我国数字电视地面广播的传输标准

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——GB20600-2006《数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制》，于2006年8月18日正式批准成为强制性国家标准，2007年8月1日起实施。以下简称为DTMB。

DTMB是由国家组织的数字电视特别工作组负责起草，由全国广播电视标准化技术委员会归口并测试，国家质量监督检验检疫总局、国家标准化管理委员会批准发布的。

DTMB规定了数字电视地面广播传输系统信号的帧结构、信道编码和调制方式。该标准实现了关键技术创新，形成了多项有自主知识产权的专利技术，主要关键技术有：能实现快速同步和高效信道估计与均衡的PN序列帧头设计和符号保护间隔充填方法、低密度校验纠错码（LDPC）、系统信息的扩频传输方法等。

DTMB支持4.81Mbit/s～32.486Mbit/s的净荷传输数据率，支持标准清晰度电视业务和高清晰度电视业务，支持固定接收和移动接收，支持多频组网和单频组网。

（一）系统综述

数字地面数字电视广播传输系统是广播电视系统的重要组成部分。

我国AVS+编码复用：

地面数字电视系统前端接收来自卫星或光纤的节目，如果节目源是AVS+码流，则将其直接进行复用、调制和地面发射等环节处理，通过地面无线信道传输；如果节目源是MPEG-2码流，则将其转码为AVS+码流，再将转码后的AVS+码流进行复用、调制和地面发射等环节处理，通过地面无线信道传输。在系统终端，AVS+地面电视机顶盒接收地面无线数字电视信号并进行AVS+解码。

DTMB系统主要完成从MPEG-TS流到地面电视信道传输信号的转换，其组成框图如图10-48所示。

图10-48　DTMB系统的组成框图

（二）扰码与前向纠错码（FEC）

1.扰码

为了保证传输数据的随机性以便于传输信号处理，输入的MPEG-TS码流数据需要用扰码进行加扰。扰码是一个最大长度的二进制伪随机序列。该序列线性反馈移位寄存器生成，如图10-49所示。

图10-49　扰码器框图

其生成多项式为：

G（x）=1+x14+x15

该LFSR的初始状态定义为：100101010000000。输入的比特流与PN序列进行逐位模二加后产生数据扰乱码。扰码器的移位寄存器在信号帧开始时复位到初始相位。

2.前向纠错码（FEC）

扰码后的比特流接着进行前向纠错编码FEC。有三种码率的前向纠错编码，如表10-23所示。

表10-23　三种码率的前向纠错编码

FEC由外码（BCH）和内码（LDPC）两部分级联实现。

（三）符号星座映射与符号交织

1.符号星座映射

（1）64QAM映射

其星座图如图10-50所示。

图10-50　64QAM星座图

（2）32QAM映射

其星座图如图10-51所示。

（3）16QAM映射

其星座图如图10-52所示。

（4）4QAM映射

其星座图如图10-53所示。

（5）4QAM-N R映射

图10-51　32QAM星座图

图10-52　16QAM映射星座图

图10-53　4QAM映射星座图

2.符号交织

（1）时域符号交织

时域符号交织是在多个信号帧的基本数据块之间进行的。数据信号（即星座映射输出的符号）的基本数据块间交织采用基于星座符号的卷积交织编码。其中变量B表示交织宽度（支路数），变量M表示交织深度（延迟缓存器尺寸）。进行符号交织的基本数据块的第一个符号与支路0同步。交织/解交织对的总延时为MB×（B-1）×B符号时间。

有两种交织模式：

模式1（短交织）：B=52，M=240符号，交织/解交织总延迟为170个信号帧；

模式2（长交织）：B=52，M=720符号，交织/解交织总延迟为510个信号帧。

（2）频域交织

频域交织仅在多载波C=3780模式下使用。频域交织为帧体内的符号块交织，交织大小等于子载波数3780，目的是将调制星座点符号映射到信号帧帧体（帧体部分包含36个符号的系统信息和3744个符号的数据，共3780个符号）包含的3780个有效子载波上。

（四）复帧

数据结构的特点是以“帧”为基本单元，包括帧头（确知信息）、加强保护的系统信息以及经高效编码保护的数据信息。

数据帧结构分为信号帧，超帧、分帧、日帧四层结构，如图10-54所示。

图10-54　数据帧结构图

信号结构是周期的，并与自然时间保持同步。

1.帧结构的顶层为日帧（Calendar Day Frame，CDF）

日帧以一个公历的自然日为周期进行周期性重复，由1440个分帧构成，时间为24小时。在北京时间00：00：00AM，日帧被复位，开始一个新的日帧。

2.分帧的时间

长度为1分钟，包含480个超帧。

3.超帧的时间

长度定义为125ms，8个超帧为1秒，这样便于与定时系统（例如GPS）校准时间。超帧中的第一个信号定义为首帧，由系统信息的相关信息指示。

4.信号帧是系统帧结构的基本单元

（五）信号帧

为了适应不同应用，定义了三种可选信号帧头长度。

三种帧头所对应的信号帧的帧体长度和超帧的长度保持不变。信号帧结构如图10-55（a）（b）（c）所示。

图10-55　信号帧结构

1.帧头模式1（PN420）

如图10-56所示。

图10-56　帧头模式1结构

产生该最大长度的伪随机二进制序列的结构如图10-57所示。

图10-57　8阶m序列生成结构

2.帧头模式2（PN595）(www.xing528.com)

产生该最大长度的伪随机二进制序列的结构如图10-58所示。

图10-58　10阶m序列生成结构

3.帧头模式3（PN945）

如图10-59所示。

图10-59　帧头模式3结构

产生该最大长度的伪随机二进制序列的结构如图10-60所示。

图10-60　9阶m序列生成结构

（六）系统信息

发送端应将信道编码的编码效率和射频调制的调制模式等参数以系统信息的形式传输给接收机，使其能正确解调和解码。

这64种系统信息在扩频前可以用6个信息比特（s5s4s3s2s1s0）来表示，其中s5为MSB，定义如下：

s3s2s1s0表示编码调制模式，如表10-24所示。

表10-24　系统信息第3～0比特定义

续表

s4表示交织信息，如表10-25所示。

表10-25　系统信息第4比特定义

（七）帧体数据处理

C有两种载波模式：C=1单载波模式或C=3780多载波模式。

（1）单载波模式；

（2）多载波模式。

（八）基带后处理和射频信号

1.基带后处理

基带后处理（成形滤波器）采用平方根升余弦（Square Root Raised Cosine，SRRC）滤波器进行基带脉冲成形，SRRC滤波器的滚降系数为α=0.05，平方根升余弦滤波器频率响应表达式：

式中：Ts为输入信号的符号周期（1/7.56μs），fN=1/2Ts=Rs/2Rs/2为奈奎斯特频率，α为平方根升余弦滤波器滚降系数。

2.射频信号

调制后的RF射频信号由下式描述：

其中：S（t）为RF信号，Fc为载波频率（MHz）；h（t）为SRRC滤波器的脉冲成形函数，Frame（t）为组帧后的基带信号，由帧头和帧体组成。

（九）基带信号频谱特性和带外谱模板

1.基带信号频谱特性

形成滤波后基带信号（不插入双导频）频谱模板如图10-61所示。

图10-61　形成滤波后基带信号频谱模板

2.带外谱模板

数字电视发射机使用的频谱模板应如图10-62所示。

图10-62　同台数字发射机位于模拟发射机的上邻频或下邻频时的频谱模板

当数字电视信号的相邻频道用于其他服务（如更小发射功率）时，可能需要使用具有更高带外率减的谱模板。在这些严格情况下的频谱模板如图10-63所示。

图10-63　严格条件下的频谱模板

（十）系统净荷数据率

在不同信号帧长度、内码码率和调制方式下，支持的净荷数据率如表10-26所示。

表10-26　系统净荷数据率（Mbit/s）

（十一）单载波和多载波应用模式

1.单载波调制模式

单载波调制技术是将需要传输的数据流调制到单个载波上进行传送，例如QAM、QPSK、VSB等。

技术实现上单载波应用模式有以下特点：PN595+单载波+高效信道编码+扩频保护系统信息+低阶星座映射+双导频+均衡技术。

（1）帧头模式2（PN595）采用非循环简洁的伪随机二进制序列作为帧头，有利于信道均衡快速收敛，同时帧头功率与帧体信号的平均功率相同保证了单载波信号的低峰均比特性。

（2）采用Walsh正交序列联合扩频序列的方式来保护传输中的系统信息，使得系统信息在多径时变信道时有很强的抗衰落特性。

（3）高效信道编码方案与低阶星座映射的结合既保证了频谱效率又提升了抗信道衰落的性能。

（4）稳定、可靠和准确的系统载波恢复和时钟获得是单载波系统中有良好的固定和移动接收的必要条件，因此，在发射信号内需要另外加入导频信号。

国标中的单载波调制模式中的双导频的频谱图，如图10-64所示。

图10-64　添加双导频后的频谱图

（5）改进的均衡接收技术，在传统的LMS算法基础上，依靠简洁数据结构，采用NR准正交解映射与均衡结合的算法，突破了单载波抗0dB多径、高速移动接收的难题。

2.多载波调制模式

在我国国标制定的地面数字电视系统中，多载波系统采用了TDS-OFDM调制，其主要特点是在每个OFDM保护间隔周期性地插入时域正交编码的帧同步PN序列，TDS-OFDM调制按下列步骤进行：

（1）输入的MPEG-TS码流经过FEC编码处理后，形成在频域内的DFT数据块，每个数据块映射成3780点的星座符号；

（2）采用IDFT将DFT数据块变换成时域内的离散样本，或者说将3780点星座符号变换成长度为3780的离散样值，称为帧体（500μs）；

（3）在OFDM的保护间隔插入长度为420符号（或945）的PN序列作为帧头；

（4）将帧头和帧体组合，形成时间长度为555.56μs（或625μs）的信号帧；

（5）采用具有线性相位延迟特性的升余弦平方根（SRRC）低通滤波器对信号进行整形，滚降系数0.05；

（6）将基带信号进行上变频调制到RF载波上。

在我国国标制定的地面数字电视系统中，多载波调制主要的应用模式如表10-27所示。

表10-27　多载波主要应用模式

国标中的多载波系统主要有以下特点：

（1）OFDM调制保护间隔的新定义；

（2）OFDM调制时域同步技术。