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1、第第7章章 数字视频广播系统数字视频广播系统7.1 ATSC数字电视系统数字电视系统7.2 DVB数字视频广播系统数字视频广播系统7.3 ISDB-T数字电视系统数字电视系统7.1 ATSC数字电视系统数字电视系统美美国国的的ATSC数数字字电电视视规规范范是是为为其其国国内内的的全全数数字字化化HDTV地地面面广广播播研研讨讨开开发发的的一一种种规规范范，1988年年由由FCC(美美国国联联邦邦通通讯讯委委员员会会)提提出出想想象象，历历经经多多年年，于于2019年年正正式式同同意意为为系系统统规规范范，称称号号为为“ATSC数数字字电电视视规范。规范。规范扩展了规范扩展了ATSC的适用范围
2、，使其的适用范围，使其不仅运用于不仅运用于HDTV高明晰度电视中，也包高明晰度电视中，也包括了括了SDTV规范明晰度电视和计算机图形格规范明晰度电视和计算机图形格式等的参数规范。式等的参数规范。ATSC是美国是美国“先进电视先进电视制式委员会组织机构的称号缩写，它制制式委员会组织机构的称号缩写，它制定的包括定的包括SDTV和和HDTV的规范也可以并称的规范也可以并称为为ATV(先进电视先进电视)或或DTV(数字电视数字电视)的地的地面广播规范。实践上，面广播规范。实践上，ATSC规范中允许规范中允许18种图像源格式的存在。种图像源格式的存在。7.1.1 ATSC的图像源格式的图像源格式ATSC
3、规规范范中中规规定定了了可可以以采采用用的的18种种数数字字图图像像源源格格式式，包包括括一一帧图像的像素数和扫描方式。帧图像的像素数和扫描方式。7.1.2 ATSC的系统复用的系统复用ATSC的的信信道道编编码码器器其其输输入入是是传传送送流流(TS)数数据据，TS流流构构成成过过程程如如图图7-1所所示示，从从左左到到右右分分为为运运用用层层、紧紧缩缩层层、传传送送层层和和传传输输层层4层层，传送层的输出即为传送流传送层的输出即为传送流TS。图图7-1 传送流传送流TS的构成的构成运运用用层层(Application Layer)是是演演播播室室内内根根据据规规定定的的视视音音频频规规范范
4、原原始始产产生生的的、未未紧紧缩缩的的视视音音频频数数据据流流，例例如如视视频频是是SDI或或HD-SDI数数据据流流，音音频频是是立立体体声声或或环环绕绕声声的的数据流。数据流。紧紧缩缩层层(Compression Layer)中中根根据据规规定定的的信信源源编编码码规规范范将将输输入入的的数数据据流流予予以以码码率率 紧紧 缩缩 ， 产产 生生 出出 视视 频频 根根 本本 流流 (Video Elementary Strenam，VES)和和音音频频根根本本流流(AES)。视频根本流由像块、宏块、像条、图视频根本流由像块、宏块、像条、图像像(帧帧)、GOP(图像组图像组)和序列等和序列等
5、6个层次构个层次构成。成。传送层传送层(Transport Layer)中将中将ES打包，打包，构成打包根本流构成打包根本流(PES)，并实现视音频，并实现视音频PES的复用，组成复用的节目流的复用，组成复用的节目流(PS MUX)、传、传送流送流(TS MUX)。传输层传输层(Transmission Layer)内包含内包含信道编码和载波调制，其输出是调制在中信道编码和载波调制，其输出是调制在中频上的数字已调波，馈送至上变频器，经频上的数字已调波，馈送至上变频器，经高功放级后由天线发射。高功放级后由天线发射。7.1.3 ATSC信道编码与调制系统信道编码与调制系统ATSC信信道道编编码码与
6、与调调制制流流程程框框图图如如图图7-2所所示示，下下面面分分步步骤骤予予以以阐阐明明。图图7-2ATSC信道编码与调制框图信道编码与调制框图1数据随机化数据随机化数数据据随随机机化化的的目目的的是是打打碎碎TS流流包包中中能能够够出出现现的的长长“1、长长“0，防防止止信信号号在在低低频频段段频频谱谱上上有有大大的的能能量，不顺应信道的传输特性。量，不顺应信道的传输特性。2RS编码编码RS编编码码即即里里德德索索罗罗门门编编码码，它它是是以以字字节节为为单单位位进进展展前前向向误误码码校校正正(FEC)的的纠纠错错编编码码方方法法，具具有有强强的的随随机误码和突发误码校正才干。机误码和突发误
7、码校正才干。3数据交错数据交错由由图图7-2可可见见，RS编编码码之之后后是是数数据据交交错错，数数据据交交错错是是在在不不附附加加纠纠错错码码字字的的前前提提下下用用改改动动数数据据码码字字(以以比比特特或或字字节节为为单单元元)传传输输顺顺序序的的方方法法来来提提高高接接纳纳端端去去交交错错解解码码时时的的抗抗突突发发误误码码才才干干。传传输输过过程程中中引引入入的的突突发发误误码码(延延续续的的假假设设干干比比特特或或假假设设干干字字节节的的误误码码)，经经去去交交错错解解码码而而恢恢复复成成原原顺顺序序时时将将分分散散开开，使使后后面面的的RS解解码码更有才干予以纠正。更有才干予以纠正
8、。4格栅编码格栅编码信信道道编编码码中中，为为了了充充分分提提高高抗抗误误码码的的纠纠错错才才干干，通通常常采采用用两两次次附附加加纠错码的纠错码的FEC编码。编码。格格 栅栅 编编 码码 是是1982年年 由由Ungenboeck提提出出的的，它它将将卷卷积积编编码码与与调调制制技技术术结结合合一一同同，可可在在不不添添加加信信道道带带宽宽和和不不降降低低信信息息速速率率的的情情况况下下获获得得34dB的编码功率增益。的编码功率增益。5格栅编码交错器格栅编码交错器原原理理上上，图图7-2中中数数据据交交错错器器后后面面的的格格栅栅编编码码器器(图图7-7)只只需需求求一一个个。然然而而，虽虽
9、然然格格栅栅编编码码器器有有助助于于抗抗白白噪噪声声干干扰扰(随随机机干干扰扰)，但但对对于于脉脉冲冲干干扰扰和和突突发发误误码码其其抗抗御御性性能能并并不不好好。为为了了改改善善这这方方面面的的性性能能，以以及及为为了了使使接接纳纳端端的的格格栅栅解解码码器器电电路路简简化化，编编码码器器中中采采用用了了12个个同同样样的的格格栅栅编编码码器器并并行行地地任任务务，它它们们接接受受经经过过块块交交错错的的、交交错错深深度度I=12符符号号的的数数据据符号。符号。6段同步和场同步的参与段同步和场同步的参与场同步段有以下作用。场同步段有以下作用。(1)给给出出每每个个数数据据场场的的起起始始信信
10、息息。(2)PN511向向接接纳纳端端提提供供信信道道特特性性平平衡衡用用的的训训练练序序列列数数据据，使使接接纳纳端端得得到到时时变变的的信信道道特特性性信信息息，及及时时实实现解码信道的特性平衡。现解码信道的特性平衡。(3)PN63供接纳端实现重影补偿中作测供接纳端实现重影补偿中作测试序列运用，能补偿延时范围在试序列运用，能补偿延时范围在63个符号个符号内即时间为内即时间为6393=5.86s内的重影信号，内的重影信号，接纳机设计人员可在接纳机设计人员可在5.86s总量内恣意分总量内恣意分配前重影和后重影的校正范围。配前重影和后重影的校正范围。(4)最后最后12符号供接纳机中的梳状滤波符号
11、供接纳机中的梳状滤波器器(干扰抑制滤波器干扰抑制滤波器)运用。运用。(5)可用于接纳信号信噪比的丈量。可用于接纳信号信噪比的丈量。(6)可供接纳机中的相位跟踪电路用来可供接纳机中的相位跟踪电路用来使电路复位，并确定跟踪环路参数。使电路复位，并确定跟踪环路参数。7导频的参与导频的参与ATSC中中高高频频调调制制采采用用8VSB也也即即8电电平平残残留留边边带带调调幅幅方方式式，它它不不同同于于NTSC中中高高频频调调制制的的VSB残残留留边边带带调调幅方式。幅方式。8上变频器和射频载波偏置上变频器和射频载波偏置8VSB发发射射机机像像通通常常那那样样采采用用两两级级调调制制方方式式，第第一一次次
12、将将数数据据信信号号调调制制到到一一个个固固定定中中频频上上，第第二二次次再再上上变变频到所需的电视频道上。频到所需的电视频道上。7.1.4 ATSC的总体性能的总体性能美美国国从从20世世纪纪末末正正式式开开场场地地面面广广播播HDTV后后，在在初初期期开开展展并并不不快快速速，缘缘由由一一是是节节目目源源欠欠丰丰富富，二二 是是 接接 纳纳 机机 价价 钱钱 偏偏 高高 ， 三三 是是ATSC制式本身尚存在些问题。制式本身尚存在些问题。7.2 DVB数字视频广播系统数字视频广播系统7.2.1 MEPG-2系系统统规规范范在在DVB中的实施中的实施像像ATSC系系一一致致样样，DVB系系统统
13、中中最最先先的的参参数数规规范范是是演演播播室室参参数数规范和信源编码规范。规范和信源编码规范。7.2.2 DVB-S信道编码与调制系统信道编码与调制系统1DVB-S简介简介DVB-S是是1994年年12月月由由ETSI(欧欧洲洲电电信信规规范范学学会会)制制定定规规范范的的，规规范范编编号号为为ETS 300 421。DVB-S系系统统定定义义了了从从MPEG-2复复用用器器输输出出到到卫卫星星传传输输通通道道的的特特性性，总总体体上上分分成成信信道道编编码码和和高高频频调调制制两两大大部部分分。系系统统功功能能框框图图如如图图7-13所所示示，左左边边部部分分为为MPEG-2信信源源编编码
14、码和和复复用用，右右边边部部分分为为卫卫星星信信道道适适配配器器，也也即即是是信信道道编编码码和和高高频频调调制制部分。部分。图图7-13 DVB-S系统功能框图系统功能框图2复用适配和能量分散复用适配和能量分散输输入入TS流流是是188字字节节的的包包，其其中中第第一一个个字字节节是是同同步步字字节节(SYNC)。在在DVB-S中中，对对TS流流包包的的处处置置如如图图7-14所示。所示。图图7-14 TS流包的加扰和流包的加扰和RS编码编码3外码编码外码编码外外码码编编码码即即是是RS编编码码，是是在在每每188字字节节后后参参与与16字字节节的的RS码码(204，188，t=8)，参见图
15、，参见图7-14(b)。4外交错外交错为为提提供供抗抗突突发发干干扰扰的的才才干干，在在RS编编码码后后采采用用字字节节为为单单元元的的交交错错，称称为为字字节节交交错错或或外外交交错错，交交错错深深度度I=12字节。字节。5卷积内编码卷积内编码内内码码编编码码与与外外码码编编码码相相结结合合，构构成成了了DVB-S中中的的级级联联编编码码，它它加加强强了了信信道道纠纠错错才才干干，有有利利于于抗抗御御卫卫星星广播信道传输中干扰的影响。广播信道传输中干扰的影响。内内码码编编码码与与外外码码编编码码相相结结合合，构构成成了了DVB-S中中的的级级联联编编码码，它它加加强强了了信信道道纠纠错错才才
16、干干，有有利利于于抗抗御御卫卫星星广播信道传输中干扰的影响。广播信道传输中干扰的影响。6收缩卷积码和基带成形收缩卷积码和基带成形图图7-17所所示示的的基基带带卷卷积积输输出出X，Y输输入入至至收收缩缩卷卷积积码码电电路路，实实现现2/3或或3/4等等编编码码效效率率，而而后后再再使使该该串串行行序序列列经经串串/并并变变换换电电路路构构成成I，Q两两路路并并行输出。行输出。7误码性能要求误码性能要求卫卫星星接接纳纳端端有有确确定定的的误误码码性性能能要要求求，以以确确保保接接纳纳信信号号质质量量。在在传传输输信信道道中中，对对于于出出现现的的相相加加性性白白高高斯斯噪噪声声(AWGN)引引起
17、起的的信信号号质质量量下下降降，通常以通常以Eb/N0进展衡量。进展衡量。图图7-17 1/2编码率的根本卷积码编码率的根本卷积码7可用比特率与转换器带宽的关系可用比特率与转换器带宽的关系一一个个卫卫星星转转发发器器能能以以QPSK调调制制方方式式传传输输的的可可用用比比特特率率值值，除除了了决决议议于于可可选选用用的的不不同同值值的的内内码码编编码码率率外外，更更加加决决议议于卫星转发器本身的带宽。于卫星转发器本身的带宽。由由上上面面所所述述可可以以看看出出，DVB-S的的特特点点在在于于卫卫星星信信道道的的带带宽宽大大(24MHz)，但但转转发发器器的的辐辐射射功功率率不不高高(十十几几瓦
18、瓦至至一一百百多多瓦瓦)，传传输输信信道道质质量量不不够够高高(传传输输途途径径远远，特特别别是是易易于于受受雨雨衰衰影影响响)。因因此此，为为保保证证接接纳纳可可靠靠而而采采用用了了调调制制效效率率较较低低、抗抗干干扰才干强的扰才干强的QPSK调制。调制。7.2.3 DVB-C信道编码与调制系统信道编码与调制系统1DVB-C简介简介DVB-C系统定义了有线数字电视系统定义了有线数字电视广播系统的功能块组成，它使广播系统的功能块组成，它使MPEG-2基带数字电视信号与有线信基带数字电视信号与有线信道特性相匹配。道特性相匹配。DVB-C的欧洲规范是的欧洲规范是由由ETSI(欧洲电信规范学会欧洲电
19、信规范学会)于于1994年年12月制定的，规范编号为月制定的，规范编号为ETS 300 429。2DVB-C信信道道编编码码与与DVB-S的的共共通部分通部分由由图图7-19可可见见，发发送送端端框框图图中中的的前前4个方框是与个方框是与DVB-S一样的。一样的。3字节到字节到m位符号变换位符号变换DVB-C中中，符符号号交交错错(交交错错深深度度I=12字字节节)之之后后没没有有级级联联的的卷卷积积编编码码，也也即即只只需需外外编编码码而而无无内内编编码码，缘缘由由在在于于有有线线信信道道质质量量较较好好，不不用用将将FEC做得复杂化。做得复杂化。图图7-19 DVB-C前端与接纳端框图前端
20、与接纳端框图图图7-21 64QAM调调制制星星座座图图图图7-22 字节到字节到m符号变换框图符号变换框图4不同不同M值的值的MQAM星座图星座图图图7-23所所示示的的为为不不同同M值值的的MQAM星星座座图图，它它们们的的实实现现都都基基于于图图7-22所示的符号变换框图。所示的符号变换框图。图图7-23 不不同同M值值的的MQAM调调制制星星座座图图5基带成形基带成形如如图图7-19所所示示，在在符符号号变变换换和和差差分分编编码码(IkQk)之之后后是是基基带带成成形形，采采用用式式(6-18)所所示示的的升升余余弦弦平平方方根根滤滤波波函函数数，滚滚降降系系数数0.15。可可见见，
21、由由于于有有线线信信道道质质量量好好，因因此此值值较较小小(DVB-S中中=0.35)，这这有有利利于于带带宽宽利利用率的提高。用率的提高。6调制传输调制传输前前面面已已述述及及，DVB-C的的调调制制方方式式为为MQAM，可可以以是是16，32，64，128和和256QAM，典型值是，典型值是64QAM。7传输比特率传输比特率根根据据MQAM的的M值值和和映映射射频频道道的的带带宽宽，可可以以计计算算出出一一个个DVB-C频频道道能能传传输输的的可可用用比比特特率率Ru值值(Mbit/s)和和符符号号率率Rs值值(Mbaud)，如如表表7-7所所示示，表表中中的的值值适适宜宜于于8MHz的的
22、信信道道带带宽。宽。7.2.4 DVB-T信道编码与调制系统信道编码与调制系统1引言引言DVB-T的的信信道道编编码码和和调调制制系系统统框框图图如如图图7-25所所示示。输输入入端端是是视视频频、音音频频和和数数据据等等复复用用的的传传送送流流TS，每每个个TS包包由由188字字节节组组成成，经经过过一一系系列列信信号号处处置置后后输输出出COFDM调调制制的的载载波波信信号。号。图图7-25 DVB-T的信道编码和调制系统框图的信道编码和调制系统框图2内交错内交错DVB-T中中高高频频载载波波采采用用COFDM(编编码码正正交交频频分分复复用用)调调制制方方式式，在在8MHz射射频频带带宽
23、宽内内设设置置1705(2k方方式式)或或6817(8k方方式式)个个载载波波，将将高高码码率率的的数数据据流流相相应应地地分分解解成成2k或或8k路路低低码码率率的的数数据据流流，分分别别对对每每个个载载波波进进展展QPSK，16QAM或或64QAM调制。调制。3映射和星座图映射和星座图COFDM调调制制中中，由由每每个个V比比特特的的符符号号对对每每个个载载波波进进展展相相应应的的调调制制，V=2时时 为为QPSK调调 制制 ，V=4时时 为为16QAM调制，调制，V=6时为时为64QAM调制。调制。4COFDM调制调制(1)COFDM的含义的含义ATSC的的8VSB调调制制是是传传统统的
24、的单单载载波波调调制制方方式式，而而COFDM是是数数字字通通讯讯中中时时兴兴的的多多载载波波方方式式，OFDM是是正正交交频频分分复复用用的的英英文文缩缩写写，全全部部载载波波频频率率有有相相等等的的频频率率间间隔隔，它它们们是是一一个根本振荡频率的整数倍。个根本振荡频率的整数倍。(2)COFDM的特点的特点与与卫卫星星传传输输信信道道和和有有线线传传输输信信道道相相比比较较，地地面面开开路路传传输输信信道道环环境境差差，电电磁磁波波信信号号容容易易遭遭到到各各种种各各样样的的外外来来杂杂散散电磁波干扰。电磁波干扰。就就地地面面开开路路接接纳纳时时的的传传输输信信道道种种类而言，有三种信道模
25、型。类而言，有三种信道模型。(1)高高斯斯信信道道，这这是是天天线线接接纳纳信信号号只只遭遭到到高高斯斯噪噪声声(随随机机噪噪声声，白白噪噪声声)干干扰的信道模型。扰的信道模型。(2)Ricean信道，这是天线接纳信号接信道，这是天线接纳信号接纳到直达波之外还接纳到多个反射波的信纳到直达波之外还接纳到多个反射波的信道模型，它对应于运用室外屋顶天线时还道模型，它对应于运用室外屋顶天线时还会接纳由到高楼等来的许多多径反射波。会接纳由到高楼等来的许多多径反射波。(3)瑞利信道，其接纳天线接纳不到直瑞利信道，其接纳天线接纳不到直达波，只接纳到许多反射波，对应于用室达波，只接纳到许多反射波，对应于用室内
26、天线接纳或室外便携和挪动接纳。接纳内天线接纳或室外便携和挪动接纳。接纳点直视不到发射天线，只需由大楼、山丘点直视不到发射天线，只需由大楼、山丘等来的诸多反射波。等来的诸多反射波。5维护间隔维护间隔COFDM中中，调调制制每每个个载载波波的的符符号号率率下下降降很很多多，可可明明显显减减少少已已调调波波频频带带内内的的符符号号间间干干扰扰(ISI)。但但存存在在较较长长延延时时的的反反射射波波信信号号时时，并并不不能能完完全消除符号间干扰。全消除符号间干扰。6帧自顺应和导频及帧自顺应和导频及TPS信号信号图图7-25中中，在在OFDM调调制制之之前前有有“帧帧自自顺顺应应和和“导导频频及及TPS
27、信信号号两两个个信信号号处处置置框框，如如今今分分别别阐阐明明之。之。(1)帧自顺应帧自顺应帧帧自自顺顺应应是是指指OFDM帧帧的的构构成成，它是在它是在OFDM符号的根底上组成的。符号的根底上组成的。(2)导频导频OFDM中中对对每每个个载载波波的的调调制制都都是是抑抑制制载载波波的的，接接纳纳端端的的解解调调诸诸如如对对于于QAM的的相相关关解解调调是是需需求求基基准准信信号号的的，在在这这里里称称为为导导频频信信号号，它它们们在在OFDM符符号号内内分分布布于于不不同同的的时时间间和和频频率率上上，具具有有知的幅度和相位。知的幅度和相位。 延续导频延续导频 分布导频分布导频 TPS信号信
28、号TPS是传输参数信令的英文缩写，用是传输参数信令的英文缩写，用于给出与传输参数也即与信道编码和调制于给出与传输参数也即与信道编码和调制参数有关的信令。参数有关的信令。(3)超帧内超帧内TS包数目包数目定义定义4个个OFDM帧组成一个超帧，在帧组成一个超帧，在超帧内可以传输整数个超帧内可以传输整数个204字节的字节的RS码码TS包，而无论信道内码编码率和调制方式如包，而无论信道内码编码率和调制方式如何，何，OFDM超帧内超帧内TS包数目如表包数目如表7-11所示。所示。7DVB-T不同参数的频谱效率不同参数的频谱效率要要 在在8MHz内内 传传 输输 一一 路路HDTV信信 号号 ，适适宜宜的
29、的参参数数是是64QAM调调制制，内内码码编编码码率率2/3和和维维护护间间隔隔1/8，这这时时的的有有效效码率为码率为22.12Mbit/s。8COFDM的射频功率谱的射频功率谱射射频频频频道道内内电电视视信信号号的的功功率率谱谱是是衡衡量量例例如如8MHz高高频频频频带带内内功功率率分分布布均匀情况的重要参数。均匀情况的重要参数。7.3 ISDB-T数字电视系数字电视系统统7.3.1 ISDB-T系统概述系统概述日日本本采采用用的的地地面面传传输输制制式式不不限限于于单单独独传传输输数数字字电电视视(图图像像和和声声音音)，也也包包括括了了独独立立的的声声音音和和数数据据广广播播，这这几几
30、者者可可以以单单独独存存在在或或恣恣意意地地组组合合，构构成成在在带带宽宽6MHz内内的的一路节目或多路节目。一路节目或多路节目。ISDB-T的的信信源源编编码码中中，图图像像信信号号也也按按照照MEPG-2紧紧缩缩规规范范，其其SDTV图图像像源源格格式式为为720(704)480像像素素数数，采采样样规规范范为为4 2 0方方式式。声声音音信信号号的的信信源源编编码码采采用用基基于于MEPG-4的的AAC(高级高级AC)紧缩方式。紧缩方式。1ISDB-T的传送带宽的传送带宽为为了了与与地地面面电电视视广广播播的的原原频频道道规规划划(每每频频道道6MHz)相相适适配配，ISDB-T中中每每
31、个个频频道道的的传传送送带带宽宽为为(432kHz134kHz)=5.62MHz或或(432kHz131kHz)=5.617MHz。2传送信号方式传送信号方式ISDB-T中中，根根据据ISO/IEC18-1(MEPG-2，系系统统)实实施施传传送送信信号号的的复复用用。每每一一个个物物理理通通道道(6 MHz)为为一一个个根根本本TS流流(传传送送流流)，其其中中13个个OFDM段段可可构构成成具具有有一一致致参参数数值值的的单单一一个个大大块块，也也可可以以分分为为具具有有不不同同参数值的几个块层，最多为参数值的几个块层，最多为4个块层。个块层。7.3.2 ISDB-T系统传送参数系统传送参数ISDB-T的的每每432kHz内内载载波波间间隔隔有有4kHz与与1kHz两两种种。另另外外，为为了了接接纳纳端端能能抗抗多多径径干干扰扰，在在每每个个有有效效符符号号继继续续期期Tu(1/载载波波间间隔隔)上上添添加加一一个个维维护护间间隔隔继继续续期期，按按规规定定/Tu的的取取值值有有4种种(1/4，1/8，1/16或或1/32)。
