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DTMB标准性能优化两点建议

2014-10-21 07:30 来源:电视技术

责编:陈默

DTMB标准性能优化两点建议

房海东,王 谦,康 宁,潘长勇

(北京数字电视国家工程实验室,清华大学 信息科学与技术国家重点实验室)

2014-10-15

【原编者按】具有自主知识产权的中国数字电视地面广播传输系统标准——《数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制》(DTMB)于200781日起正式实施。此国家标准为强制标准,是地面无线电视的基础性标准。相继于欧洲的DVB-T、美国的ATSC和日本的ISDB-T三种国际地面数字电视广播(DTTB)标准,DTMB201112月正式被国际电联认可,成为第四个国际DTTB标准。目前,DTMB以其系统容量大、传输能力强、覆盖范围广等优势而迅速发展和普及。DTMB在频谱利用率、接收门限、支持多业务、单频网组网方面,比DVB-TATSCISDB-T都有一定的技术优势。今天的文章出自DTMB的摇篮之一——清华大学,作者通过对多种DTMB接收机进行大量的实际性能测试,根据测试数据分析,并利用理论计算,给出DTMB标准的两个性能优化方向。敬请阅读。

 

1 DTMB系统简介

1.1 信号帧

信号帧是系统帧结构的基本单元,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(7.56 MS/s)。帧头部分由PN 序列构成。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 3 744 个符号的数据,共 3 780 个符号。帧体长度是500 μs3 780×1/7.56 μs)。

为适应不同应用,定义了3种可选帧头模式以及相应的信号帧结构,详见图13种帧头模式所对应的信号帧的帧体长度保持不变。

说明: http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz/9kySIwBeGl1D3APEootrjkDx6g3C8NH7d0SatB6hIXcfM7t7bZRmvCZ3oUuicGTlCTicoj8A1oucPzNIoS5DriaNA/0

1.2 帧头

1.2.1 帧头模式1

帧头模式1采用的PN序列为循环扩展的8 m序列,经0+1+1-1的映射,变换为非归零的二进制符号。帧头信号(PN420),由一个前同步、一个PN255序列和一个后同步构成,前同步和后同步定义为PN255序列的循环扩展,如图2所示。对PN420来说,帧头信号的平均功率是帧体信号平均功率的2倍。

说明: http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz/9kySIwBeGl1D3APEootrjkDx6g3C8NH7UEjficzvuquX4iboHCbywOgYUvTib8skOzJNicCwZGFfdzlOOibVX4PZgQw/0

1.2.2 帧头模式2

帧头模式2采用10 阶最大长度伪随机二进制序列截短而成,帧头信号的长度为595个符号,是长度为1 023m序列的前595个码片。与帧头模式1一样,通过映射变换为非归零的二进制符号。对PN595来说,帧头信号的平均功率与帧体信号的平均功率相同。

1.2.3 帧头模式3

帧头模式3采用的PN序列定义为循环扩展的9m序列,其定义类似于PN420,如图3所示。同样,对PN945来说,帧头信号的平均功率是帧体信号平均功率的2倍。

说明: http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz/9kySIwBeGl1D3APEootrjkDx6g3C8NH71XQuUWP8zBSNkBkjwdCZX5DxaArYF0IujvYvHWZLWiboYPdWznnEDTQ/0

 

2两点优化建议

2.1 PN945PN420功率保持与帧体信号一致

DTMB现有的标准中,对于PN420PN945来说,帧头信号的平均功率是帧体信号平均功率的2 倍。帧头作为保护间隔,其功率的加倍将对DTMB信号的峰均功率比有改善。对接收机而言,由于信道检测、信道同步都是通过保护间隔完成的,因此帧头信号功率的加倍提高了接收机检测DTMB信号的灵敏度。随着接收机技术的不断成熟,这两项优点已不再突出。

对接收机而言,保护间隔是不携带有效信息的。保护间隔的作用使得接收机能完成信道同步、信道估计等功能。在同一信道下,假定长度为3 780的帧体部分的接收机最小接收载噪比门限为Cmin/N=A0=10logPs /N0)。其中Ps为符号长度为3 780的帧体信号(500 μs)功率,N0表示长度为500 μs内的噪声功率。

对于帧头模式2,对于同一信道的接收机而言,用一个信号帧来分析其载噪比门限Cmin/N595),信号帧的能量为(3 780+595/3 780×Ps,而一个信号帧的噪声能量为(3 780+595/3 780×N0。对于连续的DTMB信号,帧头模式2Cmin/N595)可近似为

Cmin/N595=10log4 375×(Ps / N0/4 375= A0 1

对于帧头模式1,同样用一个信号帧来分析其载噪比门限Cmin/N420),信号帧的能量为(3 780+420×2/3 780×Ps,而一个信号帧的噪声能量为(3 780+420/3 780×N0。对于连续的DTMB信号,帧头模式1Cmin/N420)可近似为

Cmin/N420=10log4 620×(Ps / N0/4 200= A0+0.41 2

同样,对于帧头模式3,同样用一个信号帧来分析其载噪比门限Cmin/N945),信号帧的能量为(3 780+945×2/3 780×Ps,而一个信号帧的噪声能量为(3 780+945/3 780×N0。对于连续的DTMB信号,帧头模式3Cmin/N945)可近似为

Cmin/N945=10log5 670×(Ps / N0/4 725= A0+0.79 3

从上述理论分析看,保护间隔平均功率的增加,造成了接收机最小接收载噪比门限的增大,对接收机的接收性能有少许恶化。

在现有接收机下,无法更改帧头的功率,因此针对同样的纠错编码,同样的星座图调制模式,不同的保护间隔下,对不同接收机进行了大量的数据测试。测试结果表明,帧头功率加倍的PN420的最小接收载噪比门限大于帧头功率与帧体功率一致的PN595模式的最小接收载噪比门限,而小于帧头功率加倍的PN945的最小接收载噪比门限。表1所示为16QAM/FEC0.8/TI720在不同帧头模式下的C/N,表2所示为64QAM/FEC0.6/TI720在不同帧头模式下的C/N。表3为同一接收机不同帧头模式的多种工作模式下的接收机的最小C/N门限。

说明: http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz/9kySIwBeGl1D3APEootrjkDx6g3C8NH7HjDrfj3EWN7eZOjar5C45iaNjCKEK95iaN9XBT739icYYljyoYIRzTNww/0

说明: http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz/9kySIwBeGl1D3APEootrjkDx6g3C8NH7T2KLFATBlvLMZJz4dCuYYf4iam4bicMNocq8LGUow4GZUbIyuhWVRang/0

说明: http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz/9kySIwBeGl1D3APEootrjkDx6g3C8NH7H1Qrp7sk2qxjlQeaT9FKdh0GZNo5lXMNuniccsOFoRhkoRBh3VMItbw/0

通过上述对比测试数据可知,PN945的载噪比C/N门限明显大约PN420的门限,而PN420的载噪比C/N门限也明显高于PN595。可见保护间隔平均功率的增加,造成了接收机最小接收载噪比门限的增大。对接收机的接收性能有少许恶化。

2.2 PN945PN420帧头模式采用全M序列的截短码

DTMB现有的标准中,对于PN420PN945来说,帧头信号均有一个M序列循环扩展而成的前同步和后同步。对有接收机而言,帧头的前后同步不但可以很好地发挥保护间隔的作用,而且在多径信道中,可以很好地保护主径信号,使得信道同步和信道估计算法更简单。随着接收机技术的不断成熟,这项优点亦不再突出。

而对于接收机,对于两径的时变信道而言,假定接收机收到的第一个信号为静态径,而同时也收到第二个信号径,其强度与第一个信号径一样,且为时变信号,即存在强多普勒情况,此时如果两个径的延时相对较大,则存在难以处理的情况。图4所示为两个信号径的帧头在时域上的叠加情况。

说明: http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz/9kySIwBeGl1D3APEootrjkDx6g3C8NH7seBsib3HyKzT1ySjrgdOEGzbveE0uO8wib6RhcdAjvIPhr6MJusu6XfA/0

在接收端,接收机收到的信号St)是两径信号的叠加信号。通过接收端已知PN对接收信号进行卷积运算的信道估计时,已知PN的循环扩展(前同步和后同步)会产生同样效果的相关峰。当两径的信号强度相同且为时变信道,当两径的间隔较小时,接收机很容易估计出相对稳定的主径,因而接收机将会对此种信道具有良好的鲁棒性。但当两径的信号强度相同且为时变信道,当两径的间隔较大时,由于前同步和后同步与PN序列一样,会产生同样效果的相关峰,接收机在高阶调制模式下(例如64QAM)将很难辨别此种时变信道。要解决此种信道,将加大接收机的设计难度,目前,已有能够很好地解决此种信道的接收机上市。

对于PN420来说,当动态径延时约超过(82+255/2=168个符号时,接收机将变得较难处理,而这个时间理论上为22.2 μs。对于PN945来说,由于保护间隔本身较长,在实际应用中基本不受影响,本文未对PN945的情况进行深入研究测试。

在实验室中,设定径1信号为静态径,径的损耗为0 dB,信号径延时为0 μs;设定径2信号为纯多普勒径,第二径的多普勒固定为20 Hz,其延时为变量。测试帧头模式为PN420的接收机,当第二径延时较小时,基本上所有接收机都可正常工作。而随着第二径延时的增大,当其延时超过20 μs后,基本所有接收机都不能工作。同时,也测试了第二径在不同延时下,不同接收机能够处理的最大多普勒,其测试结果如表4所示,其测试模式的工作模式为PN420/64QAM/FEC0.6/TI720,测试所用频道为12频道(474 MHz)。从表中的测试结果看,大部分的接收机很难处理20 μs以上的时变多径。测试结果同时也表明,已经上市的产品中,已有可以较好解决此问题的能力。

说明: http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz/9kySIwBeGl1D3APEootrjkDx6g3C8NH79p8Aic8n9amicx8KiatscPiaicS7KaEwD5OiaJCXojoic4kb6DXJ8aK6Ug49g/0

 

3

本文通过理论分析,保护间隔的平均功率是帧体信号平均功率的2倍,将一定程度地弱化接收机的接收性能,而实际的测试数据也证明了这一点,故建议所有保护间隔的平均功率与帧体信号平均功率一致。以PN循环扩展作为帧头模式的前同步和后同步,对某些特定的信道下,其鲁棒性会降低,而测试数据也支持这一点。而要解决好这种特定的信道,将增加接收机的设计难度,故建议所有帧体采用全M序列的缩短码。

现有的DTMB标准已经优于国际上其他的3DTTB标准,加上DTMB标准在广泛推广,足以显示其优越性。本文给出的两点建议是建立在DTMB实际应用中发现的一些细小差别基础上,使其更优的并且能较简单实现的建议。同时在现有DTMB标准下,在接收端通过一定的算法实现,实际使用的细小差别也将会被克服,例如建议二,这也是给现有接收机的设计提出了一点要求,是接收机实际应解决的技术难点。

 

该文已刊登在《电视技术》2014年第17

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