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第7章 数字视频广播系统

第7章 数字视频广播系统. 7.1 ATSC 数字电视系统 7.2 DVB 数字视频广播系统 7.3 ISDB-T 数字电视系统. 7.1 ATSC 数字电视系统. 美国的 ATSC 数字电视标准是为其国内的全数字化 HDTV 地面广播研究开发的一种标准，1988年由 FCC ( 美国联邦通信委员会)提出设想，历经多年，于1996年正式批准为系统标准，名称为“ ATSC 数字电视标准”。.

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第7章 数字视频广播系统

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  1. 第7章 数字视频广播系统 • 7.1 ATSC数字电视系统 • 7.2 DVB数字视频广播系统 • 7.3 ISDB-T数字电视系统

  2. 7.1 ATSC数字电视系统 • 美国的ATSC数字电视标准是为其国内的全数字化HDTV地面广播研究开发的一种标准，1988年由FCC(美国联邦通信委员会)提出设想，历经多年，于1996年正式批准为系统标准，名称为“ATSC数字电视标准”。

  3. 标准扩展了ATSC的适用范围，使其不仅应用于HDTV高清晰度电视中，也包括了SDTV标准清晰度电视和计算机图形格式等的参数规范。ATSC是美国“先进电视制式委员会”组织机构的名称缩写，它制定的包括SDTV和HDTV的标准也可以并称为ATV(先进电视)或DTV(数字电视)的地面广播标准。实际上，ATSC标准中容许18种图像源格式的存在。 标准扩展了ATSC的适用范围，使其不仅应用于HDTV高清晰度电视中，也包括了SDTV标准清晰度电视和计算机图形格式等的参数规范。ATSC是美国“先进电视制式委员会”组织机构的名称缩写，它制定的包括SDTV和HDTV的标准也可以并称为ATV(先进电视)或DTV(数字电视)的地面广播标准。实际上，ATSC标准中容许18种图像源格式的存在。

  4. 7.1.1 ATSC的图像源格式 • ATSC标准中规定了可以采用的18种数字图像源格式，包括一帧图像的像素数和扫描方式。 • 7.1.2 ATSC的系统复用 • ATSC的信道编码器其输入是传送流(TS)数据，TS流形成过程如图7-1所示，从左到右分为应用层、压缩层、传送层和传输层4层，传送层的输出即为传送流TS。

  5. 图7-1 传送流TS的形成

  6. 应用层(ApplicationLayer)是演播室内根据规定的视音频标准原始产生的、未压缩的视音频数据流，例如视频是SDI或HD-SDI数据流，音频是立体声或环绕声的数据流。 应用层(ApplicationLayer)是演播室内根据规定的视音频标准原始产生的、未压缩的视音频数据流，例如视频是SDI或HD-SDI数据流，音频是立体声或环绕声的数据流。 • 压缩层(CompressionLayer)中根据规定的信源编码标准将输入的数据流予以码率压缩，产生出视频基本流(VideoElementaryStrenam，VES)和音频基本流(AES)。

  7. 视频基本流由像块、宏块、像条、图像(帧)、GOP(图像组)和序列等6个层次构成。视频基本流由像块、宏块、像条、图像(帧)、GOP(图像组)和序列等6个层次构成。 • 传送层(TransportLayer)中将ES打包，形成打包基本流(PES)，并实现视音频PES的复用，组成复用的节目流(PSMUX)、传送流(TSMUX)。 • 传输层(TransmissionLayer)内包含信道编码和载波调制，其输出是调制在中频上的数字已调波，馈送至上变频器，经高功放级后由天线发射。

  8. 7.1.3 ATSC信道编码与调制系统 • ATSC信道编码与调制流程框图如图7-2所示，下面分步骤予以说明。

  9. 图7-2ATSC信道编码与调制框图

  10. 1．数据随机化 • 数据随机化的目的是打碎TS流包中可能出现的长“1”、长“0”，避免信号在低频段频谱上有大的能量，不适应信道的传输特性。 • 2．RS编码 • RS编码即里德－索罗门编码，它是以字节为单位进行前向误码校正(FEC)的纠错编码方法，具有强的随机误码和突发误码校正能力。

  11. 3．数据交织 • 由图7-2可见，RS编码之后是数据交织，数据交织是在不附加纠错码字的前提下用改变数据码字(以比特或字节为单元)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。传输过程中引入的突发误码(连续的若干比特或若干字节的误码)，经去交织解码而恢复成原顺序时将分散开，使后面的RS解码更有能力予以纠正。

  12. 4．格栅编码 • 信道编码中，为了充分提高抗误码的纠错能力，通常采用两次附加纠错码的FEC编码。 • 格栅编码是1982年由Ungenboeck提出的，它将卷积编码与调制技术结合一起，可在不增加信道带宽和不降低信息速率的情况下获得3～4dB的编码功率增益。

  13. 5．格栅编码交织器 • 原理上，图7-2中数据交织器后面的格栅编码器(图7-7)只需要一个。然而，虽然格栅编码器有助于抗白噪声干扰(随机干扰)，但对于脉冲干扰和突发误码其抗御性能并不好。为了改善这方面的性能，以及为了使接收端的格栅解码器电路简化，编码器中采用了12个同样的格栅编码器并行地工作，它们接受经过块交织的、交织深度I=12符号的数据符号。

  14. 6．段同步和场同步的加入 • 场同步段有下列作用。 • (1)给出每个数据场的起始信息。 • (2)PN511向接收端提供信道特性均衡用的训练序列数据，使接收端得到时变的信道特性信息，及时实现解码信道的特性均衡。

  15. (3)PN63供接收端实现重影补偿中作测试序列使用，能补偿延时范围在63个符号内即时间为63×93=5.86μs内的重影信号，接收机设计人员可在5.86μs总量内任意分配前重影和后重影的校正范围。(3)PN63供接收端实现重影补偿中作测试序列使用，能补偿延时范围在63个符号内即时间为63×93=5.86μs内的重影信号，接收机设计人员可在5.86μs总量内任意分配前重影和后重影的校正范围。 • (4)最后12符号供接收机中的梳状滤波器(干扰抑制滤波器)使用。 • (5)可用于接收信号信噪比的测量。 • (6)可供接收机中的相位跟踪电路用来使电路复位，并确定跟踪环路参数。

  16. 7．导频的加入 • ATSC中高频调制采用8VSB也即8电平残留边带调幅方式，它不同于NTSC中高频调制的VSB残留边带调幅方式。 • 8．上变频器和射频载波偏置 • 8VSB发射机像通常那样采用两级调制方式，第一次将数据信号调制到一个固定中频上，第二次再上变频到所需的电视频道上。

  17. 7.1.4 ATSC的总体性能 • 美国从20世纪末正式开始地面广播HDTV后，在初期发展并不快速，原因一是节目源欠丰富，二是接收机价格偏高，三是ATSC制式本身尚存在些问题。

  18. 7.2 DVB数字视频广播系统 • 7.2.1 MEPG-2系统标准在DVB中的实施 • 像ATSC系统一样，DVB系统中最先的参数规范是演播室参数标准和信源编码标准。

  19. 7.2.2 DVB-S信道编码与调制系统 • 1．DVB-S简介 • DVB-S是1994年12月由ETSI(欧洲电信标准学会)制定标准的，标准编号为ETS 300 421。DVB-S系统定义了从MPEG-2复用器输出到卫星传输通道的特性，总体上分成信道编码和高频调制两大部分。系统功能框图如图7-13所示，左边部分为MPEG-2信源编码和复用，右边部分为卫星信道适配器，也即是信道编码和高频调制部分。

  20. 图7-13 DVB-S系统功能框图

  21. 2．复用适配和能量扩散 • 输入TS流是188字节的包，其中第一个字节是同步字节(SYNC)。在DVB-S中，对TS流包的处理如图7-14所示。

  22. 图7-14 TS流包的加扰和RS编码

  23. 3．外码编码 • 外码编码即是RS编码，是在每188字节后加入16字节的RS码(204，188，t=8)，参见图7-14(b)。 • 4．外交织 • 为提供抗突发干扰的能力，在RS编码后采用字节为单元的交织，称为字节交织或外交织，交织深度I=12字节。

  24. 5．卷积内编码 • 内码编码与外码编码相结合，构成了DVB-S中的级联编码，它增强了信道纠错能力，有利于抗御卫星广播信道传输中干扰的影响。 • 内码编码与外码编码相结合，构成了DVB-S中的级联编码，它增强了信道纠错能力，有利于抗御卫星广播信道传输中干扰的影响。

  25. 6．收缩卷积码和基带成形 • 图7-17所示的基带卷积输出X，Y输入至收缩卷积码电路，实现2/3或3/4等编码效率，而后再使该串行序列经串/并变换电路形成I，Q两路并行输出。 • 7．误码性能要求 • 卫星接收端有确定的误码性能要求，以确保接收信号质量。在传输信道中，对于出现的相加性白高斯噪声(AWGN)引起的信号质量下降，通常以Eb/N0进行衡量。

  26. 图7-17 1/2编码率的基本卷积码

  27. 7．可用比特率与转换器带宽的关系 • 一个卫星转发器能以QPSK调制方式传输的可用比特率值，除了决定于可选用的不同值的内码编码率外，更加决定于卫星转发器本身的带宽。 • 由上面所述可以看出，DVB-S的特点在于卫星信道的带宽大(>24MHz)，但转发器的辐射功率不高(十几瓦至一百多瓦)，传输信道质量不够高(传输路径远，特别是易于受雨衰影响)。因此，为保证接收可靠而采用了调制效率较低、抗干扰能力强的QPSK调制。

  28. 7.2.3 DVB-C信道编码与调制系统 • 1．DVB-C简介 • DVB-C系统定义了有线数字电视广播系统的功能块组成，它使MPEG-2基带数字电视信号与有线信道特性相匹配。DVB-C的欧洲标准是由ETSI(欧洲电信标准学会)于1994年12月制定的，标准编号为ETS 300 429。

  29. 2．DVB-C信道编码与DVB-S的共通部分 • 由图7-19可见，发送端框图中的前4个方框是与DVB-S一样的。 • 3．字节到m位符号变换 • DVB-C中，符号交织(交织深度I=12字节)之后没有级联的卷积编码，也即只有外编码而无内编码，原因在于有线信道质量较好，不必将FEC做得复杂化。

  30. 图7-19 DVB-C前端与接收端框图

  31. 图7-21 64QAM调制星座图

  32. 图7-22 字节到m符号变换框图

  33. 4．不同M值的MQAM星座图 • 图7-23所示的为不同M值的MQAM星座图，它们的实现都基于图7-22所示的符号变换框图。

  34. 图7-23 不同M值的MQAM调制星座图

  35. 5．基带成形 • 如图7-19所示，在符号变换和差分编码(IkQk)之后是基带成形，采用式(6-18)所示的升余弦平方根滤波函数，滚降系数α＝0.15。可见，由于有线信道质量好，因此α值较小(DVB-S中α=0.35)，这有利于带宽利用率的提高。

  36. 6．调制传输 • 前面已述及，DVB-C的调制方式为MQAM，可以是16，32，64，128和256QAM，典型值是64QAM。 • 7．传输比特率 • 根据MQAM的M值和映射频道的带宽，可以计算出一个DVB-C频道能传输的可用比特率Ru值(Mbit/s)和符号率Rs值(Mbaud)，如表7-7所示，表中的值适合于8MHz的信道带宽。

  37. 7.2.4 DVB-T信道编码与调制系统 • 1．引言 • DVB-T的信道编码和调制系统框图如图7-25所示。输入端是视频、音频和数据等复用的传送流TS，每个TS包由188字节组成，经过一系列信号处理后输出COFDM调制的载波信号。

  38. 图7-25 DVB-T的信道编码和调制系统框图

  39. 2．内交织 • DVB-T中高频载波采用COFDM(编码正交频分复用)调制方式，在8MHz射频带宽内设置1705(2k模式)或6817(8k模式)个载波，将高码率的数据流相应地分解成2k或8k路低码率的数据流，分别对每个载波进行QPSK，16QAM或64QAM调制。

  40. 3．映射和星座图 • COFDM调制中，由每个V比特的符号对每个载波进行相应的调制，V=2时为QPSK调制，V=4时为16QAM调制，V=6时为64QAM调制。

  41. 4．COFDM调制 • (1)COFDM的含义 • ATSC的8VSB调制是传统的单载波调制方式，而COFDM是数字通信中时兴的多载波方式，OFDM是正交频分复用的英文缩写，全部载波频率有相等的频率间隔，它们是一个基本振荡频率的整数倍。

  42. (2)COFDM的特点 • 与卫星传输信道和有线传输信道相比较，地面开路传输信道环境差，电磁波信号容易受到各种各样的外来杂散电磁波干扰。 • 就地面开路接收时的传输信道种类而言，有三种信道模型。 • (1)高斯信道，这是天线接收信号只受到高斯噪声(随机噪声，白噪声)干扰的信道模型。

  43. (2)Ricean信道，这是天线接收信号接收到直达波之外还接收到多个反射波的信道模型，它对应于使用室外屋顶天线时还会接收由到高楼等来的许多多径反射波。 (2)Ricean信道，这是天线接收信号接收到直达波之外还接收到多个反射波的信道模型，它对应于使用室外屋顶天线时还会接收由到高楼等来的许多多径反射波。 • (3)瑞利信道，其接收天线接收不到直达波，只接收到许多反射波，对应于用室内天线接收或室外便携和移动接收。接收点直视不到发射天线，只有由大楼、山丘等来的诸多反射波。

  44. 5．保护间隔 • COFDM中，调制每个载波的符号率下降很多，可明显减少已调波频带内的符号间干扰(ISI)。但存在较长延时的反射波信号时，并不能完全消除符号间干扰。

  45. 6．帧自适应和导频及TPS信号 • 图7-25中，在OFDM调制之前有“帧自适应”和“导频及TPS信号”两个信号处理框，现在分别说明之。 • (1)帧自适应 • 帧自适应是指OFDM帧的构成，它是在OFDM符号的基础上组成的。

  46. (2)导频 • OFDM中对每个载波的调制都是抑制载波的，接收端的解调诸如对于QAM的相干解调是需要基准信号的，在这里称为导频信号，它们在OFDM符号内分布于不同的时间和频率上，具有已知的幅度和相位。 • ① 连续导频 • ② 散布导频 • ③ TPS信号

  47. TPS是传输参数信令的英文缩写，用于给出与传输参数也即与信道编码和调制参数有关的信令。TPS是传输参数信令的英文缩写，用于给出与传输参数也即与信道编码和调制参数有关的信令。 • (3)超帧内TS包数目 • 定义4个OFDM帧组成一个超帧，在超帧内可以传输整数个204字节的RS码TS包，而无论信道内码编码率和调制模式如何，OFDM超帧内TS包数目如表7-11所示。

  48. 7．DVB-T不同参数的频谱效率 • 要在8MHz内传输一路HDTV信号，合适的参数是64QAM调制，内码编码率2/3和保护间隔1/8，这时的有效码率为22.12Mbit/s。 • 8．COFDM的射频功率谱 • 射频频道内电视信号的功率谱是衡量例如8MHz高频频带内功率分布均匀情况的重要参数。

  49. 7.3 ISDB-T数字电视系统 • 7.3.1 ISDB-T系统概述 • 日本采用的地面传输制式不限于单独传输数字电视(图像和声音)，也包括了独立的声音和数据广播，这几者可以单独存在或任意地组合，构成在带宽6MHz内的一路节目或多路节目。

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