ADTB-T,国标ADTB-T技术的特点及应用

ADTB-T,国标ADTB-T技术的特点及应用

Advanced Digital Television Broadcasting System-Terrestrial

为混合传输模式的单载波系统，是由美国ATSC 标准发展而来。是一种“单载波”调制技术方案，采用4 位或16 位QAM 变调方式，并在其中融入了独特的平均化技术，使用8MHz 带宽，拥有5Mbit/s、10Mbit/s、20Mbit/s 三种传输模式。突破了目前国际上普遍认为的单载波无法实现移动接收似的技术瓶颈。其移动接收信号的性能（接收率和接收灵敏度），优于欧洲DVB-T 标准。其所需的灵敏度为-82dBm(最大20Mbit/秒)～-92dBm(最大5Mbit/秒)。
• 有效的数据结构：满足灵活的综合数字业务和抗干扰要求
• 单载波调制技术：4/16/64O-QAM
• 双导频辅助同步技术：稳健的上下导频辅助同步系统
• 优秀的信道编解码技术：级联的交织内外码FEC
• 强大的对抗信道衰落的均衡技术：0dB 多经和前、后向回波
• 更多高效的接收处理技术：普通高频头＋复杂的数字信号处理
• 大容量移动接收：移动条件下最高速率可达12Mbps

其特点为：

• 首次实现大容量（12Mbps）的高速移动接收
• 首次实现单载波的单频网技术，使车载业务成为可能
• 首创并实现不依赖GPS 系统的单载波单频网组网，安全性、可靠性得到保障，并已经投入实际运营
• 提供了高/中/低码率业务混合传输的可能性，为运营者提供了选择更多业务模式的可能
• 稳定可靠的固定接收性能，兼容有线接收
• 采用低阶调制，信号的峰均比更低（意味着对发射端的功率要求较低），对非线形失真不敏感的特点，可利用现有的模拟发射机进行大功率发射，进而实现地面广播由模拟到数字的低成本的升级，电视台无需对设备进行大规模的改造
• 频带利用合理，载噪比门限低，有利于今后频谱规划，能做到更好的信号覆盖
• 对抗相位噪声的能力强
• 跟踪快速变化信道的能力强
• 采用双导频信号，载波恢复和时钟恢复更稳健，可靠

国标ADTB-T技术的特点及应用

摘要:中国国家标准化委员会于2006年8月颁布了数字电视地面标准“《数字电视地面传输系统帧结构、信道编码和调制技术规范》”。该标准的主要技术基础之一就是上海交通大学多年积累的ADTB-T技术。本文针对我国数字电视地面广播需求，阐述了ADTB-T技术的特点，指出了ADTB-T技术的具体内容。本文进一步以国标ADTB-T技术的部分测试结果，推广应用情况辅证了国标ADTB-T技术的优势。
一、数字电视地面广播需求

1.1地面数字电视广播系统的业务需求

    地面数字电视广播系统是广播电视体系中的重要组成部分，它与卫星数字电视广播系统和有线数字电视广播系统以及其它辅助系统一起相互协同提供全面的受众覆盖。目前，我国有约2/3的用户通过模拟无线方式接收电视号。全国共有3.5亿户家庭，其中有线接收为1.26亿户，无线接收超过2亿户，他们大多分布在城郊和农村，这些用户迫切需要更多更稳定的电视节目。制定数字电视地面标准的主要目的是为广大无线接收用户提供可靠的数字电视接收方案和规范。国家有关主管部门也充分的看到了以上我国电视广播体系的特点，从
他们的多次公开发言中可以预见，当明年8月后，该标准正式执行后，地面固定覆盖仍是主流业务，解决广大中西部用户看电视难将是首要解决的问题，标准的应用将主要集中于地面固定覆盖上。另一方面，标准的新技术将催生新媒体，车载、楼宇、便携的商业模式的逐渐形成，而手机电视标准将会另行制定。

    另外，在自然灾害、战争等情况下，较之有线电视和卫星电视而言，地面电视是最有效的具有快速恢复广播电视覆盖能力的传输系统。

1.2地面数字电视广播系统的技术要求

    数字电视地面广播标准研究开发和制定，首先需要最大程度满足我国数字电视地面广播业务需求。针对我国地面数字电视业务需求，对于地面数字电视系统的技术要求总结如下：

覆盖范围要求

    广电总局提出的数字电视地面广播的各项业务需求中，对覆盖范围的要求是最根本的。在数字电视时代，判别覆盖范围能力的依据应该是：利用现有的模拟发射点，以尽量小的功率发射来有效覆盖所有的区域。影响覆盖范围的因素主要有以下两点。

    第一，接收系统的灵敏度指标是决定覆盖范围能力的基本指标。越小的灵敏度要求意味着越小的发射功率能够有效地覆盖相同的面积。

    第二，发射信号峰均比指标将决定对发射机峰值功率的要求。该指标是实现上述用较小功率数字信号发射来简单替换原有模拟覆盖的重要因素，也是用同等发射功率来有效扩大覆盖的有利因素。值得注意的是，发射信号峰均比对于低成本的进行模拟电视向数字电视过渡也是很重要的。低的峰均比指标意味着对发射机线性度要求低，可以直接启用模拟发射机。

    在以上2个指标得到保证的前提下，才可以通过多频网、局部单频网、同频转发补点等手段完成全国的有效覆盖。

抗信道衰落能力

    在恶劣（频率选择性衰落）、动态（时变）信道情况下，数字电视接收系统的灵敏度指标会有一定的恶化，甚至引起接收无条件失败。特别在单频网环境中，将增加恶劣多径的可能性。在实验室中，通常以抗0dB多径的能力来检验接收机抗恶劣信道的能力；在瑞利信道下，以可承受的最大多普勒速度来评判接收系统的动态能力。

频率规划要求

    在模拟电视向数字电视过渡的时期中，数字电视频谱资源将会更紧张，只有有效的启用邻频发射才能有效地提高全网的频谱利用率。此时，接收系统将受到模拟同/邻频干扰、数字同/邻频干扰。即使在全数字电视时期，如果能够支持邻频工作，将进一步提高频谱利用率，简化频率规划过程。

    抗模拟同/邻频干扰能力、抗数字同/邻频干扰能力高低将决定频谱规划的有效性，以及能否提高频谱的利用率。

二、ADTB-T技术的本质

    上海交通大学等单位提出并研制成功的高级数字电视地面广播传输技术ADTB-T，是针对我国数字电视地面广播实际业务需求及技术要求，发展的一套支持大容量、高速度、单载波移动和固定接收以及单频组网的新技术。该技术在承接单载波系统覆盖范围性能好、抗同邻频干扰能力强的基础上，进一步的解决了抗恶劣、动态信道干扰，以及单频组网的国际性难题，具有广泛的应用前景。ADTB-T已经成为2006年8月颁布的国标《数字电视地面传输系统帧结构、信道编码和调制技术规范》的主要技术基础之一。

    ADTB-T系列技术主要包括以下部分：

2.1单载波调制

    所谓单载波调制技术，是将需要传输的数据流调制到单个载波上进行传送，目前应用最为广泛的是QAM，OQAM，PSK等星座映射方式。单从调制技术本身来看，具有信号峰均比低；接收灵敏度号；对载波偏差、相位噪声不敏感；实现简单等优点。但传统的单载波技术对付信道衰落的能力较差。在国标中，单载波调制方式已经成为“帧体数据处理”模式中的一种，在国标的所有支持模式中，超过一半均为单载波调制。必须指出，单纯的调制技术是无法满足数据可靠传输的需要，还需要数据结构、信道编解码方案、同步与均衡算法的支持来保持单载波本身的优势，进一步提高对付信道衰落的能力。

2.2简洁有效的数据结构

    数据结构的简洁有利于接收系统的低成本实现，有利于快速同步与均衡。一个简洁的数据结构的基本单元至少包括3部分：确知信息、系统信息以及编码数据。ADTB-T技术的一大特点就是数据结构以“帧”为基本单元，包括帧头（确知信息）、加强保护的系统信息、经高效编码保护的数据信息。

    帧头应该选择具有伪随机特性的序列（PN），插入的周期应该在500微秒到1毫秒之间，
序列长度应大于判决反馈均衡器的级数，这样既保证了传输效率，又能够提高抗信道动态衰
落的能力。

    在国标中，满足以上帧头要求的帧格式如图1：

2.2.1帧头格式

    国标中明确规定了“帧头模式2采用10阶最大长度伪随机二进制序列截短而成，帧头信号的长度为595个符号，是长度为1023的m序列的前595个码片。帧头信号的平均功率与帧体信号的平均功率相同。”

由于均衡器抽头的最佳维纳解是：

    其中R是均衡输入的相关矩阵，pr是均衡输入数据与期望恢复值之间的相关矢量。只有采用非循环简洁的伪随机二进制序列作为帧头，才能保证在帧头阶段（均衡器抽头收敛的最佳时期），信道输入的R是对角阵，这有利于信道均衡快速收敛到最佳解。

    帧头功率与帧体信号的平均功率相同保证了单载波信号的低峰均比特性。

2.2.2系统信息

    国标中采用ADTB-T技术中的walsh正交序列联合扩频序列的方式来保护传输中的系统信息，使得系统信息在多径时变信道时有很强的抗衰落特性。通过该方式保护的系统信息具有很强的鲁棒性，这对于未来的多模式混合新业务出现时，需要在不同的帧传输不同的模式，有很大的意义。

2.3高效信道编码方案与低阶星座映射的结合

    近年来，随着信道编译码技术的飞速发展，基于软输入多次迭代的信道编码方案不断出现，其代表是Turbo乘积（TPC）编码与低密度校验（LDPC）编码。这2类码都有一个特性：越是高效率的编码，其性能越容易接近香农限。而对于单载波调制，在均衡输出期望已经消除信道频率选择性衰落的影响，输出数据是“白”的，更容易体现高效TPC与LDPC的性能。另一方面，低阶星座映射能够提供更大的欧氏距离，这对于均衡收敛带来很大的好处。所以，高效信道编码方案与低阶星座映射的结合既保证了频谱效率又提升了抗信道衰落的性能。

    在国标中采用以下的组合就可以实现5.197Mbps到25.989Mbps的码率传输：

    应该注意到，LDPC基于比特节点和校验节点之间迭代运算的各种译码算法不可避免要使用大量分散的RAM块；并且不同码率的编码不能像传统的卷积编码可以通过穿孔来实现，这将导致不同码率的码有各自的校验矩阵，各自的解码实现。所以与传统的维特比译码与RS译码相比，LDPC的硬件复杂度和实现成本将会有较大的提高，特别在同时实现多种码率的LDPC解码时，硬件复杂度将进一步提高，采用ADTB-T的高效信道编码与低阶星座映射结合的技术有利于接收芯片复杂度的降低。

2.4 基于双导频及已知序列的同步技术

    采用双导频技术：双导频信号仅仅占用0.2 dB的信号功率，可以用于载波恢复、时钟恢复、均衡等。采用双导频技术，可以在信道条件特别恶劣的情况下，进行载波/时钟恢复。下图为国标中添加双导频的频谱图。

    在导频信号不存在的情况下，可以利用PN序列来检测一定范围的载波偏差。对于相邻2帧的PN头信号，这两段信号之间的发送延时为，由于PN序列良好的自相关性有利于分离多径的影响，就不妨设这两段已知信号是一段完全一样的PN序列，记为PN(t)以及PN(t-T1)，其中0≤t≤T;T

2.5 改进的均衡接收技术

    ADTB-T的均衡技术在传统的LMS算法基础上，依靠国标中的简洁数据结构，采用NR准正交解映射与均衡结合的新算法，同时开发了一批专利保护的重叠结构技术，突破了单载波抗0dB多径、高速移动接收的难题。同时，均衡LMS算法能够自适应的对付单频干扰、窄带干扰。这是单载波技术能够很好的对付模拟同/邻频（单频）干扰、数字同/邻频（窄带）干扰的理论基础。

三、国标ADTB-T技术的部分测试结果与分析

    符合国标参数的PN595+单载波+多载波的融合接收机在今年7月在北京已经作了测试。测试结果表明，以交大时域技术为基础的单多载波融合接收机继承了交大长年的研发技术优势，与固定覆盖性能有关的各技术指标上与国标的其他模式相比均有较明显的优势，这些指标包括灵敏度、抗同频/邻频性能、峰均比等。同时，该融合接收机能够支持900多公里的移动接收，远超过国标中的其他模式。

    按照国标中的要求，定义以下码率：

 

部分具体测试结果如下：



注：测试值越大，表示系统抗动态多径干扰和高斯噪声能力越强。

3.2动态多径信道下的最大多普勒频移



注：测试值越大，表示系统抗动态多径干扰和高斯噪声能力越强。

    在使用UHF频段时，最大多普勒频移649Hz意味着约900公里的移动速度，而其它数字电视地面传输系统已公开的最多也只有150Hz左右。

3.3同频保护率



注：测试值越小，表示系统的抗同频干扰能力越强。

    从测试结果可以看出，只要采用PN595模式，并且用ADTB-T技术接收，即使是多载波也能取得较好的抗模拟同频的能力；而采用其它模式和技术，即使是单载波性能要差7dB以上。

3.4上、下邻频保护率



     从测试结果可以看出，只要采用PN595模式，并且用ADTB-T技术接收，即使是多载波也能取得较好的抗模拟、数字邻频的能力；而采用其它模式和技术，无论是单载波还是多载波性的抗数字邻频能力要差8dB以上，抗模拟邻频的能力要比PN595单载波差3dB。

 3.5峰值平均功率比

 

    值得注意的是，当采用PN420或者PN945作为帧头模式时，由于帧头功率加倍，即使再选用单载波调制方式也不能得到峰均比低的优势了。

四、ADTB-T技术的推广应用

    在前端发射系统方面，基于国标交大技术的调制器已经实现了与北广电子、上海明珠、北京吉兆、浙大宏远、意大利泰克诺、美国哈里斯、德国罗德斯瓦茨、日本营电等十余家国内外数字电视发射机和专业测试设备的集成，并已在上海、湖南、山东、安徽、河南等地商业运营近2年，采用国标交大技术的发射机已实现销售过百台，总发射功率超过50千瓦。从实际商用的情况看，国标交大技术因其具有较低的发射机非线性指标要求、优越的抗领频性能、独特的单频组网技术等，为各地电视台带来了低成本、高可靠、安全、可持续运营的地面数字电视广播技术解决方案，为国内发射机产业带来了难得的发展机遇。

    国标确定后，全国各地省、市、县广播电视机构纷纷主动联系上海交大，要求使用国标交大技术，迅速解决长期困扰当地的有线电视网外老百姓看电视难问题。经过多年在全国各地大量的广播工程技术实践，国标交大技术已得到了全国广大基层广电用户的高度认可，基于国标交大技术的大面积固定覆盖系统解决方案“神州家家通”受到各地基层广电的热烈欢迎。上海交大已建成的大面积固定覆盖试验示范平台包括：湖南株洲（市县地面电视组网覆盖）、上海崇明（三岛地面电视组网覆盖）、河南安阳（市级地面电视覆盖）、安徽凤阳（县级地面电视覆盖）等，形成了适应我国各地不同类型应用的广播工程示范体系。迄今为止，
实际安装的用户超过3万，可靠运营的平均时间超过1年，明确的用户订单数超过100万。在示范工程的推动下，国标确定后，又有不少省市与上海交大取得联系，希望启动国标地面数字电视家家通应用，解决当地覆盖问题。其中，安徽、湖南等省已经完成全省覆盖协议谈判，明确希望使用国标交大技术覆盖全省，上述两省的潜在用户数量就超过了2000万。此外，意向使用交大技术启动覆盖业务的地区还包括新疆、内蒙古、广西、江苏、福建、贵州、江西等省份。

    除了大面积固定覆盖，上海交大也同时推出了符合各地不同业务需求的移动电视、高清广播示范工程，其中包括上海城区五点单频网车载移动电视、山东威海车载公交移动电视和上海城区的“新视觉”高清晰度数字电视地面广播示范工程。

    地面数字电视替代地面模拟电视是一个相当复杂的转换过程，作为行业应用的主管单位，国家广电总局高度重视国标确定后的广播推动工作，并高度认可采用国标交大技术开展国内大面积地面数字电视覆盖业务。广电总局广播科学研究院已决定与交大在上海崇明、安徽共同进行地面电视覆盖政策研究，为国标全方位实施后的频谱规划提供工程实施依据。

五 本文小结

    本文针对中国地面数字电视广播的实际需求，介绍了ADTB-T技术的特点以及ADTB-T技术在国标中的应用。从技术原理以及测试情况可以看出，ADTB-T系列技术是符合中国地面数字电视广播实际要求的一套核心技术。本文进一步指出ADTB-T不仅仅指单载波调制，ADTB-T技术是一套完整的调制与解调的技术体系，包括了单载波调制、高效信道编解码、低阶星座映射、固定简洁的数据结构、鲁棒的同步技术以及改进的均衡算法这一系列的技术。在国标中具体体现在PN595+单载波+高效信道编码+扩频保护系统信息+低阶星座映射+双导频+均衡技术。

作者：上海交通大学 图像通信研究所，无线通信研究所 管云峰，梁伟强，何大治