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数字有线电视DVBC信道编码器与解码器

 

《电视机原理》课程设计

 

数字有线电视DVB-C信道编码器与解码器

 

2011年5月30日

数字有线电视DVB-C信道编码器与解码器

摘要

数字电视是继黑白电视和彩色电视之后的第三代电视,它克服了模拟电视许多无法避免的不足与缺陷,在现代科学技术飞速发展的背景下应运而生,它引领着现代电视技术的发展潮流,它的出现及完善被誉为电视发展史上的一个重要的里程碑。

数字电视不仅图像清晰、色彩鲜艳、声音悦耳等基本特征,而且观众可进行视频、音频节目点播,选择自己感兴趣的数字电视节目源,实现了用户与电视台的双向交互功能,这使用户收看电视节目的主动性得到大大的增强,从根本上改变了传统电视用户只能被动接受的局面。

数字电视是将模拟电视信号转换成数字信号,然后再对数字信号进行处理、传输、记录和控制的系统。

目前我国数字电视机还没有普及,大家收看数字电视节目一般是利用机顶盒,把数字信号解码转换成模拟信号供模拟电视机接收。

本课程设计的任务是按照DVB-C接收数字电缆电视的技术标准设计并实现“标准清晰度数字电视机顶盒”中的信道编码器与解码器,并对其原理进行相关介绍。

关键字:

数字有线电视DVB-C机顶盒编码解码器

 

 

1.绪论

1.1引言

随着时代、科技的发展,人类社会已经进入信息化时代,正处于一个生机勃勃的发展过程,作为信息化时代的主要标志,“数字化技术”有着突飞猛进的发展。

数字电视、高清晰度电视、交互电视、多媒体通信等一大批高新技术正在朝人们走来,也将逐步改变我们的日常生活、工作与学习方式。

数字电视(DTV),是电视接收系统的发展潮流,数字电视的飞速发展永远超出我们的预想,部分发达国家的广播电视从模拟向数字的过已经全面展开,正在从部分数字化向全面数字化方向发展。

我国的部分地区已经开始了从模拟向数字的过渡,我国的“数字电视”时代已经拉开帷幕。

作为从模拟向数字转换时必备的电视接收机—数字电视接收机(STB)将进入普通老百姓的家庭,因此对于开发一款性能优异、质量稳定、适应性强,成本低廉的数字电视接收系统有着重要的意义。

1.2数字电视的概述

电视技术,经历着从黑白电视到彩色电视的发展过程,有的国家已开始试播高清晰度电视和立体电视。

我国决定从1999年10月1日起开始试播高清晰度电视(HDTV)。

电视的使用范围早已超越了广播娱乐界,并深深地扩展到文化教育、科研管理、工矿企业、医疗卫生、公安交通、军事宇航等各个重要部门。

现在的彩色电视虽已发展到色彩鲜艳,形象逼真的高超地步,但是,它们仍然是“模拟电视”。

在图像信号的制作处理、控制调节、记录重放、调制解调、传输转播、接收显示等过程中,图像信号和伴音信号都是在时间轴上和振幅轴上连续变化的模拟信号。

模拟电视最明显的缺点是接力传输方式产生噪声,长距离传输的信噪比恶化,使图像清晰度越来越受到损伤;发送传输设备中,放大器的非线性积累使图像对比度产生越来越大的畸变;相位失真的积累产生色彩失真,使“鬼影”现象愈来愈严重。

同时,模拟电视还具有稳定度差、可靠性低、调整繁杂、不便集成、自动控制困难、以及成本高昂等缺点。

近十多年来,由于微电子技术、超大规模集成电路技术、数字信号处理技术、计算机技术的突飞猛进,使数字电视的发展已取得了令人鼓舞的成果。

特别是数字图像获取、数字存储、位图打印和图形显示的数字设备的出现带来了许多数字图像方面的应用。

技术先进国家的电视演播室设备数字化已完成,数字电视接收机已上市出售,各种数字图像编码压缩设备随多媒体技术的发展已投人使用。

国际上也相应地制定了统一的数字电视信号的编码标准,为数字电视的发展奠定了坚实的基础。

    数字电视,是将传统的模拟电视信号经过抽样、量化和编码转换成用二进制数代表的数字式信号,然后进行各种功能的处理、传输、存储和记录,也可以用电子计算机进行处理、监测和控制。

采用数字技术不仅使各种电视设备获得比原有模拟式设备更高的技术性能,而且还具有模拟技术不能达到的新功能,使电视技术进入崭新时代。

1.3数字电视的系标准分类

数字电视是一个总称,凡是将电视信号以数字化的方式进行传送的都称为数字电视。

数字电视有多种具体类型。

如果按清晰度进行划分,则可分为:

PDTV(比特率为1~2Mbps,显示清晰度约300线);SDTV(比特率为3~8Mbps,清晰度为350~600线);HDTV(比特率为18~20Mbps,显示清晰度为800~1000线)。

以上比特率为MPEG-2压缩后速率

按信道部分的标准来分,根据传输媒介的不同数字电视系统包括有线数字电视广播(DVB-C)、卫星数字电视广播(DVB-S)和地面数字电视广播三中传输系统。

其中有线数字电视系统的分类如下表:

表1.有线数字电视标准

 

DVB-C

ATSC-64QAM

ATSC-16VSB

ISDB-C

调制方式

16-64QAM

64QAM

16VSB

64QAM

带宽

8MHz

6MHz

6MHz

6MHz

传输速率

31.64Mb/s

41.34Mb/s

43.05Mb/s

30.31Mb/s

滚降系数

15%

15%

11.5%

18%

纠错编码

RS(204,188)

RS(128,122)

RS(207,187)

RS(204,188)

压缩方式

MPEG-2

本课程设计的任务是按照DVB-C接收数字电缆电视的技术标准设计并实现“标准清晰度数字电视机顶盒”中的信道编码器与解码器。

1.4DVB及DVB-C标准简介

DVB组织是一个来自33个国家、230个组织参加的国际机构,国家广电总局广科院于1999年4月13日作为协会会员加入了DVB组织。

同时DVB(DigitalVideoBroadcasting)也是欧洲数字视频广播标准,主要的标准包括了卫星电视DVB-S、电缆电视DVB-C、地面广播普通电视的DVB-T和高清晰度电视(HDTV)的广播与传输,以上三种传输标准的编号分别为ETS300421,ETS300429和ETS300744。

TS是欧洲电信标准 。

DVB-S是为改变模拟电视技术因标准不同而形成分割局面,从而制定的一套数字广播技术规范,它担负有促成其成为数字广播技术的国际标准,推进广播电视技术的国际交流,合作与发展的任务。

 

  DVB项目的主要目标是找到一种对所有传输媒体都适用的数字电视技术和系统。

对它的要求是:

 

  1、能灵活传送MPEG-2视频、音频和其他数据信号。

 

  2、使用统一的MPEG-2传送比特流复用。

 

  3、使用统一的服务信息系统提供广播节目的细节等信息。

 

  4、使用统一的一级里德-所罗门前向纠错系统。

 

  5、使用统一的加扰系统,但可有不同的加密方式。

 

  6、选择适用于不同传输媒体的调制方式和信道编码方法以及任何必须的附加纠错方法。

 

  7、鼓励欧洲以外的地区使用DVB标准,推动建立世界范围的数字视频广播标准。

 

  8、支持数字系统中的图文电视系统。

DVB-C标准以有线电视网作为传输介质,应用范围广。

它具有16、32、64、128和256QAM五种方式,工作频率在10GHz以下。

2001年国家广电总局已颁布行业标准:

《有线数字电视广播信道编码和调制规范》,该标准等同于DVB-C标准。

DVB-C传输采用QAM(正交振幅调制)方式,该传输系统是一个全数字的通信系统,它与传统的模拟电视传输系统有着本质性的区别。

DVB-C标准的传输系统分为信源编解码和信道编解码两部分。

其中,信道编解码包括前向纠错编码、译码、调制、解调和上、下变频几部分。

DVB-C传输系统具有如下的主要特点:

可与多种节目源相适配,DVB-C传输系统所传送的节目既可来源于从卫星系统接收下来的节目,又可来源于本地电视节目,以及其它节目信号;可用于标准数字电视又可用于高清晰度数字电视。

2.现代有线电视网络的基本构成

2.1数字电视广播系统组成

一个完整的数字电视系统,在从信源至接收的全过程中,对数字电视信号进行的编码包括信源编码、信道编码以及加密与解密,其中信源编码与信道编码是对数字电视信号进行处理的重要步骤,本课题主要介绍信道编解码器工作原理,而加密与解密则主要用于数字电视条件接收系统,它是数字电视的一大重要特征,其目的是为了实现数字电视的有偿服务机制,使授权用户能够得到所需要的数字电视节目及其服务,从而保证数字电视运营系统的良性循环。

数字电视广播系统的组成框图如图2所示

图2数字电视广播系统组成框图 

输入信号在经过信源编码后,形成系列二进制序列,我们称之为信息序列。

然后由信道编码对信息进行信道编码,经信道编码后的二进制序列被送到数字调制器进行调制,数字调制的实质是将二进制信息序列映射成一定的信号波形,以在带通信道中传输数字信号。

而接收端由数字解调制器完成相反过程.将信号波形恢复为二进制信息序列。

在DVB-C中信道编码普遍采用扰码+RS(里德-所罗门)编码+交织的方法,而调制方式则采用QAM调制技术。

图2信源编码的作用是保证所需图像和声音质量前提下对高码率的视/音频数据进行压缩,以提高数据传输速率;信道编码的作用是在确保高效率数据传输下,提高数据的传输可靠性。

此后,将基带数字信号调制到高频载波上,使已调制信号能通过特定的传输媒体(有线、卫星或地面开路传输通道)向外传送。

不同的传输媒体采用各自相应的数字调制方式,以适应不同传输媒体的固有特性。

本课程设计主要分析了数字有线电视DVB-C信道的编码器和解码器的工作原理。

2.2数字有线电视前端系统

数字有线电视前端系统包括复用器、信道编码和数字调制器、条件接收系统、

用户管理系统、网络管理系统、节目播出管理、媒体资源管理、收费管理等一系列子系统。

数字电视前端系统一般可分为四个主要部分,即信号输入部分、信号处理部分、信号输出部分和系统管理部分,每一个部分都有其特定的功能,最终组成完整的数字电视前端。

另外,在现代有线电视系统中,用户必须加机顶盒才能收看数字电视,才能获得授权享受个性化的视频服务和其他增值服务。

2.3DVB-C传输系统

数字电视地面广播传输系统发送端完成从输入数据码流到地面电视信道传输信号的转换。

输入数据码流经过扰码器(随机化)、前向纠错编码(FEC),然后进行从比特流到符号流的星座映射,再进行交织后形成基本数据块。

基本数据块与系统信息组合(复用)后,经过帧体数据处理形成帧体。

而帧体与相应的帧头(PN序列)复接为信号帧(组帧),经过基带后处理转换为基带输出信号(8MHz带宽内)。

该信号经正交上变频转换为射频信号(UHF和VHF频段范围内)。

DVB-C有线电视传输系统总体上可以分为信道编码和高频调制两大部分。

其输入码流来自MPEG-2信源编码和复用器,其输出去往高频有线信道。

图4DVB-C接收系统框图

有线数字电视接收机系统如图4所示,输出信号为MPEG-2传送复用包(TS)和时钟,应用于有线电视机顶盒(STB)中。

DVB-C接收系统主要由调谐器、A/D变换器、QAM解调、匹配滤波均衡、载波和位同步恢复、符号/字节转换、差分译码、去交织、RS译码、去扰码、解多工复用、MPEG-2解压缩等部分组成,其组成原理框图如图4所示:

信道部分传来的信号经传输层解复用还原压缩的MPEG-2视频、音频及多媒体数据信号,经解压处理恢复数字视频信号和数字多声道伴音信号,再经视频编码电路输出NTSC/PAL等制式的电视信号。

CPU负责接收机的初始化及对电路各部分的协调控制和数据信号处理等。

另外,还提供遥控输入接口、通用异步传输接口(UART)、IEEEI284并行口、智能卡接口、I2C串行总线控制端口、调制解调器等外围接口部件。

3.DVB-C信道编码器和解码器

3.1DVB-C信道编码器

3.1.1信道编码原理简介

经过信源编码和系统复接后生成的节目传送码流,通常需要通过某种传输媒介才能到达用户接收机。

传输媒介可以是广播电视系统(如地面电视广播系统、卫星电视广播系统或有线电视广播系统),也可以是电信网络系统,或存储媒介(如磁盘、光盘等),这些传输媒介统称为传输信道。

通常情况下,编码码流是不能或不适合直接通过传输信道进行传输的,必须经过某种处理,使之变成适合在规定信道中传输的形式。

在通信原理上,这种处理称为信道编(ChannelCoding)(与信源编码相对应),实现信道编码的系统称为传输系统.

数字电视信号在传输过程中将受到信道加性噪声、乘性噪声以及多径衰落等干扰因素的影响,虽然与模拟通信系统相比,数字通信系统具有较强的抗干扰能力,但当干扰较大时仍然可能发生信息失真(InformationDistortion)、并出现误码,其中地面开路广播在数字电视三种传输方式中由于信道特性最为恶劣、传输难度最大,因而失真与误码也最为严重。

要减少失真与误码,必须提高信噪比,由于信道带宽及信号功率均受到限制,信噪比的提高也受到限制,因此必须进行纠错编码,以进一步提高传输系统的可靠性。

只要信号传输过程中出现的失真与误码在一定限度之内,接收端就能正确解调出来,从而保证了信息传送的正确性。

传输信道是数字电视信号的物理传输通道,其特性将直接影响信源编码与信道编码的效果。

信道容量通常有限,电视信道的带宽按照各个国家的不同规定有6MHz、7MHz与8MHz三种,在这有限的带宽中如何能够实现传送更多的比特,即提高信号传输的有效性是系统设计者必须考虑的重要问题,这属于信源编码研究的范畴。

此外,还必须考虑信号的正确传送,即信号传输的可靠性问题,这属于信道编码研究的范畴。

有效性与可靠性是信号传输中的一对矛盾,有效性以信息传输速率来衡量,由于传输信道有不同的带宽,因此有效性可用“谱效率”来衡量,即每赫兹能够传送多少信息速率,可靠性通常用误比特率ph与误码元率ps来表示,具体为:

Ph=错误比特数/传送总比特数,ps=错误码元数/传送总码元数。

数字电视系统对信道编码技术有以下要求:

· 编码效率要高、抗干扰能力要强;

· 对传输信号应有良好的透明性,即传输通道对于传输信号的内容不加限制;

· 传输信号的频谱特性应与传输信道的通频带有最佳的匹配性;

· 编码信号内应包含有数据定时信息与帧同步信息,以便接收端能够准确解码;

· 编码的数字信号应具有适当的电平范围;

· 发生误码时,误码的扩散蔓延小。

以上要求可概括为以下两点:

一是通过附加一些数据信息以实现最大的检错纠错能力,这将涉及到差错控制编码的原理及特性;二是数据流频谱特性适应传输信道的通频带特性,以使信号能量经由通道传输时损失最小,这将涉及到数字信号序列的频谱形成技术,即传输码型选取及转换。

此外,应该明确:

任何信道编码技术的检错、纠错能力都在一定限度之内,当信道中干扰很严重、传输误码超出一定限度时,信道编码系统将无法纠正这些错误。

数字电视系统信道编码技术主要包括纠错编码技术、数据交织技术、网格编码技术、均衡技术等,它们可提高数字电视信号的抗干扰能力,再利用调制技术即可将数字电视信号放在载波或脉冲串上,从而为信号发射做好准备。

必须清楚,信道编码的实质是寻找适合数字电视信号在相应传输信道中的安全传输模式,使经过信道编码后的数字码流能够匹配信道传输特性、减少误码与差错。

因此,信源编码以后的所有编码措施,包括扰码、交织、卷积等都可以划分到信道编码的范畴,由此可构造出信道编码

3.1.2DVB系统信道编码技术

信道编码技术主要由复用适配与能量扩散、外码编码、卷积交织、内码编码等技术组成

1、能量扩散

为便于信号传输及接收端恢复数据,需要对输入码流进行随机化处理,即加扰,以使能量扩散。

输入TS流是188字节的TS分组包,每个TS分组包的第一字节是SYNC同步字节,数值为47rmx(01000111)。

在DVB-T中,先将每8个TS分组包形成一个TS大分组包,之后再对输入码流进行随机化处理,以实现能量扩散,数据流随机化方案及传输包的随机化处理分别如图4-28和图4-29所示。

加扰器采用15个移位寄存器构成的发生器,即利用伪随机二进制序列(PRBS,PseudoRandomBinarySequence)实现,其生成多项式G(x)=1+x14+x15,每隔第一个TS大包初始化一次。

为区别初始化点,TS大包中第一个TS包的同步字节被取反码即B8HEX(10111000),随机序列发生器从取反的同步字节后开始作用,经过8×188-1=1503字节=12024比特后,又重新初始化,其余7个TS包的同步字节虽然参与运算,但输出仍取0X47,实现中利用使能信号切断与门,使这些同步字节不被加扰。

2、外码编码

外层纠错编码采用RS(204,188,T=8)码,它是由RS(255,239,T=8)截短而得到的,编码效率为188/204≈0.92,可以纠正一个RS码字内的不超过8个字节的误码。

选择这一RS码字长度完全是为了与MPEG-2的TS包兼容,即每一个TS包独立进行RS编码保护,生成一个RS码字,RS码字的同步头就采用TS包的包头或取反的TS包头。

3、卷积交织

交织采用卷积交织方案,交织深度I=12,即具有12个分支支路。

交织器与反交织器在原理上是一样的,但在支路延时上正好相反。

交织过程是这样的:

RS编码码字向第0---第11支路依次循环输入数据,每条支路每次输入一个字节;交织后的数据按相同的顺序从各支路中输出,每条支路每次输出一个字节。

RS码字的同步头永远从第0支路,即无延时支路传送。

这样交织后的数据流依然保持了RS码字的同步和长度。

4、内码编码(卷积收缩编码)

(1)基本卷积码

内码编码与外码编码相结合,构成了DVB-T中的级联编码,它增强了前向纠错能力,有利于抗御地面开路信道恶劣的传输环境,内码编码采用(2,1,7)卷积码,即1个信息比特生成2个编码比特,约束长度Ⅳ为7比特。

DVB-T中采用的(2,l,7)基本卷积码电路结构如图4-31所示,其中输入数据流来自外交织器,每输入一个比特生成X、Y两比特,编码效率较低,为η=1/2,其优点是纠错能力强。

(2)卷积收缩码

当传输信道质量较好时,为提高编码效率,可采用收缩截短卷积码。

DVB中给出了多种编码效率的收缩卷积码,如表4-2所示,其中编码效率包括77=1/2、2/3、3/4、5/6、7/8五种情况,η越高则一定带宽内可传输的有效比特率就越大,但纠错能力也越差。

由于任何信道编码系统的检错纠错能力都是有限的,因而当信道中干扰很严重、传输误码超出一定限度时,信道编码系统将无法纠正差错。

针对这种情况,DVB系统采用了两级纠错编码机制以进一步提高系统抗干扰能力,它将传输信道在内一起视为一个传输链路,其中处于外层的纠错编码被称为外层纠错编码,而处于内层的纠错编码被称为内层纠错编码,内层纠错编码首先对传输误码进行纠正,对于不能纠正的误码,外层纠错编码将进一步纠正,两层纠错编码大大提高了系统纠错能力。

实践证明:

如果内层纠错编码能将传输误码纠正到10-3的水平,即平均每1000个传输数据流中存在1个误码,则经过外层纠错编码后,误码率一般可降至10-5的水平;如果内层纠错编码能将传输误码纠正到10-4的水平,即平均每10000个传输数据流中存在1个误码,那么经过外层纠错编码后,误码率一般可降至10-8的水平。

DVB系统外层纠错通常采用里德一所罗门(RS,ReedSolomon)码,内层纠错则采用卷积码。

其中内层卷积纠错编码具有很强的纠错能力,但当出现无法纠正的误码时,这种误码常常呈现连续分布形式,称为误码扩散。

此外,传输信道中的一些强烈冲激噪声也会使卷积解码后的码流中出现连续误码,当这些连续误码落在一组外层RS码中,就可能超出RS码的纠错能力而造成信息失真。

为避免这种情况,在两层纠错编码之间增加了数据交织,它通过改变信号传输顺序,使连续误码分散到多组RS码中,因而落在每组RS码中的误码数量将大为减少,只要不超出RS码纠错范围,就能将其纠正过来。

可见,数据交织通过使连续错误分散化,从而提高了系统纠错能力,它对冲激噪声的纠错能力非常明显。

3.2DVB-C信道解码器

信道解码的方框图如图6所示。

信道编码中采用的技术有加扰、RS编码和交织,因此在接收端,信道解码器应该进行相反的处理过程,即完成信号的解交织、RS解码和解扰。

1、解交织

RS编码对随机错误具有较强的纠错能力,然而,在实际信道中,许多错误是突发性的,也就是说发生错误时,往往具有很强的相关性,甚至连续一片数据都出错。

突发性错误超出了RS编码技术的纠错能力,因此必须结合使用数据交织技术。

在发送端,数据交织器按照一定规则对数据进行交织,使信道的突发性错误分散开来,把突发性错误信道改造成随机性错误信道。

而在接收端,则必须加上解交织器,对数据进行解交织,以恢复原数据。

图6信道解码方框图

2、RS解码

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加性噪声的影响,所接收的数字信号不可避免地会发生错误,因此必须引入差错控制编码技术。

其做法是,信道编码器在信息序列中引人冗余码,冗余码与信息码元之间以某种确定的规则相互关联。

在接收端,信道解码器按照相应的规则检验信息码元与冗余码元之间的关系,一旦传输过程中发生错误,则信息码元与冗余码元之间的关系将被破坏,从而可以发现错误并纠正错误,我们称之为前向纠错。

在DVB-C中,差错控制编码技术普遍采用RS编码,具体类型是RS(204,188,T=8)。

RS编码是一种线形分组码,它在每一传送流包中,能够纠正8字节的随机性错误。

RS解码过程如图7所示:

图7RS解码过程

RS解码器经过上图所示系列过程后,获得错位多项式和错值多项式。

解码器根据它们确定错误发生的位置以及错误位置上的错误值,对错误值进行纠正,实现前向纠错功能。

3、解扰

为减少数字基带信号中连“0”码和连“1”码的出现,发送端必须对二进制信息序列进行随机化处理,变成伪随机序列,此过程称为扰码。

相应地,在接收端必须解除这种扰乱,即为解扰。

因为扰码限制了连“0”码和连“1”码的长度,从而改善了位定时的质量。

此外,它能使信号频谱弥散而保持稳恒,从而改善帧同步和自适应时域均衡等子系统的性能。

另外,为了减少符号误码率,使信号频谱与信道频率特性有最佳的配合,需要在信道的输出端插入一定的滤波器使信道和滤波器的综合特性最佳。

所谓匹配滤波就是这样一种使输出信噪比最大的最佳线性滤波器。

匹配滤波频率响应特性与调谐器中基带成形模块中的升余弦滚降滤波器相同,可以采用同样的方法来模拟。

匹配滤波器在数字通信和雷达信号检测中有特别重要的意义。

经证明,如果信号输出获得最大信噪比,我们就能最佳判断信号的出现。

4.数字电视机顶盒

4.1数字电视机顶盒概述

随着我国经济的发展和科技的进步,广播电视网也正在向产品化、网络化、数字化的方向发展。

其中,数字机顶盒作为系统中的用户终端设备是一项关键的设备。

由于数字机顶盒能够将数字电视信号进行转换,成为模拟电视机可以接收到的PAL/NTSC信号,同时也能够支持因特网浏览、视频(VOD)点播、可视电话、DVD播放等多媒体的功能以及放大、解密、加扰的功能,和普通模拟电视机进行组合便能够构成完整独立的数字电视的接收机。

机顶盒由于其用途和功能的不同,在早期可分为付费图文电视的机顶盒、电视的机顶盒、增补频道的机顶盒等。

在数字电视技术快速发展的今天,对于进行数字电视接收的机顶盒在我国很受重视。

其中,根据传输媒体工具的分类,数字电视的机顶盒还可以分为以下3种:

1)有线数字电视的机顶盒;2)数字卫星的机顶盒;3)地面数字电视的机顶盒。

在这3种类别当中有线数字电视的机顶盒在我国应用最为广泛。

数字电视的机顶盒通常用来进行处理数据业务、接收数字电视节目或者解析多种应用方面。

它们的信源必须要完成二级编码之后进入到有线电视网络,其中一级是可以进行

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