房海東,王 謙,康 寧,潘長勇
(1.北京數(shù)字電視國家工程實(shí)驗(yàn)室,北京 100191;2.清華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100084)
具有自主知識產(chǎn)權(quán)的中國數(shù)字電視地面廣播傳輸系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)——《數(shù)字電視地面廣播傳輸系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)、信道編碼和調(diào)制》(DTMB)于2007年8月1日起正式實(shí)施。此國家標(biāo)準(zhǔn)為強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn),是地面無線電視的基礎(chǔ)性標(biāo)準(zhǔn)。相繼于歐洲的DVB-T、美國的ATSC和日本的ISDB-T三種國際地面數(shù)字電視廣播(DTTB)標(biāo)準(zhǔn),DTMB于2011年12月正式被國際電聯(lián)認(rèn)可,成為第四個(gè)國際DTTB標(biāo)準(zhǔn)。目前,DTMB以其系統(tǒng)容量大、傳輸能力強(qiáng)、覆蓋范圍廣等優(yōu)勢而迅速發(fā)展和普及。DTMB在頻譜利用率、接收門限、支持多業(yè)務(wù)、單頻網(wǎng)組網(wǎng)方面,比DVB-T,ATSC和IS?DB-T都有一定的技術(shù)優(yōu)勢[1-4]。
通過近幾年的DTMB標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用,并對多種接收機(jī)進(jìn)行了大量的數(shù)據(jù)測試,本文給出了DTMB標(biāo)準(zhǔn)的兩個(gè)性能優(yōu)化方向,同時(shí)也給出了在現(xiàn)有DTMB標(biāo)準(zhǔn)下,接收機(jī)應(yīng)解決的技術(shù)難點(diǎn),相關(guān)結(jié)果為進(jìn)一步優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)或者優(yōu)化DTMB標(biāo)準(zhǔn)接收機(jī)提供了重要參考。
信號幀是系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)的基本單元,一個(gè)信號幀由幀頭和幀體兩部分時(shí)域信號組成。幀頭和幀體信號的基帶符號率相同(7.56 MS/s)。幀頭部分由PN序列構(gòu)成。幀頭信號采用I路和Q路相同的4QAM調(diào)制。幀體部分包含36個(gè)符號的系統(tǒng)信息和3 744個(gè)符號的數(shù)據(jù),共3 780 個(gè)符號。幀體長度是500 μs(3 780×1/7.56 μs)。
為適應(yīng)不同應(yīng)用,定義了3種可選幀頭模式以及相應(yīng)的信號幀結(jié)構(gòu),詳見圖1。3種幀頭模式所對應(yīng)的信號幀的幀體長度保持不變。
1.2.1 幀頭模式1
幀頭模式1采用的PN序列為循環(huán)擴(kuò)展的8階m序列,經(jīng)0到+1及+1到-1的映射,變換為非歸零的二進(jìn)制符號。幀頭信號(PN420),由一個(gè)前同步、一個(gè)PN255序列和一個(gè)后同步構(gòu)成,前同步和后同步定義為PN255序列的循環(huán)擴(kuò)展,如圖2所示。對PN420來說,幀頭信號的平均功率是幀體信號平均功率的2倍。
1.2.2 幀頭模式2
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(gè)符號,是長度為1 023的m序列的前595個(gè)碼片。與幀頭模式1一樣,通過映射變換為非歸零的二進(jìn)制符號。對PN595來說,幀頭信號的平均功率與幀體信號的平均功率相同。
1.2.3 幀頭模式3
幀頭模式3采用的PN序列定義為循環(huán)擴(kuò)展的9階m序列,其定義類似于PN420,如圖3所示。同樣,對PN945來說,幀頭信號的平均功率是幀體信號平均功率的2倍。
在DTMB現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)中,對于PN420和PN945來說,幀頭信號的平均功率是幀體信號平均功率的2倍。幀頭作為保護(hù)間隔,其功率的加倍將對DTMB信號的峰均功率比有改善。對接收機(jī)而言,由于信道檢測、信道同步都是通過保護(hù)間隔完成的,因此幀頭信號功率的加倍提高了接收機(jī)檢測DTMB信號的靈敏度。隨著接收機(jī)技術(shù)的不斷成熟,這兩項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)已不再突出。
對接收機(jī)而言,保護(hù)間隔是不攜帶有效信息的。保護(hù)間隔的作用使得接收機(jī)能完成信道同步、信道估計(jì)等功能。在同一信道下,假定長度為3 780的幀體部分的接收機(jī)最小接收載噪比門限為Cmin/N=A0=10log(Ps/N0)。其中Ps為符號長度為3 780的幀體信號(500 μs)功率,N0表示長度為500 μs內(nèi)的噪聲功率。
對于幀頭模式2,對于同一信道的接收機(jī)而言,用一個(gè)信號幀來分析其載噪比門限Cmin/N(595),信號幀的能量為(3 780+595)/3 780×Ps,而一個(gè)信號幀的噪聲能量為(3 780+595)/3 780×N0。對于連續(xù)的DTMB信號,幀頭模式2的Cmin/N(595)可近似為
Cmin/N(595)=10log(4 375×(Ps/N0)/4 375)=A0(1)
對于幀頭模式1,同樣用一個(gè)信號幀來分析其載噪比門限Cmin/N(420),信號幀的能量為(3 780+420×2)/3 780×Ps,而一個(gè)信號幀的噪聲能量為(3 780+420)/3 780×N0。對于連續(xù)的DTMB信號,幀頭模式1的Cmin/N(420)可近似為
同樣,對于幀頭模式3,同樣用一個(gè)信號幀來分析其載噪比門限Cmin/N(945),信號幀的能量為(3 780+945×2)/3 780×Ps,而一個(gè)信號幀的噪聲能量為(3 780+945)/3 780×N0。對于連續(xù)的DTMB信號,幀頭模式3的Cmin/N(945)可近似為
從上述理論分析看,保護(hù)間隔平均功率的增加,造成了接收機(jī)最小接收載噪比門限的增大,對接收機(jī)的接收性能有少許惡化。
在現(xiàn)有接收機(jī)下,無法更改幀頭的功率,因此針對同樣的糾錯(cuò)編碼,同樣的星座圖調(diào)制模式,不同的保護(hù)間隔下,對不同接收機(jī)進(jìn)行了大量的數(shù)據(jù)測試。測試結(jié)果表明,幀頭功率加倍的PN420的最小接收載噪比門限大于幀頭功率與幀體功率一致的PN595模式的最小接收載噪比門限,而小于幀頭功率加倍的PN945的最小接收載噪比門限。表1所示為16QAM/FEC0.8/TI720在不同幀頭模式下的C/N,表2所示為64QAM/FEC0.6/TI720在不同幀頭模式下的C/N。表3為同一接收機(jī)不同幀頭模式的多種工作模式下的接收機(jī)的最小C/N門限。
表1 不同幀頭模式16QAM/FEC0.8/TI720時(shí),不同接收機(jī)的C/N門限
表2 不同幀頭模式64QAM/FEC0.6/TI720時(shí),不同接收機(jī)的C/N門限
表3 不同幀頭模式的多種工作模式下同一接收機(jī)的最小C/N門限
F
通過上述對比測試數(shù)據(jù)可知,PN945的載噪比C/N門限明顯大約PN420的門限,而PN420的載噪比C/N門限也明顯高于PN595。可見保護(hù)間隔平均功率的增加,造成了接收機(jī)最小接收載噪比門限的增大。對接收機(jī)的接收性能有少許惡化。
在DTMB現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)中,對于PN420和PN945來說,幀頭信號均有一個(gè)M序列循環(huán)擴(kuò)展而成的前同步和后同步。對有接收機(jī)而言,幀頭的前后同步不但可以很好地發(fā)揮保護(hù)間隔的作用,而且在多徑信道中,可以很好地保護(hù)主徑信號,使得信道同步和信道估計(jì)算法更簡單。隨著接收機(jī)技術(shù)的不斷成熟,這項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)亦不再突出。
而對于接收機(jī),對于兩徑的時(shí)變信道而言,假定接收機(jī)收到的第一個(gè)信號為靜態(tài)徑,而同時(shí)也收到第二個(gè)信號徑,其強(qiáng)度與第一個(gè)信號徑一樣,且為時(shí)變信號,即存在強(qiáng)多普勒情況,此時(shí)如果兩個(gè)徑的延時(shí)相對較大,則存在難以處理的情況。圖4所示為兩個(gè)信號徑的幀頭在時(shí)域上的疊加情況。
在接收端,接收機(jī)收到的信號S(t)是兩徑信號的疊加信號。通過接收端已知PN對接收信號進(jìn)行卷積運(yùn)算的信道估計(jì)時(shí),已知PN的循環(huán)擴(kuò)展(前同步和后同步)會產(chǎn)生同樣效果的相關(guān)峰。當(dāng)兩徑的信號強(qiáng)度相同且為時(shí)變信道,當(dāng)兩徑的間隔較小時(shí),接收機(jī)很容易估計(jì)出相對穩(wěn)定的主徑,因而接收機(jī)將會對此種信道具有良好的魯棒性。但當(dāng)兩徑的信號強(qiáng)度相同且為時(shí)變信道,當(dāng)兩徑的間隔較大時(shí),由于前同步和后同步與PN序列一樣,會產(chǎn)生同樣效果的相關(guān)峰,接收機(jī)在高階調(diào)制模式下(例如64QAM)將很難辨別此種時(shí)變信道。要解決此種信道,將加大接收機(jī)的設(shè)計(jì)難度,目前,已有能夠很好地解決此種信道的接收機(jī)上市。
對于PN420來說,當(dāng)動態(tài)徑延時(shí)約超過(82+255)/2=168個(gè)符號時(shí),接收機(jī)將變得較難處理,而這個(gè)時(shí)間理論上為22.2 μs。對于PN945來說,由于保護(hù)間隔本身較長,在實(shí)際應(yīng)用中基本不受影響,本文未對PN945的情況進(jìn)行深入研究測試。
在實(shí)驗(yàn)室中,設(shè)定徑1信號為靜態(tài)徑,徑的損耗為0 dB,信號徑延時(shí)為0 μs;設(shè)定徑2信號為純多普勒徑,第二徑的多普勒固定為20 Hz,其延時(shí)為變量。測試幀頭模式為PN420的接收機(jī),當(dāng)?shù)诙窖訒r(shí)較小時(shí),基本上所有接收機(jī)都可正常工作。而隨著第二徑延時(shí)的增大,當(dāng)其延時(shí)超過20 μs后,基本所有接收機(jī)都不能工作。同時(shí),也測試了第二徑在不同延時(shí)下,不同接收機(jī)能夠處理的最大多普勒,其測試結(jié)果如表4所示,其測試模式的工作模式為PN420/64QAM/FEC0.6/TI720,測試所用頻道為12頻道(474 MHz)。從表中的測試結(jié)果看,大部分的接收機(jī)很難處理20 μs以上的時(shí)變多徑。測試結(jié)果同時(shí)也表明,已經(jīng)上市的產(chǎn)品中,已有可以較好解決此問題的能力。
表4 不同接收機(jī)適應(yīng)時(shí)變信道的能力
本文通過理論分析,保護(hù)間隔的平均功率是幀體信號平均功率的2倍,將一定程度地弱化接收機(jī)的接收性能,而實(shí)際的測試數(shù)據(jù)也證明了這一點(diǎn),故建議所有保護(hù)間隔的平均功率與幀體信號平均功率一致。以PN循環(huán)擴(kuò)展作為幀頭模式的前同步和后同步,對某些特定的信道下,其魯棒性會降低,而測試數(shù)據(jù)也支持這一點(diǎn)。而要解決好這種特定的信道,將增加接收機(jī)的設(shè)計(jì)難度,故建議所有幀體采用全M序列的縮短碼。
現(xiàn)有的DTMB標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)優(yōu)于國際上其他的3種DTTB標(biāo)準(zhǔn),加上DTMB標(biāo)準(zhǔn)在廣泛推廣,足以顯示其優(yōu)越性。本文給出的兩點(diǎn)建議是建立在DTMB實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的一些細(xì)小差別基礎(chǔ)上,使其更優(yōu)的并且能較簡單實(shí)現(xiàn)的建議。同時(shí)在現(xiàn)有DTMB標(biāo)準(zhǔn)下,在接收端通過一定的算法實(shí)現(xiàn),實(shí)際使用的細(xì)小差別也將會被克服,例如建議二,這也是給現(xiàn)有接收機(jī)的設(shè)計(jì)提出了一點(diǎn)要求,是接收機(jī)實(shí)際應(yīng)解決的技術(shù)難點(diǎn)。
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[1]GB 20600—2006,F(xiàn)raming structure,channel coding and modula?tion for digital television terrestrial broadcasting system[S].2006.
[2]GB/T 26685—2011,地面數(shù)字電視接收機(jī)測量方法[S].2011.
[3]ATSC recommended practice:receiver performance guidelines[EB/OL].[2014-02-02].http://www.bsk.com.tw/a_74.pdf.
[4]楊知行.地面數(shù)字電視國家標(biāo)準(zhǔn)DTMB技術(shù)解讀[EB/OL].[2014-02-02].http://wenku.baidu.com/link?url=A8wNOinR3KsbkqKkjkqgSlS ?fUNGFNqCjk19B4fCoO_dZaM4V_orL7h1CeHpkp8PSPj2W 2d28bcTdviIAPAad61CxoxcZ1Ij-TxfTWEh682CC.