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DTTP彩色电视机
1.世界各国地面数字电视广播系统发展概况
目前国际上存在四种地面数字电视广播制式他们是ATSC、DVB-T、ISDB-T、和中国的DTTB标准,如下:
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。
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。
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、单频网前端、演播室等组成,已完成广播覆盖功能,
系统一般有5个子系统组成:
编码复用子系统,包括CA子系统等;单频网前端同步子系统(对多频网系统不需要);发射台站子系统,有多台站组成,包括反愧、发射、供电、机房、环境等;监控系统,包括监控中心和发射台站本地监控系统等;节目分配传输系统,由地面传输网络和接口转换设备等组成
•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。
2.我国DTTB数字电视广播组成
2.1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)。
2.2DTTB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。
2.3DTTB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):
LDPC码是一种线性分析吗,他生成时应用到矩阵运算。
如果k位的信息码加上r为监督码元,就可以构成r个监督方程式和r个相应的校正子。
R个校正子s1-sr可形成2中状态其中除一个全0状态表示无误码外,余下的2*-1种状态能表明2r-1种误码所在位置。
编码后,码组的总长为k=r=n,只要满足2r-1种状态能表明2r-1种误码所在位置。
编码后,码组的总长为k+r=n,只要满足2r-1>n,就有可能编码除纠正一位误码的线性分组码(n,k)。
具体实施LDPC编码时,是在给定的(n,k)分组码下设计大的稀疏的LDPC矩阵,然后,对已知的信息码元产生出LDPC码的组码。
要设计出好码已获得高的编码增益(db),关键是LDPC矩阵的确定。
然而,设计中需要考虑在编码增益于解码简易之间的折中兼顾。
(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。
3.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
3.1LDPC(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。
4.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
4.1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]
4.2基于OFDM调制的多载波模式
OFDM(orthogonalfrequencydivisionmultiplexing)调制,可以追溯到本实际60年代,中期。
70年代,人们提出用离散叶变换DFT实现多载波调制,简化了系统结构,才使得OFDM技术实用化。
80年代,人们研究如何将OFDM技术应用于高数MODEM。
90年代以来,OFDM技术的研究深入无线调频信道上的宽带数据传输。
在高数无线环境下,OFDM技术的优势突出,现已被广泛应用于民用通信。
OFDM中的各个载波是相互正交的,每个载波在一个符号时间内有整数个再报周期i,且每个再报的频谱零点都和相邻再报的零点重叠,这样便减小了载波间的干扰。
由于载波间有部分重叠,所以它比传统FDMA提高了频带利用率。
为了增加数据的吞吐量,提高数据传输速度,OFDM又采用了一种称为HOMEPLUG的技术,对多有将要发送信号的载波进行合并处理,把众多的子信号合并成一个独立的传输信号进行发送。
由于将传输数据分配到许多正交的子信道上,从而可以将频谱率选择性衰落引起的突出无码分散到不相关的子信道上,改变为随机性无码,有效地减少和客服了码间干扰带来的影响
在发送端,串行码元序列先进行串并转换成N路子原D(0),D
(1),……,d(n-1),然后分别调制在N个正交的子载波f(0),f
(1)。
最后将着n路调制信号相加发送出去;接收端首先对接收信号进行采样,然后使用n个相同的子载波进行n路解调,在将这n路解调信号并串输出,复现发送的信号。
N个正交子载波频率:
Fk=fo=k/tbk=0,1,……,n-1
(1)上,组后将这n路调制信号相加发送出去:
在接受段首先对接收信号进行采样,然后使用n各相同的子载波进行N路解调,在将这N路解调信号并串输出,复现在发送的信号。
N个正交子载波频率:
则有
即d(ktb)是d(n)的(反离散傅里叶变换)。
利用DFT,不仅可以保证个子载波之间的正交性,而且可以利用其快速算法FFT来加快OFDM的调制解调速度,也便于采用超大规模集成技术.[6]
5.调制方式
5.1QAM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。
[4]
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.帧系统
6.1复帧结构
本系统的数据帧结构如图7所示,是一种四层结构。
其中,一个基本帧称为信号帧,信号帧由帧头和帧体两部分组成。
超帧定义为一组信号帧,其第一个信号定义为首帧,由系统信息的相关信息指示,其时间长度定义为125ms,8个超帧为1S。
分帧定义为480个超帧,时间长度为1分钟。
帧结构的顶层称为日帧(CalendarDayFrame,CDF),由1440个分帧,时间长度为24h。
信号结构是周期的,并与自然时间保持同步。
图7分级复帧结构
6.2信号帧结构
一个基本帧称为信号帧,信号帧由帧头和帧体两部分组成,为适应不同应用,定义了三种可选帧头长度。
三种帧头所对应的信号帧的帧体长度和超帧的长度保持不变。
对于下图8(a)的帧结构,每225个信号帧组成一个超帧;对于下图8(b),每216个信号帧组成一个超帧;对于下图8(c),每200个信号帧组成一个超帧。
信号帧包含帧头和帧体两个部分,根据帧头的不同,有三种结构。
帧头(420个符号)(55.6us)
帧体(含系统信息和数据)(3780个符号)(500us)
(a)信号帧结构1
帧头(595个符号)(78.7us)
帧体(含系统信息和数据)(3780个符号)(500us)
(b)信号帧结构2
帧头(945个符号)(125us)
帧体(含系统信息和数据)(3780个符号)(500us)
(c)信号帧结构3
图8信号帧结构
帧头模式1采用的PN序列定义为循环扩展的8阶m序列。
可由一个Fibonacci型线性反馈移位寄存器实现,经“0”到+1值及“1”到-1值的映射变换为非归零的二进制符号。
帧头模式2采用10阶最大长度的伪随机二进制序列(m序列的截短),帧头信号的长度为595个符号,是长度为1023的m序列的前595个码片。
帧头模式3采用的PN序列定义为循环扩展的9阶m序列。
可由一个Fibonacci型线性反馈移位寄存器实现,经“0”到+1值及“1”到-1值的映射变换为非归零的二进制符号。
[2]
36个系统信息符号通过复用模块与信道编码后的数据符号复合成帧体数据,其复用结构为:
36个系统信息符号连续的排列于帧体数据的前36个符号位置,如图9的结构:
4个帧体模式符号
32个调制和码率等模式符号
3744个数据符号
系统信息(36个符号)+数据(3744个符号)
图9信号帧体结构
6.3帧体数据处理
映射后3744个数据符号复接系统信息后,形成帧体,用C个子载波调制,占用的RF带宽为7.56MHz,时域信号块长度为500微秒。
C有两种模式:
C=1或C=3780;
令X(k)为对应帧体信息的符号;
当C=1时, 生成的时域信号可表示为:
在载波数C=1模式下,作为可选项,对帧头和帧体经过组帧后形成的基带数据在±0.5符号速率位置插入双导频,两个导频的总功率相对数据的总功率为-16dB。
插入方式为从日帧的第一个符号开始,在奇数符号上加上(1+j0),在偶数符号上加上(-1+j0)。
[1]
当C=3780时,相邻的两个子载波间隔为2kHz,对帧体信息符号X(k)进行频域交织(根据附录E给出的输入与输出符号的地址关系表进行),得到X(n),然后按下式进行变换得到时域信号:
7.解决系统中的多径干扰的方法
地面数字电视广播的主要问题来自于多径传播,由于地面情况的复杂性,发射的信号往往是经过多条路径到达接收端,即存在多径传播效应。
多径效应造成接收信号相互重叠,使发射信号在接收端产生畸变,影响信号传输质量。
DTTB系统常用的传输方式有单载波和多载波两种。
单载波技术采用信道均衡技术来对抗多径衰落信道所引起的码间干扰;多载波技术采用正交频分复用技术和保护间隔来对抗多径衰落信道。
OFDM技术将可用信道分成N个窄带子信道,相当于延长了窄带信号的符号持续时间,具有对抗多径衰落的优势。
但当多径信号延时大于保护间隔时,OFDM的性
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