DTMB标准性能优化两点建议

房海东，王 谦，康 宁，潘长勇

（1.北京数字电视国家工程实验室，北京 100191；2.清华大学 信息科学与技术国家重点实验室，北京 100084）

具有自主知识产权的中国数字电视地面广播传输系统标准——《数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制》（DTMB）于2007年8月1日起正式实施。此国家标准为强制标准，是地面无线电视的基础性标准。相继于欧洲的DVB-T、美国的ATSC和日本的ISDB-T三种国际地面数字电视广播（DTTB）标准，DTMB于2011年12月正式被国际电联认可，成为第四个国际DTTB标准。目前，DTMB以其系统容量大、传输能力强、覆盖范围广等优势而迅速发展和普及。DTMB在频谱利用率、接收门限、支持多业务、单频网组网方面，比DVB-T，ATSC和IS⁃DB-T都有一定的技术优势[1-4]。

通过近几年的DTMB标准的应用，并对多种接收机进行了大量的数据测试，本文给出了DTMB标准的两个性能优化方向，同时也给出了在现有DTMB标准下，接收机应解决的技术难点，相关结果为进一步优化标准或者优化DTMB标准接收机提供了重要参考。

1 DTMB系统[1]简介

1.1 信号帧

信号帧是系统帧结构的基本单元，一个信号帧由帧头和帧体两部分时域信号组成。帧头和帧体信号的基带符号率相同（7.56 MS/s）。帧头部分由PN序列构成。帧头信号采用I路和Q路相同的4QAM调制。帧体部分包含36个符号的系统信息和3 744个符号的数据，共3 780 个符号。帧体长度是500 μs（3 780×1/7.56 μs）。

为适应不同应用，定义了3种可选帧头模式以及相应的信号帧结构，详见图1。3种帧头模式所对应的信号帧的帧体长度保持不变。

1.2 帧头

1.2.1 帧头模式1

帧头模式1采用的PN序列为循环扩展的8阶m序列，经0到+1及+1到-1的映射，变换为非归零的二进制符号。帧头信号（PN420），由一个前同步、一个PN255序列和一个后同步构成，前同步和后同步定义为PN255序列的循环扩展，如图2所示。对PN420来说，帧头信号的平均功率是帧体信号平均功率的2倍。

1.2.2 帧头模式2

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1 023的m序列的前595个码片。与帧头模式1一样，通过映射变换为非归零的二进制符号。对PN595来说，帧头信号的平均功率与帧体信号的平均功率相同。

1.2.3 帧头模式3

帧头模式3采用的PN序列定义为循环扩展的9阶m序列，其定义类似于PN420，如图3所示。同样，对PN945来说，帧头信号的平均功率是帧体信号平均功率的2倍。

2 两点优化建议

2.1 PN945和PN420功率保持与帧体信号一致

在DTMB现有的标准中，对于PN420和PN945来说，帧头信号的平均功率是帧体信号平均功率的2倍。帧头作为保护间隔，其功率的加倍将对DTMB信号的峰均功率比有改善。对接收机而言，由于信道检测、信道同步都是通过保护间隔完成的，因此帧头信号功率的加倍提高了接收机检测DTMB信号的灵敏度。随着接收机技术的不断成熟，这两项优点已不再突出。

对接收机而言，保护间隔是不携带有效信息的。保护间隔的作用使得接收机能完成信道同步、信道估计等功能。在同一信道下，假定长度为3 780的帧体部分的接收机最小接收载噪比门限为Cmin/N=A0=10log（Ps/N0）。其中Ps为符号长度为3 780的帧体信号（500 μs）功率，N0表示长度为500 μs内的噪声功率。

对于帧头模式2，对于同一信道的接收机而言，用一个信号帧来分析其载噪比门限Cmin/N（595），信号帧的能量为（3 780+595）/3 780×Ps，而一个信号帧的噪声能量为（3 780+595）/3 780×N0。对于连续的DTMB信号，帧头模式2的Cmin/N（595）可近似为

Cmin/N（595）=10log（4 375×（Ps/N0）/4 375）=A0（1）

对于帧头模式1，同样用一个信号帧来分析其载噪比门限Cmin/N（420），信号帧的能量为（3 780+420×2）/3 780×Ps，而一个信号帧的噪声能量为（3 780+420）/3 780×N0。对于连续的DTMB信号，帧头模式1的Cmin/N（420）可近似为

同样，对于帧头模式3，同样用一个信号帧来分析其载噪比门限Cmin/N（945），信号帧的能量为（3 780+945×2）/3 780×Ps，而一个信号帧的噪声能量为（3 780+945）/3 780×N0。对于连续的DTMB信号，帧头模式3的Cmin/N（945）可近似为

从上述理论分析看，保护间隔平均功率的增加，造成了接收机最小接收载噪比门限的增大，对接收机的接收性能有少许恶化。

在现有接收机下，无法更改帧头的功率，因此针对同样的纠错编码，同样的星座图调制模式，不同的保护间隔下，对不同接收机进行了大量的数据测试。测试结果表明，帧头功率加倍的PN420的最小接收载噪比门限大于帧头功率与帧体功率一致的PN595模式的最小接收载噪比门限，而小于帧头功率加倍的PN945的最小接收载噪比门限。表1所示为16QAM/FEC0.8/TI720在不同帧头模式下的C/N，表2所示为64QAM/FEC0.6/TI720在不同帧头模式下的C/N。表3为同一接收机不同帧头模式的多种工作模式下的接收机的最小C/N门限。

表1 不同帧头模式16QAM/FEC0.8/TI720时，不同接收机的C/N门限

表2 不同帧头模式64QAM/FEC0.6/TI720时，不同接收机的C/N门限

表3 不同帧头模式的多种工作模式下同一接收机的最小C/N门限

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通过上述对比测试数据可知，PN945的载噪比C/N门限明显大约PN420的门限，而PN420的载噪比C/N门限也明显高于PN595。可见保护间隔平均功率的增加，造成了接收机最小接收载噪比门限的增大。对接收机的接收性能有少许恶化。

2.2 PN945和PN420帧头模式采用全M序列的截短码

在DTMB现有的标准中，对于PN420和PN945来说，帧头信号均有一个M序列循环扩展而成的前同步和后同步。对有接收机而言，帧头的前后同步不但可以很好地发挥保护间隔的作用，而且在多径信道中，可以很好地保护主径信号，使得信道同步和信道估计算法更简单。随着接收机技术的不断成熟，这项优点亦不再突出。

而对于接收机，对于两径的时变信道而言，假定接收机收到的第一个信号为静态径，而同时也收到第二个信号径，其强度与第一个信号径一样，且为时变信号，即存在强多普勒情况，此时如果两个径的延时相对较大，则存在难以处理的情况。图4所示为两个信号径的帧头在时域上的叠加情况。

在接收端，接收机收到的信号S（t）是两径信号的叠加信号。通过接收端已知PN对接收信号进行卷积运算的信道估计时，已知PN的循环扩展（前同步和后同步）会产生同样效果的相关峰。当两径的信号强度相同且为时变信道，当两径的间隔较小时，接收机很容易估计出相对稳定的主径，因而接收机将会对此种信道具有良好的鲁棒性。但当两径的信号强度相同且为时变信道，当两径的间隔较大时，由于前同步和后同步与PN序列一样，会产生同样效果的相关峰，接收机在高阶调制模式下（例如64QAM）将很难辨别此种时变信道。要解决此种信道，将加大接收机的设计难度，目前，已有能够很好地解决此种信道的接收机上市。

对于PN420来说，当动态径延时约超过（82+255）/2=168个符号时，接收机将变得较难处理，而这个时间理论上为22.2 μs。对于PN945来说，由于保护间隔本身较长，在实际应用中基本不受影响，本文未对PN945的情况进行深入研究测试。

在实验室中，设定径1信号为静态径，径的损耗为0 dB，信号径延时为0 μs；设定径2信号为纯多普勒径，第二径的多普勒固定为20 Hz，其延时为变量。测试帧头模式为PN420的接收机，当第二径延时较小时，基本上所有接收机都可正常工作。而随着第二径延时的增大，当其延时超过20 μs后，基本所有接收机都不能工作。同时，也测试了第二径在不同延时下，不同接收机能够处理的最大多普勒，其测试结果如表4所示，其测试模式的工作模式为PN420/64QAM/FEC0.6/TI720，测试所用频道为12频道（474 MHz）。从表中的测试结果看，大部分的接收机很难处理20 μs以上的时变多径。测试结果同时也表明，已经上市的产品中，已有可以较好解决此问题的能力。

表4 不同接收机适应时变信道的能力

3 小结

本文通过理论分析，保护间隔的平均功率是帧体信号平均功率的2倍，将一定程度地弱化接收机的接收性能，而实际的测试数据也证明了这一点，故建议所有保护间隔的平均功率与帧体信号平均功率一致。以PN循环扩展作为帧头模式的前同步和后同步，对某些特定的信道下，其鲁棒性会降低，而测试数据也支持这一点。而要解决好这种特定的信道，将增加接收机的设计难度，故建议所有帧体采用全M序列的缩短码。

现有的DTMB标准已经优于国际上其他的3种DTTB标准，加上DTMB标准在广泛推广，足以显示其优越性。本文给出的两点建议是建立在DTMB实际应用中发现的一些细小差别基础上，使其更优的并且能较简单实现的建议。同时在现有DTMB标准下，在接收端通过一定的算法实现，实际使用的细小差别也将会被克服，例如建议二，这也是给现有接收机的设计提出了一点要求，是接收机实际应解决的技术难点。

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[1]GB 20600—2006，Framing structure，channel coding and modula⁃tion for digital television terrestrial broadcasting system[S].2006.

[2]GB/T 26685—2011，地面数字电视接收机测量方法[S].2011.

[3]ATSC recommended practice:receiver performance guidelines[EB/OL].[2014-02-02].http://www.bsk.com.tw/a_74.pdf.

[4]杨知行.地面数字电视国家标准DTMB技术解读[EB/OL].[2014-02-02].http://wenku.baidu.com/link?url=A8wNOinR3KsbkqKkjkqgSlS ⁃fUNGFNqCjk19B4fCoO_dZaM4V_orL7h1CeHpkp8PSPj2W 2d28bcTdviIAPAad61CxoxcZ1Ij-TxfTWEh682CC.