1、第6章数字电视传输 6.1 数字电视传输系统 6.2 能量扩散 6.3 纠错编码 6.4 数据交织和解交织 6.5 格状编码(TCM)6.6 美国ATSC数字电视地面广播系统 习题 第第6章章 数字电视传输数字电视传输 第6章数字电视传输 6.1 数字电视传输系统数字电视传输系统 数字电视信号是一种数字信号，数字电视传输系统归属于数字通信系统范筹，遵循数字通信系统的一般规律。数字电视传输系统中对信号的处理方法、关键技术以及很多名词术语都来自于数字通信系统，所以我们先从数字通信系统概念引出数字电视传输系统概念。6.1.1 数字通信系统数字通信系统 数字通信系统的组成如图6.1.1所示。整个通信系
2、统包括信源部分、信道部分和信宿部分。信源部分主要由信源编码组成，信道部分主要由信道编码、传输线路(也简称信道)、信道解码组成，信宿部分主要由信源解码组成。第6章数字电视传输 图 6.1.1 数字通信系统的组成第6章数字电视传输 在数字电视传输系统中，信源部分又可细分为数字视频信源压缩编码、数字音频信源压缩编码、数据编码、节目流多路复用、传输流多路复用等，如图6.1.2所示。节目流多路复用是将数字视频信源压缩编码、数字音频信源压缩编码、数据编码三种信号复用在一起成为节目流。传输流多路复用是将多个节目流复用在一起形成传输流。第6章数字电视传输 图 6.1.2 信源部分组成框图第6章数字电视传输 信
3、宿部分是信源部分的反过程，如图6.1.3所示。首先将收到的信号进行传输流多路解复用，变成各个节目流，再从节目流中进行多路解复用，分解送出数字视频信号、数字音频信号、数据信号，最后分别进行解压缩，恢复得到原始的视频信号。第6章数字电视传输 图 6.1.3 信宿部分组成框图第6章数字电视传输 传输线路包括卫星、微波、光纤、同轴电缆、电话线和地面广播(大气作为媒介)等。为了提高通信的可靠性，信道部分对信号处理极其严格，也极其复杂，处理方法也较多。因此，信道部分又被细分为外信道和内信道，如图6.1.4所示。第6章数字电视传输 图 6.1.4 信道部分详图第6章数字电视传输 发送端外信道包括外码能量扩散
4、、外码R-S纠错编码、外码数据交织;接收端外信道包括外码数据解交织、外码R-S纠错解码、外码解能量扩散等。发送端内信道包括内码卷积交织、内码卷积编码、内码数字调制;接收端内信道包括内码数字解调、内码卷积解码、内码卷积解交织等。第6章数字电视传输 内码卷积编码常采用格状编码。格状编码往往又和调制技术有机地结合起来。格状编码调制技术又称码调。内信道格状编码的一种是卷积编码(卷积编码的编码方法可以用卷积运算形式表达)，经过卷积编码后，原来无关的数字符号序列前后一定间隔之内有了相关性。应用这种相关性根据前后码符关系来解码，通常是根据收到的信号从码符序列可能发展的路径中，选择出最似然的路径进行译码，比起
5、逐个信号判决解码性能要好得多。然后把编码和调制结合在一起，使符号序列映射到信号空间所形成的路径之间的最小欧氏距离(称为自由距离)为最大。第6章数字电视传输 用这种信号波形传输时有最大的抗干扰能力。本章后面各节会详细介绍发送侧的编码调制即格状编码方法。格状编码从可能发展的路径中选择出最似然路径要应用动态规划方法，即Viterbi算法。在系统中，从格状编码调制直到解调内信道解码的Viterbi算法解码为止称为内信道，这与单纯的调制和解调相比，降低了对系统工作信噪比的要求，也即降低了发射机的功率。再加上外信道的前向纠错码，可以进一步降低系统差错误码，提高系统的抗干扰能力。第6章数字电视传输 前面从数
6、字通信系统的观点出发阐述了数字电视传输系统的一般概念。但由于传输线路的不同，传输条件有异。针对各自的不同情况，各个国家提出了不同的传输标准，这些标准在信道部分对信号处理还是有些差别的。数字电视可以通过数字卫星、数字微波、数字光纤网、数字有线电视网进行传输，也可以通过地面广播方式进行传输。传输方式不同，传输前对数字电视信号的处理方式也有所差异。本节主要分析各种不同的传输方式中信号处理的方法。第6章数字电视传输 6.1.2 数字电视卫星传输系统数字电视卫星传输系统数字电视卫星传输系统发射侧电路框图如图6.1.5(a)所示。它包括数字视频编码、数字音频编码、数据编码、节目流多路复用、传输流多路复用、
7、能量扩散、外码R-S纠错编码、内码卷积交织、内码卷积编码、基带整形、QPSK调制等。经QPSK调制后的中频(IF)信号再经频谱搬移到射频上，经卫星天线发射到卫星上。接收侧电路框图如图6.1.5(b)所示，它是发射侧的反过程，这里不再赘述。第6章数字电视传输 图 6.1.5 数字电视卫星传输系统(a)发射侧电路框图;(b)接收侧电路框图第6章数字电视传输 卫星系统既可以是一个单载波系统又可以是多载波系统。数字电视卫星传输是为了满足卫星转发器的带宽及卫星信号的传输特点而设计的。如果我们将所要传输的有用信息称为“核”，那么它的周围包裹了许多保护层，使信号在传输过程中有更强的抗干扰能力，视频、音频以及
8、数据被放入固定长度打包的MPEG-2传输流中，然后进行信道处理。在卫星系统中，信道处理过程如下：(1)进行同步字节的倒相，倒相字节的长度为每隔 8个同步字节进行一次。(2)进行数据的能量扩散(数据随机化)，避免出现长串的0或1。第6章数字电视传输 (3)为每个数据包加上前向纠错的R-S编码，也叫做外码。R-S编码的加入会使原始数据长度由原来的188字节增加到 204字节(见DVB标准)。(4)进行数据交织。(5)加入卷积码(格状编码)纠错，也称内码。内码的数量可以根据信号的传输环境进行调节。(6)对数据流进行QPSK调制，见图6.1.5。第6章数字电视传输 对于数字电视卫星直接广播业务(DTH
9、，也称为直接到家业务)，卫星功率是否充分利用对接收天线的尺寸有直接影响。相对来说，由于有码率压缩，对频谱利用率可以放到第二位考虑。为了达到最大的功率利用率又不使频谱利用率有很大的降低，卫星系统最好采用QPSK调制并使用卷积码(格状编码)和R-S级联纠错的方式。在接收端，内码输入端有很大的误码率(101102)，但经内码校正输出即可达到2104或更低的误码率，这一误码率相当于外码输出近似无误码(QEF，误码率可在10101011)，相应于每小时少于一个不可纠正的误码，因此传输系统仍能很好地工作。第6章数字电视传输 总之，传输系统首先对突发的误码进行离散化，然后加入R-S外纠错码保护，内码纠错码(
10、格状编码)可以根据发射功率、天线尺寸以及码流率进行调节变化。例如，一个36 MHz 带宽的卫星转发器采用3/4的卷积码(格状编码)可以达到的码流率是39 Mb/s，这一码流率可以传送5或6路高质量电视信号。第6章数字电视传输 6.1.3 数字电视有线传输系统数字电视有线传输系统 数字电视有线传输系统发射侧电路框图如图6.1.6(a)所示。为了使各种传输方式尽可能兼容，除信道调制外的大部分处理均与卫星中的处理相同，也即有相同的能量扩散(伪随机序列扰码)、相同的R-S纠错、相同的卷积交织，随后进行的处理是专门用于电缆电视的。首先进行字节(Byte)到符号的映射，如64QAM是将8比特数据转换成6比
11、特为一组符号，然后前2比特进行差分编码再与剩余的4比特转换成相应星座图中的点。该方案可以适应16QAM、32QAM、64QAM三种调制方式。第6章数字电视传输 图 6.1.6 数字电视有线传输系统(a)发射侧电路框图;(b)接收侧电路框图第6章数字电视传输 有线网络系统的核心与卫星系统的相同，但数字调制系统是以正交幅度调制(QAM)而不是以QPSK为基础的，而且可不需要内码(格状编码)编码。该系统采用64QAM，也能够使用16QAM和32QAM。在每一种情况下，在系统的数据容量和数据的可靠性之间进行折衷。更多电平的调制，例如128QAM和256QAM，也是可能的，但它们的使用取决于有线网络的容
12、量和解码器的性能。如果使用64QAM，那么8 MHz频道能够容纳38.5 Mb/s的有效载荷容量。接收侧电路框图如图6.1.6(b)所示，它是发射侧的反过程，在此不再赘述。第6章数字电视传输 6.1.4 数字电视地面广播传输系统数字电视地面广播传输系统 1.COFDM调制方案调制方案对于欧洲数字电视地面广播传输系统，信源仍然采用MPEG-2数字音频、视频压缩编码。其它特点是，采用编码正交频分多路调制(COFDM)方式，它是由内码编码(Code)和正交频分多路调制(OFDM)相组合起来的一种数字调制方式，称做编码正交频分多路调制(COFDM)方式。这种调制方式又可以分成2K载波方式和8K载波方式
13、。COFDM调制方式将信息分布到许多个载波上面，这种技术曾经成功地运用到了数字音、视频广播DAB上面，用来避免传输环境造成的多径反射效应，其代价是引入了传输“保护间隔”。这些“保护间隔”会占用一部分带宽，通常 COFDM的载波数量越多，对于给定的最大反射延时时间，传输容量损失越小。但是总有一个平稳点，增加载波数量会使接收机复杂性增加，破坏相位噪声灵敏度，增加了延时。第6章数字电视传输 COFDM中各字母的具体技术含义如下：(1)C为编码Code的英文缩写。为了修正传输中可能出现的差错，信源编码输出的比特流通常要加入冗余进行差错保护，即进行纠错编码。例如，可采用编码率可变的卷积编码可删除型卷积编
14、码，以适应不同重要性的数据的保护要求。第6章数字电视传输(2)OFD为正交频分。使用大量的载波(即副载波)以代替通常用于传送一套节目的单个载波。这些副载波有相等的频率间隔，所有副载波的频率都是一个基本振荡频率的整数倍，在频谱关系上是彼此正交的。这些副载波尽管靠得很近，且有部分频谱重叠，但它们携带的信息仍然可以彼此分离。要传送的信息(信源比特流)，按照一定规则被分割后，分配在这些副载波上，每一个副载波可采用四相差分相移键控(4DPSK)方法调制，它需要与4位软判别输出的差分解码相配合。第6章数字电视传输(3)M为复用。COFDM是一种宽带传输方式，传输的信息不再是单一的节目，而是许多套节目相互交
15、织地分布在上述大量副载波上，形成一个频率块。COFDM需要的众多载波并不是采用通常的锁相频率合成器来产生的，否则造价、体积、频率相关性都成问题，实际上可以采用离散傅里叶反变换(IDFT)，同时产生所需数量的载波，这样也使控制载波的有无变得非常简单，可实现程序控制。IDFT的具体过程通常是利用快速傅里叶反变换(IFFT)来完成的。在接收端的解码器里，为了使信号恢复原状，需要有离散傅里叶变换(DFT)，实现算法为快速傅里叶变换(FFT)。第6章数字电视传输 由于COFDM调制方式的抗多径反射功能，它可以潜在地允许在单频网中相邻网络的电磁覆盖重叠，在重叠的区域内可以将来自两个发射塔的电磁波看成是一个
16、发射塔的电磁波与其自身反射波的叠加。但是如果两个发射塔相距较远，发自两塔的电磁波的时间延迟比较长，系统就需要较大的保护间隔。由该种数字调制方式组成的数字电视传输系统如图6.1.7所示。发射侧电路由节目流多路复用、传输流多路复用、能量扩散、外码R-S纠错编码、外码交织、内码卷积交织、内码卷积编码、OFDM调制和射频输出等部分组成。从前向纠错码来看，由于传输环境的复杂性，COFDM数字电视传输系统不仅包含了内、外码纠错编码(Outer Code，Inter Code)，而且加入了内、外码交织(Outer Interleave外码交织，Inter Interleave内码交织)，见图6.1.7。接收
17、部分是它的反过程，在此不再赘述。第6章数字电视传输 图 6.1.7 带有正交频分多路数字调制的数字电视传输系统(a)发射侧电路框图;(b)接收侧电路框图第6章数字电视传输 2.残留边带残留边带(VSB)调制方案调制方案 1994年美国大联盟HDTV方案传输部分采用残留边带(VSB)进行高速数字调制，该地面广播收、发系统如图6.1.8所示。对于发射机部分，图像、伴音的打包数据先送入R-S 编码器，再经数据交织、格状编码、多路复用(数字视/音频数据、段同步、行同步复用)，再插入导频信号。插入导频信号的目的是便于接收端恢复载波时钟。然后进行残留边带(VSB)调制，最后送往发射机，发射机输出射频。接收
18、机部分是它的反过程，在此不再赘述。第6章数字电视传输 图 6.1.8 残留边带(VSB)调制数字电视传输系统(a)发射机部分;(b)接收机部分第6章数字电视传输 6.2 能量扩散能量扩散在经信源编码(按MPEG-2标准)和传输流复用之后，传输流将以固定数据长度组织成数据帧结构。例如，欧洲DVB标准的传输流复用帧每数据帧的总长度为188字节，其中包括 1个同步字节(01000111)。发送端的处理总是从同步字节(47H)的最高位(MSB)(即“0”)开始。每8个数据帧为一帧群。为区别每一帧群的起始点，第一个数据帧的同步字节的每个比特翻转，即由47H变为B8H，而第二至第八个数据帧的同步字节不变。
19、这样，在接收端只要检测到翻转的同步字节，就说明一个新帧群开始。如图6.2.1所示，第一个数据帧的同步字节翻转，实际上是在伪随机信号发生器(即能量扩散)中完成的。第6章数字电视传输 图 6.2.1 固定长度数据帧结构第6章数字电视传输 经上述处理后的传输数据流，再按图6.2.2中描述的格式进行数据随机化(即能量扩散)。能量扩散的目的是使数字电视信号的能量不过分集中在载频上或“1”、“0”电平相对应的频率上，从而减小对其它通信设备的干扰，并有利于载波恢复。具体做法是将二进制数据中较集中的“0”或“1”按一定的规律使之分散开来，这个规律由伪随机发生器的生成多项式决定。例如，如果某一时刻“1”过于集中
20、，就相当于该时刻发射功率能量集中在“1”电平相对应的频率上。在另一时刻，如果“0”过于集中，就相当于此时刻发射功率集中在载频上。这种在信号的发射过程中能量过于集中的现象，不利于载波恢复，影响接收效果。如果在信号发射之前，将二进制数据随机化，即能量扩散，使“1”和“0”分布较为合理，即整个数据系列中，数据从“0”到“1”或从“1”到“0”的跳变较为频繁，这大大有利于载波恢复，提高了接收信号的稳定可靠性。数据随机化过程也称数据扰码过程，收、发两端是同步进行的，以确保原始数据的恢复。第6章数字电视传输 图 6.2.2 数据随机化/去随机化(能量扩散/解扩散电路)第6章数字电视传输 能量扩散是通过伪随
21、机二进位序列发生器来完成的，需要能量扩散的数字信号送往图6.2.2所示的电路就可完成。伪随机发生器电路是由生成多项式决定的。例如欧洲DVB标准采用的伪随机二进位序列(PRBS)发生器的生成多项式为1+x14+x15第6章数字电视传输 在每8个传送帧开始时，对15个寄存器进行初始化，加载“100101010000000”数据，如图6.2.2所示输入到PRBS 寄存器中。为了向扰码器提供初始信号，第一个传输帧的同步字节将自动从 47H反转到B8H，这一过程称为“传输流复用调整”。PRBS发生器输出的第一位应与反转后的同步字节(B8H)的第一位(即MSB)相一致。为了向加扰器提供初始信号“10010
22、1010000000”，每8个数据帧中第一个数据帧的同步字节(Byte)期间，扰码将继续进行，但输出“使能”端关断，也即第一个数据帧的同步字节并不加扰，未被随机化。因此，PRBS 序列帧群的总长度为81881=1503字节。当调制器输入数据流不存在，或者它与传输流格式(1同步字节+187字节数据)不一致时，也必须进行随机化。这是为了避免发送出未被调制的载波。第6章数字电视传输 值得注意的是，收、发两端均采用相同的能量扩散、解扩散电路，而且是同步工作的。图6.2.2中，115表示15个移位寄存器，AND表示或门，EX-OR表示异或门。在发送端，数据要进行随机化时，将要随机化的数据从图6.2.2中
23、底下这个异或门的去随机/随机数据输入端口加入，再经异或门随机化后输出已被能量扩散后的随机数据。在接收端，解能量扩散电路也是与发送端电路相同，需要去随机化的数据从图6.2.2中底下这个异或门的去随机/随机数据输入端口加入，再经异或门去随机化后，输出已被解能量扩散后的数据。第6章数字电视传输 为了检验其扩散效果，利用图6.2.2的原理现编程序如下：#include stdio.h main()long m();unsigned b=0,b1,b2,t=0 x00a9,t1,t2,res=0,i1,res1;char i，c，i2;unsigned long a，yu，a1;printf(a=);/
24、*输入16位周期重发数据流*/scanf(%6ld%10ld，&a1，&a);printf(%ld，%ldn，a，a1);第6章数字电视传输 for(i=9;i=0;-i)c=a1/m(10，i);yu=a1%m(10，i);if(c0)b=b+m(2，i+10);a1=yu;for(i=9;i0;-i)c=a/m(10，i);yu=a%m(10，i);if(c0)b=b+m(2，i);a=yu;第6章数字电视传输 if(yu0)b=b+1;printf(b=%un，b);/*输入的数据流的十进制值*/printf(res=);for(i1=0;i1=188;i1+)/*数据重发的周期数*/b
25、2=b;for(i2=0，res=0;i21;t1=t&0 x4000;t2=t&0 x2000;t=t1;t=t&0 x7fff;第6章数字电视传输 t2=t214;t=t|t1;b1=b2&0 x0001;b1=t1b1;b2=b21;res=res|(b115);第6章数字电视传输 for(i2=0;i216;i2+)if(i2!=0)res=res0)printf(1);else printf(0);/*输出的数据流*/printf(n);第6章数字电视传输 long m(char g，char n)int i1;long k=1;for(i1=0;i1M的突发差错，经解交织后，可将长
26、突发差错变换成长度为l1=l/M的短突发差错;(3)在不计信道时延条件下完成交织与解交织变换，将产生2MN个符号的时延，其中发、收端各占一半;(4)在很特殊的情况下，周期为M的k个单个随机独立差错序列，经交织与解交织后会产生长度为l的突发差错。第6章数字电视传输 由以上的性质可见，块交织器是克服深衰落的有效方法，并已在数字通信中获得广泛应用。但主要缺点是带来附加的2MN个符号的延时，对实时业务如图像和声音带来不利的影响。上面讨论的块交织有两大缺点：附加延时和变随机独立差错为突发差错。为克服这两大缺点，提出了卷积交织。卷积交织器可以仿照块交织来组成，即把行、列形成的块状交织，从左上角到右下角作一
27、对角线，对角线以下的部分组成发送端交织器，对角线以上的部分为接收端解交织器。很显然，在相同数据交织的情况下，器件、延时各少了一半。第6章数字电视传输 2.卷积交织卷积交织(1)卷积交织的原理图如图6.4.1所示。它的性质与块交织相似。图6.4.1中以箭头表示的4个开关自上而下往返同步工作。M表示能存储5 bit的移位寄存器。将来自编码器的信息符序列送入并行寄存器组;接收端的寄存器与发送端互补。下面仍以L=MN=55=25个信息序列为例加以说明。第6章数字电视传输 图 6.4.1 卷积交织的原理图(a)发送端交织;(b)接收端解交织第6章数字电视传输(2)设待传送信息序列为X=(A01，A02，
28、A03，A04，A05，A06，A07，A08，A09，A10，A11，A12，A13，A14，A15，A16，A17，A18，A19，A20，A21，A22，A23，A24，A25)第6章数字电视传输(3)发送端交织器是码元分组交织器，25个信息码元分为5行5列。按行输入：当A01输入交织器，将直通至输出至第一行第一列的位置;当A02输入交织器经M=5位延迟后，输出至第二行第二列的位置;当A03输入交织器经2M=25=10位延迟后，输出至第三行第三列的位置;当A04输入交织器经3M=35=15位延迟后，输出至第四行第四列的位置;当A05输入交织器经4M=45=20位延迟后，输出至第五行第五列
29、的位置。第6章数字电视传输(4)若用矩阵表示交织器的输入，因它是按行写入每行5个码元，即 (6.4.3)第6章数字电视传输 经过并行的N个(0，1，2，N1)存储器后，有 (6.4.4)第6章数字电视传输(5)按行读出送入信道的码元序列为X=(A01，A22，A18，A14，A10，A06，A02，A23，A19，A15，A11，A07，A03，A24，A20，A16，A12，A08，A04，A25，A21，A17，A13，A09，A05)第6章数字电视传输(6)在信道中仍受到两个突发的干扰：第一个为5位，即A01A22A18A14A10;第二个为4位，即A11A07A03A24。接收端收到的
30、码元序列为X=(A01，A22，A18，A14，A10，A06，A02，A23，A19，A15，A11，A07，A03，A24，A20，A16，A12，A08，A04，A25，A21，A17，A13，A09，A05)第6章数字电视传输(7)在接收端送入解交织器，解交织器结构与发送端交织器结构互补，且同步运行，即并行寄存器数自上而下为4M、3M、2M、M、0(直通)。(8)接收端解交织器，用55矩阵表示如下：输入：(6.4.5)第6章数字电视传输 输出:(6.4.6)第6章数字电视传输 (9)按行读出并送入信道译码器的码序列为 =(A01，A02，A03，A04，A05，A06，A07，A08，
31、A09，A10，A11，A12，A13，A14，A15，A16，A17，A18，A19，A20，A21，A22，A23，A24，A25)可见信道中突发差错，解交织变换器成为随机独立差错。第6章数字电视传输 3.随机交织随机交织 无论是块交织还是卷积交织，它们都属于固定周期式排列的交织器，避免不了在特殊情况下将随机独立差错交织成突发差错的可能性。为了基本上消除这类意外的突发差错，建议采用伪随机式的交织，即随机交织。(1)在正式进行交织前，先通过一次伪随机的再排序处理。(2)其方法为：先将1个符号陆续地写入一个随机存取的存储RAM，然后再以伪随机方式将其读出。可以将所需的伪随机排列方式存入只读存储
32、器中，并按它的顺序从交织器的存储器中读出。第6章数字电视传输 4.时间交织和频率交织时间交织和频率交织 考虑到无线电信道的特性，当行车速度很低进行移动接收时，时域中可能出现时间较长的深度衰落;当多径辐射只有很少的线路时延差时，在频域中可能出现较宽频率范围的深度衰落。因此要考虑时间交织和频率交织。对于交织参数的选择，在时域中受最大允许的信号时延(收、发端之间存储器时延时间之和)的限制，在频域中受载波间隔和总的可供使用的带宽的限制。交织简单地说就是将原始连续的比特尽可能地配置到相距较远的载波上，而将原始时间分开的比特安置在相近的载波上，如图6.4.2所示。第6章数字电视传输 图 6.4.2 不同节
33、目的载波分配在不同的频率点第6章数字电视传输 时间交织器和解交织器的工作原理如图6.4.3所示。连续的串行比特流ak首先在一个串/并变换器中被中间存储，然后各个比特流在不同的帧中，即在不同的时刻传送，自上而下往返同步工作，TF表示能时延的单位。(1)将来自编码器的信息序列送入并行寄存器组。(2)接收端的寄存器与发送端互补。解交织的任务是对交织时相对时延予以补偿，并经并/串变换器重新变成一个挨一个地保持发送端原始顺序的串行数据被读出。第6章数字电视传输 图 6.4.3 时间交织器和解交织器的工作原理第6章数字电视传输 频率交织根据相邻的比特在尽可能远的不同载波上传送的原则，进行简单的数学上的组合
34、排列。若不进行频率交织，相邻的比特尽管在比特的时刻点传送，但是实现这种传输的载波频率保持不变，则在低速行车时移动接收或在静止接收时，对于传输频段的一部分来说也有可能产生持续期较长的深度衰落。通过频率交织，相邻的比特安置在大于无线电信道的相对带宽的不同载波上，就可以消除这种衰落的影响，即如果形成了“块”差错，经过解交织后变为不连续的单个差错，可被纠错，具有时间和频率交织的纠错码减少单载波的衰落。时间交织仅适用于主业务信道的所有子信道，而快速信息信道和多路复合控制信号不进行时间交织。无论是快速业务信道还是主业务信息信道，在对各载波调制之前都要进行频率交织。第6章数字电视传输 5.交织对提高纠错性能
35、的分析交织对提高纠错性能的分析 信道之中加上交织与解交织之后，可以使输入数据按照一定的规则进行重新排列，对于我们经常使用的外信道采用R-S码(纠错能力为n)，内信道加上交织与解交织(交织深度为I)之后，整个系统的纠错能力提高到nI。交织器输入时是周期(为交织深度I)轮流输入，一个(n2，I)同步交织器在该交织器输出上的任何一个长度为I的数据串中不包含交织前原来数据序列中相距小于I(交织分支数即交织深度)的任何两个数据。也就是说，在解交织时，这I个数据会被分散到I个R-S码字中，每个R-S码的纠错能力为n，故整个系统的纠错能力为nI。第6章数字电视传输 6.数字电视中的实际交织电路数字电视中的实
36、际交织电路1)美国HDTV中使用过的卷积交织器 在数字HDTV中往往要进行多次交织。例如，在美国 digiCiPher HDTV中，在R-S码的格状编码之间要加交织，这是因为利用Viterbi算法进行格状译码时，会出现差错扩散，引起突发差错。为了对抗来自信道的脉冲干扰而引起的突发错误，在格状编码和信道之间也要加交织器。第6章数字电视传输 为了有效地进行交织，必须要具有关于突发长度B的统计知识。对于脉冲干扰来说，突发长度就是脉冲长度。对由Viterbi 算法的误码扩散所引起的突发错误，目前尚缺少一个好的统计模型。按CCITT规定，突发错误定义为“一组首尾是错误的数据比特串，其中任何两个前后错误比
37、特之间隔小于某个常数”。对于Viterbi 算法产生的突发错误，通常取这个常数等于K1，其中K是格状码的约束长度。最简单的交织器例子是块交织器。它是一个二维存储器阵列，把数据先按行存入，然后按列读出。更一般的交织器称为同步交织器。在同步交织器中，每时刻存入一个数据，同时读出一个数据。第6章数字电视传输 一个(n2，n1)同步交织器满足如下要求：在该交织器输出上的任何一个长度为n2的数据串中不包含交织前原来数据序列中相距小于n1(交织分支数)的任何两个数据。显然，在发送端采用交织器，在接收端就要用解交织器把数据恢复过来。可以证明，与(n2，n1)交织器相对应的解交织器自身是一个(n2，n1)交织
38、器。第6章数字电视传输 对于(n2，n1)交织器来说，有两个性能是设计者关心的：一个是编码延时D，它定义为从数据进入交织器到这个数据离开交织器输出的最大延时;另一个是交织器和解交织器的存储容量S和Su。我们希望D和S、Su尽量小，但对(n2，n1)交织器来说，有第6章数字电视传输 图6.4.4所示为一种在美国大联盟方案中采用过的卷积型交织器。由于在大联盟方案中采用缩短R-S码(208 B，188 B)，可纠正10B错误，每个字节是8 bit，因此图中每一节移位寄存器是一个字节。第6章数字电视传输 图 6.4.4 美国大联盟方案中的交织器与解交织器(M=4，B=52)(a)交织器;(b)解交织器
39、第6章数字电视传输 这是一个n2=208，n1=52的交织器，它的任何一个长度为208的输出数据串(或一个R-S码字)中不包含输入数据序列中相距小于52的任何两个数据。收、发两端整个交织器的延时为D=10 608 B，每个交织器的存储器容量为S=Su=5304 B，所以无论是延时，还是存储器数目均是最佳的，因而它的结构比其它(如块交织器)相同性能的交织器要简单。相应的解交织器与交织器一样，只是把卷积次序颠倒。整个交织器的交织深度为10 608 B。因为R-S(208 B，188 B)能纠正10 B错误，所以与图6.4.4所示交织器相结合可纠正长度为5210=520 B的突发错误长度，极大地增加
40、了R-S码的纠错能力。第6章数字电视传输 2)欧洲DVB标准使用的卷积交织器欧洲DVB标准使用的交织器，采用一个深度I=12的卷积交织(见图6.4.5)，结果产生一个交织帧。I=12的卷积交织处理过程是基于Forney逼近，其兼容Ramsey III逼近。交织帧由重叠的纠错包组成，同时以MPEG-2同步字节为边界(保留204 bit的周期)。交织器由I=12个分支组成，其由输入开关控制循环的连接到输入比特流。每一个分支都有先进先出(FIFO)移位寄存器，且深度为(Mj)的单元(其中M=17 B=N/I，N=204 B,为纠错帧长，I=12，为交织深度，j为分支号)。FIFO单元为一个字节，且输
41、入/输出开关同步。第6章数字电视传输 为了保证同步，同步字节和倒相同步字节始终被送入交织器的分支“0”中(相当于0延时)。收、发两端整个交织器延时为D=2244 B，每个交织器的存储器容量为S=Su=17(1+11)11/2=1122 B。因为R-S(204 B，188 B)能纠正8 B错误，所以与图6.4.5所示交织器相结合可纠正长度为128=96B的突发错误长度，极大地增加了R-S码的纠错能力。第6章数字电视传输 图 6.4.5 DVB标准使用的交织器和解交织器(a)交织器;(b)解交织器第6章数字电视传输 6.5 格状编码格状编码(TCM)1982年，Ungerboeck提出的格状编码调
42、制技术(又称码调)将编码和调制技术有机地结合起来。传输系统如图6.1.4所示。其中内信道编码的一种是卷积编码(格状编码)。经过卷积编码后，原来无关的数字符号序列前后一定间隔之内有了相关性。应用这种相关性根据前后码符关系来解码，通常是根据收到的信号从码符序列可能发展的路径中选择出最似然的路径进行译码，比起逐个信号判决解调性能要好得多。然后把编码和调制结合在一起，使符号序列映射到信号空间所形成的路径之间的最小欧氏距离(称为自由距离)为最大。用这种信号波形传输时就有最大的抗干扰能力。本节将介绍发送侧的编码调制即格状编码方法。下面先介绍卷积编码及格状图，再介绍调制映射与最小自由路径距离。为了讨论时有一
43、具体概念，以下以较简单的残留边带调制(VSB)的格状编码为例进行讨论。然后介绍二维信号的16QAM和32QAM的格状编码，这是QAM和OFDM传输方案中所采用的。最后介绍格状编码调制的性能。第6章数字电视传输 1.格状编码格状编码1)卷积编码及格状图卷积码是1955年由Elias最早提出的。由于编码方法可以用卷积这种运算形式表达，卷积码因此而得名。卷积码是有记忆编码，它有记忆系统，即对于任意给定的时段，其编码的n个输出不仅与该时段k个输入有关，而且还与该编码器中存储的前m个输入有关。第6章数字电视传输 卷积码是纠错码中的一种。现用图6.5.1(a)所示的一种简单而实用的(2，1，3)卷积码来说
44、明。所用的数码是二进制数。卷积码(n，k，m)的表示法中参数k表示输入信息码位数，n表示编成的卷积码位数。图示的这种卷积码，k=1，n=2，即每输入1位信息码，输出2位码，r=k/n 称为信息率。把j时刻输入信息码记为 x(j)，这个卷积编码器中用了一个有两个存储单元M2、M1的移位寄存器，分别存储着前两位信息码M2(j)=x1(j2)，M1(j)=x1(j1)。按图6.5.1(a)所示的结构，j时刻编成的码为(6.5.1)第6章数字电视传输 图 6.5.1 卷积码及格状图(a)一种(2，1，3)卷积码编码器;(b)状态转移图;(c)格状图第6章数字电视传输 式中：表示模2和运算(001+10
45、，01101)。式(6.5.1)可写成通式 (6.5.2)式中：是模2和累加;m1是编码器存储单元数。这个式子说明编成码字yi(j)是输入码序列xi 和相应Ci卷积的结果。图6.5.1中的卷积编码器有：C0(0)=0，C0(1)=1，C0(2)=0;C1(0)=1，C1(1)=0，C1(2)=1。使用m1个寄存器单元时，编成的卷积码和前m1位码元输入码及当前码共m位输入码有关系。m称为约束，本例中m=3。第6章数字电视传输 卷积码的编码可用存储单元M2、M1状态转移图表示，如图6.5.1(b)所示。2个存储单元M2、M1可组成4个状态(00，01，10，11)，用顶点(a，b，c，d)表示，状
46、态转移用弧线表示，并标注编码关系x1y1y0，把接连的状态转移连在一起可构成格状图，如图6.5.1(c)所示。从格状图可看到编码所有可能的发展路径。图中为从状态a开始，发展的所有可能编码路径构成的格状图，可看出从a点开始经过m=3段后，已可发展到4个态的任一个态，后面各段格状结构都是重复的。第6章数字电视传输 卷积编码形成了码序列之间的相关性，反映在格状图上成为格状图上的路径。有些路径从一段上来看，这种编码器编成的码绝不会发生，如ac、ad、ba、bb、cc、cd、da、cb的转移，那么在接收时就只要考虑格状图上有的路径。因此，接收端也要有和发送端相同的编码器，用来产生格状图上的路径，以便从中
47、寻找出沿着一条路径发展的编码y1y0序列和收到码序列相同或差别最小的，以此作为最可能的路径，并按每段x1y1y0 关系逆推出x1序列作为发送的码序列。这条找到的路径叫做似然路径。从格状图路径中找出似然路径的方法是Viterbi算法，将在后面介绍。第6章数字电视传输 比较收到的码和路径发展编成码之间或路径与路径之间的一种距离测距叫汉明距离，定义为把码序列ui和vi作比较，即 (6.5.3)例如，ui=101001，vi=100101，则dH2。可以看到格状图上的路径之间距离越大，信道的抗噪声干扰能力就越强，只要噪声干扰引起的误码在一定限度之内，误码的存在就不会引起误判，从而可做到准确解码。只有当
48、干扰过大了，误码数超过限度，才会误判到错误路径上，引起解码错误。第6章数字电视传输 2)调制映射与最小自由路径距离格状编码调制把信道编码与调制传输信号星座图看成是一个总体来进行设计。通常把信号集合扩展一倍为纠错编码提供所需的冗余度。美国GA的传输方案中，传输数据率为21.28 Mb/s，传输方案采纳格状编码，格状编码方框图如图6.5.2所示，用8个信道符号。也就是把原2 bit数据采用r=k/n=2/3信息率的卷积码编成3位码，再把3位码映射成为8个信号符号。映射方法要选得使编成的码序列发展成路径之间的自由欧氏距离为最大。3位码的8-VSB格状编码调制器(TCM)结构图如图6.5.2所示。这种
49、(3，2，3)卷积编码器由图6.5.1(a)的(2,1,3)卷积编码器按式(6.5.1)把x1编成y1y0再加上y2(j)=x2(j)构成。由于采用的存储单元和前面一样为2个，约束m3，而现在信息码为x2x1，k=2，编好的码在mn个码位内有相关性，mn 称为约束长度。第6章数字电视传输 图 6.5.2 3位码的8-VSB格状编码调制器(TCM)结构图第6章数字电视传输 如上所述，为了提供纠错编码所需的冗余度，原来需要 2D个信号的集合传输进行编码调制扩展成使用 2D+1个信号的集合。Ungerboeck对于D数值较小时提出了一种映射方法。设2D+1个信号星座点间的最小距离为0，把它对分成2个
50、子集，要使子集信号间的最小距离10，然后再把子集进一步划分，每一次划分使新子集信号间的最小距离大于原子集信号间的最小距离，直到D+1次划分为止，且D10。现在以8-VSB的一维星座点为例说明这种分割方法，如图6.5.3所示。第6章数字电视传输 图 6.5.3 8-VSB信号的映射构成方法第6章数字电视传输 信号距离用相应于平均功率的电压来归一化。假设8-VSB各信号出现概率相等，按标注的比例电平值，平均功率为2(72+52+32+12)/8=21，相应于平均功率的电压为4.58，最小信号距离归一化值0=2/4.58=1/2.29。用了归一化值后可以对不同的调制情况进行比较。当对8-VSB星座点
