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移动数字电视DMB-TH

已有 4174 次阅读 2008-10-25 15:39 |个人分类:思想碰撞| 数字电视, DMB-TH

···技术方案(DMB-T系统原理):
目前,世界上已经公布的DTTB传输标准主要有3种:ATSC、DVB-T、ISDB-T,目前国内采用DVB-T的城市有十多个,基于对这3个地面数字电视系统的深入研究,借鉴并吸收了这些年来国际国内数字电视技术方面的经验和教训,清华大学提出了一个基于TDS-OFDM调制技术的地面数字电视广播传输系统--地面数字多媒体电视广播(Terrestrial Digital Multimedia Television Broadcasting,DMB-T)传输系统。
   DMB-T的核心就是采用了时域同步正交频分复用(Time Domain Synchronous Orthogonal Frequency-Division-Multiplex,TDS-OFDM)调制技术,其频谱利用率可高达(4bit/s)/Hz。因此,每个频道有效净荷的信息传输码率在8MHz的带宽下可高达33Mb/s。
    DMB-T传输系统的设计指导思想是将数据检测与信道估计分别对待,以获得最佳接收效果。对于数据检测,DMB-T传输系统采用频谱效率高、抗多径干扰能力强、适用于宽带信号传输的OFDM调制方式。对于信道估计,DMB-T传输系统在时域采用已知的周期伪随机(PN)序列作为参考信号。与现有的数字电视传输标准相比,DMB-T采用了一种时域信号处理与频域信号处理相结合的创新技术,可以同时发挥数字信号处理在时域和频域的优势。
    DMB-T的多层分组乘积码可以采用最新的Turbo算法解码,以获得接近信道容量的传输性能。针对不同的应用,DMB-T传输系统的前向纠错编码分为两种模式:电视模式和多媒体模式。
1)电视传输专用的前向纠错编码
    电视节目广播前向纠错采用2/3码率格形码、卷积交织码和RS码构成的级联码。RS(209,187)分组码是截短的RS(255,233)分组码,可以纠正11B的传输误码。为了减少突发脉冲干扰所造成的连续误码的影响,DMB-T传输系统在内码和外码之间插入了卷积交织编码B=19;M=22,总时延相当于36个RS(209,187)分组码。
 2)用于多媒体传输的前向纠错编码
    多媒体综合数据业务服务的前向纠错采用的是多层分组乘积码(Multi-level Block Product Code)。它是由分组乘积码BPC(3762,2992)构成的一种系统码,是二维分组乘积码BPC(4096,3249)的删余截短,其解码器可以采用高性能Turbo算法。
    DMB-T传输系统的多层分组乘积码分为三层。不同层按定义映射到64QAM星座符号的不同比特位,因此具有不同程度的抗干扰能力。DMB-T传输系统的多媒体数据流可以根据需要给予不同的保护优先级。
针对地面无线广播信道的特性,DMB-T传输系统在时域和频域都进行数据交织编码。时域交织编码是在多个信号帧之间进行的,采用基于星座符号的卷积交织编码器,有四种工作模式。而频域交织编码是在一个信号帧之内,根据映射表来进行的。频域交织编码器将由3780个符号组成的输入符号矢量映射成一个新的输出矢量。
3)调制模式
    DMB-T传输系统的符号星座图采用64QAM。对于不同的前向纠编码模式,其符号星座图有所不同。采用电视广播前向纠错编码模式的DMB-T传输系统是使用均匀分布的64QAM符号星座图,其I和Q坐标的投影为(-7,-5,-3,-1,1,3,5,7)。采用多媒体综合数据业务服务前向纠错编码模式的DMB-T传输系统是使用非均匀分布的64QAM符号星座图,其I和Q坐标的投影为(-9,-7, -4,-2,2,4,7,9)。非均匀星座图是为多层纠错编码所设计的。
    TDS-OFDM调制按下列步骤进行:(1)输入的MPEG-TS码流经过信道编码处理后在频域形成长度为3780的IDFT数据块;(2)采用DFT将IDFT数据块变换为长度为3780的时域离散样值帧体,7.56M/s个样值;(3)在OFDM的保护间隔插入长度为378的PN序列作为帧头;(4)将帧头和帧体组合成时间长度为550的信号帧;(5)采用具有线性相位延迟特性的FIR低通滤波器对信号进行频域整形;(6)将基带信号进行上变频调制到RF载波上。
(一)、DMB-T传输系统采用以下几项主要技术:
(1)时域同步的正交多载波技术。地面宽带无线传输的最大困难在于多径引起的频率选择性衰落,OFDM技术则在对抗频率选择性衰落方面具有独特的优势。然而,子载波间的正交性对同步提出严格的要求。欧洲采用全频域处理方式形成其核心技术——编码的OFDM(COFDM)技术,由于其系统同步和信道估计互为条件,需用复杂的迭代算法和强功率同步导频等技术措施。而TDS-OFDM通过时域和频域混合处理,简单方便地实现了快速码字捕获和稳健的同步跟踪,形成了与欧、日多载波技术不同的自主核心技术。(2)保护间隔的PN填充技术。为了在多径时延扩散信道中避免码间串扰,DVB采用了循环前缀填充的OFDM保护间隔,使其传输的效率有所损失。DMB-T发明了基于PN序列扩频技术的高保护同步传输技术,并用其填充OFDM保护间隔,使系统的频谱利用效率提高10%,并有20dB以上同步保护增益。采用了PN序列填充的时域同步正交频分复用调制(TDS-OFDM),一个信号帧由帧同步和帧体组成,基带符号相同。帧同步:PN序列,BPSK调制。便于可靠同步和信道估计,并可扩展用于基站识别、终端定位,同时用作OFDM符号的保护间隔;帧体:OFDM3780个子载波,2kHz频率间隔。满足奈奎斯特抽样。
(3)快速信道估计技术。针对现有地面数字电视传输标准的信道估计迭代过程较长(一次有效参数估计约需1.024ms)的不足,DMB-T发明了新的TDS-OFDM信道估计技术,通过正交相关和付立叶变换实现快速信道估计(一次有效参数估计约需0.6ms),提高了系统移动接收性能。
    (4)前向纠错编码与相位映射相结合的纠错技术。针对采用多载波COFDM技术的信噪比门限相对VSB单载波技术较差的现实,DMB-T发明了一种新的系统级联纠错内码和最小欧氏距离最大化映射技术,使采用多载波技术的系统信噪比门限获得10%以上的改善。
    (5)与绝对时间同步的帧结构。DMB-T传输协议设计了与绝对时间同步的复帧结构,方便自动唤醒功能设置,达到省电目的,支持便携接收;与绝对时间同步机制有利于单频网同步发送信号的功能控制,使DMB-T单频网同步设备比国际现有标准的同类设备更容易实现。其物理信道帧结构如下图所示。
下行传输协议的分级帧结构
下行传输协议的分级帧结构
    帧结构是分级的,一个基本帧结构称为一个信号帧。帧群定义为255个信号帧,其第一帧定义为帧群头。帧群中的信号帧有唯一的帧号,标号从0到254,信号帧号(则)被编码到当前信号帧的帧同步序列中。超帧定义为一组帧群,帧结构的顶层称为超帧群。超帧被编号,从0到最大帧群号。超帧号(SFN)与超帧群号(SFGN)一起被编码到超帧的第一个帧群头中。SFGN被定义为超帧群发送的日历日期,超帧群以一个自然日为周期进行周期性重复,它被编码为下行线路超帧群中一个超帧的第一个帧群头中的前两个字节。在北京时间00:00:00AM,物理信道帧结构被复位并开始一个新的超帧群。一个信号帧由两部分组成:帧同步和帧体。帧同步和帧体的基带符号率相同,规定为7.56MSps。帧同步信号采用沃尔什编码的随机序列,以实现多基站识别。帧同步包含前同步、帧同步序列和后同步。对于一个信号帧群中的不同的信号帧,有不同的帧同步信号。所以,帧同步能作为一个特殊信号帧的帧同步特征而用于识别。帧同步采用BPSK调制以得到稳定的同步。帧体的基带信号是一个01刃IM块。它可以进一步分成保护间隔和一个DFT块。DFG块在其适于中有3780个取样,它们是频域中3780个子载波的逆离散富氏变换。
(6)系统信息传送。DMB-T传输协议为每一个长度500μS信息数据的信号帧设定了独特地址的帧头,方便数据信息的识别和分离,具有融合多业务广播的技术基础,故称“多媒体/电视广播”。该帧识别功能还将为“双向互动”系统提供同步体系。
(二)、DMB-T传输系统的特性
    由于采用了IDS-OFDM调制技术,DMB-T传输系统不仅适用于传统的电视节目(视频码流)广播,也适用于提供其它多媒体信息传输服务。其特性如下:
(1)兼容性。目前,世界上有33个国家和地区选择DVB-T技术标准,DMB-T技术与DVB-T技术均采用了OFDM信号调试方式,具有基本一致的有效信号带宽及频谱特性。因此,DMB-T可采用与DVB-T对PAL、PAL对DVB-T、DVB-T对DVB-T的同频干扰及邻频干扰相同的频谱保护比。由于DMB-T要求的最小接收场强低于DVB-T,因此按照DVB-T系统要求的频率规划方案可以用于DMB-T系统。DMB-T和DVB-T系统可采用相同的天线、广播发射机和调谐器。
(2)高数据码率,在8MHz电视频道中,最大净荷码率高达33Mb/s,能够满足HDTV广播要求;克服了数字电视的悬崖效应,使DMB-T既能用于DTV广播,也可用于数据通信。
    (3)支持蜂窝单频网,这意味着邻近的电视台可以使用相同的频率广播相同的内容,可用低发射功率覆盖大范围。单频网有利于频率规划,增加频谱利用率,可使有限的频率资源得到充分地利用,可以进一步在广播协议中引进通信技术,使DMB-T支持蜂窝单频网络。
    (4)卓越的移动接收能力,简单天线可以收视, 适于便携式接收机,采用了TDS-OFDM调制方案,使人们在乘坐汽车和火车时能得到可靠的、即时的多媒体信息服务。
    (5)决速同步,采用时域同步方案,可以获得快速的同步时间;信道估计准确。
    (6)在各种条件和环境下接收能力强;采用了最先进的误码纠错技术和信号调制技术,使接收机能够在各种条件和环境中可靠的接收信号,抗干扰能力强(24dB扩频增益),能够抗静态多径 (简单天线接收)和动态多径干扰 (适于运动环境下接收)及各种家电脉冲干扰;采用分级编码技术,使标清和高清电视信号传输得到兼容。
(7)建网成本和运营成本低。另外,DMB-T技术支持"移动接收"使它成为理想的无线解决方案。支持"突发数据"使它能够处理短数据或消息。支持"蜂窝网"使它能够扩展,清华DMB-T采用了时域扩频同步序列,具有码分多址的能力,可以识别信号帧、基站等。因此,可以用DMB-T组成蜂窝式广播网,也可以实现定向传输;DMB-T协议和绝对时间同步,支持定时接收、存储和省电的应用,对于手持设备和便携设备,这一重要特性非常适于未来数字电视广播系统,满足未来更大的容量需求(交互式多媒体广播、蜂窝式广播网,等等)。
(三)系统设计
    在有线数字电视播出的基础上,可将数字接收前端系统放在网络中心机房,结合金华的现状,可先进行MPEG-2标准的移动数字播出,在有了一定用户,技术成熟后可采用MPEG-4标准的电视播出,以提高信道的利用率,编码器输出TS码流信号送至数字光端发机,通过光纤(18.3KM)将TS数码流送到北山发射点。接收到的TS数码流提供给发射机的激励器进行TDS-OFDM调制,经TDS-OFDM调制的IF信号送给数字电视上变频器,转换成RF信号(DS-26频道),再放大至额定发射功率。北山发射塔上的数字射频信号经由电视双工器与模拟电视发射机信号混合后馈送至天线进行发射,北山发射塔上的数字射频信号直接馈送至天线进行发射。同时,安装一台TS解码器对来自前端的TS信号进行解码,以供视听监测。金华的移动电视系统示意图如下所示。如果采用多发射机的工作方式还需在数字光发射机之前加一套GPS和单频网适配器。

从节目前端到射频输出的简要的系统框图。



主要的设备有编码器、光端机、发射机和天馈系统。
(四)设备选择:
(1)节目前端设备:
Scopus系列第三代编码器能够顺应广播电视业的不断变化。它带有多种接口,具有高性能的芯片,BISS DSNG-CA,DVB加扰,QSPK(8PSK,16QAM选件)调制方案,能够进行高速数据处理,支持VBI,并且带有先进的节目复用器。符合MPEG-2,DVB标准(4:2:2 PP@ML/4:2:0 MP@ML)为统计复用设计的可变比特率,输出比特率可以在1-52Mbps之间任意设置,我们可以选用E1000、E1100、E1200产品,这里我们暂定为E1200

(2)节目流传输设备:
到北山的光缆是现成的,光端机我们选用汇视源 EVOT ASI光端机,该设备
数字化传输符合高质量图像传输的要求,可达到广播级质量要求,全实时传输,无延迟,可以选择的型号有15KM,30KM,45KM的,我们这里选用30KM的。
(3)发射设备:
根据经验,发射机的选择需要根据当地的具体情况而定。因为需要传输一套地面数字电视节目,所以选用的是QPSK-0.4-1/9的调制方式,在这种工作模式下,根据理论和经验估算,在一般的中小城市,发射台相对高度大于400米时候,1000W的发射机基本上可以覆盖半径50公里的范围。金华地区为盆地地区,可以选用1000W的发射机,而在多山地区的话,由于收到山的阻挡,增加发射功率效果可能
不是非常理想。
而考虑塔有75米,我们考虑损耗的原因,我们选用3 1/8’。
主要设备价格清单如下:

名称

数量

规格型号

价格

说明

编码器

1台

Scopus E1200

15万元

可带DS3输出

数字光端机?

1套

汇视源 EVOT ASI光端机

3万元 

可传送两套ASI码流 

发射机

1套

RS 800W

110万元

带一台DMB-T激励器

面包天线

1

5KW

5万元

4×4面

馈线

 

3 1/8‘

50元/m

 

    这里我们只列出了和数字电视传输本身相关的一些设备,其他的诸如机房电源、空调、避雷、监控和备份等设备没有列在内。
    “清华方案”DMB-T由于有较多自主知识产权,并吸收了国外标准的优点,相关产业又有芯片开发的能力, 在信息产业部电子产品发展基金的支持下,国内主要相关企业已经围绕DMB-T进行系统及关键键的产业化工作。即将出台的国家标准基本上会采用以DMB-T为核心,融合融合广播科学研究院在纠错功能上的优势,并兼容上海交大的ADTB-T的DMB-TH方案。而从DMB-T转为国家标准只需软件上的升级就可以。

(五)技术体制
    由于国家关于地面移动数字电视的技术标准暂时没有颁布,考虑系统前期的过渡性,前期设计建设考虑采用DVB-T标准,等国家标准出台后,通过改造原有发射系统激励器等相关设备,升级到国家标准。
    具体技术参数:调制方式为16QAM,载波模式2K,保护间隔1/4,卷积率1/2,有效码率9.95Mbps。
    前期在技术方案制定、设备采购、安装调试过程中,充分考虑系统的兼容性和扩展性,并要求有关厂商提供可升级到国标的承诺。一旦国标颁布,立即按照国家标准进行改造、升级。

(六)安全播出保障措施
安全播出是广电的生命线,必须重点确保。为了进一步加强管理,保障安全播出,技术上采取以下措施:
1.   信号传输采用双路由方式,光缆、微波互为备份;
2.   发射系统采用主备机制,可实时倒换;
3.   所有传输环节加入实时监看;
4.   播出采用前端机房和发射机房同时人员值机监看;
5.   发射机系统实施实时监控,通过远程监控管理软件实时联网,可监测播出情况,并具有远程控制能力。
在管理方面,采取以下措施确保安全:
1.录、编、审、播分离;采用不同环节,不同操作人员进行,层层把关。
2.强化管理,责任到人;每个环节都有专人负责,责任明确,责任到人,加强安全播出意识;
3.严把节目来源关,严格节目制作制度;节目来源只限于金华电视台、金华人民广播电台有关节目和栏目,影视作品必须是经过审查合格的才能进入节目流转系统。节目制作制定详细的工作制度,杜绝外来非法节目;
4.加强审片制度,采用总编负责制。所有库存作品必须经过专业审片人员检查,并做好记录存档。播出节目必须进行审片,重播重审,保存完整的播出记录。
5.加强值班监控,采用播出前端监控和播出发射双监控。一旦发现播出问题,及时汇报处理。
6.建立完备的应急播出预案,出现播出异常,立即切换到备份系统或者关断播出。

原文链接:http://www.jhbtv.com/html/mtv/tech.html



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