第10章(电视原理与接收技术)

国防工业出版社赵坚勇编著电视原理与接收技术数字电视广播标准第10章内容提要本章介绍数字电视广播标准，主要内容包括DVB标准、ATSC标准、ISDB-T标准和我国的数字电视标准。跳至目录知识要点DVB-S的基带成形滤波与QPSK调制；DVB-C的差分编码映射与QAM调制；DVB-T的导频与COFDM调制；ATSC系统、TCM编码和VSB调制；ISDB-T频宽分段传输和高强度时间交织；我国的数字电视标准。教学建议要求掌握基带成形滤波和QPSK调制的基本原理，熟悉DVB-S标准。掌握QAM调制的基本原理，熟悉DVB-C标准。掌握COFDM的基本原理、了解DVB-T标准。熟悉TCM编码和VSB调制，了解ATSC标准。了解ISDB-T标准。了解我国的数字电视标准建议学时数为8学时目前数字电视广播有三种相对成熟的国际标准制式：欧洲的DVB(DigitalVideoBroadcasting)、美国的ATSC（AdvancedTelevisionSystemsCommittee）和日本的ISDB(IntegratedServicesDigitalBroadcasting)。欧洲的DVB制式应用最广泛、最灵活。DVB制式主要包括数字卫星电视(DVB-S)、数字有线电视(DVB-C)和数字地面广播电视(DVB-T)三个标准，这三个标准的信源编码都采用MPEG-2标准，规定视频采用MPEG-2编码，音频采用MPEGAudio层II(MUSICAM)编码标准。DVB标准对于不同的传输信道，采用了不同的调制方式：DVB-S采用QPSK四相相移键控调制方式，DVB-C采用QAM正交幅度调制方式，DVB-T采用COFDM多载波正交频分复用技术。DVB-C和DVB-S已被世界各国采纳。ATSC标准视频压缩采用MPEG-2标准，音频压缩采用ATSC标准A／52(即杜比公司的AC-3)，节目复用采用MPEG-2标准，完成各种码流的组合和调整。地面电视广播系统中，采用网格编码（TrellisCode）8电平残留边带（8VSB）调制方式，在6MHz的频带内可传送一路HDTV节目，传输比特率为19.39Mb/s；有线电视网中采用16VSB调制方式，在6MHz的频带内可传送两路HDTV节目，传输比特率为38.78Mb/s。10.1DVB标准10.2ATSC标准10.3ISDB-T标准10.4我国的数字电视标准10.1DVB标准DVB是以欧洲为主，世界上有200多个组织参加开发的项目。以发展标准电视SDTV为主，是一套完整的数字电视解决方案，得到了广泛的应用。DVB系统的主要标准有：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。DVB-S2是DVB-S的改进。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。DVB-T用于6、7、8MHz地面数字电视系统，传输层的数码率最大为24Mb/s。DVB-H(Handheld，早期为DVB-X)是DVB组织为通过地面数字广播网络向便携或手持终端提供多媒体业务所制定的传输标准。DVB-DSNG用于卫星新闻采集和节目传送业务。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。DVB-SI服务信息系统。DVB-TXT固定格式图文广播传送规范。DVB-CI用于条件接收及其他应用的DVB公共接口。DVB-DATA用于数据广播的技术规范。DVB-RCC/RCT／NIP用于交互电视回传信道。还有多种网络接口标准。DVB直接采用了MPEG-2标准中的系统、视频、音频部分，在DVB中有专门的标准介绍使用MPEG-2的指南。10.1.1DVB-S的基带成形滤波与QPSK调制10.1.2DVB-C的差分编码映射与QAM调制10.1.3DVB-T的导频与COFDM调制10.1.4DVB-H10.1.1DVB-S的基带成形滤波与QPSK调制DVB-S是1994年12月由ETSI(EuropeanTelecommunicationsStandardsInstitute，欧洲电信标准学会)制定的，标准编号为ETS300421。ITU(国际电信联盟)的相应标准号是ITU-RBO.1211。我国相应的国家标准是GB/T17700-1999《卫星数字电视广播信道编码和调制标准》。我国国家标准与上述两个国际标准的差异是：①我国将使用范围扩展到C波段（4／6GHz）固定卫星业务中的相应业务②增加了在特定的条件下系统可以使用BPSK调制方式。图10-1是卫星系统功能框图，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。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。在DVB-S中，能量扩散如9.4.2节所述，外码编码如9.4.3节所述RS（204，188），卷积交织如9.4.4节所述的（204，12）交织器，内编码如9.4.5节所述(2，1，7)收缩卷积码。。图10-1卫星系统功能方框图基带成形内编码器QPSK调制到卫星射频信道卷积交织器外编码器RS（204，188）卷积编码复用适配和能量扩散DVB-S定义卫星信道适配器传送复用器节目复用器视频编码器音频编码器数据编码器12nMPEG-2信源编码和复用1.基带成形进行调制之前，I支路、Q支路信号要进行基带成形，为了避免相邻传输信号之间的串扰，多进制符号需要有合适的信号波形。数字信号处理时的波形是方波，但在传输时这种方波并不合适。根据奈奎斯特第一准则，实际通信系统中最佳接收波形为滚降升余弦(RolloffRaisedCosine，RRC)信号。滤波过程由发送端的基带成形(BasebandShaping)滤波器和接收端的匹配滤波器(Matchedfilter)共同实现，因此两个滤波均为平方根升余弦(squarerootraisedcosine)滚降滤波，合在一起就实现了一个升余弦滚降滤波。实现平方根升余弦滚降信号的过程称为“波形成形”，由于生成的是基带信号，因此这一过程又称“基带成形滤波”。接收端的“匹配滤波”是针对发射端的成形滤波而言，与成形滤波相匹配实现了数字通信系统的最佳接收。这里基带成形滤波器为升余弦平方根滤波器，滤波器具有以理想截止频率为中心、奇对称升余弦滚降边沿的低通特性，滚降系数＝0～1，＝0，是通频带为的理想低通滤波器；＝1，通频带为2；越大，通频带越宽，码间干扰越小。卫星信道干扰较多，取滚降系数为0.35。卫星信号的频带宽（24MHz），卫星转发器的辐射功率不高(十几瓦至一百多瓦)，卫星信道路径远，易受雨衰影响，传输质量不够高。为保证可靠接收采用了调制效率较低、抗干扰能力强的QPSK调制。根据具体的转发器功率、覆盖要求和信道质量，可以利用不同的内码编码率来适应特定的需要。例如，为确保良好的传输和接收，编码率可以是1／2或2／3；而若希望可用比特率高时，编码率可以是3／4或更大。总之，DVB-S系统的参数选择在内码编码率上有较大的灵活性，以适用于不同的卫星系统和业务要求。ccc2.QPSK调制在QPSK(QuaternaryPhaseShiftKeying，四相相移键控)中，数字序列相继两个码元的4种组合对应4个不同相位的正弦载波，即00、0l、10、11分别对应A0cos(ωct+)、A0cos(ωct-)、A0cos(ωct+)、A0cos(ωct-),其中0≤t＜2T，T为比特周期。图10-2（a）是QPSK相位矢量图，图中I表示同相信号，Q表示正交信号。图10-2（b）是QPSK星座图，星座图中不画矢量箭头只画出矢量的端点。星座图中星座间的距离越大，信号的抗干扰能力就越强，接收端判决再生时就越不容易出现误码。星座间的最小距离表示调制方式的欧几里德距离。欧几里德距离d可表示为信号平均功率S的函数。QPSK信号的欧几里德距离与平均功率的关系为d=。443432S4图10-2QPSK的矢量图和星座图dI=0Q=0(a)I=0Q=1I=1Q=1I=1Q=0ImRe(b)ImRe(a)矢量图(b)星座图图10-3是QPSK调制器的原理框图，码率为R的数字序列S(t)经分裂器(串/并转换)分裂为码率为R／2的I、Q信号，再由I、Q信号生成幅度为-A～A的双极性不归零序列Re(t)、Im(t)，Re(t)和Im(t)分别对相互正交的两个载波cosωct和cos(ωct+)＝-sinωct进行ASK(幅度键控)调制，然后相加得到已调信号SQPSK(t)。SQPSK(t)＝Re(t)cosωct-Im(t)sinωct(10-1)图10-4示出了QPSK调制信号SQPSK(t)的波形。2图10-3QPSK调制器原理方框图Re（t）π/2分裂器I（t）Q（t）电平变换器电平变换器cosωct××相加SQPSKS（t）Im（t）图10-4QPSK调制器波形图Re（t）S（t）Im（t）SQPSK（t）01234567tttt02641357A2－A－AAA－A0003.DVB-S2近年来巨大的市场需求促使传输能力更强的新标准出现,DVB组织于2004年6月发布了DVB-S2标准草案(EN302307)。DVB-S2支持更广泛的应用业务如广播服务（BroadcastService，BS）交互式服务（InteractiveService，IS）卫星新闻采集（DigitalSatelliteNewsGathering，DSNG）和其它专业服务（ProfessionalService，PS）等，且与DVB-S兼容，DVB-S2与DVB-S相比在技术上有许多改进：⑴有QPSK、8PSK、16APSK、32APSK共4种调制方案供选择，构成比DVB-S更好的编码调制方案。在转发器带宽和发射机EIRP（EffectiveIsotropicRadiatedPower，等效全向辐射功率）相同情况下，通过改变调制类型与编码率，传送容量可增加30％。⑵DVB-S只能处理MPEG-2传送流，DVB-S2设有灵活的输入码流适配器，在不显著增加复杂性的情况下能处理其他数据格式（打包的或连续的单节目或多节目流）。⑶采用外码为BCH码、内码为LDPC码的FEC系统，级联码输出的长度是固定的，可以是64800的长帧或16200的短帧，选择编码率决定输入帧的长度。⑷编码率有1／4、1／3、2／5、1／2、3／5、2／3、3／4、4／5、5／6、8／9、9／10共11种格式供选择，基带成形有0.35，0.25，0.2共3种滚降系数供选择。⑸应用可变编码调制（VariableCodingandModulation，VCM）技术，对不同业务（如：SDTV,HDTV,音频和多媒体）提供不同误码保护级别。⑹在交互和点对点应用的情况下，VCM和回传信道结合，实现自适应编码调制（AdaptiveCodingandModulation，ACM），这是通过卫星或地面回传信道把每个接收终端的信道条件通知卫星上行站，实现自适应编码和调制。ACM系统允许卫星容量增加到100％～200％。与DVB-S的恒定编码调制（ConstantCodingandModulation，CCM）相比，业务的可用度得到扩展。⑺提供可选的导频，帮助接收机载波恢复。我国处于卫星广播发展的初期，现有的卫星接收终端数量不多，应该尽早向DVB-S2新标准过渡，直接采用新技术，实现卫星广播的跨越式发展。10.1.2DVB-C的差分编码映射与QAM调制DVB-C标准规定了有线数字电视广播系统中传送数字电视的帧结构、信道编码和调制方式。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ETS300429。ITU（国际电信联盟）的相应标准为ITU-TJ.83建议书。我国制定的相应标准为《有线数字电视广播信道编码和调制规范》，编号为GY／T170—2001。DVB