数字电视系统设计毕业论文.doc

毕业论文数字电视系统设计1.引 言1.1论文选题的意义数字电视系统是指在信源、信道和信宿这3个电视信号传输过程中全面实现信号的数字化和数字方式 处理的电视系统。简单地说，就是在这个系统中从电视节目摄制开始，电视信号的编辑、发送、传输、接收和存储的各个环节都采用数字化处理。欧美国家的企业和研发机构用了近8年的时间，完成了数字视频广播技术的研发以及标准的制订，并先后于1998年11月和1999年春天分别开播了数字电视。数字电视使整个广播电视节目制作和传输质量得到显著改善，信道资源利用率提高，还可以提供其他增值业务，如数据广播、电视购物、电子商务、软件下载、视频点播等，使传统的广播电视媒体从形态、内容、到服务方式发生革命性的改变。数字htdv集成了近年来高速发展的超大规模集成电路,高分辨率大屏幕显示器件 、高密度数字记录、 计算机多媒体技术、数字通讯与传输技术、数字压缩与解压缩技术、激光技术、数模转换技术等方面的最新成就,使电视生产技术更趋向于数字化、集成化、模块化,是电视技术领域内由模拟技术全面转向数字技术的一场革命.因此对数字电视进行研究有着重要的意义。1.2数字电视的优点与模拟电视相比，数字电视有如下优点：（1）图像传输质量较高，距离远。模拟电视图像信号在传输过程中，要受到传输信道特性（幅频特性、微分增益、微分相位特性）和噪声干扰等的影响，质量不高，而且经过多次转换传输，通道特性和噪声干扰等影响积累，导致图像质量的进一步下降，而这些影响对于数字电视信号来说，有些是不存在的。数字电视信号在传输过程中，多次中继（或复制）后不会发生干扰和噪声的积累，同时可采用纠错编码技术，收端图像质量较好，基本保持与发端一致，且传输距离不受限制。（2）频道资源利用率高。频谱资源是重要的国家资源，模拟电视的频谱资源有限，一套模拟电视节目要占用36mhz带宽的卫星转发器，占用8mhz的地面电视广播和有线电视频带。而数字电视采用压缩编码技术，在36mhz的卫星转发器中传送5套sdtv节目，显示清晰度约400线，在一个8mhz频道内传送4套以上的sdtv节目。（3）提供全新的业务，实现高速数据传输。在数字电视通信中可以互不干扰地同时传送文字、数据、语音、静止图像等多种数字信息。数字电视网可与电脑网、电信网互连互通，不仅使信息源更为丰富，还可以增加用户与各种信息源之间的交互性，实现用户自由点播节目、电子商务、网上购物、网上教学、网上医疗、网上游戏等多种高速数据业务（在8mhz带宽内采用64qam调制，可以达到约3238mbit/s的数据传输率）。（4）信号稳定可靠，设备维护、使用简单。模拟电视信号数字化后，信号以二进制码的形式出现，它只有“0”和“1”两种状态，二进制数字信号不受电源波动、器件非线性的影响，所以信号能保持稳定、可靠。处理数字信号可采用大规模集成电路，可降低设备的功耗，减少体积，提高设备的可靠性。同时数字化设备不需调节，维护简单，使用方便。（5）节省发送功率，覆盖范围广。数字电视发射设备在相同覆盖服务区所需平均功率，比模拟电视发射设备的峰值功率要低一个数量级，比如模拟mmds接收电平最低为56db，而数字mmds在64qam调制下接收电平仅为39db，所以数字电视发射设备的覆盖范围比模拟电视相同功率的发射设备的覆盖范围大几倍。（6）灵活友好的人机界面。灵活和实用的人机交互界面，便于普通群众操作，除显示设备外，容易实现系统集成而大规模生产，价格低廉便于推广普及。（7）易于实现条件接收。数字电视信号容易进行加密/加扰，有利信息安全，便于实现付费电视、视频点播及交互式电视。1.3国内外技术现状目前，美国、欧洲和日本各自形成三种不同的数字电视标准。美国的标准是atsc(advanced television system committee);欧洲的标准是dvb(digital video broadeasting);日本的标准是isdb (integrated servieesnigital broadeasting)。其中前两种标准用得较为广泛，特别是dvb已经逐渐成为世界数字电视的主流标准我国数字电视的发展从1992年开始在国家正式立项，并由国务院亲自成立了相应的领导小组，负责协调和制定战略发展计划。1998年8月，完成了高清晰度电视系统的联试；1999年，在新中国成立五十周年的庆典上，我国成功地试用高清晰度电视技术对庆典活动进行了实况转播。1999年中国开始实施数字电视产业化专项，第二年又成立了全国数字电视标准委员会，中国数字电视标准制订工作正式启动。信息产业部和国家广电总局也都为此成立了专门的标准制订专家组，进行国内外数字电视标准的整理和研究工作。虽然我国数字电视地面传输标准尚没有正式出台，但以清华大学dmbt为核心融合上海交大与广科院技术的无线数字电视标准短期内可能形成，清华大学dmbt采用时域同步正交频分复用(tdsofdm)多载波调制方式，dmbt就是将经过信道编码后的数据分别用qpsk或qam调制技术调制到频域上相互正交的大量子载波上，然后将所有调制信号复用，时域信号主要用于同步控制。由于正交频分复用是采用大量(n个)子载波的并行传输，在相等的传输数据率下，已调信号的时域符号长度是单载波符号长度的n倍，相当于信号带宽降低n倍，这样其抗符号间干扰的能力可显著提高，从而减轻对均衡的要求，如采用qpsk调制技术，8mhz带宽可以传输一路标准清晰度电视。dmbt调制具有抗动态多径干扰能力强的特点，既可用于地面传输固定接收，也可用于便携和移动接收。我国数字电视地面传输试验测试表明，在城区多径效应丰富的地区，接收效果也良好。2005年l月22日,基于清华大学dmb一t制系统的中国第一块拥有完全自主知识产权的“中视一号”数字电视地面传输芯片在复旦大学问世,这被称为“中国数字电视百万门级专用集成电路自主设计和制造技术的重大突破。数字有线电视除了能够大大的提高电视信号质量、扩大容量和传输距离外，数字有线电视设备还完全适于宽带通信。技术实践表明，有线电视数字化是将原来的单向传输模拟电视节目变成为双向传输多功能业务的数字化。随着数字电视有线传输技术的发展，有线电视网、电信网和计一算机数据网的“三网合一”己经成为信息社会发展的切实需要。又因为有线传输与另外两种传输相比具有图像质量好、节目套数多、用户群体大的优点，因此，数字有线电视传输在三种传输方式中处于更重要的地位。1.4 论文主要工作与内容安排本文对数字电视有线传输技术进行了研究，其中对qam调制解调、rs编译码和交织编译码作了介绍，也对数字电视有线传输的用system view仿真软件进行了仿真分析。 本文主要内容的安排如下:第一章主要对数字电视有线传输的背景、数字电视的优点、国内外技术的现状和发展及对本课题研究的意义作了简单介绍；第二章介绍数字电视传输系统的组成、相关概念；第三章阐述了数字电视有线传输的相关技术；第四章简单介绍了仿真软件system view，用system view对qam调制解调模块、rs编译码模块、交织编译码模块和整个dvb-c系统进行了仿真，并对dvb-c系统的性能指标进行了分析。2.数字电视有线传输系统的组成原理和关键技术本章对有线数字电视的定义、系统组成、相关概念和差错控制技术进行简单的介绍。数字通信系统的一般组成：数字电视信号是一种数字信号，数字电视传输系统归属于数字通信范畴，遵循数字通信系统的一般规律。数字电视传输系统中对信号的处理方法、关键技术都来源于数字通信系统。数字通信系统的组成如图2-1所示。整个系统包括三大部分:信源部分、信道部分、信宿部分。信源部分主要完成信源编码功能，信道部分主要完成信道编码、信息传输、信道解码功能，信宿部分主要完成信源解码功能。信道信源解码信道解码信道编码信源编码 信源部分 信道部分 信宿部分 图2-1 数字通信系统组成 2.1 有线数字电视传输系统组成2.1.1系统框图及概念数字电视传输系统分为卫星传输系统，有线传输系统和地面无线传输系统。由于传输的方式不同,则对数字电视信号的处理方式也有所不同。本文主要介绍数字电视的有线传输系统中欧洲标准的dvb-c系统。欧洲数字电视有线传输系统（bvb-c）的电路框图如图2-2所示。图2-2 有线数字广播电视系统（dvb-c）的组成框图在dvb-c系统中，(a)为发射端框图，(b)为接收端框图。为了能使各种传输方式尽可能兼容，有线传输的发射端前部分处理和卫星传输中的处理相同，即有相同的伪随机序列扰码，r-s纠错和卷积交织，后面的处理是专用于有线数字电视传输的，首先是字节到符号的映射，然后是差分编码，基带整形，输出两路（i，q）信号，再进行qam调制。有线传输系统的核心与卫星系统相同，但有线电视的传输环境相对比较可靠，因此，在dvb-c中不再采用内码，以提高传输效率，而且调制方式也改用正交幅度调制（qam）而不是以qpsk为基础。该系统以64qam调制为主，具体情况下，应在系统的数据容量和数据的可靠性之间进行折衷。如果使用64qam,那么8mhz频道能够容纳38.5mbit/s的有效载荷容量。接收端是发射端的反过程。2.1.2 mpeg-2传输复用包的形成mpeg-2传输复用的作用mpeg-2标准可分为三部分：视频、音频和系统。系统复用就是将视频、音频和数据的基本码流组合成一个或多个适于存储、传输的码流。mpeg-2传输复用的结构mpeg-2传输复用的结构如图2-3所示。 ts复用打 包 器视 频 编 码 器 视频 es pes ts码流打包 器音 频 编 码 器 音 频 ps复用数据编码器 数据 ps码流图2-3 mpeg-2系统复用的结构1）es：由编码器输出的视音频码流，称为基本码流。2）pes：为了使接受端解码器能从码流中分离出视频、音频数据，es流不能直接进入复用器，而需要经过打包器，即将连续的传输数据按一定长度分端，构成特定长度的一个个单元包，在送至复用器，复用成ts流或ps流。pes称为打包的基本码流。对视频pes由编码的一帧图像组成，因此，pes包的大小不固定，音频pes不超过64kb。3）ps流：称为节目码流，ps流为单节目使用。ps流用于单节目，如制作dvd碟流等。由于ps包长不固定，一旦其中一个包的同步丢失，解码器难以确定下一个包的同步位置，易造成严重的信息丢失，因此ps只能用于较好的信道环境，典型的应用为光盘制作。4）ts流：称为传输码流，一般在多节目状态下使用。ts用于多节目传输系统，ts包由固定的188b组成，ts流是数字电视传输中的一个重要概念。5）输入信息：除了视频信息、音频信息外还包括数据信息，数据信息亦称为业务信息。业务信息包含一些提供识别选择和控制作用的信息，以帮助解码器能自动设置进行解码、提供交互服务4、建立电子节目指南等，业务信息在mpeg-2中称为节目特定信息。（3）ts流的结构ts码流由前后相接的ts包构成。ts包由固定的188b组成，每个ts包都由包头部分和净荷部分构成。由于ts流中每个ts包的长度是固定的，解码器容易定位找出同步信息，故失去同步后不难恢复同步。因此，ts流适合相对来说差一些的信息环境，如应用于传输。电视广播是在有噪声和干扰的环境下传输数据，因此要使用mpeg-2的ts流进行传输。（4）多节目双层复用ts流数字电视信号经过压缩后，可在一个8mhz电视频道内传输多套数字电视节目，这是，需要进行多路节目的双层复用。即首先通过节目复用器将同一个节目的各个基本码流（包括视频，音频和数据）复用在一起，组成单个节目的ts流。再通过系统传输复用器将各个节目的ts流复用在一起，组成多套节目的ts流，然后传输到信道编码器。节目复用有共同的时间基准，而传输复用则各自可以有独立的时间基准。2.1.3 字节到符号的映射从卷积交织器输入的信号是二进制信号，每个字节为8bit。qam调制每个星座点代表不同的一个符号，不同的调制方法，星座点代表不同的比特数以64qam为例，每个星座点代表6bit的信息，所以必须加以转换，这种转换称为字节到符号的映射，在此必须完成两件任务。即首先8bit组转换为6bit组，其次每个6bit组又必须一分为二，形成i、q信号。字节比特到符号比特的变换规律如下：首先应求出某种调制方法中每个符号代表的比特数。例如64qam，其中64代表星座点的数目，64=26；也就是说，星座点包含6bit，在二元码中就有64种可能的组合。所以64qam的每个符号包含6bit；通常有如下关系，设星座点数为m，每星座点携带的比特数为k，星座图上i、q轴上电平数为l，则 m=2k l2=m （式2-1）下面就是矩形星座图的调制类型给出参数见表2.1. 32 qam、128 qam不满足表中的关系。表2.1 调制类型及参数调制类型星座点数进 制电平数每个星座符号的比特数qpsk422216qam1644464qam4886256qam15616168以64qam为例，已知每个星座符号的比特数为6bit，而输入的字节为8 bit，不可避免地需将8 bit的字节重新分割。存在关系式8p=kq(p为字节数，q为符号数)。对64qam而言为8p=6q，求最小的整数关系得p=3，q=4，也就是说3个字节可以换算为4个符号。2.1.4 qam调制正交调幅（qam）是幅度调制和相位调制的结合，即调幅又调相。qam是将调制符号调制到一对正交载波上，是二维调制技术。数字比特序列被分成两个序列，以16qam为例，每4个调制比特分为两组，每组2比特，分别去调制同向正交载波，然后将两路已调信号相加发送。换句话说，16qam看成是互相正交的调幅波之和，又可以视为两个四相相移键控的线性组合。虽然qam调制的传输速率较高，但它降低系统的信噪比余量，牺牲了系统的可靠性。根据香农噪声理论可以知道：对于cn已知的信道，它的最大数据传输速率是有限的，不能无限的提高数据传输速率，反之则降低系统可靠性，甚至整个系统不能正常工作。因在系统前端信道编码和接收机解调器中具有rs等纠错码功能，实际误码率在10e4数字信号经rs等纠正后可以达到10el2准无误码率的水平。2.1.5 网络系统有线电视hfc网络的拓朴结构一般有星型结构、树型结构和星树型混合结构、以及两级光链路级联的双星型结构。作为早期的hfc网一般均采用星型、树型结构或星树型混合结构。它只有一个前端，把所有信号都由前端通过光纤和同轴电缆向下辐射，我们称之为集中式hfc网络。目前，国际、国内普遍采用的是两级光链路级联的双星型结构。它是由总前端和分前端通过一级光链路采用1550nm光发射机以双星型光纤结构环型路由的方式组成的物理环型自愈网，二级光链路利用1310nm光发射机以星型光纤结构，将信号送到各光节点，然后进入电缆分配系统，形成完整的hfc网络。我们称之为分布式hfc网络。根据实践证明只要有线电视网络符合系统指标，不管是哪一类网络的拓朴结构、单向还是双向网，都能传输dvb-c数字有线电视信号，它们的区别只不过是哪一种拓补结构的可靠性、性能指标和拓展性更好，这当然是分布式hfc网络。因为分布式hfc网络有完整的冗余保护体系，所以它有较高的可靠性和良好的网络性能指标，更重要的是它有良好的拓展性，其总前端和分布式的各个分前端，可以分布式安装交互式数字电视的视频服务器，它能有效地克服因交互式数字电视所产生的视频服务器和网络的瓶颈，为开展交互式数字电视提供了良好的网络平台。2.2 数字电视系统的关键技术2.2.1数字电视的信源编解码信源编码是对原始图像或声音信息的编码表示进行波特率压缩的过程。原始图像或声音信息的编码表示指的是采集的电视图像或者声音模拟信号，经采样，量化，再编码成的自然二进制码字序列。数字电视的视频压缩方面各国基本上都采用了mpeg-2标准。在音频压缩编码方面，国际上存在的三大数字电视标准体系则采用了不同的音频压缩方式。在音频编码方面，欧洲、日本采用了mpeg-2标准；美国采纳了杜比公司(dolby)的ac-3方案，mpeg-2为备用方案。中国方面，中国的数字音视频编解码标准工作组制定了面向数字电视和高清激光视盘播放机的avs标准。该标准据称具有自主知识产权，与mpeg-2标准完全兼容，也可以兼容mpeg-4 avc/ h.264国际标准基本层，其压缩水平据称可达到mpeg-2标准的2-3倍，而与mpeg-4 avc相比，avs更加简洁的设计降低了芯片实现的复杂度。2.2.2数字电视的信道编解码及调制解调数字电视信道编解码及调制解调的目的是通过纠错编码、网格编码、均衡等技术提高信号的抗干扰能力，通过调制把传输信号放在载波或脉冲串上，为发射做好准备。目前所说的各国数字电视的制式，标准不能统一，主要是指各国在该方面的不同，具体包括纠错、均衡等技术的不同，带宽的不同，尤其是调制方式的不同。2.2.3 软件平台-中间件数字电视接收机（或数字电视机顶盒）的硬件功能主要是对接收的射频信号进行信道解码，解调，mpeg-2码流解码及 音频信号的输出。而电视内容的显示、epg节日信息及操作界面等都要依赖软件技术来实现，缺少软件系统便无法在数字电视平台上开展交互电视等其他增强型电视业务，所以，在数字电视系统中，软件技术有非常重要的作用。中间件(middleware)是一种将应用程序与底层的实时操作系统和硬件实现的技术细节隔离开来的软件环境，支持跨硬件平台和胯操作系统的软件运行，能应用不依赖于特定的硬件平台和实时操作系统。中间件通常由各种虚拟机构成，加个人java虚拟机、javascr心虚拟机、html虚拟机等，其作用是使机顶盆基本的和通用的功能以应用程序接口(apl)的形式提供给机顶盒生产厂家，以实现数字电视交互功能的标准化，同时使业务项目(以应用程序的形式通过传输信道)下载到用户机顶盒的数据员减小到最低限度。2.2.4 条件接收条件接收（conditional access ,ca）是指这样一种技术手段，它只允许已付费的授权用户使用某一业务，未经授权的用户不能使用这一业务。条件接收系统是数字电视广播实行收费所必需的技术保障。条件接收系统是一个综合性的系统，集成了数据加扰和解扰、加密和解密、智能卡等技术，同时也涉及到用户管理、节目管理、收费管理等信息应用管理技术，能实现各项数字电视广播业务的授权管理和接收控制。条件接收系统要解决两个问题：1，如何阻止用户接收那些未经授权的节目；2，如何从用户处收费。2.2.5 高清晰度平板显示技术显示器是最终体现数字电视效果或魅力的产品。数字电视的显示方式主要有crt型直视式显示器，lcd、pdp、crt型背投影显示器，lcos投影（含前投影、背投影）显示器，lcd投影（含前投影、背投影）显示器，dlp投影显示器，oled、表面传导型电子发射显示器（surface-conduction electron-emitter display ,sed）等。关键的问题是如何降低产品的造价，使产品以可接受的价格进入家庭。3.数字电视有线传输技术基础3.1数字电视有线传输主流标准与方式目前世界数字电视标准尚未统一，现在以欧洲dvb标准为首的主流数字电视标准有三种：欧洲dvb标准（1997推出）、美国atsc标准（1995年推出）以及日本isdb标准（1999年推出）。对于有线广播数字电视（数字catv）来说，根据调制方式和传送码率的不同，基于上述三种标准可以分为以下四种方式：dvb-c（欧洲）、atsc-16vsb（美国）、atsc-64qam（美国）和isdb-c（日本）。世界有线数字电视主流方式见表3.1。在以上方案的基础上，国际电信联盟于1998年1约形成国际标准ituj.112建议交互式有线死按时业务传输系统，其目的是为了在同轴电缆上传输双向数据以及在hfc网络上进行交互式业务。这标志着有线电视中的数字电视、计算机、通信等多媒体正逐步走向融合。表3.1 世界有线数字电视主流方式有线数字电视传输方式dvb-catsc-64qamatsc-16vsbisdb-c传送方式16-64qam64qam16vsb64qam频道宽度8mhz6mhz6mhz6mhz传输速率31.64mbit/s41.34mbit/s43.05mbit/s30.31mbit/s接受滚降13%15%11.5%18%纠错率rs(204,188)rs(128,122)rs(207,187)rs(204,188)压缩方式mpeg-23.2 差错控制技术任何形式的信号传输过程都不可能实现“零干扰”，数字信号由于传输过程中干扰的影响，会使接收端发生错误的判决，从而降低传输的可能性。随着传输速度的提高，可靠性的问题更为突出，有线电视传输数据要求误码率小于10-5 。数字电视广播的目的是要将图像、声音和数据等信息快速、实时、高质、可靠地传输至接收端，供用户满意地收看、收听。为了达到目的，提高系统的抗干扰能力，在载波调制之前要进行信道编码，也称为差错控制编码或纠错编码。它主要有三种方式:反馈重发(arq)方式、前向纠错(efc)方式和混合纠错(hec)方式。反馈重发(arq)方式。又称检错重发方式。发送端发出检错码，接收端可发现传输中有错码，但不知道错码的确切位置，通过反向通道把这一判决结果通知给发送端，然后发送端把有错的部分信息重新发送，直至接收端确认接收到正确信息为止。这种方式的纠错设备和程序比较简单，但必须有双向通道，适合于非实时通信系统，如计算机数据通信系统。前向纠错(efc)方式。这种方式在发送端发送纠错码，在接受不仅能发现差错，还能确定差错的确切位置并给予纠错，这种方式不需要反向通道，也不存在重发造成的延时。这种方式适合于单向广播系统和要求实时好的系统，如音频和视频好的系统，但该方式译码设备比较复杂。混合纠错(hec)方式。这种方式是前两种方式的结合，如有少量差错，在其纠错能力之内，就进行前向纠错；如发现大量差错，超前它的纠错能力就进行反馈纠错。对具体的纠错码，可以从不同的角度将其分类。纠错码按照检错纠错功能的不同，可分为检错码、纠错码和纠删码三种;按照误码产生的原因不同，可分为纠随机误码的纠错码和纠突发误码的纠错码;按照信息码元与监督码元之间的关系，可分为线性码和非线性码;按照信息码元与监督码元之间约束方式的不同，可分为分组码和卷积码;按照信道编码之后信息码元序列是否保持原样不变，又可分为系统码和非系统码。3.2.1 能量扩散能量扩散也称为随机化，加码或扰码。在数字电视信道编码中，能量扩散主要是对数据进行随机化，在数字电视广播过程中会出现码流中断或码流格式不符合mpeg-2的ts流结构的情况，导致调制器发射未经调制的载波信号；当数字基带信号是周期不长的周期信号时，已调波的频谱将集中在局部并含有相当多的高电平离散谱。结果对处于同一频段的其他业务的干扰超过了规定值。另外，信源码流中可能会出现长串的连“0” 或连“1”，这将给接收端恢复位定时信息造成一定得困难。为消除上述的两种情况，可将基带信号在随机化电路中进行能量扩散，信号扩散后具有伪随机性质，其已调波频谱将分散开来，从而降低对其他系统的干扰；同时，连“0” 或连“1”码的长度缩短，便于接受端提取比特定时信息。3.2.2 rs编码 rs码是由reed和solomon两位研究者发明，简称rs码，它广泛应用在数字电视传输系统中的一种纠错编码技术。rs码以字节为单位进行向前误码纠正，它具有很强的随机误码及突发误码纠错能力。从结构上看，rs码是一种码元长度为n、信息位长度为k的（n，k）型线性分组码，其中分组码是指在k为信息码元的后面按编码规则附加r位监督码元而构成码长为n的码字，并用（n，k）表示。在纠错编码中，码字距离、特别是码字最小距离，是衡量一种码字抗干扰能力大小的标准，码字最小距离越大，说明任何两个码字之间的最小差别越大，抗干扰能力越强。在所有的线性分组码中，rs码的汉明距离最大，因此rs码纠错能力最佳。rs编码是一种非常有效的编码技术，与其他以单个码元为基础的块编码技术不同，rs码以码组为基础，码组又称为符号，rs码只处理符号，即使符号中只有一个比特出错，也认为整个符号出错。在rs（n，k）编码中，输入信号分成km比特一组，每组包括k个符号，每个符号由m比特组成，因此总码长n=k+r个符号，共有k个信息符号、r个监督符号。rs码能够纠正t=r/2个符号的错误，通常一个可纠错t个误码字节的rs码可表示为（n，k，t）。在rs以编码中， 每个符号要乘以某个基本元素的幂次方后模2加。在dvb系统中，信道编码采用（204，188，t=8）的rs码，即n=204b，k=188b，即每188个信息码元要用16个监督码元，总码元数为204个符号，m=8bit（1b），监督码元长度为2t=16b,纠错能力为一段码长为204b内的8b，此rs码的长度在原理上应为n=2m-1=255b，实施上述rs编码时，先在188b前加上51个全0b，组成239b的信息段，然后根据rs编码在信息段后面生成的16个监督字节，即得到所需的rs码。3.2.3 卷积交织卷积码是一种非分组码。这种码的信息位和监督位交替地连续发至信道进行传输，监督位是按前一段时间中各信息位“模2和”计算出。这段时间信息码元总数称为此码的约束长度。交织是在复合差错信道上使用编码技术的一种简单而有效地方法，这种方法可以一条突发信道转换成一条独立的差错信道，交织的目的是将在信通上发送的相邻的各个比特广泛的分散在带解码的数据序列内，因此，经过去交织之后，信道上各个突发差错就分散在带解码的数据序列中，从而就分散在许多接受码字上。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。美国的atsc中的卷积交织器深度为52，欧洲的dvb中的卷积交织器深度为12。结合前面所采用的rs编码器纠错能力的不同，atcs中可纠正长度为5210=520个字节的突发错误长度;dvb中可纠正长度为12x8=96个字节的突发错误长度。3.2.4 格状编码(tcm)一般的说，信息传输可靠和信息传输快速两者是有矛盾的，如何做到既可靠又快速或者是既快速又可靠是通信系统设计和实践中的重要研究课题。在数字通信系统中，调制解调和纠错编码是两个主要技术，它们也是提高通信系统传输速率，降低误码率的两个关键技术。在过去这两个问题是分别独立考虑的，在发送端编码和调制是分开设计的，同样在接受端译码和解调也是分开完成的。在码流中增加监督元以达到检错或纠错的目的，但这样会使码流的比特速率增加，从而使传输带宽增加，也就是说用频带利用率的降低来换取可靠性的改善。1982年ungerboeck提出了利用编码率n/ n +1的格栅码卷积码及码字与调制信号间映射关系将编码和调制技术结合起来的方法。在接收端，将已调制信号解调后进行反映射变换，还原成卷积码的码序列，再实施卷积码译码。这样做法，再不增加传输信道带宽和相同信息速率的情况下可获得36db的功率增益。此种技术称为格栅编码调制技术。3.2.5 数字差错控制编码在数字电视有线传输中的应用差错控制通过增加信息码冗余度来减少数字码在传输过程中产生的误码，当信息编码提供3db编码增益时，发射端可将发射功率减小一半。所以研究信道编码具有重要意义。卷积码的编码器信息位和监督位一样多。输出码流是输入码流的两倍，冗余度为100%。使用卷积码能使编码增益提高3db以上，但是它的解码较复杂，特别是码流高的时候，使用卷积码一半用在信道比较差、误码率大于10的负1次方的场合。分组码一半用在信道误码率效应10的负3次的场合，在发射前将监督位加在信息位的后面，构成信息包。rs码是分组码常用的典型形式，其监督位的冗余度在3%10%左右。rs码的信息源速率较高时较卷积码简单；在信道比较差的场合，可以采用卷积码与rs码的级联形式。通过优势互补，这样可以获得编码增益8db，但这样组成的系统相当复杂，成本昂贵，一般使用于卫星电视发送和接收。对于有线电视的传输信道，由于使用有线方式，信道比较优良，多径衰减及噪声较无线传输小得多，为降低用户成本，一般只用rs码就足够了。为避免信道突发干扰，造成连码错误，可使用交织器加以克服。对于一个好的差错控制系统，信道编码应与信道调制方式综合考虑。在信道传输允许的范围内，尽可能增加纠错码的冗余度，提高编码的增益，以保证数字信号可靠地传输。3.3调制技术3.3.1 mvsb调制m进制残留边带（m-vsb）是在5mhz带宽内抑制载波残留边带的m进制（m=2，4，8，16）调制方法，抑制的载波在频道低端大约310khz处。为了便于在接受端恢复载波，vsb系统在抑制载波的地方传输一个占信号总能量0.3db的导频。vsb调制器每一个时钟信号取码流log2m（bit/s），通过d/a转化为m进制的模拟信号，然后加上导频信号，再被fif载调制成vsb信号（此时信号宽带为12mhz）。经vsb滤波器后调制信号变为6mhz的残留边带，再通过发射机将调制信号送入有线电视系统。vsb调制系统如图3-1所示log2md/a发 射 机v s b滤 波 m电平 电缆 导频 fif 图3-1 多进制vsb调制器方框图以msk调制方式采用多电平基带信号对一个高频载波进行平衡调制时，得到多种幅度的高频已调波。它在频谱上是载波抑制的双边带信号，单侧边带的带宽等于基本信号本身的带宽，所以整个己调波带宽是基带信号带宽的二倍。maks中的m=2k，当k=l，2，3，4时，m=2，4，8，16实际上，其基带信号携带的信息在任一个边带中已全部包含，所以，传输时可以抑制一个边带而只发送另一个边带。这样，己调波的传输带宽就等于基带信号的带宽b。由于基带码率为rb/k时在理想低通情况下基带信号的带宽为b=hz （式3-1）因而单边带的高频调制效率为:= =2k=2log2m(bit/s/hz) （式3-2）当考虑到低通滤波具有滚降系数a(=01)时，实际的高频带宽应为b(1+a)，所以实际的高频调制效率为=2(bit/s/hz) （式3-3）不过，如果只传送抑制载波的一个单边带，接收端不能从中获得参考载波而将无法解调。因此，在传送信号中尚需再传送一个低电平的、被抑制的基准载波信息，它称为导频信号。这时，具体可将传送的上边带向下侧展宽一些，使包含进载波分量，就像目前的模拟电视信号广播中应用的残留边带调制(vsb)方式一样。因此，此种mask调制传输方式在数字电视的应用中称为mvsb调制。在美国的数字电视地面广播中，采用的高频调制方式是8vsb，而在有线数字电视传输中，采用16vbs调制。显然，m越大时，高频调制效率越高。有线信道是质量较好的传输媒体，外来干扰小，容许使用m值大的mvsb调制方式。 3.3.2 mqam调制 qam(正交幅度调制)是一种节省频带的数字调制方法。在2400bit/s以上的中、高速调制中常被采用，广泛用于数字电视的广播传输。qam有较高的频带利用率，同时有较高的信噪比。qam是在6mhz带宽内正交调幅的m进制（m=2，4，8，16）调制方式，完整的表达式为m2qam（m=2，4，8，16），抑制的载波在离频道低端大约3mhz处。根据乃奎斯特理论，一个6mhz带宽采用双边带最大可以传6mbit/s的信号流。考虑到采用升余弦滚降，只能传5.4mbit/s的信号流。qam调制器首先将输入的信号流串并重组，分成i和q两路，并分别进入相应的da转化为m进制的模拟信号，用正交的载波coswct和sinwct进行调制，相加后称为qam的调制波，经功率放大后送入有线电视系统。mqam信号的已调载波矢量可充分利用整个调制平面，在相同的平均载波功率下对于相同的m值可使mqam的抗干扰能力强于maks和mpsk。16qam的调制器框图如图3-2所示，输入的串行数据流经过串/并变换器分成两路比特流b1b2和b3b4，它们分别由数/模变换器把4种数据组合(00，01，11，10)变换成四种模拟信号电平(+3，+1，-1，-3)，上、下支路的模拟输出分别调制载波信号sinwct和coswct，然后通过加法器使两个已调载波相加，得到合成的调相波信号16qma输出。数模变换 b1 sinwct载 波 产 生 b2串/并数据输入数模变换900 b3 coswct b4图3-2 16qam调制器3.4数字电视有线传输系统主要性能参数系统主要性能参数是评价系统性能优劣的量化依据，有线数字电视系统的性能主要用信噪比（s/n），载噪比（c/n），误码率（pe），调制误差率（mer），相位抖动（pj）和载波相位噪声（pn）等几个技术参数来衡量3.4.1脉冲编码调制信号的带宽脉冲编码调制信号是“1”和“0”的不用排列组合。通常则是0和1的杂乱的排列组合，但是0和1的交替出现这种数字图形包含的最高频谱成份最高。在实际系统中每一组二进制电码代表一个数值，叫做一个“字”，“字”与“字”之间具有一定的空隙。每一组二进制电码内部，各脉冲之间也可能具有一定的间隔（在归零脉冲情况下），这些都会使频带加宽。在接收端，为了没有差错地恢复脉冲编码信号，只需要在每个时刻正确的区别是1还是0。若将脉冲编码信号通过一个低通滤波器，该低通滤波器的带宽恰好能够让途中所示的正弦波通过，该正弦波的频率等于途中脉冲波形的重复频率，即二进制数字0和1的出现的频率的一半。这时，接收端就可以根据滤波器锁输出的正弦波正确的区别1和0。因此，为了能够在接收端无错误的恢复原脉冲编码调制波形，所需频带宽度至少应等于二进制数字出现的频率的一半。二进制数字出现的频率即单位时间内传送二进制数字的位置，因此也叫做传输比特率或传输码率。根据脉冲编码调制信号是“1”和“0”的不用排列组合。根据取样定理，亮度信号和色差信号的取样频率分别应为12mhz和3mhz若量化分层数目为356，则需用8bit二进制电码来传送每个取样的量化值，这样传输比特率应为（12+3）8=120（mbit/s）。因此，压缩比特率（即压缩频带）的问题是数字电视中一个重要课题。差分脉冲编码调制就是图像信号编码中压缩传输比特率的一种方法，它用信号的取样值与信号的预测值（根据信号过去的数值进行估计）的差值来进行编码并予以传输。实验表明，每一取样值只需用4bit二进制电码来传送，就可得到比较理想的图像质量。也就是说，它的传输比特率比脉冲编码调制压缩一半，因而频带宽度也压缩了一半。目前，大多数采用mpeg-2压缩标准。3.4.2 视频信噪比模拟信号在进行模/数转换后，出于任意两个量化电平中间的部分，就会与其后数/模转换出来的信号由微笑差别，这相当于在原始信号上叠加了一个噪声，这就是前述的量化噪声。量化噪声平均功率np=q2/2，式中q为量化间隔。设单极性满幅度信号峰峰值为sp-p，量化噪声的均方根为nrms，则视频信噪比公式为： sp-p/nrms=10.8+6n（db） （式3-4）式中，n为量化的bit数量级。量化噪声是白噪声，符合噪声叠加规律。量化噪声的大小取决于模拟信号，比如平场信号和斜场信号进行同样的数/模转换和模/数转换所产生的量化噪声不一样。3.4.3 误码率 当发送端发“1”，接收端收到“0”时或当发射端发“0”。接收端却收到“1”时，这种收发码不一致的情况叫误码。在相当长的一段时间内数码流中出现误码的概率叫误码率（pe）。误码率=出现误码的码元数/数码流的总码元数。误码产生的原因很多，包括噪声和脉冲抖动的影响，工业干扰和雷电干扰等等。误码率越小，要求视频信噪比越高。比如，为了使某数字系统的误码率达到10的负9次，要求信噪比为21.6db左右。3.4.4 抖动功能抖动是数字信号传输过程中的一种瞬时不稳定现象。它表示数字信号的各瞬间对于标准时间位置的偏差。抖动包括两个方面：一是输入信号脉冲在某一平均位置左右变化，二是提取的时钟信号在中心位置上的左右变化。这种抖动现象相当于对数字信号进行了相位调制。如果我们用示波器观察这种信号，则在稳定的脉冲图样的前沿和后沿上出现某低频干扰调制，其频率一般为02khz。抖动严重时，由于脉冲移位使接收机把所有脉冲误认为无脉冲（或相反）。系统的传输速率越高，抖动的影响也越大。产生抖动的原因很多，中继器中产生的抖动，除了与定时提取电路的性能有关外，还与输入信号的状态有关：当输入码流中出现长连“0”码时，定时提取困难，也会产生定时抖动；在多级中继器的系统中，每个中继器产生的抖动还会出现积累。使性能更加恶化。控制或抑制抖动的方法有两种：一是对是真信号进行扰码/解码或采用线路码型，对数据源的脉冲序列重新排列，破坏长连“0”码和连“1”码，防止抖动的产生和减小系统抖动的累积；另一种方法是采用“缓冲储存器”和“在定时”技术。由于抖动谱线分布在时钟频谱左右的某个区域内，因此利用跟踪滤波器或模拟锁相环路，可以抑制传输信号的抖动。抖动的单位是ui它表示单位时隙，当信号脉冲为nrz码时，1ui就是1bit传输信息所占用的时间，它在数值上等于传输速率的倒数。由于抖动难以完全消除，因此在实际工程中，往往提出一些系统容许的最大抖动指标，作为对抖动的限制条件。抖动的性能参数主要为以下三种（1）输入抖动容限：系统容许输入信号的最大抖动范围。（2）输出抖动：系统输出口的信号抖动特性。（3）抖动转移特性：在不同的调试频率下，系统输入信号的抖动值和输出信号的抖动值之比（增益）的分布特性。3.4.5 可靠性与可用性生活经验告诉我们，只有既具备良好的技术性能，又经久耐用、充分可靠的产品才能算真正质量好的产品。这通常要用产品可靠性与可用性来加以衡量。对于数字电视有线传输系统而言，产品可靠性与可用性包括传输系统的两个终端接口间传输通道上所有的产品的可靠性与可用性。所采用的分析方法一般是故障的统计分析法，通过对使用现场的实际调查结果，统计故障次数、记录每两次故障的间隔时间、每次故障的维修时间等，以求出该系统的平均故障间隔时间和平均维修时间。4. dvb系统的system view仿真4.1 system view仿真系统简介system view是一个动态的系统仿真软件，主要用于电路与通信系统的设计、仿真，能满足复杂通信系统不同层次的设计与仿真的要求。system view以模块化和交互式的界面，在大家熟悉的windows窗口环境下，为用户提供了一个嵌入式的分析引擎。使用system view你只需要关心项目的设计思想和过程，而不必花费大量的时间去编程建立系统仿真模型。system view带有dvb专业库，包括一整套在进行dvb系统设计和仿真时可能用到的辅助工具。利用它，可以很方便的完成对基于欧洲电信标准ets30o 744下的各种dvb系统的仿真。它提供了一整套完整的模块，可以分别对系统中各个层次上信号的产生及解调进行仿真。另外也提供了可以代表整个调制器或解调器的单个模块。通过对调制方式、调制模式参数、帧结构类型等各项参数进行灵活合理的设置，就可以对各种模式的dvb系统进行仿真和分析。有线数字电视系统主要由同步取反和随机化、rs编译码、卷积交织编译码、差分编译码、qam调制解调等组成，本文利用system view对组成部分的qam、rs编译码、交织编译码进行仿真。4.2 qam调制解调模块的仿真qma调制解调器是dvb-c系统的重要组成部分之一，其结构框图如图4-1所示。低通2-n电 平转 换串 并变 换串/并转 换 i coswct载 波提 取 二进制 二进制 sinwct 输入 q 输出2-n电平转 换低通 图 qam调制解调系统组成图中n表示转换的电平数，为了实现不同的mqam调制方式，对于16qma，32qam，64qa