ADTB-T,國標ADTB-T技術的特點及應用

Advanced Digital Television Broadcasting System-Terrestrial

為混合傳輸模式的單載波系統，是由美國ATSC 標準發展而來。是一種“單載波”調制技術方案，采用4 位或16 位QAM 變調方式，并在其中融入了獨特的平均化技術，使用8MHz 帶寬，擁有5Mbit/s、10Mbit/s、20Mbit/s 三種傳輸模式。突破了目前國際上普遍認為的單載波無法實現移動接收似的技術瓶頸。其移動接收信號的性能（接收率和接收靈敏度），優于歐洲DVB-T 標準。其所需的靈敏度為-82dBm(最大20Mbit/秒)～-92dBm(最大5Mbit/秒)。
? 有效的數據結構：滿足靈活的綜合數字業務和抗干擾要求
? 單載波調制技術：4/16/64O-QAM
? 雙導頻輔助同步技術：穩健的上下導頻輔助同步系統
? 優秀的信道編解碼技術：級聯的交織內外碼FEC
? 強大的對抗信道衰落的均衡技術：0dB 多經和前、后向回波
? 更多高效的接收處理技術：普通高頻頭＋復雜的數字信號處理
? 大容量移動接收：移動條件下最高速率可達12Mbps

其特點為：

? 首次實現大容量（12Mbps）的高速移動接收
? 首次實現單載波的單頻網技術，使車載業務成為可能
? 首創并實現不依賴GPS 系統的單載波單頻網組網，安全性、可靠性得到保障，并已經投入實際運營
? 提供了高/中/低碼率業務混合傳輸的可能性，為運營者提供了選擇更多業務模式的可能
? 穩定可靠的固定接收性能，兼容有線接收
? 采用低階調制，信號的峰均比更低（意味著對發射端的功率要求較低），對非線形失真不敏感的特點，可利用現有的模擬發射機進行大功率發射，進而實現地面廣播由模擬到數字的低成本的升級，電視臺無需對設備進行大規模的改造
? 頻帶利用合理，載噪比門限低，有利于今后頻譜規劃，能做到更好的信號覆蓋
? 對抗相位噪聲的能力強
? 跟蹤快速變化信道的能力強
? 采用雙導頻信號，載波恢復和時鐘恢復更穩健，可靠

國標ADTB-T技術的特點及應用

摘要:中國國家標準化委員會于2006年8月頒布了數字電視地面標準“《數字電視地面傳輸系統幀結構、信道編碼和調制技術規范》”。該標準的主要技術基礎之一就是上海交通大學多年積累的ADTB-T技術。本文針對我國數字電視地面廣播需求，闡述了ADTB-T技術的特點，指出了ADTB-T技術的具體內容。本文進一步以國標ADTB-T技術的部分測試結果，推廣應用情況輔證了國標ADTB-T技術的優勢。
一、數字電視地面廣播需求

1.1地面數字電視廣播系統的業務需求

??? 地面數字電視廣播系統是廣播電視體系中的重要組成部分，它與衛星數字電視廣播系統和有線數字電視廣播系統以及其它輔助系統一起相互協同提供全面的受眾覆蓋。目前，我國有約2/3的用戶通過模擬無線方式接收電視號。全國共有3.5億戶家庭，其中有線接收為1.26億戶，無線接收超過2億戶，他們大多分布在城郊和農村，這些用戶迫切需要更多更穩定的電視節目。制定數字電視地面標準的主要目的是為廣大無線接收用戶提供可靠的數字電視接收方案和規范。國家有關主管部門也充分的看到了以上我國電視廣播體系的特點，從
他們的多次公開發言中可以預見，當明年8月后，該標準正式執行后，地面固定覆蓋仍是主流業務，解決廣大中西部用戶看電視難將是首要解決的問題，標準的應用將主要集中于地面固定覆蓋上。另一方面，標準的新技術將催生新媒體，車載、樓宇、便攜的商業模式的逐漸形成，而手機電視標準將會另行制定。

??? 另外，在自然災害、戰爭等情況下，較之有線電視和衛星電視而言，地面電視是最有效的具有快速恢復廣播電視覆蓋能力的傳輸系統。

1.2地面數字電視廣播系統的技術要求

??? 數字電視地面廣播標準研究開發和制定，首先需要最大程度滿足我國數字電視地面廣播業務需求。針對我國地面數字電視業務需求，對于地面數字電視系統的技術要求總結如下：

覆蓋范圍要求

??? 廣電總局提出的數字電視地面廣播的各項業務需求中，對覆蓋范圍的要求是最根本的。在數字電視時代，判別覆蓋范圍能力的依據應該是：利用現有的模擬發射點，以盡量小的功率發射來有效覆蓋所有的區域。影響覆蓋范圍的因素主要有以下兩點。

??? 第一，接收系統的靈敏度指標是決定覆蓋范圍能力的基本指標。越小的靈敏度要求意味著越小的發射功率能夠有效地覆蓋相同的面積。

??? 第二，發射信號峰均比指標將決定對發射機峰值功率的要求。該指標是實現上述用較小功率數字信號發射來簡單替換原有模擬覆蓋的重要因素，也是用同等發射功率來有效擴大覆蓋的有利因素。值得注意的是，發射信號峰均比對于低成本的進行模擬電視向數字電視過渡也是很重要的。低的峰均比指標意味著對發射機線性度要求低，可以直接啟用模擬發射機。

??? 在以上2個指標得到保證的前提下，才可以通過多頻網、局部單頻網、同頻轉發補點等手段完成全國的有效覆蓋。

抗信道衰落能力

??? 在惡劣（頻率選擇性衰落）、動態（時變）信道情況下，數字電視接收系統的靈敏度指標會有一定的惡化，甚至引起接收無條件失敗。特別在單頻網環境中，將增加惡劣多徑的可能性。在實驗室中，通常以抗0dB多徑的能力來檢驗接收機抗惡劣信道的能力；在瑞利信道下，以可承受的最大多普勒速度來評判接收系統的動態能力。

頻率規劃要求

??? 在模擬電視向數字電視過渡的時期中，數字電視頻譜資源將會更緊張，只有有效的啟用鄰頻發射才能有效地提高全網的頻譜利用率。此時，接收系統將受到模擬同/鄰頻干擾、數字同/鄰頻干擾。即使在全數字電視時期，如果能夠支持鄰頻工作，將進一步提高頻譜利用率，簡化頻率規劃過程。

??? 抗模擬同/鄰頻干擾能力、抗數字同/鄰頻干擾能力高低將決定頻譜規劃的有效性，以及能否提高頻譜的利用率。

?

二、ADTB-T技術的本質

??? 上海交通大學等單位提出并研制成功的高級數字電視地面廣播傳輸技術ADTB-T，是針對我國數字電視地面廣播實際業務需求及技術要求，發展的一套支持大容量、高速度、單載波移動和固定接收以及單頻組網的新技術。該技術在承接單載波系統覆蓋范圍性能好、抗同鄰頻干擾能力強的基礎上，進一步的解決了抗惡劣、動態信道干擾，以及單頻組網的國際性難題，具有廣泛的應用前景。ADTB-T已經成為2006年8月頒布的國標《數字電視地面傳輸系統幀結構、信道編碼和調制技術規范》的主要技術基礎之一。

??? ADTB-T系列技術主要包括以下部分：

2.1單載波調制

??? 所謂單載波調制技術，是將需要傳輸的數據流調制到單個載波上進行傳送，目前應用最為廣泛的是QAM，OQAM，PSK等星座映射方式。單從調制技術本身來看，具有信號峰均比低；接收靈敏度號；對載波偏差、相位噪聲不敏感；實現簡單等優點。但傳統的單載波技術對付信道衰落的能力較差。在國標中，單載波調制方式已經成為“幀體數據處理”模式中的一種，在國標的所有支持模式中，超過一半均為單載波調制。必須指出，單純的調制技術是無法滿足數據可靠傳輸的需要，還需要數據結構、信道編解碼方案、同步與均衡算法的支持來保持單載波本身的優勢，進一步提高對付信道衰落的能力。

2.2簡潔有效的數據結構

??? 數據結構的簡潔有利于接收系統的低成本實現，有利于快速同步與均衡。一個簡潔的數據結構的基本單元至少包括3部分：確知信息、系統信息以及編碼數據。ADTB-T技術的一大特點就是數據結構以“幀”為基本單元，包括幀頭（確知信息）、加強保護的系統信息、經高效編碼保護的數據信息。

??? 幀頭應該選擇具有偽隨機特性的序列（PN），插入的周期應該在500微秒到1毫秒之間，
序列長度應大于判決反饋均衡器的級數，這樣既保證了傳輸效率，又能夠提高抗信道動態衰
落的能力。

??? 在國標中，滿足以上幀頭要求的幀格式如圖1：

2.2.1幀頭格式

??? 國標中明確規定了“幀頭模式2采用10階最大長度偽隨機二進制序列截短而成，幀頭信號的長度為595個符號，是長度為1023的m序列的前595個碼片。幀頭信號的平均功率與幀體信號的平均功率相同。”

由于均衡器抽頭的最佳維納解是：

??? 其中R是均衡輸入的相關矩陣，pr是均衡輸入數據與期望恢復值之間的相關矢量。只有采用非循環簡潔的偽隨機二進制序列作為幀頭，才能保證在幀頭階段（均衡器抽頭收斂的最佳時期），信道輸入的R是對角陣，這有利于信道均衡快速收斂到最佳解。

??? 幀頭功率與幀體信號的平均功率相同保證了單載波信號的低峰均比特性。

2.2.2系統信息

??? 國標中采用ADTB-T技術中的walsh正交序列聯合擴頻序列的方式來保護傳輸中的系統信息，使得系統信息在多徑時變信道時有很強的抗衰落特性。通過該方式保護的系統信息具有很強的魯棒性，這對于未來的多模式混合新業務出現時，需要在不同的幀傳輸不同的模式，有很大的意義。

2.3高效信道編碼方案與低階星座映射的結合

??? 近年來，隨著信道編譯碼技術的飛速發展，基于軟輸入多次迭代的信道編碼方案不斷出現，其代表是Turbo乘積（TPC）編碼與低密度校驗（LDPC）編碼。這2類碼都有一個特性：越是高效率的編碼，其性能越容易接近香農限。而對于單載波調制，在均衡輸出期望已經消除信道頻率選擇性衰落的影響，輸出數據是“白”的，更容易體現高效TPC與LDPC的性能。另一方面，低階星座映射能夠提供更大的歐氏距離，這對于均衡收斂帶來很大的好處。所以，高效信道編碼方案與低階星座映射的結合既保證了頻譜效率又提升了抗信道衰落的性能。

??? 在國標中采用以下的組合就可以實現5.197Mbps到25.989Mbps的碼率傳輸：

??? 應該注意到，LDPC基于比特節點和校驗節點之間迭代運算的各種譯碼算法不可避免要使用大量分散的RAM塊；并且不同碼率的編碼不能像傳統的卷積編碼可以通過穿孔來實現，這將導致不同碼率的碼有各自的校驗矩陣，各自的解碼實現。所以與傳統的維特比譯碼與RS譯碼相比，LDPC的硬件復雜度和實現成本將會有較大的提高，特別在同時實現多種碼率的LDPC解碼時，硬件復雜度將進一步提高，采用ADTB-T的高效信道編碼與低階星座映射結合的技術有利于接收芯片復雜度的降低。

2.4 基于雙導頻及已知序列的同步技術

??? 采用雙導頻技術：雙導頻信號僅僅占用0.2 dB的信號功率，可以用于載波恢復、時鐘恢復、均衡等。采用雙導頻技術，可以在信道條件特別惡劣的情況下，進行載波/時鐘恢復。下圖為國標中添加雙導頻的頻譜圖。

??? 在導頻信號不存在的情況下，可以利用PN序列來檢測一定范圍的載波偏差。對于相鄰2幀的PN頭信號，這兩段信號之間的發送延時為，由于PN序列良好的自相關性有利于分離多徑的影響，就不妨設這兩段已知信號是一段完全一樣的PN序列，記為PN(t)以及PN(t-T1)，其中0≤t≤T;T

2.5 改進的均衡接收技術

??? ADTB-T的均衡技術在傳統的LMS算法基礎上，依靠國標中的簡潔數據結構，采用NR準正交解映射與均衡結合的新算法，同時開發了一批專利保護的重疊結構技術，突破了單載波抗0dB多徑、高速移動接收的難題。同時，均衡LMS算法能夠自適應的對付單頻干擾、窄帶干擾。這是單載波技術能夠很好的對付模擬同/鄰頻（單頻）干擾、數字同/鄰頻（窄帶）干擾的理論基礎。

三、國標ADTB-T技術的部分測試結果與分析

??? 符合國標參數的PN595+單載波+多載波的融合接收機在今年7月在北京已經作了測試。測試結果表明，以交大時域技術為基礎的單多載波融合接收機繼承了交大長年的研發技術優勢，與固定覆蓋性能有關的各技術指標上與國標的其他模式相比均有較明顯的優勢，這些指標包括靈敏度、抗同頻/鄰頻性能、峰均比等。同時，該融合接收機能夠支持900多公里的移動接收，遠超過國標中的其他模式。

??? 按照國標中的要求，定義以下碼率：

?

部分具體測試結果如下：



注：測試值越大，表示系統抗動態多徑干擾和高斯噪聲能力越強。

3.2動態多徑信道下的最大多普勒頻移



注：測試值越大，表示系統抗動態多徑干擾和高斯噪聲能力越強。

??? 在使用UHF頻段時，最大多普勒頻移649Hz意味著約900公里的移動速度，而其它數字電視地面傳輸系統已公開的最多也只有150Hz左右。

3.3同頻保護率



注：測試值越小，表示系統的抗同頻干擾能力越強。

??? 從測試結果可以看出，只要采用PN595模式，并且用ADTB-T技術接收，即使是多載波也能取得較好的抗模擬同頻的能力；而采用其它模式和技術，即使是單載波性能要差7dB以上。

3.4上、下鄰頻保護率



???? 從測試結果可以看出，只要采用PN595模式，并且用ADTB-T技術接收，即使是多載波也能取得較好的抗模擬、數字鄰頻的能力；而采用其它模式和技術，無論是單載波還是多載波性的抗數字鄰頻能力要差8dB以上，抗模擬鄰頻的能力要比PN595單載波差3dB。

?3.5峰值平均功率比

?

??? 值得注意的是，當采用PN420或者PN945作為幀頭模式時，由于幀頭功率加倍，即使再選用單載波調制方式也不能得到峰均比低的優勢了。

四、ADTB-T技術的推廣應用

??? 在前端發射系統方面，基于國標交大技術的調制器已經實現了與北廣電子、上海明珠、北京吉兆、浙大宏遠、意大利泰克諾、美國哈里斯、德國羅德斯瓦茨、日本營電等十余家國內外數字電視發射機和專業測試設備的集成，并已在上海、湖南、山東、安徽、河南等地商業運營近2年，采用國標交大技術的發射機已實現銷售過百臺，總發射功率超過50千瓦。從實際商用的情況看，國標交大技術因其具有較低的發射機非線性指標要求、優越的抗領頻性能、獨特的單頻組網技術等，為各地電視臺帶來了低成本、高可靠、安全、可持續運營的地面數字電視廣播技術解決方案，為國內發射機產業帶來了難得的發展機遇。

??? 國標確定后，全國各地省、市、縣廣播電視機構紛紛主動聯系上海交大，要求使用國標交大技術，迅速解決長期困擾當地的有線電視網外老百姓看電視難問題。經過多年在全國各地大量的廣播工程技術實踐，國標交大技術已得到了全國廣大基層廣電用戶的高度認可，基于國標交大技術的大面積固定覆蓋系統解決方案“神州家家通”受到各地基層廣電的熱烈歡迎。上海交大已建成的大面積固定覆蓋試驗示范平臺包括：湖南株洲（市縣地面電視組網覆蓋）、上海崇明（三島地面電視組網覆蓋）、河南安陽（市級地面電視覆蓋）、安徽鳳陽（縣級地面電視覆蓋）等，形成了適應我國各地不同類型應用的廣播工程示范體系。迄今為止，
實際安裝的用戶超過3萬，可靠運營的平均時間超過1年，明確的用戶訂單數超過100萬。在示范工程的推動下，國標確定后，又有不少省市與上海交大取得聯系，希望啟動國標地面數字電視家家通應用，解決當地覆蓋問題。其中，安徽、湖南等省已經完成全省覆蓋協議談判，明確希望使用國標交大技術覆蓋全省，上述兩省的潛在用戶數量就超過了2000萬。此外，意向使用交大技術啟動覆蓋業務的地區還包括新疆、內蒙古、廣西、江蘇、福建、貴州、江西等省份。

??? 除了大面積固定覆蓋，上海交大也同時推出了符合各地不同業務需求的移動電視、高清廣播示范工程，其中包括上海城區五點單頻網車載移動電視、山東威海車載公交移動電視和上海城區的“新視覺”高清晰度數字電視地面廣播示范工程。

??? 地面數字電視替代地面模擬電視是一個相當復雜的轉換過程，作為行業應用的主管單位，國家廣電總局高度重視國標確定后的廣播推動工作，并高度認可采用國標交大技術開展國內大面積地面數字電視覆蓋業務。廣電總局廣播科學研究院已決定與交大在上海崇明、安徽共同進行地面電視覆蓋政策研究，為國標全方位實施后的頻譜規劃提供工程實施依據。

五 本文小結

??? 本文針對中國地面數字電視廣播的實際需求，介紹了ADTB-T技術的特點以及ADTB-T技術在國標中的應用。從技術原理以及測試情況可以看出，ADTB-T系列技術是符合中國地面數字電視廣播實際要求的一套核心技術。本文進一步指出ADTB-T不僅僅指單載波調制，ADTB-T技術是一套完整的調制與解調的技術體系，包括了單載波調制、高效信道編解碼、低階星座映射、固定簡潔的數據結構、魯棒的同步技術以及改進的均衡算法這一系列的技術。在國標中具體體現在PN595+單載波+高效信道編碼+擴頻保護系統信息+低階星座映射+雙導頻+均衡技術。

作者：上海交通大學 圖像通信研究所，無線通信研究所 管云峰，梁偉強，何大治