數(shù)字有線電視DVB-C信道編碼器與解碼器

1、 第頁(yè)數(shù)字有線電視DVB-C信道編碼器與解碼器摘要數(shù)字電視，是將傳統(tǒng)的模擬電視信號(hào)經(jīng)過(guò)抽樣、量化和編碼轉(zhuǎn)換成用二進(jìn)制數(shù)代表的數(shù)字式信號(hào)，然后進(jìn)行各種功能的處理、傳輸、存儲(chǔ)和記錄，也可以用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理、監(jiān)測(cè)和控制。采用數(shù)字技術(shù)不僅使各種電視設(shè)備獲得比原有模擬式設(shè)備更高的技術(shù)性能，而且還具有模擬技術(shù)不能達(dá)到的新功能，使電視技術(shù)進(jìn)入嶄新時(shí)代。從數(shù)字電視的發(fā)展和基本組成，引出有線數(shù)字電視系統(tǒng)的基本構(gòu)成和標(biāo)準(zhǔn)，本課題主要按照DVB-C接收數(shù)字電纜電視的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)“標(biāo)準(zhǔn)清晰度數(shù)字電視機(jī)頂盒”中的信道編碼器與解碼器，本課題著重分析了有線數(shù)字電視DVB-C的信道編碼與解碼。關(guān)鍵字：數(shù)字電視，信道

2、編碼，解碼目 錄1 緒論11.1 數(shù)字電視機(jī)的概述11.2數(shù)字電視廣播系統(tǒng)的組成及分類12有線數(shù)字電視22.1有線數(shù)字電視基本的構(gòu)成22.2有線數(shù)字電視基本的標(biāo)準(zhǔn)32.3 DVB-C標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)述42.3 .1 DVB-C發(fā)射系統(tǒng)42.3.2 DVB-C接收系統(tǒng)53有線數(shù)字電視的編碼與解碼53.1信道編碼53.1.1信道編碼的作用53.1.2數(shù)據(jù)隨機(jī)化63.1.3 RS編碼算法63.1.4 數(shù)據(jù)交織73.2 DVB-C信道解碼技術(shù)83.2.1 解交織93.2.2 RS解碼93.2.3 解擾9總結(jié)11致謝12參考文獻(xiàn)13課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第13頁(yè)1 緒論 1.1 數(shù)字電視機(jī)的概述 電視技術(shù)，經(jīng)歷著從黑白

3、電視到彩色電視的發(fā)展過(guò)程，數(shù)字電視是繼黑白電視和彩色電視之后的第三代電視。所謂數(shù)字電視，是將傳統(tǒng)的模擬電視信號(hào)經(jīng)過(guò)抽樣、量化和編碼轉(zhuǎn)換成用二進(jìn)制數(shù)代表的數(shù)字式信號(hào)，然后進(jìn)行各種功能的處理、傳輸、存儲(chǔ)和記錄，也可以用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理、監(jiān)測(cè)和控制。采用數(shù)字技術(shù)不僅使各種電視設(shè)備獲得比原有模擬式設(shè)備更高的技術(shù)性能，而且還具有模擬技術(shù)不能達(dá)到的新功能，使電視技術(shù)進(jìn)入嶄新時(shí)代。近十多年來(lái)，由于微電子技術(shù)、超大規(guī)模集成電路技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，使數(shù)字電視的發(fā)展已取得了令人鼓舞的成果。特別是數(shù)字圖像獲取、數(shù)字存儲(chǔ)、位圖打印和圖形顯示的數(shù)字設(shè)備的出現(xiàn),帶來(lái)了許多數(shù)字圖像方面的應(yīng)用。數(shù)

4、字電視利用MPEG標(biāo)準(zhǔn)中的各種圖像格式，把現(xiàn)行模擬電視制式下的圖像、伴音信號(hào)的平均碼率壓縮到大約4.6921Mbps，其圖像質(zhì)量可以達(dá)到電視演播室的質(zhì)量水平，膠片質(zhì)量水平，圖像水平清晰度達(dá)到5001200線以上，并采用AC3聲音信號(hào)壓縮技術(shù)，傳輸5.1聲道的環(huán)繞聲信號(hào)。 數(shù)字電視與模擬電視相比具有許多優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：圖像和伴音質(zhì)量高、抗干擾能力強(qiáng)；頻道數(shù)量將成數(shù)倍增加； 可開(kāi)展多功能業(yè)務(wù)；操作性強(qiáng)；便于網(wǎng)絡(luò)化；具有開(kāi)放性和兼容性；易于實(shí)現(xiàn)條件接收。1.2數(shù)字電視廣播系統(tǒng)的組成及分類數(shù)字電視系統(tǒng)由信源、信源編碼器、信道編碼器、信道、信道解碼器、信源解碼器、信宿等部分組成，如圖1所示

5、。 圖1數(shù)字通信系統(tǒng)的組成框圖數(shù)字電視廣播系統(tǒng)包括有線數(shù)字電視廣播，衛(wèi)星數(shù)字電視廣播系統(tǒng)和地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)三種傳輸系統(tǒng)。衛(wèi)星和有線數(shù)字廣播系統(tǒng)的信道編碼和高頻調(diào)制技術(shù)國(guó)標(biāo)已有公認(rèn)的，優(yōu)化的方式，就是DVB-C有線數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)和DVB-S衛(wèi)星數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)。2有線數(shù)字電視2.1有線數(shù)字電視基本的構(gòu)成有線電視系統(tǒng)是采用纜線(電纜或光纜)等作為傳輸媒質(zhì)來(lái)傳送電視節(jié)目的一種閉路電視系統(tǒng)CCTV(Closed-circuit television)用CCTV 稱呼有線電視系統(tǒng)，容易與中國(guó)中央電視臺(tái)的簡(jiǎn)稱CCTV (China Central Television)，所以國(guó)內(nèi)常常使用 CATV這

6、個(gè)詞(共用天線系統(tǒng)/有線電視Community Antenna Television)，它以有線的方式在電視中心和用戶終端之間傳遞聲、像信息。所謂閉路，是指不向自由空間輻射，可供電視接收機(jī)通過(guò)無(wú)線接收方式直接接受的電磁波。基本組成：接收信號(hào)源、 前端設(shè)備、干線傳輸系統(tǒng)（如干線放大器 (AGC)、 (ASC）和干線電纜或光纜) 、用戶分配網(wǎng)絡(luò)、用戶終端（電視接收、調(diào)頻廣播 、線纜調(diào)制解調(diào)器 (Cable Modem，PC機(jī)、IP電話等) 等。如圖2所示。圖2有線數(shù)字電視基本的構(gòu)成2.2有線數(shù)字電視基本的標(biāo)準(zhǔn)有線數(shù)字電視根據(jù)不同的指標(biāo)主要分類如表1所示：表1有線數(shù)字電視基本標(biāo)準(zhǔn)DVB-CATSC-

7、64QAM ATSC-16VSBISDB-C調(diào)制方式 16-64QAM 64QAM16VSB64QAM 帶 寬8MHz6MHz6MHz6MHz 傳輸速率 31.64Mb/s41.34Mb/s43.05Mb/s30.31Mb/s 滾將悉數(shù) 15%15%11.5%18% 糾錯(cuò)編碼RS(204,188)RS(128,122)RS(207,187)RS(204,188) 壓宿方式 MPEG-22.3 DVB-C標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)述DVB-C標(biāo)準(zhǔn)以有線電視網(wǎng)作為傳輸介質(zhì)，應(yīng)用范圍廣。它具有16、32、64、128和256QAM五種方式，工作頻率在10GHz以下。2001年國(guó)家廣電總局已頒布行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：有線數(shù)字電視廣播

8、信道編碼和調(diào)制規(guī)范，該標(biāo)準(zhǔn)等同于DVB-C標(biāo)準(zhǔn)。DVB-C傳輸采用QAM（正交振幅調(diào)制）方式，該傳輸系統(tǒng)是一個(gè)全數(shù)字的通信系統(tǒng)，它與傳統(tǒng)的模擬電視傳輸系統(tǒng)有著本質(zhì)性的區(qū)別。DVB-C標(biāo)準(zhǔn)的傳輸系統(tǒng)分為信源編解碼和信道編解碼兩部分。其中，信道編解碼包括前向糾錯(cuò)編碼、譯碼、調(diào)制、解調(diào)和上、下變頻幾部分。DVB-C傳輸系統(tǒng)具有如下的主要特點(diǎn)：可與多種節(jié)目源相適配，DVB-C傳輸系統(tǒng)所傳送的節(jié)目既可來(lái)源于從衛(wèi)星系統(tǒng)接收下來(lái)的節(jié)目，又可來(lái)源于本地電視節(jié)目，以及其它節(jié)目信號(hào)；可用于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電視又可用于高清晰度數(shù)字電視。2.3 .1 DVB-C發(fā)射系統(tǒng)DVB-C發(fā)射前端信道部分框圖，如圖3所示。在發(fā)射端，可

9、接收衛(wèi)星電視信號(hào)、本地節(jié)目源(視頻服務(wù)器)或互聯(lián)網(wǎng)信息，經(jīng)過(guò)MPEG-2傳送復(fù)用器后的輸入碼流是固定數(shù)據(jù)包格式，包長(zhǎng)188拜特(包括同步字節(jié))。在信道部分，先進(jìn)行數(shù)據(jù)流隨機(jī)化以頻譜成形;外碼使用截短的RS碼編碼生成誤碼保護(hù)包;隨后的處理是對(duì)誤碼保護(hù)包進(jìn)行深度I=12的卷積交織;其后將字節(jié)轉(zhuǎn)換為QAM符號(hào)，并對(duì)該符號(hào)的最高兩位差分編碼，以獲得旋轉(zhuǎn)不變的星座圖，并映射到I/Q兩路，用來(lái)降低載波相位模糊；隨后對(duì)FQ信號(hào)升余弦滾降濾波的基帶成形;最后完成QAM調(diào)制后，將己調(diào)信號(hào)送入有線射頻(RF)信道。圖3 DVB-C發(fā)射前端信道部分框圖2.3.2 DVB-C接收系統(tǒng)DVB-C接收系統(tǒng)框圖，如圖4所示

10、。圖4 DVB-C接收系統(tǒng)框圖主要由調(diào)諧器、A/D變換器、QAM解調(diào)、匹配濾波均衡、載波和位同步恢復(fù)、符號(hào)/字節(jié)轉(zhuǎn)換、差分譯碼、去交織、RS譯碼、去擾碼、解多工復(fù)用、MPEG-2解壓縮等部分組成，其組成原理框圖如圖4所示:信道部分傳來(lái)的信號(hào)經(jīng)傳輸層解復(fù)用還原壓縮的MPEG-2視頻、音頻及多媒體數(shù)據(jù)信號(hào)，經(jīng)解壓處理恢復(fù)數(shù)字視頻信號(hào)和數(shù)字多聲道伴音信號(hào)，再經(jīng)視頻編碼電路輸出NTSC/PAL等制式的電視信號(hào)。CPU負(fù)責(zé)接收機(jī)的初始化及對(duì)電路各部分的協(xié)調(diào)控制和數(shù)據(jù)信號(hào)處理等。另外，還提供遙控輸入接口、通用異步傳輸接口(UART)、IEEEI284并行口、I2C串行總線控制端口、調(diào)制解調(diào)器等外圍部件。3

11、有線數(shù)字電視的編碼與解碼3.1信道編碼3.1.1信道編碼的作用新源編碼是對(duì)于數(shù)字演播室給出的圖像信號(hào)數(shù)據(jù)流內(nèi)的空間和時(shí)間信息冗余大量刪除，以降低信源數(shù)據(jù)庫(kù)，提高信息傳輸效率，降低數(shù)據(jù)率，而信道編碼的主要目的是提高系統(tǒng)的抗干擾能力。也稱為差錯(cuò)控制編碼，以使得 在傳輸中在各種干擾因素場(chǎng)合下接收端仍有良好的正確接收能力，獲得應(yīng)有的高質(zhì)量圖像和聲音。對(duì)信道編碼的要求主要有以下幾點(diǎn)： （1）編碼效率高，抗干擾能力強(qiáng)； （2）對(duì)信號(hào)有良好的透明性，也即傳輸通道對(duì)于傳輸?shù)男盘?hào)內(nèi)容不加 限制； （3）傳輸信號(hào)的頻譜特性與傳輸信道的通頻帶有最佳的匹配性； （4）編碼信號(hào)內(nèi)包含有數(shù)據(jù)定時(shí)信息和幀同步信息，以便接收

12、端準(zhǔn)確地解碼； （5）編碼的數(shù)字信號(hào)具有適當(dāng)?shù)碾娖椒秶?（6）發(fā)生誤碼時(shí)，誤碼的擴(kuò)散蔓延小。 3.1.2數(shù)據(jù)隨機(jī)化 DVB隨機(jī)化以8個(gè)數(shù)據(jù)包為周期，每8個(gè)傳送包的開(kāi)始時(shí)將序列“100101010000000”裝入PRBS計(jì)數(shù)器使其初始化。在一個(gè)8個(gè)包長(zhǎng)的組中，第一個(gè)包的MPEG-2同步字節(jié)應(yīng)逐比特倒相，從47HEX變?yōu)锽8HEX，這樣處理是為了給解擾器提供一個(gè)啟動(dòng)信號(hào)。 PRBS生成輸出的第一個(gè)比特應(yīng)作用于已倒相的MPEG-2 同步字節(jié)(即B8HEX)后的第一個(gè)字節(jié)中的第一位。 為了實(shí)現(xiàn)其它同步功能，在后繼的7個(gè)傳送包的MPEG-2 同步字節(jié)持續(xù)期間，PRBS繼續(xù)工作，但其輸出是無(wú)效 的，不

13、對(duì)這些字節(jié)進(jìn)行隨機(jī)化。因此，PRBS序列的周期 應(yīng)為1503個(gè)字節(jié)。 3.1.3 RS編碼算法RS碼是一種最小距離可分碼，常用(n，k，d)表示RS碼;其中:n為碼字長(zhǎng)度，k為信息長(zhǎng)度，d為設(shè)計(jì)距離。DVB-C系統(tǒng)中采用的是RS(255，239)碼的縮短碼RS(204，188)。這里的碼字均在GF(2m)域上。GF(2m)域可以理解為在這個(gè)域上的l個(gè)碼元由mbist組成，因此，連續(xù)mbist個(gè)錯(cuò)誤僅相當(dāng)于該碼一個(gè)碼元的錯(cuò)誤。這樣RS碼就可以大幅度提高抗突發(fā)錯(cuò)誤的能力。RS碼的參數(shù)具體有如下關(guān)系：n=2m-1k=n-2tRS編碼器可以看作是一個(gè)多項(xiàng)式乘法器或除法器，其生成多項(xiàng)式可以表示：為有限域

14、GF(2m)的本原元素。設(shè)輸入的信息序列為：生成的碼字為：采用系統(tǒng)碼的形式，則： 其中中：RS碼的最小漢明距離為dmm=2t+l，t是能夠糾正的錯(cuò)誤個(gè)數(shù)，這樣RS(204，188)能夠糾t=8個(gè)錯(cuò)誤，碼距為d=17；DVB-C系統(tǒng)使用的。RS碼本原多項(xiàng)式為：本文采用除法電路實(shí)現(xiàn)編碼。編碼電路的主要一部分是一組線性移位寄存器，如圖5所示。 圖5 RS編碼的實(shí)現(xiàn)電路上圖中的編碼器是r級(jí)編碼器，r=16，即含有16個(gè)反饋系數(shù)，這16個(gè)反饋系數(shù)是RS(204，188)碼的生成多項(xiàng)式的系數(shù)。3.1.4 數(shù)據(jù)交織由于在DVB數(shù)字電視廣播系統(tǒng)的信道編碼采用了（204，188，8）RS碼編碼，并對(duì)每 204個(gè)

15、字節(jié)組成的數(shù)據(jù)幀實(shí)施字節(jié)符號(hào)交織處理，交織深度I=12字節(jié)。此時(shí)，具有最多糾正12*8=96字節(jié)的突發(fā)錯(cuò)誤的能力，如圖6所示。圖6 DVB-C交織電路為了實(shí)現(xiàn)同步，不論什么情況下，都是將同步字節(jié)及倒相的同步字節(jié)送至交織器的分支0。交織過(guò)程是這樣的：RS編碼碼字向第0-第11支路依次循環(huán)輸入數(shù)據(jù)，每條支路每次輸入一個(gè)字節(jié)；交織后的數(shù)據(jù)按相同的順序從各支路中輸出，每條支路每次輸出一個(gè)字節(jié)。 反交織過(guò)程是這樣的：將輸入的交織數(shù)據(jù)流中識(shí)別出的第1個(gè)RS碼字的同步輸入到第0條支路，以此為起點(diǎn)依次循環(huán)向后面各支路輸入數(shù)據(jù)，每條支路每次輸入一個(gè)字節(jié)；反交織后的數(shù)據(jù)按相同的順序從各支路中輸出，每條支路每次輸出

16、一個(gè)字節(jié)。 一個(gè)204字節(jié)的數(shù)據(jù)包需要17個(gè)交織周期。3.2 DVB-C信道解碼技術(shù)信道解碼的方框圖如圖7所示。信道編碼中采用的技術(shù)有加擾、RS編碼和交織，因此在接收端，信道解碼器應(yīng)該進(jìn)行相反的處理過(guò)程，即完成信號(hào)的解交織、RS解碼和解擾。圖7 信道解碼方框圖3.2.1 解交織RS編碼對(duì)隨機(jī)錯(cuò)誤具有較強(qiáng)的糾錯(cuò)能力，然而，在實(shí)際信道中，許多錯(cuò)誤是突發(fā)性的，也就是說(shuō)發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，往往具有很強(qiáng)的相關(guān)性，甚至連續(xù)一片數(shù)據(jù)都出錯(cuò)。突發(fā)性錯(cuò)誤超出了RS編碼技術(shù)的糾錯(cuò)能力，因此必須結(jié)合使用數(shù)據(jù)交織技術(shù)。在發(fā)送端，數(shù)據(jù)交織器按照一定規(guī)則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行交織，使信道的突發(fā)性錯(cuò)誤分散開(kāi)來(lái)，把突發(fā)性錯(cuò)誤信道改造成隨機(jī)性錯(cuò)誤

17、信道。而在接收端，則必須加上解交織器，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解交織，以恢復(fù)原數(shù)據(jù)。3.2.2 RS解碼在實(shí)際信道上傳輸數(shù)字信號(hào)時(shí)，由于信道傳輸特性不理想及加性噪聲的影響，所接收的數(shù)字信號(hào)不可避免地會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤，因此必須引入差錯(cuò)控制編碼技術(shù)。其做法是，信道編碼器在信息序列中引人冗余碼，冗余碼與信息碼元之間以某種確定的規(guī)則相互關(guān)聯(lián)。在接收端，信道解碼器按照相應(yīng)的規(guī)則檢驗(yàn)信息碼元與冗余碼元之間的關(guān)系，一旦傳輸過(guò)程中發(fā)生錯(cuò)誤，則信息碼元與冗余碼元之間的關(guān)系將被破壞，從而可以發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤并糾正錯(cuò)誤，我們稱之為前向糾錯(cuò)。在DVB-C中，差錯(cuò)控制編碼技術(shù)普遍采用RS編碼，具體類型是RS (204, 188, T=8）。RS編

18、碼是一種線形分組碼，它在每一傳送流包中，能夠糾正8字節(jié)的隨機(jī)性錯(cuò)誤。RS解碼過(guò)程如圖8所示。圖8 RS解碼過(guò)程RS解碼器經(jīng)過(guò)上圖所示系列過(guò)程后，獲得錯(cuò)位多項(xiàng)式和錯(cuò)值多項(xiàng)式。解碼器根據(jù)它們確定錯(cuò)誤發(fā)生的位置以及錯(cuò)誤位置上的錯(cuò)誤值，對(duì)錯(cuò)誤值進(jìn)行糾正，實(shí)現(xiàn)前向糾錯(cuò)功能。3.2.3 解擾為減少數(shù)字基帶信號(hào)中連“0”碼和連“1”碼的出現(xiàn)，發(fā)送端必須對(duì)二進(jìn)制信息序列進(jìn)行隨機(jī)化處理，變成偽隨機(jī)序列，此過(guò)程稱為擾碼。相應(yīng)地，在接收端必須解除這種擾亂，即為解擾。因?yàn)閿_碼限制了連“0”碼和連“1”碼的長(zhǎng)度，從而改善了位定時(shí)的質(zhì)量。此外，它能使信號(hào)頻譜彌散而保持穩(wěn)恒，從而改善幀同步和自適應(yīng)時(shí)域均衡等子系統(tǒng)的性能。另

19、外，為了減少符號(hào)誤碼率，使信號(hào)頻譜與信道頻率特性有最佳的配合，需要在信道的輸出端插入一定的濾波器使信道和濾波器的綜合特性最佳。所謂匹配濾波就是這樣一種使輸出信噪比最大的最佳線性濾波器。匹配濾波頻率響應(yīng)特性與調(diào)諧器中基帶成形模塊中的升余弦滾降濾波器相同，可以采用同樣的方法來(lái)模擬。匹配濾波器在數(shù)字通信和雷達(dá)信號(hào)檢測(cè)中有特別重要的意義。經(jīng)證明，如果信號(hào)輸出獲得最大信噪比，我們就能最佳判斷信號(hào)的出現(xiàn)?？偨Y(jié)課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí),發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實(shí)際問(wèn)題,鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié),是對(duì)學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過(guò)程.隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的日新日異，數(shù)字電視機(jī)已經(jīng)成為當(dāng)今生活中空前活躍的

20、領(lǐng)域， 在生活中可以說(shuō)得是無(wú)處不在。因此作為二十一世紀(jì)的大學(xué)來(lái)說(shuō)掌握電視機(jī)的技術(shù)是十分重要的。數(shù)字電視，是將傳統(tǒng)的模擬電視信號(hào)經(jīng)過(guò)抽樣、量化和編碼轉(zhuǎn)換成用二進(jìn)制數(shù)代表的數(shù)字式信號(hào)，然后進(jìn)行各種功能的處理、傳輸、存儲(chǔ)和記錄，也可以用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理、監(jiān)測(cè)和控制。采用數(shù)字技術(shù)不僅使各種電視設(shè)備獲得比原有模擬式設(shè)備更高的技術(shù)性能，而且還具有模擬技術(shù)不能達(dá)到的新功能，使電視技術(shù)進(jìn)入嶄新時(shí)代。因此有線數(shù)字電視的編碼與解碼的技術(shù)也越來(lái)越重要。這次課程設(shè)計(jì)中遇到了很多問(wèn)題，最后在董雪峰老師的辛勤指導(dǎo)下，終于游逆而解。同時(shí)，在董老師那里我學(xué)得到很多實(shí)用的專業(yè)知識(shí)，而且我還學(xué)到了嚴(yán)謹(jǐn)、務(wù)實(shí)、認(rèn)真的工作態(tài)度和極強(qiáng)的敬業(yè)精神，也讓我明白了不畏困難、勇于攀登艱難的重要性，這對(duì)我未來(lái)的學(xué)習(xí)和生活產(chǎn)生很大的影響，我向董老師表示衷心的感謝！致謝通過(guò)兩周的努力，終于將電視機(jī)原理