数字电视广播原理与应用

数字电视广播原理与应用第一页，共六十八页，编辑于2023年，星期六8.1数字电视广播系统概述在模拟电视广播系统向数字电视广播系统转换过程中，应该说，完成整体的转换包括有线数字电视广播、卫星数字电视广播和地面数字电视广播三种传输系统全面地实现全数字化，用户通过相应的数字接收装置可以完美接收全数字电视节目。第二页，共六十八页，编辑于2023年，星期六8.2.1MPEG-2在DVB系统中的实施8.2.2有线数字电视的传送层8.2.3传送层数据帧的帧结构8.2有线数字电视的传送层第三页，共六十八页，编辑于2023年，星期六有线数字电视的信道编码输入是信源编码器的MPEG-2传送层数据流输出，其数据流结构如图8-1所示。8.2.1MPEG-2在DVB系统中的实施

8.2.2有线数字电视的传送层第四页，共六十八页，编辑于2023年，星期六图8-1MPEG-2传送层数据流结构第五页，共六十八页，编辑于2023年，星期六输入至信道编码器的188字节数据包首先组织成由每8个数据包构成的数据帧，其帧结构如图8-2所示。

8.2.3传送层数据帧的帧结构第六页，共六十八页，编辑于2023年，星期六图8-3有线前端构成的原理框图第七页，共六十八页，编辑于2023年，星期六8.3有线前端的构成和工作原理

8.3.1基带物理接口8.3.2同步反转和数据随机化8.3.3RS编码8.3.4卷积交织8.3.5字节到m比特符号的映射变换8.3.6差分编码8.3.7基带成形8.3.8数字信号电平8.3.9数字频道载频位置8.3.10QAM调制器特性要求第八页，共六十八页，编辑于2023年，星期六这里，有线前端即指有线数字电视广播系统中的信道编码和高频调制部分，如图8-3所示，其输入来自本地MPEG-2节目源、分配链路或再复用系统，其输出去往高频有线信道。后面各小节将叙述前端内的数字信号处理流程。第九页，共六十八页，编辑于2023年，星期六图8-3有线前端构成的原理框图第十页，共六十八页，编辑于2023年，星期六图8-3中的第一个方框是基带物理接口，其作用是使传送流的数据结构与信号源格式相匹配。8.3.1基带物理接口第十一页，共六十八页，编辑于2023年，星期六1.同步反转如前面所述，为了标识每个数据帧中第1个数据包的出现，其同步字节以47H的反码47H传输，同步反转（SYNC1反转）即完成此作用，接收端能据此区分数据帧的界限。8.3.2同步反转和数据随机化第十二页，共六十八页，编辑于2023年，星期六数据随机化的实现方法是用一个PRBS（伪随机二进制序列）发生器产生一个PRBS流，与输入数据流的逐个比特进行XOR（异或）运算。2.数据随机化第十三页，共六十八页，编辑于2023年，星期六DVB系统采用的PRBS生成多项式如下：G（x）=1+x14+x15图8-4示明实现式（8-3）的逻辑电路框图。如图8-2（b）所示，实际经过1503字节=12024比特后重新初始化，再与输入数据进行异或运算，依此不断地反复运行。图8-4既是对输入数据实施随机化的电路，也是对已随机化的数据实施去随机化的电路。第十四页，共六十八页，编辑于2023年，星期六图8-4数据随机化与去随机化原理电路第十五页，共六十八页，编辑于2023年，星期六DVB系统中的RS编码是在每188字节后加入16字节的RS码（204，188，t=8），参见图8-5（a）。监督码组的码生成多项式为式中，a=02HEX。本原域生成多项式为8.3.3RS编码第十六页，共六十八页，编辑于2023年，星期六为提供抗突发干扰的能力，在RS编码后采用字节为单元的交织，称为字节交织或卷积交织，交织深度I=12字节。204=17×12。采用基于Forney方法的交织电路，它由以字节为单元的FIFO移位寄存器组成，有0～11共12条支路，如图8-6所示。8.3.4卷积交织第十七页，共六十八页，编辑于2023年，星期六图8-6卷积交织器和去交织器第十八页，共六十八页，编辑于2023年，星期六实际系统中，有线数字电视广播一般采用64QAM调制，如果传输介质性能极好，也可以采用128QAM甚至256QAM调制，在保证必要低的误码率BER值下能使信道传输达到更高的码率，容纳更多的节目数量。相同的频道带宽下，256QAM比之64QAM传输码率可增大一倍。8.3.5字节到m比特符号的映射变换第十九页，共六十八页，编辑于2023年，星期六在第7章7.2.5节中介绍过MQAM调制，并以16QAM为例示明了调制器电路和16QAM星座点与码元间的关系。有线数字电视系统的MQAM调制采用了此种星座图配置方式。为此，需对图8-7中的m比特符号作出差分编码。8.3.6差分编码第二十页，共六十八页，编辑于2023年，星期六如图8-8所示，对于字节到m比特符号变换器的输出，无论m=4～8（对应于16QAM～256QAM）中的哪一整数值，都将它的前两个最高位比特Ak和Bk进行差分编码，得到Ik和Qk，随后在实施QAM调制时IkQk=00，10，11，01决定了星座图中星座点的象限位置。其余的q=m-2个比特形成2q个星座点，在四个象限内各配置一组。第二十一页，共六十八页，编辑于2023年，星期六图8-8QAM调制中两个最高位差分编码第二十二页，共六十八页，编辑于2023年，星期六Ak，Bk生成IkQk的差分编码表如表8-1所示。表8-1Ak，Bk生成Ik，Qk真值表第二十三页，共六十八页，编辑于2023年，星期六具体的差分编码逻辑式依照表8-1可运算出下列式子，这也是图8-3中“差分编码”框内的逻辑电路功能。第二十四页，共六十八页，编辑于2023年，星期六此外，2q个星座点在不同象限内还有不同的位置配置，满足π/2旋转不变性的要求。从图8-9（a）中可见，16QAM的星座图中除去IkQk值确定星座点旋转至所在象限位置外，通过图8-8中的映射电路，后两位比特确定的4个星座点的配置从第1象限到第2象限时相应地自身旋转π/2。图8-9（b）中的32QAM有类似的情况。图8-9（c）、（d）、（e）中的64QAM，128QAM和256QAM有类似的星座图配置。第二十五页，共六十八页，编辑于2023年，星期六图8-916，32，64，128和256QAM调制的星座图第二十六页，共六十八页，编辑于2023年，星期六表8-2给出在16，32和64QAM调制下有线传输中可达到的符号率和它们占用的具体带宽值（MHz）。8.3.7基带成形第二十七页，共六十八页，编辑于2023年，星期六表8-2有线网8MHz内的数据传输参数第二十八页，共六十八页，编辑于2023年，星期六我国的行业标准GY/T170—2001《有线数字电视广播信道编码与调制规范》中对数字已调制信号的射频电平作出规定，将数字QAM调制的功率电平（RMS）相对于模拟VSB调制的功率电平（峰值），设定为-5dB～0dB。8.3.8数字信号电平第二十九页，共六十八页，编辑于2023年，星期六QAM调制采用抑制载波的双边带正交平衡调幅（DSB-SC），故而被调制载波应处于中频频带或高频频道的中央频率位置上，即f0=（fmax+fmin）/2，已调制信号频谱左右对称，能量分布较均匀。8.3.9数字频道载频位置第三十页，共六十八页，编辑于2023年，星期六有线前端构成中，信道编码和字节到m比特符号变换之后的重要电路是QAM调制器，其性能十分影响有线数字电视系统的质量，行业标准GY/T170中给出的QAM调制特性如表8-3所示。8.3.10QAM调制器特性要求第三十一页，共六十八页，编辑于2023年，星期六表8-3QAM调制器特性要求第三十二页，共六十八页，编辑于2023年，星期六8.4有线数字电视接收机8.4.1有线数字电视接收机的构成8.4.2有线数字电视的反向上行传输第三十三页，共六十八页，编辑于2023年，星期六有线数字电视接收机的电路功能是对有线前端信号处理实施逆处理，电路构成如图8-10所示，其整体电路也称为有线IRD（集成接收解码器），输出信号为MPEG-2传送复用包（TS流）和时钟。如果接收端不是一体化的有线数字电视接收机，则IRD实际上做成机顶盒（STB）形式供用户使用。8.4.1有线数字电视接收机的构成第三十四页，共六十八页，编辑于2023年，星期六图8-10有线数字电视接收机构成框图第三十五页，共六十八页，编辑于2023年，星期六有线数字电视广播系统的一大特性和优点是易于实现前端与用户间的双向交互传输，向用户提供方便的视频点播（VOD）、信息查询、电视购物以及上网浏览等功能。数字交互电视系统总体上由有线前端、双向网络和用户终端三大部分构成。8.4.2有线数字电视的反向上行传输第三十六页，共六十八页，编辑于2023年，星期六频率划分方面，上行信道的频段有高分割、中分割和低分割三种方式，高分割的上行频率范围为5MHz～87MHz，中分割为5MHz～65MHz，低分割为5MHz～42MHz。我国采用中分割方式，频段划分标准如表8-4所示。第三十七页，共六十八页，编辑于2023年，星期六表8-4有线电视系统的频段划分第三十八页，共六十八页，编辑于2023年，星期六上行信道调制类型有DQPSK，QPSK或16QAM可选；符号率和对应的-3dB带宽如表8-5所示的数据。表8-5上行信道的符号率和带宽第三十九页，共六十八页，编辑于2023年，星期六实现上行传输除了在机顶盒的电缆调制解调器（CM）中必须有QPSK/QAM调制器硬件外，还必须有符合媒体访问控制（MAC）协议的软件模块。软件系统在上行传输和下行传输中均至关重要。第四十页，共六十八页，编辑于2023年，星期六8.5MPEG-2数据信号接口8.5.1同步并行接口（SPI）8.5.2同步串行接口（SSI）8.5.3异步串行接口（ASI）第四十一页，共六十八页，编辑于2023年，星期六同步并行接口用于在中、短距离内传输数据率可变的MPEG-2TS流，由TS流中的字节时钟实现数据信号同步传输。物理链路采用25芯的同轴电缆，接插件为25针D型超小型连接器，电信号为平衡型输出、输入的低压差分信号（LVDS），图8-11所示为并行传输系统的示意图，其中的12对都是双绞线，另有一根电缆屏蔽线。25针连接器的引脚安排如表8-6所示。8.5.1同步并行接口（SPI）第四十二页，共六十八页，编辑于2023年，星期六图8-11MPEG-2TS流并行传输系统第四十三页，共六十八页，编辑于2023年，星期六表8-625针连接器信号线分配表第四十四页，共六十八页，编辑于2023年，星期六传输数据为188字节或204字节的TS流包，204字节时后面16个字节可以是填充字节或者RS编码纠错字节，如图8-12所示。11个平衡输出和平衡输入的线路驱动器和线路接收器间的连接如图8-13所示，A端电位高于B端电位时代表逻辑“1”，反之为逻辑“0”。第四十五页，共六十八页，编辑于2023年，星期六图8-12SPI的三种TS流包信号格式第四十六页，共六十八页，编辑于2023年，星期六图8-13驱动器与接收器间的连接第四十七页，共六十八页，编辑于2023年，星期六同步串行接口（SSI）是同步并行接口（SPI）的变型，它对SPI的数据流实施并/串转换和进行双相编码后通过单芯线缆（电缆或光缆）向外传输。图8-14所示为使用电缆和光缆为传输线的SSI-C和SSI-D传输链路。8.5.2同步串行接口（SSI）第四十八页，共六十八页，编辑于2023年，星期六图8-14电缆和光缆为传输线的SSI系统第四十九页，共六十八页，编辑于2023年，星期六由图8-14可见，在SSI-C，SSI-O中实现压缩视频或压缩音频的信号处理设备间点对点链接时，其信号链路上信号协议分为第2层、第1层、第0层三层结构。第五十页，共六十八页，编辑于2023年，星期六第2层信号协议以MPEG-2TS流包作为基本信息单元，其中包含数据包同步字节，而数据包格式包括图8-12中的三种格式。1.第2层第五十一页，共六十八页，编辑于2023年，星期六第1层的作用一是借助SYNC1（47H）或SYNC1（47H）（指RS编码的包）识别三种信号格式，二是实现8比特字节的并/串转换（MSB位先传输），三是将NRZ绝对码通过双相编码变换成隐含时钟信息的相对码（类似于演播室）数字分量图像信号比特并行接口转换成比特串行接口时的处理，然后将串行比特流传输至第0层通路上。2.第1层第五十二页，共六十八页，编辑于2023年，星期六第0层为电缆或光缆传输物理层，规定了两种点对点的链接规范。3.第0层第五十三页，共六十八页，编辑于2023年，星期六电缆介质有下列特性：标称阻抗75Ω；单位长度的信号插入损耗随数据率增高而增大，数据率低时容许电缆长度较长，根据电缆的类型不同可达到100m～200m；连接器为BNC型接插头；线路驱动器输出峰-峰电压规定为1V±0.1V。（1）电缆介质第五十四页，共六十八页，编辑于2023年，星期六光缆介质可以是单模光纤或多模光纤，ITU-T规定了光发射器与光接收器之间串行数据传输用光纤的规范：单模光纤规范为ITU-TG.654或G.652；多模光纤为ITU-TG.651；光纤连接器为IEC874-14中的SC型连接器。传输距离可达到几km。（2）光缆介质第五十五页，共六十八页，编辑于2023年，星期六我国广播电视行业标准GY/T130—1998《有线电视用光缆入网条件》中规定，有线电视系统内采用B1类单模光纤，并根据光纤的衰减常数（dB/km）规定A级和B级光纤的两种要求，如表8-7所示。第五十六页，共六十八页，编辑于2023年，星期六表8-7第五十七页，共六十八页，编辑于2023年，星期六异步串行接口（ASI）在实际中应用较普遍，是许多MPEG-2数据流处理设备大多配置的一种接口，它采用像SDI接口一样恒定的传输速率270Mbit/s，但它容许不同设备的原始数据流速率不是270Mbit/s（小于该值），由传输设备填充入专用数据字符（逗号K28.5，0011111010或1100000101）予以补足。ASI接口的传输链路可采用电缆或光缆，并且也分为第2层、第1层和第0层三层，如图8-15所示。8.5.3异步串行接口（ASI）第五十八页，共六十八页，编辑于2023年，星期六图8-15电缆和光缆为传输线的ASI系统第五十九页，共六十八页，编辑于2023年，星期六第2层是ASI接口的输入层，采用MPEG-2TS流数据包作为基本信息单元，TS流包可以是连续字节的数据块（即数据包中无同步字节），也可以是用于填充的专用数据字符K28.5，或者是连续字节和填充字符的任意组合。1.第2层第六十页，共六十八页，编辑于2023年，星期六图8-16数据字节和填充字符传输格式