DTMB典型模式传输性能损失分析*

程 涛，杨 昉，彭克武

（清华大学 电子工程系；清华信息科学与技术国家实验室；微波与数字通信技术国家重点实验室，北京 100084）

责任编辑:哈宏疆

1 引言

中国地面数字电视传输标准（即《数字电视地面广播传输系统信号帧结构、信道编码和调制标准》，以下简称国标或DTMB）[1]定义了地面数字电视广播系统发射端完成从输入数据码流到地面电视信道传输信号的转换。在DTMB系统发送端[2－3]，输入数据码流经过随机化、前向纠错编码、星座映射与交织后形成基本数据块。基本数据块与系统信息组合后，经过帧体数据处理（取决于单载波或多载波模式）形成帧体。帧体与相应的帧头组成信号帧，经基带后处理转换为基带输出信号，该信号经正交上变频转换为射频信号。

国标支持多种传输模式，通过不同的帧头长度、星座映射方式和FEC编码码率组合，一共有33种传输模式，净荷数据率范围为 4.813～32.486 Mbit/s[1]。

2 典型模式信噪比损失分析

笔者主要分析 PN420帧头、64QAM、0.6码率和OFDM调制的典型模式，该模式下的净荷数据率为24.6888 Mbit/s（BCH码暂不考虑）。下面在AWGN信道下，从时频带宽积、编码调制、系统实现3个方面对信噪比损失进行分析。

根据香农公式，AWGN信道的信道容量为

式中:C 为信道容量（单位为 bit·s－1·Hz－1），W 为带宽，SNR为信噪比。根据香农信息论中的信道编码定理，如果要在W的带宽内传输数据率为R的数据，所需信噪比至少为

对于PN420帧头、64QAM、0.6码率模式的数据率R=24.6888 Mbit/s，信道带宽 W=8 MHz，代入式（2）得信噪比门限的理论值为SNRth_ideal=8.75 dB。实测情况，在误比特率（BER）为 3×10－6的准无误（QEF）条件下，系统实测的信噪比工作门限为15.40 dB。而系统的实际符号率为7.56 Mbit/s，等效于实际带宽减小为7.56 MHz，那么接收到的噪声功率减小为原来的7.56/8，等效于信噪比门限增加0.25 dB，所以实际的信噪比门限为SNRth=15.65 dB。总的信噪比损失为（15.65－8.75）dB=6.90 dB。

2.1 时频带宽积

2.1.1 频谱成形

国标模式的信道带宽为8 MHz，但实际符号率为7.56 Msymbol/s，等效于实际带宽W1=7.56 MHz。这可以看作是由于采用平方根升余弦滤波器（文献[1]图17）进行基带脉冲成形造成的有效时频带宽积的损失。将R和W1代入（2）式得SNRth1=9.35 dB。所以频谱成形造成的信噪比损失为0.60 dB。

2.1.2 信号帧结构

这里讨论的传输模式选用PN420序列作为帧头。整个信号帧长4200个符号（symbol），包括帧头和帧体。帧头PN序列长420个符号，帧体信号的3780个符号中，有36个符号是系统信息，所以FEC数据流（净荷数据流经过FEC编码后的数据流）只有3744个符号。这等效为PN训练序列和系统信息带来的有效时频带宽积的降低。W2=7.56×3744/4200=6.7392 MHz。 将 R 和 W2代入式（2）得SNRth2=10.67 dB，所以信号帧中由帧头和系统信息造成的信噪比损失为1.32 dB。

2.2 编码调制

DTMB的前向纠错码由BCH码和LDPC级联实现。BCH码的码率较高，差错控制能力有限，这里暂不考虑。所选典型模式的LDPC码率为0.6（准确值为4572/7488），符号调制选用64QAM。

1）64QAM的CM限

在AWGN信道下，输入信号必须是高斯分布才能够达到信道容量C。若输入信号非高斯分布，可以定义输入符号x和输出符号y之间的平均互信息为星座映射受限下的信道容量 CCM（CM（Coded Modulation）限），即CCM=I（x；y），通过 BICM-ID 技术[4-5]和最优解映射和解码可以逼近CM限。对于输入均匀分布的MQAM调制，其CM限[4]为

式中:m=lb M，χ是输入符号集合，θ是代表信道状态的随机变量，例如，对于AWGN信道θ≡1，对于独立瑞利（Rayleigh）衰落信道，θ是服从Rayleigh分布的独立同分布（i.i.d.）随机变量。在星座映射已经确定为64QAM的情况下，CCM仅仅是信噪比的函数，通过数值方法计算可得，要达到R=24.6888 Mbit/s的数据率，信噪比至少为SNRth3=11.43 dB。

2）64QAM的BICM限

如果不采用BICM-ID技术，而是采用比特独立解映射然后译码，根据文献[4]中图3所示的并行独立信道模型，可以计算输入和输出之间的平均互信息，定义为独立解映射下的信道容量（即BICM限）

式中:χib代表χ中第i比特等于b的所有符号构成的集合，其余字母的含义与式（3）相同。可以证明CBICM

3）LDPC码和SPA译码算法造成的损失

和积算法（SPA）是一种在工程实践中广泛应用的LD PC软判决译码算法。对于64QAM星座映射，LDPC（7488，4572）码的系统，采用比特独立解映射和SPA译码算法（假设最大迭代30次），实际所需的信噪比为SNRth5=13.90 dB。

4）MinSum译码算法造成的损失

最小和（MinSum）算法是对SPA的简化，它在硬件系统上实现的复杂度更低。同样，64QAM星座映射，LDPC（7488，4572）码的系统，采用比特独立解映射和MinSum译码算法（假设最大迭代30次），实际所需的信噪比为SNRth6=14.10 dB。

综上，在编码调制部分，系统的潜在增益为（14.10-10.67）dB=3.43 dB。

2.3 系统设计和实现

对于PN420帧头模式，DTMB标准规定帧头能量加倍，造成信噪比损失 0.414 dB=10×lg（（420×2+3780）/4200），属于系统设计的损失。还有实际系统内接收机解调损失，包括同步、信道估计、接收机噪声、I/Q不平衡等造成的损失等。最后实测信噪比门限为SNRth6=15.65 dB，在系统实现部分损失的信噪比为（15.65-14.10-0.41）dB=1.14 dB。表1给出AWGN信道下国标典型传输模式（PN420帧头、64QAM、0.6码率、OFDM调制）各部分信噪比损失的列表。

表1 AWGN信道下国标典型模式各部分信噪比损失

3 小结

笔者详细分析了中国地面数字电视广播传输系统DTMB在AWGN信道下的信噪比损失。信噪比损失的来源分3部分:时频带宽积损失、编码调制损失和系统实现损失。其中频谱成形、帧结构设计和系统信息等造成的时频带宽积损失为1.92 dB。另外，帧头能量加倍造成的损失为0.41 dB。信道编码、星座映射、星座解映射和信道解码等编码调制损失分别为3.43 dB，可以通过采用BICM-ID技术和LDPC编解码技术等更先进的编码调制技术挽回部分潜在增益。系统实现部分损失为1.14 dB，可以通过改进接收设备，特别是接收机的同步和信道估计算法，尽量减小这部分损失。分析结果有助于指导新一代数字电视系统的设计。

[1]数字电视地面传输国家特别工作组.GB 20600-2006数字电视地面广播传输系统信号帧结构、信码道编和调制标准[S].北京:中国标准出版社，2006.

[2]杨知行，王军，潘长勇，等.地面数字电视传输技术与系统[M].北京:人民邮电出版社，2009.

[3]王丹，王军，潘长勇.中国地面数字电视标准概要、应用及产业化[J].电视技术，2007，31（7）:10-13.

[4]CAIRE G，TARICCO G，BIGLIERIE.Bit-Interleaved coded modulation[J].IEEE Trans.Information Theory，1998，44（3）:927-946.

[5]陈发堂，夏冰.基于LDPC乘积码的BICM-ID方案性能分析[J].电视技术，2009，33（5）:25-28.