移动数字电视相关技术研究(上)

2009-01-19 09:30:42来源: 中国数字电视论坛

引言

    随着通信和信息技术的迅猛发展,人类获取信息的发展趋势正在由固定走向移动,由语音走向多媒体。目前,能够在移动环境向大量观众提供多媒体内容的网络架构主要有三种:移动通信网络(2.5/3G);无线局域网(WLAN);地面数字广播网络。此外,DVB组织已经正式发布了为通过地面数字电视广播网络向便携/手持终端提供多媒体业务所专门制定的DVB-H标准(Digital Video Broadcasting Handheld)[1],从而使这一领域的竞争更为激烈。

    成都新光微波工程有限责任公司是我国较早研究数字电视调制及发射系统的公司,目前已成功研制出移动数字电视重要部件DVB-T调制器,正在研制DMB-T调制器,数字电视发射机已投入使用。现将移动数字电视相关技术研究心得,发表出来,与大家共勉。

1、移动数字电视的相关技术及应用

    按功能来分,数字电视系统由3大部分组成:信源部分、信道部分和信宿部分。图1给出一个数字电视系统的基本组成框图。该系统在应用中可以分为发射和接收2个子系统(图1的上下两部分)。在技术上,数字电视系统又可以分为信源和信道两部分(对应图1以复用和解复用为界的左右两部分)。

    信源编码部分包括信源(音频/视频)编码器和复用器。信源编码对视频/音频信号进行压缩编码,在一定压缩率的前提下得到最高的解码图像质量;信源部分算法主要依照MPEG-2标准(或MPEG-4标准)(多声道音频编解码还可依照杜比AC-3算法实现),视频编码器的性能对整个DTV系统的图像性能有决定性影响。复用器保证系统业务的灵活性和可扩展性,完成各种数字码流的组合、调整以及提供与各种传输网络(如电信网络、卫星传输信道、有线电视、地面发射等)相适配的接口。

    信道传输部分包括信道编码与调制、发射机、传输媒质、接收机和信道解调与解码,其中传输方式可以是CATV、卫星、地面(含MMDS/MUDS)等。根据媒质的不同在信道传输部分中将会采取不同的信道编码和调制方式,信道传输部分对应有三类标准:地面广播、卫星广播和有线电视(包括HFC和MMDS)。由于地面广播信道的条件十分不理想,各种干扰和杂波使信号的差错率增加、业务质量下降,为了更有效地克服恶劣的环境,同时还支持移动接收,地面广播信道所采用的技术相对其他两类要复杂。本节主要阐述地面数字电视广播的相关技术。

图1 数字电视系统的基本组成框图

1.1 数字电视地面传输标准

    如前文所述,信道传输部分的任务是在给定传输带宽并考虑传输信道所存在的各种干扰的前提下,保证最大容量数据流的正确传输,它是一个相对于信源透明的数据码流传输公共平台,与所传输的数据内容无关。数字信号的编码与调制方式决定了信道传输部分的主要性能,采用不同编码与调制方式构成了各国数字电视地面传输标准的不同。

1.1.1 国外电视地面传输标准

    目前国际上共有三套成熟的数字电视地面传输标准,即: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”(8-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),日本1999年提出的地面综合业务数字广播(ISDB-T)。

    美国ATSC 8-VSB系统。ATSC采用的8电平残留边带调制方式,它是有导频的单载波调制,也是对现有成熟AM调制技术的发展。它能够可靠地在6 MHz内用8-VSB调制传输19.36 Mbps的数据。8-VSB系统加入了0.3dB的导频信号,用于辅助载波恢复,并加入了段同步信号,用于8-VSB系统同步。系统噪声门限低(理论值≈14.9 dB),抗多径和抗干扰的能力依赖于复杂的自适应均衡器,但对回波时延变化很敏感。系统提供固定的接收,不支持移动接收。

图2 DMB-T系统发射端结构框图

DMB-T的技术特性。DMB-T的设计目标是实现多媒体信息在室内外、固定、移动和便携单向广播和双向通信。DMB-T系统的传输协议基于TDS-OFDM的多载波调制技术,主要有以下特点:

    a、分级的帧结构。其帧结构是分级的,分为信号帧、帧群、超帧和日帧。一个基本帧结构称为一个信号帧。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到254,信号帧号(FN)被编码到当前信号帧的帧同步序列中。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。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00:00:00AM,物理信道帧结构被复位并开始一个新的超帧群。DMB-T系统的物理信道是周期的,并且可以和绝对时间同步,从而可使接收机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信息时才进入接收状态,从而达到省电的目的。其帧结构如图3所示。

    b、快速同步。一个信号帧由帧同步和帧体两部分组成。帧同步信号采用沃尔什编码(Walsh Code)的伪随机序列,能实现多基站识别,它包含前同步、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,可利用帧同步对信号帧进行识别。DMB-T系统采用TDS-OFDM调制方案,其采用沃尔什编码的扩频伪随机序列同步头,能够实现快速同步。DMB-T系统的同步时间约为5ms,而其它数字电视标准的同步时间却在100ms以上;并且,其同步抗干扰能力强,能在-20dB信噪比下可靠恢复同步。

图3 DMB-T传输系统的帧结构

    c、可选保护间隔。DMB-T系统有6种可选的保护间隔,即可选为DFT块大小的0、1/6、1/9、1/12、1/20、1/30。保护间隔中插入PN序列作为帧头。

d、接收性能好。DMB-T系统中使用RS(209, 187)内码。在RS编码器中,信息数据以8b组成一个字节进行处理,每个MPEG-2 TS复用包去除同步字节并加扰后,加入22个纠错字节,可纠11字节以内的误码,并可对超出纠错能力的误码给出报警信息。RS编码器后跟随一个卷积交织器,进一步增强了外码的抗干扰能力。卷积交织在RS复用包间进行,交织深度和宽度采用(19, 22)。时域交织能将解码后的连续误码分散到不同的RS码字中,使其不超出RS码的纠错能力。

    e、适应性强。实际中,存在着各种各样的应用环境、需求和数据类型。为了适应情况的差异,系统还采用了内码编码,可以选格形码(TCM)、卷积码、Turbo-TCM码、分组乘积码BPC(3762, 2992),并组合各种调制方式如QPSK、16QAM、64QAM。

    f、出色的移动接收能力。外码和内码编码器构成纠错编码器,其后连接一个帧间时域卷积交织器和帧内频域交织器。其中时域卷积交织器有0、(19, 132)、(19, 396)、(19, 2750)四种交织深度,可更好地支持移动接收和减小VHF频带内脉冲噪声的影响。内码和外码交织器具有相似的结构,但是两者的缓存器大小不一样。频域交织在OFDM载波间进行,深度为3780个子载波。

    g、抗噪声干扰能力强。利用时域插入序列进行信道性能估计,采用信道冲激响应算法,使之受噪声干扰影响小、算法复杂度低、估算精度高。

    h、建网成本和运营成本低。DMB-T传输协议基于现有的电视广播体系结构,一旦电视台从模拟传输转到数字传输,业务提供者就可开始数据广播业务运营。随着用户和传输内容的增加而容量成为问题时,可以通过逐渐建设蜂窝网提高网络容量。DMB-T传输协议应用模式是一种广播和点对点服务的混合模式,公共信息以非常低的成本传送给各个消费者,这使得DMB-T解决方案的运行成本较低。

    i、其它特点包括:与现有电视广播的传输频率兼容;DMB-T传输协议在8MHz电视频道中,最大净荷码率高达33Mb/s,能够满足HDTV广播要求;同时也使DMB-T既能用于DTV广播,也可用于数据通信;DMB-T传输协议支持单频网。

 

2 DVB-T传输系统

    DVB-T传输系统框图如图4所示。

    我们先观察发射端的信号流程。DVB-T采用COFDM调制方式,主要经过以下过程[4]:

    (1) 信源编码及复用。对多路数字视频/音频传输流及数据进行复用,合成多节目传输流(MPTS)。复用器的输出信号传送到DVB-T的调制器(激励器)进行信道纠错及OFDM调制。

    (2) 单频网适配器。该设备的作用是将来自全球定位系统(GPS)的标准频率及时间插入到数字电视传输流当中,为单频网(SFN)提供标准频率及时间信号,当采用多频网(MFN)时该设备可以省略。

(3) 等级调制。从单频网适配器出来的信号被一分为二,DVB-T根据传输环境的不同,分别实行不同的信道纠错

[1] [2] [3]

关键字:信源编码  传输标准

编辑:王婷婷 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/szds/2009/0119/article_503.html
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