（电路与系统专业论文）数字电视中lpdc码的研究.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学电子科学与工程学院 溯 作 者：盟级研究生赵海建 题目：数字电视中l p d c 码的研究 英文题目： r e s e a r c ha b o u tl d p cc o d ei nd i g i t a lt e l e v i s i o n 主题词：低密度奇偶校验码( l d p c 码) ，可靠性，数字电视，高 斯信道，循环奇偶校验矩阵( h 阵) ，循环生成矩阵( g 阵) k e y w o r d s ：l o w d e n s i t yp a r i t y - c h e c kc o d e ( l d p cc o d e ) ，r e l i a b i l i t y ， d i g i t a lt v ，g a u s s i a nc h a n n e l ，c y c l ep a r i t ym a t r i x ( i i m a t r i x ) ，c y c l eg e n e r a t i o nm a t r i x ( gm a t r i x ) ky 南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 数字电视中l d p c 码的研究在最近几年一直是最热门的话题之一。2 0 0 6 年8 月1 8 日 颁布的g b 2 0 6 0 0 2 0 0 6 数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制国家强制标 准，标志l d p c 码广阔的应用前景。由于l d p c 码相对于其他编码方式具有更加良好的 性能表现，使得它在通信领域得到广泛的运用，因此把l d p c 码应用于数字电视可以进一 步降低传输的误码率以提高系统的可靠性。本文对l d p c 码进行了系统的分析：首先给出 有关数字电视和l d p c 码的一些基本知识；对国标进行了详细的分析并给出了一种关于构 造循环奇偶校验矩阵( 日阵) 的方法，构造出性能优异的日阵；另外，文中还给出了一种 从日阵到循环生成矩阵( g 阵) 的生成方法，并对结果进行了分析；最后，得到编码器的 硬件仿真实现及结果。本文的重点：在已有构造方法的基础上对其结构进行改进，构造出 在高斯信道下性能优异的l d p c 码，并通过仿真证明其误码率在高斯信道条件下比国标中 对应码率的l d p c 码的误码率更低，且给出了比较数据。 关键词；低密度奇偶校验码( l d p c 码) ；可靠性；数字电视；高斯信道：循环奇偶校验 矩阵( 日阵) ；循环生成矩阵( g 阵) 矿鹾-， 氏 ： 多 南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 a b s t r a c t 。 i nr e c e n ty e a r s ，t h er e s e a r c ho fl d p cc o d ei nd i g i t a lt e l e v i s i o nh a sb e e no n eo ft h eh o t t e s t t o p i c s a u g u s t18o f2 0 0 6 ，t h eg o v e r n m e n to fc h i n ai s s u e dg b 2 0 6 0 0 - 2 0 0 6 f r a m i n gs t r u c t u r e ， c h a n n e lc o d i n ga n dm o d u l a t i o nf o rd 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 gs y s t e m n a t i o n a l c o m p u l s o r ys t a n d a r d s ，w h i c hs i g n sl d p cb r o a dp r o s p e c t s c o m p a r e dt oo t h e re n c o d i n g ，l d p c c o d eh a sm u c hb e t t e rp e r f o r m a n c e ，m a k i n gi tw i d e l yu s e di nt h ef i e l do fc o m m u n i c a t i o n s ，s 0t h e l d p cc o d eu s e di nd i g i t a lt e l e v i s i o nt r a n s m i s s i o nm a yf u r t h e rr e d u c et h ee r r o rr a t et oi m p r o v e s y s t e mr e l i a b i l i t y t h i sp a p e rg i v e sas y s t e m a t i ca n a l y s i so f l d p cc o d e ：f i r s to fa l l ，g i v e s s o m eb a s i ck n o w l e d g ea b o u td i g i t a lt e l e v i s i o n ，l d p cc o d ea n dd e t a i l e da n a l y s i so nn a t i o n a l s t a n d a r d ，i n t r o d u c e saw a yt oc o n s t r u c t i n gc y c l i cp a r i t y - c h e c km a t r i x 旧m a t r i x ) ；i na d d i t i o n , g i v e san e wm e t h o do fg e n e r a t i n gc y c l i cg e n e r a t o rm a t r i x ( gm a t r i x ) f r o m 日m a t r i xa n dg i v e s s o m ea n a l y s i sa b o u tt h er e s u l t s ；f i n a l l y , g i v e st h eh a r d w a r ee n c o d e rs i m u l a t i o na n dr e s u l t s t h ef o c u so f t h i sa r t i c l e ：d e s i g nan e ws t r u c t u r eo f c o n s t r u c t i n gl d p cc o d eb a e s do nt h ee x i s t i n g m e t h o d ，a n dt h er e s u l to fs i m u l a t i o np r o v et h a tt h eb e ro fn e wl d p ci sm u c hl o w e rt h a nt h e c o r r e s p o n d i n gl d p ci ng b 2 0 6 0 0 - 2 0 0 6u n d e rt h eb a c k g r o u n do fg a u s s i a nc h a n n e l ，a n da l s o g i v e sc o m p a r a t i v ed a t a k e yw o r d s ：l o w - d e n s i t yp a r i t y - c h e c kc o d e ( l d p cc o d e ) ；r e l i a b i l i t y ；d i g i t a lt v ；g a u s s i a n c h a n n e l ；c y c l ep a r i t ym a t r i x ( 日m a t r i x ) ；c y c l eg e n e r a t i o nm a t r i x ( gm a t r i x ) n - l j k i j 毒 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第章绪论1 1 1 数字电视基本概述1 1 1 1 国际上三个标准2 1 1 2 中国国家标准一3 1 2l d p c 码基本概述3 1 2 1l d p c 码定义4 1 2 2l d p c 码基础4 1 2 3l d p c 码优缺点及发展前景5 1 3 论文安排6 第二章数字电视标准分析一7 2 1 国家标准背景7 2 2 国家标准简介一7 2 2 1 国标技术特点8 2 2 2 国标的优势1 0 2 2 3 国标的不足1 1 2 - 3 标准之间比较1 l 2 4 本章小结1 2 第三章l d p c 码构造方法分析一1 3 3 1 正则l d p c 码一13 3 1 1g a l l a g e r 构造方法1 3 3 1 2m a c k a y 构造方法1 4 3 1 3 利用阵列码构造方法1 5 3 2 非正则l d p c 码1 6 l i l i ， ， f 一 南京邮电大学硕士研究生学位论文目录 3 2 1 基于欧几里得有限几何构造方法1 6 3 2 2 非正则准循环l d p c 码1 9 3 2 3 基于近似下三角有效编码一2 0 3 3 本章小结2 4 第四章l d p c 码译码算法分析2 5 4 1 比特翻转法译码2 5 4 2 加权比特翻转法2 7 4 3l p 力口权比特翻转法2 8 4 4 置信传播译码算法( b p 算法) 2 9 4 5 本章小结3l 第五章l d p c 码设计与性能比较3 2 5 1 国标l d p c 码描述3 2 5 1 1 国标l d p c 码环长分析3 2 5 1 2 国标l d p c 码性能分析3 3 5 2 构造基于国标l d p c 码3 4 5 2 1l d p c 码构造3 4 5 2 2l d p c 码优化3 5 5 2 3 与国标性能比较3 7 5 3l d p c 码标准输出3 8 5 4 本章小结。3 8 第六章构造基于国标的循环生成矩阵3 9 6 1 国标循环校验矩阵和循环生成矩阵3 9 6 2 生成矩阵的生成方法4 0 6 2 1 生成矩阵一般生成方法( 高斯消去法) 一4 0 6 2 2 循环生成矩阵生成方法4 2 6 3 结果分析4 4 6 4 本章小结4 5 第七章l d p c 码编码器硬件仿真4 6 i v ， ! 乒 南京邮电大学硕士研究生学位论文目录 7 1 编码器整体描述4 6 7 1 1 编码器原理图4 6 7 1 2 器件的选择4 6 7 2 基于m o d e l s i m 的前期工作一4 7 7 2 1m o d e l s i m 仿真过程4 7 7 2 2m o d e l s i m 仿真中总结4 9 7 3 基于q u a r t u s 的后期工作5 0 7 4 本章小结5 0 结束语。5 l 致 射5 l 参考文献5 3 附录一5 5 附录二5 9 附录三6 3 附录四6 5 附录五6 6 附录六一6 9 附录七一7 4 附录八8 3 v 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 数字电视基本概述 第一章绪论 所谓数字电视，就是将图像画面的每一个像素、伴音的每一个音节都用二进制数编成 多位数码，并以非常高的比特率进行数码流发射、传输、接收的系统工程。简单的说就是 在数字电视这个系统工程中发射台发射的电视信号是高比特率的数码脉冲串；空中或有线 电缆中传输信号也是高比特率的数码脉冲串；电视接收机，从接收到视频放大、色度解码、 音频放大等所有过程均为数码流的处理过程。在这个过程r f l 没有数模或模数转换，仅在 显像管激励终端经数模转换为负极性图像信号，扬声器功率推动终端经数模转换为正弦 波音频信号，使显像管荧屏显示高清晰画面，扬声器还原出近似临场的立体声或丽音效果。 近年来，中国数字电视转换工作如火如茶的开展，到2 0 0 8 年底中国数字电视用户达到了 4 5 2 8 万户，预计2 0 1 1 年可攀升至1 1 5 亿户，可以说数字电视已经进入到人们的生活中， 给人们带来了更大的方便。数字电视的好处颇多，微观上可以使消费者获得廉价和清晰的 电视节目，宏观上有利于整个相关行业的快速健康发展，因此全球有多个国家或组织出台 了数字电视有关标准。 目前国际上主要有三个标准，它们分别是美国的高级电视系统委员会( a t s c ，a d v a n c e d t e l e v i s i o n s y s t e m sc o m m i t t e e ) ，欧洲的数字视频地面广播( d v b ，d i g i t a l v i d e o b r o a d c a s t i n g t e r r e s t r i a l ) 和日本的地面综合业务数字广播( i s d b ，i n t e g r a t e ds e r v i c ed i g i t a l b r o a d c a s t i n g t e r r e s t r i a l ) ，我国也于2 0 0 6 年8 月1 8 日出台了数字电视地面广播传输系统 帧结构，信道编码和调制标准。数字电视标准是非常重要的一项广电领域的标准，牵涉 到广电运营商、广电设备商、彩电厂商，甚至要用车载电视的汽车业。值得注意的是在该 标准中采用了低密度校验纠错码( l d p c ，l o wd e n s i t yp a r i t yc h e c k ) ，它是提高系统性能 的关键技术之一。l d p c 码是最近几年新兴的技术，试验和实践已经证明其是现有的编码 技术中性能最好的，在第四代移动通信中有很大的竞争力，有很希望成为第四代移动通信 中的标准，除此以外在其他领域l d p c 码也有很好的发展前景。因此本文研究l d p c 码将 有重要的实际意义。 数字电视按传输方式分为地面、卫星和有线三种。早在1 9 9 5 年，欧洲1 5 0 个组织就 成立了d v b 联盟，该联盟目前已拥有近2 0 0 个成员。1 9 9 7 年，d v b 联盟发表了数据广 播技术规范，包括卫星数字电视传输标准d v b s 、有线电视传输系统标准d v b c 和地而 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 传输标准d v b t ，为卫星、有线和地面电视频道传送高速数据铺平了道路。其中，d v b s 规定了卫星数字广播调制标准，使原来传送一套p a l 制节r i 的频道可传播四套数字电视 节目，大大提高了卫星的效率。d v b c 规定了在有线电视网中传播数字电视的调制标准， 使原来传送一套p a l 制节目的频道可传播四至入套数字电视节目。d v b - s 和d v b c 这 两个全球化的卫星和有线传输方式标准，目前己作为世界统一标准被大多数国家所接受 ( 包括中国) 。对于地面数字电视广播标准，经国际电讯联盟( 1 t u ) 批准的共有三个， 分别为：欧盟的d v b t 标准、美国的a t s c 标准和日本的i s d b - t 标准，因此，数字电 视标准之争主要集中在地而数字广播系统。 1 1 1 国际上三个标准 目前国际上影响比较大的标准有三个，具体介绍如下： 1 ) 美国a t s c a t s c 是一套单载波方案。该系统使用单载波调制方案，即八电平残留边带( 8 一v s b ) 调制，用于单发射机( 多频网m 附) 实现。它为了在单个6 m h z 频道中传输高质量视频和 音频( 皿t v ) 以及辅助数据而设计的，用于地面广播和有线分配系统。它能够可靠地在 6 m h z 地面信道中传输1 9 4 m b i t s 的数据吞吐量，在有线电视信道中数据吞吐量为 3 8 8 m b i t s 。有两种有效的操作模式：8 - v s b “地面同播模式”( 便于更好地抵抗n t s c 干 扰) 和1 6 - v s b “高码率模式 ( 主要用于更干净的有线信道) 。此系统可以抵抗许多类型 的干扰：现存的模拟电视节目、自噪声、脉冲噪声、相位噪声、连续波和无源反射( 多径) 。 系统提供固定的接收，不支持移动接收。虽然此系统是为6 m h z 频道开发和测试的，但它 能应用于任何信道带宽( 6 、7 、8 m h z ) ，只是相应地改变数据容量。 2 ) 欧洲d v b d v b t 系统是欧洲数字视频广播组织开发的一系列标准中的一个，此系列标准考虑了 数字视频和音频的传输，以及将来的多媒体节目。此系统工作在现存的己分配给模拟电视 传输的u h f 频谱内，根据信道编码参数、调制类型和保护间隔的选择，在8 m h z 信道内 传输的有效净比特码速率在4 9 8 - 3 1 6 7 m b i t s 范围内不等。d v b t 采用编码的j 下交频分复 用( c o f d m ) 多载波调制技术。系统具有很多可选择的参数，以适应大范围的载噪比和 信道特性，不仅能处理高斯信道，而月也能适应r i c e a n 和r a y l e i g h 信道。该系统抗干扰性 能优异，不仅能抵抗高电平( o d b ) 、长时延的多径失真，也能克服地势或建筑物反射的回 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 波。系统支持固定、便携和移动接收。 3 ) 日本i s d b 采用的频带分段传输正交频分复用( b s t o f d m ，b a n d w i d t hs e g m e n t e dt r a n s m i s s i o n o f d m ) 。它系统地综合了各种类型的数字内容，每一种可包括从s d t v 到h d t v 的多节 目视频、多节目音频、图形和文本等。系统提供了可选择的调制和误码保护方案和灵活的 组合，以便面对这些综合业务的每种需求。系统采用的调制方法称为频带分段传输( b s t ) o f d m ，由一组共同的称为b s t 段的基本频率块组成。每段的带宽为b w 1 4m h z ，b w 指的是地而电视信道带宽( 6 、7 或8 m h z ，依赖于所处地区) 。例如，对于6 m h z 信道， 每段占据6 1 4 m h z = 4 2 8 6 k h z 频谱，7 段等于6 7 1 4 m h z 譬3 m h z 。在o f d m 特性之外， b s t - o f d m 对不同的b s t 段采用不同的载波调制方案和内码编码码率，依此提供了分级 传输特性。每个数据段有其自己的误码保护方案( 内码编码码率、时间交织深度) 和调制 类型( q p s k 、d q p s k 、1 6 - q a m 或者6 4 q a m ) ，那么每段能满足不同的业务需求。许多 段可以灵活地组合到一起，提供宽带业务( 例如h d t v ) 。通过传输不同传输参数的o f d m 段群，可以达到分级传输。 1 1 2 中国国家标准 国家标准规定了在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 播传输系统的帧结构、信道编码和调制方式。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间隔填充方法、低密度校验纠错码、系统信息的扩频传输方法等。 此标准支持4 8 1 3 1 v l b i t s s - 3 2 4 8 6 m b i t s 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，支持固定和移动接收，支持多频组网和单频组网。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。 1 2l d p c 码基本概述 国标采用先进的l d p c 编码技术，这种编码的方式的优点是具有接近s h a n n o n 限的误 码性能，这个优点是其他的编码方式所不及的，下面将对l d p c 码作一个基本的介绍。 l d p c 码是一类可以用稀疏校验矩阵定义的线性纠错码，由于校验矩阵是稀疏的，所 以称之为低密度的，即疏校验矩阵的元素除小部分为1 外，其他绝大多数都为0 。l d p c 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 码是g a l l a g e r 于1 9 6 2 年提出来的，并采用了迭代译码的思想进行译码，所以又称之为 g a l l a g e r 码。在很长的一段时间里，限于当时的条件等原因，l d p c 码并未受到人们的 重视。直到1 9 9 3 年，b e r r o u 等人提出了t u r b o 码p 】，人们发现它就是一种l d p c 码，l d p c 码才又重新引起人们的兴趣。1 9 9 6 年，m a c k y 和n e a l 对这种正则型的l d p c 码重新进行 了研究，发现它们也如t u r b o 码一样具有接近s h a n n o n 极限的性能【4 】，从而使l d p c 码的 研究跨入了一个崭新的阶段。从此人们纷纷加入到l d p c 码的研究行列，由i e e e 、i e e 等 举办的一些重大国际学术会议和著名学术期刊均发表了大量l d p c 码的研究成果，而且还 发现长的l d p c 码的性能要好于同等条件下的t u r b o 码。l d p c 码现已成为当今信道编码 领域最瞩目的研究热点。 1 2 1l d p c 码定义 简单的说l d p c 码是一种具有低密度稀疏校验矩阵的线性纠错码，其定义通常具有两 种形式：一种是用校验矩阵( 日阵) 来定义，另一种是用t a n n e r ( 也n q _ 分图) 来定义。 用二分图来分析常常会带来很大的方便，特别是在分析g i r t h ( 环长) 的时候。在二分 图中，可能含有大小为4 的环，这种小环在设计l d p c 码时应尽量避免，因为通过研究逐 渐发现，当l d p c 码对应的二分图中含有较小的环时，会影响迭代译码算法的性能，使纠 错性能下降。而且环的数量和环的大小同码的分布重量一样对l d p c 码的纠错性能同样有 着重要的影响。目前，人们直在研究消除小环的方法，包括有搜索法、代数法等。 1 2 2l d p c 码基础 由前面了解到，l d p c 码可以用校验矩阵和二分图来表示，根据校验矩阵日中每行每 列中“1 ”的个数是否相同，把l d p c 码分为正则码和非正则码【5 石】。在介绍之前，先了解 行重和列重的定义。所谓行重是指校验节点的度数，也就是校验矩阵中每一行非零元素的 个数，用二分图来描述的话，就是与某个校验节点相连的边数；同理，列重是指变量节点 的度数，也就是校验矩阵中每一列非零元素的个数，用二分图来描述的话，也就是与某个 变量节点相连的边数。如果一个码的校验矩阵中每一行的非零元素的个数相同，就称这种 码为正则l d p c 码，且用( 刀，j ，k ) 来表示该码，其中，为码长，为每y u - 1 仁零元素的个数， k 为每行非零元素的个数。有了正则l d p c 码，那么对应就有非正则l d p c 码，对于非正 则l d p c 码来说，其校验矩阵中的行重和列重就不再相同，在其对应的二分图中，变量节 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 点之间以及校验节点之间的行重或列重可能是不同的，分别用序列九( ，k ，k ) 和 p ( p ，p 2 ，p d ) 来描述它的次数分布，其中和p ，分别表示非规则图中度为i 的变量节点 和校验节点的边数在总边数中占的比例，朋和d 分别表示是变量节点和校验节点的最大度 -，j 数，序列九和p 满足等式芦九；：1 和p ，= 1 。此外，还分别定义变量节点和校验节点的分 _ 一l _ 布情况。更具体一点，令 九( x ) ：壹 ( 1 1 ) j 鲁2 p ( x ) ：兰咿川 ( 1 2 ) j = 2 式( 1 1 ) 、( 1 2 ) 中也和以分别表示变量节点和校验节点的最大度数，和p i 表示与度数 为i 的变量节点和校验节点的边数在总边数中占的比例。 1 2 3l d p c 码优缺点及发展前景 l d p c 码现已成为当今信道编码领域最瞩目的研究热点，且其校验矩阵是稀疏的，也 正是因为这个特点，其译码复杂度不高，而且在线性复杂度内实现译码过程，且可实现完 全的并行操作，硬件复杂度也低，适合用硬件实现，这一特点是t u r b o 码不能与之比拟的。 这种码在译码过程中可以确定码字是否译出，来决定译码过程是否结束，从而减少迭代次 数，所以l d p c 码的吞吐量很大，极具高速译码的潜力。同时，其译码性能要优于t u r b o 码。如图1 1 所示。l d p c 码还具有较大的灵活性和较低的差错平底特性；其描述简单， 对严格的理论分析具有可验证性；由于校验矩阵是稀疏的，所以译码器对校验矩阵的存储， 只需要很小的存储容量；此外，l d p c 码含有内在的交织器，所以它不像t u r b o 码需要交 织器来实现随机交织。当然，l d p c 码也有它的缺点，其主要缺点在于其编码复杂度高， 其编码复杂度为o ( n 2 ) 。虽然最新的研究表明它可以在线性时问内编码，但是其复杂度相 对于卷积码来说仍然过大；而且，由于当码的长度不够长的时候，会有中短长度的环存在， 所以l d p c 码的优越性通常需要在码长较长的时候才能体现山来；但是当码长较长时，由 于l d p c 码在编码的时候，必须接收到所有的信息比特以后才能进行编码，这样就会给编 码带来一定的时延。 由于性能优越，l d p c 码具有很好的应j = i j 前景，将在深空通信、卫星通信、移动、固 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 定无线通信和数字通信中得到广泛的应用。目前在欧洲数字电视卫星通信标准d v b - s 2 中 就采用了b c h 和l d p c 级联编码，并且这利一方法在l - i 国刚提出的标准r | 1 也被采用。 o 1 o o e 3 o ：1e 4 l l j e - 6 e e i i ； i i i ；囊；i l ；l ；! ；! 妾i ；i i l i ；i l ；i ；塞i ；i l i i ；l ；i i j j ；i i ；：j j j ：军! ! j ；：i j ：j ：；鼍；：j i ；：j i j ! ! j ：；：辜j ：j ；：；：i ；j j j 。：。1 ：。? ：1 。：。一一。? 。：。一1 = 。 。：。 o 0o 5 o1 62 o2 53 o e b n od b 图1 1 码长为2 4 0 0 比特、码率为1 2 的l d p c 码与t u r b o 码的性能比较 1 3 论文安排 本文第一和第二章对l d p c 码和数字电视基本知识作了详细介绍，在随后的第三、第 四章介绍了l d p c 码的构造和译码算法。第五章详细介绍了l d p c 码的构造过程，在第六 章中给出了日阵对应的循环生成矩阵的生成过程，第七章则着重介绍编码器的硬件仿真实 现。本文的重点在第五和第六章，重点介绍了日阵和g 阵的构造过程，并和国标中对应 码率的l d p c 码在高斯信道下进行了仿真比较，由仿真数据可得出本文构造的l d p c 码的 误码率比国标中的同码率的l d p c 码要低。 6 ：=一t：-一-ii- -：-#：- - i ：- - - i - li；zt -t：= - i - - t ：一- - - ： ：一- ，cer - ：一一- - ：- - - ：一- - - ：- - - - ：一 一：- - - - ：- - i ：- - - _=： ：- _ - ：= ： ：- ：- - i ：一- ： t ：- - 一鲁，_一、宝，jj1 - = ：一- ；：一 ：- t ：- - - ：- - z ：- - =：-i；：ii- = = ：- - - l = = 一一- 一= 一- - =ii：- t = ：- - - - ：- - = ：= - - - ：- - - i ：- - - - i!jti2t；ttu i i - - - !：-!：p、 ： = = = - - -； ：- = = ： 一ili ccle：lrk#r 兰=- 苎：=-、；：- = ：- - t=：一、- 0 = 一一- ! = = - !=工-：= 上歪士士襄f十盎：+- ：-、：- ：- - - ：= - - - - - ：=：- l l | ：- 、一 i i l i i il：- ，rioj，d。_)j1j拿_r、j。_ ! - 工- - 一 t i i - - ：- i妄：- # t ：- - - = = - - - 苫：=； = = ：- - - ：= ：一 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章数字电视标准分析 第二章数字电视标准分析 2 1 国家标准背景 早在2 0 0 0 年，由我国发改委、科技部、信息产业部、广电总局和质检总局等组成的 国家数字电视领导小组，决定臼主制定中阑数宁电视地面传输标准。之后，先后出现了广 电科学研究院研制的t i m i 方案、清华大学的多载波d m b t 方案与上海交大的a d t b t 单载波方案等多种方案。到2 0 0 4 年，清华大学的d m b t 方案和交大的a d t b t 方案逐渐 成为国家标准的有力竞争者，而我国在2 0 0 6 年颁布的数字电视地面传输标准也是集合了 两者的优点。下面简要介绍一下这两种标准： 1 ) 清华大学的d m b t 方案 清华大学的d m b t 方案是基于t d s o f d m 调制技术的地面数字电视广播传输系统， 即地面数字多媒体电视广播传输系统。d m b t 方案的目的是提供一种数字信息传输方法， 系统的核心采用了m q a m q p s k 的时域同步正交频分复用调制技术，其频谱利用率可高达 ( 4 b i t s ) h z 。因此，每个频道有效净荷的信息传输码率在8 m h z 的带宽下可高达3 2 m b s ， 也就是说每个频道可以支持最高每秒3 2 m 的高码流高清节目；系统使用创新的前向纠错编 码技术；并实现了分级调制和编码；同时可以实现多媒体业务。 2 ) 上海交通大学的a d t b t 方案 上海交通大学的a d t b t 方案在承接单载波系统覆盖范围性能好、抗同邻频干扰能力 强的基础上，进一步的解决了抗恶劣、动态信道干扰以及单频组网的国际性难题，具有广 泛的应用前景。该方案是基于单载波调制技术，也就是将需要传输的数据流调制到单个载 波上进行传送，和清华大学的d m b t 有着本质上的不同，目前应用最为广泛的是q a m 、 o q a m 、p s k 等星座映射方式。单从调制技术本身来看，具有信号峰均比低、接收灵敏度 好、对载波偏差和相位噪声不敏感、实现简单等优点。但传统的单载波技术抗信道衰落的 能力较差。在国标中，单载波调制方式已经成为“帧体数据处理”模式中的一种，在国标 的所有支持模式中，超过一半均为单载波调制。必须指出，单纯的调制技术是无法满足数 据可靠传输的需要，还需要数据结构、信道编解码方案、同步与均衡算法的支持来保持单 载波本身的优势，进一步提高抗信道衰落的能力。 2 2 国家标准简介 电视产业和事业的发展一直以收视质量和服务能力为中心而进行，数字电视作为新一 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章数字电视标准分析 代的电视技术，其收视质量大幅提高；同时，数字化电视技术的引用为更多的其他的服务 创造了发展空间，数字电视的发展对整个电子信息行业的发展有着重大的意义。数字电视 地面广播系统是广播电视体系的重要组成部分，它与卫埋数字电视广播系统和有线数字电 视系统以及其他辅助系统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的 重要组成部分。国家标准中规定了数字电视地而广播传输系统信号的帧结构、信道编码和 调制方式。地面数字电视传输国家标准的正式颁布挣开了我国地面电视数字化的序幕， 为全面推广和开展各项地而数字电视业务奠定了基础，为此需要深入了解地而数字电视传 输国家标准，下面将对该标准进行系统、全面的介绍。 2 2 1 国标技术特点 国标以时域正交频分复用( t d s o f d m ) 调制技术为核心，形成了自主知识产权体系， 其技术特点有： 1 ) 创新的t d s o f d m 调制 国标系统采用了t d s o f d m ，其特点是同步头采用了伪随机序列，在每个o f d m 保 护间隔周期性地插入时域正交编码的帧同步序列，t d s o f d m 调制按下列步骤进行。 a ) 输入的m p e g - - t s 码流经过信道编码处理后通过星座映射形成3 7 8 0 点的星座； b ) 采用i d f t 将该3 7 8 0 点星座变换成长度为3 7 8 0 的离散样值( 单载波模式不需要这 一步骤) 帧体( 5 0 0 9 s ) c ) 在o f d m 的保护间隔插入长度为4 2 0 ( 或5 9 5 ，9 4 5 ) 的p n 序列作为帧头； d ) 将帧头和帧体组合成时间长度为5 5 5 5 6 9 s ( 或5 7 8 7 9 s ，6 2 5 岬) 的信号帧； e ) 采用具有线性相位延迟特性的f i r 低通滤波器对信号进行频域整形； f ) 将基带信号进行上变频调制到r f 载波上。 2 ) 原创的数字电视广播帧结构 为了实现快速稳定的同步，国标d t m b 采用了分级帧结构，它具有周期性，并且可以 和绝对时间同步。帧结构的基本单元称为信号帧，2 2 5 个信号帧定义为一个帧群，4 8 0 个 帧群定义为一个超帧。帧结构的顶层称为日帧，由超帧组成。信号帧的帧体采用多载波调 制方式或单载波调制方式，帧体的子载波数为3 7 8 0 或1 。子载波数为3 7 8 0 时，相邻子载 波的间隔为2k h z ，每个子载波符号采用m q a m 调制。信号帧的帧体除了正常的数据流外 还包含传输参数信令( t p s ) ，用以传送系统配置信息。它由3 6 比特组成，并用q p s k 映 射为1 8 个子载波或者星座。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章数字电视标准分析 国标d t m b 的超帧由一个控制帧和相邻的2 2 4 个信号帧构成，每个超帧的持续时间为 1 2 5m s ，超帧巾的筇一个信号帧被定义为超帧头( 控制帧) ，j = f j 于传输控制该超帧的信令。 超帧中的每一个信号帧有惟一的帧号，它被编码在帧头的p n 序列中。每个超帧由一个9 b i t 的超帧号标识。超帧号被编码在信号帧的传输参数信令中。t p s 在超帧的每个信号帧中重 复，只在新的超帧开始时才能改变。 国标传输系统的分帧包含4 8 0 个超帧，分帧中的每个超帧由其超帧号惟一识别。分帧 的第一个超帧编号为0 最后一个超帧编号为4 7 9 ，每个分帧的持续时问为6 0 s 。国标d t m b 的日帧由1 4 4 0 个分帧组成，以一个自然日为周期进行周期性重复。在北京时间0 ：0 ： 0 a m ，系统的帧结构被复位并开始一个新的日帧。 3 ) o f d m 调制保护间隔的新定义 在o f d m 系统中，o f d m 信号结构是块结构，每个信号块称为o f d m 符号，它在时 域中由两部分组成：一个是数据部分，另一个是保护间隔。o f d m 信号块数据部分是在频 率域定义的，为了抗多径干扰必须有保护间隔，保护间隔长度一般大于传输多径信号的传 播延时。 、 根据o f d m 符号的保护间隔中的填充信号，传统的o f d m 符号有两种独立定义：第 一种是零值填充的( z e r o p a d d i n g ) 的保护间隔( 简称z - - o f d m ) ，由于接收端处理算法 较为复杂，这种模式一直没有得到广泛应用，但由于拥有较多优点，最近其又成为研究的 对象。第二种则是被广为应用的循环前缀填充( c y c l i c p r e f l x ) 保护间隔( 简称c o f d m ) 。 d t m b 创新定义了以p n 序列( p n p a d d i n g ) 为保护间隔的o f d m 信号( 简称t d s o f d m ) 。在t d s o f d m 系统中，保护间隔中填充的p n 序列有以下重要作用： a ) 作为o f d m 调制的保护间隔，p n 序列在接收端是已知的，进而可去除，因而理 论上等同为零填充的保护间隔； b ) 用于系统同步。p n 序列作为同步序列，被用于实现系统帧同步、频率同步、时间 同步等： c ) 用于信道估计和跟踪相位噪声。在接收端可用该p n 序列通过相关计算获得对于无 线信道的时域冲击响应的估计，以及抑制相位噪声。 4 ) 克服了传输效率是多载波技术弱点的缺点 国标d t m b 的p n 序列放在o f d m 保护间隔中，既作为帧同步、又作为o f d m 的保 护间隔。欧洲d v b t c o f d m 用1 0 的子载波传送用于同步和信道估计等的导频信号，同 时存在循环前缀的保护间隔，而t d s o f d m