《数字电视传输技术》PPT课件

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第4章数字电视传输技术 主要内容4.1数字电视信号的基带处理4.2数字电视信号的差错控制编码4.3数字电视传输系统数字电视卫星传输系统数字电视有线传输系统数字电视地面广播传输系统 4.1数字电视信号的基带处理1.数字电视信号传输的过程2.常用的传输码型3.扰码 4.1.1数字电视信号传输的过程第一，把各种信息用二进制表示。包括字符编码、PCM编码、PAM编码等。（信源编码）第二，把二进制数转换成脉冲信号。（码型编码）第四，基带信号变成频带信号。（调制）第三，差错控制编码。（信道编码）将数字消息或模拟消息转换成通信硬件能够接受和易于传输的信号，共要经过四个过程： 4.1.1数字电视信号传输的过程数字信号：把经过信源编码后的语音信号用“0”和“1”，即高、低电平进行表示的信号。没有经过调制，称为数字基带信号。基带信号含有丰富直流和低频成分，不适合在信道中传输。要将基带信号的码元波形及码元序列的格式进行变换，转换为适合信道传输的码型。为了适应信道的传输特性及接收端再生恢复数字信号的需要，选择基带传输码型时应注意以下几个原则： 4.1.1数字电视信号传输的过程选择系带传输码型的原则码型应不含直流分量，让频谱向中频集中。应易于从基带信号中提取定时信号。所选的码型应使基带信号具有内在检错能力。降低单个误码引起的误码扩散。码型变换设备应尽量简单。 4.1.2常用的传输码型1.单极性非归零码（NRZ）2.双极性非归零码（NRZ）3.单极性归零码（RZ）4.双极性归零码（RZ）5.数字双相码6.密勒码7.交替极性码（AMI码）8.HDB3码 4.1.2常用的传输码型2.双极性非归零码（NRZ）“1”和“0”分别对应正、负电平，没有零电平。优点：直流分量小。缺点：不易提取同步信息，特别是在长0长1串时。1.单极性非归零码（NRZ）高电平代表“1”，低电平代表“0”。缺点：直流分量不为零，不适合用于交流耦合的有线传输信道，只适合用于计算机内部或近距离的信息传送。 4.1.2常用的传输码型4.双极性归零（RZ）码传送“1”码时，发送一个宽度小于码元持续时间的归零脉冲；传送“0”时不发送脉冲。优点：比单极性非归零码容易提取时钟信息。3.单极性归零（RZ）码传送“1”码时，发送一个宽度小于码元持续时间的归零脉冲；传送“0”时不发送脉冲。优点：比单极性非归零码容易提取时钟信息。 4.1.2常用的传输码型5.数字双相码数字双相码又称为分相码或曼彻斯特码。每一位码用两个电平表示。“1”用“10”编码，“0”用“01”编码。优点：1）每个码元中心都存在电平跳变，易于提取定时信息。2）正负电平各占一般，不存在直流分量。缺点：传输码速加倍，所需频带加宽。适用于数字终端设备在短距离内的传输。6.密勒码凡是传送“1”时在位周期中心都发生电平转换。在传送“0”时，如果紧接在“1”之后则电平不变；如果紧接在“0”后，则在位周期开始的边界上发生电平跳变。优点：信号能量主要集中在1/2码速以下的频率范围内，直流分量很小，频带宽度为数字双相码的一半。 4.1.2常用的传输码型7.交替极性（AMI）码交替极性（AMI）码又称为交替传号反转码。此方式是单极性方式的变形，即把单极性方式中的“0”码仍与零电平对应，而“1”码交替地用“1”或“-1”脉冲的归零码表示，称为传号。其优点如下：（1）在“1”、“0”码不等概率情况下，也无直流成分，且零频附近低频分量小。（2）若AMI码的极性交替规律被破坏，则可判断此处有错，有一定纠错能力。此外，AMI码还有编译码电路简单等优点，是一种基本的线路码，得到广泛使用。缺点：当它用来获取定时信息时，由于它可能出现长的连0串，因而会造成提取定时信号的困难。 4.1.2常用的传输码型8.HDB3码HDB3码的全称是三阶高密度双极性码。编码原理：先把信息代码变成AMI码，然后检查AMI码的连“0”串情况，当无4个以上连“0”码时，则这时的AMI码就是HDB3码。当出现4个以上连0码时，则将每4个连“0”小段的第4个“0”变换成与其前一个“非0”符号（+1或-1）相同的符号。这个符号可能会破坏“极性交替反转”的规律，成为破坏符号，用符号V表示。为保证V的记性交替，当相邻V符号间有偶数个“非0”符号时，将该小段的第1个“0”变换成+B或-B，B符号的记性与前一“非0”符号的相反。特点：保持AMI码的优点，还能使连“0”串减少到至多3个，有利于定时信号的恢复。 4.1.3扰码扰码技术——消除数据源的统计特性。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。扰码器的实现——采用伪随机序列（m序列）进行。作用：改善位定时的恢复质量，使信号频谱平滑，改善帧同步、自适应同步和自适应时域均衡等系统性能。目的：将二进制码变换成“0”、“1”近似等概率，以及前后独立的随机码。 4.2数字电视信号的差错控制编码1.差错控制方式2.信道编码的分类3.信道编码的基本原理4.信道编码 4.2数字电视信号的差错控制编码差错控制编码就是在信息序列上附加一些监督码元，利用这些冗余的码元，使原来不规律的数字信号变为有规律的数字信号；译码时则利用这些规律性来判断传输过程中是否发生错误，或进而纠正错误。这种对数字电视信号进行差错控制的编码也称为信道编码。 4.2.1差错控制方式差错根据信道噪声干扰性质，可以把差错分为随机错误、突发错误和混合错误。随机错误，由信道中随机噪声的干扰引起，误码的发生是相互独立的，不会连续成片地出现错误，前后码元之间是否发生错误彼此无关。突发性错误，位流中一个错误的出现往往影响其他码元的错误，即错误之间有相关性。由诸如光盘中的瑕疵、污迹，大气中的电火花等突发噪声干扰引起的，其特征是误码位置集中，会成群的出现。混合错误，既包括随机错误又包括突发错误，因而既会出现单个错误，也会出现成片错误。发生以上三种错误的信道分别称为为随机信道、突发信道和混合信道。对于不同的信道要采用不同的差错控制方式。 差错控制包含检错和纠错两个方面。4.2.1差错控制方式向前纠错方式反馈方式差错控制方式包括检错重发、反馈校验、混合纠错。基本特征是信道编码构造简单，需要反馈信道。接收端的译码器根据码的规律性自动判断、纠正错误。优点：单向传输，不需要反馈，纠错迅速。缺点：构造复杂，编码效率低。 检错重发方式（ARQ）：这种方式中，接收端发现误码后通过反馈信道请求发送端重发数据。因此，接收端需要有误码检测和反馈信道。特点——编码效率比较高，只需少量的冗余码（约5-20%）就能获得极低的传输误码率；对信道的适应能力强——必须有反馈信道，故不能用于单向传输系统和同播系统——控制规程和过程比较复杂——重发导致信道的有效利用率较低，通信的实时性较差——由于反馈重传的随机性，故不适于实时传输系统4.2.1差错控制方式 4.2.1差错控制方式前向纠错方式（FEC）：这种方式中，发送端发送的数据内包括信息码元以及供接收端自动发现错误和纠正误码的监督码元。收端发现错误后自动纠正。特点——无需重发，解码延迟固定，实时性好——无需反馈信道，能用于单向传输信道，特别适用于单点向多点同时传送的方式——编码效率较低，需较大的冗余度（通常约25-50%）,译码设备比较复杂——纠错码须与信道特性相匹配，对信道变化的适应性较差——若错误超出纠错码纠错能力,只好将其抛弃 按信息码元和监督码元之间的检验关系线性码和非线性码。线性码：信息码元和监督码元之间的关系为线性关系，编码规则可以用线性方程组表示。目前多用线性码。可分为分组码和卷积码。分组码：码组中的监督码元仅与本码组的信息码元有关，而与其他码组的信息码元无关。卷积码:码组中的监督码元不仅与本码组的信息码元有关，还和与本码组相邻的前若干码组的信息码元也有约束关系。检错码、纠错码、纠正删除错误的纠删码检错码只能用于检测误码，无法纠正。纠错码可检测误码并能纠正误码。纠删码就有检错和纠错功能，且当误码超过纠正范围时可将无法纠正的误码删除。数字电视中通常采用纠错码。按信道编码的不同功能按信息码元和监督码元之间的约束方式4.2.2信道编码的分类除此之外，还可按照信息码元编码后的形式纠正错误的类型编码所采用的数学方法码元的取值等方面进行分类。信道编码的分类方法 4.2.3信道编码的基本原理信道编码的基本思想：在被传送的信息码元中附加一些监督码元，在两者之间建立某种校验关系，当这种校验关系在传输中遇到干扰而受到破坏时，就可以发现甚至纠正错误。这种检错与纠错的能力是用信息的冗余度来换取的。要纠正的误码越多，监督码元的个数越多，冗余度越大。 相关概念：码长：码字中码元的数目，用n表示。码重：指码字中非“0”码元的数目，记作W。例：码字10011，码长n=5，W=3。码距：两个等长码字对应位不同的数目，记作d。例：110110与101011之间的码距d=44.2.3信道编码的基本原理 4.2.3信道编码的基本原理信息码元与监督码元：信息码元是发送端由信源编码给出的信息数据，用k表示。监督码元又称校验码元，是为了检错、纠错而在信道编码中附加的校验数据，通常用r表示。对k个信息码元的码组附加r个监督码元，组成总码元数为n=k+r的码组。经过分组编码后的码称为（ｎ，ｋ）码，表示总长度为ｎ位，其中信息码长为ｋ位，监督码长为ｒ＝ｎ－ｋ。 4.2.3信道编码的基本原理许用码字与禁用码字：信道编码后总码长为n，总的码字为2n个。其中，发送的信息码字有2k个，称之为许用码字，其余的(2n-2k)个码字不予传送，称之为禁用码字。纠错编码的任务就是从2n个总码字中按照某种规则选择出2k种许用码字。编码效率为信息码元数目与总码元数目之比：R=k/n=k/k+r 4.2.3信道编码的基本原理例：A：天气晴朗B：下雨1.n=1，1→A,0→B若1→0,0→1，则收端无法发现错误11晴1001001100雨能发现一个错误禁用码组2.n=2，r=1，即11→A，00→B此时，d=2。插入1位监督码后具有检出1位错码的能力,但不能予以纠正。 4.2.3信道编码的基本原理最小码距dmin与检错纠错能力满足下列关系：1.在一个码组内最多能检测e个误码，要求最小码距dmin≥e+1；2.在一个码组内最多能纠正t个误码，要求最小码距dmin≥2t+1；3.在一个码组内最多能纠正t个误码，同时要求能检测e个(e≥t)误码，要求最小码距dmin≥t+e+1。 4.2.4信道编码RS码RS码即里德-所罗门码。同时具有纠正随机与突发差错的能力，且纠正突发差错的能力更强。是一种非二进制的BCH码，它是能够纠正多个错误的纠错码。RS码中，为纠正t个符号的误码，需要2t个监督码元。RS码为（204，188，t=8），对应的188个信息码元，监督码元为16字节(开销字节段），可纠正的误码为8字节。RS码特别适合于纠正突发错误，如果与交织技术相结合，它纠正突发错误的能力则会更强。 4.2.4信道编码交织技术交织技术就是把成串发生的误码分散，使长串的比特差错变成短串的比特差错，从而可以用向前纠错码对其进行纠错。基本原理：在传送之前，先打乱原数码的排列顺序，在接收端再重新恢复数码的排列顺序，使在传送过程中的突发性误码分散开来，以利于实现纠正。交织不会增加信道的数据码元，只是改变排序顺序。交织原理示意图 4.2.4信道编码卷积码卷积码又称为内码、连环码或者循环码，是一种非分组码。卷积码的前后码字或码组之间有一定约束关系。通常适用于向前纠错，用于纠正随机错误。“RS＋交积＋卷积编码”也称为级联编码。 4.2.4信道编码ＴＣＭ网格编码调制网格编码调制（ＴＣＭ）是指将多电平、多相位调制技术与卷积纠错编码技术相结合，采用欧式距离进行信号空间分割，在一系列信号点之间引入依赖关系，仅对某些信号点序列允许可用，并模型化为格状结构。本质是在频带受限的信号中，在不增加带宽的前提下，将编码技术与调制技术相结合，以实现进一步降低误码率。在ＴＣＭ系统中，内编码采用卷积编码。