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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

    目前在数字电视中,还采用纠错能力强的截短Rs码,例如我国的数字卫视,码元长为204个字节,信息码为188个字节,可写成(204、188),而能纠正的随机错误码t=(204—188)/2=8个字节,当然数字卫视也采用数据交织,这样把突发性差错转变成独立的随机差错,从而使系统的纠错能力提高好几倍。

    2.卷积编码和格状编码调制

    1982年恩格玻克(G.Ungerboeok)提出了格状编码调制(TrellisCodingModulation)的设想,很快被ITu—T引用到电话和卫星通信的数字标准中去,它的最大优点是不必付出额外的频带和功率就可取得额外的编码增益。格状编码以欧字距离为度量进行软判断解码,因此出错最可能发生之处是在欧字距离的最小两个序列间,即平方自由距离,格状编码中既使用卷积编码,又实施信号映射,并运用了软判断的Viterbi解码算法。从此信道编码分成外信道编码和内信道编码,外信道编码通常采用RS码并与数据交织相结合,而内信道编码与调制结合并实施优化,在不改变带宽即字符波形速率不变的条件下,通过扩展使用信号数目,进一步降低误码率。如果两者结合,仅需稍增加一点频率就可收到很强的纠错能力,从而大大改善了抗干扰的性能。

    卷积码不同于组码,它把一个信息连续序列映射为编码输出位的连续序列,也就是说使信息序列通过有限态移位寄存器来产生卷积码,而移位寄存器有N级(k位)和基于生成多项式的m线性代数函数来组成卷积编码,正如图l所示。输入数据移入到k位移位寄存器,对于每一个k位输入数据序列,其输出位数为n位,这样卷积码的信息率或称码率I=k/n,例如输入2位信息码,而输出是3位卷积码,则I:2/3,信息率通常有1/2、2/3、3/4、5/6、7/8等多种,并且是可变的,有时人们把信息率也称为卷积编码率,而N又叫做约束长度,它表示与现实输出相关的输入数据位,以此来确定该码影响和复杂性。

    描述卷积码有多种方法,有的用生成矩阵、有的用生成多项式、逻辑平台和状态图等,还有的用树图和格状图。在树图中用分叉树的形式来表示各种不同状态和码的输出情况,由此可以看到,具有相同态的两个节点所辐射出来所有分支是恒等的,其含义是产生相同的输出序列,通过树图可以找到表现更加紧凑的格状图。

    解码器的功能是用一项规则或方法来测定已编码的输入信号,有助于找出最小可能的误差值,从而使信息序列和码序列能一一对应,进而可使得任何一条信息序列和码序列对通过格网的唯一路径联系起来,这样卷积解码的工作成为测定通过格网的路径。解卷积码的主要方法是利用维特比(Viterbi)算法。

    卷积码有时用(n、k、m)来表示,其中k表示输入的信息码位、n为输出的卷积码位、m是存储等级,相当于前面所述的N,最简单的卷积码为(2、l、3),这样的卷积编码器用两个存储单元M2、M1的移位寄存器,分别存储前两位信息码M2(i)=xi(i-2)、M1(i)=xi(i-1),而i时刻输入的信息码记作xi(i),按图2(a)所示的(2、1、3)卷积码编码器,则i时刻编成的码

    yo(i)=M1(i)=xi(i-1)

    yi(i)=M2(i)(+)xi(i)=xi(i一2)(+)xi(i)

    式中(+)代表模2和的运算,即1+O=0+l=l、O+O=1+1=0,这样两个存储单元可组成4种状态M2M1=00、11、01、10,用顶点a、b、c、d来表示,状态转移用弧线表示,从图2(b)中可看出状态转移间的关系。当然上面式子也可改写成通式,即
 

    式中m一1是编码器存储单元数,显然yi表示输入序列x1和编码器响应ci的卷积,这也是卷积码称谓的来由,按图2所示,m-1=2,c0(O)=O、c0(1)=1、cn(2)=0;cl(O)=1,c1(1):1,cl(2)=1。
    如果把状态转移连在一起就构成格状图,它从状态a作为始端,再联系所有可能编码路径,这样卷积编码形成了码序列间的相关性,反映在格状图上是图中路径,于是在接收端只需考虑格状图上存在的路径,并从中找到1条与发射端编码差异最小的可能路径,通常用Viterbi算法来完成。在图3中给出了对应于图2中的4态卷积编码的格状图,由此可见,编码器不断从一种状态转移到另一种状态,这样从状态转移格状图上绘出一条路径,而编码器也输出相应的信号。


    格状编码调制TCM是一项组合编码和调制技术,在未考虑折衷的带宽效率下来提高有效编码增益。TCM方案中使用冗余非二进制调制,并把有限状态编码结合进去,根据所选择的调制信号来确定产生编码信号序列。TcM用信号来设置扩展,用以提供编码的冗余度,并提供设计编码和信号映射功能,以使已编码信号的自由距离(最小欧几里德距离)直接最大化。在接收端利用最大似然序列解码对信号解码,这样在无任何带宽扩展或减低有效信息数据率的条件下使编码增益能达到6dB。



  为了便于理解,在这里例举4(态)-8VSB的TcM格状编码调制,VSB是指残留边带调制,目前用于模拟电视调制和美国HDTV的调制。在该方案中把原2b的数据经卷积编码使其输出3位码,也就是说采用卷积信息率I=2/3的(3、2、3)卷积编码器,再把3位码映射成8个信道符号,图4中展示了这类TCM结构示意图,图中x1编成y。y1,再引入y2(j)=x2(j),鉴于用了两个存储单元,存储等级m=3,而目前信息码为X2X1。

    为了向纠错码提供冗余度,把原有的2D个信号的集合,扩展成2D+1个信号集合,再进行传输,设2叭个信号星座点问的最小距离为△0,把它分成2个子集,使子集信号间的最小距离△1,>△0,然后把子集再作划分,每划分一次后,使新的子集信号问的最小距离总是大于前一个子集间的最小距离,一直进行D+1次划分,使

    图5中展示了8VSB信号映射的构成方式。不难看出,在这里对8VSB星座点进行了3次子集划分,要确定卷积码Y2Y1y0中不同码位对应于哪一次划分,原则上取决于哪个码位最重要,其中y2直接等于x2,而y1y0的映射和格状图有关。按图3经两条路径编成的y1y0码位分别是oo、oo、00和10、Ol、10,第一段两条路径的距离00和01,对应映射关系的距离为2△0,第二段为00、01距离为△0,第三段为00、10距离为2△0,为此汉明距离
 

    而4VSB的dmin=O.894,这样TCM-8VSB的方案要比4VSB方案的编码增益相对增加

    20Lg1.3I/O.894≈3.32dB

    这表明在相同符号错误概率下,8VSB方案比4VSB要求信噪比大致可低3.32dB,这种粗略估算与实测结果也很吻合。


    综上所述,信道编码分成外信道编码和内信道编码,内信道编码与调制相结合后优化,格状编码就是其中之一种。它在不改变带宽即符号波形速率不变的条件下,通过扩展使用信号数目,降低误码率。而RS码是一种外码,两者结合,虽然码长增加微不足道,频带也仅稍有增加,但可得到很强的纠错能力,从而大大改善了抗干扰的性能,所以广泛用于数字视频技术和相关的设备。



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    目前数字视频广播DVB主要分成以下三个领域:

    第一,卫星数字视频广播

    1977年国际电信联盟在“无线电规则”中确定了卫星广播业务的地理区域,到了1979年世界无线电行政大会WARC对卫星广播业务划出6个下行线使用频道,即L、S、Ku、Ka、Q、E波段。而实际应用定点卫星转播,主要是C波段,其上行频段是5.925~6.425GHz,下行频段为3.7~4.2GHz,由于该波段的电磁波受气象因素(雨、雪、云)影响较小,利于保证24小时内信道畅通;另一个实用频道是处于Ku波段,其下行频段为11.7~12.2GHz,上行频段是12.75~18.1GHz。我国的卫视频道均处于该二个波段。卫视接收设备经天线、高放、变频后输出的中频在国际上统一为950~1450MHz,有800MHz带宽,采用截短RS码(204、188),即1个字节同步头、187个字节数据信号,还有16个字节Rs码,能错纠t=8个字节。

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