第1 章 數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)概述

1.1  數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)

數(shù)字電視信號是一種數(shù)字信號，數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)歸屬數(shù)字通信系統(tǒng)，遵循數(shù)字通信系統(tǒng)的一般規(guī)律。數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)中對信號的處理方法、關鍵技術，以及很多名詞術語都來自數(shù)字通信系統(tǒng)。所以，由數(shù)字通信系統(tǒng)概念引出數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)概念。

1.1.1  數(shù)字通信系統(tǒng)

數(shù)字通信系統(tǒng)由圖1.1.1組成。整個通信系統(tǒng)包括信源部分、信道部分和信宿部分。信源部分主要由信源編碼組成，信道部分主要由信道編碼、傳輸線路（簡稱信道）和信道解碼組成，信宿部分主要由信源解碼組成。

在數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)中，信源部分可細分為數(shù)字視頻信源壓縮編碼、數(shù)字音頻信源壓縮編碼和數(shù)據(jù)編碼。通過節(jié)目流多路復用將壓縮的數(shù)字視頻信源、數(shù)字音頻信源和數(shù)據(jù)編碼三種信號復用在一起成為節(jié)目流，傳輸流多路復用將多個節(jié)目流復用在一起形成傳輸流，如圖1.1.2所示。

信宿部分是信源部分的反過程。首先將收到的信號進行傳輸流多路解復用，變成各個節(jié)目流，再從節(jié)目流中進行多路解復用，分解出數(shù)字視頻信號、數(shù)字音頻信號和數(shù)據(jù)信號，最后分別進行解壓縮，恢復得到原始的各類信號，如圖1.1.3所示。

傳輸線路包括衛(wèi)星、微波、光纖、同軸電纜、電話線和開路廣播（大氣作為媒介）等。

1.1.2  數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)信道處理框圖

為了提高通信的可靠度，信道部分對信號處理極其嚴格，也極其復雜，處理方法也較多。

因此，把信道部分細分為外信道和內(nèi)信道，如圖1.1.4 所示。中間方框圖表示傳輸線路信道（可以是無線或有線傳輸），傳輸信道左邊是發(fā)送端信號處理方框圖，右邊是接收端信號處理方框圖。

外信道包括外碼能量擴散、外碼R-S 糾錯編碼、外碼數(shù)據(jù)交織、外碼數(shù)據(jù)解交織、外碼R-S糾錯解碼、外碼解能量擴散等。

內(nèi)信道包括內(nèi)碼卷積交織、內(nèi)碼卷積編碼、內(nèi)碼數(shù)字調制、傳輸線路（信道） 、內(nèi)碼數(shù)字解調、內(nèi)碼卷積解碼、內(nèi)碼卷積解交織等。

上述從數(shù)字通信系統(tǒng)的觀點出發(fā)闡述數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)的一般概念。但傳輸線路不同，傳輸條件各異。針對各個國家提出的不同傳輸標準，信道部分對信號處理還是有些差別的。

下面再進行詳細分析。

數(shù)字電視可以通過數(shù)字衛(wèi)星、數(shù)字微波、數(shù)字光纖網(wǎng)、數(shù)字有線電視網(wǎng)進行傳輸，也可以通過開路廣播方式進行數(shù)字電視廣播。由于傳輸?shù)姆绞讲煌�，則傳輸前對數(shù)字電視信號的處理方式有所差異。下面各節(jié)分析各種不同的傳輸方式中信道處理的方法。

1.2  數(shù)字電視衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)

數(shù)字電視衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)發(fā)射端信道處理如圖1.2.1 所示。它包括能量擴散、外碼R-S糾錯編碼、內(nèi)碼卷積交織、內(nèi)碼卷積編碼、基帶整形、QPSK 調制等。QPSK調制后的中頻（IF）信號，再經(jīng)頻譜搬移到射頻上，通過衛(wèi)星天線發(fā)射到衛(wèi)星上。

數(shù)字電視衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)是為了滿足衛(wèi)星信號的傳輸特點及衛(wèi)星轉發(fā)器的帶寬而設計的。

如果將所要傳輸?shù)挠杏眯畔⒎Q為“核”，那么它的周圍包裹了許多保護層，使信號在傳輸過程中有更強的抗干擾能力，視頻、音頻，以及數(shù)據(jù)被放入固定長度打包的MPEG-2傳輸流中，然后進行信道處理。在衛(wèi)星系統(tǒng)中，信道處理過程包括以下幾步。

（1） 首先進行同步字節(jié)的倒相，倒相字節(jié)的長度為每隔8 個同步字節(jié)進行一次。

（2） 進行數(shù)據(jù)的能量擴散（數(shù)據(jù)隨機化） ，避免出現(xiàn)長串的0 或1 。

（3） 為每個數(shù)據(jù)包加上前向糾錯的R-S 編碼，也稱為外碼。R-S 編碼的加入會使原始數(shù)據(jù)長度由原來的188 字節(jié)增加到204字節(jié)（見DVB 標準） 。

（4） 進行數(shù)據(jù)交織。

（5） 加入卷積碼（格狀編碼）糾錯，也稱內(nèi)碼，采用內(nèi)碼的種數(shù)可以根據(jù)信號的傳輸環(huán)境進行調節(jié)。

（6） 最后對數(shù)據(jù)流進行QPSK 調制，見圖1.2.1 。

數(shù)字電視衛(wèi)星直接業(yè)務（也稱為直接到家業(yè)務，簡稱DTH）的衛(wèi)星功率是否充分利用，對接收天線的尺寸有直接影響，相對來說，由于有碼率壓縮，對頻譜利用率的要求可以放到第二位考慮。為了達到最大的功率利用率，又不使頻譜利用率大幅度降低，衛(wèi)星系統(tǒng)采用QPSK調制并使用卷積碼（格狀編碼）和R-S級聯(lián)糾錯的方式，取得較好的效果。在接收端，內(nèi)碼輸入端有很大的誤碼率仍能很好工作，這一誤碼率為10 - 2 ～ 10 - 1。經(jīng)內(nèi)碼校正輸出即可達到2 × 10 - 4 或更低的誤碼率，這一誤碼率相當于外碼輸出近似無誤碼（QEF）（誤碼率可為10 - 11～10 - 10 ） ，相應于每小時少于一個不可糾正的誤碼。

總之，傳輸系統(tǒng)首先對突發(fā)的誤碼進行離散化，然后加入R-S外糾錯碼保護，內(nèi)糾錯碼（格狀編碼）可以根據(jù)發(fā)射功率、天線尺寸，以及碼流率進行調節(jié)。例如，一個36MHz 帶寬的衛(wèi)星轉發(fā)器采用3 /4的卷積碼（格狀編碼）可以達到的碼流率是39Mbit/s ，這一碼流率可以傳送5 ～ 6 路高質量電視信號。

數(shù)字衛(wèi)星電視接收信號處理是發(fā)端的反過程，在此不多敘。

1.3  數(shù)字電視有線傳輸系統(tǒng)

數(shù)字電視有線傳輸系統(tǒng)發(fā)射端可由框圖1.3.1表示。傳輸組網(wǎng)可采用HFC（混合光纖同軸電纜）技術或IPTV（電信光纖）技術。為了使各種傳輸方式盡可能兼容，除信道調制外的大部分處理均與衛(wèi)星中的處理相同，也即有相同的能量擴散（偽隨機序列擾碼）、相同的R-S 糾錯、相同的卷積交織。隨后進行的處理是專門用于電纜電視的。首先進行字節(jié)到符號的轉換，如64QAM 是將8比特數(shù)據(jù)轉換成6 比特為一組的符號，然后頭兩個比特進行差分編碼，再與剩余的4 比特轉換成相應星座圖中的點。該方案可以適應16QAM，32QAM ，64QAM 三種調制方式。對于PDH 三次群碼率34.368Mbit/s ，在占用8M Hz帶寬的情況下，只要32QAM調制就足夠了，這樣就大大降低了價格。這在選擇復用器碼率輸出大小方面有重要的參考價值，因為如果選擇高效碼率復用器輸出，在傳輸時要使用高一層的傳輸碼率，在通道編碼和解碼時要使用更多層次電平的QAM調制，從而造成設備價格和處理復雜度的無謂增加。

有線網(wǎng)絡系統(tǒng)的核心與衛(wèi)星系統(tǒng)的相同，但數(shù)字調制系統(tǒng)是以正交幅度調制（QAM）而不是以QPSK為基礎，而且可不需要內(nèi)碼編碼（格狀編碼） 。該系統(tǒng)以64QAM 為中心，但是也能夠使用16QAM 和32QAM。在每一種情況下，在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)容量和數(shù)據(jù)的可靠度之間折中處理。

較高水平的系統(tǒng)，如128QAM 和256QAM，也是可能的，但它們的使用取決于有線網(wǎng)絡的容量是否能應付降低了的解碼余量。如果使用64QAM ，那么8MHz頻道能夠容納38.5Mbit/s 的有效載荷容量。

數(shù)字電視有線傳輸接收端信號處理是發(fā)端的反過程，在此不多敘。

1.4  IPTV 傳輸方式

IPTV即交互式網(wǎng)絡電視，是一種利用寬帶有線電視網(wǎng)，集互聯(lián)網(wǎng)、多媒體、通信等技術于一體，向家庭用戶提供包括數(shù)字電視在內(nèi)的多種交互式服務的嶄新技術。用戶在家可以通過計算機和網(wǎng)絡機頂盒加普通電視機兩種方式享受IPTV服務。它能夠很好地適應當今網(wǎng)絡飛速發(fā)展的趨勢，充分有效地利用網(wǎng)絡資源。

IPTV 特點表現(xiàn)在以下幾點。

（1）用戶可以得到高質量（接近DVD 水平）的數(shù)字媒體服務。

（2）用戶可有極為廣泛的自由度選擇寬帶IP 網(wǎng)上各網(wǎng)站提供的視頻節(jié)目。

（3）實現(xiàn)媒體提供者和媒體消費者的實質互動。IPTV采用的播放平臺將是新一代家庭數(shù)字媒體終端的典型代表，它能根據(jù)用戶的選擇配置多種多媒體服務功能，包括數(shù)字電視節(jié)目、可視IP電話、DVD/VCD 播放、互聯(lián)網(wǎng)游覽、電子郵件，以及多種在線信息咨詢、娛樂、教育及商務功能。

（4）為網(wǎng)絡開發(fā)商和節(jié)目提供商提供廣闊的新興市場。目前，中國通信事業(yè)正在迅猛地發(fā)展，用戶對信息服務的要求越來越高，特別是寬帶視頻信息。中國已基本具備大力發(fā)展IPTV的技術條件和市場條件。

一般所說的IPTV 與數(shù)字電視，既有相似點，又有區(qū)別。

IPTV 采用IP 寬帶網(wǎng)，通常在邊緣設置內(nèi)容分配服務節(jié)點，配置流媒體服務及存儲設備，存儲及傳送的內(nèi)容是以MPEG-4為編碼核心的流媒體文件。數(shù)字有線電視是以混合光纖同軸（HFC）為網(wǎng)絡體系，傳送的內(nèi)容是MPEG-2 流；主干線采用DWDM光纖網(wǎng)傳輸技術，到達用戶最后一公里采用同軸電纜傳輸。

1.5  數(shù)字電視地面廣播傳輸系統(tǒng)

1.5.1  COFDM 調制方案

歐洲數(shù)字電視開路廣播傳輸系統(tǒng)采用編碼正交頻分多路調制（COFDM）方式，它是由內(nèi)碼編碼和正交頻分多路調制相組合而形成的一種數(shù)字調制方式。這種調制方式可以分成適用于小范圍單發(fā)射機運行的2k載波方式和適用于大范圍多發(fā)射機的8k 載波方式。COFDM調制方式將信息分布到許多個載波上面，這種技術曾經(jīng)成功地運用到數(shù)字音視頻廣播DAB上面，用來避免由傳輸環(huán)境造成的多徑反射效應，其代價是引入了傳輸“保護間隔” 。這些“保護間隔”會占用一部分帶寬，通常COFDM的載波數(shù)量越多，對于給定的最大反射時延，傳輸容量損失越小。但是總有一個平穩(wěn)點，增加載波數(shù)量會使接收機復雜度增加，又破壞相位噪聲靈敏度。

由于COFDM調制方式有抗多徑反射功能，它可以允許在單頻網(wǎng)中相鄰網(wǎng)絡的電磁覆蓋重疊，在重疊的區(qū)域內(nèi)可以將來自兩個發(fā)射塔的電磁波看成是一個發(fā)射塔的電磁波與其自身反射波的疊加。但是，如果兩個發(fā)射塔相距較遠，發(fā)自兩塔的電磁波的時延比較長，系統(tǒng)就需要較大的保護間隔。由該種數(shù)字調制方式組成的數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)如圖1.5.1所示。發(fā)射端信道處理電路由能量擴散、外碼糾錯（R-S）、外碼交織、內(nèi)碼交織、映射、正交頻分多路調制和射頻輸出等部分組成。從前向糾錯碼來看，由于傳輸環(huán)境的復雜性，COFDM數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)不僅包含內(nèi)外碼糾錯編碼，而且加入了內(nèi)外碼交織。

接收部分是它的反過程，在此不多敘。

1.5.2  殘留邊帶調制方案

1994 年，美國大聯(lián)盟HDTV 方案傳輸部分采用殘留邊帶（VSB）進行高速數(shù)字調制，該地面廣播收發(fā)系統(tǒng)如圖1.5.2所示。發(fā)射機部分，圖像、伴音的打包數(shù)據(jù)先送入R-S 編碼器，再經(jīng)數(shù)據(jù)交織、格狀編碼、多路復用（數(shù)字視音頻數(shù)據(jù)、段同步、行同步復用），再插入導頻信號。

插入導頻信號的目的是便于收端恢復載波時鐘。然后進行殘留邊帶調制，最后送往發(fā)射機，發(fā)射機輸出射頻。接收機部分是它的反過程，在此不多敘。

習  題

1.數(shù)字通信系統(tǒng)由哪三部分組成？ 試畫出框圖并解釋。

2.試畫出數(shù)字通信系統(tǒng)信道部分詳細框圖并說明。

3.數(shù)字電視有哪三種主要的傳輸途徑？ 分別具有什么樣的信道特點？

4.數(shù)字電視衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)采用何種信道處理方式和調制方式？

5.數(shù)字電視有線傳輸系統(tǒng)采用何種信道處理方式和調制方式？

6.數(shù)字電視地面廣播傳輸系統(tǒng)采用何種信道處理方式和調制方式？

第2 章 數(shù)字電視傳輸?shù)男畔⑻幚砑夹g

2.1  能量擴散

在經(jīng)信源編碼和傳輸流復用之后，傳輸流將以固定數(shù)據(jù)長度組織成數(shù)據(jù)幀結構。例如，歐洲DVB標準的傳輸流復用幀每數(shù)據(jù)幀的總長度為188 字節(jié)，其中包括1 個同步字節(jié)（01000111）。發(fā)送端的處理總是從同步字節(jié)（47H）的最高位（MSB） ，即0 開始，每8個傳送幀為一幀群。為區(qū)別每一幀群的起始點，第一個傳送幀的同步字節(jié)每個比特翻轉，即由47H 變?yōu)锽8H ，而第2 ～ 8個傳送幀的同步字節(jié)不變。這樣，在接收端只要檢測到翻轉的同步字節(jié)，就說明一個新幀群開始，如圖2.1.1所示。第一個傳送幀的同步字節(jié)翻轉實際上是在下面要講述的偽隨機信號發(fā)生器（即能量擴散）中完成。

經(jīng)上述處理后的傳輸數(shù)據(jù)流，按圖2.1.2 中描述的格式進行數(shù)據(jù)隨機化（即能量擴散） 。

能量擴散的目的是使數(shù)字電視信號的能量不過分集中在載頻上或1 、0電平相對應的頻率上，從而減小對其他通信設備的干擾，并有利于載波恢復。具體的辦法是將二進制數(shù)據(jù)中較集中的0 或1按一定的規(guī)律使之分散開來，這個規(guī)律由偽隨機信號發(fā)生器的生成多項式?jīng)Q定。例如，如果某一時刻1過于集中，就相當于該時刻發(fā)射功率能量集中在1 電平相對應的頻率上。