8第4章数字彩色电视制式(下)

第4章数字彩色电视制式燕山大学信息科学与工程学院电视原理美国1986年以前支持日本的MUSE制1987年提出发展ATV(AdvancedTelevision，高级电视)1990年5月,美国GI公司正式发表全数字HDTV传输制式——DigiCipher1993年5月成立HDTV大联盟(GrandAlliance,GA)，着手制定统一的美国HDTV标准1995年4月通过了ATSC(AdvancedTelevisionSystemCommittee)数字电视标准多极化的传输标准欧洲1981年英国独立广播公司研制出C-MAC(MultipledAnalogueComponent)制:亮度、色差时分，两个色差逐行轮换，射频载波调频传送，视频带宽8.4MHz1986年提出HD-MAC制受美国数字制式影响，1993年开展DVB(DigitalVideoBroadcasting)研究1995年，欧洲成立了DVB联盟，共同制定数字电视的DVB标准：DVB-S(Satellite)、DVB-C(Cable)、DVB-T(Terrestrial)日本日本广播协会(NHK)1970-80年代提出模拟高清晰度电视制式——MUSE制（多重亚奈抽样编码）：1125行，60场，隔行扫描，16:9幅型比；色度信号与亮度信号时分复用：TCI（时间压缩合成）；多重亚奈抽样压缩信号频带：4场传送1幅HDTV图像；8.1MHz带宽，调频传送1996年启动数字电视研制1998年9月制订ISDB-T(IntegratedServicesDigitalBroadcasting-Terrestrial)数字电视地面广播系统标准，与欧洲的DVB-T类似4.3ATSC数字电视制式ATSC制的视频格式4.3.1ATSC制概述系统分为三部分：信源编码和压缩、业务复用和传送、射频发送。信源编码和压缩视频编码和压缩——MPEG-2音频编码和压缩——DolbyAC-3(384Kb/s,5.1声道)，AAC辅助数据——条件接收(CA)等控制数据业务复用和传送把不同信息类型的比特流打成包给每一个包以唯一的标识符(ID)将视频、音频和辅助数据比特流包时分复用组合成传送包(TSP)射频发送对传送流进行信道编码和调制，形成用于发送的射频信号调制系统的两种模式：8VSB调制的地面广播模式(19Mb/s)16VSB调制的有线高比特率模式(38Mb/s)4.3.2传送层的功能和格式数字电视码流有多个不同的层次和类型：ES、PES、PS、TS。ES(ElementaryStream)基本流，是直接从编码器出来的数据流，可以是视频数据流，音频数据流，或其他编码数据流。PES(PacketizedElementaryStream)打包基本流，ES流经过PES打包器之后，被转换成PES包。PS(ProgramStream)节目流，是将一个或几个具有公共时间基准的PES组合成的复用流。PS流比较适用于相对误码率小的传输环境中，如交互式多媒体环境和媒体存储管理系统。TS(TransportStream)传输流，是有一个或几个不同的PES经传输流打包后组成的复合流。TS流更适合在有干扰或误码的环境中传输。PES包起始码前缀比特流IDPES包长度PES包头标志PES包头长度PES包头区（可变长度）PES包数据块（可变长度）•PES包头标志（说明比特流特性的标识符）：加扰指示，优先级指示，数据相配指示，有无版权，原版或复制，有无PTS（显示时间标志）和DTS（解码时间标志），包头是否含时钟基准，包头是否含比特率，包头是否含说明流来源的DSM(数字存储媒体)模式的字段，是否有CRC（循环冗余校验），是否有扩展段。•PES包头区（各段可选）：PTS/DTS，DSM模式，附加复制信息，扩展数据，填充字节•PES包数据块：有效负载数据，即来自相应编码器的一个连续的基本流。TS包固定长度（188字节）：•包头（4字节）包同步，包识别（PID），连续计数，加扰控制等•适配区（可变长度）同步和定时——对27MHz系统时钟（STC）周期性抽样形成的节目时钟基准(PSR)，每100ms至少传送一次基本流的随机进入点指示——频道切换用本地节目插入指示•有效负载数据（最多184字节）包头适配区有效负载数据4.3.3前向纠错信道编码48个0+187个信息字节20个校验字节去信道能量扩散RS编码交织卷积编码8VSB调制传送流包ATSC制信道编码和调制•RS编码及其纠错译码RS（207，187），缩短的RS（255，235）187个信息字节20个校验字节1个同步字节数据随机化使突发差错分散为随机差错依靠码元与相邻码元关系TCM-8VSB调制技术•从格形图上可以看出，在两个状态间至少需要3个时间段才有不同的编码路径，维特比译码从这些路径中选择与接收到的幅度失真电平序列欧几里得距离为最小的路径，从而实现纠错译码。这些路径之间的最小欧几里得距离越大，信号的抗噪能力越强。•ATSC制采用ASK调制（幅移键控调制）•若将两比特数据映射为4电平符号：Ai=-3,-1,1,3,分别调制4个不同幅度的高频信号，称为4ASK调制。直接映射时，最小欧几里得距离为2，用平均功率归一化的最小欧几里得距离为D0=0.894，8ASK归一化的最小欧几里得距离为D0=0.436。•ATSC制采用2/3比率的格形编码，格形图的欧几里得自由距离为dfree=3D0=3×0.436=1.31。编码增益G=20lg(1.31/0.894)=3.32dB预编码器格形编码器DM2M1Z2Z1Z08VSB000-7001-5010-3011-1100+1101+3110+5111+78VSBX1X2Y1Y2Z1Z2Z0(a)8VSB格形编码器(a)格形编码器、预编码器和符号映射器；(b)格形图(b)8电平符号映射器格形编码器预编码器00010001011010000000110111111001001100110111101100011011状态VSB数据帧和频谱随机化RS编码器交织器格形编码器复用器导频信号插入VSB调制器射频上变频器段同步场同步VSB发射机框图65.38导频抑制载波10.7ATSC制射频信号频谱VSB数据帧场同步1数据加纠错场同步2数据加纠错段同步313段313段24.2ms24.2ms828符号77.3s43.VSBVSB数据结构如图6-7所示。数据帧(DataFrame)分成两个数据场(DataField)，每场又有313个数据段(Segments)。每场第一个数据段是数据场同步(DataFieldSync)，其中包括用于接收机均衡的训练序列；其余312个数据段每段携带了相当于TS包中187B的信息和FEC编码附加数据。交织使每段数据来自不同的TS包。每段共832个符号，前4个符号传送数据段同步(DataSegmentSync)，其余的828个符号相应于传送包187B的信息加上20B的FEC数据。采用2／3网格编码，2b将变成3b。8VSB调制恰好可以表示3b信息，相当于2b转换为一个8VSB符号(8种电位：±7，±5，±3，±1V)，或1B转换为4个8VSB符号，因此同步字节占4个符号位，187个数据字节加20B纠错数据共207B数据占828个符号位。主要性能（地面广播）对加性高斯白噪声信道抗噪性能好（RS码、交织、格形编码）多径接收能力差，移动接收效果差（8VSB眼图闭合）抗脉冲干扰性能较好（RS码、交织）抗连续波干扰性能差（8VSB）6MHz带宽，可启用禁用频道，频谱利用率高19使用国美国加拿大韩国……204.4DVB制式水平×垂直有效像素幅型比50逐行60/59.94逐行25逐行25隔行30/29.9724/23.976逐行30隔行29.97隔行29.97/23.976逐行1440×115216:9√1920×108016:9√√√√√1920×103516:9√√√1280×72016:9√√√√720×5764:3/16:9√√√544480×5763524:3/16:9√√720×4804:3/16:9√√√√640×4804:3√√√√544480×4803524:3/16:9√√352×2884:3/16:9√352×2404:3/16:9√4.4.1DVB制的视频格式与接口DVB制的视频格式DVB(1)DVB-S：用于11／12GHz频段的数字卫星系统，适用于多种转发器带宽与功率，传输层的数码率最大为38.1Mb/s。(2)DVB-C：用于8MHz数字有线电视系统，与DVB-S兼容，传输层的数码率最大为38.1Mb/s。(3)DVB-T：用于6MHz、7MHz、8MHz地面数字电视系统，传输层的数码率最大为24Mb/s。(4)DVB-CS：用于数字卫星共用天线电视系统（SMATV），由DVB-C和DVB-S改变得出，用于共用天线电视系统安装。(5)DVB-SI：服务信息系统。(6)DVB-TXT：固定格式图文广播传送规范。(7)DVB-CI：用于条件接收及其它应用的DVB公共接口。(8)DVB-DATA：用于数据广播的技术规范。(9)DVB-RCC/RCT／NIP：用于交互电视回传信道。DVB设备的接口SPI同步并行接口，用在设备相距较近的场合。它有11对信号线，并行地发送时钟、数据（占8对信号线）和同步信号等。全部信号与时钟同步，它的频率随传送流的码率而定。SSI同步串行接口，是同步并行接口的一种扩展。它的功能与SPI相当，只是在两端进行了并串的正、反变换。这种接口使用的连接速率就是传送流的码率，传输介质可以是电缆或光纤。SSI目前用得较少。ASI异步串行接口，传输介质可以是电缆或光纤。它采用固定的连接速率（270Mbps）。按DVB-T制采用的信道编码和射频信号形成的特点，它又被称为编码正交频分复用(COFDM，CodedOrthogonalFrequencyDivisionMultiplex)多载波制式。采用“数据容器”模型，容纳各类数据，在一个频道内实现准无误码传输。适应8MHz频道。系统具有单频网运行能力。能够克服来自采用相同频率的邻近发射机的类似回波的同频道干扰。4.4.2DVB-T制概述DVB-T系统功能框图•更多的抗干扰和防误码•比特流分两种优先级传输DVB-T性能多径接收性能好可用于移动接收（分层调制）在AWGN信道下载噪比门限值高于ATSC多载波OFDM，频谱率用率高于单载波单频网节省频谱采用保护间隙和导频，减小信道容量的有效利用多频网时抗同频道数字电视干扰能力弱于ATSC抗脉冲干扰能力弱于ATSC（交织深度不强）抗连续波干扰能力好（多载波）27使用国欧洲各国和PAL与SECAM各国澳大利亚新西兰印度新加坡284.5ISDB-T标准4.5.1•日本ISDB-T标准采用频宽分段传输正交频分复用调制方式(BandwidthSegmentedTransmission，OFDM)，可以在6MHz带宽中传递HDTV服务或多节目服务。•与DVB不同的是，ISDB-T标准将整个带宽分割成一系列的频率段，称为OFDM段。ISDB-T提供几种调制方式的组合(DQPSK、QPSK、16QAM、64QAM)和内编码的编码率(coderate)(1／2、2／3、3／4、5／6、7／8)。这些参数对每个OFDM段可以独立选择。•ISDB-T的模拟带宽有5.6MHz(宽带ISDB-T)和430kHz(窄带ISDB-T)两种选择。宽带ISDB-T由13个OFDM段组成，可以分层传输。也就是说，各个OFDM段可以具有不同的参数，这样就能够满足综合业务接收机的需要。窄带ISDB-T仅由一个OFDM段构成，适合语音和数据广播。宽带接收机可以接收窄带信号，窄带接收机可以接收宽带信号的中心频率段。ISDB-T系统内层方框图A层映射B层映射C层映射码流合成时间交织复数域(段内交织)信道编码信道编码调制映射频率交织复数域(段间交织)OFDM数