房海東，王 謙，康 寧，潘長(zhǎng)勇

（1.北京數(shù)字電視國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100191；2.清華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的中國(guó)數(shù)字電視地面廣播傳輸系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)——《數(shù)字電視地面廣播傳輸系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)、信道編碼和調(diào)制》（DTMB）于2007年8月1日起正式實(shí)施。此國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)，是地面無線電視的基礎(chǔ)性標(biāo)準(zhǔn)。相繼于歐洲的DVB-T、美國(guó)的ATSC和日本的ISDB-T三種國(guó)際地面數(shù)字電視廣播（DTTB）標(biāo)準(zhǔn)，DTMB于2011年12月正式被國(guó)際電聯(lián)認(rèn)可，成為第四個(gè)國(guó)際DTTB標(biāo)準(zhǔn)。目前，DTMB以其系統(tǒng)容量大、傳輸能力強(qiáng)、覆蓋范圍廣等優(yōu)勢(shì)而迅速發(fā)展和普及。DTMB在頻譜利用率、接收門限、支持多業(yè)務(wù)、單頻網(wǎng)組網(wǎng)方面，比DVB-T，ATSC和IS?DB-T都有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)[1-4]。

通過近幾年的DTMB標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用，并對(duì)多種接收機(jī)進(jìn)行了大量的數(shù)據(jù)測(cè)試，本文給出了DTMB標(biāo)準(zhǔn)的兩個(gè)性能優(yōu)化方向，同時(shí)也給出了在現(xiàn)有DTMB標(biāo)準(zhǔn)下，接收機(jī)應(yīng)解決的技術(shù)難點(diǎn)，相關(guān)結(jié)果為進(jìn)一步優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)或者優(yōu)化DTMB標(biāo)準(zhǔn)接收機(jī)提供了重要參考。

1 DTMB系統(tǒng)[1]簡(jiǎn)介

1.1 信號(hào)幀

信號(hào)幀是系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)的基本單元，一個(gè)信號(hào)幀由幀頭和幀體兩部分時(shí)域信號(hào)組成。幀頭和幀體信號(hào)的基帶符號(hào)率相同（7.56 MS/s）。幀頭部分由PN序列構(gòu)成。幀頭信號(hào)采用I路和Q路相同的4QAM調(diào)制。幀體部分包含36個(gè)符號(hào)的系統(tǒng)信息和3 744個(gè)符號(hào)的數(shù)據(jù)，共3 780 個(gè)符號(hào)。幀體長(zhǎng)度是500 μs（3 780×1/7.56 μs）。

為適應(yīng)不同應(yīng)用，定義了3種可選幀頭模式以及相應(yīng)的信號(hào)幀結(jié)構(gòu)，詳見圖1。3種幀頭模式所對(duì)應(yīng)的信號(hào)幀的幀體長(zhǎng)度保持不變。

1.2 幀頭

1.2.1 幀頭模式1

幀頭模式1采用的PN序列為循環(huán)擴(kuò)展的8階m序列，經(jīng)0到+1及+1到-1的映射，變換為非歸零的二進(jìn)制符號(hào)。幀頭信號(hào)（PN420），由一個(gè)前同步、一個(gè)PN255序列和一個(gè)后同步構(gòu)成，前同步和后同步定義為PN255序列的循環(huán)擴(kuò)展，如圖2所示。對(duì)PN420來說，幀頭信號(hào)的平均功率是幀體信號(hào)平均功率的2倍。

1.2.2 幀頭模式2

幀頭模式2采用10階最大長(zhǎng)度偽隨機(jī)二進(jìn)制序列截短而成，幀頭信號(hào)的長(zhǎng)度為595個(gè)符號(hào)，是長(zhǎng)度為1 023的m序列的前595個(gè)碼片。與幀頭模式1一樣，通過映射變換為非歸零的二進(jìn)制符號(hào)。對(duì)PN595來說，幀頭信號(hào)的平均功率與幀體信號(hào)的平均功率相同。

1.2.3 幀頭模式3

幀頭模式3采用的PN序列定義為循環(huán)擴(kuò)展的9階m序列，其定義類似于PN420，如圖3所示。同樣，對(duì)PN945來說，幀頭信號(hào)的平均功率是幀體信號(hào)平均功率的2倍。

2 兩點(diǎn)優(yōu)化建議

2.1 PN945和PN420功率保持與幀體信號(hào)一致

在DTMB現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)于PN420和PN945來說，幀頭信號(hào)的平均功率是幀體信號(hào)平均功率的2倍。幀頭作為保護(hù)間隔，其功率的加倍將對(duì)DTMB信號(hào)的峰均功率比有改善。對(duì)接收機(jī)而言，由于信道檢測(cè)、信道同步都是通過保護(hù)間隔完成的，因此幀頭信號(hào)功率的加倍提高了接收機(jī)檢測(cè)DTMB信號(hào)的靈敏度。隨著接收機(jī)技術(shù)的不斷成熟，這兩項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)已不再突出。

對(duì)接收機(jī)而言，保護(hù)間隔是不攜帶有效信息的。保護(hù)間隔的作用使得接收機(jī)能完成信道同步、信道估計(jì)等功能。在同一信道下，假定長(zhǎng)度為3 780的幀體部分的接收機(jī)最小接收載噪比門限為Cmin/N=A0=10log（Ps/N0）。其中Ps為符號(hào)長(zhǎng)度為3 780的幀體信號(hào)（500 μs）功率，N0表示長(zhǎng)度為500 μs內(nèi)的噪聲功率。

對(duì)于幀頭模式2，對(duì)于同一信道的接收機(jī)而言，用一個(gè)信號(hào)幀來分析其載噪比門限Cmin/N（595），信號(hào)幀的能量為（3 780+595）/3 780×Ps，而一個(gè)信號(hào)幀的噪聲能量為（3 780+595）/3 780×N0。對(duì)于連續(xù)的DTMB信號(hào)，幀頭模式2的Cmin/N（595）可近似為

Cmin/N（595）=10log（4 375×（Ps/N0）/4 375）=A0（1）

對(duì)于幀頭模式1，同樣用一個(gè)信號(hào)幀來分析其載噪比門限Cmin/N（420），信號(hào)幀的能量為（3 780+420×2）/3 780×Ps，而一個(gè)信號(hào)幀的噪聲能量為（3 780+420）/3 780×N0。對(duì)于連續(xù)的DTMB信號(hào)，幀頭模式1的Cmin/N（420）可近似為

同樣，對(duì)于幀頭模式3，同樣用一個(gè)信號(hào)幀來分析其載噪比門限Cmin/N（945），信號(hào)幀的能量為（3 780+945×2）/3 780×Ps，而一個(gè)信號(hào)幀的噪聲能量為（3 780+945）/3 780×N0。對(duì)于連續(xù)的DTMB信號(hào)，幀頭模式3的Cmin/N（945）可近似為

從上述理論分析看，保護(hù)間隔平均功率的增加，造成了接收機(jī)最小接收載噪比門限的增大，對(duì)接收機(jī)的接收性能有少許惡化。

在現(xiàn)有接收機(jī)下，無法更改幀頭的功率，因此針對(duì)同樣的糾錯(cuò)編碼，同樣的星座圖調(diào)制模式，不同的保護(hù)間隔下，對(duì)不同接收機(jī)進(jìn)行了大量的數(shù)據(jù)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，幀頭功率加倍的PN420的最小接收載噪比門限大于幀頭功率與幀體功率一致的PN595模式的最小接收載噪比門限，而小于幀頭功率加倍的PN945的最小接收載噪比門限。表1所示為16QAM/FEC0.8/TI720在不同幀頭模式下的C/N，表2所示為64QAM/FEC0.6/TI720在不同幀頭模式下的C/N。表3為同一接收機(jī)不同幀頭模式的多種工作模式下的接收機(jī)的最小C/N門限。

表1 不同幀頭模式16QAM/FEC0.8/TI720時(shí)，不同接收機(jī)的C/N門限

表2 不同幀頭模式64QAM/FEC0.6/TI720時(shí)，不同接收機(jī)的C/N門限

表3 不同幀頭模式的多種工作模式下同一接收機(jī)的最小C/N門限

F

通過上述對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)可知，PN945的載噪比C/N門限明顯大約PN420的門限，而PN420的載噪比C/N門限也明顯高于PN595。可見保護(hù)間隔平均功率的增加，造成了接收機(jī)最小接收載噪比門限的增大。對(duì)接收機(jī)的接收性能有少許惡化。

2.2 PN945和PN420幀頭模式采用全M序列的截短碼

在DTMB現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)于PN420和PN945來說，幀頭信號(hào)均有一個(gè)M序列循環(huán)擴(kuò)展而成的前同步和后同步。對(duì)有接收機(jī)而言，幀頭的前后同步不但可以很好地發(fā)揮保護(hù)間隔的作用，而且在多徑信道中，可以很好地保護(hù)主徑信號(hào)，使得信道同步和信道估計(jì)算法更簡(jiǎn)單。隨著接收機(jī)技術(shù)的不斷成熟，這項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)亦不再突出。

而對(duì)于接收機(jī)，對(duì)于兩徑的時(shí)變信道而言，假定接收機(jī)收到的第一個(gè)信號(hào)為靜態(tài)徑，而同時(shí)也收到第二個(gè)信號(hào)徑，其強(qiáng)度與第一個(gè)信號(hào)徑一樣，且為時(shí)變信號(hào)，即存在強(qiáng)多普勒情況，此時(shí)如果兩個(gè)徑的延時(shí)相對(duì)較大，則存在難以處理的情況。圖4所示為兩個(gè)信號(hào)徑的幀頭在時(shí)域上的疊加情況。

在接收端，接收機(jī)收到的信號(hào)S（t）是兩徑信號(hào)的疊加信號(hào)。通過接收端已知PN對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行卷積運(yùn)算的信道估計(jì)時(shí)，已知PN的循環(huán)擴(kuò)展（前同步和后同步）會(huì)產(chǎn)生同樣效果的相關(guān)峰。當(dāng)兩徑的信號(hào)強(qiáng)度相同且為時(shí)變信道，當(dāng)兩徑的間隔較小時(shí)，接收機(jī)很容易估計(jì)出相對(duì)穩(wěn)定的主徑，因而接收機(jī)將會(huì)對(duì)此種信道具有良好的魯棒性。但當(dāng)兩徑的信號(hào)強(qiáng)度相同且為時(shí)變信道，當(dāng)兩徑的間隔較大時(shí)，由于前同步和后同步與PN序列一樣，會(huì)產(chǎn)生同樣效果的相關(guān)峰，接收機(jī)在高階調(diào)制模式下（例如64QAM）將很難辨別此種時(shí)變信道。要解決此種信道，將加大接收機(jī)的設(shè)計(jì)難度，目前，已有能夠很好地解決此種信道的接收機(jī)上市。

對(duì)于PN420來說，當(dāng)動(dòng)態(tài)徑延時(shí)約超過（82+255）/2=168個(gè)符號(hào)時(shí)，接收機(jī)將變得較難處理，而這個(gè)時(shí)間理論上為22.2 μs。對(duì)于PN945來說，由于保護(hù)間隔本身較長(zhǎng)，在實(shí)際應(yīng)用中基本不受影響，本文未對(duì)PN945的情況進(jìn)行深入研究測(cè)試。

在實(shí)驗(yàn)室中，設(shè)定徑1信號(hào)為靜態(tài)徑，徑的損耗為0 dB，信號(hào)徑延時(shí)為0 μs；設(shè)定徑2信號(hào)為純多普勒徑，第二徑的多普勒固定為20 Hz，其延時(shí)為變量。測(cè)試幀頭模式為PN420的接收機(jī)，當(dāng)?shù)诙窖訒r(shí)較小時(shí)，基本上所有接收機(jī)都可正常工作。而隨著第二徑延時(shí)的增大，當(dāng)其延時(shí)超過20 μs后，基本所有接收機(jī)都不能工作。同時(shí)，也測(cè)試了第二徑在不同延時(shí)下，不同接收機(jī)能夠處理的最大多普勒，其測(cè)試結(jié)果如表4所示，其測(cè)試模式的工作模式為PN420/64QAM/FEC0.6/TI720，測(cè)試所用頻道為12頻道（474 MHz）。從表中的測(cè)試結(jié)果看，大部分的接收機(jī)很難處理20 μs以上的時(shí)變多徑。測(cè)試結(jié)果同時(shí)也表明，已經(jīng)上市的產(chǎn)品中，已有可以較好解決此問題的能力。

表4 不同接收機(jī)適應(yīng)時(shí)變信道的能力

3 小結(jié)

本文通過理論分析，保護(hù)間隔的平均功率是幀體信號(hào)平均功率的2倍，將一定程度地弱化接收機(jī)的接收性能，而實(shí)際的測(cè)試數(shù)據(jù)也證明了這一點(diǎn)，故建議所有保護(hù)間隔的平均功率與幀體信號(hào)平均功率一致。以PN循環(huán)擴(kuò)展作為幀頭模式的前同步和后同步，對(duì)某些特定的信道下，其魯棒性會(huì)降低，而測(cè)試數(shù)據(jù)也支持這一點(diǎn)。而要解決好這種特定的信道，將增加接收機(jī)的設(shè)計(jì)難度，故建議所有幀體采用全M序列的縮短碼。

現(xiàn)有的DTMB標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)優(yōu)于國(guó)際上其他的3種DTTB標(biāo)準(zhǔn)，加上DTMB標(biāo)準(zhǔn)在廣泛推廣，足以顯示其優(yōu)越性。本文給出的兩點(diǎn)建議是建立在DTMB實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的一些細(xì)小差別基礎(chǔ)上，使其更優(yōu)的并且能較簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)的建議。同時(shí)在現(xiàn)有DTMB標(biāo)準(zhǔn)下，在接收端通過一定的算法實(shí)現(xiàn)，實(shí)際使用的細(xì)小差別也將會(huì)被克服，例如建議二，這也是給現(xiàn)有接收機(jī)的設(shè)計(jì)提出了一點(diǎn)要求，是接收機(jī)實(shí)際應(yīng)解決的技術(shù)難點(diǎn)。

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[1]GB 20600—2006，F(xiàn)raming structure，channel coding and modula?tion for digital television terrestrial broadcasting system[S].2006.

[2]GB/T 26685—2011，地面數(shù)字電視接收機(jī)測(cè)量方法[S].2011.

[3]ATSC recommended practice:receiver performance guidelines[EB/OL].[2014-02-02].http://www.bsk.com.tw/a_74.pdf.

[4]楊知行.地面數(shù)字電視國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)DTMB技術(shù)解讀[EB/OL].[2014-02-02].http://wenku.baidu.com/link?url=A8wNOinR3KsbkqKkjkqgSlS ?fUNGFNqCjk19B4fCoO_dZaM4V_orL7h1CeHpkp8PSPj2W 2d28bcTdviIAPAad61CxoxcZ1Ij-TxfTWEh682CC.