陈 卓 叶 茂 陈 强

（作者单位：1.重庆广播电视技术中心；2.重庆三峡学院三峡库区地质环境监测与灾害预警重庆市重点实验室）

1 层分复用技术背景

广播电视是人们生活中不可缺少的部分，特别是在这个突发事件频发的年代，能够及时地向大众推送全球突发事件并提供帮助是极为重要的。随着广播电视的日趋发展，无线频率作为一种有限资源，却越来越稀缺。有很多研究院也在寻找新的频率利用方式来满足当前需求。因此层分复用技术（Layered Division Multiplexing，LDM）受到越来越多的研究人员关注。

LDM其实也是一种非正交复用技术，与传统的时分复用（Time Division Multiplexing，TDM）和频分复用（Frequency Division Multiplexing，FDM）不同。在原有的数据层中增加了一层数据流，称为B层信号（下层信号LL），但两层的功率差异可以通过功率比来定义（见图1）。

图1 LDM频谱层分复用结构

在一个LDM系统中，采用分层传输结构，可以同时传输多个不同功率级的信号，并且对移动设备、多个高清电视或超高清电视等具有鲁棒性，因此LDM技术也是一种功率域非正交多址技术在广播中的应用。在两层LDM系统中，上层（Upper Layer，UL）具有更高的功率分配，用于向室内、便携式和手持接收端提供移动服务。底层（Lower Layer，LL）设计旨在向固定接收终端提供高数据率服务。LDM的一个优势是，它可以与所有其他新兴的物理层技术（Physical Layer，PHY）共存，如多天线技术、非均匀星座（NU-QAM）、比特交织码调制（BICM）、峰均比（PAPR）降低技术等。

在LDM系统中，数据的传输速率为：

公式（1）中：γ为编码码率；M为调制阶数；Tofdm为单个正交频分复用（OFDM）符号周期；α为有效数据率。以DVB-T2中4K子载波个数为例，在实际系统中，考虑10 MHz的系统采样率，上层信号UL采用4QAM调制，编码码率γ为4/15，底层信号LL采用64QAM，编码码率γ为10/15，有效数据率α为100%。因此根据公式（1），上下层数据的传输速率为：

根据公式（2）和公式（3）的结果可知，UL层采用的是低阶调制，因此传输速率比较低，但是鲁棒性高。而LL层采用高阶调制，数据传输速率较高，可为高清或超高清提供更快的数据速率而进行高吞吐量数据的传输。其时，LDM中的UL层和LL层在共同提供超高清业务的同时，UL层还可以传输标清的视频，所以UL层和LL层可以既独立又相互协同的工作。在图1中，B层信号后面还保留一个扩展层（FEL）信号，主要是为将来提供更多业务。

2 层分复用系统框架

当下的广电系统中常使用的还是OFDM的系统结构，是因为此系统具有灵活的调制编码方式和极佳的频谱利用率，更优的抗多径性能等优势。所以本文在此基础上介绍LDM系统架构。假设LDM系统中所有层的信号都使用具有N个子信道的OFDM结构，其中K个有源子信道携带信号功率，其余为空子信道，以提供相邻的信道干扰保护。在K个子信道中，分配M个子信道进行数据传输，P个子信道携带导频符号。

图2是两层LDM系统原理框图，其中（a）为发送 端，（b）为接收端。

图2 两层LDM系统的发送端和接收端

在图2（a）中的LDM发送端，每个服务的数据首先由其自己的物理层信号处理模块进行处理，包括信道编码、交织等[1]。然后将频域数据产生的m个符号块分配给数据子信道，其中将导频符号插入导频子信道中。频域的LDM信号就由两层频域信号叠加而成。如公式（4）所示：

XUL(k)和XLL(k)是UL层和LL层中的频域符号，X(k)是组合的LDM符号，k是子通道索引。注入电平g定义了LL层信号相对于UL层信号的功率电平。注入电平g决定两层之间的功率分配。由于UL层信号被设计为具有更高的功率，所以g在[0,1]中有一个实值，其中g=0表示单层系统。

在图2（b）中的LDM接收端，接收到的LDM信号可以表示为：

式（5）中Y(k)为第k个子信道中接收到的符号，N(k)包含加性高斯白噪声（Additive White Gaussian Noise，AWGN）和其他附加干扰，H(k)为信道响应[2]558。为了解码UL层信号，低功耗的LL层服务被视为额外的干扰[3]。通过使用不同的注入电平，这种干扰的影响是可控的。例如，5 dB注入电平将LL层信号设置为比UL层信号低5 dB。通常选择LDM系统的注入电平来解决这两层的服务需求。

要解码LL层信号，接收端首先需要消除UL层信号。根据图2（b）和公式（5）可以得到LL层信号的判决符号为：

要让公式（6）中UL层信号消除，接收端需要获得UL层传输符号的估计值：。这是通过执行常规的UL层信号检测来实现的，包括均衡、解调、去交织和信道解码，生成一个准确的判决位序列。然后接收端进行信道编码、交织和调制，重新构造UL层传输符号。尽管这种抵消过程涉及执行UL层信道解码的复杂性，但它可以提供最可靠的UL层符号估计。

LL层的典型设计是在高信噪比下为固定接收端提供高数据速率的服务，这应该很容易保证完美的UL层信号检测，即。此外，在LL层检测所需的高信噪比条件下，UL层的低密度奇偶校验（Lowdensity Parity-check，LDPC）解码通常可以通过少量的迭代去实现检测，这使得UL层信号检测的额外复杂度非常低。

3 LDM的性能优势

LDM具有一个鲁棒性高的高层和一个鲁棒性较低、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、室内和偏远地区的传输服务，分配的功率比靠近发射机或室外天线的固定服务接收的功率更高。

对于相同的LDM和TDM/FDM系统，在停机概率为0.1时，分配给慢衰落信道中移动和固定业务，与AWGN和选择性衰落信道类似，LDM系统为低信噪比的移动业务和高信噪比的固定业务提供了更高的容量[2]570。因此，同时在一个射频信道提供稳定的移动高清电视服务和高数据速率固定超高清电视服务(或多个高清电视服务)的情况下，LDM系统可以更高效地使用频谱。

对于3 km/h左右的行人速度，信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR）只需要3.5 dB就足够，而对于以300 km/h高速移动的接收端，只需要5 dB的信噪比。对于以20～150 km/h的中速接收端，所需的信噪比要低得多，接近2.0 dB。而在一个分配50%时间提供2.7 Mbps移动服务的TDM系统，以行人速度移动的接收端所需要的SNR为6.0 dB，中速的接收端所需要的SNR5.0 dB，对于300 km/h的高速接收端所需要的SNR19.0 dB。对于分配40%时间用于相同吞吐量的移动服务的TDM系统，行人速度和中等速度所需的SNR为8.5 dB、6.8 dB。TDM系统和LDM系统相比较可说明，在低速（行人速度）、中速和高速中，LDM系统的SNR需求更低，足以说明LDM系统强大的编码和调制能力。

LDM技术的最大优势主要是无论下层信号（LL）是否在接收都不会影响上层信号（LL）。同时它还能对同步和信道特征提供更高的鲁棒性，当下层信号（LL）在门限阈值以下无法接收时能快速再生信号，而且系统还能冗余一个备用信号。

LDM技术的还有一个优势是在兼容现有通信设备的前提下，若未来出现了一种全新的调制或编码方式，同样可以在LDM系统中使用这些新技术。

采用LDM技术可能会提高接收端的系统复杂性和成本，但与它的优势相比而言是不值一提，加拿大研究中心表示，采用LDM技术，接收端的系统复杂度增加不超过10%，但却能提高信噪比4～6 dB。

4 结语

本文对LDM技术进行了综述，LDM技术被公认为下一代ATSC 3.0数字电视系统的基础物理层技术之一。首先，理论分析表明，与传统的TDM/FDM系统相比，LDM具有更大的性能优势。当多个服务具有明显不同的信噪比阈值时，这种优势就变得非常明显。这符合在一个电视频道同时提供超高清电视固定服务（或多个高清电视固定服务）和非常稳定的移动高清电视服务的重要场景。