網(wǎng)絡(luò)地面

第1章地面數(shù)字電視傳輸國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)

1.1 基本介紹

目前被國(guó)際電信聯(lián)盟(International Telecommunication Union，ITU)采納的地面數(shù)字電視傳輸標(biāo)準(zhǔn)有美國(guó)的高級(jí)電視系統(tǒng)委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)(Advanced Television Systems Committee，ATSC)、歐洲的數(shù)字視頻地面廣播標(biāo)準(zhǔn)(Digital Video Broadcasting- Terrestrial，DVB-T)和日本的地面綜合業(yè)務(wù)數(shù)字廣播標(biāo)準(zhǔn)(Integrated Service Digital Broadcasting-Terrestrial，ISDB-T)。我國(guó)的地面數(shù)字多媒體廣播標(biāo)準(zhǔn)(Digital Terrestrial Multimedia Broadcasting，DTMB)在2011年被ITU接納成為地面數(shù)字電視D系統(tǒng)，成為ITU認(rèn)可的第四個(gè)地面數(shù)字電視傳輸國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

1.1.1 ATSC系統(tǒng)

ATSC采用格形編碼的八電平殘留邊帶(Trellis-Coded 8-Level Vestigial Side- Band，8-VSB)調(diào)制。ATSC數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)是美國(guó)高級(jí)電視系統(tǒng)委員會(huì)開(kāi)發(fā)的，它是為了在單個(gè)6MHz頻道中傳輸高質(zhì)量視頻和音頻以及輔助數(shù)據(jù)而設(shè)計(jì)的，用于地面廣播和有線(xiàn)分配系統(tǒng)。它能夠可靠地在6MHz地面信道中實(shí)現(xiàn)19.4Mbit/s的數(shù)據(jù)吞吐量，在有線(xiàn)電視信道中實(shí)現(xiàn)38.8Mbit/s的數(shù)據(jù)吞吐量。有兩種有效的操作模式:8-VSB和16-VSB。其中，8-VSB"地面同播模式"便于更好地抵抗NTSC干擾，16-VSB"高碼率模式"主要用于更可靠的有線(xiàn)信道。

ATSC系統(tǒng)可以抵抗多種類(lèi)型的干擾:現(xiàn)存的模擬電視節(jié)目、白噪聲、脈沖噪聲、相位噪聲、連續(xù)波和無(wú)源反射(多徑)。系統(tǒng)提供固定的接收，不支持移動(dòng)接收。

ATSC系統(tǒng)使用單載波調(diào)制方案，即八電平殘留邊帶(8-VSB)調(diào)制，用于多頻網(wǎng)(Multi-Frequency Network，MFN)實(shí)現(xiàn)。雖然此系統(tǒng)是為6MHz頻道開(kāi)發(fā)和測(cè)試的，但它能應(yīng)用于任何信道帶寬(6MHz、7MHz、8MHz)，只是相應(yīng)地改變數(shù)據(jù)容量。ATSC在初期是不支持單頻網(wǎng)的，但是經(jīng)過(guò)技術(shù)人員的努力，目前ATSC已經(jīng)可以在單頻網(wǎng)下工作。

1.1.2 DVB-T系統(tǒng)

DVB-T采用編碼正交頻分復(fù)用(Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing，C-OFDM)調(diào)制，DVB-T系統(tǒng)是歐洲數(shù)字視頻廣播組織開(kāi)發(fā)的。DVB-T是DVB系列標(biāo)準(zhǔn)之一，其他還有衛(wèi)星(DVB-S)和有線(xiàn)(DVB-C)數(shù)字視頻廣播等，此系列標(biāo)準(zhǔn)考慮了數(shù)字視頻和音頻的傳輸，以及將來(lái)的多媒體節(jié)目。對(duì)于地面廣播，此系統(tǒng)可以在現(xiàn)存的已分配給模擬電視傳輸?shù)念l譜內(nèi)廣播。8MHz信道內(nèi)傳輸?shù)挠行舯忍卮a率在不同的信道編碼參數(shù)、調(diào)制類(lèi)型和保護(hù)間隔的組合下，可以支持4.98~31.67Mbit/s。

DVB-T系統(tǒng)不僅能夠處理高斯信道，而且也能適應(yīng)萊斯信道和瑞利信道。它能夠抵抗高電平(0dB)、長(zhǎng)延時(shí)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)多徑失真，能有效地克服延時(shí)信號(hào)的干擾，包括地勢(shì)或建筑物反射的回波，或者單頻網(wǎng)環(huán)境中遠(yuǎn)方發(fā)射機(jī)發(fā)射的信號(hào)。

DVB-T系統(tǒng)通過(guò)多種可選擇參數(shù)的組合，可以適應(yīng)大范圍的載噪比和信道特性，支持固定、便攜或者移動(dòng)接收。

DVB-T采用編碼正交頻分復(fù)用多載波調(diào)制技術(shù)，有兩種操作模式:2K模式和8K模式，分別進(jìn)行2K和8K點(diǎn)快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT)。系統(tǒng)可以選擇不同的QAM調(diào)制級(jí)數(shù)和不同的內(nèi)碼碼率，也允許兩層分級(jí)信道編碼和調(diào)制。此外，長(zhǎng)度可選擇的保護(hù)間隔允許系統(tǒng)支持不同的網(wǎng)絡(luò)配置，例如大范圍的單頻網(wǎng)(Single Frequency Network，SFN)和多頻網(wǎng)(MFN)。2K模式適用于單發(fā)射機(jī)廣播，并能很好地支持移動(dòng)接收以及具有有限發(fā)射機(jī)距離的小的單頻網(wǎng)。8K模式既能用于單發(fā)射機(jī)廣播，也能用于小的和大的單頻網(wǎng)，一般用于固定接收。

1.1.3 ISDB-T系統(tǒng)

ISDB-T系統(tǒng)是日本無(wú)線(xiàn)電工商業(yè)協(xié)會(huì)(Association of Radio Industries and Businesses，ARIB)開(kāi)發(fā)的，它系統(tǒng)地綜合了各種類(lèi)型的數(shù)字內(nèi)容，包括從標(biāo)準(zhǔn)清晰度電視(Standard Definition Television，SDTV)到高清晰度電視(High Definition Television，HDTV)的多節(jié)目視頻、多節(jié)目音頻、圖形和文本等。因?yàn)镮SDB概念覆蓋了各種服務(wù)，因此系統(tǒng)必須面對(duì)各種需求，而且一個(gè)業(yè)務(wù)和另一個(gè)業(yè)務(wù)可能是不同的。為了綜合不同的業(yè)務(wù)需求，系統(tǒng)提供了可選擇的調(diào)制、誤碼保護(hù)方案和靈活的組合，以便面對(duì)這些綜合業(yè)務(wù)的各種需求。

系統(tǒng)采用的調(diào)制方法稱(chēng)為頻帶分段傳輸正交頻分復(fù)用(Bandwidth Segmented Transmission OFDM，BST-OFDM)，由一組共同的稱(chēng)為BST段的基本頻率塊組成。每段的帶寬為BW/14MHz，這里BW是指地面電視信道帶寬(6MHz、7MHz或8MHz，依賴(lài)于所處地區(qū))。例如，對(duì)于6MHz信道，每段占據(jù)6/14MHz≈428.6kHz頻譜，7段等于(6×7)/14MHz=3MHz。在OFDM特性之外，BST-OFDM對(duì)不同的BST段采用不同的載波調(diào)制方案和內(nèi)碼編碼碼率，依此提供了分級(jí)傳輸特性。每個(gè)數(shù)據(jù)段有其自己的誤碼保護(hù)方案(內(nèi)碼編碼碼率、時(shí)間交織深度)和調(diào)制類(lèi)型(QPSK、DQPSK、16-QAM或者64-QAM)，那么每段能滿(mǎn)足不同的業(yè)務(wù)需求。許多段可以靈活地組合到一起，提供寬帶業(yè)務(wù)(如HDTV)。通過(guò)傳輸不同傳輸參數(shù)的OFDM段群，可以實(shí)現(xiàn)分級(jí)傳輸。

1.1.4 DTMB系統(tǒng)

DTMB系統(tǒng)由中國(guó)開(kāi)發(fā)，采用時(shí)域同步正交頻分復(fù)用(Time Domain Synchronous OFDM，TDS-OFDM)調(diào)制方式，它由時(shí)域同步和頻域數(shù)據(jù)兩個(gè)傳輸模塊組成。2006年8月，我國(guó)公布了用于地面數(shù)字電視廣播的DTMB標(biāo)準(zhǔn)，并已于2007年8月1日起強(qiáng)制執(zhí)行。

我國(guó)的DTMB標(biāo)準(zhǔn)具有后發(fā)優(yōu)勢(shì)，具有碼字捕獲快速和同步跟蹤穩(wěn)健、頻譜利用效率高、移動(dòng)性能好、廣播覆蓋范圍大、多業(yè)務(wù)廣播方便等優(yōu)點(diǎn)。

在信道編碼方面，DTMB標(biāo)準(zhǔn)采用了BCH碼和低密度奇偶校驗(yàn)(Low Density Parity Check，LDPC)碼級(jí)聯(lián)的形式。由于LDPC碼優(yōu)越的性能，DTMB系統(tǒng)在對(duì)抗各種干擾等方面具有非常好的性能。由于采用了TDS-OFDM的獨(dú)特技術(shù)，DTMB系統(tǒng)在同步性能上明顯優(yōu)于循環(huán)前綴編碼正交頻分復(fù)用(Cyclic Prefix-OFDM，CP-OFDM)系統(tǒng)。而且由于采用訓(xùn)練序列代替循環(huán)前綴，接收機(jī)可通過(guò)訓(xùn)練序列進(jìn)行信道估計(jì)，從而可以節(jié)省傳統(tǒng)CP-OFDM系統(tǒng)中的頻域?qū)ьl，提高了頻譜利用率。

DTMB系統(tǒng)在8MHz帶寬內(nèi)可支持4.813~32.486Mbit/s的凈載荷數(shù)據(jù)傳輸率，可支持SDTV和HDTV，支持固定接收和移動(dòng)接收，支持單頻組網(wǎng)和多頻組網(wǎng)。關(guān)于DTMB標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)內(nèi)容將在1.2節(jié)中詳細(xì)介紹。

四種地面數(shù)字電視傳輸標(biāo)準(zhǔn)主要參數(shù)對(duì)比如表1-1所示。

1.2 DTMB系統(tǒng)詳情

1.2.1 DTMB信道編碼

DTMB定義了數(shù)字電視地面廣播傳輸系統(tǒng)發(fā)送端完成從輸入數(shù)據(jù)碼流到地面電視信道傳輸信號(hào)的轉(zhuǎn)換。輸入數(shù)據(jù)碼流經(jīng)過(guò)擾碼器、前向糾錯(cuò)編碼、星座映射、交織后形成基本數(shù)據(jù)塊;基本數(shù)據(jù)塊與系統(tǒng)信息組合后，經(jīng)過(guò)幀體數(shù)據(jù)處理形成幀體;幀體與相應(yīng)的幀頭復(fù)接為信號(hào)幀，根據(jù)幀地址組幀單元構(gòu)建與絕對(duì)時(shí)間日、時(shí)、分、秒同步的復(fù)幀結(jié)構(gòu);經(jīng)過(guò)基帶后處理轉(zhuǎn)換為基帶輸出信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)正交上變頻轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào)。

DTMB的發(fā)送端原理如圖1-1所示。

1.2.2 DTMB主要參數(shù)

1.2.3 輸入接口

地面數(shù)字電視廣播傳輸系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入接口的格式定義支持標(biāo)準(zhǔn)GB/T17975―1信息技術(shù)運(yùn)動(dòng)圖像及其伴音信息的通用編碼第1部分:系統(tǒng)(GB/T17975―1―2000，idtISO/IEC13818―1―1996)。但對(duì)于載荷內(nèi)容不做定義和要求，對(duì)于輸入數(shù)據(jù)而言，DTMB實(shí)現(xiàn)透明傳輸。

1.2.4 隨機(jī)化

為了保證傳輸數(shù)據(jù)的隨機(jī)性以便于傳輸信號(hào)處理，輸入的數(shù)據(jù)碼流數(shù)據(jù)需要用擾碼進(jìn)行加擾。擾碼原理是以線(xiàn)性反饋移位寄存器理論為基礎(chǔ)的。在數(shù)字基帶信號(hào)傳輸中，將二進(jìn)制數(shù)字信息先進(jìn)行"隨機(jī)化"處理，變?yōu)閭坞S機(jī)序列，從而限制連"0"或連"1"碼的長(zhǎng)度，以保證位定時(shí)信息恢復(fù)的質(zhì)量，這種"隨機(jī)化"處理稱(chēng)為"擾碼"。在接收端解除這種"擾碼"的過(guò)程稱(chēng)為"解擾"。擾碼作為有效克服連"0"或連"1"碼的手段，在多種通信系統(tǒng)中得到應(yīng)用。

DTMB系統(tǒng)中的擾碼是一個(gè)最大長(zhǎng)度二進(jìn)制偽隨機(jī)序列。該序列生成多項(xiàng)式定義為

G(x)=1+x14+x15(1-1)

該序列的初始相位定義為100101010000000。

輸入的比特碼流(來(lái)自輸入接口的數(shù)據(jù)字節(jié)的MSB在前)與PN序列進(jìn)行逐位模二加后產(chǎn)生數(shù)據(jù)擾亂碼。擾碼器的移位寄存器在信號(hào)幀開(kāi)始時(shí)復(fù)位到初始相位。擾碼器組成如圖1-2所示。

與歐洲D(zhuǎn)VB-T不同，擾碼器對(duì)所有的輸入信號(hào)都進(jìn)行加擾，而歐洲D(zhuǎn)VB-T對(duì)幀頭是不加擾的。DVB-T的擾碼器組成如圖1-3所示。