中国地面数字电视传输标准介绍-上海交大

11中国地面数字电视广播标准的技术要点、主流应用、产业基础上海交通大学上海高清数字科技产业有限公司2006年12月19日22报告提纲•地面数字电视广播业务与技术需求•地面数字电视广播标准介绍•国标接收技术介绍及固定覆盖性能•国标接收技术实现指南•国标接收技术的主流应用•国标接收技术产业化进程•国标接收技术专利策略33一、地面数字电视广播业务与技术需求44我国现有电视收视群体分布模拟有线电视约1.26亿户城市及东部沿海，节目50套，清晰卫星数字电视少量用户模拟地面电视约2/3，约2.2亿户城郊及中西部地区，节目5套，模糊，不稳定无线覆盖是最主要的接收方式。我国有约2/3的用户通过模拟无线方式接收电视号。全国共有3.5亿户家庭，其中有线接收为1.26亿户，无线接收超过2亿户，他们大多分布在城郊和农村，这些用户迫切需要更多更稳定的电视节目。55数字电视为地面电视带来新的生机单频网业务种类城市农村固定覆盖标清多节目√√高清√移动电视√√便携/手机电视√大面积固定覆盖家庭接收移动电视车辆，船只，楼宇、商场，户外等便携电视个人便携地面数字电视广播66数字电视为地面电视带来新的生机1.更大的节目传输容量和频谱利用率：•每个信道可以传送多达10套的标清节目或2套高清节目•邻频道的启用与规划2.更灵活的服务模式：•包括标清、高清、高速移动、手持接收等3.大区单频组网成为可能：•支持移动电视或小功率多发射机组网以及填缝发射等4.成为建设社会主义新农村：•提高农民文化素质的经济可靠有效的手段77数字化后我国电视业务分布地面数字电视首要解决城郊和农村固定覆盖有线数字电视整体平移，有线电视数字化卫星数字电视分发为主，覆盖随政策逐步放开解决广大中西部用户看电视难的首要问题。同时也需要满足新媒体业务需要，车载、楼宇、便携的商业模式正在形成，手机电视标准另定。车载电视大中型城市便携电视大中型城市手机电视标准制定88地面数字电视广播的基本需求•地面数字电视广播需求一–是大功率，大面积，点到多点，连续播出的应用–是在必须考虑邻频道/同频道，数字/模拟干扰存在情况下的应用–是基于现有模拟电视发射点位置，发射设备，发射条件（功率，塔高，覆盖）的应用•地面数字电视广播需求二–最重要的是频谱规划–首要指标是覆盖范围和覆盖效果•地面数字电视广播需求三–需要支持单频网–需要支持高速移动接收250km/h99地面数字电视广播系统关键技术需求•覆盖范围要求：–接收系统的灵敏度指标：决定覆盖范围能力的基本指标。灵敏度越小意味着能够有效地覆盖相同的面积的发射功率越小；–发射信号峰均比指标：决定对发射机峰值功率的要求。该指标是实现上述用较小功率数字信号发射来简单替换原有模拟覆盖的重要因素，也是用同等发射功率来有效扩大覆盖的有利因素。•抗信道衰落能力：–在恶劣（频率选择性衰落）、动态（时变）信道情况下，数字电视接收系统的灵敏度指标会有一定的恶化，甚至引起接收无条件失败。特别在单频网环境中，将增加恶劣多径的可能性；–在实验室中，常以抗多径的强度和长度能力来检验接收机抗恶劣信道能力；–在瑞利信道下，以可承受的最大多普勒速度来评判接收系统动态能力。•频率规划要求：–抗模拟同/邻频干扰能力、抗数字同/邻频干扰能力高低将决定频谱规划的有效性，以及能否提高频谱的利用率。1010二、中国地面数字电视广播标准介绍1111地面数字电视系统组成有线/卫星节目源数字信号源编码器复用器数字发射系统地面调制地面发射数据业务数字电视接收系统地面解调信源解码数字电视显示发端调制技术收端解调技术独立显示天馈、发射塔本地节目一体显示调谐器SFN/MFN地面广播覆盖网1212地面数字电视国标技术特点•使用能实现信道估计与均衡的PN序列作为帧头•使用先进的信道编码•抗衰落的系统信息保护1313地面数字电视国标发端系统框图随机化前向纠错编码星座映射与交织系统信息复用帧体数据处理组帧帧头基带后处理正交上变频数据输入射频输出1414地面数字电视国标发端系统框图随机化前向纠错编码星座映射与交织系统信息复用帧体数据处理组帧帧头基带后处理正交上变频数据输入射频输出为了保证传输数据的随机性以便于传输信号处理，输入的数据码流数据需要用扰码进行加扰。1515地面数字电视国标发端系统框图随机化前向纠错编码星座映射与交织系统信息复用帧体数据处理组帧帧头基带后处理正交上变频数据输入射频输出前向纠错编码由外码（BCH码）和内码（LDPC）级联实现，采用了三种不同的码率以满足各种服务需求，并且为了降低实现成本，三种不同码率的前向纠错码使用同样的BCH码，同时LDPC码具有相同的结构，达到了硬件实现的资源共享。1616地面数字电视国标发端系统框图随机化前向纠错编码星座映射与交织系统信息复用帧体数据处理组帧帧头基带后处理正交上变频数据输入射频输出本标准包含以下几种符号映射关系：64QAM、32QAM、16QAM、4QAM、4QAM-NR。(1)4QAM与4QAM+NR的符号映射对应于高速移动服务业务的需求，可以支持标准清晰度电视广播，能够兼顾覆盖范围和接收质量的服务需求。(2)4QAM、16QAM与32QAM符号映射可对应于中码率服务业务的需求，可以支持多路标准清晰度电视广播，能够兼顾覆盖范围和频率资源利用的服务需求。(3)32QAM和64QAM符号映射对应于高码率服务业务的需求，可以同时支持高清晰度电视和多路标准清晰度电视的广播。1717地面数字电视国标发端系统框图随机化前向纠错编码星座映射与交织系统信息复用帧体数据处理组帧帧头基带后处理正交上变频数据输入射频输出本标准采用了时域符号交织技术以提高抗脉冲噪声干扰能力。时域符号交织编码是在多个信号帧之间进行的。数据信号的数据块间交织采用基于星座符号的卷积交织编码。1818地面数字电视国标发端系统框图随机化前向纠错编码星座映射与交织系统信息复用帧体数据处理组帧帧头基带后处理正交上变频数据输入射频输出本标准采用了创新的帧信号结构。该结构是周期性的，以信号帧为基本单位，每个信号帧由训练序列、系统信息、帧体数据三部分组成。1919地面数字电视国标发端系统框图随机化前向纠错编码星座映射与交织系统信息复用帧体数据处理组帧帧头基带后处理正交上变频数据输入射频输出帧体数据块复接系统信息后，用C个子载波调制。有两种工作模式：C=1或C=3780。在载波数C=1模式下，作为可选项，对帧头和帧体经过组帧后形成的基带数据在±0.5符号速率位置插入双导频。在载波数C=3780模式下使用频域交织，将调制星座点符号映射到帧体包含的3780个有效载波上。2020地面数字电视国标发端系统框图随机化前向纠错编码星座映射与交织系统信息复用帧体数据处理组帧帧头基带后处理正交上变频数据输入射频输出基带后处理（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。2121三、国标中接收技术介绍及固定覆盖性能2222国标交大接收技术介绍交大接收技术基础：•简洁有效的数据结构：–数据结构以“帧”为基本单元，包括帧头（确知信息）、加强保护的系统信息、经高效编码保护的数据信息。–帧头应该选择具有伪随机特性的序列（PN），插入的周期应该在500微秒到1毫秒之间，序列长度应大于判决反馈均衡器的级数，这样既保证了传输效率，又能够提高抗信道动态衰落的能力。–正交序列联合扩频序列的方式来保护传输中的系统信息•高效信道编码方案与低阶星座映射的结合•基于双导频及已知序列的同步技术•改进的均衡接收技术2323已实现的国标参数介绍•帧体数据处理：C=1或C=3780•典型帧头格式为PN595，该种格式结构简单，更适合快速同步与均衡，并且保证了低的峰均比•三种信道编码码率（0.4、0.6、0.8）均可支持，同时也提供了仅使用0.8码率编码就可以支持高、中、低码率传输的可能，大大减少了芯片复杂度，有利于成本的降低•4QAM-NR调制模式更适合超高速的移动接收•4QAM调制方式提供更高码率（10.396Mbps）的移动接收•16QAM调制模式可以支持更低接收门限的高码率固定接收•32QAM调制模式能提供更高码率（26Mbps）的固定接收•2种交织方式均可支持•正交序列联合扩频序列的方式来保护传输中的系统信息•双导频插入，更利于同步捕获，同时支持无双导频2424部分适合固定覆盖应用的国标模式模式帧体数据模式帧头格式星座映射方式LDPC编码效率双导频交织方式传输速率（Mbps）低码率C=1PN5954QAM-NR0.8有长交织5.198中码率C=1PN5954QAM0.8有长交织10.396高码率C=1PN59516QAM0.8有长交织20.791甚高码率C=1PN59532QAM0.8有长交织25.9892525国标系统技术性能•接收灵敏度：工作模式最小信号接收电平（dBm）低码率-99.82中码率-95.88高码率-89.47甚高码率-85.91注：测试值越小，表示接收机的接收灵敏度越高。以上的测试结果完全可以满足数字电视地面传输的覆盖范围要求，其性能与目前已有的其它数字电视地面传输标准相比，在传输相近的数据率时有3dB到6dB的优势。上海东方明珠单点覆盖经对比，交大方案用一塔发射就能超过欧洲标准用四塔组网发射的覆盖效果！2626同频保护率测试项目名称同频保护率干扰模式C/I（dB）高码率PN595多载波PN595单载波+双导频模拟干扰数字-4.6-7.1数字干扰数字12.212.9均衡LMS算法能够驱动均衡器成为窄带凹陷的滤波器，保证均衡输出的信号时“平”的。所以自适应的对付单频干扰。模拟电视信号实际就是3个单频信号。注：测试值越小，表示系统的抗同频干扰能力越强。2727上、下邻频保护率测试项目名称上、下邻频保护率干扰模式C/I（dB）高码率PN595多载波PN595单载波+双导频模拟干扰数字-28.4-30.1数字干扰数字-23.6-23.6均衡LMS算法能够驱动均衡器成为窄带凹陷的滤波器，保证均衡输出的信号时“平”的。所以自适应的对付单频干扰。邻频信号实际就是窄带信号。注1：调制器输出未加滤波器；注2：测试值越小，表示系统的抗邻频干扰能力越强；从测试结果可以看出，国标的这些模式抗邻频性能已经达到启用邻频的要求2828峰均比性能测试项目名称峰值平均功率比百分数峰值功率与平均功率比（dB）高码率低码率PN595多载波PN595单载波+双导频PN595多载波PN595单载波+双导频99%6.445.096.504.5599.9%8.206.228.295.8599.99%9.727.019.586.56注：测试值越小，表示系统对功率放大器的线性动态范围要求越低。值得注意的是，当采用PN420或者PN945作为帧头模式时，由于帧头功率加倍，单载波调制方式峰均比会有一定的恶化，但同时得到信道估计的3dB增益。29294QAM-NR可以支持高速移动接收测试项目名称动态多径信道下的最大频移多径模型最大频移12径瑞利信道649Hz注：测试值越大，表示系统抗动态多径干扰和高斯噪声能力越强。在使用UHF频段时，最大多普勒频移649Hz意味着约900公里的移动速度，而其它数字电视地面传输系统已公开的最多也只有150Hz左右。3030国标系统发端知识产权介绍(部分)随随随随随随随随随随随随随随随随随随数据输入随随随随随随随随随随随随随随随随随随随随随随随随随系系3随随随5随随随1随随随2随随随2随随随系系系1随随随共计14项专利覆盖整个发端系统3131国标系统收端知识产权状况(部分)随随随随随随随随随随随随随随随随随随随随随随随随随随随随随系系系系系系随随随随随随随随随随随随随随随随随1随随随2随随随3随随随12随随随2随随随共计30项专利覆盖整个收端系统3232四、国标接收机技术实现指南3333接收机框图地面数字电视射频信号经天线接收至高频头（Tuner），输出中频信号，该中频信号经AGC做自动增益控制后AD采样，采样率需至少满足2倍的中频带宽，即大于15.12Msample/s。