數(shù)字電視傳輸技術(shù)

1、第4章 數(shù)字電視傳輸技術(shù),主要內(nèi)容,4.1數(shù)字電視信號的基帶處理,4.2 數(shù)字電視信號的差錯控制編碼,4.3數(shù)字電視傳輸系統(tǒng),數(shù)字電視衛(wèi)星傳輸系統(tǒng) 數(shù)字電視有線傳輸系統(tǒng) 數(shù)字電視地面廣播傳輸系統(tǒng),4.1 數(shù)字電視信號的基帶處理,1.數(shù)字電視信號傳輸?shù)倪^程,2.常用的傳輸碼型,3.擾碼,4.1.1 數(shù)字電視信號傳輸?shù)倪^程,第一，把各種信息用二進制表示。包括字符編碼、PCM編碼、PAM編碼等。（信源編碼,第二，把二進制數(shù)轉(zhuǎn)換成脈沖信號。（碼型編碼,第四，基帶信號變成頻帶信號。（調(diào)制,第三，差錯控制編碼。（信道編碼,將數(shù)字消息或模擬消息轉(zhuǎn)換成通信硬件能夠接受和易于傳輸?shù)男盘?，共要?jīng)過四個過程,4.1

2、.1 數(shù)字電視信號傳輸?shù)倪^程,數(shù)字信號：把經(jīng)過信源編碼后的語音信號用“0”和“1”，即高、低電平進行表示的信號。沒有經(jīng)過調(diào)制，稱為數(shù)字基帶信號,基帶信號含有豐富直流和低頻成分，不適合在信道中傳輸。要將基帶信號的碼元波形及碼元序列的格式進行變換，轉(zhuǎn)換為適合信道傳輸?shù)拇a型,為了適應(yīng)信道的傳輸特性及接收端再生恢復(fù)數(shù)字信號的需要，選擇基帶傳輸碼型時應(yīng)注意以下幾個原則,4.1.1 數(shù)字電視信號傳輸?shù)倪^程,選擇系帶傳輸碼型的原則,碼型應(yīng)不含直流分量，讓頻譜向中頻集中,應(yīng)易于從基帶信號中提取定時信號,所選的碼型應(yīng)使基帶信號具有內(nèi)在檢錯能力,降低單個誤碼引起的誤碼擴散,碼型變換設(shè)備應(yīng)盡量簡單,4.1.2 常用

3、的傳輸碼型,1.單極性非歸零碼（NRZ） 2.雙極性非歸零碼（NRZ） 3.單極性歸零碼（RZ） 4.雙極性歸零碼（RZ） 5.數(shù)字雙相碼 6.密勒碼 7.交替極性碼（AMI碼） 8.HDB3碼,4.1.2 常用的傳輸碼型,2.雙極性非歸零碼（NRZ,1”和“0”分別對應(yīng)正、負(fù)電平，沒有零電平。 優(yōu)點：直流分量小。 缺點：不易提取同步信息，特別是在長0長1串時,1.單極性非歸零碼（NRZ,高電平代表“1”，低電平代表“0”。 缺點：直流分量不為零，不適合用于交流耦合的有線傳輸信道，只適合用于計算機內(nèi)部或近距離的信息傳送,4.1.2 常用的傳輸碼型,4.雙極性歸零 （ RZ ） 碼,傳送“1”碼

4、時，發(fā)送一個寬度小于碼元持續(xù)時間的歸零脈沖；傳送“0”時不發(fā)送脈沖。 優(yōu)點：比單極性非歸零碼容易提取時鐘信息,3.單極性歸零（RZ）碼,傳送“1”碼時，發(fā)送一個寬度小于碼元持續(xù)時間的歸零脈沖；傳送“0”時不發(fā)送脈沖。 優(yōu)點：比單極性非歸零碼容易提取時鐘信息,4.1.2 常用的傳輸碼型,6.密勒碼,凡是傳送“1”時在位周期中心都發(fā)生電平轉(zhuǎn)換。 在傳送“0”時，如果緊接在“1”之后則電平不變；如果緊接在“0”后，則在位周期開始的邊界上發(fā)生電平跳變。 優(yōu)點：信號能量主要集中在1/2碼速以下的頻率范圍內(nèi)，直流分量很小，頻帶寬度為數(shù)字雙相碼的一半,4.1.2 常用的傳輸碼型,7.交替極性（AMI）碼,交

5、替極性（AMI）碼又稱為交替?zhèn)魈柗崔D(zhuǎn)碼。 此方式是單極性方式的變形，即把單極性方式中的 “0”碼仍與零電平對應(yīng)，而“1”碼交替地用“1”或“-1”脈沖的歸零碼表示，稱為傳號。其優(yōu)點如下： （1）在 “1”、“0”碼 不等概率情況下，也無直流成分，且零頻附近低頻分量小。 （2）若AMI碼的極性交替規(guī)律被破壞，則可判斷此處有錯，有一定糾錯能力。 此外， AMI 碼還有編譯碼電路簡單等優(yōu)點，是一種基本的線路碼，得到廣泛使用。 缺點：當(dāng)它用來獲取定時信息時，由于它可能出現(xiàn)長的連0串，因而會造成提取定時信號的困難,4.1.2 常用的傳輸碼型,8.HDB3碼,HDB3碼的全稱是三階高密度雙極性碼。 編碼原

6、理： 先把信息代碼變成 AMI 碼，然后檢查AMI碼的連“0”串情況，當(dāng)無4個以上連“0”碼時，則這時的AMI碼就是HDB3碼。 當(dāng)出現(xiàn)4個以上連0碼時，則將每4個連 “0”小段的第4個“0”變換成與其前一個“非0”符號（+1或-1）相同的符號。 這個符號可能會破壞“極性交替反轉(zhuǎn)”的規(guī)律，成為破壞符號，用符號V表示。 為保證V的記性交替，當(dāng)相鄰V符號間有偶數(shù)個“非0”符號時，將該小段的第1個“0”變換成+B或-B，B符號的記性與前一“非0”符號的相反。 特點：保持AMI碼的優(yōu)點，還能使連“0”串減少到至多3個，有利于定時信號的恢復(fù),4.1.3 擾碼,擾碼技術(shù)消除數(shù)據(jù)源的統(tǒng)計特性。 使信號受到隨

7、機化處理，變?yōu)閭坞S機序列，又稱為“數(shù)據(jù)隨機化”和“能量擴散”處理,擾碼器的實現(xiàn)采用偽隨機序列（m序列）進行,4.2 數(shù)字電視信號的差錯控制編碼,1.差錯控制方式 2.信道編碼的分類 3.信道編碼的基本原理 4.信道編碼,4.2 數(shù)字電視信號的差錯控制編碼,差錯控制編碼 就是在信息序列上附加一些監(jiān)督碼元，利用這些冗余的碼元，使原來不規(guī)律的數(shù)字信號變?yōu)橛幸?guī)律的數(shù)字信號；譯碼時則利用這些規(guī)律性來判斷傳輸過程中是否發(fā)生錯誤，或進而糾正錯誤。 這種對數(shù)字電視信號進行差錯控制的編碼也稱為信道編碼,4.2.1 差錯控制方式,差 錯 根據(jù)信道噪聲干擾性質(zhì)，可以把差錯分為隨機錯誤、突發(fā)錯誤和混合錯誤。 隨機錯誤

8、，由信道中隨機噪聲的干擾引起，誤碼的發(fā)生是相互獨立的，不會連續(xù)成片地出現(xiàn)錯誤，前后碼元之間是否發(fā)生錯誤彼此無關(guān)。 突發(fā)性錯誤，位流中一個錯誤的出現(xiàn)往往影響其他碼元的錯誤，即錯誤之間有相關(guān)性。由諸如光盤中的瑕疵、污跡，大氣中的電火花等突發(fā)噪聲干擾引起的，其特征是誤碼位置集中，會成群的出現(xiàn)。 混合錯誤，既包括隨機錯誤又包括突發(fā)錯誤，因而既會出現(xiàn)單個錯誤，也會出現(xiàn)成片錯誤,發(fā)生以上三種錯誤的信道分別稱為為隨機信道、突發(fā)信道和混合信道。 對于不同的信道要采用不同的差錯控制方式,差錯控制包含檢錯和糾錯兩個方面,4.2.1 差錯控制方式,檢錯重發(fā)方式（ARQ） ： 這種方式中，接收端發(fā)現(xiàn)誤碼后通過反饋信道

9、請求發(fā)送端重發(fā)數(shù)據(jù)。因此，接收端需要有誤碼檢測和反饋信道,特點 編碼效率比較高，只需少量的冗余碼（約5-20%）就能獲得極低的傳輸誤碼率；對信道的適應(yīng)能力強 必須有反饋信道，故不能用于單向傳輸系統(tǒng)和同播系統(tǒng) 控制規(guī)程和過程比較復(fù)雜 重發(fā)導(dǎo)致信道的有效利用率較低，通信的實時性較差 由于反饋重傳的隨機性，故不適于實時傳輸系統(tǒng),4.2.1 差錯控制方式,4.2.1 差錯控制方式,前向糾錯方式（FEC） ： 這種方式中，發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)內(nèi)包括信息碼元以及供接收端自動發(fā)現(xiàn)錯誤和糾正誤碼的監(jiān)督碼元。 收端發(fā)現(xiàn)錯誤后自動糾正,特點 無需重發(fā)，解碼延遲固定，實時性好 無需反饋信道，能用于單向傳輸信道，特別適用

10、于單點向多點同時傳送的方式 編碼效率較低，需較大的冗余度（通常約25-50%）,譯碼設(shè)備比較復(fù)雜 糾錯碼須與信道特性相匹配，對信道變化的適應(yīng)性較差 若錯誤超出糾錯碼糾錯能力,只好將其拋棄,按信息碼元和監(jiān)督碼元之間的檢驗關(guān)系,線性碼和非線性碼。 線性碼：信息碼元和監(jiān)督碼元之間的關(guān)系為線性關(guān)系，編碼規(guī)則可以用線性方程組表示。 目前多用線性碼,可分為分組碼和卷積碼。 分組碼：碼組中的監(jiān)督碼元僅與本碼組的信息碼元有關(guān)，而與其他碼組的信息碼元無關(guān)。 卷積碼:碼組中的監(jiān)督碼元不僅與本碼組的信息碼元有關(guān)，還和與本碼組相鄰的前若干碼組的信息碼元也有約束關(guān)系,檢錯碼、糾錯碼、糾正刪除錯誤的糾刪碼 檢錯碼只能用于

11、檢測誤碼，無法糾正。 糾錯碼可檢測誤碼并能糾正誤碼。 糾刪碼就有檢錯和糾錯功能，且當(dāng)誤碼超過糾正范圍時可將無法糾正的誤碼刪除。 數(shù)字電視中通常采用糾錯碼,按信道編碼的不同功能,按信息碼元和監(jiān)督碼元之間的約束方式,4.2.2 信道編碼的分類,除此之外，還可按照 信息碼元編碼后的形式 糾正錯誤的類型 編碼所采用的數(shù)學(xué)方法 碼元的取值等方面進行分類,信道編碼的分類方法,4.2.3 信道編碼的基本原理,信道編碼的基本思想： 在被傳送的信息碼元中附加一些監(jiān)督碼元，在兩者之間建立某種校驗關(guān)系，當(dāng)這種校驗關(guān)系在傳輸中遇到干擾而受到破壞時，就可以發(fā)現(xiàn)甚至糾正錯誤。 這種檢錯與糾錯的能力是用信息的冗余度來換取的

12、。要糾正的誤碼越多，監(jiān)督碼元的個數(shù)越多，冗余度越大,相關(guān)概念： 碼長：碼字中碼元的數(shù)目，用n表示。 碼重：指碼字中非“0”碼元的數(shù)目，記作W。 例：碼字10011，碼長n=5，W=3。 碼距：兩個等長碼字對應(yīng)位不同的數(shù)目，記作d。 例：110110與101011之間的碼距d=4,4.2.3 信道編碼的基本原理,4.2.3 信道編碼的基本原理,信息碼元與監(jiān)督碼元： 信息碼元是發(fā)送端由信源編碼給出的信息數(shù)據(jù)，用k表示。 監(jiān)督碼元又稱校驗碼元，是為了檢錯、糾錯而在信道編碼中附加的校驗數(shù)據(jù)，通常用r表示。 對k個信息碼元的碼組附加r個監(jiān)督碼元，組成總碼元數(shù)為n=k+r的碼組。 經(jīng)過分組編碼后的碼稱為（

13、，）碼，表示總長度為位，其中信息碼長為位，監(jiān)督碼長為,4.2.3 信道編碼的基本原理,許用碼字與禁用碼字： 信道編碼后總碼長為n，總的碼字為2n個。 其中，發(fā)送的信息碼字有2k個，稱之為許用碼字，其余的(2n-2k)個碼字不予傳送，稱之為禁用碼字。 糾錯編碼的任務(wù)就是從2n個總碼字中按照某種規(guī)則選擇出2k種許用碼字。 編碼效率為信息碼元數(shù)目與總碼元數(shù)目之比： R=k/n=k/k+r,4.2.3 信道編碼的基本原理,例：A：天氣晴朗 B：下雨 1.n=1，1 A, 0 B 若10,01，則收端無法發(fā)現(xiàn)錯誤,11晴,10,01,00,11,00雨,能發(fā)現(xiàn) 一個錯誤,禁用碼組,2.n=2，r=1，即

14、 11 A，00 B 此時，d=2,插入1位監(jiān)督碼后具有檢出1位錯碼的能力,但不能予以糾正,4.2.3 信道編碼的基本原理,最小碼距dmin與檢錯糾錯能力滿足下列關(guān)系： 1. 在一個碼組內(nèi)最多能檢測e個誤碼，要求最小碼距dmine+1； 2. 在一個碼組內(nèi)最多能糾正t個誤碼，要求最小碼距dmin2t+1； 3. 在一個碼組內(nèi)最多能糾正t個誤碼，同時要求能檢測e個(et)誤碼，要求最小碼距dmint+e+1,4.2.4 信道編碼,RS碼 RS碼即里德-所羅門碼。同時具有糾正隨機與突發(fā)差錯的能力，且糾正突發(fā)差錯的能力更強。 是一種非二進制的BCH碼，它是能夠糾正多個錯誤的糾錯碼。 RS碼中，為糾正

15、t個符號的誤碼，需要2t個監(jiān)督碼元。 RS碼為（204，188，t=8），對應(yīng)的188個信息碼元，監(jiān)督碼元為16字節(jié)(開銷字節(jié)段），可糾正的誤碼為8字節(jié)。 RS碼特別適合于糾正突發(fā)錯誤， 如果與交織技術(shù)相結(jié)合， 它糾正突發(fā)錯誤的能力則會更強,4.2.4 信道編碼,交織技術(shù) 交織技術(shù)就是把成串發(fā)生的誤碼分散，使長串的比特差錯變成短串的比特差錯，從而可以用向前糾錯碼對其進行糾錯。 基本原理：在傳送之前，先打亂原數(shù)碼的排列順序，在接收端再重新恢復(fù)數(shù)碼的排列順序，使在傳送過程中的突發(fā)性誤碼分散開來，以利于實現(xiàn)糾正。 交織不會增加信道的數(shù)據(jù)碼元，只是改變排序順序,交織原理 示意圖,4.2.4 信道編碼,卷積碼 卷積碼又稱為內(nèi)碼、連環(huán)碼或者循環(huán)碼，是一種非分