地面数字电视传输技术-在线教程十(71-80)

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71. 什么是 COFDM ？
编码的正交频分复用（Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing，COFDM）技
术是欧洲数字音频 DAB 和数字视频广播 DVB 系统为克服在地面广播发送中多径传播的干
扰和移动接收以及频率资源的利用问题而引入的多载波调制方案。COFDM 具有以下主要的
技术特征：
(1) 对 FEC 纠错编码后的数据进行 OFDM 调制。
(2) OFDM 保护间隔中插入的是循环前缀，即把每个 OFDM 符号的最后一部分复制到
保护间隔中。如果在每个符号间插入保护间隔，则只要多径延时不超过保护间隔的长度，多
径传输就不会带来符号间的相互干扰，只能是在符号内部相互叠加或相互削弱，而这种特性
可以表示为信道的传输函数。
(3) 在 OFDM 符号中插入导频信号，使用这些导频信号可以在接收端得到这样的传输
函数，从而可以正确恢复符号的原始值。
72. 什么是 BST-OFDM ？
频带分段传输正交频分复用（Bandwidth Segmented Transmission OFDM，BST-OFDM）
调制是日本地面综合业务数字广播（Integrated Service Digital Broadcasting－ Terrestrial，
ISDB-T）标准采用的 OFDM 调制方案。
BST-OFDM 除了具有 COFDM 的基本技术特征外，它的一个 OFDM 符号由一组共同
的称为BST 段的基本频率块组成，把一个 OFDM 符号分为 13 段。BST-OFDM 对不同的
BST 段采用不同的载波调制方案和内码编码码率，依此提供了分级传输特性。每个数据段
有其自己的误码保护方案(内码编码码率、时间交织深度)和调制类型 (QPSK, DQPSK,
16-QAM 或者64QAM)，这样每段能满足不同的业务需求。 这有点类似于 ADSL 采用的
DMT 多载波调制方案。
73. 什么是 TDS-OFDM ？
时域同步正交频分复用（Time Domain Synchronous OFDM，TDS－OFDM）是清华地
面数字多媒体电视广播（Terrestrial Digital Multimedia/TV Broadcasting, DMB-T）协议采用的
OFDM 调制方案。
在OFDM 系统中，同步设置是最重要的环节之一，也是OFDM 系统最重要的创新焦点。
在欧洲 DVB-T COFD、日本的 BST-OFDM 和现在大多数 OFDM 系统中，系统同步是
通过在频域OFDM 符号中插入导频而实现的，即采用频域同步技术，适用于频域处理技术。
与采用COFDM 系统不同，清华 DMB-T 采用称为PN 序列填充时域同步正交频分复用
（TDS-OFDM）技术。在时域中，将PN 序列填充传统OFDM 的保护间隔作为帧头，由于
此帧头信号在接收端是已知的，进而可被去除，因而在对抗ISI 的意义上等同为零填充的保
护间隔。同时，PN 序列作为同步序列，又被用于实现同步，而且在接收端可用该PN 序列
通过相关计算获得对于无线信道的时域冲击响应的估计。
TDS-OFDM 适用于时域和频域混合处理。
74. OFDM 保护间隔填充有哪几种形式 ？
在 OFDM 系统中，OFDM 信号结构是块结构，每个信号块称为OFDM 符号，它在时
域中由两个部分组成，一个是数据部分，另一个是保护间隔。OFDM 信号块的数据部分是
在频率域定义的。OFDM 信号块的保护间隔是为了抗多径干扰必须有的，其保护间隔长度
一般大于传输多径信号的传播延时。
根据OFDM 符号的保护间隔中的填充信号， 有三种定义：
(1) 第一种是是零值填充的（Zero-padding）的保护间隔（简称ZP-OFDM），由于接收
端处理算法稍微复杂，一直没有得到广泛应用，但是由于其他的优点，最近又成为研究的对
象。
(2) 第二种则是被目前广为应用的循环前缀填充（Cyclic-Prefix）的保护间隔（简称
CP-OFDM），目前采用OFDM 的传输系统都是采用这种保护间隔。B.Muquet 等作者已经证
明，具有零填充保护间隔的OFDM 与具有循环前缀(CP)保护间隔的OFDM 在理论上是等价
的，请参见论文 Z.Wang, G.B.Giannakis, et al. Cyclic-prefixed or zero-padded multicarrier
transmissions ?. IEEE Trans. On Comm. 2002-12,50(12): 2136-2148。
(3) 在清华 DMB-T 协议中定义了以PN 序列（PN-Padding）为保护间隔的OFDM 信号
（简称TDS-OFDM）。在 DMB-T TDS-OFDM 系统中，保护间隔中填充的 PN 序列有以下重要作用：
?? 作为OFDM 调制的保护间隔。PN 序列在接收端是已知的，进而可被去除，因而理
论上等同为零填充（Zero-padding）的保护间隔。
?? 用于系统同步。PN 序列作为同步序列，被用于实现系统帧同步、频率同步、时间同
步等。
?? 用于信道估计和跟踪相位噪声。在接收端可用该PN 序列通过相关计算获得对于无
线信道的时域冲击响应的估计，以及抑制相位噪声。
COFDM 与BST-OFDM 都是采用具有循环前缀保护间隔的COFDM 调制，无论采用
CP 或ZP 作为保护间隔，它传递的实际上都是冗余信息，将占用额外的频谱和功率资源。
同时为了获得较好的同步性能，除了使用保护间隔，还要在频域插入大量导频信号，导频信
号大约占数据符号10%。由此可知，TDS-OFDM 将保护间隔和导频信号合在一起，可提高
大约10%的信道容量，克服了多载波调制系统传输效率低的缺点。
75. 什么是单频网 (SFN) ？
单频网（Single Frequency Network，SNF）是由多个不同地点的处于同步状态的无线
电发射台，在同一时间、以同一频率发射同一信号，以实现对一定服务区的可靠覆盖。
要实现单频网，在发射端的最大难点是多个发射机的同时同频播出同一节目。而接收
端最大的技术难点是在多个发射站点都覆盖到的交叉覆盖区内，接收机如何能可靠地接收发
射信号。美国的ATSC 标准除了使用多频网外，还采用同信道中继器的方式来扩展服务区域；
中继器接收发射台的信号并进行简单处理后将信号转发出去，这样的转发中继系统里，转发
点往往使用定向天线，由于不同的中继器发射信号并不同步，如同模拟电视的中继转发一样，
所以严格的讲这种结构并不是单频网。

76. 单频网技术有哪些优点 ？
（1） 单频网有利于频率规划，在频谱资源有限的情况下，可以大大节约宝贵的频率资
源，提高频谱利用率。
（2） 由于无线电信号本身的特性，在高楼林立的城市中，无论单个数字电视发射站点
的发射功率多大都会有很多信号覆盖不到的区域，这些覆盖不到的区域被称作覆盖盲区或盲
点，单频网则可通过多点同频发射的办法来解决覆盖盲区问题，获得较好的覆盖率。
（3） 单频网技术还可降低发射机设备的成本；通过优化和调整单频网发射网络（基站
数量、分布、发射天线高度、发射功率等），可以使用多个较小功率发射机代替一个大功率
发射机，以降低信号辐射、减少电磁波污染、增强覆盖均匀度，也可以根据需要随时改变覆
盖意图。
77. SFN 黄金定律是如何定义的 ？
为什么单频率网络能够使传输系统抵制回波干扰呢？只是因为在传播的环境（在短距
离、多路径传播中的反射、折射等）中，回波可以是被动的产生，也可以是由工作在同一个
RF 信道内的发射机主动产生的。
从网络角度上，清楚地表明SFN 网络中的每一个发射机扮演 “回波制造者”的角色。
因此，得出SFN 黄金定律：“SFN 中的每个发射机应在同一时间、同一频率上发送同一个比特”
如果发射机遵守这个定律的话，每个解调器会接收到不同强度但相同的信号，它们是由
时延分开的，但不超过保护间隔长度。对于接收机，可以叠加每个回波的能量，从而提高网
络增益，网络运营者利用此网络增益提高频谱每Hz 的利用率。
78. SFN在在频域和时域有何约束条?？
为了运行一个 SFN，传输网络需要小心地保持频域和时域中同步，如图所示。
在频域中，无论发射机是怎样产生子载波的，每个子载波的绝对频率应该是相同的。这
表明不仅要精确管理OFDM 信号的上变频（即 RF 信道的中心频率），也要精确管理OFDM 调
制器的处理时钟。因为COFDM 调制是通过IFFT 变换构建信号的，所以载波间隔的精度源自
数字处理时钟的干净度。这个时钟的绝对精度与载波间隔指标紧密相关。对于8K、2K 和2K
传输帧，对应的指标分别约为1、2 或 4kHz。对于频域传输指标，要预留一部分频带抵抗移
动过程中信道中引入的多普勒噪音（即由移动的物体或者移动的接收机反射产生的回波！）。
实际上，发射机频率精度可以在几个Hz 范围内，因为普通的接收机（也就是未优化的
移动接收机）容许有几十Hz 的多普勒频移。

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在时域中，分布式网络延迟应从源端（即DVB 复用器）到每个发射天线均加以平衡，
从而使其在同一时间发射同一内容。
在基本分配网络中，时延来自以下几个源：变化的分布链路时延（即微波、光缆、同轴
或者卫星链路）、调制和激励模块的处理时间等。无论时延来自哪里，每一个分配网络分支
的时延都应该加以平衡，以保证相同的OFDM 符号都在精确的同一时间被每个发射天线发送
出去。
发射机之间时间定时的精度也必须作为一个指标预算。实际上，发射时间精度约为1us左右。
79. SNF发发射机之间的距离如何确？
从电磁传播理论可知，电磁波1us 传播的距离为 300 米。前面讲过，在 SNF 网络中，
一部分回波是由工作在同一个RF 频道内的另一个发射机主动产生的，回波延时大小与发射
机距离有关，只要回波延时没有超过 OFDM 符号的保护间隔，就不会对系统产生干扰。因此，
SFN 发射机之间交叉覆盖区的最大距离取决于系统中 OFDM 保护间隔的大小，以欧洲 DVB-T
COFDM 系统为例。
?? 在2K 传输帧中，保护间隔值是：7 μs / 14 μs / 28 μs / 56 μs。
这些值对应的最大距离分别是：2.1Km / 4.2 Km / 8.4Km / 16.8Km。
?? 在8K 传输帧中，保护间隔值是：28 μs / 56 μs / 112 μs / 224 μs
这些值对应的最大距离分别是：8.4Km / 16.8Km / 33.6Km / 67.2Km。
在实际中，发射机之间的距离可以达到上述数值 的1.5 到2 倍。这些距离与接收机在
一个发射区内的位置，以及接收到的本地和远端发射机的数目有关，而这些信号之间的时延
就是保护间隔。
从上述数值还可以看到，对于同样的最大距离，需要相同的保护间隔，如前所说，保护
间隔是为了抵抗回波而必需的损失。因此，相对来讲，2K 模式的传输比特率损失就大很多。
所以，在实际中，很多场合不采用2K 模式的SFN。
80.实际中如何实现SFN同步？
为了达到 SFN 发射点的时间和频率同步，网络运营商需要向分配前端（SFN 适配器）和
每个发射点提供一个公共的时间参考和频率参考。这些参考可以很容易通过GPS 接收机获
得，得到准确的10MHz 和1pps 信号。发射机制造者把调制器处理频率和上变频模块的频率锁定到 10MHz 参考信号。这就
避免了从输入的比特流中恢复调制器处理频率。在所有情况下，这都好于对分配链路引入的
抖动进行滤波。
关于时间参考，允许计算每个MPEG-TS 包的准确发射时间。之所以有这种特性，是由于
在分配网络的前端（SFN 适配器）中可以加入时间戳。为此，DVB 专门定义了一个MIP 包
（Mega-frame Information Packet 兆帧信息包），而清华 DMB-T 的每个信号帧有唯一的标
识号，并与自然时间保持同步。
无论使用什么传输帧（即2K 或8K）、编码码率和星座，兆帧是由相邻的一组MPEG-TS
包组成，它对应于整数倍的OFDM 符号。兆帧持续时间约为0.5 秒，依赖于保护间隔。每0.5
秒钟（粗略的），SFN 适配器在MPEG-TS 中至少加入一个MIP 包。它包括分配网的最大时延
（即最长的分配路径时延）、用来指示下一个兆帧第一个包的指针，以及用来指定这个包何
时在空中传输的时间戳。时间戳从每秒复位的计数器计算得到，精度达1us。
在每个发射点上，调制器管理着相同的时间计数器，把最大网络时延和接收到的时间戳
相加，从而确定兆帧中第一个包发射的时间，当然还需要考虑它自身的处理时间。
很多已经在实际应用中运行得非常好的SFN DVB-T 网络都采用了上述原理：瑞典运行着
数十个地区性的SFN，西班牙也建立了一个地区性但是也是全国性的SFN，新加坡使用SFN
网络为公交移动接收机提供DVB-T 信号。

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