（通信与信息系统专业论文）国标地面数字电视传输系统中信道估计和信道均衡的fpga实现.pdf

国标地面数字电视传输系统中信道估计和信道均衡的 f p g a 实现 摘要 中国地面数字电视广播标准g b 2 0 6 0 0 2 0 0 6 于2 0 0 6 年8 月3 0 日 发布，2 0 0 7 年8 月1 日正式实施，为中国数字电视广播的发展提供 了新的契机。 本文研究课题为适用于该标准的信道估计和信道均衡的f p g a 实 现。为完成这一工作，文中首先介绍了g b 2 0 6 0 0 2 0 0 6 标准的信号帧 结构及其采用的t d s - o f d m 技术，t d s - o f d m 技术以p n 伪随机序列代 替传统的循环前缀作为o f d m 符号的保护间隔，该p n 前缀同时可以用 于同步和信道估计，同时该p n 的加入破坏了接收数据的循环卷积结 构，因此信道均衡之前需要进行循环化重构。在此理论基础上，本文 的主要工作包括： 1 详细介绍了符合该标准的信道估计原理，研究了p n 相关的干 扰消除方法，提出了一种易于硬件实现的累加干扰消除法，并在巴西 信道下对其进行了仿真； 2 详细介绍了符合该标准的信道均衡原理，包括循环化重构和频 域均衡两部分； 3 在f p g a 平台上实现了上述算法，在硬件结构设计上重点研究 了p n 相关器的资源优化一包括对移位寄存器和加法树的改进；循环化 重构的复杂时序控制；复数除法器的c o r d i c 实现。 上述工作包括了对标准的研究，算法的仿真和最终的f p g a 实现， 其中的大量工作集中在理论算法到硬件实现结构的移植。 本文最后将实现结果与项目组中其他模块在f p g a 平台上进行了 联合调试，得到了预期的效果。 关键字：g b 2 0 6 0 0 - 2 0 0 6 ，t d s o f d m ，信道估计，信道均衡，f p g a i i t h ef p g ai m p l e m e n t a t i o no f c h a n n e le s t i m a t i o na n d e q u a l i z a t i o no f c h i n e s ed t t bs y s t e m a b s c t r a c t c h i n e s ed i g i t a lt e l e v i s i o nt e r r e s t r i a lb r o a d c a s t i n g ( d t t b ) s t a n d a r d ( g b 2 0 6 0 0 2 0 0 6 ) w a sp u b l i s h e di na u g u s t3 0 mo f2 0 0 6 ，a n dc a m ei n t o f o r c ei na u g u s t1 吼o f2 0 0 7 t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ef p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) i m p l e m e n t a t i o no ft h ec h a n n e le s t i m a t i o na n de q u a l i z a t i o n f o rt h i s s t a n d a r d t of i n i s ht h i st a s k ，t h i sp a p e rg i v e sa ni n t r o d u c t i o nt ot h i s s t a n d a r da n di t sf r a m es t r u c t u r ew h i c hb a s e so nt h et d s o f d m t e c h n o l o g y i nt d s - o f d m ( t i m ed o m a i ns y n c h r o n o u so r t h o g o n a l f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) s y s t e m ，p s e u d o r a n d o mn o i s e ( p n ) s e q u e n c e i su s e da st h e g u a r d i n t e r v a l t h i si n t e r v a l h e l p s t h e s y n c h r o n i z a t i o na n dc h a n n e le s t i m a t i o ni nt h ed t t br e c e i v e r b u ti t d e s t r o y st h ec y c l i c c o n v o l u t i o ns t r u c t u r eo ft h er e c e i v e dd a t a ，s ob e f o r e t h ef r e q u e n c y - d o m a i ne q u a l i z a t i o n ，c y c l i c c o n v o l u t i o nr e b u i l dm u s tb e p e r f o r m e d t h i si st h et h e o r e t i c a lb a s i so ft h i sp a p e r a n dt h em a i nw o r k o ft h i sp a p e ri n c l u d e s ： 1t os t u d yt h ec h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m ，g i v eam e t h o dt oe r a s e t h ei n t e r f e r e n c eo fp na u t o c o r r e l a t i o n r e s u l t ，w h i c hc a ne a s i l yb e i m p l e m e n t e d i nt h ef p g a 2t os t u d yt h ec h a n n e le q u a l i z a t i o na l g o r i t h m ，t h i sc o n s i s t so f c y c l i c c o n v o l u t i o na n df r e q u e n c ye q u a l i z a t i o n 3t oi m p l e m e n tt h e s ea l g o r i t h m so nf p g a p na u t o c o r r e l a t i o n s t r u c t u r ei sd e t a i l e ds t u d i e dt oo p t i m i z et h er e s o u r c e su s a g ei nt h i sd e s i g n c y c l i c c o n v o l u t i o nm o d u l ei sw e l ld e s i g n e dt om a n a g et h ec o m p l e x t i m i n g l o g i c a n dc o r d i ca l g o r i t h mi su s e dt oi m p l e m e n tt h ec o m p l e x d i v i d e ru s e di nt h ef r e q u e n c y d o m a i ne q u a l i z e r i i i t h ec o n t e n to ft h i sp a p e ri n c l u d e sa l g o r i t h ms t u d y , s i m u l a t i o na n d i m p l e m e n t a t i o n a n dt h ek e yw o r ki st ot r a n s l a t et h em a t h e m a t i c a l a l g o r i t h mt ot h ef p g ad e s i g ns t r u c t u r e t h ei m p l e m e n t a t i o ni nt h i sp a p e rw o r k sw e l lw i t ho t h e rm o d u l e s i n t h es y s t e m ，w h e ni ti sd o w n l o a d e di n t ot h ef p g a p l a t f o r m a n dw eg e t t h ed e s i r e dr e s u l t k e yw o r d s ：g b 2 0 6 0 0 - 2 0 0 6 ，t d s o f d m ，c h a n n e l e s t i m a t i o n ， c h a n n e le q u a l i z a t i o n ，f p g a i v 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列 的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：王主坠益日期：型12 11 主：i l 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：圣盘煎 导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 世界通信与信息技术的迅猛发展将引发整个电视广播产业链的变革，数字电 视是这一变革中的关键环节。伴随着电视广播的全面数字化，传统的电视媒体在 技术、功能上逐步与信息、通信领域的其它手段相互融合，从而形成全新的、庞 大的数字电视产业。 随着数字电视广播近十年来的发展，卫星和有线电视广播的基本传输技术已 经趋于成熟。而地面数字电视广播的传输环境恶劣，频谱资源有限，应用需求分 散，其技术仍有很多需要改善的地方，尤其在提高固定接收的稳定性以及移动接 收的性能等方面有很大的改进潜力。面对数字电视广阔的应用前景和巨大的商业 价值，掌握其核心技术并且对其技术进一步完善和提高就成了现阶段对技术人员 的一个迫切要求。 本论文的研究课题基于国标地面数字电视接收机项目，研究了接收机中适合 硬件实现的信道估计和信道均衡算法，并在a l t e r a 的f p g a 平台上对相关算法进行 实现，研究成果具有实际应用价值。 1 1 地面数字电视发概展况 1 1 1 地面数字电视广播的优势 自上世纪9 0 年代开始，广播电视数字化风潮席卷全球。卫星传输数字化、有 线电视传输数字化和地面电视广播数字化全面推进。随着北京正式试验播出地面 数字电视，我国将全面启动地面数字电视。相对模拟电视而言地面数字电视广播 具有如下优势： l 更高的频谱使用效率 采用传统的模拟技术，在1 个8 m h z 的带宽内只能传输l 路电视信号。采用数字 电视技术，i + 8 m h z 带宽至少能够传输4 8 套标准清晰度的电视节目。 2 更加可靠的节目传输 在传统的模拟电视系统中，叠加存信号中的噪声无法消除，经过多次传输后 信号质量明显下降。而通过采用一定的数字技术，例如纠错编码和调制等可以完 全消除噪声影响，无误码地恢复数字电视信号，即使经过多级中继，数字电视信 号仍然能够不受损伤地传输到目的地。 3 电视图像质量明显改善 随着数字技术的采用，一些困扰模拟电视的问题，比如重影和噪声将大为减 第一章绪论 轻，同时还可以通过一定的控制来决定图像的质量等级。 4 提供更加灵活多样的业务形式和更加丰富的电视广播服务手段，提高公 共服务水平，拓宽公共服务领域。地面数字电视广播系统不但具有支持传统电视 广播服务的基本功能，而且还具有适应广播电视服务的可扩展功能。 5 更大的覆盖范围和更优的覆盖效果，满足室内覆盖要求 相对模拟电视，地面数字电视系统覆盖所需的最小场强明显减小，在相同 功率条件下地面数字电视系统的覆盖范围更大，并且信号覆盖效果和质量明显改 盖 u o 6 有效地节省频率资源 数字技术的引入使得地面数字电视广播系统能够有效抵抗无线信道的多径 干扰，从而可以通过组建单频网来实现地面数字电视广播，相对传统模拟电视大 大节省了频率资源。此外，地面数字电视系统具有较强的抗干扰能力，可实现邻 频道电视广播从而可以进一步节省大量宝贵而不可再生的频率资源 7 提供了更加有效的网络覆盖和优化手段，可逐步改善地面数字电视嘲络 覆盖。 1 1 2 各国地面数字电视开展情况 早在上个世纪9 0 年代中后期，欧美等发达国家就已经开始了地面数字电视业 务。在技术研究、覆盖网建设、业务推广和运营等方面积累了丰富的经验。各国 普遍组建全国性的运营公司开展地面数字电视业务并且首先都采用公共服务的 方式免费收看，政府还给予了政策和经济支持。与此同时，少数国家在普遍开展 免费业务的基础上，还探索性地开展地面数字电视收费电视业务。各国地面电视 业务推广情况如下： 英国于1 9 9 8 年开始数字电视的地面广播服务，目前已提供4 0 多套电视节目和 2 0 多套广播节目，数字电视覆盖率已接近7 5 ，并计划在2 0 1 2 年停止模拟电视的播 出。 意大利于2 0 0 4 年1 月正式开播地面数字电视，最初是提供免费电视业务服务。 2 0 0 5 年开始提供基于按次付费的意大利足球甲级联赛的实况比赛，计划于2 0 1 2 年停止播出地面模拟电视信号。 法国于2 0 0 5 年3 月3 1 口开播地面数字电视，提供2 9 个频道包括个1 8 免费频道 和1 1 个付费频道。预计至! u 2 0 1 1 年法国地面数字电视广播( d t t b ) 用户可达1 4 9 0 万户将成为法国最大的数字电视平台。 瑞典地面数字电视于1 9 9 9 年9 月开播是世界上开播地面数字电视服务最早的 国家之一，并于2 0 0 7 年1 0 月1 5 日彻底关闭了地面模拟电视信号。 2 第一章绪论 美国于1 9 9 6 年1 2 月正式确定采用a t s c 作为美国数字电视地面广播标准。1 9 9 8 年美国开始地面数字电视的播出，截至2 0 0 5 年6 月，在2 0 9 个电视市场中已有1 4 9 1 座地面电视台( 其中包括2 8 9 座公共电视台) 开办了数字电视频道，覆盖了9 9 7 的电视家庭。2 0 0 7 年3 月1 日起全面禁售模拟电视机，2 0 0 9 年2 月1 7 日将关闭地面 模拟电视信号。 日本于2 0 0 3 年1 2 月l 口采用i s d b - t 地面数字电视标准正式开播地面数字电 视，2 0 0 6 年开始全国普及数字电视，转播站也将陆续修建，预计于2 0 1 1 年7 月全 面完成数字化。 韩国于2 0 0 3 年起在6 个城市开展地面数字电视业务，到2 0 0 4 年推广到全部省 会城市，2 0 0 5 年全国开播。韩国政府计划在2 0 1 0 年结束模拟信号传输。 中国已经于2 0 0 6 年8 月确定地面数字电视国标( g b 2 0 6 0 0 - 2 0 0 6 ) ，并预定在 2 0 1 0 年到2 0 1 5 年逐步停播模拟电视播放，全面提供数字电视服务。 1 1 3 地面数字电视广播系统组成 地面数字电视广播d t t b ( d i g i t a lt e l e v i s i o n t e r r e s t r i a lb r o a d c a s t i n g ) 系统一般由压缩层、传送层和传输层三大部分组成口1 。目前d t t b 方案中的压缩 层和传送层基本上都是一样的，主要区别就在传输层上。根据不同的信道情况和 不同的应用需求，不同的数字电视系统采用了4 同的纠错编码和调制技术方案， 但是d t t b 的结构大体类似，其构成见图1 - 1 。 图1 - 1f f r t b 传输系统 其中中信道编码部分基本上都采用了级联纠错码，包括外码纠错、时域交织、 内码纠错、频域交织。 调制技术目前主要有两种方案：单载波调制和多载波调制。属于单载波调制 3 第一章绪论 的有美国的a t s c ，而多载波调制的有欧洲的d v b t 的c o f d m 、日本i s d b t 的 b s t - o f d m 。而我国国标中采用了单载波和多载波的融合方案。由于技术方案选择 和具体实现参数的彳 同，导致了不同系统之间性能的差异。 1 1 4 地面数字电视广播国际标准 当前，根据自身的不同情况，美国、欧洲和u 本各自形成三种不同的地面数 字电视标准b 1 ： a t s c 标准： 1 9 9 6 年美国高级电视系统委员会( a d v a n c e dt e l e v i s i o ns y s t e mc o m m i t t e e ) 针对高清晰电视固定接收需求制定了地面数字电视传输标准。该标准采用格形编 码的八电平残留边带( t r e l l i sc o d e d8 - l e v e lv e s t i g i a ls i d e b a n d ，8 - v s b ) 调制系统，能可靠地在6 m h z 的电视信道中达到1 9 4 m b i t s s 的传输速率，经r s 编码达到2 1 3 5 m b i t s s 其图像分辨率为普通电视的5 倍标准中加入0 3 d b 导频( 用于系统辅助载波恢复) 和段同步( 用于系统时钟同步和信道编码，纠错保 护措施) ，使系统具有良好的噪声门限( 1 4 9 d b ) 。 d v bt 标准： 欧洲电信协会e t s i 于1 9 9 7 年6 月正式提出欧洲数字电视视频地面广播 ( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g t e r r e s t r i a l ，d v b - t ) 标准，是三者中应用最为 广泛和灵活的。该标准中采用编码正交频分复用( c o d e do r 5 t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，c o f d m ) 技术。其发送数据包含图像、伴音、附加数据， 总的有效数据率为2 5 0 8 m b i t s ，经r s s t t 错编码后总的有效数据率可以达到 2 7 0 1 7 m b i t s 。 i s d b - t 标准： 1 9 9 5 年日本无线电工商业协会( a s s o c i a t i o no fr a d i oi n d u s t r i e sa n d b u s i n e s s e s ，a r i b ) 公布了口本地面综合业务数字广播( t e r r e s t r i a li n t e g r a t e d s e r v i c ed i g i t a lb r o a d c a s t i n g ，i s d b - t ) 标准，该标准以欧洲的d v b t 为原型， 加入自己的频带分段传输( b a n d w id t hs e g m e n t e dt r a n s m is s i o n ，b s t ) 方式。因 为口本电视射频带宽为6 m h z ，所以载波数和载波间隔与d v b 有所差别。和欧洲方 案相比，主要的不同在于接收方面，增加了t 部分接收( p a r t i a lr e c e p t i o n ) 和分 层传输( h i e r a r c h i c a lt r a n s m i s s i o n ) 。i s d b - t 于2 0 0 1 年与a t s c ，d v b _ t 一起成为 国际电联推荐标准。它与d v b - t 系统类似，只是在应用上可传送多种信息。 4 第一章绪论 1 1 5 中国地面数字电视广播标准 上述三种标准诞生于上个世纪末，由于设计思想的局限，及当时技术条件的 限制，各在存在应用的局限线性 t s c 最初的设计目标是用于室外固定接收的地面广播和有线分配系统，不 支持便携和移动接收，室内接收效果也不好其性能高度依赖于自适应均衡器， 因此为了抵抗多径回波和各种干扰，需要非常复杂的均衡器。a t s c 系统最主要 的问题是对付强动态多径困难。这是由系统的原有设计思想、帧结构本身的缺陷 造成的。在时延小的强多径情况下，导频信号会受到严重影响，同步出现困难。 尤其是均衡器性能急剧下降：系统虽然使用了训练序列，但两个训练序列之间相 隔2 4 m s ，期间多径的快速变化无法被跟踪，虽然使用结构复杂判决反馈( d f e ) ， 利用数据本身产生的误差信号进行自适应调节，用以跟踪变化快的多径，但d f e 需要信道被均衡到一定程度( 错误判决少于1 0 ) 才能正常工作，而月d f e 是无限 冲激响应结构( i i r ) ，在强多径下，系统是不稳定的。另外，为了对付同频干扰 使用的梳状滤波器使系统门限上升3 d b ，且实现复杂。 d v b _ t 系统的设计目标是室内室外固定接收，并月提供便携接收而非移动接 收。因此，它的移动接收效果也不好。d v b t 的缺陷首先是过多的导频使得频带 损失严重。d v b - t 的导频信号和保护间隔至少占据了有效带宽的1 4 左右，若采 用大的保护问隔，此数值将超过3 0 。因此，d v b t 是以过分下降宝贵的系统传输 容量为代价来换取系统的抗多径性能。其次，c o f d m 细同步算法要利用导频信号 在频域上实现，而导频是在d f t 之前插入的，进行d f t 计算又需要首先同步之后 才能进行正确解调。因此，c o f d m 中同步需要使用迭代逼近算法，这样就存在一 个收敛误差和收敛时间问题。而且与单载波8 v s b 相比，c o f d m 对同步误差更加 敏感，同步性能不好会导致接收机性能明显下降，这也是c o f d m 在a w g n 和时延短、 能量小的多径情况下性能不如8 v s b 的原因。另外使用c o f d m 进行信道估计时，将 多径衰落信道看成是在时间和频率上的一个二维信号，利用采样插值即可得到整 个信道的频率响应值。要获得一次全信道估计需要连续4 个c o f d m 帧，估计时间 也较长，使得对随时间快速变化信道的跟踪性能不好。 i s d b t 的情况和欧洲的d v b - t t 乍常类似，传输方案仍是c o f d m ，使用的编码方 式相同，调制方法也相同，也分为2 k 和8 k 两种模式，可以说是经修改的欧洲方案。 针对上述目前世界上三种地面数字电视系统存在的问题，以及中国实际国 情，在地面数字电视标准上中国选择了一条自主开发的道路。 早存2 0 0 1 年，国家标准化委员会就向全社会广发征集具有我国自主知识产权 的地面数字电视传输标准方案。经过五年的发展和竞争，2 0 0 6 年8 月3 0 日国家 标准化委员会发布了数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制标 5 第一章绪论 准，即g b 2 0 6 0 0 2 0 0 6 。并于2 0 0 7 年8 月1 日正式实施。该标准为一种强制性标 准，支持高清晰度电视、标准清晰度电视和多媒体数据广播等多种业务，满足大 范围固定覆盖和移动接收需要；实现了关键技术创新，形成了多项有自主知识产 权的专利技术，突破性地取得了单、多载波调制技术的融合，可以适应我国城乡 不同应用需求。此项标准的出台促进了我国广播电视的数字化进程，为无线数 字电视覆盖带来了新的发展机遇，地面数字电视传输的优势会逐步凸现。 g b 2 0 6 0 0 - 2 0 0 6 中采用了t d s o f d m 技术，该标准的基本特点是将o f d m 调制与扩 频通信相结台，传输的信号帧由同步头和数据体两部分组成，同步头采用p n 扩频 信号，数据体采用o f d m 调制，它使用同步头来进行时域同步，包括帧同步、频率 同步、时问同步、信道传输特性估计和跟踪相位噪声等，称为时域同步正交频分 复用( t d s - 0 f d m ) 技术。与欧洲的c o f d m 不同，在t d s 一0 f d m 中不需要插入类似 c o f d m 那样的导频信号从而使它既具有o f d m 的优点，又避免了欧洲c o f d m 的缺 点。 1 2 本文的主要内容 1 2 1 本文主要研究内容 本文工作以国标地面数字电视接收机项目为基础，主要研究内容为国标地面 数字电视传输中信道估计和信道均衡的f p p g a 实现。具体工作包括算法研究， 仿真，和f p g a 实现。工作的重点和难点在于理论算法到f p g a 硬件结构的移植。 对于信道估计部分，f p g a 实现p n 相关时其资源占用巨大，因此主要工作在 于研究其硬件结构的优化，本文中比较了两种传统结构，并根据选用的f p g a 器 件特点提出了一种基于r a m 的p n 匹配滤波器的硬件结构，通过与其它两种结构 的对比可以看到该结构有效地节约了硬件资源。另外对于p n 相关后的干扰消除， 本文提出了一种基于累加的干扰消除方法，与常见的迭代干扰消除方法相比有效 的降低了硬件实现复杂度 对于信道均衡部分，以f f t 为界可以分为循环化重构和频率均衡两部分，循 环重构部分计算复杂，需要着重考虑计算过程的同步控制。频率均衡部分的主要 功能由复数除法器完成，为减少资源占用巨大的除法和乘法运算，该模块采用 c o r d i c 算法实现了极坐标与直角坐标的相互转换，先将除法转换到极坐标下进 行，再将结果转换为直接坐标下的复数形式，降低了硬件实现复杂度。 本文实现的信道估计和信道模块经过了m o d e l s i m 仿真验证，并且与接收机中 其他模块一起经过了f p g a 的板上联合调测，得到了预期的效果，证明了其实际 应用价值。 6 第一章绪论 1 2 2 本文内容安排 本文后续章节将按照如下方式组织： 第二章：简要介绍国标地面数字电视传输标准的系统构成和帧结构。这是本 文其他工作的理论基础。本章的重点在于介绍t d s - o f d m 技术，这是国标多载波方 案的核心技术之一，用于t d s o f d m 保护间隔的p n 保护间隔也是进行信道估计和信 道均衡的关键结构。 第三章：总结了课题中使用的f p g a 平台及其特点，f p g a 开发流程，重要的设 计思想。对底层平台结构的理解和正确的硬件设计思想决定了理论算法到硬件结 构设计的移植是否合理有效。该章的内容为第五章中的f p g a 优化设计提供指导。 第四章：对信道估计和信道均衡算法进行研究和相关仿真，研究的着眼点在 于选择f p g a 实现复杂度合理的算法。 第五章：详细介绍了信道估计和信道均衡的f p g a 设计方案，及各个模块的详 细设计方法，这一章是对第四章选用算法的实现，实现方案的优化基于第三章的 相关知识点，这一章是本文工作的重点。 第六章：本论文工作的总结。 7 第二章国标地面数字电视与t d s - o f d m 第二章国标地面数字电视与t d s o f d m 地面数字电视广播系统是广播电视体系中的重要组成部分。它与卫星数字电 视广播系统和有线数字电视广播系统以及其它辅助系统一起相互协同提供全面 的受众覆盖，是我国广播电视综合覆盖网中重要的组成部分。 本章将对我国地面数字电视广播传输标准g b 2 0 6 0 0 2 0 0 6 进行介绍，并对其采 用的t d s - o f d m 技术进行研究。这一章的内容，是理解第三章中信道估计和信道均 衡算法的基础。 2 1g b 2 0 6 0 0 2 0 0 6 概述 g b 2 0 6 0 0 - 2 0 0 6 标准规定了在u h f 和v h f 频段中，每8 m h z 数字电视频带内， 数字电视地面广播传输系统信号的帧结构、信道编码和调制方式，适用于地面传 输的数字多路电视高清晰度电视固定和移动广播业务的帧结构、信道编码和调 制系统。 标准中具有自主创新特点、并能提高系统性能的关键技术有：能实现快速同 步和高效信道估计与均衡的p n 序列帧头设计和符号保护问隔填充方法、低密度 校验纠错码( l d p c ) 、系统信息的扩频传输方法等。标准支持4 813 m b p s 3 2 4 8 6 m b p s 的系统净荷传输数据率，支持标准清晰度电视业务和高清晰度电视业 务，支持固定接收和移动接收，支持多频组网和单频组网。 2 1 1g b 2 0 6 0 0 2 0 0 6 系统结构 数字电视地面广播传输系统发送端完成从输入数据码流到地面电视信道传 输信号的转换。输入数据码流经过扰码器( 随机化) 、前向纠错编码( f e c ) ， 然后进行从比特流到符号流的星座映射，再进行交织后形成基本数据块。基本数 据块与系统信息组合( 复用) 后，经过帧体数据处理形成帧体。而帧体与相应的 帧头( p n 序列) 复接为信号帧( 组帧) ，经过基带后处理转换为基带输出信号 ( 8 m h z 带宽内) 。该信号经正交上变频转换为射频信号( u h f 和v h f 频段范围 内) 。系统的发送端原理如图2 1 所示。 3 第二章国标地面数字电视与t d s o f d m 图2 - 1g b 2 0 6 0 0 - 2 0 0 6 发送端原理图 其中随机化是为了确保传输的m p e g - t s 数据有足够多的二进制变化，输入的 m p e g - t s 码流数据需要用扰码进行随机化。扰码是一个最大长度的二进制伪随机 序列。输入的b i t 码流( b y t e 码字从m s b 至t j l s b ) 与p n 序列进行逐位模二加后产生 数据扰乱码。扰码器的移位寄存器每个信号帧或每个l d p c 编码块复位一次到初始 状态，选择信号帧和l d p c 编码块两者长度长的为复位周期 扰码后的比特流接着进行前向纠错编码。前向纠错编码由外码( b c h 码) 和 内码( l d p c ) 级联实现。根据b c h 与l d p c 的不同组合有0 4 ，0 6 ，0 8 三种码 率。 前向纠错编码后的比特流要转换成均匀的n q a b l ( n ：星座点数) 符号流( 先 进入的第一个比特是符号码字l s b ) 。该标准包含以下几种符号映射关系：6 4 q a m 、 3 2 q a m 、1 6 q a m 、4 q a m 、4 q a m - n r 。各种符号映射加入相应的功率归一化因子，使 各种符号映射的半均功率趋同。 交织部分由时域交织和频域交织两部分组成。时域符号交织编码是在多个信 号帧的基本数据块之间进行的，数据信号( 即数据码的星座符号) 的基本数据块 间交织采用基于星座符号的卷积交织编码。频域交织存载波数c = 3 7 8 0 模式下使 用，频域交织的目的是将调制星座点符号映射到帧体包含的3 7 8 0 个有效载波上。 频域交织为帧体内的符号交织。 系统信息为每个信号帧提供必要的解调和解码信息，包括符号映射方式、 l d p c 编码的码率、交织模式信息、帧体信息模式等。系统中预设了6 4 种不同的 系统信息模式，由6 个信息比特来表示，该6 比特将采用扩频技术成为3 2 比特 长的系统信息矢量，即用长度为3 2 的w a l s h 序列和长度为3 2 的随机序列来映 射保护。这样经过保护后，每个系统信息矢量长度为3 2 个复符号，在其前面再 加4 个复符号作为数据帧体模式的指示，最终构成3 6 个符号的系统信息。 映射后3 7 4 4 个数据符号复接3 6 个符号的系统信息后形成帧体，用c 个 子载波调制，占用的r f 带宽为7 5 6 m h z ，时域信号块长度为5 0 0 微秒。c 有两 种模式：c = i 或c = 3 7 8 0 ；分别代表单载波和多载波模式。 9 第二章国标地面数字电视与t d s - o f d m 基带后处理( 成型滤波) 采用平方根升余弦( s q u a r er o o tr a i s e dc o s i n e ， s r r c ) 滤波器进行基带脉冲成形。 2 1 2g b 2 0 6 0 0 2 0 0 6 复帧结构 该标准中规定的数据帧结构如图2 - 2 所示，是一种四层结构。其中，一个基 本帧称为信号帧，信号帧由帧头和帧体两部分组成。超帧定义为一组信号帧。分 帧定义为一组超帧。帧结构的顶层称为日帧( c a l e n d a rd a yf r a m e ，c d f ) 。信 号结构是周期的，并与自然时间保持同步。 o 。124：01 7i ij 乎令i a m 图2 - 2 分级复帧结构 信号帧是系统帧结构的基本单元，一个信号帧由帧头和帧体两部分时域信号 组成。帧头和帧体信号的基带符号率相同( 7 5 6 m s p s ) 。帧头部分由p n 序列构 成，帧头长度有三种选项。帧头信号采用i 路和q 路相同的4 q a m 调制。帧体 部分包含3 6 个符号的系统信息和3 7 4 4 个符号的数据，共3 7 8 0 个符号。帧体长度 是5 0 0 肛s ( 3 7 8 0 1 7 5 6 雎s ) 。 超帧的时间长度定义为1 2 5m s ，8 个超帧为l s ，这样便于与定时系统( 例如 g p s ) 校准时间。超帧中的第一个信号帧定义为首帧，由系统信息的相关信息指 示。 个分帧包含4 8 0 个超帧，时间长度为1 分钟 u 帧以一个公历自然口为周期进行周期性重复，由1 4 4 0 个分帧构成，时间 正好为2 4 小时。在北京时间0 0 ：0 0 ：0 0a m 或其它选定的参考时间，物理信道帧 l o 第二章国标地面数字电视与t d s o f d m 结构被复位并开始一个新的日帧。 数据帧结构的基本单元为信号帧，信号帧由帧头和帧体两部分组成，为适应 不同应用，定义了三种可选帧头模式以及相应的信号帧结构，见图2 3 所示。三 种帧头模式所对应的信号帧的帧体长度和超帧的长度都保持不变。对于信号帧结 构1 ，每2 2 5 个信号帧组成一个超帧( 2 2 5 4 2 0 0 1 7 5 6 i ls = 1 2 5 m s ) ；对于信 号帧结构2 ，每2 1 6 个信号帧组成一个超帧( 2 1 6 4 3 7 5 1 7 5 6l as = 1 2 5 m s ) ； 对帧结构3 ，每2 0 0 个信号帧组成一个超帧( 2 0 0 4 7 2 5 1 7 5 6 i ls = 1 2 5 m s ) 。 信号帧结构1 i 帧头( 5 9 5 个符号) 帧体( 含系统信息和数据) ( 3 7 8 0 个符号) i ( 7 8 7 u s ) ( 5 0 0 u s ) 信号帧结构2 i 帧头( 9 4 5 个符号)l 帧体( 含系统信息和数据) ( 3 7 8 0 个符号)i l ( 1 2 5 u s )i ( 5 0 0 u s )l 信号帧结构3 图2 3g b 2 0 6 0 0 2 0 0 6 的三种信号帧结构 2 2 国标中采用的t d s - o f d m 技术 根据不同的信道情况和不同的应用需求，不同的数字电视系统采用了不同调 制技术方案。调制技术目前主要有两种方案一单载波调制和多载波调制。近年来 大量的研究和产业发展表明，o f d m 多载波技术是宽带无线传输技术发展的方 向，不仅在数字电视传输方面被多数国家采纳，而且已成为新一代( 4 g ) 移动 通信和宽带无线局域嘲的主流技术。 国标多载波模式下的信号帧结构采用了t d s o f d m 技术，该技术是国标区 别于d v b t 的主要特征之一，该技术决定了信号帧的基本结构，对该技术的理 解是研究国标地面数字电视接收机中信道估计和信道均衡的基础。 2 2 1o f d m 简介 o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 是目前己知的频谱利用 率最高的一种通信系统，它将数字调制、数字信号处理、多载波传输等技术有机 结合在一起，使得它在系统的频谱利用率、功率利用率、系统复杂性方面综合起 来有很强的竞争力，是支持未来移动通信特别是移动多媒体通信的主要技术之 第二章国标地而数字电视与t d s - o f d m o f d m 是一种多载波传输技术，个子载波把整个信道分割成个子信道， 个子信道并行传输信息。o f d m 系统有许多非常引人注目的优点。 第一，o f d m 具有非常高的频谱利用率。普通的f d m 系统为了分离开各子 信道的信号，需要在相邻的信道间设置一定的保护间隔( 频带) ，以便接收端能 用带通滤波器分离出相应子信道的信号，造成了频谱资源的浪费。o f d m 系统 各子信道间不但没有保护频带，而且相邻信道间信号的频谱的主瓣还相互重叠， 但各子信道信号的频谱在频域上是相互正交的( 见图2 4 ) ，各子载波在时域上是 正交的，o f d m 系统的各子信道信号的分离( 解调) 是靠这种正交性来完成的。 另外，o f d m 的各子信道上还可以采用多进制调制( 如频谱效率很高的q a m ) ， 进一步提高了o f d m 系统的频谱效率。 f a b l 图2 - 4 子信道符号频谱和0 f d m 信号的频谱 第二，实现比较简单。当子信道上采用q a m 或m p s k 调制方式时，调制过 程可以用i f f t 完成，解调过程可以用f f t 完成，既不用多组振荡源，又不用带 通滤波器组分离信号。 第三，抗多径干扰能力强，抗衰落能力强。由于一般的o f d m 系统均采用 循环前缀( c y c l i cp r e f i x ，c p ) 方式，使得它在一定条件下可以完全消除信号的 多径传播造成的码间干扰，完全消除多径传播对载波问正交性的破坏，因此 o f d m 系统具有很好的抗多径干扰能力。o f d m 的子载波把整个信道划分成许 多窄带信道，尽管整个信道是有可能是极不平坦的衰落信道，但在各子信道上的 衰落却是近似平坦的，这使得o f d m 系统子信道的均衡特别简单，往往只需一 个抽头的均衡器即可。 当然，与单载波系统比，o f d m 也有一些困难问题需要解决。这些问题主 要是： 第一，同步问题。理论分析和实践都表明，o f d m 系统对同步系统的精度 1 2 第二章国标地面数字电视与- t d s - o f d m 要求更高，大的同步误差不仅造成输出信噪比的下降，还会破坏子载波间的正交 性，造成载波问干扰，从而大大影响系统的性能，甚至使系统无法正常工作。 第二，o f d m 信号的峰值平均功率比( p e a k - t o a v e r a g ep o w e rr a t i o ，p a p r ) 往往很大，使它对放大器的线性范围要求大，同时也降低了放大器的效率。o f d m 在未来通信系统中的应用，特别是在未来移动多媒体通信中的应用，将取决于上 述问题的解决程度。 o f d m 技术已经广泛应用于数字视频广播领域。在宽带无限接入应用中， i e e e8 0 2 1 1 a 及i e e e8 0 2 1 6 都有基于o f d m 技术的建议，e t s i 的h i p e r l a ni i 也是一种基于o f d m 技术的标准；在数字蜂窝移动通信中应用中，o f d m 是目 前研究的热点技术之一；在有线宽带接入技术中，例如x d s l ( 各种高速数字用 户线) 技术中，o f d m 的一种特殊形式- d m t ( d i s c r e t em u l t i t o n e ) 已获得广泛 应用。o f d m 在这些应用中已经表现出强大的生命力，随着制约o f d m 应用的 一些关键问题的解决，相信o f d m 在未来的通信应用中将会扮演越来越重要的 角色。 2 2 2o f d m 基本调制和解调原理嘲 o f d m 是一种特殊的多载波传送方案。单个用户码周期为t s 的信息流被串 并变换为n 路并行低速率码流，转换后的并行信号周期为t ( t = nt s ) ，每个码 流都用一条载波发送，子载波的频率满足f n = f 0 + n ( nt s ) ，n = 0 ，l ，n l ，即 子载波的频谱相互正交。 y j ：一 e x p 0 2 氐i t ) 图2 - 5o f d m 调制 发射信号的复基带信号表示为： 印) = 薹磊 万 。n 脚- l e x p ( j 2 f i t ) = e x p ( j 2 r c f ) d ne x p ( j 2 万斋)s ( f ) = 磊 万 。 万专) 第二章国标地面数字电视与t d s o f d m 在此先假设f o = o ，用t = k t s ( k = 0 ，1 ，n 1 ) 对其进行采样的可得到n 个样 值： 一篓抛町2 刀篇，= 篓抛刚2 万和 ， 式( 2 2 ) 可见，s i c 等效为对离散序列d n 进行i d f t 对序n s k 进行d a u p 可得至l j s ( t ) 。