天津大學(xué)電視原理課件

1、第4章 數(shù)字彩色電視制式,天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院,電視原理,4.1 數(shù)字彩色電視制式概述,模擬彩色電視制式的缺陷 高清晰度電視的需求 數(shù)字技術(shù)的發(fā)展 國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)對(duì)高清晰度電視的定義： 垂直和水平方向的空間分解力大致是CCIR601號(hào)建議書中規(guī)定值的兩倍，例如水平1920像素，垂直1080像素； 寬高比為16:9，屏幕對(duì)角線長(zhǎng)度大于1米，并配有多聲道優(yōu)質(zhì)伴音； 觀看距離為屏幕高度的三倍時(shí)，圖像的主觀質(zhì)量接近或達(dá)到觀看真實(shí)景物的效果，相當(dāng)于35mm電影放映的圖像質(zhì)量,4.1.1 多極化的傳輸標(biāo)準(zhǔn),美國(guó) 1986年以前支持日本的MUSE制 1987年提出發(fā)展ATV(Advanced T

2、elevision，高級(jí)電視) 1990年5月,美國(guó)GI公司正式發(fā)表全數(shù)字HDTV傳輸制式DigiCipher 1993年5月成立HDTV大聯(lián)盟(Grand Alliance, GA)，著手制定統(tǒng)一的美國(guó)HDTV標(biāo)準(zhǔn) 1995年4月通過了ATSC(Advanced Television System Committee)數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn),歐洲 1981年英國(guó)獨(dú)立廣播公司研制出C-MAC(Multipled Analogue Component)制: 亮度、色差時(shí)分，兩個(gè)色差逐行輪換，射頻載波調(diào)頻傳送，視頻帶寬8.4MHz 1986年提出HD-MAC制 受美國(guó)數(shù)字制式影響，1993年開展DVB(Di

3、gital Video Broadcasting)研究 1995年，歐洲成立了DVB聯(lián)盟，共同制定數(shù)字電視的DVB標(biāo)準(zhǔn)： DVB-S(Satellite)、 DVB-C(Cable)、 DVB-T(Terrestrial,日本 日本廣播協(xié)會(huì)(NHK)1970-80年代提出模擬高清晰度電視制式MUSE制（多重亞奈抽樣編碼）： 1125行，60場(chǎng)，隔行掃描，16:9幅型比；色度信號(hào)與亮度信號(hào)時(shí)分復(fù)用：TCI（時(shí)間壓縮合成）；多重亞奈抽樣壓縮信號(hào)頻帶：4場(chǎng)傳送1幅HDTV圖像；8.1MHz帶寬，調(diào)頻傳送 1996年啟動(dòng)數(shù)字電視研制 1998年9月制訂ISDB-T(Integrated Service

4、s Digital Broadcasting -Terrestrial)數(shù)字電視地面廣播系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，與歐洲的DVB-T類似,中國(guó) 2002年組建音視頻技術(shù)（AVS）標(biāo)準(zhǔn)工作組 2006年視頻部分正式頒布為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 需要注意：上述標(biāo)準(zhǔn)適用于HDTV和SDTV,4.1.2 通用的壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn),Tianjin University,數(shù)據(jù)壓縮的必要性 4:2:2 ，PAL：8646252528=216Mb/s(108MHz) 數(shù)字電視系統(tǒng)框圖,通用的信源編碼標(biāo)準(zhǔn)MPEG-2 MPEG(Moving Pictures Experts Group)即活動(dòng)圖像專家組，建立于1988年 MPEG-1： 4:2:

5、0采樣壓縮，每秒1.5Mbps的傳輸碼率，圖像大小352240，掃描頻率30場(chǎng)/秒。圖像質(zhì)量比電視略強(qiáng)，適合于非專業(yè)視頻領(lǐng)域，如VCD等。 MPEG-4：一種廣域傳輸標(biāo)準(zhǔn)，傳輸碼率10kbps- 1Mbps，于2000年正式成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn):內(nèi)容的交互性, 高效的壓縮性，通用的訪問性,MPEG-2：1994-1996年提出的用于廣播電視的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)。 “Profile”和“Level”(“型”和“級(jí)”) 按視頻格式分四個(gè)級(jí) 按編碼工具分五個(gè)型 “級(jí)”與“型”的若干組合構(gòu)成MPEG-2視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)在某種特定應(yīng)用下的子集：對(duì)某一輸入格式的圖像，采用特定集合的壓縮編碼工具，產(chǎn)生規(guī)定速率范圍內(nèi)的編碼碼流

6、。在20種可能的組合中，目前有11種是已獲通過的，稱為MPEG-2適用點(diǎn),Tianjin University,Tianjin University,Tianjin University,MPEG-2適用點(diǎn),4.2.1 視頻信源編碼的理論依據(jù),原始圖像數(shù)據(jù)在空間及時(shí)間上的統(tǒng)計(jì)冗余度很大，存在大量無需傳送的多余信息： 圖像的相鄰像素、相鄰行之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性空間相關(guān)性 相鄰場(chǎng)或幀對(duì)應(yīng)像素間存在相關(guān)性時(shí)間相關(guān)性 信息保持無損壓縮編碼 人眼對(duì)圖像細(xì)節(jié)、幅度的變化、圖像的運(yùn)動(dòng)不同時(shí)具有最高的分辨力： 信息非保持有損壓縮編碼,4.2 視頻信源編碼原理,4.2.2 預(yù)測(cè)編碼原理,預(yù)測(cè)編碼概述 預(yù)測(cè)編碼也

7、稱為差分脈沖編碼調(diào)制(DPCM，Differential Pulse Code Modulation)，使用已編碼像素的線性組合對(duì)未編碼像素進(jìn)行預(yù)測(cè)，傳送其預(yù)測(cè)誤差（殘差）。 約80%-90%以上的殘差信號(hào)的絕對(duì)值落在16-18個(gè)量化級(jí)以內(nèi)?？梢杂幂^少的比特表示差值，達(dá)到數(shù)據(jù)壓縮的目的。 幀內(nèi)預(yù)測(cè)采用1階前值預(yù)測(cè)，利用空間相關(guān)性；幀間預(yù)測(cè)采用1階前向預(yù)測(cè)或2階雙向預(yù)測(cè)，利用時(shí)間相關(guān)性。 預(yù)測(cè)編碼的主要缺點(diǎn)是抗誤碼能力差。若傳輸中產(chǎn)生誤碼，由于遞歸預(yù)測(cè)算法，對(duì)于幀內(nèi)編碼會(huì)使誤差擴(kuò)散到圖像中一個(gè)較大的區(qū)域，對(duì)于幀間編碼會(huì)使誤差擴(kuò)散到后續(xù)的若干幀中,為便于聯(lián)合運(yùn)用幀內(nèi)編碼和幀間編碼技術(shù)，把由連續(xù)的電

8、視畫面組成的視頻序列 （ sequence ） 劃分為許多圖像組（GOP,Group of Picture），每個(gè)圖像組由幾幀或十幾幀圖像組成，這些圖像相互間存在預(yù)測(cè)和生成關(guān)系,采用幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼的圖像稱為I圖像(Intra-Coded Picture) 采用前向幀間預(yù)測(cè)編碼的圖像稱為P圖像(Predictively-Coded Picture) 采用雙向幀間預(yù)測(cè)編碼的圖像稱為B圖像(Bidirectionally-Coded Picture) 下頁(yè)為由9幀圖像組成的GOP示意圖,Tianjin University,編碼器輸入端或解碼器輸出端的顯示順序,編碼器輸出端或解碼器輸入端的編解碼順序,

9、Tianjin University,視頻數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),塊:Block 88像素塊,宏塊:Macroblock 1616像素塊,像條:Slice由多個(gè)Macroblock組成,圖像組：GOP,視頻序列：Sequence,圖像：Picture,宏塊的組成,4:2:0格式的宏塊,4:2:2格式的宏塊,4:4:4格式的宏塊,宏塊的三種構(gòu)成方式，其中亮度塊的數(shù)目均為4，而色度塊的數(shù)目分別為2、4和8,Tianjin University,在對(duì)I圖像進(jìn)行幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼之前，首先對(duì)每一個(gè)88的像塊進(jìn)行二維離散余弦變換（DCT，Discrete Cosine Transform），將像塊變換為由88個(gè)變換系數(shù)組成

10、的系數(shù)塊。 位于系數(shù)塊左上角的第一個(gè)系數(shù)是像塊中88個(gè)像素的平均值，代表像塊的直流分量，稱為DC系數(shù)，其余系數(shù)為AC系數(shù)。 幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼是對(duì)各個(gè)系數(shù)塊的DC系數(shù)進(jìn)行的，目的是去除在相鄰像塊的直流分量之間較強(qiáng)的相關(guān)性。 幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼只在像條所在的區(qū)域進(jìn)行。 幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼采用前值預(yù)測(cè),幀間預(yù)測(cè)編碼是以圖像組GOP為單位進(jìn)行的 I圖像幀內(nèi)編碼圖像，其編碼不依賴于其它圖像，它還是P圖像和B圖像編碼、解碼的參考圖像。使用周期性的I幀便于初始化接收機(jī)和捕獲頻道。I幀出現(xiàn)的頻度可以變化，由編碼器選擇。 P圖像前向編碼預(yù)測(cè)圖像，像素的預(yù)測(cè)值為其前面一幀I圖像或P圖像中相應(yīng)像素值，即幀間運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償前值預(yù)測(cè)。 B圖

11、像雙向預(yù)測(cè)編碼圖像，像素的預(yù)測(cè)值為其前后相鄰幀相應(yīng)像素值的加權(quán)平均。B圖像不能作為其它圖像的編碼參考圖像。使用B幀可提高壓縮效率，但需要幀存儲(chǔ)器,幀間預(yù)測(cè)編碼中的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償 最簡(jiǎn)單的時(shí)域預(yù)測(cè)就是用前一幀作為當(dāng)前幀的預(yù)測(cè)參考幀。 一個(gè)視頻序列里兩個(gè)相鄰幀如右圖所示。第一幀作為第二幀的參考幀，殘差是第二幀與參考幀之差,在右圖中，中間灰度代表差值為零，淺灰和深灰分別對(duì)應(yīng)正、負(fù)差值。這種簡(jiǎn)單預(yù)測(cè)的明顯問題是殘差幀中剩余能量太多，也就是說預(yù)測(cè)后還有很多信息需要壓縮。多數(shù)殘差是由于兩幀之間物體運(yùn)動(dòng)引起的，所以更好的預(yù)測(cè)是在兩幀之間進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償,Tianjin University,運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測(cè)示意圖,運(yùn)動(dòng)矢

12、量：表示從編碼幀到參考幀像素運(yùn)動(dòng)的方向和距離。 運(yùn)動(dòng)估值：通過比較參考幀與編碼幀中的圖像，求出運(yùn)動(dòng)物體像素的運(yùn)動(dòng)矢量。 運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償：考慮了運(yùn)動(dòng)矢量的幀間預(yù)測(cè)稱為具有運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)膸g預(yù)測(cè)。 采用塊匹配算法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估值 攝像機(jī)所攝取的景物的運(yùn)動(dòng)可能是十分復(fù)雜的，精確對(duì)每個(gè)像素進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估值是十分困難的。 在許多情況下物體上的各個(gè)像素均做相同的 運(yùn)動(dòng)，這時(shí)只需估計(jì)其整體的運(yùn)動(dòng)就可以了,塊匹配算法：對(duì)每個(gè)編碼幀宏塊中的1616亮度塊，在參考幀中一定搜索范圍內(nèi)，搜索與它最相似的亮度塊匹配塊，并根據(jù)匹配塊與它的坐標(biāo)差，確定運(yùn)動(dòng)矢量,像塊匹配程度的判定常采用平均絕對(duì)差準(zhǔn)則（MAD，Mean Absolute Di

13、fference），即在搜索范圍內(nèi)按下式求幀間像素塊亮度差的絕對(duì)值的平均值,當(dāng)MAD(i,j)達(dá)到最小時(shí)，兩個(gè)像素塊匹配。此時(shí)運(yùn)動(dòng)矢量為MV（i,j）。 這種搜索方法稱為全搜索，運(yùn)算量相當(dāng)大。為加快搜索過程，提出了三步法、共軛方向法、正交搜索法等，但效果不如全搜索，全搜索仍然是通用的方法,Tianjin University,MPEG-2中運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)木仁前胂袼?，H.264中運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)木仁撬姆种幌袼?，都需要在參考幀中根?jù)已知整像素值，用線性內(nèi)插的方法得到半像素和四分之一像素值以后，再進(jìn)行塊匹配計(jì)算,Tianjin University,Tianjin University,B幀圖像的幀間預(yù)

14、測(cè)編碼 預(yù)測(cè)值是其前面參考幀的前向預(yù)測(cè)值與其后面參考幀的后向預(yù)測(cè)值的平均值雙向預(yù)測(cè)。 在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償時(shí)，需要前向和后向兩個(gè)運(yùn)動(dòng)矢量。 圖4-9 在圖像序列中，P幀和B幀傳送的是像素值與預(yù)測(cè)值的差值和每個(gè)宏塊的運(yùn)動(dòng)矢量。考慮到鄰近宏塊間運(yùn)動(dòng)矢量存在相關(guān)性，對(duì)運(yùn)動(dòng)矢量也采用預(yù)測(cè)編碼,幀間預(yù)測(cè)模式 為了既能處理逐行掃描圖像，又能處理隔行掃描圖像， 數(shù)字電視的幀間預(yù)測(cè)編碼主要有兩類：幀預(yù)測(cè)和場(chǎng)預(yù)測(cè)。 幀預(yù)測(cè)：預(yù)測(cè)來自于最近的重構(gòu)參考圖像,P幀預(yù)測(cè)示意,B幀預(yù)測(cè)示意,P場(chǎng)預(yù)測(cè)：預(yù)測(cè)來自于最近的重構(gòu)參考圖像,編碼幀中第一場(chǎng)圖像的預(yù)測(cè),編碼幀中第二場(chǎng)圖像為底場(chǎng)的預(yù)測(cè),B場(chǎng)預(yù)測(cè)：用于預(yù)測(cè)的兩個(gè)參考場(chǎng)來自于最近

15、的解碼參考頂場(chǎng)和底場(chǎng),編碼幀中第二場(chǎng)圖像為頂場(chǎng)的預(yù)測(cè),B場(chǎng)圖像或B幀圖像的預(yù)測(cè),4.2.3 變換編碼原理,變換編碼是為了將圖像數(shù)據(jù)或運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償殘差數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到變換域，以去除空間相關(guān)性，對(duì)變換后的系數(shù)編碼，達(dá)到數(shù)據(jù)壓縮的目的,變換編碼系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu),離散余弦變換(DCT，Discrete Cosine Transform) 考慮到空間相關(guān)性只在一定范圍內(nèi)存在，變換是以塊為單位進(jìn)行的，采用88塊。 設(shè)由88像素組成的像素塊用矩陣X表示，變換后的系數(shù)塊用矩陣Y表示，則： 正向DCT 反DCT 其中C表示88的DCT矩陣，CT是其轉(zhuǎn)置矩陣,C滿足正交矩陣性質(zhì),右圖為88DCT基本圖像。任何88圖像塊都可以用

16、基本圖像與變換系數(shù)乘積的組合來表示。 DCT系數(shù)矩陣左上角系數(shù)y00對(duì)應(yīng)空間直流分量，稱為DC系數(shù)，其他63個(gè)對(duì)應(yīng)交流分量，稱為AC系數(shù),Tianjin University,經(jīng)過DCT變換后，64個(gè)樣值仍然得到64個(gè)系數(shù)。原樣值是9比特，數(shù)據(jù)從0511；得到的直流系數(shù)的范圍是04095，交流系數(shù)的范圍是-20482047；量化之后大多數(shù)高頻分量的系數(shù)變?yōu)?。人眼對(duì)低頻分量比較敏感，對(duì)高頻分量則不太敏感；因而量化的結(jié)果是去掉了不太重要的高頻分量，降低了碼率。 I幀：系數(shù)矩陣左上角部位的系數(shù)對(duì)應(yīng)空間低頻分量，采用較小的量化間隔，位于右下角部位的系數(shù)采用較大的量化間隔。 P幀和B幀：是對(duì)幀間預(yù)測(cè)差

17、值的變換，DCT系數(shù)不僅僅決定于空間頻率，故采用相同的量化間隔,DCT系數(shù)的量化,Tianjin University,對(duì)于I幀的亮度和色度的量化加權(quán)矩陣,對(duì)于P幀和B幀的亮度和色度的量化加權(quán)矩陣,對(duì)自然景物圖像的統(tǒng)計(jì)表明，DCT系數(shù)矩陣的能量集中在反映水平和垂直低頻分量的左上角。 圖 游程編碼的方法是將掃描得到的一維序列轉(zhuǎn)化為一個(gè)由二元數(shù)組(run,level)組成的數(shù)組序列，其中run表示連零的長(zhǎng)度，level表示緊接在這串連零之后出現(xiàn)的非零值。當(dāng)剩下的所有系數(shù)都為零時(shí)，用符號(hào)EOB(End of Block)來代表,游程編碼(RLC，Run Length Coding,幀圖像的DCT系數(shù)

18、分布（按非零系數(shù)可能性畫圖,場(chǎng)圖像的DCT系數(shù)分布（對(duì)照幀圖像，左側(cè)有更多的非零系數(shù)，這是由于場(chǎng)圖像在垂直方向有更強(qiáng)的高頻分量,對(duì)應(yīng)這兩種圖像結(jié)構(gòu)，規(guī)定了兩種掃描方式，Zigzag掃描與交替掃描,Tianjin University,經(jīng)DCT變換以后，系數(shù)大多數(shù)集中在左上角，即低頻分量區(qū)，因此按Zigzag掃描讀出實(shí)際上是按二維頻率的高低順序讀出系數(shù)的。掃描后出現(xiàn)連零的機(jī)會(huì)比較多，特別到最后，如果都是零，在讀到最后一個(gè)數(shù)后，只要給出“塊結(jié)束”（EOB）碼，就可以結(jié)束輸出，因此節(jié)省了很多碼率。如圖,Tianjin University,4.2.4 熵編碼原理,熵編碼（Entropy Coding

19、）是一類無損編碼，編碼后的平均碼長(zhǎng)接近信源的熵。 霍夫曼(Huffman)編碼：變長(zhǎng)編碼，對(duì)出現(xiàn)概率大的信源符號(hào)分配較短的碼字，對(duì)出現(xiàn)概率小的信源符號(hào)分配較長(zhǎng)的碼字，以獲得較短的平均碼長(zhǎng)。 運(yùn)動(dòng)矢量的熵編碼：對(duì)運(yùn)動(dòng)矢量的水平和垂直方向差值進(jìn)行熵編碼。 DCT系數(shù)的熵編碼,4.2.5 MPEG-2視頻編碼器和解碼器,Tianjin University,MPEG-2視頻編碼器,MPEG-2視頻解碼器,4.3 ATSC數(shù)字電視制式,Tianjin University,ATSC制的視頻格式,4.3.1 ATSC制概述,Tianjin University,系統(tǒng)分為三部分：信源編碼和壓縮、業(yè)務(wù)復(fù)用和

20、傳送、射頻發(fā)送,信源編碼和壓縮 視頻編碼和壓縮MPEG-2 音頻編碼和壓縮Dolby AC-3(384Kb/s,5.1聲道)，AAC 輔助數(shù)據(jù)條件接收(CA)等控制數(shù)據(jù) 業(yè)務(wù)復(fù)用和傳送 把不同信息類型的比特流打成包 給每一個(gè)包以唯一的標(biāo)識(shí)符(ID) 將視頻、音頻和輔助數(shù)據(jù)比特流包時(shí)分復(fù)用組合成傳送包(TSP) 射頻發(fā)送 對(duì)傳送流進(jìn)行信道編碼和調(diào)制，形成用于發(fā)送的射頻信號(hào) 調(diào)制系統(tǒng)的兩種模式： 8VSB調(diào)制的地面廣播模式(19Mb/s) 16VSB調(diào)制的有線高比特率模式(38Mb/s,Tianjin University,Tianjin University,4.3.2 傳送層的功能和格式,數(shù)字

21、電視碼流有多個(gè)不同的層次和類型：ES、PES、PS、TS。 ES(Elementary Stream)基本流，是直接從編碼器出來的數(shù)據(jù)流，可以是視頻數(shù)據(jù)流，音頻數(shù)據(jù)流，或其他編碼數(shù)據(jù)流。 PES(Packetized Elementary Stream)打包基本流，ES流經(jīng)過PES打包器之后，被轉(zhuǎn)換成PES包。 PS(Program Stream)節(jié)目流，是將一個(gè)或幾個(gè)具有公共時(shí)間基準(zhǔn)的PES組合成的復(fù)用流。PS流比較適用于相對(duì)誤碼率小的傳輸環(huán)境中，如交互式多媒體環(huán)境和媒體存儲(chǔ)管理系統(tǒng)。 TS(Transport Stream)傳輸流，是有一個(gè)或幾個(gè)不同的PES經(jīng)傳輸流打包后組成的復(fù)合流。TS

22、流更適合在有干擾或誤碼的環(huán)境中傳輸,Tianjin University,PES包,PES包頭標(biāo)志（說明比特流特性的標(biāo)識(shí)符）： 加擾指示，優(yōu)先級(jí)指示，數(shù)據(jù)相配指示，有無版權(quán)，原版或復(fù)制，有無PTS（顯示時(shí)間標(biāo)志）和DTS（解碼時(shí)間標(biāo)志），包頭是否含時(shí)鐘基準(zhǔn)，包頭是否含比特率，包頭是否含說明流來源的DSM (數(shù)字存儲(chǔ)媒體)模式的字段，是否有CRC（循環(huán)冗余校驗(yàn)），是否有擴(kuò)展段。 PES包頭區(qū)（各段可選）： PTS/DTS，DSM模式，附加復(fù)制信息，擴(kuò)展數(shù)據(jù)，填充字節(jié) PES包數(shù)據(jù)塊： 有效負(fù)載數(shù)據(jù)，即來自相應(yīng)編碼器的一個(gè)連續(xù)的基本流,TS包,固定長(zhǎng)度（188字節(jié)）： 包頭（4字節(jié)） 包同步，包識(shí)

23、別（PID），連續(xù)計(jì)數(shù)，加擾控制等 適配區(qū)（可變長(zhǎng)度） 同步和定時(shí)對(duì)27MHz系統(tǒng)時(shí)鐘（STC）周期性抽樣形成的節(jié)目時(shí)鐘基準(zhǔn)(PSR)，每100ms至少傳送一次 基本流的隨機(jī)進(jìn)入點(diǎn)指示頻道切換用 本地節(jié)目插入指示 有效負(fù)載數(shù)據(jù)（最多184字節(jié),每一個(gè)新的PES包需要啟動(dòng)一個(gè)新的TS包,4.3.3 前向糾錯(cuò)信道編碼,Tianjin University,去信道,能量擴(kuò)散,RS編碼,交織,卷積編碼,8VSB 調(diào) 制,傳送流包,ATSC制信道編碼和調(diào)制,RS編碼及其糾錯(cuò)譯碼 RS（207，187），縮短的RS（255，235,1個(gè)同步字節(jié),Tianjin University,縮短的RS（255，2

24、35）對(duì)應(yīng)于,域生成多項(xiàng)式,中的元素由0和 組成,加法：模2加，即二進(jìn)制異或運(yùn)算,乘法,Tianjin University,校驗(yàn)生成多項(xiàng)式,187個(gè)信息字節(jié),信息多項(xiàng)式,校驗(yàn)多項(xiàng)式,20個(gè)校驗(yàn)字節(jié),A,信息字節(jié),RS(207,187)編碼電路,RS(207,187)碼,碼字多項(xiàng)式,可糾正 t=10個(gè)字節(jié)或80比特的誤碼,無誤碼時(shí)c(x)能被g(x)整除，有誤碼時(shí)c(x)不能被g(x)整除，收端根據(jù)余式和商式確定誤碼的位置和樣式，實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)譯碼,Tianjin University,卷積編碼及維特比譯碼基礎(chǔ)知識(shí),11,00,01,10,0/01,0/00,1/11,1/11,1/10,1/10,

25、0/01,0/00,用于ATSC制的1/2比率4狀態(tài)反饋卷積編碼器,a)編碼器結(jié)構(gòu)圖,b) 狀態(tài)圖,c) 格形圖,4-52,對(duì)于長(zhǎng)度為L(zhǎng)的bit序列，由于誤碼，存在 條不同的可能路徑。從這些可能的不同路徑中找到編碼時(shí)走過的路徑，進(jìn)而推算出編碼時(shí)的輸入bit。 維特比譯碼從所產(chǎn)生的各種可能路徑中找出一條最大似然路徑，使沿著這條路徑得到的序列與接收的碼序列相同或差別最小。 設(shè)格形圖上的序列為 ，接收到的幅度失真的碼序列為 ，其判決再生的序列為 ，則格形圖序列與接收序列之間差別測(cè)度： 漢明距離（硬判決） 若發(fā)送端將碼序列映射為電平序列 ，接收到的幅度失真的電平序列量化編碼為 ，格形圖上的數(shù)字序列為

26、，則格形圖序列與接收序列之間的差別測(cè)度： 歐幾里得距離（軟判決） ATSC制維特比譯碼采用軟判決，其最大似然路徑是歐幾里得距離為最小的路徑,TCM-8VSB調(diào)制技術(shù),從格形圖上可以看出，在兩個(gè)狀態(tài)間至少需要3個(gè)時(shí)間段才有不同的編碼路徑，維特比譯碼從這些路徑中選擇與接收到的幅度失真電平序列歐幾里得距離為最小的路徑，從而實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)譯碼。這些路徑之間的最小歐幾里得距離越大，信號(hào)的抗噪能力越強(qiáng)。 ATSC制采用ASK調(diào)制（幅移鍵控調(diào)制） 若將兩比特?cái)?shù)據(jù)映射為4電平符號(hào)：Ai =-3,-1,1,3,分別調(diào)制4個(gè)不同幅度的高頻信號(hào)，稱為4ASK調(diào)制。直接映射時(shí)，最小歐幾里得距離為2，用平均功率歸一化的最小歐

27、幾里得距離為D0=0.894， 8ASK歸一化的最小歐幾里得距離為D0=0.436。 ATSC制采用2/3比率的格形編碼，格形圖的歐幾里得自由距離為dfree=3D0=30.436=1.31。 編碼增益G=20lg(1.31/0.894)=3.32dB,預(yù)編碼器,格形編碼器,D,M2,M1,Z2Z1Z0 8VSB,0 0 0 -7 0 0 1 -5 0 1 0 -3 0 1 1 -1 1 0 0 +1 1 0 1 +3 1 1 0 +5 1 1 1 +7,8VSB,X1,X2,Y1,Y2,Z1,Z2,Z0,a,8VSB格形編碼器 (a)格形編碼器、預(yù)編碼器和符號(hào)映射器；(b) 格形圖,b,8電

28、平符號(hào)映射器,格形編碼器,預(yù)編碼器,交織,通過交織(interleaving)可使突發(fā)差錯(cuò)分散為隨機(jī)差錯(cuò)，以充分發(fā)揮糾錯(cuò)編碼的作用,段間卷積字節(jié)交織器：由I=52個(gè)分支組成，在第j(j=0,1,I-1)分支上設(shè)有容量為jM個(gè)字節(jié)的移位寄存器，M=4,N=IM=524=208 即4個(gè)切換周期正好是一個(gè)糾錯(cuò)編碼包的長(zhǎng)度,交織器用參數(shù) 描述， 對(duì)于(208,52)交織器交織前同一數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)在交織后將分散到52個(gè)數(shù)據(jù)段中(一個(gè)糾錯(cuò)編碼包對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)段)。 段內(nèi)交織：是與格形編碼結(jié)合進(jìn)行的，由每字節(jié)1位置切換的12個(gè)格形編碼器組成,能量擴(kuò)散（隨機(jī)化）改善傳輸頻譜特性,隨機(jī)化電路是一個(gè)16bit最大長(zhǎng)度

29、偽隨機(jī)碼發(fā)生器，其生成多項(xiàng)式為 由它生成的偽隨機(jī)二進(jìn)序列（PRBS, Pseudo-random Binary Sequence）與輸入碼流進(jìn)行模2加，使數(shù)據(jù)隨機(jī)化,每個(gè)數(shù)據(jù)場(chǎng)的第一個(gè)數(shù)據(jù)段的段同步期間初始化F180H,VSB數(shù)據(jù)幀和 頻譜,隨機(jī)化,RS編碼器,交織器,格形編碼器,復(fù)用器,導(dǎo)頻信號(hào)插入,VSB 調(diào) 制 器,射頻上變頻器,段同步,場(chǎng)同步,VSB發(fā)射機(jī)框圖,6,5.38,導(dǎo)頻,抑制載波,1,0.7,ATSC制射頻信號(hào)頻譜,段同步,場(chǎng)同步#1,場(chǎng)同步#2,數(shù)據(jù)+FEC,數(shù)據(jù)+FEC,313段,313段,828符號(hào),4,數(shù)據(jù)段,832符號(hào)（208字節(jié),數(shù)據(jù)段同步,數(shù)據(jù)段同步,4符號(hào),4

30、符號(hào),數(shù)據(jù)+FEC,24.2ms,24.2ms,5,3,1,1,3,5,7,7,導(dǎo)頻1.25,1段（77.3um,PN 511,PN63,PN63,PN63,模式,保留,符號(hào)率Rs=10.76MS/s 有效負(fù)載數(shù)據(jù)率Rp=19.28Mb/s,VSB數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu),4.4 DVB制式,Tianjin University,4.4.1 DVB制的視頻格式與接口,DVB制的視頻格式,DVB設(shè)備的接口 SPI 同步并行接口，用在設(shè)備相距較近的場(chǎng)合。它有11對(duì)信號(hào)線，并行地發(fā)送時(shí)鐘、數(shù)據(jù)（占8對(duì)信號(hào)線）和同步信號(hào)等。全部信號(hào)與時(shí)鐘同步，它的頻率隨傳送流的碼率而定。 SSI 同步串行接口，是同步并行接口的一種

31、擴(kuò)展。它的功能與SPI相當(dāng)，只是在兩端進(jìn)行了并串的正、反變換。這種接口使用的連接速率就是傳送流的碼率，傳輸介質(zhì)可以是電纜或光纖。SSI目前用得較少。 ASI 異步串行接口，傳輸介質(zhì)可以是電纜或光纖。它采用固定的連接速率（270Mbps,按DVB-T制采用的信道編碼和射頻信號(hào)形成的特點(diǎn)，它又被稱為編碼正交頻分復(fù)用(COFDM，Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex)多載波制式。 采用“數(shù)據(jù)容器”模型，容納各類數(shù)據(jù)，在一個(gè)頻道內(nèi)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)無誤碼傳輸。 適應(yīng)8MHz頻道。 系統(tǒng)具有單頻網(wǎng)運(yùn)行能力。能夠克服來自采用相同頻率的鄰近發(fā)射機(jī)的類似回波的同頻道干

32、擾,4.4.2 DVB-T制概述,DVB-T系統(tǒng)功能框圖,Tianjin University,4.4.3 DVB-T的信道編碼,能量擴(kuò)散 PRBS生成多項(xiàng)式為 移位寄存器每8個(gè)MPEG-2數(shù)據(jù)包初始化一次，初始值為100101010000000。 外編碼 DVB-T的外碼采用RS(204,188)碼，它是由RS(255,239)碼縮短而成的。 外交織 數(shù)據(jù)流經(jīng)外碼編碼后送到卷積交織器進(jìn)行字節(jié)交織。DVB-T采用(204,12)交織器，M=17，I=12，N=IM=204，交織深度為12個(gè)糾錯(cuò)編碼包。 內(nèi)編碼 基于1/2比率64狀態(tài)的基本卷積碼生成的收縮卷積碼,Tianjin Universi

33、ty,基本卷積編碼器具有6個(gè)移位寄存器，每輸入1個(gè)比特 輸出2個(gè)比特 和,卷積收縮碼圖樣和輸出序列,接收端使用1/2比率的維特比譯碼器，在被收縮的位置上插入一個(gè) 特殊的符號(hào)“”(=Dont Care,內(nèi)交織,比特交織,符號(hào)交織,2K模式,8K模式,QPSK： v=2 16-QAM：v=4 64-QAM：v=6,QPSK和QAM調(diào)制,QPSK調(diào)制：一個(gè)符號(hào)包含2bit即,映射到 星座圖,生成4種相位不同但幅度相同的調(diào)制載波,稱為四相鍵控調(diào)制即QPSK。若原始數(shù)字序列的碼率為R，則經(jīng) QPSK調(diào)制后的符號(hào)率為R/2，提高了信號(hào)傳輸?shù)男?M-QAM調(diào)制,和 分別對(duì)正交的載波調(diào)制，生成M種不同相位或

34、不同幅度的調(diào)制載波，稱為M正交幅度調(diào)制即M-QAM,若原始數(shù)字序列的碼率為R，則經(jīng)M-QAM調(diào)制后的符號(hào)率為,M越大傳輸效率越高，但在相同的信號(hào)平均功率S下，星座點(diǎn)的最小歐氏距離越小，抗誤碼性能越差,4.4.4 COFDM信號(hào)的形成與傳輸,在多徑傳播下，當(dāng)多徑延時(shí)較大時(shí)，相關(guān)帶寬f =1/可能小于 信號(hào)帶寬，造成頻率選擇性衰落，產(chǎn)生嚴(yán)重的碼間干擾。正交頻分 復(fù)用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing） 是一種多載波并行傳輸方式，N路降碼率的數(shù)據(jù)符號(hào)并行地在N路 載波中傳送，使每路載波的帶寬小于f ，有效地抑制碼間干擾。 多徑傳播還會(huì)引起平坦性衰落和多普勒頻移，使OFDM各載波間的 正交性受到破壞。COFDM（Coded OFDM）借助編碼和交織，使 各路載波受到的衰落近似統(tǒng)計(jì)獨(dú)立，從而消除平坦性衰落及多普 勒頻移的影響,OFDM原理,OFDM的N個(gè)載波單元定義為,fk=fc+k/Tu k=0，1，