ADTB-T技術(shù)的特點及應(yīng)用

國標(biāo)ADTB-T技術(shù)的特點及應(yīng)用管云峰，梁偉強(qiáng)，何大治（上海交通大學(xué)圖像通信研究所，無線通信研究所上海200030）【摘要】中國國家標(biāo)準(zhǔn)化委員會于2006年8月頒布了數(shù)字電視地面標(biāo)準(zhǔn)“《數(shù)字電視地面?zhèn)鬏斚到y(tǒng)幀結(jié)構(gòu)、信道編碼和調(diào)制技術(shù)規(guī)范》”。該標(biāo)準(zhǔn)的主要技術(shù)基礎(chǔ)之一就是上海交通大學(xué)多年積累的ADTB-T技術(shù)。本文針對我國數(shù)字電視地面廣播需求，闡述了ADTB-T技術(shù)的特點，指出了ADTB-T技術(shù)的具體內(nèi)容。本文進(jìn)一步以國標(biāo)ADTB-T技術(shù)的部分測試結(jié)果，推廣應(yīng)用情況輔證了國標(biāo)ADTB-T技術(shù)的優(yōu)勢?！娟P(guān)鍵詞】數(shù)字電視地面標(biāo)準(zhǔn)；ADTB-T技術(shù)；國標(biāo)ADTB-TTechnologyinNationalDTTBStandardYunfengGuan,WeiqiangLiang,DazhiHe(InstituteofImageCommunicationandSignalProcessing,InstituteofWirelessCommunication,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200030,China)【Abstract】AnewDTTB(digitaltelevisionterrestrialbroadcasting）Standardnamed“Framestructure,channelcodingandmodulationfordigitaltelevisionterrestrialbroadcastingsystem”waspublishedinChinainAugust,2006.ADTB-Ttechnology,whichisdevelopedbyShangHaiJiaotongUniversity,laidthefoundationsofthestandard.ThispaperwillintroducethecontentsandcharacteristicsoftheADTB-TaccordingtotherequestofChinesedigitaltelevisionterrestrialbroadcasting.LabtestingresultsofthereceiverwhichaccordwithnationalDTTBStandardandemploystheADTB-Ttechnologywillalsobegiventhispaper.【Keywords】DTTBStandard;ADTB-TTechnology;NationalStandard一、數(shù)字電視地面廣播需求1.1地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)是廣播電視體系中的重要組成部分，它與衛(wèi)星數(shù)字電視廣播系統(tǒng)和有線數(shù)字電視廣播系統(tǒng)以及其它輔助系統(tǒng)一起相互協(xié)同提供全面的受眾覆蓋。目前，我國有約2/3的用戶通過模擬無線方式接收電視號。全國共有3.5億戶家庭，其中有線接收為1.26億戶，無線接收超過2億戶，他們大多分布在城郊和農(nóng)村，這些用戶迫切需要更多更穩(wěn)定的電視節(jié)目。制定數(shù)字電視地面標(biāo)準(zhǔn)的主要目的是為廣大無線接收用戶提供可靠的數(shù)字電視接收方案和規(guī)范。國家有關(guān)主管部門也充分的看到了以上我國電視廣播體系的特點，從他們的多次公開發(fā)言中可以預(yù)見，當(dāng)明年8月后，該標(biāo)準(zhǔn)正式執(zhí)行后，地面固定覆蓋仍是主流業(yè)務(wù)，解決廣大中西部用戶看電視難將是首要解決的問題，標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用將主要集中于地面固定覆蓋上。另一方面，標(biāo)準(zhǔn)的新技術(shù)將催生新媒體，車載、樓宇、便攜的商業(yè)模式的逐漸形成，而手機(jī)電視標(biāo)準(zhǔn)將會另行制定。另外，在自然災(zāi)害、戰(zhàn)爭等情況下，較之有線電視和衛(wèi)星電視而言，地面電視是最有效的具有快速恢復(fù)廣播電視覆蓋能力的傳輸系統(tǒng)。1.2地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)的技術(shù)要求數(shù)字電視地面廣播標(biāo)準(zhǔn)研究開發(fā)和制定，首先需要最大程度滿足我國數(shù)字電視地面廣播業(yè)務(wù)需求。針對我國地面數(shù)字電視業(yè)務(wù)需求，對于地面數(shù)字電視系統(tǒng)的技術(shù)要求總結(jié)如下：覆蓋范圍要求廣電總局提出的數(shù)字電視地面廣播的各項業(yè)務(wù)需求中，對覆蓋范圍的要求是最根本的。在數(shù)字電視時代，判別覆蓋范圍能力的依據(jù)應(yīng)該是：利用現(xiàn)有的模擬發(fā)射點，以盡量小的功率發(fā)射來有效覆蓋所有的區(qū)域。影響覆蓋范圍的因素主要有以下兩點。第一，接收系統(tǒng)的靈敏度指標(biāo)是決定覆蓋范圍能力的基本指標(biāo)。越小的靈敏度要求意味著越小的發(fā)射功率能夠有效地覆蓋相同的面積。第二，發(fā)射信號峰均比指標(biāo)將決定對發(fā)射機(jī)峰值功率的要求。該指標(biāo)是實現(xiàn)上述用較小功率數(shù)字信號發(fā)射來簡單替換原有模擬覆蓋的重要因素，也是用同等發(fā)射功率來有效擴(kuò)大覆蓋的有利因素。值得注意的是，發(fā)射信號峰均比對于低成本的進(jìn)行模擬電視向數(shù)字電視過渡也是很重要的。低的峰均比指標(biāo)意味著對發(fā)射機(jī)線性度要求低，可以直接啟用模擬發(fā)射機(jī)。在以上2個指標(biāo)得到保證的前提下，才可以通過多頻網(wǎng)、局部單頻網(wǎng)、同頻轉(zhuǎn)發(fā)補點等手段完成全國的有效覆蓋。抗信道衰落能力在惡劣（頻率選擇性衰落）、動態(tài)（時變）信道情況下，數(shù)字電視接收系統(tǒng)的靈敏度指標(biāo)會有一定的惡化，甚至引起接收無條件失敗。特別在單頻網(wǎng)環(huán)境中，將增加惡劣多徑的可能性。在實驗室中，通常以抗0dB多徑的能力來檢驗接收機(jī)抗惡劣信道的能力；在瑞利信道下，以可承受的最大多普勒速度來評判接收系統(tǒng)的動態(tài)能力。頻率規(guī)劃要求在模擬電視向數(shù)字電視過渡的時期中，數(shù)字電視頻譜資源將會更緊張，只有有效的啟用鄰頻發(fā)射才能有效地提高全網(wǎng)的頻譜利用率。此時，接收系統(tǒng)將受到模擬同/鄰頻干擾、數(shù)字同/鄰頻干擾。即使在全數(shù)字電視時期，如果能夠支持鄰頻工作，將進(jìn)一步提高頻譜利用率，簡化頻率規(guī)劃過程?？鼓M同/鄰頻干擾能力、抗數(shù)字同/鄰頻干擾能力高低將決定頻譜規(guī)劃的有效性，以及能否提高頻譜的利用率。二、ADTB-T技術(shù)的本質(zhì)上海交通大學(xué)等單位提出并研制成功的高級數(shù)字電視地面廣播傳輸技術(shù)ADTB-T，是針對我國數(shù)字電視地面廣播實際業(yè)務(wù)需求及技術(shù)要求，發(fā)展的一套支持大容量、高速度、單載波移動和固定接收以及單頻組網(wǎng)的新技術(shù)。該技術(shù)在承接單載波系統(tǒng)覆蓋范圍性能好、抗同/鄰頻干擾能力強(qiáng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步的解決了抗惡劣、動態(tài)信道干擾，以及單頻組網(wǎng)的國際性難題，具有廣泛的應(yīng)用前景。ADTB-T已經(jīng)成為2006年8月頒布的國標(biāo)《數(shù)字電視地面?zhèn)鬏斚到y(tǒng)幀結(jié)構(gòu)、信道編碼和調(diào)制技術(shù)規(guī)范》的主要技術(shù)基礎(chǔ)之一ADTB-T系列技術(shù)主要包括以下部分：2.1單載波調(diào)制所謂單載波調(diào)制技術(shù)，是將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流調(diào)制到單個載波上進(jìn)行傳送，目前應(yīng)用最為廣泛的是QAM，OQAM，PSK等星座映射方式。單從調(diào)制技術(shù)本身來看，具有信號峰均比低；接收靈敏度號；對載波偏差、相位噪聲不敏感；實現(xiàn)簡單等優(yōu)點。但傳統(tǒng)的單載波技術(shù)對付信道衰落的能力較差。在國標(biāo)中，單載波調(diào)制方式已經(jīng)成為“幀體數(shù)據(jù)處理”模式中的一種，在國標(biāo)的所有支持模式中，超過一半均為單載波調(diào)制。必須指出，單純的調(diào)制技術(shù)是無法滿足數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)男枰?，還需要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、信道編解碼方案、同步與均衡算法的支持來保持單載波本身的優(yōu)勢，進(jìn)一步提高對付信道衰落的能力。2.2簡潔有效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的簡潔有利于接收系統(tǒng)的低成本實現(xiàn)，有利于快速同步與均衡。一個簡潔的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本單元至少包括3部分：確知信息、系統(tǒng)信息以及編碼數(shù)據(jù)。ADTB-T技術(shù)的一大特點就是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以“幀”為基本單元，包括幀頭（確知信息）、加強(qiáng)保護(hù)的系統(tǒng)信息、經(jīng)高效編碼保護(hù)的數(shù)據(jù)信息。幀頭應(yīng)該選擇具有偽隨機(jī)特性的序列（PN），插入的周期應(yīng)該在500微秒到1毫秒之間，序列長度應(yīng)大于判決反饋均衡器的級數(shù)，這樣既保證了傳輸效率，又能夠提高抗信道動態(tài)衰落的能力。在國標(biāo)中，滿足以上幀頭要求的幀格式如圖1：幀頭（595個符號）(78.7μs)幀體（含36個符號的系統(tǒng)信息和3744個符號的數(shù)據(jù)）（共3780個符號）（500μs）圖1國標(biāo)中簡潔的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)2.2.1幀頭格式國標(biāo)中明確規(guī)定了“幀頭模式2采用10階最大長度偽隨機(jī)二進(jìn)制序列截短而成，幀頭信號的長度為595個符號，是長度為1023的m序列的前595個碼片。幀頭信號的平均功率與幀體信號的平均功率相同?！庇捎诰馄鞒轭^的最佳維納解是：wpRw1?=（1）其中R是均衡輸入的相關(guān)矩陣，p是均衡輸入數(shù)據(jù)與期望恢復(fù)值之間的相關(guān)矢量。只有采用非循環(huán)簡潔的偽隨機(jī)二進(jìn)制序列作為幀頭，才能保證在幀頭階段（均衡器抽頭收斂的最佳時期），信道輸入的R是對角陣，這有利于信道均衡快速收斂到最佳解。幀頭功率與幀體信號的平均功率相同保證了單載波信號的低峰均比特性。2.2.2系統(tǒng)信息國標(biāo)中采用ADTB-T技術(shù)中的walsh正交序列聯(lián)合擴(kuò)頻序列的方式來保護(hù)傳輸中的系統(tǒng)信息，使得系統(tǒng)信息在多徑時變信道時有很強(qiáng)的抗衰落特性。通過該方式保護(hù)的系統(tǒng)信息具有很強(qiáng)的魯棒性，這對于未來的多模式混合新業(yè)務(wù)出現(xiàn)時，需要在不同的幀傳輸不同的模式，有很大的意義。2.3高效信道編碼方案與低階星座映射的結(jié)合近年來，隨著信道編譯碼技術(shù)的飛速發(fā)展，基于軟輸入多次迭代的信道編碼方案不斷出現(xiàn)，其代表是Turbo乘積（TPC）編碼與低密度校驗（LDPC）編碼。這2類碼都有一個特性：越是高效率的編碼，其性能越容易接近香農(nóng)限。而對于單載波調(diào)制，在均衡輸出期望已經(jīng)消除信道頻率選擇性衰落的影響，輸出數(shù)據(jù)是“白”的，更容易體現(xiàn)高效TPC與LDPC的性能。另一方面，低階星座映射能夠提供更大的歐氏距離，這對于均衡收斂帶來很大的好處。所以，高效信道編碼方案與低階星座映射的結(jié)合既保證了頻譜效率又提升了抗信道衰落的性能。在國標(biāo)中采用以下的組合就可以實現(xiàn)5.197Mbps到25.989Mbps的碼率傳輸：載波數(shù)幀頭格式星座映射方式LDPC編碼效率傳輸速率（Mbps）單載波PN5954QAM-NR0.85.198單載波PN5954QAM0.810.396單載波PN59516QAM0.820.791單載波PN59532QAM0.825.989應(yīng)該注意到，LDPC基于比特節(jié)點和校驗節(jié)點之間迭代運算的各種譯碼算法不可避免要使用大量分散的RAM塊；并且不同碼率的編碼不能像傳統(tǒng)的卷積編碼可以通過穿孔來實現(xiàn)，這將導(dǎo)致不同碼率的碼有各自的校驗矩陣，各自的解碼實現(xiàn)。所以與傳統(tǒng)的維特比譯碼與RS譯碼相比，LDPC的硬件復(fù)雜度和實現(xiàn)成本將會有較大的提高，特別在同時實現(xiàn)多種碼率的LDPC解碼時，硬件復(fù)雜度將進(jìn)一步提高，采用ADTB-T的高效信道編碼與低階星座映射結(jié)合的技術(shù)有利于接收芯片復(fù)雜度的降低。2.4基于雙導(dǎo)頻及已知序列的同步技術(shù)采用雙導(dǎo)頻技術(shù)：雙導(dǎo)頻信號僅僅占用0.2dB的信號功率，可以用于載波恢復(fù)、時鐘恢復(fù)、均衡等。采用雙導(dǎo)頻技術(shù)，可以在信道條件特別惡劣的情況下，進(jìn)行載波/時鐘恢復(fù)。下圖為國標(biāo)中添加雙導(dǎo)頻的頻譜圖。-圖2添加雙導(dǎo)頻后的頻譜圖-414-2-1023-3MHz7.56MHz8MHz在導(dǎo)頻信號不存在的情況下，可以利用PN序列來檢測一定范圍的載波偏差。對于相鄰2幀的PN頭信號，這兩段信號之間的發(fā)送延時為，由于PN序列良好的自相關(guān)性有利于分離多徑的影響，就不妨設(shè)這兩段已知信號是一段完全一樣的PN序列，記為以及1T)(tPN)(1TtPN?，其中10;tTTT≤≤<。這樣在接收端僅考慮載波偏差，這兩段信號不再相等，互相之間有12fTΔπ的初始相位偏差，如果ππ221≤ΔfT則可以通過兩段數(shù)據(jù)的相關(guān)后提取相位得到fΔ的估計。2.5改進(jìn)的均衡接收技術(shù)ADTB-T的均衡技術(shù)在傳統(tǒng)的LMS算法基礎(chǔ)上，依靠國標(biāo)中的簡潔數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，采用NR準(zhǔn)正交解映射與均衡結(jié)合的新算法，同時開發(fā)了一批專利保護(hù)的重疊結(jié)構(gòu)技術(shù)，突破了單載波抗0dB多徑、高速移動接收的難題。同時，均衡LMS算法能夠自適應(yīng)的對付單頻干擾、窄帶干擾。這是單載波技術(shù)能夠很好的對付模擬同/鄰頻（單頻）干擾、數(shù)字同/鄰頻（窄帶）干擾的理論基礎(chǔ)。三、國標(biāo)ADTB-T技術(shù)的部分測試結(jié)果與分析符合國標(biāo)參數(shù)的PN595+單載波+多載波的融合接收機(jī)在今年7月在北京已經(jīng)作了測試。測試結(jié)果表明，以交大時域技術(shù)為基礎(chǔ)的單多載波融合接收機(jī)繼承了交大長年的研發(fā)技術(shù)優(yōu)勢，與固定覆蓋性能有關(guān)的各技術(shù)指標(biāo)上與國標(biāo)的其他模式相比均有較明顯的優(yōu)勢，這些指標(biāo)包括靈敏度、抗同頻/鄰頻性能、峰均比等。同時，該融合接收機(jī)能夠支持900多公里的移動接收，遠(yuǎn)超過國標(biāo)中的其他模式。按照國標(biāo)中的要求，定義以下碼率：模式載波數(shù)幀頭格式星座映射方式LDPC編碼效率雙導(dǎo)頻交織方式傳輸速率（Mbps）低碼率單載波PN5954QAM-NR0.8有長交織5.198中碼率單載波PN5954QAM0.8有長交織10.396高碼率單載波PN59516QAM0.8有長交織20.791甚高碼率單載波PN59532QAM0.8有長交織25.989部分具體測試結(jié)果如下：3.1接收靈敏度工作模式最小信號接收電平（dBm）低碼率-99.82中碼率-95.88高碼率-89.47甚高碼率-85.91注：測試值越小，表示接收機(jī)的接收靈敏度越高。以上的測試結(jié)果完全可以滿足數(shù)字電視地面?zhèn)鬏數(shù)母采w范圍要求，其性能與目前已有的其它數(shù)字電視地面?zhèn)鬏斚到y(tǒng)相比，在傳輸相近的數(shù)據(jù)率時有1.5dB到6dB的優(yōu)勢。3.2動態(tài)多徑信道下的最大多普勒頻移測試項目名稱動態(tài)多徑信道下的最大頻移多徑模型最大頻移12徑瑞利信道649Hz注：測試值越大，表示系統(tǒng)抗動態(tài)多徑干擾和高斯噪聲能力越強(qiáng)。在使用UHF頻段時，最大多普勒頻移649Hz意味著約900公里的移動速度，而其它數(shù)字電視地面?zhèn)鬏斚到y(tǒng)已公開的最多也只有150Hz左右。3.3同頻保護(hù)率測試項目名稱同頻保護(hù)率干擾模式C/I（dB）高碼率PN595多載波PN595單載波+雙導(dǎo)頻模擬干擾數(shù)字-4.6-7.1數(shù)字干擾數(shù)字12.212.9注：測試值越小，表示系統(tǒng)的抗同頻干擾能力越強(qiáng)。從測試結(jié)果可以看出，只要采用PN595模式，并且用ADTB-T技術(shù)接收，即使是多載波也能取得較好的抗模擬同頻的能力；而采用其它模式和技術(shù)，即使是單載波性能要差7dB以上。3.4上、下鄰頻保護(hù)率測試項目名稱上、下鄰頻保護(hù)率干擾模式C/I（dB）高碼率PN595多載波PN595單載波+雙導(dǎo)頻模擬干擾數(shù)字-28.4-30.1數(shù)字干擾數(shù)字-23.6-23.6注1：調(diào)制器輸出未加濾波器；注2：測試值越小，表示系統(tǒng)的抗鄰頻干擾能力越強(qiáng)；從測試結(jié)果可以看出，只要采用PN595模式，并且用ADTB-T技術(shù)接收，即使是多載波也能取得較好的抗模擬、數(shù)字鄰頻的能力；而采用其它模式和技術(shù)，無論是單載波還是多載波性的抗數(shù)字鄰頻能力要差8dB以上，抗模擬鄰頻的能力要比PN595單載波差3dB。3.5峰值平均功率比測試項目名稱峰值平均功率比百分?jǐn)?shù)峰值功率與平均功率比（dB）高碼率低碼率PN595多載波PN595單載波+雙導(dǎo)頻PN595多載波PN595單載波+雙導(dǎo)頻99%6.445.096.504.5599.9%8.206.228.295.8599.99%9.727.019.586.56注：測試值越小，表示系統(tǒng)對功率放大器的線性動態(tài)范圍要求越低。值得注意的是，當(dāng)采用PN420或者PN945作為幀頭模式時，由于幀頭功率加倍，即使再選用單載波調(diào)制方式也不能得到峰均比低的優(yōu)勢了。四、ADTB-T技術(shù)的推廣應(yīng)用在前端發(fā)射系統(tǒng)方面，基于國標(biāo)交大技術(shù)的調(diào)制器已經(jīng)實現(xiàn)了與北廣電子、上海明珠、北京吉兆、浙大宏遠(yuǎn)、意大利泰克諾、美國哈里斯、德國羅德斯瓦茨、日本營電等十余家國內(nèi)外數(shù)字電視發(fā)射機(jī)和專業(yè)測試設(shè)備的集成，并已在上海、湖南、山東、安徽、河南等地商業(yè)運營近2年，采用國標(biāo)交大技術(shù)的發(fā)射機(jī)已實現(xiàn)銷售過百臺，總發(fā)射功率超過50千瓦。從實際商用的情況看，國標(biāo)交大技術(shù)因其具有較低的發(fā)射機(jī)非線性指標(biāo)要求、優(yōu)越的抗領(lǐng)頻性能、獨特的單頻組網(wǎng)技術(shù)等，為各地電視臺帶來了低成本、高可靠、安全、可持續(xù)運營的地面數(shù)字電視廣播技術(shù)解決方案，為國內(nèi)發(fā)射機(jī)產(chǎn)業(yè)帶來了難得的發(fā)展機(jī)遇。國標(biāo)確定后，全國各地省、市、縣廣播電視機(jī)構(gòu)紛紛主動聯(lián)系上海交大，要求使用國標(biāo)交大技術(shù)，迅速解決長期困擾當(dāng)?shù)氐挠芯€電視網(wǎng)外老百姓看電視難問題。經(jīng)過多年在全國各地大量的廣播工程技術(shù)實踐，國標(biāo)交大技術(shù)已得到了全國廣大基層廣電用戶的高度認(rèn)可，基于國標(biāo)交大技術(shù)的大面積固定覆蓋系統(tǒng)解決方案“神州家家通”受到各地基層廣電的熱烈歡迎。上海交大已建成的大面積固定覆蓋試驗示范平臺包括：湖南株洲（市縣地面電視組網(wǎng)覆蓋）、上海崇明（三島地面電視組網(wǎng)覆蓋）、河南安陽（市級地面電視覆蓋）、