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1、卫星卫星数字电视数字电视的的编码编码调制技术调制技术083203083203车恒飞车恒飞083212083212曹丽娜曹丽娜卫星数字电视简介卫星数字电视简介 卫星数字电视，是从电视节目录制、播出到发射、接收全部采用数字编码与数字传输技术的新一代电视。 它具有许多优点：可实现双向交互业务可实现双向交互业务抗干扰能力强抗干扰能力强频率资源利用率高频率资源利用率高可提供优质的电视图像可提供优质的电视图像和和视频服务视频服务 ( (如远程教育、会议电视、电视商务、影视点播等如远程教育、会议电视、电视商务、影视点播等) )。卫星数字电视系统卫星数字电视系统 一个完整的数字电视系统包括数字电视信号的一个完
2、整的数字电视系统包括数字电视信号的产生、处理、传输、接收和重现。产生、处理、传输、接收和重现。 数字电视信号在进入传输通道前的处理过程一般如图1所示：信号获取信源编码信道编码调 制图图1 1 数字电视信号传输前的处理过程数字电视信号传输前的处理过程地面无线传输卫星传输有线传输 在数字电视卫星广播中，通过采用数字化技术，并利用数据压缩编码技术，一颗大容量卫星可转播 100 500 套节目，其调制方式在世界范围内都统一采用QPSK(正交移相键控)方式。我国的卫星数字电视选用DVB-S标准。卫星数字电视系统卫星数字电视系统数字视频编码内码卷积交织外码R-S纠错编码QPSK调制基带整形内码卷积编码能量
3、扩散传输流多路复用节目流多路复用数字音频编码数据编码图图2 2 数字电视卫星传输系统数字电视卫星传输系统IF数字电视信源编码技术数字电视信源编码技术 信源编码是数字电视系统的核心技术，其本质就是通过压缩编码技术来去除视频、音频、数据等原始信号的冗余信息，以实现传输码率压缩与带宽减小。 图像压缩的主要技术与标准图像压缩的主要技术与标准 目前有关图像压缩方面的主要标准包括CCITT的 H.261（针对电视电话图像） JPEG （针对静止图像） MPEG （针对活动图像） 这几种压缩标准虽然各自针对性不同，但压缩编码方法大体相似。H.261编码编码原理原理图中，DCT变换的输入输出选择开关由帧内/帧
4、间模式选择电路控制。在帧内模式时，开关打到上面，输入信号经DCT变换，线性量化和变长编码后输出，图像只进行帧内压缩。在帧间模式时，开关打到下面，前一帧图像信号经过预测环中的运动补偿后产生一个后帧的预测信号。后帧的实际输入信号与其预测值相减后，在进行一个帧内压缩编码的过程后输出。图图3 H.2613 H.261压缩编码原理简图压缩编码原理简图JPEGJPEG（静止图像压缩编码）（静止图像压缩编码） JPEGJPEG是一种不含帧间压缩的帧内压缩编码方是一种不含帧间压缩的帧内压缩编码方法，其主要编码过程与法，其主要编码过程与H.261H.261大致相同。大致相同。 具体步骤如下具体步骤如下：输入信号
5、经DCT变换后，按固定的亮度与色度量化矩阵进行非线性量化。对量化后的DCT直流系数进行差分编码，交流系数进行行游程编码。按霍夫曼码表进行变长编码后，送缓存器输出 。MPEGMPEG（运动图像压缩编码）（运动图像压缩编码）u1992年和1994年分别通过了MPEG1和MPEG2压缩编码标准。uMPEG1主要是针对运动图像和声音在数字存储时的压缩编码，典型应用如VCD等家用数字音像产品，其编码最高码率为1.5Mbps1.5Mbps。uMPEG2则针对数字电视的视音频压缩编码，对数字电视各种等级的压缩编码方案及图像编码中划分的层次作了详细的规定，其编码码率可从3Mbps3Mbps到到100Mbps1
6、00Mbps。uMPEG2的压缩编码及其标准码流的形成构成了数字电视信源编码的核心。数字电视信道编码技术数字电视信道编码技术信道编码简介信道编码简介 信道编码是通过按一定规则重新排列信号码元或加入辅助码的办法来防止码元在传输过程中出错，并进行检错和纠错，以保证信号的可靠传输。 信道编码是数字通信区别于模拟通信的显著标志，其主要实现方法是通过增大码率或频带增大码率或频带，即增大所需的信道容量。这一点恰好与信源编与信源编码码为适应存储及信道传输要求而进行压缩码率或频带而相反相反。数字电视信道编码技术数字电视信道编码技术数字电视系统信道编码技术主要包括纠错编码技术、数据交织技术、网格编码技术、均衡技
7、术等，它们可提高数字电视信号的抗干扰能力，再利用调制技术即可将数字电视信号放在载波或脉冲串上，从而为信号发射做好准备。多路视频音频数据节目复用MPEG-2TSl流复用匹配能量扩散外码编码数据交织内码编码基带形成信道调制图图4 4 信道编码结构框图信道编码结构框图数字电视信道编码技术数字电视信道编码技术RS编码技术编码技术 里德一所罗门(Reed-Solomon)码，简称RS码，它是广泛应用在数字电视传输系统中的一种纠错编码技术。RS码以字节为单位进行前向误码纠正(FEC，Forward Error Correction)，它具有很强的随机误码及突发误码纠正能力。 在RS(n，k)编码中，输入信
8、号分成km比特一组，每组包括k个符号，每个符号由m比特组成，因此总码长n=k+r个符号，共有k个信息符号、r个监督符号，最小码距d0=2t+1个符号，RS码能够纠正t=r2个符号的错误，通常一个可纠错t个误码字节的RS码可表示为(n，k，t)。数字电视信道编码技术数字电视信道编码技术数据交织技术数据交织技术 数据交织是指在不附加纠错码字的前提下，利用改变数据码字传输顺序的方法，来提高接收端去交织解码时的抗突发误码能力。通过采用数据交织与解交织技术，传输过程中引入的突发连续性误码经去交织解码后恢复成原顺序，此时误码分散分布，从而减少了各纠错解码组中的错误码元数量。图图5 5 数据交织技术纠正突发
9、误码原理图数据交织技术纠正突发误码原理图数字电视信道编码技术数字电视信道编码技术由图5可见，mn个数据为一组，按每行n比特，共m行方式读入寄存器，然后以列的方式读出用于传输，接收端把数据按列的方式写入寄存器后再以行方式读出，得到与输入码流次序一致的输出，由此实现了交织与解交织。卷积编码技术卷积编码技术 卷积编码又称内码或循环码，它是一种非分组码，其前后码字或码组之间有一定约束关系。 卷积编码是RS编码与数据交织的有效补充，当信道质量较差时，通常采用RS码与卷积码相级联的形式作为信道编码方案。 数字电视信道编码技术数字电视信道编码技术数字电视信道编码技术数字电视信道编码技术卷积编码技术卷积编码技
10、术 RS编码卷积编码调制信道解调RS解码维特比译码图图6 RS6 RS码与卷积码级联码与卷积码级联如图6所示，卷积编码器可有k0个输入，n0个输出，通常 k0n0，且皆为小整数。数字电视信道编码技术数字电视信道编码技术卷积编码技卷积编码技术术 在任意给定的时间单元内，编码器的no个输出不仅与本时间单元的k0个输入有关，还与前面m个输入单元有关，一个典型的 (2，1，2)卷积编码器结构如图7所示。图图7 (27 (2，1 1，2)2)卷积编码器卷积编码器数字电视调制技术数字电视调制技术 在现代通信中，提高频谱利用率一直是人们关注的焦点之一。近年来，随着通信业务需求的迅速增长，寻找频谱利用率高的数
11、字调制方式已成为数字通信系统设计、研究的主要目标之一。常用的几种调制方式及其比较常用的几种调制方式及其比较 数字电视系统常用基本调制方式有 QAM、 VSB、 QPSK。在具体应用中，根据不同的传输介质，采用了不同的调制参数。 QAM ( Quadrature Amplitude Modulation:正交调幅；16-QAM： 16状态/电平正交调幅 ) VSB ( Vestigial Side-Band：残留边带；8 -VSB：8电平残留边带 ) QPSK (Quadrature Phase-Shift Keying ：四相正交移相键控，与四状态QAM相同 ) COFDM (Coded Or
12、thogonal Frequency Division Multiplexing：编码正交频分复用 )正交振幅调制正交振幅调制(QAM) 正交振幅调制QAM(Quadrature Amplitude Modulation)是一种频谱利用率很高的调制方式，其在中、大容量数字微波通信系统、有线电视网络高速数据传输、卫星通信系统等领域得到了广泛应用。在移动通信中，随着微蜂窝和微微蜂窝的出现，使得信道传输特性发生了很大变化。 过去在传统蜂窝系统中不能应用的正交振幅调制也引起人们的重视。 MQAM调制原理调制原理 正交振幅调制是用两个独立的基带数字信号对两个相互正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制，利
13、用这种已调信号在同一带宽内频谱正交的性质来实现两路并行的数字信息传输。正交振幅调制信号的一般表示式为 sMQAM(t)= 式中，An是基带信号幅度，g(t-nTs)是宽度为Ts的单个基带信号波形。 式(9.1 - 1)还可以变换为正交表示形式: sMQAM(t)= sMQAM(t)=令 Xn=An cosn Yn=Ansinn则变为 sMQAM(t)=QAM中的振幅Xn和Yn可以表示为 Xn=cnA Yn=dnA 式中，A是固定振幅，cn、dn由输入数据确定。cn、dn决定了已调QAM信号在信号空间中的坐标点。 QAM信号调制原理图如图 9 - 1 所示。图中，输入的二进制序列经过串/并变换器
14、输出速率减半的两路并行序列， 再分别经过2电平到L电平的变换，形成L电平的基带信号。 为了抑制已调信号的带外辐射，该L电平的基带信号还要经过预调制低通滤波器，形成X(t)和Y(t)，再分别对同相载波和正交载波相乘。 最后将两路信号相加即可得到QAM信号。 图图9-1 QAMQAM信号调制原理图信号调制原理图 信号矢量端点的分布图称为星座图。通常，可以用星座图来描述QAM信号的信号空间分布状态。对于M=16的16QAM来说，有多种分布形式的信号星座图。 两种具有代表意义的信号星座图如图 9 - 2 所示。在图 9 - 2(a)中， 信号点的分布成方型，故称为方型16QAM星座，也称为标准型16Q
15、AM。在图 9 - 2(b)中，信号点的分布成星型，故称为星型16QAM星座。 若信号点之间的最小距离为2A，且所有信号点等概率出现，则平均发射信号功率为 图 9- 216QAM的星座图 (a) 方型16QAM星座； (b) 星型16QAM星座对于方型16QAM，信号平均功率为对于星型16QAM，信号平均功率为 两者功率相差1.4dB。另外，两者的星座结构也有重要的差别。一是星型16QAM只有两个振幅值，而方型16QAM有三种振幅值；二是星型16QAM只有8种相位值，而方型16QAM有12种相位值。这两点使得在衰落信道中，星型16QAM比方型16QAM更具有吸引力。 M=4, 16, 32,
16、, 256时MQAM信号的星座图如图 所示。其中，M=4, 16, 64, 256 时星座图为矩形，而M=32, 128 时星座图为十字形。前者M为2的偶次方，即每个符号携带偶数个比特信息；后者M为2的奇次方，即每个符号携带奇数个比特信息。 若已调信号的最大幅度为1，则MPSK信号星座图上信号点间的最小距离为 dMPSK=2 sin 而MQAM信号矩形星座图上信号点间的最小距离为 MQAM信号的星座图dMQAM= 式中，L为星座图上信号点在水平轴和垂直轴上投影的电平数，M=L2。由式(9.1 - 6)和(9.1 - 7)可以看出，当M=4时，d4PSK=d4QAM，实际上，4PSK和4QAM的
17、星座图相同。当M=16时，d16QAM=0.47，而d16PSK=0.39，d16PSKd16QAM。 这表明，16QAM系统的抗干扰能力优于16PSK。 MQAM解调原理解调原理 MQAM信号同样可以采用正交相干解调方法， 其解调器原理图如图所示。解调器输入信号与本地恢复的两个正交载波相乘后，经过低通滤波输出两路多电平基带信号X(t)和Y(t)。多电平判决器对多电平基带信号进行判决和检测，再经L电平到2电平转换和并/串变换器最终输出二进制数据。 MQAM信号相干解调原理图 MQAM抗噪声性能抗噪声性能 对于方型QAM，可以看成是由两个相互正交且独立的多电平ASK信号叠加而成。因此，利用多电平
18、信号误码率的分析方法，可得到M进制QAM的误码率为 Pe= 式中，M=L2，Eb为每比特码元能量，n0为噪声单边功率谱密度。 M进制方型QAM的误码率曲线 VSB：残留边带：残留边带调制技术调制技术 根据调制理论，在双边带（DSB）的调制的基础上，设计一个输出滤波器，使其输出信号的一边带频谱成分全部保留，另一个边带频谱成分只保留一小部分（低频部分），这样的调制输出称为残留边带调制（VSB）。实现VSB的方法主要有滤波法和相移法，这里主要介绍多电平残留边带调制的特点。对于8-VSB，已调波在满功率调制范围内可以取8种不同的电平状态，所以可以表示3位二进制数，显然调制效率高于4-VSB，更是高于一
19、般ASK 。 正交频分复用正交频分复用( ( OFDM ) )技术技术 在高速数字通信中，如果存在多径干扰(地面传输和移动接收则更为严重)，当多径延时(也包括信道的冲激响应)达到一定程度时，误码率将会急剧增加,(若最大多径延时为m ,其相关带宽f =1/m ，高码率的信号带宽大于f 时，将会出现严重的码间干扰)最终可造成无法接收，OFDM技术可以很好地解决这一问题。 OFDM将高速率串行数据转换成多个(N个)低速率的数据流调制到多个(N个)频率不同的载频上并行传输， 用N个并行单元码取代通常的串行脉冲序列，使用每个单元码所占的频带小于f 时，可以消除码间干扰。概括地讲，OFDM就是利用频域变换技术将信号样值用N 个(可到达数千个)载波分别进行传输。 欧洲系统中放置了大量的导频信号，穿插于数据之中，并以高于数据3dB的功率发送。这些导频信号一举多得，完成系统同步、载波恢复、时钟调整和信道估计。由于导频信号数量多，且散布在数据中，能够较为及时地发现和估计信道特性的变化。为进一步降低多径造成的码间干扰，欧洲系统又使用了“保护间隔”的技术，即在每个符号（块）前加入一定长度的该符号后段重复数值，由此抵御多径的影响。可以认为，大量导频信号插入和保护间隔技术是欧洲系统的技术核心，正是这两项技术使欧洲系统能够在抗强多径和动态多径及移动接收的实测性能方面优于美国VSB系统。
