第二章 歐規數位電視地面廣播傳輸標準介紹
2.3 亂碼器
通道編碼的第一個處理單元就是亂碼器。其輸入資料之格式是一個長 度為188 位元組(bytes)的 MPEGⅡ運輸封包。每個封包包含一個同步位元 組(sync byte)和 187 個資料位元組(data bytes)。亂碼器不會改變一個封包的 長度，只是將資料(同步位元組例外)和一串所謂的 PRBS (Pseudo Random Binary Sequence)作 Exclusive-OR 的運算，如圖 2.2 這個 PRBS 序列可利用 一個16-bit 之 shift register 來產生，在一般情形下，原始資料很有可能出現 一長串的"1"或"0"。亂碼器主要目的在於降低傳送一長串的"1"或"0"之機 率，以避免在接收端作時脈回復(time recovery)造成不良後果。例如，當有 連續1000 個"0"傳送時，接收端可能會很難決定到底是 999 個或是 1000 個 或是1001 個"0"。在接收端，其對應的解亂碼器(de-randomizer)只需要將相 同的PRBS 與接收到的資料 (同步位元組除外)作 Exclusive-OR 運算就可得 到原來的資料。在歐規數位電視標準中產生PRBS 之多項式產生器之方程 式為1+X14+X15。
圖2.2 亂碼器方塊圖 2.4 外編碼器 (Outer Coder)
接在亂碼器之後的是外編碼器，使用的編碼方式為Reed-Solomon code (RS 碼)。此 RS 編碼器的輸入是長度為 MPEG 188Ⅱ 位元組的封包，並計 算出長度為16 位元組的 parity，並將之加在原來 188 位元組的封包之後成 為一個長度為204 位元組的封包。這個長度為 204 位元組的封包在傳送過 程中如果發生錯誤，只要錯誤的個數不超過8 個位元組，接收端的 RS 解 碼器就能夠將錯誤糾正回來。這樣的RS 碼可以寫成 RS(204,188,t=8)。其 碼產生(Code Generator)多項式為
g(x)=(x+λ )(x+λ )(x+λ ) (x+λ )
0 1 2"
15 ，場產生 (Field Generator)多項式為p(x)=x +x +x +x +x
8 4 3 2 1。2.5 外交錯器 (Outer Interleaver)
RS 編碼器主要功用是用來糾正隨機雜訊(random noise)所造成的錯 誤，這種錯誤的發生通常是零零散散的。然而，在傳送過程中，有些時候 會有一連串錯誤(burst error)發生，這種錯誤很可能會超過 RS 編碼的錯誤 糾正能力。其解決之方法就是：在資料傳送之前，先把原來同一封包的資 料打散到數個不同的封包去。換言之，傳送中同一封包的資料是來自於原 先數個不同封包的部份資料。如此一來，當傳輸過程中發生一連串錯誤 時，這些錯誤將分屬於原先數個不同的封包。因此，每一個封包所發生錯 誤的個數就可減少。於是，RS 解碼器就能夠把錯誤糾正回來。交錯器
端，其對應的處理單元為解交錯器(de-interleaver)。其目的是把原來被交錯 到不同封包的資料恢復回原來的地方。解錯器方式可分為區塊交錯(block interleaving)和迴旋交錯(convolutional interleaving)兩種方式。DVB-T 標準 是採用迴旋交錯方式。圖2.3 是迴旋交錯器和迴旋解交錯器的概念圖。
圖2.3 迴旋交錯器及解交錯器
2.6 內編碼器 (Inner Coder)
在高雜訊及干擾嚴重的傳輸媒介中，為了讓資料能在傳送過程中得到 足夠的保護，往往在外編碼 (RS 編碼) 之後再加上一級編碼－內編碼 (inner coding)。在 DVB-T 標準中，內編碼器可細分為兩個工作單元：迴旋 乘積編碼器(convolutional encoder)和打孔器(puncturing unit)，如圖 2.4 所 示。這個迴旋乘積編碼器是由一個長度為6 之 shift register 和 modulo-2 加 法器組成，如圖2.5 所示。一個位元(bit)的輸入將會產生兩個位元的輸出。
也就是說，需要傳送的資料量是原來資料量的兩倍，其編碼率(code rate) 為 1/2。因此，編碼效率(coding efficiency) 只有 1/2。為了能夠提供較高的編 碼效率(當然需要犧牲一些錯誤糾正能力)，實施方法就是不要將每個位元 的輸入所產生的兩個位元都傳送出去。打孔器就是用來有規則地選擇所產 生兩個位元的其中之一或全部送到下一級。在DVB-T 標準中，總共提供 了五種編碼率之選擇：1/2、2/3、3/4、5/6、以及 7/8。表 2.1 列出在不同編 碼率所對應之傳輸順序(transmitted sequence)。
圖2.4 內編碼器
圖2.5 迴旋乘積編碼器(code rate：1/2)
表2.1 不同編碼率對應之傳輸順序
2.7 內交錯器 (Inner Interleaver)
內交錯器共有兩種工作模式：非層次結構(non-hierarchical) 模式和層 次結構(hierarchical) 模式。它包括一個以位元為處理單位的位元交錯器(bit interleaver)與以符號為處理單位的符號交錯器(symbol interleaver)。圖 2.6 與圖2.7 分別是非層次結構模式和層次結構模式之內交錯器結構圖﹝圖中 是以64-QAM 為例﹞。
圖2.6 非層次結構模式之內交錯器(64-QAM)
圖2.7 層次結構模式之內交錯器(64-QAM)
資訊傳送之前將會編碼成QPSK、16-QAM 或 64-QAM 等二維訊號。
由於每一個QPSK、16-QAM 和 64-QAM 符號分別包含有二個、四個和六 個位元的資料，內編碼器所產生的位元流(bit-stream)會依據所使用的調變 方式(QPSK、16-QAM 或 64-QAM)被 de-multiplexed 成二個、四個或六個 次位元流(sub-streams)。每一次位元流都會各別作不同位元交錯處理。因 此，連續的位元會被分配到不同的符號。符號交錯器則是將各個符號對應 到(mapping) OFDM 符號中不同的次載波(sub-carrier)。次載波將會在下一 章節介紹。
在層次結構模式中﹝以64-QAM 為例﹞，較重要的資訊 (x0,x1,…) 所 對應的兩個位元流希望以錯誤率較低的QPSK 方式來傳送，次要的資訊 (y0,y1,…) 所對應的四個位元流則希望以 16-QAM 方式來傳送。當二者合 併處理成為64-QAM 符號時，原打算以 QPSK 方式傳送的兩個位元流會被 對應到64-QAM 符號的前面兩個位元，原打算以 16-QAM 方式傳送的四個 位元流會被對應到64-QAM 符號的後面四個位元。前二位元表示此
64-QAM 符號位在那個象限內，後面四個位元則表示它在該象限中的位 置。由於象限之間的平均距離大於同一個象限內兩點間的平均距離，如圖 2.8 所示。故前面二位元會發生錯誤的機率將低於後面四位元。因而，較 重要的資訊得到較好的保護。
圖2.8 64-QAM 調變星狀圖
2.8 調變(Modulation)
2.8.1 OFDM 調變
OFDM 是一種多載波調變方式(Multi-Carrier Modulation)。它主要的觀 念是將資料分散至許多不同頻率且彼此正交的次載波(sub-carrier)，使得每 個次載波可使用較低的bit rate 來傳送。在傳統的頻率多工系統(Frequency Division Multiplexing)中，為使載波之間不會產生干擾，每個載波都各別作 濾波處理並確保各頻譜不會重疊。但如此一來，頻譜使用並沒有達到很好 的效率。假若將所有次載波的間距均刻意安排使之保持正交性，即使每個 次載波的頻譜有相當程度的重疊，則在接收時所有的資料仍然可以正確地 解調而不會互相干擾，如圖2.9 所示。
OFDM 所需之調變及解調變可利用 IDFT (Inverse Discrete Fourier Transform) 及 DFT (Discrete Fourier Transform)來獲得。為了能利用 IFFT (Inverse Fast Fourier Transform) 以及 FFT (Fast Fourier Transform)達到快 速計算之目的，DVB-T 標準採用了 2N 系統，例如 2048 次載波 (2k mode) 或8192 次載波 (8k mode)。我們將在下一章中更詳細的介紹 OFDM 的調 變原理及其優缺點。
圖2.9 OFDM 頻譜示意圖
2.8.2 Frame structure
DVB-T 標準定義的傳輸訊號是以圖框(frame)為單位，如圖 2.10 由四 個圖框組成一超級圖框，每一個圖框包含有68 個 OFDM 符號。每個符號 所佔用時間的長度為TS，它包含了兩部份﹕用來傳送資訊之有用部份U (時間長度為 TU)以及用來避免 ISI (Inter-Symbol Interference)之 guard interval (△ 時間長度為T△，故TS = TU + T△)。Guard interval 是有用的部 份Ｕ之循環前輟(cyclic prefix)，它有四種不同長度的選擇：1/4 TU、1/8 TU、 1/16 TU及1/32 TU。長度之設定視應用環境需要而定，長度設定得愈大則 可以消除鬼影之遲延範圍也就愈大。當然，所需要付出的代價則是較低的 傳輸速率。
0 1 2 3
0 1 66 67
……
…… i ……
2k mode 8k mode 0
0
2047 8191
Super frame
frame
OFDM symbol
圖2.10 DVB-T 圖框架構
傳輸模式可分為 2k 模式和 8k 模式兩種。對 2k 模式而言，每一個 OFDM 符號包含有 2048 個次載波，但實際上只使用了其中 1705 個次載 波，其餘靠近頻道兩旁的次載波保留以作為guard band 之用。在這 1705 個次載波之中只用到1512 個次載波來傳送 QAM 或 QPSK 訊號。其餘的 1705－1512＝193 個次載波是用來傳送嚮導訊號 (pilot signals)，其中包括 有17 個 TPS 嚮導訊號 (Transmission Parameter Signaling pilots)， 45 個連 貫性嚮導訊號(continual pilots)，以及 131 個散佈性嚮導訊號(scattered pilots)。同樣地，在 8k 模式中，每一個 OFDM 符號包含有 8192 個次載波， 一些與傳輸有關的參數，如編碼率(1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8)、constellation 種類 (QPSK, 16-QAM, 64-QAM)、guard interval 長度(1/4 TU, 1/8 TU, 1/16 TU, 1/32 TU) 以及傳輸模式(2k, 8k)等訊息。連貫性嚮導訊號被安排在一些特定次載 波上，對於每個OFDM 符號而言，連貫性嚮導訊號的位置都一樣，如圖
2.11 所示。至於散佈性嚮導訊號被安排的位置並不固定，會隨著 OFDM 符 號在框裡的位置而改變。然而，其位置變化是有週期性，在時間軸(或 OFDM 符號)方向的週期為 4，在頻率軸(或次載波)方向的週期為 12，如圖 2.12 所 示。這些嚮導訊號的位置與值都是已知，故可在接收端中作為同步和通道 估算之用。
圖2.11 連貫性嚮導訊號位置圖
圖2.12 散佈性嚮導訊號位置圖
在前面所提到之嚮導訊號，由於其在無線通道傳輸中具有指引性作 用，為確保其能比一般傳輸資料令接收機更容易接收到，以進行同步解調 動作，嚮導載波之加入將會使用不同調變技術及傳送信號準位，以連貫性
嚮導訊號亦使用同樣方式來傳送其嚮導訊號，而TPS 嚮導訊號是使用 DBPSK 調變方式來傳送的。
為了相容於世界各國現存電視系統之頻帶規劃，DVB-T 標準中制定了 8MHz，7MHz 及 6MHz 三種不同頻寬的規格。基本上這三種不同頻寬的系 統在框架構、次載波數目、通道編碼的設計上並無不同，差異處只在於TU
的長短不同。在8MHz、7MHz 和 6MHz 系統中，TU的長度及其對應的頻 寬如表2.2 所示。
表2.2 DVB-T 系統在不同頻寬下之 OFDM 參數 OFDM parameters for 8MHz Channels
Parameter 8K mode 2K mode Number of carriers K 6817 1705
Duration TU 896µs 224µs
Carrier spacing 1/TU 1116 Hz 4464 Hz Bandwidth 7.61 MHz 7.61 MHz Data Rate 4.98∼31.67 Mbps
OFDM parameters for 7MHz Channels
Parameter 8K mode 2K mode Number of carriers K 6817 1705
Duration TU 1024µs 256µs Carrier spacing 1/TU 0.976563 kHz 3.90625 kHz
Bandwidth 6.66 MHz 6.66 MHz Data Rate 4.354∼27.71 Mbps
OFDM parameters for 6MHz Channels
Parameter 8K mode 2K mode Number of carriers K 6817 1705
Duration TU 1194.667µ 298.6667µs Carrier spacing 1/TU 0.837054 kHz 3.348214 kHz
Bandwidth 5.71 MHz 5.71 MHz Data Rate 3.732∼23.751 Mbps
第三章 正交分頻多工系統之介紹
正交分頻多工(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技術是由多 載波調變演變而來的數位通訊技術。它是一個適合在頻率選擇性衰落 (Frequency Selective Fading)通道的傳輸技術，可以減少通道延遲對訊號的 破壞，且利用了多載波的調變觀念，使得在低複雜度系統下作高速傳輸變 得可行。本章將說明OFDM 系統之原理、特色與其優缺點之分析。此外，
同步(Synchronization)是 OFDM 系統成功運作之重要一環，本章將在後半 部對於同步問題作一詳盡之介紹。
3.1 OFDM 的頻譜效率
OFDM 是一多載波系統，其運作方式是將一連串速率較快的寬頻資料 分成數個速率較慢的窄頻資料平行載在不同的次載波上傳送，並且每個次 載波的頻譜是相互重疊的，如圖3.1 所示。與傳統的多載波調變系統比較 的話，OFDM 有較高的頻譜使用效率，如圖 3.2 所示，傳統的多載波調變 系統為使次載波之間不會產生干擾，每個次載波都各別作濾波處理並確保
OFDM 是一多載波系統，其運作方式是將一連串速率較快的寬頻資料 分成數個速率較慢的窄頻資料平行載在不同的次載波上傳送，並且每個次 載波的頻譜是相互重疊的，如圖3.1 所示。與傳統的多載波調變系統比較 的話，OFDM 有較高的頻譜使用效率，如圖 3.2 所示，傳統的多載波調變 系統為使次載波之間不會產生干擾，每個次載波都各別作濾波處理並確保