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(hào)的基帶處理,4.2 數(shù)字電視信號(hào)的差錯(cuò)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(hào)的基帶處理,1.數(shù)字電視信號(hào)傳輸?shù)倪^(guò)程,2.常用的傳輸碼型,3.擾碼,4.1.1 數(shù)字電視信號(hào)傳輸?shù)倪^(guò)程,第一，把各種信息用二進(jìn)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(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)。（碼型編碼,第四，基帶信號(hào)變成頻帶信號(hào)。（調(diào)制,第三，差錯(cuò)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?hào)，共要經(jīng)過(guò)四個(gè)過(guò)程,4.1

2、.1 數(shù)字電視信號(hào)傳輸?shù)倪^(guò)程,數(shù)字信號(hào)：把經(jīng)過(guò)信源編碼后的語(yǔ)音信號(hào)用“0”和“1”，即高、低電平進(jìn)行表示的信號(hào)。沒(méi)有經(jīng)過(guò)調(diào)制，稱為數(shù)字基帶信號(hào),基帶信號(hào)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(hào)的碼元波形及碼元序列的格式進(jìn)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(hào)的需要，選擇基帶傳輸碼型時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)原則,4.1.1 數(shù)字電視信號(hào)傳輸?shù)倪^(guò)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(hào)中提取定時(shí)信號(hào),所選的碼型應(yīng)使基帶信號(hào)具有內(nèi)在檢錯(cuò)能力,降低單個(gè)誤碼引起的誤碼擴(kuò)散,碼型變換設(shè)備應(yīng)盡量簡(jiǎn)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(duì)應(yīng)正、負(fù)電平，沒(méi)有零電平。 優(yōu)點(diǎn)：直流分量小。 缺點(diǎn)：不易提取同步信息，特別是在長(zhǎng)0長(zhǎng)1串時(shí),1.單極性非歸零碼（NRZ,高電平代表“1”，低電平代表“0”。 缺點(diǎn)：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(jì)算機(jī)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(shí)，發(fā)送一個(gè)寬度小于碼元持續(xù)時(shí)間的歸零脈沖；傳送“0”時(shí)不發(fā)送脈沖。 優(yōu)點(diǎn)：比單極性非歸零碼容易提取時(shí)鐘信息,3.單極性歸零（RZ）碼,傳送“1”碼時(shí)，發(fā)送一個(gè)寬度小于碼元持續(xù)時(shí)間的歸零脈沖；傳送“0”時(shí)不發(fā)送脈沖。 優(yōu)點(diǎn)：比單極性非歸零碼容易提取時(shí)鐘信息,4.1.2 常用的傳輸碼型,6.密勒碼,凡是傳送“1”時(shí)在位周期中心都發(fā)生電平轉(zhuǎn)換。 在傳送“0”時(shí)，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(kāi)始的邊界上發(fā)生電平跳變。 優(yōu)點(diǎn)：信號(hào)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?hào)反轉(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(duì)應(yīng)，而“1”碼交替地用“1”或“-1”脈沖的歸零碼表示，稱為傳號(hào)。其優(yōu)點(diǎn)如下： （1）在 “1”、“0”碼 不等概率情況下，也無(wú)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(cuò)，有一定糾錯(cuò)能力。 此外， AMI 碼還有編譯碼電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，是一種基本的線路碼，得到廣泛使用。 缺點(diǎn)：當(dāng)它用來(lái)獲取定時(shí)信息時(shí)，由于它可能出現(xiàn)長(zhǎng)的連0串，因而會(huì)造成提取定時(shí)信號(hào)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(wú)4個(gè)以上連“0”碼時(shí)，則這時(shí)的AMI碼就是HDB3碼。 當(dāng)出現(xiàn)4個(gè)以上連0碼時(shí)，則將每4個(gè)連 “0”小段的第4個(gè)“0”變換成與其前一個(gè)“非0”符號(hào)（+1或-1）相同的符號(hào)。 這個(gè)符號(hào)可能會(huì)破壞“極性交替反轉(zhuǎn)”的規(guī)律，成為破壞符號(hào)，用符號(hào)V表示。 為保證V的記性交替，當(dāng)相鄰V符號(hào)間有偶數(shù)個(gè)“非0”符號(hào)時(shí)，將該小段的第1個(gè)“0”變換成+B或-B，B符號(hào)的記性與前一“非0”符號(hào)的相反。 特點(diǎn)：保持AMI碼的優(yōu)點(diǎn)，還能使連“0”串減少到至多3個(gè)，有利于定時(shí)信號(hào)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(jì)特性。 使信號(hào)受到隨

7、機(jī)化處理，變?yōu)閭坞S機(jī)序列，又稱為“數(shù)據(jù)隨機(jī)化”和“能量擴(kuò)散”處理,擾碼器的實(shí)現(xiàn)采用偽隨機(jī)序列（m序列）進(jìn)行,4.2 數(shù)字電視信號(hào)的差錯(cuò)控制編碼,1.差錯(cuò)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(hào)的差錯(cuò)控制編碼,差錯(cuò)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(lái)不規(guī)律的數(shù)字信號(hào)變?yōu)橛幸?guī)律的數(shù)字信號(hào)；譯碼時(shí)則利用這些規(guī)律性來(lái)判斷傳輸過(guò)程中是否發(fā)生錯(cuò)誤，或進(jìn)而糾正錯(cuò)誤。 這種對(duì)數(shù)字電視信號(hào)進(jìn)行差錯(cuò)控制的編碼也稱為信道編碼,4.2.1 差錯(cuò)控制方式,差 錯(cuò) 根據(jù)信道噪聲干擾性質(zhì)，可以把差錯(cuò)分為隨機(jī)錯(cuò)誤、突發(fā)錯(cuò)誤和混合錯(cuò)誤。 隨機(jī)錯(cuò)誤

8、，由信道中隨機(jī)噪聲的干擾引起，誤碼的發(fā)生是相互獨(dú)立的，不會(huì)連續(xù)成片地出現(xiàn)錯(cuò)誤，前后碼元之間是否發(fā)生錯(cuò)誤彼此無(wú)關(guān)。 突發(fā)性錯(cuò)誤，位流中一個(gè)錯(cuò)誤的出現(xiàn)往往影響其他碼元的錯(cuò)誤，即錯(cuò)誤之間有相關(guān)性。由諸如光盤(pán)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(huì)成群的出現(xiàn)。 混合錯(cuò)誤，既包括隨機(jī)錯(cuò)誤又包括突發(fā)錯(cuò)誤，因而既會(huì)出現(xiàn)單個(gè)錯(cuò)誤，也會(huì)出現(xiàn)成片錯(cuò)誤,發(fā)生以上三種錯(cuò)誤的信道分別稱為為隨機(jī)信道、突發(fā)信道和混合信道。 對(duì)于不同的信道要采用不同的差錯(cuò)控制方式,差錯(cuò)控制包含檢錯(cuò)和糾錯(cuò)兩個(gè)方面,4.2.1 差錯(cuò)控制方式,檢錯(cuò)重發(fā)方式（ARQ） ： 這種方式中，接收端發(fā)現(xiàn)誤碼后通過(guò)反饋信道

9、請(qǐng)求發(fā)送端重發(fā)數(shù)據(jù)。因此，接收端需要有誤碼檢測(cè)和反饋信道,特點(diǎn) 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(duì)信道的適應(yīng)能力強(qiáng) 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(guò)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(shí)時(shí)性較差 由于反饋重傳的隨機(jī)性，故不適于實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng),4.2.1 差錯(cuò)控制方式,4.2.1 差錯(cuò)控制方式,前向糾錯(cuò)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(dòng)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤和糾正誤碼的監(jiān)督碼元。 收端發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤后自動(dòng)糾正,特點(diǎn) 無(wú)需重發(fā)，解碼延遲固定，實(shí)時(shí)性好 無(wú)需反饋信道，能用于單向傳輸信道，特別適用

10、于單點(diǎn)向多點(diǎn)同時(shí)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(cuò)碼須與信道特性相匹配，對(duì)信道變化的適應(yīng)性較差 若錯(cuò)誤超出糾錯(cuò)碼糾錯(cuò)能力,只好將其拋棄,按信息碼元和監(jiān)督碼元之間的檢驗(yàn)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(wú)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(cuò)碼、糾錯(cuò)碼、糾正刪除錯(cuò)誤的糾刪碼 檢錯(cuò)碼只能用于

11、檢測(cè)誤碼，無(wú)法糾正。 糾錯(cuò)碼可檢測(cè)誤碼并能糾正誤碼。 糾刪碼就有檢錯(cuò)和糾錯(cuò)功能，且當(dāng)誤碼超過(guò)糾正范圍時(shí)可將無(wú)法糾正的誤碼刪除。 數(shù)字電視中通常采用糾錯(cuò)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(cuò)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(jìn)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(yàn)關(guān)系，當(dāng)這種校驗(yàn)關(guān)系在傳輸中遇到干擾而受到破壞時(shí)，就可以發(fā)現(xiàn)甚至糾正錯(cuò)誤。 這種檢錯(cuò)與糾錯(cuò)的能力是用信息的冗余度來(lái)?yè)Q取的

12、。要糾正的誤碼越多，監(jiān)督碼元的個(gè)數(shù)越多，冗余度越大,相關(guān)概念： 碼長(zhǎng)：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(zhǎng)n=5，W=3。 碼距：兩個(gè)等長(zhǎng)碼字對(duì)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(yàn)碼元，是為了檢錯(cuò)、糾錯(cuò)而在信道編碼中附加的校驗(yàn)數(shù)據(jù)，通常用r表示。 對(duì)k個(gè)信息碼元的碼組附加r個(gè)監(jiān)督碼元，組成總碼元數(shù)為n=k+r的碼組。 經(jīng)過(guò)分組編碼后的碼稱為（

13、，）碼，表示總長(zhǎng)度為位，其中信息碼長(zhǎng)為位，監(jiān)督碼長(zhǎng)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(zhǎng)為n，總的碼字為2n個(gè)。 其中，發(fā)送的信息碼字有2k個(gè)，稱之為許用碼字，其余的(2n-2k)個(gè)碼字不予傳送，稱之為禁用碼字。 糾錯(cuò)編碼的任務(wù)就是從2n個(gè)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(wú)法發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤,11晴,10,01,00,11,00雨,能發(fā)現(xiàn) 一個(gè)錯(cuò)誤,禁用碼組,2.n=2，r=1，即

14、 11 A，00 B 此時(shí)，d=2,插入1位監(jiān)督碼后具有檢出1位錯(cuò)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(cuò)糾錯(cuò)能力滿足下列關(guān)系： 1. 在一個(gè)碼組內(nèi)最多能檢測(cè)e個(gè)誤碼，要求最小碼距dmine+1； 2. 在一個(gè)碼組內(nèi)最多能糾正t個(gè)誤碼，要求最小碼距dmin2t+1； 3. 在一個(gè)碼組內(nèi)最多能糾正t個(gè)誤碼，同時(shí)要求能檢測(cè)e個(gè)(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(mén)碼。同時(shí)具有糾正隨機(jī)與突發(fā)差錯(cuò)的能力，且糾正突發(fā)差錯(cuò)的能力更強(qiáng)。 是一種非二進(jìn)制的BCH碼，它是能夠糾正多個(gè)錯(cuò)誤的糾錯(cuò)碼。 RS碼中，為糾正

15、t個(gè)符號(hào)的誤碼，需要2t個(gè)監(jiān)督碼元。 RS碼為（204，188，t=8），對(duì)應(yīng)的188個(gè)信息碼元，監(jiān)督碼元為16字節(jié)(開(kāi)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(cuò)誤， 如果與交織技術(shù)相結(jié)合， 它糾正突發(fā)錯(cuò)誤的能力則會(huì)更強(qiáng),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(zhǎng)串的比特差錯(cuò)變成短串的比特差錯(cuò)，從而可以用向前糾錯(cuò)碼對(duì)其進(jìn)行糾錯(cuò)。 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(guò)程中的突發(fā)性誤碼分散開(kāi)來(lái)，以利于實(shí)現(xiàn)糾正。 交織不會(huì)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