I 目 錄 摘 要.II ABSTRACT.IV 第 1 章 緒 論.- 1 - 1.1 數(shù)字電視簡介.- 1 - 1.2 DVB 標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展及現(xiàn)狀.- 3 - 1.3 SYSTEM VIEW仿真系統(tǒng)簡介.- 6 - 第 2 章 DVB-S 信道傳輸系統(tǒng).- 7 - 2.1 DVB-S 系統(tǒng)傳輸過程.- 7 - 2.2 系統(tǒng)中的模塊仿真.- 18 - 第 3 章 DVB-C 信道傳輸系統(tǒng).- 25 - 3.1 DVB-C 系統(tǒng)簡介.- 25 - 3.2 歐洲 DVB-C 傳輸系統(tǒng).- 27 - 3.3 QAM 調(diào)制解調(diào)模塊的仿真.- 31 - 第 4 章 DVB-T 信道傳輸系統(tǒng).- 35 - 4.1 DVB-T 系統(tǒng)的信道特性.- 35 - 4.2 DVB-T 傳輸系統(tǒng).- 36 - 4.3 COFDM 簡介.- 41 - 4.4 在 SYSTEM VIEW平臺上仿真端對端 DVB 系統(tǒng).- 45 - 參考文獻.- 49 - 致 謝.- 51 - II DVB 系統(tǒng)編解碼技術(shù)的研究與實現(xiàn) 摘 要 隨著通信技術(shù)、計算機技術(shù)、數(shù)字處理技術(shù)及圖像壓縮技術(shù)的迅猛發(fā)展，模擬電視 正逐步向全數(shù)字高清晰度電視(HDTV)過渡。歐洲廣播聯(lián)盟提出的數(shù)字視頻廣播標(biāo)準(zhǔn)即DVB 系列標(biāo)準(zhǔn)，融合了先進的信息處理技術(shù)，得到了許多國家的支持，我國也采用了該標(biāo)準(zhǔn)。 信道編碼是傳輸過程中的關(guān)鍵部分，本文介紹了DVB-S(數(shù)字衛(wèi)星電視廣播)、DVB- C（數(shù)字電視有線廣播）和DVB-T（數(shù)字電視地面廣播）的傳輸原理，并對DVB在信道傳輸 過程中所涉及到的如RS編解碼、卷積交織與解交織、QAM調(diào)制解調(diào)等模塊進行了設(shè)計，并 在System View平臺上對以上模塊及端對端DVB系統(tǒng)進行了電路搭建與仿真。 關(guān)鍵詞：數(shù)字視頻廣播，RS編碼，System View，COFDM III IV DVB system codec technology Research and Implementation Abstract As communications technology, computer technology, digital image processing technology and the rapid development of compression technology, analog TV is gradually to all-digital high- definition television (HDTV) transition. The European Broadcasting Unions Digital Video Broadcasting DVB standard that the series of standards, integration of advanced information processing technology, has the support of many countries, China has adopted the standards. Channel coding in the course of transmission is the key part of this paper, DVB-S (digital satellite television broadcasting), DVB-C (digital cable TV broadcasting) and DVB-T (terrestrial digital TV broadcasting) transmission principle, and in the DVB Channel transmission involved in the process such as the RS to the codec, intertwined with the convolution of the intertwined, QAM modem modules for the design and System View on the above platform module and end- to-end DVB system circuit structures And simulation. Key words: Digital Video Broadcasting, RS coding, System View, COFDM V - 1 - 第 1 章 緒 論 1.1 數(shù)字電視簡介 1.1.1 數(shù)字電視概念及分類 所謂數(shù)字電視，嚴(yán)格地說就是從信源開始，將圖像畫面的每一個像素、伴音的每一 個音節(jié)都用二進制編碼成多位數(shù)據(jù)，在經(jīng)過高效的信源壓縮編碼和前向糾錯編碼、交織 與調(diào)制等措施的處理后，以非常高的比特率進行碼流發(fā)射、傳輸和接收的系統(tǒng)工程。僅 在接收端的顯像管和揚聲器的輸入端，分別得到經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后的模擬視頻信號和模擬環(huán) 繞立體聲音頻信號。相對于傳統(tǒng)模擬廣播電視，數(shù)字電視具有圖像質(zhì)量高，頻道利用率 高等優(yōu)點，它代表著現(xiàn)代電視技術(shù)的發(fā)展潮流，因而正日益成為現(xiàn)代電視系統(tǒng)的主流。 按圖像清晰度分類，數(shù)字電視包括數(shù)字高清晰度電視(HDTV)、數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)清晰度電視 (SDTV)和數(shù)字普通清晰度電視(LDTV)三種。HDTV的圖像水平清晰度大于800線，圖象質(zhì)量 可達(dá)到或接近35mm寬銀幕電影的水平；SDTV的圖像水平清晰度大于500線，主要是對應(yīng)現(xiàn) 有電視的分辨率量級，其圖象質(zhì)量為演播室水平；LDTV的圖像水平清晰度為200-300線， 主要是對應(yīng)現(xiàn)有VCD的分辨率量級。 按信號傳輸方式分類，數(shù)字電視可分為地面無線傳輸數(shù)字電視(地面數(shù)字電視)、衛(wèi) 星傳輸數(shù)字電視(衛(wèi)星數(shù)字電視)、有線傳輸數(shù)字電視(有線數(shù)字電視)三類。 按照產(chǎn)品類型分類，數(shù)字電視可分為數(shù)字電視顯示器、數(shù)字電視機頂盒和一體化數(shù) 字電視接收機。 按顯示屏幕幅型比分類，數(shù)字電視可分為43幅型比和169幅型比兩 種類型。 數(shù)字電視的發(fā)展大致可以分為三個階段。 第一個階段為個別電視設(shè)備的數(shù)字化階段。例如攝像機信號處理部分的數(shù)字化、電 視制式轉(zhuǎn)換器與數(shù)字特技等。 第二個階段為全功能數(shù)字電視演播室階段。在數(shù)字演播室中，電視信號從攝像機輸 出到后期制作完全是在數(shù)字環(huán)境下進行的。 第三個階段為數(shù)字電視廣播階段。數(shù)字電視廣播實現(xiàn)了數(shù)字電視信號的直接發(fā)射和 接收，這一步完成了整個電視系統(tǒng)的數(shù)字化，意味著電視節(jié)目的拍攝、記錄、后期加工、 編輯制作、存儲、交換、分配發(fā)送以及接收等環(huán)節(jié)，都是在全數(shù)字環(huán)境下進行的。 1.1.2 數(shù)字電視系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn) 1、數(shù)字電視的信源編解碼技術(shù) - 2 - 視頻編解碼技術(shù)：數(shù)字電視尤其數(shù)字高清晰度電視與模擬電視相比，在實現(xiàn)過程中， 最為困難的部分就是對視頻信號的壓縮。在 19201080 顯示格式下，數(shù)字化后的碼率在 傳輸中高達(dá) 995Mbit/s，這比現(xiàn)行模擬電視的傳輸信息量大得多。因而數(shù)字電視的圖像不 能像模擬電視的圖像那樣直接傳輸，而是要多一道壓縮編碼工序。視頻編碼技術(shù)主要功 能是完成圖像的壓縮，使數(shù)字電視的信號傳輸量由 995Mbit/s 減少為 2030Mbit/s。 音 頻編解碼技術(shù)：與視頻編解碼相同，音頻編解碼主要功能是完成聲音信息的壓縮。聲音 信號數(shù)字化后，信息量比模擬傳輸狀態(tài)大得多。 信源編解碼的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)：國際上對數(shù)字圖像編碼曾制訂了三種標(biāo)準(zhǔn)，分別是主要用 于電視會議的 H.261 主要用于靜止圖像的 JPMG 標(biāo)準(zhǔn)和主要用于連續(xù)圖像的 MPEG 標(biāo)準(zhǔn)。 在 HDTV 視頻壓縮編解碼標(biāo)準(zhǔn)方面，美國、歐洲和日本沒有分歧，都采用 MPEG-2 標(biāo) 準(zhǔn)。MPEG 壓縮后的信息可以供計算機處理，也可以在現(xiàn)有和將來的電視廣播頻道中進行 分配。在音頻編碼方面，歐洲、日本采用了 MPEG-2 標(biāo)準(zhǔn)；美國采納了杜比(Dolby)公司 的 AC-3 方案，MPEG-2 為備用方案。但隨著技術(shù)的進步，1994 年完成的 MPEG-2 隨著技術(shù) 的進步現(xiàn)在顯得越來越落后，國際上正在考慮用 MPEG-4 AVC 來代替目前的 MPEG-2。 中國方面，中國的數(shù)字音視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)工作組制定了面向數(shù)字電視和高清激光視 盤播放機的 AVS 標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)據(jù)稱具有自主知識產(chǎn)權(quán)，與 MPEG-2 標(biāo)準(zhǔn)完全兼容，也可以 兼容 MPEG-4 AVC/ H.264 國際標(biāo)準(zhǔn)基本層，其壓縮水平據(jù)稱可達(dá)到 MPEG-2 標(biāo)準(zhǔn)的 2-3 倍， 而與 MPEG-4 AVC 相比，AVS 更加簡潔的設(shè)計降低了芯片實現(xiàn)的復(fù)雜度。 2、數(shù)字電視的復(fù)用系統(tǒng) 數(shù)字電視的復(fù)用系統(tǒng)是 HDTV 的關(guān)鍵部分之一。從發(fā)送端信息的流向來看，它將視頻、 音頻、輔助數(shù)據(jù)等編碼器送來的數(shù)據(jù)比特流，經(jīng)處理復(fù)合成單路串行的比特流，送給信 道編碼及調(diào)制。接受端與此過程正好相反。在 HDTV 復(fù)用傳輸標(biāo)準(zhǔn)方面，美國、歐洲、日 本沒有分歧，都采用了 MPEG-2 標(biāo)準(zhǔn)。美國已有 MPEG-2 解復(fù)用的專用芯片。 3、數(shù)字電視的信道編解碼及調(diào)制解調(diào) 數(shù)字電視信道編解碼及調(diào)制解調(diào)的目的是通過糾錯編碼、網(wǎng)格編碼、均衡等技術(shù)提 高信號的抗干擾能力，通過調(diào)制把傳輸信號放在載波或脈沖串上，為發(fā)射做好準(zhǔn)備。目 前所說的各國數(shù)字電視的制式，標(biāo)準(zhǔn)不能統(tǒng)一，主要是指各國在該方面的不同，具體包 括糾錯、均衡等技術(shù)的不同，帶寬的不同，尤其是調(diào)制方式的不同。 數(shù)字傳輸?shù)某Ｓ谜{(diào) 制方式： 正交振幅調(diào)制(QAM)：調(diào)制效率高，要求傳送途徑的信噪比高，適合有線電視電纜傳 - 3 - 輸。 鍵控移相調(diào)制(QPSK)：調(diào)制效率高，要求傳送途徑的信噪比低，適合衛(wèi)星廣播。 殘留邊帶調(diào)制(VSB)：抗多徑傳播效應(yīng)好（即消除重影效果好），適合地面廣播。 編碼正交頻分調(diào)制(COFDM)：抗多徑傳播效應(yīng)和同頻干擾好，適合地面廣播和同頻網(wǎng) 廣播4。 1.2 DVB 標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展及現(xiàn)狀 目前，美國、歐洲和日本各自形成三種不同的數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)。美國的標(biāo)準(zhǔn)是 ATSC(Advanced Television system Committee先進電視制式委員會)；歐洲的標(biāo)準(zhǔn)是 DVB(Digital Video Broadcasting數(shù)字視頻廣播)；日本的標(biāo)準(zhǔn)是ISDB(Integrated Services Digital Broadcasting綜合業(yè)務(wù)數(shù)字廣播)。 1.2.1 DVB計劃的起源 DVB計劃始于1993年，它是對提供一共同制式以使數(shù)字廣播進入家庭的需求之響應(yīng)。 人們已認(rèn)為，數(shù)字電視進入家庭將滿足廣播的未來需要，但這只有當(dāng)所有的歐洲廣播業(yè) 者采用同一個標(biāo)準(zhǔn)時才是可行的。模擬世界中由多制式如PAL I、PAL B/G、SECAM等遺留 下來的明顯問題必須克服。 經(jīng)濟上的考慮為迅速開發(fā)和接受標(biāo)準(zhǔn)提供了有說服力的理由。所建議數(shù)字調(diào)制系統(tǒng) 所需的復(fù)雜處理，要求提高硅片上的集成規(guī)模，因而只有采用共同標(biāo)準(zhǔn)才是經(jīng)濟的。換 句話說，數(shù)字電視要進入家庭，只有在能對一個大型、共同標(biāo)準(zhǔn)市場提供經(jīng)濟回報(規(guī)模 化經(jīng)營、利潤)時，才會成為現(xiàn)實。 為確?？朔@些障礙，歐洲廣播業(yè)界聚集在一起規(guī)劃了一個方案。隨著DVB計劃的創(chuàng) 立，該集團在1990年所做工作的基礎(chǔ)上，顯示了數(shù)字視頻壓縮系統(tǒng)的可行性。從1993年 創(chuàng)立以來，該計劃逐步壯大，其成員包括來自全世界25個國家超過200家公司的代表。它 用所謂一些“商業(yè)模型”從廣播業(yè)者和制造廠家的觀點確定了用戶需求，而用“技術(shù)模 型”提供解決方案。 DVB計劃做出的首批決定之一是將用于視頻和音頻壓縮的MPEG-2主層和主類予以標(biāo)準(zhǔn) 化。這滿足了編碼器和解碼器非對稱分離的主要需求。由于每一個家庭都需要MPEG-2解 碼器，MPEG-2解碼器的復(fù)雜性和成本應(yīng)遠(yuǎn)小于編碼器。DVB的另一關(guān)鍵功能是確定調(diào)制技 術(shù)和共同的前向糾錯(FEC)編碼方式，允許通過易于產(chǎn)生誤碼的衛(wèi)星、電纜和地面廣播系 統(tǒng)傳輸至家庭觀眾。 DVB還提供：一個共同的有條件尋址加擾算法；允許觀眾查尋所要節(jié)目的業(yè)務(wù)信息； - 4 - 數(shù)據(jù)插入傳輸路徑的格式用于字幕、圖文和其他數(shù)據(jù)應(yīng)用場合。 DVB計劃不建立自己的標(biāo)準(zhǔn)。它只是先于公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)組織如ETSI、CENELEC、ITU- R、ITU-T和DAVIC提供規(guī)格。自從DVB計劃創(chuàng)辦以后，通過衛(wèi)星、電纜、地面和MMDS系統(tǒng) 傳輸DVB的標(biāo)準(zhǔn)已被ETSI確定，并在許多區(qū)域，包括歐洲、澳大利亞、泰國、南非和美國 被采用。 具體的標(biāo)準(zhǔn)包括：ETSI 300 421 DVB通過衛(wèi)星；ETSI 300 429 DVB通過電纜；ETSI 300 744 DVB通過地面電視網(wǎng)；ETSI 300 473 DVB通過SMATV系統(tǒng)；ETSI 300 748 DVB通 過高于10GHz的MMDS；ETSI 300 749 DVB通過低于10GHz的MMDS。 1.2.2 DVB標(biāo)準(zhǔn)概述 DVB(Digital Video Broadcasting)意為數(shù)字視頻廣播。DVB是歐洲有170多個組織參 加的一個項目。它包括了衛(wèi)星、電纜電視和地面廣播的普通電視和高清晰度電視的廣播 與傳輸。DVB項目的主要目標(biāo)是要找到一種對所有傳輸媒體都適用的數(shù)字電視技術(shù)和系統(tǒng)， 對它的要求是： (1) 系統(tǒng)應(yīng)能靈活傳送MPEG-2視頻，音頻和其他數(shù)據(jù)信號。 (2) 系統(tǒng)使用統(tǒng)一的MPEG-2傳送比特流復(fù)用。 (3) 系統(tǒng)使用統(tǒng)一的服務(wù)信息系統(tǒng)提供廣播節(jié)目的細(xì)節(jié)等信息。 (4) 系統(tǒng)使用統(tǒng)一的一級RS前向糾錯系統(tǒng)。 (5) 使用統(tǒng)一的加擾系統(tǒng)，但可有不同的加密。 (6) 選擇適于不同傳輸媒體的調(diào)制方法和通道編碼方法以及任何必須的附加糾錯方 法。 (7) 鼓勵歐洲以外地區(qū)使用DVB標(biāo)準(zhǔn)，推動建立世界范圍的數(shù)字視頻廣播標(biāo)準(zhǔn)。這一 目標(biāo)得到了ITU衛(wèi)星廣播的支持。 (8) 支持?jǐn)?shù)字系統(tǒng)中的圖文電視系統(tǒng)。 DVB是一個系列標(biāo)準(zhǔn)，各標(biāo)準(zhǔn)在視頻音頻編碼方案和系統(tǒng)復(fù)接方案上是一致的，都符 合MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)，區(qū)別主要在于傳輸系統(tǒng)采用不同的方案，分別適用于不同的傳輸媒介和 應(yīng)用環(huán)境。其中主要的有三個：DVB-S、 DVB-C和DVB-T，分別用于衛(wèi)星、電纜電視和地 面廣播，且得到ETSI(European Telecommunication standard Institute)的批準(zhǔn)。DVB- S已被ITU推薦。DVB-S的標(biāo)準(zhǔn)ETS300421，DVB-C的標(biāo)準(zhǔn)是ETS300429，DVB-T的標(biāo)準(zhǔn)是 ETS300。 DVB-S是DVB最先制定的傳輸標(biāo)準(zhǔn)，可適用于多種衛(wèi)星廣播系統(tǒng)。衛(wèi)星信道的特點是: - 5 - 可用頻帶寬、功率受限、干擾大、信噪比低。所以要求采用可靠性高的信號調(diào)制方式、 強的信號糾錯能力,對帶寬要求不是特別高。因此DVB-S采用前向糾錯(FEC)(包括Viterbi 編碼、交織、RS編碼及加擾等電路), 正交移相鍵控(QPSK)調(diào)制的信道處理，然后饋給衛(wèi) 星鏈路。接收時進行相反的處理。DVB-S數(shù)據(jù)流調(diào)制采用QPSK方式，工作頻率為 11GHz/12GHz，當(dāng)使用MPEG-2ML格式時，如果用戶端達(dá)到ITU-R601演播室質(zhì)量，碼率為 9Mb/s；若達(dá)到PAL質(zhì)量，碼率為5Mb/s。一個54MHz衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器(Transponder)的傳輸速率 可達(dá)68Mb/s，可用于多套節(jié)目的復(fù)用，DVB-S標(biāo)準(zhǔn)幾乎為全球所有的數(shù)字電視衛(wèi)星廣播系 統(tǒng)所用。 DVB-C 用于有線信道。有線信道的特點是：信噪比高、頻帶資源窄、存在回波和非線 性失真。這些特點要求 DVB-C 采用帶寬窄、頻帶利用率高、抗干擾能力較強的調(diào)制方式。 同時,由于信道信噪比高，誤碼率較低，糾錯能力要求不很高。因此，DVB-C 的信道部分 采用 RS 碼和卷積碼交織技術(shù)，正交幅度調(diào)制(QAM)。 DVB-C技術(shù)就有下列顯著特點： (1) DVB標(biāo)準(zhǔn)體系較完善，基本涵蓋了數(shù)字電視傳輸、加擾、接口以及交互式應(yīng)用等 方面，并與數(shù)字音頻視頻委員會(DAVIC)緊密合作，致力于建立數(shù)字視頻、數(shù)字音頻、數(shù) 據(jù)綜合業(yè)務(wù)平臺，開展多媒體業(yè)務(wù)； (2) 采用數(shù)字壓縮技術(shù)，在每個標(biāo)準(zhǔn)PAL-D頻道的8MHz帶寬內(nèi)可傳送5-8套電視節(jié)目， 節(jié)省了頻道資源，提高了頻譜利用率； (3) 采用MPEG2編碼標(biāo)準(zhǔn)和DVB標(biāo)準(zhǔn)，可傳送SDTV和HDTV質(zhì)量的電視節(jié)目，適應(yīng)范圍 廣； (4) 采用數(shù)字編碼和糾錯技術(shù)，傳輸過程中的抗干擾能力強； (5) DVB系統(tǒng)采用統(tǒng)一的接口方式和數(shù)據(jù)格式傳輸MPEG2視頻、音頻和其他數(shù)據(jù)，信 號使用相同的比特流復(fù)用和業(yè)務(wù)信息，采用統(tǒng)一的加擾方式和CA機制； (6) 采用統(tǒng)一的有條件接收(CA)的數(shù)字加解擾技術(shù)，加擾性能優(yōu)越，使非法解密并 可批量生產(chǎn)的可能性極?。?(7) 可用多個頻道轉(zhuǎn)發(fā)多套數(shù)字衛(wèi)星電視節(jié)目。利用衛(wèi)星接收機取出標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字電 視節(jié)目流，直接饋入復(fù)用器?？蓪⑺泄?jié)目重新排列。選出希望轉(zhuǎn)播的節(jié)目，不需要壓 縮編碼器，不損傷信號質(zhì)量，可實現(xiàn)端到端的數(shù)字電視廣播； (8) 符合GY/T106有線電視廣播系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范的現(xiàn)有CATV網(wǎng)不需要改造，即可承 載DVB下行業(yè)務(wù)2。 - 6 - DVB-T 用于地面廣播信道。地面廣播的特點是：地形復(fù)雜、存在時變衰落和存在多徑 干擾、信噪比較低。因此 DVB-T 采用前向糾錯(FEC)(包括內(nèi)碼交織、內(nèi)碼 Viterbi 編碼、 外碼交織、外碼 RS 編碼)和能有效消除多徑干擾的正交頻分復(fù)用技術(shù)(COFDM)和格雷碼映 射 4/16/64QAM 調(diào)制等進行信道處理。然后在原來用于模擬的 6MHz、7MHz 和 8MHz 的頻帶 內(nèi)發(fā)送數(shù)字電視節(jié)目。DVB-T 發(fā)送的比特率是可變的。例如：在 6MHz 頻帶可在 3.723.8Mbit/s 比特率之間進行選擇；在 8MHz 頻帶可在 4.931.7Mbit/s 比特率之間 進行選擇。以適應(yīng)不同的接收環(huán)境、如移動接收應(yīng)適當(dāng)降低發(fā)送的碼率。 1.3 System View仿真系統(tǒng)簡介 System View是一個動態(tài)的系統(tǒng)仿真軟件，主要用于電路與通信系統(tǒng)的設(shè)計、仿真， 能滿足復(fù)雜通信系統(tǒng)不同層次的設(shè)計和仿真的要求。 System View以模塊化和交互式的界面，在大家熟悉的Windows窗口環(huán)境下，為用戶 提供了一個嵌入式的分析引擎。使用System View只需要關(guān)心項目的設(shè)計思想和過程，而 不必花費大量的時間去編程建立系統(tǒng)仿真模型。 System View帶有DVB專業(yè)庫，包括一整套在進行DVB系統(tǒng)設(shè)計和仿真時可能用到的輔 助工具。利用它，可以很方便的完成對基于歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)ETS300 744下的各種DVB系統(tǒng)的 仿真。它提供了一整套完整的模塊，可以分別對系統(tǒng)中各個層次上信號的產(chǎn)生及解調(diào)進 行仿真。另外也提供了可以代表整個調(diào)制器或解調(diào)器的單個模塊。通過對調(diào)制方式、調(diào) 制模式參數(shù)、幀結(jié)構(gòu)類型等各項參數(shù)進行靈活合理的設(shè)置，就可以對各種模式的DVB系統(tǒng) 進行仿真和分析1。 - 7 - 第 2 章 DVB-S 信道傳輸系統(tǒng) 2.1 DVB-S 系統(tǒng)傳輸過程 DVB-S標(biāo)準(zhǔn)采用11/12GHz衛(wèi)星頻段進行傳輸，主要用于固定衛(wèi)星服務(wù)(FSS)和廣播衛(wèi) 星服務(wù)(BSS)，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬可以從26MHz到72MHz，轉(zhuǎn)發(fā)器功率從49dBW到61dBW。系統(tǒng) 可以對用戶化的IRD(Integrated Receiver Decoder)、集中天線系統(tǒng)SMATV(Satellite Master Antenna Television)、有線電視前端站提供DTH(Direct To Home)服務(wù)。系統(tǒng)所 提供的所有服務(wù)都是基于單載波的時分復(fù)用(TDM)。 DVB-S傳輸系統(tǒng)調(diào)制端的功能模塊如圖2.1所示。發(fā)送端將輸入的視頻信號、音頻信 號、數(shù)據(jù)按MPEG-2格式編碼，再經(jīng)節(jié)目復(fù)用和傳送復(fù)用形成有用的數(shù)據(jù)包格式，包長為 188bytes，包括1同步byte。然后此數(shù)據(jù)碼流經(jīng)過多項處理，其目的是用來增加信號對誤 碼的抵抗能力并使其適應(yīng)信道傳輸特性。 數(shù)字視頻編碼 數(shù)字音頻編碼 數(shù)據(jù)編碼 節(jié) 目 流 多 路 復(fù) 用 傳 輸 流 多 路 復(fù) 用 能 量 擴 散 R S 糾 錯 編 碼 卷 積 交 織 卷 積 內(nèi) 編 碼 基 帶 整 形 Q P S K 調(diào) 制 射頻 圖2.1 DVB-S傳輸系統(tǒng)調(diào)制端的功能模塊 這些處理包括：使用偽隨機序列使數(shù)據(jù)隨機化；用RS編碼、卷積交織、卷積編碼這 種級聯(lián)編碼技術(shù)以提高對誤碼的抵抗能力；通過截短、映射將編碼后的數(shù)據(jù)映射到QPSK 星座上；經(jīng)過基帶波形形成，進行QPSK調(diào)制；最后經(jīng)過中頻調(diào)制為IF信號。 接收端對應(yīng)著發(fā)射端有一個相應(yīng)的逆過程。中頻接口QPSK解調(diào)單元對接收的信號進 行積分相干解調(diào)和D/A轉(zhuǎn)換，為Viterbi解碼提供I, Q的軟判決信息。匹配濾波器根據(jù)滾 降因子a補償發(fā)端由于平方根升余弦濾波而引起的波形變換。載波時鐘恢復(fù)單元用于解調(diào) - 8 - 端的同步。然后進入對應(yīng)于發(fā)端編碼的解碼過程：Viterbi譯碼、RS碼同步、解卷積交織、 RS譯碼、解擾、最后得到原始的TS碼流。 為了達(dá)到最大的功率利用率而又不使頻譜利用率有很大的降低，衛(wèi)星系統(tǒng)最好采用 QPSK調(diào)制并使用卷積碼和RS級聯(lián)糾錯的方式，可取得較好的效果。該系統(tǒng)最好用于一個 轉(zhuǎn)發(fā)器一個載波的系統(tǒng)，以便易于用于多載波系統(tǒng)。 發(fā)射信號經(jīng)過信道后受到的噪聲和干擾，為了提高系統(tǒng)的抗衰落性能，一般需要采 用糾錯編碼的技術(shù)加以保護。信道編碼就是按照一定的規(guī)則，在發(fā)端將信源編碼以后的 數(shù)據(jù)流人為地加入冗余數(shù)據(jù)使編碼后的信號能夠適應(yīng)在信道媒質(zhì)中傳輸，并且盡可能通 過收端信道解碼將受到干擾而產(chǎn)生錯誤的那部分?jǐn)?shù)據(jù)恢復(fù)，使最終通過信道傳輸系統(tǒng)的 數(shù)據(jù)能夠去除信道的各種干擾和影響，之后再送入信源解碼。 數(shù)字調(diào)制一般采用“星座圖”來描述，星座圖中定義了調(diào)制技術(shù)的兩個基本參數(shù)： (1)信號分布；(2)與調(diào)制數(shù)字比特之間的映射關(guān)系。調(diào)制技術(shù)的可靠性可由相鄰星座點 之間的最小距離來衡量，在信號的平均功率相同的條件下，最小距離越大，抵抗噪聲和 干擾的能力越強。 信道編碼和調(diào)制技術(shù)就是將各種糾錯編碼方式和映射優(yōu)化組合的數(shù)字通信技術(shù)。 2.1.1 數(shù)據(jù)加擾和同步反轉(zhuǎn) 通常編碼器輸出的視頻、音頻、數(shù)據(jù)等節(jié)目碼流(PS)的包長度不固定，相對較長(一 般為1K至2K字節(jié))，經(jīng)復(fù)用器后，輸出一包長度固定為188字節(jié)的傳輸流。兩種碼流之間 的變換通過打包基本數(shù)據(jù)流(PES-Packet Elemental Stream)。PES提供標(biāo)準(zhǔn)的包頭和打 包方法，并提供解碼的時間標(biāo)志。圖2.2表示出MPEG-2的傳輸復(fù)用包的格式。 Sync 適配域 AF 有效載荷 包頭 188 字節(jié) 圖2.2 MPEG-2的傳輸復(fù)用包格式 信道編碼系統(tǒng)的處理以固定包長為單位，且與MPEG-2傳輸復(fù)用器的包長兼容，DVB-S 的幀結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。這里的同步是利用MPEG-2數(shù)據(jù)流中TS傳輸包同步頭對應(yīng)的字節(jié)。 系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)加擾和RS編碼都以188bytes為基本單位進行處理。這樣有兩點好處：(1)當(dāng) 某個RS碼字在接收端解碼時出現(xiàn)無法糾正的錯誤時，誤碼集中在一個TS包內(nèi)，不會影響 - 9 - 到其它的TS包，便于分接器進行差錯指示；(2)便于提取TS包的同步頭，簡化了TS傳輸包 同步的提取。同步比特字的處理總是從MSB開始。每個傳輸包起始均為4個字節(jié)的包頭， 第一個字節(jié)為同步字節(jié)，以使解復(fù)用器與比特流同步。包頭之后為適配域(AF)，其出現(xiàn) 與否，由包頭中的兩個比特指示。適配域的長度不能超過傳輸包的尾端。 數(shù)字通信理論在設(shè)計通信系統(tǒng)時都是假設(shè)所傳輸?shù)谋忍亓髦?、1是等概率出現(xiàn)的。 另一方面，在接收端進行解調(diào)時必須先提取出比特時鐘。比特時鐘的提取是利用傳輸碼 流中0、1之間的波形跳變來實現(xiàn)的，而連續(xù)的0或1將帶來困難。能量擴散隨機化就是利 用偽隨機二進制序列發(fā)生器產(chǎn)生的偽隨機序列對傳輸碼流進行擾碼，避免碼流中出現(xiàn)長 串的“0”或“1”。 系統(tǒng)輸入的MPEG-2傳輸流，包長度為固定的188字節(jié)，包括一個同步字節(jié)，即47H。 處理的順序規(guī)定在發(fā)送端由同步字節(jié)的MSB(最高位)開始，即從“01000111”的“0”開 始。輸入數(shù)據(jù)應(yīng)按圖2.3所示的結(jié)構(gòu)進行隨機化。PRBS(偽隨機序列)的生成多項為: 如圖2.3所示，將序列“100101010000000”輸入移位寄存器，在每8個傳輸包 1514 1xx 的起點使之初始化。為了向加擾器提供初始信號，每組8個包的第一個包中的同步字節(jié)從 47H翻轉(zhuǎn)為B8H，其他7個數(shù)據(jù)包的同步字節(jié)期間，擾碼繼續(xù)進行，但輸出“使能”端關(guān)斷， 即同步字節(jié)不加擾。因此，整個序列的長度為8188-1=1503字節(jié)(見圖2.4)這一過程稱 為“傳輸適用適配”。PRBS生成器輸出的第一個比特，應(yīng)送至翻轉(zhuǎn)的同步字節(jié)(B8H)后的 第一個比特。當(dāng)調(diào)制端沒有比特流輸入或輸入比特流與MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)不兼容時，隨機化的 過程仍然進行，這樣可以避免調(diào)制器輸出沒有調(diào)制的載波。系統(tǒng)中數(shù)據(jù)進行隨機化處理 后，最終的輸出數(shù)據(jù)具有弱的相關(guān)性，這樣才能在接收端進行有效同步。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 清除/隨機化 數(shù)據(jù)輸入 隨機化/去隨機化 數(shù)據(jù)輸出 使能 圖2.3 加擾器/解擾器原理圖 - 10 - 188Bytes SYNC 188Bytes SYNC 188BytesSYNC 8188-1 圖2.4 隨機化后的MPEG-2序列 對MPEG-2碼流的傳輸適配和去能量擴散是進行信道編碼的前奏，這個過程實際上是 MPEG-2的碼流序列與偽隨機序列按照某種方式進行異或，由于偽隨機序列是一個0與1近 似概率分布為1/2的序列，這樣就能夠避免出現(xiàn)連續(xù)的0或者連續(xù)的1，相當(dāng)于擴展了其頻 譜，然后將隨機化的MPEG-2數(shù)據(jù)流送入信道編碼器進行級聯(lián)編碼。 2.1.2 外碼編解碼(RS CODEC) RS(Reed-Solomon)碼是一種糾錯能力很強的多進制BCH碼。RS碼不僅是生成多項式的 根取自GF()域，其碼元符號也取自GF()域。也就是說，在一個(n，k)RS碼中，輸入 m 2 m 2 信號分成km比特一組，每組包括k個符號，每個符號由m個比特組成。 一個糾t個符號錯誤的RS碼有如下參數(shù)： . 碼長：n=個符號，或m()個比特12 m 12 m . 信息段：k個符號，或mk個比特 . 監(jiān)督段：n-k=2t個符號，或m(n-k)個比特 . 最小碼距：個符號，或m(2t+l)個比特12 min td RS碼是一個極大最小距離碼，也就是說，對于給定的(n,k)分組碼，沒有其它碼的最 小距離比RS碼的更大。這充分說明RS碼的糾錯能力很強。一個(n,k)RS碼的最小距離和碼 重分布完全由k和n兩個參數(shù)決定，這非常有利于根據(jù)指標(biāo)設(shè)計RS碼，也是RS廣為應(yīng)用的 原因。 RS碼是具有極大最小距離的分組碼，是本原BCH碼，具有很強的抗突發(fā)錯誤的能力。 RS碼(n,k,t)中 ，信息為k個碼元，每個碼元包含m個比特，碼長為,校驗碼元n-12 m n k=2t個，最小碼距個碼元。12 min td 本系統(tǒng)中的外層糾錯碼采用分組碼中的RS(204,188,8)的編碼，它是RS(255,239,8) 的截短編碼。在RS編碼中長碼截短后碼的特性和糾錯能力不變，所以編碼效率為 188/204=0.92。仍可以糾正一個RS碼字內(nèi)的不超過8個字節(jié)的誤碼。 域生成多項式為: (2-1)1)( 2348 xxxxxP - 11 - 碼的生成多項式為: (2-2) 15210 xxxxxg 其中，a=，編碼時每輸入k=188個字節(jié)信息位時，先在信息位前加上51個“0”字節(jié)， HEX 02 將信息位的長度變成標(biāo)準(zhǔn)的239個字節(jié)，然后根據(jù)這239個字節(jié)生成16個字節(jié)的校驗碼元， 產(chǎn)生255個字節(jié)的RS(255,239)碼字，碼字輸出前再將信息碼字前加入的“0”字節(jié)去掉， 變成RS(204,188)碼字輸出1。 RS解碼的基本思想就是： 假設(shè)所傳的碼字為： (2-3) 1 110 n n xvxvvxc 由于信道干擾而產(chǎn)生誤碼，使得收到的碼字r(x)為： (2-4) 1 110 n n xrxrrxr 誤差多項式e(x)為c(x)與r(x)之差： e(x)=r(x)-c(x)= (2-20) (2-5) 1 110 n n xexee 定義n,k,2t+lRS碼的2t個伴隨式(ti2t+l)為。由于均 i S i i rS i221 , 為每個被傳碼字C(X)的根，因而有和。顯然，伴隨式 0 i c iii i eecS 僅與誤差多項式e(x)有關(guān)，與接收到的碼字r(x)無關(guān)。 i S 假設(shè)有k個錯誤(k24MHz)，但轉(zhuǎn)發(fā)器的輻射功率不高(十幾 瓦至一百多瓦)，傳輸信道質(zhì)量不夠高(傳輸路徑遠(yuǎn)，特別是容易受雨衰影響)。因此，為 保證接收可靠，DVB-S采用了調(diào)制效率低、抗干擾能力強的QPSK調(diào)制。圖2.7是QPSK調(diào)制 星座圖，由圖可知，IQ=00對應(yīng)于45載波相位，IQ=10對應(yīng)于135載波相位，IQ=11對 應(yīng)于225載波相位，IQ=01對應(yīng)于3l5載波相位。 所以，使用的是格雷碼QPSK調(diào)制而不是DQPSK調(diào)制，雖然抗干擾能力有所增強，但是 會引入90，180相位模糊。這些相位模糊問題都可通過其相關(guān)特性在解碼時得以解決。 DVB-S系統(tǒng)使用傳統(tǒng)的格雷編碼絕對映射(相對于差分映射)和QPSK調(diào)制。在調(diào)制之前，I, Q分量信號需要通過平方根升余弦濾波，濾波器的函數(shù)表達(dá)式為： （2-11） 10 11 2 sin 2 1 2 1 11 2 1 N NN N N N ff fff ff f ff fH 其中是Nyquist頻率，是滾降因子。 22 1 s s N R T f35 . 0 I=1 Q=0 I=0 Q=1 I=0 Q=0 I=1 Q=1 圖2.7 QPSK調(diào)制星座圖 2.1.6 維特比解碼的基本原理 .在維特比解碼中，利用時間狀態(tài)圖來描述卷積碼的編碼過程尤為方便。以(2，1，3) - 16 - 卷積碼為例，它的編碼器及相應(yīng)的狀態(tài)圖分別如圖2.8和圖2.9所示。 圖2.8 （2，1，3）卷積碼編碼器狀態(tài)圖 D1D2 輸出 圖2.9 （2，1，3）卷積碼編碼器 雖然狀態(tài)圖能表示卷積編碼器在不同輸入序列下，編碼器各狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移關(guān)系， 但并不能表示出編碼器狀態(tài)轉(zhuǎn)移與時間的關(guān)系。為了表示這種關(guān)系，可以用籬笆或網(wǎng)格 (Trellis)圖來表示，如圖2.10所示。此圖是L=5時，該(2，1，3)碼的籬笆圖，即將狀態(tài) 圖在時間上展開。它由節(jié)點和分支組成，共有L+m個單位時間(節(jié)點)，以0至L十m-1表示。 若編碼器從(00)狀態(tài)開始，并且結(jié)束于狀態(tài)，則最先的2個時間單位(0，1)，相應(yīng)于 0 S 0 S 編碼器由狀態(tài)出發(fā)往各個狀態(tài)行進，而最后2個時間單位(6，7)，相應(yīng)于編碼器由各狀 0 S 態(tài)返回到狀態(tài)。因而，在開始和最后2個時間單位，編碼器不可能處于任意狀態(tài)中，而 0 S 只能處在某些特定狀態(tài)(如,)中之一，僅僅在其它時間單位，編碼器可以處于任何狀 0 S 1 S 態(tài)之中(即4個狀態(tài),中之任一個)。 0 S 1 S 2 S 3 S 籬笆圖中每一狀態(tài)有兩個輸入和兩個輸出分支。在某一時間單位(節(jié)點)i, 離開每一 狀態(tài)的虛線分支(下面分支)，表示輸入編碼器的信息子組；而實線分支(上面分支)1 i m 表示此時輸入至編碼器的信息子組；每一分支上的2個數(shù)字表示第 時刻編碼器輸0 i mi - 17 - 出的子組，因而籬笆圖上的每一條路徑都對應(yīng)于不同輸入的信息序列。由于 21 , iii ccc 所有可能輸入的信息序列共有個，因而籬笆圖上可能有的路徑也有條，相應(yīng)于 Lk0 2 Lk0 2 Lk0 2個長為的不同碼序列。 0 1 nmLNc 圖2.10 （2，1，3）碼L=5時的籬笆圖 一般情況下，(，m)卷積碼編碼器有共有個狀態(tài)，若輸入的信息序列長 0 n 0 k 1 0 2 mk 度是 (后(m一l)個碼元全為0)，則進入和離開每一狀態(tài)的各有條分支， 00 1 kmLk 0 k 0 2k 在籬笆圖上有條不同的路徑，相應(yīng)于編碼器輸出的個碼序列。 Lk0 2 Lk0 2 編碼器送出的碼序列C，經(jīng)過離散無記憶信道(DMC)傳輸后送入解碼器的是序列 R=C+E，E是信道錯誤序列。解碼器根據(jù)接收序列R，按最大似然譯碼準(zhǔn)則力圖找出編碼器 在籬笆圖上所走過的路徑，這個過程就是解碼器計算、尋找最大似然函數(shù) j=1,2, jb j CRP|logmax Lk0 2 的過程，或者說解碼器計算、尋找具有最大“度量”的路徑過程，即尋找 j j CRM|max Lk j 0 2 , 2 , 1 的過程。式中,是的自然函數(shù)也稱為的路徑度量。 jbj CRPCRM|log| j C j C 對BSC信道而言，計算和尋找有最大度量的路徑，等價于尋找與R有最小漢明距離的 路徑，即尋找 j j CRd,min Lk j 0 2 , 2 , 1 對二進制輸入Q進制輸出的DMC信道而言，就是尋找與R有最小軟距離的路徑，此時的 - 18 - 度量就是軟判決距離。 jsss j CRd,min Lk j 0 2 , 2 , 1 式中：與是接收序列R與序列的Q進制表示。 s R js C j C 但是，用上述這些方法解碼是難以實現(xiàn)的。例如L=50，=3，=2，則共有 0 n 0 k 個碼序列(或籬笆圖上的路徑)。如果在一秒鐘內(nèi)送出這=100個信息元， 30100 1022 0 Lk Lk0 則信息傳輸率只有100bit/s，這是很低的。但即使是在如此低的信息速率下，也要求解 碼器在一秒鐘的時間內(nèi)計算、比較個似然函數(shù)(或漢明距離、軟距離)，這相當(dāng)于要求 30 10 解碼器計算每一個似然函數(shù)的時間小于s，這是根本無法實現(xiàn)的。更何況通常情況下 30 10 L不是幾十，而是成百上千，甚至無窮盡，因此，必須尋找新的最大似然解碼算法。 維特比算法正是為解決上述困難所引入的一種最大似然解碼算法。它并不是在籬笆 圖上一次比較所有可能的條路徑，而是接收一段，計算、比較一段，選擇一段最可能 Lk0 2 的碼段，從而達(dá)到整個碼序列是一個最大似然函數(shù)的序列?，F(xiàn)把維特比解碼算法的步驟 簡述如下： (1) 從某一時間單位j開始，對進入每一狀態(tài)的所有長為j段分支的部分路徑，計算部分路 徑度量。對每一狀態(tài)，挑選并存貯一條有最大度量的部分路徑及其部分度量值，稱此部 分路徑為幸存路徑。 (2)j增加1，把此時刻進入每一狀態(tài)的所有分支度量，和同這些分支相連的前一時刻的幸 存路徑的度量相加，得到了此時刻進入每一狀態(tài)的幸存路徑，加以存貯并刪去其它所有 路徑，因此幸存路徑延長了一個分支。 (3)若，則重復(fù)以上各步，否則停止，解碼器得到了有最大路徑度量的路徑。1mLj 由單位時間m-1直至L，籬笆圖上個狀態(tài)中的每個狀態(tài)有一條幸存路徑，共有 1 0 2 mk 條。但在L單位時間后，籬笆圖上的狀態(tài)數(shù)目減少，幸存路徑也相應(yīng)減少。最后到 1 0 2 mk 第L+m-1單位時間，籬笆圖歸到全為0的狀態(tài)，因此僅剩下一條幸存路徑。這條路徑就 0 s 是要找的具有最大似然函數(shù)的路徑，也就是解碼器輸出的估值序列。由此可知，在籬笆 圖上用維特比解碼算法得到的路徑一定是一條最大似然路徑，因而這種解碼方法是最佳 的。 2.2 系統(tǒng)中的模塊仿真 - 19 - 2.2.1 RS編譯碼模塊的仿真 RS編譯碼在數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)中屬于信道編碼的外編碼，是由原系統(tǒng)的 RS（255，239，9）碼衍生的截短RS碼。在歐洲的DVB和美國的ATSC兩種不同的傳輸方式 中使用的RS碼也有所不同，但基本原理是一樣的，在仿真時只要設(shè)置好不同的參數(shù)就能 實現(xiàn)兩種不同的RS碼。 DVB的RS編譯碼器的仿真模塊如圖2.11所示，利用System View通信庫中豐富的模塊 進行搭建。在對本模塊設(shè)計搭建時，對RS子模塊按照數(shù)字電視傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)進行參數(shù)選擇， 所以在編碼和譯碼時選擇增加51個全零字節(jié)，來實現(xiàn)截短RS編碼（204，188，8），經(jīng)RS 編碼后，這些無用的字節(jié)將被刪除。實驗中使用的是（255，188，8）RS碼，中間使用了 比特符號和符號比特轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換參數(shù)為每符號8比特。信道中的噪聲用高斯噪聲信號源 來仿真，并使用了一個放大器作為信噪比控制器。 圖2.11 RS編譯碼仿真模塊組成 1、參數(shù)設(shè)置 圖2.11中各個子模塊的含義及參數(shù)設(shè)置如下： Token0:信號發(fā)生器PN碼序列（Amplitude=0.5v Rate=14.9294e+6Hz No.Levels=2）。 Token1,5:比特符號轉(zhuǎn)換和符號比特轉(zhuǎn)換（select bit order=MSB First Bits/Symbol=8 Threshold=0.5v）。 Token2,4:糾錯碼編譯碼器（RS,Code Length n=255,Information Symbols k=188,Correct t=8,No.of symbols=256,Pad zeros=51）。 - 20 - Token3、12：采樣器（Rate3=14.9294e+6Hz,Rate12=2.02499840425532e+6Hz）。 Token6、13：采樣延遲（Fill Last Register,被動屬性，Delay6=3360, Delay13=43）。 Token9：高斯噪聲發(fā)生器。 Token10：增益（Gain=-15dB