与现有地面数字电视系统相比，ATSC 3.0除频谱效率更高，可提供更大的吞吐率外，其工作点覆盖范围更大，技术参数选择的颗粒度也更小，这使得广播业者在根据业务规划进行技术方案设计时的选择灵活性更强。

在ATSC 3.0物理层中，除了在常规的编码、调制、映射等环节的技术优化外，还引入了比传统TDM/FDM（时分复用/ 频分复用）效率更高的LDM（层分复用）技术，能显著提高系统吞吐率的MIMO（多输入多输出天线）和信道捆绑技术，比DVB-T2效率更高的MISO空时编码等先进技术。这些技术的引入，极大地拓展了地面数字电视业务发展的想象空间。

下面将针对ATSC 3.0物理层的主要技术环节进行介绍。

系统发现及信令

在ATSC 3.0的物理帧结构中，在每一帧的最前端是由4个OFDM符号组成的引导信号（Bootstrap）。其中第一个符号是同步符号，用以协助接收机完成信号发现、粗同步、频偏估计、初始信道均衡等；后续3个符号包含了24个信息比特，用于应急广播唤醒，指示系统带宽、采样率、下一帧间隔、前导字结构等。

这些符号均使用固定的配置以便于接收机处理，如采样率6.144Msps、信号带宽4.5MHz、载波间隔3kHz，以及特定的时域结构等。每个引导信号OFDM符号的长度为500μs，引导信号总长度为2ms。

在频域上，引导信号OFDM符号是通过对长度为1499的ZC序列采用PN序列调制产生的。ZC序列是一种CAZAC（恒包络零自相关）序列，具有一系列优异的特性，近年来被广泛应用于数字通信的同步训练序列中。在用于信令传输的3个OFDM符号中，正是利用了CAZAC序列IFFT后依然是CAZAC序列，以及序列的零自相关特性，通过时域信号的循环移位来表征信息比特（尽管每个符号最多可表示11个信息比特，当前版本中仅使用了8个比特）。

ATSC 3.0的引导信号具有良好的接收特性，在AWGN（加性高斯白噪声）信道中，其1%（1e-2）误帧率的接收门限为-9.5dB，在恶劣信道环境（如等强两径）下，其接收门限也可达到-6dB。

ATSC 3.0 物理层信号处理结构

ATSC 3.0的物理层信号处理结构如下图所示。

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图中点划线框中所示部分用于采用LDM 时的情况，虚线框中所示部分用于采用MIMO时的情况。和其它数字电视系统物理层类似，ATSC 3.0的物理层主要包含了四个大的信号处理环节，分别是输入处理、编码调制、成帧与交织，以及时域信号产生。

由于接收手段的丰富，现在广播业务提供者往往需要在同一频道内传送适用于不同业务场景的信号，或者说传送具有不同鲁棒性要求的业务或业务组成部分。因此，从第二代地面数字电视系统开始便引入了PLP（物理层管道）的概念，不同的PLP具有不同的鲁棒性要求。

不同的PLP需要独立输入处理和编码调制，之后在成帧与交织环节中进行复用。在ATSC 3.0中，一个业务可以包括来自最多4个同时解码的PLP中的组成部分，ATSC 3.0目前支持最多64个PLP。

输入处理

输入处理环节包括封装、调度和基带成帧三个模块。封装模块把不同类型的输入数据封装为统一的ALP（ATSC 链路层协议）格式，ALP数据包长度不固定。

调度模块根据业务管理要求和资源特性（PLP参数、带宽等）将ALP数据包分配到相应的PLP中，同时管理系统缓存调度。需要说明的是，单频网同步处理包含在调度模块之中。

事实上，在A/322标准中仅仅定义了基带成帧模块。该模块将ALP数据包封装为基带帧（BP），插入包含相应描述信息的基带帧头，并对BP进行扰码处理。BP长度由相应的PLP参数决定，严格对应于PLP中一个LDPC（低密度校验编码）码字中的净载荷，因此一个BP中可能包含多个ALP数据包，ALP数据包也可能在BP 之间被截断。ATSC 3.0 基带帧结构如图3所示。

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编码与调制

在编码与调制环节，ATSC 3.0采用了BICM（比特交织编码调制）技术，其特点是调制映射方式与不同的编码率相对应，与比特交织一起进行联合优化，特别适用于地面数字电视传输所面临的衰落信道条件。该环节包括互相级联的FEC（前向纠错编码）、比特交织和调制/星座映射三个模块。

前向纠错编码

ATSC 3.0的FEC采用级联编码方案，其内码采用LDPC，码长为64800或16200，外码可以在BCH码、CRC，以及无外码三种方式之间进行选择。

ATSC 3.0的FEC有两个突出的特点。首先是载噪比覆盖范围大，颗粒度小。LDPC编码率从2/15到13/15，一共有12种不同的编码率，这在以往的地面数字电视系统中是很不常见的，特别是5/15以下的低编码率。ATSC 3.0系统的载噪比门限最低可低至-5dB 以下（QPSK 2/15），结合高阶调制方式，频谱效率最大可达到10.4Mbps/Hz（4096QAM 13/15）。这使得ATSC 3.0的适用性更强，为广播业者根据其业务需求确定技术参数提供了更为丰富的选择。

第二个特点是在ATSC 3.0中包含了Type A和Type B两种不同的结构的LDPC码，这同样在数字电视系统中是十分罕见的，因为这将不可避免地增加编解码端的实现复杂度。

在其中，Type A是一种多边类型（multi-edge type）码，主要用于低编码率（5/15 及以下），而Type B是与DVB-S2/T2 类似的IRA（不规则重复累计）码，用于中高编码率。这一特点完全是由ATSC 3.0的设计指导思想决定的，即以追求卓越性能为首要目标，可以在此条件下适当牺牲复杂度和成本。

在外码中增加不同选择主要是基于频谱效率的考虑，特别是在低编码率的LDPC短码中，BCH的开销最高可达到8.4%以上。

比特交织

比特交织的作用是将组成LDPC码字的比特映射到星座点的比特表示上。ATSC 3.0 的比特交织包括三个步骤，分别是校验交织、组交织和块交织，这一结构允许在接收端对LPDC进行并行译码，同时使得系统性能得到优化。其中校验交织仅用于Type B型的LDPC码，其作用是将校验字段的结构准循环化；块交织中也包括两种不同的交织方案，根据不同的编码率和调制组合优化选择。

调制

在ATSC 3.0中定义了QPSK、16QAM、64QAM、256QAM、1024QAM、4096QAM 共6个阶数的调制方案。其最为突出的特点是除了QPSK 仍然采用均匀星座外，其它调制方式均采用NUC（非均匀星座）方式。其中16/64/256QAM 采用的是2-D NUC，对1024/4096QAM，为降低解调端复杂度，将I值和Q值分别采用1-DNUC（PAM）映射的方式。

对于各种不同的编码率和调制阶数组合，其星座图均进行了专门的优化以获得最佳的性能，其中一个直观的特征就是在甚低编码率时，其星座图出现了明显的降阶趋势，符合其接收门限低的特点。但需要指出的是，对于采用2-D NUC的调制方案，其星座图仍然是象限对称的，也就是说优化设计实际上是针对单一象限完成的。下图给出了编码率为6/15时16QAM的星座。

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仿真结果表明，通过专门优化，NUC映射比传统的均匀星座映射具有明显的性能优势，其载噪比门限增益随调制阶数的增加而进一步扩大。

需要说明的是，由于部分MODCOD（调制与编码率组合）的工作点相近或重合，在不失灵活性的条件下，ATSC 3.0最终筛选保留了长码的46个MODCOD，以及29个短码的MODCOD，大约比例为60%。

层分复用

ATSC 3.0中一项引人注目的技术是LDM（层分复用）。简单来说，LDM 技术就是在发射端以频谱叠加的方式将分别携带不同业务的多个已调信号混合在同一频带内进行传输，当满足一定条件时，接收端可以很方便地逐一将其分离，获得各业务的高质量接收。

与传统的TDM和FDM信号不同，LDM所传送的多个信号不能简单地通过时域加窗或频域加窗的方式进行分离。为提高发射信号质量并降低接收处理难度，LDM要求各层信号均采用OFDM并行调制，OFDM信号结构也完全相同。换言之，LDM在发射端是在子载波调制（星座映射）环节实现的。对于由两个信号构成的LDM信号，我们一般称其率相对较高的信号为上层（Upper Layer，UL）信号，而称功率较低的信号为下层（Lower Layer，LL）信号，LL 信号和UL信号的功率差称为注入比（Injection Level，IL）。

当构成LDM的UL和LL信号分别设计用于不同接收场景时，通过合理选择UL 和LL的编码调制参数以及IL，在考虑到不同场景接收手段增益差（天线高度、方向性与天线增益等）时，可满足不同业务具有同等覆盖范围的需求。例如，UL以3-6Mbps 面向移动或手持终端广播1套HDTV节目，而LL以25-33Mbps面向固定接收终端广播多套HDTV或1套UHDTV节目。

与TDM和FDM方式相比，LDM的频谱利用效率都是最高的。一个直观解释是，在TDM/FDM系统中，移动接收业务的SNR门限是面向覆盖区边缘设计的，而在覆盖区内，移动终端都可以得到更高的SNR（或更大的噪声裕量），而这也就意味着一部分发射功率被浪费了，从而降低了系统的传输容量；而在LDM系统中由于LL（固定接收业务）的插入，人为降低了覆盖区内UL的SNR，充分利用了被浪费的发射功率，进而得到了更大的系统传输容量。

 成帧与交织

成帧与交织环节包括时域交织、成帧、频域交织三个模块。

时域交织

时域交织的输入可以是一个或多个PLP，ATSC 3.0对于不同的PLP组合采用了不同的交织策略。

具体来讲，就是在传送符号率恒定的条件下，采用卷积交织（CI）的方式，相比块交织，在相同存储空间上CI可以获得两倍的时间交织深度。恒定传送符号率的情形包括单一PLP，LDM 的各层均由单一PLP构成，或全部多个PLP的符号率相同等情况。

对于包含多个不同符号率PLP的情况，ATSC 3.0采用了所示的混合交织器的方案，其中包括一个符号交织、一个块交织和一个卷积交织。每一个PLP 独立进行交织，并共享交织存储。

在QPSK 调制时，可以通过在一个存储单元放置两个符号的方式来获得两倍的时间交织深度，这被称为扩展交织模式，此时需要经过图8中的符号到存储单元映射与解映射处理。扩展交织是利用QPSK调制解调门限低，可以容忍高量化噪声的优势，通过降低量化精度实现的。

时间交织器存储空间大小为219个存储单元。

物理帧结构与成帧

一个ATSC 3.0的物理帧包含三个部分，引导信号、前导字和一或多个子帧，如图所示，注意其中垂直方向表示信号带宽。

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引导信号在2.1节中已有介绍，前导字包含了L1（层1）控制信令以及对后续的子帧结构的描述。在同一个子帧中的OFDM符号具有相同FFT点数、保护间隔长度、导频图样以及有效载波数，而这些参数在不同的子帧之间可以不同，一个子帧包含的OFDM符号数也不固定。一个ATSC 3.0的物理帧时间长度最短为50ms，最长为5s。

多个PLP在一个物理帧中可以采用TDM、FDM 或LDM的方式进行复用。

频域交织

频域交织是以OFDM符号为单位，在整个信号有效带宽的范围内进行的，以对抗可能的频域脉冲干扰。前导字中的OFDM符号必须进行频域交织，而对于子帧中的OFDM符号，频域交织是可选的。

时域信号产生

时域信号产生环节由以下模块构成，首先是导频插入，其后是可选的MISO（多输入单输出）预处理，接下来通过IFFT 获得OFDM符号有效时间长度的时域波形，之后是可选的PAPR（峰均比抑制）预处理，插入保护间隔，最后在物理帧的最前端缀上引导信号。

ATSC 3.0采用了连续、梳状、边界导频，并对前导字和子帧边界符号定义了专门的导频图样，其中共定义了16种不同的梳状导频图样。对于接收机而言，通过L1信令的指示，所有导频的位置和调制参数是已知的，可以利用这些导频来进行帧同步、频率同步、时间同步、信道估计、确定传输模式并跟踪相位噪声。对于数据承载符号，梳状导频的开销大约在0.78%到16.6% 之间，连续导频开销在0.7%左右。

ATSC 3.0定义了8K、16K和32K三种FFT块尺寸，以及6、7、8MHz信号带宽以适应不同的频道划分。对应不同信号带宽，其基础周期长度T分别为7/48、1/8、7/64μs，T用以定义相应的OFDM参数。同时，为适应不同的频谱模板和频道配置要求，ATSC 3.0还对每一种信号带宽定义了5种有效载波数。

ATSC 3.0定义了12种不同长度的保护间隔，对6MHz带宽信号，其时间长度从28μs到700μs，根据一般经验，非人为（如来自单频网）信号最大延时在104μs以内，因此其保护间隔长度足以应对恶劣的多径环境。ATSC 3.0还允许在数据承载OFDM符号的保护间隔中插入附加延时，来调整帧长度按毫秒对齐，这称为时间对齐模式。

在传统的SFN网络中，对于覆盖范围内的部分接收地点，可能存在人为等强两径，即接收到来自两个发射点的等强信号的情况。由于传统SFN严格的同步要求，来自不同发射机的信号具有很强的相位耦合关系，当等强两径处于特定的延时关系时，对于OFDM中某些子载波，两个到达信号可能相互抵消，造成很宽频率范围内出现大量的深度频率选择性衰落，从而导致接收失败。

为改善传统SFN网络的覆盖，可以通过空时编码的方式来解耦不同发射机之间的信号相位关系，从而减小相干带宽，提升接收鲁棒性，例如Alamouti 编码就是一种典型的空时编码方案。在ATSC 3.0中，采用了被称为TDCFS（发射分集码滤波器组）的方式实现空时编码。TDCFS 针对发射机个（组）数为2、3、4的情形进行了定义，同时提供了64样点和256样点两种时域长度的选择。需要注意的是，滤波器的时域响应会对有效地保护间隔产生影响。

ATSC 3.0中采用TR（子载波预留）和ACE（星座图扩展）两种方式来降低信号峰均比。

信道捆绑和MIMO

为进一步提升系统吞吐率，以支持高带宽业务的需求，ATSC 3.0采用了信道捆绑和MIMO技术。

信道捆绑

信道捆绑技术简单来说就是将同一业务的数据同时利用两个或多个频道上进行传送。如图所示，在实现信道捆绑时，数据在基带封装后被进行分割，分别送入两个相应的编码调制通道，因此需要在基带帧头中加入基带帧的顺序编号信息，以便于接收机数据恢复。

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ATSC 3.0支持两种信道捆绑的方式，一种是直接捆绑，此时相互捆绑的两个频道可以被视为两个完全独立的信号，其带宽、调制参数等可以不同；另一种被称为信噪比平均捆绑，此时在BICM环节后增加了一个符号交换的处理，即对每两个相邻符号中的一个在频道间进行交换，这样可以获得更大的频率分集增益，但此时要求两个频道的参数和物理帧结构完全一致，同时两个频道的物理帧在时间上对齐。

MIMO

MIMO是一种在现代通信中被广泛采用的技术，它可以有效提升带宽使用效率，同时获得空间分集增益和天线阵列增益。和点对点通信不同，在广播电视中MIMO通过在同一发射地点的交叉极化的天线实现，同时也无法利用特定的信道状态信息来进一步提高增益。即使如此，MIMO带来的收益依然十分可观），而其代价则是收发两端实现复杂度和成本的上升。

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ATSC 3.0目前仅支持交叉极化的2×2MIMO。与信道捆绑不同，MIMO传送的内容在统一完成比特交织后分配到两付天线对应的后续处理环节上，并进行必要的MIMO预编码处理。

MIMO预编码处理包括符号流组合、IQ极化交织，以及跳相（星座旋转）三个可选的步骤。

原文作者：王慧敏，杨明（国家新闻出版广电总局广播科学研究院）