数字有线电视DVB-C信道编码器与解码器.doc

课程设计说明书 第II页
数字有线电视DVB-C信道编码器与解码器
摘要
数字电视，是将传统的模拟电视信号经过抽样、量化和编码转换成用二进制数代表的数字式信号，然后进行各种功能的处理、传输、存储和记录，也可以用电子计算机进行处理、监测和控制。采用数字技术不仅使各种电视设备获得比原有模拟式设备更高的技术性能，而且还具有模拟技术不能达到的新功能，使电视技术进入崭新时代。
数字电视是继黑白电视和彩色电视之后的第三代电视。数字电视是将模拟电视信号转换成数字信号,然后再对数字信号进行处理、传输、记录和控制的系统。数字电视已经作为在全国范围内开展的信息服务。机顶盒用于数字电视系统中将数字信号转变成模拟电视可以接收的信号,它是数字电视的过渡型产品。数字机顶盒也称数字电视综合解码器或数字电视综合接收机,通过数字机顶盒可以使用现有的模拟电视收看数字电视节目。本课题主要是是按照DVB-C接收数字电缆电视的技术标准设计并实现“标准清晰度数字电视机顶盒”中的信道编码器与解码器。
关键字：数字电视，信道编码器，解码器。

目 录
1绪论 1
1.1 数字电视简介 1
1.2 卫星数字电视系统 1
2有线数字电视 2
2.1有线数字电视基本的构成 2
2.2 DVB-C标准简述 2
3数字电视信道编码技术 3
3.1. 信道编码简介 3
3.2 差错控制系统 3
3.3. RS编码技术 4
3.4 数据交织技术 5
3.5 卷积编码技术 5
4 DVB-C信道解码技术 7
4.1 解交织 8
4.2 RS解码 8
4.3 解扰 9
总结 10
致谢 11
参考文献 12

课程设计说明书 第12页
1绪论
1.1 数字电视简介
数字电视，是从电视节目录制、播出到发射、接收全部采用数字编码与数字传输技术的新一代电视。它具有许多优点，如可实现双向交互业务、抗干扰能力强、频率资源利用率高等，它可提供优质的电视图像和更多的视频服务(如交互电视、远程教育、会议电视、电视商务、影视点播等)。
数字电视系统作为一个多媒体通信系统，有效性与可靠性是系统的两个重要指标，信源编码实质属于有效性编码的范畴，信道编码属于可靠性编码的范畴。
一个完整的数字电视系统包括数字电视信号的产生、处理、传输、接收和重现。
数字电视信号在进入传输通道前的处理过程一般如图1所示：
信号获取
信源编码
信道编码
调

制
卫星传输

地面无线传输

有线传输
图1 数字电视信号传输前的处理过程
1.2 卫星数字电视系统
按信号传输方式分类：数字电视可以分为地面无线传输（地面数字电视）、卫星传输（卫星数字电视）、有线传输（有线数字电视）三类。卫星广播具有覆盖面大、传输距离远、信息量大、信号质量高、不受地理条件限制等优点，近年来卫星广播事业得到了迅猛发展。在数字电视卫星广播中，通过采用数字化技术，并利用数据压缩编码技术，一颗大容量卫星可转播 100 ~ 500 套节目，其调制方式在世界范围内都统一采用QPSK(正交移相键控)方式。我国的卫星数字电视选用DVB-S标准。
2有线数字电视
2.1有线数字电视基本的构成
有线电视系统是采用缆线(电缆或光缆)等作为传输媒质来传送电视节目的一种闭路电视系统CCTV(Closed-circuit television)[用CCTV 称呼有线电视系统，容易与中国中央电视台的简称CCTV (China Central Television)，所以国内常常使用 CATV这个词(共用天线系统/有线电视Community Antenna Television)]，它以有线的方式在电视中心和用户终端之间传递声、像信息。所谓闭路，是指不向自由空间辐射，可供电视接收机通过无线接收方式直接接受的电磁波。基本组成(1) 接收信号源 (2) 前端设备(3) 干线传输系统。如干线放大器 (AGC)、 (ASC）和干线电缆或光缆 、(4) 用户分配网络 (5) 用户终端 电视接收、调频广播 、线缆调制解调器 (Cable Modem，PC机、IP电话等) 等。
2.2 DVB-C标准简述
DVB-C标准以有线电视网作为传输介质，应用范围广。它具有16、32、64、128和256QAM五种方式，工作频率在10GHz以下。2001年国家广电总局已颁布行业标准：《有线数字电视广播信道编码和调制规范》，该标准等同于DVB-C标准。DVB-C传输采用QAM（正交振幅调制）方式，该传输系统是一个全数字的通信系统，它与传统的模拟电视传输系统有着本质性的区别。DVB-C标准的传输系统分为信源编解码和信道编解码两部分。其中，信道编解码包括前向纠错编码、译码、调制、解调和上、下变频几部分。
DVB-C传输系统具有如下的主要特点：可与多种节目源相适配，DVB-C传输系统所传送的节目既可来源于从卫星系统接收下来的节目，又可来源于本地电视节目，以及其它节目信号；可用于标准数字电视又可用于高清晰度数字电视。
3数字电视信道编码技术
3.1. 信道编码简介
信道编码是通过按一定规则重新排列信号码元或加入辅助码的办法来防止码元在传输过程中出错，并进行检错和纠错，以保证信号的可靠传输。信道编码后的基带信号经过调制，可送入各类通道中进行传输。
信道编码是数字通信区别于模拟通信的显著标志其主要实现方法是通过增大码率或频带，即增大所需的信道容量。这一点恰好与信源编码为适应存储及信道传输要求而进行压缩码率或频带而相反。
数字电视系统信道编码技术主要包括纠错编码技术、数据交织技术、网格编码技术、均衡技术等，它们可提高数字电视信号的抗干扰能力，再利用调制技术即可将数字电视信号放在载波或脉冲串上，从而为信号发射做好准备。必须清楚，信道编码的实质是寻找适合数字电视信号在相应传输信道中的安全传输模式，使经过信道编码后的数字码流能够匹配信道传输特性、减少误码与差错。因此，信源编码以后的所有编码措施，包括扰码、交织、卷积等都可以划分到信道编码的范畴，由此可构造出信道编码结构框图，如图2所示
多路视频音频数据节目复用

复用匹配能量扩散

外码编码

数据交织

内码编码

基带形成

信道调制

图2 信道编码结构框图
3.2 差错控制系统
差错控制系统实现两部分功能：即差错控制编码与差错控制解码，其中差错控制编码是指在信源编码数据的基础之上增加一些冗余码元(又称监督码元)，使监督码元与信息码元之间建立一种确定关系，而差错控制解码是指在接收端，根据监督码元与信息码元之间已知的特定关系，来实现检错及纠错。在数字通信系统中，利用纠错检错码进行差错控制的基本方式大致可分为以下三类：前向纠错(FEC)、反馈重发(ARQ)与混合纠错(HEC)。
33. RS编码技术
里德一所罗门(Reed-Solomon)码，简称RS码，它是广泛应用在数字电视传输系统中的一种纠错编码技术。RS码以字节为单位进行前向误码纠正(FEC，Forward Error Correction)，它具有很强的随机误码及突发误码纠正能力。
从结构上看，RS码是一种码元长度为n、信息位长度为k的(n，k)型线性分组码，其中分组码是指在k位信息码元的后面按编码规则附加r位校验码元而构成码长为n的码字，并用(n，k)表示，而线性分组码是指分组码中的校验码元与信息码元之间满足线性变换关系。在纠错编码中，码字距离、特别是码字最小距离，是衡量一种码抗干扰能力大小的标准，码字最小距离越大，说明任何两个码字之间的最小差别越大，抗干扰能力越强。在所有的线性分组码中，RS码的汉明距离最大，因此RS码纠错能力最佳。
RS编码是一种非常有效的块编码技术，与其他以单个码元为基础的块编码技术不同，RS码以码组为基础，码组又称为符号，RS码只处理符号，即使符号中只有一个比特出错，也认为是整个符号出错。在RS(n，k)编码中，输入信号分成km比特一组，每组包括k个符号，每个符号由m比特组成，因此总码长n=k+r个符号，共有k个信息符号、r个监督符号，最小码距d0=2t+1个符号，RS码能够纠正t=r／2个符号的错误，通常一个可纠错t个误码字节的RS码可表示为(n，k，t)。
在DVB系统中，信道编码采用(204，188，t=8)的RS码，即n=204字节，k=188字节，即每188个信息符号要用16个监督符号，总码元数为204个符号，m=8比特(1字节)，监督码元长度为2t=16字节，纠错能力为一段码长为204字节内的8个字节，此RS码的长度在原理上应为n=2m-1=255字节，实施上述RS编码时，先在188字节前加上51个全0字节，组成239字节的信息段，然后根据RS编码电路在信息段后面生成16个监督字节，即得到所需的RS码。
3.4 数据交织技术
数据交织是指在不附加纠错码字的前提下，利用改变数据码字传输顺序的方法，来提高接收端去交织解码时的抗突发误码能力，通过采用数据交织与解交织技术，传输过程中引入的突发连续性误码经去交织解码后恢复成原顺序，此时误码分散分布，从而减少了各纠错解码组中的错误码元数量，使错误码元数目限制在RS码的纠错能力之内，然后分别纠正，从而大大提高了RS码在传输过程中的抗突发误码能力。
数据交织技术纠正突发误码的原理如图3所示。

图3 数据交织技术纠正突发误码原理图
由图3可见，mn个数据为一组，按每行n比特，共m行方式读入寄存器，然后以列的方式读出用于传输，接收端把数据按列的方式写入寄存器后再以行方式读出，得到与输入码流次序一致的输出，由此实现了交织与解交织。当在传输过程中出现突发差错时，差错比特在解交织寄存器中被分散到各行比特流中，从而易于被外层的FEC纠正。在上述数据交织中，每行的比特数n被称为交织深度，交织深度越大则抗突发差错能力就越强，但交织的延迟时间也越长，因为编解码都必须将数据全部送入存储器后才能开始，ATSC标准中交织深度为52，DVB-T标准中交织深度为12。
3.5 卷积编码技术
卷积编码又称内码或循环码，它是一种非分组码，其前后码字或码组之间有一定约束关系。在数字电视信道编码系统中，卷积编码是RS编码与数据交织的有效补充，当信道质量较差时，通常采用RS码与卷积码相级联的形式作为信道编码方案，如图4所示，卷积编码器可有k0个输入，n0个输出，通常 k0定的时间单元内，编码器的no个输出不仅与本时间单元的k0个输入有关，还与前面m个输入单元有关，一个典型的 (2，1，2)卷积编码器结构如图4所示。

RS编码

卷积编码

调

制

信

道

解

调
维特比译码

RS解码

图4 RS码与卷积码级联

图5 (2，1，2)卷积编码器
由图5可见，(2，1，2)卷积编码器有一个输入、两个输出，即k0=1、no=2，并通过开关使并行变串行输出，其中有两个移位寄存器 D1、D2及三个模二加法器，寄存器数为m=2，因而此(no，k0=0，m)卷积编码器是(2，1，2)卷积编码器，其任一输出码组与前后3个码组相关，即约束度N=3。通常，约束度Ⅳ等于移位寄存器数目加1，即N=m+1。
若将输入序列di=(11010)输入到图7的电路中，则寄存器的状态及编码输出为(di-2、di-1初始状态均为00)：di-1= (11010000)，di-2=(01101000)，输出端的编码关系为：C1=di di-1 di，C2=di di-2其中 表示异或。
若输出为：C1=(C11，C12，…，C1n)=(10001100)，C2=(C21，C22，…，C2n)=(11100100)，则卷积码的输出序列为：C(C11C21，C12C22，…，C1nC2n)：(1101010010110000)。
卷积码的解码可分为代数解码与概率解码两大类，代数解码方法完全基于其代数结构，利用生成矩阵和监督矩阵来解码，大数逻辑解码也是代数解码方法。概率解码还利用了信道统计特性，因此能用增加解码约束长度来减少解码的错误概率。概率解码比较实用的有两种方法：即序列解码与维特比 (Viterbi)解码，其中维特比解码在数字电视信道编码中应用非常广泛，其解码过程如下：
按照格状图从起始状态开始计算每个路径相应的输出码元与接收码元之间的汉明距离及路径总汉明距离；
在一定周期后，选取汉明距离小的路径作为候选路径，并继续扩展，候选路径可能为1条，也可能有多条，主要由总汉明距离决定，但一般到达同一状态的多条路径只选留1条；
到最后一个周期时，最后状态必须要回到起始状态，对于那些汉明距离小但不能到达起始状态的路径全部删除。
维特比解码分为硬判决解码与软判决解码两种，若解调器输出给解码器的是二元信号，称为硬判决解码，此时解码器中信号之间的差别用汉明距离表示；当解码器输出的是多电平信号时，称解调器为软判决解码，此时解码器中信号之间的差别用欧氏距离表示。软判决充分利用接收信号的信息，比硬判决性能优越，但实现难度也较大，数字电视接收中针对卷积码解码，主要采用维特比软判决的解码。
4 DVB-C信道解码技术
信道解码的方框图如图 6所示：信道编码中采用的技术有加扰、RS编码和交织，因此在接收端，信道解码器应该进行相反的处理过程，即完成信号的解交织、RS解码和解扰。

图6 信道解码方框图
4.1 解交织
RS编码对随机错误具有较强的纠错能力，然而，在实际信道中，许多错误是突发性的，也就是说发生错误时，往往具有很强的相关性，甚至连续一片数据都出错。突发性错误超出了RS编码技术的纠错能力，因此必须结合使用数据交织技术。在发送端，数据交织器按照一定规则对数据进行交织，使信道的突发性错误分散开来，把突发性错误信道改造成随机性错误信道。而在接收端，则必须加上解交织器，对数据进行解交织，以恢复原数据。
4.2 RS解码
在实际信道上传输数字信号时，由于信道传输特性不理想及加性噪声的影响，所接收的数字信号不可避免地会发生错误，因此必须引入差错控制编码技术。其做法是，信道编码器在信息序列中引人冗余码，冗余码与信息码元之间以某种确定的规则相互关联。在接收端，信道解码器按照相应的规则检验信息码元与冗余码元之间的关系，一旦传输过程中发生错误，则信息码元与冗余码元之间的关系将被破坏，从而可以发现错误并纠正错误，我们称之为前向纠错。在DVB-C中，差错控制编码技术普遍采用RS编码，具体类型是RS (204, 188, T=8）。RS编码是一种线形分组码，它在每一传送流包中，能够纠正8字节的随机性错误。RS解码过程如图7所示：

图7 RS解码过程
RS解码器经过上图所示系列过程后，获得错位多项式和错值多项式。解码器根据它们确定错误发生的位置以及错误位置上的错误值，对错误值进行纠正，实现前向纠错功能。
4.3 解扰
为减少数字基带信号中连“0”码和连“1”码的出现，发送端必须对二进制信息序列进行随机化处理，变成伪随机序列，此过程称为扰码。相应地，在接收端必须解除这种扰乱，即为解扰。因为扰码限制了连“0”码和连“1”码的长度，从而改善了位定时的质量。此外，它能使信号频谱弥散而保持稳恒，从而改善帧同步和自适应时域均衡等子系统的性能。
另外，为了减少符号误码率，使信号频谱与信道频率特性有最佳的配合，需要在信道的输出端插入一定的滤波器使信道和滤波器的综合特性最佳。所谓匹配滤波就是这样一种使输出信噪比最大的最佳线性滤波器。匹配滤波频率响应特性与调谐器中基带成形模块中的升余弦滚降滤波器相同，可以采用同样的方法来模拟。
匹配滤波器在数字通信和雷达信号检测中有特别重要的意义。经证明，如果信号输出获得最大信噪比，我们就能最佳判断信号的出现。

总结
课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.随着科学技术发展的日新日异，数字电视机已经成为当今生活中空前活跃的领域， 在生活中可以说得是无处不在。因此作为二十一世纪的大学来说掌握电视机的技术是十分重要的。
数字电视，是将传统的模拟电视信号经过抽样、量化和编码转换成用二进制数代表的数字式信号，然后进行各种功能的处理、传输、存储和记录，也可以用电子计算机进行处理、监测和控制。采用数字技术不仅使各种电视设备获得比原有模拟式设备更高的技术性能，而且还具有模拟技术不能达到的新功能，使电视技术进入崭新时代。因此有线数字电视的编码与解码的技术也越来越重要。
这次课程设计中遇到了很多问题，最后在董雪峰老师的辛勤指导下，终于游逆而解。同时，在李老师那里我学得到很多实用的专业知识，而且我还学到了严谨、务实、认真的工作态度和极强的敬业精神，也让我明白了不畏困难、勇于攀登艰难的重要性，这对我未来的学习和生活产生很大的影响，我向李老师表示衷心的感谢！

致谢
通过两周的努力，终于将电视机原理的课程设计完成了，在完成课程设计的这两周中，董雪峰和陈嘉义老师给予了我们很大的帮助。他不仅是指导我完成了设计，还教会了我们做设计的一般步骤、设计思想和设计方法。当我们对此课程设计无从下手的时候，董老师专心地为我们讲解，为我们解决了很多实际存在的困难和问题。他为我们梳理流程，讲解原理，使我对此次的课程设计能圆满完成增添了很多信心，真正的从心理和解决实际问题上为我们树立了很好的榜样，我为能有这样的好老师而感觉到骄傲。在此我衷心的感谢一直不辞辛劳为我们指明方向的董雪峰老师和陈嘉义老师。通过这次的课程设计，不仅使我学到了很多专业方面的知识，也让我明白了不畏困难、勇于攀登艰难的重要性，这对我未来的学习和生活产生很大的影响。

参考文献
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