数字电视广播原理与应用10课件

1、第10章地面数字电视广播系统 DVB-T数字电视广播系统10.1ATSC数字电视广播系统10.2我国数字电视地面广播传输标准10.310.1DVB-T数字电视广播系统10.1.1内交织10.1.2映射和星座图10.1.3COFDM调制方式10.1.4保护间隔10.1.5帧自适应、导频和TPS信号10.1.6DVB-T不同参数的频谱效率10.1.7COFDM的射频功率谱 国际上目前有四种地面数字电视广播制式，它们是ATSC，DVB-T，ISDB-T和中国的数字电视地面广播传输标准。 DVB-T的信道编码和调制系统框图如图10-1所示。 图10-1 DVB-T信道编码和调制框图 DVB-T中高频载

2、波采用COFDM调制方式，在8MHz射频带宽内设置1075（2k模式）或6817（8k模式）个载波，将高码率的数据流相应地分解成2k或8k路低码率的数据流，分别对每个载波进行QPSK，16QAM或64QAM调制。 图10-2所示的是QPSK、16QAM和64QAM三种调制模式下，收缩卷积码经并/串变换后的输入数据流x0, x1, 被处理成输出调制符号的映射过程。 10.1.1 内交织图10-2 输入比特-输出调制符号的映射 COFDM调制中，由每个V比特的符号对每个载波进行相应的调制，V=2时为QPSK调制，V=4时为16QAM调制，V=6时为64QAM调制。为形成相应的调制信号，使V比特映射

3、成相应的调制信号星座图，如图10-3所示。 10.1.2映射和星座图图10-3 三种模式的映射和星座图 COFDM是数字通信中的多载波方式，OFDM是正交频分复用的英文缩写，全部载波频率有相等的频率间隔，它们是一个基本振荡频率的整数倍。10.1.3COFDM调制方式 为了抗多径干扰，每个OFDM调制信号必须加保护间隔，保护间隔长度一般大于传输多径信号的传播延时。填充保护间隔可采用不同的方法，第一种是零值填充的（Zero-padding）的保护间隔，简称为Z-OFDM；第二种则是被广为应用的循环前缀填充（Cyclic-Prefix）保护间隔，简称为C-OFDM。 图10-4 OFDM已调波的频谱

4、 就地面开路接收时的传输信道种类而言，有三种信道模型： （1）高斯信道，这是天线接收信号只受到高斯噪声（随机噪声，白噪声）干扰的信道模型； （2）Ricean信道，这是天线接收信号接收到直达波之外还接收到多个反射波的信道模型，它对应于使用室外屋顶天线时还会接收到高楼等来的许多多径反射波； （3）瑞利信道，其接收天线接收不到直达波，只接收到许多反射波，对应于用室内天线接收或室外便携和移动接收；接收点直视不到发射天线，只有大楼、山丘等来的诸多反射波。 在OFDM调制之前有“帧自适应”和“导频及TPS信号”两个信号处理框，下面分别说明。 10.1.4保护间隔 10.1.5帧自适应、导频和TPS信号

5、帧自适应是指OFDM帧的构成，它是在OFDM符号的基础上组成的。所谓OFDM符号，前面已指出，是2k或8k模式中在持续期Ts内由N个频率的已调制载波综合成的信号。2k模式中N=1705，8k模式中N=6817。（1） 帧自适应表10-2 2k模式和8k模式的OFDM参数 OFDM中对每个载波的调制都是抑制载波的，接收端的解调诸如对于QAM的相干解调是需要基准信号的，在这里称为导频信号，它们在OFDM符号内分布于不同的时间和频率上，具有已知的幅度和相位。有两种导频类型：连续导频和散布导频。 （2） 导频 连续导频 散布导频 TPS信号 定义4个OFDM帧组成一个超帧，在超帧内可以传输整数个204

6、字节的RS码TS包，无论信道内码编码率和调制模式如何，OFDM超帧内TS包数目如表10-4所示。 （3）超帧内TS包数目表10-4 OFDM超帧内TS包数目内码 DVB-T不同工作条件下的可传输码率（Mbit/s）是重要的特性参数，如表10-5所示。 10.1.6DVB-T不同参数的频谱效率表10-5 8MHz带宽内的有效码率（Mbit/s）调制方式内码 COFDM调制中，对于每个载波而言它的频谱具有Ak(sinx)/x函数形式，参见图10-4。 10.1.7COFDM的射频功率谱图10-4 OFDM已调波的频谱 由于各个载波的调制符号有不同的Ak值，因此，总的功率谱密度不是恒定的，根据各个载

7、波不同的Ak值，8MHz内功率谱是有着起伏而不是很平坦的，如图10-10所示。 图10-10 COFDM已调波的功率谱10.2.1数据随机化与RS编码10.2.2数据交织10.2.3格栅编码10.2.4格栅编码交织器10.2.5段同步和场同步的加入10.2.6导频的加入10.2.7上变频器和射频载波偏置10.2 逐行扫描及隔行扫描 美国的ATSC数字电视系统是1988年由FCC（美国联邦通信委员会）提出设想，历经多年，于1996年正式批准的地面数字电视广播标准，名称为“ATSC数字电视标准”。 ATSC信道编码与调制流程如图10-11的框图所示，下面分步骤予以说明。图10-11 ATSC信道编

8、码与调制框图 ATSC中采用的生成多项式G(x)如图10-12中所示，图中表明了由8个抽头输出的随机字节，它们通过8个异或门分别与输入流中每一个字节的8个比特作高位对高位、低位对低位的异或运算，实现数据随机化。 10.2.1数据随机化与RS编码图10-12 ATSC采用的加扰框图 由图可见，生成多项式的表达式为：G(x)=x16+x13+x12+x11+x7+x6+x3+x+1 在图10-13所示的帧结构安排中，将188个字节中每一字节分成4个2比特的符号（symbol），共有752个符号。其第一个同步字节（4个符号）不进行扰码，进行扰码的是随后的748个符号。 图10-13 ATSC的帧结构

9、图 图10-13中表明，初始化是在每场内第2段的同步字节（在后面它被段同步数据取代）期间实施的。初始化后，PRBS发生器连续运行，使每段内的有效数据加扰，但在后面加入RS纠错码期间阻断PRBS序列进入异或门，并在段同步和场同步期间也阻断PRBS序列进入异或门，也就是，虽然PRBS发生器初始化后连续运行，但只对每场的有效数据起加扰作用。 RS编码之后是数据交织，数据交织是在不附加纠错码字的前提下用改变数据码字（以比特或字节为单元）传输顺序的方法来提高接收端去交织解码时的抗突发误码能力。 ATSC中的数据交织为字节交织。由交织原理可知，交织深度I值越大，抗突发误码的能力越强。ATSC中交织电路如图

10、10-14所示。10.2.2数据交织图10-14 ATSC数据交织电路 信道编码中，为了充分提高抗误码的纠错能力，通常采用两次附加纠错码的FEC编码。RS编码属于第一个FEC，187字节后附加20字节RS码，构成（207，187）RS码，这也可以称为外编码。第二个附加纠错码的FEC一般采用卷积编码，它可以称为内编码。外编码和内编码结合一起，称之为级联编码。级联编码后得到的数据流再按规定的调制方式对载频进行调制，完成信道编码和载频调制的整个信号处理。 10.2.3格栅编码 ATSC中，TCM编码框图如图10-15所示。图中，分为干扰滤波器（预编码器）、格栅编码器和8电平符号映射器三部分。 图10

11、-15 ATSC 的格栅编码器 图10-15中由梳状滤波器组成的预编码器其作用是为了避免与NTSC同频道信号间发生干扰，预编码器的作用参见图10-16。 图10-16 6MHz内预编码器的作用 原理上，数据交织器后面的格栅编码器只需要一个，然而，虽然格栅编码器有助于抗白噪声干扰（随机干扰），但对于脉冲干扰和突发误码其抗御性能并不好。为了改善这方面的性能，以及为了使接收端的格栅解码器电路简化，编码器中采用了12个同样的格栅编码器并行地工作，它们接受经过块交织的、交织深度I=12符号的数据符号。格栅编码交织器的框图如图10-17所示。 10.2.4格栅编码交织器图10-17 格栅编码交织器框图 格

12、栅编码之后是多路复用框图，在这里加入段同步和场同步。每一数据段前加入段同步后的数据段如图10-18所示。 10.2.5段同步和场同步的加入图10-18 段同步加入数据段 场同步段有下列作用： 给出每个数据场的起始信息； PN511向接收端提供信道特性均衡用的训练序列数据，使接收端得到时变的信道特性信息，及时实现解码信道的特性均衡； PN63供接收端实现重影补偿中作测试序列使用，能补偿延时范围在63个符号内即时间为6393=5.86s内的重影信号，接收机设计人员可在5.86s总量内任意分配前重影和后重影的校正范围； 最后12符号供接收机中的梳状滤波器（干扰抑制滤波器）使用； 可用于接收信号信噪比

13、的测量； 可供接收机中的相位跟踪电路用来使电路复位、并确定跟踪环路参数。 图10-19 场同步数据的加入 ATSC中高频调制采用8VSB即8电平残留边带调幅方式，它不同于NTSC中高频调制的VSB残留边带调幅方式，后者的6MHz载波在已调波带宽内载波本身是不抑制的，载频位置距频道下端1.25MHz,而ATSC的8VSB中载波本身是抑制的，载频位置距频道下端0.31MHz，如图10-20所示。图10-20中为滚降系数。 10.2.6导频的加入图10-20 8VSB已调波的频带图 接收端若收不到载波信息将无法进行解调，发送端对此的做法是在多路复用器后的导频加入级加入一个小幅度同相位（即正值）的导频

14、信息，实际是在复用数据中加上1.25的小值直流电平。 8VSB发射机像通常那样采用两级调制方式，第一次将数据信号调制到一个固定中频上，第二次再上变频到所需的电视频道上。 当同频道干扰严重时，可采用载频精密偏置技术。 另一种情况是ATSC-ATSC同频道干扰，这时，精密偏置能防止自适应均衡器工作中可能出现的不收敛。10.2.7上变频器和射频载波偏置10.3我国数字电视地面广播传输标准 10.3.1系统综述10.3.2扰码与前向纠错码（FEC）10.3.3符号星座映射与符号交织10.3.4复帧10.3.5信号帧10.3.6系统信息10.3.7帧体数据处理10.3.8基带后处理和射频信号10.3.9

15、基带信号频谱特性和带外谱模板10.3.10系统净荷数据率10.3.11单载波和多载波应用模式 具有自主知识产权的中国数字电视地面广播传输系统标准GB20600-2006数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制，于2006年8月18日正式批准成为强制性国家标准，2007年8月1日起实施。以下简称为DTTB。 DTTB是由国家组织的数字电视特别工作组负责起草，由全国广播电视标准化技术委员会归口并测试，国家质量监督检验检疫总局、国家标准化管理委员会批准发布的。 DTTB规定了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。该标准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，

16、主要关键技术有：能实现快速同步和高效信道估计与均衡的PN序列帧头设计和符号保护间隔充填方法、低密度校验纠错码（LDPC）、系统信息的扩频传输方法等。 DTTB支持4.81Mbit/s32.486Mbit/s的净荷传输数据率，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。 数字地面数字电视广播传输系统是广播电视系统的重要组成部分。 DTTB系统的组成框图如图10-21所示。 主要完成从MPE-流到地面电视信道传输信号的转换。 10.3.1系统综述图10-21 DTTB系统的组成框图10.3.2扰码与前向纠错码（FEC） 为了保证传输数据的随机性以便于传

17、输信号处理，输入的MPE-码流数据需要用扰码进行加扰。扰码是一个最大长度的二进制伪随机序列。该序列由图10-22所示的线性反馈移位寄存器生成。其生成多项式为： G(x)=1+x14+x15 1.扰码图10-22 扰码器框图 该LFSR的初始状态定义为：100101010000000。输入的比特流与PN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在信号帧开始时复位到初始相位。 扰码后的比特流接着进行前向纠错编码FEC。有三种码率的前向纠错编码，如表10-6 所示。 2.前向纠错码 （FEC）表10-6 FEC由外码（C）和内码（PC）两部分级联实现。（1） C码（2）PC码（3）三种不

18、同码率的FEC码的结构1.符号星座映射（1） 64QAM映射 其星座图如图10-23所示。10.3.3符号星座映射与符号交织图10-23 64QAM星座图其星座图如图10-24所示。 （2） 32QAM映射图10-24 32QAM星座图其星座图如图10-25所示。 （3） 16QAM映射图10-25 16QAM映射星座图其星座图如图10-26所示。 （4） 4QAM映射图10-26 4QAM映射星座图（5） 4QAM-N映射（1）时域符号交织 时域符号交织是在多个信号帧的基本数据块之间进行的。数据信号(即星座映射输出的符号)的基本数据块间交织采用基于星座符号的卷积交织编码，如图10-27所示。

19、其中变量B表示交织宽度（支路数），变量M表示交织深度（延迟缓存器尺寸）。进行符号交织的基本数据块的第一个符号与支路0同步。交织/解交织对的总延时为MB(B-1)B符号时间。 2. 符号交织 有两种交织模式： 模式1（短交织）：B=52，M=240符号，交织/解交织总延迟为170个信号帧; 模式2（长交织）：B=52，M=720符号，交织/解交织总延迟为510个信号帧。 频域交织仅在多载波C=3780模式下使用。频域交织为帧体内的符号块交织，交织大小等于子载波数3780，目的是将调制星座点符号映射到信号帧帧体（帧体部分包含36个符号的系统信息和3744个符号的数据，共3780个符号）包含的378

20、0个有效子载波上。 （2）频域交织 数据结构的特点是以“帧”为基本单元，包括帧头（确知信息）、加强保护的系统信息以及经高效编码保护的数据信息。 数据帧结构分为信号帧，超帧、分帧、日帧四层结构，如图10-28所示。 10.3.4复帧图10-28 数据帧结构图 信号结构是周期的，并与自然时间保持同步。 帧结构的顶层为日帧（Calendar Day Frame,CDF），日帧以1个公历的自然日为周期进行周期性重复，由1440个分帧构成，时间为24小时。在北京时间000000AM，日帧被复位，开始一个新的日帧。 分帧的时间长度为1分钟，包含480个超帧。 超帧的时间长度定义为125ms，8个超帧为1秒

21、，这样便于与定时系统（例如GPS）校准时间。超帧中的第一个信号定义为首帧，由系统信息的相关信息指示。 信号帧是系统帧结构的基本单元。 为了适应不同应用，定义了三种可选信号帧头长度。 三种帧头所对应的信号帧的帧体长度和超帧的长度保持不变。信号帧结构如图10-29所示。 10.3.5信号帧图10-29 信号帧结构如图10-30所示。 1.帧头模式1（PN420）图10-30 帧头模式1结构 产生该最大长度的伪随机二进制序列的结构如图10-31所示。 图10-31 8阶m序列生成结构 产生该最大长度的伪随机二进制序列的结构如图10-32所示。 2.帧头模式2（PN595）图10-32 10阶m序列生

22、成结构如图10-33所示。 3.帧头模式3（PN945）图10-33 帧头模式3结构 产生该最大长度的伪随机二进制序列的结构如图10-34所示。 图10-34 9阶m序列生成结构 发送端应将信道编码的编码效率和射频调制的调制模式等参数以系统信息的形式传输给接收机，使其能正确解调和解码。 这64种系统信息在扩频前可以用6个信息比特（s5s4s3s2s1s0）来表示，其中s5为MSB，定义如下： s3s2s1s0表示编码调制模式，如表10-7所示。10.3.6系统信息表10-7 系统信息第30比特定义表10-8 系统信息第4比特定义s4表示交织信息，如表10-8所示。 C有两种载波模式：C=1单载

23、波模式或C=3780多载波模式。 （1）单载波模式 （2）多载波模式10.3.7帧体数据处理10.3.8基带后处理和射频信号 基带后处理（成形滤波器）采用平方根升余弦（Square Root Raised Cosine ,SRRC）滤波器进行基带脉冲成形，SRRC滤波器的滚降系数为=0.05，平方根升余弦滤波器频率响应表达式 1.基带后处理 式中：s为输入信号的符号周期（1/7.56s）,Rs为符号率。 fN=1/2s=Rs/2s为奈奎斯特频率。为平方根升余弦滤波器滚降系数。 调制后的F射频信号由下式描述： 其中：S(t)为RF信号；Fc为载波频率（MHz）；h(t)为SRRC滤波器的脉冲成形

24、函数；Frame(t)为组帧后的基带信号，由帧头和帧体组成。2.射频信号（1）基带信号频谱特性 形成滤波后基带信号（不插入双导频）频谱模板图如图10-37所示。 10.3.9基带信号频谱特性和带外谱模板图10-37 形成滤波后基带信号频谱模板 数字电视发射机使用的频谱模板应如图10-38所示。 （2）带外谱模板图10-38 同台数字发射机位于模拟发射机的上邻频或下邻频时的频谱模板 当数字电视信号的相邻频道用于其他服务（如更小发射功率）时，可能需要使用具有更高带外率减的谱模板。在这些严格情况下的频谱模板如图10-39所示。 图10-39 严格条件下的频谱模板 在不同信号帧长度、内码码率和调制方式下，支持的净荷数据率如表10-9所示。 10.3.10系统净荷数据率表10-9 系统净荷数据率（Mbit/s）1.单载波调制模式 我国国标制定的地面数字电视系统中，单载波调制主要的应用模式如表10-10所示。10.3.11单载波和多载波应用模式表10-10 单载波主要应用模式 技术实现上单载波应用模式有以下特点： PN595+单载波+高效信道编码+扩频保护系统信息+低阶星座映射+双导频+均衡技术 帧头模式2（PN595）采用非循环简洁的伪随机