地面数字电视国家标准DTMB技术解读
地面数字电视国家标准DTMB技术解读
杨知行（清华大学数字电视传输技术研发中心主任、教授）
国标DTMB技术方案及性能指标
国标DTMB提供的地面数字多媒体业务包括HDTV、音频、视频、数据广播和交互多媒体等，重要特性包括：
★高信息容量：为HDTV节目提供大于24Mb/s的单信道码率。
★高度灵活的操作模式：通过选择不同的调制方式和地址信息，系统能够支持固定、便携、步行或高速移动接收。
★高度灵活的频率规划和覆盖区域：使用单频网和同频道覆盖扩展器/缝隙填充器的概念，通过选择不同保护间隔的工作模式可构建16公里和36公里覆盖范围的单频网。
★支持不同的应用： HDTV、SDTV、数据广播、互联网、消息传送等。
★支持多个传送/网路协议，例如 MPEG2 和 IP 协议集。易于与其他的广播和通信系统连接。
★在OFDM 调制系统（TDS-OFDM）中实现了先进的信道编码和时域信道估计/同步方案，降低了系统 C/N 门限，以便降低发射功率，从而减少对现有模拟电视节目的干扰。
★支持便携终端低功耗模式。
★支持多种工作模式（已经实施的部分工作模式，详见表1）。
传输速率可选范围5.414～32.486 Mbps；调制方式可选QPSK、16QAM、64QAM；保护间隔可选55.6ms、125ms；内码码率可选0.4、0.6、0.8。
图1 国标DTMB的传输数据率（Mbps）
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国标DTMB方案构成如图1所示。电视节目或数据、文本、图片、语音等
多媒体信息经过源编码、信道编码后，通过一个或一个以上的发射机发射出去，覆盖一定区域。
根据地面数字多媒体电视广播的服务需求、传输条件和信道特征，国标DTMB传输系统采用了创新的时域同步正交频分复用（TDS－OFDM）单多载波调
制方式。这种调制方式，主要针对地面数字多媒体电视广播传输信道线性时变的宽带传输信道特性（频域选择性与时域选择性同时存在的传输信道）所设计。由
于TDS－OFDM适用于具有多径干扰和多普勒频移的传输信道，因此其同样适用于地面数字多媒体电视广播以外的其他宽带传输系统。
1. 创新的TDS-OFDM 调制
国标DTMB系统采用了 TDS-OFDM，其特点是同步头采用了伪随机序列，在每个 OFDM 保护间隔周期性地插入时域正交编码的帧同步序列， TDS-OFDM
调制按下列步骤进行：a.输入的MPEG－TS码流经过信道编码处理后通过星座映射形成3780点的星座；b. 采用IDFT将该3780点星座变换成长度为3780的离散样值（单载波模式不需要这一步骤）帧体（500μs）；c. 在OFDM的保护间隔插入长度为420（或595，945）的PN序列作为帧头；d. 将帧头和帧体组合成时间长度为555.56μs（或578.7μs，625μs）的信号帧；e. 采用具有线性相位延迟特性的FIR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RF载波上。
2. 原创的数字电视广播帧结构
图2 国标DTMB的分级帧结构
为了实现快速稳定的同步，国标DTMB采用了分级帧结构，如图2所示，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，225
个信号帧定义为一个帧群，480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3780或者为1。子载波数为3780时，相邻子载波的间隔为2 kHz,每个子载波符号采用MQAM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（TPS），用以传送系统配置信息。它由36 比特组成，并用QPSK映射为18个子载波或者星座。
国标DTMB的超帧由一个控制帧和相邻的224个信号帧构成，每个超帧的持续时间为125 ms，超帧中的第一个信号帧被定义为超帧头（控制帧），用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PN序列中。每个超帧由一个9bit的超帧号标识。超帧号被编码在信号帧的传输参数信令（TPS）中。TPS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480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479，每个分帧的持续时间为60s。
国标DTMB的日帧由1440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∶0AM，系统的帧结构被复位并开始一个新的日帧。
3. 原创的广播同步传输技术
PN序列除了作为OFDM块的保护间隔以外，在接收端还可以被用做信号帧的帧同步、载波恢复与自动频率跟踪、符号时钟恢复、信道估计等用途。由于 PN 序列帧头与数据帧体正交时分复用，且 PN 序列对于接收端来说是已知序列，因此，PN 序列和帧头与数据帧体在接收端是可以被分开的。接收端的信号帧去掉 PN 序列后可以看作是具有零填充保护间隔的OFDM。
如，信号 s(t) 经过地面传输信道后，接收端收到的基带信号 r(t) 包括两部分：PN 序列 rPN(t) 和帧体 rIDFT(t)。
式中表示卷积，h(t) 是传输信道的单位脉冲响应，包括收发端成形滤波器、地面传输信道， n(t) 表示高斯噪声分量。
经过信道估计后，得到多径干扰后的PN 信号，从接收到的信号 r(t) 中减掉 PN 信号后，就可得到零填充保护间隔的 OFDM 符号，同时得到信道的单位脉冲响应 h(t)。
理论和实践已经证明，具有零填充保护间隔的OFDM与具有循环前缀保护间隔的OFDM（例如DVB-T的COFDM）在理论上是等价的，如图3所示。
图3 填充PN序列的保护音隔功能恢复原理
DTMB的技术特点
国标DTMB以时域正交频分复用（TDS-OFDM）调制技术为核心，形成了自有知识产权体系，具有自己鲜明的技术特点。
1. OFDM 调制时域同步技术
在OFDM系统中同步设置是最重要的环节之一，也是OFDM系统最重要的创新焦点。
在欧洲 DVB-T的C-OFDM中，系统同步是通过在频域OFDM符号中插入导频而实现的，即采用频域同步技术。与采用C-OFDM的DVB-T系统不同，国标DTMB采用了称为PN序列填充时域同步正交频分复用（TDS-OFDM）的技术，将PN序列填充传统OFDM的保护间隔作为帧头，由于此帧头信号已知，可以在接收端被去除，因此在对抗ISI的意义上等同为零填充的保护间隔。同时，PN 序列作为同步序列，又被用于实现同步。而且，在接收端可用该PN序列通过相关计算估算出无线信道的时域冲击响应时间。
2. OFDM 调制保护间隔的新定义
在 OFDM系统中，OFDM信号结构是块结构，每个信号块称为OFDM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。OFDM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OFDM符号的保护间隔中的填充信号，传统的OFDM符号有两种独立定义：第一种是零值填充的（Zero-padding）的保护间隔（简称Z－OFDM），
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，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
（Cyclic-Prefix）保护间隔（简称C-OFDM）。
DTMB创新定义了以PN序列（PN-Padding）为保护间隔的OFDM信号（简称TDS－OFDM）。在 TDS-OFDM 系统中，保护间隔中填充的 PN 序列有以下重要作用：
a. 作为OFDM 调制的保护间隔。PN序列在接收端是已知的，进而可被去除，因而理论上等同为零填充（Zero-padding）的保护间隔。
b. 用于系统同步。PN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PN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。
3. 与绝对时间同步的分层帧结构
国标DTMB采用了不同于已有数字电视技术标准的、独具特色的分层复帧结构。这种与绝对时间同步的分层帧结构，可以在物理层为单频网提供与TS流
对应的秒同步时钟，便于单频组网；可以与按日历日为周期的广播节目表相配合，便于进行定时接收；也有利于未来系统的功能扩展，如双向交互和定位功能等；其还有利于手持便携接收机的省电控制，这是一个重要的特性，是为适应未来数