数字电视信道处理基本原理和测量知识

数字电视信道处理基本原理和测量知识

数字电视基础知识

我们通常收看的都是模拟彩色电视，模拟彩色电视信号是由一个亮度信号和两个色差信号组成的。在频域上我们看到彩色电视信号的频谱形状如下图

其中视频载波是亮度信号，它代表模拟彩色电视的图像，还有明暗和灰度；彩色副载波是由两个色差信号组成，代表图像的颜色，色度信号叠加到亮度信号上显示，伴音载波携带模拟彩色电视信号中的声音信息。

数字电视(Digital TV)是从电视信号的采集、编辑、传播、接收整个广播链路都数字化的数字电视广播系统。其具体传输过程是：由电视台送出的图像及声音信号，经过数字编码压缩和数字调制后，形成数字电视信号，经过卫星、地面无线广播或有线电缆等方式传送，由数字电视接收后，通过数字解调和数字视音频解码处理还原出原来的图像及伴音。因为全过程均采用数字技术处理，因此，信号损失小，接收效果好。因为在传统的模拟电视中，所有的信号都是“连续的”，信号在每一时刻都代表不同的信息，并且在幅度上的每一个不同的数值都代表不同的信息。但是数字信号在时间上是离散的信息，只要是在本周期内，各个时刻上都代表同一个信息，在幅度上，系统指定了几个合法幅度的数值。那么模拟电视实现数字传输首要解决的问题就是模拟信号的数字化的问题。

从模拟信号变为数字信号主要为以下几个步骤，如下图所示。

模拟信号经过抽样脉冲变成一定幅度的离散的脉冲以后，用已经编码和定义好的一系列标准的信号去比较这些抽样脉冲，将对应幅度的脉冲转换为幅度最接近的标准幅度的信号，完成信号量化；然后将这些量化后的数据再按照指定的规则进行编码。

模拟信号转化为数字信号的基本原理如上所述，模拟电视信号转化为数字电视信号原理上与此类似。因为模拟电视信号是由代表亮度的视频载波，代表色度的彩色副载波，携带声音信息的调频伴音组成，所以需要对这些信号分别进行采样，转化为数字信号实现进一步的处理。

模拟的亮度信号带宽为6MHz，每个色差信号的带宽为2.75MHz，模拟信号的数字化是在模拟信号被编码为亮度和色差信号之后进行，根据奈奎斯特定理，采样频率至少为被采样信号最高频率的2倍，所以对亮度信号的采样为13.5MHz，对色差信号的采样频率为6.75MHz，采样频率都高于被采样信号的两倍，符合奈奎斯特定理。对以上述采样频率对模拟电视信号进行数字化得到信号，如果将数字化的信号再恢复到模拟状态可以大部分完好的恢复原来的信息。

根据上面所描述的采样频率，如果每个采样点用10个比特来描述，对亮度信号要产生135Mbps的数字信号，对两个色差信号要产生135MHzbps的信号，一共是270Mbps 的数据量，另外还要包括音频信号和一些冗余的附加信息，这样整个信道的数据速率将非常高，如此高的数据速率在8MHz的有线电视频道内根本无法传送。所以如果想要传送数字视频图像信号，必须对信号进行压缩。数字电视的图像压缩采用MPEG-2标准对模拟视音频信号进项压缩。

图像的压缩

图像的压缩考虑了图像本身的因素和人眼视觉感受的因素。所有图像信号中可以分为不可预见的分量和可以预见的分量，只有那些不可预见的分量才代表信息，而可以预见到分量则代表冗余。冗余可以是一幅图像中的大片相似或相同的图像，或者是连续几幅基本相似的图像，这些都是可以被压缩的信息。还有人眼的视觉感受，人的视觉对亮度信号很敏感，可以感受出分辨率很高的图像，对于彩色信息人眼的分辨率要低很多；另外，在通常的观看条件下，人眼不能显着的感受到色差信号中的高频信息。通过以上图像本身和人眼视觉系统的主要特性可以大幅度的对图像信号进行压缩。

音频和压缩

在数字电视技术中，除了图像需要压缩以外，声音也要压缩，但声音压缩要比图像压缩简单很多，因为声音的信息量比起图像的信息量来，要少得多。人的耳朵能听到声音的频率范围是20Hz到20kHz，如果我们把20Hz到20kHz按照一定的频带宽度分成很多个频率通道，用来对声音进行过滤和处理，就能对声音信号进行压缩。声音还有一个屏蔽效应，就是，人的耳朵对某个频率范围的声音灵敏度特别高（600Hz附近），对一些频率却很低（低频和高频）。如果有几种声音同时存在，声音大的内容很容易听到，而声音很小的内容需要非常注意才能听到。利用这些特点，在编码的时候就可以分长码和短码来对不同的内容进行编码，对主要声音内容用长码，对次要内容用短码。经过多种方法对声音信号压缩处理后，声音信号传送的码率可变得非常低，即压缩比非常大。

数字电视中两个很关键的技术数字电视信号的信源编码和信道编码。

信源编码主要是解决图像信号和声音信号的压缩和保存问题；信道编码主要是解决图像和声音信号的传输问题。以上简单介绍的图像和声音的压缩和编码属于信源编码简略的进行了一下介绍，下面介绍本文的是信道编码。下图是DVB-C数字信号从发射到接收的整个信号传输的一个简要框图。信道编码指的就是前向纠错编码部分。

数字电视中常用的纠错编码，通常采用前向纠错（FEC）编码。188字节后附加16字节RS码，构成（204，188）RS码。交织编码前向纠错码（FEC）的码字是具有一定纠错能力的码型，它在接收端解码后，不仅可以发现错误，而且能够判断错误码元所在的位置，并自动纠错。这种纠错码信息不需要储存，不需要反馈，实时性好。所以在广播系统（单向传输系统）都采用这种信道编码方式。

FEC部分采用了各种纠错算法和技术，以保证数据在电缆信道上可靠的传输。他包括：

Reed-Solomon（R-S）编码-提供块的编码和解码，以检测和纠正R-S块中的符号。

交织-把符号均匀分散，防止突发的连续符号差错进入R-S解码器，超出R-S解码器的纠错能力，产生无法纠正的错误。

伪随机序列扰码—随机选择信道上的数据，是传输数据中0盒1出现的概率接近都50%，可以使QAM解码器有效的同步。

Reed Solomon编码

RS码即里德-所罗门码，它是能够纠正多个错误的纠错码，RS码为（204，188，t=8），其中t是可抗长度字节数，即对每个传送包而言，可纠正8个错误字节，如果错