1基本概述

DTMB,全稱Digital Television Terrestrial Multimedia Broadcasting。
標準號 GB20600-2006
中文 《數字電視地面廣播傳輸系統幀結構、通道編碼和調製》
英文 Framing Structure, channel coding and modulation for digital television terrestrial broadcasting system
在數字電視地面、有線、衛星傳輸方式中,數字電視地面傳輸系統環境最為複雜,也因其技術要求最高、受眾廣而備受關注。地面系統的標準化工作也十分重要。目前已有美國高級電視系統委員會(ATSC)、歐洲數字視頻地面廣播(DVB-T)和日本地面綜合業務數字廣播(ISDB-T)三個國際電聯批准的地面數字電視廣播傳輸國際標準。1999年中國設立數字電視研發及產業化並成立國家數字電視領導小組,明確宣示自主制定技術標準。針對中國數字電視應用的具體標準,2006年推出了中國數字電視地面標準DTMB。
在國家廣播電影電視總局支持下,中國於2006年8月18日正式頒布了《數字電視地面廣播傳輸系統幀結構、通道編碼和調製》(GB20600-2006)地面數字電視廣播傳輸標準,實現了固定電視和公共交通移動電視的數字電視信號傳送。DTMB於2007年8月1號成為中國廣播業地面電視信號的強制標準。 為中國廣播業提供視頻傳送設備的所有數字電視系統供應商將採用該標準中的數字視頻調製知識產權(IP)。 DTMB標準同時使用了時域同步正交頻分復用和殘留邊帶復用技術。
Stratix II FPGA是實現這一標準的最佳選擇,原因在於該器件提供實際應用中複雜信號處理所需的全部邏輯、數字信號處理(DSP)模塊和存儲器。 清華DTV副總監潘博士說:「這一新技術非常適合採用FPGA。Altera的支持和設計工具幫助我們輕鬆地將創新演算法推向市場。」 Stratix II FPGA體系結構提供系統時序結構、通道編碼和前向糾錯等功能。調製器利用靈活的Stratix II FPGA,可以實現標準清晰(SD)和高清晰電視(HDTV) 4.813 Mbps至32.48 Mbps的數據速率傳輸。 北京吉兆電子有限公司副總工程師劉寧說:「清華DTV是DTMB標準的主要制定者之一,直接採用它的方案使我們能夠把精力放在系統級的開發上,節省了自己研發所需的時間和成本,將大大加速終端產品的面世時間,降低系統成本,從而讓我們在競爭激烈的市場中脫穎而出。」
2006年5月開始的為期一個月的實驗室和現場性能測試表明DTMB系統能有效支持包括高清晰度電視(HDTV)、標清電視(SDTV)和多媒體數據廣播等多種業務,同時完全滿足大範圍固定覆蓋和移動接收需要。2007年6月4日,香港電信管理局(OFTA)正式宣布從7月1日起採用DTMB進行試播。2009年,澳門也宣布了將採用與香港相同模式進行播出的計劃。2008年1月1日起國內多個城市開始了DTMB試播。奧運期間,7個奧運比賽城市播出了HDTV節目,為DTMB的大範圍推廣積累了經驗。經過長期積累和DTMB頒布兩年多來的推廣實驗,DTMB的產業鏈已經非常成熟。DTMB系統的影響力正在不斷延伸,形成與其他自主創新技術或標準相互促進的局面。譬如:DTMB是一個支持多種音視頻編碼標準的透明傳輸系統。在其推廣實踐中,最早使用的是MPEG-2標準,但隨著AVS標準產業化的日益成熟,DTMB+AVS模式取得了很好的效果。
經過長期的技術創新,DTMB整體性能超過了地面數字電視已有的國際標準。相比於商用化推廣最為成功的DVB-T系統,其快速捕獲和同步跟蹤更穩健;系統頻譜利用效率改善超過10%;支持單天線高清電視移動接收;移動性能更好;系統信噪比門限改善接近50%,覆蓋性能更好;抗脈衝干擾能力更強。但此優勢並非一成不變,歐洲第二代地面視頻廣播系統DVB-T2的出現使DTMB在信噪比門限及抗脈衝干擾能力方面的優勢不復存在。DTMB只有堅持技術創新才能繼續保持我們這數字電視領域的領先地位。

2國標DTMB創新技術及特點

新技術的突破
根據地面數字多媒體電視廣播的服務需求、傳輸條件和通道特徵, 國標DTMB傳輸系統採用了創新的時域同步正交頻分復用(TDS-OFDM)單多載波調製方式。這種調製方式,主要針對地面數字多媒體電視廣播傳輸通道線性時變的寬頻傳輸通道特性(頻域選擇性與時域選擇性同時存在的傳輸通道)所設計。由於TDS-OFDM適用於具有多徑干擾和多普勒頻移的傳輸通道,因此其同樣適用於地面數字多媒體電視廣播以外的其他寬頻傳輸系統。
1 創新的TDS-OFDM 調製
國標DTMB系統採用了 TDS-OFDM,其特點是同步頭採用了偽隨機序列,在每個 OFDM 保護間隔周期性地插入時域正交編碼的幀同步序列, TDS-OFDM調製按下列步驟進行。
a.輸入的MPEG-TS碼流經過通道編碼處理后通過星座映射形成3780點的星座。
b. 採用IDFT將該3780點星座變換成長度為3780的離散樣值(單載波模式不需要這一步驟)幀體(500μs)。
c. 在OFDM的保護間隔插入長度為420(或595,945)的PN序列作為幀頭。
d. 將幀頭和幀體組合成時間長度為555.56μs(或578.7μs,625μs)的信號幀。
e. 採用具有線性相位延遲特性的FIR低通濾波器對信號進行頻域整形。
f. 將基帶信號進行上變頻調製到RF載波上。
2 原創的數字電視廣播幀結構
為了實現快速穩定的同步,國標DTMB採用了分級幀結構, 如圖1所示,它具有周期性,並且可以和絕對時間同步。幀結構的基本單元稱為信號幀,225個信號幀定義為一個幀群,480個幀群定義為一個超幀。幀結構的頂層稱為日幀,由超幀組成。
信號幀的幀體採用多載波調製方式或單載波調製方式,幀體的子載波數為3780或者為1。子載波數為3780時,相鄰子載波的間隔為2 kHz,每個子載波符號採用MQAM調製。
(信號幀的幀體除了正常的數據流外還包含傳輸參數信令(TPS),用以傳送系統配置信息。它由36 比特組成,並用QPSK映射為18個子載波或者星座。
國標DTMB的超幀由一個控制幀和相鄰的224個信號幀構成,每個超幀的持續時間為125 ms,超幀中的第一個信號幀被定義為超幀頭(控制幀),用於傳輸控制該超幀的信令。超幀中的每一個信號幀有惟一的幀號,它被編碼在幀頭的PN序列中。每個超幀由一個9bit的超幀號標識。超幀號被編碼在信號幀的傳輸參數信令(TPS)中。TPS在超幀的每個信號幀中重複,只在新的超幀開始時才能改變。 國標傳輸系統的分幀包含480個超幀,分幀中的每個超幀由其超幀號惟一識別。分幀的第一個超幀編號為0,最後一個超幀編號為479,每個分幀的持續時間為60s。國標DTMB的日幀由1440個分幀組成,以一個自然日為周期進行周期性重複。在北京時間0:0:0AM,系統的幀結構被複位並開始一個新的日幀。
3 原創的廣播同步傳輸技術
PN序列除了作為OFDM塊的保護間隔以外,在接收端還可以被用做信號幀的幀同步、載波恢復與自動頻率跟蹤、符號時鐘恢復、通道估計等用途。由於 PN 序列幀頭與 數據幀體正交時分復用,且 PN 序列對於接收端來說是已知序列,因此,PN 序列和幀頭與數據幀體在接收端是可以被分開的。接收端的信號幀去掉 PN 序列后可以看作是具有零填充保護間隔的OFDM。
例如,信號 s(t) 經過地面傳輸通道后,接收端收到的基帶信號 r(t) 包括兩部分:PN 序列 rPN(t) 和幀體 rIDFT(t)。
經過通道估計后,得到多徑干擾后的PN 信號,從接收到的信號 r(t) 中減掉 PN 信號后,就可得到零填充保護間隔的 OFDM 符號,同時得到通道的單位脈衝響應 h(t)。
理論和實踐已經證明,具有零填充保護間隔的OFDM與具有循環前綴保護間隔的OFDM(例如DVB-T的COFDM)在理論上是等價的,如圖2所示。

主要技術特點

國標DTMB以時域正交頻分復用(TDS-OFDM)調製技術為核心,形成了自有知識產權體系,具有自己鮮明的技術特點。
1 傳輸效率或頻譜效率高
在歐洲DVB-T中,用於同步和通道估計的導頻載波數量佔總載波的10%。國標DTMB的PN序列放在OFDM保護間隔中,既作為幀同步、又作為OFDM的保護間隔。
歐洲DVB-T C-OFDM用10%的子載波傳送用於同步和通道估計等的導頻信號,同時存在循環前綴的保護間隔,而TDS-OFDM將時間保護間隔同時用於傳輸通道估計信號,因此DVB-T系統的傳輸效率只能達到國標DTMB系統的90%。
傳輸效率在多載波技術和單載波技術進行比較時,被認為是多載波技術的弱點,國標DTMB的核心技術正是針對解決這個問題而開發的。
2 抗多徑干擾能力強
多載波系統和單載波系統相比,OFDM系統具有抗多徑干擾的能力,抵抗多徑干擾的大小相應於其保護間隔的長度。由於國標的時間保護間隔中插入的是已知的(系統同步后)PN序列,在給定通道特性的情況下,PN序列在接收端的信號可以直接算出,並去除。去掉PN序列后的OFDM信號與時間保護間隔為零值填充的OFDM信號等價,而時間保護間隔為零值填充的OFDM與時間保護間隔為周期延拓的OFDM在同樣通道下的性能是等價的。而且,在多徑延遲超過時間保護間隔的情況下,國標DTMB仍能工作。TDS-OFDM可以把幾個OFDM幀的PN序列聯合處理,使抵抗多徑干擾的延時長度不受保護間隔長度的限制,而傳統的OFDM保護間隔長度設計要求必須大於多徑干擾的延時長度。
3 通道估計性能良好
在AWGN通道下,TDS-OFDM的通道估計性能優於C-OFDM。這是由於TDS-OFDM用於通道估計的PN序列具有20dB左右的擴頻增益,同時又沒有C-OFDM做通道估計時特有的插值誤差。儘管國標DTMB的樣機功能還有待改善,但其AWGN通道的測試結果仍優於基於C-OFDM的國內外系統。 對於多徑通道,TDS-OFDM的PN序列與多徑通道造成的干擾信號是統計正交的。雖然TDS-OFDM通道估計的性能無法在原理上與C-OFDM直接比較,但是它與其他傳輸系統中採用PN序列進行通道估計的性能相當。
4 適於移動接收
移動接收產生了多普勒效應和遮擋干擾,使傳輸通道具有隨時間變化的特性(時變特性)。而需要強調的是任何OFDM系統的信號處理都是基於通道傳輸特性準時不變的假設(應用FFT的基本條件),即在一個OFDM符號的時間內,假設通道是不變的,通道的變化被認為是在OFDM符號間發生的。TDS-OFDM的通道估計僅取決於OFDM的當前符號,而C-OFDM的通道估計需要4個連續的OFDM符號。因此,C-OFDM在移動情況下,要考慮4個OFDM符號的通道變化影響,而TDS-OFDM只需考慮1個OFDM符號的通道變化影響。可以看出,國標DTMB系統更適於移動接收,其移動特性優於歐洲 DVB-T 系統。測試結果證明,國標DTMB系統的高清電視移動接收性能居國際領先水平。
2011年12月,國際電信聯盟在修訂地面數字電視國際標準時,將中國的數字電視地面多媒體廣播系統DTMB標準納入其中,DTMB標準也正式成為繼美、歐、日之後的第四個數字電視國際標準。
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