12中国数字电视地面广播传输系统解读Word文件下载.docx
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发送端原理如图1所示。
图1发送端原理框图
2、3接口
数据输入接口支持标准GB/T17975.1信息技术运动图像及其伴音信息的通用编码第1部分:
系统。
射频输出接口符合标准SJ/T10351电视发射设备通用技术条件。
2、4编码和调制
2、4、1加扰
为了保证传输数据的随机性以便于传输信号处理,输入的数据码流数据需要用扰码进行加扰。
扰码是一个最大长度二进制伪随机序列,扰码序列周期为215-1。
该序列由图2所示的线性反馈移位寄存器生成。
其生成多项式定义为:
G(x)=1+x14+x15…………………………………………
(1)
该线性反馈移位寄存器的初始相位定义为100101010000000。
输入的比特码流(来自输入接口的数据字节的MSB在前)与PN序列进行逐位模二加后产生数据扰乱码。
扰码器的移位寄存器在信号帧开始时复位到初始相位。
图2扰码器组成框图
国家标准规定的输入数据流的扰码周期为一个信号帧长度。
根据调制方式与编码效率的不同,扰码周期分别为2-12个TS包不等。
2、4、2前向纠错
扰码后的比特流接着进行前向纠错编码。
前向纠错编码由外码(BCH)和内码(LDPC)级联实现。
编码效率共三种。
FEC码的具体参数见表1。
FEC码参数
号编
TS包数量
BCH(762,752)数量(个)
信息比特
LDPC
块长[比特]
对应的编码效率
码率1
2
4
3008
LDPC(7493,3048)
7488
0.4
码率2
3
6
4512
LDPC(7493,4572)
0.6
码率3
8
6016
LDPC(7493,6096)
0.8
系统外码采用BCH(762,752)码,固定编码效率。
内码采用LDPC码,其输出码长固定,根据编码效率的不同,LDPC输入信息比特各不相同。
在进行LDPC编码时,将删除LDPC输出码块中前5个校验比特。
BCH码是一种特别重要的循环码,是以三个发明人的字头命名的循环码。
所谓循环码是指,一个(n,k)循环码是码长为n、有k个信息位的线性分组码,任一码字的每次向左或向右循环移位,得到的是另一个码字。
BCH码解决了生成多项式与纠错能力的关系,可以方便地得到能纠正多个随机错误的码。
对于任意选定的正整数m和t,必定存在一个长为2m-1的BCH码,它能够纠正t个随机错误(或检测2t个错误),而且生成多项式的次数即是校验位数,不大于mt。
因此,这种码的信息位数k≥2m-mt-1。
如果找不到合适长度的循环码,可以把循环码的信息位截短,这种码称为截短循环码。
一般情况下,可以由(n,k)码组集合中,挑出前面i个(0<
i<
k)信息位为0的所有码组,组成一个(n-i,k-i)的截短循环码。
BCH(762,752)码由BCH(1023,1013)系统码缩短而成。
在752比特数据扰乱码前添加261比特0成为1013比特,编码成1023比特(信息位在前)。
然后去除前261比特0,形成BCH(762,752)码字。
一个BCH(762,752)码块,能纠正1比特误码。
该BCH码的生成多项式为:
GBCH(x)=1+x3+x10………………………………………………………
(2)
三种码率的前向纠错码使用同样的BCH码。
LDPC码的生成矩阵Gqc的结构如(3)式所示:
………………………(3)
其中,I是b×
b阶单位矩阵,O是b×
b阶零阵,而Gi,j是b×
b循环矩阵,取
,
。
BCH码字按顺序输入LDPC编码器时,最前面的比特是信息序列矢量的第一个元素。
LDPC编码器输出的码字信息位在后,校验位在前。
LDPC码由循环矩阵Gi,j生成。
Gi,j和校验矩阵在标准的附录A和B中给出。
三种不同内码码率的FEC码的结构分别为:
1)码率为0.4的FEC(7488,3008)码:
先由4个BCH(762,752)码和LDPC(7493,3048)码级联构成,然后将LDPC(7493,3048)码前面的5个校验位删除。
LDPC(7493,3048)码的生成矩阵Gqc具有(3)式所示的矩阵形式,其中参数k=24,c=35和b=127。
2)码率为0.6的FEC(7488,4512)码:
先由6个BCH(762,752)码和LDPC(7493,4572)码级联构成,然后将LDPC(7493,4572)码前面的5个校验位删除。
LDPC(7493,4572)码的生成矩阵Gqc具有(3)式所示的矩阵形式,其中参数k=36,c=23和b=127。
3)码率为0.8的FEC(7488,6016)码:
先由8个BCH(762,752)码和LDPC(7493,6096)码级联构成,然后将LDPC(7493,6096)码前面的5个校验位删除。
LDPC(7493,6096)码的生成矩阵Gqc具有(3)式所示的矩阵形式,其中参数k=48,c=11和b=127。
2、4、3符号星座映射
概述
前向纠错编码产生的比特流要转换成均匀的nQAM(n:
星座点数)符号流(最先进入的FEC编码比特作为符号码字的LSB)。
本标准包含以下五种符号映射关系:
64QAM、32QAM、16QAM、4QAM、4QAM-NR(准正交编码映射)。
各种符号映射加入相应的功率归一化因子,使各种符号映射的平均功率趋同。
以下星座图已经考虑功率归一化要求。
64QAM映射
对于64QAM,每6比特对应于1个星座符号。
FEC编码输出的比特数据被拆分成6比特为一组的符号(b5b4b3b2b1b0),该符号的星座映射是同相分量I=b2b1b0;
正交分量Q=b5b4b3,星座点坐标对应的I和Q的取值为-7,-5,-3,-1,1,3,5和7。
其星座映射见图3。
图364QAM映射
32QAM映射
对于32QAM,每5比特对应于1个星座符号。
FEC编码输出的比特数据被拆分成5比特为一组的符号(b4b3b2b1b0)。
星座点坐标对应的同相分量I和正交分量Q的取值为-7.5,-4.5,-1.5,1.5,4.5,7.5。
其星座映射见图4。
图432QAM映射
16QAM映射
对于16QAM,每4比特对应于1个星座符号。
FEC编码输出的比特数据被拆分成4比特为一组的符号(b3b2b1b0),该符号的星座映射是同相分量I=b1b0;
正交分量Q=b3b2,星座点坐标对应的I和Q的取值为-6,-2,2,6。
其星座映射见图5。
图516QAM映射
4QAM映射
对于4QAM,每2比特对应于1个星座符号。
FEC编码输出的比特数据被拆分成2比特为一组的符号(b1b0),该符号的星座映射是同相分量I=b0;
正交分量Q=b1,星座点坐标对应的I和Q的取值为-4.5,4.5。
其映射见图6。
图64QAM映射
4QAM-NR映射
4QAM-NR映射方式是在4QAM符号映射之前增加一个编码效率为1/2的NR准正交编码映射,它的符号星座图与4QAM完全相同。
首先对FEC编码后的数据信号进行基于比特的卷积交织,然后进行一个8比特到16比特的NR准正交预映射(具体映射关系在附录C中给出),再把预映射后每2个比特按照4QAM调制方式映射到星座符号,直接与系统信息复接。
2、4、4符号交织
完成了星座映射的数据符号接着要进行交织处理,根据载波数量的不同,系统采用的交织方式也不同。
载波数量为C=3780时,系统同时采用符号交织和频域交织;
当单载波工作模式时,系统仅采用符号交织。
对于4QAM、16QAM、32QAM和64QAM等映射方式,无须比特交织处理,而是在映射完成后进行时域符号交织。
时域符号交织编码是在多个信号帧的基本数据块之间进行的。
数据信号(即星座映射输出的符号)的基本数据块间交织采用基于星座符号的卷积交织编码,如图7所示,其中变量B表示交织宽度(支路数目),变量M表示交织深度(延迟缓存器中缓存单元)。
进行符号交织的基本数据块的第一个符号与支路0同步。
交织/去交织对的总时延为M×
(B-1)×
B符号。
取决于应用情况,基本数据块间交织的编码器有2种工作模式:
⏹模式1:
B=52,M=240符号,交织/解交织总延迟为170个信号帧,总时延为100ms;
⏹模式2:
B=52,M=720符号,交织/解交织总延迟为510个信号帧,总时延为300ms。
图7卷积式数据块间交织
在采用4QAM-NR映射方式时,首先对数据流进行比特交织,然后再映射,而映射后的符号无须再交织。
2、4、5频域交织
频域交织仅适用于C=3780模式,目的是将调制星座点符号映射到帧体包含的3780个有效子载波上。
频域交织为帧体内的符号块交织,交织大小等于子载波数3780。
进行频域交织的帧体数据前36个元素为系统信息符号,后3744个元素为数据符号。
为了使频域交织输出的36个系统信息符号集中放置,首先将这36个系统信息符号插入到3744个数据符号中,具体插入位置如下:
0,140,279,419,420,560,699,839,840,980,1119,1259,1260,1400,1539,1679,1680,1820,1959,2099,2100,2240,1379,2519,2520,2660,2799,2939,2940,3080,3219,3559,3360,3500,3639,3779。
具体交织运算过程在规范中有说明。
具体交织图样见标准的附录F。
2、5复用
2、5、1复用结构
对交织后的数据符号进行组帧。
本系统的数据帧结构如图8所示,是一种四层结构。
其中,数据帧结构的基本单元为信号帧,信号帧由帧头和帧体两部分组成。
超帧定义为一组信号帧。
分帧定义为一组超帧。
帧结构的顶层称为日帧(CalendarDayFrame,CDF)。
信号结构是周期的,并与自然时间保持同步。
图8复帧的四层结构
a)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(7.56Msps)。
帧头部分由PN序列构成,帧头长度有三种选项。
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3744个符号的数据,共3780个符号,C=3780时,子载波间隔为2kHz。
帧体长度是500μs(3780×
1/7.56μs)。
b)超帧
一组信号帧定义为超帧。
超帧的时间长度定义为125毫秒,8个超帧为1秒,这样便于与定时系统(例如GPS)校准时间。
超帧中的第一个信号帧定义为首帧,由系统信息的相关信息指示。
c)分帧
一个分帧的时间长度为1分钟,包含480个超帧。
d)日帧
日帧以一个公历自然日为周期进行周期性重复,由1440个分帧构成,时间为24小时。
在北京时间00:
00:
00AM或其它选定的参考时间,日帧被复位,开始一个新的日帧。
2、6信号帧
2、6、1信号帧结构
数据帧结构的基本单元为信号帧,信号帧由帧头和帧体两部分组成,为适应不同应用,定义了三种可选帧头模式以及相应的信号帧结构,见图9a),b),c)。
三种帧头模式所对应的信号帧的帧体长度和超帧的长度都保持不变。
对于图9a)的帧结构,每225个信号帧组成一个超帧(225×
4200×
1/7.56μs=125ms);
对于图9b),每216个信号帧组成一个超帧(216×
4375×
对于图9c),每200个信号帧组成一个超帧(200×
4725×
1/7.56μs=125ms)。
信号帧包含帧头和帧体两个部分,根据帧头的不同,有三种结构。
帧头(420个符号)(55.6μs)
帧体(含系统信息和数据)(3780个符号)(500μs)
a)采用帧头模式1的信号帧结构1
帧头(595个符号)(78.7μs)
b)采用帧头模式2的信号帧结构2
帧头(945个符号)(125μs)
c)采用帧头模式3的信号帧结构3
图9信号帧结构
信号帧结构的顶层为日帧,由1440个分帧构成。
在24小时内,传输的信号帧数量是整数。
表2所示是数据帧结构参数。
表2数据帧结构参数
信号帧结构
信号帧数量/超帧
信号帧数量/分帧
信号帧数量/日帧
结构1(555.6μs)
225
10800
155520000
结构2(578.7μs)
216
10380
149299200
结构3(625μs)
200
96000
138240000
2、6、2帧头
a、帧头模式1
帧头模式1采用的PN序列定义为循环扩展的8阶m序列,可由一个LFSR实现,经“0”到+1值及“1”到-1值的映射变换为非归零的二进制符号。
长度为420个符号的帧头信号(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,其中前同步长度为82个符号,后同步长度为83个符号,见图10。
LFSR的初始条件确定所产生的PN序列的相位。
在一个超帧中共有225个信号帧。
每个超帧中各信号帧的帧头采用不同相位的PN信号作为信号帧识别符。
前同步82个符号
PN255
后同步83个符号
图10PN420结构
产生序列PN255的LFSR的生成多项式定义为:
G255(x)=1+x+x5+x6+x8……………………………………(5)
PN420序列可以用图11所示的LFSR产生。
图118阶m序列生成结构
基于该LFSR的初始状态,可产生255个不同相位的PN420序列,从序号0到序号254。
本标准选用其中的225个PN420序列,从序号0到序号224。
帧头信号的平均功率是帧体信号的平均功率2倍。
相应PN420的定义见附录D。
b、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1023的m序列的前595个码片。
该最大长度伪随机二进制序列由10比特LFSR产生。
该最大长度伪随机二进制序列的生成多项式为:
G1023(x)=1+x3+x10……………………………………………(6)
该10比特LFSR的初始相位为:
0000000001,在每个信号帧开始时复位。
产生该最大长度伪随机二进制序列的结构如图12所示。
图1210阶m序列生成结构
由上图产生的伪随机序列的前595码片,经“0”到+1值及“1”到-1值的映射变换为非归零的二进制符号。
在一个超帧中共有216个信号帧。
每个超帧中各信号帧的帧头采用相同的PN序列。
帧头信号的平均功率与帧体信号的平均功率相同。
c、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,可由一个LFSR实现,经“0”到+1值及“1”到-1值的映射变换为非归零的二进制符号。
长度为945个符号的帧头信号(PN945),由一个前同步、一个PN511序列和一个后同步构成。
前同步和后同步定义为PN511序列的循环扩展,前同步和后同步长度均为217个符号,见图13。
在一个超帧中共有200个信号帧。
前同步217个符号
PN511
后同步217个符号
图13PN945结构
产生序列PN511的LFSR的生成多项式定义为:
G511(x)=1+x2+x7+x8+x9………………………………………………(7)
PN945序列可以用图14所示的LFSR产生。
图149阶m序列生成结构
基于该LFSR的初始状态,可产生511个不同相位的PN945序列,从序号0到序号510。
本标准选用其中的200个PN945序列,从序号0到序号199。
相应PN945的定义见附录E。
标准中的帧头功能类似于DVB-T系统中的循环前缀,不同帧头长度决定了单频网中发射台之间的最大距离。
对应关系如表3所示。
表3、帧头长度与单频网发射台间最大距离的关系
帧头结构
帧头长度(µ
s)
发射台间最大距离(km)
PN420
55.6
16.7
PN595
78.7
23.6
PN945
125
37.5
2、6、3系统信息
系统信息为每个信号帧提供必要的解调和解码信息,包括符号星座映射模式、LDPC编码的码率、交织模式信息、帧体信息模式等。
本系统中预设了64种不同的系统信息模式,并采用扩频技术传输。
这64种系统信息在扩频前可以用6个信息比特(s5s4s3s2s1s0)来表示,其中s5为MSB,定义如下:
s3s2s1s0:
编码调制模式:
表4系统信息第3~0比特定义
s3s2s1s0
表示含义
0000
奇数编号的超帧的首帧指示符号
0001
4QAM,LDPC码率1
0010
4QAM,LDPC码率2
0011
4QAM,LDPC码率3
0100
保留
0101
0110
0111
4QAM-NR,LDPC码率3
1000
1001
16QAM,LDPC码率1
1010
16QAM,LDPC码率2
1011
16QAM,LDPC码率3
1100
32QAM,LDPC码率3
1101
64QAM,LDPC码率1
1110
64QAM,LDPC码率2
1111
64QAM,LDPC码率3
s4:
交织信息定义如表5所示。
表5系统信息s4定义
s4
交织模式1
1
交织模式2
s5:
保留。
该6比特系统信息将采用扩频技术变换为32比特长的系统信息矢量,即用长度为32的Walsh(一种伪随机序列)序列和长度为32的随机序列来映射保护。
通过以下步骤,可以得到64个32比特长的系统信息矢量,通过附录G将2
种系统信息与这64个系统信息矢量一一对应,对于传输的任何一种系统模式,通过附录G可以得到需要在信道上传输的32比特长的系统信息矢量。
C=1和C=3780两种模式通用的帧体结构如图15。
4个帧体模式指示符号
32个调制和码率等模式指示符号
3744个数据符号
系统信息(36个符号)+数据(3744个符号)
图15帧体信息结构
2、6、4数据符号
数据长度为3744个nQAM符号,是完成交织后的符号。
2、7帧体数据处理
3744个数据符号复接36个系统信息后,经帧体数据处理后形成帧体,用对C个子载波调制,占用的射频带宽为7.56MHz,时域信号块长度为500μs。
C有两种模式:
C=1或C=3780;
令X(k)为对应帧体信息的符号;
当C=1时,
生成的时域信号可表示为:
…………………………………(8)
在C=1模式下,作为可选项,对组帧后形成的基带数据在±
0.5符号速率位置插入双导频,两个导频的总功率相对数据的总功率为-16dB。
插入方式为从日帧的第一个符号(编号为0)开始,在奇数符号上实部加1、虚部加0,在偶数符号上实部加-1、虚部加0。
在C=3780模式下,相邻的两个子载波间隔为2kHz,对帧体信息符号X(k)进行频域交织(定义于4.4.5节,根据附录F给出的输入与输出符号的地址关系表进行),得到X(n),然后按下式进行变换得到时域信号:
…………(9)
n=1,2,…C;
C=3780
2、8基带后处理
基带后处理(成形滤波)采用平方根升余弦(SquareRootRaisedCosine,SRRC)滤波器进行基带脉冲成形。
SRRC滤波器的滚降系数α为0.05。
平方根升余弦滚降滤波器频率响应表达式如下式所示:
………(10)
式中fN=1/2Ts=Rs/2为奈奎斯特频率。
α为平方根升
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