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7 7 第第第第第第第第第第第第第第7.1 7.1 ATSC ATSC 数数数数数数数数数数7.2 DVB 第第第第第第第7.3 ISDB-T 第第第第第

第7章 数字视频广播系统

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第7章 数字视频广播系统. 7.1 ATSC 数字电视系统 7.2 DVB 数字视频广播系统 7.3 ISDB-T 数字电视系统. 7.1 ATSC 数字电视系统. 美国的 ATSC 数字电视标准是为其国内的全数字化 HDTV 地面广播研究开发的一种标准,1988年由 FCC ( 美国联邦通信委员会)提出设想,历经多年,于1996年正式批准为系统标准,名称为“ ATSC 数字电视标准”。. - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: 第7章  数字视频广播系统

第第 77 章 数字视频广播系章 数字视频广播系统统

7.1 7.1 ATSCATSC 数字电视系统数字电视系统

7.2 DVB数字视频广播系统

7.3 ISDB-T数字电视系统

Page 2: 第7章  数字视频广播系统

7.1 7.1 ATSCATSC 数字电视系统数字电视系统美国的 ATSC 数字电视标准是为其国内的

全数字化 HDTV 地面广播研究开发的一种标准,1988 年由 FCC( 美国联邦通信委员会 ) 提出设想,历经多年,于 1996 年正式批准为系统标准,名称为“ ATSC 数字电视标准”。

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标准扩展了 ATSC 的适用范围,使其不仅应用于 HDTV 高清晰度电视中,也包括了 SDTV 标准清晰度电视和计算机图形格式等的参数规范。 ATSC 是美国“先进电视制式委员会”组织机构的名称缩写,它制定的包括 SDTV 和 HDTV 的标准也可以并称为 ATV( 先进电视 ) 或 DTV( 数字电视 ) 的地面广播标准。实际上, ATSC 标准中容许 18 种图像源格式的存在。

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7.1.1 7.1.1 ATSCATSC 的图像源格式的图像源格式ATSC 标准中规定了可以采用的 18 种数

字图像源格式,包括一帧图像的像素数和扫描方式。7.1.2 7.1.2 ATSCATSC 的系统复用的系统复用

ATSC 的 信 道 编 码 器 其 输 入 是 传 送 流(TS) 数据, TS 流形成过程如图 7-1 所示,从左到右分为应用层、压缩层、传送层和传输层4 层,传送层的输出即为传送流 TS 。

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图 7-1 传送流 TS 的形成

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应用层 (Application Layer) 是演播室内根据规定的视音频标准原始产生的、未压缩的视音频数据流,例如视频是 SDI 或 HD-SDI 数据流,音频是立体声或环绕声的数据流。

压缩层 (Compression Layer) 中根据规定的信源编码标准将输入的数据流予以码率压缩,产生出视频基本流 (Video Elementary Strenam , VES) 和音频基本流 (AES) 。

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视频基本流由像块、宏块、像条、图像( 帧 ) 、 GOP( 图像组 ) 和序列等 6 个层次构成。

传送层 (Transport Layer) 中将 ES 打包,形成打包基本流 (PES) ,并实现视音频 PES 的复用,组成复用的节目流 (PS MUX) 、传送流(TS MUX) 。

传输层 (Transmission Layer) 内包含信道编码和载波调制,其输出是调制在中频上的数字已调波,馈送至上变频器,经高功放级后由天线发射。

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7.1.3 7.1.3 ATSCATSC 信道编码与调制系统信道编码与调制系统

ATSC 信道编码与调制流程框图如图7-2 所示,下面分步骤予以说明。

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图 7-2ATSC 信道编码与调制框图

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11 .数据随机化.数据随机化数据随机化的目的是打碎 TS 流包中可能

出现的长“ 1” 、长“ 0” ,避免信号在低频段频谱上有大的能量,不适应信道的传输特性。22 .. RSRS 编码编码

RS 编码即里德-索罗门编码,它是以字节为单位进行前向误码校正 (FEC) 的纠错编码方法,具有强的随机误码和突发误码校正能力。

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33 .数据交织.数据交织由图 7-2 可见, RS 编码之后是数据交

织,数据交织是在不附加纠错码字的前提下用改变数据码字 ( 以比特或字节为单元 )传输顺序的方法来提高接收端去交织解码时的抗突发误码能力。传输过程中引入的突发误码 ( 连续的若干比特或若干字节的误码 ) ,经去交织解码而恢复成原顺序时将分散开,使后面的 RS 解码更有能力予以纠正。

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44 .格栅编码.格栅编码信道编码中,为了充分提高抗误码的

纠错能力,通常采用两次附加纠错码的FEC 编码。

格栅编码是 1982 年由 Ungenboeck 提出的,它将卷积编码与调制技术结合一起,可在不增加信道带宽和不降低信息速率的情况下获得 3~ 4dB 的编码功率增益。

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55 .格栅编码交织器.格栅编码交织器原理上,图 7-2 中数据交织器后面的格

栅编码器 ( 图 7-7)只需要一个。然而,虽然格栅编码器有助于抗白噪声干扰 ( 随机干扰 ) ,但对于脉冲干扰和突发误码其抗御性能并不好。为了改善这方面的性能,以及为了使接收端的格栅解码器电路简化,编码器中采用了 12 个同样的格栅编码器并行地工作,它们接受经过块交织的、交织深度 I=12符号的数据符号。

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66 .段同步和场同步的加入.段同步和场同步的加入场同步段有下列作用。

(1)给出每个数据场的起始信息。

(2)PN511 向接收端提供信道特性均衡用的训练序列数据,使接收端得到时变的信道特性信息,及时实现解码信道的特性均衡。

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(3)PN63供接收端实现重影补偿中作测试序列使用,能补偿延时范围在 63 个符号内即时间为 63×93=5.86μs 内的重影信号,接收机设计人员可在 5.86μs总量内任意分配前重影和后重影的校正范围。

(4)最后 12符号供接收机中的梳状滤波器( 干扰抑制滤波器 ) 使用。

(5) 可用于接收信号信噪比的测量。

(6) 可供接收机中的相位跟踪电路用来使电路复位,并确定跟踪环路参数。

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77 .导频的加入.导频的加入ATSC 中高频调制采用 8VSB 也即 8 电

平残留边带调幅方式,它不同于 NTSC 中高频调制的 VSB残留边带调幅方式。88 .上变频器和射频载波偏置.上变频器和射频载波偏置

8VSB 发射机像通常那样采用两级调制方式,第一次将数据信号调制到一个固定中频上,第二次再上变频到所需的电视频道上。

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7.1.4 7.1.4 ATSCATSC 的总体性能的总体性能

美国从 20世纪末正式开始地面广播

HDTV 后,在初期发展并不快速,原因一

是节目源欠丰富,二是接收机价格偏高,

三是 ATSC 制式本身尚存在些问题。

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7.2 7.2 DVBDVB 数字视频广播系统数字视频广播系统7.2.1 7.2.1 MEPGMEPG-2-2 系统标准在系统标准在 DVBDVB

中的实施中的实施

像 ATSC 系统一样, DVB 系统中最先的参数规范是演播室参数标准和信源编码标准。

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7.2.2 7.2.2 DVBDVB--SS 信道编码与调制系统信道编码与调制系统11 .. DVBDVB--SS 简介简介

DVB-S 是 1994 年 12月由 ETSI(欧洲电信标准学会 ) 制定标准的,标准编号为 ETS 300 421 。 DVB-S 系统定义了从 MPEG-2 复用器输出到卫星传输通道的特性,总体上分成信道编码和高频调制两大部分。系统功能框图如图 7-13 所示,左边部分为 MPEG-2 信源编码和复用,右边部分为卫星信道适配器,也即是信道编码和高频调制部分。

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图 7-13 DVB-S 系统功能框图

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22 .复用适配和能量扩散.复用适配和能量扩散

输入 TS 流是 188 字节的包,其中第一个字节是同步字节 (SYNC) 。在 DVB-S

中,对 TS 流包的处理如图 7-14 所示。

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图 7-14 TS 流包的加扰和 RS 编码

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33 .外码编码.外码编码外码编码即是 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 7-14(b) 。

44 .外交织.外交织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,称为字节交织或外交织,交织深度 I=12 字节。

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55 .卷积内编码.卷积内编码内码编码与外码编码相结合,构成了

DVB-S 中的级联编码,它增强了信道纠错能力,有利于抗御卫星广播信道传输中干扰的影响。

内码编码与外码编码相结合,构成了DVB-S 中的级联编码,它增强了信道纠错能力,有利于抗御卫星广播信道传输中干扰的影响。

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66 .收缩卷积码和基带成形.收缩卷积码和基带成形图 7-17 所示的基带卷积输出 X , Y 输入

至收缩卷积码电路,实现 2/3 或 3/4 等编码效率,而后再使该串行序列经串 / 并变换电路形成 I , Q两路并行输出。77 .误码性能要求.误码性能要求卫星接收端有确定的误码性能要求,以

确保接收信号质量。在传输信道中,对于出现的相加性白高斯噪声 (AWGN) 引起的信号质量下降,通常以 Eb/N0 进行衡量。

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图 7-17 1/2 编码率的基本卷积码

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77 .可用比特率与转换器带宽的关系.可用比特率与转换器带宽的关系一个卫星转发器能以 QPSK 调制方式传输的

可用比特率值,除了决定于可选用的不同值的内码编码率外,更加决定于卫星转发器本身的带宽。

由上面所述可以看出, DVB-S 的特点在于卫星信道的带宽大 (>24MHz) ,但转发器的辐射功率不高 (十几瓦至一百多瓦 ) ,传输信道质量不够高 ( 传输路径远,特别是易于受雨衰影响 ) 。因此,为保证接收可靠而采用了调制效率较低、抗干扰能力强的 QPSK 调制。

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7.2.3 7.2.3 DVBDVB--CC 信道编码与调制系统信道编码与调制系统11 .. DVBDVB--CC 简介简介

DVB-C 系统定义了有线数字电视广播系统的功能块组成,它使 MPEG-2 基带数字电视信号与有线信道特性相匹配。 DVB-C 的欧洲标准是由 ETSI(欧洲电信标准学会 ) 于 1994 年 12月制定的,标准编号为ETS 300 429 。

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22 .. DVBDVB--CC 信道编码与信道编码与 DVBDVB--SS 的的共通部分共通部分

由图 7-19 可见,发送端框图中的前 4个方框是与 DVB-S 一样的。33 .字节到.字节到 mm 位符号变换位符号变换

DVB-C 中,符号交织 ( 交织深度 I=12字节 ) 之后没有级联的卷积编码,也即只有外编码而无内编码,原因在于有线信道质量较好,不必将 FEC做得复杂化。

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图 7-19 DVB-C 前端与接收端框图

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图7-21 64QA

M

调制星座

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图 7-22 字节到 m符号变换框图

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44 .不同.不同 MM 值的值的 MQAMMQAM 星座图星座图

图 7-23 所示的为不同M值的 MQAM

星座图,它们的实现都基于图 7-22 所示的符号变换框图。

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图7-23

不同M值的M

QA

M

调制星座

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55 .基带成形.基带成形如图 7-19 所示,在符号变换和差分编

码 (IkQk) 之后是基带成形,采用式 (6-18)所示的升余弦平方根滤波函数,滚降系数α = 0.15 。可见,由于有线信道质量好,因此 α值较小 (DVB-S 中 α=0.35) ,这有利于带宽利用率的提高。

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66 .调制传输.调制传输前 面 已述及, DVB-C 的 调 制 方 式 为

MQAM , 可 以 是 16 , 32 , 64 , 128 和256QAM ,典型值是 64QAM 。77 .传输比特率.传输比特率

根据 MQAM 的 M值和映射频道的带宽,可以计算出一个 DVB-C 频道能传输的可用比特率 Ru值 (Mbit/s) 和符号率 Rs值 (Mbaud) ,如表 7-7 所示,表中的值适合于 8MHz 的信道带宽。

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7.2.4 7.2.4 DVBDVB--TT 信道编码与调制系统信道编码与调制系统11 .引言.引言

DVB-T 的信道编码和调制系统框图如图 7-25 所示。输入端是视频、音频和数据等复用的传送流 TS ,每个 TS 包由 188 字节 组 成 , 经 过 一 系 列 信 号处理后 输 出COFDM 调制的载波信号。

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图 7-25 DVB-T 的信道编码和调制系统框图

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22 .内交织.内交织DVB-T 中高频载波采用 COFDM( 编

码正交频分复用 ) 调制方式,在 8MHz 射频带宽内设置 1705(2k模式 ) 或 6817(8k模式 ) 个载波,将高码率的数据流相应地分解成 2k 或 8k路低码率的数据流,分别对每个载波进行 QPSK , 16QAM 或 64QAM调制。

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33 .映射和星座图.映射和星座图

COFDM 调制中,由每个 V 比特的符号对每个载波进行相应的调制, V=2 时为QPSK 调 制 , V=4 时 为 16QAM 调制, V=6 时为 64QAM 调制。

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44 .. COFDMCOFDM 调制调制(1)(1)COFDMCOFDM 的含义的含义

ATSC 的 8VSB 调制是传统的单载波调制方式,而 COFDM 是数字通信中时兴的多载波方式, OFDM 是正交频分复用的英文缩写,全部载波频率有相等的频率间隔,它们是一个基本振荡频率的整数倍。

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(2)(2)COFDMCOFDM 的特点的特点

与卫星传输信道和有线传输信道相比较,地面开路传输信道环境差,电磁波信号容易受到各种各样的外来杂散电磁波干扰。

就地面开路接收时的传输信道种类而言,有三种信道模型。

(1) 高斯信道,这是天线接收信号只受到高斯噪声 ( 随机噪声,白噪声 ) 干扰的信道模型。

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(2)Ricean 信道,这是天线接收信号接收到直达波之外还接收到多个反射波的信道模型,它对应于使用室外屋顶天线时还会接收由到高楼等来的许多多径反射波。

(3)瑞利信道,其接收天线接收不到直达波,只接收到许多反射波,对应于用室内天线接收或室外便携和移动接收。接收点直视不到发射天线,只有由大楼、山丘等来的诸多反射波。

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55 .保护间隔.保护间隔COFDM 中,调制每个载波的符号率

下降很多,可明显减少已调波频带内的符号间干扰 (ISI) 。但存在较长延时的反射波信号时,并不能完全消除符号间干扰。

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66 .帧自适应和导频及.帧自适应和导频及 TPSTPS 信号信号图 7-25 中 , 在 OFDM 调 制 之 前 有

“帧自适应”和“导频及 TPS 信号”两个信号处理框,现在分别说明之。

(1)(1) 帧自适应帧自适应

帧自适应是指 OFDM 帧的构成,它是在 OFDM符号的基础上组成的。

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(2)(2) 导频导频

OFDM 中对每个载波的调制都是抑制载波的,接收端的解调诸如对于 QAM 的相干解调是需要基准信号的,在这里称为导频信号,它们在 OFDM符号内分布于不同的时间和频率上,具有已知的幅度和相位。

① ① 连续导频连续导频② ② 散布导频散布导频 ③ ③ TPSTPS 信号信号

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TPS 是传输参数信令的英文缩写,用于给出与传输参数也即与信道编码和调制参数有关的信令。

(3)(3) 超帧内超帧内 TSTS 包数目包数目

定义 4 个 OFDM 帧组成一个超帧,在超帧内可以传输整数个 204 字节的 RS码 TS 包,而无论信道内码编码率和调制模式如何, OFDM超帧内 TS 包数目如表 7-11 所示。

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77 .. DVBDVB--TT 不同参数的频谱效率不同参数的频谱效率要在 8MHz 内传输一路 HDTV 信号,

合适的参数是 64QAM 调制,内码编码率 2/3 和保护间隔 1/8 ,这时 的 有效码 率 为22.12Mbit/s 。

88 .. COFDMCOFDM 的射频功率谱的射频功率谱射频频道内电视信号的功率谱是衡量

例如 8MHz 高频频带内功率分布均匀情况的重要参数。

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7.3 7.3 ISDBISDB--TT 数字电视系数字电视系统统

7.3.1 7.3.1 ISDBISDB--TT 系统概述系统概述

日本采用的地面传输制式不限于单独传输数字电视 ( 图像和声音 ) ,也包括了独立的声音和数据广播,这几者可以单独存在或任意地组合,构成在带宽 6MHz 内的一路节目或多路节目。

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ISDB-T 的信源编码中,图像信号也按照 MEPG-2 压缩标准,其 SDTV 图像源格式为 720(704)×480 像素数,采样标准为4 2 0∶ ∶ 模式。声音信号的信源编码采用基于 MEPG-4 的 AAC( 高级 AC) 压缩方式。

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11 .. ISDBISDB--TT 的传送带宽的传送带宽

为了与地面电视广播的原频道规划( 每频道 6MHz) 相适配, ISDB-T 中每个频 道 的 传 送 带 宽 为 (432kHz×13 +4kHz)=5.62MHz 或 (432kHz×13 +1kHz)=5.617MHz 。

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22 .传送信号形式.传送信号形式ISDB-T 中 , 根 据 ISO/IEC13818-

1(MEPG-2 ,系统 ) 实施传送信号的复用。每一个物理通道 (6 MHz) 为一个基本 TS 流( 传送流 ) ,其中 13 个 OFDM 段可构成具有统一参数值的单一个大块,也可以分为具有不同参数值的几个块层,最多为 4 个块层。

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7.3.2 7.3.2 ISDBISDB--TT 系统传送参数系统传送参数ISDB-T 的每 432kHz 内载波间隔有

4kHz 与 1kHz两种。另外,为了接收端能抗 多径干扰, 在每个 有效符号持续期Tu( = 1/ 载波间隔 ) 上增加一个保护间隔持续期 Δ ,按规定 Δ/Tu 的取值有 4 种 (1/4 ,1/8 , 1/16 或 1/32) 。