ATSC和DVB-T固定接收時的回波處理性能對比

徐孟俠

（北京大學(xué) 電子學(xué)系，北京 100871）

1 引言

接收機(jī)的回波處理功能是地面數(shù)字電視廣播面臨的特殊問題。它首先要區(qū)分是固定接收（室外天線、窗外天線和室內(nèi)天線）還是手持式接收或移動接收。

固定接收采用的室外天線、窗外天線或室內(nèi)天線可有較強(qiáng)的方向性（4～10 dBi）。而且室外天線的高度可達(dá)10 m以上，在農(nóng)村地區(qū)往往可以沒有阻擋而接收直達(dá)信號或繞射信號（也許會面臨穿越樹林的情況）。而窗外天線或室內(nèi)天線既可以是位于沒有阻擋的房屋，也可以是位于高樓林立的城市中心區(qū)域的住宅樓群，面臨極為復(fù)雜的回波情況；而周圍街道又會有行駛車輛的火花干擾。此外，在住房的室內(nèi)接收還有室內(nèi)回波和電風(fēng)扇轉(zhuǎn)動葉片的特殊回波，以及家用電器（攪拌機(jī)、吹風(fēng)機(jī)和冰箱）的火花干擾。而手持式接收或移動接收一般則采用無方向性天線。

此外，回波可劃分為“滯后”回波（post-echo）和“超前”回波 （pre-echo）；這是針對接收機(jī)鎖定的主信號（main signal）而言的（見圖 1）。但滯后回波或超前回波的強(qiáng)度經(jīng)常出現(xiàn)與主信號相等的情況，即所謂“0 dB回波”問題。這在大城市中心、樓群密集地區(qū)的固定接收特殊情況下，也會出現(xiàn)：沒有直達(dá)信號，而把某個強(qiáng)回波信號當(dāng)成主信號，但另一個強(qiáng)回波就可能構(gòu)成0 dB回波（滯后或超前）。

筆者簡要介紹ATSC[1]和DVB-T[2]的接收機(jī)在固定接收時的回波性能曾進(jìn)行過的幾次對比測試結(jié)果；而且，只討論固定接收回波處理的性能，而不涉及其技術(shù)。因為，后者的公開論文較少，而更多是實現(xiàn)技術(shù)秘密（know-how）。

2 ATSC接收機(jī)1999年的回波處理性能

ATSC數(shù)據(jù)幀分為2個數(shù)據(jù)場（#1和 #2）；數(shù)據(jù)場的第一個數(shù)據(jù)段（segmet）是數(shù)據(jù)場同步；而數(shù)據(jù)段的頭部都是相同的數(shù)據(jù)段同步，見圖2。

數(shù)據(jù)場同步#1的結(jié)構(gòu)見圖 3，其中有一個511位PN碼（PN 511）和 3個相同的63位PN碼（PN 63）順序排列。而數(shù)據(jù)場同步 #2僅把數(shù)據(jù)場同步 #1中3個PN 63中間那個的“0”和“1”相互倒置而得。

因此，除了數(shù)據(jù)段（周期 77.3 μs）的同步碼“1001”以外，還有PN 511和3個PN 63等時間域的已知信息（周期24.2 ms），在接收機(jī)中可用于時間域的回波處理。這些時間域已知信息的位總數(shù)為：4+511+3×63=704位；而其合計的時間為 77.3×（704/832） μs=65.4 μs，周期為24.2 ms，而 65.4/24 200 約 1/370。

美國Zenith公司小組（8-VSB方案提出者）成員Tim Laud在2000年1月美國消費電子展CES的報告中對比了ATSC和DVB-T回波處理性能，見圖 4。

圖4 ATSC和DVB-T的工作門限值和回波電平對比（美國2000年1月）

把圖4的結(jié)果同澳大利亞通信實驗室1998年4月的 “DVB-T和ATSC的澳大利亞7 MHz實驗室測試結(jié)果”（圖5）對比可知，其趨勢大致相似。再把它同巴西Mackenzie大學(xué)小組（與政府部門ABERT/SET合作）2000年3月的實驗室測試結(jié)果（圖6～9）對比可知，其趨勢也大致相似。

圖8 DVB-T 3種芯片的E/D值與回波時延（含滯后和超前）的關(guān)系（巴西2000年3月）

圖9 DVB-T Chip M的門限值和滯后回波時延（巴西2000年3月）

值得注意的是，在圖5中：1）當(dāng)回波幅度與主信號相比較弱時（20dB衰減量），ATSC樣機(jī)的門限值約15.3 dB，與DVB-T維持約4dB的優(yōu)勢；而這個4dB優(yōu)勢同美國、澳大利亞、巴西進(jìn)行過的ATSC和DVB-T大功率發(fā)射現(xiàn)場測試之固定接收對比結(jié)果 （平均有4 dB的差距，本文略）基本一致。2）當(dāng)回波衰減量由20dB減小到6dB時（圖5中由右向左），這個4dB差距基本不變。3）當(dāng)ATSC樣機(jī)在回波衰減量繼續(xù)減小到4 dB或更小時，其性能迅速惡化，以致不能工作（圖4和圖6～9都有類似情況）。

DVB-T接收機(jī)在圖5的性能是：門限值從右邊的約19.5 dB上升到左邊的37.0 dB或 40.0 dB；以上升約17.5 dB或20.5 dB的代價，可繼續(xù)正常接收。

3 DVB-T接收機(jī)在固定接收時的回波處理可不依賴于保護(hù)間隔

DVB-T采用OFDM多載波系統(tǒng)的理論優(yōu)勢是，可以利用保護(hù)間隔而簡潔處理回波；代價是有效比特率稍有下降。

但從圖8和圖9可以看出：Chip M有兩方面的突出性能：1）處理32 μs的滯后回波時，門限值由約17.6 dB上升到約18.8 dB，僅增加約1.2 dB，顯著小于圖 5的結(jié)果。2）特別是，可處理正負(fù)時延約76 μs的滯后或超前回波（8 k模式；保護(hù)間隔為1/16）；或可處理正負(fù)時延約43 μs的滯后或超前回波（8k模式；保護(hù)間隔為 1/32）。圖中，E表示回波；D表示直達(dá)信號。圖 6未給出76 μs或43 μs時門限值上升的結(jié)果。

但是，從DVB-T標(biāo)準(zhǔn)[2]附錄E的表E.3可知，在8k模式中，保護(hù)間隔1/16的絕對時間為74.667 μs，而保護(hù)間隔1/32的絕對時間為37.333 μs。這兩者分別都小于Chip M 實際可處理的 76 μs或 43 μs。

這就是說，提供Chip M芯片的公司在1999年已掌握“不依賴于保護(hù)間隔”的回波處理技術(shù)。估計其技術(shù)是：在接收機(jī)中把頻率域信號經(jīng)過DFT運算還原為時間域信號后，從所獲得的已知信息（由PN碼的片斷組成，下面說明）對回波進(jìn)行時間域處理，獲得良好結(jié)果。這種時間域處理同第2節(jié)分析的ATSC可利用已知信息 （主要由幾個順序的PN碼組成），在接收機(jī)中實現(xiàn)對回波的處理，在原理上是相似的。

DVB-T標(biāo)準(zhǔn)[2]共有3類PN碼：

1） 分散導(dǎo)頻單元（scattered pilot cells）（圖 10）：除子載波兩端K下標(biāo)為0的子載波和K下標(biāo)為1 704（2k模式）或6 816（8k模式）的子載波以外，在每個數(shù)據(jù)符號（symbol，編號從 0～67，總共 68 個）內(nèi)，每 12 個子載波有 1個留給分散導(dǎo)頻單元；而從縱方向的時間域來看：在2個相繼的符號（例如符號的編號從0～1）中，分散導(dǎo)頻的子載波編號“加3”（圖7的黑點位置向右方移動3位）。而在這些設(shè)定位置（圖10的黑點），插入已知的PN碼。

圖10 DVB-T的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

對于2k模式而言，插入的PN碼的位數(shù)是：1 704/12=142 位，然后再“加 1”或“加 2”（考慮符號兩端）。而對于8k模式而言，插入的PN碼的位數(shù)是6 816/12=568位，然后再“加 1”或“加 2”（也考慮符號兩端）。

2） 連續(xù)導(dǎo)頻（continual pilots）：2k模式有45個固定位置的子載波，插入已知的PN碼；而8k模式則有177個固定位置的子載波，插入已知的PN碼。

3）此外，還有傳輸參數(shù)信令（TPS）導(dǎo)頻：在每個符號內(nèi)，2k模式有17個固定位置的子載波，插入已知的PN碼；而8k模式則有68個固定位置的子載波，插入已知的PN碼。

把DVB-T數(shù)據(jù)幀內(nèi)上述可在時間域利用的PN碼位數(shù)之分析，整理成表1。

把表 1的DVB-T結(jié)果同第2節(jié)ATSC結(jié)果對比，盡管后者有704位，大約是205位的3.43倍（2k模式），或者稍低于 814 位（8k 模式）；但其周期 24.2 ms，則是 308 μs

表1 DVB-T每個符號內(nèi)可在時間域利用的已知信息（由PN碼片斷組成）之位數(shù)（6 MHz帶寬；GI=1/32）

這就是說，DVB-T接收機(jī)與ATSC相比，具有更為充裕的處理時間，來利用時間域已知信息（由PN碼片斷組成）在固定接收時實現(xiàn)回波處理。

當(dāng)然，這并不是說，DVB-T的接收機(jī)不能利用保護(hù)間隔簡潔地實現(xiàn)“0 dB回波處理”。

在了解到DVB-T解調(diào)芯片“可利用時間域已知信息（由PN碼的片斷組成）進(jìn)行固定接收的回波處理”，可不依賴于保護(hù)間隔，就不難理解DVB-T2[3]可把保護(hù)間隔由DVB-T[2]的1/32擴(kuò)展到1/128，以增加約2.34%的有效比特率（1/32-1/128=3/128=0.0234）。

4 ATSC接收機(jī)樣機(jī)2003年秋的回波處理性能

美國LINX公司在2003年秋向筆者通報了由第三方進(jìn)行的ATSC與DVB-T接收機(jī)對比測試結(jié)果。對比的技術(shù)參數(shù)見表2；而多種模型回波 （其參數(shù)需查其他資料）的測試結(jié)果則見表3。

表2 ATSC和DVB-T接收機(jī)對比所采用的技術(shù)參數(shù)

表3 ATSC和DVB-T多種回波模型的對比測試結(jié)果

1）ATSC接收機(jī)樣機(jī)與DVB-T接收機(jī)相比，其多種回波模型的實驗室測試門限值要低2.5～4.0 dB；單載波系統(tǒng)的優(yōu)勢鮮明。

2）值得特別提出的是：由于充分利用回波的能量，7類模型中有4類的門限值有所降低 （同無回波的校正值相比，最多降低3.9 dB；而單個0 dB回波理論上最多可降低3.0 dB）。此外，ATSC和DVB-T兩者具有完全類似的測試結(jié)果；兩者可能采用了原理相同的技術(shù)。

把表3的結(jié)果同圖 5～9的結(jié)果對比可知：7類回波模型中有3類的門限值上升，但幅度一般較小 （巴西E例外）；而有4類則下降（充分利用回波的能量；圖 5和圖 6～9都是上升）。

上述測試結(jié)果表明：從1999～2003年約4年時間里，ATSC和DVB-T接收機(jī)的回波處理性能都有顯著提高。但ATSC（單載波）的門限值低于DVB-T（多載波）（2.5～4.0 dB），再一次被實驗室測試證實。

5 對中國地面數(shù)字電視廣播傳輸標(biāo)準(zhǔn)的分析

中國地面數(shù)字電視傳輸標(biāo)準(zhǔn)[4]（簡稱“地面國標(biāo)”，CTTB）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)過短，頭部開銷過大，不利于固定接收主流業(yè)務(wù)[5]：只有 420/3 780=1/9，595/3 780，945/3 780=1/4這3種，沒有頭部開銷極小的可選項：類似ATSC的4/828=1/207，或 DVB-T 的 1/32，或 DVB-T2 的 1/128。

CTTB是以DMB-T/TDS-OFDM多載波方案為基礎(chǔ)，與ADTB-T/OQAM單載波方案融合而得的。但DMBT/TDS-OFDM方案的一公開論文[6]曾刊載過1/30和1/20的保護(hù)間隔可選項；但在其后續(xù)的論文中則已被刪除。而DVB-T[2]的1/32可選項在英國、法國、意大利和波蘭等歐洲各國的高比特率固定接收業(yè)務(wù)都有大量實際應(yīng)用[7]。

因此，本人認(rèn)為，DMB-T方案的回波處理技術(shù)可能完全依賴于保護(hù)間隔，沒有利用PN420（420位的PN碼，周期 555.56 μs）或 PN945（945 位的 PN 碼，周期 625 μs）在時間域的回波處理技術(shù)。該方案過度考慮了移動電視和手機(jī)電視業(yè)務(wù)，而CTTB應(yīng)當(dāng)把高比特率固定接收[8]作為主流業(yè)務(wù)[9]。

上述ATSC，DVB-T和CTTB的討論結(jié)果可整理成表4。

表4 不同標(biāo)準(zhǔn)回波處理的對比

從上述討論可看出：CTTB解調(diào)芯片的設(shè)計者可開發(fā)類似ATSC的技術(shù)，利用已知的PN碼信息，在時間域進(jìn)行回波處理。

如果借鑒ATSC或DVB-T的經(jīng)驗，那么CTTB標(biāo)準(zhǔn)可增加類似ATSC的4/828=1/207或DVB-T2的1/128可選項，以增加固定接收時的有效比特率10%～15%[5]。

6 簡短小結(jié)

地面數(shù)字電視廣播傳輸標(biāo)準(zhǔn)（CTTB）中C=3 780可選項的回波處理技術(shù)，可依賴于保護(hù)間隔，但也可不依賴于保護(hù)間隔：即充分利用已知PN碼信息（PN420，PN595，PN945），在時間域進(jìn)行回波處理而獲得良好性能。C=1屬單載波系統(tǒng)，原來就是時間域處理，無須特別提出。

2）建議地面國標(biāo)（CTTB）及時進(jìn)行修訂，增加類似ATSC的 4/828=1/207（或 DVB-T2的1/128）的可選項，以提高高比特率固定接收時的有效比特率。

致謝：筆者感謝陳志葛、夏勁松、趙季偉和管云峰等專家對本文初稿提出的寶貴意見。

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[1]Advanced Television Systems Committee.ATSC Standard:Digital Television Standard（A/53）， Revision D,Including Amendment No.1[EB/OL].[2009-08-26].http://www.pensacolatvrepair.com/Docs/Supporting/atscStandardVer_D.pdf.

[2]ETSI.EN 300 744 V 1.2.1，Digital Video Broadcasting （DVB）:Framing structure,channel coding and modulation for digital terrestrial television[S].1999.

[3]ETSI.EN300755，DigitalVideoBroadcasting （DVB）:Framingstructure，channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television[S].2008.

[4]GB 20600—2006，數(shù)字電視地面廣播傳輸系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)、信道編碼和調(diào)制[S].2006.

[5]徐孟俠.評中國地面數(shù)字電視廣播傳輸標(biāo)準(zhǔn)[J].電視技術(shù)，2009，33（1）：9-12.

[6]楊知行，楊林，門愛東，等.地面數(shù)字多媒體國標(biāo)傳輸協(xié)議[J].世界廣播電視，2000（12）：22.

[7]徐孟俠.DVB-T標(biāo)準(zhǔn)的工程實現(xiàn)組合介紹與啟示[J].電視技術(shù)，2007，31（4）：8-9.

[8]徐孟俠.DVB-T工程實現(xiàn)中的高/中比特率固定接收[J].電視技術(shù)，2007，31（6）：4-7.

[9]徐孟俠.中國地面數(shù)字電視廣播需要分清主次[J].世界廣播電視，2008（3）：56-58.