层分复用(LDM)——堆叠信号以提升性能

qql •  2015-05-21 14:49:00  •  [ 技术干货 ]
现在的电视广播公司需要将内容传送给各类接收设备,从智能电话到平板电脑,再到巨大的LCD显示屏。为了成功接收当今主流的直播格式ATSC DTV,必须保证在实际传输中 信噪比高于20dB。
        现在的电视广播公司需要将内容传送给各类接收设备,从智能电话到平板电脑,再到巨大的LCD显示屏。为了成功接收当今主流的直播格式ATSC  DTV,必须保证在实际传输中 信噪比高于20dB。多通道(回声通道)必须在电视的自适应均衡器范围之内,还要足够稳定,以便自适应均衡器能捕捉到它们。这种系统虽然在户外天线环境中的性能较高,但在室内天线环境中却表现不佳,而且当接收设备是移动设备时,性能完全不能令人满意,除非使用美 国车载移动电视标准(ATSC-MH)。

        使得多种设备都能在与现在使用的ATSC信号相同的带宽中传输信号,这是 ATSC 3.0 标准要求优先满足的条件之一。一种实现方式是以更高的分辨率、更大的动态范围和拓展的 彩色范围传输两路视频流——一路是鲁棒性较高、码率较低的视频流,包含视频的核心内容 ; 另一路鲁棒性较低、数据率较高,提供增强的视频内容。

        时分复用(TDM)、频分复用(FDM)还是层分复用(LDM)?

        DVB-T2 标准支持多个物理层通道(PLP),可以配置以不同的载波调制、载波数量(FFT阶数)和多样化编码方式。使用两路或多路物理层通道使得以不同的鲁棒级别传输数据流成 为可能。复合数据流的建立方式可以是在不同时间传送数据流(时分复用,TDM),或给不同 的数据流分配特定的 OFDM 载波(FDM)。
西班牙研究人员开发出另一种在一个通道内传输两路或多路数据流的方法——层分复用(LDM)。LDM 的使用和 TDM 或 FDM 的使用并不冲突。TDM 或 FDM 可以用于 LDM 的不 同层上。如果有需要,L D M 也可以用于单个 T D M 物理层通道上,虽然这种使用方法的代价 是牺牲 L D M 的频谱覆盖技术这一大优势——即在全部时间内让高鲁棒层和低鲁棒层百分之百 地使用信道的能力。

        下面就 LDM 技术及 LDM 硬件设备的首次测试进行简要介绍。

        LDM 包括一个超鲁棒的高层(通常采用 QPSK 调制)和一个鲁棒性较低、数据率更高的 低层,一般使用一个在同一频谱中传输的高阶的、更复杂的星座图。分配给高层和低层星座 图的功率是可调节的。还可以针对移动 / 室内 / 偏远地区的传输服务,分配比靠近发射机或 室外天线的固定服务接收功率更高的功率。

        低层信号可以通过解码高层并将高层从已接受信号中剔除出去而得到。在 2015 年 IBC 展 会上,加拿大通信研究中心将 LDM 比作一个能在同样空间内运输更多乘客的双层巴士。

        T D M 已经能满足 D V B - T2 和 N G H 的要求(D V B 下一代手持电视标准),并且鲁棒 性也很高,为什么还要研究 L D M ?对比一个两层的 L D M 系统(带有 -4d B 底层)和一个 D V B T2+ N G H 单层系统,后者为了鲁棒性更高的“移动”数据流,使用了55%、40% 和30% 的DVB-T2信道容量。

        1. LDM 性能正如你所看到的,即使将55%的信道容量都分配给移动传输,TDM 还是不能达到LDM上层高达-0.3dB的信噪比。使用这种容量分配时,TDM 的较高数据率流的数据率(19.6Mbps) 要比LDM低0.9Mbps,信噪比却比LDM差了7dB。若将 T D M 的移动信道分配降低到40%,能使得更高数据率流的数据率增加到21Mbps(比LDM高0.5Mbps),信噪比降低到20.7dB,但仍比LDM 差了2.2dB。然而,较低数据率鲁棒TDM流现在需要3.7dB的信噪比,要比LDM差4dB。

        LDM可以通过配置,提供一个数据率为4.1Mbps、信噪比为2.7dB的鲁棒式高层,而鲁棒性较低的低层仍能达到数据率 30.1Mbps、信噪比24.4dB。这样的数据率对于在高层上 传输一路带有多音轨的高清内容,或在低层上传输带有更多音轨的超高清内容而言足够了。

        LDM的一大优势在于其鲁棒的高层信号无论在低层信号是否正在接收的情况下都是可用 的。它还能提供鲁棒性更高的同步和信道特征,它们在低层信号落在门限阈值之下而无法接 收时能快速再生信号,还能提供一个备有信号。

        LDM的另一个优势在于,如果未来出现了一种全新的调制或编码方式,我们希望在不淘 汰现有通信设备的前提下使用这些新技术。有了LDM,就能在低层上使用这些新方法,但只要高层信号还存在,那么现有的设备仍能接收。在消费者决定购买一套能接收新低层的设备 之前,原有的设备仍能接收到质量还不错的图像,虽然会丢失较高的数据率服务。

        LDM真的像描述中的那么好吗?它真的能引入实际应用吗?加拿大研究中心同电子和电 信研究所共同研制的 LDM 硬件设备在华盛顿举行了测试。

        移动/室内 :2.6 Mbps 720p SNR=-0.4dB ; 高数据率 : 20 Mbps 4KUHD SNR=18.5dB。 这个系统以非常低的功率将传输两路分离的节目传输给位于一张桌子两侧的一台接收机和一根天线 :19.43Mbps、60fps的4K-UHD视频,以及720p、60fps的HD视频。该系统鲁棒性很高,4K视频流的衰落很小,而HD视频流更是不可能产生衰落。

        虽然这仅仅是第一代基于FPGA的硬件设备,但初始设定一个-4dB的注入电平时,信号的损失非常低。硬件高层的性能与在AWGN、Ricean、Rayleigh和0.0-dB回声信道中 模拟时的性能差距不高于0.2dB。硬件低层的最大衰减也只比在Rayleigh信道中模拟时差了0.7dB。高层的性能将随着同步的不断优化而得以提升,而低层的性能将随着剔除更纯净的高 层而变得更好。

        2. LDM的优点

        采用LDM,虽然会增加接收端的复杂性和成本,但它的优势之明显让这些代价都变得不足挂齿。加拿大研究中心表示,使用LDM,接收端的复杂度增加不超过 10%,但换来的却是4dB〜6dB 甚至更高的信噪比提升。LDM 能独立于 MIMO、MISO、PLP、TI(时间交织)、导频、 GI(保护间隔)、前导和峰值平均功率衰减策略,还能同绝大部分ATSC3.0 物理层协议兼容。
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