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國標DTMB技術與特點

一、概述

　　備受矚目的地面數字電視傳輸國家標準已于2007年 8月 1 日正式實施。業內人士普遍認為，隨著國產芯片和相關產品走向成熟，相關技術和測試的日漸完善，國標已具備實施的條件。而地面數字電視廣播的實施，可能提供價值幾千億元的數字電視終端市場，中國地面數字電視產業的發展今年有望進入發展快車道。在這樣的機遇下德賽公司推出了具有模式全、價格低、測試設備好、性能指標高的DTMB-T國標調制器。并且全部核心調制模塊和配套軟件代碼均由德賽研發部門自主研發。

二、新技術的突破

　　根據地面數字多媒體電視廣播的服務需求、傳輸條件和信道特征， 國標DTMB傳輸系統采用了創新的時域同步正交頻分復用（TDS－OFDM）單多載波調制方式。這種調制方式，主要針對地面數字多媒體電視廣播傳輸信道線性時變的寬帶傳輸信道特性（頻域選擇性與時域選擇性同時存在的傳輸信道）所設計。由于TDS－OFDM適用于具有多徑干擾和多普勒頻移的傳輸信道，因此其同樣適用于地面數字多媒體電視廣播以外的其他寬帶傳輸系統。

　　1 創新的TDS-OFDM調制

　　國標DTMB系統采用了 TDS-OFDM，其特點是同步頭采用了偽隨機序列，在每個 OFDM 保護間隔周期性地插入時域正交編碼的幀同步序列， TDS-OFDM調制按下列步驟進行。

　　a.輸入的MPEG－TS碼流經過信道編碼處理后通過星座映射形成3780點的星座。

　　b. 采用IDFT將該3780點星座變換成長度為3780的離散樣值（單載波模式不需要這一步驟）幀體（500μs）。

　　c. 在OFDM的保護間隔插入長度為420（或595，945）的PN序列作為幀頭。

　　d. 將幀頭和幀體組合成時間長度為555.56μs（或578.7μs，625μs）的信號幀。

　　e. 采用具有線性相位延遲特性的FIR低通濾波器對信號進行頻域整形。

　　f. 將基帶信號進行上變頻調制到RF載波上。

　　2 原創的數字電視廣播幀結構

　　為了實現快速穩定的同步，國標DTMB采用了分級幀結構， 如圖1所示，它具有周期性，并且可以和時間同步。幀結構的基本單元稱為信號幀，225個信號幀定義為一個幀群，480個幀群定義為一個超幀。幀結構的頂層稱為日幀，由超幀組成。

　　信號幀的幀體采用多載波調制方式或單載波調制方式，幀體的子載波數為3780或者為1。子載波數為3780時，相鄰子載波的間隔為2 kHz,每個子載波符號采用MQAM調制。

　　（信號幀的幀體除了正常的數據流外還包含傳輸參數信令（TPS），用以傳送系統配置信息。它由36 比特組成，并用QPSK映射為18個子載波或者星座。

　　國標DTMB的超幀由一個控制幀和相鄰的224個信號幀構成，每個超幀的持續時間為125 ms，超幀中的*個信號幀被定義為超幀頭（控制幀），用于傳輸控制該超幀的信令。超幀中的每一個信號幀有惟一的幀號，它被編碼在幀頭的PN序列中。每個超幀由一個9bit的超幀號標識。超幀號被編碼在信號幀的傳輸參數信令（TPS）中。TPS在超幀的每個信號幀中重復，只在新的超幀開始時才能改變。 國標傳輸系統的分幀包含480個超幀，分幀中的每個超幀由其超幀號惟一識別。分幀的*個超幀編號為0，zui后一個超幀編號為479，每個分幀的持續時間為60s。國標DTMB的日幀由1440個分幀組成，以一個自然日為周期進行周期性重復。在北京時間0:0:0AM，系統的幀結構被復位并開始一個新的日幀。

　　3 原創的廣播同步傳輸技術

　　PN序列除了作為OFDM塊的保護間隔以外，在接收端還可以被用做信號幀的幀同步、載波恢復與自動頻率跟蹤、符號時鐘恢復、信道估計等用途。由于 PN 序列幀頭與 數據幀體正交時分復用，且 PN 序列對于接收端來說是已知序列，因此，PN 序列和幀頭與數據幀體在接收端是可以被分開的。接收端的信號幀去掉 PN 序列后可以看作是具有零填充保護間隔的OFDM。

　　例如，信號 s（t） 經過地面傳輸信道后，接收端收到的基帶信號 r（t） 包括兩部分：PN 序列 rPN（t） 和幀體 rIDFT（t）。

　　經過信道估計后，得到多徑干擾后的PN 信號，從接收到的信號 r（t） 中減掉 PN 信號后，就可得到零填充保護間隔的 OFDM 符號，同時得到信道的單位脈沖響應 h（t）。

　　理論和實踐已經證明，具有零填充保護間隔的OFDM與具有循環前綴保護間隔的OFDM（例如DVB-T的COFDM）在理論上是等價的，如圖2所示。

三、主要技術特點

　　國標DTMB以時域正交頻分復用（TDS-OFDM）調制技術為核心，形成了自有知識產權體系，具有自己鮮明的技術特點。

　　1 傳輸效率或頻譜效率高

　　在歐洲DVB-T中，用于同步和信道估計的導頻載波數量占總載波的10%。國標DTMB的PN序列放在OFDM保護間隔中，既作為幀同步、又作為OFDM的保護間隔。

　　歐洲DVB-T C-OFDM用10%的子載波傳送用于同步和信道估計等的導頻信號，同時存在循環前綴的保護間隔，而TDS-OFDM將時間保護間隔同時用于傳輸信道估計信號，因此DVB-T系統的傳輸效率只能達到國標DTMB系統的90%。

　　傳輸效率在多載波技術和單載波技術進行比較時，被認為是多載波技術的弱點，國標DTMB的核心技術正是針對解決這個問題而開發的。

　　2 抗多徑干擾能力強

　　多載波系統和單載波系統相比，OFDM系統具有抗多徑干擾的能力，抵抗多徑干擾的大小相應于其保護間隔的長度。由于國標的時間保護間隔中插入的是已知的（系統同步后）PN序列，在給定信道特性的情況下，PN序列在接收端的信號可以直接算出，并去除。去掉PN序列后的OFDM信號與時間保護間隔為零值填充的OFDM信號等價，而時間保護間隔為零值填充的OFDM與時間保護間隔為周期延拓的OFDM在同樣信道下的性能是等價的。而且，在多徑延遲超過時間保護間隔的情況下，國標DTMB仍能工作。TDS-OFDM可以把幾個OFDM幀的PN序列聯合處理，使抵抗多徑干擾的延時長度不受保護間隔長度的限制，而傳統的OFDM保護間隔長度設計要求必須大于多徑干擾的延時長度。

　　3 信道估計性能良好

　　在AWGN信道下，TDS-OFDM的信道估計性能優于C-OFDM。這是由于TDS-OFDM用于信道估計的PN序列具有20dB左右的擴頻增益，同時又沒有C-OFDM做信道估計時*的插值誤差。盡管國標DTMB的樣機功能還有待改善，但其AWGN信道的測試結果仍優于基于C-OFDM的國內外系統。 對于多徑信道，TDS-OFDM的PN序列與多徑信道造成的干擾信號是統計正交的。雖然TDS-OFDM信道估計的性能無法在原理上與C-OFDM直接比較，但是它與其他傳輸系統中采用PN序列進行信道估計的性能相當。

　　4 適于移動接收

　　移動接收產生了多普勒效應和遮擋干擾，使傳輸信道具有隨時間變化的特性（時變特性）。而需要強調的是任何OFDM系統的信號處理都是基于信道傳輸特性準時不變的假設（應用FFT的基本條件），即在一個OFDM符號的時間內，假設信道是不變的，信道的變化被認為是在OFDM符號間發生的。TDS-OFDM的信道估計僅取決于OFDM的當前符號，而C-OFDM的信道估計需要4個連續的OFDM符號。因此，C-OFDM在移動情況下，要考慮4個OFDM符號的信道變化影響，而TDS-OFDM只需考慮1個OFDM符號的信道變化影響。可以看出，國標DTMB系統更適于移動接收，其移動特性優于歐洲 DVB-T 系統。測試結果證明，國標DTMB系統的高清電視移動接收性能居水平。

　　2011年12月，電信聯盟在修訂地面數字電視標準時，將我國的數字電視地面多媒體廣播系統DTMB標準納入其中，DTMB標準也正式成為繼美、歐、日之后的第四個數字電視標準。