地面数字电视单载波系统如何实现移动接收

徐孟侠

（北京大学 电子学系，北京 100871）

1 背景简介

地面数字电视传输系统分为单载波（Single Carri er，SC）和多载波（Multi-carrier，MC）两大类技术。 前者以美国ATSC标准为代表，后者以欧洲DVB-T标准为代表。

在地面数字电视传输系统的设计与实现中，接收端解调器中的信号处理部分是关键。

地面数字电视系统发送端的视音频编码技术比接收端解码技术要复杂，目的是要提高解码质量或降低所占用的有效比特率；而接收端的解调技术则比发送端的调制技术复杂得多，因为它要面临恶劣的空中传输环境。

此外，在发送端系统中除了有较强的纠错编码以外，还要增加各类同步码，以方便接收端迅速捕获信号，并保持对所需信号的可靠接收。

固定接收遇到的恶劣的空中传输环境有：大气的湍流、漂浮物（雾状细水滴或沙尘）及云雨雷电，大风造成的树叶树枝晃动（电波的反射或穿越），城镇楼群密集的电波阻挡和反射（形成回波，即多径），江河湖海的水面波浪反射，各种电气火花（电动火车、汽车、拖拉机、霓虹灯、家用电器）的宽谱噪声干扰，室内风扇旋转叶片或飞机螺旋桨的反射，大风引起发射天线所在的高楼或大铁塔的晃动等。

因此，地面数字电视传输系统的整体设计，首先要为接收端的关键技术服务。美国ATSC[1]、欧洲DVB-T[2]、日本ISDB-T和中国的地面国标（GB20600-2006）[3]的制定都是这样。

地面数字电视传输系统解调器的框图见图 1。其中，天线系统需要区分固定接收和移动接收。前者可采用方向性天线（4～10 dBi），特别是窗外天线或屋顶天线；而后者一般则采用无方向性天线。中间的3部分（调谐器、信号处理和信道解码）中，实现解调器的同步、信道估计和均衡的信号处理部分是关键。而控制器内的数字信号与模拟信号“交叉”的自动增益控制（AGC）、自动频率控制（AFC）和A/D变换也非常重要。此外，中间3部分是相互密切关联的，而非简单级联；3部分由控制器统一协调。但以上这些关键内容难以从地面数字电视传输标准的文本中直接看出。而随着集成电路性能的逐年提高，这些关键部分的算法就成为传输标准确定后各高科技公司不断进行开发而竞争的主要内容，并由此带动全系统的性能价格比逐年提高，使消费者不断受益。

图1 地面数字电视系统解调器框图

吴奕彦等曾在文献[4]中指出过ATSC的优点以及不能实现移动电视接收和组建单频网（SFN）的不足。而DVB-T的推荐者一直宣传“单载波系统不能实现移动电视接收”。这对中国学术界和广电运营商也带来一定影响。“单载波系统实现移动电视接收和组建单频网（SFN）”成为国际难题。

实际上，ATSC本来就是为固定接收业务设计的，而DVB-T也是这样。

在欧洲DVB组织多年担任技术部主任的Ulrich Reimers（德国Braunschweig工业大学通信研究所主任）主编的数字电视广播教科书[5]中，对DVB-T标准写道：“该系统应该能够为采用屋顶天线的固定接收提供最佳的覆盖范围。希望能够支持便携式接收机的固定接收；而移动接收则不是制订标准的目标。”但DVB-T由于采用了OFDM技术，可实现移动电视接收。这样，在1999年巴西对3种标准（美、欧、日）的测试[6]中，巴西强调移动电视性能，从而舍弃了ATSC，并最终采纳了日本ISDB-T标准，并于2007年12月启动业务。

DVB-T移动电视业务是2000年首先在新加坡实现的，而不是在欧洲本土；2002年夏又在我国上海实现，并随即在我国一批城市中采用，其进展和规模大大超过欧洲！当时，正在研究制定中的具有我国自主知识产权的两套方案——ADTB-T/OQAM系统（属单载波）[7]和DMBT/TDS-OFDM系统（属多载波）都面临DVB-T的挑战，尤其是前者是否能实现移动电视接收！

2002年12月，上海交大小组与上海东方明珠集团合作（单个发射点），在上海演示ADTB-T/OQAM系统的720 p HDTV移动接收：从浦东到浦西市区的主要街道总行驶距离约58 km、持续一个半小时余的深夜行程中，除过江隧道外，图像显示“中断”较少。获得观看演示的ATSC主席Robert Graves先生等国外专家和香港ATV/TVB专家的好评[8]。2003年元月，该小组又在上海实现该单载波系统2个发射点组建SFN。

ADTB-T/OQAM系统的现场演示说明：单载波系统实现移动电视接收和组建单频网的国际难题在技术上已经解决；仅需在中国地面国标的制定和产业化过程中应用之、完善之。

2 对移动电视接收的初步分析

对于移动电视接收而言，典型的恶劣空中环境的例子是：在上海东方明珠大塔发射数字电视信号，而在市中心的淮海路（东西走向，长度超过10 km；位于发射塔的西偏南方向）高速行驶（深夜车速达120 km/h）的面包车上进行接收（测试采用“十”字形接收天线）。其特点除第1节已提及的以外，还有：

1）由于高楼林立的遮挡，绝大部分时间内接收不到直达信号，而主要靠回波（多径）信号；

2）一般公交汽车的无方向性接收天线的高度不足3 m（小轿车的不足2 m），与农村家庭可使用高度10 m、方向性强（10 dBi）的屋顶天线相比，对场强的要求有巨大差别（>15 dB）；

3）周围内燃车辆的火花干扰在车辆启动时（红绿灯变换）尤为明显，容易造成接收“中断”；

4）车辆在道路边缘行驶或停靠时，由于楼房和树木的遮挡，信号显著变弱（下降10 dB或更多），也容易造成接收“中断”；

5）夜间则还有满街的霓虹灯；等等。

图2说明：在行驶中的车辆可能接收到的来自不同高楼的回波或多径（两者在理论上是等效的），而直达信号也可以看成是其中之一。其中E1和E4将有正的多普勒效应：解调器接收到的载波频率上升！而E3和E5则将有负的多普勒效应：解调器接收到的载波频率下降！而E2是正在由正的效应向负的转变之中。

图 2 行驶中的车辆可能接收到的回波

还可看出：采用无方向性天线接收时，接收到的信号有3类：1）主信号：解调器时钟所锁定的、在时间域的最强信号；2）超前回波：其信号在主信号之前到达，时间延迟为负值；3）滞后回波：其信号在主信号之后到达，时间延迟为正值（其幅度可能与主信号相等，称为“0 dB回波”）。这3类信号的幅度和相位都在随时间变化（多普勒效应相当相位变化）。

舍弃超前回波或滞后回波的两类之一，或者采用正前方稍有方向性的天线（如3 dBi），由于各类回波的时延和相位都具有随机性，看来都不可取！仅铁路移动电视ADTB-R系统（见上海高清网站：www.hdigroup.net）为例外：SFN的发射点“沿线”布设，火车则“沿线”行驶，因而可采用“8”字形辐射图案的发射天线和接收天线。

假设车辆最高时速为400 km/h（中国高架铁路），并有超前回波和滞后回波，则适应多普勒效应的解调器载波频率偏移需满足

式中：300000 km/s为无线电波传输速度。

地面国标C=1的“双导频”可选项可用于解调器对接收信号的载波频率自动跟踪。对于地面国标C=1的“双导频”可选项[3]而言，两个导频信号的频率差值是7.56 MHz；它就是两者由非线性电路生成的拍频（beat）之频率值。而由移动接收速度400 km/h的多普勒效应引起的拍频频偏等于：±3.704×10-7×7.56 MHz=2.80 Hz。此拍频信号的数值大（频偏小），幅度也大（比平均功率高3 dB）。因此，可设计某种高Q值单频率信号检测器，来检测此拍频信号，并通过AFC高效、快速完成频率跟踪。

从图 2还可看出：5个回波中的任何1个或者几个，都可看成是SFN的发射点的直达信号 （或其反射信号）。因此，如果在解调器的信号处理关键技术中解决了处置回波的技术难题，也同时解决了单载波系统组建SFN的技术难题。

与此同时，还可推论：固定接收也可开发类似技术来处置动态回波。后者的第一例是：在展览会的展台上演示无方向性天线发射地面数字电视信号，而采用无方向性天线接收。由于会场内观众时多时少（衣着的电波吸收不同）和随机挪动，加上建筑物铁架复杂和多类平面墙体、广告牌等的反射，接收到的回波信号复杂并随机变动。后者的另一例是：在高楼密集的市区进行室内或窗外的固定接收：当缺乏直达信号而依赖于回波信号进行固定接收时，由于市区车辆繁忙，其动态回波所造成的接收信号也是随机变动的。

以上的讨论主要针对固定发射－移动接收方式的应用，它同样适用于移动发射－固定接收和移动发射－移动接收等应用。

最后，移动电视接收中往往难以避免地会出现接收“中断”（drop-out）。因此，需要关注：解调器如何在接收中断后迅速实现载波（频率）恢复和时钟恢复（即相位的跟踪和同步捕获），然后恢复正常显示活动图像（略去对伴音的讨论）。本节已用地面国标C=1的“双导频”为例，说明解调器的载波频率自动跟踪技术；而相位跟踪问题则将在第5节讨论。

3 单载波实现移动电视接收原理

从原理来看，以DVB-T为代表的多载波技术利用OFDM的保护间隔原理，处理回波极为简洁（图 1的信号处理部分）。而DVB-T的不足之处是：发送端的3类导频信号[8]过多占用“子载波”，导致频谱利用率下降[9]。而地面国标C=3780把PN420或PN945放在“保护间隔”，提高了频谱利用率[9]，但它却变成一个单载波/多载波的混合系统，同时带来一些不利因素。

而单载波系统与多载波系统相比在原理上是等效的。多载波系统能够利用DFT简洁解决回波问题，单载波系统则可望通过几百条并行的算法（通过拼“算法”）来解决。在主信号和数量不多（如不多于2个）的强回波信号（都属时间域信号）的条件下，在集成电路处理性能逐年提高的情况下，破解此国际难题是可能的。

4 考虑非专家主观判据并合理缩小数据结构

在公交车辆（或小轿车）中坐着或站立着观看移动电视的观众，其观看条件是：屏幕尺寸较小（不大于24 in）、周围声音嘈杂、车辆颠簸震动等。这种注意力容易分散的观看条件同家庭内的固定接收显然不同。

据此，本文提出移动接收的非专家主观判据，允许“图像冻结1个图像帧时间（40 ms）”，来替代固定接收的专家判据。后者如美国ATSC的判据：专家刚刚没有觉察任何图像损伤的临界情况，相当于BER=3×10-6。

为保证移动电视接收在出现中断后能迅速恢复正常，需在系统设计中缩小数据结构。本文建议的合理数据帧绝对时间约4 ms，是针对图像帧时间40 ms（帧频25 Hz）提出的。ATSC和DVB-T的数据结构都偏大（表1）。

这是考虑：1）当解调器（图1）出现未能纠正的误码时，允许显示图像“冻结”一次，持续40 ms（图像显示电路重复上一图像帧）。这样，在接收中断时，不会出现一般观众容易觉察的“马赛克”等图像损伤或“黑屏”。2）这个数值不能太小（数据帧的头部信息开销过大），以避免有效比特率降低过多。3）它又不能太大，要保证在40 ms内，解调器有足够时间对数据帧进行多次反复的信号处理。因为，在40 ms的这段时间内，数据帧同步信号将出现9次，如果用3次即完成同步捕获，余下的时间（28 ms）都可留给信道估计和均衡（图1信号处理）。

表1 各种方案的数据帧绝对时间

可对比的是：ATSC如果也用3次完成数据帧的同步捕获，共需 48.4×3=145.2 ms；它是图像帧时间33.33 ms的4.36倍。再考虑信道估计和均衡所需时间，例如，总共需要0.3～0.4 s。这对于固定接收是可以接受的；因为接收中断极偶然发生。但对于经常发生中断的移动接收，图像若冻结10帧（持续0.3 s），观众容易觉察（DVB-T超帧时间更大，情况更为严重）。

地面国标的数据结构则过短[9]。C=3780采用的PN420和PN945数据帧头部的信号幅度还要加3 dB，有利于室内的便携式接收。但这却增大了符号间干扰（ISI）[9]，给图1的信号处理关键部分（信道估计和均衡）增加了难度，顾此失彼。

5 过采样相位跟踪

解调器接收到的回波信号的相位是随机的。以ATSC每 48.4/2=24.2 ms（表 1）出现 1次的数据场同步 PN511[1，7]为例，进行讨论。ATSC的PN63或地面国标的PN420，PN595，PN945等都有类似情况。

主信号PN511码由于高速（如400 km/h）移动，多普勒效应产生的相位偏差并不严重（1 bit或BPSK调1个符号的相位变动相当于2π）

±3.704×10-7×511 bit=0.000189 3 bit

但家用接收机的廉价晶体振荡器的频率与额定频率相比，一般可有±10-4的偏差！如果直接考虑PN511位码的符合电路，这个容许的偏差相当于

±10-4×511 bit=±0.0511 bit

而±0.05 bit代表相位差为±π/10，即相位有所错开。这样，接收信号的PN511和解调器的PN511两个序列的相位差从511位码的第1位为0，逐个比特位增大；到256位时，为π/20；到511位码的末位左右时，则为π/10左右（相位差18°）。符合电路的整体效率显著下降（误码还未纠正）。

为此，1）建议取511码的部分序列（partial sequence）。尽量使进入符合电路的两对部分序列之相位差不超出±π/80的范围。换言之，要提高符合电路的相位分辨率。2）过采样：解调器采用高速处理电路进行并行处理，即其时钟设计为有效带宽的16倍或更高。据悉，ADTB-T/OQAM系统[7]的解调器芯片处理时钟，是有效带宽的16倍，即7.14×16=114.24 MHz。这就是说：在解调器中至少可有16套并行的电路，其相位差是2π/16=π/8。

2008年夏劲松关于ATSC接收机的两篇论文[10-11]就是这方面的研究成果：把PN511拆成6组63位的“部分序列”，采用一系列相位错开的并行电路，可获得有效结果。

6 合理利用回波信号的能量

主信号和单个0 dB回波的能量叠加，可有3 dB的增益。无信号或信号过弱，则无法实现接收。但有多个回波而门限值上升或接收失败，则可判断解调器算法有待改进。要考虑到：把回波当作可利用的能量，而不当作干扰去抑制。

以主信号和单个0 dB回波 （其幅度与主信号相等）的简单例子而言，如果能够把这两个信号的能量相加，应该获得3 dB增益（门限值可望下降3 dB），其必要条件是：两者的相位必须相同。

2003年秋美国LINX公司通报其ATSC与DVB-T接收机样机由第三方进行的固定接收测试结果[8]（参见表 2），可见：7种回波模型中，ATSC样机“彻底翻身”。而DVB-T的门限值性能也显著改善。其中，7种回波模型中有4种模型的门限值与没有回波时相比，下降2.6～4.0 dB（证实：合理利用回波能量的思考是有效的）。此外，其余3种巴西模型中的A稍有上升，B上升1.4 dB，E则上升5～6 dB（这些比起原来的结果有所改善，但都有待改进）。

移动电视系统的同步码常用BPSK调制，而其负荷（payload；有效信息部分）则常用QPSK（或4-QAM）调制。下面以此出发进行讨论。

如果接收到的强信号有1～3个（包括主信号和回波），其幅度差值不超过3 dB。那么，可只对这几个强信号作处理，而舍弃其余弱信号和噪声。方法是在中频或基带输出的8或10位A/D变换输出中，只取其最高有效位（msb）的前2位，而舍弃其余位，即舍弃小于-3 dB的所有信号，把它们置“0”。这样可显著提高运算的效率和速度（8位A/D只需处理其高2位，处理能力至少是4倍关系，大量运算弱信号和噪声并无意义）。

表2 ATSC和DVB-T样机的多种回波模型固定接收对比测试结果

7 采用非线性处理替代线性处理

信道自适应均衡器一般采用线线性滤波器进行处理，追求某种最小值：最小均方值（LMS）或最小均方误差（MMSE）。ATSC标准文件介绍接收机自适应均衡器时采用 LMS，并提出 2个级联的部分：1）64抽头（tap）的“前馈横向滤波器”；2）192抽头的“判决反馈滤波器”。这2类滤波器显然都是线性滤波器。而为了缩短运算时间，可考虑：1）把浮点运算改为整数运算；2）把线性滤波器改为非线性滤波器。

所谓“追求某种最小值”，就是通过自适应的算法，多次自动修改参数而“收敛”到某种最小值。而收敛过程是一个多次运算的过程。如果针对某种回波模型，参照线性滤波器的设计而找到某种非线性滤波器的近似解答，运算次数有可能减少，如减少为原来的1/2甚至1/4。

综合以上讨论，可得下面的表3。其中第1项容易做到。第2项结合“部分序列”概念和并行运算，可提高相位分辨率（加快同步捕获；如相位分辨率达到π/16以上）。第3项仅处理主要能量的信号，不仅减少处理的位数，还可望提高整体处理效率。第4项则是用较少的运算达到相似的结果。而从综合第3，4项的数值可看出：处理的速度将是原来的8倍甚至20倍。

把以上几方面的技术措施综合应用，就可创建单载波系统实现移动电视接收和组建SFN的新技术路线。

8 现场测试中建议的实验方法

移动电视接收的回波模型首先是巴西广播电视界提出的；随后国际和中国有关组织都做了一些测试规定。但这些模型难以包括现场测试中遇到的 “千变万化”的情况。因此，研究单载波系统实现移动电视接收性能算法的小组，在完成已知的各种模型的算法后，需要在现场测试中不断发现新问题、提出新算法、不断改善性能。

表3 解调器处理速度的提高

在移动电视的现场测试过程中，需要“边走（车辆行驶）、边记录（有关数据）”。可记录的有关数据有：门限值、误码率、频谱和电视图像（伴音）的录像带，特别是有GPS导航系统的行驶地图记录和特殊环境记录（红灯停靠时；车辆沿路边行驶或停靠；有摩托车在旁边行驶过；夜间霓虹灯情况；偶然的雷电；其他人为噪声干扰等）。

此外本文还建议：

1）为了观察现场测试中的回波情况，可在接收机样机的解调电路中，设计一个简单的电路（利用“符合电路”），在示波器上显示图3的图形。这样，就能在实验车辆行驶过程中，观察到（以及记录）始终在迅速变动中的图3图形，方便事后对不明原因“中断”的分析。

2）把非专家判据的“冻结1次图像帧”仍然当成“接收成功”。这样，在分析所记录的录像带时，按照1 s为单位统计的“接收成功率”比起国际规定的专家判据将高些。

这样，单载波系统实现移动电视接收的性能不断改进，就有“接收成功率”（包含专家和非专家共2种判据）的简单量度。

9 简短小结

1）本文探讨单载波系统如何实现移动电视接收的一系列考虑；它已在ADTB-T/OQAM系统中获得应用，并延伸到地面国标。

2）类似的技术也可望在ATSC的固定接收和ATSCMH标准的移动接收中获得应用。

3）但任何技术都不是“万能的”。需要继续探讨单载波系统和多载波系统各自的优缺点。如果能“取长补短”而综合两者，则最理想。

[1]ATSC Doc.A/54A，Guide to the use of the ATSC digital television standard[S].2003.

[2]ETSI.EN 300744 V.1.2.1，Digital Video Broadcasting （DVB）：Framing structure，channelcoding and modulation fordigitalterrestrial television[S].1999.

[3]GB 20600-2006，数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制[S].2006.

[4]吴奕彦，CARON B，BOUCHARD P，et al.地面数字电视传输系统的比较：ATSC 8-VSB、DVB-T COFDM 和ISDB-T BST-OFDM[EB/OL].[2002-01-10].http：//www.eet-china.com/ARTICLES/2006SEP/PDF/DTCOL_2006SEP12_RFR_AVDE_TA_01.pdf?SOURCES=DOWN LOAD.

[5]REIMERS U.Digital Video Broadcasting：The international standard for digital television[M].New York：Springer，2001：231.

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[9]徐孟侠.评中国地面数字电视广播传输标准[J].电视技术，2009，33（1）：9-12.

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[11]XIA Jingsong.A novel clock recovery scheme for ATSC receivers[J].IEEE Trans.Broadcasting，2008，54（2）：276-282.