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日本8K超高清地面数字电视广播网络试验情况汇总

1、引言

 

日本已在20168月进行4K超高清卫星电视测试广播[1]。为了使得现有数字地面电视广播网络也能传输4K/8K超高清电视信号,NHK正在研究基于MIMO技术、高阶调制的OFDM(正交频分复用)技术、LDPC(低密度奇偶校验编码)技术的大容量无线传输系统[2]。并正在进行可传输8K超高清电视信号的下一代数字电视广播网络系统的研究。MIMO(多天线技术)应可被用于扩展现有SISO(单输入与单输出)形式的地面数字电视信道容量,美国下一代数字地面电视广播标准中把2×2 MIMO作为一种可选方式。

 

现有的数字地面电视广播系统采取SISO技术,若在其中使用LDPC编码,则系统容量已经接近香农极限。可行的改进方法是:部署双极化MIMO技术,以水平极化信道和垂直极化信道的联合来大幅提高信道容量(可行性在于,数字地面电视信号一般都是LOS视距传输)。美国下一代数字地面电视标准ATSC 3.0中就规范了2×2 MIMO技术。NHK在人吉市建设的8K超高清地面电视广播网也采取了双极化MIMO技术(此外还采取了1024 QAM4096 QAM等高阶调制的OFDM技术)。

 

2014年,基于上述大容量无线传输系统(2×2 MIMO+超高阶调制OFDM),NHK成功实现通过单信道(6 MHz带宽)对一套8K超高清电视节目信号的地面广播(最大传输距离达到27 km,传输码率为91 Mbps),并分析了2×2 MIMO系统的无线传播特性。2015年,NHK又在熊本市建设18K超高清电视发射台,与人吉市的8K超高清电视发射台组成一个先进的SFN(采取空时编码),以进行4×2 MIMO技术的场测。

 

为了最终实现采取MIMO技术建设下一代数字地面电视广播网络,并确保其具备足够的无线链路预算(尤其是与MIMO传播参数相关的链路预算),NHK分别在人吉市、熊本市建设了8K超高清地面电视广播试验网(均为基于传统ISDB-T标准的数字地面电视广播网络的扩展。一共两个发射塔),在其中的1个发射塔作了2×2 MIMO技术的场测,并以两个发射塔组成SFN(单频网)来进行4×2 MIMO技术的场测。该单频网的先进性体现于:其采取的是STC(空时编码)技术。2×2 MIMO技术的场测中,以单个UHF(超高频)频道(带宽为6 MHz)传输一路8K超高清地面电视信号(传输码率为91 Mbps),场测结果表明:相比于实验室的测量结果,即时实在NLOS(非视距)现网环境中,双极化(水平极化+垂直极化)MIMO所需的CNR(载噪比)的下降,低于3 dB4×2 MIMO技术的场测结果表明:此次采取空时编码的SFN所需的接收功率要由于传统SFN 3 dB

 

2、对MIMO场测的概述

 

数字地面电视广播网络需要严格保证鲁棒性,但是,由于无线信号的季节性衰落特性以及局部环境的不同,无线传播特性具有多变性。从而,在建设数字地面电视广播网络之前,须严格选择并论证无线链路预算(比如所需的载噪比指标、接收系统的信号功率损耗及增益等)。

 

1所示为采取双极化MIMO技术的下一代数字地面电视广播系统的链路预算。进行场测的目的就是要验证这些基于这些参数配置的8K超高清地面数字电视广播网络能否面向偏远地区发射播出。

 

1  8K地面电视广播双极化MIMO系统的无线链路预算[1]

接收机

所需CNRdB

A1

由仿真及室内测试决定

接收系统

①接收天线增益

②馈线损耗

……

B1

B2

B3

传播盈余

①最小场强值的可用性

②采取双极化波的MIMO的可用性

③时变特性

……

C1

C2

C3

C4

2×2 MIMO的场测决定

单频网损耗

单频网损耗或盈余

D1

4×2 MIMO的场测决定

其他

……

E1

 

所需的场强值(dBμV/m

X

 

1及表28K超高清地面电视广播试验MIMO发射台的情况作了描述。发射台位于日本的西部,均具备单信道91 Mbps传输容量的能力,均采取4096 QAM高阶调制——被调制后,8K超高清电视信号就被分成两路,分别以水平极化波和垂直极化波的形式广播发射出去,且分别以双极化的传输天线来辐射。

 

1

日本8K地面电视广播发射台(用于试验)的分布[1]

 

2  8K地面电视广播试验中所采取的参数配置[1]

编号

发射台站址

覆盖区域

ERPW

标准

传输模式

容量

中心频率

1

人吉市

人吉市

熊本县

140H

135V

ISDB-T

6 MHz

32 k子载波;

保护间隔

=1/32

4096 QAM

FEC=0.75

双极化MIMO

91.8 Mbps

671 MHz

(第46频道)

2

Mizukami

25H

25V

671 MHz

(第46频道)

3

NHK

东京

93H

93V

581 MHz

(第31频道)

2描述了位于人吉市的8K超高清地面电视广播试验MIMO发射台的技术参数及试验效果。其中:(1)为现有数字地面电视广播系统(ATSC1.0ISDB-TDVB-T/T2DTMB)所广泛采取的辐射单极化波的SISO系统;(2)是一个部署了双极化MIMO技术的2×2 MIMO系统,始建于2014年;(3)为一个由两个站点组成的4×2 MIMO系统,站点间距为38km,每个站点均部署有双极化MIMO技术。两个发射台以TTL(发射机到发射机链路)通过SHF(超高频)微波来连接。

 

2

人吉市的8K超高清地面电视广播试验概况[1]

 

目前传统的数字地面电视广播系统主要采取四种方式把需要广播的电视节目信号传输到发射台:无线中继系统、微波、卫星、光缆链路。NHK在日本全国的2200个电视发射台中,目前有超过800个选择了基于微波的TTL方式。

 

而在8K超高清地面数字电视广播试验系统的场测中,NHK采取IF-TTL(中频TTL)的方式来把OFDM波形信号(6 MHz带宽)传输至发射台。由于是SFN单频网(均通过第46频道发射),NHK所采取的信号同步(时间维度与频率维度)技术是Rb(铷)振荡器+GPS系统。

 

3总结了双极化MIMO传输系统的技术规范,表4总结了试验网发射台的相关规范。图3所示为试验网里单频网中两个发射塔台的设备及其描述。两个发射台具有相同的性能:(1)发射天线的性能参数:①天线类型:双极化偶极子天线;②中心频率:671MHzUHF46频道);③增益:超过10dBd;④交叉极化分辨力:超过15dB(半功率角);⑤电压驻波比:低于1.20。(2)接收天线的性能参数:①天线类型:8单元双极化Yagi天线;②工作频率:597~674 MHzUHF33~46频道);③增益:9.0dBd;④前后辐射比:超过13dB;⑤交叉极化分辨力:超过25dB(正前方)。

 

3  8K超高清电视无线双极化MIMO传输系统的规范[1]

调制方式

OFDM

占用带宽

5.57 MHz

子载波调制

64 QAM256 QAM1024 QAM4096 QAM

子载波及数据子载波

8k56179)、16k11233)、32k22465)、64k44929

保护间隔比

1/81/161/32

保护间隔

504微秒、252微秒、126微秒

纠错编码

内码:LDPC,码率2/33/45/6;外码:BCH

传输容量

91.8 Mbps4096 QAMLDPC码率为3/4);

76.5 Mbps1024 QAMLDPC码率为3/4)。

 

4  8K超高清地面数字电视广播单频试验网发射台的规范[1]

 

人吉市发射台

Mizukami发射台

发射频率

671.142857 MHzUHF46频道)

发射功率(W

10H

10V

3H

3V

ERP

140H

135V

25H

25V

发射天线的高度

632

1080

 

3

3  8K超高清地面数字电视广播单频试验网发射台的设备配置[1]

 

3、基于2×2 MIMO系统的8K超高清地面数字电视网络传输试验

 

12×2 MIMO系统概述

 

4所示为用于8K超高清地面数字电视网络场测的2×2 MIMO调制器与解调器框图。输入信号采取了BCHLDPC编码(笔者注:分别为内码及外码)、进行了比特交织,然后被映射至调制星座图上。随即,该路信号被分成两路信号,分别用于水平极化传输和垂直极化传输。两路信号均进行3个维度(时间维、频率维、极化维)的交织。且OFDM帧结构中还含有SP(离散导频),用以进行无线信道质量预估。

 

4

4  2×2 MIMO系统的原理框图(上图为调制器工作原理,下图为解调器工作原理)[1]

 

紧接着,通过IFFT(反快速傅里叶变换),相关信号被转换成时域信号,并于其中加入GI(保护间隔),再通过U/C(上变换器),调制器中的信号就被转换成同频率的RF(射频)信号。该RF信号经PA(功率放大器)放大至预定电平值后,最终被双极化天线以水平极化波及垂直极化波的形式辐射出去。

 

处于终端的双极化八木Yagi天线接收到8K超高清电视发射台的无线信号后,BPF(带通滤波器)会对两路信号作过滤处理,并将处理后的信号输入至ATT(可调衰减器),并以LNA(低噪声放大器)放大信号功率,然后以D/C(下变换器)生成IF(中频)信号,再将IF信号输入到8K超高清电视解调器。

 

在解调器中,首先要去掉OFDM帧中的GI,然后通过FFT(快速傅里叶变换)把信号转换至频域。频域信号再经2×2 MIMO检测器进行解复用和均衡处理(根据每路极化波的信道响应)。

 

8K超高清地面数字电视网络场测中,对于MIMO均衡,NHK使用了相比其他算法(比如最小均方误差MMSE或最大似然检测MLD)的复杂度要小得多的ZF(迫零)算法。这是由于,采取了超高阶调制(4096 QAM)之后,MMSEMLD算法的复杂度都很大,硬件上很难实现,而对于8K超高清地面数字电视广播信号的固定接收而言,实施ZF算法是可以获得足够的系统性能的。随后,再经过三维解交织、LLR计算、比特解交织、LDPC解码、BCN解码后,得到输出信号。

 

5所示为2×2 MIMO传输系统及4×2 MIMO传输系统的SP模式。其中,为了预估每路极化波的信道响应,采取了四个离散导频相正交的机制。这些SP模式是现有ISDB-T数字地面电视标准的扩展。

 

5所采取的离散导频[1]

 

22×2 MIMO传输系统的现网场测概况

 

为了分析2×2 MIMO传输系统的实际性能,NHK建立了528K超高清地面数字电视接收站点进行场测,这些站点距离8K电视发射塔台从1.3 km36.7 km不等,站点分布及天线方向图如图6所示。

 

6

用于2×2 MIMO传输系统的8K超高清电视接收站点分布情况[1]

 

5所示为所进行的测试项目。接收功率、MER(调制误差比)、星座图、延迟/时延、信道响应、条件数等均得到测试。条件数kH)是反映MIMO信道多径衰落的一个量化指标,相关定义如图7所示。

 

测试项目汇总[1]

测试项目

接收天线的离地高度(米)

①接收功率

②调制误差比

③延迟模板,信道响应

④条件数

5.05.56.06.5

7.07.58.08.5

9.09.510.0

256 QAM/1024 QAM/4096 QAMBER及接收盈余

10

 

图9(7)

对“条件数kH)”的定义[1]

 

在多径不明显的无线环境中(比如视距传输LOS),条件数kH)的数值接近1。而在多径较明显的无线环境中(比如非视距传输NLOS),多径约明显,条件数kH)的数值就越大。MHK在进行8K超高清地面数字电视网络场测中对每个子载波(一共有22465个子载波)作了“条件数kH)”计算,并分析了“条件数kH)”的平均分布情况。

 

8所示为8K超高清地面数字电视网络测试车以及MIMO传播分析仪的用户界面。其中测试了BER(误码率)及接收信号功率阈值。其中,BER测量是在BCH解码之后进行,而且分别对256 QAM1024 QAM4096 QAM调制信号作了BER测量。此外,还检测了上述各种调制方式下是否获得QEF(准无误码)信号。

 

7

8  MIMO传播分析仪界面(左)及8K电视测试车(右)[1]

 

32×2 MIMO传输系统的现网场测结果

 

1)最低场强值

 

NHK验证了上文表1中链路预算(C1)的最低场强值(面向QEF传输)的变化特性,其中以可调衰减器来降低低噪声放大器输入信号的电平值。

 

6所示为8K超高清地面数字电视广播试验网络的场强均值及变化范围。把调制星座图中的信号点总数提高3倍之后,平均最小场强值提高了5dB。此外,最小场强值的变化/浮动范围是7-10dB。为了验证相关无线链路预算可满足的最小场强值的变化范围,需要进一步在城市中人口密集分布区域进行8K超高清地面数字电视广播网络的场测。

 

6  8K超高清地面电视信号的场强均值及浮动范围[1]

子载波调制

4096 QAM

1024 QAM

256 QAM

平均最小场强

dBμV/m

55.1

50.2

45.4

变化幅度

(范围)

7.6

53.5~61.1

7.2

48.5~55.7

10.8

43.3~54.1

QEF点的数量

39

43

44

 

22×2 MIMO系统的传输特性及条件数与C/N(载噪比)劣化之间的关系

 

为了验证上文表1中双极化波MIMO链路预算(C2)的浮动范围,NHK2×2 MIMO系统的传输特性作了分析。其中的无线传播环境共被分为四大类:①具有强场强值(超过60 dBμV/m)的LOS(视距传输);②具有强场强值(超过60 dBμV/m)的NLOS(非视距传输);③具有中度场强值(40-60 dBμV/m)的NLOS;④场强值弱(低于40 dBμV/m)的NLOS

 

9所示为中度场强NLOSMIMO信道响应,其中,交叉极化鉴别超过了15 dB,而且信号接收功率可通过2×2 MIMO检测(以良好的信道响应)来均衡。图10所示为弱场强NLOSMIMO信道响应,其中由于信道响应很差,信号接收功率就无法被均衡。

 

8

中度场强NLOSMIMO信道响应[1]

 

9

10  弱场强NLOSMIMO信道响应[1]

 

11所示为上文所述四大类无线传播环境中的条件数的分布,对其分析表明:2×2 MIMO信号传播质量从优到劣依次是强场强LOS、强场强NLOS、中度场强NLOS、弱场强NLOS。造成该排序的原因是无线8K超高清电视信号里交叉极化波成分依次(按上述顺序)增加。此外,条件数也是在按照上述的顺序增加。

 

10

11  四大类2×2 MIMO无线传播环境里条件数的分布[1]

 

12给出了条件数均值与载噪比劣化之间的关系,其中,所有8K超高清地面电视广播接收站点的接收天线距离地面的高度均为10米。场测中所测得的载噪比与参考载噪比(在实验室的中频环回环境下测得)的差值为31.6 dB(载噪比劣化)。

 

11

12  条件数均值与载噪比劣化之间的关系[1]

 

NHK之前的研究及试验表明:如果条件数均值劣化了10dB,载噪比就会劣化了3dB。几乎所有8K超高清地面电视广播接收点的场测结果均与上述由实验室仿真所得出的结论相似(差异低于1 dB)。即使是在NLOS环境下,所有接收站点的载噪比劣化值均低于3dB

 

13所示为接收点D的条件数,其中的条件数均值为7.3dB,但最差情况下的条件数高达42.8dB。图14所示为接收点DMIMO信道响应。结合图13及图14,可得出的结论是:在部分频段,D接收点的信号强度极度劣化。

 

13

13  接收点D的条件数[1]

 

14

14  接收点D2×2 MIMO信道响应[1]

 

15所示为信号接收功率与典型LOS接收点及D接收点中天线离地高度之间的关系,从图151)看来,离地面10米高度处的信号接收功率值最大,但从图152)看来,D接收站点里,离地面10米高度处的信号接收功率值确是最低的——出现信号场强极度劣化的情况是由于:无线传播无法以频率交织进行补偿,D接收站点的信号载噪比实际值要比实验室仿真值差。值得注意的是,D接收站点是无线传播条件较为优越的LOS环境。

 

15

15  8K超高清电视信号接收功率与天线高度的关系[1]

 

业界一般采取条件数均值来预测信号载噪比劣化。接下来尚需进一步分析条件数的分布。

 

32×2 MIMO信道的时变特性(观察周期为一年)

 

为了验证上文表1C3中无线链路预算的时变特性,NHK38K超高清地面电视广播接收站点XYZ进行了长达一年的场测及分析,其分别距离8K超清电视发射塔台12 km22km27km。图16与图17所示为接收站点Z的场强及平均条件数的长期时变特性,表7列出了这3个接收站点的相关测量结果。

 

16

16  接收站点Z的信号场强的时变特性[1]

 

17

17  接收站点Z的平均条件数的时变特性[1]

 

7  2×2 MIMO传输系统的长期(一年)测量数值[1]

测试点

X

Y

Z

场强中值的变化幅度/dB

(最好月份最差月份)

H

0.7

1.2

1.7

V

1.6

1.7

1.3

最差月份里的场强变化/dB

99%时变中度)

H

0.8

0.9

1.3

V

0.8

1.1

1

99%时变时的条件数

(最差月份)

1.44

1.37

1.27

99%时变时的条件数劣化(最差月份)

所估计的所需CNR(载噪比)的劣化值

0.1

0.1

0.1

 

在无线传播环境条件最差的月份(99%时变--中度),接收站点Z的最大场强变化值为1.3dB。此外,在所有3个节点,无线传播环境条件最差月份里,由条件数变化引起的接收信号载噪比劣化值均低于0.1dB。即使是在暴雨及台风期间,各8K超高清地面电视广播接收站点的条件数及场强值的变化均较小,且长距离无线传输的极化旋转效应、信号功率季节性衰落等均较小。

 

4、基于4×2 MIMO系统的8K超高清地面数字电视网络传输试验

 

14×2 MIMO系统概述

 

NHK采取先进的使用了STC(空时编码)技术的SFN(单频网)。图18所示为采取4×2 MIMO技术的该SFN系统。图19为用于8K超高清地面电视广播试验网场测的4×2 MIMO调制器与解调器原理框图。通过使用上文图5所示的四个正交SP(离散导频)图样来预估4×2 MIMO信道响应,使得4×2 MIMO解调器就能够区分每一路信号。

 

18

18  采取STC4×2 MIMO的先进SFN[1]

 

19

19  4×2 MIMO系统(调制与解调)的实现原理[1]

 

为了在8K超高清电视接收站点实现单频网信号(分别来自两个发射台站)的同步(对两路相同信号的到达时延进行调整),NHK8K信号调制器中加入了IF(中频)延迟调整模块(如图19所示),其可调整的时间范围是0.1微秒--10毫秒。

 

24×2 MIMO传输系统的场测结果

 

传统SFN是位于不同地点的地面无线电视发射台站同时以相同的频率传输相同的内容,但是容易产生“0 dB反射效应”问题。为了分析与评估在先进SFN与传统SFN中运行4×2 MIMO双极化系统的传输特性,NHK在图20中所示的38K超高清地面电视广播接收站点ABC作了相应的场测。

 

20

20  4×2 MIMO传输系统中38K超清电视接收站点的相关情况[1]

 

为了对不同的MIMO环境进行分析,NHK在场测中把先进SFN中两个8K超高清地面电视广播发射台站的叠加覆盖区域设置/调整得很广。图223个接收站点距离两个发射台站均超过了15千米。

 

此外,为了在相同的条件下进行评估,HNK对两个8K超清电视发射台站的发射功率及发射延迟均进行了调整,且把3个接收站点的接收机输入信号电平均作了调整,使得主用波与SFN波的功率比均达6 dB、从主用波到SFN波的延时均达到2微秒。主用波与SFN波的功率电平均以每路接收到的水平极化波与垂直极化波的平均功率来定义。

 

如图21,空载波(不承载数据)仅出现于传统SFN,而并未在先进SFN中出现。且先进SFN对于所需的接收功率的要求要低于传统SFN——相关数值的最大值为3dB。其中,所需的接收信号功率参考值是仅从一个8K超高清地面电视发射台所接收到的信号功率。在38K超清电视接收站点中,由于SFN波是高功率的,即使是面临着多径的无线传播环境,先进SFN也能获得高达3dB的信号增益。

 

21

21  38K超清电视接收站点中,传统SFN与先进SFN的接收信号功率值[1]

 

5、下一步展望

 

下一步,NHK科技研发部还将在城区及偏远地区进行8K超高清地面电视广播网络系统的场测,以验证这两种场景是否能满足表1中无线链路预算(D1)的SFN边界值。

 

参考文献:

 

[1] 李远东. 日本首个4K UHDTV卫星电视广播商用系统综述[EB/OL].

http://www.istis.sh.cn/list/list.aspx?id=8592, 2015-02-28.

 

[2] Susumu Saito, Takuya Shitomi, Shingo Asakura, etc.. 8K Terrestrial Transmission Field Tests Using Dual-Polarized MIMO and Higher-Order Modulation OFDM[EB/OL].

http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?arnumber=7329950, 2016-12-05.

 


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