数字电视信道处理基本原理和测量知识

1数字电视信道处理基本原理和测量知识数字电视基础知识我们通常收看的都是模拟彩色电视，模拟彩色电视信号是由一个亮度信号和两个色差信号组成的。在频域上我们看到彩色电视信号的频谱形状如下图8MHz6.5MHz4.43MHz视频载波彩色副载波伴音载波其中视频载波是亮度信号，它代表模拟彩色电视的图像，还有明暗和灰度；彩色副载波是由两个色差信号组成，代表图像的颜色，色度信号叠加到亮度信号上显示，伴音载波携带模拟彩色电视信号中的声音信息。数字电视(DigitalTV)是从电视信号的采集、编辑、传播、接收整个广播链路都数字化的数字电视广播系统。其具体传输过程是：由电视台送出的图像及声音信号，经过数字编码压缩和数字调制后，形成数字电视信号，经过卫星、地面无线广播或有线电缆等方式传送，由数字电视接收后，通过数字解调和数字视音频解码处理还原出原来的图像及伴音。因为全过程均采用数字技术处理，因此，信号损失小，接收效果好。因为在传统的模拟电视中，所有的信号都是“连续的”，信号在每一时刻都代表不同的信息，并且在幅度上的每一个不同的数值都代表不同的信息。但是数字信号在时间上是离散的信息，只要是在本周期内，各个时刻上都代表同一个信息，在幅度上，系统指定了几个合法幅度的数值。那么模拟电2视实现数字传输首要解决的问题就是模拟信号的数字化的问题。从模拟信号变为数字信号主要为以下几个步骤，如下图所示。抽样量化编码幅度幅度时间时间000001010011100101110111时间时间0111111000000模拟信号模拟信号经过抽样脉冲变成一定幅度的离散的脉冲以后，用已经编码和定义好的一系列标准的信号去比较这些抽样脉冲，将对应幅度的脉冲转换为幅度最接近的标准幅度的信号，完成信号量化；然后将这些量化后的数据再按照指定的规则进行编码。模拟信号转化为数字信号的基本原理如上所述，模拟电视信号转化为数字电视信号原理上与此类似。因为模拟电视信号是由代表亮度的视频载波，代表色度的彩色副载波，携带声音信息的调频伴音组成，所以需要对这些信号分别进行采样，转化为数字信号实现进一步的处理。模拟的亮度信号带宽为6MHz，每个色差信号的带宽为2.75MHz，模拟信号的数字化是在模拟信号被编码为亮度和色差信号之后进行，根据奈奎斯特定理，采样频率至少为被采样信号最高频率的2倍，所以对亮度信号的采样为13.5MHz，对色差信号的采样频率为6.75MHz，采样频率都高于被采样信号的两倍，符合奈奎斯特定理。对以上述采样频率对模拟电视信号进行数字化得到信号，如果将数字化的信号再恢复到模拟状态可以大部分完好的恢复原来的信息。根据上面所描述的采样频率，如果每个采样点用10个比特来描述，对亮度信号要产生135Mbps的数字信号，对两个色差信号要产生135MHzbps的信号，一共是270Mbps的数据量，另外还要包括音频信号和一些冗余的附加信息，这样整个信道的数据速率将非常高，如此高的数据速率在8MHz的有线电视频道内根本无法传送。所以如果想要传送数字视频图像信号，必须对信号进行压缩。数字电视的图像压缩采用MPEG-2标准对模拟视音频信号进项压缩。3图像的压缩图像的压缩考虑了图像本身的因素和人眼视觉感受的因素。所有图像信号中可以分为不可预见的分量和可以预见的分量，只有那些不可预见的分量才代表信息，而可以预见到分量则代表冗余。冗余可以是一幅图像中的大片相似或相同的图像，或者是连续几幅基本相似的图像，这些都是可以被压缩的信息。还有人眼的视觉感受，人的视觉对亮度信号很敏感，可以感受出分辨率很高的图像，对于彩色信息人眼的分辨率要低很多；另外，在通常的观看条件下，人眼不能显著的感受到色差信号中的高频信息。通过以上图像本身和人眼视觉系统的主要特性可以大幅度的对图像信号进行压缩。音频和压缩在数字电视技术中，除了图像需要压缩以外，声音也要压缩，但声音压缩要比图像压缩简单很多，因为声音的信息量比起图像的信息量来，要少得多。人的耳朵能听到声音的频率范围是20Hz到20kHz，如果我们把20Hz到20kHz按照一定的频带宽度分成很多个频率通道，用来对声音进行过滤和处理，就能对声音信号进行压缩。声音还有一个屏蔽效应，就是，人的耳朵对某个频率范围的声音灵敏度特别高（600Hz附近），对一些频率却很低（低频和高频）。如果有几种声音同时存在，声音大的内容很容易听到，而声音很小的内容需要非常注意才能听到。利用这些特点，在编码的时候就可以分长码和短码来对不同的内容进行编码，对主要声音内容用长码，对次要内容用短码。经过多种方法对声音信号压缩处理后，声音信号传送的码率可变得非常低，即压缩比非常大。数字电视中两个很关键的技术数字电视信号的信源编码和信道编码。信源编码主要是解决图像信号和声音信号的压缩和保存问题；信道编码主要是解决图像和声音信号的传输问题。以上简单介绍的图像和声音的压缩和编码属于信源编码简略的进行了一下介绍，下面介绍本文的是信道编码。下图是DVB-C数字信号从发射到接收的整个信号传输的一个简要框图。信道编码指的就是前向纠错编码部分。QAM调制QAM解调信道FEC编码MPEG-2帧FEC解码MPEG-2帧MPEG-2传输MPEG-2传输有线电视数字信号传输框图发射机接收机数字电视中常用的纠错编码，通常采用前向纠错（FEC）编码。188字节后附加16字节RS码，构成（204，188）RS码。交织编码前向纠错码（FEC）的码字是具有一定纠错能力的码型，它在接收端解码后，不仅可以发现错误，而且能4够判断错误码元所在的位置，并自动纠错。这种纠错码信息不需要储存，不需要反馈，实时性好。所以在广播系统（单向传输系统）都采用这种信道编码方式。FEC部分采用了各种纠错算法和技术，以保证数据在电缆信道上可靠的传输。他包括：Reed-Solomon（R-S）编码-提供块的编码和解码，以检测和纠正R-S块中的符号。交织-把符号均匀分散，防止突发的连续符号差错进入R-S解码器，超出R-S解码器的纠错能力，产生无法纠正的错误。伪随机序列扰码—随机选择信道上的数据，是传输数据中0盒1出现的概率接近都50%，可以使QAM解码器有效的同步。ReedSolomon编码RS码即里德-所罗门码，它是能够纠正多个错误的纠错码，RS码为（204，188，t=8），其中t是可抗长度字节数，即对每个传送包而言，可纠正8个错误字节，如果错误的字节数超过这个范围，数据内就会出现不可纠正的误码，同时会出现传送错误标志；每个数据包对应的188字节数据，校验字节为16个字节(开销字节段）。RS的编码效率是：188/204。数据校验码元krnn为编码后一个分组的码元数它等于信息码元数加上校验码元数，n=k+r，编码后的一个分组称为码字包括k个信息码元和r个校验码元交织为什么要进行交织实际应用中，比特差错经常成串发生，这是由于持续时间较长的干扰会影响到几个连续的比特，而信道编码仅在检测和校正单个差错和不太长的差错串时才最有效（如RS只能纠正8个字节的错误）。为了纠正这些成串发生的比特差错及一些突发错误，可以运交织技术来分散这些误差，使长串的比特差错变成短串的比特差错，从而可以用前向纠错码对其纠错。交织技术对已编码的信号按一定规则重新排列，解交织后突发性错误在时间上被分散，使其类似于独立发生的随机错误，从而前向纠错编码可以有效的进行纠错，前向纠错码加交积的作用可以理解为扩展了前向纠错的可抗长度字节。纠错能力强的编码一般要求的交织深度相对较低。纠错能力弱的则要求更深的交织深度。5ABCDEFGHIJKLMNOPQRSAFKPUBGLQVCHMRWDINS原码序列交织传输解交织被扰码片错码被分散交织原理示意图TX……AFKPUBGLQVCHMRWDINSX…ABCDEFGHIJKLMNOPQRST…伪随机序列扰码进行基带信号传输的缺点是其频谱会因数据出现连“1”和连“0”而包含大量的低频成分，不适应信道的传输特性,也不利于从中提取出时钟信息。解决办法之一是采用扰码技术,使信号受到随机化处理，变为伪随机序列，又称为“数据随机化”和“能量扩散”处理。扰码不但能改善位定时的恢复质量，还可以使信号频谱平滑，使帧同步和自适应同步和自适应时域均衡等系统的性能得到改善。扰码虽然“扰乱”了原有数据的本来规律，但因为是人为的“扰乱”，在接收端很容易去加扰，恢复成原数据流。实现加扰和解码，需要产生伪随机二进制序列（PRBS）再与输入数据逐个比特作运算。PRBS也称为m序列，这种m序列与TS的数据码流进行模2加运算后，数据流中的“1”和“0”的连续游程都很短，且出现的概率基本相同。I、Q调制和星座图数据在经过信道编码之后，将被映射到星座图上。下面先讨论星座图的概念。下图就是QAM调制器的基本原理框图，这里包含几个主要的概念：什么是I、Q调制；数字信号怎样映射到极坐标上面。什么是I、Q调制，为什么要采用I-Q调制一个信号有三个特性随时间变化：幅度、相位或频率。然而，相位和频率仅仅是从不同的角度去观察或测量同一信号的变化。人们可以同时进行幅度和相位的调制，也可以分开进行调制，但是这既难于产生更难于检测。但是在特制的系统中信号可以分解为一组相对独立的分量：同相（I）和正交（Q）分量。这两个分量是正交的，且互不相干的。下图中的QAM调制器中I和Q信号来自一个信号源，幅度和频率都相同，唯一不同的是Q信号的相位与I信号相差90o。具体关系如下图所示，当I的幅度为1的时候，Q的幅度为0，而当I的幅度为0的时候，Q的幅度为1，两个6信号互不相干，相位相差90o，是正交的。IQ00.511.5-0.5-1.5-1I、Q信号关系IQ极坐标图是观察幅度和相位的最好方法，载波是频率和相位的基准，信号表示为对载波的关系。信号可以以幅度和相位表示为极坐标的形式。相位是对基准信号而言的，基准信号一般是载波，幅度为绝对值或相对值。cosωtsinωtPhaseMag在数字通信中，通常以I、Q表示，极坐标中I轴在相位基准上，而Q轴则旋转90度。矢量信号在I轴上的投影为I分量，在Q轴上的投影为Q分量。下图显示和I和Q的关系。IQIQ极坐标和直角坐标的转换Mag22MIQ7PhaseI、Q调制的主要优点是：既便于将两个独立信号分量组合成一个复合信号；相应地也可以将其复合信号分解为两个独立的部分。大多数数字调制是在I、Q平面上将数据映射为许多离散的点，我们称这些点为星座。当信号从一个点移向另一个点时，幅度调制和相位调制就同时完成了。I、Q信号分别是在X轴和Y轴上的投影，合成矢量的幅度表示载波的幅度，合成矢量与X轴的夹角表示载波相位。因此可以通过改变I、Q驱动信号的幅度映射I-Q空间中的任意一点。在I和Q信号传送的值只有预先定义的几个值，代表广泛不同的状态，一个调制的协议针对每个调制形式规定允许的状态数量。QAM调制的基本原理QAM调制实际上是幅度调制和相位调制的组合。相位+幅度状态定义了一个数字或数字的组合。QAM的优点是具有更大的符号率，从而可获得更高的系统效率。通常由符号率确定占用带宽。因此每个符号的比特（基本信息单位）越多，效率就越高。对于给定的系统，所需要的符号数为2n,这里n是每隔符号的比特数。对于16QAM，n=4，因此有16个符号，每个符号代表4bit：0000,0001,0010等。对于64QAM，n=6，因此有64个符号，每个符号代表6bit：000000，000001，000010。I010101分为两路并行信号LO90o相移Q幅度调制幅度调制123456781234567QAM输出信号网络3比特3比特8组合MPEG-2数据流上图就是QAM调制的基本原理。经过信道编码的二进制的MPEG-2比特流进入QAM调制器，信号被分为两路，一路给I，另一路给Q，每一路一次给3比特的数据，这3比特的二进制数一共有8中不同的状态，分别对应8种不同的电平幅度，这样I有8个不同幅度的电平，Q有8个不同幅度的电平，而且I和Q两路信号有时正交。这样任意一个I的幅度和任意一个Q的幅度组合都会在极坐标atanQI8图上映射一个相应的星