地面廣播中的8-VSB與COFDM比較

地面廣播中的8-VSB與COFDM比較

    數(shù)字地面電視廣播依靠的是一種可靠的射頻能量調(diào)制方法來傳送離散的數(shù)據(jù)而不是模擬變量。
    傳統(tǒng)的模擬電視頻道是以幾十年前的老技術(shù)為基礎(chǔ)的，占用了大量的帶寬，如果發(fā)射機(jī)之間距離足夠遠(yuǎn)的話，則可以使用同一頻道在各自的覆蓋范圍內(nèi)播出各自的節(jié)目,但是如果兩者覆蓋范圍若存在有重疊的區(qū)域，該頻道則完全不能使用。在某些電子新聞采集系統(tǒng)（ENG）中，會利用模擬微波技術(shù)進(jìn)行信號傳送，但這些微波通路會受多徑干擾問題的影響，這種影響有時(shí)很嚴(yán)重，導(dǎo)致很長的時(shí)延，從而使畫面完全失真。解除禁用頻道和使用較窄的帶寬來發(fā)射，是廣播業(yè)發(fā)展的必然趨勢。地面DVB（DVB-T）標(biāo)準(zhǔn)就是依賴一系列的基礎(chǔ)技術(shù)，利用MPEG-2壓縮編碼方式降低比特率來進(jìn)行視頻編碼，并可根據(jù)實(shí)際用途來選擇4：2：0或4：2：2兩種不同的圖像編碼方式進(jìn)行傳輸，使兩者有機(jī)的結(jié)合在一起。
    模擬發(fā)射機(jī)和數(shù)字發(fā)射機(jī)器工作原理之間的主要差別是，前者的發(fā)射機(jī)輸出是由連續(xù)變化的模擬信號調(diào)制過的載波，而后者是通過一系列分立狀態(tài)之間的切換來傳遞信息的，這一過程稱為信道編碼，數(shù)字等效于調(diào)制。地面發(fā)射可以有比衛(wèi)星之類的發(fā)射更大的功率，所以能將更強(qiáng)的信號發(fā)送到接收機(jī)。這就有可能采用多電平信號，這種信號的功率以一系列階梯波發(fā)射出去，不存在一個(gè)階梯信號被誤認(rèn)為另一階梯而造成的雜波。結(jié)果是減少了所用的帶寬。
    圖1a是最簡單的情況，發(fā)射機(jī)只有一個(gè)單位功率,0和1代表發(fā)射機(jī)功率高低的兩種狀態(tài),每種狀態(tài)只用1個(gè)比特表示。圖1b所示系統(tǒng)中發(fā)射機(jī)有4個(gè)功率。此時(shí)一個(gè)符號載兩個(gè)比特，因此兩個(gè)比特有四種可能的組合，從而使帶寬減半。圖1c示出美國ATSC系統(tǒng)如何使用一個(gè)8功率信號。此時(shí)每個(gè)符號傳送3個(gè)比 特，只需要圖1a所示簡單系統(tǒng)的三分之一帶寬。
    VSB和COFDM這兩種調(diào)制技術(shù)，有助進(jìn)一步節(jié)省帶寬。接收機(jī)接收到信號后在把數(shù)字信號變成模擬信號之前對誤碼及殘留受損數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，只要誤碼修正系統(tǒng)還工作在它的能力范圍之內(nèi)，就不會出現(xiàn)明顯的質(zhì)量下降。但如果誤碼超過可以矯正的范圍，MPEG解碼后的結(jié)果就非常糟。因此畫面和聲音的原始質(zhì)量實(shí)際上由壓縮系統(tǒng)的性能決定，而不在于射頻發(fā)射通道。在數(shù)字通道系統(tǒng)中，信號強(qiáng)度并不直接影響圖像質(zhì)量，圖像質(zhì)量由比特誤碼率決定,一般由信號差造成，從整體上看，信道只有足夠好，才能保證在所有可以預(yù)見的條件下，不會發(fā)生超出誤碼校正范圍的情況。
    信道包括調(diào)制器，發(fā)射機(jī)，天線，接收天線和解調(diào)器以及發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的中轉(zhuǎn)部分。通常最不受控制的就是傳輸途徑。傳輸路徑將引入寬帶噪聲或者高斯噪聲，以及由于閃電引起的脈沖噪聲等,這兩種效應(yīng)都能通過誤碼矯正來處理。卷積內(nèi)碼抗噪聲性能很好，而交織的里德-索羅門碼可以解決突發(fā)誤碼。
    隨著射頻傳輸頻率越來高，波長越來越短。對于任何類型的高頻傳輸，最大問題之一就是多徑接收。無線電信號受障礙物的影響是與波長與物體的相對大小而定。
    波長為數(shù)百米的調(diào)幅（AM）傳輸可以輕易地繞過較大的物體。傳輸波長越短，則同樣的障礙物影響越大，這些物體造成的反射越大。
    經(jīng)過反射物體的延時(shí)反射信號疊加在接收機(jī)接收的直達(dá)信號上，在模擬傳輸過程中這將導(dǎo)致重影。在簡單的數(shù)字傳輸中，比特率非常高，以至反射信號可能落后直達(dá)信號幾個(gè)比特，引起碼間串?dāng)_。與噪聲不同，噪聲是統(tǒng)計(jì)的，由反射造成的干擾則是連續(xù)不斷的，其結(jié)果就是一個(gè)高比特誤碼率，造成糾正系統(tǒng)難以應(yīng)付。
    提高發(fā)射機(jī)功率于事無補(bǔ)，因?yàn)榉瓷涞墓β室舶幢忍岣摺Ｈ缤�模擬電視UHF傳輸一樣，對于普通的數(shù)字傳輸，必須具備一幅定向天線，因?yàn)樗�能幫助抑制反射。事�?shí)上，在調(diào)整天線時(shí)，最佳的結(jié)果將是讓反射波在極坐標(biāo)圖的零點(diǎn)里，而不是調(diào)到有最大的信號。
    當(dāng)前國際上全數(shù)字高清晰度電視傳輸系統(tǒng)中采用的調(diào)制技術(shù)主要有：QPSK（四相移相鍵控）,MQAM（多電平正交幅度調(diào)制）,VSB（多電平殘留邊帶調(diào)制）和COFDM（正交頻分復(fù)用調(diào)制）。QPSK廣泛應(yīng)用于數(shù)字微波通訊系統(tǒng)，數(shù)字衛(wèi)星通訊系統(tǒng)及有線電視的上行傳輸；美國HDTV傳輸系統(tǒng)中采用MQAM和VSB方案，有線電視的下行傳輸亦采用QAM技術(shù)；COFDM為歐洲HDTV傳輸系統(tǒng)采用。采用這些高速數(shù)據(jù)調(diào)制技術(shù)，能有效的提高頻譜利用率，進(jìn)一步提高抗干擾能力，滿足電視系統(tǒng)的傳輸要求用，由于DVB-C和DVB-S是一個(gè)全球化的標(biāo)準(zhǔn)，已被世界各國采納，因此數(shù)字電視之爭主要為數(shù)字地面廣播系統(tǒng)。然而,在數(shù)字地面廣播系統(tǒng)中采用的有兩種很不相同的數(shù)字調(diào)制技術(shù)：由ATSC開發(fā)的網(wǎng)格編碼的8電平殘留邊帶（Vestigal-Side-Band，8-VSB）調(diào)制系統(tǒng)，以及在DVB-T標(biāo)準(zhǔn)中采用的“編碼的正交頻分復(fù)用 ”（ Codrthogonal Frequency Divi-sion Multipiexing,COFDM）調(diào)制系統(tǒng)。

    這里先介紹8VSB模式。地面廣播8VSB模式在6MHz帶寬內(nèi)可傳輸19.28Mbps的信息碼率，其原理框圖如圖2所示。
    從傳送系統(tǒng)輸入到傳輸系統(tǒng)的輸入碼率是19.39Mbps，每個(gè)數(shù)據(jù)包188Byte，其中一個(gè)同步Byte和187Byte信息（187/188=19.28/19.39）。輸入信息首先進(jìn)行隨機(jī)化，然后進(jìn)行前項(xiàng)糾錯(cuò)編碼，附加20Byte糾錯(cuò)碼后，每個(gè)數(shù)據(jù)包變?yōu)?08Byte，再經(jīng)2/3格形編碼輸出到復(fù)用器，與數(shù)據(jù)段同步和數(shù)據(jù)場同步混合。隨機(jī)化和前向糾錯(cuò)不加到原包中的同步Byte。包中的同步Byte在復(fù)用時(shí)轉(zhuǎn)成段數(shù)據(jù)同步信號。兩個(gè)數(shù)據(jù)均最后合成一個(gè)數(shù)據(jù)幀，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    圖3中的數(shù)據(jù)幀（Data Frame）先分成兩個(gè)數(shù)據(jù)場（Data Field），每場又有313個(gè)數(shù)據(jù)段（Segments），每場第一個(gè)數(shù)據(jù)段是數(shù)據(jù)場同步（Ddta Field Sync），其中包括用于接收機(jī)均衡用的訓(xùn)練序列。剩余的312數(shù)據(jù)段，每個(gè)數(shù)據(jù)段時(shí)期攜帶了相當(dāng)于傳送包188Byte的信息和附加的前向糾錯(cuò)編碼數(shù)據(jù)。由于有交織，因此是實(shí)際上每段中的數(shù)據(jù)可能來自不同的傳送數(shù)據(jù)包。每段共832個(gè)符號，前4個(gè)符號傳送二進(jìn)制同步信號提供段數(shù)據(jù)同步，但這里是二進(jìn)制信號，是一個(gè)由+5～-5再回到+5的負(fù)向脈沖。數(shù)據(jù)段同步（Ddta Segment Sync）相當(dāng)于原MPEG傳送數(shù)據(jù)包中的同步Byte。數(shù)據(jù)段中其余的828個(gè)符號相應(yīng)于MPEG包中剩余的187Byte的信息加上20 Byte的FEC數(shù)據(jù)。因?yàn)椴捎?/3格形編碼，因此2bit將變成3bit，而8VSB調(diào)制恰好可以表示3bit信息，因此，相當(dāng)于2bit轉(zhuǎn)換為一個(gè)8VSB符號，或1Byte轉(zhuǎn)換為4個(gè)8VSB符號（1Byte=8bit）。因此同步Byte占4個(gè)符號位，187個(gè)數(shù)據(jù)Byte加20Byte糾錯(cuò)數(shù)據(jù)共207Byte數(shù)據(jù)占828個(gè)符號位。
    這828個(gè)符號是以8電平信號發(fā)送即每個(gè)符號8比特，這樣828×3=2484比特的數(shù)據(jù)在每個(gè)數(shù)據(jù)段中傳送，根據(jù)下面計(jì)算所示：
    187字節(jié)（數(shù)據(jù)）+20RS字節(jié)（伴隨）＝207 字節(jié)
    207字節(jié)×8比特/字節(jié) ＝1656 比特
    2/3格形編碼需3/2×1656 比特＝2484 比特
    精確的符號速率由下式?jīng)Q定：
    （1）Sr= 832×626÷48.4×10-3 ＝ 10.76 兆符號/秒
    符號速率必須在頻率上和運(yùn)輸碼率鎖定。發(fā)送子系統(tǒng)每個(gè)格狀編碼符號攜帶2個(gè)信息比特。故總負(fù)荷是
    （2）10．76× 2�。� 21.52 Mb/s
    于是對于8-VSB的發(fā)送子系統(tǒng)凈負(fù)荷比特率是
    （3）21.52Mb/s × (312÷313)× (828÷832) ×(187÷207)＝ 19.28Mb/s
    以上312/313是計(jì)入每場一個(gè)數(shù)據(jù)段的同步字段的開銷,828/832是計(jì)入每個(gè)數(shù)據(jù)字段中數(shù)據(jù)字段同步4個(gè)符號間隔的開銷,187/207是計(jì)入每個(gè)數(shù)據(jù)字段中RS碼FEC的20個(gè)字節(jié)的開銷.
    對于16-VSB每個(gè)符號攜帶4個(gè)信息比特,于是凈負(fù)荷比特率是8-VSB的兩倍,即
    （4）19.28Mb/s×2 ＝38.57Mb/s
    這樣段速率為fseg＝10.76／832＝1294kseg/s
    幀速率為fframe＝ fseg／626＝20.66frame/s

    8電平符號和二進(jìn)制數(shù)據(jù)段同步和數(shù)據(jù)場同步應(yīng)該用抑制載波的單載波調(diào)制。在發(fā)送之前，大多數(shù)低端的邊帶應(yīng)該去掉。得到的頻譜是平坦的，只是在邊帶兩側(cè)各安排了形狀為歸一的均方根升余玄響應(yīng)行程310KHz的過渡區(qū)，在6MHz帶寬內(nèi)的歸一化的傳送頻譜如圖4。
    從圖5可看出，VSB讓一個(gè)邊帶全部通過，而另一個(gè)邊帶只殘留了一部分余跡。VSB比SSB（單邊帶）帶寬多一部分，因此其頻譜利用率降低。降低量由滾降系數(shù)α決定。一般，滾降系數(shù)α取值0.1～0.25，它表示殘留邊帶占信號邊帶的多少。這里，取α為0.12，可得8VSB的帶寬利用率為
    6－6?0.12≈5.3bps／Hz
    16VSB原理與8VSB基本相同，只是串行數(shù)據(jù)流4bit一組送入D/A變換器中,8VBS是串行數(shù)據(jù)流3bit一組進(jìn)入D/A變換器。
    在被抑制的載波頻率處，及高低端邊界310KHZ處，要加上一個(gè)導(dǎo)頻信號，此導(dǎo)頻信號在VSB接收機(jī)中用于載波鎖定，導(dǎo)頻信號功率使總功率增加了0.3dB，有助于降低實(shí)施中的損耗。而且由于導(dǎo)頻信號位于同頻道NTSC信號的殘留邊帶區(qū)域內(nèi)，對NTSC不產(chǎn)生同頻道干擾。生成的基帶信號轉(zhuǎn)換成模擬形式（D／A轉(zhuǎn)換器），然后調(diào)制到正交的中頻載波，并用邊帶消除法（相位法）生成殘留邊帶的中頻信號。中頻載波的標(biāo)稱頻率為46.69MHz，等于中頻中心頻率（44MHz)加上符號除4（10.762MHz／4＝2.6905MHz）
    COFDM的解決辦法是發(fā)送許多個(gè)載波，而每個(gè)載波都具有一種低的比特率。它是把多個(gè)載波緊密而高效地組裝起來，相互間沒有干擾。由于使用很低的比特率，反射信號與直達(dá)信號可在同一比特的期間到達(dá)，收反射的干擾比較小。

    一個(gè)串行數(shù)據(jù)信號波形基本上包含一序列矩形脈沖。矩形的變量是sinx/x 函數(shù)，因此基帶脈沖序列具有sinx/x 頻譜特性。當(dāng)這個(gè)信號波形被用來調(diào)制一個(gè)載波頻率時(shí)，結(jié)果為一個(gè)以載波頻率為中心的對稱sinx/x頻譜。
    如圖5所示，頻譜里的零點(diǎn)出現(xiàn)在載波后幾倍比特率的間隔上。接下來的載波可以其它零點(diǎn)為中心放置，如圖6所示。載波之間的相位為90o，或sinx的一個(gè)象限。也就是說，這些載波是相互正交的。實(shí)際上，整個(gè)頻譜幾乎是矩形的，由幾千個(gè)載波被插入在一起，并填滿可用的傳輸信道。
    為了使調(diào)制系統(tǒng)更有效的克服碼間干擾，還可以進(jìn)一步采取措施，利用保護(hù)間隙（Guard Interval）進(jìn)一步抑制反射。保護(hù)間隙設(shè)在比特與比特之間。在保護(hù)間隙里，載波返回到未調(diào)制狀態(tài)，保護(hù)間隙的周期比反射周期更長。這樣，在接受到下一個(gè)比特之前，就有足夠時(shí)間讓反射信號衰減掉。
    保護(hù)間隙的使用，無疑降低了載波的效率，因?yàn)橛行�時(shí)間它是不發(fā)射數(shù)據(jù)的。一般效率降低20%左右。但是，因?yàn)檫@種設(shè)計(jì)大大改進(jìn)了誤碼統(tǒng)計(jì)，糾正系統(tǒng)只需要很小的冗余，所以大大提高了有效傳輸率。
采用傳統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)，在幾臺發(fā)射機(jī)所覆蓋區(qū)域之間的某些位置是沒有信號的。但是，COFDM能工作在多徑環(huán)境下。只要正確同步，幾步發(fā)射機(jī)就能0精確的發(fā)射相同信號，整個(gè)地域都可以高效的重復(fù)使用一個(gè)信道，不存在禁用信道。陰影區(qū)可以由轉(zhuǎn)發(fā)器使用同頻道來鏈接信號。
    保護(hù)間隔的使用可以避免符號間的干擾，但接收到的信號的相位和幅度仍然會受到影響，這個(gè)問題靠動(dòng)態(tài)均衡來解決，一個(gè)已知相位和幅度的預(yù)定信號定期發(fā)送，接收機(jī)利用這個(gè)信號來測量信道的響應(yīng)，各個(gè)載波的均衡特性就根據(jù)這個(gè)測量來計(jì)算。實(shí)際上就是COFDM頻譜要帶有一個(gè)“向?qū)А毙盘枺�其能量比其它信號稍�?qiáng)。此向?qū)�信號是在整個(gè)信道指定的頻率上分布，構(gòu)成整個(gè)傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)。COFDM接收機(jī)對這個(gè)載波的符碼進(jìn)行快速傅立葉（FFT）計(jì)算，甚至在多經(jīng)環(huán)境下，F(xiàn)FT計(jì)算能提供一種有效的頻譜分析，算出相關(guān)系數(shù)，完成多徑接收頻譜變更的均衡計(jì)算。
    只要信號強(qiáng)度足夠，對采用COFDM調(diào)制技術(shù)的信號進(jìn)行接收就不需要定向天線，可以進(jìn)行全向天線移動(dòng)接收。
    一般來說，每個(gè)系統(tǒng)都具有自己獨(dú)特的優(yōu)勢和劣勢。DVB—T和ATSC 系統(tǒng)都采用了級聯(lián)的正向糾錯(cuò)和交織措施。DVB—T的外碼（outer code）是具有12個(gè)RS塊交織措施的RS（204，188 t=8）。從RS（255，239）縮減而得的RS（204，188）編碼，能夠糾正8個(gè)字節(jié)的傳輸誤碼；ATSC系統(tǒng)實(shí)施了應(yīng)該更強(qiáng)有力的RS（207，187，t=10）編碼，它能夠糾正10個(gè)字節(jié)的誤碼；并且采用更長的52個(gè)RS塊交織器，以便平緩脈沖干擾和同頻道的NTSC干擾。RS編碼實(shí)施的差別對于ATSC系統(tǒng)將得出約 0.5 dB的C／N性能方面的優(yōu)勢。在內(nèi)碼調(diào)制上， ATSC系統(tǒng)實(shí)施網(wǎng)格編碼調(diào)制作為內(nèi)碼， 而DVB-T系統(tǒng)則采用次最佳的收縮卷積編碼，這樣對ATSC而言將有高達(dá)1dB的信道編碼優(yōu)勢。因此可以看出，ATSC 8-VSB系統(tǒng)在相加性白高斯噪聲（AWGN）信道方面有較強(qiáng)的能力，具有較高的頻譜效率和較低的峰值—平均功率比，并且抗脈沖噪聲和相位噪聲的能力較強(qiáng)。它在低電平回波（鬼影）效果及模擬電視對數(shù)字電視的干擾方面與DVB-T性能類似。因此，ATSC 8-VSB系統(tǒng)對于多頻網(wǎng)絡(luò)（MFN）實(shí)施何在6MHz信道內(nèi)提供HDTV服務(wù)方面可能具有較大的優(yōu)勢。
    考慮到高電平（高至0dB）、長時(shí)間延遲的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)多徑失真時(shí)，DVB-T COFDM系統(tǒng)具有性能上的優(yōu)勢。當(dāng)需要大范圍單頻網(wǎng)絡(luò)（SFN）（8k模式）或運(yùn)動(dòng)接收（2k模式）的服務(wù)時(shí)，COFDM系統(tǒng)性能上具有優(yōu)勢,如DVB-T 2K系統(tǒng)能承受達(dá)數(shù)百赫茲的移動(dòng)回波,而ATSC只能承受12Hz，所以DVB-T系統(tǒng)對移動(dòng)更為可取。但COFDM技術(shù)上的優(yōu)勢也使發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)變得更加嚴(yán)格，發(fā)射機(jī)的線性失真會引起交調(diào)，兩個(gè)輸入頻率產(chǎn)生和頻或差頻，導(dǎo)致多載波互相干擾。
    但是，應(yīng)該指出：當(dāng)前在任何現(xiàn)存的DTTB系統(tǒng)中，任何信道間隔，無論是6MHz，7MHz或8MHz，還不能實(shí)現(xiàn)大范圍SFN、運(yùn)動(dòng)接收以及HDTV服務(wù)。針對每一特殊應(yīng)用必須選擇特定的系統(tǒng)參數(shù)。

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