(03)cmmb主要技术标准解读

'中国移动多媒体广播（CMMB）主要技术标准解读李栋（中国传媒大学信息工程学院）（一）《移动多媒体广播第1部分：广播信道帧结构、信道编码和调制》7、6、1引言国家广播电影电视总局于2006年发布了关于移动多媒体广播的一系列行业标准：GY/T220.1-2006《移动多媒体广播第1部分：广播信道帧结构、信道编码和调制》（自2006年11月1日起实施）以及GY/T220.2-2006《移动多媒体广播第2部分：复用》（自2006年12月1日起实施）等。中国移动多媒体广播（ChinaMobileMultimediaBroadcasting—CMMB）系统，是由在广电总局的领导下，由广播科学研究院等单位组成的“移动多媒体广播CMMB技术工作组”开发的。移动多媒体广播是指通过卫星和地面无线广播方式，供七寸以下小屏幕、小尺寸、移动便携的手持终端如手机、PDA、MP3、MP4、数码相机、笔记本电脑等接收设备，随时随地接收广播电视节目和信息服务等业务的系统。CMMB系统适用于在广播业务频率范围内，通过卫星和/或地面无线传输视频、音频与数据信息等多媒体信号。是一种可在复杂的无线传输环境下,面向手持应用的先进传输技术。CMMB适合于30MHz-3000MHz的频率范围，信道带宽可以选择为2MHz或者8MHz，在这样的带宽内，可同时提供一路或多路独立的广播信道。CMMB系统为了满足不同业务、不同传输环境对信号质量的不同要求，信道支持多种编码与调制方式。7、6、2、广播信道物理层结构广播信道物理层通过物理层逻辑信道（PLCH）承载上层业务的传输通道，每个物理层逻辑信道独立编码调制，可以占用一个或多个时隙。一个时隙是指物理层信号帧中的长度为25ms的一段时间。物理层逻辑信道分为控制逻辑信道（CLCH）和业务逻辑信道（SLCH），分别用于承载广播系统配置信息与广播业务信息。物理层中唯一的固定的控制逻辑信道，在系统的0时隙传送。业务逻辑信道的数量最多可分为39个，每个业务逻辑信道可以占不同的整数个时隙。物理层逻辑信道的结构如图7-6-1所示。图7-6-1物理层逻辑信道结构16 控制逻辑信道采用固定的信道编码与调制方式：信道编码使用RS（240，240）与编码率为1/2的低密度奇偶校验码（LDPC）；为确保传输的可靠性，采用的调制方法为二相相移键控（BPSK）。业务逻辑信道的编码与调制方式可根据系统需要进行灵活配置，接收设备通过“配置信息”识别发射端的配置模式，进行自适应解调与解码。表7-6-1所示是物理层选用不同的编码和调制参数，系统所能提供的不同的传输能力。表7-6-1系统可提供的净数据率带宽信道配置每时隙净荷(kbps)系统净荷(Mbps)星座映射LDPC编码RS编码BPSK1/2(240,176)50.6882.046BPSK1/2(240,224)64.5122.585BPSK3/4(240,176)76.0323.034BPSK3/4(240,224)96.7683.843QPSK1/2(240,176)101.3764.023QPSK1/2(240,224)129.0245.101QPSK3/4(240,176)152.0646.000QPSK3/4(240,224)193.5367.61716QAM1/2(240,176)202.7527.97616QAM1/2(240,224)258.04810.13316QAM3/4(240,176)304.12811.93016QAM3/4(240,224)387.07215.165BPSK1/2(240,176)10.140.409BPSK1/2(240,224)12.900.517BPSK3/4(240,176)15.210.607BPSK3/4(240,224)19.350.768QPSK1/2(240,176)20.280.805QPSK1/2(240,224)25.801.020QPSK3/4(240,176)30.411.200QPSK3/4(240,224)38.711.52416QAM1/2(240,176)40.551.59516QAM1/2(240,224)51.612.02716QAM3/4(240,176)60.832.38616QAM3/4(240,224)77.413.03316 物理层的输入信号为上层数据流，输出信号为射频信号。从信号处理的角度看，物理层逻辑信道的功能方块图如图7-6-2所示。图7-6-2物理层逻辑信道信号处理流程7、6、3传输帧结构时域中的传输帧的长度为1s,分为40个时隙（TS）。每个时隙为25ms,它包含1个信标和53个OFDM符号。信标由发射机识别信号和跟着的两个相同的同步信号组成。传输帧结构如图7-6-3所示。图7-6-3传输帧结构（1）发射机标识信号发射机标识信号为频带受限的伪随机信号，用于标识不同发射机。长度记为，取值为。发射机标识信号表达为：......................（7-6-1）16 式中：——传输发射机标识信号的子载波数；——对传输发射机标识信号的子载波数进行BPSK调制的数据序列；——发射机标识信号的子载波间隔，取值为39.0625kHz——发射机标识信号的循环前缀长度，取值为发射机标识信号的子载波数根据不同物理层射频带宽()取不同的值。当射频带宽为8MHz时，取256，当射频带宽为2MHz时，取64。发射机标识信号的子载波数根据不同物理层射频带宽()取不同的值。当射频带宽为8MHz时，取256，当射频带宽为2MHz时，取64。由发射机标识序列映射产生，映射方式见式（7-6-2）和式（7-6-3）：：.......................（7-6-2）：........................（7-6-3）序列长度为191比特（）或37比特（）的伪随机序列，共有256个。其中序列0-127为表示发射机所处地区的标识，插入到信号帧的偶数时隙（第0、2、4、、、、、、、时隙）传送。序列128-255为表示同一地区内不同发射机的标识，插入到信号帧的奇数时隙（第1、3、5、、、、、、、时隙）传送。发射机标识序列由十六进制序列定义，该十六进制序列按照最高有效比特在先的顺序映射为二进制发射机标识序列。（2）同步信号同步信号为频带受限的伪随机信号，长度记为，取值为。同步信号由下式定义：.................（7-6-4）式中：——传输同步信号的子载波数；——对传输同步信号的子载波数进行BPSK调制的二进制伪随机序列；——同步信号的子载波间隔，取值为4.8828125kHz；同步信号的子载波数根据不同物理层带宽()不同，分别取2048（）或512（）。由映射产生，映射方式见式（7-6-5）和式（7-6-6）：：16 ......................（7-6-5）：......................（7-6-6）二进制伪随机序列由图7-6-4所示的线性反馈移位寄存器产生，生成多项式为：。移位寄存器初始值对每个同步信号均相同，为01110101101。图7-6-4同步信号伪随机序列生成器（3）OFDM符号OFDM符号由循环前缀（CP）和OFDM数据体构成的(见图7-6-5)。OFDM数据体长度（）为，循环前缀长度（）为，是由时间内尾部的OFDM数据体复制的。整个OFDM符号长度=+=。图7-6-5OFDM符号（4）保护间隔发射机标识信号、同步信号和相邻OFDM符号之间，通过长度=的保护间隔（GI）相互交叠。相邻符号经过窗函数加权后，前一个符号的尾部GI与后一个符号的头部GI相互叠加（见图7-6-6）。图7-6-6保护间隔的交叠窗函数定义:16 ......（7-6-7）式中：=(数据体长度)+(循环前缀长度),与的取值见表7-6-2表7-6-2和取值信号()()发射机标识信号25.610.4同步信号409.60OFDM符号409.651.2保护间隔信号的选取方式如图7-6-7所示。图7-6-7保护间隔信号选取7、6、4信道编码与交织（1）RS编码和字节交织RS码采用码长为240字节的RS(240,K)截短码。该码由原始的RS（255,M）系统码通过截短产生,其中M=K+15。K为一个码字中信息序列的字节数，校验字节数为(240－K)。RS(240,K)码提供4种模式，分别为K=240，K=224，K=192，K=176。RS码的每个码元取自域GF(256)，其域生成多项式为。截短码RS(240,K)采用如下方式进行编码：在K个输入信息字节前添加15个全“0”字节，构造为原始的RS（255,M）系统码的输入序列，编码后生成码字，再从码字中删去添加的字节，即得到240字节的截短RS码码字。字节交织器的列数固定为240，与RS码的码长相同，交织深度由行数确定。字节交织器按列划分为信息区（图7-6-8左边阴影区）和校验区（图7-6-816 右边非阴影区）。字节交织器的分区与RS码相适配。采用RS(240,K)时，字节交织器的第0列至第(K-1)列存放信息字节。字节交织器中的每个字节由其在交织器中的坐标表示，例如位于交织器中第s行第t列的字节记为上层数据流输入字节交织器的方式是：二进制比特流按照低位优先的方式划分为字节，逐字节按列填充至字节交织器，字节交织器填充的列序号由0至(K-1)升序排列。填充第k列时，首先填充字节，依次填充直至字节，第k列填充完成，下一字节填充至第k+1列的第0字节，直至第(K-1)列的第(MI-1)个字节。在字节交织器的第r行中,信息区组成一个长度为K的信息序列，作为RS(240,K)码的输入。RS(240,K)码的输出码字为，其中为(240-K)个校验字节。校验字节填充至字节交织器的至字节。字节交织器按列顺序输出。首先输出第0列数据，直至输出第239列数据。输出第k列数据时，依次输出，，……，字节。字节交织器中的全部字节（MI×240字节）映射在整数个完整时隙上发送，其中字节交织器的字节总是在时隙的起始点发送。图7-6-8字节交织器与RS（240，K）编码字节交织器有三种模式，每种模式下行数MI取值规则如表7-6-3所示。。其中，当带宽时，交织模式由星座映射和LDPC码率决定：交织模式1、2、3分别仅用于BPSK、QPSK、16QAM星座映射。表7-6-3字节交织器参数MI带宽交织模式1/2LDPC码3/4LDPC码1MI=72MI=1082MI=144MI=2163MI=288MI=4321MI=36MI=542MI=72MI=1083MI=144MI=21616 （2）LDPC编码经过RS编码和字节交织的传输数据按照低位比特优先发送的原则将每字节映射为8位比特流，送入低密度奇偶码（LDPC）编码器。字节交织器的字节的最低位映射在LDPC输入比特块的第一个比特。LDPC编码配置见表7-6-4。表7-6-4LDPC编码配置码率信息比特长度K码字长度N1/24608比特9216比特3/46912比特9216比特LDPC输出码字由输入信息比特和校验比特组成：......................（7-6-8）式中：为码字比特映射向量，在技术规范中的附录C可以查到。为LDPC码信息比特长度，取值见表7-6-4。LDPC编码的校验比特根据校验矩阵求解如下方程得出：.......（7-6-9）式中：为行1列的全0列矢量为LDPC奇偶校验矩阵，定义在技术规范中的附录D中给出。（3）比特交织LDPC编码后的比特送到比特交织器进行交织。比特交织器采用的块交织器，和的取值见表7-6-5。。表7-6-5比特交织器参数取值带宽384360192144LDPC编码后的二进制序列按照从上到下的顺序依次写入块交织器的每一行，直至填满整个交织器，再从左到右按列依次读出（见图7-6-9）。比特交织器的输出与时隙同步，即时隙中传送的第一个比特始终定义为比特交织器输出的第一个比特。16 图7-6-9比特交织示意图7、6、5调制星座映射经过比特交织后的比特流映射为BPSK、QPSK或16QAM符号流发送。各种符号映射加入功率归一化因子，使各种符号映射的平均功率趋向一致。。（1）BPSKBPSK映射每次将1个输入比特映射为I值和Q值，映射方式如图7-6-10，星座图中已经包括了功率归一化因子。图7-6-10BPSK星座映射（2）QPSKQPSK映射每次将2个输入比特分别映射为I值和Q值，映射方式见图7-6-11，星座图中已经包括了功率归一化因子。16 图7-6-11QPSK星座映射（3）16QAM16QAM映射每次将4个输入比特映射为I值和Q值，映射方式见图7-6-12，星座图中已经包括了功率归一化因子。将串行比特流分成每4比特一组，用b0、b1、b2和b3表示，将b0和b2（b1和b3）的组合映射为虚部（实部），当b2b0（b3b1）为00、01、11和10时，对应的星座图上的电平分别为、、-和-。图7-6-1216QAM星座映射7、6、6频域OFDM符号形成CMMB是多载波系统，其中若干载波用作导频，大量的载波用来传送数据（称为数据子载波）。将数据子载波与离散导频、连续导频复接在一起，组成OFDM频域符号。每个OFDM符号包括个有效子载波，当选取的带宽为8MHz或2MHz时，为3076或628。表示每个时隙中分配到第n个OFDM符号中第个有效子载波上的数据符号，=0，1，…（-1）;0。数据子载波、离散导频和连续导频的分布图案如图7-6-13所示。16 图7-6-13数据子载波与离散导频、连续导频分布图案（1）连续导频和传输指示信息在同一时隙的每个OFDM符号中传送相同信息的子载波称为连续导频。射频带宽为为8MHz或2MHz时，每个OFDM符号中包括82个或28个连续导频。连续导频子载波位置编号见表7-6-6。表7-6-6连续导频子载波位置编号连续导频0,22,78,92,168,174,244,274,278,344,382,424,426,496,500,564,608,650,688,712,740,772,846,848,932,942,950,980,1012,1066,1126,1158,1214,1244,1276,1280,1326,1378,1408,1508,1537,1538,1566,1666,1736,1748,1794,1798,1830,1860,1916,1948,2008,2062,2094,2124,2132,2142,2226,2228,2302,2334,2362,2386,2424,2466,2510,2574,2578,2648,2650,2692,2730,2796,2800,2830,2900,2906,0,20,32,72,88,128,146,154,156,216,220,250,296,313,314,330,388,406,410,470,472,480,498,538,554,594,606,62716 2982,2996,3052,3075每个连续导频采用BPSK调制方式传送1比特信息。其中，部分连续导频（见表7-6-7）用于传送16比特传输指示信息，其余连续导频传送固定比特“0”。表7-6-7用于传输指示信息的连续导频编号比特指示信息022、650、1860、246620时隙号178、688、1916、251032时隙号292、712、1948、257472时隙号3168、740、2008、257888时隙号4174、772、2062、2648128时隙号5244、846、2094、2650146时隙号6274、848、2124、2692154字节交织器同步标识7278、932、2132、2730156配置变更指示8344、942、2142、2796470保留9382、950、2226、2800472保留10424、980、2228、2830480保留11426、1012、2302、2900保留12496、1066、2334、2906保留13500、1126、2362、2982保留14564、1158、2386、2996保留15608、1214、2424、3052保留（2）离散导频离散导频发送已知符号。每个时隙中第个OFDM符号中，作为离散导频的有效子载波编号取值规则：对于偶数OFDM符号（=0，2，4，…,52）来说，m=8p+1（p=0,1,2,…,191）和m=8p+3（p=192,193,…,383）；对于奇数OFDM符号（=1，3，5，…,51）来说，m=8p+5（p=0,1,2,…,191）和m=8p+7（p=192,193,…,383）。（3）数据子载波每个OFDM符号的有效子载波中除离散导频和连续导频外的子载波为数据子载波。时，每个时隙中共有138330个数据子载波，其中前138240个数据子载波用于承载星座映射后的数据符号，最后90个数据子载波填充0＋0j。时，每个时隙中共有27666个数据子载波，其中前27648个子载波用于承载星座映射后的数据符号，最后18个数据子载波填充0＋0j。7、6、7扰码分配到所有有效子载波（包括数据子载波、离散导频和连续导频等）上的数据符号，均由一个复伪随机序列进行加扰。复伪随机序列生成方式见式（7-6-10）：16 .................（7-6-10）式中:与为伪随机二进制序列和由线性反馈移位寄存器产生，线性反馈移位寄存器结构见图7-6-14，对应生成多项式为：。移位寄存器的初始值有8种不同选项，见表7-6-8。表7-6-8扰码移位寄存器初始值选项初始值00000000000011000010010011200000100110030010101100114011101000100500000100110060001011011017001010110011图7-6-14产生扰码的线性反馈移位寄存器图7-6-14所示线性反馈移位寄存器在每个时隙开头重置，加扰通过将分配在所有有效子载波上的复符号和复伪随机序列进行复数乘法实现，扰码方式见式（7-6-11）：............（7-6-11）式中:为加扰前第n个OFDM符号中分配到第i个有效子载波上的数据符号；为加扰后第n个OFDM符号中分配到第i个有效子载波上的数据符号。7、6、8OFDM信号的产生加扰后的分配到有效子载波上的数据符号通过IFFT形成用下式表达的多载波信号。，，，............（7-6-12）式中:——每个时隙中第n个OFDM符号；——有效子载波数，在物理层8MHz或2MHz带宽下，分别取3076或628。——每个时隙中第n个0FDM符号的IFFT的输入信号；16 ——OFDM符号的子载波间隔，在物理层8MHz或2MHz带宽下，取值均为2.44140625kHz；——OFDM符号循环前缀长度，取值为51.2；——OFDM符号长度，取值为。载波结构示意图见图7-6-15和图7-6-16。在Bf=8MHz时，IFFT取4096点，将虚拟载波的幅度设置为0，仅保留3076个有效载波；在Bf=2MHz时，IFFT取1024点，将虚拟载波的幅度设置为0，仅保留628个有效载波。图7-6-15载波结构示意图（Bf=8MHz）图7-6-16载波结构示意图（Bf=2MHz）7、6、9射频信号及其频谱（1）射频信号成帧的基带信号经过正交调制上变频后产生射频信号：..................（7-6-9）式中:为射频信号；为载波频率；为成帧后的基带信号；为发射滤波器冲激响应。（2）频谱特性调制后信号由相互正交的子载波构成，每个子载波的功率谱为：.............................（7-6-10）式中:为第k个子载波的中心频率。将所有子载波功率谱叠加后，可以得到调制信号的理论功率谱，见图7-6-17和图-6-18。16 图7-6-17广播信道调制信号理论功率谱（Bf=8MHz）图7-6-18广播信道调制信号理论功率谱（Bf=2MHz）（3）频谱模板为了减小射频信号的带外功率，可以采用滤波器对射频信号进行滤波。和情况下一种可能的滤波器实现方案下的信号频谱模板分别见图7-6-19和图7-6-20，图中各点相对功率值见表7-6-7和表7-6-10。图7-6-19调制信号频谱模板（Bf=8MHz）16 图7-6-20调制信号频谱模板（Bf=2MHz）表7-6-9带内功率定义为0dB时频谱模板中各点相对功率值（Bf=8MHz）相对频率(MHz)相对功率等级(dB)-12-90-8-84-4.2-72-3.8-373.8-374.2-728-8412-90表7-6-10带内功率定义为0dB时频谱模板中各点相对功率值（Bf=2MHz）相对频率(MHz)相对功率等级(dB)-3-108-2-100-1.2-85-0.8-400.8-401.2-852-1003-10816'