清华大学通信系统课件_数字电视系统与标准

通信系统
2014 春
通信系统第十一讲
数字电视广播
系统与标准
王劲涛
清华大学•电子工程系
内容
通信系统
2014 春
⏹背景
⏹国际数字电视标准
通信系统
2014 春
数字电视的历史背景
⏹黑白电视时代
►１９２８年斯勘尼克塔狄的一家电台第一次电视发射
►１９３６年英国广播公司在伦敦建立第一个正规的电视播放机构电视
台
⏹彩色电视
►１９４０年，美国开始了场顺序制彩色的电视，并于１９５４年正式开播
►ＰＡＬ，ＮＴＳＣ和ＳＥＣＡＭ是广播电视经历几十年发展形成的模拟彩色
电视的国际三大制式
●亮度和色度采用ＡＭ调制
●色度副载波４．３３６Ｍｈｚ
●ＦＭ伴音
⏹第三代电视—数字电视（DTV）
►
电视广播更新换代时间比较长
数字电视的信源参数
通信系统
2014 春Audio: 20k Hz (20 ~ 20000Hz)
采样＞16bits / sample , 44.1k sample / s, 48k sample / s
信息速率768kbps x2(2ch)
768kbps x6(5+1ch)
Video:
–SDTV -ITU BT.601
分辨率720×576 (PAL 625/50, Interlaced）
720×480 (NTSC 525/60, Interlaced)
彩色YUV 4:2:2/ 4:2:0 (MP@ML)
采样13.5MHz,
信息速率124.5Mbps
–HDTV -SMPTE274
分辨率1920×1080(60/50, Interlaced）
1200×720(30/25, Non-Interlaced)
彩色YUV 4:2:2/ 4:2:0 (HP@ML)
采样74.25MHz
信息速率746.5Mbps
通信系统
2014 春电视的清晰度
Analog TV
525 x 400 (Interlaced) = 210,000 Pixels
HDTV
1920 x 1080 (Interlaced) = 2,073,800 Pixels
NTSC (studio quality)
通信系统
2014 春
HDTV (1080i)
通信系统
2014 春
数字和模拟传输的比较1
通信系统
2014 春 克服模拟传输的缺陷
►无噪声图象
►无重影
无传输接力中的噪声累加
►
通信系统
2014 春
数字和模拟传输的比较2
⏹提高信道传输能力
►模拟：一路标准清晰度电视ＳＤＴＶ（５Ｍｂｐｓ）►数字：一路高清晰度电视ＨＤＴＶ　（２０Ｍｂｐｓ）
⏹便于存储、处理和交换，实现网络化应用
►多种多媒体节目►其它数据业务HDTV 1
SDTV 1SDTV 2SDTV 3SDTV 4SDTV 5
SDTV 1
HDTV 1
数字电视系统组成
通信系统
2014 春
通信系统
2014 春
数字电视系统组成
数字电视广播模拟电视广播
信源编解码
(压缩层)良好的信源编码压缩技术无信源压缩
复用问题(复用层)编码后的视频、音频、辅助
数据信号分别打包后复合成
单路串行的传输流
无复用器
视频、音频信号分
别传输
信道编解码调制解调(传输层)通过纠错、均衡来提高数字
电视信号的抗干扰能力；同
时采用高阶调制技术提高传
输效率
模拟电视的图像使
用行、场同步信号
模拟信号,调制方式
一般采用调幅或调
频
通信系统2014 春
QAM 调制
DTV 有线广播
用户机顶盒/接收机
各种用户接收机
QPSK
调制
DTV 卫星广播
节目复用器
数字压缩/复用
演播室
数字压缩/复用
演播室
数字压缩/复用
演播室
DTV 地面广播
TDS-OFDM COFDM ISDB-T ATSC
数字电视的广播方式
通信系统2014 春
13
Liv e TV My Fav es
All Sho ws 多样化应用
地面数字电视的需求高
通信系统
2014 春⏹高频谱利用率：8MHz 带宽内提供大于20Mbps 的净码率
⏹高可靠性：误码率低于（10－6 、10 －12)
⏹大覆盖范围：对半径为几十公里范围内的用户进行可靠服务(地面)
⏹室内天线接收：室内短多径和低信号能量(地面)
⏹适用于移动接收：多普勒效应和多径干扰，时变信道的特性(地面)
⏹利于建设单频网：长延迟的多径干扰(地面)
⏹适应家电环境：突发干扰、单频干扰(地面)
⏹支持便携设备：需要系统具有省电的功能
⏹具有可扩展性：如双向传输、3G/4G互连接口等等
国际地面数字电视传输系统
通信系统
2014 春 三个国际标准体系
►１９９６年美国高级电视系统委员会ＡＴＳＣ研发的格
形编码的８－ＶＳＢ单载波调制
►１９９６年欧洲数字视频地面广播ＤＶＢ－Ｔ标准采用
的编码正交频分复用ＣＯＦＤＭ调制
►１９９９年日本地面综合业务数字广播ＩＳＤＢ－Ｔ采用
的频带分段传输ＢＴＳ－ＯＦＤＭ调制
国际数字电视发展情况
通信系统
2014 春⏹美国：大多数地面电视台已经开播数字频道。

►截至２００５年６月，在２０９个电视市场中已有１４９１座地面电视台（其中包括２８９座公共电视台）开办了数字电视频道，覆盖９９．７％的电视家庭。

►２００９年回收模拟电视频道（高通已经购买了５５频道的６Ｍｈｚ带宽，　频
点７１９Ｍｈｚ，　花费８亿美元）
⏹欧洲
►数字电视的卫星广播早在１９９６年就开始播出，并已扩展至东欧。

英国的数字电视覆盖率已接近７５％。

►２０１０年关闭模拟电视
⏹韩国
►２００３年起在６个城市开展地面数字电视业务，到２００４年推广到全部省会城市，２００５年全国开播。

韩国政府计划在２０１０年结束模拟信号传输。

⏹日本
►２００３年起在东京等３个大城市试播数字电视，２００６年开始全国普及数字电视，转播站也将陆续修建。

２０１１年７月２４日全面完成数字化。

三个国际标准的特点
通信系统
2014 春⏹美国ATSC 8VSB 标准--单载波调制技术
►优点：频谱效率高、功率效率高；
►未顾及室内接收、移动接收、单频网等。

⏹欧洲DVB-T COFDM 标准--多载波调制技术
►用频谱效率和功率效率指标换取了支持室内接收、移动接收、
单频网等优点。

►世界上已有３３　个国家或地区决定采用。

⏹日本ISDB BST-OFDM标准--多载波调制技术
►ＩＳＤＢ－Ｔ　系统和ＤＶＢ－Ｔ　系统类似，是基于ＣＯＦＤＭ技术。

►ＲＦ频带分为１３　段，不同段上可传送不同业务。

⏹OFDM 是宽带无线传输技术发展的主流方向
►无线局域网：ＩＥＥＥ８０２．１１ａ、ＩＥＥＥ８０２．１６ａ、ＨｉｐｅｒＬａｎ２
►新一代（４Ｇ）移动通信：ＯＦＤＭ－ＣＤＭＡ、ＭＣ／ＤＳ－ＣＤＭＡ等
►宽带有线通信：ＡＤＳＬ，ＶＤＳＬ，电力线通信
通信系统
2014 春
数字电视地面传输标准竞争激烈
我国电视广播现状和发展
通信系统
2014 春 国家确定了中国电视广播数字化进程：►中国已经选用世界通行的ＭＰＥＧ－２　作为数字电视
信源编码标准。

►已选用欧洲ＤＶＢ－Ｓ　协议为中国的卫星传输标准。

►２００１年５月，广电总局颁发欧洲的ＤＶＢ－Ｃ　协议为
中国有线电视传输行业标准，年底可能提升为国家
标准。

►国家发改委和广电总局明确，地面数字电视传输
标准采用自主标准。

►２００６．８　地面数字电视国标确定（ＤＴＭＢ）
►２０１０　年到２０１５　年逐步停播模拟电视播放数字电视。

我国数字电视标准的考虑
通信系统
2014 春⏹OFDM技术是新型的无线宽带技术
⏹采用更优的信道编码
⏹尽量满足地面广播需求条件
►强多径和动态环境中稳定接收
►传输数据容量
⏹努力克服国外不足，并尽可能已有专利
⏹系统应及早形成接收芯片的设计方案，服
务产业
内容
通信系统
2014 春
⏹背景
⏹国际数字电视标准
本节内容
通信系统
2014 春⏹欧洲DVB标准
►ＦＥＣ
►ＣＯＦＤＭ调制
►导频信号（频域Ｐｉｌｏｔ　）
⏹日本ISDB-T
⏹美国ATSC标准
►ＦＥＣ
►８－ＶＳＢ调制
►时域训练序列（时域Ｔｒａｉｎ　Ｓｅｑｕｅｎｃｅ　）
国际上的DTTB标准
通信系统
2014 春⏹1996年美国高级电视系统委员会ATSC研发
的格形编码的8-VSB单载波调制
⏹1996年欧洲数字视频地面广播DVB-T标准
采用的编码正交频分复用COFDM调制
⏹1999年日本地面综合业务数字广播ISDB-T
采用的频带分段传输BTS-OFDM调制
通信系统
2014 春
国际标准
——DVB标准
ETS 300 744, “Digital broadcasting systems for television, sound and data services; framing structure, channel coding and modulation for digital terrestrial television”, ETSI Draft EN 300 744 V1.2.1, (1999-1)
通信系统2014 春
数据加扰外码RS
(204,188)
外交织
I=12
删余
卷积
码
内码
交织
映
射
OFDM
帧
Pilot
&
TPS
Like DVB-C
DVB-S
TS码
流
RF /IF
IQ
Mod
保护
插入
IFFT
Re(z)
In(z)
Q
I
Q
I
Q
I
D/A
和滤波
DVB-T COFDM
时域频域
DVB传送系统
DVB-T信道带宽可以支持6MHz／7MHz／8MHz
DVB
FEC和COFDM
通信系统
2014 春
通信系统
2014 春
数据加扰
⏹称为数据随机化或者能量扩散
►Ｐｓｅｕｄｏ　Ｒａｎｄｏｍ　Ｂｉｎａｒｙ　Ｓｅｑｕｅｎｃｅ　–ＰＲＢＳ
⏹信源码流中可能会出现长串的连“0”或连“1”⏹每8个TS 数据包扰码初始值复位一次⏹TS包头字节0x47不进行扰码
Reed Solomon (RS)编码
通信系统
2014 春⏹1960 年MIT Lincoln Lab 的Reed 和Solomon 在发表了
论文“Polynomial Codes over Certain Finite Fields”⏹RS 码是一种效率很高的分组码，RS 码是一类非二进制
BCH 码, 每个符号由m 比特组成。

⏹对于给定n,k的分组码，没有其他码能比RS码的最小距离更
大(代数域）
⏹既适用于纠随机误码，也特别适用于纠突发误码。

⏹任何一种缩短的RS 码仍是一个最大码。

⏹RS 码的精确纠错性能是由码的最小距离和权分布决定的,
非常便于根据指标设计RS 码
通信系统
2014 春
Reed Solomon (RS)编码
⏹RS 属于循环分组编码。

►ＲＳ（２５５，２３９，ｔ＝８）的截短码
⏹RS 码即能纠编码块中的随机误码，特别是也能纠多个突发误
码
⏹DVB-T RS 纠错包长为204 bytes，其中188 byte 有用信息。

(ATSC 使用RS（207，187）)
通信系统2014 春
►RS（204,188）监督段长16 字节，可以纠正一个RS 包中8 个字节的错误。

►RS(204,188) 编码器的码字生成多项式：►
RS（204,188）编码器结构
RS编码器结构
交织—抗突发错的有效手段
通信系统
2014 春⏹交织（interleaving）就是一种将数据序列的顺序进行变换的
一种处理方法。

又可称为置换（permutation）。

⏹交织器的一般表示方法
►交织表：j =T(i)，表示输出序列的第i个符号取自输入序
列的第j个符号。

即当输入序列为x1, x2, … ，输出序列
为y1, y2, … 时，yi= xT(i) 。

⏹交织器的三个参数
►交织延迟
►交织前相邻的符号在交织后的最小距离称为交织深度.
●交织深度应不小于信道上可能的突发错长度，否则解交织后仍
可能存在一定的突发错误。

►交织后相邻的符号在交织前的最小距离称为交织宽度.
●交织宽度应不小于编码的约束长度，或相应的参数，否则突
发误码仍不能彻底打散。

块交织（block interleaver）
通信系统
2014 春⏹将数据流分成长度为W×L 的块，将数据逐行写入一个L
行W 列的矩阵形缓冲区，写满后再逐列读出。

⏹深度为L，宽度为W，延时为WL。

交织和解交织的延时总
2WL。

和为
通信系统2014 春
外交织
⏹在RS码和卷积码之间
►作用？⏹以字节为单位的卷积交织
►卷积交织的优点？⏹12个支路
通信系统
2014 春
⏹卷积码由码率R=k/n 和约束长度N 描述，记做(n, k, N)。

⏹对k-bit 输入数据块进行运算（k 通常较小，例1,2 or 3)。

⏹n-bit 输出是当前输入块与以前(N-1) 个输入块的加权求和，N 一般小于9。

⏹卷积码也是把k 个信息比特编成n个比特，但k 和n 通常很小输入输出12N
1k
1n
卷积编码Convolutional Coder
通信系统
2014 春 工业标准
►ＤＶＢ
►ＩＥＥＥ８０２．１１
►ＩＥＥＥ８０２．１６（2，1，7）卷积码
卷积编码Convolutional Coder
卷积编码Convolutional Coder
通信系统
2014 春⏹与分组码不同
►卷积码没有固定的码字长度。

●卷积码中编码后的n 个码元不但与当前段k 个信
息有关，而且与前面（N-1）段的信息有关，编码过
程中相互关联的码元为NK 个。

►在编码器复杂性相同的情况下，卷积码的性能
优于分组码(软判决)
►分组码有严格的代数结构，但卷积码至今尚未
找到严密的数学手段，目前大都采用计算机来
搜索好码。

硬判决和软判决
通信系统
2014 春⏹硬判决Hard Decision
►译码器的输入是确定的0 和1（二值），译
码器的任务是检测和校正误码
⏹软判决Soft Decision
►译码器的输入是多比特值，表示是0或1的概率►普遍用于卷积/Viterbi 译码器
►后面介绍的迭代译码中一般都要使用软判决。

通信系统
2014 春
卷积编码Convolutional Coder ⏹外交织后数据以字节为单位
⏹转换成比特后进入卷积编码
⏹（2，1，7）删余卷积编码
⏹½母码，删余形成1/2、2/3、3/4、5/6和7/8五种
码率
删余编码Puncturing Codes (FEC)
通信系统
2014 春 按缩减Puncturing 图从卷积编码的X 和
Y 输出中选择最后的码字
内交织Inner Interleaver
通信系统
2014 春⏹包含比特交织和符号交织
►比特交织（Ｂｉｔ　Ｉｎｔｅｒｌｅａｖｅｒ）
●对星座点不同Ｂｉｔ位的交织
►符号交织（Ｓｙｍｂｏｌ　Ｉｎｔｅｒｌｅａｖｅｒ）
●对于ＯＦＤＭ不同子载波的交织
为例：
►以１６ＱＡＭ
通信系统2014 春
误码保护-先后顺序
外码RS
(204,188)Data Input 外交织器
内交织器
内码FEC (2/3)编码后的星座点
映射
188Bytes 204Bytes
204Bytes
306Bytes 6 bits x 1512 数据子载波6 bits x 6048数据子载波
2448Bits 64 QAM
星座映射
通信系统
2014 春3种基本的映射：每个符号分别对应2／4／6比特编码后数据
通信系统
2014 春
⏹传送具有高优先级和低优先级的TS 码流
►高优先级通路利用ＱＰＳＫ　调制。

►低优先级通路利用１６ＱＡＭ　或６４ＱＡＭ　调制
⏹
分级调制将QPSK 插入QAM 中
DVB-T分级调制
1 1
I 轴
Q 轴
QPSK 距离
分级距离
1 1 0 0
1 1 0 1
1 1 1 0 1 1 1 10 0 0 0
0 0 1 1
0 0 0 1
0 1
1 0
0 0 1 0
QPSK ＋QPSK ＝16QAM
QPSK+16QAM ＝64QAM
通信系统2014 春
非均匀64QAM 分级调制
⏹第一层(高优先级HP):QPSK ⏹第二层(低优先级LP): 16QAM
-9
Q
I
⏹每层都采用QPSK 信号，提供高中、
低三种优先级
分级调制是根据“多业务传输”这一特殊需求进行的变形，从通信性能本身来讲并没有好处
DVB-T分级调制举例
通信系统
2014 春 分级调制还可以配合不同卷积码率码率
►例：高优先级码率：即ＱＰＳＫ　时，编码率为１／２，△／Ｔｕ＝　１／４　时，传输码率为４．９８Ｍｂ／ｓ。

►低优先级码率：即１６ＱＡＭ　时，编码率值５／６，，△／Ｔｕ＝　１／４　时，传输码率为１６．５９Ｍｂ／ｓ。

►分级调制后采用６４ＱＡＭ　调制可传送总码率４．９８　＋　１６．５９　＝　２１．５７Ｍｂ／ｓ。

OFDM 调制
通信系统
2014 春⏹多载波正交频分复用
►保护间隔抵抗ＩＳＩ
►每个子载波可以认为是平衰落
⏹具有FEC 后成为COFDM
►使用ＳＮＲ高的子载波通过ＦＥＣ来恢复低ＳＮＲ的子载波
⏹使用了快速傅立叶变换[FFT]
►“２ｋ”　和“８ｋ”　模式
通信系统
2014 春
Transmitted Symbol 保护间隔Guard Interval
有用的符号Useful Symbol
T G T S
T U
1/4
1/81/16
1/
32
保护
通信系统2014 春
DVB-T 帧结构
1 个超帧＝4 个OFDM 符号帧，1 个符号帧含68 OFDM 符号，持续周期为T F
OFDM 符号＃1OFDM 符号＃68
OFDM 符号＃1
OFDM 符号＃68
OFDM 超帧
OFDM 符号T F
OFDM 符号T F
Tu
△
通信系统
2014 春DVB-T的OFDM符号
复制
循环前缀DFT循环
前缀
DFT
复制信号帧
△Tu
⏹2K和8K模式
⏹循环保护间隔1/4,1/8,1/16和1/32
通信系统2014 春
DVB-T的导频
⏹分散导频142（2k模式）568（8k模式）⏹连续导频45 （2k模式）177 （8k模式）⏹TPS 导频17 （2k模式）68 （8k模式）
….….….….
….Scattered pilot Continual pilot data pilot
Symbol 0Symbol 1Symbol 2Symbol 3Symbol 4Symbol 5
Symbol 67Kmin = 0
Kmax = 1704 if 2k Kmax = 6818 if 8k。