地面數(shù)字多媒體電視廣播傳輸協(xié)議.doc

地面數(shù)字多媒體電視廣播傳輸協(xié)議揚知行，楊林，王興軍，門愛東(清華大學(xué)數(shù)字電視傳輸技術(shù)研發(fā)中心) 摘要：本論文介紹了地面數(shù)字多媒體電視廣播(DMB-T)傳輸協(xié)議的開發(fā)背景，提供了一個DMB-T協(xié)議的系統(tǒng)級描述以及構(gòu)成，分析了DMB-T協(xié)議傳輸系統(tǒng)的主要特點和應(yīng)用。 關(guān)鍵詞：DMB-T，DTV TDS-OFDM1 概述在經(jīng)歷了機械電視時代、黑白電子電視和彩色電視時代以后，NHK從70年代初期開始研究高清晰度電視，后來有許多國家和國際標準組織也積極開展了這方面的研發(fā)。但直到1990年之前，它們還都是全模擬的或者模擬數(shù)字混合的。在1990年6月1日，美國GI公司向美國高級電視顧問委員會(ACATS)提交了全數(shù)字地面HDTV制式，電視從此進人了一個新時代：數(shù)字電視時代。電視向著高清晰度電視和數(shù)字化方向前進、模擬電視在全世界范圍內(nèi)正在逐步消失，電視面臨著它問世以來最根本的技術(shù)革命。 從那以后，經(jīng)過十多年堅持不懈的研究和發(fā)展，數(shù)字電視地面廣播(Digital Television Terrestrial Broadcasting，DTTB)已經(jīng)取得了很多的成果，達到了可以實現(xiàn)階段。從1998年11月北美和歐洲已經(jīng)開播DTTB節(jié)目，許多國家宣布了它們的DTTB制式選擇和實現(xiàn)計劃。目前，世界上主要有3種DTTB傳輸標準：美國高級電視系統(tǒng)委員會(Advanced Television Systems Committee，ATSC)研發(fā)的格形編碼的8電平殘留邊帶(Trellis-Coded 8-Level Vestigial Side-Band，TCM 8-VSB)調(diào)制。1996年12月26日FCC正式公布了"數(shù)字電視標準"ATSC。1998年11月首先由28家電視臺正式開始地面數(shù)字電視廣播，到2000年1月已經(jīng)有100多家電視臺開展數(shù)字電視業(yè)務(wù)。但美國Sinclair廣播集團對ATSC制式有異議。ATSC調(diào)制方案采用了具有導(dǎo)頻信號的單載波調(diào)制，即8電平殘留邊帶調(diào)制(8-VSB)，它是成熟的現(xiàn)有AM調(diào)制技術(shù)的高度發(fā)展，其性能高度依賴于自適應(yīng)均衡器。因此。為了抵抗多徑回波和各種干擾，需要非常復(fù)雜和昂貴的均衡器。 加拿大、韓國、阿根廷和我國的臺灣在1997年和1998年先后宣布采用美國的ATSC標準。歐洲數(shù)字視頻地面廣播(Digital Video Terrestrial Broadcasting-Terrestrial，DVB-T)標準采用的編碼正交頻分復(fù)用(Coded Orthogonal Frequency Dl vision Multiplexing，COFDM)調(diào)制。歐洲ETSI在1994年和1996年先后公布了DVB-S(衛(wèi)星廣播)、DVB-C(有線電視廣播)和DVB-T(地面廣播)的標準等，歐洲的數(shù)字電視有完整的標準系列。歐洲各國自1996年以來先后在衛(wèi)星直播、有線電視和地面廣播等方面開展了SDTV業(yè)務(wù)，考慮到市場需求的原因，目前尚未開展HDTV業(yè)務(wù)。在地面?zhèn)鬏敺矫?，它采用多載波OFDM調(diào)制(ADSL中相似的技術(shù)稱為DMT)。DVB-T使用了1705(2k)或6817(8k)個載波。而且它有更多的選項，以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，例如可變的載波調(diào)制類型。和美國的8-VSB調(diào)制技術(shù)相比。COFDM技術(shù)屬于正在不斷發(fā)展和提高的新技術(shù)。除了歐洲國家以外，澳大利亞、新加坡、印度、巴西先后在1998年和1999年宣布采用歐洲的DVB標準。日本地面綜合業(yè)務(wù)數(shù)字廣播(Integrated Service Digital Broadcasting-Terrestrial，ISDB-T)采用的頻帶分段傳輸正交頻分復(fù)用(Band Width Segmented Transmission OFDM，BST-OFDM)。日本1998年11月公布了用于地面數(shù)字電視廣播的ISI)B，T標準。系統(tǒng)采用的調(diào)制方法稱為頻帶分段傳輸(BST)OFDM。由一組共同的稱為BST段的基本頻率塊組成。 日本的ISDB-T是基于自己的國情。在歐洲COFDM基礎(chǔ)上的一種改進，特別是針對多媒體廣播和移動接收的需求。3種標準的視頻編碼和碼流復(fù)接基本均采用MPEG2標準，最大的差別是調(diào)制方式的不同，ATSC采用單載波方式，而其它兩種采用多載波調(diào)制技術(shù)。因為3個標準推出的時間有先后，因此，采用的技術(shù)水平越來越高，對地面廣播需求的理解也越來越深。但它們畢竟是基于90年代中期或之前的狀況。幾年來，技術(shù)在飛速發(fā)展，應(yīng)用需求也在不斷變化在此背景下，我們對上述3個地面數(shù)字電視系統(tǒng)進行了深入研究，借鑒和吸收了美國ATSC、歐洲D(zhuǎn)VB、日本IS皿和國內(nèi)HDTV研究的經(jīng)驗和教訓(xùn)，結(jié)合幾年來數(shù)字地面電視廣播技術(shù)和通信技術(shù)的最新發(fā)展和需求，提出了創(chuàng)新的"地面數(shù)字多媒體電視廣播(Terrestrial Digital Multimedia-Television Broadcasting，DMB-T)傳輸協(xié)議"。系統(tǒng)的核心采用了mQAMQPSK的時域同步正交頻分復(fù)用(Time Domain Synchronous Orthogonal-Frequency-Division-Multiplex，TDS-OFDM)調(diào)制技術(shù)；系統(tǒng)使用更加先進的前向糾錯編碼FEC來抵抗突發(fā)誤碼和各種干擾，例如Turbo碼等；實現(xiàn)了分級調(diào)制和編碼，可以提供分級服務(wù)；同時可以實現(xiàn)快速同步，適于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。2 系統(tǒng)描述和參數(shù)對于地面數(shù)字電視廣播來講，首先要求有足夠高的傳輸碼率，以便在單個信道中提供高質(zhì)量HDTV節(jié)目。其次要在現(xiàn)有分配的電視頻道中傳輸DTV節(jié)目，實現(xiàn)和模擬電視節(jié)目的同播；更重要的特性是要支持移動接收。其它的要求包括：抵抗各種干擾/失真；易于其它媒介或服務(wù)器的接口；支持多節(jié)目/業(yè)務(wù)；高度靈活的操作模式，通過選擇不同的調(diào)制方案，系統(tǒng)能夠支持固定、便攜、步行、或移動接收；能夠通過分級調(diào)制得到分級服務(wù)；具有交互性；高度靈活的頻率規(guī)劃和覆蓋區(qū)域，能夠使用單頻網(wǎng)和同頻道覆蓋擴展/縫隙填充；需要先進的信道編碼(例如級聯(lián)碼、平行級聯(lián)系統(tǒng)卷積網(wǎng)格碼、或網(wǎng)格編碼)和信道估計方案，以便降低系統(tǒng)CN門限，以此降低發(fā)射功率。從而減少了對現(xiàn)有模擬電視節(jié)目的干擾；對于便攜終端，它優(yōu)先要支持低功耗模式，等等。數(shù)字電視系統(tǒng)信號結(jié)構(gòu)通常由壓縮層、傳送層和傳輸層3大部分組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。傳輸層的具體構(gòu)成。是由傳輸信道(或者叫傳輸媒介)決定的。傳輸媒介有有線媒介(包括光纖、同軸和兩者的混合網(wǎng))、無線媒介(包括衛(wèi)星、微波、MMDS等)、地面波傳輸?shù)臒o線媒介。對于每種傳輸媒體，目前DTTB系統(tǒng)的壓縮層和傳送層基本上都是一樣的，區(qū)別就在傳輸層上。圖1系統(tǒng)的信號構(gòu)成點擊此處查看全部新聞圖片 信道編碼和信道解碼屬于傳輸層，根據(jù)不同的信道情況和不同的應(yīng)用需求，數(shù)字電視系統(tǒng)采用了不同的糾錯編碼和調(diào)制技術(shù)方案，其構(gòu)成見圖2所示。 地面數(shù)字電視廣播DTTB中的糾錯部分，基本上都采用了外碼糾錯(Reed-Solomen碼)、交織I、內(nèi)碼糾錯(卷積碼Turbo碼)、交織II，而調(diào)制技術(shù)目前主要有兩種方案-單載波調(diào)制和多載波調(diào)制。屬于單載波調(diào)制的有美國的ATSC 8VSB調(diào)制，而多載波調(diào)制的有歐洲的DVB-T COFDM、日本ISDB-T BST OFDM，本系統(tǒng)所采用的調(diào)制技術(shù)IDS-OFDM也屬于多載波技術(shù)。圖2地面數(shù)字電視傳輸層點擊此處查看全部新聞圖片 由于在技術(shù)方案選擇和具體實現(xiàn)的參數(shù)上的不同，導(dǎo)致了不同系統(tǒng)之間性能的差異。 為了更好地滿足上述地面數(shù)字電視廣播的需求，DMB-T傳輸協(xié)議設(shè)計了相應(yīng)的系統(tǒng)參數(shù)，表1提供了基于TDS-OFDM的系統(tǒng)參數(shù)，以及和其它3個世界標準的比較。雖然此次樣機是為8MHz頻道開發(fā)的，但它很容易地縮放到6或7MHz頻道。（3 信道幀結(jié)構(gòu)地面數(shù)字多媒體電視廣播(DMB-T)協(xié)議基于TDS-OFDM技術(shù)，其物理信道幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。幀結(jié)構(gòu)是分級的，1個基本幀結(jié)構(gòu)稱為1個信號幀。幀群定義為255個信號幀，其第一幀定義為幀群頭。幀群中的信號幀有唯一的幀號，標號從0254，信號幀號(FN)被編碼到當前信號幀的幀同步PN序列中。超幀定義為一組幀群，幀結(jié)構(gòu)的頂層稱為超幀群。超幀被編號，從0到最大幀群號。超幀號(SFN)與超幀群號(SFGN)一起被編碼到超幀的第一個幀群頭中。超幀群號(SFGN)被定義為超幀群發(fā)送的日歷日期，超幀群以一個自然日為周期進行周期性重復(fù)，它被編碼為下行線路超幀群中一個超幀的第一個幀群頭中的前兩個字節(jié)。在太平洋標準時間(PST)或北京時間0:0:0AM，物理信道幀結(jié)構(gòu)被復(fù)位并開始一個新的超幀群。因此，DMB-T協(xié)議的物理信道是周期的，并且和絕對時間同步，這樣可使接收機能在需要的時候才開機，這意味著接收機可以設(shè)計成只有接收所需要的信息時，才進入接收狀態(tài)，以達到省電的目的。一個信號幀由兩部分組成：幀同步和幀體。幀同步信號采用沃爾什編碼的隨機序列，以實現(xiàn)多基站識別。幀同步包含前同步、PN序列和后同步。對于一個信號幀群中的不同信號幀，有不同的幀同步信號。所以，幀同步能作一個特殊信號幀的幀同步特征而用于識別。幀同步采用BPSK調(diào)制以得到穩(wěn)定的同步。 幀體的基帶信號是一個正交頻分復(fù)用(OFDM)塊。一個OFDM塊可進一步分成保護間隔和一個DFT塊，如圖3所示。DFT塊在其時域中有3780個取樣，它們是頻域中3780個子載波的逆離散傅氏變換。圖3下行傳輸協(xié)議的分級幀結(jié)構(gòu)表1 本系統(tǒng)和世界上3種DTTB系統(tǒng)主要特性的比較美國ATSC 8VSB歐洲D(zhuǎn)VBT COFDM日本ISDBTBSTOFDM清華DMBT TDSOFDM源編碼視頻ISOIEC 138182(MPEG-2視頻部分)主類(Main Profile)語法音頻ATSC標準A52(DolbyAC-3)ISOIEC 138182(MPEG-2-音頻第二層layer II audio)和Dolby AC-3ISO/IEC 13818-7(MPEG-2- AAC音頻)ISOIEC 13818-3第I、II層和Dolby AC-3傳送碼流ISOIECl3818l(MPEG2TS)傳送碼流TS信道編碼外碼RS(207，187，t10)RS(204，188，t8)RS(208，188)和RS(208，200)外碼交織52RS塊交織12RS塊交織309RS塊交織、51RS塊交織、 15RS塊交織內(nèi)碼23碼率格形碼縮短的卷積碼：碼率：12，2/3，34，56，78約束長度7，多項式(八進制)17l，13312，23卷積碼、網(wǎng)格碼、Turbo碼內(nèi)碼交織12:1格形碼交織卷積交織和頻率交織卷積交織，頻率交織，和選擇的時間交織時間交織和頻率交織數(shù)據(jù)隨機化16-bit PRBS16-bit PRBS16-bit PRBS16-bit PRBS調(diào)制方案8VSB和16VSBCOFDM具有13個頻率分段的BST-OFDMTDS-OFDM均勻星座圖8VSB，16VSBQPSK，16QAM和64QAMQPSK，QPSK，16QAM和64QAMQPSK、16QAM和64QAM分級調(diào)制多分別率星座圖(16QAM和 54QAM)分級調(diào)制：在13個分段上有3種不同的調(diào)制多分別率星座圖(64QAM和256QAM)載波數(shù)目2k，8k2k，4k，8k3780保護間隔OFDM符號132，116，1814OFDM符號132，116，1814OFDM符號0，16，19，112，1/20，130(1680us) 有6種可選的保護間隔大小，即DFT塊大小的0、16、1/9、1/12、1/20、1/30。保護間隔的信號相同于DFT塊時域信號的最后一段。4 技術(shù)特點和傳統(tǒng)廣播技術(shù)不同，DMB-T協(xié)議結(jié)合了傳統(tǒng)的廣播技術(shù)和現(xiàn)代通信技術(shù)，是一種新型信息廣播技術(shù)。它不僅適用于傳統(tǒng)的電視節(jié)目(視頻碼流)廣播，也適用于提供其它多媒體的信息傳輸服務(wù)。此協(xié)議具有以下特性： 與現(xiàn)有電視廣播的傳輸頻率兼容 這是地面數(shù)字電視廣播的一個基本需求。 DMB-T傳輸協(xié)議考慮了我國模擬電視接收機的持有量，根據(jù)我國現(xiàn)行的電視廣播頻率規(guī)范所設(shè)計的，因此完全兼容現(xiàn)行的電視廣播及接收系統(tǒng)。高數(shù)據(jù)碼率 DMB-T傳輸協(xié)議在8MHz電視頻道中，最大凈荷碼率高達每秒33Mbits，能夠充分滿足HDTV廣播要求。同時也使DMB-T傳輸協(xié)議既能用于DTV廣播，也可用于數(shù)據(jù)通信。支持蜂窩單頻網(wǎng) 和歐洲D(zhuǎn)TV標準相似，DMB-T傳輸協(xié)議支持單頻網(wǎng)，它意味著鄰近的電視臺可以使用相同的頻率廣播相同的內(nèi)容。與現(xiàn)有的單載波多頻網(wǎng)廣播系統(tǒng)相比，單頻網(wǎng)有利于頻率規(guī)劃，增加頻譜利用率，可使國家有限的頻率資源得到充分地利用。 我們進一步在廣播協(xié)議中引進通信技術(shù)，使DMB-T傳輸協(xié)議支持蜂窩單頻網(wǎng)絡(luò)。卓越的移動接收能力 和有線相比，地面數(shù)字電視廣播的移動接收是一個最重要和突出的特性之一。同時，移動接收也是用無線“最后一公里”接入方案的特性之一，特別是對于便攜設(shè)備和手持終端，它是非常重要的。 DMB-T傳輸協(xié)議采用基于OFDM的調(diào)制方案TDS-OFDM，這將使得人們在乘坐汽車和火車時能得到可靠的、即時的多媒體信息服務(wù)?？焖偻?這是DMB-T傳輸協(xié)議區(qū)別于其它所有數(shù)字電視傳輸協(xié)議的重要特性之一。電視節(jié)目是連續(xù)的視頻數(shù)據(jù)碼流，對于單純的視頻廣播協(xié)議來講，同步時間不是一個至關(guān)重要的問題，但是，數(shù)據(jù)通信需要非?？焖俚耐綍r間，以更處理突發(fā)數(shù)據(jù)和短消息?？紤]了數(shù)據(jù)通信的這種要求，我們開發(fā)了時域同步方案，以便獲得非常快速的同步時間。DMB-T傳輸協(xié)議的同步時間約為5ms，而其它數(shù)字電視標準在l00ms以上。 對于手持設(shè)備，一個重要的要求是省電。DAG-T傳輸協(xié)議和絕對時間保持同步，在需要的時候才開機，達到省電的目的。在各種條件和環(huán)境下接收能力強DMB-T傳輸協(xié)議采用了最先進的誤碼糾錯技術(shù)和信號調(diào)制技術(shù)，使接收機能夠在各種各樣的條件和環(huán)境中可靠地接收信號。與其它D1V標準相比，抵抗室內(nèi)電器產(chǎn)生的脈沖干擾和汽車移動過程中的動態(tài)干擾的性能尤為顯著。低建網(wǎng)成本和運營成本不同于傳統(tǒng)無線通信網(wǎng)絡(luò)，大區(qū)域的蜂窩網(wǎng)建成后才能支持服務(wù)，支持漫游更需要跨區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。DMB-T傳輸協(xié)議基于現(xiàn)有的電視廣播體系結(jié)構(gòu)，一旦電視臺從模擬傳輸轉(zhuǎn)到數(shù)字傳輸，業(yè)務(wù)提供者就可開始數(shù)據(jù)廣播業(yè)務(wù)運營。當隨著用戶和傳輸內(nèi)容的增加而容量成為問題時，可以通過逐漸的建設(shè)蜂窩網(wǎng)提高網(wǎng)絡(luò)容量。 DMB-T傳輸協(xié)議應(yīng)用模式是一種廣播和點對點服務(wù)的混合模式。公共信息以非常低的成本傳送給各個消費者。這使得DMB-T傳輸協(xié)議解決方案的運行成本較低。 因為DMB-T傳輸協(xié)議基于現(xiàn)有的電視廣播體系結(jié)構(gòu)，因此，它能夠很快速地開展起來。 這對于新技術(shù)市場啟動是非常重要的。和其它DTV標準的比較目前，國際電聯(lián)(1TU)已經(jīng)批準了3種地面數(shù)字電視傳輸標準。它們是美國的ATSC標準、歐洲的DVB-T標準和日本的ISDB-T標準。ATSC標準基于8-VSB技術(shù)，而DVB-T和ISDB-T基于COFDM調(diào)制技術(shù)。表2是DMB-T傳輸協(xié)議和這些標準的比較。表2 DMB-T傳輸協(xié)議和其它DTV標準的比較DMBT ATSC DVBTISDBT 移動接收 最好 壞 好 室內(nèi)接收 好 壞 好 支持突發(fā)數(shù)據(jù) 是 否 否 支持蜂窩網(wǎng) 是 否 否 支持省電功能 是 否 否 支持雙速率傳輸 是 否 是 此表說明DMB-T傳輸協(xié)議技術(shù)有更好的優(yōu)越性，特別是對于數(shù)據(jù)通信。支持"移動接收"使它成為理想的無線解決方案；支持"突發(fā)數(shù)據(jù)"使它能夠處理短數(shù)據(jù)或消息；"省電"設(shè)計是手持設(shè)備的需要；而支持"蜂窩網(wǎng)"使它能夠擴展，滿足未來更大的容量需求。5 發(fā)展歷程伴隨著中國數(shù)字電視的發(fā)展，清華大學(xué)地面數(shù)字多媒體電視傳輸DMB-T系統(tǒng)也經(jīng)歷了不斷發(fā)展、完善和提高的過程。1998年10月，在北京召開的第3屆國際專用集成電路學(xué)術(shù)會議上(ASICON98)楊林博士發(fā)表有關(guān)設(shè)計開發(fā)數(shù)字電視集成電路的論文，受到國內(nèi)有關(guān)方面關(guān)注。1999年10月，將數(shù)字電視傳輸方案的各種版本修改稿和廣電總局全國數(shù)字電視標準委員會的信道組、國家高清晰數(shù)字電視總體組的專家進行討論，并向有關(guān)專家征求對該方案的意見。1999年12月，在清華大學(xué)完成數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)計算機仿真系統(tǒng)，并向廣電總局數(shù)字電視標準委員會、國家高清晰度數(shù)字電視總體組及其他專家、學(xué)者匯報演示。2000年1月19日，由廣電總局數(shù)字電視標準委員會和清華大學(xué)共同主辦數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)研討會。2000年6月，完成清華大學(xué)DMB-T數(shù)字電視傳輸中頻硬件系統(tǒng)測試平臺調(diào)試(由25片40萬門片)FPGA實現(xiàn)的樣機)。2000年9月11日到12日，清華大學(xué)舉行了"地面數(shù)字多媒體電視傳輸協(xié)議DMB-T"技術(shù)研討會，中國工程院9位院士、國家數(shù)字電視系統(tǒng)標準化專家委員會16位委員、國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局等政府有關(guān)部門官員、電視臺及相關(guān)企業(yè)共80多人出席了會議。與會人員認為清華提出的協(xié)議方案跳出了現(xiàn)有的3個國際標準，從中國市場和產(chǎn)業(yè)需要出發(fā)，采用開放的合作研發(fā)方式，在技術(shù)上具有后發(fā)制人的優(yōu)勢。2000年9月30日，清華大學(xué)DMB一個數(shù)字電視傳輸射頻RF系統(tǒng)(FPGA)調(diào)試成功。2000年10月11日，清華大學(xué)DMB-T系統(tǒng)參加深圳高交會。高交會期間國家副總理吳邦國參觀了清華演示系統(tǒng)并給予高度評價。2000年11月8日，清華大學(xué)DMB-T系統(tǒng)編碼器芯片和解碼器IC芯片設(shè)計完成，送給芯片廠家流片。2001年2月20日，清華大學(xué)拿到DMB-T系統(tǒng)信道編解碼器IC芯片，開始進行基于IC的演示系統(tǒng)的實現(xiàn)。2001年3月，信息產(chǎn)業(yè)部、廣電總局將派有關(guān)專家赴日內(nèi)瓦參加3月底國際電聯(lián)ITU召開的2001年年會。會上，我國代表將向國際電聯(lián)介紹中國數(shù)字電視的發(fā)展情況，并將清華大學(xué)研制開發(fā)的DMB-T地面數(shù)字多媒體電視傳輸協(xié)議通報國際電聯(lián)。總而言之，目前世界上有3個DTTB標準。DTV調(diào)制系統(tǒng)的最終選擇基于一個系統(tǒng)如何更好的滿足各種需要，或者每個國家的優(yōu)先級，以及其它的非技術(shù)(但重要的)因素。每個國家需要清楚地了解它的需要，然后調(diào)查不同系統(tǒng)的各種性能信息，以及根據(jù)技術(shù)的發(fā)展趨勢和新的需求，以便做出最好的選擇。 清華大學(xué)提出的基于TDS-OFDM技術(shù)的地面數(shù)字電視廣播網(wǎng)傳輸協(xié)議，借鑒了這些年來國際國內(nèi)在數(shù)字電視技術(shù)方面的經(jīng)驗教訓(xùn)，并且擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，我們愿意為我國的數(shù)字電視事業(yè)作出自己的貢獻。（全文完