【摘要】 隨著全球移動數據業務的飛速發展，移動電視業務已經成為當前新的熱點。我國的手機電視標準主要有中國移動數字多媒體廣播CMMB(China Mobile Multimedia Broadcasting)標準和地面移動多媒體廣播TMMB(Terrestrial Mobile Multimedia Broadcasting)標準。本文首先對CMMB和TMMB兩種標準的關鍵技術、建網等幾個方面進行了分析比較，然后詳細介紹了CMMB的信道編碼技術，最后對其市場前景進行了展望。
【關鍵詞】 CMMB ；TMMB；手機電視
The Research of Mobile TV Standards CMMB and TMMB
FU Zhi-yue ZHANG Hua-qing
(Information Engineering College, Communication University of China, 100024,)
【Abstract】With the rapid development of the global mobile data services,mobile TV business has become the new hot spots.China Mobile Multimedia Broadcasting and Terrestrial Mobile Multimedia Broadcasting are China’s main standards.This paper firstly introduce the key technology、production course of these two standards.Then it analysis the channel coding of CMMB.At last it looks into the future of them.
【Key words】CMMB ;TMMB; Mobile TV
1引言
隨著全球移動通信的飛速發展，涌現出了各種新的移動數據業務。手機電視是指在具有操作系統和視頻功能的智能手機上觀看的電視。手機電視業務的出現，使得人們可以在各個地方都能實時地收看電視節目。移動電視業務以其受眾面廣，信息覆蓋面廣，信息傳播性價比高等優點將必然成為未來市場的主導。據預測，到2011年，全球帶電視接收端的手機出貨量可達1.2億部，全球手機電視業務的市場規模將從目前的20億美元激增到310億美元。在如此可觀的市場前景的刺激下，各個國家的主要移動運營商都在積極地開發自己的手機電視業務，并制定了相應的手機電視標準。我國的手機電視標準主要有中國移動數字多媒體廣播CMMB(China Mobile Multimedia Broadcasting)標準和地面移動多媒體廣播TMMB(Terrestrial Mobile Multimedia Broadcasting)標準。廣電總局和工信部在兩個手機廣播電視標準CMMB和TMMB上長期對峙，迫于奧運的來臨和條件的限制，最終選擇了TD和中國移動數字多媒體廣播CMMB標準融合。
2兩種手機電視標準的比較
2.1 CMMB標準的技術特點
CMMB是由國家廣播電影總局提出，2006年10月頒布為中國移動多媒體廣播（俗稱手機電視）行業標準，采用S波段大功率衛星與地面同頻增補網絡相結合的技術體制，單項廣播和雙向互動相結合，實現全國天地一體覆蓋、全球漫游，適用于30~3000MHz頻率范圍，支持25套電視節目、30套廣播節目以及數據業務，CMMB的系統結構如圖1所示。
圖1 CMMB的系統框圖
CMMB的核心技術是信道傳輸技術STiMi，采用RS編碼和高度結構化低密度奇偶校驗碼LDPC技術，并且采用了創新的LDPC構造方法和低復雜度的譯碼方法，不僅提高了接收靈敏度，而且極大地降低了整個編譯碼器硬件執行的復雜性，利于芯片實現。STiMi還根據業務需求選擇采用BPSK、QPSK和16QAM的星座映射模式，適合傳輸不同服務質量要求的業務。
CMMB信源編碼處于前端系統，信源系統包括音頻、視頻、數據、電子業務指南、控制信息等經過封裝和排列，在移動多媒體廣播信道上進行傳送，同一業務的音頻基本流、視頻基本流和數據流封裝在同一復用子幀中，經過復用將它們送入信道進行編碼與調制，然后通過發射機發射。同樣在接收端，在信道內先經過調諧器，然后經過信道解碼和調制，通過解復用將視頻音頻數據分離出來[1]。
2.2 TMMB標準的技術特點
TMMB標準是由北京新岸線軟件科技有限公司提出，基于DAB架構，2004年10月在信產部、國家發改委和廣電總局支持下開始研發，適用于30~3000MHz頻率范圍，全面兼容DAB、T-DAB、DAB-IP等標準。TMMB繼承了DAB系統的成熟性、穩定性，DAB經過十幾年運行證明是可靠的，只需對DAB系統的復用器、發射機和接收芯片等設備進行軟件升級就可形成TMMB系統，因此TMMB產業基礎好，實現簡單，易于推廣。
TMMB具有很高的頻譜效率，為了提高系統頻譜效率，以便在有限的帶寬內傳輸更多的節目，TMMB不僅支持DQPSK調制，而且增加了對8DPSK和16DAPSK等高階調制方式的支持，TMMB系統的頻譜效率是TDMB的1.62/2.17倍（8DPSK/16DAPSK），此外TMMB采用單一的LDPC糾錯碼，無需級聯外碼，因此比DAB-IP和T-DMB中的級聯碼方案又進一步提高了系統頻譜效率。為了保證采用高階的調制方式時系統在高速移動環境下良好的接收性能，在綜合考慮性能、復雜度、實現平臺等因素的影響后，TMMB系統引入了先進的信道糾錯編碼技術LDPC碼，以保證良好的移動接收和覆蓋性能，對LDPC碼字進行優化設計，提出了一類性能優異、編譯碼簡單、存儲量低的轉循環LDPC碼，針對差分調制提出一種低復雜度的譯碼算法。
3 CMMB的信道編碼
CMMB的物理層邏輯信道的編碼框圖見圖2，主要由RS編碼與字節交織、LDPC編碼、比特交織和星座映射部分組成。
數據輸入
圖2 信道編碼框圖
3.1 RS編碼
1960年MIT，Lincoln實驗室的Reed和Solomon發表了論文“Polynomial Codes over Certain Finite Fields”，構造出一類糾錯能力很強的多進制BCH碼，這就是RS(Reed-Solomon)碼[2]。
與二進制(BCH)碼相比，RS碼不僅是生成多項式的根取自GF(2m)域，而且其碼元符號也取自GF(2m)域。也就是說，在一個(n，k)RS碼中，輸入信號被分成k個符號每組，每個符號m比特，每組km比特。這樣，RS碼的生成多項式就可以直接由一次多項式構成[3]。
RS碼的糾錯能力很強。由于它采用了q進制，所以它是多進制調時的自然和方便的編碼手段。因為RS碼能夠糾正t個q位二進制碼，即可以糾正小于等于q個連續的二進制錯誤（當然，對于q位二進制碼中分散的單個錯誤也能唄糾正），所以適合于在衰落信道使用，以克服突發性差錯。RS碼的超強糾錯能力，使其被運用于眾多通信系統及光盤、磁記錄等技術的編碼方案，現有數字電視地面廣播國際標準也都選用了RS碼作為外碼。
CMMB標準中，RS編碼和字節交織按照按列輸入和輸出，按行編碼的方式進行。RS碼采用碼長為240字節的RS(240,K)截短碼。該碼由原始的RS（255,M）系統碼通過截短產生,其中M=K+15。K為一個碼字中信息序列的字節數，校驗字節數為(240－K)。RS(240,K)碼提供4種模式，分別為K=240，K=224，K=192，K=176。RS碼的每個碼元取自域GF(256)，其域生成多項式為
3.2 字節交織
在移動通信系統中，干擾和衰落引起的誤碼往往具有突發性，是長串連續的塊狀誤碼。交織技術正是為了解決這一問題而設計的。當出現長串連續的誤碼時，在接收端通過交織，誤碼就被分散成單個的或很短的連續誤碼，分散后的誤碼一般都能利用信道編碼的糾錯能力予以糾錯。
CMMB中，上層數據流輸入字節交織器的方式如圖3所示：二進制比特流按照低位優先的方式劃分為字節，逐字節按列填充至字節交織器，字節交織器填充的列序號由0至(K-1)升序排列。填充第k列時，首先填充B0,k 字節，依次填充直至
字節，第k列填充完成，下一字節填充至第k+1列的第0字節，直至第(K-1)列的第(MI-1)個字節。
在字節交織器的第r行中(0≤r≤MI −1) ，信息區組成一個長度為K的信息序列(Br,0，Br,1,…,Br,k-1 )作為RS(240,K) 碼的輸入。RS(240,K) 碼的輸出碼字為(Br,0，Br,1,…,Br,k-1, pr,0,pr,1,…pr,239-k)，其中(pr,0,pr,1,…pr,239-k )為(240-K)個校驗字節。校驗字節pr,I，(0≤i≤239 −K)填充至字節交織器的B r,K 至Br,239字節。
字節交織器按列順序輸出。首先輸出第0列數據，直至輸出第239列數據。輸出第k列數據時(0≤ k ≤239)，依次輸出
，
，……，
字節。字節交織器中的全部字節（MI×240字節）映射在整數個完整時隙上發送，其中字節交織器的B0,0 字節總是在時隙的起始點發送。
圖3字節交織器與RS(240,k)編碼
3.3 LDPC編碼
低密度奇偶校驗碼（LDPC）是1962年Gallager在他的博士論文中提出的一類具有稀疏校驗矩陣的線性分組碼，不僅有逼近Shannon限的良好性能，而且譯碼復雜度較低，結構靈活，是近年信道編碼領域的研究熱點，目前已廣泛應用于深空通信、光纖通信、衛星數字視頻和音頻廣播等領域[4]。
LDPC碼可以用非常稀疏的校驗矩陣或二分圖來描述，也就是說LDPC碼的校驗矩陣的矩陣元除一小部分不為0外，其它絕大多數都為0。通常我們說一個(n,j,k) LDPC碼是指其碼長為n，其奇偶校驗矩陣每列包含j個1，其它元素為0；每行包含k個1，其它元素為0。j和k都遠遠小于n，以滿足校驗矩陣的低密度特性。校驗矩陣中列和行的個數即j和k為固定值的LDPC碼稱為規則碼，否則稱為非規則碼。一般來說非規則的性能優于規則碼。
CMMB標準中，經過RS編碼和字節交織的傳輸數據按照低位比特優先發送的原則將每字節映射為8位比特流，送入LDPC編碼器。字節交織器的B0,0字節的最低位映射在LDPC輸入比特塊的第一個比特。LDPC編碼配置見表1
表1：LDPC編碼配置
|
碼率 |
信息比特長度K |
碼字長度N |
|
1/2 |
4608比特 |
9216比特 |
|
3/4 |
6912比特 |
9216比特 |
雖然CMMB中的LDPC的校驗矩陣H已經非常稀疏了，但是它所對應的生成矩陣也足夠的密集，這就意味著對于一定的碼長的生成矩陣的譯碼的復雜度將非常大，也說明了硬件實現的不方便性。而且CMMB中的LDPC為高度結構化LDPC，而不是類循環LDPC。CMMB- LDPC 碼的特征在于, 根據碼表和擴展方法迭代構造LDPC 碼的校驗矩陣, 并且碼表是構造完成后的校驗矩陣的一部分。
假設LDPC 碼的校驗矩陣大小為M 行N 列，并且可以將該M 行N 列的校驗矩陣劃分為m×n 個子矩陣， 每個子矩陣大小為L×L， 即M=m×L， N=n×L。碼表由m 行或n 列數據組成， m 行數據的碼表可以是構造完成后的校驗矩陣的任意循環連續的m 行數據， 其中，若校驗矩陣的行m1和行m2 是循環連續的兩行，則有|m1- m2|=1 ，或者|m1- m2|=M-1。通過這樣的碼表拓展迭代即可生成校驗矩陣。
CMMB 系統中的LDPC 編碼技術，其優勢是壓縮了編譯碼所需的矩陣存儲空間， 而且還有效的降低了編碼復雜度，更使系統具有良好的抵御移動信道中的多徑衰落的性能。
為了研究CMMB的編碼性能，我們對整個編碼過程進行了編程仿真。仿真中所用到的信道是瑞利衰落信道，采用的調制方式是16QAM調制。LDPC的碼長取標準上的9216。圖4所示為LDPC在相同碼長下，不同碼率的誤碼率性能。從圖中我們可以看出，在誤碼率為10-5情況下 ，1/2碼率比3/4碼率有3 dB左右的編碼增益。
圖4相同碼長，不同碼率的性能圖
4 結束語
本文對我國手機廣播電視標準TMMB和CMMB進行了比較分析，并針對移動多媒體廣播系統CMMB的信道編碼進行了研究，伴隨著新的編碼技術的應用，整個系統的誤碼率將會得到進一步的提高，從而使CMMB體系日趨完善。
參考文獻
[1]試論適合CMMB的信源編碼技術【J】.廣播與電視技術，2008（8）；26~32
[2]樊昌信.通信原理[M]. 北京:國防工業出版社，2007.1.
[3]王新梅,肖國鎮. 糾錯碼-原理與方法[M]. 西安:西安交通大學，2003.
[4] 袁東風，孫海剛.LDPC碼理論與應用[M]. 人民郵電出版社，2008.
作者簡介：
付志躍（1986—）：女，碩士研究生，研究方向為數字廣播技術。
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