榆林市广播电视中心：刘延霖 郑浩
随着计算机和网络技术的发展，广播电视行业迎来挑战和发展机遇。如何利用最新技术手段对信息技术进行革新、提升系统仿真能力变得尤为重要。以往，该行业多使用模拟信号传输方式，其音频信号、视频信号接收效果较差，信号在传输过程中容易受到多种因素干扰。为解决上述问题，使用数字技术对信号资源进行处理，通过最新系统仿真技术的应用，能够使数字电视信号传播质量得以提升，满足电视广播行业最新发展要求，为数字电视业务全覆盖打下坚实基础。
1.1 DTMB系统架构
现行DTMB标准对系统帧组成、调制模式和纠错方案进行了详细说明，指出系统研发期间先后用到了TDS-OFDM技术、分层复帧结构还有级联纠错技术等多项专利，可以说，正是因为上述技术的加入，才使系统性能得到了大幅度提升。另外，现行标准明确指出，DTMB系统的传输净荷应控制在4.8Mbps～32.4Mbps间，应具有便携接收、移动接收和固定接收等功能，适配数字广播、SDTV还有HDTV，并且能够根据组网环境、实际需求对传输参数进行调整。为满足上述要求，研究人员对系统架构进行了优化，优化后DTMB系统共包括六个子系统，分别是播控系统，发射系统，传输系统，接收系统，运营系统，服务系统，各子系统之间的联系十分密切，同时又具备独立运行的能力，可根据实际需求对其进行优化或升级。
1.2 发送端
DTMB发送端主要负责对随机码流从输入到输出的全过程进行管控（如图1所示）。正常情况下，系统所输入码流会先被运送到扰码器内，通过随机处理的方式将数据完全打散，随后，再通过前向纠错编码的方式，增加数据信息所具有可靠性。星座映射的作用，主要是将数据转化成数千个不同的星座点，通过对星座点进行映射、交织的方式，获得数据模块。待上述工作告一段落，将交织所得模块和信息符号相结合，通过一系列的调制，获得符合要求的帧体，最后，按照规定对帧体数据、帧头进行结合，将信号帧传送至基带，由基带负责对信号帧进行滤波处理（在此期间应将带宽控制在8MHz左右），最后一步，便是对经过处理的射频信号进行发射。
图1：发送端工作原理
1.3 接收端
1.3.1 外接收机
虽然接收端的工作原理与发送端基本一致，考虑到无线信道所处环境相对复杂，极易出现多径效应或是噪声干扰，因此，实现接收端的难度明显大于发射端。接收端的外接收机主要负责对信号进行信道解码，在对均衡处理所得符号数据进行接收后，可着手开展以下工作：第一步，估计信息模式，确定映射方式和交织模式，并对编码的码率、载波形式进行预估。第二步，将信息同步至对应模块，由各模块负责对其进行解码或是解调。一般情况下，数据符号均要先被送往解交织器，通过解交织的方式，使符号顺序恢复初始状态，随后，通过软解映射的方式，获得相应的比特软信息，LDPC的作用主要是以比特软信息为依据，完成迭代译码的工作，将位信息同步至BCH进行更进一步的译码，译码结束后，再将数据传送到解扰器内部，由解扰器对数据进行解扰，进而形成具有实际意义的数据流包。
1.3.2 内接收机
该设备主要负责对所接收信号进行信道解调，即：充分利用均衡技术、同步技术，对不确定参数进行估计和补偿。内接收机需要先通过天线对射频信号进行接收，再依托调谐器对射频信号进行变频，将中频信号交由变换器进行后续处理，确保中频信号能够被尽数转换成基带信号。随后，对基带信号做插值滤波还有匹配滤波处理，待其完全成形，再连接PN序列完成后续运算，根据运算所得结果对载波、信道还有定时参数进行估计和补偿。
2.1 分层
DTMB的数据帧包括四层，从上至下分别是日帧/分帧/超帧/信号帧，复帧结构的优点在于其能够和自然时间保持同步，以自然日为单位循环运行（如图2所示）。其中，信号帧可被拆分成帧体、帧同步头，不同帧头模式对应信号帧长度均有所不同。由数个信号帧组成的超帧的连续时长能够达到125ms左右。分帧所包含超帧的数量多达480个，可持续运行1min。由分帧所组成日帧的时间长度通常能够达到1日，主要负责携带每日需要发布的数据信息。
图2：数据帧结构示意图
2.2 调制
研究表明，DVB-T所使用调制技术的特点是利用循环前缀对保护间隔进行填充，通过插入导频信号的方式，获得信道特性相关数据信息。由离散导频、连续导频所组成导频信号的占比能够达到10%左右，无法保证频谱资源得到充分利用，为彻底解决该问题，有关人员提出了TDSOFDM技术，该项技术的创新之处在于省略了插入导频信号的步骤，这也决定其具有较其他技术更为利用的传输速度以及利用率。
TDS-OFDM通常搭配DTMB多载波模式加以运用，该技术与其他调制技术的区别，主要在于其能够做到PN同步，通过稳健跟踪的方式，对信道进行快速且准确的估计。该系统包含数个OFDM符号，任一符号均可被拆分成同步序列、数据符号两部分。作为对该符号进行填充的主体，时域同步序列通常可被用来对载波频偏、信道情况还有定时偏差进行估计。该序列与帧体数据的关系为分时复用，若没有提出特殊要求，均可分别对帧体、帧头进行接收，随后，再依托函数特性检测所接收序列、既有PN序列，根据分析所得结果对帧同步信息加以确定，依托帧头序列号恢复相关符号，结合定时误差相关数据对滤波器各项参数进行调整，为同步信号所具有精确度提供保证。此外，PN序列还可被用来对信道状态进行获取，具体方法如下：第一步，关联接收数据、PN序列，获得冲激响应；
第二步，通过缓冲的方式，对前后径信号进行估计，由此获得更为准确的冲激响应；
第三步，将冲激响应映射至对应频域，使信号更加均衡。
2.3 编码
2.3.1 加扰
数据加扰又被称作能量扩散，强调通过拓展信号对应功率谱的方式，将低频段信号所携带能量加以控制，随着低频分量占比减小，提取载波以及恢复时钟的难度将大幅度降低，与此同时，基带传输效果也会变得更加理想。
2.3.2 解扰
解扰的目的是对扰乱码序列进行处理，使其恢复原始状态。
2.3.3 纠错
加扰器输出相应比特流后，便可着手对编码进行纠错。本文所讨论系统支持级联纠错，简单来说，就是由BCH码联合QC-LDPC进行纠错，前者的作用是调整速率，保证任一信号帧均有数据包对应。日常工作中，有关人员普遍更倾向于选择缩短后的BCH，目的是保证BCH长度与帧结构相符。
2.3.4 映射
星座映射的关键一步，便是将比特码流变更为对应的星座符号。DTMB系统适配多种映射关系，例如，灵敏度高且抗干扰性能突出的低阶映射关系，该映射可充分满足高速移动业务、覆盖范围较大的业务所提出的需求；
能够平衡覆盖范围、频谱利用率之间的关系的折中映射关系，该映射在大中规模的城市中较为常见；
可充分利用频谱并达到高码率业务所提出要求的高阶映射关系，该映射更适合用于固定广播或是固定接入。除特殊情况外，DTMB系统均通过软判决的方式进行解映射，这样做的原因是LDPC只有依托比特软信息才能完成迭代译码的工作，而软判决更便于比特软信息的获取。
2.3.5 交织
DTMB系统适配两种不同的交织方式，分别是域频交织、时域交织，一般情况下，单载波模式只需使用时域交织即可，多载波模式则需要搭配使用两种交织方式，其中，时域交织的作用主要是对突发错误进行离散，促使其尽快转变成随机错误，为DTMB抗衰落能力、抗干扰能力提供保证。
在判断交织器性能期间，需要重点考虑交织宽度、深度和延迟情况。其中，交织宽度是指交织前，相邻符号间的最小距离；
交织深度可以被理解为交织结束后，相邻符号间的最小距离；
交织延迟则是指交织延时、解交织延迟的总和。研究表明，离散程度和交织深度的关系为正相关，换言之，增加交织深度，可增强交织器对突发错误进行抵御的能力，但也要明确一点，即处理时间和交织深度的关系为负相关，由此可见，虽然增加交织深度能够改善设备性能，却也会带来延迟增大的问题。作为以符号卷积交织为基础的交织编码，时域交织通常需要依托基本数据块才能得到有序推进，而DTMB单载波、多载波所搭载符号卷积交织的宽度及宽度相对较大，这点要有所了解。
2.4 组帧
对TS码流进行加扰、映射还有交织处理后，将获得系统运行所需数据符号，随后，将数据符号、信息符合相结合，形成相应的帧体。
2.4.1 确定系统信息
DTMB系统传输信息的方式，通常取决于映射方式和交织模式，上述内容共同构成了系统信息。考虑到系统信息与信号帧解码和解调密切相关，只有先准确提取相关信息，再将信息同步至对应模块，才能使系统稳定运行。为保证不同环境所提出需求得到满足，DTMB系统内共存储了数十种方案，可依托扩频技术高效开展传输数据、处理数据等工作。
2.4.2 处理帧体数据
组帧结束后，应尽快对数据进行处理，在确定调制子载波数量时，有关人员应对多方面因素加以考虑。DTMB系统所对应载波方式主要包括单载波、多载波两种，二者的帧结构、带宽及码率完全相同，单载波无需进行OFDM调制，简单来说，就是在处理帧体期间，不需要对相关数据进行IFFT计算。
2.5 基带后处理
2.5.1 理论基础
研究表明，基带脉冲对应频谱范围相对较宽，一旦受到带限信道影响，便会出现明显的展宽和畸变，致使相邻信号不断叠加，最终造成码间串扰的问题。由此可见，在无法更改带宽的前提下，可通过在发送端增设滤波的方式，使误码率得到有力控制，同时频带也能够得到更充分的利用。有学者指出，即使基带信号波形出现变化，若携带信息的采样点没有受到影响，仍然可以通过重复采样的方式，对初始信号进行恢复。满足该理论的滤波器数量较多，其中最具代表性的为低通滤波器，考虑到该滤波器存在脉冲响应拖尾、频域截止陡峭等问题，各大企业纷纷选择放弃低通滤波器，改用同样满足上述理论的升余弦滤波器，该滤波器的实现难度较小，同时具有拖尾收敛快和衰减较大的优点。
2.5.2 滤波器设计
将升余弦滤波器用于无线数字通信，可获得能够抑制码间串扰、频带干扰还有带外泄漏的脉冲滤波，在保证发送端所获得发射频谱符合要求的前提下，使解调、调制性能得到优化。现阶段，国内将基带后处理所用滤波器的滚降系数定为0.05，而较小的滚降系数所带来的连锁反应，便是滤波器过渡带宽度有限、阶数偏高，实现难度有目共睹。鉴于此，在对滤波器进行设计期间，有关人员应将重心放在如何降低硬件实现难度上。实践所积累经验表明，要想在降低设计难度的同时，对信号整体采样率进行提高，关键是要先选定基带信号并采样，再利用所采集样点值确定滤波。另外，还有学者指出，以多级内插滤波为依托对滤波器进行设计，可通过降低通阻带要求的方式，简化设计流程，这点也需要引起重视。
综上，我国特有的DTMB系统，不仅具有较高的信号传输速率与波普效率，还具有良好的抗干扰能力，上文重点研究了DTMB仿真技术形式，在信号接收端、发送端对系统应用的关键技术进行说明，通过做好分层、调制、编码等工作，使系统性能更加良好，运行稳定性与安全性达到预期。同时，对于系统中的帧同步算法进行了仿真与比较，结果表明，基于DTMB的组网建设成本较低，在相关行业具有良好的市场应用前景。
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