电子教案现代声像技术第九章2

1、 第九章 数字视频广播 知识要点 基带信号成形纠错码，数据交织多电平调制技术ATSC、DVB、ISDB三种制式优缺点比较数字演播室主要设备及播控系统的组成卫星地面站的工程设计9.1 概述 数字视频广播三种系统：地面无线广播有线电视卫星电视地面无线电广播三种制式：美国的ATSC制欧洲的DVB-T制日本的ISDB-T制9.2 信道编码技术 信道编码提高信道的可靠性。采用级联码可以解决性能与设备复杂性之间的矛盾。级联码由内码和外码组成。分组码与卷积码以及它们的级联经常被使用。9.2.1 纠错码 R-S码 里德-所罗门码（R-S码）是一种分组纠错编码分组码的纠错概念是把数据分为一个个数据块，在数据块上

2、加入一定的校验字，解码时就利用这些冗余的校验字来检测信道传输的错误。在所有线性分组码中，R-S码的的汉明距离最大，纠错能力最佳。卷积码 卷积码对连续的信息码元流进行运算形成码字。在相同的编码效率和设备复杂程度下，卷积码的性能优于分组码。分组码有严格的代数结构，卷积码至今尚未找到如此严密的数字手段把纠错性能与码的构成十分有规律的联系起来。 卷积码的解码 卷积码的解码可分为：代数解码，是利用生成的矩阵和监督矩阵来解码；概率解码，主要的概率解码有两种：维特比解码序列解码9.2.2 交织 信道错误：随机错误是由于随机噪声引起的，在统计上是独立的，容易纠正。突发错误是一连串的码元丢失，难以恢复。采用交织

3、技术后属于同一码字的N个时隙将不再连续传输而被打散。解码重新组合序列时突发错误同样被分散成随机错误，因而具有抗突发错误的能力。分组交织 卷积交织 9.3 信道调制技术 信道调制效率：单位带宽内所传送的数字量，它的单位为（bit /s）/Hz。理想的系统最高效率为2（波特 /s）/Hz。采用n进制码，每波特可以携带log2 n个bit。每位码可取的电平数越多，效率越高，但带来的问题是越易受噪声干扰，产生误码的机会越大，需综合考虑。 9.3.1 基带信号成形 数字信号是矩型脉冲，频谱带宽很大。实际信道带宽有限，传输后波形会改变，展宽并延伸到其他码元的位置，就可能产生码间干扰。理想滤波器 理想低通滤

4、波器的频响和输出波形。严格对脉冲的中心值进行取样，其他码元的影响为0。 实际滤波器 实际系统中采用升余弦滚降滤波，只要fb /2以外的响应能和fb /2以内的缺省部分互补那么同样可以做到无码间干扰，它称为奈奎斯特第一准则。9.3.2 四相键控（QPSK） 如果给定4个相位状态，分别对应于00，01，10，11 ， 可以携带2 bit信息。9.3.3 多电平正交幅度调制（MQAM） MQAM调制可以看作两个正交的载波的多电平调制的合成。图中分别用4电平进行调幅，可产生16种状态，称16 QAM。状态越多误码率越高。 9.3.4 多电平残留边带调制（MVSB） QAM在Q、1两个方向上都可携带信息

5、，但它只能用双边带信号，占用信道带宽2倍。一维的幅度调制，可以滤除一个边带传输，使带宽也减半，所以调制效率仍可与QAM相同。考虑单边带实现困难，折衷为残留边带VSB 。9.3.5 正交频分复用调制（OFDM） 把信道分割成若干个窄带子信道，每个信道的带宽小，码率低，周期长，延时的干扰就很少能落到下一个码元周期中，大大降低了码元间的互扰。若干个子信道并行工作，系统总的容量相同。相邻子信道在频域上紧密相连，容易发生互扰，选取正交载波可以使这种互扰得到抑制。9.3.6 频谱利用率比较 调制技术 理论值 实用值QPSK 2 1.416QAM 4 3.332QAM 5 4.364QAM 6 5.3128

6、QAM 7 6.1256QAM 8 6.61024QAM 10 6.6OFDM-16QAM 4 3.38VSB 5.316VSB 7.19.3.7 格形编码与调制（TCM） 传统的数字通信系统中，信道编码与调制是相互独立的，解调器先对接收信号进行硬判决，然后再将硬判决的结果送去解码。格形编码调制（TCM）的基本思想是将卷积码与调制作为一个整体进行综合设计，使用软判决进行解码，在码字与传输的调制符号之间进行最佳映射，使接收端更容易对信号进行准确的判决，从而获得编码增益。 9.4 数字电视广播制式 目前已开通的数字电视制式有三种：ATSCDVBISDB它们的重要区别是在于地面广播9.4.1 美国A

7、STC标准 信源码：视频MPEG-2，音频Dolby AC-3；系统编码（业务复用方式）：视频位流包、音频位流包、辅助码位流包复用成一个单一位流，数字电视系统用MPEG-2传输流语法打包和复用，形成复合广播系统，还考虑能与ATM有互操作性；信道编码/调制：信道编码R-S码，格形编码（TCM）和数据随机化及数据交织等措施。 ATSC的图像源格式 像素数：水平垂直 宽高比 扫描参数19201080（11） 169 60 I，30 P，24 P1280720（11） 169 60 P，30 P，24 P704480（4033） 169 60 P，60 I （1011） 43 30 P，24 P640

8、480（11） 43 60 P，60 I 30 P，24 PATSC的信道编码与调制 ATSC卫星标准 调制标准：正交相移调制（QPSK）8相相移调制（8 PSK）16正交幅度调制（16 QAM）的方法纠错：外码：R-S码内码：卷积/格形编码9.4.2 欧洲DVB标准 卫星电视（DVB-S）有线电视（DVB-C）地面开路电视（DVB-T）其它方面：数字广播、数字卫星新闻采集、网络传输接口、数字电视测试测量、数字电视综合接收（IRD）设备等。 DVB-S DVB-C DVB-T 9.4.3 日本ISDB标准 图像格式和信源编码：图像格式 像素数 宽高比 扫描方式 1080I 19201080 1

9、69 隔行 480P 720480 169 逐行 480I 720480 169 , 43 隔行 720P 1280720 169 逐行图像编码方式 MPEG-2 Video声音编码方式 MPEG-2 Audio （AAC）卫星广播（BS） 电视图像、伴音及其他多路化数据均用MPEG-2方式压缩。使用了单载波格形编码的8 PSK或QPSK或BPSK调制方式。纠错外码为R-S，内码为格形码和重迭码。数字电视有线传输 有线电视传输方式：64 QAM转发数字卫星（BS）节目可有不同的选择：通路方式对BS信号不作任何处理，只把频率下移到有线电视带宽内重制方式把BS信号改换成64 QAM的有线电视传输方

10、式。 地面广播制式（ISDB-T） ISDB-T 特点ISDB-T其信号处理与DVB-T基本上相同，但在载波的调制方式、内码编码率、保护间隔比等方面，可按电视、声音、数据的不同需求优化地选用。子信道可以独立搭载信息，直接提供数字声音、信息服务。9.4.4 三种制式比较 移动接收：COFDM有利于移动接收，但在数据率上付出了代价。频谱利用：COFDM频谱效率低于VSB和QAM。抗高斯白噪声：VSB较好，比COFDM优4 dB。抗相位噪声干扰：单载波的VSB与QAM优于COFDM。同频干扰：抗白噪声性能好的VSB有优势。抗短脉冲干扰：理论上COFDM更优；实际上由于ATSC交织长度大情况恰好相反；

11、ISDB-T明显改进，但交织和时延又太长。抗回波干扰：如果回波较弱时是8 VSB较好；在回波比值为0 dB时COFDM和ATSC均可以正常工作，可以同频组网。9.5 演播室系统数字化 我国演播室系统数字化技术升级和设备改造已经有了很大的发展。广播电台、电视台数字化编播技术改造，已由少数先进的大台逐渐向各省市及地县级台迅速铺开，用数字技术完全取代现有模拟技术。这必将使我国的广播事业推进到一个新的阶段。9.5.1 我国音视频广播数字化发展概况 广播影视节目制作、传输及播出的数字化有线电视数字化卫星节目传输数字化 地面数字电视正加快进程 数字声音广播正在试验 9.5.2 数字演播室制作设备 数字摄像

12、机数字特技机数字切换台非线性编辑系统音频信号数字化灯光系统的数字化虚拟电视演播室演播室的网络化数字摄像机 数字摄像机的摄像头仍是模拟的CCD摄像器件。数字摄像机量化：8 bit 、10 bit 、12 bit8bit量化只能处理100 %的标准视频信号电平；现在CCD图像传感器的动态范围已达到600 %， 12 bit A/D转换器可直接处理600 %的信号，使得信号的非线性处理（如较正、拐点处理等）过程得以在数字范畴内进行。数字特技机 原理：把组成一幅幅画面的像素进行重新编排，从而得到一种新的像素排列方式，使画面产生了一种不同的视觉效果。方法：利用帧存储器对数字化的视频信号进行空间变换和亮度

13、变换。内容：缩小、放大、切换、色彩变换、速度变换、任意轨迹移位、三维旋转、静止画面、快慢动作和倒退动作、多画面、镜像、裂像、彩色边框、马赛克、油画、拖尾、频闪、色键跟踪、反射等。数字切换台 在多台摄像机同时拍摄的现场直播节目中，根据一排排监视器上显示的图像通过切换台选择最佳镜头，组合成最终的电视图像。这种在摄制的过程中的编辑称为切换或即刻编辑。数字切换台能处理全数字化的图像信号，通过模拟数字转换接口，它也能处理模拟信号。它能在完成切换工作的同时，方便快捷的加入很多种特殊效果。非线性编辑系统 非线性编辑系统是基于硬盘录像的计算机桌面系统，它包括硬件和软件两部分。非线性编辑系统特点：编辑质量高，效

14、果好。编辑制作方便，大大提高工作效率。图像与声音易实现快速准确同步。降低购置成本，减少维护费用。音频信号数字化 数字调音台：是演播室音频系统中重要的组成部分。数字音频非线性编辑系统：一些大型的音频工作站具有调音、CD刻录、多轨录音与编辑、数字视频与同步等功能。这些数字音频设备同样可以用于广播电台。灯光系统的数字化 灯光系统也是影响演播室节目制作效果的一个重要因素。灯光系统逐渐数字化，使得系统的控制更为方便，故障率降低，整体效果大大提高。数字化的调光台方式：手动 电脑自动 数字化的调光设备功能：场、集控、效果、配线、淡出、淡入、维持、跟随、追踪、往返、堆积、反显、交替、反向。虚拟电视演播室 虚拟

15、演播室利用计算机技术生成运动或静止的三维场景，并能将之与现场视频进行实时合成。虚拟演播室技术就使导演摆脱时间、空间和道具制作等方面的限制，其创造力可以得到充分的扩展。能够大大降低制作成本，尤其在可重复利用背景的制作方面。演播室的网络化 使用网络技术，不仅同一电视台的电视制作各个环节之间可以使用网络共享节目素材资源，国内不同的电视台之间，甚至不同国家的电视台之间按照一定的协议也可以共享节目资源。这种共享节目资源的方式不仅信息传输速度快，传输误码率低，而且安全可靠，成本低。9.5.3 数字广播播控系统 数字化播控系统包括硬盘播出、系统软件等几个部分。播控作为电视台节目编制的最后一道关口，直接关系到

16、节目播出的安全性和质量。为了实现全系统的数字化，播控系统的数字化改造是其中的一个重要环节。9.6 卫星地面站工程实例 以在北京地区接收亚太1A卫星作为卫星接收工程实例示范。亚太1A卫星为C波段通信卫星，发射功率较广播卫星小。它转发的节目既有模拟节目，也有数字节目，均为线极化方式，目前是我国有线电视台的主要信号来源之一。 9.6.1 卫星接收天线 求卫星接收天线几何参数：北京的经度约为116.5 E，纬度约为40 N，该卫星星下点经度为134 E，经度差为-17.5，根据tg = cos - Re / (Re+h) / sin ctg = sin ctg cos = cos cos 求得仰角=

17、41 方位角= 26 （南偏东）。极化角因为地球的曲面，极化方向会与当地的地平线发生偏差，称为极化角。当接收点位于星东面时，倾斜角应东高西低，反之亦反。根据教材式4-22求得极化角= 19确定天线口径 天线口径大小与接收信号的强度相关，也与所选购的系统其他部件的性能有关系，需要对卫星链路进行计算。整个卫星链路的传输质量主要由下行链路来确定。卫星链路又分为模拟和数字两种类型，两种链路的计算方法是十分接近的。模拟卫星链路模拟链路的性能指标是载噪比（C/N）。按卫星辐射功率、传输（距离）衰减、接收系统噪声温度和频带宽度、调频解调器要求的输入载噪比，求得天线增益35.7（dB）根据天线效率和式4-16

18、，求得天线最小直径D 2.06 m。解调出的视频信号信噪比根据输入载噪比再考虑加重、加权等改善系数计算出来。最终稍高于30 dB。数字卫星链路数字卫星链路的性能指标是链路的每比特能量Eb与噪声功率谱密度N0之比。可通过载噪比和接收机的带宽、数字信号的码率进行换算。对于单路单载波方式（SCPC）时，在一个转发器带宽内存在多个载波，为了减少交调影响，转发器功率要降低3 4个分贝，称输出补偿BOO；功率分解到每个单路还要再小几倍。数字卫星链路对于卫星信号数码率Rb，可以由符号率RS和内码编码率FEC求出。同样采用2米天线，求得Eb /N0为7.4dB，明显高于要求的门限4.5 dB，可以得到等同于演播室质量的图像，而同样的天线接收同样强度的模拟信号只能达到刚刚及格的三级图像。9.6.2 卫星接收机输入电平计算 卫星接收机输入电平的典型值为-6