ISDB-T简介

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本文将为读者介绍ISDB-T标准的关键技术及系统框架。我们首先概述了日本ISDB-T的由来，然后介绍了ISDB-Ｔ的若干关键技术，在此基础上再介绍了整个ISDB-T系统，最后介绍了一下ISDB-T在日本和巴西的进展。

一、概述

80年代中期日本便开始了模拟高清晰度电视的研究，它试图制订出一个国际性的模拟高清晰度标准。然而此时，欧洲和美国开始了数字高清晰度电视标准的研究，并将日本抛在后面。90年代中期，欧洲和美国相继制定了各自的数字电视地面传输标准，分别为DVB-T（Digital Video Broadcasting，数字视频广播）和ATSC-T（Advanced Television System Committee，高级电视系统委员会）标准，它们分别采用正交频分复用（OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplex）调制技术和格状编码残留边带（VSB, Vestige Side Band）调制技术。面对这种情况，日本于96年成立了数字广播专家组DiBEG（Digital Broadcasting Expert Group），于９８年制定出了自己的标准――ISDB-T（Integrated Services DigitalBroadcasting，综合业务数字广播）。ISDB-T采用频带分割传输正交频分复用（BST-OFDM, Bandwidth Segmented Transmission OFDM）调制技术，期望在一个信道中实现音频、视频、文字等多同种业务的混合播报。

ISDB-T于2001年被ITU接收为世界上第三个数字电视传输国际标准。2006年6月，巴西决定采用ISDB-T作为本国的数字广播标准。巴西在日本的ISDB-T的基础上进行了若干修改，使之具有本地化的特点，形成了SBDTV-T。总体而言，ISDB-T和SBDTV-T的几乎相同。在下面的讨论中，我们以ISDB-T来统称两种标准。

在介绍ISDB-T前，我们有必要了解一下ISDB。和美国的ATSC标准一样，ISDB是一个数字电视广播标准体系统。按照信号的调制和传输方式的不同，ISDB可以分ISDB-S，ISDB-C和ISDB-T，如图一所示。 其中，ISDB-S是卫星数字广播电视标准，它采用TC-8PSK调制技术；ISDB-C是有线数字广播电视标准，它采用64QAM调制技术；ISDB-T地面数字广播电视标准，它采用BST-OFDM调制技术。ISDB-T是ISDB系列标准中的一个，也是广为关注的一个，因为它可以很大程度的扩展播报的服务和接收的方式。


图一　ISDB标准体系


图二　ISDB-T技术特点

图二说明了ISDB-T的关键技术以及它们如何满足日本数字地面广播的性能要求。下面将一一介绍。

OFDM调制技术近年来在宽带通信中得到广泛应用。OFDM的基本思想是通过采用允许子信道频谱重叠，但相互间又不影响的频分复用方法来并行传送数据。作为一种多载波并行传输系统，OFDM通过延长传输符号的周期，增强了抵抗回波的能力，使传输具有相当的鲁棒性。

OFDM信号传输方式具有频谱共享潜在能力。欧洲标准DVB-T采用了高低优先级码流来实现分级传输（如图三），但它是通过改变调制方式（16/64QAM-QPSK）进行星座嵌套而获得，并不是真正意义上的独立通道分层传输。


图三 16QAM星座图由两个QPSK星座图叠加生成

ISDB-T信号可以在6MHz带宽中传递HDTV服务或多节目服务, 它通过频谱分割来实现分层传输。ISDB将整个带宽分割成13个频率段，每个频率段称为OFDM子频段。若干个OFDM子频段可以组合成一个层，用于传输一种业务，如图四。ISDB-T最多支持三个层的业务复用，并且每一层都可以单独进行信道编码和载波调制。这就是频带分割传输正交频分复用（BST-OFDM）的基本思想。


图四 层次传输

ISDB-T支持两种模式的传输：宽带传输和窄带传输，如图五。宽带传输使用了所有的OFDM子频段，这些OFDM子频段的组织十分灵活，可以用13个频段传输HDTV数据，也可以用１个频段传输One-Seg数据，其它频段传输一般数据和TV数据。宽带传输用于固定接收、车载接收和One-Seg接收。当数据不足以填充13个OFDM子频段时就用空数据包填充多余的OFDM子频段。窄带传输只能用来传输音频和数据，且最多有3个OFDM子频段。窄带传输主要用于数字广播接收，当然也可以用于One-Seg接收。


图五 传输模式

大家知道，信号在传输过程中，不可以避免地会发生错误，这就需要一种纠错措施。信道编码就在在信号在信道中传输前加入一些冗余信息，接受端接收到信号后，先判断信号是否有错误，如果有就利用冗余信息进行错误矫正。


图六　信道编码过程

图六列出了ISDB-T信道编码的过程。其中，字节交织处于外编码和内编码之间，用于将分散Viterbi解码器输出信号的突发错误。比特交织处于是卷积编码和符合映射之间，用于分散Viterbi解码器输入信号的符号错误。时间交织在符号映射之后，主要分散因噪声脉冲、多普勒效应引起的时域突发错误。频率交织在时间交织之后，主要分散因载波干扰、多径衰减引起的时域突发错误。

图七表明了时间交织的作用。如果符号没有经过时间交织，那么当采集脉冲受到干扰时，这个符号的所承载的信息完全丢了，因为错误太集中，冗余编码无法恢复出丢失的信号。如果对符号进行了时间交织，那么当前一个符号的信息就分散到了一个相当长的时间段内，这样，当某个脉冲对应的交织后的符号丢失时，我们可以通过解交织，将这个符号的部分码片找到，错误的码片就可以利用冗余信息来得到。

ISDB-T中，内交织采用并联比特交织方式，以均衡内码解码输人端误码能量，交织延时仅为120个调制符号；系统外交织采用12臂同步回旋交织器，最大交织延时为2244个字节, 与RS（204，188，t=8）配合最大理论纠错容限为96的连续错误符号。时间交织的长度是204个OFDM符号，远大于前二者，达0.88s。ISDB-T的深度时间交织使得它在接收条件十分恶劣的情况也具有良好的接收性能。


图七　时间交织的原理

2.4 TMCC

TMCC就是传输复用配置控制信号。TMCC信号告诉接收终端如何解释接收的数据。它包括了以下几个方面的信息：

指示全频段接收时，业务的层次配置情况，它包含多少层，每一层的信息编码和载波调制参数

三．ISDB-T系统

3.1 ISDB-T系统框架　

ISDB-T可以在6M带宽内传输包括视频（连续图像和伴音）、音频、一般数据等业务的一套或多套节目。ISDB-T视频编码有两种：MPEG-2和H.264。前者用于播放日本的SDTV和HDTV,后者用于日本的One-Seg和巴西视频编码。音频编码采用MPEG-4 AAC。

图八是ISDB-T的发送端框架图。信源编码输出后的基本流经MPEG2复用后得到TS，多个TS再经TS再复用器得到由TS帧组成的流。一个TS帧由若干个长度为204字节的新TS包组成。每个新TS包由原始TS包再加上16空包组成，它对应于一个层次的数据包。TS帧的长度相同于OFDM帧的长度。OFDM帧是接收端的最小同步单位。由于每个进入TS再复用器的TS的速率与各层指定的参数不一定匹配，所以有必要在TS帧中插入一些空数据包来使二者一致。TS帧中属于各个层的包按规定的次序排列，这样接收端就能按这个规定提取指定的层而不需要额外的信息来标记这个对应关系。

由TS帧构成的流经RS编码后，就会被分成最多三个层。每个层分别按指定的参数进行后续的信道编码和载波调制，然后这个符号按层组织成对应于OFDM子频段的数据段，分别以段为单位进行时间交织和频率交织，再插入控制信息（如离散导频，连续导频，TMCC等）后经OFDM后输出IF信号，再上变频到RF，最后经馈线送到天线发送出去。

分层传输可以使各层传输不同的数据服务，也可以提供同一种数据不同质量等级的服务，以实现不同服务质量的接收转换。


图八　ISDB-T发送端框架图

ISDB-T的接收端是发送端的逆过程，从此不再赘述。图九从系统实现的角度对其进行了描述。


图九　ISDB-T接收端框架图

3.2 传输参数

ISDB-T有三种传输模式，一个信道只能采用一种模式。这三种模式分别对应于三种副载波个数：2K、4K和8K，可实现不同速率的数据传输。图十列出了带宽为6M时的可选传输参数。


图十　传输参数

3.3 部分接收

部分接收是指接收端只接收宽带传输中的中间OFDM子频带（如果允许的话）和窄带传输的OFDM子频带。图五中One-Seg接收和数字音频接收都是部分接收。需要说明的，One-Seg接收只使用了13个OFDM子频带中最中间的那种，它可用传输视频、音频、一般数据等各种业务数据。由于带宽的限制，One-Seg提供的视频是准实时的，远不及SDTV和HDTV。

既然可以用全频段提供更好的服务，为什么还需要One-Seg呢？电池容量！电池容量是移动多媒体设备的瓶颈。这就是为什么有了DVB-T，又出现了DVB-H，有了ATSC-T又要研究ATSC-M&H的主要原因。为什么One-Seg能节省电量呢？如图十一，对于全频带信息，要完全采集到所有的频率的信息需要超过8MHz的采样频率，而如果只采集中间频率的信息，采样频率可以降到原来的1/8。采样频率低了，电量就节省了。这里就涉及到一个争论，我们知道，欧洲标准DVB-H是用时间分片的方式来实现省电。它让终端在一段很短的时间内接收高速率的数据，然后休眠一段时间的后再接收数据。DVB-H认为这种“工作－－休眠”的模式可以省电。ISDB-T的专家们则认为，这种方式并不能省多少电，因为相对于非时间分片的模式，在时间分片模式下工作时，接收端必须成倍地提高采样率才能得到正确的数据，而这本身就要成倍地增加耗电量。因此，他们认为时间分片的方式增加了实现难度，但节电效果并不明显。


图十一　部分接收受的省电原理

3.4 日本与巴西的对比

我们在前面提到过日本地面数字电视和巴西数字电视的关系。从技术角度而言，两者的差别并不大。图十二列出了二者的关系。巴西的SBDTV-T几乎完全继承了日本ISDB-T的特点，前者只是做了一些本地化的修改。


图十二　日本ISDB-T和巴西SBDTV-T的比较

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