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第一讲 数字电视广播系统(3)—CADTV信道调制和编码

归档日期:05-29       文本归类:端点编码      文章编辑:爱尚语录

  第一讲数字电视广播系统(3)—CADTV 信道调制和编码 《中国有线) CHINACABITEIVISION?实用连载? 有线数字电视讲座 第一讲数字电视广播系统(3) CADTV 信道调制和编码 (泰州市广播电视局,江苏泰州225321)中图分类号:TN949.197 文献标识码:E 文章编号:1007-7022(2004)05-0068 一o5 (上接第03/04 数字通信系统的几个概念1.1 传输速率与带宽的关系 二进制数字基带波形都是矩形波,这些基带信号 在频域内实际上是无穷延伸的.如果直接采用矩形脉 冲的基带信号作为传输码型,由于实际信道的频带都 是有限的,则传输系统接收端所得的信号频谱必定与 发送端不同,这就会使接收端数字基带信号的波形失 真.在大多数有线传输情况下,信号频带不是陡然截 止的,而且基带频谱也是逐渐衰减的,采用一些相对来 说比较简单的补偿措施(如简单的频域或时域均衡) 可以将失真控制在比较小的范围内.较小的波形失真 对于二进制基带信号影响不大,只是使其抗噪声性能 稍有下降,但对于多元信号,则可能造成严重的传输错 误.当信道频带严格受限时(如数字基带信号经调制 通过频分多路通信信道传输),波形失真问题就变得 比较严重,尤其在传输多元信号时更为突出. 为了研究波形传输的失真问题,我们首先来看一 下基带信号传输系统的典型模型,如图31 所示.在发 送端,数字基带信号X(t)经发送滤波器输入到信道, 发送滤波器的作用是限制发送频带,阻止不必要的频 率成分干扰相邻信道.传输信道在这里是广义的,它 可以是传输介质(电缆,双绞线等),也可以是带调制 68 图31基带传输模型 解调器的调制信道.基带信号在信道中传输时常混入 噪声n(t),同时由于信道一般不满足不失真传输条 件,因此要引起传输波形的失真. 在接收端输入的波形与原始的基带信号X(t)差 别较大时,若直接进行抽样判决可能产生较大的误判. 因此在抽样判决之前先经过一个接收滤波器,它一方 面滤除带外噪声,另一方面对失真波形进行均衡.抽 样和判决电路使数字信号得到再生,并改善输出信号 的质量. 根据频谱分析的基本原理,任何信号的频域受限 和时域受限不可能同时成立.因此基带信号要满足在 频域上的无失真传输,信号的波形在时域上必定是无 限延伸的,这就带来了各码元间相互串扰的问题.造 成判决错误的主要原因是噪声和由于传输特性(包括 发,收滤波器和信道特性)不良引起的码间串扰.基 带脉冲序列通过系统时,系统的滤波作用使脉冲拖宽, 《中国有线 期冯传随等:第一讲:数字电视广播系统(3) 在时间上,它们重叠到邻近时隙中去.接收端再按约 定的时隙对各点进行抽样,并以抽样时刻测定的信号 幅度为依据进行判决,来导出原脉冲的消息.若重叠 到邻接时隙内的信号太强,就可能发生错误判决.若 相邻脉冲的拖尾相加超过判决门限,则会将发送的 O判为1.实际中可能出现好几个邻近脉冲的拖 尾叠加,这种脉冲重叠并在接收端造成判决困难的现 因此,传输基带信号受到约束的主要因素是系统的频率特性.当然可以有意地加宽传输频带使这种干 扰减小到任意程度,然而这会导致不必要的带宽浪费, 如果展宽得太多还会将过大的噪声引入系统,因此应 该探索另外的替代途径,即通过设计信号波形,或采用 合适的传输滤波器,以便在最小传输带宽的条件下大 大减小或消除这种干扰. 奈奎斯特第一准则解决了消除这种码间干扰的问 题,并指出信道带宽与码速率的基本关系,即 Rb==2f.=2BH 式中R——传输码率,单位为比特每秒(b/s) 码字周期和分别为理想信道的低通截止频率或称奈 奎斯特带宽 上式说明了理想信道的频带利用率为: 实际上,具有理想低通特性的信道是难以实现的,而实际应用的是具有滚降特性的信道,其带宽较奈奎 斯特带宽增加的程度——滚降系数可以表示为: 式中——滚降信道的带宽由于升余弦滚降滤波特性可使传输信号具有较大 的功率,且收敛快而减小码间干扰,故得到广泛应用. 1.2 数字信号的载波调制方法 为了使数字信号在带通信道中传输,须用数字信 号对载波进行调制.调制是某种处理过程,它改变载 波波形的某些属性,使它们成为要传送的输入信息的 函数.这些可以改变的属性包括载波幅度,频率和相 位.在数字调制中,输入信息是一串二进制数字序列. 在最简单的情况中,参数的变化是依据符号到符号 的基础,在这种情况下可以改变的载波参数如下: 幅度:Amplitude—ShiftKeying(ASK)移幅键控; 频率:Frequency—ShiftKeying(FSK)移频键控; 相位:Phase—ShiftKeying(PSK)移相键控. 数字信号的载波调制是信道编码的一部分. CATV 网络是基于模拟环境下的数字信号的传输,图 像数字信号不是在基带中传输而是在射频频段中传 输.严格地说,把数字调制信号描述为载波是不正 确的,因为QPSK 和QAM是抑制载波的调制机制.然 而,我们可以继续使用载波作为数字调制波的称 呼,特别是谈论载噪比时,把数字调制波说成为想要 信息功率更为恰当,确切的说应为RF/IF 功率,是调 制射频/中频信号的总功率. 1.3 信道传输速率 信道的传输速率通常是以每秒所传输的信息量多 少来衡量.信息论中定义信源发生信息量的度量单位 是比特(bit).1 个二进制码元所含的信息量是1 特,所以信息传输速率的单位是比特每秒(b/s).例如一个数字通信系统,它每秒传输6OO 个二进制码元, 它的信息传输速率就是6OOb/s. 1.4 符号传输速率 它是指单位时间(s)内传输的码元数目,其单位 为波特.这里的码元可以是二进制的,也可以是多进 制的.符号传输速率和信息传输速率R 的关系为 R=Nlog:M,当码元为二进码时 进码时M为4,等等.如果符号速率为N=60Obaud,在二进码时,信息传输速率为60Ob/s,在四进码时则 为1200b/s. 1.5 误码率 信码在传输过程中,由于信道不理想以及噪声的 干扰,以致在接收端判决再生后的码元可能出现错误, 这叫误码.误码的多少用误码率来衡量,误码率是数 字通信系统中单位时间内错误码元数与发送总码元数 之比.误码越多,误码率越大. 数字电视信号的载波调制数字电视信号在CATV 网中传送通常采用QPSK 或QAM载波调制方式,此外在北美CATV 网采用另一 种叫作残留边带(VSB)的载波调制方式. 2.1 四相键控调制(QPSK) 四相键控调制概念来自多进制数字相位调制 (MPSK),多进制数字相位调制用不同的相位表示数 字信息.根据被调制信号中使用的不同相位的个数又 分为4PSK,8PSK 等.图32 给出2 相MPSK信号 69 簦进数字电视广播系统(3) JIbi I_bi正交轴 Ol J-bi正交轴 (C)M=4,0=7r/4图32MPsK 信号的矢量图 的矢量图. MPSK 调制中最常用的是4PSK 又称QPSK.我们 把相继两个码元的4 种组合(oo,01,10,11)对应于正 个相位:Jsi(t)=COS(it+Q) 其中i=1,2,3,4;一 此处Q可以是o,7r/2,叮『,见图32(a);或是 ,-4-34,见图32(b),形成4 相PSK(即 70 生旦垒塑》2004 年第05 QPSK).上式也可写成:Jsi(t)=aico~.ot+bisintot,一,2tT/2 相应地,Qi 是o,7r/2,丌的情况时 用ai,b二维平面上的点来表示,如图32 所示. 其中水平轴ai 称为同相轴,垂直轴b.称为正交轴.实 际上在模拟电视信号调制中,色度信号的调制就是正 交振幅调制,只不过是用连续信号去调制2 个正交载 波而已.粗略地说,由于在一个时期内可以传送2 特数据,相同带宽下的数码率就提高了1倍.为了避 免码间干扰,即由于通道特性而使脉冲扩展到下一判 决时刻而造成的干扰,信号要按照一定的要求进行整 形,使各判决点不受相邻码的干扰,这种处理称为均衡 调整.一般采用具有升余弦频谱的特性,这时要求传 输信号的信道带宽会增加,因此在相同的带宽下所传 输的数码率要略小于原传输数码率的1 QSPK正交调制器方框图如图33 所示.它可以 看成是由两个BSPK 调制器构成,输入的串行二进制 信息序列经串/并变换,分成两路速率减半的序列,电 平发生器分别产生双极性二电平信号I(t)和Q(t),然 后对cosowt sint~ct进行调制,相加后即得到QPSK 信号. 图33QSPK 正交调制嚣 QPSK 调制方法常用于上,下通道交互式信息的 传送. 2.2 正交幅度调制(QAM) 在二进制ASK 系统中,频带利用率是每赫1b/s, 若利用正交载波调制技术传输ASK 信号,可使频带利 用率提高1 倍.如果再把多进制与其他技术结合起 来,还可进一步提高频带利用率,能够完成这种任务的 技术称为正交幅度调制(QAM).它是利用正交载波 对两路信号分别进行双边带抑制载波调幅形成的,通 常有二进制QAM,四进制QAM(16QAM),八进制 中国有线 期进筮_:数字电视广播系统(3) QAM(64QAM)等,对应为空间信号矢量端点图(也称 为星座图). 如果口,b 本身取不同的值,所做的处理就是正交 振幅调制QAM(QuadratureAmplitudeModuadon), 图34 是16QAM和32QAM的星座图. 图3416QAM和32QAM的星座图由图可见,在同相轴和正交轴上的幅度电平不再 个而是4个(16QAM)和6 个(32QAM),所能传输 的数码率也将是原来的4—5 倍(不考虑滚降因子). 但是并不能无限制地通过增加电平级数来增加传输数 码率,因为随着电平数的增加,电平间的间隔减小,噪 声容限减小,则同样噪声条件下的误码增加.在时间 轴上也会如此,各相位间隔减小,码间干扰增加,抖动 和定时问题都会使接收效果变差.图35 是64QAM的 星座图,64QAM和256QAM用于下行数字电信号的传 送.64QAM的频带利用率可达每赫6b/s.QAM 制器的一般方框图如图36所示. ll0llllll0ll0lOlllOllOlllOOlOllOllllllOl0lllllll ll0llllll0000l0l000ll000l00000l0l0l0ll0000lll000 lOOllll0l0ll000lllOOlOll000l0l00llll0l0l0lOlllll l00l00l0l000000l00OOl000000000lOl0l00l00000llOlO 0l00ll00l00l0000llOOlOOl00000l00ll0ll00000l0llOl OlOll000llO0000llOOOllOO0001OOOOl1100llO1OlOl11O ll00lllll00ll000lll0lOOl0l000l0lll0lll000lllllOl ll01l0llllO0lO01l0l0llOO0100100llll0l10010l1lllO 平转换图3564QAM星座图 LEP}_『(L-1)判决门限 LEP(L-1)判决门限 图36QAM调制与解调器框图 在图36 中,串一并变换器将速率为的输入二 进制序列分成两个速率为/2 的两电平序列,2 电平变换器将每个速率为两电平序列变成速率为Rb/log:M的£个电平信号,然后分别与两个正交的载 波相乘,相加后即产生MQAM信号(在64QAM调制时 M=64). MQAM信号的解调同样可以采用正交的相干解 调方法,其方框图也画在图36 中.同相路和正交路的 电平基带信号用有£一1 个门限电平的判决器判决 后,分别恢复出速率等于月/2 的二进制序列,最后经 并一串变换器将两路二进制序列合成一个速率为月 的二进制序列. 数宇电视信号的信道编码3.1 信道编码的目的 (1)要求码流的频谱特性适应通道的频谱特性,从 而使传输过程中能量损失最小,提高信号能量与噪声能 量的比例,减小发生差错的可能性,提高传输效率. 般传输通道的频率特性总是有限的,即有上,下限频率,超过此界限就不能进行有效的传输.如果数 字信号流的频率特性与传输通道的频率特性很不相 同,那么信号中的很多能量就会失去,信噪比就会降 低,使误码增加,而且还会给邻近信道带来很强的干 扰.因此,在传输前要对数字信号进行某种处理,减少 数字信号中的低频分量和高频分量,使能量向中频集 中,或者通过某种调制过程进行频谱的搬移.这两种 处理都可以被看作是使信号的频谱特性与信道的频谱 特性相匹配. (2)增加纠错能力,即便出现差错,也能得到纠正. 在实际信道上传输数字信号时,由于信道传输特 性不理想及信道噪声的影响,接收端所收到的数字信 号不可避免地会发生错误.为了在已知信噪比情况下 达到一定的比特误码率指标,首先应该合理设计基带 信号,选择调制解调方式,采用时域,频域均衡,使比特 误码率尽可能降低.但实际上,在许多通信系统中的 比特误码率并不能满足实际的需求,此时必须采用信 道纠错编码,才能将比特误码率进一步降低,以满足系 统指标要求. 信道纠错编码的基本实现方法是在发送端将被传 输的信息附上一些监督码元,这些多余的码元与信息码 元之间以某种确定的规则相互关联,约束.接收端按照 既定的规则校验信息码元与监督码元之间的关系,一旦 传输发生错误,则信息码元与监督码元的关系就受到破 坏,从而接收端可以发现错误并且纠正错误.纠错编码 涉及的内容有:前向纠错编码(FEC),线 生一一相一一工冯传岗等:第一讲:数字电视广播系统(3)《中国有线 码,循环码),理德一所罗门码(R—S码),BCH 码,FIRE 码,交织码,卷积码,TCM编码,Turbo 3.2传输信道中常见的错误 (1)随机错误.错误的出现是随机的,一般而言, 错误出现的位置是随机分布的,即各个码元是否发生 错误是互相独立的,通常不是成片地出现错误.这种 情况一般是由信道的随机噪声引起的,因此,一般将具 有此特性的错误称为随机错误. (2)突发错误.错误是一连串出现的.通常在1 个突发错误持续时间内,开头和末尾的码元总是错的, 中间的某些码元可能错也可能对,但错误的码元相对 较多.这种情况如移动通信中信号在某一段时间内发 生衰落造成一串差错,汽车发动时电火花干扰造成的 错误,光盘上的1 条划痕等等.这样的错误我们称之 为突发错误. (3)混合错误.既有突发错误又有随机差错的情 况,这种错误称为混合错误. 为提高信道纠错能力,数字电视系统常用R—s 纠错编码解决随机型错误,用交织和卷积编码克服突 发型的错误. 典型数字卫星和CADTV信道传输方案 图37 和图38 分别给出欧洲数字卫星电视(DVB s)和CADTV系统(DVB—C)的传输方案,两者有很 多相似的地方,不同点在于,DVB—S 在纠错编码上多 了内卷积编码,当然它们也采用不同的调制方式. DVB—S 采用四相键控(QPSK)调制,而DVB—C 采用 正交幅度(QAM)调制.其原因很简单,CATV 传输环 境优于卫星的无线传输环境,因此DVB—S 需要在纠 错方面提供更好的性能.为充分利用CATV 闭路传输 优势,DVB—C 采用了数据传输效率更高的多进制幅 度调制(MQAM),在实际的CADTV 广播中,大多采用 64QAM调制,在8MHz 带宽的条件下,可获得约38 Mb/s 的数据传输率. PsK tlKII DVB—C传输方案包括以下几个部分. (1)基带接口 此单元使数据与信号源格式相适配,单元中的信 号帧结构与含同步字节的MPEG 传输层一致.(2)数据随机化 根据MPEG 帧结构将同步字节进行反转,同时为实现频谱成型,对数据流进行随机化处理,使数据 序列能量均匀分布. (3)RS 编码器 使用截短的RS(204,188)编码,对每个已随机化 的传送包进行处理,产生误码保护包,同样,对同步字 节本身也使用这种编码.RS 编码可有效纠正随机型 误码带来的影响. (4)卷积交织器 完成一个深度,=12 的误码保护包的字节交织, 同步字节的周期保持不变,交织对突发型误码有较好 的抑制能力. (5)QAM映射 此单元将交织器产生的字节变换成QAM符号, 同时对每个符号的两个最高有效位进行差分编码,从 而获得旋转不变的星座图. (6)基带形成 该单元将经过差分编码的 m比特符号映射为I,Q 信号,在QAM调制前,对I,Q 信号进行升余弦平方根 滚阵滤波. (7)QAM调制 对信号进行QAM调制,将QAM已调制信号通过 中频IF 和射频RF 送到射频信道. 图39 是按照DVB—C 传输要求的信道解调解码 器框图. RF 输入 RF 物理 接口 QAM 调制 解U反转Ul…与ll l1字节 Il 织Il 均衡I1 ll映射 Il 器Il lI机化 lI 坎I…载波,时钟同 步恢复 图39DVB—C 信道接收解码框图 对于如MPEG一2 音视频解码而言,音频解码器 抗错误能力要强于视频解码器.保证视频解码器正常 工作,所需要的输入信号误码率应优于 lO 一,而此时 对应的信道误码率大约在 lOI4 数量级.表 lO 给出了 不同调制技术为达到 lO 一误码率,在信道解调器输入 端应满足的信道参数. 基接口JI 《中国有线)CHINACABLEIELEVIS10N?综合管理? 国家广电总局关于印发《广播电视 有线数字付费频道业务管理 暂行办法》(试行)的通知 中图分类号:TN949.197 文献标识码:E 文章编号:1007—7022(2004)05—0073—04 各省,自治区,直辖市,计划单列市广播影视局(厅), 新疆生产建设兵团广播电视局,各省,直辖市广播影视 集团(总台),总局机关各司局,有关直属单位: 为促进和规范广播电视有线数字付费频道业务健 康发展,特制定《广播电视有线数字付费频道业务管 理暂行办法》(试行),现印发给你们,请认真遵照执 行.执行中有什么问题和建议,请及时报告总局. 广播电视有线数字付费频道 业务管理暂行办法 (试行) 第一章总则 第一条为促进和规范广播电视有线数字付费频 道业务健康发展,维护广播电视有线数字付费频道业 务运营主体和用户的合法权益,依据《广播电视管理 国家广播电影电视总局 二oo 三年十一月十四日 条例》,制定本办法. 第二条本办法适用于在中华人民共和国境内从事 广播电视有线数字付费频道(频率)(以下统称付费频道) 的开办,播出,集成,传输,接人,服务,监管等活动. 第三条本办法所称付费频道是指以有线不同调制技术对系统性能的需求(误码率BER=10-4) 调制信噪比幅频响应群时延变化相位噪声频率误差回波抑制比 FSK7dB 一70dBe/Hzat3kHz QPSKlldB3dB 一70dBe/Hzat3kHz BurstQPSK14dB3dB OFDM(16QAM)l7dB OFDM(64QAM)23dB 16QAM20dB3dB30oIlls 一80dBe/Hzat3kHz20okHzl5dBal0.5,30dB1.5 64QAM26dB3dB20ons 一85dBe/Hzat3kHz20okl-Iz (未完待续)[收稿日期:2003—1l—l9] 73

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