数字有线电视DVB-C信道编码器与解码器教材

1、第I页数字有线电视 DVB-C信道编码器与解码器摘要数字电视，是将传统的模拟电视信号经过抽样、 量化和编码转换成用二进制 数代表的数字式信号，然后进行各种功能的处理、传输、存储和记录，也可以用 电子计算机进行处理、 监测和控制。 采用数字技术不仅使各种电视设备获得比原 有模拟式设备更高的技术性能， 而且还具有模拟技术不能达到的新功能， 使电视 技术进入崭新时代。从数字电视的发展和基本组成，引出有线数字电视系统的基本构成和标准， 本课题主要按照 DVB-C 接收数字电缆电视的技术标准设计并实现“标准清晰度 数字电视机顶盒”中的信道编码器与解码器，本课题着重分析了有线数字电视 DVB-C的信道编码

2、与解码。关键字： 数字电视，信道编码，解码第 II 页目录1 绪论 11.1 数字电视机的概述 11.2 数字电视广播系统的组成及分类 12 有线数字电视 22.1 有线数字电视基本的构成 22.2 有线数字电视基本的标准 32.3 DVB-C 标准简述 42.3 .1 DVB-C 发射系统 42.3.2 DVB-C 接收系统 53 有线数字电视的编码与解码 63.1 信道编码 63.1.1 信道编码的作用 63.1.2 数据随机化 63.1.3 RS编码算法 63.1.4 数据交织 83.2 DVB-C 信道解码技术 93.2.1 解交织 93.2.2 RS解码 93.2.3 解扰 10总结

3、 11致谢 12参考文献 13课程设计说明书第1页1 绪论1.1 数字电视机的概述电视技术，经历着从黑白电视到彩色电视的发展过程， 数字电视是继黑白电 视和彩色电视之后的第三代电视。 所谓数字电视， 是将传统的模拟电视信号经过 抽样、量化和编码转换成用二进制数代表的数字式信号， 然后进行各种功能的处 理、传输、存储和记录，也可以用电子计算机进行处理、监测和控制。采用数字 技术不仅使各种电视设备获得比原有模拟式设备更高的技术性能， 而且还具有模 拟技术不能达到的新功能，使电视技术进入崭新时代。近十多年来，由于微电子技术、超大规模集成电路技术、 数字信号处理技术、 计算机技术的突飞猛进， 使数字电

4、视的发展已取得了令人鼓舞的成果。 特别是数 字图像获取、数字存储、位图打印和图形显示的数字设备的出现 , 带来了许多数 字图像方面的应用。数字电视利用 MPEG标准中的各种图像格式，把现行模拟电 视制式下的图像、伴音信号的平均码率压缩到大约 4.69 21Mbps，其图像质量 可以达到电视演播室的质量水平，胶片质量水平，图像水平清晰度达到5001200线以上，并采用 AC3 声音信号压缩技术，传输 5.1 声道的环绕声信号。数字电视与模拟电视相比具有许多优点，主要表现在以下几个方面： 图像和伴音质量高、抗干扰能力强；频道数量将成数倍增加；可开展多功能业务；操作性强；便于网络化；具有开放性和兼容

5、性；易于实现条件接收。1.2 数字电视广播系统的组成及分类数字电视系统由信源、信源编码器、信道编码器、信道、信道解码器、信源解码器、信宿等部分组成，如图 1 所示。第2页课程设计说明书图 1 数字通信系统的组成框图 数字电视广播系统包括有线数字电视广播， 卫星数字电视广播系统和地面数 字电视广播系统三种传输系统。 卫星和有线数字广播系统的信道编码和高频调制 技术国标已有公认的，优化的方式，就是 DVB-C有线数字电视传输系统和 DVB-S 卫星数字电视传输系统。2 有线数字电视2.1 有线数字电视基本的构成有线电视系统是采用缆线 ( 电缆或光缆 )等作为传输媒质来传送电视节目的 一种闭路电视系

6、统 CCTV(Closed-circuit television) 用 CCTV 称呼有线电视系 统，容易与中国中央电视台的简称 CCTV (China Central Television) ，所以国 内常常使用 CATV这个词(共用天线系统/有线电视 Community Antenna Television) ，它以有线的方式在电视中心和用户终端之间传递声、 像信息。 所 谓闭路，是指不向自由空间辐射， 可供电视接收机通过无线接收方式直接接受的 电磁波。基本组成：接收信号源、 前端设备、干线传输系统(如干线放大器 (AGC) 、 (ASC)和干线电缆或光缆 ) 、用户分配网络、用户终端(电

7、视接收、调频广播 、 线缆调制解调器 (Cable Modem ，PC机、 IP 电话等) 等。如图 2 所示。第3页图 2 有线数字电视基本的构成课程设计说明书2.2 有线数字电视基本的标准有线数字电视根据不同的指标主要分类如表 1 所示：表 1 有线数字电视基本标准DVB-CATSC-64QAMATSC-16VSBISDB-C调制方式16-64QAM64QAM16VSB64QAM带宽8MHz6MHz6MHz6MHz传输速41.34Mb43.05Mb/30.31Mb/率31.64Mb/ s/sss滚将悉数15%15%11.5%18%纠错编码RS(204,188)RS(128,122)RS(2

8、07,187)RS(204,188)压宿方式MPEG-2课程设计说明书第4页2.3 DVB-C 标准简述DVB-C标准以有线电视网作为传输介质，应用范围广。它具有 16、32、 64、 128和 256QAM五种方式，工作频率在 10GHz以下。 2001年国家广电总局已颁布 行业标准：有线数字电视广播信道编码和调制规范 ，该标准等同于 DVB-C标准。 DVB-C传输采用 QAM（正交振幅调制）方式，该传输系统是一个全数字的通信系 统，它与传统的模拟电视传输系统有着本质性的区别。 DVB-C标准的传输系统分 为信源编解码和信道编解码两部分。 其中，信道编解码包括前向纠错编码、 译码、 调制、

9、解调和上、下变频几部分。DVB-C传输系统具有如下的主要特点：可与多种节目源相适配， DVB-C传输 系统所传送的节目既可来源于从卫星系统接收下来的节目， 又可来源于本地电视 节目，以及其它节目信号；可用于标准数字电视又可用于高清晰度数字电视。2.3 .1 DVB-C 发射系统DVB-C发射前端信道部分框图，如图 3 所示。在发射端，可接收卫星电视信 号、本地节目源 （视频服务器 ） 或互联网信息，经过 MPEG-2传送复用器后的输入 码流是固定数据包格式， 包长 188拜特（包括同步字节 ） 。在信道部分， 先进行数 据流随机化以频谱成形 ; 外码使用截短的 RS码编码生成误码保护包 ;随后

10、的处理 是对误码保护包进行深度 I=12 的卷积交织 ; 其后将字节转换为 QAM符号，并对该 符号的最高两位差分编码， 以获得旋转不变的星座图， 并映射到 I/Q 两路，用来 降低载波相位模糊；随后对 FQ信号升余弦滚降滤波的基带成形 ; 最后完成 QAM 调制后，将己调信号送入有线射频 （RF） 信道。课程设计说明书第5页图 3 DVB-C 发射前端信道部分框图2.3.2 DVB-C 接收系统DVB-C 接收系统框图，如图 4 所示图 4 DVB-C 接收系统框图主要由调谐器、 A/D变换器、 QAM解调、匹配滤波均衡、载波和位同步恢复、 符号/ 字节转换、差分译码、去交织、 RS译码、去

11、扰码、解多工复用、 MPEG-2 解压缩等部分组成，其组成原理框图如图 4所示: 信道部分传来的信号经传输层 解复用还原压缩的 MPEG-2视频、音频及多媒体数据信号，经解压处理恢复数字 视频信号和数字多声道伴音信号，再经视频编码电路输出 NTSC/PAL等制式的电 视信号。 CPU负责接收机的初始化及对电路各部分的协调控制和数据信号处理等。另外，还提供遥控输入接口、通用异步传输接口 (UART)、IEEEI284 并行口、 I 2C 串行总线控制端口、调制解调器等外围部件。课程设计说明书第6页3 有线数字电视的编码与解码3.1 信道编码3.1.1信道编码的作用新源编码是对于数字演播室给出的图

12、像信号数据流内的空间和时间信息冗 余大量删除，以降低信源数据库，提高信息传输效率，降低数据率，而信道编码 的主要目的是提高系统的抗干扰能力。也称为差错控制编码，以使得 在传输中 在各种干扰因素场合下接收端仍有良好的正确接收能力， 获得应有的高质量图像 和声音。对信道编码的要求主要有以下几点：（1）编码效率高，抗干扰能力强；（ 2）对信号有良好的透明性， 也即传输通道对于传输的信号内容不加 限制；（3）传输信号的频谱特性与传输信道的通频带有最佳的匹配性；（ 4）编码信号内包含有数据定时信息和帧同步信息， 以便接收端准确地解码；（5）编码的数字信号具有适当的电平范围；（6）发生误码时，误码的扩散蔓

13、延小。3.1.2数据随机化DVB随机化以 8 个数 据包 为周期， 每 8 个传送包的开始时将 序列 “100101010000000”装入 PRBS计数器使其初始化。 在一个 8个包长的组中， 第 一个包的 MPEG-2同步字节应逐比特倒相，从 47HEX变为 B8HEX，这样处理是为 了给解扰器提供一个启动信号。PRBS生成输出的第一个比特应作用于已倒相的 MPEG-2同 步字节 （即 B8HEX） 后的第一个字节中的第一位。为了实现其它同步功能， 在后继的 7 个传送包的 MPEG-2 同步字节持续 期间， PRBS继续工作，但其输出是无效 的，不对这些字节进行随机化。因此， PRBS序

14、列的周期 应为 1503 个字节。3.1.3 RS 编码算法RS码是一种最小距离可分码， 常用（n，k，d）表示 RS码;其中:n 为码字长度，课程设计说明书第7页k 为信息长度， d 为设计距离。 DVB-C 系统中采用的是 RS(255，239)码的缩短码 RS(204，188)。这里的码字均在 GF(2m)域上。GF(2m)域可以理解为在这个域上的 l 个码元由 mbist 组成，因此，连续 mbist 个错误仅相当于该码一个码元的错误。 这样 RS 码就可以大幅度提高抗突发错误的能力。RS码的参数具体有如下关系：mn=2 -1k=n-2tRS 编码器可以看作是一个多项式乘法器或除法器，

15、 其生成多项式可以表示： 2tg(x) (x t)j1为有限域 GF(2m)的本原元素。设输入的信息序列为：m(x) mk 1xk 1 mk 2 xk 2m1x1 m0c(x) cn 1xn 1n 2 n k cn 2xcn k xc1x1 c0生成的码字为：采用系统码的形式，则 c(x) ：c(x) xn km(x) R(x) 其中中：R(x) xn km(x)modg(x)RS码的最小汉明距离为 dmm=2t+l，t 是能够纠正的错误个数，这样 RS(204， 188)能够纠 t=8 个错误，码距为 d=17； DVB-C 系统使用的。RS码本原多项式为：p(x) x8 x4 x3 x2

16、1本文采用除法电路实现编码。编码电路的主要一部分是一组线性移位寄存 器，如图 5 所示课程设计说明书第8页图 5 RS 编码的实现电路上图中的编码器是 r 级编码器， r=16，即含有 16个反馈系数，这 16 个反馈 系数是 RS（204，188）码的生成多项式的系数。3.1.4 数据交织由于在 DVB 数字电视广播系统的信道编码采用了（ 204，188，8）RS 码编码，并对每 204 个字节组成的数据帧实施字节符号交织处理，交织深度 I=12 字 节。此时，具有最多纠正 12*8=96 字节的突发错误的能力，如图 6 所示。图 6 DVB-C 交织电路 为了实现同步，不论什么情况下， 都

17、是将同步字节及倒相的同步字节送至交 织器的分支 ,0?。交织过程是这样的： RS编码码字向第 0-第 11支路依次循环输入数据，每 条支路每次输入一个字节； 交织后的数据按相同的顺序从各支路中输出， 每条支 路每次输出一个字节。课程设计说明书第9页反交织过程是这样的：将输入的交织数据流中识别出的第 1 个 RS 码字的同 步输入到第 0 条支路，以此为起点依次循环向后面各支路输入数据， 每条支路每 次输入一个字节； 反交织后的数据按相同的顺序从各支路中输出， 每条支路每次 输出一个字节。一个 204字节的数据包需要 17 个交织周期。3.2 DVB-C 信道解码技术图 7 信道解码方框图信道解

18、码的方框图如图 7 所示。信道编码中采用的技术有加扰、 RS 编码和 交织，因此在接收端， 信道解码器应该进行相反的处理过程， 即完成信号的解交 织、 RS解码和解扰。3.2.1 解交织RS 编码对随机错误具有较强的纠错能力，然而，在实际信道中，许多错误 是突发性的， 也就是说发生错误时， 往往具有很强的相关性， 甚至连续一片数据 都出错。突发性错误超出了 RS 编码技术的纠错能力，因此必须结合使用数据交 织技术。在发送端， 数据交织器按照一定规则对数据进行交织， 使信道的突发性 错误分散开来， 把突发性错误信道改造成随机性错误信道。 而在接收端， 则必须 加上解交织器，对数据进行解交织，以恢

19、复原数据。3.2.2 RS 解码在实际信道上传输数字信号时，由于信道传输特性不理想及加性噪声的影 响，所接收的数字信号不可避免地会发生错误， 因此必须引入差错控制编码技术。 其做法是， 信道编码器在信息序列中引人冗余码， 冗余码与信息码元之间以某种 确定的规则相互关联。 在接收端，信道解码器按照相应的规则检验信息码元与冗 余码元之间的关系， 一旦传输过程中发生错误， 则信息码元与冗余码元之间的关 系将被破坏，从而可以发现错误并纠正错误，我们称之为前向纠错。在 DVB-C 中，差错控制编码技术普遍采用 RS编码，具体类型是 RS (204, 188, T=8)。RS课程设计说明书第 10 页图

20、8 RS 解码过程编码是一种线形分组码，它在每一传送流包中，能够纠正 8 字节的随机性错误 RS解码过程如图 8 所示。RS 解码器经过上图所示系列过程后，获得错位多项式和错值多项式。解码 器根据它们确定错误发生的位置以及错误位置上的错误值，对错误值进行纠正， 实现前向纠错功能。3.2.3 解扰为减少数字基带信号中连 “0码”和连 “1码”的出现， 发送端必须对二进制信息 序列进行随机化处理，变成伪随机序列，此过程称为扰码。相应地，在接收端必 须解除这种扰乱，即为解扰。因为扰码限制了连 “0码”和连 “1码”的长度，从而改 善了位定时的质量。 此外， 它能使信号频谱弥散而保持稳恒， 从而改善帧

21、同步和 自适应时域均衡等子系统的性能。另外，为了减少符号误码率， 使信号频谱与信道频率特性有最佳的配合， 需 要在信道的输出端插入一定的滤波器使信道和滤波器的综合特性最佳。 所谓匹配 滤波就是这样一种使输出信噪比最大的最佳线性滤波器。 匹配滤波频率响应特性 与调谐器中基带成形模块中的升余弦滚降滤波器相同， 可以采用同样的方法来模 拟。匹配滤波器在数字通信和雷达信号检测中有特别重要的意义。 经证明，如果 信号输出获得最大信噪比，我们就能最佳判断信号的出现。课程设计说明书第 11 页总结课程设计是培养学生综合运用所学知识 ,发现 ,提出 ,分析和解决实际问题 ,锻 炼实践能力的重要环节 ,是对学生

22、实际工作能力的具体训练和考察过程 .随着科学 技术发展的日新日异，数字电视机已经成为当今生活中空前活跃的领域， 在生 活中可以说得是无处不在。 因此作为二十一世纪的大学来说掌握电视机的技术是 十分重要的。数字电视，是将传统的模拟电视信号经过抽样、 量化和编码转换成用二进制 数代表的数字式信号，然后进行各种功能的处理、传输、存储和记录，也可以用 电子计算机进行处理、 监测和控制。 采用数字技术不仅使各种电视设备获得比原 有模拟式设备更高的技术性能， 而且还具有模拟技术不能达到的新功能， 使电视 技术进入崭新时代。因此有线数字电视的编码与解码的技术也越来越重要。这次课程设计中遇到了很多问题， 最后在董雪峰老师的辛勤指导下， 终于游 逆而解。同时， 在董老师那里我学得到很多实用的专业知识， 而且我还学到了严 谨、务实、认真的工作态度和极强的敬业精神，也让我明白了不畏困难、勇于攀 登艰难的重要性， 这对我未来的学习和生活产生很大的影响， 我向董老师表示衷 心的感谢！第 12 页课程设计说明书致谢通过两周的努力， 终于