移动通信系统的DVB-H架构

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移动通信系统的DVB-H架构

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新型低功耗、小外型尺寸数字视频广播手持设备(DVB-H)解调器和硅调谐器解决方案的出现,使得那些采用小显示屏且电池电量有限的手持设备也能实现数字电视信号接收了。对增强的视频显示功能及支持多媒体应用的需求,使DVB-H成为一种对现有3G解决方案颇具吸引力的补充技术。
9 Z( d$ a3 t7 M6 i" ?8 A% w. ^0 j完全支持数字电视信号接收的手机的面市现在已经成为现实。到目前为止,支持数字电视接收的可行性已经受到几个关键因素的限制,即功耗、性能和尺寸。大多数针对于手持接收器市场的努力一直是基于使现有的家用机顶盒解决方案适用于移动接收的苛刻环境。经验表明,这不太可能实现,因为接收环境总是不断变化的。
; b6 e1 b: C' V3 }% X接收信号的质量受到接收器对相邻频道拒斥(ACR)、低信噪比和多普勒补偿的处理能力的影响。移动DVB-T接收器采用了天线分集(antenna diversity)技术,但这是以增加功耗和尺寸为代价的。虽然小尺寸分集方案确实存在,但实际上将它们用于手机是不切实际的,因为天线分集技术要求两个天线之间必须保持一定的最小距离,而这是不容易做到的。
1 ^9 X& V6 j# O' xDVB-H标准实际上是对数字视频广播地面标准(DVB-T)的扩展,它采用时间分片技术来减少接收器的功耗,并采用多协议封装前向纠错(MPEFEC),提供一个纠错附加层,以在天线分集方案很普遍的移动环境中得到更强壮的信号。此外,DBV-H规定了基于互联网协议(IP)数据广播业务的使用。图1显示了DVB-H广播系统的一个例子,图2所示是专为DVB-H网络提供内容的可能的头端架构。

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+ |8 f' ]: @( f! W0 L本文专注于接收器(特别是硅调谐器和解调模块),并讨论如何在不牺牲手持设备性能的条件下满足对移动接收器的要求。
: a. q$ y& }9 d, f面向DVB-H对DVB-T所做的修改
DVB-H采用以下技术解决手持设备所受的限制：
6 N2 T& S! {/ `/ U! Q0 J& W/ m7 {* 采用时间分片技术降低功耗* 采用IP数据广播降低视频流分辨率* 通过MPE-FEC得到更可靠的信号接收* 引入4K载波模式以进行网络优化
DVB-H前端：硅调谐器+解调器
为了将DVB-H前端集成到手机内,必须先解决几个重要问题：功耗、性能和机械尺寸。所有这些问题通过新一代的硅调谐器和解调器得到了解决。
; m( L* Z( ~$ Y硅调谐器特性
5 |5 O& x6 C/ m5 E2 n硅调谐器是一种较新型的调谐器,它从家用机顶盒和电视调谐器PC外设中所谓的罐式调谐器发展而来。罐式调谐器的性能相当好,并被作为测量硅调谐器性能的基准。
7 [/ F/ c8 @4 O% A. i) h* ]调谐器和解调器之间的接口从DVB-T的中频(IF)变为DVB-H的基带,这样就有可能实现基带内相邻频道过滤并将其集成到硅调谐器中,这样做有助于减小整体解决方案的占位面积。这种调谐器的功耗已降到了300mW。DVB-H曾被考虑用于UHF频段,但也被用于其它频率范围(例如,美国现场试验采用的是1.672GHz)。
DVB-H解调器特性
对解调器的主要要求是能提供良好的移动接收性能。DVB-H接收器的多普勒补偿要求至少为100Hz,接收器必须能处理具有这种变化的频道,同时要保持信噪比与低多普勒频率处的信噪比相同,以保证获得相同的服务质量(QoS)。对于广播公司来说,在进行网络规划时这一点非常关键。当接收器的速度发生变化时,网络覆盖范围必须保持相同。
) V4 h5 W6 w' ^除多普勒补偿之外,接收器还将面临频道系统配置的变化。
' B8 X  L6 e( t$ l/ z* A天线接收到的不同回波会变化,而且它们之间的距离也将不断变化,接收器必须对这些变化进行补偿,以避免与发射器失去同步,并维持良好的接收。
9 S* N/ ]- X8 n" y同信道干扰(CCI)是一种重要的瞬态干扰,它来自操作环境中产生的不同工业源,有时甚至来自其它相邻网络。接收器必须对这种大的干扰具有抵抗力,甚至要求在干扰比所要得到的信号更强大时,还能保持良好的接收。例如,在GSM手机中,这种干扰通常来自上游GSM信道。
  w! u, E5 P: ?- x- }6 B, u灵敏度是与较佳地理覆盖范围相关的一个重要参数。在实现解调器设计时必须尽量使品质退化处在相对于理论值而言非常低的一个水平。0.5dB-1dB的实施边际(implementation margin)是可以达到的。图3显示了一个DVB-H接收器结构框图,它由解调和媒体接入控制(MAC)处理两部分组成。
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% h( m; S/ ~2 v' ?8 V除了解调之外,链路层或MAC也被集成到解调器中,该层处理时间分片、IP数据提取和IP数据纠错。由于DVB-H必须支持高比特率,因此以硬件方式实现Reed-Solomon解码。
) r3 ^1 q  p7 O/ B4 Q功耗
一般来说,一个DVB-T MPEG-2节目流速率可高达10Mbps,超过了手机或手持设备能够处理或在QVGA显示屏上能显示的速率。低于500Kbps的位流可以在小显示屏上得到质量很好的视频分辨率。采用时间分片(例如数据突发)技术可以使DVB-T流适应手机需要。接收器开启工作的时间很短,而在其余时间处于关闭状态。为能接收到500Kbps数据,接收器只在5%的总接收占空比内处于开启状态,这样可节省大量功耗。
不过,这种计算是理论上的,在计算所节省的功耗时接收器的同步时间必须加到“开启”时间中。这里假设可以节省总工作时间功耗的90%,较新DVB-T前端(调谐器+解调器)的功耗大约为500mW,那么,可以计算出为了接收500Kbps,整个DVB-H前端的功耗为50mW。
除降低功耗之外,时间分片也支持发射器之间的无缝业务切换。接收器能够扫描其它可用RF频道,同时维持提供给用户的当前业务,如果从其它某个新的单元接收的信号水平更好且该单元也提供相同的业务,则转换到这个单元。
7 g7 l3 t) `* m# i) p$ ?) NIP数据广播
, d  j# E1 ^! h) |9 b8 x; lDVB MPE被采纳为DVB-H系统视频流和数据传输规范的一部分。
MPEG-2 IP包传输基于数字存储媒体命令和控制(DSMCC)单元,它们通常不重复。通过将整个IP包有效载荷封装于DSMCC单元的有效载荷中,并通过将MAC地址映射于DSMCC单元的各个头和有效负载字段来实现IP包的透明传输。
) E. @! |! t3 G6 u5 ]7 r: P单元格式允许将数据报分段为多个数据段(section)。如果数据报的长度小于或等于4086字节,该数据报在一个数据段中发送。在IP的情况下,较大传输单元(MTU)被设为4086字节或更少,这样数据报就不会被分段。MAC地址被分成在两个组中的6字节。5、6字节被映射至DSMCC单元的table_id_extension字段,而1、2、3和4字节被映射至DSMCC单元的有效负载域,进行这种映射是为了利用一代去复用器的有限能力。
% ?6 E% P1 b) [% o1 ~- u: k. cMPE前向纠错(MPE-FEC)
, L) t7 J$ h6 RDVB-H规范中增加MPE-FEC,以实现时间重叠(time-interleaving )和纠错。在移动环境中,信号将发生衰减并衰落,衰落的频率取决于接收器的多普勒效应,多普勒频率越低,系统中需要的时间重叠越大。DVB-H中时间重叠是灵活的,并可根据业务进行调整。典型的时间重叠周期可高至500ms或低至50ms,甚至更低,但那样在系统级就没有意义了。
时间重叠之后,应用Reed-Solomon编码器以保护数据。编码速度是灵活的,且也可根据业务进行调整。典型的编码速率可能为3/4,但也可使用低至1/2或高至7/8的编码速率。
图4显示了MPE-FEC给系统带来的优势。多普勒频率由X轴给出,而Y轴显示了达到特定QoS所需要的载波噪声比(C/N)。蓝色曲线显示没有MPE-FEC时的性能,而红色曲线显示带有MPE-FEC并以3/4编码速率编码的性能。
从图中可以看出,C/N平缓上升到120Hz多普勒频率,这一结果有助于广播公司简化网络规划。


4K模式
5 `  ?3 \! ?. o' S. n3 E3 W4K模式(包括2K及8K模式)的引入可以得到移动性和针对回声的网络可靠性之间更好的折衷。为了得到相同的有用的比特率,与4K模式相比,8K模式所具有的载波数将系统的抗回声水平提高了一倍。在现有的DVB-T网络中,有90%采用了8K模式。它已经过现场证明,且在用于甚高频(UHF)频段时,可提供良好的多普勒性能和抗回声能力。
应用处理
DVB-H解调器的输出为IP流,它被发送至设备应用处理器,应用处理器通常负责对视频、音频进行解码和渲染(rendering),以及针对手机或PDA等设备类型的业务集成。

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