DVB信道編解碼與調(diào)制解調(diào)(一)

1、DVB信道編解碼與調(diào)制解調(diào)(一) 作者：北京郵電學(xué)院博士后:梅劍平/北京郵電學(xué)院教授:全子一 -編者按： 中國廣電網(wǎng)（)經(jīng)過數(shù)天的編輯和整理，終于將這篇梅劍平和全子一教授的論著奉獻給大家了，全文共5講，系統(tǒng)講述了DVB-S，DVB-C，DVB-T系統(tǒng)的信道編解碼與調(diào)制解調(diào)技術(shù)，具有極高的學(xué)術(shù)參考價值，特別是在當(dāng)今基于寬帶網(wǎng)絡(luò)的IP電視紛攏著我們思緒的時候，對我們廣電人若練內(nèi)功，拋棄浮噪有很大的幫助。IPTV？DVB？你如何選擇？歡迎大家到本站論壇積極參與討論，同時本站將在近期內(nèi)將推出IPTV/VOD技術(shù)系列講座！-經(jīng)過信源編碼和系統(tǒng)復(fù)接后生成的節(jié)目傳送碼流，通常需要通過某種傳輸媒介才能到達用戶

2、接收機。傳輸媒介可以是廣播電視系統(tǒng)（如地面電視廣播系統(tǒng)、衛(wèi)星電視廣播系統(tǒng)或有線電視廣播系統(tǒng)），也可以是電信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，或存儲媒介（如磁盤、光盤等），這些傳輸媒介統(tǒng)稱為傳輸信道。通常情況下，編碼碼流是不能或不適合直接通過傳輸信道進行傳輸?shù)?，必須?jīng)過某種處理，使之變成適合在規(guī)定信道中傳輸?shù)男问?。在通信原理上，這種處理稱為信道編碼（ChannelCoding）（與信源編碼相對應(yīng)），實現(xiàn)信道編碼的系統(tǒng)稱為傳輸系統(tǒng)(Tran在工程應(yīng)用中，信道編碼過程一般被分為兩環(huán)節(jié)：負責(zé)傳輸誤碼的檢測和校正的環(huán)節(jié)稱為信道編解碼，負責(zé)信號變換和頻帶搬移的環(huán)節(jié)稱為調(diào)制解調(diào)。一個實際的數(shù)字傳輸系統(tǒng)至少要包括上述兩個環(huán)節(jié)中的一個

3、環(huán)節(jié)，一般DVB的系統(tǒng)都是由上述兩個環(huán)節(jié)構(gòu)成的，因此DVB系統(tǒng)常被稱為DVB信道編解碼器與調(diào)制解調(diào)器。 -我們知道，MPEG-2的TS碼流是經(jīng)過了高倍壓后的數(shù)字電視信號,壓縮編碼大大節(jié)省了傳輸頻道，提高了頻道利用率，但同時也付出了一個代價就是對傳輸干擾變得十分敏感。例如傳輸過程中的噪聲干擾，在模擬電視中一般僅造成雪花干擾，但在數(shù)字電視中則可能在恢復(fù)圖像中造成大塊的失真，嚴(yán)重時甚至使整個系統(tǒng)無法工作。定性而論，壓縮倍數(shù)越高，數(shù)字電視對傳輸干擾的抵抗能力越弱，即同樣的傳輸干擾在解碼恢復(fù)圖像或聲音中造成的損傷就越嚴(yán)重，對傳輸可靠性的要求也就越高。美國“大聯(lián)盟（GA：GrandAlliance）”系統(tǒng)

4、中規(guī)定，傳輸系統(tǒng)必須將傳輸誤碼糾正到10-6以下，解碼器才能正常工作；而歐洲D(zhuǎn)VB-S標(biāo)準(zhǔn)中則要求傳輸系統(tǒng)將傳輸誤碼糾正到10-10-10-11的水平?？梢钥闯觯鲜鲋笜?biāo)對數(shù)字電視的傳輸系統(tǒng)的要求是相當(dāng)高的，不僅遠高于模擬電視系統(tǒng)，甚至高于一般的數(shù)字通信系統(tǒng)，如數(shù)字電話傳輸系統(tǒng)中，誤碼率通常僅要求為10-3-10-6。為滿足這種指標(biāo)要求，近年來各國在DVB的傳輸系統(tǒng)方面進行了大量的研究，很多數(shù)字通信領(lǐng)域里的前沿新技術(shù)被應(yīng)用于DVB傳輸系統(tǒng)中。-與其它事物的發(fā)展歷程一樣，DVB傳輸統(tǒng)也經(jīng)歷了一個從落后到先進，從模擬到數(shù)字的發(fā)展過程。DVB的發(fā)展實際上起源于高清晰度電視（HDTV的研究。日本NHK

5、于七十年代初開始HDTV的研究，于1984年公布了世界上第一個HDTV統(tǒng)方案-MSE，由于在其研究過程中數(shù)字通信技還不十分成，MUSE的傳輸系統(tǒng)采用的是模擬通信技術(shù)，使用模擬調(diào)頻技術(shù)通過衛(wèi)星進行廣播。其后，在西歐英，法，西德等多國共同參加的尤里卡95計劃，提出了以復(fù)用模擬分量（MAC）制為基礎(chǔ)的HDTV方案HD-MAC，HD-MAC的傳輸系統(tǒng)仍然采用了模擬通信技術(shù)，同樣使用了模擬調(diào)頻技術(shù)，通過衛(wèi)星進行廣播。可以看出，八十年代中期以前，模擬通信技術(shù)在新一帶電視傳輸?shù)难芯恐姓剂松巷L(fēng)。由于數(shù)字通信技術(shù)固有的“門限效應(yīng)”，有可能使得相鄰的兩個用戶中的一個戶能夠很好地接收節(jié)目，而另一個則完全收不到節(jié)目。

6、因此當(dāng)時國際上對未來一代電視傳輸系統(tǒng)是采用數(shù)字通信技術(shù)還是模擬通信術(shù)爭論十分激烈，甚至不少專家權(quán)威都傾向于模擬通技術(shù)。-80年代中期以后，數(shù)字通信技術(shù)得到了迅猛發(fā)和日益廣泛的應(yīng)用，在越來越多的應(yīng)用領(lǐng)域取代了模擬通信技術(shù)。這一變化也深刻影響到DVB及HDTV傳輸系統(tǒng)的發(fā)展。突破性的進展發(fā)生在90年代初，由美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）組建的先進電視顧問委員會（ACATS）對當(dāng)時向ACATS提交的六套HDTV在美國被稱為“先進電視（ATV）”系統(tǒng)進行了測試和比較。這六套系統(tǒng)中包括ACTV和日本的MUSE兩套模擬傳輸系統(tǒng)，以及DigiCipher、DSC-HDTV、ADTV和CC-DigiCipher

7、四套數(shù)字傳輸系統(tǒng)。從1993年ACATS公布的測試結(jié)果來看，四套數(shù)字傳輸系統(tǒng)的性能均明顯優(yōu)于模擬傳輸系統(tǒng)。這一測試結(jié)果結(jié)束了新一代數(shù)字電視及HDTV的傳輸系統(tǒng)中數(shù)字通信技術(shù)與模擬通信技術(shù)之爭，確立了數(shù)字通信技術(shù)的地位，從此，全數(shù)字系統(tǒng)即數(shù)字壓縮編碼和數(shù)字傳輸?shù)乃枷氤蔀閿?shù)字電視和HDTV研究的基本思想。-從那時起，全數(shù)字式的數(shù)字電視及HDTV得到了迅猛發(fā)展，各國紛紛提出了多種系統(tǒng)方案，并根據(jù)傳輸系統(tǒng)方案的不同逐漸以美國和歐洲為核心形成了兩大體制： -美國在1993年ACATS所測試的四套全數(shù)字ATV系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，于1993年5月成立了由四套系統(tǒng)的開發(fā)者共同組成的“大聯(lián)盟（GA：GrandAlli

8、ance）”。經(jīng)過進一步的測試比較，GA發(fā)現(xiàn)DSC-HDTV的VSB傳輸系統(tǒng)方案的性能優(yōu)于其它三種系統(tǒng)。1995年11月，GA系統(tǒng)方案被ACATS正式提交給FCC，方案規(guī)定其傳輸系統(tǒng)以地面廣播為主要傳輸模式，采用8-VSB方案；以有線電視（CATV）為輔助傳輸模式，采用16-VSB方案。GA系統(tǒng)方案已于1996年12月被FCC接受為美國ATV的國家標(biāo)準(zhǔn)。 在歐洲，HD-MAC雖然在1992年的巴塞羅那奧運會上被試用，但到1993年時歐共體已決定放棄HD-MAC，而將目標(biāo)轉(zhuǎn)向全數(shù)字式的數(shù)字電視和HDTV上。在這前后歐洲推出的方案主要有：英國NTL的SPECTRE數(shù)字電視系統(tǒng)、法國Thomson的

9、DIAMONDHDTV系統(tǒng)、法國CCETT的SPERNEHDTV系統(tǒng)和瑞典、丹麥、挪威合作開發(fā)的HD-DIVISION系統(tǒng)，這些系統(tǒng)的一個突出特點是傳輸系統(tǒng)中采用了一種新型的并行傳輸技術(shù)編碼正交頻分復(fù)用（COFDM）技術(shù)。由于HDTV節(jié)目源稀少，制作困難，難以形成市場，歐洲隨即將目標(biāo)轉(zhuǎn)向了標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電視（DTV）上，并成立了專門的機構(gòu)，發(fā)布了一系列標(biāo)準(zhǔn)，這就是DVB標(biāo)準(zhǔn)。實際上，對傳輸系統(tǒng)而言，DVB與HDTV是沒有區(qū)別的，因為傳輸系統(tǒng)所面臨的傳輸對象都是二元比特流，為HDTV所開發(fā)的傳輸系統(tǒng)和傳輸技術(shù)都可以移植到數(shù)字電視系統(tǒng)中。DVB是一個系列化的全數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)不同的傳輸媒介采用不同的傳

10、輸系統(tǒng)，地面廣播模式中采用COFDM系統(tǒng)，CATV模式中64QAM系統(tǒng)，衛(wèi)星廣播模式中采用QPSK系統(tǒng)。 -綜上所述，DVB以及HDTV經(jīng)過二十余年的探索，目前各國在視頻音頻編碼方案上已統(tǒng)一于MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)，分歧主要集中于傳輸系統(tǒng)上。根據(jù)所采用的傳輸系統(tǒng)方案，以美國GA系統(tǒng)和歐洲D(zhuǎn)VB系統(tǒng)為代表，形成了兩大流派。從目前的對比結(jié)果來看，這兩種系統(tǒng)在技術(shù)上難分優(yōu)劣，并已發(fā)展成為各自國家或地區(qū)的數(shù)字電視及HDTV的標(biāo)準(zhǔn)?？梢哉f，未來DVB及HDTV的體制是統(tǒng)一于一種世界標(biāo)準(zhǔn)，還是象現(xiàn)行模擬電視一樣多種體制并存，主要就取決于這兩種流派在傳輸系統(tǒng)方案上能否融合成一種系統(tǒng)。由于這一原因，使得傳輸系統(tǒng)成為

11、當(dāng)今世界DVB及HDTV領(lǐng)域分歧最大，爭論最多，也是最熱門的研究課題。DVB傳輸系統(tǒng) DVB是一個系列標(biāo)準(zhǔn)，各標(biāo)準(zhǔn)在視頻音頻編碼方案和系統(tǒng)復(fù)接方案上是一致的，都符合MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)，區(qū)別主要在于傳輸系統(tǒng)采用不同的方案，分別適用于不同的傳輸媒介和應(yīng)用環(huán)境。截止到1997年已發(fā)布的DVB標(biāo)準(zhǔn)及適用的傳輸媒介如下：DVB-S(Satellite)：采用11/12GHz衛(wèi)星頻段進行傳輸?shù)腄VB系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，廣泛適用于各種轉(zhuǎn)發(fā)器的頻帶和功放。DVB-C(Cable)：采用有線電視系統(tǒng)進行傳輸?shù)腄VB系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。DVB-T(Terrestrial)：采用地面廣播進行傳輸?shù)腄VB系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。DVB-CS：采用共用電

12、視天線(SMATV)接入用戶的DBV系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，可與DVB-C或DVB-S聯(lián)合使用。DVB-MC：在DVB-C傳輸系統(tǒng)基礎(chǔ)上，采用10GHz以下頻率的MMDS直接向觀眾家庭傳送的DVB系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。DVB-MS：在DVB-S傳輸系統(tǒng)基礎(chǔ)上，采用10GHz以上頻率的MMDS直接向觀眾家庭傳送的DVB系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。DVB-SI：DVB服務(wù)信息系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，它使得DVB解碼器能夠進行自我配置，并幫助用戶瀏覽DVB環(huán)境。DVB-TXT：DVB固定格式的圖文電視標(biāo)準(zhǔn)。DVB-CI：DVB條件接收以及其它應(yīng)用的公共接口標(biāo)準(zhǔn)。DVB-RCT：DVB在有線電視傳播系統(tǒng)中的上行回傳信道標(biāo)準(zhǔn)。DVB-RCC：DVB在共用電話交

13、換網(wǎng)(PSTN)和綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(ISDN)中的上行回傳信道標(biāo)準(zhǔn)。DVB-NIP：DVB雙向交互業(yè)務(wù)中與具體傳輸網(wǎng)絡(luò)無關(guān)的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。DVB-PDH：DVB與準(zhǔn)同步數(shù)字系列(PDH)網(wǎng)絡(luò)的接口標(biāo)準(zhǔn)。DVB-SDH：DVB與同步數(shù)字系列(SDH)網(wǎng)絡(luò)的接口標(biāo)準(zhǔn)。DVB-M：DVB系統(tǒng)的測試指標(biāo)。DVB-PI：DVB與有線電視和SMATV前端的接口標(biāo)準(zhǔn)。DVB-IRDI：DVB綜合接收機/解碼器(IRD)的接口標(biāo)準(zhǔn)。 DVB系列標(biāo)準(zhǔn)中的傳輸系統(tǒng)可分為三類：第一類適用于廣播信道，如DVB-S、DVB-C、DVB-T、DVB-CS、DVB-MC、DVB-MS等，這一類系統(tǒng)要通過高頻信道進行廣播，因此其傳

14、輸系統(tǒng)包含了信道編解碼和調(diào)制解調(diào)兩個環(huán)節(jié)；第二類適用于PDH電信網(wǎng)絡(luò)，如DVB-PDH，這一類系統(tǒng)通過基帶傳輸，傳輸系統(tǒng)僅包含了信道編解碼環(huán)節(jié)；第三類適用于SDH電信網(wǎng)絡(luò)，如DVB-SDH，這一類系統(tǒng)也是通過基帶傳輸?shù)?，但一般不需傳輸系統(tǒng)。數(shù)字通信與模擬通信 DVB傳輸系統(tǒng)是一個全數(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，在全面介紹DVB傳輸系統(tǒng)之前，我們首先簡要討論一下數(shù)字通信技術(shù)與模擬通信技術(shù)的關(guān)系。 -通信中有兩個基本概念：信息和信號。根據(jù)信息論的定義，信號是信息的載體，也就是說，信息總是以某種具體的信號的形式表示的，并且通過信號在實際的傳輸系統(tǒng)中進行傳輸。具體到DVB

15、系統(tǒng)中，信息就是電視臺所要傳送給用戶的節(jié)目，而信號就是用于表示和傳輸節(jié)目的亮度信號、色度信號和伴音信號，以及進一步變換產(chǎn)生的實際傳輸?shù)碾娨曅盘?。信息與表示和承載它的信號之間存在著對應(yīng)關(guān)系，這種關(guān)系稱為“映射”，接收端正是根據(jù)事先約定的映射關(guān)系從接收信號中提取發(fā)射端發(fā)送的信息的。信息與信號間的映射方式可以有很多種，不同的通信技術(shù)就在于它們所采用的映射方式不同。 在傳統(tǒng)的模擬通信中，信號是“連續(xù)地”與信息進行映射的。這種連續(xù)性表現(xiàn)在兩個方面：在時間上，信號在每一個時刻都承載著新的信息；在數(shù)值上，在系統(tǒng)設(shè)計規(guī)定的范圍內(nèi)信號的每一種數(shù)值都代表著不同的信息。從接收者的角度看，接收信號在每一個時刻上的每一

16、種數(shù)值都代表著發(fā)送端發(fā)送出來了新的信息。例如在模擬電視中，接收到的Y信號在正程時間內(nèi)的每一時刻上的每一個合法幅值都代表著節(jié)目灰度級的變化。 在數(shù)字通信中，信號是“離散地”與信息進行映射的。這種離散性也表現(xiàn)在兩個方面：在時間上，信號是以一個基本周期T為單位與信息進行映射的，在同一個周期內(nèi)的各時刻上的信號都對應(yīng)同一個信息，例如在二元數(shù)字通信系統(tǒng)中，一個傳輸周期內(nèi)的信號都代表著同一個“0”信息或“1”信息；在數(shù)值上，只有有限的幾個規(guī)定的信號數(shù)值是合法的，代表著信息，其它數(shù)值都是非法的。例如在二元數(shù)字系統(tǒng)中，只有兩種合法的信號數(shù)值，而在四元數(shù)字系統(tǒng)中，只有四種信號數(shù)值是合法的。 通信系統(tǒng)的目的是傳輸信

17、息，衡量通信系統(tǒng)質(zhì)量的最主要的指標(biāo)有兩個：傳輸信息的可靠性和有效性?？煽啃允侵附邮招畔⒌臏?zhǔn)確度，而有效性是指在單位頻道內(nèi)能夠傳輸?shù)男畔⒘康亩嗌?。對一個通信系統(tǒng)而言，這兩個指標(biāo)是互為矛盾而又互相聯(lián)系的，在實際應(yīng)用中常犧牲一項指標(biāo)而換取另一項指標(biāo)。下面我們就從可靠性和有效性方面說明為什么數(shù)字通信優(yōu)于模擬通信。 數(shù)字通信與模擬通信在映射方式上的差異，導(dǎo)致了它們在抵抗傳輸干擾的能力上大為不同。模擬通信中，傳輸信號在任何時刻由于傳輸干擾而發(fā)生的任何數(shù)值上的變化，都將導(dǎo)致所傳信息的失真，因為在規(guī)定范圍內(nèi)的任何信號數(shù)值都是合法的，接受機無法分辨所接收到的信號數(shù)值是由于傳輸干擾而發(fā)生了變化，還是發(fā)送端本來發(fā)送

18、的就是這一數(shù)值。也就是說，信號波形的每一點失真都會導(dǎo)致信息丟失。數(shù)字通信則不同，由于在一個傳輸周期內(nèi)的信號所傳輸?shù)亩际峭恍畔ⅲ邮諜C只須提取其中一個時刻點上的信號就可知道發(fā)送端在這個周期內(nèi)發(fā)出的信息，這一時刻點稱為采樣點。因此在數(shù)字通信中信號波型的失真并不一定會引起信息丟失，只有采樣點上的信號受到了傳輸干擾才有可能造成信息丟失，其它時刻都是無所謂的。采樣點上的信號只有幾個合法數(shù)值，即是發(fā)送端可能發(fā)送的，當(dāng)接收信號由于傳輸過程中的干擾而發(fā)生數(shù)值上的變化時，就會成為非法數(shù)值。接收機首先可以發(fā)現(xiàn)這種信號失真，然后將接收信號與各合法信號數(shù)值做比較，按照最近臨的原則將其判決為與之最接近的合法信號數(shù)值。

19、這樣當(dāng)傳輸干擾不太大時，數(shù)字通信技術(shù)就有可能糾正信號失真而不發(fā)生信息丟失。例如在一個二元數(shù)字通信系統(tǒng)中，發(fā)送端發(fā)出“1”、“0”兩種信息，分別以幅度為+A和-A兩種方波信號表示和傳輸，映射關(guān)系為+A信號代表發(fā)送端發(fā)出的是“1”，-A信號表示發(fā)送端發(fā)出的是“0”。 其中T代表方波信號的傳輸周期，m和n代表采樣點。經(jīng)過信道傳輸后，由于信道中的干擾和失真，使得接收信號的波形發(fā)生了變化。在采樣點m處，信號幅度由+A變?yōu)?B，在采樣點n處，信號幅度由-A變?yōu)?C。由于只有+A和-A是合法的信號幅值，接受機在采樣到+B和-C信號數(shù)值后就會判定傳輸信號發(fā)生了失真。然后接收機根據(jù)最近臨原則將+B和-C分別與+

20、A、-A兩個合法數(shù)值進行比較，由于+B更接近于+A，接收機就判定采樣點m處發(fā)送端發(fā)出的信號實際上是+A；同樣由于-C更接近于-A，接收機判定采樣點n處發(fā)送端發(fā)出的信號實際上是-A。根據(jù)收發(fā)兩端約定的映射規(guī)則，信號+A對應(yīng)于信息“1”，-A對應(yīng)于“0”，接收機就可以知道發(fā)送端在上述兩個傳輸周期內(nèi)實際發(fā)出的信息是“1”、“0”?？梢?，盡管傳輸信號受到了一定的干擾和失真，但并未造成信息的丟失。 上述例子只是從理論上定性地說明了數(shù)字通信技術(shù)對傳輸干擾具有較強的抵抗能力，實際的數(shù)字通信系統(tǒng)是遠較此過程復(fù)雜的。上述例子中我們假設(shè)傳輸干擾較小，因此最終沒有發(fā)生信息丟失。但在實際應(yīng)用中，干擾常常是很嚴(yán)重的，這

21、樣就有可能使得m采樣點的信號幅值經(jīng)過信道傳輸后小于0，接收機按照最近臨原則將其判決為-A，并根據(jù)映射規(guī)則認為在此周期內(nèi)發(fā)射端發(fā)送出的信息為“0”，最終造成了信息丟失。對于這種情況，數(shù)字通信系統(tǒng)中采用了糾錯編碼措施，進一步提高對傳輸干擾的抵抗能力。由于數(shù)字信號都可以用某種進制的數(shù)值表示，按照某種糾錯算法對數(shù)字信號進行數(shù)值運算，接收機就可以在一定范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)甚至糾正傳輸差錯。 由于傳輸信道的頻帶資源總是有限的，因此提高傳輸效率是通信系統(tǒng)所追求的最重要的指標(biāo)之一。模擬通信基本上沒有辦法控制傳輸效率，只有單邊帶調(diào)幅（SSB）或殘留邊帶調(diào)幅（VSB）可以節(jié)省近一半的傳輸頻帶。數(shù)字通信中的調(diào)制技術(shù)遠遠多于模

22、擬調(diào)制技術(shù)。在傳統(tǒng)的調(diào)幅、調(diào)相、調(diào)頻技術(shù)中，常用的數(shù)字調(diào)制技術(shù)有2ASK、4ASK、8ASK、BPSK、QPSK、8PSK、2FSK、4FSK等，頻帶利用率從1bit/s/Hz3bit/s/Hz。更有將幅度與相位聯(lián)合調(diào)制的QAM技術(shù)，目前數(shù)字微波中廣泛使用的256QAM的頻帶利用率可達8bit/s/Hz，八倍于2ASK或BPSK。此外，還有可減小相位跳變的MSK等特殊的調(diào)制技術(shù)，為某些專門應(yīng)用環(huán)境提供了強大的工具。近年來，四維調(diào)制等高維調(diào)制技術(shù)的研究也得到了迅速發(fā)展，并已應(yīng)用于高速MODEM中，為進一步提高傳輸效率奠定了基礎(chǔ)?？傊?，數(shù)字通信所能夠達到的傳輸效率遠遠高于模擬通信，調(diào)制技術(shù)的種類也

23、遠遠多于模擬通信，大大提高了用戶根據(jù)實際應(yīng)用需要選擇系統(tǒng)配置的靈活性。 在數(shù)字通信系統(tǒng)中，定性而論，傳輸效率越高，傳輸可靠性越差；效率越低，可靠性越高，即提高有效性與提高可靠性是一對矛盾，實際通信系統(tǒng)設(shè)計的任務(wù)就是在這兩者之間作綜合考慮。例如在衛(wèi)星通信中，由于信號衰減很嚴(yán)重，傳輸信號常淹沒在噪聲中，可靠性問題變得十分尖銳，因此采用了QPSK調(diào)制技術(shù)。QPSK具有很強的抵抗幅度干擾的能力，但傳輸效率比較低，僅為2bit/s/Hz。而在數(shù)字微波通信中，由于干擾較小，信道環(huán)境較好，因此采用了256QAM這種高效調(diào)制技術(shù)，傳輸效率高達8bit/s/Hz，但256QAM抗干擾的 無論針對哪種傳輸媒介，從

24、節(jié)目復(fù)用器和傳送復(fù)用器中生成的都是標(biāo)準(zhǔn)的MPEG-2的TS碼流。當(dāng)進行數(shù)字廣播時，根據(jù)傳輸媒介，選用相應(yīng)的傳輸系統(tǒng)，通過糾錯編碼和調(diào)制，將TS碼流變換成射頻信號。 PDH網(wǎng)是現(xiàn)有的電信網(wǎng)的一種，是一種全數(shù)字的通信網(wǎng)。PDH網(wǎng)中傳輸速率被規(guī)定為有限的幾種，稱為PDH速率級別，只有符合速率級別的比特流才可以進入PDH網(wǎng)中傳輸。PDH的速率級別有兩種體制，分別為北美體制和歐洲體制，我國采用歐洲體制，共有四個級別，速率從低到高依此為2.048Mbps,8.448Mbps,34.368Mbps和139.264Mbps。PDH常被用于臺與臺之間交換節(jié)目，以數(shù)字微波為傳輸媒介。對DVB而言較常用的是8.44

25、8Mbps和34.368Mbps兩種級別，傳輸一路MPEG-2節(jié)目碼流可選用8.448Mbps級別，34.368Mbps級別可用于四路或更多路同時傳輸。對節(jié)目發(fā)送者和接收者而言，PDH網(wǎng)是一個基帶傳輸系統(tǒng)，即發(fā)送者將規(guī)定速率的節(jié)目碼流送入PDH網(wǎng)，接收者將接收到相同速率和格式的節(jié)目碼流，因此DVB-PDH傳輸系統(tǒng)中不需要調(diào)制解調(diào)器。由于數(shù)字微波系統(tǒng)在傳輸過程中會引入一定的誤碼，這些誤碼可能對編碼圖像或聲音產(chǎn)生損傷，因此DVB-PDH傳輸系統(tǒng)中需要信道編解碼器。 SDH是一種新型的數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)，適用于長途骨干傳輸網(wǎng)，傳輸高速信息。與PDH一樣，SDH也具有規(guī)定的速率級別，目前常用的級別為155.

26、520Mbps和622.080Mbps兩種；但與PDH不同的是，SDH只有一種國際體制，為世界各國所接受。ATM是一種交換技術(shù)，特別適用于活動圖像之類的寬帶信息通信。SDH和ATM技術(shù)近年來發(fā)展十分迅速，兩者相結(jié)合，將在下一世紀(jì)成為臺與臺之間交換遠程交換節(jié)目的主要途徑。SDH以光纖為傳輸媒介，幾乎沒有傳輸干擾，因此DVB-SDH標(biāo)準(zhǔn)中沒有特殊的傳輸系統(tǒng)，只有SDH成幀接口或ATM適應(yīng)層接口。 盡管DVB可適用于多種傳輸媒介，但廣播仍是DVB最主要的傳輸媒介，決大多數(shù)用戶將通過廣播信道接收DVB節(jié)目，因此DVB標(biāo)準(zhǔn)是以DVB-S、DVB-C、DVB-T和DVB-SC四個適用于廣播信道的標(biāo)準(zhǔn)為核心

27、的。此外，由于廣播信道中的各種干擾與其它類型的信道中的干擾相比最為嚴(yán)重，適用于廣播信道的DVB傳輸系統(tǒng)技術(shù)最為復(fù)雜，結(jié)構(gòu)也最為完善，將其做適當(dāng)?shù)暮喕托薷?，即可適用于其它類型的信道。為能全面介紹DVB傳輸系統(tǒng)的技術(shù)和結(jié)構(gòu)，我們在下文中以廣播信道上的DVB傳輸系統(tǒng)為例進行討論。（待續(xù)） DVB信道編解碼與調(diào)制解調(diào)(二) 作者：北京郵電學(xué)院博士后:梅劍平/北京郵電學(xué)院教授:全子一 在DVB的廣播信道中，衛(wèi)星廣播、CATV和地面廣播是三類最主要的形式，因此DVB-S、DVB-C和DVB-T是應(yīng)用最為廣泛的傳輸系統(tǒng)，下面我們就重點介紹DVB-S、DVB-C和DVB-T三種標(biāo)準(zhǔn)的傳輸系統(tǒng)。這三種傳輸系統(tǒng)

28、中的技術(shù)和參數(shù)有所不同，但如果拋開具體形式，它們在本質(zhì)上卻具有相同的基本結(jié)構(gòu)。 DVB傳輸系統(tǒng)只包括了中頻以下的部分，這是因為調(diào)制到中頻以后，DVB數(shù)字信號在信號形式上與模擬電視信號已沒有差別，從中頻到射頻的部分，DVB傳輸系統(tǒng)與傳統(tǒng)的模擬電視系統(tǒng)基本相同，因此我們這里僅介紹中頻以下的部分。 DVB傳輸系統(tǒng)是由發(fā)射端和接收端兩部分構(gòu)成的，而且兩部分中的技術(shù)環(huán)節(jié)是一一對應(yīng)的。對傳輸系統(tǒng)而言，所要達到的最根本的目標(biāo)是要將發(fā)射端復(fù)用器生成的TS碼流無失真地完整地傳送給接收端的分接器。但是，在實際信道中總是存在這樣或那樣的干擾，無失真的理想指標(biāo)在實際應(yīng)用中是達不到的，在進入接收端分接器的TS碼流中總會

29、混有一定數(shù)量的誤碼，因此傳輸系統(tǒng)在實際應(yīng)用中所要達到的目標(biāo)就是使傳輸誤碼足夠少，以達到系統(tǒng)設(shè)計的誤碼指標(biāo)。按所實現(xiàn)的功能歸納，DVB傳輸系統(tǒng)主要由以下五個部分構(gòu)成： 1、數(shù)據(jù)擾亂 -數(shù)字通信理論在設(shè)計通信系統(tǒng)時都是假設(shè)所傳輸?shù)谋忍亓髦小?”與“1”出現(xiàn)的概率是相等的，各為50%，實際應(yīng)用中的通信系統(tǒng)以及其中的數(shù)字通信技術(shù)的設(shè)計性能指標(biāo)首先也是以這一假設(shè)為前提的。但TS碼流經(jīng)過編碼處理后，可能會在其中出現(xiàn)連續(xù)的“0”或連續(xù)的“1”。這樣一方面破壞了系統(tǒng)設(shè)計的前提，使得系統(tǒng)有可能會達不到設(shè)計的性能指標(biāo)，另一方面在接收端進行信道解碼前必須首先提取出比特時鐘，比特時鐘的提取是利用傳輸碼流中“0”與“1

30、”之間的波形跳變實現(xiàn)的，而連續(xù)的“0”或連續(xù)的“1”給比特時鐘的提取帶來了困難。為了保證在任何情況下進入DVB傳輸系統(tǒng)的數(shù)據(jù)碼流中“0”與“1”的概率都能基本相等，傳輸系統(tǒng)首先用一個偽隨機序列對輸入的TS碼流進行擾亂處理。偽隨機序列是由一個標(biāo)準(zhǔn)的偽隨機序列發(fā)生器生成的，其中“0”與“1”出現(xiàn)的概率接近50%。由于二進制數(shù)值運算的特殊性質(zhì)，用偽隨機序列對輸入的TS碼流進行擾亂后，無論原TS碼流是何種分布，擾亂后的數(shù)據(jù)碼流中的“0”與“1”的概率都接近50%。擾亂改變了原TS碼流，因此在接收端對傳輸碼流糾錯解碼后，還需按逆過程對其進行解擾處理，以恢復(fù)原TS碼流。 從信號功率譜的角度看，擾亂過程相當(dāng)

31、于將數(shù)字信號的功率譜拓展了，使其分散開了，因此擾亂過程又被稱為“能量分散”。 2、糾錯編碼 數(shù)字通信雖然較模擬通信相比有較強的抗干擾的能力，但當(dāng)干擾較大時仍然可能發(fā)生信息失真，因此必須采取措施進一步提高傳輸系統(tǒng)的可靠性，糾錯編碼就是為這一目的提出的。糾錯編碼是數(shù)字通信特有的，是模擬通信所不具備的。糾錯編碼利用數(shù)字信號可以進行數(shù)值計算這一特點，將若干個數(shù)字傳輸信號作為一組，按照某種運算法則進行數(shù)值運算，然后將傳輸信號和運算結(jié)果（也是數(shù)字信號）一起傳送給接收機。由于一組傳輸信號和它們的運算結(jié)果間保持著一定的關(guān)系，如果傳輸過程中發(fā)生了錯誤，使得傳輸信號或運算結(jié)果中產(chǎn)生了錯誤數(shù)碼，這種關(guān)系就會遭到破壞

32、。接收機按規(guī)定的運算法則對接收的一組傳輸信號及其運算結(jié)果進行檢查，如符合運算法則，則認為傳輸信號中沒有誤碼，然后將運算結(jié)果拋棄，將傳輸信號送給下一級處理系統(tǒng)，如數(shù)據(jù)解擾器；如不符合運算法則，就意味著傳輸中發(fā)生了誤碼，如果誤碼的數(shù)量不超出糾錯編碼的糾錯范圍，糾錯解碼器就會按照某種算法將誤碼糾正過來，然后將正確的傳輸信號送給下一級處理系統(tǒng)，如果誤碼的數(shù)量超出了糾錯編碼的糾錯范圍，糾錯解碼器無法糾正這些誤碼，將發(fā)出一個出錯信號給下一級處理系統(tǒng)，通知下一級處理系統(tǒng)傳輸信號中有誤碼。 任何糾錯編碼的糾錯能力都是有限的，當(dāng)信道中的干擾較嚴(yán)重，在傳輸信號中造成的誤碼超出糾錯能力時，糾錯編碼將無法糾正錯誤。針

33、對這種情況，DVB通信系統(tǒng)中采用了兩級糾錯的方法以進一步提高糾錯能力。如果把整個通信系統(tǒng)，包括傳輸信道看成一個傳輸鏈路的話，那末處于外層的糾錯編/解碼一般被稱為外層糾錯編碼，而處于內(nèi)層的糾錯編/解碼一般被稱為內(nèi)層糾錯編碼。內(nèi)層糾錯編碼首先對傳輸誤碼進行糾正，對糾正不了的誤碼，外層糾錯編碼將進一步進行糾正。兩層糾錯編碼大大提高了糾正誤碼的能力，如果內(nèi)層糾錯編碼將傳輸誤碼糾正到10-3的水平，即平均每一千個傳輸數(shù)碼中存在一個誤碼的話，經(jīng)過外層糾錯編碼后，誤碼率一般可降至10-5的水平；而如果內(nèi)層糾錯編碼將傳輸誤碼糾正到10-4的水平的話，經(jīng)過外層糾錯編碼后，誤碼率一般可降至10-8的水平。在目前的

34、DVB傳輸系統(tǒng)中，外層糾錯編碼采用RS碼，內(nèi)層糾錯編碼采用卷積碼。 內(nèi)層的卷積糾錯編碼雖然具有很強的糾錯能力，但一旦發(fā)生無法糾正的誤碼時，這種誤碼常常呈現(xiàn)連續(xù)發(fā)生的形式，也就是說，經(jīng)卷積解碼器糾錯后輸出的碼流中的誤碼常顯連續(xù)的形式。此外，信道中還存在著諸如火花放電等強烈的沖激噪聲，也會在卷積解碼后的碼流中造成連續(xù)的誤碼。這些連續(xù)誤碼落在一組外層RS碼中，就可能超出RS碼的糾錯能力而造成信息失真。為避免這種情況，在兩層糾錯編碼之間加入了數(shù)據(jù)交織環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)交織改變了信號的傳輸順序，將連續(xù)發(fā)生的誤碼分散到多組RS碼中，落在每組RS碼中的誤碼數(shù)量就會大大減少，不會超出RS碼的糾錯能力，RS碼能夠?qū)⑵浼m

35、正過來。實踐證明，數(shù)據(jù)交織提高了系統(tǒng)的糾錯能力，特別是對沖激噪聲的糾錯能力。 3、數(shù)字調(diào)制 傳輸信息有兩種方式：基帶傳輸和調(diào)制傳輸。由信源直接生成的信號，無論是模擬信號還是數(shù)字信號，都是基帶信號，其頻率比較低?；鶐鬏斁褪菍⑿旁瓷傻幕鶐盘栔苯觽魉?，如音頻市話、計算機間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)??；鶐鬏斚到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)較為簡單，但難以長距離傳輸，因為一般的傳輸信道在低頻處的損耗都是很大的。為進行長途傳輸，必須采用調(diào)制傳輸?shù)姆绞?。調(diào)制就是將基帶信號搬移到信道損耗較小的指定的高頻處進行傳輸，調(diào)制后的基帶信號稱為通帶信號，其頻率比較高。DVB傳輸系統(tǒng)是數(shù)字傳輸系統(tǒng)，因此其中采用的調(diào)制技術(shù)是數(shù)字調(diào)制技術(shù)。 數(shù)字調(diào)制的

36、基本任務(wù)有兩個：第一個任務(wù)同模擬調(diào)制一樣，將不同的節(jié)目傳輸信號搬移到規(guī)定的頻帶上，這一功能是由圖3中的調(diào)制器和解調(diào)器實現(xiàn)的，它實質(zhì)上是一個載波耦合的過程；第二個任務(wù)是控制傳輸效率，在DVB傳輸系統(tǒng)中，可根據(jù)需要將頻帶利用率從2bit/s/Hz提高至6bit/s/Hz，這相當(dāng)于提供了2-6倍的壓縮，這一功能是由圖3中的映射和反映射實現(xiàn)的。實際上，數(shù)字調(diào)制的主要目的在于控制傳輸效率，不同的數(shù)字調(diào)制技術(shù)正是由其映射方式區(qū)分的，其性能也是由映射方式?jīng)Q定的。 我們可以注意到，一個數(shù)字調(diào)制過程實際上是由兩個獨立的步驟實現(xiàn)的：映射和調(diào)制，這一點與模擬調(diào)制不同。映射將多個二元比特轉(zhuǎn)換為一個多元符號，這種多元符

37、號可以是實數(shù)信號（在ASK調(diào)制中），也可以是二維的復(fù)信號（在PSK和QAM調(diào)制中）。例如在QPSK調(diào)制的映射中，每兩個比特被轉(zhuǎn)換為一個四進制的符號，對應(yīng)著調(diào)制信號的四種載波。多元符號的元數(shù)就等于調(diào)制星座的容量。在這種多到一的轉(zhuǎn)換過程中，實現(xiàn)了頻帶壓縮。應(yīng)該注意的是，經(jīng)過映射后生成的多元符號仍是基帶數(shù)字信號。經(jīng)過基帶成形濾波后生成的是模擬基帶信號，但已經(jīng)是最終所需的調(diào)制信號的等效基帶形式，直接將其乘以中頻載波即可生成中頻調(diào)制信號，這一步由圖3中的調(diào)制器實現(xiàn)。 4、均衡 -為了防止傳輸符號間的相互串?dāng)_，數(shù)字通信系統(tǒng)中大都采用升余弦滾降信號波形。升余弦滾降信號具有良好的傳輸特性，但實際的傳輸信道不可

38、能是完全理想無失真的，因而經(jīng)過傳輸后這種波形常常會遭到破壞，其后果就會引起符號間的串?dāng)_。符號間串?dāng)_與噪聲干擾不同，它來自傳輸信號本身，某個采樣點處的符號間串?dāng)_來自于相鄰信號采樣點。符號間串?dāng)_難以用增大信號功率的方式減小其影響，因為增大信號功率會將符號間串?dāng)_同時增大，符號間串?dāng)_是一種乘性干擾。符號間串?dāng)_嚴(yán)重時會使整個系統(tǒng)無法工作，必須對其進行校正，這個校正的過程稱為均衡。均衡在模擬通信系統(tǒng)中也經(jīng)常采用，但一般在頻率域中進行，稱為頻域均衡。在數(shù)字通信系統(tǒng)中采用的是時域均衡。時域均衡在時間域內(nèi)進行，采用有限沖激響應(yīng)濾波器（FIR）實現(xiàn)。它的優(yōu)點是可以利用數(shù)字信號處理理論和超大規(guī)模集成電路技術(shù)，具有設(shè)

39、計準(zhǔn)確、實現(xiàn)方便的特點。 5、同步與時鐘提取 同步是指接收機在某個系統(tǒng)工作頻率上與發(fā)射機保持一致，其間的偏差不超出設(shè)計規(guī)定的范圍。同步問題在模擬通信系統(tǒng)中也存在，比如在同步解調(diào)時，接收機必須首先生成一個在頻率和相位都與發(fā)送載波一致的本地載波，解調(diào)器才能進行解調(diào)，即接收機需要與發(fā)射機保持載波上的同步。載波同步在數(shù)字通信系統(tǒng)中也同樣需要，但在數(shù)字通信系統(tǒng)中還有兩種更重要的同步。第一種同步是比特和符號同步。數(shù)字接收信號在解調(diào)后就以符號或比特的形式呈現(xiàn)，前文說過，數(shù)字信號的處理以符號或比特為單位，在采樣點處進行。為了準(zhǔn)確地在采樣點處讀寫信號數(shù)值，接收機首先需要生成一個在標(biāo)稱頻率上與發(fā)送符號或比特的頻率

40、一致的本地讀寫控制信號，這個讀寫控制信號稱為符號時鐘或比特時鐘，接收機中的解碼及其它信號處理都是在符號時鐘或比特時鐘的控制下進行的。符號時鐘和比特時鐘是由接收機的本地晶體振蕩器生成的。由于晶體振蕩器固有的頻率漂移，即其振蕩頻率會在一定范圍內(nèi)圍繞標(biāo)稱值波動，使得符號時鐘和比特時鐘與發(fā)送信號的頻率間產(chǎn)生偏差。這種頻率偏差逐漸累積達到一定程度時，就會造成采樣錯誤：當(dāng)本地時鐘大于信號頻率時，有可能使得同一個符號或比特被采樣兩次，而當(dāng)本地時鐘小于信號頻率時，有可能使得某些符號或比特被遺漏。為了保證正確地采樣信息，接收機中必須采取措施將本地時鐘與信號頻率間的偏差控制在系統(tǒng)允許的范圍之內(nèi)，這種措施稱為“鎖相

41、”，實現(xiàn)鎖相的設(shè)備稱為鎖相環(huán)。鎖相環(huán)在數(shù)字通信系統(tǒng)中具有舉足輕重的地位，鎖相環(huán)性能不佳有可能使得整個系統(tǒng)無法工作。第二種同步是傳輸幀同步。數(shù)字通信系統(tǒng)中傳輸數(shù)據(jù)時是以將數(shù)據(jù)分成具有一定格式的組來傳輸?shù)?，這種組稱為傳輸幀。糾錯編/解碼、數(shù)據(jù)交織/反交織以及均衡都是按數(shù)據(jù)幀進行的，因此接收機在進行數(shù)據(jù)處理前還必須提取出幀同步。 實際上，整個DVB接收機的工作都是建立在同步的基礎(chǔ)上的，在開機或頻道切換后，接收機進行初始化時的首要任務(wù)就是建立上述三種同步，尤其是符號、比特同步和幀同步。只有當(dāng)這三種同步建立完成之后，接收機才能開始正常工作。同步系統(tǒng)的性能對接收機非常重要，許多接收機在實際應(yīng)用中工作狀態(tài)不

42、穩(wěn)定都是由其同步系統(tǒng)所導(dǎo)致的。 除上述5個主要部分外，DVB傳輸系統(tǒng)還有幾個次要一些的部分： 基帶接口負責(zé)DVB傳輸系統(tǒng)與MPEG-2復(fù)/分接系統(tǒng)間的適配，因為上述兩個系統(tǒng)接口的信號碼型和電平可能有所不同，基帶接口負責(zé)其間的轉(zhuǎn)換。由于這一接口處的信號為數(shù)字基帶信號，因此稱為基帶接口。 為了避免相鄰傳輸信號之間的串?dāng)_，多元符號需要有合適的信號波形。圖1中的方波是在本地數(shù)字信號處理時常見的波形，但在實際傳輸時這種方波并不合適。根據(jù)奈奎斯特第一準(zhǔn)則，在實際通信系統(tǒng)中一般均使接收波形為升余弦滾降信號。這一過程由發(fā)送端的基帶成形濾波器和接收端的匹配濾波器兩個環(huán)節(jié)共同實現(xiàn)，因此每個環(huán)節(jié)均為平方根升余弦滾降

43、濾波，兩個環(huán)節(jié)合成就實現(xiàn)了一個升余弦滾降濾波。實現(xiàn)平方根升余弦滾降信號的過程稱為“波形成形”，通過采用合適的濾波器對多元碼流進行濾波實現(xiàn)，由于生成的是基帶信號，因此這一過程又稱“基帶成形濾波”。接收端的“匹配濾波”是針對發(fā)射端的成形濾波而言，與成形濾波相匹配實現(xiàn)了數(shù)字通信系統(tǒng)的最佳接收。 中頻濾波的目的是濾除信號頻帶之外的噪聲，并實現(xiàn)與射頻部分的接口。 上述幾個部分雖然被稱為次要部分，但同樣是DVB傳輸系統(tǒng)必不可少的，只是技術(shù)上比較成熟了而已。 與壓縮編、解碼系統(tǒng)不同，數(shù)字傳輸系統(tǒng)中糾錯解碼器的結(jié)構(gòu)遠較糾錯編碼器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，解調(diào)器的結(jié)構(gòu)也較調(diào)制器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，接收端的同步系統(tǒng)也遠較發(fā)射端的同步系

44、統(tǒng)復(fù)雜，此外在接收機中還需要發(fā)射機中沒有的均衡器，因此傳輸系統(tǒng)中接收機的成本遠高于發(fā)射機的成本。DVB廣播信道 DVB傳輸系統(tǒng)之所以具有如此的結(jié)構(gòu)，完全是由DVB廣播信道的特性決定的，例如由于信道的頻帶有限，需要通過調(diào)制技術(shù)來調(diào)整頻帶效率；由于信道中存在各種干擾，需要采用各種糾錯及均衡技術(shù)消除干擾?？梢哉f，傳輸系統(tǒng)中的所有環(huán)節(jié)和技術(shù)都是為適應(yīng)信道特性服務(wù)的，信道特性是傳輸系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)。為了更好地理解DVB傳輸系統(tǒng)，對DVB廣播信道的特性進行深入分析是必不可少的。 DVB廣播信道包括衛(wèi)星廣播信道、有線電視廣播信道和地面廣播信道。從形式上看，這三種廣播信道有很大的不同。但如果僅分析傳輸系統(tǒng)的設(shè)計

45、產(chǎn)生影響的信道特性，上述三種廣播信道則可歸納為統(tǒng)一的信道模型中。 信道模型是從實際信道中抽取出來的數(shù)學(xué)模型，用于設(shè)計通信系統(tǒng)。因此對于不同的通信系統(tǒng)同一個信道可能會建立出不同的信道模型。例如設(shè)計模擬通信系統(tǒng)時，所建立的信道模型應(yīng)為模擬信道模型；而設(shè)計數(shù)字通信系統(tǒng)時，所建立的信道模型應(yīng)為數(shù)字信道模型。DVB廣播信道本身是一個高頻模擬信道，無論其中的傳輸信號還是干擾和失真都為高頻模擬波形，但在針對中頻以下的數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)建立模型時，信道中的傳輸信號和干擾信號經(jīng)過解調(diào)后最終都將被轉(zhuǎn)換成對基帶數(shù)字通信系統(tǒng)的影響，呈現(xiàn)為基帶數(shù)字信號的形式。因此在數(shù)字通信系統(tǒng)的設(shè)計中，一般采用“等效基帶”的形式建立信道

46、模型：發(fā)射信號和接收信號以調(diào)制前或解調(diào)后的基帶數(shù)字信號表示，稱為“等效基帶發(fā)射信號”或“等效基帶接收信號”，干擾信號以解調(diào)后進入基帶通信系統(tǒng)中的基帶數(shù)字信號表示，稱為“等效基帶干擾信號”，這樣的信道模型稱為“等效基帶信道”。圖4所示就是等效基帶DVB廣播信道，它可以直接用于DVB傳輸系統(tǒng)的設(shè)計。 應(yīng)該說，對于DVB廣播信道，目前國際上尚無統(tǒng)一的信道模型，各國在DVB的研究中都提出了各自的模型，它能夠比較全面地反映DVB廣播信道的特性，具有代表性的信道模型。這個模型發(fā)表于國際電子和電氣工程師協(xié)會（IEEE）學(xué)報上，并曾用于美國先進電視系統(tǒng)（ATV）的測試中。我國“八五”科技攻關(guān)項目“HDTV傳輸

47、制式關(guān)鍵技術(shù)的研究”中也采用了這個信道模型。因此本文就以這一信道模型為基礎(chǔ)介紹一下DVB廣播信道的主要特性。 實際DVB廣播信道中的干擾和失真存在很多種，不同的信道環(huán)境也可能不盡相同，但從性質(zhì)上可以合并歸納為三類：回波干擾、噪聲干擾和同頻干擾。干擾信號從本質(zhì)上講不是恒定信號，而是隨機信號。在分析干擾信號時一般應(yīng)提取它的統(tǒng)計特性，但有時統(tǒng)計特性分析比較復(fù)雜，或很困難，在這種時候可以從一些典型的實測數(shù)據(jù)中觀察干擾信號的特性。下面我們討論一下三類干擾的特性。 1、回波干擾 回波干擾在地面廣播中最為普遍，地面廣播中發(fā)射信號的電磁波遇到山脈、樹木及樓房而產(chǎn)生反射，反射信號進入接收機中就會造成回波干擾。有

48、線電視系統(tǒng)中，由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的阻抗不匹配也可能會造成一定的回波干擾，但程度要比地面廣播中的輕。衛(wèi)星廣播中因為天線的方向性很強，一般不存在回波干擾?；夭ǜ蓴_在模擬電視中造成的就是重影，而在數(shù)字電視系統(tǒng)中造成的是數(shù)字通信中所謂的“符號間干擾（ISI：Inter-SymbolInterference）”。ISI是數(shù)字通信系統(tǒng)中除噪聲干擾之外最主要的干擾，它與加性的噪聲干擾不同，是一種乘性的干擾。造成ISI的原因有很多，實際上，只要傳輸信道的頻帶是有限的，就會不可避免地造成一定的ISI，只是其程度一般較之由回波產(chǎn)生的ISI要輕。但在數(shù)字電視系統(tǒng)中，回波是造成ISI最主要的原因，為了遵從習(xí)慣，數(shù)字電視中一

49、般仍將ISI稱為回波干擾。 從接收機的角度來看，回波干擾相當(dāng)于將發(fā)射信號延時，再進行幅度衰減和相位旋轉(zhuǎn)后，疊加在原發(fā)射信號上，因此回波信號對通信系統(tǒng)的設(shè)計有影響的特性有三項：回波的時延、回波的幅度衰減和回波的相位旋轉(zhuǎn)。 這里所說的回波的時延不是指回波的絕對時延，而是指回波相對于發(fā)射信號而言的相對時延。也就是說，以發(fā)射信號到達接收機的時刻為記時起點，而計算的回波到達接收機的時間。前文說過，數(shù)字通信系統(tǒng)中是以比特或符號為單位進行信號處理的，因此回波時延的統(tǒng)計也應(yīng)以相應(yīng)的數(shù)字通信系統(tǒng)的符號周期為單位，因為時延范圍在同一個符號周期內(nèi)的回波將以大體相同的方式對這一周期的信號抽樣值產(chǎn)生干擾。在統(tǒng)計時一般將

50、時延范圍在同一個符號周期內(nèi)的回波疊加在一起，作為這一符號周期的總回波干擾，而在建立回波干擾的信道模擬時回波的時延就均為相應(yīng)數(shù)字通信系統(tǒng)的符號周期T的整數(shù)倍?；夭ǜ蓴_的信道模擬由圖4中上半部的帶抽頭的移位寄存器實現(xiàn)。發(fā)射信號s(t)首先通過一系列延時為T的移位寄存器，這里的T就是對應(yīng)的數(shù)字通信系統(tǒng)的符號周期，移位寄存器的個數(shù)與回波的最大時延成及傳輸信號的速率正比；然后從每個移位寄存器后輸出，經(jīng)過幅度衰減和相位旋轉(zhuǎn)后就相當(dāng)于一條回波；再將這些回與發(fā)射信號相加，就得到了經(jīng)過回波干擾的接收信號r(t)。需要注意的是，回波干擾對數(shù)字信號的影響是與信號的符號速率密切相關(guān)的，相同時延的回波干擾對不同符號速率

51、的傳輸信號的影響是不同的，符號速率越高，影響越嚴(yán)重。例如回波時延為1微秒時，對波特率為1M符號/秒的傳輸信號，每一個傳輸符號的回僅能干擾到其后的一個傳輸符號，此時圖4中的移位寄存器只有一個；但如對波特率為6M符號/秒的傳輸信號，每一個傳輸符號的回波能干擾到其后的六個傳輸符號，此時圖4中的移位寄存器將有六個。也就是說，傳輸信號速率越高，就越易受到回波干擾的影響。如果將回波的時延看作一個隨機序列的話，日本的Hirofumi經(jīng)過大量分析和研究，認為其概率分布符合泊松分布?；夭〞r延的最大長度以地面廣播信道中的為最長，在山區(qū)回波可達20微秒以上；平原地區(qū)在大都市中由于高樓大廈的影響，回波也較長，一般為8

52、-10微秒；郊區(qū)回波相對短一些，一般僅2-3微秒。表1中所列的回波參數(shù)是一組平原地區(qū)的實測數(shù)值，以前曾用于美國NTSC測試鬼影消除器，后被廣泛用于數(shù)字電視系統(tǒng)的研究中，我國“八五”科技攻關(guān)項目“HDTV傳輸制式關(guān)鍵技術(shù)的研究”中也采用了這組回波參數(shù)。 這是一個五徑回波模型，包括一條直接傳輸路徑(LineofSight)和四條回波路徑(echo)。最大回波時延達到了8.2微秒。 回波干擾是由于反射或信道的線性失真所引起的，在這個過程中，回波的幅度會有較大的衰減，相位也回發(fā)生旋轉(zhuǎn)。這里所說的幅度衰減和相位旋轉(zhuǎn)也不是指回波的絕對衰減和相移，而是指回波干擾相對于接收信號而言的相對幅度衰減和相對相位偏移

53、。發(fā)射信號在傳輸過程中雖然也會發(fā)生幅度衰減和相位旋轉(zhuǎn)，但到達接受機后通過放大器會將接收信號的功率恢復(fù)到一個標(biāo)稱值，相位旋轉(zhuǎn)在解調(diào)時也會得到補償。所以從接收機的角度看可以認為傳輸信號是沒有發(fā)生幅度衰減和相位偏移的，這就是為什么表1中直接傳輸路徑（路徑時延為0）中的發(fā)射信號的幅度衰減和相位偏移都為0。但是，接收機中的放大器在放大接收信號的同時，也會連回波一起放大；解調(diào)器在校正接收信號的相位偏移的同時，同樣會將回波的相位一起旋轉(zhuǎn)。因此實際對接收機的工作過程產(chǎn)生影響的回波幅度和相位是經(jīng)過放大和旋轉(zhuǎn)后的幅度和相位。 前文說過，圖4中的每一路回波實際上是由多條時延在同一個符號周期內(nèi)的回波構(gòu)成，因此每一路回

54、波的幅度和相位都是多條回波合成后的幅度和相位，是一個隨機變量。由于構(gòu)成一路回波的多條回波是由不同的反射或線性失真而來的，彼此之間沒有關(guān)系，這在概率論中稱為“非相關(guān)”。日本的Hirofumi在大量實測數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，得出如下結(jié)論：回波幅度在幾百個波長的近距離內(nèi)服從Rayleigh分布，在更大的距離范圍內(nèi)服從對數(shù)正態(tài)分布?；夭ǖ南辔辉?,2)間服從均勻分布。 另外，從表1中我們還可以發(fā)現(xiàn)，時延越長，回波的幅度衰減越大，即回波的平均功率是隨著時延的增大而逐漸減小的。 DVB系統(tǒng)中在描述回波干擾時常用到一個指標(biāo)D/U。D/U是指接收信號的平均功率與全部回波干擾的總平均功率之比，表示了回波干擾的嚴(yán)重程

55、度。D/U越小，表示回波干擾越嚴(yán)重。 -回波干擾的頻率響應(yīng)呈現(xiàn)周期性的衰落，這在通信原理中稱為“頻率選擇性衰落”。所以數(shù)字電視廣播信道中的回波干擾屬于頻率選擇性的衰落。 2、噪聲干擾 噪聲干擾實際上是任何通信系統(tǒng)都必須面對的問題，地面廣播、衛(wèi)星廣播和CATV中都會遇到。DVB廣播信道中的噪聲干擾有兩類：高斯白噪聲干擾和沖激噪聲干擾。噪聲干擾與回波干擾不同，它是一種加性干擾（見圖4中的c(t)），線性疊加在接收信號上的。 高斯白噪聲的來源十分廣泛，既有來源于其它頻道中的電磁輻射，天體輻射所造成的宇宙噪聲等設(shè)備外部噪聲干擾，又有來源于有源器件中電子或載流子運動的起伏變化，電阻的熱噪聲等設(shè)備內(nèi)部的噪

56、聲干擾。此外，各路回波干擾中也帶有噪聲干擾，這些噪聲干擾最終也會被帶入接收機中。上述各種干擾雖然是在發(fā)射信號傳輸過程中的不同階段進入傳輸信號的，但它們都是以線性疊加的方式影響傳輸信號，因此可以將它們等效為一個噪聲干擾。這樣一個等效的噪聲干擾具有兩個特性：1）由于各噪聲干擾彼此是非相關(guān)的，根據(jù)概率論的有關(guān)理論，它們的合成信號服從正態(tài)分布，也就是高斯分布；2）由于各噪聲干擾的功率譜分布在范圍非常廣泛的頻率上，它們的合成信號的功率譜密度在整個頻率軸上接近于均勻分布，即在各頻率點處都相等，這種功率譜分布在信號處理中被成為“白”的。由于上述兩點特性，這種等效合成噪聲干擾被稱為“高斯白噪聲”。高斯白噪聲是

57、通信系統(tǒng)設(shè)計過程中最常使用的干擾模型，實際上，數(shù)字通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)通常都是按高斯白噪聲信道設(shè)計的。 沖激噪聲干擾是一種突發(fā)性的噪聲干擾，它的特點是不經(jīng)常發(fā)生，但一旦發(fā)生在其持續(xù)時間內(nèi)強度遠大于高斯白噪聲，此時對通信系統(tǒng)的影響也較大。沖激噪聲主要來源于閃電、各種工業(yè)電火花和電器開關(guān)的通斷等。沖激噪聲雖然也是隨機變量，但由于不經(jīng)常發(fā)生，所以一般不用統(tǒng)計特性來描述，在DVB系統(tǒng)中僅對其持續(xù)時間長度作規(guī)定。 3、同頻干擾 同頻干擾僅存在于數(shù)字地面同播方式中，衛(wèi)星廣播和CATV中沒有這一干擾。而數(shù)字地面廣播中如不采用同播方式時也不存在這種干擾。所謂“同播(simulcast)”是指在數(shù)字電視的地面廣

58、播中，將數(shù)字電視放置在“禁用頻道(Taboo)”上進行廣播。禁用頻道為相鄰服務(wù)區(qū)的模擬電視所使用，本地的模擬電視不用，因此可用禁用頻道廣播本地數(shù)字電視，以提高地面廣播的頻譜資源的利用率。采用同頻方式廣播時，由于數(shù)字通信具有較強的抗干擾能力，因此DVB傳輸信號的發(fā)射功率可以遠低于模擬電視的發(fā)射功率。這樣DVB發(fā)射信號不會對相鄰服務(wù)區(qū)的模擬電視接收機產(chǎn)生影響，但相鄰服務(wù)區(qū)的模擬電視發(fā)射信號卻可能會對DVB接收機造成干擾，這種干擾稱為“同頻干擾”。同頻干擾也是一種加性的干擾。 (待續(xù)） DVB信道編解碼與調(diào)制解調(diào)(三) 作者：北京郵電學(xué)院博士后:梅劍平/北京郵電學(xué)院教授:全子一 數(shù)字通信的關(guān)鍵技術(shù)DVB傳輸系統(tǒng)中采用了許多數(shù)字通