我国地面数字广播系统DTTB组成和分析-课程设计说明书

课程设计说明书第PAGEII页PAGEPAGE我国地面数字广播系统DTTB组成和分析摘要我国的电视发展较晚，电视正在以蓬勃的发展趋势高速的发展。我国的DTTB地面数字电视广播系统也取得了较大的发展，为中国数字电视的发展提供了坚强的基础，在此基础上我国的数字电视技术正在飞速发展。主要应用的技术编码复用子系统，包括CA子系统等；单频网前端同步子系统（对多频网系统不需要）；发射台站子系统，由多个台站组成，包括天馈、发射、供电、机房环境等；监控系统，包括监控中心和发射台站本地监控系统、收费系统等；节目分配传输系统，由地面传输网络和接口转换设备等组成。关键词：数字电视，DTMB，DTTB,多径干扰目录绪论 11地面数字电视广播系统概述 11.1世界各国地面数字电视广播系统的发展 11.2我国数字电视系统的种类和发展现状 21.2.1我国数字电视系统的发展现状 21.2.2我国数字电视系统的种类 22DTTB中国地面数字电视广播传输系统 32.1DTTB系统综述 32.1.1系统结构 32.1.2系统组成 32.2信道编码系统 42.2.1数据随机化 42.2.2前向纠错码 42.3单载波与多载波模式 52.3.1基于QAM调制的单载波模式 52.3.2基于OFDM调制的多载波模式 72.4复帧结构 92.6频谱特性 102.6.1基带后处理 102.6.2射频信号 102.6.3基带信号频谱特性 102.6.4带外谱模板 112.7抗多径干扰增效措施 12总结 13致谢 14参考文献 15绪论地面数字电视广播是广播电视体系中重要的组成部分。地面数字电视广播不仅克服了模拟无线电视易受干扰、图像质量差、有重影的缺点，还可以在一个电视频道内传送多达8套电视节目，极大提高了无线频谱的利用率。地面数字电视带来的更大变化是，可以在移动状态下稳定接收到高质量电视节目信号，使得车载电视、便携手持电视成为可能。世界各国政府都非常重视地面数字电视广播的发展，主要有以下原因：一是地面数字电视广播是公共服务，数字化过程涉及到大众的利益；二是频率资源是社会的公共资源，是由政府管理和控制的不可再生资源；三是数字电视广播发展会对信息制造业产生巨大的影响世界上许多国家都已经开展了地面数字电视广播，美国的地面数字电视广播覆盖率已经达到99%[1]。我国的地面数字电视广播正在积极的开发之中,预计不久的将来将在全国推广应用。1.地面数字电视广播系统概述1.1世界各国地面数字电视广播系统的发展1998年起，北美和欧洲已经开播DTTB节目，许多国家先后宣布了它们的DTTB发展和实施计划。美国于1996年12月24日已决定采用以TDTV为基础的ATSC（AdvancedTelevisionSystemCommittee）作为美国国家数字电视DTV标准。美国联邦通信委员会（FCC）决定用9年时间完成模拟电视向数字电视的历史性过渡。1998年11月1日开始实施数字电视地面广播（DTV），有24个电视台发送全数字电视，1999年11月1日有120个电视台播出数字电视节目，其余的电视台在2003年5月1日播出数字电视。美国的ATSC标准是1997年国际电讯联盟（ITU）的第一个数字电视国际标准。ATSC采用单载波传输调治技术，因此其移动接收效果不好。日本于1996年开始启动自主的\o"高清数字电视及流媒体播放一体化方案"数字电视标准研发项目，在欧洲COFDM技术的基础上，增加具有自主知识产权的技术，形成ISDB-T地面\o"弗劳恩霍夫研究所与ST合作开发世界数字广播专用方案"数字广播传输标准，于1995年7月在日本电气通信技术审议会上通过。2001年，该标准正式被ITU接受为世界第3个数字电视传输国际标准。新加坡是率先开展数字地面移动电视的国家及城市，1999年试播以来已有1500辆公共车辆能接收数字电视信号。2002年，上海正式推出以公交车辆为主要载体的移动电视商用系统及其相关服务，目前是中国首个、全球第二个普及移动电视的城市。1.2我国数字电视系统的种类和发展现状1.2.1我国数字电视系统的发展现状据了解，国家广电总局根据《广播影视科技"十五"计划和2010规划》，制定出我国有线电视向数字化过渡的时间表，按年份分为2005年、2008年、2010年、2015年四个阶段。最初以直辖市和包括广东、福建、江苏、浙江、山东在内的东部城市为密集辐射点逐步推广到全国包括广大西部地区。今年，广电总局选定了北京等33个城市作为电视数字化的第一批试点城市。广电总局预计，到2005年全国将初步形成内容丰富、门类齐全的付费广播影视消费市常目前广电总局正在筹划开播8个数字电视频道，并计划在年底推出数字电视内容，这些频道将有可能设置成专业频道，而收视费将成为其主要的收入。根据我国的基本国情，我国的数字电视事业采取与其他国家不尽相同的发展策略——从有线切入，全面实施有线数字电视试验工程。由于我国不同于西方发达国家的客观条件，城市有线用户集中且生活水平较高为发展有线数字电视创造了条件；有线数字电视标准的颁布实施，为有线数字电视试验提供了良好的技术标准支持；全国广电干线网的开通，为全国开展有线数字电视试验创造了硬件基础。1.2.2我国数字电视系统的种类系统一般由以下5个子系统组成，编码复用子系统，包括CA子系统等；单频网前端同步子系统（对多频网系统不需要）；发射台站子系统，由多个台站组成，包括天馈、发射、供电、机房环境等；监控系统，包括监控中心和发射台站本地监控系统、收费系统等；节目分配传输系统，由地面传输网络和接口转换设备等组成。2.DTTB中国地面数字电视广播传输系统2.1DTTB系统综述我国地面数字电视广播传输标准的特点是：不仅支持固定（含室内和室外）接收，还具有支持移动接收的功能；在业务上不仅支持数字电视标准清晰度电视和数字清晰度电视广播业务，还支持广播电视扩展业务；在传输效率上，支持4.81~32.486Mb/s的有效传输码率。2.1.1系统结构数字电视地面广播系统是一个“网络化”工程，系统平台由3个网络组成，即数字电视单频网、节目分配传输网和远程监控管理网，无线覆盖网由多个发射台站（基站）、单频网前端、演播室（包括编码复用）等组成，以完成广播覆盖功能，是系统的核心部分；远程监控管理网络是系统的重要组成部分，完成系统管理功能；节目分配及数据传输网络是上述两个网络的纽带，完成节目分配和监控回传等功能。以前的模拟电视系统，主要考虑单台站覆盖，站点相对较少，所以对远程监控和节目分配网络要求较少，随着网络的扩大，对于数字电视系统，站点管理变的越来越重要，节目分配要求的带宽越来越大，所以在系统建设初期，必须考虑三个网络的规划。2.1.2系统组成系统一般由以下5个子系统组成：编码复用子系统，包括CA子系统等；单频网前端同步子系统（对多频网系统不需要）；发射台站子系统，由多个台站组成，包括天馈、发射、供电、机房环境等；监控系统，包括监控中心和发射台站本地监控系统、收费系统等；节目分配传输系统，由地面传输网络和接口转换设备等组成[1]。DTTB系统的组成框图如图1所示。图1DTTB系统组成框图2.2信道编码系统DTTB与ATSC`DVB-T和ISBD-T地面数字电视广播标准的不同之处是外码采用BCH码取代RS码，内码采取代卷积码，在编码效率方面有了一定提高。2.2.1数据随机化为了保证传输数据的随机性以便于信号处理，输入的MPEG-2TS数据需要进行数据随机化处理。数据随机化由PRBS发生器完成，如图2所示[2]。图2PRBS发生器其生成多项式为：G(x)=1+x14+x152.2.2前向纠错码数据随机化后的比特流接着进行前向纠错编码。FEC码由外码（BCH）和内码（LDPC）两部分级联实现。DTTB设置了3种码率的前向纠错编码，如图3所示。图3前向纠错编码2.3单载波与多载波模式我国地面数字电视标准中设置了两种数字调制模式，一种为基于QAM调制的单载波模式，另一种为基于OFDM的多载波模式。2.3.1基于QAM调制的单载波模式QAM调制正交幅度调制QAM是数字通信中一种经常利用的数字调制技术，尤其是多进制QAM具有很高的频带利用率，在通信业务日益增多使得频带利用率成为主要矛盾的情况下，正交幅度调制方式是一种比较好的选择。正交幅度调制（QAM）信号采用了两个正交载波，每一个载波都被一个独立的信息比特序列所调制。发送信号波形如图4所示[3]。图4M=16QAM信号星座图式中{}和{}是电平集合，这些电平是通过将k比特序列映射为信号振幅而获得的。例如一个16位正交幅度调制信号的星座图如下图所示，该星座是通过用M＝4PAM信号对每个正交载波进行振幅调制得到的。利用PAM分别调制两个正交载波可得到矩形信号星座。QAM可以看成是振幅调制和相位调制的结合。因此发送的QAM信号波形可表示为如果那么QAM方法就可以达到以符号速率同时发送个二进制数据。图5给出了QAM调制器的框图[4]。图5QAM调制器框图QAM的解调和判决假设在信号传输中存在载波相位偏移和加性高斯噪声。因此r(t)可以表示为其中是载波相位偏移，且将接收信号与下述两个相移函数进行相关如图6所示，相关器的输出抽样后输入判决器。使用图6中所示的锁相环估算接收信号的载波相位偏移，相移和对该相位偏移进行补偿[5]。图6QAM信号的解调和判决假设图中所示的时钟与接收信号同步，以使相关器的输出在适当的时刻及时被抽样。在这些条件下两个相关器的输出分别为：其中噪声分量是均值为0，方差为的互不相关的高斯随机变量。最佳判决器计算距离量度2.3.2基于OFDM调制的多载波模式OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)调制，可以追溯到本世纪60年代中期。70年代，人们提出用离散傅里叶变换(DFT)实现多载波调制，简化了系统结构，才使得OFDM技术实用化。80年代，人们研究如何将OFDM技术应用于高速MODEM。90年代以来，OFDM技术的研究深入到在无线调频信道上的宽带数据传输。在高速无线环境下，OFDM技术的优势突出，现已被广泛应用于民用通信系统中。OFDM中的各个载波是相互正交的，每个载波在一个符号时间内有整数个载波周期，且每个载波的频谱零点都和相邻载波的零点重叠，这样便减小了载波间的干扰。由于载波间有部分重叠，所以它比传统的FDMA提高了频带利用率。为了增加数据的吞吐量，提高数据传输速度，OFDM又采用了一种称为HOMEPLUG的技术，对所有将要发送信号的载波进行合并处理，把众多的子信号合并成一个独立的传输信号进行发送。由于将传输数据分配到许多正交的子信道上，从而可以将频率选择性衰落引起的突发误码分散到不相关的子信道上，改变为随机性误码，有效地减少和克服了码间干扰带来的影响。在发送端，串行码元序列先进行串并转换成N路子码元d(0)，d(1)，……，d(N－1)，然后分别调制在N个正交的子载波f(0)，f(1)，……，f(N-1)上，最后将这N路调制信号相加发送出去；在接收端首先对接收信号进行采样，然后使用N个相同的子载波进行N路解调，再将这N路解调信号并串输出，复现发送的信号。N个正交子载波频率：fk＝f0＋k/Tb，k＝0，1，……，N－1（1）式中f0——实际发射载波频率；Tb——符号周期；1/Tb——各子载波之间的频率间隔。设载波的单元信号为Pk(t)＝cos(2πfkt)，0≤t＜Tb0，其他（2）则有∫Tb0Pn(t)Pm(t)dt＝Tbm＝n0，m≠n(3)即子载波相互正交。经过调制后的合成传输信号D(t)为D(t)＝∑N－1n＝0d(n)ej2πfntt∈〔0，Tb〕（4）式中d(n)为第n个调制码元。设f0=0，对信号进行D(t)抽样，则式（4）可改写为D(kTb)＝∑N－1n＝0d(n)ej2πnNTbkTb＝∑N－1n＝0d(n)ej2πkn/N＝N×IDFT〔d(n)〕0≤k≤N－1（5）即D(kTb)是d(n)的(反离散傅里叶变换)。利用DFT，不仅可以保证各子载波之间的正交性，而且可以利用其快速算法FFT来加快OFDM的调制解调速度，也便于采用超大规模集成(VLSI)技术。2.4复帧结构无论是单载波模式还是多载波模式，都采用了相同的数据复帧结构。数据帧结构分为信号帧、超帧、分帧、日帧4层结构，如图3所示。信号结构是周期的，并与自然时间保持同步。数据帧结构中：帧结构的顶层为日帧（CDF），日帧以一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24h。在北京时间00:00:00日帧被复位，开始一个新的日帧。分帧的时间长度为1min，包含480个超帧。超帧的时间长度定义为125ms，8个超帧为1s，这样便于与定时系统校准时间。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[6]。信号帧是系统帧结构的基本单元。分级复帧结构如图7所示。图7分级复帧结构2.5信号帧结构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。帧头部分由PN序列构成，帧头长度有3种选项。帧头信号采用I路和Q路相同的4QAM调制。帧体部分包含36个符号的系统信息和3744个符号。为适应不同应用，定义了3种可选信号帧头长度。3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8所示。信号帧结构1帧头420个符号（55.6us）帧体3780个符号（500us）信号帧结构2帧头595个符号（78.8us）帧体3780个符号（500us）信号帧结构3帧头945个符号（125us）帧体3780个符号（500us）图8信号帧结构2.6频谱特性2.6.1基带后处理基带后处理（成形滤波）采用平方根升余弦（SquareRootRaisedCosine，SRRC）滤波器进行基带脉冲成形。SRRC滤波器的滚降系数α为0.05。平方根升余弦滚降滤波器频率响应表达式如下式所示：式中：fN=1/2Ts=Rs/2为奈奎斯特频率。α为平反根升余弦滤波器滚降系数。Ts为输入信号的符号周期（1/7.56μs），Rs为符号率。2.6.2射频信号调制后的RF射频信号由以下式描述S（t）=Re{[h（t）*Frame（t）]ej2ΠFct}式中：S(t)为RF信号；Fc为载波频率（MHZ）;h（t）为SRRC滤波器的冲击响应函数；Frame（t）为组帧后的基带信号，由帧头和帧体组成。2.6.3基带信号频谱特性对应于射频发送信号的成形滤波后基带信号（未含双导频插入）典型频谱特性如图9所示[7]。图9成形滤波后基带信号频谱模板2.6.4带外谱模板在电视频道带宽之外的频谱能量可通过合适的滤波进行抑制。当数字电视发射机和模拟电视发射机（PAL制模拟电视）位于同一个发射台，并且数字电视发射机使用的频谱位于模拟电视发射机的上邻频或下邻频时，建议数字电视发射机使用的频谱模板如图9所示的谱模板满足模拟电视的最小保护需求，并适用于如下情况：数字和模拟电视可非极化辨识；并且两种发射机的辐射功率相同。如果两个发射机的发射功率不同，需要按比例进行修正。图9的信号功率在4kHz带宽下测得，其中0dB对应整个输出功率。同一个发射台的数字电视发射机位于模拟电视发射机的上邻频或下邻频时的频谱模板[8]。如图10所示。图10输出功率2.7抗多径干扰增效措施从理论上讲，跳频体制抗多径干扰的机理有两个方面，一是如果跳频的驻留时间小于多径时延，则经多径传输的多径信号不会落人本跳内，从而躲避多径信号对本跳的干扰；当多径信号落人其他不同频率的跳频驻留时间内不会形成干扰；当多径信号落入其他相同频率的跳频驻留时间内时，在跳速较低的情况下，多径信号传输的时间较长，干扰强度不大。二是利用频率冗余设计，多跳传输相Iii的信息，经大数判决，实现频率分集功能。遗憾的是，这两种途径都要求通信系统具有极高的跳速和极短的驻留时问，实际系统中难以做到。比如：在陆地移动通信中，多径时延在微秒数量级，躲避多径需要上万跳每秒的跳速，短波天波的多径时延在毫秒数量级，躲避天波多径也需要上千跳每秒的跳速，而过高的跳速虽然可以躲避多径对萃跳的干扰，但有可能干扰其他相同频率的后续跳。如果采用频率冗余设计，根据上面的分析，无论每跳传lbit信息还是传多比特信息，则跳速都要成倍增加，并且还会产生较大的信号处理时延．工程和使用都难以接受。目前围内外实际跳频通信装备的跳速与抗多径的要求均相差甚远，仅依靠跳速抗多径实际上很难做到，要靠其他技术措施予以解决，比如：直扩／跳频混合扩谱、时频域均衡技术、交织纠错技术以及多种分集技术等。需要提出的一点是，提高功率对于抗多径干扰没有什么作用。可见，依靠跳频体制本身是很难抗多径干扰的，这一观点与有些著作的阐述存在差别。总结通过本次课程设计，了解数字电视的种类和发展状况，了解了当今世界各国数字电视地面广播系统的发展状况，初步了解了国际通用的几种标准及其优缺点，初步掌握我国数字电视地面广播系统（DTTB：DigitalTelevisionTerrestrialBroadcasting）的组成和原理。在设计期间有许多心得与体会，首先，在专业知识方面，专业课知识学习都是孤立的，没有系统的联系起来，不知道该如何有机地利用。通过做课程设计，学会了如何将所学的各种知识串联起来，这样就达到了各知识点相融合的目的，提高了自身的综合知识学习、分析和运用知识的能力。思维得到了开拓，知识得到了延伸，摸索中学会了很多原来不懂的知识。其次，在实际运用方面，平常学的都是理论知识，而课程设计侧重于理论与实践相结合。只学会理论还不够，要学会一种整体思维方法。通过课程设计自己动手查阅相关资料，分析相关原理、图组，理解的更加深刻，且触及的知识更前沿。致谢课程设计是自己大学生活阶段中很难忘的一段经历，从设计之初的无从下手到设计工作的圆满完成，期间遇到了诸多的问题和困难。但在陈老师的细心指导和帮助下，通过自己的努力，最终这些问题与困难都得到了圆满解决。使我可以按时完成课程设计并使自己的专业知识与综合能力都得到了相应