1、DVB 信 道 編 解 碼 與 調 制 解 調DVB 信 道 編 解 碼 與 調 制 解 調( 一) 梅劍平-全子一經過信源編碼和系統復接后生成的節目傳送碼流，通常需要通過某種傳輸媒介才能到達用戶接收機。傳輸媒介可以是廣播電視系統（如地面電視廣播系統、衛星電視廣播系統或有線電視廣播系統），也可以是電信網絡系統，或存儲媒介（如磁盤、光盤等），這些傳輸媒介統稱為傳輸信道。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的，必須經過某種處理，使之變成適合在規定信道中傳輸的形式。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），實現信道編碼的系統稱為傳輸系

2、統(Tran在工程應用中，信道編碼過程一般被分為兩環節：負責傳輸誤碼的檢測和校正的環節稱為信道編解碼，負責信號變換和頻帶搬移的環節稱為調制解調。一個實際的數字傳輸系統至少要包括上述兩個環節中的一個環節，一般DVB的系統都是由上述兩個環節構成的，因此DVB系統常被稱為DVB信道編解碼器與調制解調器。-我們知道，MPEG-2的TS碼流是經過了高倍壓后的數字電視信號,壓縮編碼大大節省了傳輸頻道，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，但在數字電視中則可能在恢復圖像中造成大塊的失真，嚴重時甚至使整個系統無法工作。定性

3、而論，壓縮倍數越高，數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圖像或聲音中造成的損傷就越嚴重，對傳輸可靠性的要求也就越高。美國“大聯盟（GA：GrandAlliance）”系統中規定，傳輸系統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DVB-S標準中則要求傳輸系統將傳輸誤碼糾正到10-10-10-11的水平。可以看出，上述指標對數字電視的傳輸系統的要求是相當高的，不僅遠高于模擬電視系統，甚至高于一般的數字通信系統，如數字電話傳輸系統中，誤碼率通常僅要求為10-3-10-6。為滿足這種指標要求，近年來各國在DVB的傳輸系統方面進行了大量的研究，很多數字通信領域

4、里的前沿新技術被應用于DVB傳輸系統中。-與其它事物的發展歷程一樣，DVB傳輸統也經歷了一個從落后到先進，從模擬到數字的發展過程。DVB的發展實際上起源于高清晰度電視（HDTV的研究。日本NHK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統方案-MSE，由于在其研究過程中數字通信技還不十分成，MUSE的傳輸系統采用的是模擬通信技術，使用模擬調頻技術通過衛星進行廣播。其后，在西歐英，法，西德等多國共同參加的尤里卡95計劃，提出了以復用模擬分量（MAC）制為基礎的HDTV方案D-MAC，HD-MAC的傳輸系統仍然采用了模擬通信技術，同樣使用了模擬調頻技術，通過衛星進行廣播

5、。可以看出，八十年代中期以前，模擬通信技術在新一帶電視傳輸的研究中占了上風。由于數字通信技術固有的“門限效應”，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目，而另一個則完全收不到節目。因此當時國際上對未來一代電視傳輸系統是采用數字通信技術還是模擬通信術爭論十分激烈，甚至不少專家權威都傾向于模擬通技術。-8年代中期以后，數字通信技術得到了迅猛發和日益廣泛的應用，在越來越多的應用領域取代了模擬通信技術。這一變化也深刻影響到DVB及HDTV傳輸系統的發展。突破性的進展發生在90年代初，由美國聯邦通信委員會（FCC）組建的先進電視顧問委員會（ACATS）對當時向ACATS提交的六套HDTV在美

6、國被稱為“先進電視（ATV）”系統進行了測試和比較。這六套系統中包括ACTV和日本的MUSE兩套模擬傳輸系統，以及DigiCipher、DSC-HDTV、ADTV和CC-DigiCipher四套數字傳輸系統。從1993年ACATS公布的測試結果來看，四套數字傳輸系統的性能均明顯優于模擬傳輸系統。這一測試結果結束了新一代數字電視及HDTV的傳輸系統中數字通信技術與模擬通信技術之爭，確立了數字通信技術的地位，從此，全數字系統即數字壓縮編碼和數字傳輸的思想成為數字電視和HDTV研究的基本思想。-從那時起，全數字式的數字電視及HDTV得到了迅猛發展，各國紛紛提出了多種系統方案，并根據傳輸系統方案的不同

7、逐漸以美國和歐洲為核心形成了兩大體制：-美國在1993年ACATS所測試的四套全數字ATV系統的基礎上，于1993年5月成立了由四套系統的開發者共同組成的“大聯盟（GA：GrandAlliance）”。經過進一步的測試比較，GA發現DSC-HDTV的VSB傳輸系統方案的性能優于其它三種系統。1995年11月，GA系統方案被ACATS正式提交給FCC，方案規定其傳輸系統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系統方案已于1996年12月被FCC接受為美國ATV的國家標準。在歐洲，HD-MAC雖然在1992年的巴塞羅那奧運會上被

8、試用，但到1993年時歐共體已決定放棄HD-MAC，而將目標轉向全數字式的數字電視和HDTV上。在這前后歐洲推出的方案主要有：英國NTL的SPECTRE數字電視系統、法國Thomson的DIAMONDHDTV系統、法國CCETT的SPERNEHDTV系統和瑞典、丹麥、挪威合作開發的HD-DIVISION系統，這些系統的一個突出特點是傳輸系統中采用了一種新型的并行傳輸技術編碼正交頻分復用（COFDM）技術。由于HDTV節目源稀少，制作困難，難以形成市場，歐洲隨即將目標轉向了標準數字電視（DTV）上，并成立了專門的機構，發布了一系列標準，這就是DVB標準。實際上，對傳輸系統而言，DVB與HDTV是

9、沒有區別的，因為傳輸系統所面臨的傳輸對象都是二元比特流，為HDTV所開發的傳輸系統和傳輸技術都可以移植到數字電視系統中。DVB是一個系列化的全數字電視標準，根據不同的傳輸媒介采用不同的傳輸系統，地面廣播模式中采用COFDM系統，CATV模式中64QAM系統，衛星廣播模式中采用QPSK系統。-綜上所述，DVB以及HDTV經過二十余年的探索，目前各國在視頻音頻編碼方案上已統一于MPEG-2標準，分歧主要集中于傳輸系統上。根據所采用的傳輸系統方案，以美國GA系統和歐洲DVB系統為代表，形成了兩大流派。從目前的對比結果來看，這兩種系統在技術上難分優劣，并已發展成為各自國家或地區的數字電視及HDTV的標

10、準。可以說，未來DVB及HDTV的體制是統一于一種世界標準，還是象現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方案上能否融合成一種系統。由于這一原因，使得傳輸系統成為當今世界DVB及HDTV領域分歧最大，爭論最多，也是最熱門的研究課題。DVB傳輸系統DVB是一個系列標準，各標準在視頻音頻編碼方案和系統復接方案上是一致的，都符合MPEG-2標準，區別主要在于傳輸系統采用不同的方案，分別適用于不同的傳輸媒介和應用環境。截止到1997年已發布的DVB標準及適用的傳輸媒介如下：DVB-S(Satellite)：采用11/12GHz衛星頻段進行傳輸的DVB系統標準，廣泛適用于各種轉發器

11、的頻帶和功放。DVB-C(Cable)：采用有線電視系統進行傳輸的DVB系統標準。DVB-T(Terrestrial)：采用地面廣播進行傳輸的DVB系統標準。DVB-CS：采用共用電視天線(SMATV)接入用戶的DBV系統標準，可與DVB-C或DVB-S聯合使用。DVB-MC：在DVB-C傳輸系統基礎上，采用10GHz以下頻率的MMDS直接向觀眾家庭傳送的DVB系統標準。DVB-MS：在DVB-S傳輸系統基礎上，采用10GHz以上頻率的MMDS直接向觀眾家庭傳送的DVB系統標準。DVB-SI：DVB服務信息系統標準，它使得DVB解碼器能夠進行自我配置，并幫助用戶瀏覽DVB環境。DVB-TXT：

12、DVB固定格式的圖文電視標準。DVB-CI：DVB條件接收以及其它應用的公共接口標準。DVB-RCT：DVB在有線電視傳播系統中的上行回傳信道標準。DVB-RCC：DVB在共用電話交換網(PSTN)和綜合業務數字網(ISDN)中的上行回傳信道標準。DVB-NIP：DVB雙向交互業務中與具體傳輸網絡無關的協議標準。DVB-PDH：DVB與準同步數字系列(PDH)網絡的接口標準。DVB-SDH：DVB與同步數字系列(SDH)網絡的接口標準。DVB-M：DVB系統的測試指標。DVB-PI：DVB與有線電視和SMATV前端的接口標準。DVB-IRDI：DVB綜合接收機/解碼器(IRD)的接口標準。DV

13、B系列標準中的傳輸系統可分為三類：第一類適用于廣播信道，如DVB-S、DVB-C、DVB-T、DVB-CS、DVB-MC、DVB-MS等，這一類系統要通過高頻信道進行廣播，因此其傳輸系統包含了信道編解碼和調制解調兩個環節；第二類適用于PDH電信網絡，如DVB-PDH，這一類系統通過基帶傳輸，傳輸系統僅包含了信道編解碼環節；第三類適用于SDH電信網絡，如DVB-SDH，這一類系統也是通過基帶傳輸的，但一般不需傳輸系統。數字通信與模擬通信DVB傳輸系統是一個全數字的通信系統，它與傳統的模擬電視傳輸系統有著本質性的區別，在全面介紹DVB傳輸系統之前，我們首先簡要討論一下數字通信技術與模擬通信技術的關

14、系。-通信中有兩個基本概念：信息和信號。根據信息論的定義，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中進行傳輸。具體到DVB系統中，信息就是電視臺所要傳送給用戶的節目，而信號就是用于表示和傳輸節目的亮度信號、色度信號和伴音信號，以及進一步變換產生的實際傳輸的電視信號。信息與表示和承載它的信號之間存在著對應關系，這種關系稱為“映射”，接收端正是根據事先約定的映射關系從接收信號中提取發射端發送的信息的。信息與信號間的映射方式可以有很多種，不同的通信技術就在于它們所采用的映射方式不同。在傳統的模擬通信中，信號是“連續地”與信息進行映射的。這種連續性

15、表現在兩個方面：在時間上，信號在每一個時刻都承載著新的信息；在數值上，在系統設計規定的范圍內信號的每一種數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種數值都代表著發送端發送出來了新的信息。例如在模擬電視中，接收到的Y信號在正程時間內的每一時刻上的每一個合法幅值都代表著節目灰度級的變化。在數字通信中，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，在同一個周期內的各時刻上的信號都對應同一個信息，例如在二元數字通信系統中，一個傳輸周期內的信號都代表著同一個“0”信息或“1”信息；在數值上，只有有限的幾個

16、規定的信號數值是合法的，代表著信息，其它數值都是非法的。例如在二元數字系統中，只有兩種合法的信號數值，而在四元數字系統中，只有四種信號數值是合法的。通信系統的目的是傳輸信息，衡量通信系統質量的最主要的指標有兩個：傳輸信息的可靠性和有效性。可靠性是指接收信息的準確度，而有效性是指在單位頻道內能夠傳輸的信息量的多少。對一個通信系統而言，這兩個指標是互為矛盾而又互相聯系的，在實際應用中常犧牲一項指標而換取另一項指標。下面我們就從可靠性和有效性方面說明為什么數字通信優于模擬通信。數字通信與模擬通信在映射方式上的差異，導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

17、發生的任何數值上的變化，都將導致所傳信息的失真，因為在規定范圍內的任何信號數值都是合法的，接受機無法分辨所接收到的信號數值是由于傳輸干擾而發生了變化，還是發送端本來發送的就是這一數值。也就是說，信號波形的每一點失真都會導致信息丟失。數字通信則不同，由于在一個傳輸周期內的信號所傳輸的都是同一信息，接收機只須提取其中一個時刻點上的信號就可知道發送端在這個周期內發出的信息，這一時刻點稱為采樣點。因此在數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值，即是發送端可能發送的，當接收信號由于傳輸過程中

18、的干擾而發生數值上的變化時，就會成為非法數值。接收機首先可以發現這種信號失真，然后將接收信號與各合法信號數值做比較，按照最近臨的原則將其判決為與之最接近的合法信號數值。這樣當傳輸干擾不太大時，數字通信技術就有可能糾正信號失真而不發生信息丟失。例如在一個二元數字通信系統中，發送端發出“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，映射關系為+A信號代表發送端發出的是“1”，-A信號表示發送端發出的是“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生了變化。在采樣點m處，信號幅度由+A變為+B，在采樣點n處，

19、信號幅度由-A變為-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信號數值后就會判定傳輸信號發生了失真。然后接收機根據最近臨原則將+B和-C分別與+A、-A兩個合法數值進行比較，由于+B更接近于+A，接收機就判定采樣點m處發送端發出的信號實際上是+A；同樣由于-C更接近于-A，接收機判定采樣點n處發送端發出的信號實際上是-A。根據收發兩端約定的映射規則，信號+A對應于信息“1”，-A對應于“0”，接收機就可以知道發送端在上述兩個傳輸周期內實際發出的信息是“1”、“0”。可見，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字通信技術

20、對傳輸干擾具有較強的抵抗能力，實際的數字通信系統是遠較此過程復雜的。上述例子中我們假設傳輸干擾較小，因此最終沒有發生信息丟失。但在實際應用中，干擾常常是很嚴重的，這樣就有可能使得m采樣點的信號幅值經過信道傳輸后小于0，接收機按照最近臨原則將其判決為-A，并根據映射規則認為在此周期內發射端發送出的信息為“0”，最終造成了信息丟失。對于這種情況，數字通信系統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。由于數字信號都可以用某種進制的數值表示，按照某種糾錯算法對數字信號進行數值運算，接收機就可以在一定范圍內發現甚至糾正傳輸差錯。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所追

21、求的最重要的指標之一。模擬通信基本上沒有辦法控制傳輸效率，只有單邊帶調幅（SSB）或殘留邊帶調幅（VSB）可以節省近一半的傳輸頻帶。數字通信中的調制技術遠遠多于模擬調制技術。在傳統的調幅、調相、調頻技術中，常用的數字調制技術有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合調制的QAM技術，目前數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等特殊的調制技術，為某些專門應用環境提供了強大的工具。近年來，四維調制等高

22、維調制技術的研究也得到了迅速發展，并已應用于高速MODEM中，為進一步提高傳輸效率奠定了基礎。總之，數字通信所能夠達到的傳輸效率遠遠高于模擬通信，調制技術的種類也遠遠多于模擬通信，大大提高了用戶根據實際應用需要選擇系統配置的靈活性。在數字通信系統中，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，實際通信系統設計的任務就是在這兩者之間作綜合考慮。例如在衛星通信中，由于信號衰減很嚴重，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調制技術。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。而在數字

23、微波通信中，由于干擾較小，信道環境較好，因此采用了256QAM這種高效調制技術，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，從節目復用器和傳送復用器中生成的都是標準的MPEG-2的TS碼流。當進行數字廣播時，根據傳輸媒介，選用相應的傳輸系統，通過糾錯編碼和調制，將TS碼流變換成射頻信號。PDH網是現有的電信網的一種，是一種全數字的通信網。PDH網中傳輸速率被規定為有限的幾種，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2.048Mbp

24、s,8.448Mbps,34.368Mbps和139.264Mbps。PDH常被用于臺與臺之間交換節目，以數字微波為傳輸媒介。對DVB而言較常用的是8.448Mbps和34.368Mbps兩種級別，傳輸一路MPEG-2節目碼流可選用8.448Mbps級別，34.368Mbps級別可用于四路或更多路同時傳輸。對節目發送者和接收者而言，PDH網是一個基帶傳輸系統，即發送者將規定速率的節目碼流送入PDH網，接收者將接收到相同速率和格式的節目碼流，因此DVB-PDH傳輸系統中不需要調制解調器。由于數字微波系統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生損傷，因此DVB-PDH傳輸系統

25、中需要信道編解碼器。SDH是一種新型的數字通信網絡，適用于長途骨干傳輸網，傳輸高速信息。與PDH一樣，SDH也具有規定的速率級別，目前常用的級別為155.520Mbps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，特別適用于活動圖像之類的寬帶信息通信。SDH和ATM技術近年來發展十分迅速，兩者相結合，將在下一世紀成為臺與臺之間交換遠程交換節目的主要途徑。SDH以光纖為傳輸媒介，幾乎沒有傳輸干擾，因此DVB-SDH標準中沒有特殊的傳輸系統，只有SDH成幀接口或ATM適應層接口。盡管DVB可適用于多種傳輸媒介，但廣播仍是DVB最主

26、要的傳輸媒介，決大多數用戶將通過廣播信道接收DVB節目，因此DVB標準是以DVB-S、DVB-C、DVB-T和DVB-SC四個適用于廣播信道的標準為核心的。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重，適用于廣播信道的DVB傳輸系統技術最為復雜，結構也最為完善，將其做適當的簡化和修改，即可適用于其它類型的信道。為能全面介紹DVB傳輸系統的技術和結構，我們在下文中以廣播信道上的DVB傳輸系統為例進行討論。（作者前為北京郵電學院博士后，后為北京郵電學院教授）DVB信道編解碼與調制解調(二)梅劍平全子一在DVB的廣播信道中，衛星廣播、CATV和地面廣播是三類最主要的形式，因此D

27、VB-S、DVB-C和DVB-T是應用最為廣泛的傳輸系統，下面我們就重點介紹DVB-S、DVB-C和DVB-T三種標準的傳輸系統。這三種傳輸系統中的技術和參數有所不同，但如果拋開具體形式，它們在本質上卻具有相同的基本結構。DVB傳輸系統只包括了中頻以下的部分，這是因為調制到中頻以后，DVB數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傳輸系統與傳統的模擬電視系統基本相同，因此我們這里僅介紹中頻以下的部分。DVB傳輸系統是由發射端和接收端兩部分構成的，而且兩部分中的技術環節是一一對應的。對傳輸系統而言，所要達到的最根本的目標是要將發射端復用器生成的TS碼流無失真地完整地

28、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，無失真的理想指標在實際應用中是達不到的，在進入接收端分接器的TS碼流中總會混有一定數量的誤碼，因此傳輸系統在實際應用中所要達到的目標就是使傳輸誤碼足夠少，以達到系統設計的誤碼指標。按所實現的功能歸納，DVB傳輸系統主要由以下五個部分構成：1、數據擾亂-數字通信理論在設計通信系統時都是假設所傳輸的比特流中“0”與“1”出現的概率是相等的，各為50%，實際應用中的通信系統以及其中的數字通信技術的設計性能指標首先也是以這一假設為前提的。但TS碼流經過編碼處理后，可能會在其中出現連續的“0”或連續的“1”。這樣一方面破壞了系統設計的前提

29、，使得系統有可能會達不到設計的性能指標，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”之間的波形跳變實現的，而連續的“0”或連續的“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傳輸系統的數據碼流中“0”與“1”的概率都能基本相等，傳輸系統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準的偽隨機序列發生器生成的，其中“0”與“1”出現的概率接近50%。由于二進制數值運算的特殊性質，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，擾亂后的數據碼流中的“0”與“1”的概率都接近50%。擾亂

30、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，以恢復原TS碼流。從信號功率譜的角度看，擾亂過程相當于將數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、糾錯編碼數字通信雖然較模擬通信相比有較強的抗干擾的能力，但當干擾較大時仍然可能發生信息失真，因此必須采取措施進一步提高傳輸系統的可靠性，糾錯編碼就是為這一目的提出的。糾錯編碼是數字通信特有的，是模擬通信所不具備的。糾錯編碼利用數字信號可以進行數值計算這一特點，將若干個數字傳輸信號作為一組，按照某種運算法則進行數值運算，然后將傳輸信號和運算結果（也是數字信號）一起傳送給接收機。由于一組

31、傳輸信號和它們的運算結果間保持著一定的關系，如果傳輸過程中發生了錯誤，使得傳輸信號或運算結果中產生了錯誤數碼，這種關系就會遭到破壞。接收機按規定的運算法則對接收的一組傳輸信號及其運算結果進行檢查，如符合運算法則，則認為傳輸信號中沒有誤碼，然后將運算結果拋棄，將傳輸信號送給下一級處理系統，如數據解擾器；如不符合運算法則，就意味著傳輸中發生了誤碼，如果誤碼的數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，如果誤碼的數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，將發出一個出錯信號給下一級處理系統，通知下一級處理系統傳輸信號中

32、有誤碼。任何糾錯編碼的糾錯能力都是有限的，當信道中的干擾較嚴重，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。針對這種情況，DVB通信系統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，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，而處于內層的糾錯編/解碼一般被稱為內層糾錯編碼。內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碼中存在一個誤碼的話，經過外層糾錯編碼后，誤碼率一般可降至1

33、0-5的水平；而如果內層糾錯編碼將傳輸誤碼糾正到10-4的水平的話，經過外層糾錯編碼后，誤碼率一般可降至10-8的水平。在目前的DVB傳輸系統中，外層糾錯編碼采用RS碼，內層糾錯編碼采用卷積碼。內層的卷積糾錯編碼雖然具有很強的糾錯能力，但一旦發生無法糾正的誤碼時，這種誤碼常常呈現連續發生的形式，也就是說，經卷積解碼器糾錯后輸出的碼流中的誤碼常顯連續的形式。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的誤碼。這些連續誤碼落在一組外層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據交織環節。數據交織改變了信號的傳

34、輸順序，將連續發生的誤碼分散到多組RS碼中，落在每組RS碼中的誤碼數量就會大大減少，不會超出RS碼的糾錯能力，RS碼能夠將其糾正過來。實踐證明，數據交織提高了系統的糾錯能力，特別是對沖激噪聲的糾錯能力。3、數字調制傳輸信息有兩種方式：基帶傳輸和調制傳輸。由信源直接生成的信號，無論是模擬信號還是數字信號，都是基帶信號，其頻率比較低。基帶傳輸就是將信源生成的基帶信號直接傳送，如音頻市話、計算機間的數據傳輸等。基帶傳輸系統的結構較為簡單，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，必須采用調制傳輸的方式。調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

35、制后的基帶信號稱為通帶信號，其頻率比較高。DVB傳輸系統是數字傳輸系統，因此其中采用的調制技術是數字調制技術。數字調制的基本任務有兩個：第一個任務同模擬調制一樣，將不同的節目傳輸信號搬移到規定的頻帶上，這一功能是由圖3中的調制器和解調器實現的，它實質上是一個載波耦合的過程；第二個任務是控制傳輸效率，在DVB傳輸系統中，可根據需要將頻帶利用率從2bit/s/Hz提高至6bit/s/Hz，這相當于提供了2-6倍的壓縮，這一功能是由圖3中的映射和反映射實現的。實際上，數字調制的主要目的在于控制傳輸效率，不同的數字調制技術正是由其映射方式區分的，其性能也是由映射方式決定的。我們可以注意到，一個數字調制

36、過程實際上是由兩個獨立的步驟實現的：映射和調制，這一點與模擬調制不同。映射將多個二元比特轉換為一個多元符號，這種多元符號可以是實數信號（在ASK調制中），也可以是二維的復信號（在PSK和QAM調制中）。例如在QPSK調制的映射中，每兩個比特被轉換為一個四進制的符號，對應著調制信號的四種載波。多元符號的元數就等于調制星座的容量。在這種多到一的轉換過程中，實現了頻帶壓縮。應該注意的是，經過映射后生成的多元符號仍是基帶數字信號。經過基帶成形濾波后生成的是模擬基帶信號，但已經是最終所需的調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制信號，這一步由圖3中的調制器實現。4、均衡-為了防止傳輸

37、符號間的相互串擾，數字通信系統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能是完全理想無失真的，因而經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擾。符號間串擾與噪聲干擾不同，它來自傳輸信號本身，某個采樣點處的符號間串擾來自于相鄰信號采樣點。符號間串擾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擾同時增大，符號間串擾是一種乘性干擾。符號間串擾嚴重時會使整個系統無法工作，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中也經常采用，但一般在頻率域中進行，稱為頻域均衡。在數字通信系統中采用的是時域均衡。時域均衡在時

38、間域內進行，采用有限沖激響應濾波器（FIR）實現。它的優點是可以利用數字信號處理理論和超大規模集成電路技術，具有設計準確、實現方便的特點。5、同步與時鐘提取同步是指接收機在某個系統工作頻率上與發射機保持一致，其間的偏差不超出設計規定的范圍。同步問題在模擬通信系統中也存在，比如在同步解調時，接收機必須首先生成一個在頻率和相位都與發送載波一致的本地載波，解調器才能進行解調，即接收機需要與發射機保持載波上的同步。載波同步在數字通信系統中也同樣需要，但在數字通信系統中還有兩種更重要的同步。第一種同步是比特和符號同步。數字接收信號在解調后就以符號或比特的形式呈現，前文說過，數字信號的處理以符號或比特為單

39、位，在采樣點處進行。為了準確地在采樣點處讀寫信號數值，接收機首先需要生成一個在標稱頻率上與發送符號或比特的頻率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圍繞標稱值波動，使得符號時鐘和比特時鐘與發送信號的頻率間產生偏差。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

40、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允許的范圍之內，這種措施稱為“鎖相”，實現鎖相的設備稱為鎖相環。鎖相環在數字通信系統中具有舉足輕重的地位，鎖相環性能不佳有可能使得整個系統無法工作。第二種同步是傳輸幀同步。數字通信系統中傳輸數據時是以將數據分成具有一定格式的組來傳輸的，這種組稱為傳輸幀。糾錯編/解碼、數據交織/反交織以及均衡都是按數據幀進行的，因此接收機在進行數據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。只有當這三

41、種同步建立完成之后，接收機才能開始正常工作。同步系統的性能對接收機非常重要，許多接收機在實際應用中工作狀態不穩定都是由其同步系統所導致的。除上述5個主要部分外，DVB傳輸系統還有幾個次要一些的部分：基帶接口負責DVB傳輸系統與MPEG-2復/分接系統間的適配，因為上述兩個系統接口的信號碼型和電平可能有所不同，基帶接口負責其間的轉換。由于這一接口處的信號為數字基帶信號，因此稱為基帶接口。為了避免相鄰傳輸信號之間的串擾，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。根據奈奎斯特第一準則，在實際通信系統中一般均使接收波形為升余弦滾降信號。

42、這一過程由發送端的基帶成形濾波器和接收端的匹配濾波器兩個環節共同實現，因此每個環節均為平方根升余弦滾降濾波，兩個環節合成就實現了一個升余弦滾降濾波。實現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，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”是針對發射端的成形濾波而言，與成形濾波相匹配實現了數字通信系統的最佳接收。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傳輸系統必不可少的，只是技術上比較成熟了而已。與壓縮編、解碼系統不同，數字傳輸系統中糾錯解碼器的結構

43、遠較糾錯編碼器的結構復雜，解調器的結構也較調制器的結構復雜，接收端的同步系統也遠較發射端的同步系統復雜，此外在接收機中還需要發射機中沒有的均衡器，因此傳輸系統中接收機的成本遠高于發射機的成本。DVB廣播信道DVB傳輸系統之所以具有如此的結構，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，需要通過調制技術來調整頻帶效率；由于信道中存在各種干擾，需要采用各種糾錯及均衡技術消除干擾。可以說，傳輸系統中的所有環節和技術都是為適應信道特性服務的，信道特性是傳輸系統設計的基礎。為了更好地理解DVB傳輸系統，對DVB廣播信道的特性進行深入分析是必不可少的。DVB廣播信道包括衛星廣播信道、有線電

44、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的設計產生影響的信道特性，上述三種廣播信道則可歸納為統一的信道模型中。信道模型是從實際信道中抽取出來的數學模型，用于設計通信系統。因此對于不同的通信系統同一個信道可能會建立出不同的信道模型。例如設計模擬通信系統時，所建立的信道模型應為模擬信道模型；而設計數字通信系統時，所建立的信道模型應為數字信道模型。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字基帶傳輸系統建立模型時，信道中的傳輸信號和干擾信號經過解調后最終都將被轉換成對基帶數字通信系統的影響

45、，呈現為基帶數字信號的形式。因此在數字通信系統的設計中，一般采用“等效基帶”的形式建立信道模型：發射信號和接收信號以調制前或解調后的基帶數字信號表示，稱為“等效基帶發射信號”或“等效基帶接收信號”，干擾信號以解調后進入基帶通信系統中的基帶數字信號表示，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傳輸系統的設計。應該說，對于DVB廣播信道，目前國際上尚無統一的信道模型，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。這個模型發表于國際電子和電氣工程師協會（IEEE）學

46、報上，并曾用于美國先進電視系統（ATV）的測試中。我國“八五”科技攻關項目“HDTV傳輸制式關鍵技術的研究”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，不同的信道環境也可能不盡相同，但從性質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提取它的統計特性，但有時統計特性分析比較復雜，或很困難，在這種時候可以從一些典型的實測數據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，地面廣播中發射信

47、號的電磁波遇到山脈、樹木及樓房而產生反射，反射信號進入接收機中就會造成回波干擾。有線電視系統中，由于網絡節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。衛星廣播中因為天線的方向性很強，一般不存在回波干擾。回波干擾在模擬電視中造成的就是重影，而在數字電視系統中造成的是數字通信中所謂的“符號間干擾（ISI：Inter-SymbolInterference）”。ISI是數字通信系統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生的ISI

48、要輕。但在數字電視系統中，回波是造成ISI最主要的原因，為了遵從習慣，數字電視中一般仍將ISI稱為回波干擾。從接收機的角度來看，回波干擾相當于將發射信號延時，再進行幅度衰減和相位旋轉后，疊加在原發射信號上，因此回波信號對通信系統的設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。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射信號而言的相對時延。也就是說，以發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，數字通信系統中是以比特或符號為單位進行信號處理的，因此回波時延的統計也應以相應的數字通信系統的符號周期為單位，因為時延范圍在同一個符

49、號周期內的回波將以大體相同的方式對這一周期的信號抽樣值產生干擾。在統計時一般將時延范圍在同一個符號周期內的回波疊加在一起，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數字通信系統的符號周期T的整數倍。回波干擾的信道模擬由圖4中上半部的帶抽頭的移位寄存器實現。發射信號s(t)首先通過一系列延時為T的移位寄存器，這里的T就是對應的數字通信系統的符號周期，移位寄存器的個數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，經過幅度衰減和相位旋轉后就相當于一條回波；再將這些回與發射信號相加，就得到了經過回波干擾的接收信號r(t)。需要注意的是，回波干擾

50、對數字信號的影響是與信號的符號速率密切相關的，相同時延的回波干擾對不同符號速率的傳輸信號的影響是不同的，符號速率越高，影響越嚴重。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經過大量分析和研究，認為其概率分布符合泊松分布。回波時延的最大長度以地面廣播信道中的為最長，在山區回

51、波可達20微秒以上；平原地區在大都市中由于高樓大廈的影響，回波也較長，一般為8-10微秒；郊區回波相對短一些，一般僅2-3微秒。表1中所列的回波參數是一組平原地區的實測數值，以前曾用于美國NTSC測試鬼影消除器，后被廣泛用于數字電視系統的研究中，我國“八五”科技攻關項目“HDTV傳輸制式關鍵技術的研究”中也采用了這組回波參數。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，相位也回發生旋轉。這里所說的幅度衰減和相位旋轉也不是指回波的絕

52、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。發射信號在傳輸過程中雖然也會發生幅度衰減和相位旋轉，但到達接受機后通過放大器會將接收信號的功率恢復到一個標稱值，相位旋轉在解調時也會得到補償。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。因此實際對接收機的工作過程產生影響的回波幅度和相位是經過放大和旋轉后的幅度和相位。前文說過，圖4中

53、的每一路回波實際上是由多條時延在同一個符號周期內的回波構成，因此每一路回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，彼此之間沒有關系，這在概率論中稱為“非相關”。日本的Hirofumi在大量實測數據分析的基礎上，得出如下結論：回波幅度在幾百個波長的近距離內服從Rayleigh分布，在更大的距離范圍內服從對數正態分布。回波的相位在0,2)間服從均勻分布。另外，從表1中我們還可以發現，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系統中在描述回波干擾時常用到一個指標D/U。D/U是指接收

54、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重程度。D/U越小，表示回波干擾越嚴重。-回波干擾的頻率響應呈現周期性的衰落，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都必須面對的問題，地面廣播、衛星廣播和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備外部噪聲干擾，又有來源于有源

55、器件中電子或載流子運動的起伏變化，電阻的熱噪聲等設備內部的噪聲干擾。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的，根據概率論的有關理論，它們的合成信號服從正態分布，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

56、特性，這種等效合成噪聲干擾被稱為“高斯白噪聲”。高斯白噪聲是通信系統設計過程中最常使用的干擾模型，實際上，數字通信系統中的關鍵技術通常都是按高斯白噪聲信道設計的。沖激噪聲干擾是一種突發性的噪聲干擾，它的特點是不經常發生，但一旦發生在其持續時間內強度遠大于高斯白噪聲，此時對通信系統的影響也較大。沖激噪聲主要來源于閃電、各種工業電火花和電器開關的通斷等。沖激噪聲雖然也是隨機變量，但由于不經常發生，所以一般不用統計特性來描述，在DVB系統中僅對其持續時間長度作規定。3、同頻干擾同頻干擾僅存在于數字地面同播方式中，衛星廣播和CATV中沒有這一干擾。而數字地面廣播中如不采用同播方式時也不存在這種干擾。所

57、謂“同播(simulcast)”是指在數字電視的地面廣播中，將數字電視放置在“禁用頻道(Taboo)”上進行廣播。禁用頻道為相鄰服務區的模擬電視所使用，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，由于數字通信具有較強的抗干擾能力，因此DVB傳輸信號的發射功率可以遠低于模擬電視的發射功率。這樣DVB發射信號不會對相鄰服務區的模擬電視接收機產生影響，但相鄰服務區的模擬電視發射信號卻可能會對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）。（作者前為北京郵電學院博士后，后為北京郵電大學教授）DVB信道編解碼與

58、調制解調(三)梅劍平 全子一數字通信的關鍵技術DVB傳輸系統中采用了許多數字通信技術，包括一些最新發展的先進技術，下面我們對其中的一些比較關鍵的技術作進一步的討論。 1. 糾錯編碼 2. 糾錯編碼是數字通信系統的一大優點。糾錯編碼主要有三種類型：前向糾錯（FEC）、檢錯重發（ARQ）和混合糾錯（HEC）。后兩種類型用于雙向通信系統中，DVB屬于單向的廣播，因此DVB系統中采用的是FEC。 AAAA經過多年的不斷研究，糾錯編碼已發展了很多種類，技術上也比較成熟了。按照差錯控制能力分，糾錯編碼可分為檢錯碼、糾錯碼和糾刪碼。檢錯碼僅能檢測誤碼，糾錯碼僅可糾正誤碼，糾刪碼則兼有糾錯和檢錯能力。DVB系

59、統中使用的是糾刪碼。按照信息碼元和校驗碼元之間的約束方式不同，可分為分組碼和卷積碼。按照構造編碼的數學方法可分為代數碼、幾何碼和算數碼。代數碼建立在近世代數的基礎上，是目前發展最為完善的編碼。按照信息碼元和校驗碼元之間的檢驗關系不同，代數碼可分為線性碼和非線性碼。按照信息碼元在編碼后是否保持形式不變，線性碼又可分為系統碼和非系統碼。按照碼字的循環結構系統碼又可分循環碼和非循環碼。DVB系統中采用的是代數、線性、系統、循環碼。為了提高系統對誤碼的抵抗能力，DVB系統中同時使用了分組碼和卷積碼。在編碼器復雜度相同的情況下，卷積碼的性能優于分組碼；但分組碼有嚴格的代數結構，而卷積碼至今尚未找到嚴密的數學手段，可以把碼的糾錯性能與碼的構成十分