数字视频广播系统

1、 美国的美国的ATSC数字电视标准是为其国数字电视标准是为其国 内的全数字化内的全数字化HDTV地面广播研究开发的地面广播研究开发的 一种标准，一种标准，1988年由年由FCC(美国联邦通信委美国联邦通信委 员会员会)提出设想，历经多年，于提出设想，历经多年，于1996年正式年正式 批准为系统标准，名称为批准为系统标准，名称为“ATSC数字电视数字电视 标准标准”。 标准扩展了标准扩展了ATSC的适用范围，使其的适用范围，使其 不仅应用于不仅应用于HDTV高清晰度电视中，也包高清晰度电视中，也包 括了括了SDTV标准清晰度电视和计算机图形格标准清晰度电视和计算机图形格 式等的参数规范。式等的参

2、数规范。ATSC是美国是美国“先进电视先进电视 制式委员会制式委员会”组织机构的名称缩写，它制组织机构的名称缩写，它制 定的包括定的包括SDTV和和HDTV的标准也可以并称的标准也可以并称 为为ATV(先进电视先进电视)或或DTV(数字电视数字电视)的地面的地面 广播标准。实际上，广播标准。实际上，ATSC标准中容许标准中容许18种种 图像源格式的存在。图像源格式的存在。 ATSC标准中规定了可以采用的标准中规定了可以采用的18种种 数字图像源格式，包括一帧图像的像素数数字图像源格式，包括一帧图像的像素数 和扫描方式。和扫描方式。 ATSC的信道编码器其输入是传送流的信道编码器其输入是传送流

3、(TS)数据，数据，TS流形成过程如图流形成过程如图7-1所示，从所示，从 左到右分为应用层、压缩层、传送层和传左到右分为应用层、压缩层、传送层和传 输层输层4层，传送层的输出即为传送流层，传送层的输出即为传送流TS。 图图7-1 传送流传送流TS的形成的形成 应用层应用层(Application Layer)是演播室内是演播室内 根据规定的视音频标准原始产生的、未压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，例如视频是缩的视音频数据流，例如视频是SDI或或HD- SDI数据流，音频是立体声或环绕声的数数据流，音频是立体声或环绕声的数 据流。据流。 压缩层压缩层(Compressi

4、on Layer)中根据规中根据规 定的信源编码标准将输入的数据流予以码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 流率 压 缩 ， 产 生 出 视 频 基 本 流 ( Vi d e o Elementary Strenam，VES)和音频基本流和音频基本流 (AES)。 视频基本流由像块、宏块、像条、图视频基本流由像块、宏块、像条、图 像像(帧帧)、GOP(图像组图像组)和序列等和序列等6个层次构个层次构 成。成。 传送层传送层(Transport Layer)中将中将ES打包，打包， 形成打包基本流形成打包基本流(PES)，并实现视音频并实现视音频PE

5、S 的复用，组成复用的节目流的复用，组成复用的节目流(PS MUX)、传传 送流送流(TS MUX)。 传输层传输层(Transmission Layer)内包含信内包含信 道编码和载波调制，其输出是调制在中频道编码和载波调制，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。功放级后由天线发射。 ATSC信道编码与调制流程框图如图信道编码与调制流程框图如图7- 2所示，下面分步骤予以说明。所示，下面分步骤予以说明。 图图7-2ATSC信道编码与调制框图信道编码与调制框图 数据随机化的目的是打碎数据随机化的目的是打碎TS流包中可流

6、包中可 能出现的长能出现的长“1”、长、长“0”，避免信号在，避免信号在 低频段频谱上有大的能量，不适应信道的低频段频谱上有大的能量，不适应信道的 传输特性。传输特性。 RS编码即里德索罗门编码，它是以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字节为单位进行前向误码校正(FEC)的纠的纠 错编码方法，具有强的随机误码和突发误错编码方法，具有强的随机误码和突发误 码校正能力。码校正能力。 由图由图7-2可见，可见，RS编码之后是数据交编码之后是数据交 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 下用改变数据码字下用改变数据码字(以比特或字节为单元以比特

7、或字节为单元) 传输顺序的方法来提高接收端去交织解码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。传输过程中引入的时的抗突发误码能力。传输过程中引入的 突发误码突发误码(连续的若干比特或若干字节的误连续的若干比特或若干字节的误 码码)，经去交织解码而恢复成原顺序时将分，经去交织解码而恢复成原顺序时将分 散开，使后面的散开，使后面的RS解码更有能力予以纠正。解码更有能力予以纠正。 信道编码中，为了充分提高抗误码的信道编码中，为了充分提高抗误码的 纠错能力，通常采用两次附加纠错码的纠错能力，通常采用两次附加纠错码的 FEC编码。编码。 格栅编码是格栅编码是1982年由年由Ungenbo

8、eck提出提出 的，它将卷积编码与调制技术结合一起，的，它将卷积编码与调制技术结合一起， 可在不增加信道带宽和不降低信息速率的可在不增加信道带宽和不降低信息速率的 情况下获得情况下获得34dB的编码功率增益。的编码功率增益。 原理上，图原理上，图7-2中数据交织器后面的格中数据交织器后面的格 栅编码器栅编码器(图图7-7)只需要一个。然而，虽然只需要一个。然而，虽然 格栅编码器有助于抗白噪声干扰格栅编码器有助于抗白噪声干扰(随机干随机干 扰扰)，但对于脉冲干扰和突发误码其抗御性，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，以及能并不好。为了改善这方面的性能，以及 为了使接

9、收端的格栅解码器电路简化，编为了使接收端的格栅解码器电路简化，编 码器中采用了码器中采用了12个同样的格栅编码器并行个同样的格栅编码器并行 地工作，它们接受经过块交织的、交织深地工作，它们接受经过块交织的、交织深 度度I=12符号的数据符号。符号的数据符号。 场同步段有下列作用。场同步段有下列作用。 (1)给出每个数据场的起始信息。给出每个数据场的起始信息。 (2)PN511向接收端提供信道特性均衡向接收端提供信道特性均衡 用的训练序列数据，使接收端得到时变的用的训练序列数据，使接收端得到时变的 信道特性信息，及时实现解码信道的特性信道特性信息，及时实现解码信道的特性 均衡。均衡。 (3)PN

10、63供接收端实现重影补偿中作测供接收端实现重影补偿中作测 试序列使用，能补偿延时范围在试序列使用，能补偿延时范围在63个符号个符号 内即时间为内即时间为6393=5.86s内的重影信号，内的重影信号， 接收机设计人员可在接收机设计人员可在5.86s总量内任意分总量内任意分 配前重影和后重影的校正范围。配前重影和后重影的校正范围。 (4)最后最后12符号供接收机中的梳状滤波符号供接收机中的梳状滤波 器器(干扰抑制滤波器干扰抑制滤波器)使用。使用。 (5)可用于接收信号信噪比的测量。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可供接收机中的相位跟踪电路用来 使电路复位，并确定

11、跟踪环路参数。使电路复位，并确定跟踪环路参数。 ATSC中高频调制采用中高频调制采用8VSB也即也即8电平电平 残留边带调幅方式，它不同于残留边带调幅方式，它不同于NTSC中高频中高频 调制的调制的VSB残留边带调幅方式。残留边带调幅方式。 8VSB发射机像通常那样采用两级调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定中频上，第二次再上变频到所需的电视 频道上。频道上。 美国从美国从20世纪末正式开始地面广播世纪末正式开始地面广播 HDTV后，在初期发展并不快速，原因一后，在初期发展并不快速，原因一

12、 是节目源欠丰富，二是接收机价格偏高，是节目源欠丰富，二是接收机价格偏高， 三是三是ATSC制式本身尚存在些问题。制式本身尚存在些问题。 像像ATSC系统一样，系统一样，DVB系统中最先系统中最先 的参数规范是演播室参数标准和信源编码的参数规范是演播室参数标准和信源编码 标准。标准。 DVB-S是是1994年年12月由月由ETSI(欧洲电信标准欧洲电信标准 学会学会)制定标准的，标准编号为制定标准的，标准编号为ETS 300 421。 DVB-S系统定义了从系统定义了从MPEG-2复用器输出到卫星复用器输出到卫星 传输通道的特性，总体上分成信道编码和高频调传输通道的特性，总体上分成信道编码和高

13、频调 制两大部分。系统功能框图如图制两大部分。系统功能框图如图7-13所示，左边所示，左边 部分为部分为MPEG-2信源编码和复用，右边部分为卫信源编码和复用，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。星信道适配器，也即是信道编码和高频调制部分。 图图7-13 DVB-S系统功能框图系统功能框图 输入输入TS流是流是188字节的包，其中第一字节的包，其中第一 个字节是同步字节个字节是同步字节(SYNC)。在在DVB-S中，中， 对对TS流包的处理如图流包的处理如图7-14所示。所示。 图图7-14 TS流包的加扰和流包的加扰和RS编码编码 外码编码即是外码编码即是RS编码，是在

14、每编码，是在每188字字 节后加入节后加入16字节的字节的RS码码(204，188，t=8)， 参见图参见图7-14(b)。 为提供抗突发干扰的能力，在为提供抗突发干扰的能力，在RS编码编码 后采用字节为单元的交织，称为字节交织后采用字节为单元的交织，称为字节交织 或外交织，交织深度或外交织，交织深度I=12字节。字节。 内码编码与外码编码相结合，构成了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能力，有利于抗御卫星广播信道传输中干 扰的影响。扰的影响。 内码编码与外码编码相结合，构成了内码编码与

15、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能力，有利于抗御卫星广播信道传输中干 扰的影响。扰的影响。 图图7-17所示的基带卷积输出所示的基带卷积输出X，Y输入输入 至收缩卷积码电路，实现至收缩卷积码电路，实现2/3或或3/4等编码效等编码效 率，而后再使该串行序列经串率，而后再使该串行序列经串/并变换电路并变换电路 形成形成I，Q两路并行输出。两路并行输出。 卫星接收端有确定的误码性能要求，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，对以确保接收信号质量。在传输信道中，对 于出现

16、的相加性白高斯噪声于出现的相加性白高斯噪声(AWGN)引起的引起的 信号质量下降，通常以信号质量下降，通常以Eb/N0进行衡量。进行衡量。 图图7-17 1/2编码率的基本卷积码编码率的基本卷积码 一个卫星转发器能以一个卫星转发器能以QPSK调制方式传输的调制方式传输的 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。码编码率外，更加决定于卫星转发器本身的带宽。 由上面所述可以看出，由上面所述可以看出，DVB-S的特点在于的特点在于 卫星信道的带宽大卫星信道的带宽大(24MHz)，但转发器的辐射但转发器的辐射 功

17、率不高功率不高(十几瓦至一百多瓦十几瓦至一百多瓦)，传输信道质量不，传输信道质量不 够高够高(传输路径远，特别是易于受雨衰影响传输路径远，特别是易于受雨衰影响)。因。因 此，为保证接收可靠而采用了调制效率较低、抗此，为保证接收可靠而采用了调制效率较低、抗 干扰能力强的干扰能力强的QPSK调制。调制。 DVB-C系统定义了有线数字电视广播系统定义了有线数字电视广播 系统的功能块组成，它使系统的功能块组成，它使MPEG-2基带数基带数 字电视信号与有线信道特性相匹配。字电视信号与有线信道特性相匹配。DVB- C的欧洲标准是由的欧洲标准是由ETSI(欧洲电信标准学会欧洲电信标准学会) 于于1994年

18、年12月制定的，标准编号为月制定的，标准编号为ETS 300 429。 由图由图7-19可见，发送端框图中的前可见，发送端框图中的前4个个 方框是与方框是与DVB-S一样的。一样的。 DVB-C中，符号交织中，符号交织(交织深度交织深度I=12字字 节节)之后没有级联的卷积编码，也即只有外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编码而无内编码，原因在于有线信道质量 较好，不必将较好，不必将FEC做得复杂化。做得复杂化。 图图7-19 DVB-C前端与接收端框图前端与接收端框图 图图7-21 64QAM调制星座图调制星座图 图图7-22 字节到字节到m符号变换框图

19、符号变换框图 图图7-23所示的为不同所示的为不同M值的值的MQAM星星 座图，它们的实现都基于图座图，它们的实现都基于图7-22所示的符所示的符 号变换框图。号变换框图。 图图7-23 不同不同M值的值的MQAM调制星座图调制星座图 如图如图7-19所示，在符号变换和差分编所示，在符号变换和差分编 码码(IkQk)之后是基带成形，采用式之后是基带成形，采用式(6-18)所所 示的升余弦平方根滤波函数，滚降系数示的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，因此可见，由于有线信道质量好，因此 值较小值较小(DVB-S中中=0.35)，这有利于带宽利这有利于带宽利 用率的

20、提高。用率的提高。 前面已述及，前面已述及，DVB-C的调制方式为的调制方式为 MQAM，可以是可以是16，32，64，128和和 256QAM，典型值是典型值是64QAM。 根据根据MQAM的的M值和映射频道的带宽，值和映射频道的带宽， 可以计算出一个可以计算出一个DVB-C频道能传输的可用频道能传输的可用 比特率比特率Ru值值(Mbit/s)和符号率和符号率Rs值值(Mbaud)， 如表如表7-7所示，表中的值适合于所示，表中的值适合于8MHz的信的信 道带宽。道带宽。 DVB-T的信道编码和调制系统框图如的信道编码和调制系统框图如 图图7-25所示。输入端是视频、音频和数据所示。输入端是

21、视频、音频和数据 等复用的传送流等复用的传送流TS，每个每个TS包由包由188字节字节 组 成 ， 经 过 一 系 列 信 号 处 理 后 输 出组 成 ， 经 过 一 系 列 信 号 处 理 后 输 出 COFDM调制的载波信号。调制的载波信号。 图图7-25 DVB-T的信道编码和调制系统框图的信道编码和调制系统框图 DVB-T中高频载波采用中高频载波采用COFDM(编码编码 正交频分复用正交频分复用)调制方式，在调制方式，在8MHz射频带射频带 宽内设置宽内设置1705(2k模式模式)或或6817(8k模式模式)个载个载 波，将高码率的数据流相应地分解成波，将高码率的数据流相应地分解成2

22、k或或 8k路低码率的数据流，分别对每个载波进路低码率的数据流，分别对每个载波进 行行QPSK，16QAM或或64QAM调制。调制。 COFDM调制中，由每个调制中，由每个V比特的符号比特的符号 对每个载波进行相应的调制，对每个载波进行相应的调制，V=2时为时为 QPSK调制，调制，V=4时为时为16QAM调制，调制，V=6时时 为为64QAM调制。调制。 ATSC的的8VSB调制是传统的单载波调调制是传统的单载波调 制方式，而制方式，而COFDM是数字通信中时兴的是数字通信中时兴的 多载波方式，多载波方式，OFDM是正交频分复用的英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，文

23、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。它们是一个基本振荡频率的整数倍。 与卫星传输信道和有线传输信道相比与卫星传输信道和有线传输信道相比 较，地面开路传输信道环境差，电磁波信较，地面开路传输信道环境差，电磁波信 号容易受到各种各样的外来杂散电磁波干号容易受到各种各样的外来杂散电磁波干 扰。扰。 就地面开路接收时的传输信道种类而就地面开路接收时的传输信道种类而 言，有三种信道模型。言，有三种信道模型。 (1)高斯信道，这是天线接收信号只受高斯信道，这是天线接收信号只受 到高斯噪声到高斯噪声(随机噪声，白噪声随机噪声，白噪声)干扰的信干扰的信 道模型。道模型。 (2

24、)Ricean信道，这是天线接收信号接信道，这是天线接收信号接 收到直达波之外还接收到多个反射波的信收到直达波之外还接收到多个反射波的信 道模型，它对应于使用室外屋顶天线时还道模型，它对应于使用室外屋顶天线时还 会接收由到高楼等来的许多多径反射波。会接收由到高楼等来的许多多径反射波。 (3)瑞利信道，其接收天线接收不到直瑞利信道，其接收天线接收不到直 达波，只接收到许多反射波，对应于用室达波，只接收到许多反射波，对应于用室 内天线接收或室外便携和移动接收。接收内天线接收或室外便携和移动接收。接收 点直视不到发射天线，只有由大楼、山丘点直视不到发射天线，只有由大楼、山丘 等来的诸多反射波。等来的

25、诸多反射波。 COFDM中，调制每个载波的符号率中，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下降很多，可明显减少已调波频带内的符 号间干扰号间干扰(ISI)。但存在较长延时的反射波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。信号时，并不能完全消除符号间干扰。 图图7-25中，在中，在OFDM调制之前有调制之前有“帧帧 自适应自适应”和和“导频及导频及TPS信号信号”两个信号两个信号 处理框，现在分别说明之。处理框，现在分别说明之。 帧自适应是指帧自适应是指OFDM帧的构成，它是帧的构成，它是 在在OFDM符号的基础上组成的。符号的基础上组成的。 OFDM中对每个

26、载波的调制都是抑制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载波的，接收端的解调诸如对于QAM的相的相 干解调是需要基准信号的，在这里称为导干解调是需要基准信号的，在这里称为导 频信号，它们在频信号，它们在OFDM符号内分布于不同符号内分布于不同 的时间和频率上，具有已知的幅度和相位。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。参数有关的信令。 定义定义4个个OFDM帧组成一个超帧，在帧组成一个超帧，在 超帧内可以传输整数个超帧内可

27、以传输整数个204字节的字节的RS码码TS 包，而无论信道内码编码率和调制模式如包，而无论信道内码编码率和调制模式如 何，何，OFDM超帧内超帧内TS包数目如表包数目如表7-11所示。所示。 表表 7 -1 1 O F D M 超超 帧帧 内内 T S包包 数数 目目 Q P S K1 6 Q A M6 4 Q A M内内 码码 编编 码码 率率 2 k8 k2 k8 k2 k8 k 1 /22 5 2 1 0 0 8 5 0 4 2 0 1 6 7 5 63 0 2 4 2 /33 3 6 1 3 4 4 6 7 2 2 6 8 8 1 0 0 8 4 0 3 2 3 /43 7 8 1 5 1 2 7 5 6 3 0 2 4 1 1 3 4 4 5 3 6 5 /64 2 0 1 6 8 0 8 4 0 3 3 6 0 1 2 6 0 5 0 4 0 7 /84 4 1 1 7 6 4 8 8 2 3 5 2 8 1 3 2 3 5 2 9 2 要在要在8MHz内传输一路内传输一路HDTV信号，合信号，合 适的参数是适的参数是64QAM调制，内码编码率调制，内码编码率2/3和和 保 护 间 隔保 护 间 隔 1 / 8 ， 这 时 的 有 效 码 率 为， 这 时 的 有 效 码 率 为 22.12Mbit/s。 射频频