地面数字电视传输技术-在线教程一(目录1-7)

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地面数字电视传输技术
Terrestrial Digital Television Broadcasting Transmission
Technology
白皮书

清华大学数字电视传输技术研发中心
2004 年8 月

前 言
在经历了机械电视时代、黑白电子电视和彩色电视时代以后，电视正向着高
清晰度电视和数字化方向前进，模拟电视在全世界范围内正在逐步引退。经过多
年坚持不懈的研究和发展，地面数字电视广播取得了很多的成果，世界上已经提
出了三个地面数字电视广播标准：欧洲的DVB-T、美国的ATSC 和日本的ISDB-T，
许多国家和地区都在选择和制定自己的地面数字电视广播标准。但随着技术的发
展和研究的不断深入，人们在移动接收、频谱效率、单频网、干扰、系统的灵活
性等方面有了更深刻的认识和理解。
在此背景下，清华大学提出了一种新颖的、适合我国国情的地面数字电视方
案，和美国、欧洲的地面标准相对应，称为地面数字多媒体电视广播（DMB-T：
Terrestrial Digital Multimedia/TV Broadcasting）协议。DMB-T 的核心采用
了mQAM/QPSK 的时域同步正交频分复用（TDS-OFDM：Time Domain Synchronous
－Orthogonal Frequency Division Multiplexing）调制技术，使用创新的前向
纠错编码技术，并实现了分级调制，支持多媒体业务。
本文件针对地面数字电视广播中经常遇到的一些问题，选择了其中 100 个
给出了回答，旨在说明地面数字电视广播国内外各个标准和方案中涉及的技术和
应用，以便更好地理解清华 DMB-T 协议。
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地面数字电视传输技术 100 问
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地面数字电视传输技术100 问
1. 地面数字电视广播的基本需求是什么 ？ .......................................................................................4
2. 地面数字电视广播的典型信道模型有哪些 ？ ...............................................................................4
3. 什么是无线传播衰落 ？ ...................................................................................................................5
4. 什么是高斯正态分布 ？ ...................................................................................................................6
5. 什么是瑞利分布 ？ ...........................................................................................................................6
6. 什么是莱斯 (RICEAN) 分布 ？.....................................................................................................7
7. 什么是多普勒效应 ？ .......................................................................................................................8
8. 什么是比特率和符号率 ？ ...............................................................................................................9
9. 频谱效率是如何定义的 ？ ...............................................................................................................9
10. 为什么要采用脉冲成形滤波器？什么是滚降系数？..................................................................10
11. 什么是平方根升余弦成形滤波器 ？............................................................................................11
12. 什么是误码率和误符号率 ？ .......................................................................................................12
13. 什么是信噪比 S/N 、载噪比 C/N 与 EB/N0 ？.......................................................................12
14. 为什么需要进行信道编码 ？ .......................................................................................................13
15. 什么是仙农（SHANNON）限 ？ ...............................................................................................13
16. 什么是编码效率或码率 ？ ...........................................................................................................14
17. 什么是编码增益 ？ .......................................................................................................................15
18. 如何寻找一个“好”的信道编码 ？ ...........................................................................................15
19. 信道编码有哪些分类 ？ ...............................................................................................................16
20. 什么是线性分组码 ？ ...................................................................................................................16
21. 什么是汉明距离和码重 ？ ...........................................................................................................17
22. 什么是生成矩阵 ？ .......................................................................................................................17
23. 什么是监督矩阵 ？ .......................................................................................................................18
24. 什么是循环码？什么是生成多项式 ？ .......................................................................................18
25. 什么是 BCH 码 ？ ......................................................................................................................19
26. 什么是 RS 码 ？..........................................................................................................................19
27. 什么是卷积码 ？ ...........................................................................................................................20
28. 什么是卷积码的约束长度 ？ .......................................................................................................20
29. 什么是最大似然译码准则（MAP）？ ........................................................................................22
30. 什么是最大似然准则 (ML) ？ ....................................................................................................23
31. 什么是硬判决和软判决VITERBI 译码算法 ？.........................................................................23
32. 为什么要进行交织处理 ？ ...........................................................................................................24
33. 什么是分组交织 ？ .......................................................................................................................24
34. 什么是卷积交织 ？ .......................................................................................................................24
35. 什么是串行级联码 ？ ...................................................................................................................25
36. 什么是乘积码 ？ ...........................................................................................................................26
37. 什么是 TURBO 码 ？..................................................................................................................27
38. 如何构造 TURBO 码 ？.............................................................................................................27
39. 什么是 TURBO 码的迭代译码算法 ？ ......................................................................................28
40. 当前TURBO 译码算法有哪些 ？ ...............................................................................................29
41. 有哪些形式的 TURBO 码 ？ .....................................................................................................29
42. 什么是低密度校验码（LDPC）？ ..............................................................................................29
43. 什么是格型编码调制 (TCM) ？ .................................................................................................31
44. TCM 信号空间如何进行最佳分割 ？ .........................................................................................32
45. TCM 如何实现 ？..........................................................................................................................33
46. TCM 适用于哪些信道 ？.............................................................................................................34
47. 为什么需要数字调制 ？ ...............................................................................................................34
48. 有哪些数字调制方式？什么是星座图 ？ ...................................................................................35
49. 什么是 QPSK 调制 ？ ................................................................................................................35
50. 什么是 OQPSK 调制 ？ .............................................................................................................36
51. 什么是 QAM 调制 ？ .................................................................................................................36
52. QAM 调制有哪些变形 ？ .............................................................................................................38
53. 什么是残留边带调制（VSB）？...........................................................................................39
54. 什么是8 电平残留边带 (8-VSB) 调制 ？..................................................................................40
55. 什么是伪随机 (PN) 序列和M 序列 ？.....................................................................................40
56. 什么是扩频 ？ ...............................................................................................................................41
57. 扩频有哪些的优点 ？ ...................................................................................................................42
58. 什么是单载波调制 ？ ...................................................................................................................43
59. 什么是多载波调制 ？ ...................................................................................................................43
60. 什么是频分复用（FDM）？ ........................................................................................................43
61. 什么是正交频分复用（OFDM）？ .............................................................................................43
62. OFDM 原理是什么 ？...................................................................................................................44
63. 如何用 DFT 实现 OFDM 调制 ？ ............................................................................................44
64. 为什么OFDM 保护间隔能抗多径干扰 ？ ................................................................................45
65. OFDM 的频域特性如何 ？ ...........................................................................................................47
66. 如何选择OFDM 子载波数量 N ？ ...........................................................................................47
67. OFDM 调制有何优点 ？..............................................................................................................48
68. OFDM 调制有何缺点 ？..............................................................................................................48
69. 什么是峰值功率和平均值功率比（峰均功率比PAPR）？ ......................................................49
70. 哪些国际标准采纳了 OFDM 调制方案 ？ ...............................................................................49
71. 什么是 COFDM ？ ......................................................................................................................49
72. 什么是 BST-OFDM ？ ................................................................................................................50
73. 什么是 TDS-OFDM ？................................................................................................................50
74. OFDM 保护间隔填充有哪几种形式 ？ .......................................................................................50
75. 什么是单频网 (SFN) ？...............................................................................................................51
76. 单频网技术有哪些优点 ？ ...........................................................................................................51
77. SFN 黄金定律是如何定义的 ？....................................................................................................51
78. SFN 在频域和时域有何约束条件 ？............................................................................................52
79. SNF 发射机之间的距离如何确定 ？...........................................................................................53
80. 实际中如何实现SFN 同步 ？......................................................................................................53
81. 地面数字电视传输国际标准有哪些 ？ .......................................................................................54
82. 世界上三种地面数字电视标准主要参数有何异同 ？................................................................55
83. DVB-T 信号传输帧结构如何 ？...................................................................................................56
84. DVB-T 系统如何传输信令、同步和信道估计信息 ？ ..............................................................56
85. DVB-T 系统采用了何种 FEC 方案 ？ ......................................................................................57
86. DVB-T 采用了怎样的调制星座图 ？..........................................................................................58
87. DVB-T 系统的 C/N 值是多少 ？ ...............................................................................................59
88. DVB-T 如何进行信道估计 ？......................................................................................................59
89. DVB-T 有哪些不足 ？..................................................................................................................60
90. 有哪些国家和地区采用了 DVB-T COFDM 多载波调制方式 ？ ...........................................60
91. 美国 ATSC 系统的传输帧结构如何组织的 ？ .........................................................................61
92. 美国 ATSC 采用了哪种 FEC 方案 ？ .....................................................................................62
93. 美国 ATSC 8VSB 频谱如何 ？ ..................................................................................................63
94. 美国 ATSC 8-VSB 调制信号产生的方法 ？..............................................................................63
95. 清华 DMB-T TDS-OFDM 传输帧结构是怎样安排的 ？ ........................................................63
96. 清华 DMB-T 采用了什么FEC 技术 ？ ...................................................................................64
97. 清华 DMB-T 主要系统参数如何 ？ ..........................................................................................66
98. 清华DMB-T 有哪里创新之处 ？................................................................................................66
99. 清华DMB-T 解码专用芯片如何 ？ ...........................................................................................67
100. 清华DMB-T 协议的设备有哪些 ？ ..........................................................................................68
1. 地面数字电视广播的基本需求是什么 ？
所谓需求条件，就是设计一个系统所需达到的主要性能要求。只有首先明确系统哪些需
求要满足，才能从技术上寻找对应的或是经过折衷的相对最佳解决方案。
对于地面数字电视广播来讲，首先要求数字电视有足够好的接收性能，在室内采用简单、
小型和低增益无线实现稳定接收。甚至在较强静态和动态多径的环境中，系统仍能够稳定工
作。
其次，有足够高的传输码率，以便在单个8MHz 信道中提供高质量高清晰节目(大约
20Mbps)，考虑到数字电视日后发展的广阔空间和业务应用的多样性，对传输容量的需求不
断增长。
还要有利于频率规划，使用现有分配的电视频道中传输DTV 节目，实现和模拟电视节
目的同播；当没有额外的频道分配时可使用禁用 (Taboo) 频道(由于干扰过大，不能用于模
拟电视的频道)，并具有和现有模拟电视台相当的覆盖范围。
其它的要求包括：需要先进的信道编码和信道估计方案，以便降低系统C/N 门限，以
此降低发射功率，并减少了对现有模拟电视节目的干扰，抵抗各种干扰/失真。高度灵活的
操作模式，通过选择不同的调制方案，系统能够支持固定、便携、步行、手持或移动接收。
易于和其它媒介或服务器的接口，支持多节目/业务，能够通过分级调制得到分级服务，具
有交互性。高度灵活的频率规划和覆盖区域，能够使用单频网和同频道覆盖扩展/缝隙填充。
而且系统应允许多种成本价格的接收机实现，包括低成本实现等等。
总结上述需求条件，可见DTTB 系统的主要设计目标是实现频谱的高效利用，在保证
足够大的数据传输速率下提供稳定的固定和移动接收能力。
在数字电视广播三种方式中，地面广播是使用最广泛的，特别适用于地域广大、广播网
较复杂的国家。但是地面广播信道面临的干扰最多，也最严重，尤其是多径的时延和幅度的
变化速度远比卫星和有线电缆信道复杂。卫星和有线电缆的广播环境与理想的AWGN 信道
极为接近，采用优秀的信道编码和信号调制方式一般可以使卫星和有线电缆广播系统性能接
近理论值。而在地面环境中，广播的环境显然不满足AWGN 信道，系统能稳定工作的区域
有限。再加上地面广播要求与现有模拟电视广播兼容，大功率非线性发射使相邻频道间的干
扰加剧，对系统稳定性要求苛刻。因此，在这样恶劣的地面广播环境下，如何设计一个各个
功能模块正常工作的系统，是数字电视地面广播系统的根本技术难点。
2. 地面数字电视广播的典型信道模型有哪些 ？
在数字电视广播的三种方式中，地面广播信道面临的干扰最多，也最严重。从技术上讲，
DTTB 无线信道是一个宽带 (8MHz)、高速(8Msps)、高容量(多级码元)、大范围(几十公里)
的信道。在地面广播传输环境下，除常规的干扰，如高斯白噪声 (电视屏产生雪花)、脉冲 (家
电/汽车冲放电产生) 干扰等，其信道还具有以下几个特点：
（1）多径干扰。射频 (RF) 信号会因山川、建筑物、移动物体的影响产生反射，这样
经不同路径到达接收机的信号相位相互影响，从而导致瑞利衰落 (快衰落)，同时也会引起
信号频谱的深度衰落 (频率选择性衰落)。多径干扰对模拟电视影响的结果是使电视屏产生
重影 (Ghost)。多径传输干扰严重时，单靠增加发射机功率提高接收时的信噪比并不能降低
误码率。因此，克服多径干扰成为实现地面数字电视广播的关键技术。
（2）多普勒频移。地面数字电视广播信道与接收方式有关，接收方式是指固定接收、
车载移动接收，还是便携手持接收。接收机或发射机的运动会产生多普勒频移。例如，当接
收机以速度ν 移动．并且其运动方向和入射波的夹角为θ ，此时的多普勒频移由式给出
cos d f ν
θ
λ
=
其中，其中λ 为载波的波长。
（3）由于同播的要求会受到常规电视干扰影响。同播时相邻服务区的同一频道的普通
电视节目将有可能进入HDTV 接收机，产生强同频干扰。而且在数字地面广播传输UHF/VHF
频段，还有诸如单载波干扰、邻频干扰等对传输信号迭加影响。信道均衡时我们除了要考虑
多径的影响之外，还必须考虑到如何对抗频带内的单频干扰和同频PAL 模拟电视干扰。
所有上述问题均使地面广播问题复杂化，使得接收信道随时间、频率和地点而发生变化，
在传输方案选择时都必须加以考虑。
3. 什么是无线传播衰落 ？
地面电视广播的一个重要基础就是无线电波的传输。无线电波通过自由空间波、对流层
反射波、电离层波、地波等多种方式从发射天线传播到接收天线。自由空间波又称直达波，
沿直线传播，用于卫星和外部空间通信，以及陆上视距的传播（如两个微波塔之间），视距
传播要考虑大气效应和地面效应。对流层在地球上方 10 英里处，是异类介质，反射系数
随着高度的增加而减小。大气中 40 英里到 400 英里高度是电离层，电离层可产生电波散
射。电离层和对流层都具有随机快速的连续波动特性，对电波产生折射、散射和反射。散射
信道不存在电波的直射分量。地波传播可以看成是直达波、反射波和表面波的综合。
在地面电视广播中，无线电波主要是以地波方式传播，但是由于表面波随着频率的升高
衰减增大，传播距离很有限。所以，在分析地面广播信道时，主要考虑直达波和反射波的影
响。一般情况下，在研究地面对电波发射时，都是按地面波处理，即电波在反射点的入射角
等于反射角，电波相位发生一次反相。在接收端的接收信号是直达波和多个反射波的合成。
由于大气折射随时间变化，传播路径也随时间和近端地形地物变化，信号有时同相相加，有
时反相抵消，由此造成接收端信号的幅度的变化，称为衰落。

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