数字电视-6.ppt

,数字电视原理,主讲人：赵艳杰,西安电子科技大学出版社,内蒙古大学电子信息工程学院,6.1数字电视传输系统6.2能量扩散、纠错编码、数据交织和解交织、格状编码（TCM）6.3美国ATSC数字电视系统6.4DVB数字视频广播系统6.5ISDB-T数字电视系统6.6我国DMB-T标准,第6章数字电视传输和数字视频广播系统,6.1数字电视传输系统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系统范筹，遵循数字通信系统的一般规律。一.数字通信系统数字通信系统的组成如图6.1.1所示。整个通信系统包括信源部分、信道部分和信宿部分。信源部分主要由信源编码组成，信道部分主要由信道编码、传输线路(也简称信道)、信道解码组成，信宿部分主要由信源解码组成。在数字电视传输系统中，信源部分又可细分为数字视频信源压缩编码、数字音频信源压缩编码、数据编码、节目流多路复用、传输流多路复用等，如图6.1.2所示。,图6.1.1数字通信系统的组成,图6.1-1数字电视广播系统组成框图,节目流多路复用是将数字视频信源压缩编码、数字音频信源压缩编码、数据编码三种信号复用在一起成为节目流。传输流多路复用是将多个节目流复用在一起形成传输流。,图6.1.2信源部分组成框图,信源部分的反过程，如图6.1.3所示。首先将收到的信号进行传输流多路解复用，变成各个节目流，再从节目流中进行多路解复用，分解送出数字视频信号、数字音频信号、数据信号，最后分别进行解压缩，恢复得到原始的视频信号。,图6.1.3信宿部分组成框图,数字电视信号在经频带压缩编码（信源编码）进行数据压缩后，要通过信道传输给接收端。数字视频广播系统的传输信道主要有三种类型：即卫星（Satellite）、有线(Cable)和地面(Terrestrial)信道。这三种信道都需要将基带数字电视信号调制在正弦载波上进行传输。为了节省频率资源。要求调制后的数字电视信号的带宽尽量窄。数字电视信号的带宽：（1）取决于基带电视信号的带宽，（2）取决于调制方式。基带电视信号的频带压缩靠信源编码实现，调制技术决定了数字电视信号的带宽。,对全数字化的HDTV，以目前信源编码所达到的水平。只能将约1.5Gb/s的数据率压缩到20Mb/s，为使其能在带宽为68MHz的模拟电视信道内高质量地传送，必须采取适当的数字调制技术。关于演播室参数和信源编码，由于它们与三种传播媒体没有必然对应的关联性，或者说它们对于不同的传输媒体是通用的。演播室参数主要分SDTV和HDTV两类，信源编码都采用MPEG-2的国际通用标准。数字电视的信道编码：数字电视信号在信道传输中，往往要受到各种干扰和叠加上各种噪声，严重时在接收端会导致“l”，和“0”的错误判决，即产生误码。误码较轻时会引起图像的不稳定，严重时可能使图像根本无法接收。,信源编码后还必须对数字电视信号进行具有差错控制功能的信道编码，才能在信道中传输，以确保传输的可靠性。数字电视中的差错控制采用前向纠错(FEC)方式，在这种方式中，接收端能够根据所接收到的码元自动检知错误和纠正错误。信道编码主要包括：能量扩散、纠错编码(循环码、卷积码)、数据交织和解交织、格状编码(TCM)。数字调制技术：包括：相移键控（PSK）、正交幅度调制（QAM）、格形编码调制（TCM）、正交频分复用(OFDM）以及残留边带调制（VSB）调制方式的选择应与信道的特点相匹配。,传输线路包括：卫星、微波、光纤、同轴电缆、电话线和地面广播等。为了提高通信的可靠性，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，信道部分又被细分为外信道和内信道，如图6.1.4所示。,图6.1.4信道部分详图,发送端：外信道包括外码能量扩散、外码R-S纠错编码、外码数据交织；接收端：外信道包括外码数据解交织、外码R-S纠错解码、外码解能量扩散等。内信道：包括内码卷积交织、内码卷积编码、内码数字调制；接收端：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。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码调。内信道格状编码的一种是卷积编码(卷积编码的编码方法可以用卷积运算形式表达)，经过卷积编码后，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，比起逐个信号判决解码性能要好得多。,数字电视可以通过数字卫星、数字微波、数字光纤网、数字有线电视网进行传输，也可以通过地面广播方式进行传输。传输方式不同，传输前对数字电视信号的处理方式也有所差异。本节主要分析各种不同的传输方式中信号处理的方法。二.数字电视卫星传输系统数字电视卫星传输系统发射侧电路框图如图6.1.5(a)所示。它包括数字视频编码、数字音频编码、数据编码、节目流多路复用、传输流多路复用、能量扩散、外码R-S纠错编码、内码卷积交织、内码卷积编码、基带整形、QPSK调制等。经QPSK调制后的中频(IF)信号再经频谱搬移到射频上，经卫星天线发射到卫星上。,图6.1.5数字电视卫星传输系统(a)发射侧电路框图;,接收侧电路框图如图6.1.5(b)所示，它是发射侧的反过程。,图6.1.5数字电视卫星传输系统(b)接收侧电路框图,卫星系统既可以是一个单载波系统又可以是多载波系统。数字电视卫星传输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。如果我们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、音频以及数据被放入固定长度打包的MPEG-2传输流中，然后进行信道处理。在卫星系统中，信道处理过程如下：(1)进行同步字节的倒相，倒相字节的长度为每隔8个同步字节进行一次。(2)进行数据的能量扩散(数据随机化)，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，也叫做外码。R-S编码的加入会使原始数据长度由原来的188字节增加到204字节(见DVB标准)。(4)进行数据交织。,(5)加入卷积码(格状编码)纠错，也称内码。内码的数量可以根据信号的传输环境进行调节。(6)对数据流进行QPSK调制，见图6.1.5。为了达到最大的功率利用率又不使频谱利用率有很大的降低，卫星系统最好采用QPSK调制并使用卷积码(格状编码)和R-S级联纠错的方式。在接收端，内码输入端有很大的误码率，但经内码校正输出更低的误码率，这一误码率相当于外码输出近似无误码。传输系统首先对突发的误码进行离散化，然后加入R-S外纠错码保护，内码纠错码(格状编码)可以根据发射功率、天线尺寸以及码流率进行调节变化。例如，一个36MHz带宽的卫星转发器采用的卷积码(格状编码)可以达到的码流率是39Mb/s，这一码流率可以传送5或6路高质量电视信号。,三.数字电视有线传输系统数字电视有线传输系统发射侧电路框图如图6.1.6(a)所示。为了使各种传输方式尽可能兼容，除信道调制外的大部分处理均与卫星中的处理相同，也即有相同的能量扩散(伪随机序列扰码)、相同的R-S纠错、相同的卷积交织，随后进行的处理是专门用于电缆电视的。首先进行字节(Byte)到符号的映射，如64QAM是将8比特数据转换成6比特为一组符号，然后前2比特进行差分编码再与剩余的4比特转换成相应星座图中的点。该方案可以适应16QAM、32QAM、64QAM三种调制方式。,图6.1.6数字电视有线传输系统(a)发射侧电路框图,图6.1.6数字电视有线传输系统(b)接收侧电路框图,有线网络系统的核心与卫星系统的相同，但数字调制系统是以正交幅度调制(QAM)而不是以QPSK为基础的，而且可不需要内码(格状编码)编码。该系统采用64QAM，也能够使用16QAM和32QAM。在每一种情况下，在系统的数据容量和数据的可靠性之间进行折衷。更多电平的调制，例如128QAM和256QAM，也是可能的，但它们的使用取决于有线网络的容量和解码器的性能。如果使用64QAM，那么8MHz频道能够容纳38.5Mb/s的有效载荷容量。接收侧电路框图如图6.1.6(b)所示，它是发射侧的反过程。,四.数字电视地面广播传输系统1.COFDM调制方案对于欧洲数字电视地面广播传输系统，信源仍然采用MPEG-2数字音频、视频压缩编码。其它特点是，采用编码正交频分多路调制(COFDM)方式，它是由内码编码(Code)和正交频分多路调制(OFDM)相组合起来的一种数字调制方式，称做编码正交频分多路调制(COFDM)方式。这种调制方式又可以分成2K载波方式和8K载波方式。COFDM调制方式将信息分布到许多个载波上面，这种技术曾经成功地运用到了数字音、视频广播DAB上面，用来避免传输环境造成的多径反射效应，其代价是引入了传输“保护间隔”。这些“保护间隔”会占用一部分带宽，通常COFDM的载波数量越多，对于给定的最大反射延时时间，传输容量损失越小。,COFDM中各字母的具体技术含义如下：(1)C为编码Code的英文缩写。为了修正传输中可能出现的差错，信源编码输出的比特流通常要加入冗余进行差错保护，即进行纠错编码。例如，可采用编码率可变的卷积编码可删除型卷积编码，以适应不同重要性的数据的保护要求。(2)OFD为正交频分。使用大量的载波(即副载波)以代替通常用于传送一套节目的单个载波。这些副载波有相等的频率间隔，所有副载波的频率都是一个基本振荡频率的整数倍，在频谱关系上是彼此正交的。这些副载波尽管靠得很近，且有部分频谱重叠，但它们携带的信息仍然可以彼此分离。要传送的信息(信源比特流)，按照一定规则被分割后，分配在这些副载波上，每一个副载波可采用四相差分相移键控(4DPSK)方法调制。,(3)M为复用。COFDM是一种宽带传输方式，传输的信息不再是单一的节目，而是许多套节目相互交织地分布在上述大量副载波上，形成一个频率块。由于COFDM调制方式的抗多径反射功能，它可以潜在地允许在单频网中相邻网络的电磁覆盖重叠，在重叠的区域内可以将来自两个发射塔的电磁波看成是一个发射塔的电磁波与其自身反射波的叠加。但是如果两个发射塔相距较远，发自两塔的电磁波的时间延迟比较长，系统就需要较大的保护间隔。由该种数字调制方式组成的数字电视传输系统如图6.1.7所示。发射侧电路由节目流多路复用、传输流多路复用、能量扩散、外码R-S纠错编码、外码交织、内码卷积交织、内码卷积编码、OFDM调制和射频输出等部分组成。,图6.1.7带有正交频分多路数字调制的数字电视传输系统(a)发射侧电路框图,从前向纠错码来看，由于传输环境的复杂性，COFDM数字电视传输系统不仅包含了内、外码纠错编码，而且加入了内、外码交织，见图6.1.7(a)。,图6.1.7带有正交频分多路数字调制的数字电视传输系统(b)接收侧电路框图,接收部分是它的反过程，见图6.1.7(b)。,2.残留边带(VSB)调制方案1994年美国大联盟HDTV方案传输部分采用残留边带(VSB)进行高速数字调制，该地面广播收、发系统如图6.1.8所示。对于发射机部分，图像、伴音的打包数据先送入R-S编码器，再经数据交织、格状编码、多路复用(数字视/音频数据、段同步、行同步复用)，再插入导频信号。插入导频信号的目的是便于接收端恢复载波时钟。然后进行残留边带(VSB)调制，最后送往发射机，发射机输出射频。接收机部分是它的反过程。,图6.1.8残留边带(VSB)调制数字电视传输系统(a)发射机部分;,图6.1.8残留边带(VSB)调制数字电视传输系统(b)接收机部分,数字视频广播系统：数字电视的广播方式根据信号传输媒体的不同而有卫星广播、有线广播和地面广播之分。卫星广播在世界上已普遍应用，我国也是这样。地面开路广播通道的传输媒体的传输特性与卫星和有线的相比较有较大的不同，随之影响到其信道编码和高频调制的信号处理要求。由于对地面广播数字电视的性能要求方面各国有不同的侧重考虑，这又影响到信道编码和高频调制的信号处理方式。现在，国际上对此有三种制式，即：美国的ATSC制式、欧洲的DVB-T制式和日本的ISDB-T制式。前两种制式于20世纪末已分别在美国和英国实际应用，取得相当效果，日本的制式预定于21世纪初开播。至于我国，也在努力开发有自主知识产权的全数字地面广播制式。,数字电视发展大致分为三个阶段：第一阶段：电视设备数字化阶段，20世纪70年代；第二阶段：全功能数字电视演播室阶段，20世纪80年代；第三阶段：数字视频电视演播室阶段，20世纪90年代中期；1.美国的ATSC88年兼容、90年取消、GA的HDTV、96年通过ATSC标准，98年试播。2.欧洲的DVB93年确立，94年通过DVB-S、DVB-C标准、96年通过DVB-T标准。3.日本的ISDB-T99年提出地面数字电视广播标准。,6.2美国ATSC数字电视系统美国的ATSC数字电视标准是为其国内的全数字化HDTV地面广播研究开发的一种标准，1988年由FCC(美国联邦通信委员会)提出设想，历经多年，于1996年正式批准为系统标准，名称为“ATSC数字电视标准”。标准扩展了ATSC的适用范围，使其不仅应用于HDTV高清晰度电视中，也包括了SDTV标准清晰度电视和计算机图形格式等的参数规范。ATSC是美国“先进电视制式委员会”组织机构的名称缩写，它制定的包括SDTV和HDTV的标准也可以并称为ATV(先进电视)或DTV(数字电视)的地面广播标准。实际上，ATSC标准中容许18种图像源格式的存在。,一.ATSC的图像源格式ATSC标准中规定了可以采用的18种数字图像源格式，包括一帧图像的像素数和扫描方式。对于HDTV图像源来讲，主要有两种格式：1080行，每行1920像素，图像速率（指帧频或场频）60Hz（隔行扫描）、30Hz或24Hz（逐行扫描）；720行，每行1280像素，图像速率60Hz、30Hz或24Hz（逐行扫描）。两种格式的幅型均为169，均为方像素格式。对于SDTV图像源来讲，主要有两种格式：704480；169或43；图像速率（指帧频或场频）60Hz（隔行扫描）、30Hz或24Hz（逐行扫描）；640480，43；图像速率60Hz、30Hz或24Hz（逐行扫描）。,二.ATSC的系统复用ATSC的信道编码器其输入是传送流(TS)数据，TS流形成过程如图6.2.11所示，从左到右分为应用层、压缩层、传送层和传输层4层，传送层的输出即为传送流TS。,图6.2.1传送流TS的形成,应用层：是演播室内根据规定的视音频标准原始产生的、未压缩的视音频数据流，例如视频是SDI或HD-SDI数据流，音频是立体声或环绕声的数据流ADI。压缩层：根据规定的信源编码标准将输入的数据流予以码率压缩，产生出视频基本流(VES)和音频基本流(AES)。视频基本流由像块、宏块、像条、图像(帧)、GOP(图像组)和序列等6个层次构成。传送层：ES打包，形成打包基本流(PES)，并实现视音频PES的复用，组成复用的节目流(PSMUX)、传送流(TSMUX)。传输层：包含信道编码和载波调制，其输出是调制在中频上的数字已调波，馈送至上变频器，经高功放级后由天线发射。,三.ATSC信道编码与调制系统美国数字电视ATSC标准地面广播选用的是VSB调制，地面广播模式是追求最大的服务区，在一个6MHz信道中支持一路ATV信号(即一路高清晰度电视信号HDTV)。ATSC信道编码与调制流程框图如图6.2.2所示，下面分步骤予以说明。经MPEG-2压缩编码后的数字视、音频信号输入到数据随机化器。1.数据随机化数据随机化的目的：是打碎TS流包中可能出现的长“1”、长“0”，避免信号在低频段频谱上有大的能量，不适应信道的传输特性。数据随机化可起两个作用：（1）可对信号进行加密；（2）第二，进行能量扩散。,图6.2.2ATSC信道编码与调制框图(a)发射机电路框图,图6.6.2VSB接收机框图(b)接收机电路框图,2.RS编码RS编码即里德索罗门编码，它是以字节为单位进行前向误码校正(FEC)的纠错编码方法，具有强的随机误码和突发误码校正能力。R-S编码器采用的是(188，208)格式，即188B有用数据(其中包括1B同步)，20B附加字节，可纠正10B错误。3数据交织RS编码之后是数据交织，数据交织是在不附加纠错码字的前提下用改变数据码字(以比特或字节为单元)传输顺序的方法来提高接收端去交织解码时的抗突发误码能力。传输过程中引入的突发误码(连续的若干比特或若干字节的误码)，经去交织解码而恢复成原顺序时将分散开，使后面的RS解码更有能力予以纠正。,数据交织也称数据交织编码，交织编码是通过交织与解交织将一个有记忆的突发差错信道改造为基本上是无记忆的随机独立差错的信道，然后再用纠随机独立差错的码来纠错。交织可分为块交织和卷积交织。交织器就是使数据顺序随机化，它分为周期交织和伪随机交织两种。信道之中加上交织与解交织，系统的纠错性能可以提高好几个数量级。设分组长度L=MN，即由M列到N行的矩阵构成，其中交织存储器是按列写入按行读出，然后送入信道，进入解交织矩阵存储器，其中解交织矩阵存储器是按行写入按列读出。利用这种行、列倒换，可将突发信道变换为等效的随机独立信道。这类交织器属于分组周期性交织器。,4.格栅编码(TCM)格栅编码是1982年由Ungenboeck提出的，格状编码调制技术(又称码调)将编码和调制技术有机地结合起来。其中内信道编码的一种是卷积编码(格状编码)。经过卷积编码后，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出最似然的路径进行译码，比起逐个信号判决解调性能要好得多。可在不增加信道带宽和不降低信息速率的情况下获得34dB的编码功率增益。,5格栅编码交织器原理上，数据交织器后面的格栅编码器只需要一个。然而，虽然格栅编码器有助于抗白噪声干扰(随机干扰)，但对于脉冲干扰和突发误码其抗御性能并不好。为了改善这方面的性能，以及为了使接收端的格栅解码器电路简化，编码器中采用了12个同样的格栅编码器并行地工作，它们接受经过块交织的、交织深度I=12符号的数据符号。格状编码器采用(2，1，3)格式，即输入1bit信息，输出2bit编好的栅状编码。,6段同步和场同步的加入场同步段有下列作用：(1)给出每个数据场的起始信息；(2)向接收端提供信道特性均衡用的训练序列数据;(3)供接收端实现重影补偿中作测试序列使用；最后12符号供接收机中的梳状滤波器(干扰抑制滤波器)使用;(5)可用于接收信号信噪比的测量；(6)可供接收机中的相位跟踪电路用来使电路复位，并确定跟踪环路参数。,图6.6.3VSB数据帧,图6.6.3表示了用于传送的数据结构。各数据帧包含两个数据场，每场包含313个数据段。每场的第一段是一个单一的同步信号(数据场同步)，还包括用于接收机均衡器的训练序列。余下的312个数据段各载有等效于一个188B传输包加上辅助的前向纠错(FEC)字节的数据。实际上各段的数据是来自若干个传输包，因为数据的交织，各数据段由832个符号组成。前面4个符号以二进制格式传送并提供段同步，这个数据段同步信号也代表188B的MPEG兼容传输包的同步字节。各数据段余下的828个符号承担的数据等效于传输包余下的187B和它辅助的FEC字节。这些828个符号是以8电平信号发送即每个符号3bit。,82832484bit的数据在每个数据段中传送，这和传送有了保护的传输包的要求精确地一致，如下面计算所示：187B(数据)+20RSB(附加位)207B207B8b/B=1656bit2/3格形编码需：(1)精确的符号速率由下式决定：Sr=83262648.4103=10.76106符号/秒(符号速率必须在频率上和传输码率锁相。)(2)发送子系统的每个格状编码符号携带2个信息比特，故总的负荷为：10.76221.52Mb/s,(3)对于8-VSB的发送子系统净负荷比特率为：312/313是计入每场一个数据段的同步字段的开销，828/832是计入每个数据字段中数据字段同步4个符号间隔的开销，187/207是计入每个数据字段中R-S码FEC的20B的开销。7.导频的加入ATSC中高频调制采用8VSB也即8电平残留边带调幅方式，它不同于NTSC中高频调制的VSB残留边带调幅方式。8.上变频器和射频载波偏置8VSB发射机像通常那样采用两级调制方式，第一次将数据信号调制到一个固定中频上，第二次再上变频到所需的电视频道上。,多路复用完成测试信号、段同步、场同步和经格状编码后数据的复用。导频信号插入的目的有利于接收端载频恢复。8-VSB调制器的频谱利用系数可达5.3b/(sHz)。经8-VSB调制器调制后的信号为中频信号(IF)，该信号经射频上行转换器上变频并经功率放大后发射出去。经数字调制后的带宽计算：设加到8-VSB数字调制器输入端的数据速率为：(10.76符号/s)3b/符号=32.28Mb/s调制后的带宽为：我们知道6MHz带宽正是美国原来传一套NTSC模拟电视的带宽，现在可传一路全数字HDTV电视节目。,6.3DVB数字视频广播系统在确定DVB系统演播室参数标准和规定MPGE-2信源编码压缩后，根据卫星、有线、地面三种不同的传输媒体特性制定了DVB-S、DVB-C和DVB-T三个标准。正式的DVB-T标准公布于1996年5月。一.MEPG-2系统标准在DVB中的实施像ATSC系统一样，DVB系统中最先的参数规范是演播室参数标准和信源编码标准。目标是SDTV，其图像格式为：720576/50Hz/21，一帧625行，数字场消隐期24+25=49行，422取样模式，SDI串行接口数据率为270Mb/s。视频信源编码采用MPGE-2中的MPML标准。,二.DVB-S信道编码与调制系统1DVB-S简介DVB-S是1994年12月由ETSI(欧洲电信标准学会)制定标准的。DVB-S系统定义了从MPEG-2复用器输出到卫星传输通道的特性，总体上分成信道编码和高频调制两大部分。系统功能框图如图6.3.1所示，左边部分为MPEG-2信源编码和复用，右边部分为卫星信道适配器，也即是信道编码和高频调制部分。在卫星传输系统中（DVB-S），使用QPSK即四相相移键控调制方式。这种方式的调制度不高，理论值为每符号2bit；适用于发射功率较小的卫星信道、由于其幅度不携带信息，即使接收到电平有失真的微弱信号，仍能从相位变化中恢复原始信号。,图6.3.1DVB-S系统功能框图,2.复用适配和能量扩散输入TS流是188字节的包，其中第一个字节是同步字节(SYNC)。在DVB-S中，对TS流包的处理如图6.3.4所示。,图6.3.4TS流包的加扰和RS编码,3.外码编码外码编码即是RS编码，是在每188字节后加入16字节的RS码(204，188，t=8)，参见图6.3.4(b)。4.外交织为提供抗突发干扰的能力，在RS编码后采用字节为单元的交织，称为字节交织或外交织，交织深度I=12字节。5.卷积内编码内码编码与外码编码相结合，构成了DVB-S中的级联编码，它增强了信道纠错能力，有利于抗御卫星广播信道传输中干扰的影响。内码编码与外码编码相结合，构成了DVB-S中的级联编码，它增强了信道纠错能力，有利于抗御卫星广播信道传输中干扰的影响。,6.收缩卷积码和基带成形基带卷积输出X，Y输入至收缩卷积码电路，实现2/3或3/4等编码效率，而后再使该串行序列经串/并变换电路形成I，Q两路并行输出。7.误码性能要求卫星接收端有确定的误码性能要求，以确保接收信号质量。在传输信道中，对于出现的相加性白高斯噪声(AWGN)引起的信号质量下降，通常以Eb/N0进行衡量。8.可用比特率与转换器带宽的关系一个卫星转发器能以QPSK调制方式传输的可用比特率值，除了决定于可选用的不同值的内码编码率外，更加决定于卫星转发器本身的带宽。,MPSK的频谱利用率为log2Mb/(sHz)。M4时，即QPSK的频谱利用率为2b/(sHz)。由上面所述可以看出，DVB-S的特点在于卫星信道的带宽大(24MHz)，但转发器的辐射功率不高(十几瓦至一百多瓦)，传输信道质量不够高(传输路径远，特别是易于受雨衰影响)。因此，为保证接收可靠而采用了调制效率较低、抗干扰能力强的QPSK调制。三.DVB-C信道编码与调制系统1.DVB-C简介DVB-C系统定义了有线数字电视广播系统的功能块组成，它使MPEG-2基带数字电视信号与有线信道特性相匹配。DVB-C的欧洲标准是由ETSI(欧洲电信标准学会)于1994年12月制定的。,2.DVB-C信道编码与DVB-S的共通部分由图6.3.5可见，发送端框图中的前4个方框是与DVB-S一样的。数字有线电视采用与卫星同样的MPEG-2压缩编码的传输流。由于传输媒介采用的是同轴线，与卫星传输相比外界干扰小，信号强度相对高些，所以前向纠错码保护中可以取消内码编码。3.字节到m位符号变换DVB-C中，符号交织(交织深度I=12字节)之后没有级联的卷积编码，也即只有外编码而无内编码，原因在于有线信道质量较好，不必将FEC做得复杂化。,图6.3.5DVB-C(a)前端框图,图6.3.5(b)DVB-C接收端框图,图6.3.6字节到m符号变换框图,图6.3.6a卷积格雷码QPSK调制,4.基带成形如图6.3.6所示，在符号变换和差分编码(IkQk)之后是基带成形，采用升余弦平方根滤波函数，滚降系数0.15。可见，由于有线信道质量好，因此值较小(DVB-S中=0.35)，这有利于带宽利用率的提高。5.调制传输前面已述及，DVB-C的调制方式为MQAM，可以是16，32，64，128和256QAM，典型值是64QAM。QAM(正交幅度调制)是一种节省频带的数字调幅方法，在2400b/s以上的中、高速调制中常被采用，广泛应用于有线电视的下行传输及HDTV的地面广播传输中。QAM有较高的频带利用率，同时有较高的信噪比。,在有线传输系统中(DVB-C)，使用TCM-QAM调制方式。这主要是考虑到电缆信道的误码性能较好，信号的发射功率较大，用调制度较高的QAM方式可在高质量接收条件下较大幅度地压缩传输带宽。QAM信号的幅度和相位均携带信息，16QAM的理论值为每符号4bit，在使用64QAM时，一个6MHz的信道能传输27Mb/s的信息。MQAM和MPSK高频调制效率：16QAM调制理论上的频谱利用系数为4b/(sHz)，即16=24。64QAM中，64=26，则它的频谱利用系数为6b/(sHz)；128QAM的频谱利用系数为7b/(sHz)；256QAM的频谱利用系数为8b/(sHz)；而QPSK调制相当于4QAM，所以它的频谱利用系数应为2b/(sHz)。,6.不同M值的MQAM星座图图6.3.7所示的为不同M值的MQAM星座图，它们的实现都基于图6.3.6所示的符号变换框图。7.传输比特率对于QAM调制而言，传输信息量越高，抗干扰能力越低。在一个8MHz标准电视频道内，如果使用64QAM，则所传输的数据速率为38.5Mb/s。DVB-C在CATV网中的应用实例见表7.4.4。根据MQAM的M值和映射频道的带宽，可以计算出一个DVB-C频道能传输的可用比特率Ru值(Mbit/s)和符号率Rs值(Mbaud)，表中的值适合于8MHz的信道带宽。,图6.3.764QAM调制星座图,图6.3.8(a)不同M值的MQAM调制星座图,图6.3.8(b)不同M值的MQAM调制星座图,图6.3.8(c)不同M值的MQAM调制星座图,四.DVB-T信道编码与调制系统DVB-T的信道编码和调制系统框图如图6.3.9所示。输入端是视频、音频和数据等复用的传送流TS，每个TS包由188字节组成，经过一系列信号处理后输出COFDM调制的载波信号。,图6.3.9DVB-T的信道编码和调制系统框图,欧洲DVB标准的COFDM：欧洲DVB-T数字电视开路标准采用了正交频分复用调制(OFDM)。在这种调制方式内，可以分成适用于小范围的单发射机运行的2k载波方式，适用于大范围多发射机的8k载波方式。在进行OFDM之前，往往还采用内码编码(卷积编码)。这样，编码和调制合起来又称为COFDM。COFDM调制方式将信息分布到许多个载波上面，这种技术曾经成功地运用到了数字音、视频广播DAB上面，用来避免传输环境造成的多径反射效应，其代价是引入了传输“保护间隔”。这些“保护间隔”会占用一部分带宽，通常COFDM的载波数量越多，对于给定的最大反射延时时间，传输容量损失就越小。但是总有一个平稳点，增加载波数量会使接收机复杂性增加，破坏相位噪声灵敏度。,1.内交织DVB-T中高频载波采用COFDM(编码正交频分复用)调制方式，在8MHz射频带宽内设置1705(2k模式)或6817(8k模式)个载波，将高码率的数据流相应地分解成2k或8k路低码率的数据流，分别对每个载波进行QPSK，16QAM或64QAM调制。2.映射和星座图COFDM调制中，由每个V比特的符号对每个载波进行相应的调制，V=2时为QPSK调制，V=4时为16QAM调制，V=6时为64QAM调制。3.COFDM调制ATSC的8VSB调制是传统的单载波调制方式，而COFDM是数字通信中时兴的多载波方式，OFDM是正交频分复用的英文缩写，全部载波频率有相等的频率间隔，它们是一个基本振荡频率的整数倍。,4.保护间隔COFDM中，调制每个载波的符号率下降很多，可明显减少已调波频带内的符号间干扰(ISI)。但存在较长延时的反射波信号时，并不能完全消除符号间干扰。5.帧自适应和导频及TPS信号图6.3.9中，在OFDM调制之前有“帧自适应”和“导频及TPS信号”两个信号处理框：(1)帧自适应：帧自适应是指OFDM帧的构成，它是在OFDM符号的基础上组成的。(2)导频：OFDM中对每个载波的调制都是抑制载波的，接收端的解调诸如对于QAM的相干解调是需要基准信号的，在这里称为导频信号，它们在OFDM符号内分布于不同的时间和频率上，具有已知的幅度和相位。,TPS是传输参数信令的英文缩写，用于给出与传输参数也即与信道编码和调制参数有关的信令。(3)超帧内TS包数目定义4个OFDM帧组成一个超帧，在超帧内可以传输整数个204字节的RS码TS包，而无论信道内码编码率和调制模式如何，OFDM超帧内TS包数目也不同。6.DVB-T不同参数的频谱效率要在8MHz内传输一路HDTV信号，合适的参数是64QAM调制，内码编码率2/3和保护间隔1/8，这时的有效码率为22.12Mbit/s。,7.COFDM的射频功率谱射频频道内电视信号的功率谱是衡量例如8MHz高频频带内功率分布均匀情况的重要参数。8.OFDM的频谱利用率由于N个子载波用MQAM调制，MQAM的频谱利用率为log2M，因此，OFDM系统的频谱利用率为：,在OFDM系统中，要想获得较高的频谱利用率，应选择较大的N值，同时应尽可能使滚降系数小一些。,QPSK、MQAM、M-VSB、OFDM小结针对数字电视传输系统中常用的几种数字调制方式的功率谱特性及其频谱利用率进行了数学分析，表7.9.1列出了各种数字调制技术频谱利用率的理论值和实用值。,例7.1.1设HDTV未经压缩时的数码率为663.5Mb/s，经数据压缩后为31.8Mb/s(压缩比为20.81)，又设采用8-VSB数字调制，此时的频谱利用系数为5.3b/(sHz)，则调制后信号的带宽为:这说明在6MHz模拟带宽范围内可传一路数字HDTV信号。,例7.1.2设有MPEG-2主级图像质量(MPML)的信号，其速率为8.448Mb/s(相当于目前演播室的PAL图像质量)，采用64QAM数字调制，频谱利用系数理论值为6b/(sHz),则经调制后信号的带宽为:在500MHz带宽的传输线路中可传输的节目数为,(1)采用不同压缩标准的数字电视信号，在选用同一种调制情况下，调制后信号的带宽不同。例7.1.3设经MPEG-1标准压缩后的数字电视信号速率为2Mb/s，经64QAM调制后(频谱利用系数理论值为6b/(sHz)，信号的带宽为：,例7.1.4设经MPEG-2标准压缩后的数字电视信号速率为8Mb/s，经64QAM调制后(频谱利用系数理论值为6b/(sHz)，信号的带宽为：采用的调制方式相同(64QAM)，但压缩标准不同(MPEG-1、MPEG-2)，调制出来的信号带宽就不同。,(2)同一种速率的数字电视信号，在选用同一种调制但频谱利用系数不同的情况下，调制后信号的带宽就不同。例7.1.5设经MPEG-2标准压缩后的数字电视信号速率为8Mb/s，经8-VSB(频谱利用系数值为5.3b/(sHz)调制后，信号的带宽为：,例7.1.6设数字电视速率仍为8Mb/s，经16-VSB(频谱利用系数值为7.1b/(sHz)调制后,信号的带宽为：采用的调制方式相同(VSB)，但频谱利用系数不同(5.3/(sHz)、7.1b/(sHz)，调制出来的信号的带宽就不同。,(3)同一种速率的数字电视信号，在选用不同的调制方式的情况下，调制后信号的带宽不同。例7.1.7设数字电视速率为8Mb/s，选用QPSK调制(频谱利用系数理论值为2b/(sHz)后，信号的带宽为：,例7.1.8设数字电视速率仍为8Mb/s，选用OFDM-64QAM调制(频谱利用系数理论值为6b/(sHz)后，信号的带宽为：,数字电视信号的速率相同(8Mb/s)，但调制方式不同(QPSK、OFDM-64QAM)，调制出来的信号带宽就不同。,(4)数字电视信号经数字调制后，相当于模拟信号，可以在模拟信道中传输。经压缩后的数字电视信号速率以Mb/s为单位，再经数字调制后信号的单位变成了MHz，MHz单位是惯用的模拟信号带宽单位。所以，可以说数字电视信号经数字调制后，相当于模拟信号，可以在模拟信道中传输。,6.4ISDB-T数字电视系统一.ISDB-T系统概述日本采用的地面传输制式不限于单独传输数字电视(图像和声音)，也包括了独立的声音和数据广播，这几者可以单独存在或任意地组合，构成在带宽6MHz内的一路节目或多路节目。ISDB-T的信源编码中，图像信号也按照MEPG-2压缩标准，其SDTV图像源格式为：720(704)480像素数，采样标准为420模式。声音信号的信源编码采用基于MEPG-4的AAC(高级AC)压缩方式。,图6.4-1ISDB-T的系统框图,1.ISDB-T的传送带宽为了与地面电视广播的原频道规划(每频道6MHz)相适配，ISDB-T中每个频道的传送带宽为：(432kHz134kHz)=5.62MHz或(432kHz131kHz)=5.617MHz。2.传送信号形式ISDB-T中，根据ISO/IEC13818-1(MEPG-2，系统)实施传送信号的复用。每一个物理通道(6MHz)为一个基本TS流(传送流)，其中13个OFDM段可构成具有统一参数值的单一个大块，也可以分为具有不同参数值的几个块层，最多为4个块层。,二.ISDB-T系统传送参数ISDB-T的每432kHz内载波间隔有4kHz与1kHz两种。另外，为了接收端能抗多径干扰，在每个有效符号持续期Tu(1/载波间隔)上增加一个保护间隔持续期，按规定/Tu的取值有4种(1/4，1/8，1/16或1/32)。导频信号：SP（散布导频）和CP（连续导频）是供同步、解调和信道均衡等用而加入的导频信号。TMCC（传输和复用配置控制）是为传输控制信息而加入的导频信号。,表6.4.1一个OFDM段的传送参数值,表6.4.2ISDB-T传送参数值,6.5我国地面数字电视标准DMB-T三大国际标准均诞生于二十世纪90年代，由于当时的条件、使用环境、技术水平和硬件等相关因素，三者各有其局限性。目前我国卫星广播标准已采用DVB-S，有线广播已经事实上采用DVB-C，DTTB标准是仅存的对抗国外标准入侵的阵地。同时，在中国这种地域广大、广播网较复杂的国家，DTTB是使用最广泛的电视广播方式，据估计我国有60%以上的电视机接收地面广播信号。因此，制定中国自己的DTTB标准就更显得意义重大。在国标制定的过程中，清华大学提出了一种新颖的、适合我国国情的地面数字电视技术方案，称为地面数字多媒体电视广播协议DMB-T，其核心采用了时域同步正交频分复用(TDS-OFDM)调制技术和独具特色的与自然时间同步的可寻址多层帧结构。,在2006年8月30日，国家标准化管理委员会正式批准了此标准。此后，DMB-T成为了中国地面数字电视广播传输系统标准GB20600-2006数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制的基础框架。为了兼容我国的PAL制模拟电视频率规划，DMB-T方案也采用8MHz频率带宽，采用OFDM调制方式，以有效对抗DTTB中复杂的多径衰落环境并获得高的频谱利用率。DMB-T传输方案由信道编解码和信道调制等功能模块组成。其中信道编解码模块主要完成多载波调制方式的时域同步正交频分复用调制技术、纠错编码技术、分级复接编码调制技术、扩频同步技术等功能；信道调制模块主要完成信道发射机的数字复接、调制、上变频、功率放大等功能。,图6.5.1我国数字电视地面广播传输系统框图(a)发送端框图,DMB-T传输系统的信道调制部分可分为多载波调制模式和单载波调制模式。DMB-T传输方案的系统发送端完成从输入数据码流到地面数字电视信道传输信号的转换，输入数据码流经过扰码器（随机化）、前向纠错编码（FEC），然后进行从比特流到符号流的星座映射，再进行交织，形成基本数据块。基本数据块与系统信息组合（复用）后，经过帧体数据处理形成帧体。而帧体与相应的帧头（PN序列）复接为信号帧（组帧），然后根据帧地址组帧单元构建与绝对时间日、时、分、秒同步的复帧结构