8第4章数字彩色电视制式(下)

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年提出发展ATV(AdvancedTelevision,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(GrandAlliance,GA),着手制定统一的美国HDTV标准1995年4月通过了ATSC(AdvancedTelevisionSystemCommittee)数字电视标准多极化的传输标准欧洲1981年英国独立广播公司研制出C-MAC(MultipledAnalogueComponent)制: 亮度、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(DigitalVideoBroadcasting)研究1995年，欧洲成立了DVB联盟，共同制定数字电视的DVB标准: DVB-S(Satellite)、DVB-C(Cable)、DVB-T(Terrestrial)日本日本广播协会(NHK)1970-80年代提出模拟高清晰度电视制式——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（时间压缩合成)；多重亚奈抽样压缩信号频带：4场传送1幅HDTV图像；8.1MHz带宽，调频传送1996年启动数字电视研制1998年9月制订ISDB-T(IntegratedServicesDigitalBroadcasting-Terrestrial)数字电视地面广播系统标准，与欧洲的DVB-T类似4.3ATSC数字电视制式ATSC制的视频格式4.3.1ATSC制概述系统分为三部分:信源编码和压缩、业务复用和传送、射频发送。信源编码和压缩

视频编码和压缩——MPEG-2 音频编码和压缩——DolbyAC-3(384Kb/s,5.1声道)，AAC 辅助数据——条件接收(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唯一的标识符(ID)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

对传送流进行信道编码和调制，形成用于发送的射频信号调制系统的两种模式: 8VSB调制的地面广播模式(19Mb/s) 16VSB调制的有线高比特率模式(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(ElementaryStream)基本流，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(PacketizedElementaryStream)打包基本流，ES流经过PES打包器之后，被转换成PES包。PS(ProgramStream)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(TransportStream)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流更适合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（说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)，包头是否含时钟基准，包头是否含比特率，包头是否含说明流来源的DSM(数字存储媒体)模式的字段，是否有CRC（循环冗余校验)，是否有扩展段。PES包头区（各段可选)：PTS/DTS，DSM模式，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连续的基本流。

TS包固定长度（188字节)：包头（4字节) 包同步，包识别（PID)，连续计数，加扰控制等适配区（可变长度) 同步和定时——对27MHz系统时钟（STC)周期性抽样形成的节目时钟基准 (PSR)，每100ms至少传送一次 基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20个校验字节去信道能量扩散RS编码交织卷积编码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 RS（207，187)，缩短的RS（255，235)187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差错分散为随机差错依靠码元与相邻码元关系TCM-8VSB调制技术从格形图上可以看出，在两个状态间至少需要3个时间段才有不同的编码路径，维特比译码从这些路径中选择与接收到的幅度失真电平序列欧几里得距离为最小的路径，从而实现纠错译码。这些路径之间的最小欧几里得距离越大，信号的抗噪能力越强。ATSC制采用ASK调制（幅移键控调制)若将两比特数据映射为4电平符号：Ai=-3,-1,1,3,分别调制4个不同幅度的高频信号，称为4ASK调制。直接映射时，最小欧几里得距离为2，用平均功率归一化的最小欧几里得距离为D0=0.894，8ASK归一化的最小欧几里得距离为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由距离为dfree=3D0=3×0.436=1.31。编码增益G=20lg(1.31/0.894)=3.32dB预编码器格形编码器DM2M1Z2Z1Z08VSB000-7001-5010-3011-1100+1101+3110+5111+78VSBX1X2Y1Y2Z1Z2Z0(a)8VSB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状态VSB数据帧和频谱随机化RS编码器交织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数据结构VSB数据结构如图6-7所示。数据帧(DataFrame)分成两个数据场(DataField)，每场又有313个数据段(Segments)。每场第一个数据段是数据场同步(DataFieldSync)，其中包括用于接收机均衡的训练序列;其余312个数据段每段携带了相当于TS包中187B的信息和FEC编码附加数据。交织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(DataSegmentSync)，其余的828个符号相应于传送包187B的信息加上20B的FEC数据。采用2／3网格编码，2b将变成3b。8VSB调制恰好可以表示3b信息，相当于2b转换为一个8VSB符号(8种电位：±7，±5，±3，±1V)，或1B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20B纠错数据共207B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、交织、格形编码)多径接收能力差，移动接收效果差

（8VSB眼图闭合)抗脉冲干扰性能较好（RS码、交织)抗连续波干扰性能差（8VSB)6MHz带宽，可启用禁用频道，频谱利用率高19使用国美国加拿大韩国……204.4DVB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1440×115216:9√1920×108016:9√√√√√1920×103516:9√√√1280×72016:9√√√√720×5764:3/16:9√√√544480

×5763524:3/16:9√√720×4804:3/16:9√√√√640×4804:3√√√√544480×4803524:3/16:9√√352×2884:3/16:9√352×2404:3/16:9√4.4.1DVB制的视频格式与接口DVB制的视频格式DVB系统的主要标准有:(1)DVB-S:用于11／12GHz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38.1Mb/s。(2)DVB-C:用于8MHz数字有线电视系统，与DVB-S兼容，传输层的数码率最大为38.1Mb/s。(3)DVB-T:用于6MHz、7MHz、8MHz地面数字电视系统，传输层的数码率最大为24Mb/s。(4)DVB-CS：用于数字卫星共用天线电视系统（SMATV)，由DVB-C和DVB-S改变得出，用于共用天线电视系统安装。(5)DVB-SI：服务信息系统。(6)DVB-TXT：固定格式图文广播传送规范。(7)DVB-CI：用于条件接收及其它应用的DVB公共接口。(8)DVB-DATA：用于数据广播的技术规范。(9)DVB-RCC/RCT／NIP：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合。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种扩展。它的功能与SPI相当，只是在两端进行了并串的正、反变换。这种接口使用的连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。它采用固定的连接速率（270Mbps)。按DVB-T制采用的信道编码和射频信号形成的特点，它又被称为编码正交频分复用(COFDM，CodedOrthogonalFrequencyDivisionMultiplex)多载波制式。采用"数据容器”模型，容纳各类数据，在一个频道内实现准无误码传输。适应8MHz频道。系统具有单频网运行能力。能够克服来自采用相同频率的邻近发射机的类似回波的同频道干扰。4.4.2DVB-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性能多径接收性能好可用于移动接收（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保护间隙和导频，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能力弱于ATSC抗脉冲干扰能力弱于ATSC（交织深度不强)抗连续波干扰能力好（多载波)27使用国欧洲各国和PAL与SECAM各国澳大利亚新西兰印度新加坡284.5ISDB-T标准4.5.1频宽分段传输日本ISDB-T标准采用频宽分段传输正交频分复用调制方式(BandwidthSegmentedTransmission，OFDM)，可以在6MHz带宽中传递HDTV服务或多节目服务。与DVB不同的是，ISDB-T标准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(coderate)(1／2、2／3、3／4.5／6、7／8)。这些参数对每个OFDM段可以独立选择。ISDB-T的模拟带宽有5.6MHz(宽带ISDB-T)和430kHz(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,这样就能够满足综合业务接收机的需要。窄带ISDB-T仅由一个OFDM段构成,适合语音和数据广播。宽带接收机可以接收窄带信号,窄带接收机可以接收宽带信号的中心频率段。高强度时间交织适应移动接收ISDB-T系统内层方框图4.6ADTB方案(上海交大)

4.6.1ADTB系统的设计依据1.我国的室内接收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。气候相对干燥。在住房方面,美国地广人稀,住房一般不超过三层。房屋一般是木质结构,最外层是厚度达1～2mm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,室内在被热屏蔽的同时也被电磁屏蔽,电视信号严重衰减,室内接收到的信号十分微弱。由于房屋一般是方形结构,室内信号在墙之间反射,形成驻波,造成强的、近的多径信号,并在室内形成多个波谷点,使本来已经微弱的信号在波谷点被进一步衰减,室内接收效果极差。

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挡,形成梅雨季节,气候相对潮湿。我国住房一般超过三层,主要是砖结构。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,也不会在室内形成驻波。因此,我国没有美国室内接收的恶劣环境,相同发射功率时接收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和多径反射美国的电视发射天线一般都位于市区中心的高层建筑顶上,不同的电视台可能还利用不同的地点发射。而我国的电视发射天线一般都位于市郊的山上,常常只有一个集中发射点。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。这些特点造成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,造成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定因素以美国ATSC标准为代表的单载波调制方式与以欧洲DVB-T标准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表明，除了ATSC标准没有包含移动接收模式而无法判断其移动性能外，两个标准在室内、室外接收效果相差不大。根据MSTV（MaximumServiceTelevision)和NAB（NationalAssociationofBroadcasters)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，美国标准的室内、室外接收效果都明显优于欧洲标准。加拿大CRC（CommunicationsResearchCentre)在2000年和2001年的测试中也得出了同样的结论。这些试验的另一重要结论是，即使美国标准的测试机性能优于欧洲标准的测试机性能，其接收性能(特别是室内接收)也不能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要进一步改进。4.多普勒频率不是系统移动接收性能的决定因素在移动接收时,对系统性能造成影响的决定性因素并不是多普勒(Doppler)频率,而是信号幅度的变化,即栅栏效应。在移动接收时,信号时而可以直达,时而被挡住,接收到信号的幅度变化速度与程度是系统稳定工作与否的决定因素。5.接收机的三个关键部件

(1)调谐器是数字电视地面广播系统的物理瓶颈。

(2)信号处理是数字电视地面广播系统的核心。

(3)信息处理必须与信号处理相结合。地面广播模式的系统方框图时分方式4.6.2ADTB系统混合传输模式ADTB系统的地面广播支持混合传输模式。在混合传输模式下,来自于固定接收、移动接收和数据服务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。混合比例可以通过控制单元动态调节。在地面广播模式下,在单一传输模式时,在每一个8MHz频道内,固定传输模式可以传输25Mb／s的数据,移动传输模式可以传输12.5Mb／s的数据,数据传输模式可以传输6.3Mb／s的数据。

图6-28是OQAM调制框图。I、Q信号的形成也可以理解为将输入符号乘以［+1,0,-1,0］的序列以形成I通道信号,将输入符号乘以［0,+1,0,-1］的序列以形成Q通道信号。OQAM调制框图6.基带频谱该频谱宽8MHz,有效带宽7.14MHz,信道滤波器为12％的RRC滤波器。上下边带分别为0.43MHz,占有效带宽的12％。在上下边带的中心各有一个0.15dB的导频信号。图6-29OQAM信号的基带频谱ADTB系统的优点适合中国国情2.灵活的服务方式3.能与模拟电视很好地兼容4.高的带宽使用效率和数据率5.时钟恢复和载波恢复迅速可靠6.优良的移动接收便携接收性能7.同步快、延迟短、噪声影响小8.系统信息保护好9.与其它制式的兼容性好10.自主知识产权4.7DMB-T方案4.7.1DMB-T系统的设计依据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服务提出的下列需求而设计的：①

提供包括HDTV在内的多媒体广播和综合数据业务;②

支持固定、便携、移动等接收设备;③

高度灵活的频率规划和广播覆盖区域。

根据中国地面广播电视的具体情况，将上述业务与服务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)基带频率带宽为8MHz。(3)移动接收机的时速小于130km／h。(4)单发射机覆盖范围的半径小于75km。(5)适用地区为都市、郊区、城镇、乡村。(6)适用地貌为平原、丘陵、海滨、湖畔。(7)使用环境为室内、室外、车载、便携。几种数字电视地面传输系统的特点图6-30两种OFDM信号帧结构比较(a)通常的OFDM信号帧结构;(b)DMB-T中的OFDM信号帧结构DMB-T中的OFDM信号帧结构中,保护间隔被一段伪随机码帧头取代PN头既可作为训练序列用于同步和信道估计,又在客观上起到了保护间隔的作用。对接收端来说,由于PN码帧头是已知序列,因此可通过时域信号处理算法将PN头与帧体分开并获得系统同步。这种用时域处理而不是频域处理方法完成同步的技术称为时域同步正交频分复用调制,是DMB-T协议的核心。PN码帧头结构前同步缓冲和后同步缓冲是PN序列的循环延拓,起保护作用。DMB-T的每一帧采用不同的PN头作为帧标志,在发射端对PN头采用BPSK调制以获得可靠的传输效果。在接收端则通过同样的PN序列产生器来产生本地PN序列,并与接收信号的PN码帧头进行时域相关运算,从而完成帧同步、频率同步、时间同步、信道传输特性估计和相位噪声跟踪等一系列同步计算。DMB-T传输系统的原理方框图图6-34TDS-OFDM调制器方框图DMB-T传输系统采用了创新的多载波调制方式及最新的纠错编码和交织编码技术,适用于具有多径干扰和多普勒频移的传输信道,它对于地面数字多媒体电视广播以外的其它宽带传输系统也是适用的。DMB-T传输系统具有可扩展性。由于采用了编码的PN序列,TDS-OFDM能够支持很多通信领域的最新研究成果,例如时空分集编码、智能天线、蜂窝网络和定向定位接收等等,这些技术能进一步提高传输效率。1、Geniusonlymeanshard-workingallone'slife.(Mendeleyer,RussianChemist)

天才只意味着终身不懈的努力。20.8.58.5.202011:0311:03:10Aug-2011:032、Ourdestinyoffersnotonlythecupofdespair,butthechaliceofopportunity.(RichardNixon,AmericanPresident)命运给予我们的不是失望之酒，而是机会之杯。二〇二〇年八月五日2020年8月5日星期三3、Patienceisbitter,butitsfruitissweet.(JeanJacquesRousseau,Frenchthinker)忍耐是痛苦的，但它的果实是甜蜜的。11:038.5.202011:038.5.202011:0311:03:108.5.202011:038.5.20204、Allthatyoudo,dowithyourmight;thingsdonebyhalvesareneverdoneright.----R.H.Stoddard,Americanpoet做一切事都应尽力而为，半途而废永远不行8.5.20208.5.202011:0311:0311:03:1011:03:105.Youhavetobelieveinyourself.That'sthesecretofsuccess.----CharlesChaplin人必须相信自己，这是成功的秘诀。-Wednesday,August5,2020August20Wednesday,August5,20208/5/20206、Almostanysituation---goodorbad---isaffectedbytheattitudewebringto.----LuciusAnnausSeneca差不多任何一种处境---无论是好是坏---都受到我们对待处境态度的影响。11时3分11时3分5-Aug-208.5.20207、Althoughtheworldisfullofsuffering,itisfullalsooftheovercomingofit.----HellenKeller,Americanwriter虽然世界多苦难，但是苦难总是能战胜的。20.8.520.8.520.8.5。2020年8月5日星期三二〇二〇年八月五日8、Formanismanandmasterofhisfate.----Tennyson人就是人，是自己命运的主人11:0311:03:108.5.2020Wednesday,August5,20209、Whensuccesscomesinthedoor,itseems,loveoftengoesoutthewindow.-----JoyceBrothers成功来到门前时，爱情往往就走出了窗外。11:038.5.202011:038.5.202011:0311:03:108.5.202011:038.5.202010、Lifeismeasuredbythoughtandaction,notbytime.——Lubbock衡量生命的尺度是思想和行为，而不是时间。8.5.20208.5.202011:0311:0311:03:1011:03:1011、Tomakealastingmarriagewehavetoovercomeself-centeredness.要使婚姻长久，就需克服自我中心意识。Wednesday,August5,2020August20Wednesday,August5,20208/5/202012、Treatotherpeopleasyouhopetheywilltreatyou.你希望别人如何对待你，你就如何对待别人。11时3分11时3分5-Aug-208.5.202013、Todowhateverneedstobedoneto

preservethislastandgreatestbastionoffreedom.(RonaldReagan,AmericanPresident)为了保住这最后的、最伟大的自由堡垒，我们必须尽我们所能。20.8.520.8.5Wed