數(shù)字電視原理5章課件2

6.1數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)

6.2能量擴散

6.3糾錯編碼

6.4數(shù)據(jù)交織和解交織

6.5格狀編碼(TCM)

6.6美國ATSC數(shù)字電視地面廣播系統(tǒng)

習題

第6章數(shù)字電視傳輸6.1數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)

6.2能量擴散

6.36.1數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)數(shù)字電視信號是一種數(shù)字信號，數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)歸屬于數(shù)字通信系統(tǒng)范籌，遵循數(shù)字通信系統(tǒng)的一般規(guī)律。數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)中對信號的處理方法、關鍵技術以及很多名詞術語都來自于數(shù)字通信系統(tǒng)，所以我們先從數(shù)字通信系統(tǒng)概念引出數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)概念。6.1.1數(shù)字通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)的組成如圖6.1.1所示。整個通信系統(tǒng)包括信源部分、信道部分和信宿部分。信源部分主要由信源編碼組成，信道部分主要由信道編碼、傳輸線路(也簡稱信道)、信道解碼組成，信宿部分主要由信源解碼組成。6.1數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)圖6.1.1數(shù)字通信系統(tǒng)的組成圖6.1.1數(shù)字通信系統(tǒng)的組成在數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)中，信源部分又可細分為數(shù)字視頻信源壓縮編碼、數(shù)字音頻信源壓縮編碼、數(shù)據(jù)編碼、節(jié)目流多路復用、傳輸流多路復用等，如圖6.1.2所示。節(jié)目流多路復用是將數(shù)字視頻信源壓縮編碼、數(shù)字音頻信源壓縮編碼、數(shù)據(jù)編碼三種信號復用在一起成為節(jié)目流。傳輸流多路復用是將多個節(jié)目流復用在一起形成傳輸流。在數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)中，信源部分又可細分為數(shù)字視頻信源壓縮圖6.1.2信源部分組成框圖圖6.1.2信源部分組成框圖信宿部分是信源部分的反過程，如圖6.1.3所示。首先將收到的信號進行傳輸流多路解復用，變成各個節(jié)目流，再從節(jié)目流中進行多路解復用，分解送出數(shù)字視頻信號、數(shù)字音頻信號、數(shù)據(jù)信號，最后分別進行解壓縮，恢復得到原始的視頻信號。信宿部分是信源部分的反過程，如圖6.1.3所示。首先將收圖6.1.3信宿部分組成框圖圖6.1.3信宿部分組成框圖傳輸線路包括衛(wèi)星、微波、光纖、同軸電纜、電話線和地面廣播(大氣作為媒介)等。為了提高通信的可靠性，信道部分對信號處理極其嚴格，也極其復雜，處理方法也較多。因此，信道部分又被細分為外信道和內信道，如圖6.1.4所示。傳輸線路包括衛(wèi)星、微波、光纖、同軸電纜、電話線和地面廣播圖6.1.4信道部分詳圖圖6.1.4信道部分詳圖發(fā)送端外信道包括外碼能量擴散、外碼R-S糾錯編碼、外碼數(shù)據(jù)交織;接收端外信道包括外碼數(shù)據(jù)解交織、外碼R-S糾錯解碼、外碼解能量擴散等。發(fā)送端內信道包括內碼卷積交織、內碼卷積編碼、內碼數(shù)字調制;接收端內信道包括內碼數(shù)字解調、內碼卷積解碼、內碼卷積解交織等。發(fā)送端外信道包括外碼能量擴散、外碼R-S糾錯編碼、外碼數(shù)內碼卷積編碼常采用格狀編碼。格狀編碼往往又和調制技術有機地結合起來。格狀編碼調制技術又稱碼調。內信道格狀編碼的一種是卷積編碼(卷積編碼的編碼方法可以用卷積運算形式表達)，經過卷積編碼后，原來無關的數(shù)字符號序列前后一定間隔之內有了相關性。應用這種相關性根據(jù)前后碼符關系來解碼，通常是根據(jù)收到的信號從碼符序列可能發(fā)展的路徑中，選擇出最似然的路徑進行譯碼，比起逐個信號判決解碼性能要好得多。然后把編碼和調制結合在一起，使符號序列映射到信號空間所形成的路徑之間的最小歐氏距離(稱為自由距離)為最大。內碼卷積編碼常采用格狀編碼。格狀編碼往往又和調制技術有機用這種信號波形傳輸時有最大的抗干擾能力。本章后面各節(jié)會詳細介紹發(fā)送側的編碼調制即格狀編碼方法。格狀編碼從可能發(fā)展的路徑中選擇出最似然路徑要應用動態(tài)規(guī)劃方法，即Viterbi算法。在系統(tǒng)中，從格狀編碼調制直到解調內信道解碼的Viterbi算法解碼為止稱為內信道，這與單純的調制和解調相比，降低了對系統(tǒng)工作信噪比的要求，也即降低了發(fā)射機的功率。再加上外信道的前向糾錯碼，可以進一步降低系統(tǒng)差錯誤碼，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。用這種信號波形傳輸時有最大的抗干擾能力。本章后面各節(jié)會詳細介前面從數(shù)字通信系統(tǒng)的觀點出發(fā)闡述了數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)的一般概念。但由于傳輸線路的不同，傳輸條件有異。針對各自的不同情況，各個國家提出了不同的傳輸標準，這些標準在信道部分對信號處理還是有些差別的。數(shù)字電視可以通過數(shù)字衛(wèi)星、數(shù)字微波、數(shù)字光纖網(wǎng)、數(shù)字有線電視網(wǎng)進行傳輸，也可以通過地面廣播方式進行傳輸。傳輸方式不同，傳輸前對數(shù)字電視信號的處理方式也有所差異。本節(jié)主要分析各種不同的傳輸方式中信號處理的方法。前面從數(shù)字通信系統(tǒng)的觀點出發(fā)闡述了數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)的一般6.1.2數(shù)字電視衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)數(shù)字電視衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)發(fā)射側電路框圖如圖6.1.5(a)所示。它包括數(shù)字視頻編碼、數(shù)字音頻編碼、數(shù)據(jù)編碼、節(jié)目流多路復用、傳輸流多路復用、能量擴散、外碼R-S糾錯編碼、內碼卷積交織、內碼卷積編碼、基帶整形、QPSK調制等。經QPSK調制后的中頻(IF)信號再經頻譜搬移到射頻上，經衛(wèi)星天線發(fā)射到衛(wèi)星上。接收側電路框圖如圖6.1.5(b)所示，它是發(fā)射側的反過程，這里不再贅述。6.1.2數(shù)字電視衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)圖6.1.5數(shù)字電視衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)(a)發(fā)射側電路框圖;(b)接收側電路框圖圖6.1.5數(shù)字電視衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)衛(wèi)星系統(tǒng)既可以是一個單載波系統(tǒng)又可以是多載波系統(tǒng)。數(shù)字電視衛(wèi)星傳輸是為了滿足衛(wèi)星轉發(fā)器的帶寬及衛(wèi)星信號的傳輸特點而設計的。如果我們將所要傳輸?shù)挠杏眯畔⒎Q為“核”，那么它的周圍包裹了許多保護層，使信號在傳輸過程中有更強的抗干擾能力，視頻、音頻以及數(shù)據(jù)被放入固定長度打包的MPEG-2傳輸流中，然后進行信道處理。在衛(wèi)星系統(tǒng)中，信道處理過程如下：

(1)進行同步字節(jié)的倒相，倒相字節(jié)的長度為每隔8個同步字節(jié)進行一次。

(2)進行數(shù)據(jù)的能量擴散(數(shù)據(jù)隨機化)，避免出現(xiàn)長串的0或1。衛(wèi)星系統(tǒng)既可以是一個單載波系統(tǒng)又可以是多載波系統(tǒng)。數(shù)字電

(3)為每個數(shù)據(jù)包加上前向糾錯的R-S編碼，也叫做外碼。R-S編碼的加入會使原始數(shù)據(jù)長度由原來的188字節(jié)增加到204字節(jié)(見DVB標準)。

(4)進行數(shù)據(jù)交織。

(5)加入卷積碼(格狀編碼)糾錯，也稱內碼。內碼的數(shù)量可以根據(jù)信號的傳輸環(huán)境進行調節(jié)。

(6)對數(shù)據(jù)流進行QPSK調制，見圖6.1.5。(3)為每個數(shù)據(jù)包加上前向糾錯的R-S編碼，也叫做外對于數(shù)字電視衛(wèi)星直接廣播業(yè)務(DTH，也稱為直接到家業(yè)務)，衛(wèi)星功率是否充分利用對接收天線的尺寸有直接影響。相對來說，由于有碼率壓縮，對頻譜利用率可以放到第二位考慮。為了達到最大的功率利用率又不使頻譜利用率有很大的降低，衛(wèi)星系統(tǒng)最好采用QPSK調制并使用卷積碼(格狀編碼)和R-S級聯(lián)糾錯的方式。在接收端，內碼輸入端有很大的誤碼率(10－1~10－2)，但經內碼校正輸出即可達到2×10－4或更低的誤碼率，這一誤碼率相當于外碼輸出近似無誤碼(QEF，誤碼率可在10－10~10－11)，相應于每小時少于一個不可糾正的誤碼，因此傳輸系統(tǒng)仍能很好地工作。對于數(shù)字電視衛(wèi)星直接廣播業(yè)務(DTH，也稱為直接到家業(yè)務總之，傳輸系統(tǒng)首先對突發(fā)的誤碼進行離散化，然后加入R-S外糾錯碼保護，內碼糾錯碼(格狀編碼)可以根據(jù)發(fā)射功率、天線尺寸以及碼流率進行調節(jié)變化。例如，一個36MHz帶寬的衛(wèi)星轉發(fā)器采用3/4的卷積碼(格狀編碼)可以達到的碼流率是39Mb/s，這一碼流率可以傳送5或6路高質量電視信號?？傊?，傳輸系統(tǒng)首先對突發(fā)的誤碼進行離散化，然后加入R-S6.1.3數(shù)字電視有線傳輸系統(tǒng)數(shù)字電視有線傳輸系統(tǒng)發(fā)射側電路框圖如圖6.1.6(a)所示。為了使各種傳輸方式盡可能兼容，除信道調制外的大部分處理均與衛(wèi)星中的處理相同，也即有相同的能量擴散(偽隨機序列擾碼)、相同的R-S糾錯、相同的卷積交織，隨后進行的處理是專門用于電纜電視的。首先進行字節(jié)(Byte)到符號的映射，如64QAM是將8比特數(shù)據(jù)轉換成6比特為一組符號，然后前2比特進行差分編碼再與剩余的4比特轉換成相應星座圖中的點。該方案可以適應16QAM、32QAM、64QAM三種調制方式。6.1.3數(shù)字電視有線傳輸系統(tǒng)圖6.1.6數(shù)字電視有線傳輸系統(tǒng)(a)發(fā)射側電路框圖;(b)接收側電路框圖圖6.1.6數(shù)字電視有線傳輸系統(tǒng)有線網(wǎng)絡系統(tǒng)的核心與衛(wèi)星系統(tǒng)的相同，但數(shù)字調制系統(tǒng)是以正交幅度調制(QAM)而不是以QPSK為基礎的，而且可不需要內碼(格狀編碼)編碼。該系統(tǒng)采用64QAM，也能夠使用16QAM和32QAM。在每一種情況下，在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)容量和數(shù)據(jù)的可靠性之間進行折衷。更多電平的調制，例如128QAM和256QAM，也是可能的，但它們的使用取決于有線網(wǎng)絡的容量和解碼器的性能。如果使用64QAM，那么8MHz頻道能夠容納38.5Mb/s的有效載荷容量。接收側電路框圖如圖6.1.6(b)所示，它是發(fā)射側的反過程，在此不再贅述。有線網(wǎng)絡系統(tǒng)的核心與衛(wèi)星系統(tǒng)的相同，但數(shù)字調制系統(tǒng)是以正6.1.4數(shù)字電視地面廣播傳輸系統(tǒng)

1.COFDM調制方案對于歐洲數(shù)字電視地面廣播傳輸系統(tǒng)，信源仍然采用MPEG-2數(shù)字音頻、視頻壓縮編碼。其它特點是，采用編碼正交頻分多路調制(COFDM)方式，它是由內碼編碼(Code)和正交頻分多路調制(OFDM)相組合起來的一種數(shù)字調制方式，稱做編碼正交頻分多路調制(COFDM)方式。這種調制方式又可以分成2K載波方式和8K載波方式。COFDM調制方式將信息分布到許多個載波上面，這種技術曾經成功地運用到了數(shù)字音、視頻廣播DAB上面，用來避免傳輸環(huán)境造成的多徑反射效應，其代價是引入了傳輸“保護間隔”。這些“保護間隔”會占用一部分帶寬，通常COFDM的載波數(shù)量越多，對于給定的最大反射延時時間，傳輸容量損失越小。但是總有一個平穩(wěn)點，增加載波數(shù)量會使接收機復雜性增加，破壞相位噪聲靈敏度，增加了延時。6.1.4數(shù)字電視地面廣播傳輸系統(tǒng)

COFDM中各字母的具體技術含義如下：

(1)C為編碼Code的英文縮寫。為了修正傳輸中可能出現(xiàn)的差錯，信源編碼輸出的比特流通常要加入冗余進行差錯保護，即進行糾錯編碼。例如，可采用編碼率可變的卷積編碼——可刪除型卷積編碼，以適應不同重要性的數(shù)據(jù)的保護要求。COFDM中各字母的具體技術含義如下：

(2)OFD為正交頻分。使用大量的載波(即副載波)以代替通常用于傳送一套節(jié)目的單個載波。這些副載波有相等的頻率間隔，所有副載波的頻率都是一個基本振蕩頻率的整數(shù)倍，在頻譜關系上是彼此正交的。這些副載波盡管靠得很近，且有部分頻譜重疊，但它們攜帶的信息仍然可以彼此分離。要傳送的信息(信源比特流)，按照一定規(guī)則被分割后，分配在這些副載波上，每一個副載波可采用四相差分相移鍵控(4DPSK)方法調制，它需要與4位軟判別輸出的差分解碼相配合。(2)OFD為正交頻分。使用大量的載波(即副載波)以代

(3)M為復用。COFDM是一種寬帶傳輸方式，傳輸?shù)男畔⒉辉偈菃我坏墓?jié)目，而是許多套節(jié)目相互交織地分布在上述大量副載波上，形成一個頻率塊。

COFDM需要的眾多載波并不是采用通常的鎖相頻率合成器來產生的，否則造價、體積、頻率相關性都成問題，實際上可以采用離散傅里葉反變換(IDFT)，同時產生所需數(shù)量的載波，這樣也使控制載波的有無變得非常簡單，可實現(xiàn)程序控制。IDFT的具體過程通常是利用快速傅里葉反變換(IFFT)來完成的。在接收端的解碼器里，為了使信號恢復原狀，需要有離散傅里葉變換(DFT)，實現(xiàn)算法為快速傅里葉變換(FFT)。(3)M為復用。COFDM是一種寬帶傳輸方式，傳輸?shù)男庞捎贑OFDM調制方式的抗多徑反射功能，它可以潛在地允許在單頻網(wǎng)中相鄰網(wǎng)絡的電磁覆蓋重疊，在重疊的區(qū)域內可以將來自兩個發(fā)射塔的電磁波看成是一個發(fā)射塔的電磁波與其自身反射波的疊加。但是如果兩個發(fā)射塔相距較遠，發(fā)自兩塔的電磁波的時間延遲比較長，系統(tǒng)就需要較大的保護間隔。由該種數(shù)字調制方式組成的數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)如圖6.1.7所示。發(fā)射側電路由節(jié)目流多路復用、傳輸流多路復用、能量擴散、外碼R-S糾錯編碼、外碼交織、內碼卷積交織、內碼卷積編碼、OFDM調制和射頻輸出等部分組成。從前向糾錯碼來看，由于傳輸環(huán)境的復雜性，COFDM數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)不僅包含了內、外碼糾錯編碼(OuterCode，InterCode)，而且加入了內、外碼交織(OuterInterleave外碼交織，InterInterleave內碼交織)，見圖6.1.7。接收部分是它的反過程，在此不再贅述。由于COFDM調制方式的抗多徑反射功能，它可以潛在地允許圖6.1.7帶有正交頻分多路數(shù)字調制的數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)(a)發(fā)射側電路框圖;(b)接收側電路框圖圖6.1.7帶有正交頻分多路數(shù)字調制的數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)

2.殘留邊帶(VSB)調制方案

1994年美國大聯(lián)盟HDTV方案傳輸部分采用殘留邊帶(VSB)進行高速數(shù)字調制，該地面廣播收、發(fā)系統(tǒng)如圖6.1.8所示。對于發(fā)射機部分，圖像、伴音的打包數(shù)據(jù)先送入R-S編碼器，再經數(shù)據(jù)交織、格狀編碼、多路復用(數(shù)字視/音頻數(shù)據(jù)、段同步、行同步復用)，再插入導頻信號。插入導頻信號的目的是便于接收端恢復載波時鐘。然后進行殘留邊帶(VSB)調制，最后送往發(fā)射機，發(fā)射機輸出射頻。接收機部分是它的反過程，在此不再贅述。2.殘留邊帶(VSB)調制方案圖6.1.8殘留邊帶(VSB)調制數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)(a)發(fā)射機部分;(b)接收機部分圖6.1.8殘留邊帶(VSB)調制數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)6.2能量擴散在經信源編碼(按MPEG-2標準)和傳輸流復用之后，傳輸流將以固定數(shù)據(jù)長度組織成數(shù)據(jù)幀結構。例如，歐洲DVB標準的傳輸流復用幀每數(shù)據(jù)幀的總長度為188字節(jié)，其中包括1個同步字節(jié)(01000111)。發(fā)送端的處理總是從同步字節(jié)(47H)的最高位(MSB)(即“0”)開始。每8個數(shù)據(jù)幀為一幀群。為區(qū)別每一幀群的起始點，第一個數(shù)據(jù)幀的同步字節(jié)的每個比特翻轉，即由47H變?yōu)锽8H，而第二至第八個數(shù)據(jù)幀的同步字節(jié)不變。這樣，在接收端只要檢測到翻轉的同步字節(jié)，就說明一個新幀群開始。如圖6.2.1所示，第一個數(shù)據(jù)幀的同步字節(jié)翻轉，實際上是在偽隨機信號發(fā)生器(即能量擴散)中完成的。6.2能量擴散圖6.2.1固定長度數(shù)據(jù)幀結構圖6.2.1固定長度數(shù)據(jù)幀結構經上述處理后的傳輸數(shù)據(jù)流，再按圖6.2.2中描述的格式進行數(shù)據(jù)隨機化(即能量擴散)。能量擴散的目的是使數(shù)字電視信號的能量不過分集中在載頻上或“1”、“0”電平相對應的頻率上，從而減小對其它通信設備的干擾，并有利于載波恢復。具體做法是將二進制數(shù)據(jù)中較集中的“0”或“1”按一定的規(guī)律使之分散開來，這個規(guī)律由偽隨機發(fā)生器的生成多項式決定。例如，如果某一時刻“1”過于集中，就相當于該時刻發(fā)射功率能量集中在“1”電平相對應的頻率上。在另一時刻，如果“0”過于集中，就相當于此時刻發(fā)射功率集中在載頻上。這種在信號的發(fā)射過程中能量過于集中的現(xiàn)象，不利于載波恢復，影響接收效果。如果在信號發(fā)射之前，將二進制數(shù)據(jù)隨機化，即能量擴散，使“1”和“0”分布較為合理，即整個數(shù)據(jù)系列中，數(shù)據(jù)從“0”到“1”或從“1”到“0”的跳變較為頻繁，這大大有利于載波恢復，提高了接收信號的穩(wěn)定可靠性。數(shù)據(jù)隨機化過程也稱數(shù)據(jù)擾碼過程，收、發(fā)兩端是同步進行的，以確保原始數(shù)據(jù)的恢復。經上述處理后的傳輸數(shù)據(jù)流，再按圖6.2.2中描述的格式進圖6.2.2數(shù)據(jù)隨機化/去隨機化(能量擴散/解擴散電路)圖6.2.2數(shù)據(jù)隨機化/去隨機化(能量擴散/解擴散電路能量擴散是通過偽隨機二進位序列發(fā)生器來完成的，需要能量擴散的數(shù)字信號送往圖6.2.2所示的電路就可完成。偽隨機發(fā)生器電路是由生成多項式決定的。例如歐洲DVB標準采用的偽隨機二進位序列(PRBS)發(fā)生器的生成多項式為1+x14+x15能量擴散是通過偽隨機二進位序列發(fā)生器來完成的，需要能量擴在每8個傳送幀開始時，對15個寄存器進行初始化，加載“100101010000000”數(shù)據(jù)，如圖6.2.2所示輸入到PRBS寄存器中。為了向擾碼器提供初始信號，第一個傳輸幀的同步字節(jié)將自動從47H反轉到B8H，這一過程稱為“傳輸流復用調整”。PRBS發(fā)生器輸出的第一位應與反轉后的同步字節(jié)(B8H)的第一位(即MSB)相一致。為了向加擾器提供初始信號“100101010000000”，每8個數(shù)據(jù)幀中第一個數(shù)據(jù)幀的同步字節(jié)(Byte)期間，擾碼將繼續(xù)進行，但輸出“使能”端關斷，也即第一個數(shù)據(jù)幀的同步字節(jié)并不加擾，未被隨機化。因此，PRBS序列幀群的總長度為8×188－1=1503字節(jié)。當調制器輸入數(shù)據(jù)流不存在，或者它與傳輸流格式(1同步字節(jié)+187字節(jié)數(shù)據(jù))不一致時，也必須進行隨機化。這是為了避免發(fā)送出未被調制的載波。在每8個傳送幀開始時，對15個寄存器進行初始化，加載“值得注意的是，收、發(fā)兩端均采用相同的能量擴散、解擴散電路，而且是同步工作的。圖6.2.2中，1~15表示15個移位寄存器，AND表示或門，EX-OR表示異或門。在發(fā)送端，數(shù)據(jù)要進行隨機化時，將要隨機化的數(shù)據(jù)從圖6.2.2中底下這個異或門的去隨機/隨機數(shù)據(jù)輸入端口加入，再經異或門隨機化后輸出已被能量擴散后的隨機數(shù)據(jù)。在接收端，解能量擴散電路也是與發(fā)送端電路相同，需要去隨機化的數(shù)據(jù)從圖6.2.2中底下這個異或門的去隨機/隨機數(shù)據(jù)輸入端口加入，再經異或門去隨機化后，輸出已被解能量擴散后的數(shù)據(jù)。值得注意的是，收、發(fā)兩端均采用相同的能量擴散、解擴散電路為了檢驗其擴散效果，利用圖6.2.2的原理現(xiàn)編程序如下：

#include"stdio.h"

main()

{longm();

unsignedb=0,b1,b2,t=0x00a9,t1,t2,res=0,i1,res1;

chari，c，i2;

unsignedlonga，yu，a1;

printf("a=");/*輸入16位周期重發(fā)數(shù)據(jù)流*/

scanf("%6ld%10ld"，&a1，&a);

printf("%ld，%ld＼n"，a，a1);為了檢驗其擴散效果，利用圖6.2.2的原理現(xiàn)編程序如下：

for(i=9;i>=0;--i) {c=a1/m(10，i);

yu=a1%m(10，i); if(c>0)b=b+m(2，i+10); a1=yu; }

for(i=9;i>0;--i) {c=a/m(10，i); yu=a%m(10，i);

if(c>0)b=b+m(2，i); a=yu;}for(i=9;i>=0;--i) if(yu>0)b=b+1;

printf("b=%u＼n"，b);/*輸入的數(shù)據(jù)流的十進制值*/

printf("res=");

for(i1=0;i1<=188;i1++)/*數(shù)據(jù)重發(fā)的周期數(shù)*/

{b2=b;

for(i2=0，res=0;i2<16;i2++){if(i2!=0)res=res>>1;

t1=t&0x4000;

t2=t&0x2000;

t=t<<1;

t=t&0x7fff; if(yu>0)b=b+1;

t2=t2<<1; t1=t1^t2; t1=t1>>14; t=t|t1; b1=b2&0x0001; b1=t1^b1; b2=b2>>1; res=res|(b1<<15);

} t2=t2<<1; for(i2=0;i2<16;i2++){if(i2!=0)res=res<<1;res1=res&0x8000;

if(res1>0)printf("1"); elseprintf("0");}/*輸出的數(shù)據(jù)流*/

}printf("＼n");

} for(i2=0;i2<16;i2++)

longm(charg，charn)

{inti1;

longk=1;

for(i1=0;i1<n;i1++)k=k*g;

return(k);

}當輸入為全1，周期為100時，其結果如圖6.2.3所示。當輸入8個0及8個1，周期為100時，其結果如圖6.2.4所示。顯然從以上運行結果可看出原來能量密集情況得以分散。特別是全1情況，更能顯現(xiàn)出能量擴散的特征。longm(charg，charn)圖6.2.3運行結果1圖6.2.3運行結果1圖6.2.4運行結果2圖6.2.4運行結果26.3糾錯編碼縱觀數(shù)字電視信號傳輸標準(歐洲的DVB、DVB-H，日本的ISDB，美國的VSB，中國的DTTBS、CMMB)，常見的糾錯編碼有BCH碼、R-S碼、Turbo碼和LDPC碼等。

1.BCH碼

BCH(Bose-Chaudhuri-Hocquenghem，三個人名)碼是一類重要的循環(huán)碼，它能在一個分組中糾正多個獨立隨機差錯，屬于二元線性循環(huán)碼。它因糾錯能力強、構造方便而被廣泛采用。下面我們利用工程上的查表法，求得BCH碼的生成多項式。

(1)BCH碼的生成多項式如下：g(x)=LCM［m1(x)，m3(x)，…，m2t-1(x)］(6.3.1)其中：t為糾錯個數(shù);mi(x)為素(不可約)多項式;LCM為最小公倍數(shù)。6.3糾錯編碼由式(6.3.1)生成的碼稱為BCH碼。

BCH碼的最小距離d≥d0=2t+1，其中d0為設計距離。它能糾正t個獨立隨機差錯。

BCH碼可分為以下兩類:①碼長n=2m-1，稱為本原BCH碼或稱為狹義BCH碼。②碼長n=2m-1的因子，稱為非本原BCH碼，又稱為廣義BCH碼。由式(6.3.1)生成的碼稱為BCH碼。

(2)利用查表法求生成多項式: m1(x)=(23)8=010011=x4+x+1 m3(x)=(37)8=011111=x4+x3+x2+x+1 m5(x)=(07)8=000111=x2+x+1其中，(××)8表示八進制。(注：本節(jié)中的x是按降冪排列的，這是由于二八變換表格中八進制是按降冪排列的。)(2)利用查表法求生成多項式:故求得

g(x)=LCM［m1(x)，m3(x)，…，m2t-1(x)］

=LCM［(x4+x+1)×(x4+x3+x2+x+1)×(x2+x+1)］

=x10+x8+x5+x4+x2+x+1

二進制BCH碼的構造的參數(shù)約束關系如下：設碼長為n，信息位為k，則監(jiān)督位長度為n－k≤mt

(6.3.2)dmin=2t+1

(6.3.3)糾正t個錯誤。其中m(m≥3)和t為正整數(shù)。故求得例如，有一組信息，碼長n=511位，其中信息碼元k=493位，校驗碼元n－k=18位。按BCH碼的碼長n、信息碼元k和糾錯能力t之間應符合如下關系:n=2m－1，n－k≤mt式中m為大于3的正整數(shù)?，F(xiàn)在n＝511=29－1，故m＝9，n－k＝18≤9t，故t＝2，即可以糾正2位誤差，所以，每一組數(shù)據(jù)511位到達解碼器后，由BCH解碼器解出信息碼元493位，如果發(fā)現(xiàn)2位或2位以下的錯誤則可以自動糾正。例如，有一組信息，碼長n=511位，其中信息碼元k=49

2.R-S碼外碼糾錯編碼采用R-S(Reed-Solomon，兩個人名)碼。R-S碼是一種性能優(yōu)良的分組線性碼，在同樣編碼冗余度下R-S碼具有很強的糾錯能力。同時由于近年來超大規(guī)模集成電路(VLSI)技術的發(fā)展，使原來非常復雜、難以實現(xiàn)的譯碼電路集成化，目前功能很強的、長R-S碼的編/譯碼器芯片也商業(yè)化了。因此，R-S碼在通信領域已被廣泛地應用。當前國際上所提出的各種數(shù)字TV地面?zhèn)鬏敺桨笩o不采用R-S碼。以R-S碼作為外碼，多電平格狀編碼作為內碼的級聯(lián)碼，加上完全的數(shù)據(jù)交織，為數(shù)字TV傳輸提供強有力的前向糾錯能力。下面介紹R-S碼的糾錯及R-S碼在數(shù)字電視傳輸標準中的應用。2.R-S碼

1)R-S碼的糾錯在實際應用中，有限域元素個數(shù)一般取為2的冪，即q=2m。于是碼長N=2m－1。例如在數(shù)字高清晰度電視傳輸某一方案中，采用(255，245)R-S碼。這時m=8，碼字由255個8bit字符組成，能糾正t=5個隨機錯誤。在數(shù)字高清晰度電視中，R-S碼和格狀編碼級聯(lián)使用，如果在系統(tǒng)中采用充分的數(shù)據(jù)交織，則可以認為在R-S譯碼器輸入的數(shù)據(jù)差錯是純隨機的。若用Pbi表示R-S碼譯碼器輸入的誤比特率，則R-S譯碼器輸入的誤符號率為Psi＝1－(1－Pbi)m

(6.3.4)1)R-S碼的糾錯如果R-S碼的最小Hamming距離d=2t+1，則該碼可以糾正任意t個符號錯誤，所以R-S的譯碼錯誤概率為(6.3.5)而譯碼器輸出的誤符號率為Pso＝1－(1－Pe)1/N

(6.3.6)譯碼器輸出的誤比特率為Pbo＝1－(1－Pso)1/m

(6.3.7)如果R-S碼的最小Hamming距離d=2t+1，則該碼可以

如果格狀內碼的Viterbi譯碼器還可以提供關于判決可靠性的邊信息(sideinformation)，比如說Viterbi譯碼中最大路徑值和次最大路徑值之差是否小于某個門限。若小于某個門限，則可以認為這時的判決是不可靠的，從而輸出一個刪除空格。R-S碼既可用于糾正符號錯誤，又可用來正確填充刪除空格。對于一個距離d=2t+1的R-S碼，它可糾正i＜2t個刪除錯誤，同時糾正j＜t(i)個符號錯誤，其中:如果格狀內碼的Viterbi譯碼器還可以提供關于判決可其中［x］表示小于或等于x的最大整數(shù)，對于同時糾正符號錯誤和刪除錯誤的碼來說，其譯碼錯誤概率為

(6.3.8)其中Pers表示輸入符號被刪除的概率，輸出誤比特率由式(6.3.6)和式(6.3.7)求出，其中用Pt代替前面的Pe。同時糾正符號錯誤和刪除錯誤的R-S碼可以進一步提高糾錯能力。其中［x］表示小于或等于x的最大整數(shù)，對于同時糾正符號錯誤和

2)R-S碼在數(shù)字電視傳輸標準中的應用上述對R-S碼進行了理論分析，用于實際工程計算中，我們可以對R-S碼總結出如下幾個要點。

(1)R-S碼的基本參數(shù):①輸入信息可分為k×mbit一組，每組k個符號，每個符號由mbit組成。②碼長：n=2m－1符號或m(2m－1)bit;信息段：k個符號或bit;可糾錯能力：t個符號或mtbit;監(jiān)督段：n－k=2t符號或m(n－k)=2mtbit;最小距離：d=2t+1符號或md=m(2t+1)bit。2)R-S碼在數(shù)字電視傳輸標準中的應用

(2)R-S碼的糾錯能力:①R-S碼同時具有糾正隨機與突發(fā)差錯的能力，且糾突發(fā)能力更強。②R-S碼可糾正的錯誤圖樣有：總長度b1=(t－1)m+1bit的單個突發(fā);總長度b2=(t－3)m+3bit的兩個突發(fā);總長度bi=(t－2i+1)m+2i－1bit的i個突發(fā)。(2)R-S碼的糾錯能力:

例如，有一組信息，碼長n=204字節(jié)，其中信息碼元k=188字節(jié)，校驗碼元n－k=16字節(jié)。

R-S碼的碼長n、信息碼元k和糾錯能力t之間應符合如下關系:n=2m－1，n－k=2t又因校驗碼元n－k=16字節(jié)，可得t=8，故可糾8字節(jié)錯誤。例如，有一組信息，碼長n=204字節(jié)，其中信息碼元k=

3.Turbo碼

1993年法國人Berou等在ICC國際會議上提出了一種采用重復迭代(Turbo)譯碼方式的并行級聯(lián)碼，并采用軟輸入/軟輸出譯碼器，可以獲得接收Shannon極限的性能，至少在大的交織器和誤碼率(BER)近似為10－5的條件下，可以達到這種性能。Turbo碼的優(yōu)良性能，受到移動通信領域廣泛的重視，特別是在第三代移動通信體制中，Turbo碼被廣泛采用。

1)Turbo碼編碼原理

Turbo碼編碼原理框圖如圖6.3.1所示。圖中編碼器由下列三部分組成：

(1)直接輸入部分;

(2)經過編碼器1，再經過開關單元后送入復接器;

(3)先經過交織器、編碼器2，再經開關單元送入復接器。3.Turbo碼圖6.3.1Turbo碼編碼原理框圖圖6.3.1Turbo碼編碼原理框圖

2)Turbo碼譯碼原理

Turbo碼譯碼原理框圖如圖6.3.2所示。

(1)并行級聯(lián)卷積碼的反饋迭代結構類似于渦輪機原理(Turbo)，故稱為Turbo碼。

(2)譯碼算法采用軟輸入/軟輸出(SISO)的BCJR迭代算法。

(3)Berou指出，當分量碼采用簡單遞歸型卷積碼，交織器大小為256×256時，計算機仿真結果表明：當Eb/No≥0.7dB，BER≤10－5時，性能極其優(yōu)良。2)Turbo碼譯碼原理圖6.3.2Turbo碼譯碼原理框圖圖6.3.2Turbo碼譯碼原理框圖

4.LDPC碼

1962年，Gallager首先提出了低密度奇偶校驗碼(Low-DensityParity-CheckCode，LDPC),該碼性能十分接近香農限，而且是可以實現(xiàn)的編碼方案，其性能甚至超過了Turbo碼。自1995年Mackay和Neal重新發(fā)現(xiàn)低密度奇偶校驗碼的優(yōu)越性后，越來越多的研究者將注意力集中在LDPC碼上，并將其作為未來高速寬帶移動通信系統(tǒng)中信道編碼的主要備選方案之一。最近幾年的研究表明，在非規(guī)則圖上構造的基于GF(q)域上的LDPC碼性能要好于Turbo碼，它的性能非常接近香農限。LDPC碼是根據(jù)稀疏隨機圖來構造的，因而它的碼字之間具有很好的碼距離。LDPC碼屬于線性糾錯碼，它的校驗矩陣是一個稀疏校驗陣：4.LDPC碼每個碼字滿足一定數(shù)目的線性約束，而約束的數(shù)目通常是非常小的。同時由于LDPC碼的約束是由一個稀疏圖定義的，因而使得它的譯碼變得較為容易。目前，LDPC碼已經成為編碼領域的一個新的研究熱點。繼Turbo碼被ISO-2000標準作為第三代移動通信手機中的糾錯抗干擾方案后，最近，LDPC碼也被LG等大的通信公司采用或提出作為第四代移動通信手機中的糾錯抗干擾方案。每個碼字滿足一定數(shù)目的線性約束，而約束的數(shù)目通常是非常小的。

LDPC碼是一類對應于奇偶校驗矩陣的線性分組碼。奇偶校驗矩陣H

(N－K)αN僅包含0和1且十分稀疏，也就是說，該矩陣1的密度非常低。給定K個信息比特后，長度為N且屬于碼空間C的所有碼字c布滿了校驗矩陣H的零空間，這里，cHT=0。對于(Wc，Wr)規(guī)則LDPC碼，其校驗矩陣H的每列有Wc個1，每行有Wr個1。式(6.3.9)就是一個H規(guī)則矩陣，每列有2個1，每行有4個1。(6.3.9)LDPC碼是一類對應于奇偶校驗矩陣的線性分組碼。奇偶校驗若每行或每列“1”的個數(shù)不是常數(shù)，則這種碼稱為非規(guī)則碼。非規(guī)則碼比規(guī)則碼的糾錯性能更好，但非規(guī)則性會增加硬件實現(xiàn)的復雜性和降低運算單元重復使用的效率。

LDPC碼可以用一種稱為“Tanner”圖的雙向圖來更有效地表示。雙向圖可以描述為：所有節(jié)點分為兩類，節(jié)點間用無方向的邊連接，但這些邊不能連接屬于同一類的兩個節(jié)點。這兩類節(jié)點在Tanner圖中稱為比特節(jié)點和校驗節(jié)點。Tanner圖按如下規(guī)則描畫：當H中的元素h為1時，校驗節(jié)點fj(j=1，…，N－K)連接到比特節(jié)點xi(i=1，…，N)，圖6.3.3表示了根據(jù)一個簡單的奇偶校驗矩陣畫的對應的Tanner圖。在這個圖中，每個比特節(jié)點被連接到兩個校驗節(jié)點(比特度數(shù)為2),每個校驗節(jié)點的度數(shù)為4。一個節(jié)點的度數(shù)等于連接到該節(jié)點的邊的數(shù)目。若某節(jié)點經過1條邊后回到節(jié)點本身，則1稱為Tanner圖的一個周期。若每行或每列“1”的個數(shù)不是常數(shù)，則這種碼稱為非規(guī)則碼。

1)LDPC碼編碼得到LDPC碼的校驗矩陣后，我們可以畫出相應的Tanner圖，從一般的角度考慮LDPC碼的編碼，首先需要將各信息比特對應到圖中各節(jié)點，這樣所有的校驗條件都會被滿足。用這種方法，LDPC碼的編碼問題就會集中到分配信息比特的節(jié)點的選擇和計算其它比特節(jié)點值的技巧上。為了將編碼過程表示為矩陣形式，將長度為K的信息比特編碼為LDPC碼，需要進行以下運算:c=mG這里c是N比特長的碼字，G是生成矩陣。1)LDPC碼編碼例如，我們假設要在某信道上傳輸信息比特組m=［1，0，1，1］，首先用下面的不規(guī)則矩陣H編碼：

(6.3.10)例如，我們假設要在某信道上傳輸信息比特組m=［1，0，1則可求出P矩陣，從而得出矩陣G，即

(6.3.11)輸出碼字c=mG=［1011001］則可求出P矩陣，從而得出矩陣G，即初看起來，編碼會有很大的計算量，因為所有的校驗方程都必須得到滿足，其計算復雜度與碼長的二次方成正比。但實際上，編碼可以用更有效的方式完成，其復雜度甚至只有譯碼復雜度的幾分之一?，F(xiàn)在存在幾種不同的LDPC碼編碼算法，一些方法利用了校驗矩陣的稀疏性來實現(xiàn)有效編碼，而另一些方法則利用Tanner圖的某些結構使編碼更直觀和簡單，重復累加(Repeat-Accumulate)算法就是一個利用某些結構的Tanner圖編碼的例子。考慮(7，4)漢明碼，將此碼經BPSK調制后傳經一個AWGN信道，傳輸?shù)姆枮閤K∈{±1}，(xK=(－1)k)，可以繪出如圖6.3.3所示的Tanner圖。初看起來，編碼會有很大的計算量，因為所有的校驗方程都必須圖6.3.3(7，4)漢明碼的Tanner圖圖6.3.3(7，4)漢明碼的Tanner圖

2)LDPC碼譯碼算法除了在1960年發(fā)表的有關LDPC碼的原始工作之外，Gallager也提出了一種經過有效優(yōu)化的譯碼算法。從那時起，其它的學者也各自發(fā)現(xiàn)了相關算法，其中，最成功的是基于迭代計算變量節(jié)點所傳遞信息模型的算法，比如信息傳遞算法(MessagePassingAlgorithm)、和積算法(Sum-ProductAlgorithm)、置信傳播算法(BeliefPropagationAlgorithm)等。用于Turbo碼的迭代譯碼算法是和積算法的一個特例。下面僅討論和積算法。2)LDPC碼譯碼算法

yK是從信道得到的接收符號，設nK為k比特的噪聲圖樣，則yK=xK+nK。圖6.3.4中的邊可以看成是迭代計算過程中信息流動的路徑。觀察與校驗矩陣中第一列對應的子圖(圖6.3.5)，在信息傳遞算法的一次計算中，節(jié)點x1將所有可能獲得的信息傳給每個校驗節(jié)點，除去接收節(jié)點本身已知的信息。比如圖6.3.4中，從x1傳給f3的信息是從信道得到的信息y3加上前半次迭代中從f1和f2得到的外信息。外信息是節(jié)點之間傳遞的信息。在每半次迭代中，比特節(jié)點和校驗節(jié)點都要做相應的計算。在另外半次迭代中，如圖6.3.5所示，信息向相反的方向傳遞(從校驗節(jié)點到比特節(jié)點)。當達到了迭代的最大次數(shù)或者是所有的校驗方程得到滿足時，迭代終止。yK是從信道得到的接收符號，設nK為k比特的噪聲圖樣，則圖6.3.4信息傳入/傳出比特節(jié)點圖6.3.4信息傳入/傳出比特節(jié)點圖6.3.5信息傳入/傳出校驗節(jié)點圖6.3.5信息傳入/傳出校驗節(jié)點該譯碼算法可歸納如下：

(1)初始化節(jié)點；

(2)將信息從比特節(jié)點傳到校驗節(jié)點；

(3)將信息從校驗節(jié)點傳回比特節(jié)點；

(4)由比特節(jié)點得到的概率信息計算得到近似的碼字，如果cHT=0或者達到最大迭代次數(shù)就終止，否則繼續(xù)迭代。

LDPC由于性能優(yōu)良，國內外很多學者傾心研究，新的編、譯碼方法層出不窮，望讀者多關心相關報導。該譯碼算法可歸納如下：6.4數(shù)據(jù)交織和解交織糾錯編碼在實際應用中往往要結合數(shù)據(jù)交織技術。因為許多信道差錯是突發(fā)的，即發(fā)生錯誤時，往往是有很強的相關性，甚至是連續(xù)一片數(shù)據(jù)都出了錯。這時由于錯誤集中在一起，常常超出了糾錯碼的糾錯能力，因此在發(fā)送端加上數(shù)據(jù)交織器，在接收端加上解交織器，使得信道的突發(fā)差錯分散開來，把突發(fā)差錯信道變成獨立隨機差錯信道，這樣可以充分發(fā)揮糾錯編碼的作用。交織器就是使數(shù)據(jù)順序隨機化，它分為周期交織和偽隨機交織兩種。信道之中加上交織與解交織，系統(tǒng)的糾錯性能可以提高好幾個數(shù)量級。6.4數(shù)據(jù)交織和解交織

數(shù)據(jù)交織也稱數(shù)據(jù)交織編碼，交織編碼是通過交織與解交織將一個有記憶的突發(fā)差錯信道改造為基本上是無記憶的隨機獨立差錯的信道，然后再用糾隨機獨立差錯的碼來糾錯。交織可分為塊交織和卷積交織，下面先介紹塊交織。數(shù)據(jù)交織也稱數(shù)據(jù)交織編碼，交織編碼是通過交織與解交織將

1.塊交織

1)塊交織原理塊交織在發(fā)送端是將已編碼的數(shù)據(jù)構成一個m行n列的矩陣，按行寫入隨機存儲器(RAM)，再按列讀出送至發(fā)信信道。在接收端將接收到的信號按列順序寫入RAM，再按行讀出。假設傳輸過程中的突發(fā)錯誤是整列錯誤，但在接收端，糾錯是以行為基礎的，被分配到每行只有一個錯誤。這樣，把連續(xù)的突發(fā)錯誤分散為單個隨機錯誤，有利于糾錯。下面采用矩陣形式再進行詳細分析。1.塊交織

(1)設發(fā)送端待發(fā)送的一組信息為

X=(A01，A02，A03，A04，A05，A06，

A07，A08，A09，A10，A11，A12，A13，

A14，A15，A16，A17，A18，A19，A20，

A21，A22，A23，A24，A25)(1)設發(fā)送端待發(fā)送的一組信息為

(2)交織存儲器為一行列交織矩陣，它按列寫入按行讀出：(6.4.1)(2)交織存儲器為一行列交織矩陣，它按列寫入按行讀出：(3)交織器輸出并送入突發(fā)信道的信息為

X′=(A01，A06，A11，A16，A21，A02，

A07，A12，A17，A22，A03，

A08，A13，A18，A23，A04，A09，

A14，A19，A24，A05，A10，A15，A20，A25)(3)交織器輸出并送入突發(fā)信道的信息為

(4)設信道產生兩個突發(fā)錯誤：第一個產生于A01，A06，A11，A16，A21，連錯5位;第二個產生于A03，A08，A13，A18，連錯4位。(4)設信道產生兩個突發(fā)錯誤：第一個產生于A01，A0

(5)突發(fā)信道輸出端的信息為X″，它可表示為

X″=(A01，A06，A11，A16，A21，

A02，A07，A12，A17，A22，

A03，A08，A13，A18，A23，A04，

A09

，A14，A19，A24，A05

，A10，

A15，A20，A25)(5)突發(fā)信道輸出端的信息為X″，它可表示為

(6)接收端進入解交織后，送入另一存儲器，也是一個行列交織矩陣，按行寫入，按列讀出：

(6.4.2)(6)接收端進入解交織后，送入另一存儲器，也是一個行列

(7)解交織存儲器的輸出為: =(A01，A02，A03，A04，A05，A06，A07，A08，

A09，A10，A11，A12，A13，A14，A15，A16，

A17，A18，A19，A20，A21，A22，A23，A24，A25)由上可見，經過交織矩陣與解交織矩陣后，原來信道中的突發(fā)錯誤，即兩個突發(fā)5位連錯和4位連錯變成了

中的隨機性的獨立差錯(見畫線部分)。(7)解交織存儲器的輸出為:

2)塊交織的基本性質設分組長度L=M×N，即由M列到N行的矩陣構成，其中交織存儲器是按列寫入按行讀出，然后送入信道，進入解交織矩陣存儲器，其中解交織矩陣存儲器是按行寫入按列讀出。利用這種行、列倒換，可將突發(fā)信道變換為等效的隨機獨立信道。這類交織器屬于分組周期性交織器，具有如下性質：

(1)任何長度l≤M的突發(fā)差錯，經交織后成為至少被N－1位隔開后的一些單個獨立差錯;2)塊交織的基本性質

(2)任何長度l>M的突發(fā)差錯，經解交織后，可將長突發(fā)差錯變換成長度為l1=l/M的短突發(fā)差錯;

(3)在不計信道時延條件下完成交織與解交織變換，將產生2MN個符號的時延，其中發(fā)、收端各占一半;

(4)在很特殊的情況下，周期為M的k個單個隨機獨立差錯序列，經交織與解交織后會產生長度為l的突發(fā)差錯。(2)任何長度l>M的突發(fā)差錯，經解交織后，可將長突發(fā)由以上的性質可見，塊交織器是克服深衰落的有效方法，并已在數(shù)字通信中獲得廣泛應用。但主要缺點是帶來附加的2MN個符號的延時，對實時業(yè)務如圖像和聲音帶來不利的影響。上面討論的塊交織有兩大缺點：附加延時和變隨機獨立差錯為突發(fā)差錯。為克服這兩大缺點，提出了卷積交織。卷積交織器可以仿照塊交織來組成，即把行、列形成的塊狀交織，從左上角到右下角作一對角線，對角線以下的部分組成發(fā)送端交織器，對角線以上的部分為接收端解交織器。很顯然，在相同數(shù)據(jù)交織的情況下，器件、延時各少了一半。由以上的性質可見，塊交織器是克服深衰落的有效方法，并已在

2.卷積交織

(1)卷積交織的原理圖如圖6.4.1所示。它的性質與塊交織相似。圖6.4.1中以箭頭表示的4個開關自上而下往返同步工作。M表示能存儲5bit的移位寄存器。①將來自編碼器的信息符序列送入并行寄存器組;②接收端的寄存器與發(fā)送端互補。下面仍以L=MN=5×5=25個信息序列為例加以說明。2.卷積交織圖6.4.1卷積交織的原理圖(a)發(fā)送端交織;(b)接收端解交織圖6.4.1卷積交織的原理圖

(2)設待傳送信息序列為

X=(A01，A02，A03，A04，A05，A06，A07，A08，

A09，A10

，A11，A12，A13，A14，A15，

A16，A17，A18，A19，A20，A21，A22

，A23，

A24，A25)(2)設待傳送信息序列為

(3)發(fā)送端交織器是碼元分組交織器，25個信息碼元分為5行5列。按行輸入：①當A01輸入交織器，將直通至輸出至第一行第一列的位置;②當A02輸入交織器經M=5位延遲后，輸出至第二行第二列的位置;③當A03輸入交織器經2M=2×5=10位延遲后，輸出至第三行第三列的位置;④當A04輸入交織器經3M=3×5=15位延遲后，輸出至第四行第四列的位置;⑤當A05輸入交織器經4M=4×5=20位延遲后，輸出至第五行第五列的位置。(3)發(fā)送端交織器是碼元分組交織器，25個信息碼元分為

(4)若用矩陣表示交織器的輸入，因它是按行寫入每行5個碼元，即

(6.4.3)(4)若用矩陣表示交織器的輸入，因它是按行寫入每行5個經過并行的N個(0，1，2，…，N－1)存儲器后，有

(6.4.4)經過并行的N個(0，1，2，…，N－1)存儲器后，有

(5)按行讀出送入信道的碼元序列為

X′=(A01，A22，A18，A14，A10，A06，A02，A23，

A19，A15，A11，A07，A03，A24，A20，A16，A12，

A08，A04，A25，A21，A17

，A13，A09，A05)(5)按行讀出送入信道的碼元序列為

(6)在信道中仍受到兩個突發(fā)的干擾：第一個為5位，即A01A22A18A14A10;第二個為4位，即A11A07A03A24。接收端收到的碼元序列為

X″=(A01，A22，A18，A14，A10，A06，A02，A23，A19，

A15，A11，A07，A03，A24，A20，A16，A12，A08，

A04，A25，A21，A17，A13，A09，A05)(6)在信道中仍受到兩個突發(fā)的干擾：第一個為5位，即A

(7)在接收端送入解交織器，解交織器結構與發(fā)送端交織器結構互補，且同步運行，即并行寄存器數(shù)自上而下為4M、3M、2M、M、0(直通)。

(8)接收端解交織器，用5×5矩陣表示如下：輸入：(6.4.5)(7)在接收端送入解交織器，解交織器結構與發(fā)送端交織器輸出:(6.4.6)輸出:

(9)按行讀出并送入信道譯碼器的碼序列為 =(A01，A02，A03，A04，A05，A06，A07，A08，

A09，A10，A11，A12，A13，A14，

A15，A16，A17，A18，A19，A20，

A21，A22

，A23，A24，A25)可見信道中突發(fā)差錯，解交織變換器成為隨機獨立差錯。(9)按行讀出并送入信道譯碼器的碼序列為

3.隨機交織無論是塊交織還是卷積交織，它們都屬于固定周期式排列的交織器，避免不了在特殊情況下將隨機獨立差錯交織成突發(fā)差錯的可能性。為了基本上消除這類意外的突發(fā)差錯，建議采用偽隨機式的交織，即隨機交織。

(1)在正式進行交織前，先通過一次偽隨機的再排序處理。

(2)其方法為：先將1個符號陸續(xù)地寫入一個隨機存取的存儲RAM，然后再以偽隨機方式將其讀出?？梢詫⑺璧膫坞S機排列方式存入只讀存儲器中，并按它的順序從交織器的存儲器中讀出。3.隨機交織

4.時間交織和頻率交織考慮到無線電信道的特性，當行車速度很低進行移動接收時，時域中可能出現(xiàn)時間較長的深度衰落;當多徑輻射只有很少的線路時延差時，在頻域中可能出現(xiàn)較寬頻率范圍的深度衰落。因此要考慮時間交織和頻率交織。對于交織參數(shù)的選擇，在時域中受最大允許的信號時延(收、發(fā)端之間存儲器時延時間之和)的限制，在頻域中受載波間隔和總的可供使用的帶寬的限制。交織簡單地說就是將原始連續(xù)的比特盡可能地配置到相距較遠的載波上，而將原始時間分開的比特安置在相近的載波上，如圖6.4.2所示。4.時間交織和頻率交織圖6.4.2不同節(jié)目的載波分配在不同的頻率點圖6.4.2不同節(jié)目的載波分配在不同的頻率點時間交織器和解交織器的工作原理如圖6.4.3所示。連續(xù)的串行比特流ak首先在一個串/并變換器中被中間存儲，然后各個比特流在不同的幀中，即在不同的時刻傳送，自上而下往返同步工作，TF表示能時延的單位。

(1)將來自編碼器的信息序列送入并行寄存器組。

(2)接收端的寄存器與發(fā)送端互補。解交織的任務是對交織時相對時延予以補償，并經并/串變換器重新變成一個挨一個地保持發(fā)送端原始順序的串行數(shù)據(jù)被讀出。時間交織器和解交織器的工作原理如圖6.4.3所示。連續(xù)的圖6.4.3時間交織器和解交織器的工作原理圖6.4.3時間交織器和解交織器的工作原理頻率交織根據(jù)相鄰的比特在盡可能遠的不同載波上傳送的原則，進行簡單的數(shù)學上的組合排列。若不進行頻率交織，相鄰的比特盡管在比特的時刻點傳送，但是實現(xiàn)這種傳輸?shù)妮d波頻率保持不變，則在低速行車時移動接收或在靜止接收時，對于傳輸頻段的一部分來說也有可能產生持續(xù)期較長的深度衰落。通過頻率交織，相鄰的比特安置在大于無線電信道的相對帶寬的不同載波上，就可以消除這種衰落的影響，即如果形成了“塊”差錯，經過解交織后變?yōu)椴贿B續(xù)的單個差錯，可被糾錯，具有時間和頻率交織的糾錯碼減少單載波的衰落。時間交織僅適用于主業(yè)務信道的所有子信道，而快速信息信道和多路復合控制信號不進行時間交織。無論是快速業(yè)務信道還是主業(yè)務信息信道，在對各載波調制之前都要進行頻率交織。頻率交織根據(jù)相鄰的比特在盡可能遠的不同載波上傳送的原則，

5.交織對提高糾錯性能的分析信道之中加上交織與解交織之后，可以使輸入數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)則進行重新排列，對于我們經常使用的外信道采用R-S碼(糾錯能力為n)，內信道加上交織與解交織(交織深度為I)之后，整個系統(tǒng)的糾錯能力提高到nI。交織器輸入時是周期(為交織深度I)輪流輸入，一個(n2，I)同步交織器在該交織器輸出上的任何一個長度為I的數(shù)據(jù)串中不包含交織前原來數(shù)據(jù)序列中相距小于I(交織分支數(shù)即交織深度)的任何兩個數(shù)據(jù)。也就是說，在解交織時，這I個數(shù)據(jù)會被分散到I個R-S碼字中，每個R-S碼的糾錯能力為n，故整個系統(tǒng)的糾錯能力為nI。5.交織對提高糾錯性能的分析

6.數(shù)字電視中的實際交織電路

1)美國HDTV中使用過的卷積交織器在數(shù)字HDTV中往往要進行多次交織。例如，在美國digiCiPherHDTV中，在R-S碼的格狀編碼之間要加交織，這是因為利用Viterbi算法進行格狀譯碼時，會出現(xiàn)差錯擴散，引起突發(fā)差錯。為了對抗來自信道的脈沖干擾而引起的突發(fā)錯誤，在格狀編碼和信道之間也要加交織器。6.數(shù)字電視中的實際交織電路為了有效地進行交織，必須要具有關于突發(fā)長度B的統(tǒng)計知識。對于脈沖干擾來說，突發(fā)長度就是脈沖長度。對由Viterbi算法的誤碼擴散所引起的突發(fā)錯誤，目前尚缺少一個好的統(tǒng)計模型。按CCITT規(guī)定，突發(fā)錯誤定義為“一組首尾是錯誤的數(shù)據(jù)比特串，其中任何兩個前后錯誤比特之間隔小于某個常數(shù)”。對于Viterbi算法產生的突發(fā)錯誤，通常取這個常數(shù)等于K－1，其中K是格狀碼的約束長度。最簡單的交織器例子是塊交織器。它是一個二維存儲器陣列，把數(shù)據(jù)先按行存入，然后按列讀出。更一般的交織器稱為同步交織器。在同步交織器中，每時刻存入一個數(shù)據(jù)，同時讀出一個數(shù)據(jù)。為了有效地進行交織，必須要具有關于突發(fā)長度B的統(tǒng)計知識。一個(n2，n1)同步交織器滿足如下要求：在該交織器輸出上的任何一個長度為n2的數(shù)據(jù)串中不包含交織前原來數(shù)據(jù)序列中相距小于n1(交織分支數(shù))的任何兩個數(shù)據(jù)。顯然，在發(fā)送端采用交織器，在接收端就要用解交織器把數(shù)據(jù)恢復過來?？梢宰C明，與(n2，n1)交織器相對應的解交織器自身是一個(n2，n1)交織器。一個(n2，n1)同步交織器滿足如下要求：在該交織器輸出對于(n2，n1)交織器來說，有兩個性能是設計者關心的：一個是編碼延時D，它定義為從數(shù)據(jù)進入交織器到這個數(shù)據(jù)離開交織器輸出的最大延時;另一個是交織器和解交織器的存儲容量S和Su。我們希望D和S、Su盡量小，但對(n2，n1)交織器來說，有對于(n2，n1)交織器來說，有兩個性能是設計者關心的：圖6.4.4所示為一種在美國大聯(lián)盟方案中采用過的卷積型交織器。由于在大聯(lián)盟方案中采用縮短R-S碼(208B，188B)，可糾正10B錯誤，每個字節(jié)是8bit，因此圖中每一節(jié)移位寄存器是一個字節(jié)。圖6.4.4所示為一種在美國大聯(lián)盟方案中采用過的卷積型交圖6.4.4美國大聯(lián)盟方案中的交織器與解交織器(M=4，B=52)(a)交織器;(b)解交織器圖6.4.4美國大聯(lián)盟方案中的交織器與解交織器(M=4這是一個n2=208，n1=52的交織器，它的任何一個長度為208的輸出數(shù)據(jù)串(或一個R-S碼字)中不包含輸入數(shù)據(jù)序列中相距小于52的任何兩個數(shù)據(jù)。收、發(fā)兩端整個交織器的延時為D=10608B，每個交織器的存儲器容量為S=Su=5304B，所以無論是延時，還是存儲器數(shù)目均是最佳的，因而它的結構比其它(如塊交織器)相同性能的交織器要簡單。相應的解交織器與交織器一樣，只是把卷積次序顛倒。整個交織器的交織深度為10608B。因為R-S(208B，188B)能糾正10B錯誤，所以與圖6.4.4所示交織器相結合可糾正長度為52×10=520B的突發(fā)錯誤長度，極大地增加了R-S碼的糾錯能力。這是一個n2=208，n1=52的交織器，它的任何一個長

2)歐洲DVB標準使用的卷積交織器歐洲DVB標準使用的交織器，采用一個深度I=12的卷積交織(見圖6.4.5)，結果產生一個交織幀。I=12的卷積交織處理過程是基于Forney逼近，其兼容RamseyIII逼近。交織幀由重疊的糾錯包組成，同時以MPEG-2同步字節(jié)為邊界(保留204bit的周期)。交織器由I=12個分支組成，其由輸入開關控制循環(huán)的連接到輸入比特流。每一個分支都有先進先出(FIFO)移位寄存器，且深度為(M·j)的單元(其中M=17B=N/I，N=204B,為糾錯幀長，I=12，為交織深度，j為分支號)。FIFO單元為一個字節(jié)，且輸入/輸出開關同步。2)歐洲DVB標準使用的卷積交織器為了保證同步，同步字節(jié)和倒相同步字節(jié)始終被送入交織器的分支“0”中(相當于0延時)。收、發(fā)兩端整個交織器延時為D=2244B，每個交織器的存儲器容量為S=Su=17×(1+11)×11/2=1122B。因為R-S(204B，188B)能糾正8B錯誤，所以與圖6.4.5所示交織器相結合可糾正長度為12×8=96B的突發(fā)錯誤長度，極大地增加了R-S碼的糾錯能力。為了保證同步，同步字節(jié)和倒相同步字節(jié)始終被送入交織器的分圖6.4.5DVB標準使用的交織器和解交織器(a)交織器;(b)解交織器圖6.4.5DVB標準使用的交織器和解交織器6.5格狀編碼(TCM)

1982年，Ungerboeck提出的格狀編碼調制技術(又稱碼調)將編碼和調制技術有機地結合起來。傳輸系統(tǒng)如圖6.1.4所示。其中內信道編碼的一種是卷積編碼(格狀編碼)。經過卷積編碼后，原來無關的數(shù)字符號序列前后一定間隔之內有了相關性。應用這種相關性根據(jù)前后碼符關系來解碼，通常是根據(jù)收到的信號從碼符序列可能發(fā)展的路徑中選擇出最似然的路徑進行譯碼，比起逐個信號判決解調性能要好得多。然后把編碼和調制結合在一起，使符號序列映射到信號空間所形成的路徑之間的最小歐氏距離(稱為自由距離)為最大。用這種信號波形傳輸時就有最大的抗干擾能力。本節(jié)將介紹發(fā)送側的編碼調制即格狀編碼方法。下面先介紹卷積編碼及格狀圖，再介紹調制映射與最小自由路徑距離。為了討論時有一具體概念，以下以較簡單的殘留邊帶調制(VSB)的格狀編碼為例進行討論。然后介紹二維信號的16QAM和32QAM的格狀編碼，這是QAM和OFDM傳輸方案中所采用的。最后介紹格狀編碼調制的性能。6.5格狀編碼(TCM)

1.格狀編碼

1)卷積編碼及格狀圖卷積碼是1955年由Elias最早提出的。由于編碼方法可以用卷積這種運算形式表達，卷積碼因此而得名。卷積碼是有記憶編碼，它有記憶系統(tǒng)，即對于任意給定的時段，其編碼的n個輸出不僅