数字电视地面广播国标单多载波融合接收方案

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  引言
  
  中国数字电视地面广播标准,经过国人十余年的努力,终于顺利出炉。2006年8月,国家标准化管理委员会颁布了具有完全自主知识产权的数字电视地面广播国家标准GB20600-2006,又称为DTMB,一改以往数字电视地面广播标准混乱的局面,为中国数字电视地面广播指明了方向,极大地促进了产业化进程的加速。DTMB系统具有接受信号质量高、支持高速移动、抗干扰性强、覆盖面积大、频谱利用率高的特点。
  DTMB对中国地面数字电视广播传输系统(Digital Terrestrial Tele-vision Broadcasting,DTTB)的帧结构、信道编码和调制方式作了具体的规定。该标准主要融合了上海交大的ADTB-T单载波方案和清华大学的DMB-TH多载波方案,集成了两种模式各自的优点,提供了多达330种应用模式,支持从标清到高清共33种数据速率,使不同的省份、不同的地区可依据各自的实际需求,灵活选择不同的方案和模式:从成本出发,选择发端设备,接收机设备和已有网络设备及对升级等;从应用环境出发,中国幅员辽阔,地貌结构差异大,城市,海滨,平原,内陆和丘陵地区对发射信号有着不同的需要。
  本文从DTMB系统分析入手,讨论了单多载波的不同特点、传统接受方法和融合的难点,提出了一种全新的、真正意义上的单多载波融合接收方案。
  
  DTMB分析
  
  模式和帧格式如图1所示,DTMB系统融合了单载波和多载波调制技术,集成了单多载波方案各自的优点,同时支持4QAM,4QAM-NR,16QAM,32QAM和64QAM 5种调制模式,2种时域交织模式,3种LDPC码率,3种PN序列帧头,2种载波模式。
  DTMB数据帧分为日帧,分帧,超帧和信号帧。超帧由若干信号帧组成,1个超帧长125ms,1个分帧由480个超帧组成,1个日帧由1440分帧组成。信号帧是帧结构的基本单元,一个信号帧由帧头和帧体两部分时域信号组成,帧头和帧体信号的基带符号速率相同,都是7.56Msps。帧头均采用伪随机PN序列,有420、595、945三种模式,其中420、945具有循环扩展结构。帧体包括系统信息(36个符号)和数据信息(3744个符号)。170信号帧或510信号帧跨度的时间交织,使得系统能有效地对付快速移动引起的时间选择性衰落。
  
  融合统一性
  DTMB单多载波两种模式拥有统一的参数配置结构,都采用了PN序列加数据主体的信号帧结构:用PN序列替代传统OFDM系统的保护间隔部分,方便接收端进行同步、信道估计、帧头模式快速检测以及稳定的同步跟踪在主体部分传送有效数据及控制信号,方便接收用户的随机接入。由于在数据主体部分不需要辅助导频信号,从而提高了传输系统的频谱利用效率。辅助导频信号信道估计,难免存在估计误差,而连续的PN序列提供了精确估计信道的能力,从而可以极大地提高抗噪声干扰及跟踪性能。针对国内复杂的广播应用环境,DTMB采用了纠错能力强的信道编码技术——LDPC,亦能进一步显著此系统性能。
  从表1 DTMB和DVB-T的比可以看出,DTMB在实现复杂度大大降低的情况下,提供了比DVB-T更好的性能指标。
  N=3780或N=1可选项方案的成功融合主要体现在以下六个方面的统一:
  ★信号带宽统一:7.56MHz
  ★信号定时统一:30.24MHz
  ★传输码率统一:4.813~32.486Mbps
  ★系统参数定义统一:36个子载波,QPSK调制
  ★帧结构统一:日帧,分帧,超帧和信号帧
  ★功能模块统一:扰码、纠错编码、映射、交织、PN序列
  另一方面,如图3所示,国标与国外现有标准具有相同的外围接口,因而具有很强的兼容特性。
  
  单多载波模式
  DTMB单载波调制,是将需要传输的信息流调制到单个载波上进行传送,信号占用的有效带宽为7.56MHz,作为可选项,可以对组帧后形成的基带数据插入双导频。
  常见的多载波调制为正交频分复用调制(OFDM),它将需要传输的高速信息流分成N个并行的低速子信息流,然后同时将这N个信息流分别调制到N个正交的子载波上进行传输。DTMB多载波调制,采用了3780个子载波的正交频分复用调制,所有正交子带的和占据了分配的7.56MHz有效带宽,相邻两个子载波的间隔为2KHz,对帧体信号符号进行频域交织后,再进行到时域的映射。
  成功融合单多载波调制技术后,DTMB系统主要特点如下:
  ★系统性能更稳健:独特的专利技术体系,快速的码字捕获和稳健的同步跟踪。
  ★信息容量更大:传输系统的频谱利用效率提高了10%,同步保护增益提升了20dB以上。
  ★移动性能更好:信道估计速度提高一倍,信号捕获延时缩短二十倍,实现了单天线高清电视移动接收。
  ★广播覆盖性能更好:信噪比门限改善10%~50%,同等发射功率下可接收范围扩大一倍。
  ★多业务广播更方便:每500微秒的信号帧都有独特的帧地址,可开展双向、个性化、多业务广播。
  ★单频网设备更简单.更可靠:和绝对时间同步使单频网同步设备更简单可靠。
  
  单载波特点
  传统的单载波调制具有信号峰均比低,接收灵敏度好,对载波频偏、相位噪声不敏感,实现简单等优点,但其对码片定时要求较高,时域均衡实现复杂度高。DTMB单载波调制技术在保持传统单载波的基础上,在帧头格式、同步、均衡方面作了可靠的处理。从DTMB支持的单载波模式来看,帧头可以是420、595、945中的任意一种,目前在实际单载波应用中主要采用的是595帧头。
  单载波595帧头具有以下特点:
  ★帧头长度既能保证传输效率,又能够提高抗信道衰落的能力
  ★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,对发射机的功率/性能要求低
  ★非循环的伪随机序列有利于信道均衡快速收敛到最佳。
  ★在没有导频的情况下,利用PN序列来检测载波频偏,如果是在应用环境恶劣的情况下,单载波方案提供了仅占0.2dB信号功率的双导频选项,供接收端载波恢复、时钟恢复与均衡。
  ★在595帧头模式下,采用Nordstrom Robinson准正交编码与均衡,对抗OdB多径、移动性、单频干扰都有性能上的提升
  ★单载波提供了天然对单频网的支持,无须额外的GPS设备,不但方便单频网的布局,有利于频谱规划,同时可增加范围,减小发射功率。   
  多载波特点
  DTMB多载波采用的是拥有自主知识产权的时域同步正交频分复用(TDS-OFDM)调制技术,目前实际应用的多载波方案提供了420和945两种不同的帧头模式。
  多载波调制尽管信号峰均比高,对载波频偏、相位噪声敏感,但也极具特色:
  ★对码片定时要求非常低。
  ★只需在频域的单抽头均衡,因而实现复杂度低。
  ★提供了420,945两种帧头,可以根据数字广播实地的情况灵活选择,既可以减少同步序列、提高传输效率,也可以在增加不多同步序列的情况下,有效提高接收端的同步跟踪能力。
  ★420、945帧头功率是帧体信号平均功率的2倍,有利于PN序列的快速检测和信号的跟踪。
  ★3780多载波调制技术,可以有效地提高抗多径干扰能力和移动接收性能,无疑多载波调制技术在地形复杂区域具有一定的优势。
  
  DTMB单多载波传统接收方法
  
  无线地面数字广播接收系统不同于有线广播系统,其信道有着特有的复杂性:
  ★在目前模拟数字共存的情况下,实际应用环境中的接收机除了存在各种各样的噪声如热噪声、脉冲噪声及散弹噪声外,还有同频及邻频模拟干扰信号的存在。
  ★由于需要支持大范围覆盖,静态多径效应非常明显,需要考虑由反射,衍射,散射引起的多径传播,会引起频率选择性衰落,要求系统具有比一般移动通信系统更强的抗时延扩展能力。
  ★由于需要支持车载等移动应用,动态多径条件下由多普勒引起的频移特性,会引起时间选择性衰落,要求系统具有较宽的交织能力及对时变信道的快速跟踪能力。
  要对付恶劣的无线传输信道,单载波系统一般需要利用训练序列进行时域均衡,通常适用于窄带数字通信系统,如GSM移动通信系统。在信道时延扩展特性不变的情形下,宽带数字通信系统,由于码片时间宽度变窄,信道将具有很强的频率选择性特性,意味着时域均衡横向滤波器将需要非常多的抽头数目,同时通常至少具有两倍于最大时延扩展径的抽头数目,从而极大地增加了系统时域均衡实现的复杂度,如图4所示。更为糟糕的是,在移动环境下,由于信道的时变特性,要求时域均衡系统具有自适应的信道跟踪能力,即需要很高抽头数目的时变自适应滤波能力。
  OFDM系统具有很强的抗多径能力,在频域仅需极其简单的单抽头频域均衡,因此宽带传输系统,在信道恶劣的条件下通常选用频域处理的OFDM系统。但对于DTMB多载波模式的TDS-OFDM系统,通常在时域要进行干扰抵消处理,如图5所示,需要对获取的时域信道进行内插处理,也具有较高的复杂度。
  综上所述,用传统单多载波接收方法各自实现接收方案,其难度也是很大的,加上单多载波完全不同的均衡原理,成为了融合接收方案实现的最大障碍。
  
  DTMB单多载波融合接收方案
  
  由于单多载波调制方式的原理不同,采用传统接收方法很难融合,因此同时支持单多载波业界普遍的做法是设计两套独立的算法再做简单的电路叠加,由此不仅带来了电路的复杂度,使得芯片的设计周期增长,还使信道解码芯片的面积大幅增加,成本提升,不利于市场化。卓胜微电子经过不到一年的研发,创造性地发明了在不需要增加额外逻辑的情况下,实现国标单多载波融合接收方案,如图6所示:
  时域处理,包含同步、跟踪、信道估计和自动模式检测功能。芯片支持盲模式自动检测,能快速识别420(固定/旋转相位),595、945(固定/旋转相位)不同的帧头以系统信息。
  频域处理,包含任意点傅里叶变换、频域解交织。芯片采用了高效低复杂度的任意点傅里叶变换,对于单载波和多载波,用的是同一套逻辑电路,不需要作任何额外的处理。对于多载波模式,需要额外的频域解交织模块。
  QAM解调功能支持解调4QAM、4QAM-NR、16QAM、32QAM、64QAM。符号解交织支持240、720两种模式,通过静态存储器和动态存储器的有机结合,动态存储器的带宽效率提高,大大缩短对动态存储器的访问频率,从而有效地降低了功耗。
  前向纠错处理,包含LDPC解码,BCH解码和解扰。通过简洁高效的流水线设计,在不耗费大量存储器的前提下,增加的迭代次数大大提高了纠错功能。
  标准的12C接口与调谐器和上层实现控制通讯。高度灵活可配的MPEG2 TS接口可以与不同的信源解码芯片实现快速整合。
  
  DTMB单多载波融合接收方案的特色
  
  卓胜微电子公司开发的单多载波融合接收方案经由算法仿真、实验室测试和各种环境下的场测显示,具备完善的功能和出色的性能:
  ★真正融合的单多载波实现方案。在不增加任何接收机复杂度的前提下,通过灵活的参数配置,支持DTMB 330种全模式配置。
  ★支持自动盲模式检测及全频信号搜索快速,频道捕获快速稳定,不需要任何的用户干预,芯片能自动搜索全频信号,实现PN序列的监测和频道捕获。这种自动模式识别使得任何一款集成该芯片的接收机能在广播不同DTMB模式的地区即搜即用。
  ★高效低复杂度的任意点傅里叶变换实现。传统的设计思路基于7.56MHz的带宽,通常会采用3780点FFT。本设计通过任意点傅里叶变换技术的革新和实现,巧妙地避免了复杂的3780点FFT的逻辑电路,简化了逻辑电路的实现,降低了功耗。
  ★超强的邻道选择能力(Adjacent Channel Selectivity,ACS)。DTMB工作在特高频UHF(300-3000MHz)和甚高频VHF(30-300MHz)频段上,由于对应频段范围的复杂性,邻道选择能力就尤为关键。
  ★超强的载波频偏和采样频偏的纠正能力。
  ★快速高效的信道估计,支持高速移动的能力。
  ★鲁棒的信道跟踪能力,使得系统能有效地对付长时间的脉冲干扰。
  ★准确可靠的信道识别算法,使得该系统能够对付复杂的信道。
  ★高效简洁的去干扰算法,造就很强的抗信道时延扩展能力。
  ★很强的抗单音干扰能力。
  ★支持任意中频频点及零中频的能力,方便与任意调谐器配合使用。
  
  结论
  
  作为有线和卫星数字电视广播的重要补充和延伸,地面电视广阔的发展前景为业界所看好。但是自标准诞生以来,一直缺少一个真正的融合接收芯片方案,制约了整个产业链的整合和腾飞。
  卓胜微电子单多载波融合接收单芯片方案具有独创的算法,其功能模块的真正复用大大减小了芯片的面积,解决了DTMB单多载波接收无法有效 融合的历史性技术难题。对于电视机和机顶盒厂商,卓胜微电子的这个方案同时解决了两个最大的问题:
  1)真正意义上支持全国标330模式的数字电视地面广播接收方案,采用了卓胜微电子单芯片的系统,能自动工作在任意一种模式下;对于电视机厂商,一体机方案不再遥不可及{对于机顶盒厂商,可以在全国各地销售同一套接收设备。融合的接收芯片,统一的一体机、机顶盒设备,为系统厂商开发、库存、营销和售后服务等多个方面提供了极大的便利。
  2)芯片面积的减小降低了芯片成本,系统厂商可以有效控制整机方案的成本,并最终让终端消费者受益。
  从FPGA仿真平台,到实际芯片的功能与性能测试,都表明该方案复杂度低、功耗低、成本低、性能出众,是完全切实可行的。
  
  资料链接
  
  中国地面数字电视布网布局情况
  [北京]中央电视台高清综合频道,用33频道在北京地区播出,采用单载波、PN595、16QAM0.8的调制方式。广电总局考虑模拟电视向数字电视过渡的同播业务需要,用32频道,采用多载波、PN420、16QAM0.6的调制方式在北京地区播出数字标清节目,即把CCTV-1/2/少儿/音乐、BTV-1以及CETV-3等中央电视塔正常播出的6个模拟无线频道的节目打包复用到32频道。
  [上海]SMG将于2008年2月1日开始用单载波模式开播高清体育电视频道,独家转播NBA。并陆续开通第一财经、音乐、新闻娱乐等频道。
  [香港]07年12月31日开通覆盖范围包括九龙半岛、香港岛北部、沙田部分地区和大屿山东部,覆盖人口约占香港总人口的一半。“无线电视”与“亚视”共同兴建了6个分布于慈云山、南丫岛、九龙山、金山.青山、云山数字广播发射塔。两家电视台准备了4套标清频道和2套高清频道。
  [其他已开播地区]——香港、重庆、河北省(石家庄、保定,邯郸、唐山、沧州、张家口、邢台、秦皇岛)、山西省(太原),辽宁省(大连)、黑龙江省(哈尔滨、齐齐哈尔、大庆、伊春、牡丹江、肇东、拜泉)、湖北省(武汉、丹江口)、江苏省(南京、无锡、苏州)、浙江省(宁波)、山东省(青岛)、福建省(厦门)、四川省(成都、德阳)、云南省(昆明)、广东省(广州、珠海、深圳)、河南省(郑州)、贵州省(贵阳)、湖南省(长沙、株洲)等。
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