浅谈移动电视DVB-H标准及其核心技术OFDM

・摘 要・

地面数字电视广播系统目前有多种标准，这些制式总体上可以分为单载波方式和多载波方式两类，美国用的ATSC是单载波的，欧洲的DVB-T是多载波的。在欧洲，针对DVB-T(Digital video broadcasting Terrestrial)在移动接收中的不足，人们提出了一种DVB-H的标准专门用于移动接收。本文 对移动电视DVB-H标准及其核心技术OFDM进行了介绍和分析。

数字移动电视采用了当今世界最先进的数字电视技术，电视节目经过数字编码，通过无线发射、地面接收的方法进行电视节目传播。它与传统的模拟电视无线传播有着本质的区别，最大的优势就是支持移动接收，通过一定范围内发射信号的单频网布设，使得数字信号覆盖达90％以上，在此范围内经无线接收，均能收看到高质量的电视画面。 数字移动电视可以在公交车、出租车、轨道交通、轮渡、机场等公众集散的场所广泛运用，为流动受众提供精彩及时的新闻、资讯类节目，满足了人们在户外获知最新、最快的信息需求，填补了移动人群在移动状态中收视的空白。

DVB-H标准

１．DVB-H标准的分析

众所周知，DVB-H标准全称为Digital Video Broadcasting Handheld，它是DVB组织为通过地面数字广播网络向便携手持终端提供多媒体业务所制定的传输标准。该标准被认为是DVB-T标准的扩展应用，但是和DVB-T相比，DVB-H终端具有更低的功耗，移动接收和抗干扰性能更为优越，因此该标准适用于移动电话、手持计算机等小型便携设备通过地面数字电视广播网络接收信号。简而言之，DVB-H标准就是依托目前DVB-T传输系统，通过增加一定的附加功能和改进技术使手机等便携设备能够稳定的接收广播电视信号。DVB-H是建立在DVB(数据广播)和DVB-T(传输)两个标准之上的标准，虽然它是一个传输标准，事实上注重于协议实现。

目前，DVB标准中支持4种数据广播的方式：数据管道、数据流、多协议封装和数据轮播，虽然它们原则上都可以传送IP数据，但是DVB-H只使用了多协议封装(MPE)方式，这主要是因为数据管道和数据流两种方式较少使用，因此未予考虑，而数据轮播方式主要被用于传送文件和数据对象，并不适用于流媒体业务，且在该方式下很难实现时间分片。与其他三者不同，多协议封装技术对数据对象和流媒体业务都具有良好的支持特性，并且还可接受IP以外的其他传输协议，具有更高的灵活性，特别是在该方式下很容易实现时间分片，因此能够符合DVB-H的技术需求。需要进一步说明的是DVB组织已经对多协议封装方式下的IP地址解析做出规范即INT表(IP/MAC Notification Table，IP/MAC通告表)。

DVB-H系统并不是简单的将数据广播和DVB-T融合在一起，这主要是因为DVB-H标准支持的是手机等小型终端设备，它们的天线更小巧，移动更为灵活，因此DVB-H传输系统还具有以下特殊要求：

(1). 由于接收终端采用电池供电，为提高电池的使用时间，终端应能周期地关掉一部分接收电路以节省功耗；

(2). 对于漫游的用户，当用户进入新区域后应仍能非常顺利的接收DVB-H业务；

(3). 对于室内、室外、步行、乘车等不同的接收方式，传输系统应能保证在各种移动速率下顺利接收DVB-H业务。

(4). 在充斥大量脉冲干扰的环境中，传输系统应能采取有效的措施减少该类干扰带来的影响。

(5). DVB-H作为手持终端的通用业务规范，系统应能提供足够的灵活性以满足不同传输带宽和信道带宽应用。

２．DVB-H技术要点

DVB-H是基于DVB-T的，与现有DVB-T完全后向兼容，并能和DVB-T业务共享DVB-T复用器、调制器、发射机等设备。相对DVB-T而言，DVB-H用IP技术代替了在DVB-S、DVB-C和DVB-T使用的复用技术(Multiplexing)，使用IP组播(IP Datacast)在无线层上传输数据信息，这样不仅能利用现有IP技术的所有好处，而且通过使用现有标准和现有网络也能降低整个业务的部署和运营成本。此外，还可以和目前的IPTV以及今后的3G应用实现兼容和可能的技术平台共享。为了更好地支持移动接收，DVB-H中额外增加了以下技术：

(1)引入时间分片，降低功耗，可节省多达90％的电源消耗，换言之耗电只有原来的10％左右。

在DVB-T 数据传输中，各种业务几乎是同时传输的，每种业务均占用一部分的数据带宽。对于DVB-T接收器来说，由于业务的复用率太高，不可能只接收自身所需要的数据，而必须接收所有的数据，这就导致接收终端的功耗较高。为了降低接收端的功率消耗，DVB-H改进了数据的发送方式，采用突发的方式来发送数据：即一种业务在一个时间段(time-slot)内，单独占用系统的全部带宽来传送数据，后面接着再传送下一种业务，依次类推。在所有业务发送完后，再重新传送第一种业务。接收机只需要在指定的时间段里接收信号，其它时间则可以关闭。由于在每一个时间段上的数据传输速率很高，因此每一个时间段的持续时间可很短，接收端大部分时间可处于睡眠(sleep)或关闭(off)状态，这样可以降低接收端的耗电量，最大可节省90%的功率消耗。

此外，时间分片还可以帮助接收终端完成在不同频率网络中的软切换。通常在DVB-T系统中，实现平滑切换要求在一个终端里装有两个接收器。而在DVB-H中，时间分片提供了一种额外的好处，可以使用同一个接收器在接收关闭时间(off-time)里监测相邻小区，这样通过单一接收器(天线)就可以完成软切换，确保业务的连续性。

(2)引入4k模式，并可以支持和2k模式的深度交织，在提高对移动性支持的同时能实现较大的覆盖范围。

DVB-T中定义了2K 和8K 两种调制模式，其中8k模式可提供较大的覆盖范围，但其对移动性的支持较差，而2k模式的特征则刚好相反。因此在DVB-H中新增了4k模式，作为8k和2k模式的一种折衷。和8k模式相比，4k模式对移动性的支持加倍；和2k模式相比，4k模式所支持的单频网范围加倍。另外，新增的深度交织使得在4k和2k模式中可以使用8k 交织器，提高抗脉冲干扰的能力。

(3)引入MPE-FEC(MultiProtocol Encapsulation-Forward Error Correction 多协议封装-前向纠错)，为基于IP组播的业务提供服务，增强抗干扰和纠错能力。

MPE-FEC(MultiProtocol Encapsulation-Forward Error Correction 多协议封装-前向纠错) 为了提高接收性能，DVB-H标准在IP数据包中增加了RS(Reed-Solomon)纠错编码，RS编码数据在指定的FEC分段中传输，并可实现虚拟时间交织。对于接收端而言，如果不能识别MPE-FEC ，只需忽略FEC分段即可，不会影响业务的接收。

(4)在DVB-T 物理层增加新的TPS比特位

DVB-H 需要某种抗干扰能力高的物理层信令来指示：信号是否为DVB-H以及是否使用MPE-FEC 。因此在DVB-T的TPS(Transmission Parameter Signalling，传输参数信令)比特中增加了对DVB-H信令的指示。为了支持移动接收时的快速信号扫描和频率切换，还增加了小区位置(Cell-ID)的标识。在TPS信令中，使用6个自由比特位中的 s48 和 s49来指示是否使用了时间分片和MPE-FEC。另外用DVB-T中已存在的一些共享比特来表示4K模式和符号交织器。

通过以上这些技术，DVB-H非常好地实现了对手机等手持设备接收数字电视信号的支持。

３．DVB-H主要优点如下：

(1)降低终端耗电：基于IP数据包，接收器一般只在整个传送时间中打开10%，其余时间完全关闭。

(2)单一接收器实现无缝切换：由于采用了时间分片技术，DVB-H接收端使用一个接收器就能完成在不同蜂窝小区之间的切换，保证服务的连续性。

(3)高容量：在一个8M带宽内可提供高达12Mbps的传输速度，如果一个频道占用200-300kbps，则可传送多于40到50个广播质量的电视频道。

(4)提高了对移动和便携接收的支持：额外的错误保护层 (MPE-FEC)提高了信号弱情况下的接收，增加了抗干扰能力，支持移动性高速数据传送。

(5)高灵活性：在中到大的单频网内单个天线的移动接收，可以实现很灵活的容量选择和蜂窝尺寸。

(6)由于DVB-H使用UHF频段，接收天线尺寸较小，在手机终端中易于实现对天线的集成。

(7)与DVB-T系统的完全兼容性：DVB-H基于与DVB-T同样的物理层，可以使用同样的复用器、调制器和同样的发射器。

DVB-H的核心技术OFDM

近年来，随着DSP芯片技术的发展，傅立叶变换/反变换、高速Modem采用的64/128/256QAM技术、栅格编码技术、软判决技术、信道自适应技术、插入保护时段、减少均衡计算量等成熟技术的逐步引入，OFDM作为一种可以有效对抗信号波形间干扰的高速传输技术，引起了广泛关注。人们开始集中越来越多的精力开发OFDM技术在移动接收领域的应用。

OFDM把高速数据流通过串并转换，使每个子载波上的数据符号持续长度相对增加，减少了单个码元占用的带宽，抵抗多径引起的频率选择性衰落，从而可以减少由无线信道的时间弥散所带来的ISI。OFDM系统各个子载波之间正交，允许子信道的频谱相互重叠，最大限度地利用了频谱资源。但是OFDM也存在缺点，它对频偏和相位噪声比较敏感。OFDM技术区分各个子信道的方法是利用各个子载波之间严格的正交性。频偏和相位噪声会使各个子载波之间的正交特性恶化，仅仅1%的频偏就会使信噪比下降30dB。因此，OFDM系统对频偏和相位噪声比较敏感。其次它的功率峰值与均值比（PAPR）大，高峰均值比会增大对射频放大器的要求，导致射频信号放大器的功率效率降低。

1. OFDM的基本原理

OFDM是一种无线环境下的高速传输技术。无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的，而OFDM技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。这样，尽管总的信道是非平坦的，具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，因此就可以大大消除信号波形间的干扰。由于在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交，它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。

2. OFDM的关键技术

（1） 同步技术

OFDM系统中，Ｎ个符号的并行传输会使符号的延续时间更长，因此它对时间的偏差不敏感。对于无线通信来说，无线信道存在时变性，在传输中存在的频率偏移会使OFDM系统子载波之间的正交性遭到破坏，相位噪声对系统也有很大的损害。

由于发送端和接受端之间的采样时钟有偏差，每个信号样本都一定程度地偏离它正确的采样时间，此偏差随样本数量的增加而线性增大，尽管时间偏差坏子载波之间的正交性，但是通常情况下可以忽略不计。当采样错误可以被校正时，就可以用内插滤波器来控制正确的时间进行采样。

相位噪声有两个基本的影响，其一是对所有的子载波引入了一个随机相位变量，跟踪技术和差分检测可以用来降低共同相位误差的影响，其次也会引人一定量的信道间干扰（ICI），因为相位误差导致子载波的间隔不再是精确的1/Ｔ了。

载波频率的偏移会使子信道之间产生干扰。OFDM系统的输出信号是多个相互覆盖的子信道的叠加，它们之间的正交性有严格的要求。无线信道时变性的一种具体体现就是多普勒频移，多普勒频移与载波频率以及移动台的移动速度都成正比。多普勒展宽会导致频率发生弥散，引起信号发生畸变。从频域上看，信号失真会随发送信道的多普勒扩展的增加而加剧。因此对于要求子载波严格同步的OFDM系统来说，载波的频率偏移所带来的影响会更加严重，如果不采取措施对这种信道间干扰（ICI）加以克服，系统的性能很难得到改善。

OFDM中的同步通常包括3方面的内容：

①帧检测；

②载波频率偏差及校正；

③采样偏差及校正。

由于同步是OFDM技术中的一个难点，因此，很多人也提出了很多OFDM同步算法，主要是针对循环扩展和特殊的训练序列以及导频信号来进行，其中较常用的有利用奇异值分解的ESPRIT同步算法和ML估计算法，其中ESPRIT算法虽然估计精度高，但计算复杂，计算量大，而ML算法利用OFDM信号的循环前缀，可以有效地对OFDM信号进行频偏和时偏的联合估计，而且与ESPRIT算法相比，其计算量要小得多。对OFDM技术的同步算法研究得比较多，需要根据具体的系统具体设计和研究，利用各种算法融合进行联合估计才是可行的。OFDM系统对定时频偏的要求是小于OFDM符号间隔的4%，对频率偏移的要求大约要小于子载波间隔的1%~2%，系统产生的-3dB相位噪声带宽大约为子载波间隔的0.01%~ 0.1%。

（2） PARP的解决

由于OFDM信号是有一系列的子信道信号重叠起来的，所以很容易造成较大的PAPR。大的OFDM PAPR 信号通过功率放大器时会有很大的频谱扩展和带内失真。但是由于大的PARP的概率并不大，可以把大的PAPR值的OFDM信号去掉。但是把大的PAPR值的OFDM信号去掉会影响信号的性能，所以采用的技术必须保证这样的影响尽量小。一般通过以下几种技术解决：

①信号失真技术。采用修剪技术、峰值窗口去除技术或峰值删除技术使峰值振幅值简单地线性去除。

②编码技术。采用专门的前向纠错码会使产生非常大的PAPR的OFDM符号去除。

③扰码技术。采用扰码技术，使生成的OFDM的互相关性尽量为0，从而使OFDM的PAPR减少。这里的扰码技术可以对生成的OFDM信号的相位进行重置，典型的有PTS和SLM。

（3） 训练序列/导频及信道估计技术

接收端使用差分检测时不需要信道估计，但仍需要一些导频信号提供初始的相位参考，差分检测可以降低系统的复杂度和导频的数量，但却损失了信噪比。尤其是在OFDM系统中，系统对频偏比较敏感，所以一般使用相干检测。

在系统采用相干检测时，信道估计是必须的。此时可以使用训练序列和导频作为辅助信息，训练序列通常用在非时变信道中，在时变信道中一般使用导频信号。在OFDM系统中，导频信号是时频二维的。为了提高估计的精度，可以插入连续导频和分散导频，导频的数量是估计精度和系统复杂的折衷。导频信号之间的间隔取决于信道的相干时间和相干带宽，在时域上，导频的间隔应小于相干时间；在频域上，导频的间隔应小于相干带宽。实际应用中，导频的模式的设计要根据具体情况而定。

３．OFDM技术的优点

（1）在窄带带宽下也能够发出大量的数据。OFDM技术能同时分开至少1000个数字信号，而且在干扰的信号周围可以安全运行，正是由于具有了这种特殊的信号“穿透能力”使得OFDM技术深受欧洲营运商的喜爱和欢迎。

（２）OFDM技术的最大优点是对抗频率选择性衰落或窄带干扰。在单载波系统中，单个衰落或干扰能够导致整个通信链路失败，但是在多载波系统中，仅仅有很小一部分载波会受到干扰。对这些子信道还可以采用纠错码来进行纠错。OFDM技术特别适合使用在高层建筑物、居民密集和地理上突出的地方以及将信号散播的地区。高速的数据传播及数字语音广播都希望降低多径效应对信号的影响。

（３）OFDM技术可以有效地对抗信号波形间的干扰，适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输。当信道中因为多径传输而出现频率选择性衰落时，只有落在频带凹陷处的子载波以及其携带的信息受影响，其他的子载波未受损害，因此系统总的误码率性能要好得多。

（４）OFDM技术通过各个子载波的联合编码，具有很强的抗衰落能力。OFDM技术本身已经利用了信道的频率分集，如果衰落不是特别严重，就没有必要再加时域均衡器。通过将各个信道联合编码，可以使系统性能得到提高。

（５）OFDM技术可以使用硬件模块集成基于IFFT/FFT的算法，通过这种方式实现的OFDM系统的运行速度，主要取决于硬件电路的运行速度，同时也简化了系统实现的复杂程度。

（６）OFDM技术的信道利用率很高，这一点在频谱资源有限的无线环境中尤为重要；当子载波个数很大时，系统的频谱利用率趋于2baud/Hz。

４．OFDM技术的缺陷

（1）对频偏和相位噪声比较敏感。OFDM技术区分各个子信道的方法是利用各个子载波之间严格的正交性。频偏和相位噪声会使各个子载波之间的正交特性恶化，仅仅1%的频偏就会使信噪比下降30dB。因此，OFDM系统对频偏和相位噪声比较敏感。

（2）功率峰值与均值比（PAPR）大，导致射频放大器的功率效率较低。与单载波系统相比，由于OFDM信号是由多个独立的经过调制的子载波信号相加而成的，这样的合成信号就有可能产生比较大的峰值功率，也就会带来较大的功率峰值与均值比，简称峰均值比。对于包含N个子信道的OFDM系统来说，当N个子信道都以相同的相位求和时，所得到的峰值功率就是均值功率的N倍。当然这是一种非常极端的情况，通常OFDM系统内的峰均值不会达到这样高的程度。高峰均值比会增大对射频放大器的要求，导致射频信号放大器的功率效率降低。

（3）负载算法和自适应调制技术会增加系统复杂度。负载算法和自适应调制技术的使用会增加发射机和接收机的复杂度，并且当终端移动速度高于30km每小时时，自适应调制技术就不是很适合了。

OFDM系统的频谱利用率高，系统稳定性好。目前，OFDM已经广泛用于欧洲和澳大利亚的移动接收领域，基于OFDM的技术，使得在传输过程中能够实现低延迟、高速率的数据传输。54Mbit/s的带宽也基本上能够满足大部分用户对无线网络的要求。随着OFDM技术的不断完善，它的应用范围将会扩展到更多领域。■