硕士学位论文-DVB系统信道编码的研究与FPGA实现.pdf

武汉理工大学 硕士学位论文 dvb系统信道编码的研究与fpga实现 姓名：徐宇白 申请学位级别：硕士 专业：通信与信息系统 指导教师：吕锋 20090501 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 数字图像通信的最广泛的应用就是数字电视广播系统，与以往的模拟电视 业务相比，数字电视在节省频谱资源、提高节目质量方面带来了一场新的革命， 而与此对应的d v b ( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ) 标准的建立更是加速了数字电视 广播系统的大规模应用。d v b 标准选定m p e g 2 标准作为音频及视频的编码压 缩方式，随后对m p e g 2 码流进行打包形成t s 流( t r a n s p o r ts t r e a m ) ，进行多个传 输流复用，最后通过不同媒介进行传输。在d v b 标准的传输系统中，无论是卫 星传输，电缆传输还是地面传输，为了保障图像质量，使数字节目在传输过程 中避免出现因受到各种信道噪声干扰而出现失真的现象，都采用了信道编码的 方式来保护传输数据。信道编码是数字通信系统中一个必需的、重要的环节。 信道编码设计方案的优劣决定了d v b 系统的成功与否，本文重点研究了 d v b 系统中的信道编码算法及其f p g a 实现方案，主要进行了如下几项工作： 1 ) 介绍了d v b 系统信道编码的基本概念及特点，深入研究了d v b 标准中 信道编码部分的关键技术，并针对每个信道编码模块进行工作原理分析、算法 分析。 2 ) 根据d v b 信道编码的特点，重点对信道编码中四个模块，包括扰码、 r s 编码、卷积交织编码和卷积编码的f p g a 硬件实现算法进行了比较详细的分 析，并阐述了每个模块及q p s k 调制的设计方案及实现模块功能的程序流程。 3 ) 在r s ( 2 0 4 ，18 8 ) 编码过程中，利用有限域常数乘法器的特点，对编码器进 行了优化，在很大程度上提高了编码效率，卷积交织器部分采用r a m 移位法， 实现起来更为简单且节省了f p g a 器件内部资源。 4 ) 设计以a l t e r a 公司的q u a r t u s l i 为开发平台，利用f p g a 芯片 e p l c 6 q 2 4 0 c 8 完成了信道编码各模块及q p s k 调制的硬件实现，通过v e r i l o g h d l 描述和时序仿真来验证算法的可行性，并给出系统设计中减少毛刺的方法， 使系统更为稳定。最终的系统仿真结果表明该系统工作稳定，达到了d v b 系统 信道编码设计的要求。 关键词：数字视频广播；扰码；r s 码；卷积交织码；卷积码 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h em o s tw i d e s p r e a da p p l i c a t i o no fd 硒t a li m a g ec o m m u n i c a t i o ni st h ed i g i t a l t e l e v i s i o nb r o a d c a s ts y s t e m ，c o m p a r i n g 诵t t lt h ef o r m e ra n a l o gt e l e v i s i o ns e r v i c e s ，t h e d i g i t a lt e l e v i s i o nb r i n g san e wr e v o l u t i o no ns a v i n gt h ef r e q u e n c ys p e c t r u mr e s o u r c e s a n de n h a n c i n gt h ep r o g r a mq u a l i t y , m e a n w h i l e ，t h ee s t a b l i s h m e n to fd v b ( d i g i t a l v i d e ob r o a d c a s t i n g ) s t a n d a r d sh a sa c c e l e r a t e d l a r g e s c a l ea p p l i c a t i o n o fd i g i t a l t e l e v i s i o nb r o a d c a s ts y s t e m s ，n l ed v bs t a n d a r d sc h o o s et h em p e g 一2s t a n d a r d sa s t h em e t h o do fa u d i oa n dv i d e of r e q u e n c yc o d ec o m p r e s s i o n d v bs y s t e m sp a c kt h e m p e g 一2s y m b o ls t r e a m st ot h ef o r mo ft h et r a n s p o r ts t r e a m s ，a n dm u l t i p l yt h e s e t r a n s p o r ts t r e a m s ，f i n a l l yt r a n s m i tt h e s es t r e a m st h r o u g hd i f f e r e n tm e d i u m s i nd v b t r a n s m i s s i o ns y s t e m s ，n om a t t e rt h et r a n s m i s s i o ni st h es a t e l l i t et r a n s m i s s i o n , e l e c t r i c c a b l et r a n s m i s s i o no rg r o u n dt m n s m i s s i o n , i no r d e rt og u a r a n t e et h ep i c t u r eq u a l i t y a n da v o i dt h ed i s t o r t e dp h e n o m e n o nc a u s e db yt h ec h a n n e ln o i s ed i s t u r b a n c ew h e n t h ed i g i t a lp r o g r a m sa r ei nt h ep r o c e s so ft r a n s m i s s i o n , w ea l w a y ss e l e c t e dt h e c h a n n e lc o d i n gm e t h o dt op r o t e c tt h et r a n s m i s s i o nd a t a n l ec h a n n e lc o d i n gi sa n e s s e n t i a la n di m p o r t a n tp a r to ft h ed i g i t a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t h eq u a l i t yo fc h a n n e lc o d i n gd e s i g ns c h e m eh a sd e c i d e dt h es u c c e s so fd v b s y s t e m s ，t h i sa r t i c l eh a sd i s c u s s e dt h ec h a n n e lc o d i n ga l g o r i t h ma n df p g ar e a l i z i n g m e t h o d so fd v b s y s t e m s ，t h em a i n l yw o r k sa r ea sf o l l o w s ： 1 ) t h r o u g hi n t r o d u c i n gt h eb a s i ce o n c e p t sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fc h a n n e lc o d i n g i nd v b s y s t e m sa n dd e e pr e s e a r c h i n go nt h ek e yt e c h n o l o g i e so fc h a n n e lc o d i n gi n d v bs t a n d a r d s ，t h i sa r t i c l ea n a l y s e st h em a i np r i n c i p l e sa n dt h ea l g o r i t h m so fe a c h m o d u l e 2 ) a c c o r d i n gt od v bc h a n n e lc o d i n gc h a r a c t e r i s t i c ，t h i sa r t i c l ep a r t i c u l a r l y a n a l y s e st h ef p g ar e a l i z i n ga l g o r i t h m so fc h a n n e lc o d i n gi nf o u rk e ym o d u l e s ， i n c l u d i n gt h ep s e u d o - r a n d o mc o d e ，t h er sc o d e ，t h ec o n v o l u t i o n - i n t e r l e a v i n gc o d e a n dc o n v o l u t i o nc o d e ，t h e ni te x p a t i a t e st h ed e s i g ns c h e m ea n df u n c t i o np r o g r a m m i n g f l o wo f e a c hm o d u l ea n dq p s km o d u l a t i o n 武汉理工大学硕士学位论文 3 ) i nt h ep r o c e s so ft h er s ( 2 0 4 ，18 8 ) e n c o d e rd e s i g n , t h i sa r t i c l eu s e st h e c h a r a c t e r i s t i co fc o n s t a n tm u l t i p l i e ri ng a l o i sf i e l dt oo p t i m i z et h ee n e o d e ra n dr a i s e t h ec o d i n ge f f i c i e n c yt oag r e a te x t e n t i nt h ep r o c e s so ft h ec o n v o l u t i o n - i n t e r l e a v i n g e n c o d e rd e s i g n ，t h i sa r t i c l eu s e st h er a ms h i f t i n gm e t h o d st os i m p l i f yt h ei m p l e m e n t a n dr e d u c et h ef p g ar e s o u r c ec o n s u m p t i o n 4 ) t h ed e s i g nt a k e st h es o r w a r eo fa l t e r ac o r p o r a t i o n sq u a r t u s l ia sp l a t f o r m ， r e a l i z e st h ef o u rm o d u l e sa n dq p s km o d u l a t i o nb yu s i n gt h ef p g ac h i p e p1c 6 q 2 4 0 c 8 ，u s e sv e r i l o gh d lt od e s c r i b et h ea l g o r i t h m sa n dt h et i m i n g s i m u l a t i o nt ov a l i d a t et h ef e a s i b i l i t yo ft h ea l g o r i t h m s t h i sa r t i c l eg i v e st h em e t h o d s o fd e b u r r i n ge l i m i n a t i o n , w h i c hm a k e st h es y s t e mm o r es t a b l e t h ef i n a lr e s u l t so f s y s t e ms i m u l a t i o ns h o wt h a tt h i ss y s t e mh a sw o r k e ds t a b l ya n dr e a c h e dt h ed e s i g n r e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：d v b ；p s e u d o - r a n d o mc o d e ；r sc o d e ；c o n v o l u t i o n - i n t e r l e a v ec o d e ； c ：o n v o l u t i o n a lc o d e i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：企主虱日期：兰竺i 堡妄邑! sa 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：稔鲁角 导师( 签名) ： 期) 卵7 年sr 蚰 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的及意义 随着社会经济的发展，人们生活水平的提高，数字电视也逐步加快了发展 的步伐。当人们通过卫星电视网、有线电视网或开路电视网观看电视节目时， 这已经是位于数字电视传输的最后一个环节，这一个环节正在经历一场数字化 革命，以达到电视节目的全数字化传输。 在电视数字化的进程中，国际d v b 组织( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ) 提出了 全套的解决方案，这一方案涉及常用的传输媒介：数字卫星电视( d v b s ) 、数字 有线电视( d v b c ) 、数字开路电视( d v b t ) ，电视数字化的时代已经到来。d v b 标准提供了一套完整的，适用于不同媒介的数字电视广播系统规范，其周全的 计划及广范的共识是其成功的关键。从一开始，d v b 标准就选定m p e g 2 标准 作为音频及视频的编码压缩方式f l 、2 】，对信源编码进行了统一，随后对m p e g 一2 码流进行打包形成传输流( t s ) ，进行多个传输流复用，最后通过卫星、有线电视 及开路电视等不同媒介传输方式进行传输。 广泛地说，d v b 技术就是指可以传输所有类型的数据的“数据容器”的广播。 d v b 简单地通过这些“容器”传送压缩图像、声音或数据到接收端。d v b 的“服 务信息”扮演容器标题的角色，保证接收机知道如何解码。d v b 方式与其他数据 广播系统不同的的关键在于，容器中的不同数据单元可以承载独立的定时信息。 例如声音和图像即便不是同时到达接收机，也能够使声音在接收机内与视频信 息保持同步，这是与传统的电视节目不同的便利之处。 d v b 方式有很强的适应性。例如，一个3 8 m b i t s 的数据容器可以支持八个 标准的电视节目( s d t v ) 通道、四个增强的电视节目( e d t v ) 通道，或一个 高清晰度数字电视( h d t v ) 通道。目前，d v b 卫星通信系统主要用来传送成 倍的s d t v 节目和相关的声音和数据。d v b 也用于数据广播业务，例如接入到 i n t e m e t 。 d v b 系统的核心技术是m p e g 2 视频和音频编码，但同时还涵盖了诸多其 他的要素，如调制、加扰以及信息系统等。经过信源编码和系统复接后生成的 武汉理工大学硕士学位论文 节目传送码流，通常需要通过某种传输媒介才能到达用户接收机。传输媒介可 以是广播电视系统，也可以是电信网络系统，或存储媒介( 如磁盘、光盘等) ， 这些传输媒介统称为传输信道。通常情况下，编码码流是不能或不适合直接通 过传输信道进行传输的，必须经过某种处理，使之变成适合在规定信道中传输 的形式。在通信原理上，这种处理称为信道编码( c h a n n e l c o d i n g ) ( 与信源编码 相对应) ，实现信道编码的系统称为传输系统。在工程应用中，信道编码过程一 般被分为两环节：负责传输误码的检测和校正的环节称为信道编解码，负责信 号变换和频带搬移的环节称为调制解调。一个实际的数字传输系统至少要包括 上述两个环节中的一个环节，一般d v b 的系统都是由上述两个环节构成的，因 此，在整个数字电视系统中，如何设计出高效的信道编码器对于提高系统的整 体性能和抗干扰能力有着重要作用。 本文基于欧洲d v b 标准提出信道编码的设计方案，在实现信道编码功能的 基础上提高编码器的效率，并完成了信道编码中各部分模块的f p g a 设计与仿 真。 1 2 国内外研究现状 在d v b 系统中，m p e g 2 的t s 码流是经过了高倍压缩后的数字电视信号， 压缩编码大大节省了传输频道，提高了频道利用率，但同时也付出了一个代价， 就是对传输干扰变得十分敏感。例如传输过程中的噪声干扰，在模拟电视中一 般仅造成雪花干扰，但在数字电视中则可能在恢复图像中造成大块的失真，严 重时甚至使整个系统无法工作。定性而论，压缩倍数越高，数字电视对传输干 扰的抵抗能力越弱，即同样的传输干扰在解码恢复图像或声音中造成的损伤就 越严重，对传输可靠性的要求也就越高【3 】。 在欧洲，从1 9 9 1 年开始，电视台、家电产品生产厂家和标准制订者坐到了 一起，商谈组成一个工作组，共同制订数字电视的发展规划，工作组的成员发 展很快，这一个由欧洲人发起的组织很快就吸引美国及日本的许多成员，变成 了一个世界性组织。 1 9 9 3 年9 月该工作组起草了一个备忘录，将工作组更名为d v b 组织，即国 际数字视频广播组织。数字电视的发展进入了新的时代。根据过去痛苦的教训， 工业界决定要以市场的商业需求作为标准制订的指导，d v b 组织决定新的技术 必须是建立在m p e g - 2 压缩算法上的数字技术，必须是市场导向的。由于相对 2 武汉理工大学硕士学位论文 较低的基础设施费用投入和各国相对简单的标准协调问题，数字卫星电视 ( o v a s ) 网、数字有线电视( o v a c ) 网和数字开路电视( d v b - t ) 网先走一步，发 展更快。 1 9 9 5 年d v b 组织确立了数字卫星电视的标准d v b s ，1 9 9 6 年数字有线电 视d v b c 数字共用天线电视、数字微波电视等标准随之确立，数字开路电视 d v b t 的采用紧随其后，将给整个社会带来更深刻的变化。1 9 9 7 年以d v b 标 准为基础的数字电视已经在全世界普及，拥有了几百万用户。 1 9 9 8 年末，微型计算机用户可以通过在他们使用的微机内插入数字卫星接 收卡，用来享受因特网服务。目前，数字地面电视( d v b t ) 标准正在逐渐被世界 各国所采用，为今后的高清晰度电视开辟了广泛的前景。 在美国，政府要求并鼓励每一个电视台用第二个频道播出数字节目。9 8 年 9 月到9 9 年底，预期覆盖半数的美国家庭，到2 0 0 6 年，政府将收回所有的模拟 电视频道，全部改用数字节目频道。届时，现在使用的2 亿4 千万台模拟电视 机届时将被淘汰和更新。 在我国，由原国家科委、原国家科委、原电子部、原广电部等1 1 个部委组 成的高清晰度电视研究开发直辖市小组扶持的国家重点产业工程项目数字 高清晰度电视功能样机系统自1 9 9 6 年7 月立项以来，投资1 5 0 0 万元经费，并 在中央电视台3 0 频道向北京地区进行广播实验 4 1 。这标志着我国成为继美国和 欧洲之后的第三个制成该系统的国家。现央视及上海、广东、四川等地都已经 开始试播数字电视，d v b 数字电视平台的建设也越来越多。随着现在广电相关 技术的发展，d v b 平台的建设也逐渐规范、统一。广电由以前的四级办电视， 到现在的三级办电视，电视传输系统越来越集中，系统逐步完整。以前是各地 市，甚至县单独上d v b 数字电视平台，各地的网络建设各异，发展至今，d v b 平台的建设更加趋于理性化、科学化。现在多是省网络公司统一构建全省d v b 数字电视平台，由省中心构成d v b 总前端、各地市分中心构成分前端，形成统 一的c a ( 有条件接收) 和s m s ( 用户管理系统) 平台，省总前端掌握有最大的主动 权，对整个平台进行统一管理和整体运营。目前甘肃省网、广东省网、宁夏自 治区、吉林省网以及贵阳省网等多家省网公司均采取了此种组网方式。广东省 d v b 综合平台日前已经投入使用。 到目前为止，欧美的数字电视服务大都先以直播卫星方式来提供，虽有些 地区因先天条件不同，如德国即以有线电视网路来提供数字电视服务；但随着 武汉理工大学硕士学位论文 地面广播的数位化，尤其美国己分配每个广播电台一个6 m h z 的频道，以供进 行数字电视广播之用，并宣布2 0 0 6 年5 月3 1 日终止类比电视广播并进入全数 位的时代，此已变成全球电视广播业者的参考指标；是故所有的电视传输系统， 最终皆会朝向数字化。 1 3 本文的主要研究内容与组织结构 本论文主要讨论了适用于d v b 系统信道编码中的扰码、r s 编码、卷积交 织编码、卷积编码及q p s k 调制原理及算法，并研究了使用f p g a 作为扰码发 生器，r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ) 编码器，卷积交织器、( 2 ，1 ，7 ) 卷积编码器及q p s k 调制的硬 件实现过程。设计以a l t e m 公司的q u a r t u s l i 为开发平台，运用v e r i l o g 语言描 述了d v b 系统信道编码中各模块的设计及仿真测试，文章最后给出了设计的改 进方法使系统更为稳定。 第一章，简要介绍了课题市场背景，d v b 系统相关技术以及本课题研究的主 要任务。 第二章，针对d v b 系统信道编码进行总体结构上的阐述，并介绍论文所要 设计的四个信道编码功能模块，对各模块的帧结构做出详细分析，并介绍了 f p g a 的设计流程。 第三章，讨论了实现d v b 系统中扰码发生器，r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ) 编码器、卷积 交织器、卷积编码器及q p s k 调制的原理及算法，并详细介绍了d v b 系统信道 编码中各部分功能模块的硬件电路实现方案并提出算法的优化。 第四章，介绍了器件的选择和设计平台，运用v e r i l o g 语言描述了d v b 系 统信道编码中扰码发生器模块，r s 编码器模块，卷积交织器模块，卷积编码器 模块及q p s k 调制的设计，并通过系统仿真证实了各模块设计的可行性。 第五章，对全文进行总结，并对本文的研究内容进行展望。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章d v b 系统信道编码总体结构 2 1d v b 系统概述 2 1 1i ) v b 系统结构 d v b 传输系统主要分为信源编解码和信道编解码两部分。信源编码采用 m p e g - 2 码流，首先对音频和视频进行复用，然后再将多个数字电视节目流进行 传输复用，在接收端进行相应的解复用和解码。信道编解码包括：前向纠错编 码、译码、调制、解调和上、下变频3 部分1 5 】。卫星传输采用q p s k ( 4 相相移 键控调制) 方式，有线传输采用q a m ( 正交振幅调制) 方式，地面传输采用 c o f d m ( 编码正交频分复用) 或1 6 v s b ( 1 6 电平残留边带调制) 方式。整个 d v b 系统的结构框图如图2 1 所示。 图2 1d v b 系统的结构框图 d v b 传输系统中采用的主要技术包括信道编解码技术、数字调制解调技术、 抗干扰技术和信道均衡技术等。这些技术的使用决定了d v b 传输系统的性能。 系统的核心有以下几点1 6 j ： ( 1 ) 系统采用m p e g - 2 压缩的音频、视频及资料格式作为资源； ( 2 ) 系统采用公共m p e g - 2 传输( t s ) 复用方式； ( 3 ) 系统采用公共的用于描述广播节目的系统服务信息( s i ) ； ( 4 ) 系统的第1 级信道编码采用r - s 前向纠错编码保护； ( 5 ) 调制与其他附属的信道编码方式，由不同的传输媒介来确定；使用通 用的加扰方法及条件接收接口。 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 2d v b 系统的标准 d v b 系统的标准主要有以下三种【7 j ： ( 1 ) d v b s 数字卫星直播系统标准：数字卫星传输系统是为了满足卫星 转发器的带宽及卫星信号的传输特点而设计的。该标准以卫星作为传输介质。 将视频、音频以及资料放入固定长度打包的m p e g 2 传输流中，信号在传输过 程中有很强的抗干扰能力，然后进行信道处理。通过卫星转发的压缩数字信号， 经过卫星接收机后由卫星机顶盒处理，输出视频信号。这种传输覆盖面广，节 目量大。数据流采用四相相移键控调错i ( q p s k ) 方式，在使用m p e g 2 的m p m l ( 主类 主级) 格式时，用户端达到c c i r 6 0 1 演播室质量的码率为9 m b s ，达 到p a l 质量的码率为5 m b s 。在d v b s 标准公布以后，几乎所有的卫星直播数 字电视均采用该标准，我国也选用了d v b s 标准。 ( 2 ) d v b c 数字有线广播系统标准：该标准以有线电视网作为传输介质， 应用范围广。有线电视系统分为两部分：c a t v 前端和综合解码接收机( 舳) 。 采用m p e g - 2 压缩编码的传输流，由于传输介质采用的是同轴电缆，与卫星传 输相比抗外界干扰能力强，信号强度相对较高。调制方式有1 6 、3 2 、6 4 q a m 三 种方式，对于q a m 调制而言，传输信息速率越高，抗干扰能力越低。采用6 4 q a m 正交振幅调制时，一个p a l 通道的传输码率为4 1 3 4 m b s ，还可供多套节目复用。 d v b c 传输系统的具有如下几点主要特点：a 、可与多种节目源相适配。d v b c 传输系统所传送的节目既可来源于从卫星系统接收下来的节目，又可来源于本 地电视节目，以及其它外来节目信号；b 、可用于标准数字电视又可用于h d t v 。 ( 3 ) d v b t 数字地面广播系统标准：此系统的标准是1 9 9 8 年通过的，这 是最复杂的d v b 传输系统。不用编码正交频分复用( c o f d m ) 调制方式，8 m h z 带宽内能传送4 套电视节目，而且传输质量高。采用m p e g 2 数字视频、音频 压缩编码技术。地面数字发发射的传输容量，在理论上大至与有线电视系统相 当，本地区覆盖好。此系统有利于数字与模拟电视共存，在与现行模拟电视混 合传输方面显示出优势。d v b t 标准中主要规范的是发送端的系统结构和信号 处理方式，对接收端则是开放的，各厂商可以开发各自的d v b t 接收设备，只 要该设备能够正确接收和处理发射信号，并满足d v b t 中所规定的性能指标。 d v b 数字广播系统中的许多业务能根据需要，可采取不同的标准完成多种 形式的交互服务。 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 2d v b 系统信道编码相关理论 数字信号在传输中往往由于各种原因，使得在传送的数据流中产生误码， 从而使接收端产生图像跳跃、不连续、出现马赛克等现象。所以通过信道编码 这一环节，对数码流进行相应的处理，使系统具有一定的纠错能力和抗干扰能 力，可极大地避免码流传送中误码的发生。误码的处理技术有纠错、交织、线 性内插等。 提高数据传输效率，降低误码率是信道编码的任务。信道编码的本质是增 加通信的可靠性。但信道编码会使有用的信息数据传输减少，信道编码的过程 是在源数据码流中加插一些码元，从而达到在接收端进行判错和纠错的目的。 信道编码的基本思想是：通过对发送端信息序列作某种变换，使原来彼此独立， 相关性极小的信息码元产生某种相关性，在接收端利用这种相关性来检查并纠 正信息码元在信道传输中所发生的差错【8 】。信道编码一般有下列要求： ( 1 ) 增加尽可能少的数据率而可获得较强的检错和纠错能力，即编码效率 高，抗干扰能力强； ( 2 ) 对数字信号有良好的透明性，也即传输通道对于传输的数字信号内容 没有任何限制； ( 3 ) 传输信号的频谱特性与传输信道的通频带有最佳的匹配性； ( 4 ) 编码信号内包含有正确的数据定时信息和帧同步信息，以便接收端准 确地解码； ( 5 ) 编码的数字信号具有适当的电平范围； ( 6 ) 发生误码时，误码的扩散蔓延小。 其中，最主要的可概括为两点。其一，附加一些数据信息以实现最大的检 错纠错能力，这就涉及到差错控制编码原理和特性。其二，数据流的频谱特性 适应传输通道的通频带特性，以求信号能量经由通道传输时损失最小，因此有 利于载波噪声比( 载噪比，c n ) 高，发生误码的可能性小。 为了提高d v b 系统的可靠性，信道部分对信号处理极其严格，也极其复杂， 处理方法也较多。因此又把信道部分细分为外信道和内信道【9 1 0 】，如图2 2 所示。 发端外信道包括外码扰码，外码r s 编码，外码数据交织；收端外信道包括 外码数据解交织，外码r s 纠错解码，外码解加扰等。 7 武汉理工大学硕士学位论文 外外内内内 传 内内 内 外外 外码码码码码 输 码 码 码外 码 r 数卷卷数 线 数卷 卷 码 码 码 扰 + 路 +积- i b 数 r 解 s 据 积积字 字积 解 据 + s 扰 码编交 交编 调 信 解 解 交 解 道 交码 码织织码制 v 调码织码 织 啦- 6 当。上e 盘 收端 j 反塌1 l 传捅 1 外信道 7、 内信道 7 1 外信道 7 信道部分 图2 2 信道部分详图 发端内信道包括内码卷积交织，内码卷积编码，内码数字调制；收端内信 道包括内码数字解调，内码卷积解码，内码卷积解交织等u 1 删。 内码卷积编码常采用格状编码，格状编码往往又和调制技术有机地结合起 来。格状编码调制技术又称马调。内信道格状编码的一种是卷积编码，所谓卷 积编码是指其编码方法可以用卷积运算形式表达。经过卷积编码后，使原来无 关的数字符号序列前后一定间隔之内有了相关性。应用这种相关性根据前后码 符关系来解码，通常是根据收到的信号从码符序列可能发展的路径中，选择如 最似然的路径进行译码，比起逐个信号判决解码性能要好得多。然后把编码和 调制结合在一起，使符号序列映射到信号空间所形成的路径之间的最小欧氏距 离( 称为自由距离) 为最大。用这种信号波形传输时有最大的抗干扰能力。 2 3d v b 系统信道编码功能模块设计 2 3 1d v b 系统信道编码总体功能模块 d v b 系统中常用的纠错编码，通常采用两次附加纠错码的前向纠错( f e c ) 编码。前向纠错码的码字是具有一定纠错能力的码型，它在接收端解码后，不 仅可以发现错误，而且能够判断错误码元所在的位置，并自动纠错。这种纠错 码信息不需要储存，不需要反馈，实时性好。在d v b 系统信道编码中，r s 编 码属于第一个f e c ，1 8 8 字节后附加1 6 字节r s 码，构成( 2 0 4 ，1 8 8 ) r s 码， 这也可以称为外编码。第二个附加纠错码的f e c 一般采用卷积编码，又称为内 编码。外编码和内编码结合一起，称之为级联编码。级联编码后得到的数据流 再按规定的调制方式对载频进行调制【1 3 1 。d v b 传输系统信道编码总体功能模块 8 武汉理工大学硕士学位论文 如图2 3 所示。 数据流 同步反外编码r s内编码 转数据 ( 2 0 4 ， 卷积交织 ( 卷积 i = 12 b y t e s 扰码1 8 8 )编码) 出 图2 3d v b 传输系统信道编码总体功能模块 d v b 系统信道编码由扰码发生器、r s 编码器、卷积交织器、卷积编码器四 部分模块组成。在d v b 标准中，每m p e g 2 数据帧有1 8 8 字节，其中第一个字 节为同步字节，每8 个m p e g 2 数据帧构成一个传输包【1 4 1 。其中第一个同步字 节取反输出。m p e g 2 码流经过扰码，r s 编码后，每个帧长为2 0 4 个字节，如 图2 4 所示d v b 系统信道编码帧结构。 m p e g 2 传送复用包 | |“|7| | | | rr rr | | 同步l 1 8 7 字节 同步2 1 8 7 字节， 同步8 1 8 7 字节 同步l 1 8 7 字节 | | | 扰码传送复用包：同步字节和随机化序列r 里德所罗门r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ，t - 8 ) 误码保护包 | | 同步l同步l | | 同步l 2 0 3 字节2 0 3 字节 或同步n或同步n或同步n | | | 交织帧：交织深度i = 1 2 字节 同步l = 不参与扰码的补码同步字节 同步n _ 不参与扰码的同步字节，n = 2 ，3 ，8 图2 _ 4d v b 系统信道编码帧结构 如果将所要传输的有用信息称为“核”，那么它的周围包裹了许多保护层，使 信号在传输过程中有更强的抗干扰能力，视频、音频数据被放入固定长度打包 的m p e g 2 传输流中，然后进行信道处理包括以下内容【1 5 】： ( 1 ) 进行同步字节的反转，反转字节的长度为每隔8 个同步字节进行1 次。 9 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 进行数据的能量扩散( 加扰处理) ，避免出现长串的0 或1 。 ( 3 ) 为每个数据包加上前向纠错的r s 编码，也叫作外码。r s 编码的加入 会使原始数据的长度由1 8 8 字节增加到2 0 4 字节。 ( 4 ) 进行数据交织。 ( 5 ) 加入卷积码纠错，也叫内码，内码的数量可以根据信号的传输环境进 行调节。 ( 6 ) 对数据进行调制。 在d v b 系统信道编码的具体实现过程中，要充分考虑系统的帧结构以及同 步字节的处理，各部分编码开始时，都是检测到每一帧的同步信号才会对数据 流进行处理，如果编码前后数据速率不一致，均要在编码后加一级f i f o ，使不 连续的数据变为连续的数据，然后再进行其它编码处理。 2 3 2 扰码发生器模块 数字通信理论在设计通信系统时都是假设所传输的比特流中“0 ”与“1 ”出现 的概率是相等的，各为5 0 ，实际应用中的通信系统以及其中的数字通信技术 的设计性能指标首先也是以这一假设为前提的。但t s 码流经过编码处理后，可 能会在其中出现连续的“o ”或连续的“1 ”。这样一方面破坏了系统设计的前提，使 得系统有可能会达不到设计的性能指标，另一方面在接收端进行信道解码前必 须首先提取出比特时钟，比特时钟的提取是利用传输码流中“0 ”与“1 ”之间的波形 跳变实现的，而连续的“0 ”或连续的“1 ”给比特时钟的提取带来了困难。为了保证 在任何情况下进入d v b 传输系统的数据码流中“0 ”与“l ”的概率都能基本相等， 传输系统首先用一个伪随机序列对输入的t s 码流进行扰乱处理。伪随机序列是 由一个标准的伪随机序列发生器生成的，其中“0 ”与“1 ”出现的概率接近5 0 。由 于二进制数值运算的特殊性质，用伪随机序列对输入的t s 码流进行扰乱后，无 论原t s 码流是何种分布，扰乱后的数据码流中的“0 ”与“1 ”的概率都接近5 0 。 扰乱改变了原t s 码流，因此在接收端对传输码流纠错解码后，还需按逆过程对 其进行解扰处理，以恢复原t s 码流1 1 6 j 。 从信号功率谱的角度看，扰乱过程相当于将数字信号的功率谱拓展了，使 其分散开了，因此扰乱过程又被称为“能量分散”。扰码虽然“扰乱”了原有数据的 本来规律，但因为是人为的“扰乱”，在接收端很容易去加扰，恢复成原数据流。 实现加扰和解码，需要产生伪随机二进制序列( p l m s ) 再与输入数据逐个 l o 武汉理工大学硕士学位论文 比特作运算。p r b s 也称为m 序列，这种m 序列与m p e g 2 的数据码流进行模 2 加运算后，数据流中的“1 ”和“0 ”的连续游程都很短，且出现的概率基本相同。 利用伪随机序列进行扰码也是实现数字信号高保密性传输的重要手段之 一。一般将信源产生的二进制数字信息和一个周期很长的伪随即序列模2 相加， 就可将原信息变成不可理解的另一序列。这种信号在信道中传输自然具有高度 保密性。在接收端将接收信号再加上( 模2 和) 同样的伪随机序列，就恢复为原来 发送的信息。 2 3 3r s 编码器模块 数字信号在传输过程中可能受到各种干扰及信道传输特性不理想的影响而 使信号发生错误，从而接收到错误的信息。为了实现数字系统在传输过程中的 可靠性，几乎所有的现代通信系统都把纠错编码作为一个基本组成部分。 r e e d - s o l o m o n ( r s ) 码是目前最有效、应用最广的差错控制编码之一，是一类具 有很强纠错能力的多进制b c h 码，它既可以纠正突发错误，也可以纠正随机错 误【1 6 1 。r s 码是性能很优越的分组码，尤其是具有很强的抗突发误码的能力，因 此被广泛应用于实时性较高的移动通信系统、深空通信、数字卫星电视、磁记 录系统等方面。 在r s ( n , k ) 码中，输入的信息分成k x m 比特一组，每组包括k 个符号，每个符 号由m 比特组成。r s ( n , k ) 码的纠错能力为t - - ( n k ) 2 ，最小码距为d = 2 t + l 。在所有 的仳k ) 线性分组码中，r s 码的最小码矩是最大的，所以r s 码的纠错能力是最 强的。在接收端收到码流后，如果在一个包内发生的误码不大于t 个字节，则可 以在接收端重建原始的信息内容。在一个字节中，有一位或多位比特发生错误 都算一个字节错误。因此r s 编码特别适用于存在突发错误的信道。d v b 系统 信道编码中r s 码为( 2 0 4 ，1 8 8 ，仁8 ) ，其中t 是可抗长度字节数，对应的1 8 8 符号，监督段为1 6 字节( 开销字节段) 。实际中实施( 2 5 5 ，2 3 9 ，t = 8 ) 的r s 编 码，即在2 0 4 字节( 包括同步字节) 前添加5 1 个全“0 ”字节，产生r s 码后丢弃 前面5 1 个空字节，形成截短的( 2 0 4 ，1 8 8 ) r s 码。r s 的编码效率是：1 8 8 2 0 4 。 2 3 4 交织器模块 内层的卷积纠错编码虽然具有很强的纠错能力，但一旦发生无法纠正的误 码时，这种误码常常呈现连续发生的形式，也就是说，经卷积解码器纠错后输 武汉理工大学硕士学位论文 出的码流中的误码常显连续的形式。此外，信道中还存在着诸如火花放电等强 烈的冲激噪声，也会在卷积解码后的码流中造成连续的误码。这些连续误码落 在一组外层r s 码中，就可能超出r s 码的纠错能力而造成信息失真。为避免这 种情况，在两层纠错编码之间加入了数据交织环节。数据交织改变了信号的传 输顺序，将连续发生的误码分散到多组r s 码中，落在每组r s 码中的误码数量 就会大大减少，不会超出r s 码的纠错能力，r s 码能够将其纠正过来。实践证 明，数据交织提高了系统的纠错能力，特别是对冲激噪声的纠错能力。在d v b 系统中，r s 解码器只能在2 0 4 字节长度的包中纠正8 个随机错误字节，加入交 织之后就保证了系统能纠正较长的连续突发错误。 交织技术对已编码的信号按一定规则重新排列，解交织后突发性错误在时 间上被分散，使其类似于独立发生的随机错误，从而前向纠错编码可以有效的 进行纠错，前向纠错码加交积的作用可以理解为扩展了前向纠错的可抗长度字 节。纠错能力强的编码一般要求的交织深度相对较低。纠错能力弱的则要求更 深的交织深度。交织编码的优点明显，其实质是将突发误码分散为随机误码， 不增添附加的监督码元而提高了抗突发误码的能力( 单个较长的突发误码或多个 较短的突发误码) 。 2 3 5 卷积编码器模块 卷积码是将k 个信息元编成n 个码元，但k 和1 1 通常很小，特别适合以串 行形式进行传输，时延小。与分组码不同，卷积码编码后的n 个码元不仅与当 前段的k 个信息元有关，而且与前面的n 1 段信息有关，各码字间不再是相互 独立的，码字中互相关联的码元个数为n x n 。同样，在译码过程中，不仅从此 时刻收到的码元中提取译码信息，而且利用以后若干时刻收到的码字提供有关 信息。卷积码的纠错性能随n 的增加而提高，而差错率随n 的增加而指数下降。 由于卷积码的编码过程充分利用了码字间的相关