DTMB標準性能優化兩點建議

房海東，王 謙，康 寧，潘長勇

（1.北京數字電視國家工程實驗室，北京 100191；2.清華大學 信息科學與技術國家重點實驗室，北京 100084）

具有自主知識產權的中國數字電視地面廣播傳輸系統標準——《數字電視地面廣播傳輸系統幀結構、信道編碼和調制》（DTMB）于2007年8月1日起正式實施。此國家標準為強制標準，是地面無線電視的基礎性標準。相繼于歐洲的DVB-T、美國的ATSC和日本的ISDB-T三種國際地面數字電視廣播（DTTB）標準，DTMB于2011年12月正式被國際電聯認可，成為第四個國際DTTB標準。目前，DTMB以其系統容量大、傳輸能力強、覆蓋范圍廣等優勢而迅速發展和普及。DTMB在頻譜利用率、接收門限、支持多業務、單頻網組網方面，比DVB-T，ATSC和IS?DB-T都有一定的技術優勢[1-4]。

通過近幾年的DTMB標準的應用，并對多種接收機進行了大量的數據測試，本文給出了DTMB標準的兩個性能優化方向，同時也給出了在現有DTMB標準下，接收機應解決的技術難點，相關結果為進一步優化標準或者優化DTMB標準接收機提供了重要參考。

1 DTMB系統[1]簡介

1.1 信號幀

信號幀是系統幀結構的基本單元，一個信號幀由幀頭和幀體兩部分時域信號組成。幀頭和幀體信號的基帶符號率相同（7.56 MS/s）。幀頭部分由PN序列構成。幀頭信號采用I路和Q路相同的4QAM調制。幀體部分包含36個符號的系統信息和3 744個符號的數據，共3 780 個符號。幀體長度是500 μs（3 780×1/7.56 μs）。

為適應不同應用，定義了3種可選幀頭模式以及相應的信號幀結構，詳見圖1。3種幀頭模式所對應的信號幀的幀體長度保持不變。

1.2 幀頭

1.2.1 幀頭模式1

幀頭模式1采用的PN序列為循環擴展的8階m序列，經0到+1及+1到-1的映射，變換為非歸零的二進制符號。幀頭信號（PN420），由一個前同步、一個PN255序列和一個后同步構成，前同步和后同步定義為PN255序列的循環擴展，如圖2所示。對PN420來說，幀頭信號的平均功率是幀體信號平均功率的2倍。

1.2.2 幀頭模式2

幀頭模式2采用10階最大長度偽隨機二進制序列截短而成，幀頭信號的長度為595個符號，是長度為1 023的m序列的前595個碼片。與幀頭模式1一樣，通過映射變換為非歸零的二進制符號。對PN595來說，幀頭信號的平均功率與幀體信號的平均功率相同。

1.2.3 幀頭模式3

幀頭模式3采用的PN序列定義為循環擴展的9階m序列，其定義類似于PN420，如圖3所示。同樣，對PN945來說，幀頭信號的平均功率是幀體信號平均功率的2倍。

2 兩點優化建議

2.1 PN945和PN420功率保持與幀體信號一致

在DTMB現有的標準中，對于PN420和PN945來說，幀頭信號的平均功率是幀體信號平均功率的2倍。幀頭作為保護間隔，其功率的加倍將對DTMB信號的峰均功率比有改善。對接收機而言，由于信道檢測、信道同步都是通過保護間隔完成的，因此幀頭信號功率的加倍提高了接收機檢測DTMB信號的靈敏度。隨著接收機技術的不斷成熟，這兩項優點已不再突出。

對接收機而言，保護間隔是不攜帶有效信息的。保護間隔的作用使得接收機能完成信道同步、信道估計等功能。在同一信道下，假定長度為3 780的幀體部分的接收機最小接收載噪比門限為Cmin/N=A0=10log（Ps/N0）。其中Ps為符號長度為3 780的幀體信號（500 μs）功率，N0表示長度為500 μs內的噪聲功率。

對于幀頭模式2，對于同一信道的接收機而言，用一個信號幀來分析其載噪比門限Cmin/N（595），信號幀的能量為（3 780+595）/3 780×Ps，而一個信號幀的噪聲能量為（3 780+595）/3 780×N0。對于連續的DTMB信號，幀頭模式2的Cmin/N（595）可近似為

Cmin/N（595）=10log（4 375×（Ps/N0）/4 375）=A0（1）

對于幀頭模式1，同樣用一個信號幀來分析其載噪比門限Cmin/N（420），信號幀的能量為（3 780+420×2）/3 780×Ps，而一個信號幀的噪聲能量為（3 780+420）/3 780×N0。對于連續的DTMB信號，幀頭模式1的Cmin/N（420）可近似為

同樣，對于幀頭模式3，同樣用一個信號幀來分析其載噪比門限Cmin/N（945），信號幀的能量為（3 780+945×2）/3 780×Ps，而一個信號幀的噪聲能量為（3 780+945）/3 780×N0。對于連續的DTMB信號，幀頭模式3的Cmin/N（945）可近似為

從上述理論分析看，保護間隔平均功率的增加，造成了接收機最小接收載噪比門限的增大，對接收機的接收性能有少許惡化。

在現有接收機下，無法更改幀頭的功率，因此針對同樣的糾錯編碼，同樣的星座圖調制模式，不同的保護間隔下，對不同接收機進行了大量的數據測試。測試結果表明，幀頭功率加倍的PN420的最小接收載噪比門限大于幀頭功率與幀體功率一致的PN595模式的最小接收載噪比門限，而小于幀頭功率加倍的PN945的最小接收載噪比門限。表1所示為16QAM/FEC0.8/TI720在不同幀頭模式下的C/N，表2所示為64QAM/FEC0.6/TI720在不同幀頭模式下的C/N。表3為同一接收機不同幀頭模式的多種工作模式下的接收機的最小C/N門限。

表1 不同幀頭模式16QAM/FEC0.8/TI720時，不同接收機的C/N門限

表2 不同幀頭模式64QAM/FEC0.6/TI720時，不同接收機的C/N門限

表3 不同幀頭模式的多種工作模式下同一接收機的最小C/N門限

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通過上述對比測試數據可知，PN945的載噪比C/N門限明顯大約PN420的門限，而PN420的載噪比C/N門限也明顯高于PN595。可見保護間隔平均功率的增加，造成了接收機最小接收載噪比門限的增大。對接收機的接收性能有少許惡化。

2.2 PN945和PN420幀頭模式采用全M序列的截短碼

在DTMB現有的標準中，對于PN420和PN945來說，幀頭信號均有一個M序列循環擴展而成的前同步和后同步。對有接收機而言，幀頭的前后同步不但可以很好地發揮保護間隔的作用，而且在多徑信道中，可以很好地保護主徑信號，使得信道同步和信道估計算法更簡單。隨著接收機技術的不斷成熟，這項優點亦不再突出。

而對于接收機，對于兩徑的時變信道而言，假定接收機收到的第一個信號為靜態徑，而同時也收到第二個信號徑，其強度與第一個信號徑一樣，且為時變信號，即存在強多普勒情況，此時如果兩個徑的延時相對較大，則存在難以處理的情況。圖4所示為兩個信號徑的幀頭在時域上的疊加情況。

在接收端，接收機收到的信號S（t）是兩徑信號的疊加信號。通過接收端已知PN對接收信號進行卷積運算的信道估計時，已知PN的循環擴展（前同步和后同步）會產生同樣效果的相關峰。當兩徑的信號強度相同且為時變信道，當兩徑的間隔較小時，接收機很容易估計出相對穩定的主徑，因而接收機將會對此種信道具有良好的魯棒性。但當兩徑的信號強度相同且為時變信道，當兩徑的間隔較大時，由于前同步和后同步與PN序列一樣，會產生同樣效果的相關峰，接收機在高階調制模式下（例如64QAM）將很難辨別此種時變信道。要解決此種信道，將加大接收機的設計難度，目前，已有能夠很好地解決此種信道的接收機上市。

對于PN420來說，當動態徑延時約超過（82+255）/2=168個符號時，接收機將變得較難處理，而這個時間理論上為22.2 μs。對于PN945來說，由于保護間隔本身較長，在實際應用中基本不受影響，本文未對PN945的情況進行深入研究測試。

在實驗室中，設定徑1信號為靜態徑，徑的損耗為0 dB，信號徑延時為0 μs；設定徑2信號為純多普勒徑，第二徑的多普勒固定為20 Hz，其延時為變量。測試幀頭模式為PN420的接收機，當第二徑延時較小時，基本上所有接收機都可正常工作。而隨著第二徑延時的增大，當其延時超過20 μs后，基本所有接收機都不能工作。同時，也測試了第二徑在不同延時下，不同接收機能夠處理的最大多普勒，其測試結果如表4所示，其測試模式的工作模式為PN420/64QAM/FEC0.6/TI720，測試所用頻道為12頻道（474 MHz）。從表中的測試結果看，大部分的接收機很難處理20 μs以上的時變多徑。測試結果同時也表明，已經上市的產品中，已有可以較好解決此問題的能力。

表4 不同接收機適應時變信道的能力

3 小結

本文通過理論分析，保護間隔的平均功率是幀體信號平均功率的2倍，將一定程度地弱化接收機的接收性能，而實際的測試數據也證明了這一點，故建議所有保護間隔的平均功率與幀體信號平均功率一致。以PN循環擴展作為幀頭模式的前同步和后同步，對某些特定的信道下，其魯棒性會降低，而測試數據也支持這一點。而要解決好這種特定的信道，將增加接收機的設計難度，故建議所有幀體采用全M序列的縮短碼。

現有的DTMB標準已經優于國際上其他的3種DTTB標準，加上DTMB標準在廣泛推廣，足以顯示其優越性。本文給出的兩點建議是建立在DTMB實際應用中發現的一些細小差別基礎上，使其更優的并且能較簡單實現的建議。同時在現有DTMB標準下，在接收端通過一定的算法實現，實際使用的細小差別也將會被克服，例如建議二，這也是給現有接收機的設計提出了一點要求，是接收機實際應解決的技術難點。

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[1]GB 20600—2006，Framing structure，channel coding and modula?tion for digital television terrestrial broadcasting system[S].2006.

[2]GB/T 26685—2011，地面數字電視接收機測量方法[S].2011.

[3]ATSC recommended practice:receiver performance guidelines[EB/OL].[2014-02-02].http://www.bsk.com.tw/a_74.pdf.

[4]楊知行.地面數字電視國家標準DTMB技術解讀[EB/OL].[2014-02-02].http://wenku.baidu.com/link?url=A8wNOinR3KsbkqKkjkqgSlS ?fUNGFNqCjk19B4fCoO_dZaM4V_orL7h1CeHpkp8PSPj2W 2d28bcTdviIAPAad61CxoxcZ1Ij-TxfTWEh682CC.