王廣敏，何大治，張　良，李　偉，管云峰，趙　淼，史毅俊，郭序峰

(1.上海交通大學(xué)，上海 200240；2.數(shù)字電視國(guó)家工程研究中心，上海 200125；3.加拿大通信研究中心，渥太華 K2H8S2)

?

基于地面廣播的層分復(fù)用系統(tǒng)研究

王廣敏1，何大治1，張良2，李偉2，管云峰1，趙淼1，史毅俊3，郭序峰3

(1.上海交通大學(xué)，上海 200240；2.數(shù)字電視國(guó)家工程研究中心，上海 200125；3.加拿大通信研究中心，渥太華 K2H8S2)

摘要：介紹了基于地面廣播的層分復(fù)用(Layered Division Multiplexing，LDM)技術(shù)的研究與進(jìn)展。采用層分復(fù)用技術(shù)可以在不同的接收環(huán)境下根據(jù)應(yīng)用需求來選擇不同的功率和不同的編碼調(diào)制方式，能極大地提高頻譜的利用率和使用靈活性，且可應(yīng)用于多個(gè)不同的系統(tǒng)中。正是由于該技術(shù)的以上特點(diǎn)，層分復(fù)用技術(shù)被ATSC 3.0的專家組選為下一代ATSC 3.0標(biāo)準(zhǔn)物理層的核心技術(shù)之一，同時(shí)被2015年美國(guó)廣播電視協(xié)會(huì)展選為最佳技術(shù)。首先介紹層分復(fù)用技術(shù)的初始思想——“云傳輸”的基本概念，進(jìn)一步從層分復(fù)用系統(tǒng)框架方面，著重介紹層分復(fù)用技術(shù)在噪聲與層間干擾處理、幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、發(fā)射識(shí)別和信號(hào)消除等方面的設(shè)計(jì)方法，最后對(duì)層分復(fù)用技術(shù)為地面廣播系統(tǒng)帶來的性能提升進(jìn)行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：云傳輸；LDM；噪聲與層間干擾處理；幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；發(fā)射識(shí)別；信號(hào)消除

1LDM系統(tǒng)背景與發(fā)展

1.1LDM的提出

近年來，作為大眾傳媒的地面廣播，在人們的日常生活中起著越來越重要的角色，特別是在面對(duì)自然災(zāi)害的情況下，能夠及時(shí)地向大眾群體播報(bào)災(zāi)情并提供幫助。隨著地面廣播業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，廣播頻段的頻譜逐漸成為一種稀缺資源。許多研究人員都在致力于尋找一種新的頻譜利用技術(shù)以滿足日益增長(zhǎng)的頻譜需求，因而能夠高效利用頻譜資源的層分復(fù)用技術(shù)具有廣泛的研究前景和重要的研究?jī)r(jià)值。

過去的二十幾年里，提高頻譜的利用率和靈活性是地面廣播研究領(lǐng)域的一個(gè)重要方向。20世紀(jì)90年代，隨著模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)變和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定，以及從21世紀(jì)初開始，日益增加的廣播業(yè)務(wù)所導(dǎo)致的頻譜資源緊缺，使得頻譜利用率的研究逐漸成為地面廣播研究的一大熱點(diǎn)[1-2]。

此外，全球廣播技術(shù)的一致性發(fā)展也對(duì)頻譜利用率提出了更高的要求，由歐洲、美洲和亞洲的主要廣播電視研究機(jī)構(gòu)組成的未來全球廣播電視合作研究計(jì)劃(FOBTV Initiative)就是典型代表[3]。該全球范圍內(nèi)的合作研究計(jì)劃匯集了全球廣播電視領(lǐng)域最前沿的科研機(jī)構(gòu)，目標(biāo)是通過跨區(qū)域的技術(shù)協(xié)同，共同推進(jìn)未來數(shù)字電視系統(tǒng)技術(shù)的研發(fā)。同時(shí)根據(jù)2013年ATSC 3.0 的議案[4-5]可知，未來廣播頻段標(biāo)準(zhǔn)的制定都將以追求更高的頻譜利用率和更大的兼容性為目標(biāo)。

層分復(fù)用系統(tǒng)來源于吳亦彥博士(層分復(fù)用系統(tǒng)方案的提出者)在文獻(xiàn)[6]中提到的云傳輸思想，該思想是希望通過多層信號(hào)的靈活疊加來滿足第二代廣播系統(tǒng)對(duì)頻譜高效利用的需求。云傳輸相對(duì)于傳統(tǒng)的數(shù)字電視技術(shù)，覆蓋的區(qū)域看起來像云一樣， 所以被稱為云傳輸(如圖1c所示)。傳統(tǒng)的數(shù)字電視覆蓋網(wǎng)(如圖1a所示)，發(fā)射臺(tái)的覆蓋半徑為100 km，而干擾半徑為300 km，那么另外一個(gè)發(fā)射點(diǎn)的位置就需要在400 km以外。如果使用4個(gè)頻點(diǎn)來覆蓋這個(gè)區(qū)域(如圖1b所示)，那么此時(shí)的頻譜利用率僅為25%。云傳輸思想希望通過傳輸不同的業(yè)務(wù)來實(shí)現(xiàn)100%的信道利用率。云傳輸?shù)囊粋€(gè)重要特點(diǎn)就是接收機(jī)需要具有很高的同信道干擾消除能力，云傳輸?shù)寞B加信號(hào)中有些信號(hào)的信噪比可以為負(fù)值，具有較強(qiáng)的抗噪能力，能夠承受比期望信號(hào)功率強(qiáng)的干擾信號(hào)，通過解調(diào)這些信號(hào)，并完整構(gòu)建信號(hào)的波形，消除該層信號(hào)，從而進(jìn)一步解調(diào)下一層信號(hào)。

云傳輸思想需要接收機(jī)處理大量的信號(hào)波形重構(gòu)和迭代消除，對(duì)接收機(jī)的芯片處理能力提出了很高的要求，相信在不久的將來隨著芯片工藝和能力的提升，會(huì)成為重點(diǎn)研究的方向之一。此外，在信噪比為負(fù)值的情況下，上層低階調(diào)制系統(tǒng)信號(hào)的解調(diào)和波形重構(gòu)會(huì)受到下層高階調(diào)制信號(hào)的干擾，而由于信號(hào)重構(gòu)引起的誤差會(huì)影響下層高階調(diào)制信號(hào)的解調(diào)，考慮到波形重構(gòu)面臨的多個(gè)技術(shù)上和實(shí)現(xiàn)上的問題，進(jìn)一步考慮兩層信號(hào)是符號(hào)上的疊加而不是波形上的疊加，這樣仍然可以實(shí)現(xiàn)兩層不同階數(shù)信號(hào)的疊加，同時(shí)避免由于信號(hào)重構(gòu)引起的誤差。為了可以兼顧高階調(diào)制數(shù)據(jù)率高與低階調(diào)制魯棒性好的優(yōu)勢(shì)，引入了層分復(fù)用技術(shù)。

1.2LDM簡(jiǎn)介

層分復(fù)用(Layered Division Multiplexing， LDM)技術(shù)的目標(biāo)是兼顧高數(shù)據(jù)率和高魯棒性兩大特點(diǎn)，為下一代廣播電視業(yè)務(wù)提供更高的傳輸效率和更好的靈活性。吳亦彥博士和加拿大通信研究中心的同事李偉博士和張良博士等在云傳輸?shù)乃枷牖A(chǔ)上，進(jìn)一步研究并提出了層分復(fù)用技術(shù)。層分復(fù)用技術(shù)是在原有的數(shù)據(jù)層中加入第二層數(shù)據(jù)流，稱之為B層信號(hào)(也叫下層信號(hào)，LL)，A層信號(hào)(也叫上層信號(hào)，UL)與B層信號(hào)共享同一帶寬，但功率比B層信號(hào)功率高，其中A層相對(duì)于B層信號(hào)的功率差異通過功率比(Injection Level)來定義(如圖2所示)。

系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的傳輸速率為

(1)

式中：γ為編碼碼率；M為調(diào)制階數(shù)；Tofdm為單個(gè)OFDM符號(hào)周期；α為有效數(shù)據(jù)率。以DVB-T2中4K子載波個(gè)數(shù)為例，在實(shí)際系統(tǒng)中，考慮10 MHz的系統(tǒng)采樣率，上層信號(hào)UL采用4QAM調(diào)制，編碼碼率為4/15，下層信號(hào)LL采用64QAM，編碼碼率為10/15，有效數(shù)據(jù)率α為100%。因此根據(jù)式(1)，上下層數(shù)據(jù)的傳輸速率為

(2)

(3)

由式(2)、式(3)可知，UL采用低階調(diào)制方式，因此數(shù)據(jù)傳輸速率較低，但是由于魯棒性高，因此可以應(yīng)用于移動(dòng)設(shè)備和標(biāo)清業(yè)務(wù)。而LL采用高階調(diào)制方式，數(shù)據(jù)傳輸速率較高，可以為UHDTV和HDTV提供高吞吐量的數(shù)據(jù)速率。同時(shí)，LDM也可以服務(wù)于另一種應(yīng)用場(chǎng)景，即UL與LL共同提供超高清業(yè)務(wù)，而UL又可以單獨(dú)傳輸視頻的標(biāo)清模式，因此兩層信號(hào)既各自獨(dú)立工作又相互協(xié)同。在圖2中，B層信號(hào)后面還保留一個(gè)擴(kuò)展層(FEL)信號(hào)， 主要是為將來提供更多業(yè)務(wù)。

1.3LDM應(yīng)用

LDM發(fā)射機(jī)覆蓋網(wǎng)有兩種形式：一是集中式LDM，二是分布式LDM。其中集中式LDM結(jié)構(gòu)如圖3所示，圖中藍(lán)線為上層信號(hào)的覆蓋范圍，紅線為下層信號(hào)的覆蓋范圍。由于上層信號(hào)的魯棒性較高，所以覆蓋范圍大，下層信號(hào)的魯棒性低覆蓋范圍小?；就瑫r(shí)發(fā)送上層與下層信號(hào)，當(dāng)接收機(jī)處于C點(diǎn)時(shí)，由于不在覆蓋范圍內(nèi)，所以無法接收任一信號(hào)。當(dāng)接收機(jī)處于A點(diǎn)時(shí)，由于超出了下層信號(hào)的覆蓋范圍，所以只能接收到上層信號(hào)。只有當(dāng)接收機(jī)處在B時(shí)，才能夠接收到上下層的混合信號(hào)，因此可以獲得上下兩層信號(hào)。

而分布式LDM覆蓋范圍如圖4所示，藍(lán)線同樣為上層信號(hào)的覆蓋范圍，紅線為下層信號(hào)的覆蓋范圍。同集中式分布類似，當(dāng)接收機(jī)處于D或F位置時(shí)，只能接收到上層信號(hào)或下層信號(hào)。而當(dāng)接收機(jī)在E處時(shí)，可以接收到上下層的混合信號(hào)。因而可以看出，與傳統(tǒng)的單頻網(wǎng)(SFN)相比，LDM系統(tǒng)支持傳輸不同的業(yè)務(wù)類型。

由于LDM可以在不同的覆蓋范圍內(nèi)提供不同質(zhì)量的服務(wù)，因此可以顯著提高系統(tǒng)的容量(如圖5所示)。廣播信道的容量滿足圖5a中的下降趨勢(shì)，即接收信號(hào)的能量隨著接收機(jī)與發(fā)射基站之間距離的增大而減弱。為了能夠正確譯出接收信號(hào)，接收到的信號(hào)能量不能低于圖5a中的可解碼能量。而LDM系統(tǒng)中，由于發(fā)射機(jī)傳輸兩層信號(hào)，因此在接收到的A層信號(hào)滿足傳統(tǒng)廣播的譯碼條件下，即接收到的A層信號(hào)的能量高于A層可解碼能量，B層信號(hào)也有自己的可解碼能量范圍。因此，LDM技術(shù)通過將傳統(tǒng)廣播中浪費(fèi)掉的信道容量加以利用，從而提高了信道容量。

2LDM系統(tǒng)框架

現(xiàn)有的廣播電視下行系統(tǒng)如DVB-T2系統(tǒng)中均使用OFDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，這是由于OFDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有靈活的調(diào)制編碼方式，極佳的頻譜利用率，更優(yōu)的抗多徑性能等優(yōu)勢(shì)。因而本文將在傳統(tǒng)的OFDM結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上考慮LDM系統(tǒng)整體物理層架構(gòu)以及相應(yīng)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)。

2.1發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)

圖6為基于OFDM系統(tǒng)的LDM發(fā)射端原理框圖。其中數(shù)據(jù)流A與數(shù)據(jù)流B分別表示上層與下層信號(hào)。 在發(fā)端，信號(hào)通過FEC編解碼、比特交織、映射、混合、時(shí)間交織后，進(jìn)行成幀設(shè)計(jì)，最后調(diào)制發(fā)送。其中在FEC編解碼、比特交織、映射等結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)的OFDM結(jié)構(gòu)相同，而在時(shí)間交織與導(dǎo)頻設(shè)計(jì)等方面存在較大的差異。

其中以時(shí)間交織為例，由于LDM系統(tǒng)支持不同功率、不同編碼調(diào)制方式的兩層UL和LL數(shù)據(jù)流的同時(shí)傳輸，因此針對(duì)兩LDM結(jié)構(gòu)有兩種時(shí)間交織方式，即不同(方式1)或相同(方式2)的時(shí)間交織方式，結(jié)構(gòu)如圖7所示。不同的時(shí)間交織雖然可以提高不同層數(shù)據(jù)抵抗動(dòng)態(tài)信道的能力，但是增加了硬件開銷的復(fù)雜程度。相同的交織方式不僅可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)而且便于硬件實(shí)現(xiàn)。因而在實(shí)現(xiàn)過程中，更多地采用相同的時(shí)間交織方式。

2.2接收端結(jié)構(gòu)

圖8為L(zhǎng)DM接收端原理框圖。在接收端，接收信號(hào)首先進(jìn)行OFDM解調(diào)，然后進(jìn)行信道估計(jì)、同步、均衡、解交織等處理。與傳統(tǒng)的OFDM接收機(jī)結(jié)構(gòu)相比，在OFDM解調(diào)、均衡和解交織等方面差異較小，但是由于LDM是雙層信號(hào)傳輸，因而在設(shè)計(jì)接收機(jī)的同步、信道估計(jì)算法時(shí)，不僅需要考慮到層間干擾帶來的影響，還需要通過算法的優(yōu)化設(shè)計(jì)來提高雙層信號(hào)的譯碼性能。

由于LDM系統(tǒng)的信道估計(jì)MSE將直接影響到上層信號(hào)的消除誤差，進(jìn)而影響下層信號(hào)的解調(diào)與譯碼，因而LDM系統(tǒng)對(duì)于信道估計(jì)有著更高的要求。對(duì)于上層信道的估計(jì)算法可以沿用傳統(tǒng)的LS與MMSE估計(jì)算法，在信道估計(jì)與上層信號(hào)的正確解調(diào)譯碼后，將譯碼后的上層信號(hào)按照發(fā)端的方式進(jìn)行重構(gòu)，然后從接收信號(hào)中消除，如果消除性能較好，則可以實(shí)現(xiàn)下層信號(hào)正確的解調(diào)譯碼。

2.3相比于TDM/FDM的優(yōu)勢(shì)

從上文的介紹中可以看出LDM技術(shù)不僅可以提供高魯棒性和高數(shù)據(jù)率，還可以提供不同的業(yè)務(wù)。同時(shí)，與傳統(tǒng)的復(fù)用技術(shù)如TDM、FDM技術(shù)相比，LDM還可以實(shí)現(xiàn)傳輸頻譜和時(shí)間的100%利用。

圖9為傳統(tǒng)的TDM、FDM復(fù)用結(jié)構(gòu)。在TDM中時(shí)間被劃分為不同的時(shí)隙，每個(gè)服務(wù)占用不同的時(shí)隙，因此對(duì)單一服務(wù)來說，時(shí)間利用率達(dá)不到100%。同樣在FDM中，由于將頻率分割成段，每個(gè)服務(wù)占用不同的頻率段，因此達(dá)不到頻率利用的100%。然而，LDM技術(shù)因?yàn)槭切盘?hào)符號(hào)上的疊加，結(jié)構(gòu)如圖10所示，因此可以實(shí)現(xiàn)頻率和時(shí)間上的100%利用。

3LDM系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

在LDM系統(tǒng)中，由于其多層信號(hào)同時(shí)傳輸特性，因此在系統(tǒng)中會(huì)有一些新的可行的設(shè)計(jì)和技術(shù)。以下將分別介紹LDM系統(tǒng)中噪聲與層間干擾處理、幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、發(fā)射機(jī)識(shí)別、信號(hào)消除等方面的技術(shù)。

3.1噪聲與層間干擾處理

由LDM的混合疊加結(jié)構(gòu)可知，在接收端對(duì)信號(hào)的解調(diào)過程中，首先需要對(duì)上層信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。并且在解調(diào)過程中，由于下層信號(hào)的統(tǒng)計(jì)獨(dú)立與隨機(jī)特性，可以將下層信號(hào)當(dāng)成高斯白噪聲進(jìn)行處理，以實(shí)現(xiàn)上層信號(hào)的解調(diào)解碼。所以系統(tǒng)設(shè)置的SNR不能真實(shí)反映上層信號(hào)與噪聲之間的關(guān)系，需要根據(jù)功率比來重新計(jì)算上層信號(hào)與噪聲之間的SNR，此時(shí)的噪聲包含信道引入的高斯白噪聲還有下層信號(hào)，如式(4)與式(5)所示

(4)

(5)

式中：snr0為發(fā)射信號(hào)的總功率與信道產(chǎn)生的噪聲之間的比值；injection_level為注入功率比。因?yàn)榘l(fā)射端信號(hào)能量歸一化，所以有

SNR_UL=snr0+injection_level-10log(1+

(6)

(7)

式中：SNR_UL為解調(diào)上層信號(hào)時(shí)所需的信噪比；SNR_LL為解調(diào)下層信號(hào)的信噪比。因此，在LDM解調(diào)中，需要根據(jù)實(shí)際的情況來重新計(jì)算上下層信號(hào)所需的信噪比。

3.2幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖11所示為L(zhǎng)DM系統(tǒng)的典型幀結(jié)構(gòu)，上下層信號(hào)共用同一導(dǎo)頻。在信號(hào)解調(diào)過程中，先根據(jù)導(dǎo)頻估計(jì)出信道響應(yīng)，然后去除導(dǎo)頻，此時(shí)余下的信號(hào)就是上下層有效信號(hào)的混疊。根據(jù)上文提到的上層信號(hào)信噪比SNR_UL的值直接對(duì)余下信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解碼，接著根據(jù)估計(jì)出的信道響應(yīng)和解碼后的上層信號(hào)，對(duì)上層信號(hào)重新編碼調(diào)制，接著從接收信號(hào)中消除，然后再根據(jù)計(jì)算出的下層信號(hào)的信噪比SNR_LL來解調(diào)解碼下層信號(hào)。

然而，針對(duì)LDM雙層傳輸?shù)奶匦?，可以?duì)圖11的典型結(jié)構(gòu)提出一些新的設(shè)計(jì)。在圖12中，將下層信號(hào)中信息量大的數(shù)據(jù)放在下層有效信號(hào)1的位置上，將信息量小的數(shù)據(jù)放置在下層有效信號(hào)2的位置。導(dǎo)頻去除后，由于下層有效信號(hào)1處的能量較高，從而其SNR相對(duì)于有效信號(hào)2而言更高，更易于譯碼。同時(shí)，由于下層有效信號(hào)1不存在消除誤差的影響，所以下層信號(hào)的數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)較好的恢復(fù)。余下的信號(hào)按照?qǐng)D11中的處理方式進(jìn)行信號(hào)恢復(fù)和重構(gòu)。因此相比于第一個(gè)結(jié)構(gòu)，圖12結(jié)構(gòu)是以損失上層信號(hào)的數(shù)據(jù)率來提高下層信號(hào)的譯碼性能，而對(duì)于適當(dāng)?shù)倪x取下層信號(hào)1的子載波分配數(shù)目，可以在譯碼性能與數(shù)據(jù)率之間進(jìn)行折中。

3.3發(fā)射識(shí)別技術(shù)

考慮到分布式LDM，即兩臺(tái)發(fā)射機(jī)Tx1與Tx2分別發(fā)射數(shù)據(jù)流UL與數(shù)據(jù)流LL，在接收機(jī)中同時(shí)收到數(shù)據(jù)流UL與數(shù)據(jù)流LL的混疊信號(hào)，需要進(jìn)行發(fā)射機(jī)Tx1與Tx2的識(shí)別。ATSC A/110 標(biāo)準(zhǔn)通過使用射頻水印(RF Watermark)來實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)識(shí)別技術(shù)(Transmitter Identification，TxID)。然而由于ATSC A/110中TxID系統(tǒng)最初是為固定的數(shù)字電視信號(hào)接收機(jī)設(shè)計(jì)的，是通過直接相關(guān)的方式進(jìn)行射頻水印檢測(cè)。所以，隨著ATSC移動(dòng)數(shù)字電視的到來，傳統(tǒng)的射頻水印檢測(cè)技術(shù)必須進(jìn)行改善以滿足移動(dòng)接收的需求。

在LDM系統(tǒng)中可以借鑒ATSC DTV系統(tǒng)的發(fā)射識(shí)別序列，即采用偽隨機(jī)序列作為識(shí)別信號(hào)。當(dāng)前的TxID實(shí)現(xiàn)方式是按照?qǐng)D13的方式注入在ATSC DTV信號(hào)內(nèi)[7]。

第i個(gè)發(fā)射機(jī)的注入過程如下[8]

(8)

(9)

式中：wi(n)是第i個(gè)發(fā)射機(jī)信號(hào)在傳輸過程中的噪聲。那么接受信號(hào)為

(10)

式中：T為總的發(fā)射機(jī)的個(gè)數(shù)。

根據(jù)第j個(gè)發(fā)射機(jī)的信道響應(yīng)hj為接受信號(hào)r(n)和本地偽隨機(jī)序列xj(n)的互相關(guān)[9-10]，有

(11)

式中：N是嵌入序列的長(zhǎng)度。同時(shí)，由隨機(jī)序列的正交性可知，Rxjxj可以近似看做是δ函數(shù)，因此第一項(xiàng)近似為ρhi。式(11)中最后一行的第二項(xiàng)和第三項(xiàng)是由發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的隨機(jī)序列的互相關(guān)。因此，來自第j個(gè)發(fā)射機(jī)的信道響應(yīng)hj近似等于Rrxj。從上述中可以看出，通過在不同發(fā)射信號(hào)中注入偽隨機(jī)序列，進(jìn)而通過與本地接收機(jī)進(jìn)行相關(guān)的方式可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同發(fā)射機(jī)的正確識(shí)別，從而可以應(yīng)用于分布式的LDM系統(tǒng)中。

3.4信號(hào)消除技術(shù)

上述可知，在LDM系統(tǒng)中，對(duì)上層信號(hào)消除會(huì)帶來消除誤差，并且這些誤差會(huì)進(jìn)一步影響到對(duì)下層信號(hào)的解調(diào)。因此信號(hào)消除誤差是系統(tǒng)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。如何衡量消除誤差就是信號(hào)消除技術(shù)的關(guān)鍵。以下將介紹在LDM系統(tǒng)中可以通過信道估計(jì)誤差來表示信號(hào)消除誤差。

令接收信號(hào)為

Y(k)=[XLL(k)+XUL(k)]H(k)+n(k)

(12)

式中：XUL(k)、XLL(k)為發(fā)送的上、下層信號(hào)；H(k)是信道響應(yīng)；n(k)是噪聲。

在上層信號(hào)消除后，下層需要解碼的信號(hào)為

YLL(k)=Y(k)-X%UL(k)H%(k)=XLL(k)H(k)+

I(k)+n(k)

(13)

消除誤差為

I(k)=XUL(k)H(k)-X%UL(k)H%(k)

(14)

假設(shè)上層信號(hào)解碼無誤差，那么可以知道

I(k)=XUL(k)[H(k)-H%(k)]=

XUL(k)[ChannelEstimationError]

(15)

消除誤差功率為

Var[I(k)]=Var{XUL(k)[H(k)-H%(k)]}=

Var[XUL(k)]Var[H(k)-H%(k)]=

(ULsignalpower)

(ChannelEstimationError)

(16)

從上文對(duì)于信道消除影響的分析可知，信道消除的性能取決于信道估計(jì)的準(zhǔn)確程度，因而在信道估計(jì)性能達(dá)到要求的情況下，并不需要額外的消除技術(shù)，而在信道估計(jì)性能無法達(dá)到要求時(shí)，需要考慮消除技術(shù)算法，如通過決策反饋卷積(DecisionFeedbackConvolution)或者決策反饋判決誤差(DecisionFeedbackError)的算法進(jìn)行信號(hào)的精細(xì)消除[10]。

4小結(jié)

本文主要介紹了一種能夠有效提高頻譜利用率和靈活性的層分復(fù)用技術(shù)——LDM技術(shù)。該技術(shù)能夠兼顧上層信號(hào)的低階調(diào)制和下層信號(hào)的高階調(diào)制，從而使系統(tǒng)具有良好的魯棒性和較高的數(shù)據(jù)率。在數(shù)字地面廣播系統(tǒng)中，層分復(fù)用技術(shù)可以得到廣泛的應(yīng)用，因?yàn)樗粌H能抵抗同信道干擾，而且對(duì)多徑引起的失真也具有一定的抵抗能力，并且極大地提高頻譜的利用率。同時(shí)，LDM系統(tǒng)還具有較好的兼容性和普適性，不僅對(duì)未來的發(fā)展層具有兼容性，并且可以適用于未來的新技術(shù)中，如未來的5G系統(tǒng)等。

參考文獻(xiàn)：

[1]JIANGT，LIC，NIC.EffectofPAPRreductiononspectrumandenergyefficienciesinOFDMsystemswithclass-AHPAoverAWGNchannel[J].IEEEtransactionsonbroadcasting，2013，59(3)：513-519.

[2]GOZALVEZD，GOMEZ-BARQUEROD，VARGASD，etal.Combinedtime，frequencyandspacediversityinDVB-NGH[J].IEEEtransactionsonbroadcasting，2013，59(4)：674-684.

[3]MEINTELB.BroadcastspectrumissuesinNorthAmerica[C]//Proc.FutureBroadcastTelevisionSummit.Shanghai：[s.n.]，2011：10-11.

[4]ATSCNewsRelease.Advancedtelevisionsystemscommitteeinvitesproposalsfornext-generationTVbroadcastingtechnologies[S].2013.

[5]ATSCNewsRelease.Advancedtelevisionsystemscommitteeinvitesproposalsfornext-generationTVbroadcastingtechnologies[EB/OL].[2015-06-12].https://en.wikipedia.org/wiki/Advanced_Television_Systems_Committee_standards.

[6]WUY，RONGB，SALEHIANK，etal.Cloudtransmission：anewspectrum-reusefriendlydigitalterrestrialbroadcastingtransmissionsystem[J].IEEEtransactionsonbroadcasting，2012，58(3)：329-337.

[7]WANGX，WUY，CARONB.Transmitteridentificationusingembeddedseudorandomsequences[J].IEEEtransactionsonbroadcasting，2004，50(3)：244-252.

[8]MATTSSONA.SinglefrequencynetworksinDTV[J].IEEEtransactionsonbroadcasting，2005，51(4)413-422.

[9]HANS，WANGJ，LIV，etal.OptimaldiversityperformanceofspacetimeblockcodesincorrelateddistributedMIMOchannels[J].IEEEtransactionsonwirelesscommunication，2008，7(6)：2106-2118.

[10]RONGB，PARKSI，WUY，etal.SignalcancellationtechniquesforrfwatermarkdetectioninanATSCMobileDTVsystem[J].IEEEtransactionsonvehiculartechnology，2011，60(8)：4070-4076.

責(zé)任編輯：時(shí)雯

Layered division multiplexing technology in broadcast television system

WANG Guangmin1，HE Dazhi1，ZHANG Liang2，LI Wei2，GUAN Yunfeng1，ZHAO Miao1，SHI Yijun3，GUO Xufeng3

(1.ShanghaiJiaoTongUniversity，Shanghai200240，China；2.NationalEngineeringResearchCenterofDigitalTelevision，Shanghai200240，China；3.CommunicationsResearchCenterCanada，OttawaK2H8S2，Canada)Abstract： The research and development of Layered Division Multiplexing (LDM) technology based broadcast television system is proposed. Thanks to supporting physical layer data streams with different power levels， channel coding and modulation schemes for different services and reception environments. Layered Division Multiplexing technology can greatly improve the spectrum utilization and flexibility. Recently， Layered Division Multiplexing has been adopted as the key technology for the next generation of ATSC PHY 3.0 standard and the best technology of the American Broadcast Television Association. In this paper， the concept of “cloud transmission” is first introduced. Then， starting from basic physical structure of LDM， the key designs of LDM system in noise and interlayer interference processing， frame designing， transmitter identification and signal canceling process is comprehensively introduced in this paper. Lastly， the performance improvement of terrestrial broadcast system brought by LDM technology is summarized.

Key words：cloud transmission； LDM； noise and interlayer interference processing； frame design； transmitter identification； signal canceling

中圖分類號(hào)：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.01.010

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61420106008)；111引智計(jì)劃(B07022)；國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2013AA013503)；上海市數(shù)字媒體處理與傳輸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海交通大學(xué)科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(Grant No. AF0300021)；上海市科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目(15DZ1100100)；國(guó)家發(fā)改委創(chuàng)新能力建設(shè)項(xiàng)目(發(fā)改辦高技[2011]2512號(hào))

收稿日期：2015-07-17

文獻(xiàn)引用格式：王廣敏，何大治，張良，等. 基于地面廣播的層分復(fù)用系統(tǒng)研究[J].電視技術(shù)，2016，40(1)：51-57.

WANG G M，HE D Z，ZHANG L，et al. Layered division multiplexing technology in broadcast television system [J].Video engineering，2016，40(1)：51-57.