第八章数字电视基础

1、东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第2页页 电视视频电视视频、音频信号的、音频信号的PCM数字化原理数字化原理 模拟电视机中的数字技术模拟电视机中的数字技术 数字图像信号的压缩编码原理及数字图像信号的压缩编码原理及MPEG系系 列标准简介列标准简介 数字音频信号的压缩编码标准数字音频信号的压缩编码标准 信道编码和调制信道编码和调制本章内容简介本章内容简介教学重点教学重点 视频信号的数字化技术，视频信号的数字化技术，信源和信道编码技术信源和信道编码技术教学难点教学难点 信源和信道编码技术信源和信道编码技术l模拟电视系统电视信号在时间上、幅度上均是

2、连续变化；采用模拟电路技术 对电视信号进行处理、传送、记录。l数字电视系统数字电视信号是时间上、幅度上均为离散值；电视信号的处理、传送、记录等，都是采用数字电路技术。从电视信号的摄取、节目制作、存储、发射、传输到信号接收、处理、重现等全过程完全数字化的电视系统。它是用数字技术来处理电视信号的一门高新技术，是信息技术、现代通信技术、计算机技术和微电子技术等综合应用的结晶。l数字电视系统的基本原理框图东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第3页页东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第4页页信源模/数转换压

3、缩编码多路复用纠错编码数字调制信源编码器模拟电视信号信道编码器同步单元信宿模/数转换解压缩解复用纠错解码解调信源编码器还原的模拟电视信号信道编码器信道东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第5页页l信源是产生和输出电视模拟信号（包括图像和伴音）的设备，如摄像机、麦克风等。l信源编码器主要包括模/数（A/D）转换、压缩编码、多路复用三部分。将信源送出的模拟电视信号进行模/数（A/D）转换，用一定的数字脉冲组合来表示信号的幅度，从而形成数字信号。为提高传输的有效性，在保证一定传输质量的情况下，对反映信源全部信息的数字信号进行变换，用尽量少的数字脉冲来表

4、示信源产生的信息，这就是压缩编码。东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第6页页l信道编码器包括纠错编码和数字调制，主要解决数字信号传输的可靠性问题，故又称为抗干扰编码。经过纠错编码的传输码流具有检错和纠错的能力，其作用是最大限度地减少在信道传输中的误码率，然后将纠错编码后的传输码流调制成适合于在信道上传输的波形。l传输信道分为地面（无线发射）、有线和卫星三类，因而，不同的传输信道应选择不同的调制方式。 解码器与编码器的功能相反，在接收端将接收到的已调信号，经解调、纠错解码、解复用、解压缩、数/模（D/A）转换，恢复出原模拟电视信号。东南大学移动通

5、信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第7页页世界数字电视发展 (1) 20世纪80年代，德国的ITT公司推出了世界上第一台数字视频处理彩色电视机； (2) 1982年，新一代数字式电视接收机由美国公司率先研制成功，83年正式生产并投放市场； (3) 20世纪90年代，欧、美、日等国家制定了现代数字视 频压缩编码技术的MPEG系列标准； (4) 95年9月15日，美国正式通过ATSC数字电视技术标准； (5) 90年代中期，欧盟制定了DVB数字电视广播标准。东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第8页页 (6) 19

6、96年4月，法国第一个开始数字电视商业广播； (7) 1998年，美国开始了数字电视广播；(8) 1999年，日本推出了ISDB数字电视广播标准； 我国数字电视发展及规划 (1) 20世纪90年代初，我国开始数字电视技术的研究，计划在MPEG系列标准上制定自己的数字电视系列标准； (2)1998年9月，中国的数字电视广播HDTV-T在中央电视塔上广播试验成功； (3)1999年国庆阅兵进行了HDTV直播，通过卫星向全国传送8套全数字压缩的数字电视节目；东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第9页页 (4)“数字电视地面传输国家标准”于2006年8月

7、18日正式批准成为强制性国家标准，2007年8月1日起实施 。(5)我国数字电视发展规划： 第一阶段：到2005年实现普通电视的数字化； 第二阶段：到2010年全部设备实现数字化； 第三阶段：到2015年，图象质量达到35mm电影胶片质量，并彻底停止模拟电视广播。东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第10页页数字电视的分类数字电视接收设备数字电视显示设备按用途分类地面无线传输卫星传输按信号传输方式分类有线传输（a）（b）数字电视显示器一体化数字电视接收机按产品类型方式分类数字电视机顶盒（c）东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点

8、实验室（NCRLSEU） 第第11页页低清晰度数字电视标准清晰度数字电视按清晰度方式分类高清晰度数字电视43数字电视显示设备169数字电视显示设备按信号图像幅型比方式分类（d）（e）LDTVSDTVHDTV东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第12页页l对标准清晰度电视，其图像和伴音质量比模拟电视有所提高，并且频道利用率高，在目前模拟电视的一个频道内可以播4套（或更多）数字电视节目。对高清晰度电视，其画面可提供相当于SDTV画面5倍多的信息量，因此，HDTV具有更高的图像分辨率，它的清晰度是目前模拟电视画面清晰度的23倍。l在电视伴音方面，目前模

9、拟电视只有一路伴音，经过电路处理后可转换成立体声；SDTV有两路数字伴音，具有CD级的音质；HDTV则有多路数字伴音（杜比5.1声道），除了音质好之外，还具有真正的环绕立体声效果。东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第13页页东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第14页页 与模拟电视相比较，数字电视具有以下特点及先进性： （1）数字电视抗干扰能力强； （2）频带利用率提高，可实现信道多工复用； （3）信号发射功率降低，便于实现加解密、加解扰； （4）易存储，易实现数字特技，提高图象质量； （5）采用

10、VLSI技术(超大规模集成技术) ，可增强系统功能、提高系统稳定性； （6）输出信号具有扩展性，可分级性、和互操作性。东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第15页页l实施数字电视传输的主要难点信息量大：比传输一路模拟电视信号 要大10倍左右对软、硬件设备要求高：高速率的模拟/数字转换器、数字/模拟转换器高速率超大规模实时信号处理芯片l关键技术有效的 数字电视压缩编码 和高效数字调制技术200 Mb/s - 20 Mb/s光纤等宽带传输信道超高速、超大规模数字集成电路技术降成本，普及东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（N

11、CRLSEU） 第第16页页 取样：电视信号的数字化信源编码（1）取样过程：t0A （b） 将一个时间上连续变化的模拟量转换为时间上离散的模拟量的过程。A t（a）0A t（c）0东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第17页页0fmaxf（x）0f（y）2fsfs0f（z）2fsfs（2）模拟信号取样前后波形与频谱的变化：A t（a）0tA （b）0A t（c）0东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第18页页离散信号要不失真地重现原模拟信号，必须满足连续信号f(t)的最高频率fmax的2倍小于或等于

12、取样信号的频率fs的条件，即 2fmaxfs这就是著名的奈奎斯特（Nyquist）取样定理。数字电视取样频率：l 分量编码中： 亮度信号的取样率为13.5MHz； 色差信号的取样频率均为6.75MHz； 伴音通道取样频率一般为36KHz或48KHz。东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第19页页l 复合编码中： 通常对复合视频信号编码仅需一个取样频率。 NTSC取为12.7MHz或10.7MHz； PAL为13.3MHz或17.7MHz。取样后的信号只是在时间性上实现了离散化，而幅度取值仍是连续的。东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信

13、国家重点实验室（NCRLSEU） 第第20页页 （1）量化过程（见右图）012345678vt2TT3T 4T 5T 6T 7T 8T 9T478765421 将采样后时间上离散的模拟量转换成某个确定的最小单位的整数倍的过程称为量化。 （2)数字电视信号量化准则（分量编码方式）： 伴音：14bit量化； 亮度：8bit量化； 色度：6bit量化。2. 量化：东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第21页页时刻 输入信号 二进制编码 T 4 0100 2T 7 0111 3T 8 1000 4T 7 0111 5T 6 0110 6T 5 0101

14、7T 4 0100 8T 2 0010 9T 1 0001（1）编码过程：012345678vt2TT3T 4T 5T 6T 7T 8T 9T478765421将量化后的电视信号电平转换成二进制代码的过程。 （2） 数字电视编码：3.编码：东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第22页页 伴音信号：用14bit偏移二进码，分辨率约80dB； 亮度信号：用8bit自然二进码或格雷码，分辨率约40dB； 色度信号：用6bit偏移二进码，分辨率约20dB。 4、编码方式 （1） 复合编码方式： 指直接针对复合视频信号进行取样、量化、编码。复合编码框图（见

15、下图）低通滤波取样器量化器编码器 复合编码方式特点：码率低、设备简单、图象质量较差。东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第23页页（2）分量编码方式 分量编码是对亮度信号、两个色差信号分别进行取样、量化、编码、时分复接和传输。分量编码框图（见下图）全电视信号输出取样器低通滤波量化器编码器取样器低通滤波量化器编码器取样器低通滤波量化器编码器亮色分离数字全电视信号编码EY EB-YER-Y 分量编码方式特点：图象质量好，但设备造价高昂。东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第24页页 活动的电视图像信号是

16、非常复杂的多维时空函数，其数字化过程如按一般PCM技术，以PAL制电视信号为例，未经压缩的全数字电视信号的总数码率将达216Mb/s（216106b/s），则一张640MB（640106字节，8比特为1个字节）容量的光盘储存的视频数据只够播放20s左右；若按PCM二进制传输信道，每1Hz带宽传输的最高数码率是2b/s计算，则其信号需要带宽108MHz，这是现有模拟电视带宽的10倍以上。结论： 数字视频信号必须经过压缩编码后才能送入现有信道传输。东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第25页页视频信号压缩编码可行性分析；（1） 视频图象压缩编码机理通

17、常利用两个基本原理： 利用图象信号的统计特性； 利用人眼视觉的视觉特性。（2）压缩算法的评价标准 压缩比未经压缩所产生的数据量 与经过压缩所产生的数据量 的比值。 图像质量人的视觉效果：人在2米内观察所作的评价，是一个主观标准；信噪比：通过仪器测量，客观标准。 软、硬件开销 东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第26页页l无损压缩利用数据的统计冗余进行压缩，可完全恢复原始数据；受到统计冗余度 的限制，压缩率一般比较低（例如 2:1）；例：Huffman编码、算术编码、游程编码。l有损压缩允许在压缩过程中 损失一定的信息，但损失的信息影响小；压缩比

18、较高；例：预测编码、变换编码、空域方法l标准通常将两者联合使用 混合编码：JPEG, MPEG, H.261, H.264东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第27页页四种数据压缩编码方法： 利用空间冗余度的编码方式：DCT编码、差分编码DPCM（一维预测编码）、帧内预测编码（二维预测编码）、行游程编码（对量化后的DCT系数编码）； 利用时间冗余度的编码方式：差分编码DPCM、预测编码（主要是帧间预测编码）； 利用视觉冗余度的编码方式：离散余弦变换编码DCT； 利用统计冗余度的编码方式：可变字长编码VLC，即霍夫曼编码。东南大学移动通信国家重点实

19、验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第28页页视频信号压缩编码基本原理（1）图象预测编码： 图象预测压缩编码的思想： 绝大多数图象在局部空间和时间上具有连续变化性，即原始图象数据具有很强的相关性，因而可以通过对一个或多个像素的观测，预测出未来相邻像素的估计值，这就是预测编码的思想。 图象预测编码的原理： 是用已传输的像素值对当前像素值进行预测，再对当前像素的实际值与预测值之差值（预测误差）进行编码传输，东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第29页页在接收端，对收到的预测误差的码字解码后再与预测值相加，便可得到当前像素值。xn

20、xn量化器编码器解码器预测器预测器信道enxnenxnenxn线性预测压缩编码（DPCM）系统（见下图）： （2）Huffman编码（可变字长编码VLC）： Huffman码编码原理：东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第30页页 采用可变字长码，对于数据符号出现概率大的，配置字长短的码字，反之则反之。编码后，平均码长减小，码率降低。例题：信源数据xi： x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8出现概率： 0.18 0.20 0.19 0.005 0.17 0.15 0.10 0.005Huffman码01 x200 x3111 x1110

21、 x5 101 x61001 x7 10001 x8 10000 x4x1 0.18x2 0.20 x3 0.19x5 0.17x6 0.15x7 0.10 x8 0.005x4 0.005数据符号 出现概率1011010100001110.010.110.260.610.350.39东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第31页页 （3）离散余弦编码DCT： DCT变换是无损编码，本身不能压缩数据，但原始图像数据完成DCT变换，可方便粗量化处理实现数据压缩。DCT编解码系统（如下图示） 8X8子块码子输出f（x.y）F（u.v）Q（u.v）原始图

22、象数据DCT变换量化器编码器输入码子输入f（x.y）F（u.v）Q（u.v）8X8子块重建图象数据逆量化解码器IDCT反变换输出传输信道lJPEG, Joint Photographic Experts Group, 联合照片专家组l1991年3月, ISO CD10918号建议草案 “多灰度静止图像的数字压缩编码”l适用于 彩色、和单色多灰度、以及连续色调 静止 数字图像 的压缩标准l主要技术：离散余弦变换、Huffman编码、Zig-zag扫描变换东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第32页页东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国

23、家重点实验室（NCRLSEU） 第第33页页东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第34页页东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第35页页东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第36页页东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第37页页东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第38页页lMPEG, Moving Picture Coding Experts Group,

24、 活动图像专家组l成立于1988年1月, 致力于研究、开发 数字压缩标准l所开发的标准已被批准为国际标准，形成MPEG系列MPEG-1MPEG-4MPEG-7东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第39页页 （1） MPEG-1标准：1992年11月推出 主要内容包括： 系统标准：描述了数字音、视频和辅助数据流等复用和同步的方法； 视频标准：描述了数字视频数据压缩编码方法，压缩比可达200:1 ； 音频标准：描述了数字音频数据压缩编码方法，压缩比可达10:1 。东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第4

25、0页页 （2）MPEG-2标准：于1994年11月推出 主要内容包括： 系统标准：描述关于多路视、音频、数据和节目码流的复用方式和同步的方法； 视频标准：描述了视频数字压缩编、解码的方法； 音频标准：描述了音频数字的编码与解码，并扩展了MPEG-1的音频标准，达到环绕声5.1声道标准； 一致性测试标准：描述测试码流是否符合MPEG-2码流的方法；东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第41页页 软件仿真标准：描述了MPEG-2标准的以上3部分的软件实现方法。 （3） MPEG-2标准采用帧间运动补偿编码技术，进一步去除时间冗余。为了区分帧内与帧间编

26、码，MPEG-2标准定义了三种编码图像： 帧内编码图像（ I帧）：I帧图像的压缩比约为（25）:1。 场景变换后的第一帧画面，是一个独立的可作参照的画面，这个画面的数据要求全面记录，保存与传输。画面数据代表活动图像的主体内容和背景信息，它是产生P帧和B帧的基础。通常，每12帧到15帧，一个图像组有一个I帧信息。东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第42页页 双向预测编码图像（B帧），以 I 帧和P帧为参考帧，进行双向预测编码，预测精度很高，压缩比为（2030）:1。传送了I和P帧画面间之间的主体变化情况，它的数据是参考前后帧得到的。在一个图像帧组

27、的各个画面，通常背景是相同的，主体发生了位置和内容的变化。通过两帧图像的比较得到一个最佳的移动矢量，然后将这个移动矢量方向与距离进行传输。移动后和移动前的画面进行插值。 前向预测编码图像（P帧）：根据前面最靠近的 I 帧或P帧作为参考帧进行前向预测编码的图像，压缩比（510）:1；只传送此帧与参考帧在主体内容上的变化差异，不传送图像的背景信息。东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第43页页东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第44页页 实验与统计分析已经证明，音频信号中存在多种冗余，主要是时域冗余、

28、频域冗余和听觉冗余等。这些冗余的存在，使音频数字信号的压缩得以实现。1. 音频数据压缩编码的可能性 （1）时域冗余：幅度分布的非均匀性，样值间的相关性，信号周期之间的相关性，长时自相关，静音、语音之间的停顿间歇都是冗余量。 （2）频域冗余：长时间隔功率谱密度具有非均匀性以及语音信号具有短时功率谱密度，具有相关性。东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第45页页 （3）听觉冗余：听觉频率范围、人耳对声音响度的响应呈对数关系、人耳具有听觉阈特性、人耳具有掩蔽阈效应。频谱掩蔽效应：在安静的环境中人耳刚刚能感觉到的最小声音强度称为静掩蔽门限，其与频率变化的

29、曲线如图所示。 声级/dB不可听区可听区静掩蔽门限0.2 0.512520f/kHz0东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第46页页当有一个强度为70dB、频率为1kHz的纯音出现时，与静掩蔽门限曲线混合，形成新的同掩蔽门限曲线声级 / dB不可听区可听区同掩蔽门限0.2 0.512520f/kHz070东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第47页页2. 常用音频数字信号的压缩编码 感知编码、波形编码、参数编码、混合编码 （1）感知编码 感知编码是利用人耳的掩蔽效应和其它冗余，在维 持取样频率不变和

30、保证音频信号动态范围的情况下，通过减少数字信号的字长来降低总码率。 感知编码的基本工作原理为：对输入音频信号的频率和幅度进行分析，并将分析结果与人的听觉模型相比较，东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第48页页凡符合模型的信息（人耳能够感觉到的）保留下来，对听觉不能感觉到的内容丢弃，从而降低了码率。 （2）波形编码 波形编码是指直接对时域或频域中的音频信号波形进行取样编码。它主是利用音频取样值在时域或频域中存在的某些冗余进行压缩，力求使还原后的音频信号波形与原音频信号波形保持一致。 常见的波形编码方法主要有： 子带编码 自适应脉冲编码调制东南大学

31、移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第49页页 （3）参数编码 根据对声音形成要素的分析和人耳的听觉分辨力，建立产生语音信号的模型，再在声音信号中提取代表语音信号特征的参数进行编码。 （4）混合编码 结合两种或两种以上的压缩编码方法，利用各自的长处进行混合编码，实现在较低的数码率上获得较高的音质。 自适应变换编码等。 该编码技术压缩比高，重建音频信号的质量较差，不适合用于保真度高的场合，一般多用于语音信号的压缩编码。东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第50页页3 .音频压缩编码国际标准 常用音频数字信号压

32、缩编码国际标准有： MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、杜比AC-3等 （1）MPEG-2音频压缩编码标准 在MPEG-2标准中定义了两种音频数据压缩编码算法，其一是向下兼容多声道音频编码标准，简称MPEG-2 BC，即它与MPEG-1标准是兼容的；其二是高级音频压缩编码标准，简称MPEG-2 ACC。它们的特点分别如下： MPEG-2 BC的主要特点：它与MPEG-1相比，主要做了两个方面的重大改进。一是增加声道数，支持5.1和7.1声东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第51页页道的环绕声；二是为某些低码率应用场合增加了三种较低的取样频

33、率（16kHz、22.05kHz和24kHz）。 MPEG-2 ACC的主要特点：它是一种非常灵活的声音感知编码标准，在编码原理上主要利用了听觉系统的掩蔽特性来压缩音频信号的数据量，并把量化噪声分散到各个子带之中，再用全局信号把噪声掩蔽掉。因而，可达到用较低的比特率实现高音质。同时，MPEG-2 ACC提高了压缩比，扩展了使用范围，具体指标为： 压缩比为11:1。 支持的取样频率可从8kHz到96kHz。东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第52页页 支持48个主声道、16个低频增强声道、16个配音声道（或称多语言声道）和16个数据流等。 （2）

34、杜比AC-3音频压缩编码标准 杜比AC-3标准是美国杜比实验室与日本先锋公司合作开发，于1994年12月研制成功。主要优点有： 真正的立体环绕声：杜比AC-3系统分别向左、右环绕音箱馈送信号，使环绕声道成为立体声声道，可实现声音定位到后方的某一点。 音频范围宽频带：杜比AC-3五个声道的频响均为20Hz20kHz，超低音声道为20Hz120Hz，音场更加扩大东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第53页页，方向感增强。动态范围极其宽广且可控： 各个通道完全隔离：东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第5

35、4页页1.信道编码的必要性 数字电视信号在传输过程中将受到信道加性噪声、乘性噪声以及多径衰落等干扰因素的影响，使得信息有可能失真，并出现误码（其中数字电视地面传输时干扰尤为严重），使得接收端无法正确解调，因此必须进行纠错编码，进一步提高传输系统的可靠性。信道编码必要性、目的及编码框图2.信道编码的目的 信道编码又叫纠错编码，是将数字电视信号进行编码,以东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第55页页使编码后的传送码流与信道传输特性匹配，根本目的是提高信息传输的可靠性，即提高数字电视系统的抗干扰性。3.信道编码系统结构框图 信道编码系统的结构由复用与

36、匹配能量扩散、外码编码、交织、内码编码、基带形成和信道调制等组成。多路视频音频数据节目复用复用匹配能量扩散外码编码数据交织内码编码基带形成信道调制音频视频数据东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第56页页4.信道编码的特性：l对所传信息的内容不加任何限制；l具有与信道相适应的频谱，要求编码器输出 码流的频谱特性适应信道的频谱特性，从而使传输过程中能量损失最小，提高信道能量与噪声能量的比例，减少发生差错的可能性；l有纠错能力，效率高；l具有定时信息，需要加同步信息，幅度识别信息和时钟信息。东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验

37、室（NCRLSEU） 第第57页页纠错原理 1.差错控制系统 该系统有两种功能：即差错控制编码与差错控制解码。差错控制编码子系统差错控制解码子系统信道 （1）差错控制编码 指在信源编码数据的基础上增加一些冗余码元（监督码元），使监督码元与信元之间建立一种确定关系。东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第58页页2. 差错控制的基本方式 （1）前向纠错（FEC） 信息在发信端经纠错编码后送入信道，接收端通过纠错解码自动检错、纠错，称之为前向纠错。前向纠错不需要反复重发而延误传输时间，对实时传输有利，但是纠错设备比较复杂，特别是纠错能力有限。 前向纠错

38、（FEC）基本原理框图及基本结构框图 （2）差错控制解码 指在接收端，根据监督码元与信元之间已知的特定关系来实现检错、纠错。东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第59页页发送端接收端能够纠正错误 前向纠错基本原理编码器前向信道解码器 前向纠错基本结构 （2）反馈重发（ARQ） 发送端发送检错码，接收端通过解码器检测接受码组是否符合编码规律，从而判决该码是否为误码，若是误码则向发送端请求重发，直到接收端确认接收正确为止，称之为反馈重发。东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第60页页 反馈重发（ARQ）

39、基本原理框图及基本结构框图 编码器缓冲控制前向信道解码器反向信道缓冲控制反馈重发ARQ基本结构发送端接收端能够发现错误反馈重发ARQ基本原理应答信号 ARQ系统有两类： 等待式:发端每发一个码字或一帧就等待受端回音,发送端收到回音ACK表示发送无误，收到NCK表示请求重发。东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第61页页 连续式:对码字或帧编号后连续发送，接收端收到有误的编号码字或帧就请求重发，直到无误。 （3）混合纠错（HEC） 混合纠错：“混合纠错”是“前向纠错”及“反馈纠错”两种方式的混合。其方法是：少量纠错在接收端自动纠正，差错较严重，超出

40、自行纠正能力时，就向发信端发出询问信号，要求重发。东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第62页页 混合纠错（HEC）基本原理框图及基本结构框图 发送端接收端能够发现并纠正误码 混合纠错HEC基本原理应答信号编码器缓冲控制前向信道解码器反向信道缓冲控制 混合纠错HEC基本结构东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第63页页3. 纠错码基本理论 （1）纠错码相关知识 信息码元与监督码元 信息码元:是发送端有信源编码给出的信息数据比特，以k个码元为一个码组时，在二进制情况下，总共有2k种不同的信息码组。 监

41、督码元:又称校验码元，是为了检错、纠错而在信道中附加的校验数据。通常k个信息码元的码组附加r个监督码元，组成总码元数为n=k+r的码组。 许用码组与禁用码组 东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第64页页 许用码组:信道编码后总码长为n的码组有2n个， 许用码组有2k个，为发送的信息码组； 禁用码组:禁用码组为：2n- 2k，纠错编码的作用就是从2n个码组中按照规律选择出2k个许用码组。 纠错编码的作用就是从2n个码组中按照规律选择出2k个许用码组。 编码效率 每个码组中信息码元数k与总码元数的比值称为编码效率东南大学移动通信国家重点实验室（东南

42、大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第65页页,通常监督码元越多，纠错检错能力越强，但编码效率越低。 码重与码距 码重:是指每个码组内码元1的数量。 码距d:是指没两个码组之间的距离。例如：000与101之间的码距为2；000与111之间的码距为3。 最小码距d0:指对于（n,k）分码组，许用码组为2k个，各码组之间码距最小值称为最小码距。 最小码距d0与检错、纠错能力之间的关系： 在一个码组内为了检知e个误码，应满足关系式： d0e+1 东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第66页页 在一个码组内为了纠正t个误码，应满足关系式： d

43、02t+1 在一个码组内为了检知e个误码并纠正t个误码（et），应满足关系式： d0re+t+1 （2）纠错码分类(根据信道干扰的性质) 随机错误:又信道的随机噪声干扰引起，误码相对独立，不会连片出现； 突发错误:又突发噪声干扰引起，差错成群出现； 混合错误:既有随机错又有误突发错误。东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第67页页纠错码随机误码纠错码突发误码纠错码分组码卷积码交织码分组码 线性码 非线性码 系统卷积码 非系统卷积码 循环码 非循环码 BCH码 RS码 奇偶校验码 汉明码 比特交织码 字节交织码 纠错码分类系统框图见下图演演 示示东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLSEU） 第第68页页 传输通道频带有上下限，信号频率超过此限，信号能量就会在传输中很快衰减，信噪比下降，误码率增加，且给邻近信道带来很强的干扰。故在传输前要对数字信号进行处理，减少数字信号中的高、低频分量，使能量集中在较窄的频带上，再通过某种调制进行频谱的搬移，使信号的频谱特性与信道的频谱特性相匹配。 1.数字信号载波调制的必要性与目的 (1)数字信号载波调制的必要性：东南大学移动通信国家重点实验室（东南大学移动通信国家重点实验室（NCRLS