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数字有线电视系统

数字有线电视系统. 内容提要. 一、数字电视技术的发展 二、有关基础知识 三、数字有线电视前端硬件平台 四、数字有线电视前端软件平台 五、数字电视技术的相关标准 六、数字有线电视系统. 一、数字电视技术的发展. 1 ． 数字电视是电视发展的必然趋势 电视技术的革命： 第一次：黑白 → 彩色 第二次：模拟 → 数字. 传统的模拟电视缺点是：容易受噪声干扰，长距离传输后信噪比恶化；图像清晰度下降，信号波形畸变，相位失真、色彩失真；对设备的非线性失真十分敏感。 模拟电视还具有稳定性差、可靠性低、调整繁杂、不便集成、自动控制困难。

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数字有线电视系统

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Presentation Transcript

  1. 数字有线电视系统

  2. 内容提要 一、数字电视技术的发展 二、有关基础知识 三、数字有线电视前端硬件平台 四、数字有线电视前端软件平台 五、数字电视技术的相关标准 六、数字有线电视系统

  3. 一、数字电视技术的发展 1．数字电视是电视发展的必然趋势 电视技术的革命： 第一次：黑白→彩色 第二次：模拟→数字

  4. 传统的模拟电视缺点是：容易受噪声干扰，长距离传输后信噪比恶化；图像清晰度下降，信号波形畸变，相位失真、色彩失真；对设备的非线性失真十分敏感。传统的模拟电视缺点是：容易受噪声干扰，长距离传输后信噪比恶化；图像清晰度下降，信号波形畸变，相位失真、色彩失真；对设备的非线性失真十分敏感。 • 模拟电视还具有稳定性差、可靠性低、调整繁杂、不便集成、自动控制困难。 • 不能与IT接轨，业务受限。

  5. 2. 数字电视的发展历程与现状 1994年，数字卫星电视启动； 1998年，数字地面电视开始试播； 欧、美、日发展较快； 数字卫星电视出现最早，目前最为成熟与规范； 数字有线电视和数字地面电视目前尚处于发展阶段。

  6. 3. 数字有线电视在我国面临良好的发展机遇 （1）有线电视目前在中国有9000万以上用户，2005年将达到1.2亿。经济发达地区和城市的电视用户多数通过有线收看电视节目，同时有线电视数字化的技术基础也较成熟。有线电视数字化的发展将能够支持最全面的业务。 （2）我国尚未放开个人和家庭直接接收卫星电视信号的限制，数字电视的地面广播，有关标准国际上正在制定中。实现数字有线电视广播在传输链路上的投资最少。目前最有条件发展的则是数字有线电视。

  7. 二、数字通信基础知识2.1信道与带宽 • 传输信息的通路称为信道，可以分为两种：传输模拟信号的称为模拟信道，传输数字信号的信道称为数字信道 。 • 信道所能传送信号的频率范围，称为带宽。传输信道的最小频道宽度应≥数字信号本身频谱的宽度。

  8. 二、数字通信基础知识2.2 数据传输速率 • 比特率：是指二进制数码流的数据传输速率，单位是：bit/s简写b/s或bps，它表示每秒传输多少个二进制元素（每一个二进制的元素称为比特）。 • 波特率：也就是符号率，又称调制速率，是针对模拟数据信号传输过程中，调制解调器输出的调制信号每秒钟载波调制状态改变的数值，单位是B/s，称为波特(baud)率。 • R=Blog2N（b/s），其中R是比特率，B是波特率，N是n比特的电平数（即，进制数）。 • log2N=n:比特数/符号

  9. 二、数字通信基础知识2.3 信源编码 • 抽样：将时间上连续的取值变为有限个离散取值的过程。 • 量化：将经抽样后幅度上无限多种连续的样值变为有限个离散值的过程 。 • 编码：把量化后的信号按照一定的对应关系转变成一系列数字编码脉冲的过程。 • 信源数据压缩编码：降低传输数据率。

  10. 二、数字通信基础知识－－2.4 信道编码 • 纠错：在信道编码过程中将附加数据加于数据流之中，在接收端通过校验位来发现有错误的数据字，并给予纠正。 • 交织：是对纠错过程的补充。其基本原理是在编码时将数码流按已定义的规则“搅乱”，在接受端再将那些“搅乱”的数据字按相反的规则重新排列，使之恢复出原始次序。

  11. 三、数字有线电视前端硬件平台－－3.1数字卫星接收机三、数字有线电视前端硬件平台－－3.1数字卫星接收机 1.概述 因为我国上星的数字电视节目的大部分采用的是QPSK调制方式 ，数字卫星接收机都是QPSK解调 。 数字卫星接收机也分为几种，有的虽然是接收卫星上的数字节目，但是输出的还是模拟的音视频信号，这就是目前大部分电视台前端系统所采用，还没有改造的。有的是直接是输出TS码流；还有一种就是既能输出模拟信号，又能输出数字的TS码流。

  12. jQ Qn An φn I 0 In 数字调制信号的一般描述 数字调制信号的向量表示或星座图表示 在所有时间上，发射的已调信号只有有限的若干种，可表示为若干个向量。若只画出向量的端点称为星座图。 在第n个符号间隔，发射的已调信号，可表示为一个向量。

  13. jQ BPSK，载波sinωct 合成为QPSK I BPSK，载波cosωct QPSK信号的正交调制

  14. A方式QPSK正交调制器

  15. B方式QPSK正交调制器

  16. 星座图：调制载波变化状态的表示图 a和b为数据率减半的bit序列， A/D后0以+1表示，1以－1表示, 并用I(t)表示a；Q(t)表示b。 平衡调幅器输出： I(t) sinωct =± sinωct Q(t) cosωct = ± cosωct 若载波为：sin(ωct－45)和 cos（ωct＋45） 则星座图旋转45，见图中的标记“×”。

  17. 三、数字有线电视前端硬件平台－－3.1数字卫星接收机三、数字有线电视前端硬件平台－－3.1数字卫星接收机 Q

  18. 三、数字有线电视前端硬件平台－－3.1数字卫星接收机三、数字有线电视前端硬件平台－－3.1数字卫星接收机 恢复绝对NRZ码的0，1状态 ±1

  19. 视频编码器 节目 复用 器 1 音频编码器 复用适配和 能量扩散 字节到 m位符号变换 传送 复用 器 卷积交织器 I=12 RS编码器 (204, 188) I 至RF有线信道 差分编码 基带成形 QAM调制 数据编码器 Q 2 n 有线前端 MPEG-2源编码和复用 I RF 物理 接口QAM解码器 符号 到 字节 映射 卷积去交织器 Sync1反转和去 能量扩散 差分 解码器 匹配 滤波器与 均衡 RS码 解码器 数据 接RF有线信道 Q 时钟 有线IRD 载波、时钟和同步恢复 三、数字有线电视前端硬件平台 DVB-C系统框图

  20. m 8 8 I m Q 8 时钟和同步生成器 编码调制系统 将m比特符号映射为 I、Q信号，并进行 滚降滤波。 *MPEG-2 传送复用包 有线前端 去RF 有线信道 数据* 基带接口：来自本地MPEG-2节目源,分配链路,再复用等 基带物理接口 Sync1 反转 和 随机化 卷积 交织器 I=12 字节 RS编码器(204,188) QAM调制器和IF或RF物理 接口 字节到 m位 符号 变换 差分 编码 基带 成形 时钟 使数据结构与信号 源格式相适配。 根据MPEG-2帧结构 将SYNC1字节进行反转； 对数据流进行随机化处理。 对每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。

  21. 字节v+1 字节v+2 字节v 自交织器输出 （字节） b7b6b5b4b3b2b1b0 b7b6b5b4b3b2b1b0 b7b6b5b4b3b2b1b0 b5b4b3b2b1b0 b5b4b3b2b1b0 b5b4b3b2b1b0 b5b4b3b2b1b0 至差分编码器 （6-bit符号） 符号z+1 符号z 符号z+2 符号z+3 字节到符号的变换 例：64QAM的字节m比特符号的变换， 2m=64，m=6，3字节转换为4个符号

  22. 三、数字有线电视前端硬件平台－－3.2 QAM调制器 • 1.调制方式的选择 • DVB-S中，采用的是QPSK调制解调方式； • DVB-C中，采用的是QAM调制解调方式； • DVB-T中，采用的是OFDM多载波调制，每个载波再采用QPSK或者QAM调制。 • QAM是用数字信号去调制载波的幅度和相位，常用有16QAM、32QAM、64QAM等。由于载波的幅度和相位都带有信息，比QPSK方式传输的数码率高。DVB-C多用64QAM的调制方式。 • QPSK方式具有较强的抗干扰能力，多用在双向网的回传。

  23. 三、数字有线电视前端硬件平台－－3.2 QAM调制器 • 2.调制速率 • 16QAM调制中，一个符号用4个比特来表示；64QAM调制中，一个符号用6个比特来表示；256QAM调制中，一个符号用8个比特来表示。 • 64QAM的调制符号率为6.89MBps时，它的最高数据传输速率为6.89×6＝41.34Mbps，由于其中有RS编码，去掉冗余，有效传输数据速率为41.34×（188/204）＝38.1Mbps。 B:波特

  24. 三、数字有线电视前端硬件平台－－3.2 QAM调制器 3. QAM调制原理 • 正交调幅（QAM）是幅度调制和相位调制的结合，既调幅又调相。 • QAM是将调制符号调制到一对正交载波上，是二维调制技术。 • 数字比特序列被分成两个序列，以16QAM为例，每4个调制比特分为两组，每组两个比特，分别去调制同相正交载波，然后将两路已调信号相加发送。

  25. Q 4ASK,载波0相位 Q I Q I I 4ASK,载波900相位 QAM的正交调制实现

  26. 三、数字有线电视前端硬件平台－－3.2 QAM调制器 • M-QAM由2路正交的L-ASK信号叠加而成,M=L2 A/D

  27. 三、数字有线电视前端硬件平台－－3.2 QAM调制器 • 16QAM星座图

  28. 视频编码器 节目 复用 器 1 音频编码器 复用适配和 能量扩散 字节到 m位符号变换 传送 复用 器 卷积交织器 I=12 RS编码器 (204, 188) I 至RF有线信道 差分编码 基带成形 QAM调制 数据编码器 Q 2 n 有线前端 MPEG-2源编码和复用 差分编码的作用 • 为了获得π/2旋转不变QAM星座图，每个符号的两个最高有效位应进行差分编码。

  29. q个比特(bq-1,…,bo) 映射 字节到m比特 符号变换 I Qk Bk=bq 差分编码 Q Ak=MSB Ik q=2，16QAM时； q=3，32QAM时； q=4，64QAM时； 差分编码规则和示意图 • 两个MSB差分编码由下面的表达式给出

  30. q个比特(bq-1,…,bo) 映射 字节到m比特 符号变换 I Qk Bk=bq 差分编码 Q Ak=MSB Ik q=2，16QAM时； q=3，32QAM时； q=4，64QAM时； 差分编码规则和示意图 • 两个MSB差分编码由下面的表达式给出

  31. Q 1011 0010 0011 1001 IkQk=00 IkQk=10 1010 1000 0001 0000 I IkQk为每象限的两个MSB， 1101 0100 1100 0110 1110 0101 1111 0111 IkQk=11 IkQk=01 QAM星座图 • 系统采用16/32/64QAM • 举例：16QAM星座图

  32. 星座图中的第1象限星座点到其它象限星座点的变换星座图中的第1象限星座点到其它象限星座点的变换 • 通过改变2个MSB位（即IkQk）并根据表中规则旋转q个LSB，可将第1象限中的星座点变换至第2、3、4象限。

  33. Q Q 1011 0010 0011 1001 I 1010 1000 0001 0000 Q I 0111 0110 0011 0001 1101 0100 1100 0110 0111 0110 0011 0001 0101 0000 0100 0010 1110 0101 1111 0111 0101 0000 0100 0010 I 1110 1100 1001 1000 1110 1100 1001 1000 1101 1111 1011 1010 1101 1111 1011 1010 载波相位旋转示意图 载波相位旋转任意角度 载波相位旋转900

  34. Q 1011 0010 0011 1001 1010 1000 0001 0000 Q I 0111 0110 0011 0001 1101 0100 1100 0110 0111 0110 0011 0001 0101 0000 0100 0010 1110 0101 1111 0111 0101 0000 0100 0010 I 1110 1100 1001 1000 1110 1100 1001 1000 1101 1111 1011 1010 1101 1111 1011 1010 • 载波发生π/2,π,3π/2象位旋转时，q个LSB不会发生错误，而2个MSB经差分译码后也不会发生错误。

  35. 8MHz fc 符号率、带宽的关系 • 对QAM信号，占用射频带宽B与符号率Rs的关系为： B=(1+α) Rs • 采用0.15滚降系数时，一个8MHz信道中理论上的最大符号率为6.96MBaud。（Baud=symbol/s）

  36. 视频编码器 节目 复用 器 1 音频编码器 复用适配和 能量扩散 字节到 m位符号变换 传送 复用 器 卷积交织器 I=12 RS编码器 (204, 188) I 至RF有线信道 差分编码 基带成形 QAM调制 数据编码器 Q 2 n 有线前端 MPEG-2源编码和复用 比特率与符号率的关系 有用比特率Ru、总比特率Ru’、符号率Rs Rs Ru Ru’ Ru=Ru’(188/204)= (log2M)Rs(188/204)

  37. 举例

  38. 编码调制系统 • DVB三种系统的信源编码方式相同-MPEG-2 ，但采用不同的信道编码方式和不同的调制方式。 • 信道编码，DVB-C只采用RS编码和卷积交织联合起来纠正随机性错误和突发性错误，不采用DVB-S和DVB-T，用RS编码与卷积编码分别作为外编码和内编码的联合编码方式。 • 调制部分，DVB-C噪声干扰较小，可采用编码效率较高的MQAM，不用DVB-S的QPSK；有线信道中的多径干扰不是十分严重，也不采用DVB-T为克服多径干扰所用的COFDM。

  39. 编码调制系统 • 基带接口与同步 经过此单元的处理，使数据结构与信号源格式相适配。该单元中的信号帧结构应与含同步字节的MPEG-2传送层一致。 • SYNC1变换和随机化 该单元根据MPEG-2帧结构将SYNC1字节进行反转；同时为实现频谱成形，对数据流进行随机化处理。 （SYNC1：随机化序列的第1个TS包，共8个包） 见下图

  40. DVB-S帧结构

  41. 编码调制系统 • RS码编码器 该单元使用截短的RS(204,188)编码，对每一个已随机化的传送包进行处理，产生一个误码保护包。 • 卷积交织器 该单元完成一个深度I = 12的误码保护包的卷积交织，同步字节的周期保持不变。 • 字节变换到m比特符号 该单元将卷积交织器处理后的字节变换为QAM符号。

  42. 编码调制系统 基带成形 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降滤波。

  43. 基带成形滤波的作用 • 编码器产生矩形基带脉冲，其频谱无限延伸，为无失真传输需要无限宽的信道。 • 而实际信道都是带宽受限的，对所传输的信号造成频谱失真，反映在时域波形上即畸变和波形展宽，使相邻的脉冲波形在时间上互相重叠，造成了符号间干扰（ISI）。如图 • 若基带脉冲波形是某种适当的波形，那么可以保证抽样点上不存在ISI，如图 • 为此，调制前需对编码器产生的基带脉冲进行基带成形滤波。

  44. H(f) 矩形脉冲及其频谱 f(t) -2/T 3/T -4/T t /T /T 1/T /T -1/T -T/2 T/2 0 接收到的波形 输入波形 单个脉冲的响应 码间干扰 滤波 1 1 1 0 t 0 t t Ts Ts 抽样点 抽样点 二进制系统接收脉冲中的ISI示意图

  45. 当前脉冲 发端脉冲 下一位脉冲 前一位脉冲 … … 抽样时刻 (非正常比例，仅供演示)

  46. 理想低通滤波器的脉冲成形 • 所传输信号的符号率为fS，symbol/s。 • 理想LFP的截止频率为fN=fS /2，称为奈奎斯特频率，如左图。 • 调制后的射频带宽为2fN=fS，如右图。

  47. 升余弦滚降滤波器的脉冲成形 • 理想LPF的过渡带无限滚降，不能实现。 • 实际滤波器的过渡带有适当的滚降，但不一定满足无ISI传输。 • 升余弦滚降滤波 特性关于fN齐对 称，满足无ISI 传输。 • α称为滚降系数。

  48. 编码调制系统 • QAM调制和物理接口 该单元对信号进行QAM调制。随后，将QAM已调信号通过IF或RF接口送至射频信道 。

  49. 编码调制系统 • 几个重要概念： 随机化 RS码 卷积交织

  50. 编码调制系统 随机化 • 数字通信理论在设计通信系统时都是假设所传输的比特流中“0”与“1”出现的概率各为50%，通信系统以及其数字通信技术的设计性能指标是以这一假设为前提的。 • 但TS码流经过编码处理后，可能会在其中出现连续的“0”或连续的“1”。这样一方面破坏了系统设计的前提，使得系统可能会达不到设计的性能指标；另外，接收端进行信道解码前必须首先提取比特时钟，提取是利用传输码流中“0”与“1”之间的波形跳变实现的，而连续的“0”或连续的“1”给比特时钟的提取带来了困难。

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