地面数字多媒体电视广播传输协议.doc

地面数字多媒体电视广播传输协议扬知行，杨林，王兴军，门爱东(清华大学数字电视传输技术研发中心)摘要：本论文介绍了地面数字多媒体电视广播(DMB-T)传输协议的开发背景，提供了一个 DMB--T协议的系统级描述以及构成，分析了 DMB--T 协议传输系统的主要特点和应用关键词：DMB-T，DTV TDS-OFDM1 概述在经历了机械电视时代、黑白电子电视和彩色电视时代以后，NHK 从 70 年代初期开始研究高清晰度电视，后来有许多国家和国际标准组织也积极开展了这方面的研发但直到 1990 年之前，它们还都是全模拟的或者模拟数字混合的在 1990 年 6 月 1 日，美国 GI 公司向美国高级电视顾问委员会(ACATS)提交了全数字地面 HDTV 制式，电视从此进人了一个新时代：数字电视时代电视向着高清晰度电视和数字化方向前进、模拟电视在全世界范围内正在逐步消失，电视面临着它问世以来最根本的技术革命 从那以后，经过十多年坚持不懈的研究和发展，数字电视地面广播(Digital Television Terrestrial Broadcasting，DTTB)已经取得了很多的成果，达到了可以实现阶段。

从 1998年 11 月北美和欧洲已经开播 DTTB 节目，许多国家宣布了它们的 DTTB 制式选择和实现计划目前，世界上主要有 3 种 DTTB 传输标准：①美国高级电视系统委员会(Advanced Television Systems Committee，ATSC)研发的格形编码的 8 电平残留边带(Trellis-Coded 8-Level Vestigial Side-Band，TCM 8-VSB)调制1996 年 12 月 26 日 FCC 正式公布了“数字电视标准“ATSC1998 年 11 月首先由 28 家电视台正式开始地面数字电视广播，到 2000 年 1 月已经有 100 多家电视台开展数字电视业务但美国 Sinclair 广播集团对 ATSC 制式有异议ATSC 调制方案采用了具有导频信号的单载波调制，即 8 电平残留边带调制(8-VSB)，它是成熟的现有 AM 调制技术的高度发展，其性能高度依赖于自适应均衡器为了抵抗多径回波和各种干扰，需要非常复杂和昂贵的均衡器加拿大、韩国、阿根廷和我国的台湾在 1997 年和 1998 年先后宣布采用美国的 ATSC 标准②欧洲数字视频地面广播(Digital Video Terrestrial Broadcasting-Terrestrial，DVB-T)标准采用的编码正交频分复用(Coded Orthogonal Frequency Dl vision Multiplexing，COFDM)调制。

欧洲 ETSI 在 1994 年和 1996 年先后公布了 DVB-S(卫星广播)、DVB-C(有线电视广播)和 DVB-T(地面广播)的标准等，欧洲的数字电视有完整的标准系列欧洲各国自 1996 年以来先后在卫星直播、有线电视和地面广播等方面开展了 SDTV 业务，考虑到市场需求的原因，目前尚未开展 HDTV 业务在地面传输方面，它采用多载波 OFDM 调制(ADSL 中相似的技术称为 DMT)DVB-T 使用了1705(2k)或 6817(8k)个载波而且它有更多的选项，以适应不同的应用需求，例如可变的载波调制类型和美国的 8-VSB 调制技术相比COFDM 技术属于正在不断发展和提高的新技术除了欧洲国家以外，澳大利亚、新加坡、印度、巴西先后在 1998 年和 1999 年宣布采用欧洲的 DVB标准③日本地面综合业务数字广播(Integrated Service Digital Broadcasting-Terrestrial，ISDB-T)采用的频带分段传输正交频分复用(Band Width Segmented Transmission OFDM，BST-OFDM)日本 1998 年 11 月公布了用于地面数字电视广播的 ISI)B，T 标准。

系统采用的调制方法称为频带分段传输(BST)OFDM由一组共同的称为 BST 段的基本频率块组成日本的 ISDB-T 是基于自己的国情在欧洲 COFDM 基础上的一种改进，特别是针对多媒体广播和移动接收的需求3 种标准的视频编码和码流复接基本均采用 MPEG2 标准，最大的差别是调制方式的不同，ATSC 采用单载波方式，而其它两种采用多载波调制技术因为 3 个标准推出的时间有先后，因此，采用的技术水平越来越高，对地面广播需求的理解也越来越深但它们毕竟是基于 90 年代中期或之前的状况几年来，技术在飞速发展，应用需求也在不断变化在此背景下，我们对上述 3 个地面数字电视系统进行了深入研究，借鉴和吸收了美国 ATSC、欧洲 DVB、日本 IS 皿和国内 HDTV 研究的经验和教训，结合几年来数字地面电视广播技术和通信技术的最新发展和需求，提出了创新的“地面数字多媒体电视广播(Terrestrial Digital Multimedia-Television Broadcasting，DMB-T)传输协议“系统的核心采用了 mQAM／QPSK 的时域同步正交频分复用(Time Domain Synchronous Orthogonal-Frequency-Division-Multiplex，TDS-OFDM)调制技术；系统使用更加先进的前向纠错编码 FEC 来抵抗突发误码和各种干扰，例如 Turbo 码等；实现了分级调制和编码，可以提供分级服务；同时可以实现快速同步，适于数据业务。

2 系统描述和参数对于地面数字电视广播来讲，首先要求有足够高的传输码率，以便在单个信道中提供高质量HDTV 节目其次要在现有分配的电视频道中传输DTV 节目，实现和模拟电视节目的同播；更重要的特性是要支持移动接收其它的要求包括：抵抗各种干扰/失真；易于其它媒介或服务器的接口；支持多节目/业务；高度灵活的操作模式，通过选择不同的调制方案，系统能够支持固定、便携、步行、或移动接收；能够通过分级调制得到分级服务；具有交互性；高度灵活的频率规划和覆盖区域，能够使用单频网和同频道覆盖扩展/缝隙填充；需要先进的信道编码(例如级联码、平行级联系统卷积／网格码、或网格编码)和信道估计方案，以便降低系统 C／N 门限，以此降低发射功率从而减少了对现有模拟电视节目的干扰；对于便携终端，它优先要支持低功耗模式，等等数字电视系统信号结构通常由压缩层、传送层和传输层 3 大部分组成，其系统结构见图 1传输层的具体构成是由传输信道(或者叫传输媒介)决定的传输媒介有有线媒介(包括光纤、同轴和两者的混合网)、无线媒介(包括卫星、微波、MMDS 等)、地面波传输的无线媒介对于每种传输媒体，目前 DTTB系统的压缩层和传送层基本上都是一样的，区别就在传输层上。

图 1 系统的信号构成点击此处查看全部新闻图片信道编码和信道解码属于传输层，根据不同的信道情况和不同的应用需求，数字电视系统采用了不同的纠错编码和调制技术方案，其构成见图 2 所示地面数字电视广播 DTTB 中的纠错部分，基本上都采用了外码纠错(Reed-Solomen 码)、交织 I、内码纠错(卷积码／Turbo 码)、交织 II，而调制技术目前主要有两种方案--单载波调制和多载波调制属于单载波调制的有美国的 ATSC 8VSB 调制，而多载波调制的有欧洲的 DVB-T COFDM、日本 ISDB-T BST OFDM，本系统所采用的调制技术 IDS-OFDM 也属于多载波技术图 2 地面数字电视传输层点击此处查看全部新闻图片由于在技术方案选择和具体实现的参数上的不同，导致了不同系统之间性能的差异 为了更好地满足上述地面数字电视广播的需求，DMB-T 传输协议设计了相应的系统参数，表 1 提供了基于 TDS-OFDM 的系统参数，以及和其它 3 个世界标准的比较虽然此次样机是为 8MHz 频道开发的，但它很容易地缩放到 6 或 7MHz 频道3 信道帧结构地面数字多媒体电视广播(DMB-T)协议基于 TDS-OFDM 技术，其物理信道帧结构如图 3 所示。

帧结构是分级的，1 个基本帧结构称为 1 个信号帧帧群定义为 255 个信号帧，其第一帧定义为帧群头帧群中的信号帧有唯一的帧号，标号从 0～254，信号帧号(FN)被编码到当前信号帧的帧同步 PN 序列中超帧定义为一组帧群，帧结构的顶层称为超帧群超帧被编号，从 0 到最大帧群号超帧号(SFN)与超帧群号(SFGN)一起被编码到超帧的第一个帧群头中超帧群号(SFGN)被定义为超帧群发送的日历日期，超帧群以一个自然日为周期进行周期性重复，它被编码为下行线路超帧群中一个超帧的第一个帧群头中的前两个字节在太平洋标准时间(PST)或北京时间 0:0:0AM，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同步采用 BPSK 调制以得到稳定的同步。

帧体的基带信号是一个正交频分复用(OFDM)块一个 OFDM 块可进一步分成保护间隔和一个 DFT 块，如图 3 所示DFT 块在其时域中有 3780 个取样，它们是频域中 3780 个子载波的逆离散傅氏变换图 3 下行传输协议的分级帧结构表 1 本系统和世界上 3 种 DTTB 系统主要特性的比较美国 ATSC 8—VSB欧洲 DVB—T COFDM 日本 ISDB—TBST—OFDM 清华 DMB—T TDS—OFDM视频ISO／IEC 13818—2(MPEG-2—视频部分)主类(Main Profile)语法音频ATSC 标准A／52(DolbyAC-3)ISO／IEC 13818—2(MPEG-2-音频第二层 layer II audio)和 Dolby AC-3ISO/IEC 13818-7(MPEG-2- AAC 音频)ISO／IEC 13818-3 第I、II 层和 Dolby AC-3源编码传送码流ISO／IECl3818—l(MPEG—2TS)传送码流 TS外码R—S(207，187，t＝10)R—S(204，188，t＝8)RS(208，188)和RS(208，200)外码交织52R—S 块交织12R—S 块交织309RS 块交织、51RS块交织、 15RS 块交织内码2／3 码率格形码缩短的卷积码：码率：1／2，2/3，3／4，5／6，7／8 约束长度＝7，多项式(八进制)17l，1331／2，2／3 卷积码、网格码、Turbo 码内码交织12:1 格形码交织卷积交织和频率交织卷积交织，频率交织，和选择的时间交织时间交织和频率交织信道编码数据随机化16-bit PRBS16-bit PRBS16-bit PRBS16-bit PRBS调制方案8—VSB 和 16—VSBCOFDM具有 13 个频率分段的BST-OFDMTDS-OFDM均匀星座图8VSB，16VSBQPSK，16QAM 和64QAMQPSK，QPSK，16QAM 和64QAMQPSK、16QAM 和 64QAM分级调制多分别率星座图分级调制：在 13 个分段多分别率星座图(16QAM 和 54QAM)上有 3 种不同的调制(64QAM 和 256QAM)载波数目2k，8k2k，4k，8k3780保护间隔OFDM 符号1／32，1／16，1／8＆1／4OFDM 符号1／32，1／16，1／8＆1／4OFDM 符号0，1／6，1／9，1／12。