数字电视C9PowerPointTemplat课件

数字电视C9ppt-PowerPointTemplat2024/5/13数字电视C9pptPowerPointTemplat课程安排1数字电视概述电视技术的发展历程模拟电视原理数字电视的发展2数字电视基本原理视频压缩原理MPEG-2视频编码及测量MPEG-2音频编码及测量MPEG-2系统及其测量数字调制基础数字电视的纠错编码原理3数字电视相关标准DVB-S标准及相关测量DVB-C标准及相关测量OFDM技术DVB-T标准及相关测量ATSC和ISDB-T标准及其测量我国的数字电视标准数字电视原理与应用2数字电视C9pptPowerPointTemplat数字电视相关标准DVB-S标准及相关测量技术——第13,14章DVB-C标准及相关测量技术——第15,17章OFDM技术——第18章DVB-T标准及相关测量技术——第19,20章ATSC和ISDB-T标准及其测量——第21,22,23章我国的数字电视标准——补充数字电视原理与应用3数字电视C9pptPowerPointTemplat由于使用简单且价格便宜，目前卫星模拟电视应用广泛。在欧洲，一套简单的卫星接收系统包括卫星天线、LNB和接收器不到100欧元，而且没有后续费用。因此通过已有的卫星传输方式来传输DTV信号非常重要。DVB-S标准数字电视原理与应用4数字电视C9pptPowerPointTemplat每个通讯卫星都位于赤道上空约36,000km的对地静止轨道中，即同步卫星。在距地面约36,000km的固定距离，只有一个精确的轨道位置，使得卫星的离心力和地球引力相抵消。然而不同卫星可以位于不同经度：例如澳星位于西经19.2°由于卫星都位于赤道上空，北半球所有的卫星接收天线都指向南方，而南半球的天线都指向北方。DVB-S标准数字电视原理与应用5数字电视C9pptPowerPointTemplatDVB-S标准同步卫星轨道数据的计算关系：卫星围绕地球的速度为每天一圈，因此离心力F1为：图13.1同步卫星的离心力EarthrsatelliteF1ω数字电视原理与应用6数字电视C9pptPowerPointTemplatDVB-S标准同步卫星轨道数据的计算关系：由于其轨道高度，卫星还受到地球引力F2的吸引：图13.2同步卫星的向心力EarthrsatelliteF2数字电视原理与应用7数字电视C9pptPowerPointTemplatDVB-S标准离心力和向心力必须保持平衡，由此可以确定出同步卫星的轨道：平衡状态：离心力F1＝向心力F2图13.3二力平衡EarthsatelliteF1F2数字电视原理与应用8数字电视C9pptPowerPointTemplat原理上，可以用相同卫星系统传输模拟和数字电视信号。然而欧洲的数字信号采用不同频段，以前的卫星频段仍传输模拟电视信号。欧洲约有100套卫星电视节目既可以接收模拟信号也可以接收数字信号，而且多数都完全免费。DVB-S与DVB-T采用相同的误码保护算法，只是DVB-T的调制方法更精细。DVB-S的定义：ETSI标准ETS300421,1994年：Digitalbroadcastingsystemsfortelevision,soundanddataservices;Framingstructure,channelcodingandmodulationfor11/12GHzsatelliteservicesDVB-S标准数字电视原理与应用9数字电视C9pptPowerPointTemplatDVB-S标准及相关测量技术1.DVB-S系统参数

2.DVB-S调制器3.DVB-S接收机4.影响卫星传输的因素5.DVB-S测量技术数字电视原理与应用10数字电视C9pptPowerPointTemplatQPSK调制:1、DVB-S系统参数图13.4QPSK00100111曾经考虑采用8-PSK替代QPSK来增加数据率。原理上卫星传输需要采用抗噪能力强，且能抵抗严重非线性干扰的调制方法。由于卫星和接收天线间36,000km的远距离，卫星传输受到由自由空间衰减（约205dB）造成的严重噪声影响。卫星发射机应答器中的有源元件是行波电子管放大器TWA，其调制特性具有严重非线性。这种非线性不能被补偿，因为它与能量效率降低相关。数字电视原理与应用11数字电视C9pptPowerPointTemplatQPSK调制:白天由太阳能电池为卫星的电子器件和蓄电池供电，晚上完全由蓄电池供电。如果非线性很严重，则调制信号的幅度中不能含有有用信息。QPSK和8-PSK的信息都只在相位中。同样，模拟电视卫星传输也用调频制替代调幅制。1、DVB-S系统参数数字电视原理与应用12数字电视C9pptPowerPointTemplat广播卫星的一路信道通常带宽为26～36MHz上行链路14～19GHz下行链路11～13GHz符号速率的选取必须使得频谱小于发射机带宽，通常选择符号速率为27.5MS/s，QPSK每个符号传输2bits，因此总码率为55Mbit/s：总码率＝2bits/symbol*27.5Megasymbols/s=55Mbit/s1、DVB-S系统参数数字电视原理与应用13数字电视C9pptPowerPointTemplatMPEG-2TS流必须先进行误码保护再送入调制器，得到QPSK调制信号再传输到卫星。DVB-S采用两种误码保护机制：Reed-Solomon分组码卷积码1、DVB-S系统参数数字电视原理与应用14数字电视C9pptPowerPointTemplatReed-Solomon分组码数据被打包成固定长度，然后附加一个特定长度的特殊校验和。如音频CD校验和不仅可以检测出误码，还可以纠正一定数量的误码。能纠正的误码数是校验和长度的函数。可修复的错误数通常是误码保护字节数（校验和）的一半。1、DVB-S系统参数数字电视原理与应用15数字电视C9pptPowerPointTemplatReed-Solomon分组码MPEG-2TS包长188bytes，在DVB-S中通过RS保护，可扩展到204bytes，即RS(204，188)。在接收端，只要误码数不超过8个（与误码的位置无关），都可以得到纠正；如果误码数多于8个，则只能检测到而不能纠正了。遇到不能纠错的情况就要在TS包头由传输误码指示器注明该包有错，MPEG-2会将该包抛弃。RS误码保护会使数据速率降低：net_data_rateRS=gross_data_rate×188/204=50.69Mb/s1、DVB-S系统参数数字电视原理与应用16数字电视C9pptPowerPointTemplat卷积码（网格码trelliscode）：仅有RS保护是不够的，因此在RS编码后加入卷积码作进一步保护。这使数据流进一步扩展，该扩展可通过码率来控制：code_rate=input_data_rate/output_data_rateDVB-S可选的卷积码码率有1/2，3/4，2/3，……，7/8。码率越小，保护能力越强，但数据速率越大，反之亦然。1、DVB-S系统参数数字电视原理与应用17数字电视C9pptPowerPointTemplat卷积码（网格码trelliscode）：码率为1/2，则数据流将扩展一倍。此时的误码保护能力最强，但净数据速率最小。码率为7/8时，可以提供最小的数据开销但是误码保护能力也最小。通常对码率和数据速率的折中，是选择码率3/4。此时，DVB-S的净数据速率为net_data_rateDVB-S¾=code_rate×net_data_rateRS=3/4×50.69Mb/s=38.01Mb/s1、DVB-S系统参数数字电视原理与应用18数字电视C9pptPowerPointTemplatDVB-S标准及相关测量技术1.DVB-S系统参数

2.DVB-S调制器3.DVB-S接收机4.影响卫星传输的因素5.DVB-S测量技术数字电视原理与应用19数字电视C9pptPowerPointTemplat2、DVB-S调制器数字电视原理与应用20数字电视C9pptPowerPointTemplatBlock1——基带接口用于与MPEG-2传输流的同步MPEG-2的包长为188B，其中包头4B，负荷184B包头以同步字节(常数0x47，同步周期为188B）开始。在基带接口中，信号与0x47同步。同步发生在5个包内，所有的时钟信号都由此而来。2、DVB-S调制器数字电视原理与应用21数字电视C9pptPowerPointTemplat2、DVB-S调制器Block2——同步反转每8个同步字节的第一个字节反转，即0x47变为0xB8，其它7个字节不变。数字电视原理与应用22数字电视C9pptPowerPointTemplatBlock3——能量分散单元使用这种同步字节反转，需要将额外的时间戳插入到数据信号中，这些数据信号相对于传输流结构(一个包)，这8个包的数据信号是长时间戳。该时间戳用于发送和接收端能量分散单元的重新设置。因为相对长的0/1序列有可能纯粹偶然的发生在一个数据信号中，这是我们不想发生的情况，因为其中不包含任何时钟信息或者会引起某特定周期内出现离散频谱线。要杜绝这种情况，实际每种数字传输方法都在真正调制前进行能量分散。2、DVB-S调制器数字电视原理与应用23数字电视C9pptPowerPointTemplat2、DVB-S调制器Block3——能量分散单元数字电视原理与应用24数字电视C9pptPowerPointTemplatBlock3——能量分散单元通过以预定义的方式反复重启一个伪随机比特序列实现能量分散。DVB-S中每遇到一个同步字节反转，就重启一次。数据流域伪随机序列进行异或，来分散连续的0/1。在接收端再进行同样的处理，可以恢复原数据。要求收发端的两个移位寄存器必须完全同步而且同步字节反转模块中的8个包长的序列也要同步。只有这样同步才有可能，因为同步字节和反转同步字节是直接传输的，没有与伪随机比特序列混合。2、DVB-S调制器数字电视原理与应用25数字电视C9pptPowerPointTemplat2、DVB-S调制器Block4——外码编码器(RS码)数字电视原理与应用26数字电视C9pptPowerPointTemplatBlock4——外码编码器(RS码)这里采用了RS(204,188)。因此只能纠正最多8个误码。如果误码多于8个，则有解调器中的传输误码指示器对相应的包头设置错误标记。2、DVB-S调制器数字电视原理与应用27数字电视C9pptPowerPointTemplat2、DVB-S调制器Block5——交织器对于突发误码，RS码是无能为力的，因此RS编码后需要对数据进行交织，并在接收端进行反交织，从而使原突发误码分散开来，提高纠错能力而不会增加数据开销。数字电视原理与应用28数字电视C9pptPowerPointTemplat2、DVB-S调制器DVB-S中采用Forney交织器数字电视原理与应用29数字电视C9pptPowerPointTemplatForney交织器：它有两个旋转开关和一些移位寄存器组成。最大交织深度为11个包长。这保证了数据是被打乱的，即尽可能的不呈现系统形式。同步字节和反转的同步字节总是能准确地沿着特定的路径。这就意味着开关的旋转速度恰好是包长的倍数。交织器和反交织器与MPEG-2的传输流是同步的。2、DVB-S调制器数字电视原理与应用30数字电视C9pptPowerPointTemplat2、DVB-S调制器Block6——内码编码器(卷积码/网格码)数字电视原理与应用31数字电视C9pptPowerPointTemplatBlock6——内码编码器(卷积码/网格码)卷积编码器的结构相对较简单，但是不太容易理解。这里采用了6段式结构，有两个信号路径，输入信号与移位寄存器的内容在某些节拍点进行异或。输入数据流兵分三路，数据首先进入移位寄存器，并跨越6个时钟周期，其中的值将会影响上下两路数据流。这相当于把一个比特的信息分散到6个比特上，并在某节拍点与上部或下部的数据流混合，得到两路输出。2、DVB-S调制器数字电视原理与应用32数字电视C9pptPowerPointTemplat2、DVB-S调制器卷积编码工作原理：在DVB-S和DVB-T中，采用了六段式移位寄存器，并在上部和下部有两个4节拍信号路径。直接分析这个卷积码编码器比较难，因为有64个记忆状态。这里研究一个简单的4状态卷积码编码器(码率为1/2)数字电视原理与应用33数字电视C9pptPowerPointTemplat2、DVB-S调制器通过Fig.13.13依次将0、1输入移位寄存器来了解寄存器的状态和异或后输出的结果。数字电视原理与应用34数字电视C9pptPowerPointTemplat2、DVB-S调制器数字电视原理与应用35数字电视C9pptPowerPointTemplat2、DVB-S调制器状态转移图:表示在某一时刻输入，输出以及移位寄存器的状态之间的关系。数字电视原理与应用36数字电视C9pptPowerPointTemplat2、DVB-S调制器状态转移图：如果要描述各不同时刻它们之间的关系，需要用到网格图。数字电视原理与应用37数字电视C9pptPowerPointTemplat2、DVB-S调制器状态转移图：在网格图中，只能沿着某些路径或分支前进，并不是所有的路径都可以通过。这就好比在某些国家或地区，他们沿着墙搭成网格来种植植物(比如葡萄)，这些植物被迫沿着网格墙生长。但是，某天天气比较坏，把其中的一个格点给破坏了。这时，其它存在的格点会根据原有的格式来修复这个格点。这正如数据流中噪声把数据流给破坏了，但是由于数据沿着网格前进的模式是已知的，可以很大的概率由重建路径将比特错误纠正。这就是Viterbi解码器，实际上也就是卷积码的解码器。数字电视原理与应用38数字电视C9pptPowerPointTemplat2、DVB-S调制器状态转移图：卷积编码后的数据速率将发生变化，比如原来的速率是10Mb/s，现在用1/2码率的卷积编码后速率变为20Mb/s，实际就是两部分输出流共承担了100%的开销，也就是误码保护。实际得到的净数据速率也降低了。数字电视原理与应用39数字电视C9pptPowerPointTemplat2、DVB-S调制器删余：数据开销可以通过删余（puncturing）的方式减少，从而可以降低数据速率。通过删余可以使码率在1/2到7/8之间进行变换。在DVB-S和DVB-T中，删余是完全一样的。数字电视原理与应用40数字电视C9pptPowerPointTemplat2、DVB-S调制器DVB-SModulator：删余后形成的数据流映射到QPSK星座图上。映射后的数据通过数字滤波器，从而使频谱可以向相邻的信道缓慢地滚降。数字电视原理与应用41数字电视C9pptPowerPointTemplat2、DVB-S调制器DVB-SModulator：映射后的数据通过数字滤波器，从而使频谱可以向相邻的信道缓慢地滚降。这就限制了信号的带宽同时优化了数据信号的眼图。在DVB-S中，滚降滤波器的滚降因子为r=0.35。滚降因子描述了滚降滤波器的倾斜坡度，定义为r=Δf/BN。数字电视原理与应用42数字电视C9pptPowerPointTemplat2、DVB-S调制器DVB-SModulator：滚降滤波后，信号通过QPSK方式进行调制，并调制到实际的卫星射频上，通过功率放大后传到卫星天线，如此上传到14~17GHz的卫星频段。对地静止的广播卫星，接收来自上行基站的DVB-S信号并对其进行带通滤波。由于上行距离为36000km的自由空间，将造成200dB的能量损失。在卫星中，DVB-S信号被转换成11~13GHz频段内的下行频率，并通过TWA放大（TravelingWavetubeAmplifier）。这些放大器是高度非线性的，实际上由于卫星中的功率预算也不可能纠正。数字电视原理与应用43数字电视C9pptPowerPointTemplat2、DVB-S调制器DVB-SModulator：白天，卫星通过太阳能供电，这些能量可以保存在电池中用于卫星的夜间供电。信号返回地面以前也必须进行带限滤波，同样由于返回过程中的能量损耗，要求卫星的发送天线具有很高的增益，发送功率高达100W。卫星信号的信号处理单元叫转发器。上下行传输都要进行极化，即有水平极化和垂直极化信道。通过极化可以增加可用的信道。数字电视原理与应用44数字电视C9pptPowerPointTemplatDVB-S标准及相关测量技术1.DVB-S系统参数

2.DVB-S调制器3.DVB-S接收机4.影响卫星传输的因素5.DVB-S测量技术数字电视原理与应用45数字电视C9pptPowerPointTemplat3、DVB-S接收机接收系统：数字电视原理与应用46数字电视C9pptPowerPointTemplat3、DVB-S接收机接收系统：从卫星发出的DVB-S信号，穿过近36000km的自由空间，造成200dB的衰减，由于大气条件造成的功率减少，最终到达了卫星接收天线并集中在天线盘的焦点。在这个准确焦点上固定着低噪模块(lownoiseblock)。数字电视原理与应用47数字电视C9pptPowerPointTemplat3、DVB-S接收机接收系统：在这个准确地焦点上固定着低噪模块(lownoiseblock)。LNB中有一个带有监测器的波导，水平和垂直极化方向上各一个。根据选择的极化平面不同，来自水平检测器和垂直检测器的信号不断变换。LNB的供给电压(14/18V)的幅度决定选择哪个极化平面。然后接收信号通过低噪砷化镓放大器放大，又被下移到第一个卫星中介频段，即950……2050MHz。数字电视原理与应用48数字电视C9pptPowerPointTemplat3、DVB-S接收机接收系统：现代通用的LNB包含两个振荡器，其频率分别为9.75GHz和10.6GHz。DVB-S信道通常使用上部频带（采用10.6GHz振荡器），其中10.6GHz的振荡器适合接收数字电视。接收信号下移时到底与9.75GHz还是10.6GHz混频依赖于卫星信道在卫星频段的高端还是低端。LNB通过一个22kHz的交换电压来选择使用9.75GHz还是10.6GHz。数字电视原理与应用49数字电视C9pptPowerPointTemplat3、DVB-S接收机DVB-S的机顶盒(解码器)：数字电视原理与应用50数字电视C9pptPowerPointTemplat3、DVB-S接收机DVB-S的机顶盒(解码器)：在机顶盒中，信号下移到第二个卫星中介频段。这次频率下移是通过IQ混合器来完成的，IQ的输入就是由载波恢复电路控制的一个振荡器。IQ变换以后，模拟的I和Q信号就可以使用了。I和Q信号再通过A/D变换，然后进入匹配滤波器与发送端对等的滚降系数为0.35的滚降滤波器。数字电视原理与应用51数字电视C9pptPowerPointTemplat3、DVB-S接收机DVB-S的机顶盒(解码器)：之后，载波、时钟恢复电路和反映射就流出了数据流。从反映射器出来的数据流首先通过Viterbi解码器，进行第一次纠错，此时，解码器必须知道所用的码率。接下来的去交织，可以将Viterbi解码不能纠正的突发误码变成单个的随机误码。然后由RS(204,188)解码来纠正最多8个误码。如果还有不能纠正的误码，则该传输包的包头中的传输误码指示器被置为1，MPEG-2解码器不会采用这个传输包，这就需要误码隐藏技术来隐藏这个被“丢弃”包。数字电视原理与应用52数字电视C9pptPowerPointTemplat3、DVB-S接收机DVB-S的机顶盒(解码器)：RS解码后，能量分散被去除，同步字节的反转也被取消。在这个过程中，能量分散单元与同步字节反转的8个包的序列同步。信号通过基带接口以后，得到MPEG-2传输流，它们可以通过MPEG-2解码器解码。当前，A/D转换器之后的整个DVB-S解码器完全集成在一个芯片上，这个芯片又集成在卫星天线的调谐器上，调谐器由集成控制总线控制，以来自LNB的信号作为F连接器输入，并行的传输流作为输出。数字电视原理与应用53数字电视C9pptPowerPointTemplatDVB-S标准及相关测量技术1.DVB-S系统参数

2.DVB-S调制器3.DVB-S接收机4.影响卫星传输的因素5.DVB-S测量技术数字电视原理与应用54数字电视C9pptPowerPointTemplat4、影响卫星传输的因素该部分主要是卫星传输连接中所受到的影响，实际上这些影响主要限于噪声。数字电视原理与应用55数字电视C9pptPowerPointTemplat4、影响卫星传输的因素首先从调制器开始。假设在IQ调制器之前信号没有受到任何影响。IQ调制器对I信号和Q信号具有不同的增益，分别为90度移相器中相位误差和载波抑制的丢失。这部分电路中也会有噪声和相位抖动。然而这些问题是可以忽略的，因为QPSK调制是高低不平的，而且它们也没有达到明显影响信号质量的程度。卫星中的滑动波放大器(TWA)会产生严重的非线性，但实际上这也不重要。但在上下行36000km的自由空间传输中，信号却遭受了高达200dB的衰减，这里的强加给信号的噪声干扰是最值得研究的，这些噪声就是加性高斯白噪声(AWGN)。数字电视原理与应用56数字电视C9pptPowerPointTemplat4、影响卫星传输的因素下面给出的就是信号下行传输过程中经受的衰减以及最后的噪声干扰效果。载噪比(C/N)：信号衰减与噪声影响发送功率(如Astra1F):卫星各向同性辐射功率(EIRP)52dBW自由空间衰减：205.7dB天线增益：37dB接收到的功率C：-117.7dBW在接收机中的噪声功率N：-127.7dBW载噪比=C－N=10dB数字电视原理与应用57数字电视C9pptPowerPointTemplat4、影响卫星传输的因素下图表示了最小C/N与码率的关系。另外给出了Viterbi解码之前，Viterbi解码之后但RS解码之前，以及RS解码之后的比特误码率。数字电视原理与应用58数字电视C9pptPowerPointTemplat4、影响卫星传输的因素通常使用的码率为3/4。在最小C/N=6.8dB时：得到Viterbi解码之前的比特误码率为3E-2Viterbi解码之后的比特误码率为2E-4RS解码之后的比特误码率为1E-11这相当于一个小时中只出现了一个误码，把这个误码率定义为近似无误码。同时这些条件也是临界条件，也就是如果噪声稍微多一点，传输就会完全崩溃。在上面给出的C/N的计算的例子中，对于3/4的码率，卫星传输还有大约3.2dB的空余。数字电视原理与应用59数字电视C9pptPowerPointTemplat4、影响卫星传输的因素信道的比特误码率，也就是Viterbi解码之前的比特误码率，与S/N之间的精确关系如图。（这里S/N约等于C/N）数字电视原理与应用60数字电视C9pptPowerPointTemplatDVB-S标准及相关测量技术1.DVB-S系统参数

2.DVB-S调制器3.DVB-S接收机4.影响卫星传输的因素5.DVB-S测量技术数字电视原理与应用61数字电视C9pptPowerPointTemplat5、DVB-S测量技术卫星传输系统具有不规则性，受限于：噪声效应微波连接中存在的辐射在DVB-S信号传输中重点考察的几个参数：信号值载噪比比特误码率SHOULDERATTENUATION数字电视原理与应用62数字电视C9pptPowerPointTemplat5、DVB-S测量技术DVB-S测量技术：没有专用于DVB-S的专用测试工具利用以下工具间接进行DVB-S信号测试：现代频谱分析仪带BER测量功能的DVB-S专业接收机带set-topbox和IDTV功能的DVB-S测试发射机数字电视原理与应用63数字电视C9pptPowerPointTemplat5、DVB-S测量技术测量比特误码率(BER)：由于内部和外部误码保护，存在着三种比特误码率：Viterbi解码前的比特误码率RS解码前的比特误码率RS解码后的比特误码率数字电视原理与应用64数字电视C9pptPowerPointTemplat5、DVB-S测量技术BER测量方法：数字电视原理与应用65数字电视C9pptPowerPointTemplat5、DVB-S测量技术BER测量方法：采用输出信号经过Viterbi解码和传统解码后的结果与输出信号数据流对比，求其差值，即为差错码数目BER＝biterrors/transmittedbits即比特误码率＝比特差错数/传输比特数一般Viterbi编码前BER范围约为1E-9～1E-2数字电视原理与应用66数字电视C9pptPowerPointTemplat5、DVB-S测量技术Viterbi解码仅能纠正部分差错，引入RS编解码方法进一步纠正差错RS编解码也仅能纠正部分差错，引入在传输数据流中相应的标志位的方法，留在RS编解码后进一部纠正差错可利用BER推出C/N数字电视原理与应用67数字电视C9pptPowerPointTemplat5、DVB-S测量技术利用频谱分析仪测试DVB-S：频谱分析仪可用于测量DVB-S信道（至少是上行信道）的能量。信号平坦（上行信号）可直接利用频谱分析仪测量信号。信号不平坦（下行信号）间接利用频谱分析仪测量信号。数字电视原理与应用68数字电视C9pptPowerPointTemplat5、DVB-S测量技术测试设备：中心频率设置为DVB-S信道中心频率跨度为100MHzResolutionbandwidth为2MHz视频带宽为10MHz检测器置于RMS扫描时间选择慢扫描，约为2000ms数字电视原理与应用69数字电视C9pptPowerPointTemplat5、DVB-S测量技术信道能量的近似确定：C=C’+10logBN =C’+10log(symbolrate/Hz) [dBm] 其中： C 信号能量 C’ 信号能量密度 BN Nyquist带宽例如： C’＝-100dBm/Hz Rs＝27.5MS/s C＝-25.6dBm数字电视原理与应用70数字电视C9pptPowerPointTemplat5、DVB-S测量技术噪声能量的近似确定：N=N’+10logBk