DTTB数字电视广播系统设计和分析.docx

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DTTB数字电视广播系统设计和分析

DTTB数字电视广播系统设计和分析

摘要

自电视发明以来，尽管走过了黑白到彩色的历程，但模拟电视的系统和制式没有根本改变，我国现在还在使用1924年发明的电视技术。

演播室节目制作和接收机从七十年代开始数字化，显示技术也从笨重的显像管模拟技术向等离子、液晶投影等大屏幕平板显示器件数字技术发展。

中间的传输发射分配已不是不能数字化，而是在当时数字化以后耗费的传输资源太大而不实用。

　　世界各国从七十年代就开始探索下一代电视。

起初认为下一代电视就是高清晰电视，日本和欧洲巨资率先研制了基于模拟技术的高清晰度电视系统，但耗费的传输资源太大。

美国八十年代末采用数字技术找到了跟原有模拟系统一样的传输资源实现高清晰度电视传输的办法，这就是数字电视。

数字电视的出现使全世界认识到下一代电视不仅是清晰度的升级，而且是原来模拟系统向数字系统转换。

经过多年坚持不懈的研究和发展，地面数字电视广播取得了很多的成果，世界上已经提出了三个地面数字电视广播标准：

欧洲的DVB-T、美国的ATSC和日本的ISDB-T，许多国家和地区都在选择和制定自己的地面数字电视广播标准。

而我国的DTTB地面数字电视广播系统也取得了较大的发展，为中国数字电视的发展提供了坚强的基础，在此基础上我国的数字电视技术正在飞速发展。

关键词：

数字电视DTTB数字电视广播系统

1.数字电视的优点及发展概况

1.1发展概况

90年代初以来,卫星数字电视直播、卫星移动通信和卫星数字音频广播业务首先在美国取得技术突破,并迅速步入产业化和商业化轨道,形成由三个新的经济增长点组成的新兴产业.目前这三项卫星通信业务正向全球迅速扩展,其中卫星数字电视直播产业的发展势头最为迅猛.卫星电视广播共有三种方式:

一是通过普通的通信卫星将模拟电视信号转发到本地电视台、有线电视网或集体接收站进入千家万户;二是采用模拟制式的大功率电视直播卫星直接向家庭广播电视信号（这种电视信号未经数字压缩处理,每个转发器只能直播1路电视节目信号,每颗卫星一般只能直播几路电视节目）;三是Ku频段数字视频压缩电视直播卫星（得益于90年代初期数字压缩技术的突破以及航天技术、微电子技术和计算机技术的飞速发展）.直播卫星上每个转发器可向装有0.5m左右的小口径卫星接收天线的家庭直播5～8路电视节目,一颗卫星可以直播100多路电视信号.这种业务亦称卫星数字电视直播（DBS）.

1.2数字电视的优点

1）一个8MHz带宽的模拟频道内原来只能传送一个普通的模拟电视节目，采用数字电视后在原来一个模拟频道内可传送DVD（数字视频光碟）质量的节目5至6个，每一个节目的质量要比模拟电视节目的质量高。

或可以传送高清晰度电视（HDTV）质量的节目1个或2个。

电视频道的利用率大大提高。

我国电视频道共68个（不计增补频道），原来只能传68个电视节目，采用数字电视后就可传输DVD质量的节目340至408个。

2）电视节目传输的可靠性及电视节目质量均大为提高。

在电视覆盖范围（如半径40公里范围）内，接收到的图像质量与演播室图像质量相当。

3）在同样的覆盖范围内，数字电视的发射功率要比模拟电视的发射功率小一个数量级。

2数字电视广播技术的发展概况

2.1地面数字电视广播

地面数字电视广播[1]是广播电视体系中重要的组成部分。

地面数字电视广播不仅克服了模拟无线电视易受干扰、图像质量差、有重影的缺点，还可以在一个电视频道内传送多达8套电视节目，极大提高了无线频谱的利用率。

地面数字电视带来的更大变化是，可以在移动状态下稳定接收到高质量电视节目信号，使得车载电视、便携手持电视成为可能。

世界各国政府都非常重视地面数字电视广播的发展，主要有以下原因：

一是地面数字电视广播是公共服务，数字化过程涉及到大众的利益；二是频率资源是社会的公共资源，是由政府管理和控制的不可再生资源；三是数字电视广播发展会对信息制造业产生巨大的影响。

目前，国际上形成了四种不同的地面数字电视广播传输标准，即美国的ATSC标准、欧洲的DVB-T标准、日本的ISDB-T标准，2006年8月18日，我国颁布了自己的地面数字电视传输《数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制》国家标准（标准号为GB20600-2006），并将从2007年8月1日起正式实施。

世界上许多国家都已经开展了地面数字电视广播，美国的地面数字电视广播覆盖率已经达到99%。

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[2]（8-VSB）即：

ATSC8-VSB；欧洲1997年提出的数字视频地面广播（DVB-T）采用编码正交频分复用（COFDM）即：

DVB-TCOFDM；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-TOFDM。

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。

2.2世界各国数字电视广播系统的发展概况

目前国际上粗在四种地面数字电视广播制式，它们是美国的ATSC,欧洲的DVB-T,日本的ISDB-T和中国的DＴＴＢ标准。

美国的ATSC制式颁布于1996年，其外编码采用RS编码，内编码采用格栅编码TCM,数字调制方式为单载波，8VSB调制，广泛应用于中北美，巴西和韩国等国家。

美国国会1998年就明确要求到2006年将全美的电视发射信号由模拟系统转为数字系统，但市场需求一直不旺。

美国国会近两年一再督促有关各方加快实现数字化的步伐。

按其新要求，到2004年，35英寸以上的电视机必须是数字电视机；2006年电视发射系统实现数字化，模拟信号停送；到2007年，所有上市的电视机，无论大小，一律实现数字化。

美国国会已经批准1600家电视台拥有一个分立的数字电视频道，目前1037家电视台完成了数字化过渡，覆盖202个市场，可服务99.35%的美国电视家庭。

欧洲的DVB-T制式颁布于1996年，其外编码采用RS编码，内编码采用卷积编码,数字调制方式为多载波，OFDM调制，广泛应用于欧洲，亚太地区的新加坡和澳大利亚等国家。

以德国为例：

德国柏林2003年8月关闭模拟广播，成为世界上首个只能收到数字信号的地区之后，德国西部和北部地区的地方传媒管理机构和商业广播机构也签署了向2400万户居民开展数字广播服务的合同。

预计到2004年5月，这两个地区的用户将可以收看到16个数字电视频道，频道数量到11月将增至24个，模拟广播同时关闭。

目前已有17万台机顶盒售出。

德国官方消息，德国将在2010年普及数字电视，同时停播模拟电视。

日本的ISDB-T制式颁布于1999年，其外编码采用RS编码，内编码采用卷积编码,数字调制方式为COFDM多波段分13个段。

应用于日本本土。

日本于1999年12月1日正式开始数字地面电视广播。

日本政府决心将数字广播发展成为国家标准，2006年底在全国普及数字电视。

目前，数字电视还只局限于3个大城市，潜在家庭用户大约1200万。

行业专家称，实际电视观众可能只有30万人左右。

为了尽快启动数字电视系统，日本政府已投资16亿美元，并希望，随着数字电视销量的增长、广播公司对新设备的采购以及新型服务的兴起，日本的总体经济能够在下一个十年中达到1.8万亿美元。

日本政府计划2011年7月关闭模拟电视。

2.2我国的数字电视广播系统的发展概况

•我国的DTTB地面数字电视广播系统颁布于2006年，其外编码采用BCH，内编码采用LDPC,数字调制方式为多波段OFDM/单载波4QAM。

应用于中国国内。

其中数字电视广播传输系统标准GB20600-2006<<数字电视地面广播传输系统帧结构，信道编码和调制>>,于2006年8月18日正式批准为强制性国家标准，2007年8月1日起实施。

标准规定了在UHF和VHF频段中，每8MHz数字电视频带内，数字电视地面广播传输系统信号的帧结构、信道编码和调制方式。

该标准适用于地面传输的数字多路电视/高清晰度电视固定和移动广播业务的帧结构、信道编码和调制系统。

地面数字电视业务采用技术必须符合该标准定义。

•我国的地面数字电视广播传输标准的特点是：

不仅支持固定接收，还具有支持移动接收的功能；在业务上不仅支持数字标准清晰度电视和数字高清晰度电视广播业务，还支持广播电视扩展业务；在传输效率上，支持4.81—32.486Mb/s的有效传输码率等。

3我国DTTB数字电视广播组成

3.1发射与接收系统方框图

数字电视地面广播系统是一个“网络化”工程，系统平台由3个网络组成，即数字电视单频网、节目分配传输网和远程监控管理网，无线覆盖网由多个发射台站（基站）、单频网前端、演播室（包括编码复用）等组成，以完成广播覆盖功能，是系统的核心部分；远程监控管理网络是系统的重要组成部分，完成系统管理功能；我国地面数字电视广播原理图如下图1所示：

图1数字电视地面广播发送与接收系统

从图1可以看出，视频信号，音频信号以及相关数据信号通过相关编码器，并进行分频复用，经信道编码与调制进行通过发射机将其发射出去。

在接收端，经过调谐器进行频率调整，经信道编码与调制，解复用，然后通过视频解码器和音频解码器转换为视频与音频信号输出。

数字电视地面广播传输系统发送端完成从输入数据码流到地面电视信道传输信号的转换。

输入数据码流经过扰码器（随机化）、前向纠错编码（FEC），然后进行比特流到符号流的星座映射，再进行交织后形成基本数据块，基本数据块与系统信息组合（复用）后并经过帧体数据处理形成帧体，帧体与相应的帧头（PN序列）复接为信号帧（组帧），经过基带后处理转换为输出信号。

该信号经变频转换为射频信号（UHF和VHF频段范围内）。

3.2DTTB系统组成方框图

地面数字电视广播系统发送端完成从MPEG-TS传送码流到地面电视信道传输信号的转换。

输入数据码流经过扰码器（随机化）、前向纠错编码（FEC），然后进行比特流到符号流的星座映射，再进行交织后形成基本数据块，基本数据块与系统信息组合（复用）后并经过帧体数据处理形成帧体，帧体与相应的帧头（PN序列）复接为信号帧（组帧），经过基带后处理形成输出信号（8MHz带宽内）。

该信号经变频形成射频信号（48.5MHz-862MHz频段范围内）。

本系统的发送端原理如图2所示。

图2DTTB系统组成框图

从图2可知：

发送端主要完成从TS到地面电视传输信号的转换。

输入数据码流经过数据随机化，前向纠错（FEC）编码，比特流到符号流的星座映射，再进行交织后形成基本数据块，几本数据块于系统信息复用后并经过帧体数据处理后形成帧体，帧体与相应的帧头（PN）序列复接为信号帧，经过基带后处理转换为基带输出信号（8MHz带款内）。

该信号经正交上变频转换为射频信号。

3.3DTTB系统的核心技术

（1）OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）调制方式——频谱效率高、抗多径干扰能力强、适用于宽带信号传输

（2）LDPC（LowDensityParityCheck）低密度校验码——纠错编码

　　3.PN序列信道估计——在时域里采用已知的周期伪随机（PN）序列作为参考信号

　　（3）GB20600-2006的鲜明特点和优势

　　大容量——能够提供更高的数据传输带宽，一个8MHz数字电视频道内可传6-15套标清或1-2套高清数字电视节目。

　　高性能（抗干扰能力、接收性能、传输速率）——传输质量好,很好地解决各种干扰和高速接收问题，可达到与有线电视同样的收视效果。

　　兼容性强——适合我国国情，与现有模拟电视广播系统兼容，建网成本低，组网快，可以利用现有的微波链路、高山发射站、模拟发射机和闲置的频率（邻频）。

　　一发三收——在同一平台上支持固定、便携、移动和手持接收设备。

　　安全可靠——不受非法信号干扰，具有移动性、抗毁坏性的特点，保障安全播出。

　　高覆盖性——能够实现更大的信号覆盖范围。

　　可扩展性——融合无线通信技术，使系统能实现双向多媒体服务，具有进一步发展的潜力。

　　成熟性——从发射设备、接收设备到集成电路芯片等产业链基本成熟。

4前向纠错码

扰码后的比特流接着进行前向纠错编码。

FEC码由外码（BCH）和内码（LDPC）两部分级联实现。

DTTB设置了3种码率的前向纠错编码，如表1：

表1FEC码参数

编号

块长[比特]

信息比特

对应的内码码率

码率1

7488

3008

0.4

码率2

7488

4512

0.6

码率3

7488

6016

0.8

4.1LDPC（LowDensityParityCheck）低密度校验码

LDPC（LowDensityParityCheck）码是Gallager最早于1962年提出的一种具有稀疏校验矩阵的分组纠错码，亦称Gallager码。

之后，在Turbo码研究的巨大成功的带动下，Mackay等人重新研究了LDPC码，并发现它具有非常好的特点：

逼近香农限的性能，且描述和实现简单，易于进行理论分析和研究，译码简单且可实行并行操作，适合硬件实现。

近年来LDPC码以其优异的性能、简洁的形式及良好的应用前景日益备受青睐，可以应用于空间通信、光纤通信、个人通信系统、ADSL和磁记录设备等。

LDPC码是一种线性分组码，采用了基于矩阵分解中的两个信息符号的RS码法，构造LDPC码的循环置换矩阵，得到其生成矩阵Gqc如下所示：

…………………（3）

其中，I是b×b阶单位矩阵，O是b×b阶零阵，而Gi,j是b×b循环矩阵，令

，

。

LDPC码由循环矩阵Gi,j生成。

要设计出好码以获得高的编码增益（dB），关键是LDPC矩阵的确定。

然而，设计中需要考虑到在编码增益和编解码简易之间的折中兼顾。

三种不同码率的FEC码的结构分别为：

（1）码率为0.4的FEC（7488,3008）码：

先由4个BCH（762,752）码和LDPC（7493,3048）码级联构成，然后将LDPC（7493,3048）码前面的5个校验位删除。

LDPC（7493,3048）码的生成矩阵Gqc具有上式所示的矩阵形式，其中参数k=24，c=35和b=127。

（2）码率为0.6的FEC（7488,4512）码：

先由6个BCH（762,752）码和LDPC（7493,4572）码级联构成，然后将LDPC（7493,4572）码前面的5个校验位删除。

LDPC（7493,4572）码的生成矩阵Gqc具有上式所示的矩阵形式，其中参数k=36，c=23和b=127。

（3）码率为0.8的FEC（7488,6016）码：

先由8个BCH（762,752）码和LDPC（7493,6096）码级联构成，然后将LDPC（7493,6096）码前面的5个校验位删除。

LDPC（7493,6096）码的生成矩阵Gqc具有上式所示的矩阵形式，其中参数k=48，c=11和b=127。

4.2BCH码

BCH码1959年由Hocquenghem、1960年由Bose和Chandhari分别独立提出。

BCH码是纠正多个随机错误的循环码，可以用生成多项式g（x）的根描述。

BCH码采用（1023，1013）的缩短码（762，752），码字长762比特，其中信息位长752比特，监督位长10比特，该BCH码字的生成多项式为：

GBCH（x）=1+x3+x10………………………………………………

（2）

三种码率的前向纠错码使用同样的BCH码。

5单载波与多载波的模式

我国地面数字电视标准中设置了两种数字调制模式，一种为基于QAM调制的单载波模式，另一种为基于OFDM的多载波模式。

即C=1的单载波模式和C=3780的多载波式。

两种载波模式具有统一带宽、统一传输码率、统一定时时钟、统一系统信息和统一帧结构，单多载波在实现时的区别仅在于IFFT的处理算法不尽相同。

除IFFT单元之外，系统其它功能单元完全一样应用，具有相同的实现结构。

系统可以根据应用需要在单载波与多载波之间进行简单切换

5.1单载波模式

单载波调制技术，是将需要传输的数据流调制到单个载波上进行传送，例如QAM、QPSK、VSB调制等。

传统的单载波技术由于处理“回波”的能力差，不适合移动接收和组建单频网，无法满足地面数字电视广播数据的可靠传输的需要。

但，我国国标采用的单载波调制的模式中，综合利用了数据结构、信道编解码方案、同步与均衡算法等先进技术。

其有以下特点：

（1）帧头模式2（PN595）采用非循环简洁的伪随机二进制序列作为帧头，有利于信道均衡快速收敛，同时帧头功率与帧体信号的平均功率相同，保证了单载波信号的低峰均比特性。

（2）采用Walsh正交序列联合扩频序列的方式来保护传输中的系统信息，使得系统信息在多径时变信道时有很强的抗衰落特性。

（3）高效信道编码方案与低阶星座映射的结合，既保证了频谱利用率有提升了抗信道衰落的性能。

（4）稳定、可靠和准确的系统载波恢复和时钟获得是单载波系统中有良好的固定和移动接收的必要条件，因此，在发射信号内需要另加入导频信号。

（5）改进的均衡接收技术，在传统的LMS算法基础上，依靠简洁数据结构，采用NR准正交解映射与均衡结合的算法，突破了单载波抗多径、高速移动接收的难题。

同时，均衡LMS算法能够自适应地对付单频干扰、窄带干扰。

5.2多载波模式

在我国国标制定的地面数字电视系统中，多载波模式与DVB-T和ISDB-T相同，采用OFDM调制，在8MHz射频带宽内安置3780个载波，相应的载频间隔△f约为2kHz。

每个信号帧为一个OFDM符号，有两个部分组成：

一个是帧体，传送数据部分；另一个是帧头，传送保护间隔，保护间隔长度一般大于多径信号的传播延时。

多载波模式具有系统固有的抗多径干扰能力强、频谱利用率高等方面的优点，目前的宽带无线传输技术的发展趋势充分表明，多载波技术在无线广播和通信系统应用中具有一定的优势。

国标的实验室测试证明：

国标的多载波方式和单载波方式的峰均比指标基本相同，在频域均衡接收条件下，系统的白噪声门限和抗相位噪声、多谱勒频移、单频、同频、脉冲干扰等性能指标基本相当，抗多径干扰能力和场地应用测试效果则多载波具有明显优势。

6调制方式

6.1QAM调制

无论是单载波模式还是多载波模式，都采用了正交幅度调制（QAM）技术和交织技术。

前向纠错编码后的比特流要转换成均匀的nQAM（n：

星座点数）符号流（最先进入的第一个比特是符号码字LSB）。

本标准包含以下几种符号映射关系：

64QAM、32QAM、16QAM、4QAM、4QAM-NR。

各种符号映射加入相应的功率归一化因子，使各种符号映射的平均功率趋同。

（1）64QAM映射

对于64QAM，每6比特对应于1个星座符号。

FEC编码输出的比特数据被拆分成6比特为一组的符号（b5b4b3b2b1b0），该符号的星座映射是同相分量I=b2b1b0;正交分量Q=b5b4b3，星座点坐标对应的I和Q的取值为-7，-5，-3，-1，+1，+3，+5和+7。

其星座映射见图3。

图364QAM映射

（2）32QAM映射

对于32QAM，每5比特对应于1个星座符号。

FEC编码输出的比特数据被拆分成5比特为一组的符号（b4b3b2b1b0）。

星座点坐标对应的实部I和虚部Q的取值为-7.5，-4.5，-1.5，+1.5，+4.5，+7.5。

其星座映射见图4。

图432QAM映射

（3）16QAM映射

对于16QAM，每4比特对应于1个星座符号。

FEC编码输出的比特数据被拆分成4比特为一组的符号（b3b2b1b0），该符号的星座映射是同相分量I=b1b0；正交分量Q=b3b2，星座点坐标对应的I和Q的取值为-6，-2，+2，+6。

其星座映射见图5。

图516QAM映射

（4）4QAM映射

对于4QAM，每2比特对应于1个星座符号。

FEC编码输出的比特数据被拆分成2比特为一组的符号（b1b0），该符号的星座映射是同相分量I=b0;正交分量Q=b1，星座点坐标对应的I和Q的取值为-4.5，+4.5。

其映射见图6。

图64QAM映射

（5）4QAM-NR映射

4QAM-NR映射方式是在4QAM符号映射之前增加NR准正交编码映射。

对FEC编码后的数据信号进行基于比特的卷积交织，然后进行一个8比特到16比特的NR准正交预映射，再把预映射后每2个比特按照4QAM调制方式映射到星座符号，直接与系统信息复接。

NR映射为16bit。

NR映射关系如下描述：

NR映射将输入的每8个比特映射为16个比特，将这16个比特表示为：

x0x1x2x3x4x5x6x7y0y1y2y3y4y5y6y7

其中x0x1x2x3x4x5x6x7为信息比特，y0y1y2y3y4y5y6y7为衍生比特，取值均为0或者1，其约束关系满足下式：

y0=x7+x6+x0+x1+x3+（x0+x4）（x1+x2+x3+x5）+（x1+x2）（x3+x5）……………（4-1）

y1=x7+x0+x1+x2+x4+（x1+x5）（x2+x3+x4+x6）+（x2+x3）（x4+x6）……………（4-2）

y2=x7+x1+x2+x3+x5+（x2+x6）（x3+x4+x5+x0）+（x3+x4）（x5+x0）……………（4-3）

y3=x7+x2+x3+x4+x6+（x3+x0）（x4+x5+x6+x1）+（x4+x5）（x6+x1）……………（4-4）

y4=x7+x3+x4+x5+x0+（x4+x1）（x5+x6+x0+x2）+（x5+x6）（x0+x2）……………（4-5）

y5=x7+x4+x5+x6+x1+（x5+x2）（x6+x0+x1+x3）+（x6+x0）（x1+x3）……………（4-6）

y6=x7+x5+x6+x0+x2+（x6+x3）（x0+x1+x2+x4）+（x0+x1）（x2+x4）……………（4-7）

y7=x0+x1+x2+x3+x4+x5+x6+x7+y0+y1+y2+y3+y4+y5+y6………………（4-8）

其中，加法为模二加运算，乘法为模二乘运算。

6.2OFDM调制

DTTB系统中，多载波模式采用OFDM调制方式。

OFDM是一种无线环境下的高速传输技术。

无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的，而OFDM技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。

这样，尽管总的信道是非平坦的，具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，因此就可以大大消除信号波形间的干扰。

由于在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交，它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。

OFDM技术的推出其实是为了提高载波的频谱利用率，或者是为了改进对多载波的调制，它的特点是各子载波相互正交，使扩频调制后的频谱可以相互重叠，从而减小了子载波间的相互干扰。

在对每个载波完成调制以后，为了增加数据的吞吐量、提高数据传输的速度，它又采用了一种叫作HomePlug的处理技术，来对所有将要被发送数据信号位的载波进行合并处理，把众多的单个信号合并成一个独立的传输信号进行发送。

另外OFDM之所以备受关注，其中一条重要的原因是它可以利用离散傅立叶反变换/离散傅立叶变换（IDFT/DFT）代替多载波调制和解调。

OFDM增强了抗频率选择性衰落和抗窄带干扰的能力。

在单载波系统中，单个衰落或者干扰可能导致整个链路不可用，但在多载波的OFDM系统中，只会有一