广播电视卫星数字传输技术——第二章 数字传输理论基础

1、广播电视卫星数字传输技术第二章 数字传输理论基础中国有线电视2008(03)CHINADIGITALCABLETV?实用知识连载?中图分类号:TN943.3文献标识码:B文章编号:10077022(2008)03029505广播电视卫星数字传输技术第二章数字传输理论基础口刘洪才(中国电子学会广播电视技术分会,北京100866)(上接2008年第02期)4音频压缩与视频压缩的基本概念4.1音频压缩(1)必要性图22所示用于声频和音频处理的3种主要带宽.图22声频和音频处理的3种主要带宽1套模拟调频立体声所占带宽为30kHz,如果对这些信号进行A/D转换后直接传送,将占用很大的信道宽度.例如,1路

2、话的取样频率为8kHz,每个样值按8bit量化,则1路话的数字信号所占带宽为88=64kHz,而电话线只能提供3.5kHz带宽.对1套立体声节目进行A/D变换:取样频率为48kHz,对每个样值进行16bit量化,其数据率为2481016=1536kb/s.采用FEC,R=1/2,在信道中传输的数据率为21536kb/s=3072kb/s.频率利用率按2b/s/Hz计算,则传送1套立体声节目所需要的射频带宽为3072kb/s2b/s/Hz=1.536MHz.这相当于5个模拟调频立体声所占的带宽,因此,必须进行数字压缩(又称为数据压缩,码率压缩,数字音频信号的信源编码),以降低数字音频信号的数据率

3、.经过数据压缩后,可以在带宽一定的信道上同时安排多套节目.(2)可能性无论是语言信号还是音乐信号,在时域信息和频域信息中都存在信息冗余度.时域信息冗余度表现在取样时,小幅度样值比大幅度样值出现的概率高,而且取样频率越高,样值问的相关性越大,同时,在某一个瞬时,音频信号只有几个频率分量,存在着周期的相关性.频域信息冗余度表现在信号功率谱密度不均匀性,其高频分量较低.人耳对信号幅度,频率和时间的分辨力是有限的,凡是人耳感觉不到的成分,称为不相关部分(人耳掩蔽效应),对人耳感觉不到的成分去掉,不编码,不传递.从信号中除掉可预测的,多余的信息,即可获得压缩,这种压缩功能称为编码,解压缩功能称为解码.在

4、编码与解码的过程中,一种是有损耗压缩算法,就是要失去某些信息,另一种是无损耗压缩算法,不损失任何信息.一般都采用有损耗算法,可以获得更大的压缩.(3)音频压缩方法当前广泛应用的音频压缩方法是MuSICAM(Masking-patternUniversalSubbandIntegratedCodingandMultiplexing,掩蔽型通用子频带集成编码和复用)MUSICAM降比特技术利用了人耳的特性,包括最小可听限(见图23)和掩蔽效应(见图24).图23中,A信号是可听的,但在图24所代表的场合,同样一个A信号则是不可听的,可见靠近高声压级信号的低声压级信号是不可听的.因此,图24中的A信

5、号无需发送,降比特是有效的.据称,运用这种掩蔽技术,700kb/s以上的数字信号能压缩到128kb/s.用MUSI.CAM对声音信号进行源编码,可使立体声信号的数据率由1411kb/s降为192kb/s.其实现方法是使用1组适当的滤波器,将宽带音频信号分为32个子频带,每个子频带根据人的听觉特性来确定消除语言和音乐信号中的冗余和不相关部295刘洪才:第二章数字传输理论基础中国有线电视2008年第03期声压级声压级频率一图23最小可听限频率图24掩蔽效应分,以实现有效的数据压缩.同时,以28ms的时间组成一数字帧,在每一帧的时间内,子频段信号到达最大电平时,即进行量化和传输,量化是根据掩蔽门限效

6、应再分配一定的比特数来进行的,这种方法避免了时间频率时间的变换,因而降低了接收机对信号处理的复杂性,这种方法不但优化了量化噪声的分布,同时也改善了误码噪声在频谱中的分布.为保护信息传输,采用COFDM方法.COFDM(CodedOahogonalFrequencyDivisionMultiplexing,编码正交频分复用)传输与无线电信道的传播特性相适应,能使由不同长度的传输途径造成的无线电信号的失真(多径干扰)得到补偿.(1)C(Coded,编码)为了对传输的数据信号进行差错保护,在调制之前要进行信道编码,即在数据流中添加冗余.(2)OFD(OhogonalFrequencyDivision

7、,正交频分)从播音室来的数字音频广播立体声信号的数据率为2768kb/s,这相当于取样频率为48kHz,16比特296量化的左,右两路音频信号.数据流经过数据压缩后,数据率压低为原来的1/7左右.为了防止传输差错,要经过信道编码,在数据流中添加进冗余.这些数字信息在发射之前要分成许多部分信号,每一部分信号分别被分配到各个副载波上,这些副载波有均匀的频率间隔并形成一种正交的功能系统,所有副载波频率是一个基本振荡频率的整数倍.正交信号可以精确的彼此被分离.因此,DAB或1536个副载波可以仅相距1kHz,一个挨一个地排列起来.数据信号采用4DPSK对副载波进行调制.这些相互正交的已调载波相加在一起

8、,就形成了包含数字信息的COFDM基带信号(DAB块).为了在多径传输引起比特块差错时也能够对数据进行修正,同时采取双重预防措施,即时问交织和频率交织,使相邻的信息单元在时域和频域中都尽可能远地相互分开来传送,这样就把块差错拆分为单个的比特差错,经接收端时间解交织和频率解交织予以修正,这样可以降低误码率(BER).(3)M(Multiplexing,复用)传输的信号不再是单一的节目,而是许多节目相互交织地分布在一定的频率范围内(频率块),DAB中,在大约1.5MHz的频率块内,可将6套立体声节目和其他数据业务复合在一起传送.4.2视频压缩(1)必要性电视图像信号的压缩编码是当今的热门话题,它的

9、应用范围很广,从图像数据存储和传输,包括现行TV以及21世纪要广泛使用的全数字HDTV的传输与地面分布离不开图像数据的压缩编码技术.下面分析一下视频压缩编码的必要性.我国PAL制彩色电视采用625行/50场,视频带宽为6MHz,根据CCIR第601号建议书,625行/50场和525行/60场两种电视制式都采用一样的取样频率:即亮度信号(Y)取样频率为13.5MHz,每个色差信号(RY和BY)的取样频率各为6.75MHz,Y和RY,BY信号的每个取样被8比特量化,这样,电视信号在数字化后的亮度信号的码率为13.58=108Mb/s,色度信号的码率为6.7582=108Mb/s.演播室全数字编码电

10、视信号的总码率是上述两项之和,即为216Mb/s.这就意味着,要传输PAL制彩色数字电视所需要的传输速率为216Mb/s,这样高的传输速率采用2相相移键控(2PSK)调制所需传输带宽要大于200MHz,即使采用4相相移键控(4PSK)调制中国有线电视>>2oo8年第03期刘洪才:第二章数字传输理论基础所需传输带宽也要在100MHz以上,在现有的传输媒介中要传送这样的数字电视信号是不可能的.目前,世界上的数字视频压缩技术,已经可以做到把216Mb/s速率的数字电视信号压缩到8Mb/s左右,而去压缩后的质量可以达到广播级质量标准.这样,在现有传输1路模拟电视信号的1个卫星转发器内可以实

11、现传输多路经频带压缩后的广播级电视信号.如果传送高清晰度电视(HDTV),其数据率1.11Gb/s.可见,广播电视信号数字化后,传输数据率很高,占用很大的信道容量和传输带宽.一个卫星转发器带宽为36MHz或54MHz,要传输216Mb/s或1.11Gb/s的数字信号是不可能的,必须进行数据率压缩,这就是信源编码的任务.(2)可行性视频信号中存在相当大的空问和时问冗余度,数字处理能够利用这些冗余,在不明显地损伤图像的前提下,尽量降低传输所需要的数据量,称为视频压缩.所谓视频压缩技术是指先进行A/D转换,然后再将画面中重复出现的,相对静止的冗余信号压缩掉.因为这部分信号变化很慢,不需要连续重复发送

12、,通过卫星发送的只是画面中变化很快的活动部分.如要发送一组小鸟在天空中飞翔的画面,只需发送鸟,而静止的天空背景可以压缩掉.这一技术是利用人眼对光的敏感性,因为人在黑暗区域对色彩的敏感性比对亮度的差,故只发送很少信息就能描述阴影背景中的部分图像.(3)视频压缩方法变换编码对从ADC来的每个像素数据,首先检出冗余,并把它从传送的比特流中去掉.最常用变换编码称为离散余弦变换(DCT),它把像素块转换成为一个对应的数据块,而数据块以频率系数代替实际的像素值.图像中高频分量的可见性低,用较低的精度处理.高频系数值,完成视频信号压缩.视频图像是用一系列的帧传送的,每秒钟就能传送2530帧.在新的一帧中,除

13、了场景中的运动而变化的部分外,大多数信息是和前一帧相似的.利用运动补偿技术可以检测出随时间变化的图像区域,使传输系统只传送变化的部分.根据数据的统计规律,对于经常出现在数据流中的数据图形,用特别短的比特符号编码,而出现概率小的数据图形,利用比较长的比特符号编码,这种编码方法称做霍夫曼编码.子带和小波压缩编码子带和小波压缩编码方法是用一组滤波器将图像序列分解成一组频率分量.每个滤波器的带宽相等,称滤波器组为子带系统.每个滤波器的带宽不等,称滤波器组为小波系统.与DCT相比,子带和小波编码器实现简单,它们不仅考虑频率变换,而且考虑空间变换,保证压缩图像的完整性.MPEG1986年国际标准组织(IS

14、O)和CCITF成立了联合图片专家组(JPEG),研究静止图像压缩编码算法的国际标准.JPEG压缩效率高,适用性强,计算复杂程度低,其压缩比一般在(1032):1之问.JPEG利用了信源局部统计相关特性和人的部分生理,心理,视觉特性,只允许逐帧压缩,不适合快速运动图像的压缩编码.1988年成立了运动图像专家组(MPEG一1),用于视频信源压缩编码,包括视,音频等信号在内的总码率为1.5Mb/s.1992年成立了MPEG一2,其码率由210Mb/s扩展到适合HDTV的范围,总码率达到20Mb/s.MPEG一2允许隔行扫描图像,逐场或逐帧压缩.在运动少的景物中,帧模式压缩比场模式优越,从整个帧中去

15、除的空问冗余度比从个别场中去除要好.但在运动剧烈的景物中,在一帧内,场间运动有很多的高频分量,场模式编码更适于运动剧烈的景物.DVB组织采用MPEG一2数字视频编码,数字音频编码和系统标准作为图像和声音编码系统的标准.MPEG一2在广播,电视,多媒体,应用电子等领域得到了广泛的应用.5数字信号的调制与解调数字卫星通信的基本调制方式是振幅键控(ASK),频移键控(FSK)和相移键控(PSK).在频分多址(FDMA)方式的数字卫星通信中,卫星转发器是多载波工作,由于存在交调干扰,不能采用ASK方式.在时分多址(TDMA)方式的数字卫星通信中,卫星转发器是单载波工作,为了有效利用卫星功率,转发器工作

16、在行波管输入,输出特性的饱和点附近,希望信号调制后具有恒定的包络.而卫星通信电波主要在自由空问中传播,会产生一定的自由空间传播损耗,大气吸收和雨致衰减等损耗.此外,星上供电功率有限,EIRP值受到限制,地面卫星接收机输入端的C/N值有限.欲提高C/N值,必须采用较大直;陉的抛物面天线.卫星传输具有3个特点:297刘洪才:第二章数字传输理论基础中国有线电视)2008年第O3期转发器功率受到限制,地面接收信号微弱.卫星传输中一个频带的宽度为27MHz,36MHz,54MHz,具有很宽的频带.信道特性稳定,采用PSK方式接收性能可达到最佳,比FSK方式更能有效利用卫星频带,故PSK方式是数字卫星通信

17、中的主要调制方式.PSK相移键控调制可采用二相,四相或其他多相制.早期的数字卫星通信主要采用二相PSK,近年来因通信量,信道质量及通信技术都有很大提高,所以一般采用四相以上的多相制.四相相移键控用QPSK表示.信号的相移键控有绝对移相和相对移相两种方法.绝对移相是用载波振荡相位的绝对值的变化来传送数字信息.而相对移相又叫作差分移相,它是用前后码元载波振荡相位的相对变化来传送数字信息.相对移相能够克服由于相位模糊而引起的码元反向现象,所以相对移相法在实际的PSK通信系统中广泛应用.采用四相差分相移键控时用4DPSK表示,也有用QDPSK表示的.5.1二相相移键控(2PSK,BPSK)所谓相移键控

18、,在二进制中用基带信号的两个电平(0,1)去控制载波相位,使载波相位在两个不同数值之间变换.1个载波相位传送1个比特,2个载波相位传送2个比特.这种调制方式的实现是用输入数字信号作为控制信号,选择两个相位相差180.的载波信号中的一个作为输出,其原理框图如图25所示.肌图25PSK调制器示意图PSK原理图如图26所示,这个电路使加在A,B间的副载波相位与输出端c,D间的数字信号0或1相对应,且反转180.从图27可以看出,载波的相位随调制信号1或0没变,载波相位为0时,传送数字0,载波相位为盯时,传送数字1.用载波的不同相位直接表示相应的数字信号,故称2PSK为绝对相移键控.对于2PSK,=0

19、时,只有同相分量I,没有正交分量Q,载波有0.,180.两种相位;.=90.时,只有正交分量Q,没有同相分量I,载波有90.,270.两种相位,其矢量图如27所示.298AAAo副载波信号DCD厂数字信号图26相位调制的电路原理Q,.,U,7n.=0.=90.图272PSK相位矢量图相移键控PSK调制是用二进制数字信号对载波进行调制,在数字信号由1变为0或由0变为1时载波相位变化180.,如图28所示.0二:进制数字信号载波相位变化载波波形图28相移键控的载波调制二相差分相移键控(2DPSK)与2PSK的区别在于,载波的相位不直接与传送的每个数字比特相对应,不以固定的未调载波的相位为基准,而是

20、以相邻的前一个比特所对应的载波相位为基准,来确定相邻比特所对应的载波相位的取值,即利用前后两个相邻比特所对应的载波相位差来传送信息.5.2四相调相四相调相是四进制的相移键控,由两个二进制码元组成一个四进制,双比特码元,有00,O1,10,114种双比特码,用载波的4种不同的相位分别与每一个双比特码元相对应.所以,为实现四相调相,在调相器输入端必须接一个串/并行变换电路,该电路能把二进制中国有线电视)2008年第03期刘洪才:第二章数字传输理论基础码变换成双比特码.串/并变换的原理电路图如图29所示,图中b.,b:,b,b是串行数据流,s.,s:,s是同步电子切换开关,切换周期为输入码元宽度的2

21、倍.D.D为移位寄存器,两路输出分别为b,b,和b,b.每路输出码元的宽度为输入码元宽度的2倍.图29串/并变换的电路原理图输入比特序列为01001011,编号为07.经串/并变换后的两路输出分别用实部1分量和虚部Q分量表示0011和1001.四相数字调相的相位逻辑有自然编码和反射编码(格雷编码)两种,如图30所示,图(a)为自然编码,图(b)为反射编码.自然编码法是按自然二进制码的顺序安排相应的相移,发生一位误码时,造成的码值差错将是两级.反射编码法克服了自然编码法的缺点,在实际传输系统中得到广泛的应用.Q00107Q00(a)自然编码(b)反射编码图30四相数字调相的相位逻辑四相调相器由两

22、个二相调相器组成,其原理方框图如图31所示.输入码流经串/并变换后,输出一对对双比特码流I,Q,I比特对载波sint进行调相(0.,180.),Q比特对载波COSt进行调相(90.,270.),将两路正交的调相波合成可以得到QPSK矢量图,如图32所示,图(a)中的.=0.,图(b)中的.=r-t基带成形H调相卜L基带成形卜_1调相卜_JJ1图31QPSK原理方框图45.,对应于反射编码00,10,11,01的相移为45.,135.,225.,315.90,.,270.Q.,=0.=45.(a)(b)图32QPSK相位矢量图在对载波进行调制之前,I,Q码流分别经过基带成形低通滤波器限制基带的带

23、宽.该滤波器具有幅度滚降特性,在DVBS系统中采用平方根升余弦滚降滤波,滚降系数=0.35.4PSK调制波形如图33所示,载波相位各相差90.,其中.和.与数据Nol构成一组调制,而和与数据No2构成另一组PSK调制,由于是同频不同相位的载波信号,可以看出4PSK在相同带宽下传送信息的能力提高了1倍.也就是说,利用一个频率的载波信号经过4PSK调制传送了两组二进制数据信号,频带利用率比PSK方式提高了1倍.二进制数据No变化_一L_二进制数据No2J,J,4T:至形j1图334PSK调制波形图上面介绍的QPSK为绝对调相,所谓绝对调相是利用载波的不同相位去直接传送数字信息.4DPSK称为相对调

24、相(差分调相),它是利用前后相邻码元的载波相位的相对变化来传送数字信号,把数字信息序列(绝对码)经差分编码变换为差分码(相对码)之后再进行绝对调相.令1a1为绝对码序列,b1为相对码序列,它们的第n个码元关系为:b=an6,a=66.绝对码和相对码的转换电路如图34所示,图中为码元问隔.299中国有线电视)2008(03)CHINADIGITALCABLETV?维护与维修?数字电视传输网络检修经验谈口田中,雷洋,吴忠达(吉林市有线广播电视传输公司,吉林吉林1320131引言全国各大中城市的有线电视网络都已完成HFC网络升级改造,有的还实现了网络的双向化传输和数字整体转换.据考证,在已经实现有线电视数字化传输的地方,网络的检修维护工作量大大增加.以往对模拟传输网络的检修技术和经验已不能完全适应数字化传输网络,这就需要我们努力学习有关数字电视传输技术的知识,在工作中相互交流,探讨