DTMB典型模式傳輸性能損失分析*

程 濤，楊 昉，彭克武

（清華大學 電子工程系；清華信息科學與技術國家實驗室；微波與數字通信技術國家重點實驗室，北京 100084）

責任編輯:哈宏疆

1 引言

中國地面數字電視傳輸標準（即《數字電視地面廣播傳輸系統信號幀結構、信道編碼和調制標準》，以下簡稱國標或DTMB）[1]定義了地面數字電視廣播系統發射端完成從輸入數據碼流到地面電視信道傳輸信號的轉換。在DTMB系統發送端[2－3]，輸入數據碼流經過隨機化、前向糾錯編碼、星座映射與交織后形成基本數據塊。基本數據塊與系統信息組合后，經過幀體數據處理（取決于單載波或多載波模式）形成幀體。幀體與相應的幀頭組成信號幀，經基帶后處理轉換為基帶輸出信號，該信號經正交上變頻轉換為射頻信號。

國標支持多種傳輸模式，通過不同的幀頭長度、星座映射方式和FEC編碼碼率組合，一共有33種傳輸模式，凈荷數據率范圍為 4.813～32.486 Mbit/s[1]。

2 典型模式信噪比損失分析

筆者主要分析 PN420幀頭、64QAM、0.6碼率和OFDM調制的典型模式，該模式下的凈荷數據率為24.6888 Mbit/s（BCH碼暫不考慮）。下面在AWGN信道下，從時頻帶寬積、編碼調制、系統實現3個方面對信噪比損失進行分析。

根據香農公式，AWGN信道的信道容量為

式中:C 為信道容量（單位為 bit·s－1·Hz－1），W 為帶寬，SNR為信噪比。根據香農信息論中的信道編碼定理，如果要在W的帶寬內傳輸數據率為R的數據，所需信噪比至少為

對于PN420幀頭、64QAM、0.6碼率模式的數據率R=24.6888 Mbit/s，信道帶寬 W=8 MHz，代入式（2）得信噪比門限的理論值為SNRth_ideal=8.75 dB。實測情況，在誤比特率（BER）為 3×10－6的準無誤（QEF）條件下，系統實測的信噪比工作門限為15.40 dB。而系統的實際符號率為7.56 Mbit/s，等效于實際帶寬減小為7.56 MHz，那么接收到的噪聲功率減小為原來的7.56/8，等效于信噪比門限增加0.25 dB，所以實際的信噪比門限為SNRth=15.65 dB。總的信噪比損失為（15.65－8.75）dB=6.90 dB。

2.1 時頻帶寬積

2.1.1 頻譜成形

國標模式的信道帶寬為8 MHz，但實際符號率為7.56 Msymbol/s，等效于實際帶寬W1=7.56 MHz。這可以看作是由于采用平方根升余弦濾波器（文獻[1]圖17）進行基帶脈沖成形造成的有效時頻帶寬積的損失。將R和W1代入（2）式得SNRth1=9.35 dB。所以頻譜成形造成的信噪比損失為0.60 dB。

2.1.2 信號幀結構

這里討論的傳輸模式選用PN420序列作為幀頭。整個信號幀長4200個符號（symbol），包括幀頭和幀體。幀頭PN序列長420個符號，幀體信號的3780個符號中，有36個符號是系統信息，所以FEC數據流（凈荷數據流經過FEC編碼后的數據流）只有3744個符號。這等效為PN訓練序列和系統信息帶來的有效時頻帶寬積的降低。W2=7.56×3744/4200=6.7392 MHz。 將 R 和 W2代入式（2）得SNRth2=10.67 dB，所以信號幀中由幀頭和系統信息造成的信噪比損失為1.32 dB。

2.2 編碼調制

DTMB的前向糾錯碼由BCH碼和LDPC級聯實現。BCH碼的碼率較高，差錯控制能力有限，這里暫不考慮。所選典型模式的LDPC碼率為0.6（準確值為4572/7488），符號調制選用64QAM。

1）64QAM的CM限

在AWGN信道下，輸入信號必須是高斯分布才能夠達到信道容量C。若輸入信號非高斯分布，可以定義輸入符號x和輸出符號y之間的平均互信息為星座映射受限下的信道容量 CCM（CM（Coded Modulation）限），即CCM=I（x；y），通過 BICM-ID 技術[4-5]和最優解映射和解碼可以逼近CM限。對于輸入均勻分布的MQAM調制，其CM限[4]為

式中:m=lb M，χ是輸入符號集合，θ是代表信道狀態的隨機變量，例如，對于AWGN信道θ≡1，對于獨立瑞利（Rayleigh）衰落信道，θ是服從Rayleigh分布的獨立同分布（i.i.d.）隨機變量。在星座映射已經確定為64QAM的情況下，CCM僅僅是信噪比的函數，通過數值方法計算可得，要達到R=24.6888 Mbit/s的數據率，信噪比至少為SNRth3=11.43 dB。

2）64QAM的BICM限

如果不采用BICM-ID技術，而是采用比特獨立解映射然后譯碼，根據文獻[4]中圖3所示的并行獨立信道模型，可以計算輸入和輸出之間的平均互信息，定義為獨立解映射下的信道容量（即BICM限）

式中:χib代表χ中第i比特等于b的所有符號構成的集合，其余字母的含義與式（3）相同。可以證明CBICM

3）LDPC碼和SPA譯碼算法造成的損失

和積算法（SPA）是一種在工程實踐中廣泛應用的LD PC軟判決譯碼算法。對于64QAM星座映射，LDPC（7488，4572）碼的系統，采用比特獨立解映射和SPA譯碼算法（假設最大迭代30次），實際所需的信噪比為SNRth5=13.90 dB。

4）MinSum譯碼算法造成的損失

最小和（MinSum）算法是對SPA的簡化，它在硬件系統上實現的復雜度更低。同樣，64QAM星座映射，LDPC（7488，4572）碼的系統，采用比特獨立解映射和MinSum譯碼算法（假設最大迭代30次），實際所需的信噪比為SNRth6=14.10 dB。

綜上，在編碼調制部分，系統的潛在增益為（14.10-10.67）dB=3.43 dB。

2.3 系統設計和實現

對于PN420幀頭模式，DTMB標準規定幀頭能量加倍，造成信噪比損失 0.414 dB=10×lg（（420×2+3780）/4200），屬于系統設計的損失。還有實際系統內接收機解調損失，包括同步、信道估計、接收機噪聲、I/Q不平衡等造成的損失等。最后實測信噪比門限為SNRth6=15.65 dB，在系統實現部分損失的信噪比為（15.65-14.10-0.41）dB=1.14 dB。表1給出AWGN信道下國標典型傳輸模式（PN420幀頭、64QAM、0.6碼率、OFDM調制）各部分信噪比損失的列表。

表1 AWGN信道下國標典型模式各部分信噪比損失

3 小結

筆者詳細分析了中國地面數字電視廣播傳輸系統DTMB在AWGN信道下的信噪比損失。信噪比損失的來源分3部分:時頻帶寬積損失、編碼調制損失和系統實現損失。其中頻譜成形、幀結構設計和系統信息等造成的時頻帶寬積損失為1.92 dB。另外，幀頭能量加倍造成的損失為0.41 dB。信道編碼、星座映射、星座解映射和信道解碼等編碼調制損失分別為3.43 dB，可以通過采用BICM-ID技術和LDPC編解碼技術等更先進的編碼調制技術挽回部分潛在增益。系統實現部分損失為1.14 dB，可以通過改進接收設備，特別是接收機的同步和信道估計算法，盡量減小這部分損失。分析結果有助于指導新一代數字電視系統的設計。

[1]數字電視地面傳輸國家特別工作組.GB 20600-2006數字電視地面廣播傳輸系統信號幀結構、信碼道編和調制標準[S].北京:中國標準出版社，2006.

[2]楊知行，王軍，潘長勇，等.地面數字電視傳輸技術與系統[M].北京:人民郵電出版社，2009.

[3]王丹，王軍，潘長勇.中國地面數字電視標準概要、應用及產業化[J].電視技術，2007，31（7）:10-13.

[4]CAIRE G，TARICCO G，BIGLIERIE.Bit-Interleaved coded modulation[J].IEEE Trans.Information Theory，1998，44（3）:927-946.

[5]陳發堂，夏冰.基于LDPC乘積碼的BICM-ID方案性能分析[J].電視技術，2009，33（5）:25-28.