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第 2 章. 数字电视信号 的信道编码与调制. 本章主要内容. 2.1 数字电视信号的传输特点及传输标准 2.2 数字电视信道编码技术 2.3 数字信号的载波调制技术 2.4 数字电视信号传输系统的几个概念 2.5 信道编码与调制的设备 2.6 数字电视系统中的时钟和同步. 数字电视和机顶盒. 原理与维修. 2.1 数字电视信号的传输特点及传输标准. 2.1.1 数字信号的两种传输方式 2.1.2 数字电视信号载波传输的特点 2.1.3 数字电视信号传输的国际标准与国家标准. 2.1.1 数字信号的两种传输方式.
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第 2 章 数字电视信号 的信道编码与调制
本章主要内容 • 2.1数字电视信号的传输特点及传输标准 • 2.2数字电视信道编码技术 • 2.3数字信号的载波调制技术 • 2.4数字电视信号传输系统的几个概念 • 2.5信道编码与调制的设备 • 2.6 数字电视系统中的时钟和同步
数字电视和机顶盒 原理与维修 2.1 数字电视信号的传输特点及传输标准 2.1.1 数字信号的两种传输方式 2.1.2数字电视信号载波传输的特点 2.1.3数字电视信号传输的国际标准与国家标准
2.1.1 数字信号的两种传输方式 1.基带传输 • 经过模/数变换后生成的二进制(或多进制)数字信号通常是以脉冲形式出现，这些脉冲序列往往包含很低的频率分量，甚至直流分量，因而将其占用的频带称为基本频带，简称基带。这些数字基带信号经过适当的码型变换，可以直接进入某些有线信道(如光纤、电缆或双绞线)进行传输，这种传输方式称为数字信号的基带传输。 2.载波传输(调制传输) • 采用数字调制技术将基带信号的频谱搬移到适合的射频传输信道(频道)进行传输，称为数字信号的载波传输或调制传输。 数字信号的载波传输与基带传输的主要区别就是增加了调制和解调这样两个环节。
2.1.2数字电视信号载波传输的特点 • 1.数字调制信号的频谱对称，能量均匀 • 在数字电视系统中，多套节目的TS码流通过调制占用一个8 MHz的标准频道，频谱对称，能量均匀。 • 2.数字调制的频带利用率高 • 在一个8 MHz的射频带通信道中，采用数字调制技术一般情况下可传输6～8套节目。 • 3.采用比特流的方式传输 • 经过数字化处理后的图像、伴音及其他各种信息，按照相关技术标准的规定通过压缩编码和系统复用生成了标准的TS传输流。由于这种MPEG-2的传输比特流是一种数据包结构，可以很方便地加入适当的数据和其他信息，从而使数字电视的传输具备了可扩展性、可分级性和可双向交互的特性。
8 MHz 在模拟电视系统中，一套节目的视、音频信号通过调制后占用一个8MHz的标准模拟信道，载波的频谱成份(或功率)集中在各载频附近，如上图所示。 在数字电视系统中，多套节目的TS码流通过调制占用一个8 MHz的标准频道，数字调制信号的频谱对称，能量均匀，因此，数字频道的载频应安排在8 MHZ频道的中央位置，如下图所示。 图像 载频 0～6MHz 视频 伴音 载频 色副 载波 幅度 8MHZ 中心频率 幅度 数字电视和机顶盒 原理与维修 模拟与数字调制信号的频谱结构对比
数字电视传输的可分级性 • 数字电视传输的可分级性，体现在同一个信道允许不同类型(音频、视频和数据)、不同制式(屏幕的宽高比、立体声伴音的通道数目等)、不同传输等级的信号在同一信道中传输，低清晰度LDTV、标准清晰度SDTV和高清晰度HDTV的节目不仅可以在同一个信道中传输，甚至可用同一台接收设备接收，呈现出不同清晰度的图像见下表。
数字电视和机顶盒 原理与维修 2.1.3数字电视信号传输的国际标准与国家标准 • 数字电视广播信道编码及调制标准，主要是规范信息经信源编码和复用后在向有线网络、卫星及地面无线等传输媒介发送前所必须进行的技术处理，内容将涵盖从复用器之后到终端用户接收设备之间的整个系统。由于本书的重点是介绍数字电视的有线传输及机顶盒，所以对于编码方案和调制方案的介绍也以有线数字电视为主。 1。数字电视有线传输的国际标准 有线广播数字电视国际标准比较表
数字电视和机顶盒 原理与维修 2.我国数字电视有线传输的行业标准（GY/T170-2001） • 我国数字电视有线传输的行业标准为GY/T170-2001《有线数字电视广播信道编码与调制规范》，自2001年7月1日起实施。标准中规定了有线数字电视广播系统的帧结构、信道编码和调制方法，定义了从MPEG-2系统复用器之后到有线电视综合解码接收设备(IRD)之间整个传输系统的各功能块的组成，如下图所示。
数字电视和机顶盒 原理与维修 2.2数字电视信道编码技术 • 2.2.1信道编码技术概述 • 2.2.2 RS编码技术 • 2.2.3数据交织技术
2.2.1信道编码技术概述 1.信道编码的主要目的及基本原理 主要目的： • 采取有效措施进行差错控制，提高整个传输系统的可靠性，尽可能使误码率满足系统指标的要求。 信道编码又称差错控制编码其基本原理是： • 为了使信号具有检错和纠错能力，在被传信息码元的基础上新增加一些冗余码元，称为监督码元，这些监督码元与被传信息码元之间以某种确定的规则建立一定的关系(约束)用来进行检错和纠错，发送端完成这个任务的过程称为纠错编码。 • 在接收端按照既定的规则校验信息码元与监督码元的关系，一旦传输发生差错，则信息码元与监督码元的关系就受到破坏，接收端便可实现检错(发现错误码元)甚至纠正错误，输出原信息码元，接收端按规则实现检错、纠错的过程称为纠错解码。 信道编码以降低传输效率为代价，换取了传输信号误码率的降低，大大提高了信息传输的可靠性。
数字电视和机顶盒 原理与维修 2.差错的产生及多种差错控制编码方案 • 要想实施有效的差错控制，必须研究差错产生的原因及特点，然后采取有针对性的技术措施，多种差错控制编码正是针对其特点而制定的，如下图所示。
数字电视和机顶盒 原理与维修 2.2.2 RS编码技术 • RS编码技术是由Reed和Solomon两位研究者发明，故称为里德—所罗门码，简称RS码。从结构上看, RS码是一种分组线性循环码，以字节为单位进行前向纠错，不仅具有很强的随机差错控制能力，而且具有克服突发差错的能力。RS码的差错控制原理涉及到比较复杂的数字运算和数学概念，不进行深入研究。但是，我们有必要了解RS码的形成及结构特点，这将有助于理解下图所示的有线数字电视广播信道中的帧结构。
2.2.3数据交织技术 • 为了克服传输信道中突发干扰造成的连续性码元错误，在数字电视有线传输系统中，又采用了数据交织技术。这种技术可以在不附加纠错码字的前提下，利用改变数据码字传输顺序的方法来提高接收端去交织解码时的抗突发误码能力。数据交织的基本思想是噪声均化，即设法将危害较大的、较为集中的噪声干扰分摊开来，使不可恢复的信息损伤最小。
1.分组交织（示意图） • 去交织后的字节排列 • 交织前的字节排列（原始帧示意图） • 进入传输信道的交织帧示意图
数字电视和机顶盒 原理与维修 2.卷积交织 • 在标准GY/T170-2001《有线数字电视广播信道编码与调制规范》中采用了一种更为简便而延时时间更短的交织方法，即卷积交织法。其原理框图如下图所示。
数字电视和机顶盒 原理与维修 2.3数字信号的载波调制技术 • 2.3.1数字信号的载波调制技术概述 • 2.3.2 QPSK载波调制 • 2.3.3 QAM载波调制
2.3.1数字信号的载波调制技术概述 • 数字信号的载波调制有幅度键控(ASK)、移频键控(FSK)和移相键控(PSK)等3种方式。 • 数字信号的调制方式又可分为二进制调制方式与多进制调制方式两大类，由于多进制调制方式可进一步提高信号传输码率，因此，在实际应用中受到更广泛的欢迎。多进制的数字调制包括QPSK调制、QAM调制、正交频分多复用（OFDM）、残留边带调制(VSB)及扩频调制5种，目前在数字电视传输系统中主要采用了QPSK和QAM两种调制方式。 • 在有线电视双方传输系统中的上行信道，存在噪声汇聚和漏斗效应的问题，在卫星电视传输信道中存在各种电磁干扰的问题，因此应选择抗干扰能力较强而频谱利用率不高的QPSK调制技术 ；在有线电视传输网络的下行信道中，干扰相对较小，而频率资源的开发和利用显得特别重要，因而可采用频谱利用率较高的QAM调制技术。
A B 数字电视和机顶盒 原理与维修 2.3.2 QPSK载波调制 • QPSK调制，Q表示正交，PSK表示二相调制。 QPSK可以看成是两个正交的PSK二相调制信号的合成。所谓“正交”，是指将两个信号分别调制在频率完全相同，而相位相差90º的两个载波上进行传输的一种调制方式。其调制原理如下图所示。 • （a）串/并变换 （b）调制原理图 （c）星座图
数字电视和机顶盒 原理与维修 2.3.3 QAM载波调制 • QAM调制即正交幅度调制，也可称为多电平正交幅度-相位复合调制。由这一更加准确的全称可知，QAM调制有两个重要的工作步骤： • 第一步是将一组二进制的基带信号转换为一组X进制的多电平模拟信号，这一过程可以简称为“映射”； • 第二步是对载波进行幅度和相位的复合调制，简称调制。下图所示是QAM调制器的基本结构方框图。
数字电视和机顶盒 原理与维修 16QAM调制器工作过程示意图 • 在实际的数字电视信号传输系统中，进入QAM调制器的数据流是直接由信道纠错编码后输出的交织码，而交织码是以字节为单位组成的，每字节8 bit。但是进入调制器进行串/并变换时，每次不是处理一个字节，而是处理一个QAM符号(或称字符)，对于2m-QAM的调制解调器，每个QAM符号的bit数为m。如16QAM=24 QAM，即m=4，表示此类调制方式每个符号是4bit，即调制和解调均以4 bit为单位进行，如下图所示 （a）串/并变换及调制 （b）I、Q两路的振幅调制 （c）I、Q合成与星座图关系图
数字电视和机顶盒 原理与维修 调制器类型及每符号比特数对应关系 • 对于QAM调制解调器来说，m是很重要的参数，它不仅决定了映射方式，而且决定了调制解调器的许多重要性能，其它2m-QAM的调制解调器每符号m的比特数及相关性能参数可见下表。 调制器类型及每符号比特数对应关系表
数字电视和机顶盒 原理与维修 2.4数字电视信号传输系统的几个概念 • 2.4.1有关传输速率的一些概念 • 2.4.2 有关差错率的一些概念 • 2.4.3 有关传输带宽的一些概念
数字电视和机顶盒 原理与维修 2.4.1有关传输速率的一些概念 • 1.信息传输速率(比特率) • 信息传输速率又称比特率、传信率或数码率，表示单位时间(秒)通过信道传输的信息量，可用Rb表示。在数字电视传输系统中是以比特(bit)作为数字信息的度量单位，所以信息传输速率的单位为比特/秒(写作bit/s或bps)。如《规范》附录中有一张表中的“有用比特率”和“总比特率”即表示在特定信道带宽的条件下，采用不同的调制方式所能传输的有用信息量和总信息量。 有线网络上透明再传送和频谱有效使用举例
2.4.1有关传输速率的一些概念 • 2.码元传输速率(符号速率) • 携带消息的信号单元称为码元或符号，单位时间(s)内通过信道传输的码元或符号数称为码元传输速率或符号速率，又称为波特率或传码率，可用RB表示，单位是波特(Baud)。 • 这里的码元可以是二进制的，也可以是多进制的，所以在给出码元传输速率的同时，应说明它的进制。 • 在数字电视系统中，有时又会以字节作为码元或符号，作为携带信息的信号单元，用单位时间(秒)内通过信道传输的字节数来表述传输速率，单位为B/s，其中的“B”就是字节(Byte的缩写)。
2.4.2 有关差错率的一些概念 1.码元差错率(误码率) • 发生误码的码字数占信源发出总码字数的比例叫误码率或码元差错率。若用Pe表示误码率，即 • Pe =传错码元个数/传输码元总数 2.比特差错率(误比特率) • 比特差错率也称为误比特率或信息差错率，是指传错信息的比特数与所传送的总信息比特数之比值，若用Pb表示误比特率，即 • Pb =传错比特数/传输的总比特数 3.符号差错率及调制差错率 • 因为在实际的有线电视网络中传输的是QAM调制信号，也就是说是QAM符号，因此，符号差错率或调制差错率可以更直接他反映出数字信号在传输这个环节上受到的损伤。
2.4.3 有关传输带宽的一些概念 1.脉冲编码调制信号的带宽 • 传输速率与传输带宽之间是有一定的对应关系，比特率直接反映了比特信号传输中占用的频带宽度。即比特率越高，在相同信息比特量的情况下，它占用的频带就越宽。 2.频带利用率 • 频带利用率又称为频谱效率，是指传输信道中单位时间内1Hz带宽传输信息的多少，即单位频带内所能实现的数码率，单位为bit/s/Hz或bit/（s.Hz）。一般来说，某传输系统的频带利用率越高，在相同信道频带宽度的条件下，信息传输速率就越高。 3.数字调制信号的占有带宽（频道带宽） • 为了减少码间串扰造成的误码，实际应用中常采取必要的措施，保证从失真了的传输波形中识别出“0”和“1”，从而恢复出原始的脉冲序列。其中最常用的办法就是进行“升余弦平方根滚降滤波”处理，即采用增加滚降系数α适当降低频带利用率，使系统符合无码间串扰的传输条件。数字电视传输系统中通常取α=0.15。在增加了滚降系数α后，采用64QAM调制方式时，符号速率为6.89MBaud（有用比特率为38.1 Mbit/s、总比特率为41.34Mbit/s）的信号在传输信道中实际占用的带宽是7.92MHz，相当于一个8 MHz的标准频道。
数字电视和机顶盒 原理与维修 2.5 信道编码与调制的设备 • 2.5.1 QAM调制器在传输系统中的主要作用 • 2.5.2 QAM调制器的主要技术要求 • 2.5.3 QAM调制器的内部方框结构
2.5.1 QAM调制器在传输系统中的主要作用 • 1.将数字电视基带信号与有线电视传输信道特性进行匹配(适配) • 只有实现了输入、输出端的良好匹配，才能使传输过程中能量损失最小，提高信号能量与噪声能量的比例，减小发生差错的可能性，提高数字电视信号的传输效率。 • 2.增加差错控制能力，提高信道传输的可靠性 • 进行差错控制，提高整个传输系统的可靠性，尽可能使误码率满足系统指标的要求。 • 3.提高频带利用率，提高信道传输效率 • 以目前数字电视传输系统中常用的64QAM调制器为例，其频带利用率的理论值为6 bit/s.Hz；如果采用256QAM的调制器，其频带利用率的理论值为8 bit/s.Hz，传输效率更高，传输信息的能力更强。
数字电视和机顶盒 原理与维修 2.5.2 QAM调制器的主要技术要求
数字电视和机顶盒 原理与维修 同轴电缆构成的ASI传输链路 • QAM调制器的码流输入接口采用ASI(异步串行接口)作为必备的数据输入端口，而且在数字电视的前端系统中几乎所有的信号处理设备之间均以ASI作为标准接口，因为这样就能很容易地增加不同厂商所提供的前端设备，使设备之间具有良好的兼容性，为此有必要对其进行简要说明。
数字电视和机顶盒 原理与维修 2.5.3 QAM调制器的内部方框结构 • QAM调制器的内部方框结构如下图所示，应包括以下主要功能模块： • 1.基带物理接口；2.数据随机化及能量扩散； 3.RS编码和卷积交织；4.字节到符号映射、基带整形及QAM调制等；5.上变频处理。
数字电视和机顶盒 原理与维修 2.6 数字电视系统中的时钟和同步 • 2.6.1数字电视系统中同步的重要性和复杂性 • 2.6.2 发送端与接收端两端的时钟和同步 • 2.6.3传输过程中的时钟和同步 • 2.6.4传输过程中的抖动与漂移
2.6.1数字电视系统中同步的重要性和复杂性 • 重要性：在数字电视系统中，传输的是代表“0”和“1”的脉冲以及由它们组成的脉冲序列(即代表特定信息的数字串)。在发送端这些脉冲序列在“时钟”的控制下按照规定的节拍发送，形成规则排列的数据码流，这就是比特流。在接收端必须按照同样的节拍和同样的规则来正确识别(即保持这些脉冲在时间和位置上的准确性)，这样才能解读出所收到信号的真正意义，达到完整、准确传输信息的目的。可见“时钟”和严格的时间控制在数字信号实现同步的各个环节中起着关键性的作用。 • “时钟”作为定时的依据，主要使发送端和接收端都能按照规定的时间节拍工作； • “同步”则是使发送端与接收端两端的定时脉冲在时间上严格一致。 • 一旦失去同步或同步出现差错，系统就会出现大量错误，甚至使整个系统失效。
2.6.1数字电视系统中同步的重要性和复杂性 • 复杂性：因为数字电视信号是离散信号，采用比特流的方式传输，在传输的过程中这些比特流要经过多次分割和“包装”形成TS传送包、字节和比特，它们在信道中各自占有长短不同的时间间隙(称为时隙)，各种数据(或称为信息)正是以这些时隙为基础存储和传输的。要保证接收端与发送端各时隙之间的时间关系严格一致，就是数字信号的同步。具体地说，可以分为包同步、字节同步和比特同步，因为只有实现了各个环节的同步，接收端才能正确识别(或解读)出所收到信号的真正意义，达到完整、准确传输信息的目的。 • 为了实现包同步、字节同步和比特同步，数字电视系统中引入了包时钟、字节时钟和比特时钟等概念。
2.6.2 发送端与接收端两端的时钟和同步 • 为了实现信源发送端与接收终端(如机顶盒)的同步，MPEG提出了系统时钟这样一个非常重要的概念。 • 27MHz作为所有数字电视节目制作统一的系统时钟标准，即“时钟”的每一Hz为一个像素点取样，然后得到一个8bit或10bit的取样值，可以将其称为字节或符号。 • 显然，接收端必须准确地在信号脉冲的各取样点处读写信号数值，才能还原出原来的信息。当这些携带有时间信息的数字电视码流传输到接收终端(如机顶盒)时，校准时钟和建立同步成为首要的任务。实际上，在开机或频道切换后，接收机进行初始化时的首要任务就是校准时钟和建立同步，只有当这两项任务完成之后，接收机才能进入正常工作状态。
数字电视和机顶盒 原理与维修 2.6.3传输过程中的时钟和同步 • 1.异步串行传输中的时钟和同步 • 串行传输是指数据流中的各个比特按时间顺序一个接一个地在同一条信道中传输。由于其传输成本低，因此在长距离传输中被广泛采用。 • 数字电视系统中的典型传输链路如下图所示。
数字电视和机顶盒 原理与维修 2.6.3传输过程中的时钟和同步 • 2.同步并行传输中的时钟和同步 • 所谓并行传输是指被传输的字节(或符号)中的所有比特数据同时从一方传向另一方，传输过程中需要的信道数不仅与字节的比特位有关，还与需要同时并行的信号总数有关，并行传输的三种信号传输格式如下图所示。
2.6.4传输过程中的抖动与漂移 • 抖动与漂移是指数字信号传输和处理过程中出现的一种短时不稳定现象，表现为数字信号各有效瞬间相对于标准时间位置上的偏差， • 如果这种偏差的持续时间短，变化频率高，称为抖动 • 如果这种偏差的持续时间较长，而变化频率较低，称为漂移。 • 无论是抖动还是漂移均会影响到接收端判决电路对输入信号比特的正确识别，从而产生误码，使解码时会出现马赛克现象。尤其是大幅度的漂移终将转化为滑动损伤，严重影响接收端的正确工作，其直接后果是机顶盒不能正常显示图像，解码图像出现静帧、黑屏等现象。
数字电视和机顶盒 原理与维修 第3章 有线数字电视的前端播出系统
