數(shù)字電視廣播原理與應(yīng)用

數(shù)字電視廣播原理與應(yīng)用第一頁，共六十八頁，2022年，8月28日8.1數(shù)字電視廣播系統(tǒng)概述在模擬電視廣播系統(tǒng)向數(shù)字電視廣播系統(tǒng)轉(zhuǎn)換過程中，應(yīng)該說，完成整體的轉(zhuǎn)換包括有線數(shù)字電視廣播、衛(wèi)星數(shù)字電視廣播和地面數(shù)字電視廣播三種傳輸系統(tǒng)全面地實現(xiàn)全數(shù)字化，用戶通過相應(yīng)的數(shù)字接收裝置可以完美接收全數(shù)字電視節(jié)目。第二頁，共六十八頁，2022年，8月28日8.2.1MPEG-2在DVB系統(tǒng)中的實施8.2.2有線數(shù)字電視的傳送層8.2.3傳送層數(shù)據(jù)幀的幀結(jié)構(gòu)8.2有線數(shù)字電視的傳送層第三頁，共六十八頁，2022年，8月28日有線數(shù)字電視的信道編碼輸入是信源編碼器的MPEG-2傳送層數(shù)據(jù)流輸出，其數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)如圖8-1所示。8.2.1MPEG-2在DVB系統(tǒng)中的實施

8.2.2有線數(shù)字電視的傳送層第四頁，共六十八頁，2022年，8月28日圖8-1MPEG-2傳送層數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)第五頁，共六十八頁，2022年，8月28日輸入至信道編碼器的188字節(jié)數(shù)據(jù)包首先組織成由每8個數(shù)據(jù)包構(gòu)成的數(shù)據(jù)幀，其幀結(jié)構(gòu)如圖8-2所示。

8.2.3傳送層數(shù)據(jù)幀的幀結(jié)構(gòu)第六頁，共六十八頁，2022年，8月28日圖8-3有線前端構(gòu)成的原理框圖第七頁，共六十八頁，2022年，8月28日8.3有線前端的構(gòu)成和工作原理

基帶物理接口同步反轉(zhuǎn)和數(shù)據(jù)隨機(jī)化編碼卷積交織字節(jié)到m比特符號的映射變換差分編碼基帶成形數(shù)字信號電平數(shù)字頻道載頻位置調(diào)制器特性要求第八頁，共六十八頁，2022年，8月28日這里，有線前端即指有線數(shù)字電視廣播系統(tǒng)中的信道編碼和高頻調(diào)制部分，如圖8-3所示，其輸入來自本地MPEG-2節(jié)目源、分配鏈路或再復(fù)用系統(tǒng)，其輸出去往高頻有線信道。后面各小節(jié)將敘述前端內(nèi)的數(shù)字信號處理流程。第九頁，共六十八頁，2022年，8月28日圖8-3有線前端構(gòu)成的原理框圖第十頁，共六十八頁，2022年，8月28日圖8-3中的第一個方框是基帶物理接口，其作用是使傳送流的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與信號源格式相匹配?；鶐锢斫涌诘谑豁?，共六十八頁，2022年，8月28日1.同步反轉(zhuǎn)如前面所述，為了標(biāo)識每個數(shù)據(jù)幀中第1個數(shù)據(jù)包的出現(xiàn)，其同步字節(jié)以47H的反碼47H傳輸，同步反轉(zhuǎn)（SYNC1反轉(zhuǎn)）即完成此作用，接收端能據(jù)此區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)幀的界限。同步反轉(zhuǎn)和數(shù)據(jù)隨機(jī)化第十二頁，共六十八頁，2022年，8月28日數(shù)據(jù)隨機(jī)化的實現(xiàn)方法是用一個PRBS（偽隨機(jī)二進(jìn)制序列）發(fā)生器產(chǎn)生一個PRBS流，與輸入數(shù)據(jù)流的逐個比特進(jìn)行XOR（異或）運算。2.數(shù)據(jù)隨機(jī)化第十三頁，共六十八頁，2022年，8月28日DVB系統(tǒng)采用的PRBS生成多項式如下：G（x）=1+x14+x15圖8-4示明實現(xiàn)式（8-3）的邏輯電路框圖。如圖8-2（b）所示，實際經(jīng)過1503字節(jié)=12024比特后重新初始化，再與輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行異或運算，依此不斷地反復(fù)運行。圖8-4既是對輸入數(shù)據(jù)實施隨機(jī)化的電路，也是對已隨機(jī)化的數(shù)據(jù)實施去隨機(jī)化的電路。第十四頁，共六十八頁，2022年，8月28日圖8-4數(shù)據(jù)隨機(jī)化與去隨機(jī)化原理電路第十五頁，共六十八頁，2022年，8月28日DVB系統(tǒng)中的RS編碼是在每188字節(jié)后加入16字節(jié)的RS碼（204，188，t=8），參見圖8-5（a）。監(jiān)督碼組的碼生成多項式為式中，a=02HEX。本原域生成多項式為編碼第十六頁，共六十八頁，2022年，8月28日為提供抗突發(fā)干擾的能力，在RS編碼后采用字節(jié)為單元的交織，稱為字節(jié)交織或卷積交織，交織深度I=12字節(jié)。204=17×12。采用基于Forney方法的交織電路，它由以字節(jié)為單元的FIFO移位寄存器組成，有0～11共12條支路，如圖8-6所示。卷積交織第十七頁，共六十八頁，2022年，8月28日圖8-6卷積交織器和去交織器第十八頁，共六十八頁，2022年，8月28日實際系統(tǒng)中，有線數(shù)字電視廣播一般采用64QAM調(diào)制，如果傳輸介質(zhì)性能極好，也可以采用128QAM甚至256QAM調(diào)制，在保證必要低的誤碼率BER值下能使信道傳輸達(dá)到更高的碼率，容納更多的節(jié)目數(shù)量。相同的頻道帶寬下，256QAM比之64QAM傳輸碼率可增大一倍。字節(jié)到m比特符號的映射變換第十九頁，共六十八頁，2022年，8月28日在第7章7.2.5節(jié)中介紹過MQAM調(diào)制，并以16QAM為例示明了調(diào)制器電路和16QAM星座點與碼元間的關(guān)系。有線數(shù)字電視系統(tǒng)的MQAM調(diào)制采用了此種星座圖配置方式。為此，需對圖8-7中的m比特符號作出差分編碼。差分編碼第二十頁，共六十八頁，2022年，8月28日如圖8-8所示，對于字節(jié)到m比特符號變換器的輸出，無論m=4～8（對應(yīng)于16QAM～256QAM）中的哪一整數(shù)值，都將它的前兩個最高位比特Ak和Bk進(jìn)行差分編碼，得到Ik和Qk，隨后在實施QAM調(diào)制時IkQk=00，10，11，01決定了星座圖中星座點的象限位置。其余的q=m-2個比特形成2q個星座點，在四個象限內(nèi)各配置一組。第二十一頁，共六十八頁，2022年，8月28日圖8-8QAM調(diào)制中兩個最高位差分編碼第二十二頁，共六十八頁，2022年，8月28日Ak，Bk生成IkQk的差分編碼表如表8-1所示。表8-1Ak，Bk生成Ik，Qk真值表第二十三頁，共六十八頁，2022年，8月28日具體的差分編碼邏輯式依照表8-1可運算出下列式子，這也是圖8-3中“差分編碼”框內(nèi)的邏輯電路功能。第二十四頁，共六十八頁，2022年，8月28日此外，2q個星座點在不同象限內(nèi)還有不同的位置配置，滿足π/2旋轉(zhuǎn)不變性的要求。從圖8-9（a）中可見，16QAM的星座圖中除去IkQk值確定星座點旋轉(zhuǎn)至所在象限位置外，通過圖8-8中的映射電路，后兩位比特確定的4個星座點的配置從第1象限到第2象限時相應(yīng)地自身旋轉(zhuǎn)π/2。圖8-9（b）中的32QAM有類似的情況。圖8-9（c）、（d）、（e）中的64QAM，128QAM和256QAM有類似的星座圖配置。第二十五頁，共六十八頁，2022年，8月28日圖8-916，32，64，128和256QAM調(diào)制的星座圖第二十六頁，共六十八頁，2022年，8月28日表8-2給出在16，32和64QAM調(diào)制下有線傳輸中可達(dá)到的符號率和它們占用的具體帶寬值（MHz）?；鶐С尚蔚诙唔摚擦隧?，2022年，8月28日表8-2有線網(wǎng)8MHz內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸參數(shù)第二十八頁，共六十八頁，2022年，8月28日我國的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GY/T170—2001《有線數(shù)字電視廣播信道編碼與調(diào)制規(guī)范》中對數(shù)字已調(diào)制信號的射頻電平作出規(guī)定，將數(shù)字QAM調(diào)制的功率電平（RMS）相對于模擬VSB調(diào)制的功率電平（峰值），設(shè)定為-5dB～0dB。數(shù)字信號電平第二十九頁，共六十八頁，2022年，8月28日QAM調(diào)制采用抑制載波的雙邊帶正交平衡調(diào)幅（DSB-SC），故而被調(diào)制載波應(yīng)處于中頻頻帶或高頻頻道的中央頻率位置上，即f0=（fmax+fmin）/2，已調(diào)制信號頻譜左右對稱，能量分布較均勻。數(shù)字頻道載頻位置第三十頁，共六十八頁，2022年，8月28日有線前端構(gòu)成中，信道編碼和字節(jié)到m比特符號變換之后的重要電路是QAM調(diào)制器，其性能十分影響有線數(shù)字電視系統(tǒng)的質(zhì)量，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GY/T170中給出的QAM調(diào)制特性如表8-3所示。調(diào)制器特性要求第三十一頁，共六十八頁，2022年，8月28日表8-3QAM調(diào)制器特性要求第三十二頁，共六十八頁，2022年，8月28日8.4有線數(shù)字電視接收機(jī)有線數(shù)字電視接收機(jī)的構(gòu)成有線數(shù)字電視的反向上行傳輸?shù)谌?，共六十八頁?022年，8月28日有線數(shù)字電視接收機(jī)的電路功能是對有線前端信號處理實施逆處理，電路構(gòu)成如圖8-10所示，其整體電路也稱為有線IRD（集成接收解碼器），輸出信號為MPEG-2傳送復(fù)用包（TS流）和時鐘。如果接收端不是一體化的有線數(shù)字電視接收機(jī)，則IRD實際上做成機(jī)頂盒（STB）形式供用戶使用。8.4.1有線數(shù)字電視接收機(jī)的構(gòu)成第三十四頁，共六十八頁，2022年，8月28日圖8-10有線數(shù)字電視接收機(jī)構(gòu)成框圖第三十五頁，共六十八頁，2022年，8月28日有線數(shù)字電視廣播系統(tǒng)的一大特性和優(yōu)點是易于實現(xiàn)前端與用戶間的雙向交互傳輸，向用戶提供方便的視頻點播（VOD）、信息查詢、電視購物以及上網(wǎng)瀏覽等功能。數(shù)字交互電視系統(tǒng)總體上由有線前端、雙向網(wǎng)絡(luò)和用戶終端三大部分構(gòu)成。8.4.2有線數(shù)字電視的反向上行傳輸?shù)谌?，共六十八頁?022年，8月28日頻率劃分方面，上行信道的頻段有高分割、中分割和低分割三種方式，高分割的上行頻率范圍為5MHz～87MHz，中分割為5MHz～65MHz，低分割為5MHz～42MHz。我國采用中分割方式，頻段劃分標(biāo)準(zhǔn)如表8-4所示。第三十七頁，共六十八頁，2022年，8月28日表8-4有線電視系統(tǒng)的頻段劃分第三十八頁，共六十八頁，2022年，8月28日上行信道調(diào)制類型有DQPSK，QPSK或16QAM可選；符號率和對應(yīng)的-3dB帶寬如表8-5所示的數(shù)據(jù)。表8-5上行信道的符號率和帶寬第三十九頁，共六十八頁，2022年，8月28日實現(xiàn)上行傳輸除了在機(jī)頂盒的電纜調(diào)制解調(diào)器（CM）中必須有QPSK/QAM調(diào)制器硬件外，還必須有符合媒體訪問控制（MAC）協(xié)議的軟件模塊。軟件系統(tǒng)在上行傳輸和下行傳輸中均至關(guān)重要。第四十頁，共六十八頁，2022年，8月28日8.5MPEG-2數(shù)據(jù)信號接口同步并行接口（SPI）同步串行接口（SSI）異步串行接口（ASI）第四十一頁，共六十八頁，2022年，8月28日同步并行接口用于在中、短距離內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)率可變的MPEG-2TS流，由TS流中的字節(jié)時鐘實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號同步傳輸。物理鏈路采用25芯的同軸電纜，接插件為25針D型超小型連接器，電信號為平衡型輸出、輸入的低壓差分信號（LVDS），圖8-11所示為并行傳輸系統(tǒng)的示意圖，其中的12對都是雙絞線，另有一根電纜屏蔽線。25針連接器的引腳安排如表8-6所示。8.5.1同步并行接口（SPI）第四十二頁，共六十八頁，2022年，8月28日圖8-11MPEG-2TS流并行傳輸系統(tǒng)第四十三頁，共六十八頁，2022年，8月28日表8-625針連接器信號線分配表第四十四頁，共六十八頁，2022年，8月28日傳輸數(shù)據(jù)為188字節(jié)或204字節(jié)的TS流包，204字節(jié)時后面16個字節(jié)可以是填充字節(jié)或者RS編碼糾錯字節(jié)，如圖8-12所示。11個平衡輸出和平衡輸入的線路驅(qū)動器和線路接收器間的連接如圖8-13所示，A端電位高于B端電位時代表邏輯“1”，反之為邏輯“0”。第四十五頁，共六十八頁，2022年，8月28日圖8-12SPI的三種TS流包信號格式第四十六頁，共六十八頁，2022年，8月28日圖8-13驅(qū)動器與接收器間的連接第四十七頁，共六十八頁，2022年，8月28日同步串行接口（SSI）是同步并行接口（SPI）的變型，它對SPI的數(shù)據(jù)流實施并/串轉(zhuǎn)換和進(jìn)行雙相編碼后通過單芯線纜（電纜或光纜）向外傳輸。圖8-14所示為使用電纜和光纜為傳輸線的SSI-C和SSI-D傳輸鏈路。8.5.2同步串行接口（SSI）第四十八頁，共六十八頁，2022年，8月28日圖8-14電纜和光纜為傳輸線的SSI系統(tǒng)第四十九頁，共六十八頁，2022年，8月28日由圖8-14可見，在SSI-C，SSI-O中實現(xiàn)壓縮視頻或壓縮音頻的信號處理設(shè)備間點對點鏈接時，其信號鏈路上信號協(xié)議分為第2層、第1層、第0層三層結(jié)構(gòu)。第五十頁，共六十八頁，2022年，8月28日第2層信號協(xié)議以MPEG-2TS流包作為基本信息單元，其中包含數(shù)據(jù)包同步字節(jié)，而數(shù)據(jù)包格式包括圖8-12中的三種格式。1.第2層第五十一頁，共六十八頁，2022年，8月28日第1層的作用一是借助SYNC1（47H）或SYNC1（47H）（指RS編碼的包）識別三種信號格式，二是實現(xiàn)8比特字節(jié)的并/串轉(zhuǎn)換（MSB位先傳輸），三是將NRZ絕對碼通過雙相編碼變換成隱含時鐘信息的相對碼（類似于演播室）數(shù)字分量圖像信號比特并行接口轉(zhuǎn)換成比特串行接口時的處理，然后將串行比特流傳輸至第0層通路上。2.第1層第五十二頁，共六十八頁，2022年，8月28日第0層為電纜或光纜傳輸物理層，規(guī)定了兩種點對點的鏈接規(guī)范。3.第0層第五十三頁，共六十八頁，2022年，8月28日電纜介質(zhì)有下列特性：標(biāo)稱阻抗75Ω；單位長度的信號插入損耗隨數(shù)據(jù)率增高而增大，數(shù)據(jù)率低時容許電纜長度較長，根據(jù)電纜的類型不同可達(dá)到100m～200m；連接器為BNC型接插頭；線路驅(qū)動器輸出峰-峰電壓規(guī)定為1V±0.1V。（1）電纜介質(zhì)第五十四頁，共六十八頁，2022年，8月28日光纜介質(zhì)可以是單模光纖或多模光纖，ITU-T規(guī)定了光發(fā)射器與光接收器之間串行數(shù)據(jù)傳輸用光纖的規(guī)范：單模光纖規(guī)范為ITU-TG.654或G.652；多模光纖為ITU-TG.651；光纖連接器為IEC874-14中的SC型連接器。傳輸距離可達(dá)到幾km。（2）光纜介質(zhì)第五十五頁，共六十八頁，2022年，8月28日我國廣播電視行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GY/T130—1998《有線電視用光纜入網(wǎng)條件》中規(guī)定，有線電視系統(tǒng)內(nèi)采用B1類單模光纖，并根據(jù)光纖的衰減常數(shù)（dB/km）規(guī)定A級和B級光纖的兩種要求，如表8-7所示。第五十六頁，共六十八頁，2022年，8月28日表8-7第五十七頁，共六十八頁，2022年，8月28日異步串行接口（ASI）在實際中應(yīng)用較普遍，是許多MPEG-2數(shù)據(jù)流處理設(shè)備大多配置的一種接口，它采用像SDI接口一樣恒定的傳輸速率270Mbit/s，但它容許不同設(shè)備的原始數(shù)據(jù)流速率不是270Mbit/s（小于該值），由傳輸設(shè)備填充入專用數(shù)據(jù)字符（逗號K28.5，0011111010或1100000101）予以補(bǔ)足。ASI接口的傳輸鏈路可采用電纜或光纜，并且也分為第2層、第1層和第0層三層，如圖8-15所示。8.5.3異步串行接口（ASI）第五十八頁，共六十八頁，2022年，8月28日圖8-15電纜和光纜為傳輸線的ASI系統(tǒng)第五十九頁，共六十八頁，2022年，8月28日第2層是ASI接口的輸入層，采用MPEG-2TS流數(shù)據(jù)包作為基本信息單元，TS流包可以是連續(xù)字節(jié)的數(shù)據(jù)塊（即數(shù)據(jù)包中無同步字節(jié)），也可以是用于填充的專用數(shù)據(jù)字符K28.5，或者是連續(xù)字節(jié)和填充字符的任意組合。1.第2層第六十頁，共六十八頁，2022年，8月28日圖8-16數(shù)據(jù)字節(jié)和填充字符傳輸格式第六十一頁，共六十八頁，202