（通信与信息系统专业论文）数字视频广播传输系统中的信道编码技术.pdf

摘要 本文综述了多媒体通信中的数字视频广播传输系统( d v b ) ，在阐述了该系统 所采用的信道编码技术的基础之上，重点研究了其中的分组码：r s 码和l d p c 码。首先对r s 码的编译码原理进行了研究，给出了r s 编译码器的硬件电路实现 方案，重点分析了如何降低r s 译码器硬件复杂度问题，提出了一个基于m o d m e d e u c l i d e a n 迭代算法的时分复用技术降低硬件复杂度的解决方案，并对m o d i f i e d e u c l i d e a n 算法和b m 算法及e u c l i d e a l l 算法的硬件资源进行了分析比较。其后介 绍了低密度奇偶校验码( l d p c ) 码的历史及其特点，研究了两种l d p c 码的译码 算法：比特翻转( b f ) 译码算法与概率域和积译码算法。最后讲述了l d p c 码在 基于o f d m 的数字视频地面广播中的应用，提出了一种多电平调制下l d p c 码的 译码算法，结合m a = 兀，a b 仿真对该算法的有效性和可行性进行了分析比较。 关键字：数字视频广播信道编码r s 码低密度奇偶校验码 a b s t r a c t t h i sp a p e ri s m a i n l ya b o u t 也ed i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ( d v b ) s y s t e mi n m u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n a f t e ra nm t r o d u c t i o nt ot h ec h a n n e lc o d i n gt e c h n i q u eu s e d i nd v bs y s t e m ，t h i sp a p e rl a y si t se m p h a s i so nt h eb l o c kc o d e ，e g ，r sc o d ca n d l d p cc o d e f i r s t l y ，t 1 1 i sp a p e rd e a l sw i t hr sc o d e sc o d i n g d e c o d i n gp r i n c i p l ea n di t s h a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o n w i ma na i l a l y s i so nh o wt or e d u c e 也eh a r d w a r ec o m p i e x i t y o fr sd e c o d e r ，at d m t e c h n i q u eb a s e do nm o d i f l e de u c l i d e a i li t e r a t i v ea i g o r i t h mi s p r o p o s e d ，m e a n w h i l e ，ac o m p 撕s o ni s m a d et om eh a r d w a r cr e s o u r c e so c c u p i e db y m o d i f i e d e u c l i d e a n ，b ma i l d e u c l i d e a na l g o r i t h m s f i n a l l y t h e h i s t o r y a n d c l l a r a c t e r i s t i co fl o wd e n s i t yp a r i t yc o d i n g ( l d p c ) i sc o v e r e dw l l i c hi n v o i v e st w o d e c o d i n ga i g o r i m l o fl d p cc o d e ，t h a ti s ，b fa r i ds p aa i g o r i t a r e ra d e m o i l s m m o no nt 1 1 ea p p l i c a t i o no fl d p cmd i g i t a l d e ot e r r e s 试a lb r o a d c a s t i n g ( d v b t ) s y s t e mw h i c hi sb a s e do no f d m ，a m u i t i i e v e lm o d u l a t i o nd e c o d i n gm e t h o d o fl d p ci sg i v e n w i m 吐1 eh e l po fm a t l a bs i m u l a t i o nt o o l ，s o m er e s u l t sa r e c o l l e c t e dt 0s t u d ym ef e a s i b i i i t yo f t l l i sa i g o r i m m k e y w o r d s ： d v bc h a n n e lc o d i n gr sc o d el d p c 创新性声明 y8 5 9 0 7 6 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的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中所罗列的内容以外，论文 中不包含其他人已经发表过或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技 大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作过的同志对本 研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：垄叁励日期：丝! ! ：兰：兰 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交的论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的 全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其他的复制手段保存论文。( 保密 的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：盗垒趔堡一 日期：工d d 6 1 吖 导师签名 日期：。2 一彳2 移 第一章绪论 第一章绪论 1 。1 数字视频广播的发展 m p e g 2 音视频压缩标准的制定，极大地促进了数字视频技术的发展。但足， m p e g 2 标准只涉及到了压缩和复用的一般原理，对常规数字电视和高清晰度数 字电视的系统做出了规定。该标准未涉及信道，对于特定的应用并非最优。为了 使数字视频广播系统有一个统一的、明确的框架，并完成m p e g 2 的标准系列， 1 9 9 3 年欧洲成立了d v b 联盟，其耳标是找到一种对所有传输媒体都适用的数字 电视技术和系统，在此系统内各种传输方式之间有最简单的转换方式，并尽可能 地通过增加通用性，保证在技术方面的可行性和竞争力。d v b 联盟成立之后发展 迅速，目前已有3 0 多个国家和地区、2 2 0 多个公司和组织加入了该组织，参与标 准的制定、产品的研究和开发应用。 数字视频广播从1 9 9 3 年兴起到目前短短时间内已从标准化进入商品化、实用 化和产品化阶段，并以惊人的速度发展。数字视频广播系统根据其传输媒体可分 为三类：d v b - s ( 卫星广播) 、d v b c ( 电缆传输) 、d v b t ( 地面传输) 等。 而d v b t 是其中实现技术最复杂的部分，也是各家争夺的焦点。d v b t 和 i s d b - t 采用基于o f d m 的多载波技术，有利于组建单频网( s f n ) ；a t s c t 采 用单载波技术，目前采用d v b t 标准的国家和地区有欧洲各国，澳大利亚，新加 坡等：美国、加拿大、韩国等采用了a t s c 标准；日本采用了自己提出的i s d b t 。 数字电视体制标准的制订是国家的一个重大战略问题，它关系到我国数字电 视产业的生存与发展并影响我国社会实现信息化、数字化进程。经过多年努力， 我国已经系统地掌握了h d t v 的关键技术，在这一领域己经逐步形成了多个具有自 主专利技术的实现方案，时不我待，尽快制定中国数字电视地面传输标准，己成 为加快发展我国数字电视产业的当务之急。 虽然我国数字电视地面广播的标准还在制定当中，上海、北京、湖南、天津、 河南等地都陆续开通了数字电视地面广播的试验，其中除河南采用的是清华 d m b t 方案外，其它基本都是采用欧洲的d v b t 标准。为适应城市中复杂多变的 传播环境，上海和北京等城市采用了d v b t 的单频组网方式，以公交车和出租车 为收视载体送行数字电视接收试验。但是它们的主发射站选用的都是国外设备， 国内自主研发生产的符合d v b - t 标准的单频网调制器还在进行中，因而研究信道 编码技术及其在数字视频广播中的实现，具有很重要的意义。 数字视频广播传输系统中的信道编码技术 1 2 信道编码理论及其发展 根据s l l a l l i i o n 提出的信道编码定理【2 1 ，任意离散输入无记忆平稳信道存在信 道容量c ，它标志着信道传输能力的上限，只要信息传输速率矗 c ，就存在一 种编码方式，当平均码长足够大时，译码错误概率可以做到任意小；反之，则无 论采用何种编码方式也不可能保证错误概率任意小。该定理虽然没有明确指出如 何对数据信息进行纠错编码，也没有给出这种具有纠错能力通信系统的具体实现 方法但它奠定了信道编码的理论基础，从理论上指出了信道编码的努力方向。 自信道编码定理提出以来，如何构造一个逼近信道容量限的实用好码成了众 多研究学者竟相研究的课题，并逐渐形成信息论的一个重要分支一信道编码理论。 纠错码【i 】从构造方法上可以分为分组码( b 1 0 c kc o d e s ) 和卷积码( c o n v o l u t i o m l c o d e s ) 两大部分。在分组码方面，第一个分组码是1 9 5 0 年发现的能纠正单个错 误的h a m m i n g 码；在整个5 0 年代，基于代数理论又发现了多个短码长的分组码， 如1 9 5 4 年g r a y 发现的g r a y 码以及耻e d 和m u l l e r 发现的r m 码，p r a n g e 在1 9 5 7 年发现的循环码等。最有意义的是b o s e 和r a y c h a u d h 嘶在1 9 6 0 年及h 0 c u e n g h c m 在1 9 5 9 年分别独立发现的能纠正多个错误的b c h 码，以及r e e d 和s o l o m o n 在 1 9 6 0 发现的非二进制r s 码。其后发现的分组码主要有1 9 7 0 年的g o p p a 码和1 9 8 2 年发现的代数几何码。在所有这些分组码中，除了g o p p a 码和代数几何码中存在 个别是渐进好码外，其它均不是好码。 卷积码最早由e l i a s 提出，早期被称为树码( t f e ec o d e s ) ，现在称为格图码 ( 1 - r e l l i sc o d e s ) 或卷积码。卷积码具有动态格图结构，可用有限状态机来描述其状 态。由于缺乏有效的理论研究工具，对卷积码的有效研究成果不是很多，目前性 能好的卷积码的构造方法主要借助于计算机搜索来获得。卷积码的译码一般采用 概率译码，由于译码算法的简单、实用和易于实现，卷积码被广泛应用于实际中。 1 9 6 6 年，f o r n e y 将分组码和卷积码结合起来，提出了级联码的概念。级联码 一般采用r s 码作为外码，卷积码作为内码。f o r n c y 的研究表明，级联码在性能 得到较大改善的情况下，其译码复杂度并不显著增加。 1 9 9 3 年t u r b o 【9 l 【1 0 】码的提出被看作是信道编码理论研究的重要里程碑。b e r r d u 等人将卷积码和随机交织器相结合，同时采用软输出迭代译码来逼近最大似然译 码，取得了超乎寻常的优异性能，并一举超越了截止速率，直接逼近s h 籼o n 提 出的信道容量限。t m b o 码是一种信道编码理论界梦寐以求的可实用非常好码， 它的出现标志着信道编码理论研究进入了一个崭新的阶段。1 u b o 码成功的根本 原因在于其实现方案中长码构造的伪随机性，它通过随机交织器对信息序列的伪 随机置换实现了随机编码的思想，从而为s h m o n 随机编码理论的应用研究奠定 第一章绪论 了- 基础。 随着t u r b o 码的深入研究，人们重新发现g a l l a g e r 早在1 9 6 2 年提出的低密度 校验码【5 l 吲( l o wd e l l s i t yp a r i t y c h e c kc o d e s ，简称l d p c 码) 也是一种具有渐进特 性的非常好码，它的译码性能同样可以逼近s h 锄o n 信道容量限。由于l d p c 码 具有在中长码长时超过1 u b o 码的性能，并且具有译码复杂度更低，能够并行译 码及译码错误可检测等特点，成为目前信道编码理论的研究热点。研究表明，t u r b o 码只是l d p c 码的一个特例，两者都是基于图构造的低密度码，译码算法具有等 价性，从而使两者在基于图模型的编译码研究中得到了统一。 到目前为止，纠错码技术已经在实际应用中取得了越来越不可忽视的作用， 我们有理由相信，随着科学的进步和实际的需要，纠错码理论必将进一步发展， 同时，随着超大规模集成器件成本的进一步下降，它的应用范围必将进一步扩大。 1 3 课题研究的意义与目的 在实际的通讯信道中，信号的传输会受到噪声的干扰，从而在接收端不可避 免地会发生错误。要使信号能可靠的传输，即要降低信号传输中的误码率。人们 采用了一系列相关技术来改善噪声信道的接收性能，使接收信息的误码率尽可能 降低。这些技术中，信道的纠错编码及其译码方法处于非常重要的地位。自从1 9 4 8 年香农发表了关于信道容量理论极限的重要论文之后，短短几十年时间里，人们 在信道编码研究领域相继取得了众多理论成果和突破。 信道编码按照对信息元的处理方式不同，可分为线性分组码和卷积码，线性 分组码可以完全用代数方法来严格地表达，它的出现较早而且其译码方法也较为 简单，因此容易被人们所认识，现在有关线性分组码的理论已经相当成熟。卷积 码虽然也早已出现，但由于其编码结构不能较好的用代数方法表示，因此给卷积 码的理论研究带来了一定的困难。但是，单独的线性分组码或卷积码在性能上离 香农理论极限还相差较远。为了进一步提高编码的纠错性能，人们采用了不同的 措施，其中将两个编码进行串行级联是一种有效的方法。级联码一般采用r s 码 作为外码，卷积码作为内码，因此可以同时纠正随机和突发的混合错误。但是这 种形式的级联码，对改善单个码元的误码率仍没有太大帮助。如何对现有的编码 方法进行改进，从而更加逼近香农理论极限，已经成为国际通信学界的重大课题。 本论文所要研究的是应用在数字视频广播中的两种分组码：r s 码和l d p c 码。r s 码具有很强的抗突发误码的能力，因此被广泛应用于各种通信领域。r s 码的编译码理论已经成熟，但是如何用尽可能少的硬件资源来实现r s 码译码器 仍是现在研究的一个热点。 最近几年，由于l d p c 码是一种性能接近香农限的渐进好码，且有描述简单、 数字视频广播传输系统中的信道编码技术 灵活性高、错误平层低、译码复杂度低于t u r b o 码、可并行译码、中长码长性能 超过1 u b o 码等优点，使人们重新发现l d p c 码的优异性能及其在信息可靠传输 中的良好应用前景。已引起世界各国学术界和i t 业界的高度重视，成为当今信道 编码领域最瞩目的研究热点。本文介绍了l d p c 码的性能及其编译码原理。并研 究了u ) p c 码在o f d m 系统中的应用，以期得到性能更大的改善，是对前一部分 的发展和应用。 1 4 本文主要研究工作及内容安排 本文研究数字视频广播中的信道编码技术，主要围绕分组码r s 码和l d p c 码进行。首先我们对r s 码的编译码原理进行了研究，给出了r s 编译码器的硬件 电路实现方案，重点对如何降低r s 译码器硬件复杂度问题进行了分析，提出了 一个基于m o d i & de i i d e a n 迭代算法的对分复用技术降低硬件复杂度酌解决方 案，并对m o d i f i e de u c l i d e a i l 迭代算法和b m 算法以及e u c l i d e a l l 算法的硬件资源 进行了分析比较。由仿真结果可知：本方案可以有效地降低r s 译码器她硬件复 杂度然后介绍了低密度奇偶校验码( l d p c ) 码的历史和特点。详细描述了两种 l d p c 码的译码算法：比特翻转( b f ) 译码算法与檄率域和积译码算法。最后研究 了l d p c 码在基于正交频分复用( 0 f d m ) 的数字视频地面广播中的应用，提出了 一种多电平调制下l d p c 码的译码算法，结合m a t l a b 仿真对该算法的有效性 和可行性进行了分析和比较。 论文总共分为六章，结构安 如下： 第二章对数字视频广播d v b 标准进行简单介绍，并对其中的信道编码技术 进行阐述： 第三章介绍了r s 码编译码的基本原理，主要研究了三种译码算法，并对这 些译码算法的运算复杂度进行分析和比较： 第四章给出了r s 编译码器的硬件电路实现方案，重点对如何降低r s 译码器 硬件复杂度问题进行了分析，提出了一个基于m o d m e de u c l i d e a l l 迭代算法的时分 复用技术降低硬件复杂度的解决方案，并分析了应用m o d i f l e de u c l i d 迭代算法对 译码器硬件资源的改善情况： 第五章重点讨论了性能优异的l d p c 码，介绍了l d p c 码的性能及其编译码 原理，研究了低密度奇偶校验码( l d p c 码) 与正交频分复用( 0 f d m ) 技术的 结合，并通过m a t l a b 仿真分析了l d p c 码应用于数字视频地面广播传输系统 中的性能。 第六章总结全文内容，提出了本课题有待于迸一步深入研究的问题。 第二章数字视频广播传播系统 第二章数字视频广播传输系统 d v b ( d i g i 诅l d e ob m a d c a s t i n g ) 意为数字视频广播。d v b 是欧洲有1 7 0 多个 组织参加的一个项目。它包括了卫星、电缆电视和地面广播。d v b 项目的主要目 标是要找到一种对所有传输媒体都适用的数字电视技术和系统，对它的要求是： ( 1 ) 系统应能灵活传送m p e g 一2 视频，音频和其他数据信号。 ( 2 ) 系统使用统一的m p e g 2 传送比特流复用。 ( 3 ) 系统使用统一的服务信息系统提供广播节目的细节等信息。 ( 4 ) 系统使用统一的一级r s 前向纠错系统。 ( 5 ) 使用统一的加扰系统，但可有不同的加密。 ( 6 ) 选择适于不同传输媒体的调制方法和信道编码方法。 ( 7 ) 鼓励欧、洲以外地区使用d v b 标准，推动建立世界范田的数字视频广播标 准。这一目标得到了i t u 卫星广播的支持。 ( 8 ) 支持数字系统中的图文电视系统。 d v b 是一个系列标准，各标准在视频音频编码方案和系统复接方案上是一致 的，都符合m p e g - 2 标准，区别主要在于传输系统采用不同的方案，分别适用于 不同的传输媒介和应用环境。其中主要的有三个：d v b s 、d v b c 和d v b t ， 分别用于卫星、电缆电视和地面广播，且得到e t s i ( e u r o p e a l lt e i e c o m m u n i c a t i o n s t a l l d a r d1 1 l s t h t e ) 的批准。 2 1d v b 传输标准 在d v b 的广播信道中，卫星广播、有线广播和地面广播是三类最主要的形 式，【园此d v b s 、d v b c 和d v b t 是应用最为广泛的传输系统，下面我们就介 绍d v b s 、d v b c 和d v b t 三种标准的传输系统，重点介绍其中所采用的信道 编码技术。 2 1 1d v b s 标准 d v b s 标准【1 6 】采用1 1 1 2 g h z 卫星频段进行传输，主要用于固定卫星服务 ( f s s ) 和广播卫星服务( b s s ) ，卫星转发器带宽可以从2 6 m h z 到7 2 m h z ，转发器 功率从4 9 d b w 到6 1 d b w 。系统可以对用户化的i r d ( i n t e g r a t e d r e c e i v e r d e c o d c r ) 、 集中天线系统s m a t v ( s a t e l l i t em a s t e ra n t e m l at e l e v i s i o n ) 、有线电视前端站提供 数字视频广播传输系统中的信道编码技术 d t h ( d i r e c tt oh o m e ) 服务。系统所提供的所有服务都是基于单载波的时分复用 ( t d m ) 。 图2 1d v b - s 传输系统框图 ( a ) 调制端框图( b ) 解调端框图 d v b s 传输系统调制端和解调端的功能模块如图2 1 所示。发送端将输入的 视频信号、音频信号、数据按m p e g 2 格式编码，再经节目复用和传送复用形成 有用的数据包格式，包长为1 8 8 b y t e s 。然后此数据码流经过多项处理，其目的是 用来增加信号对误码的抵抗能力并使其适应信道传输特性。这些处理包括：使用 伪随机序列使数据随机化：用r s 编码、卷积交织、卷积编码这种级联编码技术 以提高对误码的抵抗能力；通过截短、映射将编码后的数据映射到q p s k 星座上： 经过基带波形形成，进行q p s k 调制i 最后经过中频调制为i f 信号。 接收端对应着发射端有一个相应的逆过程。中频接口q p s k 解调单元对接收 的信号进行积分相干解调和d a 转换，为t e r b i 解码提供i 、q 的软判决信息。 匹配滤波器根据滚降因子d 补偿发端由于平方根升余弦滤波而引起的波形变换。 载波时钟恢复单元用于解调端的同步。然后进入对应于发端编码的解码过程： v i t e r b i 译码、r s 码同步、解卷积交织、r s 译码、解扰、最后得到原始的t s 码 流。 2 1 2d ，b c 标准 d v b c 传输系纠1 5 悃于通过有线电视系统传送多路数字电视节目，它可与卫 第二章数字视频广播传播系统 星电视系统相适配。d l v b c 传输系统基于前向纠错编码( f e c ) 技术和o a m 调 制技术，可保证传输业务的可靠性。d v b c 传输系统的结构如图2 2 所示。可以 看出，d v b - c 传输系统的结构与d v b s 传输系统有一定的相似之处。在基带物 理接口与同步、同步反转与数据扰乱、传输数据帧格式、r s 编码、卷积交织等环 节上与d v b - s 系统完全相同。 由于有线电视传输信道的途径较短，信号衰减较卫星系统的小，且受到的外 界干扰也较小，因此d v b c 系统中的误码要较d v b s 系统中的轻。为此，d v b c 系统中只采用了一级纠错编码和一次交织。纠错编码采用r s 码，交织采用卷积 交织，其方案与d v b s 系统中的完全相同。 载波、时钟利同步恢复 图2 2 有线前端与接收的原理框图 2 1 3d v b t 标准 d v b t 系统1 1 4 j 是欧洲数字电视广播( d v b ) 开发的一系列标准中的数字地面 电视广播系统标准，在该系列标准中d v b t 是最复杂的d v b 系统。使用m p e g 一2 传输流，里德索罗门( r s ) 前向纠错编码，同时采用c o f d m 调制方式，把传输 比特分割、调制到几千个低比特率负载波上，有2 k 模式( 1 7 0 5 个载波) 和8 k 模式( 6 8 1 7 个载波) 两种。“2 k ”模式适用于单个发射机操作和有一定距离限制的 小型单频网：“8 k 模式也可适用于单个发射机操作以及大小单频网( s f n ) ，“2 k ” 与“8 k ”系统兼容。欧洲的d v b 。tc o f d m 传输系统如图2 3 。 d v b t 系统也采用级联编码技术，外码为r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ) ，内码为卷积编码 ( 码率为1 2 ，2 3 ，3 4 ，5 6 ，7 8 ) ，外交积器为深度i = 5 1 的5 l 5 0 卷积交织， 数字视频广播传输系统中的信道编码技术 内交织为比特符号交织，有利于对付加性噪声、脉冲干扰及频率选择性衰落。在 传输系统中使用了扰码方法对输入信号进行随机化，有利于信号的正确接收。在 调制信号中加入各种导频信号，有利于进行接收机中的定时载波恢复和信道响应 估计，有利于实现移动接收和对付动态多径，也有利于接收机得到关于调制参数 的配置信息。 d v b - t 传输系统的结构与d v b - s 传输系统有一定的相似之处。在基带物理 接口与同步、同步反转与数据扰乱、传输数据帧格式、r s 编码、卷积交织、内编 码等环节上与d v b s 系统完全相同。所不同的是d v b t 传输系统采用o f d m 调 制技术。 主i 厂l ；i 矾 玎卜厂蕊 ( a ) 卷积 编码 卷积 编码 of d m ( i ff t ) 去 复 用 比 特 变 织 ( b ) 图2 3数字电视地面广播c o f d m 传输系统框图 ( a ) 发送端框图 ( b ) 接收端框图 2 2 数字视频广播采用的主要技术 数字视频广播中采用的主要技术【1 7 l 包括信道编解码技术、数字调制解调技 符号交飒 型| | | | 一 一 t 加扰= 加扰一 一正交调制 倌潭击复用一 一悼放k 第二章数字视频广播传播系统 术、抗干扰技术和信道均衡技术等。这些技术的使用决定了数字视频广播传输系 统的性能。以下就上述各项技术逐一介绍。 2 2 1 信道编码 纠错编码主要有三种类型：前向纠错( f e c ) 、检错重发( a r q ) 和混合纠错 ( h e c ) 。后两种类型用于双向通信系统中，d v b 属于单向的广播，因此d v b 系统中采用的是f e c 。为了提高系统对误码的抵抗能力，d v b 系统中同时使用了 分组码和卷积码，采用的是内、外两层串行级联编码，中间为卷积交织的方案。 由信道编码理论可知，随着码长的增加，译码错误概率以指数方式趋近于零。因 此要提高纠错码性能，就必须使用长码。但码长增加，码率会相应下降，译码设 备复杂性与计算量也相应增加以致难以实现。级联码就是针对这个问题出现的， 它将编码过程分为前后串行两级完成，可以得到与长码相同的纠错能力和高的编 码增益，而且不增加编译码复杂度。利用级联码，通过合理的构造方法可以构造 出渐近好码，达到信道编码定理给出的码限，所以系统中使用串行级联编码。 d v b 系统中的外层纠错编码采用的就是分组码中的r s 码，这是本论文工作 的一个重要方面，将在第三章和第四章详细描述。内码使用的是卷积码，卷积码 的解码算法有很多种，但性能较好的是t e r b i 算法，因此目前实际工程中大都采 用这种算法。 2 2 2 数字调制技术 为了使数字信号在带通信道中传输，必须对数字信号进行载波调制。数字调 制可用星座图来描述，星座图中定义了一种调制技术的两个基本参数：( i ) 信号分 布；( 2 ) 与调制数字比特之间的映射关系。调制技术的可靠性可由相邻星座点之间 的最小距离来衡量，最小距离越大，抵抗噪声等干扰的能力越强，当然前提是信 号的平均功率相同。当噪声等干扰的幅度小于最小距离的1 2 时解调器不会错 判，即不会发生传输误码；当噪声等干扰的幅度大于最小距离的l 2 时，将发生 传输误码。 在d v b 系统中采用的调制技术是q p s k 和q a m 。 q p s k 是一种调相技术，它规定了四种载波相位，分别为4 5 4 、1 3 5 。、2 2 5 。和 2 7 5 。，其星座图如图2 4 所示。q p s k 中每次调制可传输2 个信息比特，这些信 息比特是通过载波的四种相位来传递的。解调器根据星座图及接收到的载波信号 的相位来判断发送端发送的信息比特。q p s k 是一种恒包络调制，它的信号的平 均功率是恒定的，因此不受幅度衰减的影响，也就是说幅度上的失真不会使0 p s k 数字视频广播传输系统中的信道编码技术 产生误码。 i m ( z ) y 1 q r e ( z ) y o q 幽2 4q p s k 星座图 q a m 是幅度、相位联合调制的技术，它同时利用了载波的幅度和相位来传 递信息比特，因此在最小距离相同的条件下，q a m 星座图中可以容纳更多的星 座点，即可实现更高的频带利用率，目前q a m 星座点最高已可达2 5 6 q a m 。我 们以6 4 q a m 为例来说明q a m 的特性，6 4 q a m 星座图见图2 5 。 “q a m 中规定了6 4 种载波幅度和相位的组合。6 4 q a m 中每次调制可传输6 个信息比特，这些信息比特是通过载波的6 4 种幅度和相位组合来传递的。解调器 根据星座图及接收到的载波信号的幅度和相位来判断发送端发送的信息比特。 与p s k 调制相比，q a m 可传送更多的信息，频带利用率较高：但q a m 会 受到载波幅度失真的影响，其可靠性不如p s k 。 zyj qy 4 - y 5 。矗。：。盎。赢1 0 1 0 5 l ll 1 0 1 0 l l l o i ll 0 i l 洲l - 3 l 1 0 l ml l “l it 0 i l o l0 l l “啪1 0 l 1 i o1 0 l l l oi 口l i 1 j o l”l oo 唧l o ”掣 七一5南二l ，：； 7 ， 0 1 1 l l l l 。o l o i l 0o l o l i i 口l j i o l l oi 【i l l o1 1 l l ，：k- i i o l o ll i o l l i1 1 1 i l ln l i o lo l i l l i l 【l0 1 0 i l l0 l o i o i ，5 - l l d l o l】i l 】1 1 1 0 l ii l l l0 i l ln 0 i 1 10 ，7 - l l 1 0i l l 0 1 0l o 0j l d l i 图2 56 4 q a m 星座图 2 2 3 抗干扰技术 数字视频广播传输系统的结构完全是由广播信道的特性决定的。例如由于信 道的频带有限，需要通过调制技术来调整频带效率；由于信道中存在各种干扰， 需要采用各种纠错及均衡技术来消除干扰。 实际d v b 广播信道中的干扰和失真存在很多种，不同的信道环境也可能不 第二章数字视频广播传捅系统 尽相同，但从性质上可以合并归纳为两类：回波干扰和噪声干扰。 回波干扰在地面广播中最为普遍，地面广播中发射信号的电磁波遇到山脉、 树木及楼房而产生反射，反射信号进入接收机中就会造成回波干扰。有线电视系 统中，由于网络节点的阻抗不匹配也可能会造成一定的回波干扰，但程度要比地 面广播中的轻。卫星广播中因为天线的方向性很强一般不存在回波干扰。回波 干扰在模拟电视中造成的就是重影，而在数字电视系统中造成的是数字通信中所 谓的“符号间干扰( i s i ：i m e r - s y m b o l i n t e r f e r c n c e ) ”。i s i 是数字通信系统中除噪声 干扰之外最主要的干扰，它与加性的噪声干扰不同，是一种乘性的干扰。 从接收机的角度来看，回波干扰相当于将发射信号延时，再进行幅度衰减和 相位旋转后，叠加在原发射信号上，因此回波信号对通信系统的设计有影响的特 性有三项：回波的时延、回波的幅度衰减和回波的相位旋转。 噪声干扰实际上是任何通信系统都必须面对的问题，地面广播、卫星广播和 有线广播中都会遇到。d v b 广播信道中的噪声干扰有两类：高斯白噪声干扰和脉 冲噪声干扰。噪声干扰与回波干扰不同，它是一种加性干扰，线性叠加在接收信 号上的。 高斯白噪声的来源十分广泛，既有来源于其它频道中的电磁辐射，天体辐射 所造成的宇宙噪声等设备外部噪声干扰，又有来源于有源器件中电子或载流子运 动的起伏变化，电阻的热噪声等设备内部的噪声干扰。它们都是以线性叠加的方 式影响传输信号，因此可以将它们等效为一个噪声干扰。 脉冲噪声干扰是一种突发性的噪声干扰，它的特点是不经常发生，但一旦发 生在其持续时间内强度远大于高斯白噪声，此时对通信系统的影响也较大。脉冲 噪声主要来源于闪电、各种工业电火花和电器开关的通断等。脉冲噪声虽然也是 随机变量，但由于不经常发生，所以一般不用统计特性来描述，在d v b 系统中 仅对其持续时间长度作规定。 2 2 4 信道均衡 上节已经说过，由于回波干扰和信道的线性失真，会在接收符号间产生符号 间干扰( i s i ) 。目前有效消除i s i 的技术主要有两种：时域均衡和正交频分复用 ( o f d m ) 。我们先介绍时域均衡技术。 时域均衡一般是在匹配滤波器后插入一个横向滤波器( 也称横截滤波器) ，它 由一条带抽头的延时线构成，抽头间隔等于符号周期。每个抽头的延时信号经加 权后送到一个相加电路输出，其形式与有限冲激响应滤波器( f i r ) 相同相加 后的信号经抽样送往判决电路。每个抽头的加权系数是可调的，通过调整加权系 数可以消除i s i 。 数字视频广播传输系统中的信道编码技术 均衡器的均衡效果主要由抽头数和均衡算法决定，均衡算法常用的有迫零算 法和最小均方畸变算法等。均衡器分预置式和自适应式两种。预置式均衡器是信 息传输前先对信道特性进行估计，并设置好抽头加权系数，这些加权系数在信息 传输开始后不再改变。预置式均衡器的结构比较简单，但如果信道的特性在信息 传输过程中发生了变化，会对均衡效果产生较大影响，这时就须采用自适应式的 均衡器自适应式均衡器是在信息传输过程中不断地调整抽头系数，以适应信道 特性的变化。但自适应式均衡器的结构比较复杂，且抽头系数的收敛较慢，影响 通信系统豹稳定，因此在实际应用中常将上述两种方式综合起来，即采用带预置 均衡的自适应均衡器，这种均衡器在信息传输前先对信道特性进行估计，初步设 置抽头加权系数；在信息传输开始后，再利用定期发送的训练序列对抽头系数进 行调整，以跟踪信道特性的变化。这种方式即可以跟踪i s i 的时变，又可防止抽 头系数收敛过慢。 在实际信道中还存在噪声干扰，它会对均衡器的收敛产生影响。为了进步 改善性能，实际应用中常采用判决反馈式均衡器。与横向均衡器不同，判决反馈 均衡器是一种非线性滤波技术。在判决反馈均衡器中，一个横向滤波器用于线性 的前向滤波处理，其判决结果反馈给另一个横向滤波器。 反馈均衡器的抽头系数由前向均衡器所造成的信道冲激响应拖尾所决定。判 决反馈均衡器的均衡效果优于具有同样抽头数的横向均衡器。美国g a 系统中采 用的就是2 5 6 抽头的判决反馈均衡器。均衡器技术比较成熟，被广泛应用于各种 通信领域，但它有两个缺点：一是结构复杂，成本较高；二是仅对时延较短的i s l 效果比较好对时延较长的i s i 效果比较差，在这种情况下就需要采用另一种新 技术一o f d m 。 当i s i 的时延与传输符号的周期处于同一数量级时，i s i 的影响就会变得严重 起来。因此，延长传输符号的周期可以有效地克服i s i 的影响，这正是o f d m 消 除i s i 的原理。 o f d m 由大量在频率上等间隔的子载波构成( 设共有n 个载波) ，各载波通 常采用同一种调制方式调制。串行传输的符号序列亦被分为长度为n 的组，每组 内的n 个符号分别调制n 个子载波，然后一起发送。所以o f d m 实质是一种并 行调制术。将符号周期延长n 倍，从而提高了对i s i 的抵抗能力。 子载波间的间隔如何选择，是o f d m 的关键。在传统的频分复用中，各载波 上的信号频谱是互不重叠的，以便接收机能用滤波器将其分离。但这样作降低了 频带利用率。在o f d m 中，为提高频带利用率，使各载波上的信号频谱互相重叠， 但载波间隔的选择使这些载波在整个符号周期上是正交的，即在符号周期上的任 何两个载波的乘积都为零。这样，即使各载波上的信号频谱问存在重叠，也能无 失真地复原。我们知道，当载波问最小间隔等于符号周期的倒数时，可满足正交 第二章数字视频广播传播系统 条件。为实现最大频谱效率，一般取载波最小间隔等于符号周期的倒数。 由于o f d m 系统率的予载波数量常达几百乃至几千，所以实际应用中不可能 象传统的f d m 那样使用几百乃至几千个振荡器和锁相环进行相干解调。w e i n s t e i n 经过严格的数学推导，发现o f d m 信号可用付立时变换f f t 来得到。输入的n 个调制符号经过n 点的f f t 后所得到的n 个数据就是所需的o f d m 合成信号的 n 个时域采样值，在经d a 变换后，就得到了o f d m 信号波形。此信号乘以实 际载波就可将0 f d m 信号搬移到所需的频道上。 但信道中存在i s i 时，o f d m 子载波间的正交性会被破坏，使的接收机无法 正确提取各子载波上的调制符号。为此在实际应用时需在每个0 f d m 信号周期前 插入一个保护间隔，o f d m 的实际传输周期变为t s = t + 。保护间隔内的信号 是由o f d m 信号进行周期延拓生成的，相当于将o f d m 信号的尾部折反到前面。 当i s i 的时延不超过时，o f d m 子载波间的正交性仍能保持，接收机仅提取有 效的o f d m 周期t 内的信号进行处理，0 f d m 信号就可以不受i s i 的干扰了。 o f d m 抵抗i s i 的能力取决于的长度，越长。可消除i s i 的时延范围越大。 但需要注意的是，保护间隔内是不传输有用信息的，因此越大，浪费的频带资 源也越多，这是o f d m 消除i s i 干扰的代价。 2 3 小结 本章主要介绍了数字视频广播中的一些关键技术，并围绕d v b 的三个标准： d v b s 、d v b c 和d v b t ，简单介绍了它们的传输系统及原理，并对它们所采 用的信道编码技术进行了介绍。下面将介绍分组码r s 码和l d p c 码在数字视频 广播中的应用。 第三章r s 码编译码算法 第三章r s 码编译码算法 r s 码是一种纠突发错误的分组码，它是一类典型的代数几何码，它首先山里 德( r e e d ) 和索罗蒙( s 0 l o m 0 0 n ) 应用m s 多项式于1 9 6 0 年构造出来。r s 码是迄今为止所发现的一类很好的线性纠错码，它的纠错能力强，特别在中短码 长下，其性能很接近于理论值，并且构造方便，编码简单，编译码设备也不太复 杂。正是由于该码的超强纠错能力及各种成熟、有效的译码算法，它被广泛应用 在数据通信和数据存储系统的差错控制中。在数字视频广播的信道编码中，常把 r s 码做为外码。本章主要讨论了r s 码的编码原理，并且详细论述了r s 码的几 种译码算法。 3 1r s 码编码原理 r s 码的编码原理【1 】及编码器的实现比较简单，而译码则相对复杂一些。下面 所讨论的编码问题主要是时域编码。r s 码的编码主要是围绕码的生成多项式 g ( x ) 进行的。其编码器基本上分为两类：k 级编码器和n k 级编码器。 3 1 1n _ k 级编码器 n k 级编码器有两种：一种是g ( x ) 的乘法电路，另一种是g o ) 的除法电路。 1 ) 基于多项式的乘法电路。 r s 码的这种编码电路与其它的线性分组码的编码电路一样。域g f ( 2 ) 上的 【h ，t ，d r s 码，它的七个符号信息位构成的信息多项式为 m ( x ) = m k l x “+ mk - 2 x k _ 2 + + m l x + m o ，编成长为以的码字c ( x ) 。由编码理论 可知，c ( x ) = m ( x ) g ( x ) ，a 。g ( x ) = n k 。这样编出来的码是非系统码。编码器框 图如下： 输 血( x ) 图3 1 乘法编码器 2 ) 基于多项式除法电路的编码器。 ( x ) 6 数字视频广播传输系统中的信道编码技术 r s 码也是循环码的一种，因此r s 码的每个码字必是生成多项式g ( x ) 的倍式。 在实际中，常用到的是系统码。要得到系统码，必须先将信息组m ( x ) 乘以x ”。， 变成x ”。m ( x ) 。然后再用g ( x ) 除，求得相应的余式“x ) ，把其系数取“- ”号就得 到了相应的校验位，再加原来的信息组就组成了码字c 。 设g f 2 8 上，一个系统码的码失为： c = 【c n 一1 ，c 。一2 ，c l ，c o ) = 【m k i ，m k 一2 ，一，m l ，m o ，r 2 t i ，r 2 t 一2 ，- 一，r 0 ) 其中，m ( o i s k 1 ) 为信息位，( o