DTMB的技术特点

国标DTMB以时域正交频分复用（TDS-OFDM）调制技术为核心，形成了自有知识产权体系，具有自己鲜明的技术特点。

1. OFDM 调制时域同步技术

在OFDM系统中同步设置是最重要的环节之一，也是OFDM系统最重要的创新焦点。

在欧洲 DVB-T的C-OFDM中，系统同步是通过在频域OFDM符号中插入导频而实现的，即采用频域同步技术。与采用C-OFDM的DVB-T系统不同，国标DTMB采用了称为PN序列填充时域同步正交频分复用（TDS-OFDM）的技术，将PN序列填充传统OFDM的保护间隔作为帧头，由于此帧头信号已知，可以在接收端被去除，因此在对抗ISI的意义上等同为零填充的保护间隔。同时，PN序列作为同步序列，又被用于实现同步。而且，在接收端可用该PN序列通过相关计算估算出无线信道的时域冲击响应时间。

2. OFDM 调制保护间隔的新定义

在 OFDM系统中，OFDM信号结构是块结构，每个信号块称为OFDM符号，它在时域中由两部分组成:一个是数据部分，另一个是保护间隔。OFDM信号块数据部分是在频率域定义的，为了抗多径干扰必须有保护间隔，保护间隔长度一般大于传输多径信号的传播延时。

根据OFDM符号的保护间隔中的填充信号，传统的OFDM符号有两种独立定义：第一种是零值填充的（Zero-padding）的保护间隔（简称Z－OFDM），由于接收端处理算法较为复杂，这种模式一直没有得到广泛应用，由于拥有较多优点，最近其又成为研究的对象。第二种则是被广为应用的循环前缀填充（Cyclic-Prefix）保护间隔（简称C-OFDM）。

DTMB创新定义了以PN序列（PN-Padding）为保护间隔的OFDM信号（简称TDS－OFDM）。在 TDS-OFDM 系统中，保护间隔中填充的 PN 序列有以下重要作用：

a. 作为OFDM 调制的保护间隔。PN序列在接收端是已知的，进而可被去除，因而理论上等同为零填充（Zero-padding）的保护间隔。

b. 用于系统同步。PN序列作为同步序列，被用于实现系统帧同步、频率同步、时间同步等。

c. 用于信道估计和跟踪相位噪声。在接收端可用该PN序列通过相关计算获得对于无线信道的时域冲击响应的估计，以及抑制相位噪声。

3. 与绝对时间同步的分层帧结构

国标DTMB采用了不同于已有数字电视技术标准的、独具特色的分层复帧结构。这种与绝对时间同步的分层帧结构，可以在物理层为单频网提供与TS流对应的秒同步时钟，便于单频组网；可以与按日历日为周期的广播节目表相配合，便于进行定时接收；也有利于未来系统的功能扩展，如双向交互和定位功能等；其还有利于手持便携接收机的省电控制，这是一个重要的特性，是为适应未来数字电视广播系统应用需求而在物理层做出的安排，将有利于使未来系统更加安全可靠。

4. 传输效率或频谱效率高

在欧洲DVB-T中，用于同步和信道估计的导频载波数量占总载波的10%。

国标DTMB的PN序列放在OFDM保护间隔中，既作为帧同步、又作为OFDM的保护间隔。

欧洲DVB-T C-OFDM用10%的子载波传送用于同步和信道估计等的导频信号，同时存在循环前缀的保护间隔，而TDS-OFDM将时间保护间隔同时用于传输信道估计信号，因此DVB-T系统的传输效率只能达到国标DTMB系统的90%。

传输效率在多载波技术和单载波技术进行比较时，被认为是多载波技术的弱点，国标DTMB的核心技术正是针对解决这个问题而开发的。

5. 抗多径干扰能力强

多载波系统和单载波系统相比，OFDM系统具有抗多径干扰的能力，抵抗多径干扰的大小等于其保护间隔的长度。由于国标的时间保护间隔中插入的是已知的（系统同步后）PN序列，在给定信道特性的情况下，PN序列在接收端的信号可以直接算出，并去除。去掉PN序列后的OFDM信号与时间保护间隔为零值填充的OFDM信号等价，而时间保护间隔为零值填充的OFDM与时间保护间隔为周期延拓的OFDM在同样信道下的性能是等价的。而且，在多径延迟超过时间保护间隔的情况下，国标DTMB仍能工作。TDS-OFDM可以把几个OFDM帧的PN序列联合处理，使抵抗多径干扰的延时长度不受保护间隔长度的限制，而传统的OFDM保护间隔长度设计要求必须大于多径干扰的延时长度。

6. 信道估计性能良好

在AWGN信道下，TDS-OFDM的信道估计性能优于C-OFDM。这是由于TDS-OFDM用于信道估计的PN序列具有20dB左右的扩频增益，同时又没有C-OFDM做信道估计时特有的插值误差。尽管国标DTMB的样机功能还有待改善，但其AWGN信道的测试结果仍优于基于C-OFDM的国内外系统。（见表2）

表 2

对于多径信道，TDS-OFDM的PN序列与多径信道造成的干扰信号是统计正交的。虽然TDS-OFDM信道估计的性能无法在原理上与C-OFDM直接比较，但是它与其他传输系统中采用PN序列进行信道估计的性能相当。（见表3）

表 3

7. 适于移动接收

移动接收产生了多普勒效应和遮挡干扰，使传输信道具有随时间变化的特性（时变特性）。而需要强调的是任何OFDM系统的信号处理都是基于信道传输特性准时不变的假设（应用FFT的基本条件），即在一个OFDM符号的时间内，假设信道是不变的，信道的变化被认为是在OFDM符号间发生的。

TDS-OFDM的信道估计仅取决于OFDM的当前符号，而C-OFDM的信道估计需要4个连续的OFDM符号。因此，C-OFDM在移动情况下，要考虑4个OFDM符号的信道变化影响，而TDS-OFDM只需考虑1个OFDM符号的信道变化影响。可以看出，国标DTMB系统更适于移动接收，其移动特性优于欧洲 DVB-T 系统。测试结果证明，国标DTMB系统的高清电视移动接收性能居国际领先水平。

8. 系统同步快

TDS-OFDM是靠PN序列进行同步的，仅在时域进行，同步时间约为1毫秒，相当于相邻PN序列的时间间隔。这一优点已在广电测试中得到验证。而C-OFDM的同步技术实现复杂，同步时间为几十毫秒左右。

9. 易于构筑单频网

DVB-T在MPEG码流层进行单频网同步，其实现技术比较复杂。国标DTMB的帧结构以整秒为单位，能够在传输物理层对单频网进行同步，实现设备简单，建网成本低。

小结

2006年5月～2006年7月，国家数字电视系统测试实验室对以TDS-OFDM技术为基础的国标DTMB样机进行了测试，测试结果表明，主要系统性能指标超越欧洲DVB-T系统。

杨知行（清华大学数字电视传输技术研发中心主任、教授）