8第4章数字彩色电视制式(下)

1、第4章 数字彩色电视制式燕山大学信息科学与工程学院电视原理美国1986年以前支持日本的MUSE制1987年提出开展ATV(Advanced Television，高级电视)1990年5月,美国GI公司正式发表全数字HDTV传输制式DigiCipher1993年5月成立HDTV大联盟(Grand Alliance, GA)，着手制定一致的美国HDTV规范1995年4月经过了ATSC(Advanced Television System Committee)数字电视规范多极化的传输规范欧洲1981年英国独立广播公司研制出C-MAC(Multipled Analogue Component)制:亮度

2、、色差时分，两个色差逐行轮换，射频载波调频传送，视频带宽8.4MHz1986年提出HD-MAC制受美国数字制式影响，1993年开展DVB(Digital Video Broadcasting)研讨1995年，欧洲成立了DVB联盟，共同制定数字电视的DVB规范：DVB-S(Satellite)、 DVB-C(Cable)、 DVB-T(Terrestrial)日本日本广播协会(NHK)1970-80年代提出模拟高明晰度电视制式MUSE制多重亚奈抽样编码：1125行，60场，隔行扫描，16:9幅型比；色度信号与亮度信号时分复用：TCI时间紧缩合成；多重亚奈抽样紧缩信号频带：4场传送1幅HDTV图像

3、；8.1MHz带宽，调频传送1996年启动数字电视研制1998年9月制定ISDB-T(Integrated Services Digital Broadcasting -Terrestrial)数字电视地面广播系统规范，与欧洲的DVB-T类似4.3 ATSC数字电视制式ATSC制的视频格式4.3.1 ATSC制概述系统分为三部分：信源编码和紧缩、业务复用和传送、射频发送。信源编码和紧缩视频编码和紧缩MPEG-2音频编码和紧缩Dolby AC-3(384Kb/s,5.1声道)，AAC辅助数据条件接纳(CA)等控制数据业务复用和传送 把不同信息类型的比特流打成包 给每一个包以独一的标识符(ID)

4、将视频、音频和辅助数据比特流包时分复用组合成传送包(TSP)射频发送 对传送流进展信道编码和调制，构成用于发送的射频信号 调制系统的两种方式：8VSB调制的地面广播方式(19Mb/s)16VSB调制的有线高比特率方式(38Mb/s)4.3.2 传送层的功能和格式数字电视码流有多个不同的层次和类型：ES、PES、PS、TS。ES(Elementary Stream)根本流，是直接从编码器出来的数据流，可以是视频数据流，音频数据流，或其他编码数据流。 PES(Packetized Elementary Stream)打包根本流，ES流经过PES打包器之后，被转换成PES包。 PS(Program

5、Stream)节目流，是将一个或几个具有公共时间基准的PES组合成的复用流。PS流比较适用于相对误码率小的传输环境中，如交互式多媒体环境和媒体存储管理系统。TS(Transport Stream)传输流，是有一个或几个不同的PES经传输流打包后组成的复合流。TS流更适宜在有干扰或误码的环境中传输。PES包起始码前缀比特流IDPES包长度PES包头标志PES包头长度PES包头区（可变长度）PES包数据块（可变长度）PES包头标志阐明比特流特性的标识符： 加扰指示，优先级指示，数据相配指示，有无版权，原版或复制，有无PTS显示时间标志和DTS解码时间标志，包头能否含时钟基准，包头能否含比特率，包头

6、能否含阐明流来源的DSM (数字存储媒体)方式的字段，能否有CRC循环冗余校验，能否有扩展段。PES包头区各段可选： PTS/DTS，DSM方式，附加复制信息，扩展数据，填充字节PES包数据块： 有效负载数据，即来自相应编码器的一个延续的根本流。 TS包固定长度188字节： 包头4字节包同步，包识别PID，延续计数，加扰控制等 适配区可变长度同步和定时对27MHz系统时钟STC周期性抽样构成的节目时钟基准(PSR)，每100ms至少传送一次根本流的随机进入点指示频道切换用本地节目插入指示 有效负载数据最多184字节包头适配区 有效负载数据4.3.3 前向纠错信道编码48个0+187个信息字节2

7、0个校验字节去信道能量分散RS编码交错卷积编码8VSB调制传送流包ATSC制信道编码和调制RS编码及其纠错译码RS207，187，缩短的RS255，235187个信息字节20个校验字节1个同步字节数据随机化使突发过失分散为随机过失依托码元与相邻码元关系TCM-8VSB调制技术从格形图上可以看出，在两个形状间至少需求3个时间段才有不同的编码途径，维特比译码从这些途径中选择与接纳到的幅度失真电平序列欧几里得间隔为最小的途径，从而实现纠错译码。这些途径之间的最小欧几里得间隔越大，信号的抗噪才干越强。ATSC制采用ASK调制幅移键控调制假设将两比特数据映射为4电平符号：Ai =-3,-1,1,3,分别

8、调制4个不同幅度的高频信号，称为4ASK调制。直接映射时，最小欧几里得间隔为2，用平均功率归一化的最小欧几里得间隔为D0=0.894， 8ASK归一化的最小欧几里得间隔为D0=0.436。 ATSC制采用2/3比率的格形编码，格形图的欧几里得自在间隔为dfree=3D0=30.436=1.31。 编码增益G=20lg(1.31/0.894)=3.32dB预编码器格形编码器DM2M1Z2Z1Z0 8VSB 0 0 0 -7 0 0 1 -5 0 1 0 -3 0 1 1 -1 1 0 0 +1 1 0 1 +3 1 1 0 +5 1 1 1 +78VSBX1X2Y1Y2Z1Z2Z0(a) 8VS

9、B格形编码器 (a)格形编码器、预编码器和符号映射器；(b) 格形图(b)8电平符号映射器格形编码器预编码器00010001011010000000110111111001001100110111101100011011形状VSB数据帧和 频谱随机化RS编码器交错器格形编码器复用器导频信号插入 VSB 调 制 器射频上变频器段同步场同步VSB发射机框图65.38导频抑制载波10.7ATSC制射频信号频谱VSB数据帧 3. VSB数据构造 VSB数据构造如图6-7所示。数据帧(Data Frame)分成两个数据场(Data Field)，每场又有313个数据段(Segments)。每场第一个数据

10、段是数据场同步(Data Field Sync)，其中包括用于接纳机平衡的训练序列；其他312个数据段每段携带了相当于TS包中187 B的信息和FEC编码附加数据。交错使每段数据来自不同的TS包。每段共832个符号，前4个符号传送数据段同步(Data Segment Sync)，其他的828个符号相应于传送包187 B的信息加上20 B的FEC数据。采用23网格编码，2 b将变成3 b。 8VSB调制恰好可以表示3 b 信息，相当于2 b转换为一个8VSB符号(8种电位：7，5，3，1 V)，或1 B转换为4个8VSB符号，因此同步字节占4个符号位，187个数据字节加20 B纠错数据共207

11、B数据占828个符号位。 主要性能地面广播对加性高斯白噪声信道抗噪性能好RS码、交错、格形编码多径接纳才干差，挪动接纳效果差 8VSB眼图闭合抗脉冲干扰性能较好 RS码、交错抗延续波干扰性能差8VSB6MHz带宽，可启用禁用频道，频谱利用率高19运用国美国加拿大韩国204.4 DVB制式水平垂直有效像素幅型比50逐行60/59.94逐行25逐行25隔行30/29.9724/23.976逐行30隔行29.97隔行29.97/23.976逐行1440115216:91920108016:91920103516:9128072016:97205764:3/16:9544480 5763524:3/1

12、6:97204804:3/16:96404804:3544480 4803524:3/16:93522884:3/16:93522404:3/16:94.4.1 DVB制的视频格式与接口DVB制的视频格式DVB系统的主要规范有： (1) DVB-S：用于1112 GHz频段的数字卫星系统，适用于多种转发器带宽与功率，传输层的数码率最大为38.1 Mb/s。 (2) DVB-C：用于8 MHz数字有线电视系统，与DVB-S兼容， 传输层的数码率最大为38.1 Mb/s。 (3) DVB-T：用于6 MHz、7 MHz、8 MHz地面数字电视系统，传输层的数码率最大为24 Mb/s。 (4) DV

13、B-CS：用于数字卫星共用天线电视系统SMATV，由DVB-C和DVB-S改动得出，用于共用天线电视系统安装。 (5) DVB-SI： 效力信息系统。 (6) DVB-TXT： 固定格式图文广播传送规范。 (7) DVB-CI： 用于条件接纳及其它运用的DVB公共接口。 (8) DVB-DATA： 用于数据广播的技术规范。 (9) DVB-RCC/RCTNIP： 用于交互电视回传信道。 DVB设备的接口SPI同步并行接口，用在设备相距较近的场所。它有11对信号线，并行地发送时钟、数据占8对信号线和同步信号等。全部信号与时钟同步，它的频率随传送流的码率而定。SSI同步串行接口，是同步并行接口的一

14、种扩展。它的功能与SPI相当，只是在两端进展了并串的正、反变换。这种接口运用的衔接速率就是传送流的码率，传输介质可以是电缆或光纤。SSI目前用得较少。ASI异步串行接口，传输介质可以是电缆或光纤。它采用固定的衔接速率270Mbps。按DVB-T制采用的信道编码和射频信号构成的特点，它又被称为编码正交频分复用(COFDM，Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex)多载波制式。采用“数据容器模型，包容各类数据，在一个频道内实现准无误码传输。顺应8MHz频道。系统具有单频网运转才干。可以抑制来自采用一样频率的临近发射机的类似回波的同频道干扰。4.4.

15、2 DVB-T制概述DVB-T系统功能框图更多的抗干扰和防误码比特流分两种优先级传输DVB-T性能多径接纳性能好可用于挪动接纳分层调制在AWGN信道下载噪比门限值高于ATSC多载波OFDM，频谱率用率高于单载波单频网节省频谱采用维护间隙和导频，减小信道容量的有效利用多频网时抗同频道数字电视干扰才干弱于ATSC抗脉冲干扰才干弱于ATSC交错深度不强抗延续波干扰才干好多载波27运用国欧洲各国和PAL与SECAM各国澳大利亚新西兰印度新加坡284.5 ISDB-T规范 4.5.1 频宽分段传输日本ISDB-T规范采用频宽分段传输正交频分复用调制方式(Bandwidth Segmented Trans

16、mission， OFDM)， 可以在6 MHz带宽中传送HDTV效力或多节目效力。 与DVB不同的是， ISDB-T规范将整个带宽分割成一系列的频率段，称为OFDM段。ISDB-T提供几种调制方式的组合(DQPSK、 QPSK、16QAM、 64QAM)和内编码的编码率(code rate)(12、 23、 34、 56、 78)。 这些参数对每个OFDM段可以独立选择。 ISDB-T的模拟带宽有5.6 MHz(宽带ISDB-T)和430 kHz (窄带ISDB-T)两种选择。宽带ISDB-T由13个OFDM段组成，可以分层传输。也就是说，各个OFDM段可以具有不同的参数，这样就可以满足综合

17、业务接纳机的需求。 窄带ISDB-T仅由一个OFDM段构成， 适宜语音和数据广播。宽带接纳机可以接纳窄带信号，窄带接纳机可以接纳宽带信号的中心频率段。 高强度时间交错顺应挪动接纳ISDB-T系统内层方框图 4.6 ADTB方案(上海交大) 4.6.1 ADTB系统的设计根据 1. 我国的室内接纳环境优于美国 美国的山脉由北向南，密西西比河也由北向南， 北方的寒流到来时， 一天内可以纵贯北美大陆。气候相对枯燥。在住房方面，美国地广人稀， 住房普通不超越三层。 房屋普通是木质构造， 最外层是厚度达12 mm的铝皮， 墙内有玻璃纤维隔热， 玻璃纤维的底层往往是一层对内全反射、对外漫反射的铝箔。 这样

18、，室内在被热屏蔽的同时也被电磁屏蔽，电视信号严重衰减，室内接纳到的信号非常微弱。由于房屋普通是方形构造， 室内信号在墙之间反射，构成驻波，呵斥强的、近的多径信号， 并在室内构成多个波谷点，使本来曾经微弱的信号在波谷点被进一步衰减， 室内接纳效果极差。 我国的主要山脉由西至东， 长江、 黄河也由西至东， 北方的寒流到来时被山脉阻挠，构成梅雨季节，气候相对潮湿。 我国住房普通超越三层， 主要是砖构造。 砖的反射系数和吸收系数远小于铝。信号既不会被大幅衰减，也不会在室内构成驻波。因此，我国没有美国室内接纳的恶劣环境， 一样发射功率时接纳到的信号功率会强很多。 2. 我国城市环境中存在较严重的冲击噪声

19、和多径反射 美国的电视发射天线普通都位于市区中心的高层建筑顶上， 不同的电视台能够还利用不同的地点发射。 而我国的电视发射天线普通都位于市郊的山上， 经常只需一个集中发射点。 我国大城市楼群的数量较多且分布相对分散，楼内的住户密度较高。 这些特点呵斥我国城市的多径反射的强度和延迟情况较美国严重。另外，我国城建的多头管理和工程施工质量不稳定的现状，呵斥我国电视无线和有线广播环境中存在较严重的冲击噪声和多径反射。 3. 单载波和多载波调制不是系统性能好坏的决议要素 以美国ATSC规范为代表的单载波调制方式与以欧洲DVB-T规范为代表的多载波调制方式的性能之争由来已久。国际组织的多次比较测试结果阐明

20、，除了ATSC规范没有包含挪动接纳方式而无法判别其挪动性能外，两个规范在室内、室外接纳效果相差不大。 根据MSTVMaximum Service Television和NABNational Association of Broadcasters在美国华盛顿、 巴尔的摩和克利夫兰于2000年的测试结果可知，美国规范的室内、 室外接纳效果都明显优于欧洲规范。 加拿大CRCCommunications Research Centre在2000年和2001年的测试中也得出了同样的结论。 这些实验的另一重要结论是， 即使美国规范的测试机性能优于欧洲规范的测试机性能， 其接纳性能(特别是室内接纳)也不能

21、满足数字电视地面广播需求。也就是说， 现有国外的单载波和多载波系统都需求进一步改良。 4. 多普勒频率不是系统挪动接纳性能的决议要素 在挪动接纳时，对系统性能呵斥影响的决议性要素并不是多普勒(Doppler)频率，而是信号幅度的变化，即栅栏效应。 在挪动接纳时，信号时而可以直达， 时而被挡住，接纳到信号的幅度变化速度与程度是系统稳定任务与否的决议要素。 5. 接纳机的三个关键部件 (1) 调谐器是数字电视地面广播系统的物理瓶颈。 (2) 信号处置是数字电视地面广播系统的中心。 (3) 信息处置必需与信号处置相结合。 地面广播方式的系统方框图 时分方式4.6.2 ADTB系统 混合传输方式 AD

22、TB系统的地面广播支持混合传输方式。在混合传输方式下，来自于固定接纳、挪动接纳和数据效力的码流分别经过独立的信道编码和插入系统信息后，以时分复用的方式混合发送。 混合比例可以经过控制单元动态调理。 在地面广播方式下，在单一传输方式时，在每一个8 MHz频道内，固定传输方式可以传输25 Mbs的数据，挪动传输方式可以传输12.5 Mbs的数据，数据传输方式可以传输6.3 Mbs的数据。 图6-28是OQAM调制框图。I、Q信号的构成也可以了解为将输入符号乘以+1，0， -1，0的序列以构成I通道信号， 将输入符号乘以0， +1， 0， -1的序列以构成Q通道信号。 OQAM调制框图 6. 基带频

23、谱 该频谱宽8 MHz， 有效带宽7.14 MHz，信道滤波器为12的RRC滤波器。上下边带分别为0.43 MHz，占有效带宽的12。 在上下边带的中心各有一个0.15 dB的导频信号。 图6-29 OQAM信号的基带频谱 ADTB系统的优点适宜中国国情 2. 灵敏的效力方式 3. 能与模拟电视很好地兼容 4. 高的带宽运用效率和数据率 5. 时钟恢复和载波恢复迅速可靠 6. 优良的挪动接纳便携接纳性能 7. 同步快、 延迟短、 噪声影响小 8. 系统信息维护好 9. 与其它制式的兼容性好 10. 自主知识产权 4.7 DMB-T方案 4.7.1 DMB-T系统的设计根据 DMB-T系统是根据中国政府主管部门对数字电视广播业务与效力提出的以下需求而设计的： 提供包括HDTV在内的多媒体广播和综合数据业务； 支持固定、 便携、 挪动等接纳设备； 高度灵敏的频率规划和广播覆盖区域。 根据中国地面广播电视的详细情况，将上述业务与效力需求归纳为下面关于地面数字多媒体电视广播传输系统的设计要求： (1) 射频信道范围与现有模拟电视广播兼容。 (2)