第4章手機(jī)電視信號(hào)處理技術(shù)4.1手機(jī)電視信號(hào)傳輸系統(tǒng)4.2能量擴(kuò)散4.3糾錯(cuò)編碼4.4數(shù)據(jù)交織和解交織4.5統(tǒng)計(jì)復(fù)用4.6字節(jié)到符號(hào)映射

4.1手機(jī)電視信號(hào)傳輸系統(tǒng)

4.1.1數(shù)字通信系統(tǒng)

數(shù)字通信系統(tǒng)的組成如圖4.1.1所示。整個(gè)通信系統(tǒng)包括信源部分、信道部分和信宿部分。信源部分主要由信源編碼組成；信道部分主要由信道編碼、傳輸線路(也簡(jiǎn)稱(chēng)信道)和信道解碼組成；信宿部分主要由信源解碼組成。圖4.1.1數(shù)字通信系統(tǒng)組成框圖在手機(jī)電視傳輸系統(tǒng)中，信源部分又可細(xì)分為數(shù)字視頻信源壓縮編碼、數(shù)字音頻信源壓縮編碼、數(shù)據(jù)編碼、節(jié)目流多路復(fù)用、傳輸流多路復(fù)用等，如圖4.1.2所示。圖4.1.2手機(jī)電視信源部分組成框圖信宿部分是信源部分的反過(guò)程。首先將收到的信號(hào)進(jìn)行傳輸流解多路復(fù)用，變成各個(gè)節(jié)目流，再?gòu)墓?jié)目流中進(jìn)行解多路復(fù)用，分解送出數(shù)字視頻信號(hào)、數(shù)字音頻信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)，最后分別進(jìn)行解壓縮，恢復(fù)得到原始的視頻信號(hào)，如圖4.1.3所示。圖4.1.3信宿部分組成框圖手機(jī)電視傳輸線路包括衛(wèi)星、移動(dòng)蜂窩網(wǎng)(3G)和地面廣播(大氣作為媒介)等。為了提高通信的可靠性，信道部分對(duì)信號(hào)處理極其嚴(yán)格，也極其復(fù)雜，包括的處理方法也較多。因此又把信道部分細(xì)分為外信道和內(nèi)信道，如圖4.1.4所示。圖4.1.4信道部分詳圖4.1.2手機(jī)電視衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)

手機(jī)電視衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)發(fā)射側(cè)電路框圖如圖4.1.5(a)所示。經(jīng)QPSK調(diào)制后的中頻(IF)信號(hào)，再經(jīng)頻譜搬移到射頻上，經(jīng)衛(wèi)星天線發(fā)射到衛(wèi)星上。接收側(cè)電路框圖如圖4.1.5(b)所示，它是發(fā)送側(cè)的反過(guò)程，在此不多述。圖4.1.5數(shù)字電視衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)4.1.3手機(jī)電視地面廣播系統(tǒng)

1.COFDM調(diào)制方案

歐洲手機(jī)電視地面廣播傳輸系統(tǒng)的信源采用H.264數(shù)字音頻、視頻壓縮編碼。其他特點(diǎn)是，采用編碼正交頻分多路調(diào)制(COFDM)方式，它是由內(nèi)碼編碼(Code)和正交頻分多路調(diào)制(OFDM)相組合的一種數(shù)字調(diào)制方式，稱(chēng)作編碼正交頻分多路調(diào)制(COFDM)方式。由于COFDM調(diào)制方式的抗多徑反射功能，它可以潛在地允許在單頻網(wǎng)中的相鄰網(wǎng)絡(luò)的電磁覆蓋重疊，在重疊的區(qū)域內(nèi)可以將來(lái)自兩個(gè)發(fā)射塔的電磁波看成是一個(gè)發(fā)射塔的電磁波與其自身反射波的疊加。但是如果兩個(gè)發(fā)射塔相距較遠(yuǎn)，發(fā)自兩塔的電磁波的時(shí)間延遲比較長(zhǎng)，系統(tǒng)就需要較大的保護(hù)間隔。由該種數(shù)字調(diào)制方式組成的數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)如圖4.1.6所示。圖4.1.6帶有正交頻分多路數(shù)字調(diào)制的手機(jī)電視系統(tǒng)

2.殘留邊帶(VSB)調(diào)制方案

美國(guó)ATSC-M/P/H手機(jī)電視方案的傳輸部分采用殘留邊帶(VSB)進(jìn)行高速數(shù)字調(diào)制，該地面廣播收、發(fā)系統(tǒng)如圖4.1.7所示。圖4.1.7殘留邊帶調(diào)制(VSB)手機(jī)電視傳輸系統(tǒng)

4.2能量擴(kuò)散

4.2.1能量擴(kuò)散的原理

在經(jīng)信源編碼和傳輸流復(fù)用之后，傳輸流將以固定數(shù)據(jù)長(zhǎng)度組織成數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)。在接收端只要檢測(cè)到翻轉(zhuǎn)的同步字

節(jié)，就說(shuō)明一個(gè)新幀群開(kāi)始，如圖4.2.1所示。圖4.2.1固定長(zhǎng)度數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)經(jīng)上述處理后的傳輸數(shù)據(jù)流，再按圖4.2.2中描述的格式進(jìn)行數(shù)據(jù)隨機(jī)化(即能量擴(kuò)散)。能量擴(kuò)散的目的是使數(shù)字電視信號(hào)的能量不過(guò)分集中在載頻上或“1”、“0”電平相對(duì)應(yīng)的頻率上，從而減小對(duì)其他通信設(shè)備的干擾，并有利于載波恢復(fù)。圖4.2.2數(shù)據(jù)隨機(jī)化/去隨機(jī)化(能量擴(kuò)散/解擴(kuò)散電路)當(dāng)輸入為全1，周期為100時(shí)，其輸出結(jié)果如圖4.2.3所示。

當(dāng)輸入8個(gè)0和8個(gè)1，周期為100時(shí)，其輸出結(jié)果如圖4.2.4所示。圖4.2.3輸入為全1及周期為100時(shí)的輸出結(jié)果圖4.2.4輸入8個(gè)0和8個(gè)1及周期為100時(shí)的輸出結(jié)果

4.3糾錯(cuò)編碼

4.3.1

RS碼

外碼糾錯(cuò)編碼釆用RS碼。RS碼是一種性能優(yōu)良的分組線性碼，在同樣編碼冗余度下RS碼具有很強(qiáng)的糾錯(cuò)能力。同時(shí)，由于近年來(lái)超大規(guī)模集成電路(VLSI)技術(shù)的發(fā)展，使原來(lái)非常復(fù)雜、難以實(shí)現(xiàn)的譯碼電路集成化，目前功能很強(qiáng)的、長(zhǎng)RS碼的編譯碼器芯片也商業(yè)化了。

1.RS碼的糾錯(cuò)

在實(shí)際應(yīng)用中，有限域元素個(gè)數(shù)一般取為2的冪，即

q=2m，于是碼長(zhǎng)N=2m－1。例如，在ATSC-M/P/H傳輸方案中，采用RS碼(255，245)。這時(shí)m=8，碼字由255個(gè)8bit

字符組成，能糾正t=5個(gè)隨機(jī)錯(cuò)誤。在手機(jī)電視中，RS碼和格狀編碼級(jí)聯(lián)使用，如果在系統(tǒng)中采用充分的數(shù)據(jù)交織，則可以認(rèn)為在RS譯碼器輸入的數(shù)據(jù)差錯(cuò)是純隨機(jī)的。若用

Pbi表示RS碼譯碼器輸入的誤比特率，則RS譯碼器輸入的誤符號(hào)率為

Psi＝1－(1－Pbi)m

(4.3.1)如果RS碼的最小漢明(Hamming)距離d=2t+1，則該碼可以糾正任意t個(gè)符號(hào)錯(cuò)誤，所以RS碼的譯碼錯(cuò)誤概率為

(4.3.2)

而譯碼器輸出的誤符號(hào)率為

Pso＝1－(1－Pe)1/N

(4.3.3)

譯碼器輸出的誤比特率為

Pbo＝1－(1－Pso)1/m

(4.3.4)如果格狀內(nèi)碼的Viterbi譯碼器還可以提供關(guān)于判決可靠性的邊信息(SideInformation)，比如說(shuō)Viterbi譯碼中最大路徑值和次最大路徑值之差是否小于某個(gè)門(mén)限。若小于某個(gè)門(mén)限，則可以認(rèn)為這時(shí)的判決是不可靠的，從而輸出一個(gè)刪除空格。RS碼既可用于糾正符號(hào)錯(cuò)誤，又可用來(lái)正確填充刪除空格。對(duì)于一個(gè)距離d=2t+1的RS碼，它可糾正i＜2t個(gè)刪除錯(cuò)誤，同時(shí)可糾正j＜t(i)個(gè)符號(hào)錯(cuò)誤，其中

其中［x］表示小于等于x的最大整數(shù)，對(duì)于同時(shí)糾正符號(hào)錯(cuò)誤和刪除錯(cuò)誤的碼來(lái)說(shuō)，其譯碼錯(cuò)誤概率為

(4.3.5)

其中，Pers表示輸入符號(hào)被刪除的概率。輸出誤比特率由式(4.3.3)和式(4.3.4)求出，其中用Pt代替前面的Pe。同時(shí)糾正符號(hào)錯(cuò)誤和刪除錯(cuò)誤的RS碼可以進(jìn)一步提高糾錯(cuò)能力。

2.RS碼在手機(jī)電視傳輸標(biāo)準(zhǔn)中的應(yīng)用

1)RS碼的基本參數(shù)

(1)輸入信息可分為k×m比特一組，每組k個(gè)符號(hào)，每個(gè)符號(hào)由m比特組成。

(2)碼長(zhǎng):n=2m－1符號(hào)或m(2m－1)比特;

信息段:k個(gè)符號(hào)或比特;

可糾錯(cuò)能力:t個(gè)符號(hào)或mt比特;

監(jiān)督段:n－k=2t符號(hào)，或m(n－k)=2mt比特;

最小距離:d=2t+1符號(hào)，或md=m(2t+1)比特。

2)RS碼的糾錯(cuò)能力

(1)RS碼同時(shí)具有糾正隨機(jī)與突發(fā)差錯(cuò)的能力，且糾突發(fā)差錯(cuò)能力更強(qiáng)。

(2)RS碼可糾正的錯(cuò)誤圖樣有:

總長(zhǎng)度b1=(t－1)m+1比特的單個(gè)突發(fā)差錯(cuò);

總長(zhǎng)度b2=(t－3)m+3比特的2個(gè)突發(fā)差錯(cuò);

總長(zhǎng)度bi=(t－2i+1)m+2i－1比特的i個(gè)突發(fā)差錯(cuò)。4.3.2

BCH碼

1.概述

1959年，Bose、Chandhari和Hocquenghem發(fā)明了一類(lèi)能糾多個(gè)隨機(jī)錯(cuò)誤的循環(huán)碼，并以他們名字的第一個(gè)字母命名，這就是BCH碼。BCH碼解決了生成多項(xiàng)式與最小碼距之間的關(guān)系問(wèn)題，根據(jù)所要求的糾錯(cuò)能力，可以很容易地構(gòu)造出BCH碼。

2.BCH碼編碼電路舉例

例如有BCH(762，752)碼，下面我們來(lái)分析編碼過(guò)程。

BCH(762，752)碼由BCH(1023，1013)碼縮短而成，752bit信息位前添加261個(gè)比特0成為1013長(zhǎng)度，編碼成1023位，信息位在前，校驗(yàn)位在后，然后將前261個(gè)比特0丟掉，形成762碼。

BCH(762，752)碼的生成多項(xiàng)式為

g(x)=1+X3+X10

編碼過(guò)程就是解決以生成多項(xiàng)式為模的除法問(wèn)題，采用線性反饋移位寄存來(lái)實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)式的除法運(yùn)算，編碼電路圖如圖4.3.1所示。圖4.3.1

BCH(762，752)編碼電路圖圖4.3.1中0～9分別為10個(gè)寄存器，表示加法器，通常由異或門(mén)實(shí)現(xiàn)，在二進(jìn)制時(shí)，若碼生成多項(xiàng)式的系數(shù)為1，則反饋直接連通，為0則斷開(kāi)。

如圖4.3.1所示的BCH(762，752)編碼電路圖，當(dāng)開(kāi)關(guān)K1、K2分別接1時(shí)，輸入的有效數(shù)據(jù)752bit一路直接輸出，另一路進(jìn)入編碼電路，進(jìn)入編碼電路的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算得到校驗(yàn)比特。當(dāng)752bit有效數(shù)據(jù)輸入完畢后，開(kāi)關(guān)K1、K2分別接2，移位寄存器中的10bit校驗(yàn)位移出電路，此時(shí)輸出的數(shù)據(jù)總數(shù)為762bit，從而完成一幀BCH編碼。然后，移位寄存器清零，電路復(fù)位。輸入、輸出、校驗(yàn)比特的時(shí)序圖如圖4.3.2

所示。BCH編碼硬件電路比較簡(jiǎn)單，使用10個(gè)移位寄存器、兩個(gè)加法器和兩個(gè)門(mén)電路即可實(shí)現(xiàn)。圖4.3.2輸入、輸出、校驗(yàn)比特時(shí)序圖

3.譯碼方法和電路

循環(huán)碼的譯碼可以分以下三步進(jìn)行：

(1)由接收到的碼多項(xiàng)式B(x)計(jì)算校正子(伴隨式)多項(xiàng)式S(x)。

(2)由校正子S(x)確定錯(cuò)誤圖樣E(x)。

(3)將錯(cuò)誤圖樣E(x)與B(x)相加，糾正錯(cuò)誤。

圖4.3.3是BCH譯碼電路。輸入信號(hào)一路送給校正子計(jì)算電路，另一路送給k級(jí)緩存器。校正子計(jì)算電路經(jīng)過(guò)計(jì)算后把數(shù)據(jù)送給錯(cuò)誤圖樣識(shí)別器，最后由錯(cuò)誤圖樣識(shí)別器送出的信號(hào)與k級(jí)緩存器送出的信號(hào)進(jìn)行模2加就得到糾錯(cuò)后的信號(hào)輸出。圖4.3.3

BCH譯碼電路4.3.3

Turbo碼

1993年，在ICC國(guó)際會(huì)議上兩位法國(guó)教授與一位緬甸籍博士共同提出了Turbo碼。其中，Turbo帶有渦輪驅(qū)動(dòng)，即反復(fù)迭代的含義。

1.Turbo碼編碼原理

Turbo碼編碼原理如圖4.3.4所示。圖4.3.4

Turbo碼編碼原理框圖

2.Turbo碼譯碼器的結(jié)構(gòu)

Turbo碼譯碼器的結(jié)構(gòu)如圖4.3.5所示。圖4.3.5

Turbo碼譯碼器結(jié)構(gòu)框圖

3.結(jié)論分析

經(jīng)初步分析，Turbo碼的優(yōu)良性能是由分量碼設(shè)計(jì)、交織器設(shè)計(jì)、譯碼算法及其并聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合優(yōu)化共同取得的。4.3.4

LDPC碼

1.概述

1962年，Gallager首先提出了低密度奇偶校驗(yàn)碼(Low-DensityParity-CheckCode，LDPC)，該碼的性能十分接近

香農(nóng)限，而且是可以實(shí)現(xiàn)的編碼方案，其性能甚至超過(guò)了Turbo碼。

LDPC碼可以用一種稱(chēng)為“Tanner”圖的雙向圖來(lái)更有效地表示。雙向圖可以描述為:所有節(jié)點(diǎn)分為兩類(lèi)，節(jié)點(diǎn)間用無(wú)方向的邊連接，但這些邊不能連接屬于同一類(lèi)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)。這兩類(lèi)節(jié)點(diǎn)在Tanner圖中稱(chēng)為比特節(jié)點(diǎn)和校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)。Tanner圖按如下規(guī)則描畫(huà):當(dāng)H中的元素h為1時(shí)，校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)

fj(j=1，…，N－K)連接到比特節(jié)點(diǎn)xi(i=1，…，N)。圖4.3.6表示了根據(jù)一個(gè)簡(jiǎn)單的奇偶校驗(yàn)矩陣畫(huà)的對(duì)應(yīng)的Tanner圖。圖4.3.6奇偶校驗(yàn)矩陣的Tanner圖在這個(gè)圖中，每個(gè)比特節(jié)點(diǎn)被連接到兩個(gè)校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)(比特度數(shù)為2)，每個(gè)校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)的度數(shù)為4。

(4.3.6)

2.LDPC碼編碼

作為一個(gè)例子，我們假設(shè)要在某信道上傳輸信息比特組m=［1，0，1，1］，首先用下面的矩陣編碼:

(4.3.7)則可求出P矩陣，從而得出矩陣G:

(4.3.8)

輸出碼字C=mG=［1011001］。

3.LDPC碼譯碼算法

例如，考慮(7，4)漢明碼，將此碼經(jīng)BPSK調(diào)制后傳給一個(gè)AWGN信道，傳輸?shù)姆?hào)為xK∈{±1}(xK=(－1)k)。可以繪出圖4.3.7所示的Tanner圖。圖4.3.7

(7，4)漢明碼的Tanner圖4.3.5格狀編碼(TCM)

1982年Ungerboeck提出了格狀編碼調(diào)制技術(shù)(又稱(chēng)碼調(diào))，將編碼和調(diào)制技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。圖4.3.8所示是

卷積編碼(格狀編碼)的一種。圖4.3.8卷積碼及格狀圖

1.格狀編碼

1)卷積編碼及格狀圖

按圖示的結(jié)構(gòu)，j時(shí)刻編成的碼:

(4.3.9)

式中，表示模2和運(yùn)算(0＋0＝1+1＝0，0＋1＝1＋0＝1)，式(4.3.9)可寫(xiě)成通式:

(4.3.10)

式中，∑是模2和累加，·是乘法運(yùn)算，m－1是編碼器存儲(chǔ)單元數(shù)。比較收到的碼和路徑發(fā)展編成碼之間或路徑與路徑之間的一種距離測(cè)距叫漢明距離，定義為把碼序列{ui}和{vi}作比較：

(4.3.11)

2)調(diào)制映射與最小自由路徑距離

格狀編碼調(diào)制把信道編碼與調(diào)制傳輸信號(hào)星座圖看成一個(gè)總體來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。通常把信號(hào)集合擴(kuò)展一倍為糾錯(cuò)編碼提供所需的冗余度。美國(guó)ATSC-M/P/H的傳輸方案中，傳輸數(shù)據(jù)率為21.28Mb/s，傳輸方案采納格狀編碼，8VSB格狀編碼方框圖如圖4.3.9所示，其中用到了3個(gè)信道符號(hào)。圖4.3.9

3bit8VSB-TCM結(jié)構(gòu)框圖現(xiàn)在以8VSB的一維星座點(diǎn)為例說(shuō)明這種分割方法，如圖4.3.10所示。圖4.3.10

8VSB信號(hào)的映射構(gòu)成方法

3)16/32QAM格狀編碼

圖4.3.11(a)是編碼器的原理結(jié)構(gòu)框圖，圖中當(dāng)x4→y4線斷開(kāi)時(shí)，輸入x3x2x1信息碼，經(jīng)過(guò)(4，3，3)卷積碼編碼(r=3/4)成為y3y2y1y0，映射到16QAM信號(hào)即成為T(mén)CM-16QAM。當(dāng)接通x4→y4線時(shí)，變?yōu)?5，4，3)卷積碼編碼(r=4/5)成為y4y3y2y1y0，這時(shí)用作32QAM，即成為T(mén)CM-32QAM。編碼器中使用了3個(gè)存儲(chǔ)單元，其中x1信息碼經(jīng)過(guò)2個(gè)存儲(chǔ)單元是最多的，約束是按最多的一路編碼使用的存儲(chǔ)單元數(shù)計(jì)算的，為m=2＋1=3。編碼方程式為

(4.3.12)采用了圖4.3.11(a)所示結(jié)構(gòu)的16/32QAM的格狀編碼的格狀圖是相同的，由M狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖重復(fù)構(gòu)成，如圖4.3.11(b)所示。這是一個(gè)8狀態(tài)格狀圖。圖4.3.12和圖4.3.13是16QAM和32QAM信號(hào)劃分成子集信號(hào)的方法。圖4.3.11一種TCM-QAM調(diào)制器圖4.3.12

16QAM信號(hào)劃分和映射方法圖4.3.13

32QAM信號(hào)劃分和映射方法(略去最后2次劃分映射)這種格狀編碼調(diào)制用的卷積碼的約束m＝3，因此，兩頂點(diǎn)間至少經(jīng)過(guò)3次轉(zhuǎn)移才有不同的編碼路徑，可從3段轉(zhuǎn)移的兩頂點(diǎn)間不同路徑中的距離最小的定為dfree，如圖4.3.14

所示。圖4.3.14從M(000)經(jīng)過(guò)3次轉(zhuǎn)移回到M(000)的可能編碼路徑

2.格狀編碼調(diào)制的性能

在圖4.3.15中示出了傳送相同數(shù)據(jù)率的4VSB、16QAM和16QAM-OFDM的性能曲線，三者相差不多，只是4VSB略好一些。對(duì)于屬于MPAM類(lèi)型調(diào)制的MVSB，把PAM比特誤碼率公式中的比特信噪比改換成信號(hào)平均功率信噪比，式中erfc的宗量除以lbM就成為符號(hào)錯(cuò)誤概率和信噪比的關(guān)系:

(4.3.13)

式中，Psav/N為信號(hào)平均功率信噪比，erfc為誤差函數(shù)。

MQAM可以看成正交載波上兩個(gè)分開(kāi)的PAM信號(hào)。接收時(shí)MQAM信號(hào)分成兩個(gè)信號(hào)來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。每一路載波PAM的符號(hào)錯(cuò)誤概率為

(4.3.14)

因?yàn)橐獌陕窓z測(cè)正確時(shí)才算正確，而兩路檢測(cè)正確的概率為，于是MQAM的符號(hào)錯(cuò)誤概率為

(4.3.15)在小的符號(hào)錯(cuò)誤概率時(shí)

所以

(4.3.16)下面討論格狀編碼的性能。譯碼是按照搜索為似然路徑進(jìn)行的，誤差是由于偏離正確路徑所引起，當(dāng)Pd小時(shí)，譯碼錯(cuò)誤概率為

或

(4.3.17)式中，Ad

為偏離正確途徑距離為d的路徑數(shù)，Pd為譯到這條路徑的概率。我們知道，出現(xiàn)錯(cuò)誤路徑很多，而它們和正確途徑的距離大于或等于dfree。一般情況下，只要d稍大一些，Pd就迅速減小，所以錯(cuò)誤譯碼概率的限值為

Pe≈AdfPdf

(4.3.18)式中，Adf

為偏離正確途徑距離dfree的路徑數(shù)，Pdf為譯到這些路徑的概率。因此可以粗略地估計(jì)TCM-VSB的性能。事實(shí)上，M進(jìn)制和星座點(diǎn)最小距離Δ0的關(guān)系為3/(M2－1)=(Δ0/2)2,則式中，Δ0為M進(jìn)制兩信號(hào)電平的最小距離，而M進(jìn)制電平按±1，±3，±5，…的比例關(guān)系設(shè)置。前面講的卷積碼m=3，距離為最小的dfree路徑都是3段轉(zhuǎn)移的路徑。根據(jù)調(diào)制映射與最小自由路徑距離的每段和原路徑距離為aiΔ0(ai為隨調(diào)制和不同的卷積碼找出dfree得到的系數(shù))。要逐段每段都判到該路徑段上才會(huì)錯(cuò)誤判為該路徑，所以對(duì)VSB

(4.3.19)當(dāng)x大時(shí)，誤差函數(shù)可用下面的近似式

用此式代入式(4.3.11)，3項(xiàng)連乘式中有

可化成并有3個(gè)xi相乘出現(xiàn)在分母中，可看出式(4.3.19)在數(shù)

值上小于用式(4.3.13)計(jì)算中把

的結(jié)果。計(jì)算中把Δ0換為dfree相當(dāng)于把符號(hào)錯(cuò)誤概率曲線在S/N

橫坐標(biāo)向左移20lg(dfree/Δ0)=GdB。在TCM-8VSB中，按上面的討論分析，由于噪聲使譯碼誤判到最近的dfree路徑數(shù)

Adf=1，故這結(jié)果可以作為符號(hào)錯(cuò)誤概率的上界。這種近似估計(jì)也可用到TCM-16/32QAM中，不過(guò)按圖4.3.14分析，這時(shí)Adf=2。現(xiàn)把4VSB、16QAM和16QAM-OFDM的符號(hào)錯(cuò)誤概率曲線和TCM-8VSB、TCM-16/32QAM和TCM-16QAM-OFDM的符號(hào)錯(cuò)誤概率曲線示于圖4.3.15中。可看到在低符號(hào)錯(cuò)誤概率下按自由路徑改善GdB數(shù)左移可作為近似估計(jì)。圖4.3.15白高斯噪聲下格狀編碼的性能那么，能不能不分內(nèi)信道編碼和外信道編碼，而設(shè)計(jì)成一個(gè)信道編碼和調(diào)制結(jié)合起來(lái)達(dá)到最佳的性能？?jī)?nèi)外信道編碼分工的結(jié)果如圖4.3.16所示。圖4.3.16內(nèi)外信道分工示意圖

3.格狀編碼調(diào)制的維特比譯碼算法

1)維特比譯碼算法的原理

(1)4狀態(tài)卷積編碼器及狀態(tài)轉(zhuǎn)移格狀圖。4狀態(tài)卷積編碼器采用如圖4.3.17所示的結(jié)構(gòu)，輸入1bit信號(hào)經(jīng)卷積編碼器輸出為2位。其狀態(tài)轉(zhuǎn)移格狀圖如圖4.3.18所示。圖4.3.17狀態(tài)卷積編碼器圖4.3.18狀態(tài)卷積編碼的狀態(tài)轉(zhuǎn)移格狀圖

(2)維特比譯碼算法的基本原理。維特比譯碼方法是1967年由Viterbi提出的一種最大似然譯碼方法，它不僅是卷積碼的一種重要譯碼方法，而且可用于一般的時(shí)間離散、狀態(tài)有限的馬爾可夫過(guò)程的最佳估值。由貝葉斯定理，按

(4.3.20)

最大進(jìn)行判決。由于lgx是x的單調(diào)函數(shù)，因此，為處理方便，定義判決變量為

(4.3.21)

上式即為最大似然譯碼的判決變量。對(duì)于二元雙向?qū)ΨQ(chēng)信道BSC(BSC定義為：調(diào)制器輸出為二元信號(hào)；噪聲的幅度分布是對(duì)稱(chēng)的；解調(diào)器的輸出為2電平量化)，可用轉(zhuǎn)移概率p來(lái)描述。p表示發(fā)送端發(fā)0而接收端收到1或發(fā)送端發(fā)1而接收端收到0的概率，即錯(cuò)誤概率

(4.3.22)

正確概率為

(4.3.23)所以，對(duì)于無(wú)記憶二元雙向?qū)ΨQ(chēng)信道，其最大似然譯碼的判決變量為

(4.3.24)

式中，d(R，ci)為接收序列R與可能的碼序列ci相比不相等的位數(shù)，即它們之間的漢明距離。一般地，假設(shè)噪聲對(duì)每個(gè)符號(hào)的影響是獨(dú)立的，并且是均值0、方差σ2=N0/2的高斯過(guò)程，由式(4.3.21)可知：

(4.3.25)當(dāng)歐氏距離d為最小時(shí)，

(4.3.26)

可使式(4.3.25)取最大值。

式(4.3.26)為接收信號(hào)與可能的碼序列之間的歐氏距離。

2)硬判決維特比譯碼的過(guò)程

硬判決維特比譯碼是在檢測(cè)判決成二進(jìn)制序列后進(jìn)行譯碼。下面以圖4.3.17中的卷積碼為例來(lái)說(shuō)明硬判決維特比譯碼的過(guò)程。

按照?qǐng)D4.3.18的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，我們將譯碼的前三步表示于圖4.3.19(a)、(b)和(c)，在譯碼開(kāi)始的第一步和第二步，路徑從2條發(fā)展到4條，相應(yīng)的譯碼序列和距離注在圖中。圖4.3.19卷積碼譯碼步驟

3)軟判決維特比譯碼的過(guò)程

軟判決維特比譯碼是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行較精細(xì)的量化，用歐氏距離代替漢明距離作為判據(jù)，以此來(lái)計(jì)算假設(shè)路徑與接收信號(hào)間的距離并選定幸存路徑、進(jìn)行譯碼的方法。

下面以HDTV地面廣播中使用的8狀態(tài)TCM-32QAM為例，介紹軟判決維特比譯碼的過(guò)程。

為說(shuō)明問(wèn)題，圖4.3.20給出了編碼器的結(jié)構(gòu)，圖4.3.21給出了星座點(diǎn)映射，圖4.3.22給出了狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。圖4.3.22中

Di為第i個(gè)子集，其編碼器輸出的低3位為i(八進(jìn)制)，由輸入

信號(hào)和當(dāng)前狀態(tài)決定，高2位代表并行轉(zhuǎn)移的4條路徑。圖4.3.20

TCM-32QAM編碼器圖4.3.21

TCM-32QAM的星座點(diǎn)映射圖4.3.22

8狀態(tài)TCM-32QAM的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖按維特比譯碼算法的原理，實(shí)際的譯碼方法如下：

首先，在每時(shí)刻kT，計(jì)算接收信號(hào)與星座圖中各點(diǎn)的歐氏距離，比較并選擇并行轉(zhuǎn)移路徑中的最小值作為當(dāng)前狀態(tài)Sj在下一時(shí)刻(k＋1)T到達(dá)某一狀態(tài)Si的分支度量λij，k。

其次，計(jì)算時(shí)刻(k＋1)T到達(dá)各個(gè)狀態(tài)的所有路徑的距離，存儲(chǔ)到達(dá)各個(gè)狀態(tài)的所有路徑的歐氏距離中的最小值

γi，k＋1作為該狀態(tài)的積累度量及相應(yīng)的路徑作為該狀態(tài)

的幸存路徑，即

(4.3.27)

在任一時(shí)刻的幸存路徑數(shù)目與狀態(tài)數(shù)相同，在此為8條。

4.4數(shù)據(jù)交織和解交織

4.4.1概述

交織器實(shí)際上就是將數(shù)據(jù)序列中的元素重新置位，從而得到交織序列的過(guò)程。數(shù)據(jù)交織也稱(chēng)數(shù)據(jù)交織編碼，交織編碼是通過(guò)交織與解交織將一個(gè)有記憶的突發(fā)差錯(cuò)信道，改造為基本上是無(wú)記憶的隨機(jī)獨(dú)立差錯(cuò)的信道。4.4.2常用交織器

1.塊交織

1)塊交織的原理

(1)設(shè)發(fā)端待發(fā)送的一組信息為X=(A01，A02，A03，A04，A05，A06，A07，A08，A09，A10，A11，A12，A13，A14，A15，A16，A17，A18，A19，A20，A21，A22，A23，A24，A25)。

(2)交織存儲(chǔ)器為一行列交織矩陣，它按列寫(xiě)入、按行

讀出：

(4.4.1)

(3)交織器輸出并送入突發(fā)信道的信息為

X′=(A01，A06，A11，A16，A21，A02，A07，

A12，A17，A22，A03，A08，A13，A18，

A23，A04，A09，A14，A19，A24，A05，

A10，A15，A20，A25)

(4)設(shè)信道產(chǎn)生兩個(gè)突發(fā)錯(cuò)誤：第一個(gè)產(chǎn)生于A1A6A11A16

A21，連錯(cuò)5位；第二個(gè)產(chǎn)生于A3A8A13A18，連錯(cuò)4位。

(5)突發(fā)信道輸出端的信息X″可表示為

(6)收端進(jìn)入去交織后，送入另一存儲(chǔ)器，也是一個(gè)行列交織矩陣，按行寫(xiě)入、按列讀出：

(4.4.2)

(7)去交織存儲(chǔ)器的輸出為：

(8)由上可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)交織矩陣與去交織矩陣后，原來(lái)信道中的突發(fā)錯(cuò)誤，即兩個(gè)突發(fā)5位連錯(cuò)和4位連錯(cuò)，卻變成了

中的隨機(jī)性的獨(dú)立差錯(cuò)。

2)塊交織的基本性質(zhì)

設(shè)分組長(zhǎng)度L=M×N，即由M列到N行的矩陣構(gòu)成。其中，交織存儲(chǔ)器是按列寫(xiě)入、按行讀出，然后送入信道；進(jìn)入去交織矩陣存儲(chǔ)器，則是按行寫(xiě)入、按列讀出。利用這種行、列倒換，可將突發(fā)信道變換為等效的隨機(jī)獨(dú)立信道。這類(lèi)交織器屬于分組周期性交織器，具有如下性質(zhì)：

(1)任何長(zhǎng)度l≤M的突發(fā)差錯(cuò)，經(jīng)交織后成為至少被

N－1位隔開(kāi)后的一些單個(gè)獨(dú)立差錯(cuò)。

(2)任何長(zhǎng)度l>M的突發(fā)差錯(cuò)，經(jīng)去交織后，可將長(zhǎng)突發(fā)差錯(cuò)變換成長(zhǎng)度為l1=l/M的短突發(fā)差錯(cuò)。

(3)完成交織與去交織變換在不計(jì)信道時(shí)延條件下，將產(chǎn)生2MN個(gè)符號(hào)的時(shí)延，其中發(fā)、收端各占一半。

(4)在很特殊的情況下，周期為M的k個(gè)單個(gè)隨機(jī)獨(dú)立差錯(cuò)序列，經(jīng)交織與去交織后會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)度為l的突發(fā)差錯(cuò)。

3)利用塊交織原理組成的比特交織器

廣電總局提出的CMMB手機(jī)電視標(biāo)準(zhǔn)中，系統(tǒng)帶寬包括兩個(gè)，一個(gè)是8MHz，一個(gè)是2MHz。其采用的信道傳播技術(shù)是多載波的調(diào)制方式。在信道編碼上采用了LDPC編碼，在LDPC編碼后使用了比特交織器進(jìn)行交織。比特交織器采用Mb×Ib

的塊交織器，Mb和Ib

的取值見(jiàn)表4.4.1。LDPC編碼后的二進(jìn)制序列按照從上到下的順序依次寫(xiě)入塊交織器的每一行，直至填滿整個(gè)交織器，再?gòu)淖蟮接野戳幸来巫x出(見(jiàn)

圖4.4.1)。圖4.4.1比特交織

4)利用塊交織原理組成的字節(jié)交織器

在廣電總局提出的CMMB手機(jī)電視標(biāo)準(zhǔn)中，為了針對(duì)一些更惡劣的情況及進(jìn)一步提高接收終端的效果，附加了一個(gè)RS碼，并采用了字節(jié)塊交織。廣播信道整個(gè)功能的情況為:首先是一個(gè)上層的數(shù)據(jù)流，這個(gè)上層的數(shù)據(jù)流來(lái)了以后進(jìn)行RS的編碼和字節(jié)交織，然后進(jìn)行LDPC編碼，之后插入連續(xù)導(dǎo)頻，最后到射頻。該標(biāo)準(zhǔn)和其他標(biāo)準(zhǔn)不同的是，它的繞碼在后面而不是在前面，這樣使得RS糾錯(cuò)和字節(jié)塊交織完全統(tǒng)一起來(lái)，可以更加簡(jiǎn)單方便地在芯片上實(shí)現(xiàn)。

圖4.4.2示出了RS編碼和字節(jié)交織的工作原理。圖4.4.2

RS編碼和字節(jié)交織工作原理

5)糾錯(cuò)性能分析

信道中加上交織與解交織之后，可以使輸入數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)則進(jìn)行重新排列，對(duì)于我們經(jīng)常使用的外信道采用RS碼(糾錯(cuò)能力為n)，內(nèi)信道加上交織與解交織(交織深度為I)之

后，整個(gè)系統(tǒng)的糾錯(cuò)能力提高到nI。交織器輸入時(shí)是周期(為交織深度I)輪流的輸入，一個(gè)(n，I)同步交織器在該交織器輸出上的任何一個(gè)長(zhǎng)度為I的數(shù)據(jù)串中不包含交織前原來(lái)數(shù)據(jù)序列中相距小于I(交織分支數(shù)即交織深度)的任何兩個(gè)數(shù)據(jù)。也就是在解交織時(shí)，這I個(gè)數(shù)據(jù)會(huì)被分散到I個(gè)RS碼字中，每個(gè)RS碼的糾錯(cuò)能力為n，故整個(gè)系統(tǒng)的糾錯(cuò)能力為nI。

2.卷積交織

上面討論的塊交織有兩大缺點(diǎn)：①附加延時(shí)；②變隨機(jī)獨(dú)立差錯(cuò)為突發(fā)差錯(cuò)。

卷積交織的原理圖如圖4.4.3所示。它的性質(zhì)與塊交織器相似。圖4.4.3卷積交織器原理圖圖4.4.3中以箭頭表示的四個(gè)開(kāi)關(guān)自上而下往返同步工作。M表示能存儲(chǔ)5個(gè)比特的移位寄存器。工作步驟有以下兩步：

(1)將來(lái)自編碼器的信息符序列送入并行寄存器組。

(2)收端的寄存器與發(fā)端互補(bǔ)。

下面仍以L=MN=5×5=25個(gè)信息序列為例加以說(shuō)明。設(shè)待傳送信息序列為

X=(A01，A02，A03，A04，A05，A06，A07，

A08，A09，A10，A11，A12，A13，A14，

A15，A16，A17，A18，A19，A20，A21，

A22，A23，A24，A25)

發(fā)端交織器是碼元分組交織器，25個(gè)信息碼元分為5行5列，按行輸入，步驟如下：

(1)當(dāng)A01輸入交織器直通輸出至第一行第一列位置。

(2)當(dāng)A02輸入交織器經(jīng)M=5位延遲后輸出，至第二行第二列位置。

(3)當(dāng)A03輸入交織器經(jīng)2M=2×5=10位延遲后輸出，至第三行第三列位置。

(4)當(dāng)A04輸入交織器經(jīng)3M=3×5=15位延遲后輸出，至第四行第四列位置。

(5)當(dāng)A05輸入交織器經(jīng)4M=4×5=20位延遲后輸出，至第五行第五列位置。若用矩陣表示交織器的輸入，它是按行寫(xiě)入每行5個(gè)碼元，即

(4.4.3)經(jīng)過(guò)并行的N個(gè)(0，1，2，…，N－1)存儲(chǔ)器后，有

(4.4.4)收端去交織器用5×5矩陣表示如下：

輸入：

(4.4.5)輸出：

(4.4.6)按行讀出并送入信道譯碼器的碼序列為

可見(jiàn)信道中突發(fā)差錯(cuò)，去交織變換器成為隨機(jī)獨(dú)立差錯(cuò)，這些隨機(jī)獨(dú)立差錯(cuò)就很容易糾正過(guò)來(lái)了。

3.隨機(jī)交織器

無(wú)論是塊分組式交織還是卷積式交織，它們都屬于固定周期式排列的交織器，避免不了在特殊情況下將隨機(jī)獨(dú)立差錯(cuò)交織成突發(fā)差錯(cuò)的可能性。為了消除這類(lèi)意外的突發(fā)差錯(cuò)，建議采用偽隨機(jī)式的交織器。

4.頻率交織

頻率交織如圖4.4.4所示。交織參數(shù)的選擇，在頻域中受載波間隔和總的可供使用的帶寬的限制。頻率交織簡(jiǎn)單地說(shuō)就是將原始連續(xù)的比特盡可能配置到相距較遠(yuǎn)的載波上，而原始時(shí)間分開(kāi)的比特安置在相近的載波上。圖4.4.4不同節(jié)目的載波分配在不同的頻率點(diǎn)

5.時(shí)間交織

時(shí)間交織器和去交織器如圖4.4.5所示。在時(shí)域中受最大允許的信號(hào)時(shí)延(收、發(fā)端之間存儲(chǔ)器延時(shí)時(shí)間之和)的限制。連續(xù)的串行比特流ak首先在一個(gè)串/并變換器中被中間存

儲(chǔ)(通過(guò)存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn))，然后各個(gè)比特流在不同的幀中，即在不同的時(shí)刻傳送，自上而下往返同步工作，TF表示能延時(shí)的單位。工作步驟有以下兩步：

(1)將來(lái)自編碼器的信息序列送入并行寄存器組。

(2)收端的寄存器與發(fā)端互補(bǔ)。圖4.4.5時(shí)間交織器和去交織器工作原理

6.對(duì)角交織(列數(shù)據(jù)循環(huán)上移交織)

對(duì)角交織采用列數(shù)據(jù)循環(huán)上移交織的方案，采用每列數(shù)據(jù)循環(huán)上移的方法來(lái)改變數(shù)據(jù)的位置。具體操作如下：n個(gè)比特順序?qū)懭耄碙1×L2排成陣列，L1為行，L2為列，并取L2為偶數(shù)。交織時(shí)，第一列不變，第二列的每個(gè)數(shù)據(jù)相對(duì)第一列循環(huán)上移一位，第三列的每個(gè)數(shù)據(jù)相對(duì)第一列循環(huán)上移兩位，依次類(lèi)推，直到最后一列。將n個(gè)重排后的數(shù)據(jù)順序讀出，即完成交織。圖4.4.6給出了當(dāng)n=42，L1=7，L2=6時(shí)的交織方案交織前后的數(shù)據(jù)對(duì)比。圖4.4.6對(duì)角交織方案交織前后比較

7.雙射變換交織

從雙射變換交織器的設(shè)計(jì)原理可以知道，不論信息比特的位置在交織前后如何變化，必須保證對(duì)于某一位置上的信息比特，交織以后一定有唯一位置與之對(duì)應(yīng)，也即交織變換必須是一個(gè)雙射。利用雙射變換的交織生成算法如下：

假設(shè)交織器長(zhǎng)度為N，滿足N=2m(m>2)，k為信息比特的位置(k=1，2，…，N)。然后定義一組映射：

(a)映射f：k→(1+［k(k－1)/2modN］，f∈［1，N］；

(b)循環(huán)映射g：f(k)→f(k+1)；

(c)對(duì)換映射h：g(f)→g((f+N/2)modN)。設(shè)N、m為正整數(shù)，N=2m，k、s、t∈［0，N－1］，s≠t，設(shè)s>t，往證：f(s)≠f(t)，用反證法證明。

假設(shè)f(s)=f(t)，則n>0，n為整數(shù)，使得下式成立：

(1)

即

(2)令s＝t+x，x≥1，由(2)式得

(3)

設(shè)n＝n1

·n2>1，代入(3)式可得

(4)顯然，

(5)

(6)上式中m1、m2≥0，m1+m2=m+1，由(5)、(6)式可以得到：

(7)

當(dāng)m1、m2均不為零時(shí)，(7)式的等式右端是偶數(shù)，而等式左端是奇數(shù)，等式不成立，因此原假設(shè)f(s)=f(t)不成立，故f(s)≠f(t)。當(dāng)m1和m2中只有一個(gè)為0(不能同時(shí)為0)時(shí)，可以分為兩種情況來(lái)討論。

①若m1=0，則m2＝m+1，由(5)、(6)式可得

s－t=n1

(8)

s+t+1=2m+1·n2

(9)

由于t和s均小于或等于2m－1，故

t+s+1≤2m+1－1

(10)

又n2≥1，由(9)式可得

t+s+1≥2m+1

(11)

因此，(10)式與(11)式矛盾。②若m2＝0，則m1＝m+1，則(5)、(6)式可變?yōu)?/p>

(12)

(13)

由(12)式可得

s－t=2m+1·n1≥2m+1

(14)

再由(8)式可得

s－t≤2m+1－1

(15)這樣(14)式與(15)式矛盾，因此原假設(shè)不成立。綜上，有f(s)≠f(t)，也表明三組映射均為雙射。因此可以確定一個(gè)交織方案，具體實(shí)現(xiàn)方法如下：

①選擇好交織長(zhǎng)度N，滿足N＝2m；

②用1~N這N個(gè)數(shù)組成的集合S1表示信息比特的位置；

③將S1按規(guī)律f映射成序列S2，用S2表示新的序列信息比特的位置；

④將0~N依序列S2進(jìn)行g(shù)映射，得到序列S3(若k=N，則令k+1=0);

⑤將S3的前N/2和后N/2個(gè)數(shù)對(duì)換，得到序列S4；

⑥以S4所示信息比特的位置順序?qū)懗鲈蛄械脑?，交織結(jié)束。以下給出按此種交織方案進(jìn)行交織的例子，其中N＝16，k的取值為［1，16］。

設(shè)信息序列為

a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7，a8，a9，

a10，a11，a12，a13，a14，a15，a16

經(jīng)過(guò)f映射后變?yōu)?/p>

a1，a2，a4，a7，a11，a16，a6，a13，a5，

a14，a8，a3，a15，a12，a10，a9

經(jīng)過(guò)g映射后變?yōu)?/p>

a2，a4，a15，a7，a14，a13，a11，a3，a1，

a9，a16，a10，a5，a8，a12，a6

再經(jīng)過(guò)h映射后變?yōu)?/p>

a1，a9，a16，a10，a5，a8，a12，a6，a2，

a4，a15，a7，a14，a13，a11，a3利用雙射變換的交織方案具有以下特點(diǎn)：

(1)由于本分組交織器生成算法是經(jīng)過(guò)三步映射變換而來(lái)的，在數(shù)學(xué)構(gòu)造上的規(guī)律性使得它特別適合于變長(zhǎng)幀的數(shù)據(jù)傳輸，而且對(duì)于一定的交織長(zhǎng)度，其交織位置是確定的，但對(duì)于小交織器其性能要略差。

(2)本交織方案對(duì)交織長(zhǎng)度施加了較強(qiáng)的限制，交織長(zhǎng)度應(yīng)該為2的整數(shù)次冪。

(3)從相關(guān)系數(shù)來(lái)看，選取N=210，經(jīng)本交織方案交織后不動(dòng)點(diǎn)的個(gè)數(shù)為2，相關(guān)系數(shù)為2/1024=0.002，說(shuō)明該交織方案性能很好。

8.幻方交織

在古典數(shù)學(xué)中的幻方其實(shí)也是一種雙射，它也可以作為一種交織方案。以三階幻方為例，設(shè)原來(lái)的信息序列為a1，

a2，a3，a4，a5，a6，a7，a8，a9，我們將信息序列下角標(biāo)

1～9組成一個(gè)三階幻方(如圖4.4.7所示)，然后將其按行排列或列排列的方式讀出便可完成序列的交織。其按行排列方式交織后的信息序列為a8，a1，a6，a3，a5，a7，a4，a9，a2。圖4.4.7幻方交織該交織方案具有以下特點(diǎn)：

(1)由于構(gòu)成方陣的矩陣轉(zhuǎn)過(guò)90°仍構(gòu)成幻方。因?yàn)榛梅降谋憩F(xiàn)矩陣不同，所以該交織方案必須實(shí)現(xiàn)預(yù)定。在發(fā)送端和接收端有相同的交織方案，以保證解交織后能恢復(fù)正確的序列位置。

(2)幻方交織對(duì)交織長(zhǎng)度施加了較強(qiáng)的限制，交織長(zhǎng)度應(yīng)該為某整數(shù)的平方。

(3)幻方交織器對(duì)于某些指定的型號(hào)在相關(guān)性上表現(xiàn)很好?，F(xiàn)我們將幻方交織器和傳統(tǒng)的對(duì)角分塊交織器的性能進(jìn)行對(duì)比。分別選用交織長(zhǎng)度為11×11、21×21、31×31、88×88等幾種形式，理論計(jì)算結(jié)果說(shuō)明了幻方交織方式對(duì)于某些指定的型號(hào)在相關(guān)性上優(yōu)于傳統(tǒng)的對(duì)角分塊交織器(見(jiàn)表4.4.2)。4.4.3三種交織方案的仿真結(jié)果

下面我們對(duì)對(duì)角交織、雙射變換交織和幻方交織進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。在仿真實(shí)驗(yàn)中，選擇交織長(zhǎng)度為1024。對(duì)于對(duì)角交織方案和幻方交織方案，兩者均對(duì)應(yīng)于32×32的矩陣；對(duì)于利用雙射變換的交織方案，則對(duì)應(yīng)為210。圖4.4.8給出了在其他條件相同時(shí)，三種交織方案對(duì)Turbo碼誤比特率(BER)性能影響的仿真曲線。圖4.4.8三種交織方案對(duì)Turbo碼誤比特率性能影響的仿真曲線4.4.4手機(jī)電視中的實(shí)際交織電路舉例

1.美國(guó)ATSC-M/P/H標(biāo)準(zhǔn)中使用的卷積交織器

在手機(jī)電視標(biāo)準(zhǔn)中住往要進(jìn)行多次交織。例如，在美國(guó)ATSC-M/P/H標(biāo)準(zhǔn)中，在RS碼的格狀編碼之間要加交織，這是因?yàn)槔肰iterbi算法進(jìn)行格狀譯碼時(shí)，會(huì)出現(xiàn)差錯(cuò)擴(kuò)散，引起突發(fā)差錯(cuò)。為了對(duì)抗來(lái)自信道的脈沖干擾而引起的突發(fā)錯(cuò)誤，在格狀編碼和信道之間也要加交織器。一個(gè)(n2，n1)同步交織器滿足如下要求：在該交織器輸出上的任何一個(gè)長(zhǎng)度為n2的數(shù)據(jù)串中不包含交織前原來(lái)數(shù)據(jù)序列中相距小于n1(交織分支數(shù))的任何兩個(gè)數(shù)據(jù)。顯然，在發(fā)送端采用交織器，在接收端就要用解交織器把數(shù)據(jù)恢復(fù)過(guò)來(lái)。

可以證明，與(n2，n1)交織器相對(duì)應(yīng)的解交織器自身是一個(gè)

(n2，n1)交織器。對(duì)于(n2，n1)交織器來(lái)說(shuō)，有兩個(gè)性能是設(shè)計(jì)者所關(guān)心的：一個(gè)是編碼延時(shí)D，它定義為從數(shù)據(jù)進(jìn)入交織器到這個(gè)數(shù)據(jù)離開(kāi)交織器輸出的最大延時(shí)。另一個(gè)是交織器和解交織器的存儲(chǔ)容量S和Su。我們希望D和S、Su盡量小，但對(duì)(n2，n1)交織器來(lái)說(shuō)

圖4.4.9表示一種在ATSC-M/P/H方案中采用過(guò)的卷積型交織器。由于在該方案中采用縮短RS碼(208B，188B)，可糾正10個(gè)字節(jié)錯(cuò)誤。每個(gè)字節(jié)是8比特，所以圖中每一節(jié)

移位寄存器是一個(gè)字節(jié)。圖4.4.9

ATSC-M/P/H方案中的交織器與解交織器(M=4，B=52)

2.歐洲D(zhuǎn)VB-H標(biāo)準(zhǔn)中使用的卷積交織器

歐洲D(zhuǎn)VB-H標(biāo)準(zhǔn)使用的交織器，采用一個(gè)深度I=12的卷積交織(見(jiàn)圖4.4.10)，結(jié)果產(chǎn)生一個(gè)交織幀。I=12的卷積交織處理過(guò)程基于Forney逼近，它兼容RamseyⅢ逼近。交織幀

由重疊的糾錯(cuò)包組成，同時(shí)以MPEG-2同步字節(jié)為邊界(保留204bit的周期)。圖4.4.10

DVB-H標(biāo)準(zhǔn)使用的交織器和解交織器4.4.5交織與解交織的實(shí)現(xiàn)原理

1.交織與解交織的實(shí)現(xiàn)舉例

要實(shí)現(xiàn)交織器和解交織器，關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)12個(gè)通道，這12個(gè)通道可以看成是存儲(chǔ)器的不同存儲(chǔ)空間。

對(duì)于DVB-H系統(tǒng)，由于i=12，M=17，所以存儲(chǔ)器地址設(shè)計(jì)如圖4.4.11所示。圖4.4.11交織器與解交織器的存儲(chǔ)器地址空間分配例如，假設(shè)現(xiàn)在有一個(gè)i=4，M=3的交織器，輸入序列為1，2，3，4;5，6，7，8;9，10，11，12；…假設(shè)存儲(chǔ)器的初始數(shù)據(jù)為3，輸入序列依次進(jìn)入第1個(gè)~第4個(gè)通道，交織器的輸出數(shù)據(jù)如圖4.4.12所示。

如圖4.4.13所示，經(jīng)過(guò)解交織器的存儲(chǔ)器相反順序的讀數(shù)，輸出數(shù)據(jù)的順序與交織器的輸入順序是一樣的，實(shí)現(xiàn)了恢復(fù)功能。圖4.4.12交織器的輸出數(shù)據(jù)圖4.4.13經(jīng)過(guò)解交織器的存儲(chǔ)器相反順序的讀數(shù)

2.利用FPGA實(shí)現(xiàn)交織器舉例

交織器的FPGA(FieldProgrammableGateArray)實(shí)現(xiàn)主要有兩種方法:一種是利用VHDL語(yǔ)言，直接描述交織規(guī)則;另一種是采用查表法，實(shí)現(xiàn)交織法則。前者是采用VHDL語(yǔ)言直接對(duì)要交織的信號(hào)行為進(jìn)行描述，通過(guò)設(shè)計(jì)輸入、功能仿真、綜合布局布線、時(shí)序仿真就可以得到交織器的FPGA實(shí)現(xiàn);后者是直接將交織地址存放在內(nèi)部RAM上，當(dāng)要交織時(shí)，以順序地址直接讀取交織地址，并作譯碼輸出。以CCSDS給出的交織器實(shí)現(xiàn)規(guī)則為例，采用Matlab計(jì)算交織結(jié)果，建立交織列表來(lái)實(shí)現(xiàn)交織器。具體實(shí)現(xiàn)方式為:ROM存放交織地址，計(jì)數(shù)器產(chǎn)生順序地址，RAM作隨機(jī)存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)時(shí)，需順序地址，計(jì)數(shù)器的輸出直接送到RAM地址總線，作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的地址;輸出時(shí)，需交織地址，計(jì)數(shù)器的輸出直接送到ROM地址總線，再將ROM讀出的交織地址作為RAM的地址線，從RAM中讀出數(shù)據(jù)。交織器的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖4.4.14所示。圖4.4.14交織器的基本結(jié)構(gòu)框圖這里給出交織深度為12的交織器仿真過(guò)程，其他交織器改變交織深度和交織列表即可。仿真程序如下:

3.仿真結(jié)果

交織器的硬件設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)考慮的是控制信號(hào)和地址信號(hào)同步的實(shí)現(xiàn)。這里選擇Actel公司Cyclone系列中的EPIC3TIOOC6FPGA芯片作為目標(biāo)芯片。該芯片布線能力強(qiáng)，適合電子系統(tǒng)自動(dòng)化中芯片設(shè)計(jì)的可編程器件驗(yàn)證;其邏輯計(jì)算能力強(qiáng)，適合于完成時(shí)序較多的邏輯電路。

4.5統(tǒng)計(jì)復(fù)用

1.統(tǒng)計(jì)復(fù)用的引出

在手機(jī)電視多套節(jié)目信號(hào)傳輸中，幾路相互獨(dú)立的手機(jī)電視節(jié)目信號(hào)，采用統(tǒng)計(jì)復(fù)用技術(shù)共享一個(gè)信道，能使總碼率低于每路信號(hào)源突發(fā)所產(chǎn)生的最大碼率之和。在數(shù)字衛(wèi)星電視、地面數(shù)字視頻廣播等中也采用了統(tǒng)計(jì)復(fù)用技術(shù)在一個(gè)固定帶寬信道內(nèi)傳輸盡可能多的視頻節(jié)目，以更有效地利用有限的頻譜資源。采用統(tǒng)計(jì)復(fù)用技術(shù)傳輸可獲得統(tǒng)計(jì)增益，以充分利用網(wǎng)絡(luò)資源。

2.統(tǒng)計(jì)復(fù)用的基本原理

可變碼率(VBR)編碼按圖像復(fù)雜度調(diào)整輸出碼率，較固定碼率(CBR)編碼的圖像質(zhì)量更加穩(wěn)定。當(dāng)多路可變碼率編碼的視頻業(yè)務(wù)在同一固定速率信道內(nèi)傳輸時(shí)，采用統(tǒng)計(jì)復(fù)用技術(shù)還可使各業(yè)務(wù)碼率相互補(bǔ)償?shù)貏?dòng)態(tài)分配固定的信道容量。統(tǒng)計(jì)復(fù)用概念的提出，彌補(bǔ)了VBR編碼視頻的缺陷：在傳輸N路VBR業(yè)務(wù)時(shí)，采取降低各業(yè)務(wù)互相關(guān)性的辦法，避免各業(yè)務(wù)碼率同時(shí)達(dá)到最大或最小，使各業(yè)務(wù)碼率復(fù)用(累加)時(shí)不同碼率相互補(bǔ)充，使復(fù)合業(yè)務(wù)的碼率小于各路業(yè)務(wù)碼率的直接累加，即

(4.5.1)其中，Xi(n)為各VBR業(yè)務(wù)的碼率，C(n)為統(tǒng)計(jì)復(fù)用后的碼率。實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)復(fù)用的關(guān)鍵問(wèn)題是如何對(duì)圖像序列隨時(shí)進(jìn)行復(fù)雜度評(píng)估，如何實(shí)時(shí)進(jìn)行視頻業(yè)務(wù)的動(dòng)態(tài)分配帶寬。如圖4.5.1所示，對(duì)于復(fù)用業(yè)務(wù)仍然存在的小幅度波動(dòng)可采用緩存器加以吸收，以進(jìn)一步平滑業(yè)務(wù)，便于傳輸信道的接入。圖4.5.1統(tǒng)計(jì)復(fù)用實(shí)現(xiàn)過(guò)程

3.統(tǒng)計(jì)復(fù)用的實(shí)現(xiàn)方法

1)基于幀平移法的VBR視頻統(tǒng)計(jì)復(fù)用

H.264編碼VBR視頻業(yè)務(wù)具有明顯的偽周期性，如圖

4.5.2所示。從圖中可以看出，以GOP(12幀)為周期，出現(xiàn)

I幀較大的尖峰；在每個(gè)GOP中，按照P幀的間隔出現(xiàn)較小的峰值。這表明I幀碼率遠(yuǎn)大于B、P幀碼率，而P幀碼率又要大于B幀的碼率。圖4.5.2

VBR業(yè)務(wù)幀率分布由圖4.5.2可見(jiàn)，I幀的碼率超出B、P幀許多，所以圖4.5.1中緩沖器的容量必須很大，這將增加傳輸延時(shí)，而且峰值碼率(I幀)出現(xiàn)的時(shí)間很短，降低了緩沖器的使用效率。為此，通過(guò)引入幀平移法實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)復(fù)用，如圖4.5.3所示。圖4.5.3幀平移法

2)基于宏塊條(Slice)互相關(guān)的VBR視頻統(tǒng)計(jì)復(fù)用

H.264編碼視頻在幀以下還有兩個(gè)層次：宏塊條(Slice)和宏塊(MacroBlock，MB)。宏塊由16×16個(gè)像素組成，對(duì)于720×576的圖像，通常一行45個(gè)宏塊構(gòu)成1個(gè)宏塊條，因此，一幀有36個(gè)宏塊條。

3)緩存器反饋控制法

統(tǒng)計(jì)復(fù)用的控制策略一般有兩種:第一種是在編碼過(guò)程開(kāi)始前，對(duì)將要編碼的信號(hào)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并結(jié)合各路緩沖器的狀態(tài)決定每一編碼器要輸出的碼率，以使所有經(jīng)過(guò)編碼的圖像盡量達(dá)到一種用戶可接受的質(zhì)量。這種方法能很快地對(duì)圖像的變化作出反應(yīng)，但需要專(zhuān)門(mén)的協(xié)處理器來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè);第二種則相對(duì)簡(jiǎn)單，由編碼器統(tǒng)計(jì)各幀編碼后的比特?cái)?shù)及其質(zhì)量的好壞(這通?？捎善骄炕介L(zhǎng)反映出來(lái))，并把該信息送給復(fù)用控制器，復(fù)用控制器則根據(jù)編碼器送來(lái)的圖像特性及各緩沖器的狀態(tài)負(fù)責(zé)各路視頻緩沖器的讀出控制。這種辦法減少了硬件實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性，但對(duì)圖像瞬時(shí)變化的敏感程度不如第一種，它通常要在幾幀之后才作出反應(yīng)。對(duì)于第二種策略，在每個(gè)編碼器后加入緩存器，復(fù)用控制器先對(duì)這些緩存器的狀態(tài)進(jìn)行比較，讀出最滿的一路，直到其他某路的緩存器更滿。實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)，解碼器端同樣需要一個(gè)緩沖器，如圖4.5.4所示，以保證解碼器正常工作。圖4.5.4統(tǒng)計(jì)復(fù)用系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

4)基于率失真理論的聯(lián)合碼率控制

統(tǒng)計(jì)復(fù)用技術(shù)利用視頻VBR編碼技術(shù)，有效地利用了信道容量，但存在下列缺點(diǎn)：

(1)統(tǒng)計(jì)復(fù)用遵循“大數(shù)定律”，即只有復(fù)用的業(yè)務(wù)的數(shù)目N足夠大(N>10)時(shí)，各路碼率相互補(bǔ)償，才能產(chǎn)生高的統(tǒng)計(jì)復(fù)用增益。若信道容量有限，同時(shí)傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)數(shù)目不多，則復(fù)用后總碼率波動(dòng)仍會(huì)較大，在固定速率信道中傳輸容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟失。

(2)統(tǒng)計(jì)復(fù)用雖然避免了各業(yè)務(wù)峰值碼率直接累加，但因圖像內(nèi)容變化不能預(yù)知，故復(fù)用后總輸出碼率在某一時(shí)間段仍可能超過(guò)信道容量，致使傳輸過(guò)程中發(fā)生數(shù)據(jù)丟失。以率失真理論為基礎(chǔ)，在一定近似條件下，建立信源各路節(jié)目的率失真關(guān)系，進(jìn)而在保持各路節(jié)目失真度一致的前提下，為它們分配相應(yīng)的比特?cái)?shù)。

(1)TM5碼率控制策略。首先介紹在單路節(jié)目中采用的H.264TestModel5碼率控制策略，它分為以下三個(gè)步驟。第一步：比特分配。這一步以圖像組為單元，對(duì)其中的每一個(gè)圖像按其性質(zhì)分配比特?cái)?shù)。首先根據(jù)編碼比特?cái)?shù)和量化級(jí)大小計(jì)算剛被編過(guò)圖像的復(fù)雜度：

XI，P，B=SI，P，BQI，P，B

其中，SI,P,B為最近已編碼I、P、B幀的編碼比特?cái)?shù)，

QI,P,B為相應(yīng)的幀平均量化級(jí)。由于I、P、B幀復(fù)雜度不同，反映其不同的壓縮效率，據(jù)此可給I、P、B幀分配以不同的比特?cái)?shù)，從而實(shí)現(xiàn)符合圖像內(nèi)容的高效壓縮。通常，I幀可分配比特?cái)?shù)為P幀的2～3倍，為B幀的4～6倍。下面為當(dāng)前要處理的圖像計(jì)算相應(yīng)的目標(biāo)比特?cái)?shù)：