地面數(shù)字電視單載波系統(tǒng)如何實現(xiàn)移動接收-技術(shù)方案

精品文檔-下載后可編輯地面數(shù)字電視單載波系統(tǒng)如何實現(xiàn)移動接收-技術(shù)方案【摘要】結(jié)合2022年春的私人討論，介紹了單載波系統(tǒng)實現(xiàn)移動電視接收的關(guān)鍵技術(shù)：考慮非的主觀判據(jù)，在系統(tǒng)設(shè)計中縮小數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；在解調(diào)器中，采用過采樣相位跟蹤技術(shù)，合理利用回波或多徑信號的能量，并采用非線性處理替代線性處理；對現(xiàn)場測試中實驗方法的建議。這些技術(shù)的綜合應(yīng)用，不僅在原理上解決了采用單載波系統(tǒng)實現(xiàn)移動電視接收的國際難題，還解決了用單載波技術(shù)組建單頻網(wǎng)以及固定接收中單載波與多載波如何處置復(fù)雜的動態(tài)回波的難題。

1背景簡介

地面數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)分為單載波（SingleCarrier，SC）和多載波（Multi-carrier，MC）兩大類技術(shù)。前者以美國ATSC標(biāo)準(zhǔn)為代表，后者以歐洲D(zhuǎn)VB-T標(biāo)準(zhǔn)為代表。

在地面數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)中，接收端解調(diào)器中的信號處理部分是關(guān)鍵。

地面數(shù)字電視系統(tǒng)發(fā)送端的視音頻編碼技術(shù)比接收端解碼技術(shù)要復(fù)雜，目的是要提高解碼質(zhì)量或降低所占用的有效比特率；而接收端的解調(diào)技術(shù)則比發(fā)送端的調(diào)制技術(shù)復(fù)雜得多，因為它要面臨惡劣的空中傳輸環(huán)境。

此外，在發(fā)送端系統(tǒng)中除了有較強(qiáng)的糾錯編碼以外，還要增加各類同步碼，以方便接收端迅速捕獲信號，并保持對所需信號的可靠接收。

固定接收遇到的惡劣的空中傳輸環(huán)境有：大氣的湍流、漂浮物（霧狀細(xì)水滴或沙塵）及云雨雷電，大風(fēng)造成的樹葉樹枝晃動（電波的反射或穿越），城鎮(zhèn)樓群密集的電波阻擋和反射（形成回波，即多徑），江河湖海的水面波浪反射，各種電氣火花（電動火車、汽車、拖拉機(jī)、霓虹燈、家用電器）的寬譜噪聲干擾，室內(nèi)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)葉片或飛機(jī)螺旋槳的反射，大風(fēng)引起發(fā)射天線所在的高樓或大鐵塔的晃動等。

因此，地面數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)的整體設(shè)計，首先要為接收端的關(guān)鍵技術(shù)服務(wù)。美國ATSC、歐洲D(zhuǎn)VB-T、日本ISDB-T和中國的地面國標(biāo)（GB20600-2022）的制定都是這樣。

地面數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)解調(diào)器的框圖見圖1。其中，天線系統(tǒng)需要區(qū)分固定接收和移動接收。前者可采用方向性天線（4~10dBi），特別是窗外天線或屋頂天線；而后者一般則采用無方向性天線。中間的3部分（調(diào)諧器、信號處理和信道解碼）中，實現(xiàn)解調(diào)器的同步、信道估計和均衡的信號處理部分是關(guān)鍵。而控制器內(nèi)的數(shù)字信號與模擬信號“交叉”的自動增益控制（AGC）、自動頻率控制（AFC）和A/D變換也非常重要。此外，中間3部分是相互密切關(guān)聯(lián)的，而非簡單級聯(lián)；3部分由控制器統(tǒng)一協(xié)調(diào)。

圖1地面數(shù)字電視系統(tǒng)解調(diào)器框圖

但以上這些關(guān)鍵內(nèi)容難以從地面數(shù)字電視傳輸標(biāo)準(zhǔn)的文本中直接看出。而隨著集成電路性能的逐年提高，這些關(guān)鍵部分的算法就成為傳輸標(biāo)準(zhǔn)確定后各高科技公司不斷進(jìn)行開發(fā)而競爭的主要內(nèi)容，并由此帶動全系統(tǒng)的性能價格比逐年提高，使消費者不斷受益。

吳奕彥等曾在文獻(xiàn)[4]中指出過ATSC的優(yōu)點以及不能實現(xiàn)移動電視接收和組建單頻網(wǎng)（SFN）的不足。而DVB-T的推薦者一直宣傳“單載波系統(tǒng)不能實現(xiàn)移動電視接收”。這對中國學(xué)術(shù)界和廣電運營商也帶來一定影響。“單載波系統(tǒng)實現(xiàn)移動電視接收和組建單頻網(wǎng)（SFN）”成為國際難題。

實際上，ATSC本來就是為固定接收業(yè)務(wù)設(shè)計的，而DVB-T也是這樣。

在歐洲D(zhuǎn)VB組織多年擔(dān)任技術(shù)部主任的UlrichReimers（德國Braunschweig工業(yè)大學(xué)通信研究所主任）主編的數(shù)字電視廣播教科書[5]中，對DVB-T標(biāo)準(zhǔn)寫道：

“該系統(tǒng)應(yīng)該能夠為采用屋頂天線的固定接收提供的覆蓋范圍。希望能夠支持便攜式接收機(jī)的固定接收；而移動接收則不是制訂標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)?！钡獶VB-T由于采用了OFDM技術(shù)，可實現(xiàn)移動電視接收。這樣，在1999年巴西對3種標(biāo)準(zhǔn)（美、歐、日）的測試中，巴西強(qiáng)調(diào)移動電視性能，從而舍棄了ATSC，并終采納了日本ISDB-T標(biāo)準(zhǔn)，并于2022年12月啟動業(yè)務(wù)。

DVB-T移動電視業(yè)務(wù)是2000年首先在新加坡實現(xiàn)的，而不是在歐洲本土；2022年夏又在我國上海實現(xiàn)，并隨即在我國一批城市中采用，其進(jìn)展和規(guī)模大大超過歐洲！當(dāng)時，正在研究制定中的具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的兩套方案——ADTB-T/OQAM系統(tǒng)（屬單載波）和DMBT/TDS-OFDM系統(tǒng)（屬多載波）都面臨DVB-T的挑戰(zhàn)，尤其是前者是否能實現(xiàn)移動電視接收！

2022年12月，上海交大小組與上海東方明珠集團(tuán)合作（單個發(fā)射點），在上海演示ADTB-T/OQAM系統(tǒng)的720pHDTV移動接收：從浦東到浦西市區(qū)的主要街道總行駛距離約58km、持續(xù)一個半小時余的深夜行程中，除過江隧道外，圖像顯示“中斷”較少。獲得觀看演示的ATSC主席RobertGraves先生等國外和香港ATV/TVB的好*。2022年元月，該小組又在上海實現(xiàn)該單載波系統(tǒng)2個發(fā)射點組建SFN。

ADTB-T/OQAM系統(tǒng)的現(xiàn)場演示說明：單載波系統(tǒng)實現(xiàn)移動電視接收和組建單頻網(wǎng)的國際難題在技術(shù)上已經(jīng)解決；僅需在中國地面國標(biāo)的制定和產(chǎn)業(yè)化過程中應(yīng)用之、完善之。

2對移動電視接收的初步分析

對于移動電視接收而言，典型的惡劣空中環(huán)境的例子是：在上海東方明珠大塔發(fā)射數(shù)字電視信號，而在市中心的淮海路（東西走向，長度超過10km；位于發(fā)射塔的西偏南方向）高速行駛（深夜車速達(dá)120km/h）的面包車上進(jìn)行接收（測試采用“十”字形接收天線）。其特點除第1節(jié)已提及的以外，還有：

1）由于高樓林立的遮擋，絕大部分時間內(nèi)接收不到直達(dá)信號，而主要靠回波（多徑）信號；2）一般公交汽車的無方向性接收天線的高度不足3m（小轎車的不足2m），與農(nóng)村家庭可使用高度10m、方向性強(qiáng)（10dBi）的屋頂天線相比，對場強(qiáng)的要求有巨大差別（15dB）；3）周圍內(nèi)燃車輛的火花干擾在車輛啟動時（紅綠燈變換）尤為明顯，容易造成接收“中斷”；4）車輛在道路邊緣行駛或?？繒r，由于樓房和樹木的遮擋，信號顯著變?nèi)酰ㄏ陆?0dB或更多），也容易造成接收“中斷”；5）夜間則還有滿街的霓虹燈；等等。

圖2說明：在行駛中的車輛可能接收到的來自不同高樓的回波或多徑（兩者在理論上是等效的），而直達(dá)信號也可以看成是其中之一。其中E1和E4將有正的多普勒效應(yīng)：解調(diào)器接收到的載波頻率上升！而E3和E5則將有負(fù)的多普勒效應(yīng)：解調(diào)器接收到的載波頻率下降！而E2是正在由正的效應(yīng)向負(fù)的轉(zhuǎn)變之中。

圖2行駛中的車輛可能接收到的回波

還可看出：采用無方向性天線接收時，接收到的信號有3類：1）主信號：解調(diào)器時鐘所鎖定的、在時間域的強(qiáng)信號；2）超前回波：其信號在主信號之前到達(dá)，時間延遲為負(fù)值；3）滯后回波：其信號在主信號之后到達(dá)，時間延遲為正值（其幅度可能與主信號相等，稱為“0dB回波”）。

這3類信號的幅度和相位都在隨時間變化（多普勒效應(yīng)相當(dāng)相位變化）。

舍棄超前回波或滯后回波的兩類之一，或者采用正前方稍有方向性的天線（如3dBi），由于各類回波的時延和相位都具有隨機(jī)性，看來都不可?。H鐵路移動電視ADTB-R系統(tǒng)為例外：SFN的發(fā)射點“沿線”布設(shè)，火車則“沿線”行駛，因而可采用“8”字形輻射圖案的發(fā)射天線和接收天線。

假設(shè)車輛時速為400km/h（中國高架鐵路），并有超前回波和滯后回波，則適應(yīng)多普勒效應(yīng)的解調(diào)器載波頻率偏移需滿足:

式中：300000km/s為無線電波傳輸速度。

地面國標(biāo)C=1的“雙導(dǎo)頻”可選項可用于解調(diào)器對接收信號的載波頻率自動跟蹤。對于地面國標(biāo)C=1的“雙導(dǎo)頻”可選項[3]而言，兩個導(dǎo)頻信號的頻率差值是7.56MHz；它就是兩者由非線性電路生成的拍頻（beat）之頻率值。而由移動接收速度400km/h的多普勒效應(yīng)引起的拍頻頻偏等于：±3.704×10-7×7.56MHz=2.80Hz。此拍頻信號的數(shù)值大（頻偏?。纫泊螅ū绕骄β矢?dB）。因此，可設(shè)計某種高Q值單頻率信號檢測器，來檢測此拍頻信號，并通過AFC高效、快速完成頻率跟蹤。

從圖2還可看出：5個回波中的任何1個或者幾個，都可看成是SFN的發(fā)射點的直達(dá)信號（或其反射信號）。

因此，如果在解調(diào)器的信號處理關(guān)鍵技術(shù)中解決了處置回波的技術(shù)難題，也同時解決了單載波系統(tǒng)組建SFN的技術(shù)難題。

與此同時，還可推論：固定接收也可開發(fā)類似技術(shù)來處置動態(tài)回波。后者的例是：在展覽會的展臺上演示無方向性天線發(fā)射地面數(shù)字電視信號，而采用無方向性天線接收。由于會場內(nèi)觀眾時多時少（衣著的電波吸收不同）和隨機(jī)挪動，加上建筑物鐵架復(fù)雜和多類平面墻體、廣告牌等的反射，接收到的回波信號復(fù)雜并隨機(jī)變動。后者的另一例是：在高樓密集的市區(qū)進(jìn)行室內(nèi)或窗外的固定接收：當(dāng)缺乏直達(dá)信號而依賴于回波信號進(jìn)行固定接收時，由于市區(qū)車輛繁忙，其動態(tài)回波所造成的接收信號也是隨機(jī)變動的。

以上的討論主要針對固定發(fā)射－移動接收方式的應(yīng)用，它同樣適用于移動發(fā)射－固定接收和移動發(fā)射－移動接收等應(yīng)用。

，移動電視接收中往往難以避免地會出現(xiàn)接收“中斷”（drop-out）。因此，需要關(guān)注：解調(diào)器如何在接收中斷后迅速實現(xiàn)載波（頻率）恢復(fù)和時鐘恢復(fù)（即相位的跟蹤和同步捕獲），然后恢復(fù)正常顯示活動圖像（略去對伴音的討論）。本節(jié)已用地面國標(biāo)C=1的“雙導(dǎo)頻”為例，說明解調(diào)器的載波頻率自動跟蹤技術(shù)；而相位跟蹤問題則將在第5節(jié)討論。

3單載波實現(xiàn)移動電視接收原理

從原理來看，以DVB-T為代表的多載波技術(shù)利用OFDM的保護(hù)間隔原理，處理回波極為簡潔（圖1的信號處理部分）。而DVB-T的不足之處是：發(fā)送端的3類導(dǎo)頻信號過多占用“子載波”，導(dǎo)致頻譜利用率下降。而地面國標(biāo)C=3780把PN420或PN945放在“保護(hù)間隔”，提高了頻譜利用率，但它卻變成一個單載波/多載波的混合系統(tǒng)，同時帶來一些不利因素。

而單載波系統(tǒng)與多載波系統(tǒng)相比在原理上是等效的。多載波系統(tǒng)能夠利用DFT簡潔解決回波問題，單載波系統(tǒng)則可望通過幾百條并行的算法（通過拼“算法”）來解決。在主信號和數(shù)量不多（如不多于2個）的強(qiáng)回波信號（都屬時間域信號）的條件下，在集成電路處理性能逐年提高的情況下，破解此國際難題是可能的。

4考慮非主觀判據(jù)并合理縮小數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

在公交車輛（或小轎車）中坐著或站立著觀看移動電視的觀眾，其觀看條件是：屏幕尺寸較?。ú淮笥?4in）、周圍聲音嘈雜、車輛顛簸震動等。這種注意力容易分散的觀看條件同家庭內(nèi)的固定接收顯然不同。

據(jù)此，本文提出移動接收的非主觀判據(jù)，允許“圖像凍結(jié)1個圖像幀時間（40ms）”，來替代固定接收的判據(jù)。后者如美國ATSC的判據(jù)：剛剛沒有覺察任何圖像損傷的臨界情況，相當(dāng)于BER=3×10-6。

為保證移動電視接收在出現(xiàn)中斷后能迅速恢復(fù)正常，需在系統(tǒng)設(shè)計中縮小數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。本文建議的合理數(shù)據(jù)幀時間約4ms，是針對圖像幀時間40ms（幀頻25Hz）提出的。ATSC和DVB-T的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都偏大（表1）。

表1各種方案的數(shù)據(jù)幀時間

這是考慮：1）當(dāng)解調(diào)器（圖1）出現(xiàn)未能糾正的誤碼時，允許顯示圖像“凍結(jié)”，持續(xù)40ms（圖像顯示電路重復(fù)上一圖像幀）。這樣，在接收中斷時，不會出現(xiàn)一般觀眾容易覺察的“馬賽克”等圖像損傷或“黑屏”。2）這個數(shù)值不能太小（數(shù)據(jù)幀的頭部信息開銷過大），以避免有效比特率降低過多。3）它又不能太大，要保證在40ms內(nèi)，解調(diào)器有足夠時間對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行多次反復(fù)的信號處理。因為，在40ms的這段時間內(nèi)，數(shù)據(jù)幀同步信號將出現(xiàn)9次，如果用3次即完成同步捕獲，余下的時間（28ms）都可留給信道估計和均衡（圖1信號處理）。

可對比的是：ATSC如果也用3次完成數(shù)據(jù)幀的同步捕獲，共需48.4×3=145.2ms；它是圖像幀時間33.33ms的4.36倍。再考慮信道估計和均衡所需時間，例如，總共需要0.3~0.4s。這對于固定接收是可以接受的；因為接收中斷極偶然發(fā)生。但對于經(jīng)常發(fā)生中斷的移動接收，圖像若凍結(jié)10幀（持續(xù)0.3s），觀眾容易覺察（DVB-T超幀時間更大，情況更為嚴(yán)重）。

地面國標(biāo)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)則過短[9]。C=3780采用的PN420和PN945數(shù)據(jù)幀頭部的信號幅度還要加3dB，有利于室內(nèi)的便攜式接收。但這卻增大了符號間干擾（ISI）給圖1的信號處理關(guān)鍵部分（信道估計和均衡）增加了難度，顧此失彼。

5過采樣相位跟蹤

解調(diào)器接收到的回波信號的相位是隨機(jī)的。以ATSC每48.4/2=24.2ms（表1）出現(xiàn)1次的數(shù)據(jù)場同步PN511為例，進(jìn)行討論。ATSC的PN63或地面國標(biāo)的PN420，PN595，PN945等都有類似情況。

主信號PN511碼由于高速（如400km/h）移動，多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的相位偏差并不嚴(yán)重（1bit或BPSK調(diào)1個符號的相位變動相當(dāng)于2π）

但家用接收機(jī)的廉價晶體振蕩器的頻率與額定頻率相比，一般可有±10-4的偏差！如果直接考慮PN511位碼的符合電路，這個容許的偏差相當(dāng)于：

而±0.05bit代表相位差為±π/10，即相位有所錯開。

這樣，接收信號的PN511和解調(diào)器的PN511兩個序列的相位差從511位碼的第1位為0，逐個比特位增大；到256位時，為π/20；到511位碼的末位左右時，則為π/10左右（相位差18°）。符合電路的整體效率顯著下降（誤碼還未糾正）。

為此，1）建議取511碼的部分序列（partialsequence）。

盡量使進(jìn)入符合電路的兩對部分序列之相位差不超出±π/80的范圍。換言之，要提高符合電路的相位分辨率。

2）過采樣：解調(diào)器采用高速處理電路進(jìn)行并行處理，即其時鐘設(shè)計為有效帶寬的16倍或更高。據(jù)悉，ADTB-T/OQAM系統(tǒng)[7]的解調(diào)器芯片處理時鐘，是有效帶寬的16倍，即7.14×16=114.24MHz。這就是說：在解調(diào)器中至少可有16套并行的電路，其相位差是2π/16=π/8。

2022年夏勁松關(guān)于ATSC接收機(jī)的兩篇論文[10-11]就是這方面的研究成果：把PN511拆成6組63位的“部分序列”，采用一系列相位錯開的并行電路，可獲得有效結(jié)果。

6合理利用回波信號的能量

主信號和單個0dB回波的能量疊加，可有3dB的增益。無信號或信號過弱，則無法實現(xiàn)接收。但有多個回波而門限值上升或接收失敗，則可判斷解調(diào)器算法有待改進(jìn)。要考慮到：把回波當(dāng)作可利用的能量，而不當(dāng)作干擾去抑制。

以主信號和單個0dB回波（其幅度與主信號相等）的簡單例子而言，如果能夠把這兩個信號的能量相加，應(yīng)該獲得3dB增益（門限值可望下降3dB），其必要條件是：兩者的相位必須相同。

2022年秋美國LINX公司通報其ATSC與DVB-T接收機(jī)樣機(jī)由第三方進(jìn)行的固定接收測試結(jié)果[8]（參見表2），可見：7種回波模型中，ATSC樣機(jī)“徹底翻身”。而DVB-T的門限值性能也顯著改善。其中，7種回波模型中有4種模型的門限值與沒有回波時相比，下降2.*.0dB（證實：合理利用回波能量的思考是有效的）。此外，其余3種巴西模型中的A稍有上升，B上升1.4dB，E則上升5~6dB（這些比起原來的結(jié)果有所改善，但都有待改進(jìn)）。

表2ATSC和DVB-T樣機(jī)的多種回波模型固定接收對比測試結(jié)果

移動電視系統(tǒng)的同步碼常用BPSK調(diào)制，而其負(fù)荷（payload；有效信息部分）則常用QPSK（或4-QAM）調(diào)制。

下面以此出發(fā)進(jìn)行討論。

如果接收到的強(qiáng)信號有1~3個（包括主信號和回波），其幅度差值不超過3dB。那么，可只對這幾個強(qiáng)信號作處理，而舍棄其余弱信號和噪聲。方法是在中頻或基帶輸出的8或10位A/D變換輸出中，只取其有效位（msb）的前2位，而舍棄其余位，即舍棄小于-3dB的所有信號，把它們置“0”。這樣可顯著提高運算的效率和速度（8位A/D只需處理其高2位，處理能力至少是4倍關(guān)系，大量運算弱信號和噪聲并無意義）。

7采用非線性處理替代線性處理

信道自適應(yīng)均衡器一般采用線線性濾波器進(jìn)行處理，追求某種值：均方值（LMS）或均方誤差（MMSE）。ATSC標(biāo)準(zhǔn)文件介紹接收機(jī)自適應(yīng)均衡器時采用LMS，并提出2個級聯(lián)的部分：1）64抽頭（tap）的“前饋橫向濾波器”；2）192抽頭的“判決反饋濾波器”。這2類濾波器顯然都是線性濾波器。而為了縮短運算時間，可考慮：1）把浮點運算改為整數(shù)運算；2）把線性濾波器改為非線性濾波器。

所謂“追求某種值”，就是通過自適應(yīng)的算法，多次自動修改參數(shù)而“收斂”到某種值。而收斂過程是一個多次運算的過程。如果針對某種回波模型，參照線性濾波器的設(shè)計而找到某種非線性濾波器的近似解答，運算次數(shù)有可能減少，如減少為原來的1/2甚至1/4。

綜合以上討論，可得下面的表3。其中第1項容易做到。第2項結(jié)合“部分序列”概念和并行運算，可提高相位分辨率（加快同步捕獲；如相位分辨率達(dá)到π/16以上）。

表3解調(diào)器處理速度的提高

第3項僅處理主要能量的信號，不僅減少處理的位數(shù)，還可望提高整體處理效率。第4項則是用較少的運算達(dá)到相似的結(jié)果。而從綜合第3，4項的數(shù)值可看出：處理的速度將是原來的8倍甚至20倍。

把以上幾方面的技術(shù)措施綜合應(yīng)用，就可創(chuàng)建單