國標(biāo)DTMB技術(shù)與特點

一、概述

　　備受矚目的地面數(shù)字電視傳輸國家標(biāo)準(zhǔn)已于2007年 8月 1 日正式實施。業(yè)內(nèi)人士普遍認為，隨著國產(chǎn)芯片和相關(guān)產(chǎn)品走向成熟，相關(guān)技術(shù)和測試的日漸完善，國標(biāo)已具備實施的條件。而地面數(shù)字電視廣播的實施，可能提供價值幾千億元的數(shù)字電視終端市場，中國地面數(shù)字電視產(chǎn)業(yè)的發(fā)展今年有望進入發(fā)展快車道。在這樣的機遇下德賽公司推出了具有模式全、價格低、測試設(shè)備好、性能指標(biāo)高的DTMB-T國標(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， 國標(biāo)DTMB傳輸系統(tǒng)采用了創(chuàng)新的時域同步正交頻分復(fù)用（TDS－OFDM）單多載波調(diào)制方式。這種調(diào)制方式，主要針對地面數(shù)字多媒體電視廣播傳輸信道線性時變的寬帶傳輸信道特性（頻域選擇性與時域選擇性同時存在的傳輸信道）所設(shè)計。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

　　國標(biāo)DTMB系統(tǒng)采用了 TDS-OFDM，其特點是同步頭采用了偽隨機序列，在每個 OFDM 保護間隔周期性地插入時域正交編碼的幀同步序列， TDS-OFDM調(diào)制按下列步驟進行。

　　a.輸入的MPEG－TS碼流經(jīng)過信道編碼處理后通過星座映射形成3780點的星座。

　　b. 采用IDFT將該3780點星座變換成長度為3780的離散樣值（單載波模式不需要這一步驟）幀體（500μs）。

　　c. 在OFDM的保護間隔插入長度為420（或595，945）的PN序列作為幀頭。

　　d. 將幀頭和幀體組合成時間長度為555.56μs（或578.7μs，625μs）的信號幀。

　　e. 采用具有線性相位延遲特性的FIR低通濾波器對信號進行頻域整形。

　　f. 將基帶信號進行上變頻調(diào)制到RF載波上。

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

　　為了實現(xiàn)快速穩(wěn)定的同步，國標(biāo)DTMB采用了分級幀結(jié)構(gòu)， 如圖1所示，它具有周期性，并且可以和時間同步。幀結(jié)構(gòu)的基本單元稱為信號幀，225個信號幀定義為一個幀群，480個幀群定義為一個超幀。幀結(jié)構(gòu)的頂層稱為日幀，由超幀組成。

　　信號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，相鄰子載波的間隔為2 kHz,每個子載波符號采用MQAM調(diào)制。

　　（信號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個子載波或者星座。

　　國標(biāo)DTMB的超幀由一個控制幀和相鄰的224個信號幀構(gòu)成，每個超幀的持續(xù)時間為125 ms，超幀中的*個信號幀被定義為超幀頭（控制幀），用于傳輸控制該超幀的信令。超幀中的每一個信號幀有惟一的幀號，它被編碼在幀頭的PN序列中。每個超幀由一個9bit的超幀號標(biāo)識。超幀號被編碼在信號幀的傳輸參數(shù)信令（TPS）中。TPS在超幀的每個信號幀中重復(fù)，只在新的超幀開始時才能改變。 國標(biāo)傳輸系統(tǒng)的分幀包含480個超幀，分幀中的每個超幀由其超幀號惟一識別。分幀的*個超幀編號為0，zui后一個超幀編號為479，每個分幀的持續(xù)時間為60s。國標(biāo)DTMB的日幀由1440個分幀組成，以一個自然日為周期進行周期性重復(fù)。在北京時間0:0:0AM，系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)被復(fù)位并開始一個新的日幀。

　　3 原創(chuàng)的廣播同步傳輸技術(shù)

　　PN序列除了作為OFDM塊的保護間隔以外，在接收端還可以被用做信號幀的幀同步、載波恢復(fù)與自動頻率跟蹤、符號時鐘恢復(fù)、信道估計等用途。由于 PN 序列幀頭與 數(shù)據(jù)幀體正交時分復(fù)用，且 PN 序列對于接收端來說是已知序列，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的。接收端的信號幀去掉 PN 序列后可以看作是具有零填充保護間隔的OFDM。

　　例如，信號 s（t） 經(jīng)過地面?zhèn)鬏斝诺篮?，接收端收到的基帶信?r（t） 包括兩部分：PN 序列 rPN（t） 和幀體 rIDFT（t）。

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

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

三、主要技術(shù)特點

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

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

　　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等的導(dǎo)頻信號，同時存在循環(huán)前綴的保護間隔，而TDS-OFDM將時間保護間隔同時用于傳輸信道估計信號，因此DVB-T系統(tǒng)的傳輸效率只能達到國標(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)進行比較時，被認為是多載波技術(shù)的弱點，國標(biāo)DTMB的核心技術(shù)正是針對解決這個問題而開發(fā)的。

　　2 抗多徑干擾能力強

　　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)于其保護間隔的長度。由于國標(biāo)的時間保護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可以直接算出，并去除。去掉PN序列后的OFDM信號與時間保護間隔為零值填充的OFDM信號等價，而時間保護間隔為零值填充的OFDM與時間保護間隔為周期延拓的OFDM在同樣信道下的性能是等價的。而且，在多徑延遲超過時間保護間隔的情況下，國標(biāo)DTMB仍能工作。TDS-OFDM可以把幾個OFDM幀的PN序列聯(lián)合處理，使抵抗多徑干擾的延時長度不受保護間隔長度的限制，而傳統(tǒng)的OFDM保護間隔長度設(shè)計要求必須大于多徑干擾的延時長度。

　　3 信道估計性能良好

　　在AWGN信道下，TDS-OFDM的信道估計性能優(yōu)于C-OFDM。這是由于TDS-OFDM用于信道估計的PN序列具有20dB左右的擴頻增益，同時又沒有C-OFDM做信道估計時*的插值誤差。盡管國標(biāo)DTMB的樣機功能還有待改善，但其AWGN信道的測試結(jié)果仍優(yōu)于基于C-OFDM的國內(nèi)外系統(tǒng)。 對于多徑信道，TDS-OFDM的PN序列與多徑信道造成的干擾信號是統(tǒng)計正交的。雖然TDS-OFDM信道估計的性能無法在原理上與C-OFDM直接比較，但是它與其他傳輸系統(tǒng)中采用PN序列進行信道估計的性能相當(dāng)。

　　4 適于移動接收

　　移動接收產(chǎn)生了多普勒效應(yīng)和遮擋干擾，使傳輸信道具有隨時間變化的特性（時變特性）。而需要強調(diào)的是任何OFDM系統(tǒng)的信號處理都是基于信道傳輸特性準(zhǔn)時不變的假設(shè)（應(yīng)用FFT的基本條件），即在一個OFDM符號的時間內(nèi)，假設(shè)信道是不變的，信道的變化被認為是在OFDM符號間發(fā)生的。TDS-OFDM的信道估計僅取決于OFDM的當(dāng)前符號，而C-OFDM的信道估計需要4個連續(xù)的OFDM符號。因此，C-OFDM在移動情況下，要考慮4個OFDM符號的信道變化影響，而TDS-OFDM只需考慮1個OFDM符號的信道變化影響?？梢钥闯?，國標(biāo)DTMB系統(tǒng)更適于移動接收，其移動特性優(yōu)于歐洲 DVB-T 系統(tǒng)。測試結(jié)果證明，國標(biāo)DTMB系統(tǒng)的高清電視移動接收性能居水平。

　　2011年12月，電信聯(lián)盟在修訂地面數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)時，將我國的數(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、日之后的第四個數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)。