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数字电视的信道编码和数字调制

数字电视的信道编码和数字调制

点击数:7742 次   录入时间:03-04 11:50:11   整理:http://www.55dianzi.com   无线电-电子技术知识

    无论是模拟电视或数字电视,这些既有图像和声音的信息,需通过地域、空间或有线(光纤或同轴电缆),从发射端传送到接收单元,两者的间距少则几公里多则几万公里,所以信道编码的重点是提高抗干扰能力,降低误码率,把附加冗余检错和纠错等信息加到数据流去,以便在接收时能从受损的信号中恢复出电视信号的原貌。而数字调制是将需要传输电视信息流变换成适合于该信道特性的一种信号,尽可能使选择的调制方式能提高信息的保真度和限定的带宽内增加传输数据率。在美国的ATsc标准中有一个“业务复用和传送子系统”,其任务是将已压缩的视频、音频和辅助数据流打成统一格式的数据包,并组合成复合数据流,其传送子系统采用MPEG-2传送流语法,与ATM传送方式有互操作性。这样的复合信息流送到“射频/传输子系统”,在那里完成信道编码和调制。由此可见,数字电视信息要经过信源编码、多信息复用和信道编码及调制三大环节。目前世界各国对信源编码有统一认识,即视频编码采用MPEG-2的视频压缩编码,音频编码若传送杜比AC-3音频,则采用Ac-3数字音频压缩编码,若传送立体声/双语言或MPEG环绕声,则采用MPEG-1和MPEG-2音频压缩标准。但信道编码和调制考虑到传送媒体不同以及各国的经济利益,而有所差异。通过卫星来转发数字电视信息,意见较为统一,采用正交相移键控QPsK调制方式;通过光纤或同轴线进行传送电视信息,人们也普遍赞同使用多电平正交幅度调制M—QAM,而地面广播是最为复杂的一种广播,由于地物和地貌引发很强的多路径干扰,所以采用哪一种数字调制方式上有一定争议,美国率先使用格状编码TEM和自适应均衡技术的残留边带调制VSB,并取得了相当好的效果;而欧洲广播联盟等倾向于编码正交频分复用COFDbl,它把一个电视频道划分成许多并行正交子信道,对抑制多路径干扰,降低码问干扰十分有效,但实施时较为复杂,也是一种有效的调制方式。

    由于超大规模集成电路和数字信号处理技术的进展,数字调制有了很大发展,这些数字调制产品既具有很强抗噪波能力,也有很强防止信道受损的能力,目前数字调制技术有:线性调制技术、扩展频谱调制技术,还有组合线性和恒定包络调制技术等。许多因素会影响数字调制方案的选择,但作为一种理想的考虑,总是希望能接收低信噪比的环境下,还能提供很低的位误码率,而且所需带宽小,价格相对又比较便宜。当然现实的调制方案中,有的具有较小误码率,而另一些具有较好的频带利用率,为此选择方案时要进行全面比较才能作出理想的判断。

    调制方案通常进行两项评估,即功率效率ηP和带宽效率η B,功率效率所描述的是在低功率电平下数字信息维持保真度的能力,在通信和广播系统中为了提高抗干扰性,必然要求增加发射功率,然而信号功率增加与可接受的位误码率有关,通常先设定接收机输入端的误差概率,再以每位信号能量和噪声功率谱密度Eb/No之比来刻划ηP的大小,为此ηP有时也称为能量效率。而带宽效率是指在所限定带宽内,该调制方案所提供数据的能力。一般而言,增加数据率意味着缩小脉宽,也就是增加信号带宽,所以数据率和带宽间存在着不可避免的矛盾。通常带宽效率定义为在给定带宽内,每Hz能通过数据率来表示,若R代表传输信息的数据率,而B代表射频数字TV信号的带宽,则 



    具有较高的ηB值的哪种调制意味着在给定的频带配置下能传输更多的数据,根据山农(Shanon)在1948午所发表的“通信的数学理论”…文中已给出最大信道容量的公式,即
 

    式中C是最大信道容量(bps)、B是射频信号带宽,s/N为所设定的信噪比。例如某一电视系绕要求信噪比SNR不低于40dB、射频通带B=6MHz,则利用式(2),可算得最大信道容量为79.73blbps,即
 

    必须指出,无论数字通信或数字广播系统,在设计时必须对带宽效率和功率效率问作出权衡,例如在信道中增加纠错码,提高抗干扰能力,从而改善了功率效率,但误差控制编码加到信息中去会增加带宽,使得带宽效率下降,所以应根据实际使用场合作出正确的选择。



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    用于误差检测的信道码称为检错码,若既能检错又能纠正误差的谓之纠错码,为了提高传输性能,有必要把检错码和纠错码作为冗余量引入到所传输的数字信息中去。通常有两种基本类型,其一是组码,它是一种前向纠错FEC码,这种码能检测和纠正有限量的误差,奇偶位作为码字或码组形式加到信息位组中,当进行组编码时,把k信息位编码到n码位中,则用作检测与校正误差的冗余位n—k也加入到k信息位,这样组码常用(n、k)码来表示,n代表组码长,而k表示信息位长,则n—k指明检错和纠错的冗余位。组码通常有汉明(Ham一ming)码、汉达玛(Hadamard)码、高兰(Go1ay)码、循玮码、BCH循环码和里德一索罗门(Reed—s010men)码等几种,在数字视频广播中得最多的就是里德一索罗门码,简写成Rs码。卷积码不同于组码,信息序列不聚集到不同性质的组中并进行编码,而是把信息位的连续序列变换成已编码输出位的连续序列来代替。一般而言,在相同复杂性下,卷积编码要比组码能取得更大的编码增益,卷积码产生是依靠有限状态移位寄存器,而卷积码解码有若干方法,但最有影响的是由A.JViterbi提出的维特比(viterbi)算法,此外还有Fano序列解码、堆积算法和反馈解码等,在本讲座中重点讲述与数字电视以及HDTv密切关系的检错和纠错码方法。

    1.Reed—So I omon码与数据交织里德一索罗门码(Reed—Solomen)是一种分组线性码,在相同编码冗余量下,RS码具有很强的纠错能力,目前Rs码无论在通信领域和各类光盘中得到广泛应用,也确定为DVB—s和DVB—T以及HDTV的外码加到包数据中去。

    Rs码在编制时常用一些多项式来表示,即

    d(x):未加工的信息多项式

    p(x):奇偶检验多项式

    c(x):码字多项式

    g(x):生成多项式

    q(x):商多项式

    r(x):冗余多项式

    设信息多项式为

 
而奇偶检验多项式是
 这样已编码Rs多项式能表示成

 
  式中n个场元素(c0、c1…cn-1矢量是一个码字,若它是生成多项式的倍数,则对于能校正t个误差的Rs码(n、k)来说,它的生成多项式可表示成

     式中a是有限域GF(q)上的本原元素,显然该Rs码的参数具有如下关系
n=a-1、k=n-2t
该Rs码的最小汉明(HarEMIng)距离为dmin=2t+1,鉴于所有线性分组码中,其他码的最小汉明距离大于Rs码,相对而言,RS码的纠错能力更强。当然码字多项式也可表示成

    c(x):p(x)+g(x)+q(x)+r(x)    (6)

    若奇偶校验多项式定义它等于r(x)系数的负值,则c(x)=g(x)q(x)。在实际应用中,有限域元素的个数一般取为2的幂,为此组码的长度应等于n=2n-1,若在HDTV传输中,取m=8,可求得n=255,这表示一帧码字由255个8b字符组成,若在一帧内能纠正5个随机误差即t=5,则信息码长k=n-2t=245,由此表明HDTV的Rs码采用(255、245)组码。必须指出,RS码并非是二进制码,在突发状态下能校正错误,但通常用于级联码系统。

    正因为许多信道中的错误是突发性的,有很强的相关性,经常会发生连续一片数据出错,显然远远超出纠错码的纠错能力,所以纠错编码常与数据交织技术结合起来。通常数据交织处理采用数据交织RAM,按照规定的格式地址进行写入和读出,例如数据先按行存入,然后再按列读出,在接收时又进行逆处理后恢复原来的面貌,这样就可把一连串错误分散到各帧中去,再利用纠错码来校正误差,所以反交织应在各帧检错纠错完成后再进行。实质上交织使用了传输中的时间差,每一段交织数据的时延不应超过人眼和人耳能辨别的程度,所以这个时延约在20~40ms。   

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