPC校验矩阵的循 Brazil-A n．【}一VehicularB EchoIndex 观圳即 Arr妒JdB伪细，炉 Ar,妒JdB。 0 0．00 0．0 0．00 -2．5 o-15 2j22 3．05 5．86 5．93 一13．8 一16．2 -14．9 -13．6 -16．4 0．30 g．90 12．90 17．10 20．0D o．O -12．8 -10．0 —25．2 -16．0 SNR(dB) 图4时频双选信道下的性能仿真 环矩阵大小为256x256。使用格雷编码的方形QAM星座图，包括4／16／641256QAM，同时采用 了星座交织，以取得在衰落信道下附加的分集增益。 4．2 BICM—ID机制 在LDPC技术中，解映射和解码分别进行，BICM—ID技术优化了信道编码和星座图映 射，通过使用迭代解映射和解调技术将两者作为一个整体。BICM—ID的发射机示意图如图5 所示。BCH编码比特依次通过卷积编码、比特交织和doping编码【堋。其中．doping编码是一个 单位速率的两状态迭代系统码，被丹信息中的一个被编码后的比特代替。其中丹被称为 doping率。使用doping码既为了消除较高的误码平台，又可以与卷积码解码器较好的匹配。 通过doping编码，信号可直接映 射到星座符号上。接下来可以进 行星座旋转和坐标交织[t5-t6]。 使用的星座图可以包括4维 BPSK(4D—BPSK)或者16／64／256 APsK。使用APSK星座图在高频 ·4． 图5 BICM—ID机制的发射和接收机框图 第十二届全国消费电子技术研讨会论文集 谱效率的情况下可以带来显著的成形增益【切。 4．3仿真结果 为说明所述编码调制方案的性能，需要说 明下面几个参数。LDPC码采用的是格雷映射 的64QAM．码率为2／3。码块长度为61440bit。 BICM—ID机制使用了64APSK，码率为2／3，以 及生成多项式为[7，5】的4状态非递归卷积码。 Doping码采用单位速率的2状态递归系统码， doping率件=30。选择一个61440bit的S随 机交织器。64APsK的星座图需要仔细选取， 如图6所示【l-q。 系统在AWGN信道和随机瑞利信道中的 性能如图7所示。DVB—T2中使用的LDPC码 被作为比较参照。所有的方案都采用了30次 迭代。在LDPC解码中采用了SPA算法。卷积 码解码器采用BCJR算法，Log_MAP算法用来 做解映射。从图7中可以得到，所提出的LDPC《 技术和DVB—T2的LDPC技术性能几乎相同。 同时DICM—ID技术相比于参照，在AWGN和 锐利信道下分别有0．9—1．3dB的增益。 5 多级业务支持 为了更好地利用宝贵的频谱资源，DTrB 系统亟需承载各种多媒体广播服务。在ISDB— Scatter；sot 国； 瑚 瑚 —8 ．‘盘．15 剐⋯一 62 ．1 ．盘珥 击4 越 园0 叠6 誓'9 JJ | ．7 艺击i锄．48i鹕二，叠●51-14 ．．．4 013i。～⋯ ●皓．34i∞．』i。P{．21．16∞ ：．22‘，=2瑚．4j～ 蠢 d ^口 ■1 南⋯⋯叠3 。o ．11 正 ·凶 拐 ,42 ．47 ．27 柏 ●∞ ●TU 司1 ．43 自0 击1 图7 AWGN信道和瑞利信道下LDPC和 DICM—ID的BER性能 T中。移动电视业务占据了传统广播电视业务残余的频带【1司，同时也调研了很多其他的移动 电视业务支持方式【嘲。最近，DVB—T2标准提出采用物理层管道IS]，支持可配置的地面和移动 数字电视传输业务。通过选择帧结构、信道编码、星座映射和交织模式，现在的DTMB系统可 以在一个射频通道里面传输所有的电视节目。下一代DTMB系统将适应除传统电视业务外 的很多应用类型．例如数字广播、IPⅣ和移动电视服务等，同时也可以支持未来的能源节约 型广播系统。 在C—OFDM中．由于时频两维插入了连续导频和离散导频，子载波不能分片，所以这就 导致了DVB—T2系统中PLP分配比较复杂。TDS—OFDM系统向保护间隔中插入了训练序 列。使帧体中的子载波可以完整地分片。这些技术如图8所示。时频域分片由一个或几个连 续OFDM块中的几个子载波组成，这就给出了基本的负荷单元。 通过灵活的时频域资源块分配，新的多业务广播方法可以提供后面的复用模式，以传输 不需要QoS的各种业务。这些业务包括：1)时分复用(TDM)，其中业务占据某些OFDM块 ·5· 第十二届全国消费电子技术研讨会论文集 每个业务只需要接收相应的时频资 目9支持多业务广播的时额M维帧结构 源块。这些资源块基于预定义的跳频格式，并有其独特的解调和解码机制。 6广播回传信道 传统的DTI'B系统只提供下行广播信道和单向业务模型。但是．这并不符合消费者对数 字电视业务的需求。交互电视(n吖)可以给现有的D'ITB系统提供更多的业务模式．例如Tv 商店、远程投票、电视点播、电视商务等。但是，真正的交互式业务需要基站和用户终端之间 进行双向的交互。在2002年，ETSI为交互电视公布了DVB—RCT标准闭。提供上行回传信道 解决方案，也是中国下一代DTMB系统的一部分。 采用回传信道的DTrB系统如图lO所示。在这个系统模型中，基站和用户终端之间存 在两个信道．下行和上行交互信 道．其中下行信道包括传统的广播 链路和上行交互链路。下行信道可 以为所有用户提供同步和必要的 信息。这就允许所有的用户接人阿 络，向Bs同步的传输数据。 回传系统采用多用户OFDM (OFDMA)技术。在时域上的OFDM 置 目10带日传信遵的DT耶系统模型 第十二届全国消费电子技术研讨会论文集 符号，被组织为帧组、帧群并按照规则进行传输。在频域上，OFDM子载波被按照规则分成若 干个子信道，每个子信道可独立承载相同或不同的业务，是每个用户能够使用的最小频域资 源。资源块是最小的资源单位，是基站分配资源的最小单位。 7 时频定位 与全球定位系统(GPS)相比，DTrB信号是一种较好的位置信息获取途径，这是因为他 的开销较少，而信号接收较强。美国ATSC标准的定位精度可以达到数米【211，欧洲DVB—T的 定位精度可以达到几分米[2Zl。总的来说，OFDM信号的定位机制可以分为两类。第一种是基 于时间同步的方法。其复杂度较低但精度较差[231。第二种采用更好的解决方法，该方案基于 MUSIC算法渊。ML算法闭或者Mp(2司算法。其精度较高，但非常复杂。因为下一代DTMB系统 的帧结构和TPFB序列的采用。可以采用高性能、低复杂度的时频定位算法。 7．1信号模型 在通过传输延时为％的多径信道之后，在m个子载波上接收到的TPFB序列为 尺庐【‰xp(_j鲁慨”exp(-j鲁叫+既 (4) 式中：日。为信道频域响应；W。为加性高斯噪声，其均值为0，方差为02；传输延时％，由采样 周期Z进行归一化；O=Td／Ts=OI+OF(OI是整数倍的延时，良为分数倍的延时)。正是因为TPFB 序列良好的自相关性质，其相关峰在d=Ol时可以得到确定。之后，假设得到了理想信道估计 和整数倍延时，可以得到 Dm_等=exp(-j哥棚，)∥。 (5) N．-．一．G-I 式中：W’。为噪声项；G—lag的简化序列自相关0。为z(G)=乞Ore-O(州)’，分数倍的延时估计 也可以得出。 最后，定位信息的传输距离通过西=(“都)殛得出，其中c=3xlOsm／s为，自由空间内的 光速。 7．2计算复杂度 基于同步的定位方法复杂度为0(M)， 其中经典算法复杂度为口(胗)，方法的主要 复杂在自相关序列{Z(G)}m岛ill。的计算。这可 ⋯ 以通过2M点的硎FFT算法得到。所以其 计算复杂性为o(MlbM)，比原有的算法要低 得多。 7．3仿真 图1l给出了在AWGN信道下RMSE 的测距精度。本文中的算法与传统的算法相 SNRldB) 圈1lAWGN信道的测距准确性仿真 ·7． 第十二届全国消费电子技术研讨会论文集 比具有较好的定位精度。当信噪比为15dB时，其距离估计误差为0．06m。 8 小结 改进频谱效率和支持多媒体业务这两个需求．是中国自主开发高能源效率DTrB网络 的原因。这其中的关键技术包括改进的帧结构、发射分集、先进的信道编码和调制、多业务的 支持、独特的广播回传信道支持和时频定位等。笔者介绍了这些关键技术，并给出能够表现 系统良好性能的仿真结果。 参考文献 【l】I ChineseNationalStaIldardGB20600—2006： DigitalTelevisionTerrestrialBroadcastingSystem， FramingStnlcmm，ChannelCodingandModulationfor Aug．2006． 【2】ETSIEN300744， Digitalbroadcastingsystemsfortelevision，soundand structure，channelcoOingandmodulationfordi舀talterresh'ialtelevision(DVB-T)， 【3】ATSCStandardM53，ATSCdigitaltelevisionstandard，USA，Sep．1995． 【4】ITU-R．WP11M59，Channelcoding，framestructureandmodulationscheme servicedigitalbroadcasting(ISDB-T)，Japan，May1999． dataservices：framing 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