数字有线电视DVBC信道编码器与解码器分析.docx
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数字有线电视DVBC信道编码器与解码器分析
数字有线电视DVB-C信道编码器与解码器
摘要
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。
从数字电视的发展和基本组成，引出有线数字电视系统的基本构成和标准，本课题主要按照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，本课题着重分析了有线数字电视DVB-C的信道编码与解码。
关键字：
数字电视，信道编码，解码
目录
1绪论1
1.1数字电视机的概述1
1.2数字电视广播系统的组成及分类1
2有线数字电视2
2.1有线数字电视基本的构成2
2.2有线数字电视基本的标准3
2.3DVB-C标准简述4
2.3.1DVB-C发射系统4
2.3.2DVB-C接收系统5
3有线数字电视的编码与解码5
3.1信道编码5
3.1.1信道编码的作用5
3.1.2数据随机化6
3.1.3RS编码算法6
3.1.4数据交织7
3.2DVB-C信道解码技术8
3.2.1解交织9
3.2.2RS解码9
3.2.3解扰9
总结11
致谢12
参考文献13
1绪论
1.1数字电视机的概述
电视技术，经历着从黑白电视到彩色电视的发展过程，数字电视是继黑白电视和彩色电视之后的第三代电视。
所谓数字电视，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。
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。
数字电视利用MPEG标准中的各种图像格式，把现行模拟电视制式下的图像、伴音信号的平均码率压缩到大约4.69―21Mbps，其图像质量可以达到电视演播室的质量水平，胶片质量水平，图像水平清晰度达到500―1200线以上，并采用AC―3声音信号压缩技术，传输5.1声道的环绕声信号。
数字电视与模拟电视相比具有许多优点，主要表现在以下几个方面：
⑴图像和伴音质量高、抗干扰能力强；
⑵频道数量将成数倍增加；
⑶可开展多功能业务；
⑷操作性强；
⑸便于网络化；
⑹具有开放性和兼容性；
⑺易于实现条件接收。
1.2数字电视广播系统的组成及分类
数字电视系统由信源、信源编码器、信道编码器、信道、信道解码器、信源解码器、信宿等部分组成，如图1所示。
图1数字通信系统的组成框图
数字电视广播系统包括有线数字电视广播，卫星数字电视广播系统和地面数字电视广播系统三种传输系统。
卫星和有线数字广播系统的信道编码和高频调制技术国标已有公认的，优化的方式，就是DVB-C有线数字电视传输系统和DVB-S卫星数字电视传输系统。
2有线数字电视
2.1有线数字电视基本的构成
有线电视系统是采用缆线（电缆或光缆）等作为传输媒质来传送电视节目的一种闭路电视系统CCTV（Closed-circuittelevision）[用CCTV称呼有线电视系统，容易与中国中央电视台的简称CCTV（ChinaCentralTelevision），所以国内常常使用CATV这个词（共用天线系统/有线电视CommunityAntennaTelevision）]，它以有线的方式在电视中心和用户终端之间传递声、像信息。
所谓闭路，是指不向自由空间辐射，可供电视接收机通过无线接收方式直接接受的电磁波。
基本组成：
接收信号源、前端设备、干线传输系统（如干线放大器（AGC）、（ASC）和干线电缆或光缆）、用户分配网络、用户终端（电视接收、调频广播、线缆调制解调器（CableModem，PC机、IP电话等）等。
如图2所示。
图2有线数字电视基本的构成
2.2有线数字电视基本的标准
有线数字电视根据不同的指标主要分类如表1所示：
表1有线数字电视基本标准
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
滚将悉数
15%
15%
11.5%
18%
纠错编码
RS（204,188）
RS（128,122）
RS（207,187）
RS（204,188）
压宿方式
MPEG-2
2.3DVB-C标准简述
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。
2.3.1DVB-C发射系统
DVB-C发射前端信道部分框图，如图3所示。
在发射端，可接收卫星电视信号、本地节目源（视频服务器）或互联网信息，经过MPEG-2传送复用器后的输入码流是固定数据包格式，包长188拜特（包括同步字节）。
在信道部分，先进行数据流随机化以频谱成形;外码使用截短的RS码编码生成误码保护包;随后的处理是对误码保护包进行深度I=12的卷积交织;其后将字节转换为QAM符号，并对该符号的最高两位差分编码，以获得旋转不变的星座图，并映射到I/Q两路，用来降低载波相位模糊；随后对FQ信号升余弦滚降滤波的基带成形;最后完成QAM调制后，将己调信号送入有线射频（RF）信道。
图3DVB-C发射前端信道部分框图
2.3.2DVB-C接收系统
DVB-C接收系统框图，如图4所示。
图4DVB-C接收系统框图
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、I2C串行总线控制端口、调制解调器等外围部件。
3有线数字电视的编码与解码
3.1信道编码
3.1.1信道编码的作用
新源编码是对于数字演播室给出的图像信号数据流内的空间和时间信息冗余大量删除，以降低信源数据库，提高信息传输效率，降低数据率，而信道编码的主要目的是提高系统的抗干扰能力。
也称为差错控制编码，以使得在传输中在各种干扰因素场合下接收端仍有良好的正确接收能力，获得应有的高质量图像和声音。
对信道编码的要求主要有以下几点：
（1）编码效率高，抗干扰能力强；
（2）对信号有良好的透明性，也即传输通道对于传输的信号内容不加限制；
（3）传输信号的频谱特性与传输信道的通频带有最佳的匹配性；
（4）编码信号内包含有数据定时信息和帧同步信息，以便接收端准确地解码；
（5）编码的数字信号具有适当的电平范围；
（6）发生误码时，误码的扩散蔓延小。
3.1.2数据随机化
DVB随机化以8个数据包为周期，每8个传送包的开始时将序列“100101010000000”装入PRBS计数器使其初始化。
在一个8个包长的组中，第一个包的MPEG-2同步字节应逐比特倒相，从47HEX变为B8HEX，这样处理是为了给解扰器提供一个启动信号。
PRBS生成输出的第一个比特应作用于已倒相的MPEG-2同步字节（即B8HEX）后的第一个字节中的第一位。
为了实现其它同步功能，在后继的7个传送包的MPEG-2同步字节持续期间，PRBS继续工作，但其输出是无效的，不对这些字节进行随机化。
因此，PRBS序列的周期应为1503个字节。
3.1.3RS编码算法
RS码是一种最小距离可分码，常用（n，k，d）表示RS码;其中:
n为码字长度，k为信息长度，d为设计距离。
DVB-C系统中采用的是RS（255，239）码的缩短码RS（204，188）。
这里的码字均在GF（2m）域上。
GF（2m）域可以理解为在这个域上的l个码元由mbist组成，因此，连续mbist个错误仅相当于该码一个码元的错误。
这样RS码就可以大幅度提高抗突发错误的能力。
RS码的参数具体有如下关系：
n=2m-1
k=n-2t
RS编码器可以看作是一个多项式乘法器或除法器，其生成多项式可以表示：
为有限域GF（2m）的本原元素。
设输入的信息序列为：
生成的码字为：
采用系统码的形式，则
：
⑴
其中⑴中：
RS码的最小汉明距离为dmm=2t+l，t是能够纠正的错误个数，这样RS（204，188）能够纠t=8个错误，码距为d=17；DVB-C系统使用的。
RS码本原多项式为：
本文采用除法电路实现编码。
编码电路的主要一部分是一组线性移位寄存器，如图5所示。
图5RS编码的实现电路
上图中的编码器是r级编码器，r=16，即含有16个反馈系数，这16个反馈系数是RS（204，188）码的生成多项式的系数。
3.1.4数据交织
由于在DVB数字电视广播系统的信道编码采用了（204，188，8）RS码编码，并对每204个字节组成的数据帧实施字节符号交织处理，交织深度I=12字节。
此时，具有最多纠正12*8=96字节的突发错误的能力，如图6所示。
图6DVB-C交织电路
为了实现同步，不论什么情况下，都是将同步字节及倒相的同步字节送至交织器的分支‘0’。
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。
反交织过程是这样的：
将输入的交织数据流中识别出的第1个RS码字的同步输入到第0条支路，以此为起点依次循环向后面各支路输入数据，每条支路每次输入一个字节；反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。
一个204字节的数据包需要17个交织周期。
3.2DVB-C信道解码技术
信道解码的方框图如图7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。
图7信道解码方框图
3.2.1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。
3.2.2RS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8所示。
图8RS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。
3.2.3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。
总结
课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.随着科学技术发展的日新日异，数字电视机已经成为当今生活中空前活跃的领域，在生活中可以说得是无处不在。
因此作为二十一世纪的大学来说掌握电视机的技术是十分重要的。
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。
因此有线数字电视的编码与解码的技术也越来越重要。
这次课程设计中遇到了很多问题，最后在董雪峰老师的辛勤指导下，终于游逆而解。
同时，在董老师那里我学得到很多实用的专业知识，而且我还学到了严谨、务实、认真的工作态度和极强的敬业精神，也让我明白了不畏困难、勇于攀登艰难的重要性，这对我未来的学习和生活产生很大的影响，我向董老师表示衷心的感谢！
致谢
通过两周的努力，终于将电视机原理的课程设计完成了，在完成课程设计的这两周中，董雪峰和陈嘉义老师给予了我们很大的帮助。
他不仅是指导我完成了设计，还教会了我们做设计的一般步骤、设计思想和设计方法。
当我们对此课程设计无从下手的时候，董老师专心地为我们讲解，为我们解决了很多实际存在的困难和问题。
他为我们梳理流程，讲解原理，使我对此次的课程设计能圆满完成增添了很多信心，真正的从心理和解决实际问题上为我们树立了很好的榜样，我为能有这样的好老师而感觉到骄傲。
在此我衷心的感谢一直不辞辛劳为我们指明方向的董雪峰老师和陈嘉义老师。
通过这次的课程设计，不仅使我学到了很多专业方面的知识，也让我明白了不畏困难、勇于攀登艰难的重要性，这对我未来的学习和生活产生很大的影响。
参考文献
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