数字电视广播原理与应用

1、数字电视广播系统概述数字电视广播系统概述8.1有线数字电视的传送层有线数字电视的传送层8.2有线前端的构成和工作原理有线前端的构成和工作原理8.3有线数字电视接收机有线数字电视接收机8.4MPEG-2MPEG-2数据信号接口数据信号接口8.5 在模拟电视广播系统向数字电视广播系在模拟电视广播系统向数字电视广播系统转换过程中，应该说，完成整体的转换包统转换过程中，应该说，完成整体的转换包括有线数字电视广播、卫星数字电视广播和括有线数字电视广播、卫星数字电视广播和地面数字电视广播三种传输系统全面地实现地面数字电视广播三种传输系统全面地实现全数字化，用户通过相应的数字接收装置可全数字化，用户通过相应

2、的数字接收装置可以完美接收全数字电视节目。以完美接收全数字电视节目。 有线数字电视的信道编码输入是信源编有线数字电视的信道编码输入是信源编码器的码器的MPEG-2MPEG-2传送层数据流输出，其数据流传送层数据流输出，其数据流结构如图结构如图8-18-1所示。所示。 输入至信道编码器的输入至信道编码器的188188字节数据包首先字节数据包首先组织成由每组织成由每8 8个数据包构成的数据帧，其帧结个数据包构成的数据帧，其帧结构如图构如图8-28-2所示。所示。 基带物理接口基带物理接口同步反转和数据随机化同步反转和数据随机化编码编码卷积交织卷积交织字节到字节到m比特符号的映射变换比特符号的映射变

3、换差分编码差分编码基带成形基带成形数字信号电平数字信号电平数字频道载频位置数字频道载频位置调制器特性要求调制器特性要求 这里，有线前端即指有线数字电视广播这里，有线前端即指有线数字电视广播系统中的信道编码和高频调制部分，如图系统中的信道编码和高频调制部分，如图8-38-3所示，其输入来自本地所示，其输入来自本地MPEG-2MPEG-2节目源、分配节目源、分配链路或再复用系统，其输出去往高频有线信链路或再复用系统，其输出去往高频有线信道。后面各小节将叙述前端内的数字信号处道。后面各小节将叙述前端内的数字信号处理流程。理流程。 图图8-38-3中的第一个方框是基带物理接口，中的第一个方框是基带物理

4、接口，其作用是使传送流的数据结构与信号源格式其作用是使传送流的数据结构与信号源格式相匹配。相匹配。 1. 1.同步反转同步反转 如前面所述，为了标识每个数据帧中第如前面所述，为了标识每个数据帧中第1 1个数据包的出现，其同步字节以个数据包的出现，其同步字节以47H47H的反码的反码47H47H传输，同步反转（传输，同步反转（SYNC1SYNC1反转）即完成此反转）即完成此作用，接收端能据此区分数据帧的界限。作用，接收端能据此区分数据帧的界限。 数据随机化的实现方法是用一个数据随机化的实现方法是用一个PRBSPRBS（伪随机二进制序列）发生器产生一个（伪随机二进制序列）发生器产生一个PRBSPR

5、BS流，与输入数据流的逐个比特进行流，与输入数据流的逐个比特进行XORXOR（异或）（异或）运算。运算。2. 2.数据随机化数据随机化 DVB DVB系统采用的系统采用的PRBSPRBS生成多项式如下：生成多项式如下： G G（x x）=1+x=1+x1414+x+x1515 图图8-48-4示明实现式（示明实现式（8-38-3）的逻辑电路框）的逻辑电路框图。图。 如图如图8-28-2（b b）所示，实际经过）所示，实际经过15031503字节字节=12024=12024比特后重新初始化，再与输入数据进比特后重新初始化，再与输入数据进行异或运算，依此不断地反复运行。行异或运算，依此不断地反复运

6、行。 图图8-48-4既是对输入数据实施随机化的电路，既是对输入数据实施随机化的电路，也是对已随机化的数据实施去随机化的电路。也是对已随机化的数据实施去随机化的电路。 DVB DVB系统中的系统中的RSRS编码是在每编码是在每188188字节后加字节后加入入1616字节的字节的RSRS码（码（204204，188188，t=8t=8），参见图），参见图8-58-5（a a）。监督码组的码生成多项式为）。监督码组的码生成多项式为式中，式中，a=02a=02HEXHEX。 本原域生成多项式为本原域生成多项式为 为提供抗突发干扰的能力，在为提供抗突发干扰的能力，在RSRS编码后编码后采用字节为单元的

7、交织，称为字节交织或卷采用字节为单元的交织，称为字节交织或卷积交织，交织深度积交织，交织深度I=12I=12字节。字节。204=17204=171212。采用基于采用基于ForneyForney方法的交织电路，它由以字方法的交织电路，它由以字节为单元的节为单元的FIFOFIFO移位寄存器组成，有移位寄存器组成，有0 01111共共1212条支路，如图条支路，如图8-68-6所示。所示。 实际系统中，有线数字电视广播一般采实际系统中，有线数字电视广播一般采用用64QAM64QAM调制，如果传输介质性能极好，也可调制，如果传输介质性能极好，也可以采用以采用128QAM128QAM甚至甚至256QA

8、M256QAM调制，在保证必要调制，在保证必要低的误码率低的误码率BERBER值下能使信道传输达到更高的值下能使信道传输达到更高的码率，容纳更多的节目数量。相同的频道带码率，容纳更多的节目数量。相同的频道带宽下，宽下，256QAM256QAM比之比之64QAM64QAM传输码率可增大一倍。传输码率可增大一倍。 在第在第7 7章节中介绍过章节中介绍过MQAMMQAM调制，并以调制，并以16QAM16QAM为例示明了调制器电路和为例示明了调制器电路和16QAM16QAM星座点星座点与码元间的关系。有线数字电视系统的与码元间的关系。有线数字电视系统的MQAMMQAM调制采用了此种星座图配置方式。为此

9、，需调制采用了此种星座图配置方式。为此，需对图对图8-78-7中的中的m m比特符号作出差分编码。比特符号作出差分编码。 如图如图8-88-8所示，对于字节到所示，对于字节到m m比特符号变比特符号变换器的输出，无论换器的输出，无论m=4m=48 8（对应于（对应于16QAM16QAM256QAM256QAM）中的哪一整数值，都将它的前两个）中的哪一整数值，都将它的前两个最高位比特最高位比特A Ak k和和B Bk k进行差分编码，得到进行差分编码，得到I Ik k和和Q Qk k，随后在实施随后在实施QAMQAM调制时调制时I Ik kQ Qk k=00=00，1010，1111，0101决

10、决定了星座图中星座点的象限位置。其余的定了星座图中星座点的象限位置。其余的q=m-2q=m-2个比特形成个比特形成2 2q q个星座点，在四个象限内个星座点，在四个象限内各配置一组。各配置一组。A Ak k，B Bk k生成生成I Ik kQ Qk k的差分编码表如表的差分编码表如表8-18-1所示。所示。 具体的差分编码逻辑式依照表具体的差分编码逻辑式依照表8-18-1可运算可运算出下列式子，这也是图出下列式子，这也是图8-38-3中中“差分编码差分编码”框框内的逻辑电路功能。内的逻辑电路功能。 此外，此外，2 2q q个星座点在不同象限内还有不个星座点在不同象限内还有不同的位置配置，满足同

11、的位置配置，满足/2/2旋转不变性的要求。旋转不变性的要求。从图从图8-98-9（a a）中可见，）中可见，16QAM16QAM的星座图中除去的星座图中除去IkQkIkQk值确定星座点旋转至所在象限位置外，值确定星座点旋转至所在象限位置外，通过图通过图8-88-8中的映射电路，后两位比特确定的中的映射电路，后两位比特确定的4 4个星座点的配置从第个星座点的配置从第1 1象限到第象限到第2 2象限时相应象限时相应地自身旋转地自身旋转/2/2。 图图8-98-9（b b）中的）中的32QAM32QAM有类似的情况。图有类似的情况。图8-98-9（c c）、（）、（d d）、（）、（e e）中的）中

12、的64QAM64QAM，128QAM128QAM和和256QAM256QAM有类似的星座图配置。有类似的星座图配置。 表表8-28-2给出在给出在1616，3232和和64QAM64QAM调制下有线调制下有线传输中可达到的符号率和它们占用的具体带传输中可达到的符号率和它们占用的具体带宽值（宽值（MHzMHz）。）。 我国的行业标准我国的行业标准GY/T1702001GY/T1702001有线数有线数字电视广播信道编码与调制规范字电视广播信道编码与调制规范中对数字中对数字已调制信号的射频电平作出规定，将数字已调制信号的射频电平作出规定，将数字QAMQAM调制的功率电平（调制的功率电平（RMSRM

13、S）相对于模拟）相对于模拟VSBVSB调制调制的功率电平（峰值），设定为的功率电平（峰值），设定为-5dB-5dB0dB0dB。 QAM QAM调制采用抑制载波的双边带正交平衡调制采用抑制载波的双边带正交平衡调幅（调幅（DSB-SCDSB-SC），故而被调制载波应处于中），故而被调制载波应处于中频频带或高频频道的中央频率位置上，即频频带或高频频道的中央频率位置上，即f f0 0= =（f fmaxmax+f+fminmin）/2/2，已调制信号频谱左右对称，已调制信号频谱左右对称，能量分布较均匀。能量分布较均匀。 有线前端构成中，信道编码和字节到有线前端构成中，信道编码和字节到m m比比特符号

14、变换之后的重要电路是特符号变换之后的重要电路是QAMQAM调制器，其调制器，其性能十分影响有线数字电视系统的质量，行性能十分影响有线数字电视系统的质量，行业标准业标准GY/T170GY/T170中给出的中给出的QAMQAM调制特性如表调制特性如表8-38-3所示。所示。 有线数字电视接收机的构成有线有线数字电视接收机的构成有线数字电视的反向上行传输数字电视的反向上行传输 有线数字电视接收机的电路功能是对有有线数字电视接收机的电路功能是对有线前端信号处理实施逆处理，电路构成如图线前端信号处理实施逆处理，电路构成如图8-108-10所示，其整体电路也称为有线所示，其整体电路也称为有线IRDIRD（

15、集成（集成接收解码器），输出信号为接收解码器），输出信号为MPEG-2MPEG-2传送复用传送复用包（包（TSTS流）和时钟。如果接收端不是一体化流）和时钟。如果接收端不是一体化的有线数字电视接收机，则的有线数字电视接收机，则IRDIRD实际上做成机实际上做成机顶盒（顶盒（STBSTB）形式供用户使用。）形式供用户使用。 有线数字电视广播系统的一大特性和优有线数字电视广播系统的一大特性和优点是易于实现前端与用户间的双向交互传输，点是易于实现前端与用户间的双向交互传输，向用户提供方便的视频点播（向用户提供方便的视频点播（VODVOD）、信息查）、信息查询、电视购物以及上网浏览等功能。数字交询、电

16、视购物以及上网浏览等功能。数字交互电视系统总体上由有线前端、双向网络和互电视系统总体上由有线前端、双向网络和用户终端三大部分构成。用户终端三大部分构成。 频率划分方面，上行信道的频段有高分频率划分方面，上行信道的频段有高分割、中分割和低分割三种方式，高分割的上割、中分割和低分割三种方式，高分割的上行频率范围为行频率范围为5MHz5MHz87MHz87MHz，中分割为，中分割为5MHz5MHz65MHz65MHz，低分割为，低分割为5MHz5MHz42MHz42MHz。我国采用中。我国采用中分割方式，频段划分标准如表分割方式，频段划分标准如表8-48-4所示。所示。 上行信道调制类型有上行信道调

17、制类型有DQPSKDQPSK，QPSKQPSK或或16QAM16QAM可选；符号率和对应的可选；符号率和对应的-3dB-3dB带宽如表带宽如表8-8-5 5所示的数据。所示的数据。 实现上行传输除了在机顶盒的电缆调制实现上行传输除了在机顶盒的电缆调制解调器（解调器（CMCM）中必须有）中必须有QPSK/QAMQPSK/QAM调制器硬件调制器硬件外，还必须有符合媒体访问控制（外，还必须有符合媒体访问控制（MACMAC）协议）协议的软件模块。软件系统在上行传输和下行传的软件模块。软件系统在上行传输和下行传输中均至关重要。输中均至关重要。 同步并行接口（同步并行接口（SPI）同步串行接口（同步串行接

18、口（SSI）异步串行接口（异步串行接口（ASI） 同步并行接口用于在中、短距离内传输同步并行接口用于在中、短距离内传输数据率可变的数据率可变的MPEG-2TSMPEG-2TS流，由流，由TSTS流中的字节流中的字节时钟实现数据信号同步传输。物理链路采用时钟实现数据信号同步传输。物理链路采用2525芯的同轴电缆，接插件为芯的同轴电缆，接插件为2525针针D D型超小型连型超小型连接器，电信号为平衡型输出、输入的低压差接器，电信号为平衡型输出、输入的低压差分信号（分信号（LVDSLVDS），图），图8-118-11所示为并行传输系所示为并行传输系统的示意图，其中的统的示意图，其中的1212对都是双

19、绞线，另有对都是双绞线，另有一根电缆屏蔽线。一根电缆屏蔽线。2525针连接器的引脚安排如针连接器的引脚安排如表表8-68-6所示。所示。 传输数据为传输数据为188188字节或字节或204204字节的字节的TSTS流包，流包，204204字节时后面字节时后面1616个字节可以是填充字节或者个字节可以是填充字节或者RSRS编码纠错字节，如图编码纠错字节，如图8-128-12所示。所示。 1111个平衡输出和平衡输入的线路驱动器个平衡输出和平衡输入的线路驱动器和线路接收器间的连接如图和线路接收器间的连接如图8-138-13所示，所示，A A端电端电位高于位高于B B端电位时代表逻辑端电位时代表逻辑

20、“1”1”，反之为逻，反之为逻辑辑“0”0”。 同步串行接口（同步串行接口（SSISSI）是同步并行接口）是同步并行接口（SPISPI）的变型，它对）的变型，它对SPISPI的数据流实施并的数据流实施并/ /串串转换和进行双相编码后通过单芯线缆（电缆转换和进行双相编码后通过单芯线缆（电缆或光缆）向外传输。或光缆）向外传输。 图图8-148-14所示为使用电缆和光缆为传输线所示为使用电缆和光缆为传输线的的SSI-CSSI-C和和SSI-DSSI-D传输链路。传输链路。 由图由图8-148-14可见，在可见，在SSI-CSSI-C，SSI-OSSI-O中实现中实现压缩视频或压缩音频的信号处理设备间

21、点对压缩视频或压缩音频的信号处理设备间点对点链接时，其信号链路上信号协议分为第点链接时，其信号链路上信号协议分为第2 2层、层、第第1 1层、第层、第0 0层三层结构。层三层结构。 第第2 2层信号协议以层信号协议以MPEG-2 TSMPEG-2 TS流包作为基流包作为基本信息单元，其中包含数据包同步字节，而本信息单元，其中包含数据包同步字节，而数据包格式包括图数据包格式包括图8-128-12中的三种格式。中的三种格式。 1. 1.第第2 2层层 第第1 1层的作用一是借助层的作用一是借助SYNC1SYNC1（47H47H）或）或SYNC1SYNC1（47H47H）（指）（指RSRS编码的包）

22、识别三种信编码的包）识别三种信号格式，二是实现号格式，二是实现8 8比特字节的并比特字节的并/ /串转换串转换（MSBMSB位先传输），三是将位先传输），三是将NRZNRZ绝对码通过双绝对码通过双相编码变换成隐含时钟信息的相对码（类似相编码变换成隐含时钟信息的相对码（类似于演播室）数字分量图像信号比特并行接口于演播室）数字分量图像信号比特并行接口转换成比特串行接口时的处理，然后将串行转换成比特串行接口时的处理，然后将串行比特流传输至第比特流传输至第0 0层通路上。层通路上。 2. 2.第第1 1层层 第第0 0层为电缆或光缆传输物理层，规定了层为电缆或光缆传输物理层，规定了两种点对点的链接规范

23、。两种点对点的链接规范。 3.3.第第0 0层层 电缆介质有下列特性：标称阻抗电缆介质有下列特性：标称阻抗7575；单位长度的信号插入损耗随数据率增高而增单位长度的信号插入损耗随数据率增高而增大，数据率低时容许电缆长度较长，根据电大，数据率低时容许电缆长度较长，根据电缆的类型不同可达到缆的类型不同可达到100m100m200m200m；连接器为；连接器为BNCBNC型接插头；线路驱动器输出峰型接插头；线路驱动器输出峰- -峰电压规峰电压规定为定为1V1V0.1V0.1V。 光缆介质可以是单模光纤或多模光纤，光缆介质可以是单模光纤或多模光纤，ITU-TITU-T规定了光发射器与光接收器之间串行数

24、规定了光发射器与光接收器之间串行数据传输用光纤的规范：单模光纤规范为据传输用光纤的规范：单模光纤规范为ITU-T ITU-T G.654G.654或或G.652G.652；多模光纤为；多模光纤为ITU-T G.651ITU-T G.651；光；光纤连接器为纤连接器为IEC 874-14IEC 874-14中的中的SCSC型连接器。传型连接器。传输距离可达到几输距离可达到几kmkm。 我国广播电视行业标准我国广播电视行业标准GY/T 1301998GY/T 1301998有线电视用光缆入网条件有线电视用光缆入网条件中规定，有线中规定，有线电视系统内采用电视系统内采用B1B1类单模光纤，并根据光纤

25、类单模光纤，并根据光纤的衰减常数（的衰减常数（dB/kmdB/km）规定）规定A A级和级和B B级光纤的两级光纤的两种要求，如表种要求，如表8-78-7所示。所示。 异步串行接口（异步串行接口（ASIASI）在实际中应用较普）在实际中应用较普遍，是许多遍，是许多MPEG-2MPEG-2数据流处理设备大多配置数据流处理设备大多配置的一种接口，它采用像的一种接口，它采用像SDISDI接口一样恒定的传接口一样恒定的传输速率输速率270Mbit/s270Mbit/s，但它容许不同设备的原始，但它容许不同设备的原始数据流速率不是数据流速率不是270Mbit/s270Mbit/s（小于该值），由（小于该

26、值），由传输设备填充入专用数据字符（逗号传输设备填充入专用数据字符（逗号K28.5K28.5，001111 1010001111 1010或或110000 0101110000 0101）予以补足。）予以补足。ASIASI接口的传输链路可采用电缆或光缆，并且也接口的传输链路可采用电缆或光缆，并且也分为第分为第2 2层、第层、第1 1层和第层和第0 0层三层，如图层三层，如图8-158-15所所示。示。 第第2 2层是层是ASIASI接口的输入层，采用接口的输入层，采用MPEG-2 MPEG-2 TSTS流数据包作为基本信息单元，流数据包作为基本信息单元，TSTS流包可以流包可以是连续字节的数据块（即数据包中无同步字是连续字节的数据块（即数据包中无同步字节），也可以是用于填充的专用数据字符节），也可以是用于填充的专用数据字符K28.5K28.5，或者是连续字节和填充字符的任意组，或者是连续字节和填充字符的任意组合。合。 1. 1.第第2 2层层 MPEG-2 TS MPEG-2 TS流包的字节原本为流包的字节原本为8 8