数字电视传输DVB-S第6章

1、数字电视原理,第六章 数字电视传输,2/98,数字电视传输系统,数字通信系统,信源编码,信道编码,信道解码,信源解码,信源部分,信宿部分,卫星、微波、光纤、同轴电缆、电话线和地面广播,3/98,信源部分组成框图,节目流多路复用,传 输 流 多 路 复 用,4/98,信宿部分组成框图,节目流多路解复用,传 输 流 多 路 解 复 用,5/98,信道部分详图,外码RS纠错编码,外码数据交织,内码卷积交织,内码数字调制,内码数字解调,内码卷积解码,内码卷积解交织,内码卷积编码,外码数据解交织,外码RS纠错解码,外码解能量扩散,传输,发送端,接收端,卫星、微波、光纤、同轴电缆、电话线和地面广播,6/9

2、8,数字电视卫星传输系统,能 量 扩 散,外码RS纠错编码,内码卷积交织,基带整形,内码卷积编码,节目流多路复用,传输流多路复用,QPSK调制,射频功率放大器,(a)发射侧电路框图,射频,I,Q,IF,7/98,数字电视卫星传输系统,解 能 量 扩 散,外码RS纠错解码,内码卷积解交织,内码卷积解码,节目流多路复用,传输流多路复用,QPSK解调,高频调谐器,(b)接收侧电路框图,V,A,数据,8/98,数字电视有线传输系统,能 量 扩 散,RS纠错编码,卷积交织,基带整形,字节到符号的映射,节目流多路复用,传输流多路复用,QAM调制,射频功率放大器,(a)发射侧电路框图,射频,I,Q,IF,I

3、,Q,差分编码,分为16QAM、32QAM、64QAM 三种调制方式,9/98,数字电视有线传输系统,解 能 量 扩 散,RS纠错解码,卷积解交织,节目流多路解复用,传输流多路解复用,QAM解调,高频调谐器,(b)接收侧电路框图,有线电视网数据,V,A,数据,10/98,数字电视地面广播系统,信源编码 采用MPEG-2数字音频、视频压缩编码 COFDM调制方案 内码编码和正交频分多路调制相组合起来的数字调制方式。 2K载波方式和8K载波方式 字母含义 C为编码Code的英文缩写纠错编码 OFD为正交频分使用大量的载波以代替通常用于传送一套节目的单个载波 M为复用多套节目相互交织分布在副载波上

4、载波生成 离散傅里叶反变换（IDFT）,11/98,带有正交频分多路数字调制的数字电视传输系统,能 量 扩 散,外码RS纠错编码,外码交织,内码卷积编码,内码卷积交织,节目流多路复用,传输流多路复用,OFDM调制,射频功率放大,(a)发射侧电路框图,射频,12/98,带有正交频分多路数字调制的数字电视传输系统,解 能 量 扩 散,外码解交织,内码卷积解交织,内码卷积解码,节目流多路复用,传输流多路复用,OFDM解调,高频调谐器,外码解R| S纠错,(b) 接收侧电路框图,13/98,残留边带调制数字电视传输系统,格状编码,多路复用,导频信号插入,VSB调制器,R-S编码器,数据交织器,(a)发

5、射机部分,图像、伴音数据,射频上行转换器,目的是便于接收端恢复载波时钟,14/98,残留边带调制数字电视传输系统,均衡器,相位跟踪器,解码器,数字解交织,接收机,抑制滤波器,图像、伴音数据,R| S解码器,Viterbi,NTSC,同步及定时,(b)接收机部分,15/98,DVB传输系统,DVB标准 以MPEG-2标准为基础，内容涵盖了数字电视广播的各个方面。 DVB传输系统 DVB-S DVB-C DVB-T,16/98,DVB传输系统,数据加扰 数字通信理论中的假设 传输比特流中的“0”和“1”出现概率相同。 TS码经过编码处理后，会出现连续的“0”或“1” 破坏了系统设计的前提 为比特时

6、钟的提取带来了困难。 为了保证任何情况下进入DVB传输系统的数据码流中“0”和“1”的概率基本相等 利用伪随机序列对输入的TS码流进行加扰处理 能量扩散,17/98,DVB传输系统,纠错编码 利用数字信号可以进行数值计算的这一特点，将若干个数字传输信号作为一组，按照某种运算法则进行数值运算，然后将传输信号和运算结果一起传送给接收机 接收机按规定的运算法则对接收的一组传输信号及运算结果进行检查 如符合运算法则，则传输信号中无误码 如不符合运算法则，则传输中有无码 误码数量不超过纠错范围，则纠正误码 反之，将发出一个出错信号给下一级处理系统，通知下一级处理系统传输信号中有误码。,18/98,DVB

7、传输系统,两级纠错的方法 内层纠错编码 卷积码 数据交织 外层纠错编码 R-S码,19/98,DVB传输系统,数据交织 发送端 交织器将信道编码器输出的符号按一定的规律重新排序后输出 接收端 去交织器将接收到的符号序列还原为对应发送端编码器输出序列的排序。,信道,系统采用级联的纠错编码时,信道,20/98,DVB传输系统,数字调制 传输信息的方式 基带传输 由信源直接生成的信号 计算机间的数据传输 调制传输 将基带信号搬移到信道损耗较小的指定的高额处进行传输 基本任务 将不同的节目传输信号搬移到规定的频带上 控制传输效率,21/98,DVB传输系统,数字调制的过程 映射 将多个二进制比特转化为

8、一个多进制符号，这种多进制信号可以是实数信号，也可以是二维的复合信号 调制 调幅 载波信号的振幅随着调制信号的某种特征的变换而变化。例如，0或1分别对应于无载波或有载波输出，电视的图像信号使用调幅 调相 调相即载波的初始相位随着基带数字信号而变化，例如数字信号1对应相位180，数字信号0对应相位0 调频 载波的瞬时频率按调制信号的变化而变，但振幅不变的调制方式,22/98,DVB传输系统,均衡 采用升余弦滚降信号波形 符号间串扰来来自传输信号本身，某个采样点处得符号间串扰来自相邻信号的采样点。 对符号间串扰进行校正的过程称为均衡。 频域均衡模拟通信系统 时域均衡数字通信系统 在时间域内进行 采

9、用有限冲击响应滤波器实现,23/98,DVB传输系统,同步与时钟提取 同步 指接收机在某个系统工作频率上与发射机保持一致，其间的偏差不超出设计的规定。 分类 同步解调 比特和符号同步 传输帧同步 传输数据时将数据分割成具有一定格式的组来传输。,24/98,DVB传输系统,基带接口 负责DVB传输系统与MPEG-2复用/解复用系统之间的适配。因为他们系统接口的信号码型和电平可能有所不同。 信号波形 奈奎斯特第一准则 理想低通信道下的最高码元传输速率2W Baud 中频滤波 滤除信号频带之外的噪声，并实现与射频部分的接口,25/98,DVB-S传输标准,用途 数字卫星广播系统标准 主要规范 发送端

10、的系统结构 信号处理方式 对接收端是开放的,26/98,DVB-S传输标准,结构图,数据,时钟,数据,码率控制,27/98,DVB-S传输标准,基带物理接口与同步 基带物理接口 负责DVB-S传输系统与外部系统间的信号码型、数据格式和通信协议等方面的转换 同步 DVB-S传输系统的时钟与外部系统时间的同步。,28/98,DVB-S传输标准,同步反转与数据加扰 同步 MPEG-2的TS包同步 数据加扰 8个TS包的数据为周期进行，每8个TS包数据加扰后伪随机序列发生器重新进行一次初始化 初始化序列为100101010000000 在每8个TS包中的第一个TS包链接头加入特殊的指示信息以指示解扰器

11、何时对其中的伪随机序列发生器进行初始化。 第一个TS包的同步字节逐比特取反 其他TS包链接头中的同步字节保持不变,29/98,能量扩散,能 量 扩 散,节目流多路复用,传输流多路复用,传输流以固定数据长度组织成数据帧结构,30/98,能量扩散（续1）,固定长度数据帧结构,31/98,能量扩散（续2）,目的 使数字电视信号的能量不过分集中在载频上或“1”、“0”电平相对应的频率上，从而减少对其他通信设备的干扰，并有利于载波恢复 做法 将二进制数据较集中的“0”或“1”按一定的规律使之分散开来 规律由伪随机发生器的生成多项式决定 数据随机化过程也称数据扰码过程 收、发两端同步进行,32/98,能量

12、扩散（续3）,1,0,0,1,0,1,0,1,0,0,0,0,0,0,0,初始序列,00000011,EX-OR,EX-OR,AND,随机/去随机数据输出,去随机/随机数据输入,使能,DVB标准采用的伪随机二进制序列发生器的生成多项式：,33/98,DVB-S传输系统,纠错编码与交织 内、外两层级联编码 中间加一次交织 外层纠错编码 RS(204,188,T=8)码 内层纠错编码 卷积码 卷积交织器 交织深度I=12,34/98,R-S码,外码编码采用R-S（Reed-Solomon，两个人名） 是一种性能优良的分组线性码,能 量 扩 散,节目流多路复用,传输流多路复用,35/98,R-S码（

13、续1）,R-S码的基本参数 输入信息可分为kmbit一组， 码长n=2m-1符号或m(2m-1)bit 信息段 k个符号或bit 纠错能力 t个符号或mt bit 监督段 n-k=2t符号或m(n-k)=2mt bit 最小距离 d=2t+1符号或md=m(2t+1) bit,36/98,R-S码（续2）,R-S码的纠错能力 R-S码同时具有纠正随机与突发差错的能力，且纠突发能力很强 R-S码可纠正的错误图样有 总长度为b1=(t-1)m+1 bit的单个突发 总长度为b2=(t-3)m+3 bit的两个突发 总长度为bi=(t-2i+1)m+2i-1 bit的i个突发,37/98,R-S码（

14、续3）,举例RS(204,188,t=8) 有一组信息，码长n=204字节，其中，信息码元k=188字节，校验码元n-k=16字节 R-S码的码长n、信息码元k和纠错能力t之间应符合如下关系,又因为校验码元n-k=16字节，可得,38/98,数据交织与解交织,纠错编码在实际应用中往往要结合数据交织技术,能 量 扩 散,外码RS纠错编码,节目流多路复用,传输流多路复用,39/98,数据交织和解交织（续1）,突发错误 码元差错成串成群地出现，即在短时间内出现大量误码。一串差错称为一个突发错误。 突发错误总是以差错码元开头，以差错码元结束，并且中间码元差错概率超过某个标准值。 随机错误 码元出现差错

15、与前、后码元是否出现差错无关，每个码元独立地按一定的规律产生差错,40/98,数据交织和解交织（续2）,交织器 是数据顺序随机化 使信道的突发错误分散开来 分类 周期交织 伪随机交织,41/98,数据交织和解交织（续3）,数据交织 通过交织和解交织将一个有记忆的突发信道改造为基本上是无记忆的随机独立差错的信道，然后再用纠随机独立差错的码来纠错 分类 块交织 卷积交织,42/98,块交织,原理 发送端将已编码的数据构成一个m行n列的矩阵，按列写入随机存储器RAM，再按行读出送至接收端 接收端将接收到的信号按行顺序写入RAM，再按列读出。,43/98,块交织（续1）,设发送端待发送的一组信息为,交

16、织存储器为一行列交织矩阵，它按列写入按行读出,44/98,块交织（续2）,交织器法输出并送入突发信道的信息为,设信道产生两个突发错误：第一个产生于A01, A06, A11,A16,A21,连错5位；第二个产生于A03, A08, A13,A18,45/98,块交织（续3）,突发信道输出端的信息为,接收端进入解交织后，送入另一个存储器，也是一个行列交织矩阵，按行写入，按列读出,46/98,块交织（续4）,解交织器的存储器的输出为,由上可见 经过交织矩阵和解交织矩阵后，原来信道中的突发错误，即两个突发5位连错和4位连错变成了随机性的独立差错 见划线部分,47/98,块交织（续5）,块交织的基本性

17、质（分组长度L=MN） 任何长度lM的突发差错，经交织后成为至少被N-1为隔开后的一些单个独立差错 任何长度lM的突发差错，经解交织后，可将长突发差错变换成长度为l1=l/M的短突发差错 在不计信道延时条件下完成交织与解交织变换，将产生2MN个符号的时延，其中发、收端各占一半。 在很特殊的情况下，周期为M的k个单个随机独立差错序列，经交织与解交织后会产生长度为l的突发差错,48/98,卷积交织原理图,发送端交织,接收端交织,M,2M,3M,4M,4M,3M,2M,M,性质与块交织相似 箭头表示的4个开关自上而下往返同步工作 表示能存储M比特的移位寄存器 接收端的寄存器与发送端互补,49/98,

18、卷积交织,设发送端待发送的一组信息为,发送端交织器为码元分组交织矩阵，25个码元分成5行5列，按行输入 当A01输入交织器时，将直通输出至第一行第一列的位置 当A02输入交织器经M=5位延迟后，输出至第二行第二列的位置 当A03输入交织器经2M=25=10位延迟后，输出至第三行第三列的位置,50/98,卷积交织（续1）,若用矩阵表示交织器的输入，因它是按行写入每行5个码元，即,当A04输入交织器经3M=35=15位延迟后，输出至第四行第四列的位置 当A05输入交织器经4M=45=20位延迟后，输出至第五行第五列的位置,51/98,卷积交织（续2）,经过并行N个存储器后,A01,A02,A03,

19、A04,A05,A06,A07,A08,A09,A10,A11,A12,A13,A14,A15,A16,A17,A18,A19,A20,A21,A22,A23,A24,A25,52/98,卷积交织（续3）,按行读出送入信道的码元序列为,在信道仍受到两个突发干扰，第一个为5位，即A01A22A18A14A10；第二个为4为A11A07A03A24。,接收端收到的码元序列为,53/98,卷积交织（续4）,在接收端送入解交织器，解交织器结构与发送端交织器结构互补，且同步运行,输入,输出,4M,3M,2M,M,54/98,卷积交织（续5）,按行读出并送入信道译码器的码序列为,55/98,随机交织,为消

20、除特殊情况下将随机独立差错交织成突发差错的可能性，采用伪随机式的交织，即随机交织 在正式进行交织前，先通过一次伪随机的再排序处理 方法 先将一个符号陆续地写入一个随机存取的RAM 再以伪随机方式将其读出 可以将所需的伪随机排列方式存入只读存储器，并按它的顺序从交织器的存储器中读出,56/98,数字电视中的实际交织电路,突发长度 脉冲长度 块交织器 (n2,n1)同步交织器 在该交织器输出上的任何一个长度为n2数据串中不包含交织前原来数据序列中相距小于n1(交织分支数)的任何两个数据。 D为编码延时，S和Su为交织器和解交织器的存储容量,57/98,美国大联盟方案中的交织器,1,2,3,51,(

21、B=)52,交织器输入,交织器输出,M(4字节),2M,(B-2)M,(B-1)M,n2=208,n1=52 的交织器 它的任何一个长度为208的输出数据串中，不包含输入数据序列中相距小于52的任何两个数据。,58/98,美国大联盟方案中的解交织器,52,解交织器输入,解交织器输出,51,M(4字节),50,2M,1,(B-1)M,2,(B-2)M,D=10608B，S=Su=5304B。 R-S(208B,188B)能纠正10B错误，与交织器向结合，可以纠正5210=520B的突发错误长度,59/98,欧洲DVB标准使用的卷积交织器,1,2,11,0,采用深度I=12的卷积交织 同步字节和倒

22、相始终被送入交织器的分支“0”中 D=2244B,S=Su=17(1+11) 11/2=1122B,60/98,欧洲DVB标准使用的卷积解交织器,9,10,11,0,因为R-S(204B,188B)能纠正8B错误 所以，与交织器相结合可纠正长度为128=96B的 突发错误长度。,61/98,格状编码调制,外码RS纠错编码,外码数据交织,内码卷积交织,内码卷积编码,内信道编码 卷积编码格状编码 经过卷积编码后，原来无关的数字符号序列前后一定间隔内有了相关性 应用这种相关性，根据前后关系码符来解码。 编码与调制相结合,62/98,卷积编码,卷积编码是1955年提出的。 用卷积这种运算来表达的 卷积

23、码是有记编码，它有记忆系统 对于任意给定的时段，其编码的n个输出不仅与该时段k个输入有关 而且还与该编码中存储的前m个输入有关,63/98,卷积编码器,卷积码(n,k,m) k表示输入信息码位数 n表示编成的卷积码位数 图示的这种卷积码，k=1，n=2 卷积码（2，1，3） r=k/n称为信息率,+,64/98,（2，1，3）卷积编码器,卷积码(2,1,3) 把j时刻输入信息码记为x1(j) M1，M2为移位寄存器 M1=x1(j-1) M2=x1(j-2) j时刻编成的码为,+,65/98,（2，1，3）卷积编码器,式中： 是模2和的累加 m-1是编码器存储单元数 m称为约束,66/98,存

24、储单元的状态转移图,M2 、M1可组成4个状态（00,01,10,11），用顶点（a,b,c,d）来表示 状态转移用弧线表示，并标注编码关系,a,b,c,d,1-10,0-00,1-01,0-10,0-11,1-11,0-01,1-00,67/98,格状图,M2、M1状态,a,b,c,d,1-01,1-10,1-10,1-10,1-10,1-10,0-00,0-00,0-00,0-00,0-00,1-01,1-01,0-11,0-11,0-11,1-11,1-11,1-11,1-11,0-01,0-01,0-01,0-01,0-10,1-00,1-00,0-10,0-10,1-00,68/98

25、,格状图分析,卷积编码形成了码序列之间的相关性，反映在格状图上成为格状图上的路径 有些直接路径不会生成 ac、 ad、 ba、 bb、 cc、 cd、 da、 cb的转移 所以，接收时只要考虑格状图上有的路径,69/98,似然路径,接收端也要有和发送端相同的编码器 用来产生格状图上的路径 以便从中寻找出沿着一条路径发展的编码y1y0序列和收到码序列相同或差别最小的。 以此作为最可能的路径，并按每x1y1y0关系逆推出x1序列作为发送的码序列。 这条找到的路径称之为似然路径。 从格状图中找出似然路径的方法 Viterbi算法,70/98,汉明距离,信息论 两个等长字符串之间的汉明距离是两个字符串

26、对应位置的不同字符的个数。 它就是将一个字符串变换成另外一个字符串所需要替换的字符个数。 概念 比较收到的码和路径发展编成码之间或路径与路径之间的一种距离测距 码序列ui和vi作比较，即 dH=|ui-vi|,71/98,4状态卷积编码器,卷积码(2,1,3) 把j时刻输入信息码记为x(j) M1、M2为移位寄存器 M1=x1(j-1) M2=x1(j-2) j时刻编成的码为,72/98,4状态卷积编码的状态转移格状图,M2M1,a,b,c,d,73/98,分析,卷积编码器的输出除了与输入的信息比特相关外，还与寄存器中所存储的信息有关。 随着时间的推移，编码器的状态就不断地从一个状态转移到另一

27、个状态。 从而在状态图上“走出一条路径”，同时编码器输出相应的编码信号,74/98,维特比算法的基本原理,译码准则 比较接收序列与可能的码序列之间的距离，取与接收序列具有较小距离的码序列作为判决序列 在相应的状态转移格状图上，这一码序列称为具有最短路径（距离）。,75/98,维特比算法的基本原理,译码的关键 在状态转移格状图上，若从状态S0到状态SL的最短路径用P来表示，它经过格状图中的某一中间状态Sk时的路径以Pk表示，则Pk必是从状态S0到状态Sk时的最短路径,S0,S1,S2,S3,76/98,解调器的软、硬判决,硬判决 当调制器输入和解调器输出到译码器的信号均为二元信号，我们称解调器为硬判决 译码器中信号之间的距离用汉明距离来表示 软判决 解调器的输出不是二元信号，而是多值信号时，我们称解调器为软判决 译码器中信号之间的差别用欧式距离来表示,77/98,硬判决维特比译码过程,假设编码器的初始状态为全零态(S0) 输入的信息序列为u=1011100,78/9