,数字电视原理,主讲人：赵艳杰,西安电子科技大学出版社,内蒙古大学电子信息工程学院,6.1 数字电视传输系统 6.2 能量扩散、纠错编码、 数据交织和解交织、格状编码（TCM） 6.3 美国 ATSC 数字电视系统 6.4 DVB 数字视频广播系统 6.5 ISDB-T 数字电视系统 6.6 我国DMB-T标准,第6章 数字电视传输 和数字视频广播系统,6.1 数字电视传输系统 数字电视信号是一种数字信号，数字电视传输系统归属于数字通信系统范筹，遵循数字通信系统的一般规律。 一. 数字通信系统 数字通信系统的组成如图 6.1.1 所示。整个通信系统包括信源部分、信道部分和信宿部分。信源部分主要由信源编码组成，信道部分主要由信道编码、传输线路 ( 也简称信道 )、信道解码组成，信宿部分主要由信源解码组成。 在数字电视传输系统中，信源部分又可细分为数字视频信源压缩编码、数字音频信源压缩编码、数据编码、节目流多路复用、传输流多路复用等，如图 6.1.2所示。,图 6.1.1 数字通信系统的组成,图6.1-1 数字电视广播系统组成框图,节目流多路复用是将数字视频信源压缩编码、数字音频信源压缩编码、数据编码三种信号复用在一起成为节目流。传输流多路复用是将多个节目流复用在一起形成传输流。,图 6.1.2 信源部分组成框图,信源部分的反过程，如图 6.1.3 所示。首先将收到的信号进行传输流多路解复用，变成各个节目流，再从节目流中进行多路解复用，分解送出数字视频信号、数字音频信号、数据信号，最后分别进行解压缩，恢复得到原始的视频信号。,图6.1.3 信宿部分组成框图,数字电视信号在经频带压缩编码（信源编码）进行数据压缩后，要通过信道传输给接收端。数字视频广播系统的传输信道主要有三种类型： 即卫星（Satellite）、有线 ( Cable ) 和地面 ( Terrestrial )信道。 这三种信道都需要将基带数字电视信号调制在正弦载波上进行传输。为了节省频率资源。要求调制后的数字电视信号的带宽尽量窄。 数字电视信号的带宽：（1）取决于基带电视信号的带宽 ， （2）取决于调制方式。 基带电视信号的频带压缩靠信源编码实现，调制技术决定了数字电视信号的带宽。,对全数字化的 HDTV ，以目前信源编码所达到的水平。只能将约 1.5Gb/s 的数据率压缩到 20Mb/s ，为使其能在带宽为 6 8 MHz 的模拟电视信道内高质量地传送，必须采取适当的数字调制技术。 关于演播室参数和信源编码，由于它们与三种传播媒体没有必然对应的关联性，或者说它们对于不同的传输媒体是通用的。演播室参数主要分 SDTV 和 HDTV 两类，信源编码都采用 MPEG-2 的国际通用标准。 数字电视的信道编码： 数字电视信号在信道传输中，往往要受到各种干扰和叠加上各种噪声，严重时在接收端会导致 “ l ”，和“ 0 ” 的错误判决，即产生误码。误码较轻时会引起图像的不稳定，严重时可能使图像根本无法接收。,信源编码后还必须对数字电视信号进行具有差错控制功能的信道编码，才能在信道中传输，以确保传输的可靠性。 数字电视中的差错控制采用前向纠错 ( FEC ) 方式，在这种方式中，接收端能够根据所接收到的码元自动检知错误和纠正错误。 信道编码主要包括：能量扩散、纠错编码 ( 循环码、卷积码 )、数据交织和解交织、格状编码 ( TCM )。 数字调制技术： 包括：相移键控（PSK）、 正交幅度调制（QAM）、格形编码调制（TCM）、 正交频分复用(OFDM）以及残留边带调制（VSB） 调制方式的选择应与信道的特点相匹配。,传输线路包括：卫星、微波、光纤、同轴电缆、电话线和地面广播等。 为了提高通信的可靠性，信道部分对信号处理极其严格，也极其复杂，处理方法也较多。因此，信道部分又被细分为外信道和内信道，如图 6.1.4 所示。,图 6.1.4 信道部分详图,发送端：外信道包括外码能量扩散、外码 R-S 纠错编码、外码数据交织； 接收端：外信道包括外码数据解交织、外码 R-S 纠错解码、外码解能量扩散等。 内信道：包括内码卷积交织、内码卷积编码、内码数字调制； 接收端：内信道包括内码数字解调、内码卷积解码、内码卷积解交织等。 内码卷积编码常采用格状编码。格状编码往往又和调制技术有机地结合起来。格状编码调制技术又称码调。 内信道格状编码的一种是卷积编码 ( 卷积编码的编码方法可以用卷积运算形式表达 )，经过卷积编码后，原来无关的数字符号序列前后一定间隔之内有了相关性。应用这种相关性根据前后码符关系来解码，比起逐个信号判决解码性能要好得多。,数字电视可以通过数字卫星、数字微波、数字光纤网、数字有线电视网进行传输，也可以通过地面广播方式进行传输。传输方式不同，传输前对数字电视信号的处理方式也有所差异。本节主要分析各种不同的传输方式中信号处理的方法。 二. 数字电视卫星传输系统 数字电视卫星传输系统发射侧电路框图如图 6.1.5(a) 所示。它包括数字视频编码、数字音频编码、数据编码、节目流多路复用、传输流多路复用、能量扩散、外码 R-S 纠错编码、内码卷积交织、内码卷积编码、基带整形、QPSK 调制等。经 QPSK 调制后的中频 ( IF ) 信号再经频谱搬移到射频上，经卫星天线发射到卫星上。,图 6.1.5 数字电视卫星传输系统 (a) 发射侧电路框图;,接收侧电路框图如图 6.1.5 ( b ) 所示，它是发射侧的反过程。,图 6.1.5 数字电视卫星传输系统 (b) 接收侧电路框图,卫星系统既可以是一个单载波系统又可以是多载波系统。数字电视卫星传输是为了满足卫星转发器的带宽及卫星信号的传输特点而设计的。如果我们将所要传输的有用信息称为 “核”，那么它的周围包裹了许多保护层，使信号在传输过程中有更强的抗干扰能力，视频、音频以及数据被放入固定长度打包的 MPEG-2 传输流中，然后进行信道处理。在卫星系统中，信道处理过程如下： (1) 进行同步字节的倒相，倒相字节的长度为每隔 8个同步字节 进行一次。 (2) 进行数据的能量扩散 ( 数据随机化 ) ，避免出现长串的 0或 1。 (3) 为每个数据包加上前向纠错的 R-S 编码，也叫做外码。R-S 编码的加入会使原始数据长度由原来的 188 字节增加到 204 字节 ( 见DVB标准 )。 (4) 进行数据交织。,(5) 加入卷积码 ( 格状编码 ) 纠错，也称内码。内码的数量可以根 据信号的传输环境进行调节。 (6) 对数据流进行 QPSK 调制，见图 6.1.5。 为了达到最大的功率利用率又不使频谱利用率有很大的降低，卫星系统最好采用 QPSK 调制并使用卷积码 ( 格状编码 ) 和 R-S 级联纠错的方式。 在接收端，内码输入端有很大的误码率 ，但经内码校正输出更低的误码率，这一误码率相当于外码输出近似无误码 。 传输系统首先对突发的误码进行离散化，然后加入 R-S 外纠错码保护，内码纠错码 ( 格状编码 ) 可以根据发射功率、天线尺寸以及码流率进行调节变化。例如，一个 36 MHz 带宽的卫星转发器采用 的卷积码 ( 格状编码 ) 可以达到的码流率是 39 Mb/s ，这一码流率可以传送 5 或 6 路高质量电视信号。,三. 数字电视有线传输系统 数字电视有线传输系统发射侧电路框图如图 6.1.6 (a) 所示。为了使各种传输方式尽可能兼容，除信道调制外的大部分处理均与卫星中的处理相同，也即有相同的能量扩散 (伪随机序列扰码 )、相同的 R-S 纠错、相同的卷积交织，随后进行的处理是专门用于电缆电视的。 首先进行字节 (Byte) 到符号的映射，如 64QAM 是将 8 比特数据转换成 6 比特为一组符号，然后前 2 比特进行差分编码再与剩余的4比特转换成相应星座图中的点。该方案可以适应16QAM、32QAM、64QAM 三种调制方式。,图 6.1.6 数字电视有线传输系统 (a) 发射侧电路框图,图 6.1.6 数字电视有线传输系统 (b) 接收侧电路框图,有线网络系统的核心与卫星系统的相同，但数字调制系统是以正交幅度调制 ( QAM ) 而不是以 QPSK 为基础的，而且可不需要内码 ( 格状编码 ) 编码。该系统采用 64QAM，也能够使用16QAM 和 32QAM。在每一种情况下，在系统的数据容量和数据的可靠性之间进行折衷。 更多电平的调制，例如 128QAM 和 256QAM，也是可能的，但它们的使用取决于有线网络的容量和解码器的性能。如果使用 64QAM，那么 8 MHz 频道能够容纳 38. 5 Mb/s 的有效载荷容量。接收侧电路框图如图 6.1.6(b) 所示，它是发射侧的反过程。,四. 数字电视地面广播传输系统 1. COFDM调制方案 对于欧洲数字电视地面广播传输系统，信源仍然采用MPEG-2 数字音频、视频压缩编码。 其它特点是，采用编码正交频分多路调制 ( COFDM ) 方式，它是由内码编码 (Code) 和正交频分多路调制 (OFDM) 相组合起来的一种数字调制方式，称做编码正交频分多路调制(COFDM)方式。这种调制方式又可以分成 2K 载波方式和 8K 载波方式。 COFDM 调制方式将信息分布到许多个载波上面，这种技术曾经成功地运用到了数字音、视频广播 DAB上面，用来避免传输环境造成的多径反射效应，其代价是引入了传输 “保护间隔”。这些 “保护间隔” 会占用一部分带宽，通常 COFDM的载波数量越多，对于给定的最大反射延时时间，传输容量损失越小。,COFDM中各字母的具体技术含义如下： (1) C为编码 Code 的英文缩写。为了修正传输中可能出现的差错，信源编码输出的比特流通常要加入冗余进行差错保护，即进行纠错编码。例如，可采用编码率可变的卷积编码可删除型卷积编码，以适应不同重要性的数据的保护要求。 (2) OFD为正交频分。使用大量的载波 ( 即副载波 ) 以代替通常用于传送一套节目的单个载波。 这些副载波有相等的频率间隔，所有副载波的频率都是一个基本振荡频率的整数倍，在频谱关系上是彼此正交的。这些副载波尽管靠得很近，且有部分频谱重叠，但它们携带的信息仍然可以彼此分离。要传送的信息 (信源比特流 )，按照一定规则被分割后，分配在这些副载波上，每一个副载波可采用四相差分相移键控 ( 4DPSK ) 方法调制。,(3) M 为复用。COFDM是一种宽带传输方式，传输的信息不再是单一的节目，而是许多套节目相互交织地分布在上述大量副载波上，形成一个频率块。 由于 COFDM 调制方式的抗多径反射功能，它可以潜在地允许在单频网中相邻网络的电磁覆盖重叠，在重叠的区域内可以将来自两个发射塔的电磁波看成是一个发射塔的电磁波与其自身反射波的叠加。但是如果两个发射塔相距较远，发自两塔的电磁波的时间延迟比较长，系统就需要较大的保护间隔。由该种数字调制方式组成的数字电视传输系统如图 6.1.7所示。 发射侧电路由节目流多路复用、传输流多路复用、能量扩散、外码 R-S 纠错编码、 外码交织、内码卷积交织、 内码卷积编码、OFDM 调制和射频输出等部分组成。,图 6.1.7 带有正交频分多路数字调制的数字电视传输系统 (a) 发射侧电路框图,从前向纠错码来看，由于传输环境的复杂性，COFDM 数字电视传输系统不仅包含了内、外码纠错编码 ，而且加入了内、外码交织 ，见图 6.1.7(a) 。,图 6.1.7 带有正交频分多路数字调制的数字电视传输系统 (b) 接收侧电路框图,接收部分是它的反过程，见图 6.1.7(b) 。,2. 残留边带 ( VSB ) 调制方案 1994年美国大联盟 HDTV 方案传输部分采用残留边带 ( VSB ) 进行高速数字调制，该地面广播收、发系统如图 6.1.8 所示。 对于发射机部分，图像、伴音的打包数据先送入 R-S 编码器，再经数据