ATSC和DVB-T固定接收时的回波处理性能对比

徐孟侠

（北京大学 电子学系，北京 100871）

1 引言

接收机的回波处理功能是地面数字电视广播面临的特殊问题。它首先要区分是固定接收（室外天线、窗外天线和室内天线）还是手持式接收或移动接收。

固定接收采用的室外天线、窗外天线或室内天线可有较强的方向性（4～10 dBi）。而且室外天线的高度可达10 m以上，在农村地区往往可以没有阻挡而接收直达信号或绕射信号（也许会面临穿越树林的情况）。而窗外天线或室内天线既可以是位于没有阻挡的房屋，也可以是位于高楼林立的城市中心区域的住宅楼群，面临极为复杂的回波情况；而周围街道又会有行驶车辆的火花干扰。此外，在住房的室内接收还有室内回波和电风扇转动叶片的特殊回波，以及家用电器（搅拌机、吹风机和冰箱）的火花干扰。而手持式接收或移动接收一般则采用无方向性天线。

此外，回波可划分为“滞后”回波（post-echo）和“超前”回波 （pre-echo）；这是针对接收机锁定的主信号（main signal）而言的（见图 1）。但滞后回波或超前回波的强度经常出现与主信号相等的情况，即所谓“0 dB回波”问题。这在大城市中心、楼群密集地区的固定接收特殊情况下，也会出现：没有直达信号，而把某个强回波信号当成主信号，但另一个强回波就可能构成0 dB回波（滞后或超前）。

笔者简要介绍ATSC[1]和DVB-T[2]的接收机在固定接收时的回波性能曾进行过的几次对比测试结果；而且，只讨论固定接收回波处理的性能，而不涉及其技术。因为，后者的公开论文较少，而更多是实现技术秘密（know-how）。

2 ATSC接收机1999年的回波处理性能

ATSC数据帧分为2个数据场（#1和 #2）；数据场的第一个数据段（segmet）是数据场同步；而数据段的头部都是相同的数据段同步，见图2。

数据场同步#1的结构见图 3，其中有一个511位PN码（PN 511）和 3个相同的63位PN码（PN 63）顺序排列。而数据场同步 #2仅把数据场同步 #1中3个PN 63中间那个的“0”和“1”相互倒置而得。

因此，除了数据段（周期 77.3 μs）的同步码“1001”以外，还有PN 511和3个PN 63等时间域的已知信息（周期24.2 ms），在接收机中可用于时间域的回波处理。这些时间域已知信息的位总数为：4+511+3×63=704位；而其合计的时间为 77.3×（704/832） μs=65.4 μs，周期为24.2 ms，而 65.4/24 200 约 1/370。

美国Zenith公司小组（8-VSB方案提出者）成员Tim Laud在2000年1月美国消费电子展CES的报告中对比了ATSC和DVB-T回波处理性能，见图 4。

图4 ATSC和DVB-T的工作门限值和回波电平对比（美国2000年1月）

把图4的结果同澳大利亚通信实验室1998年4月的 “DVB-T和ATSC的澳大利亚7 MHz实验室测试结果”（图5）对比可知，其趋势大致相似。再把它同巴西Mackenzie大学小组（与政府部门ABERT/SET合作）2000年3月的实验室测试结果（图6～9）对比可知，其趋势也大致相似。

图8 DVB-T 3种芯片的E/D值与回波时延（含滞后和超前）的关系（巴西2000年3月）

图9 DVB-T Chip M的门限值和滞后回波时延（巴西2000年3月）

值得注意的是，在图5中：1）当回波幅度与主信号相比较弱时（20dB衰减量），ATSC样机的门限值约15.3 dB，与DVB-T维持约4dB的优势；而这个4dB优势同美国、澳大利亚、巴西进行过的ATSC和DVB-T大功率发射现场测试之固定接收对比结果 （平均有4 dB的差距，本文略）基本一致。2）当回波衰减量由20dB减小到6dB时（图5中由右向左），这个4dB差距基本不变。3）当ATSC样机在回波衰减量继续减小到4 dB或更小时，其性能迅速恶化，以致不能工作（图4和图6～9都有类似情况）。

DVB-T接收机在图5的性能是：门限值从右边的约19.5 dB上升到左边的37.0 dB或 40.0 dB；以上升约17.5 dB或20.5 dB的代价，可继续正常接收。

3 DVB-T接收机在固定接收时的回波处理可不依赖于保护间隔

DVB-T采用OFDM多载波系统的理论优势是，可以利用保护间隔而简洁处理回波；代价是有效比特率稍有下降。

但从图8和图9可以看出：Chip M有两方面的突出性能：1）处理32 μs的滞后回波时，门限值由约17.6 dB上升到约18.8 dB，仅增加约1.2 dB，显著小于图 5的结果。2）特别是，可处理正负时延约76 μs的滞后或超前回波（8 k模式；保护间隔为1/16）；或可处理正负时延约43 μs的滞后或超前回波（8k模式；保护间隔为 1/32）。图中，E表示回波；D表示直达信号。图 6未给出76 μs或43 μs时门限值上升的结果。

但是，从DVB-T标准[2]附录E的表E.3可知，在8k模式中，保护间隔1/16的绝对时间为74.667 μs，而保护间隔1/32的绝对时间为37.333 μs。这两者分别都小于Chip M 实际可处理的 76 μs或 43 μs。

这就是说，提供Chip M芯片的公司在1999年已掌握“不依赖于保护间隔”的回波处理技术。估计其技术是：在接收机中把频率域信号经过DFT运算还原为时间域信号后，从所获得的已知信息（由PN码的片断组成，下面说明）对回波进行时间域处理，获得良好结果。这种时间域处理同第2节分析的ATSC可利用已知信息 （主要由几个顺序的PN码组成），在接收机中实现对回波的处理，在原理上是相似的。

DVB-T标准[2]共有3类PN码：

1） 分散导频单元（scattered pilot cells）（图 10）：除子载波两端K下标为0的子载波和K下标为1 704（2k模式）或6 816（8k模式）的子载波以外，在每个数据符号（symbol，编号从 0～67，总共 68 个）内，每 12 个子载波有 1个留给分散导频单元；而从纵方向的时间域来看：在2个相继的符号（例如符号的编号从0～1）中，分散导频的子载波编号“加3”（图7的黑点位置向右方移动3位）。而在这些设定位置（图10的黑点），插入已知的PN码。

图10 DVB-T的数据帧结构

对于2k模式而言，插入的PN码的位数是：1 704/12=142 位，然后再“加 1”或“加 2”（考虑符号两端）。而对于8k模式而言，插入的PN码的位数是6 816/12=568位，然后再“加 1”或“加 2”（也考虑符号两端）。

2） 连续导频（continual pilots）：2k模式有45个固定位置的子载波，插入已知的PN码；而8k模式则有177个固定位置的子载波，插入已知的PN码。

3）此外，还有传输参数信令（TPS）导频：在每个符号内，2k模式有17个固定位置的子载波，插入已知的PN码；而8k模式则有68个固定位置的子载波，插入已知的PN码。

把DVB-T数据帧内上述可在时间域利用的PN码位数之分析，整理成表1。

把表 1的DVB-T结果同第2节ATSC结果对比，尽管后者有704位，大约是205位的3.43倍（2k模式），或者稍低于 814 位（8k 模式）；但其周期 24.2 ms，则是 308 μs

表1 DVB-T每个符号内可在时间域利用的已知信息（由PN码片断组成）之位数（6 MHz带宽；GI=1/32）

这就是说，DVB-T接收机与ATSC相比，具有更为充裕的处理时间，来利用时间域已知信息（由PN码片断组成）在固定接收时实现回波处理。

当然，这并不是说，DVB-T的接收机不能利用保护间隔简洁地实现“0 dB回波处理”。

在了解到DVB-T解调芯片“可利用时间域已知信息（由PN码的片断组成）进行固定接收的回波处理”，可不依赖于保护间隔，就不难理解DVB-T2[3]可把保护间隔由DVB-T[2]的1/32扩展到1/128，以增加约2.34%的有效比特率（1/32-1/128=3/128=0.0234）。

4 ATSC接收机样机2003年秋的回波处理性能

美国LINX公司在2003年秋向笔者通报了由第三方进行的ATSC与DVB-T接收机对比测试结果。对比的技术参数见表2；而多种模型回波 （其参数需查其他资料）的测试结果则见表3。

表2 ATSC和DVB-T接收机对比所采用的技术参数

表3 ATSC和DVB-T多种回波模型的对比测试结果

1）ATSC接收机样机与DVB-T接收机相比，其多种回波模型的实验室测试门限值要低2.5～4.0 dB；单载波系统的优势鲜明。

2）值得特别提出的是：由于充分利用回波的能量，7类模型中有4类的门限值有所降低 （同无回波的校正值相比，最多降低3.9 dB；而单个0 dB回波理论上最多可降低3.0 dB）。此外，ATSC和DVB-T两者具有完全类似的测试结果；两者可能采用了原理相同的技术。

把表3的结果同图 5～9的结果对比可知：7类回波模型中有3类的门限值上升，但幅度一般较小 （巴西E例外）；而有4类则下降（充分利用回波的能量；图 5和图 6～9都是上升）。

上述测试结果表明：从1999～2003年约4年时间里，ATSC和DVB-T接收机的回波处理性能都有显著提高。但ATSC（单载波）的门限值低于DVB-T（多载波）（2.5～4.0 dB），再一次被实验室测试证实。

5 对中国地面数字电视广播传输标准的分析

中国地面数字电视传输标准[4]（简称“地面国标”，CTTB）的数据结构过短，头部开销过大，不利于固定接收主流业务[5]：只有 420/3 780=1/9，595/3 780，945/3 780=1/4这3种，没有头部开销极小的可选项：类似ATSC的4/828=1/207，或 DVB-T 的 1/32，或 DVB-T2 的 1/128。

CTTB是以DMB-T/TDS-OFDM多载波方案为基础，与ADTB-T/OQAM单载波方案融合而得的。但DMBT/TDS-OFDM方案的一公开论文[6]曾刊载过1/30和1/20的保护间隔可选项；但在其后续的论文中则已被删除。而DVB-T[2]的1/32可选项在英国、法国、意大利和波兰等欧洲各国的高比特率固定接收业务都有大量实际应用[7]。

因此，本人认为，DMB-T方案的回波处理技术可能完全依赖于保护间隔，没有利用PN420（420位的PN码，周期 555.56 μs）或 PN945（945 位的 PN 码，周期 625 μs）在时间域的回波处理技术。该方案过度考虑了移动电视和手机电视业务，而CTTB应当把高比特率固定接收[8]作为主流业务[9]。

上述ATSC，DVB-T和CTTB的讨论结果可整理成表4。

表4 不同标准回波处理的对比

从上述讨论可看出：CTTB解调芯片的设计者可开发类似ATSC的技术，利用已知的PN码信息，在时间域进行回波处理。

如果借鉴ATSC或DVB-T的经验，那么CTTB标准可增加类似ATSC的4/828=1/207或DVB-T2的1/128可选项，以增加固定接收时的有效比特率10%～15%[5]。

6 简短小结

地面数字电视广播传输标准（CTTB）中C=3 780可选项的回波处理技术，可依赖于保护间隔，但也可不依赖于保护间隔：即充分利用已知PN码信息（PN420，PN595，PN945），在时间域进行回波处理而获得良好性能。C=1属单载波系统，原来就是时间域处理，无须特别提出。

2）建议地面国标（CTTB）及时进行修订，增加类似ATSC的 4/828=1/207（或 DVB-T2的1/128）的可选项，以提高高比特率固定接收时的有效比特率。

致谢：笔者感谢陈志葛、夏劲松、赵季伟和管云峰等专家对本文初稿提出的宝贵意见。

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[1]Advanced Television Systems Committee.ATSC Standard:Digital Television Standard（A/53）， Revision D,Including Amendment No.1[EB/OL].[2009-08-26].http://www.pensacolatvrepair.com/Docs/Supporting/atscStandardVer_D.pdf.

[2]ETSI.EN 300 744 V 1.2.1，Digital Video Broadcasting （DVB）:Framing structure,channel coding and modulation for digital terrestrial television[S].1999.

[3]ETSI.EN300755，DigitalVideoBroadcasting （DVB）:Framingstructure，channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television[S].2008.

[4]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.

[5]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.

[6]杨知行，杨林，门爱东，等.地面数字多媒体国标传输协议[J].世界广播电视，2000（12）：22.

[7]徐孟侠.DVB-T标准的工程实现组合介绍与启示[J].电视技术，2007，31（4）：8-9.

[8]徐孟侠.DVB-T工程实现中的高/中比特率固定接收[J].电视技术，2007，31（6）：4-7.

[9]徐孟侠.中国地面数字电视广播需要分清主次[J].世界广播电视，2008（3）：56-58.