数字电视信道处理基本原理和测量知识[2].docx

数字电视信道处理根本原理和测量学问数字电视根底学问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态如下列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, 接收整个播送链路都数字化的数字电视播送系统。其详细传输过程是：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, 地面无线播送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复原出原来的图像及伴音。因为全过程均采纳数字技术处理，因此，信号损失小，接收效果好。因为在传统的模拟电视中，全部的信号都是“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，如下列图所示。模拟信号经过抽样脉冲变成肯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拟这些抽样脉冲，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依据指定的规那么进展编码。模拟信号转化为数字信号的根本原理如上所述，模拟电视信号转化为数字电视信号原理上及此类似。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，所以须要对这些信号分别进展采样，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展，依据奈奎斯特定理，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展数字化得到信号，假如将数字化的信号再复原到模拟状态可以大局部完好的复原原来的信息。依据上面所描述的采样频率，假如每个采样点用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特别高，如此高的数据速率在8MHz的有线电视频道内根本无法传送。所以假如想要传送数字视频图像信号，必需对信号进展压缩。数字电视的图像压缩采纳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。全部图像信号中可以分为不行预见的重量和可以预见的重量，只有那些不行预见的重量才代表信息，而可以预见到重量那么代表冗余。冗余可以是一幅图像中的大片相像或一样的图像，或者是连续几幅根本相像的图像，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，可以感受出辨别率很高的图像，对于彩色信息人眼的辨别率要低很多；另外，在通常的观看条件下，人眼不能显著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展压缩。音频和压缩在数字电视技术中，除了图像须要压缩以外，声音也要压缩，但声音压缩要比图像压缩简洁很多，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，假如我们把20Hz到20kHz依据肯定的频带宽度分成很多个频率通道，用来对声音进展过滤和处理，就能对声音信号进展压缩。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殊高600Hz旁边，对一些频率却很低低频和高频。假如有几种声音同时存在，声音大的内容很简洁听到，而声音很小的内容须要特别留意才能听到。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展编码，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特别低，即压缩比特别大。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。以上简洁介绍的图像和声音的压缩和编码属于信源编码简洁的进展了一下介绍，下面介绍本文的是信道编码。下列图是DVB-C数字信号从放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局部。 数字电视中常用的纠错编码，通常采纳前向纠错FEC编码。188字节后附加16字节RS码，构成204，188RS码。交织编码前向纠错码FEC的码字是具有肯定纠错实力的码型，它在接收端解码后，不仅可以发觉错误，而且能够推断错误码元所在的位置，并自动纠错。这种纠错码信息不须要储存，不须要反应，实时性好。所以在播送系统单向传输系统都采纳这种信道编码方式。FEC局部采纳了各种纠错算法和技术，以保证数据在电缆信道上牢靠的传输。他包括：Reed-SolomonR-S编码-供应块的编码和解码，以检测和订正R-S块中的符号。交织-把符号匀称分散，防止突发的连续符号过失进入R-S解码器，超出R-S解码器的纠错实力，产生无法订正的错误。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，它是能够订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，可订正8个错误字节，假如错误的字节数超过这个范围，数据内就会出现不行订正的误码，同时会出现传送错误标记；每个数据包对应的188字节数据，校验字节为16个字节(开销字节段。RS的编码效率是：188/204。交织为什么要进展交织实际应用中，比特过失常常成串发生，这是由于持续时间较长的干扰会影响到几个连续的比特，而信道编码仅在检测和校正单个过失和不太长的过失串时才最有效如 RS只能订正8个字节的错误。为了订正这些成串发生的比特过失及一些突发错误，可以运交织技术来分散这些误差，使长串的比特过失变成短串的比特过失，从而可以用前向纠错码对其纠错。交织技术对已编码的信号按肯定规那么重新排列，解交织后突发性错误在时间上被分散，使其类似于独立发生的随机错误，从而前向纠错编码可以有效的进展纠错，前向纠错码加交积的作用可以理解为扩展了前向纠错的可抗长度字节。纠错实力强的编码一般要求的交织深度相对较低。纠错实力弱的那么要求更深的交织深度。 伪随机序列扰码进展基带信号传输的缺点是其频谱会因数据出现连“1和连“0而包含大量的低频成分，不适应信道的传输特性,也不利于从中提取出时钟信息。解决方法之一是采纳扰码技术 ,使信号受到随机化处理，变为伪随机序列，又称为“数据随机化和“能量扩散处理。 扰码不但能改善位定时的复原质量，还可以使信号频谱平滑，使帧同步和自适应同步和自适应时域均衡等系统的性能得到改善。扰码虽然“扰乱了原有数据的原来规律，但因为是人为的“扰乱，在接收端很简洁去加扰，复原成原数据流。 实现加扰和解码，须要产生伪随机二进制序列PRBS再及输入数据逐个比特作运算 。PRBS也称为m序列，这种m序列及TS的数据码流进展模2加运算后，数据流中的“1和“ 0的连续游程都很短，且出现的概率根本一样。 I, Q调制和星座图数据在经过信道编码之后，将被映射到星座图上。下面先探讨星座图的概念。下列图就是QAM调制器的根本原理框图，这里包含几个主要的概念：什么是I, Q调制；数字信号怎样映射到极坐标上面。什么是I, Q调制，为什么要采纳I-Q调制一个信号有三个特性随时间变更：幅度, 相位或频率。然而，相位和频率仅仅是从不同的角度去视察或测量同一信号的变更。人们可以同时进展幅度和相位的调制，也可以分开进展调制，但是这既难于产生更难于检测。但是在特制的系统中信号可以分解为一组相对独立的重量：同相I和正交Q重量。这两个重量是正交的，且互不相干的。下列图中的QAM调制器中I和Q信号来自一个信号源，幅度和频率都一样，唯一不同的是Q信号的相位及I信号相差90o。详细关系如下列图所示，当I的幅度为1的时候，Q的幅度为0，而当I的幅度为0的时候，Q的幅度为1，两个信号互不相干，相位相差90o，是正交的。极坐标图是视察幅度和相位的最好方法，载波是频率和相位的基准，信号表示为对载波的关系。信号可以以幅度和相位表示为极坐标的形式。相位是对基准信号而言的，基准信号一般是载波，幅度为肯定值或相对值。在数字通信中，通常以I, Q表示，极坐标中I轴在相位基准上，而Q轴那么旋转90度。矢量信号在I轴上的投影为I重量，在Q轴上的投影为Q重量。下列图显示和I和Q的关系。极坐标和直角坐标的转换Mag PhaseI, Q调制的主要优点是：既便于将两个独立信号重量组合成一个复合信号；相应地也可以将其复合信号分解为两个独立的局部。大多数数字调制是在I, Q平面上将数据映射为很多离散的点，我们称这些点为星座。当信号从一个点移向另一个点时，幅度调制和相位调制就同时完成了。I, Q信号分别是在X轴和Y轴上的投影，合成矢量的幅度表示载波的幅度，合成矢量及X轴的夹角表示载波相位。因此可以通过变更I, Q驱动信号的幅度映射I-Q空间中的随意一点。在I和Q信号传送的值只有预先定义的几个值，代表广泛不同的状态，一个调制的协议针对每个调制形式规定允许的状态数量。 QAM调制的根本原理QAM调制事实上是幅度调制和相位调制的组合。相位 + 幅度状态定义了一个数字或数字的组合。QAM的优点是具有更大的符号率，从而可获得更高的系统效率。通常由符号率确定占用带宽。因此每个符号的比特根本信息单位越多，效率就越高。对于给定的系统，所须要的符号数为2n,这里n是每隔符号的比特数。对于16 QAM，n = 4，因此有16个符号，每个符号代表4 bit：0000, 0001, 0010等。对于64QAM，n = 6，因此有64个符号，每个符号代表6bit：000000，000001，000010。上图就是QAM调制的根本原理。经过信道编码的二进制的MPEG-2比特流进入QAM调制器，信号被分为两路，一路给I，另一路给Q，每一路一次给3比特的数据，这3比特的二进制数一共有8中不同的状态，分别对应8种不同的电平幅度，这样I有8个不同幅度的电平，Q有8个不同幅度的电平，而且I和Q两路信号有时正交。这样随意一个I的幅度和随意一个Q的幅度组合都会在极坐标图上映射一个相应的星座点，这样每个星座点代表由6个比特的数据组成的一个映射，I和Q一共有8×8共64种组合状态，最终各种可能出现过的数据状态组合最终映射到星座图上为下列图所显示的64QAM星座图。每一个星座点对应一个肯定幅度和相位的模拟信号，这个模拟信号再被上变频到射频信号放射出去。这里再顺便说明一下模拟调制和数字调制的区分：模拟调制和数字调制之间的差异在于调制参数。在这两种方案中，变更的是载波信号的幅度, 频率或相位或是它们的组合。在模拟调制中载波参数按连续的模拟信息信号变更，而在数字调制中，参数幅度, 频率或相位按离散的数字信息变更。数字电视的主要测量技术指标平均功率 数字信号电平和模拟信号电平的区分因为模拟电视图像内容是通过幅度调制来传送的，图像的内容是随时变更的，所以模拟电视的信道的功率取决于图像内容，依据图像的内容的不同，信道功率不断的变更。由于模拟电视行/场同步脉冲电平相对稳定，故我们把测量峰值电平作为判别模拟电视信号强弱的测量标准。全部的数字调制信号都有类似噪声的特性，信号在调制到射频载波上之前已经被经过随机化处理，所以当发送一个数字信号时，无论它是否传送数据，在频域中视察一般都是一样的。而且在频域中视察这样的信号通常也说明不了有关的调制方式，例如是QPSK，16QAM，还是64QAM，它只能说明信号的幅度, 频率, 平坦度, 频谱再生等等。因为数字电视信号的信道功率相对稳定，不随内容而随机变更，所以数字电视用信道平均功率来表示本频道的功率。数字电视信号的平均功率电平也称作信道功率，这及模拟电视电平是完全不同的概念。数字信号的功率不能用峰值功率测量来完成，因为信道功率是和带宽有关的，带宽越宽，信道的平均功率越高。数字信号载波功率是正确接收的关键性因素之一，适当提高数字信号载波电平就可较大地提高抗干扰的实力。调制误差率MERMERModulation Error Ratio其中，I和Q是志向的QAM接收机相位图中的数据点，I和Q是由损伤引起的接收的数据点和志向的QAM相位图的点的误差，N是在数据抽样中捕获的点数。上式中的N是数据抽样的大小，他一般比相位图中的点数多，为了能捕获到具有代表性的抽样。换句话说，它是测量由任何损伤合法设计及志向的相位图点的位置相比的道德不志向导致的相位图族的变更。在测量时，矢量分析仪首先对被测量数字调制信号进展接收和采样，调整信号经解调后于基准矢量信号进展比拟。被测矢量信号及基准矢量信号之间的差矢量信号被称为误差矢量信号，有误差矢量信号中既包含幅度误差信息，也包含相位误差信息。在干扰小的时候MER变更缓慢，随着干扰的增大，当出现误码率时，MER变更很快。MER可以被认为是信噪比测量的一种形式，它将精确说明接收机对信号的解调实力，因为它不仅包括高斯噪声，而且包括接收星座图上全部其它不行校正的损伤。假如信号中出现的有效损伤仅仅是高斯噪声，那么MER等于S/N。MER的经验门限值对于64QAM为23.5dB，对于256QAM为28.5dB，低于此值，星座图将无法锁定。另外对不同的局部MER的指标也存有一些经验值：在前端>38dB，分前端>36dB，光节点>34dB，用户>26dB。误差矢量幅度EVM和MER相关的参数是误差矢量幅度EVM，它的定义为其中Smax是M相QAM相位图最远状态的矢量的幅度。I和Q是由损伤引起的接收的数据点和志向的QAM相位图的点的误差，N是在数据抽样中捕获的点数。EVM是在IQ(同相及正交)星座图上检测到的载涉及其理论上的精确位置之间的距离，是“误差信号矢量及“最大信号幅度之比，表达为RMS百分比值。在干扰小的时候EVM变更很快，当接近数字信号即将崩溃的悬崖时，变更缓慢。EVM的定义和测量原理及MER特别相像，也是采纳误差矢量的幅度来描述调制失真，只是在测量参数的定义上略有区分。MER和EVM的区分在于评价的基准不同。MER以基准矢量幅度的有效值为基准，而EVM那么以基准矢量幅度的峰值为基准。比特误码率定义：BER比特误码率是发生误码的位数及传输的总位数之比BER 被表达为大量传送码的错误码比率10的几次方来表示，例如测量得3E-7 表示在一千万次传送码有3 次被误会，此比率是采纳少数的实际传送码来实际分析并统计而推估的值，越低的BER 代表越好的效能表现。 BER(Pre-FEC)：纠错前误码率：FEC纠错算法可以检测出错误比特的数量，同时还可以订正其中的一局部错误，纠错前的误码率就是实际发生错误的比特数量和总的传送比特数量的比值。BER(Post-FEC)：纠错后误码率：FEC纠错算法在检测出有多少错误比特后，依据自身的纠错实力，订正错误比特当中的一局部或者全部的错误，用还没有被订正的错误比特数量及总的传送比特数量进展比拟就是纠错后的误码率。当信号质量很好的状况下，纠错前及纠错后的误码率数值是一样的，但有肯定干扰存在的状况下，纠错前和纠错后的误码率是不同的，纠错后的误码率要更好。典型的目标值为1E-09，准无误码BER为2E-04；临界BER为1E-03；BER大于1E-03将丢失效劳。尽管较差的BER 表示信号品质较差，但BER 不只是测量纯粹QAM 信号本身的状况，因为BER 测量侦测并统计每个被误会的码，他是一个灵敏的指标可指出问题是由瞬间的或突然发生的噪声干扰。测试的误码率的结果表示的意义科学计数法1.00E+001/1一个1/10在十个里面一个1/100在一百个里面一个1/1000在一千个里面一个1/10000在一万个里面一个1/100000在十万个里面一个1/1000000在一百万里面一个1/10000000在一千万里面一个1/100000000在一亿里面一个1/1000000000在十亿里面一个MER及BER之间的关系数字电视和模拟电视图像方面很大的不同不仅仅是图像的清楚度更高，还有其他不同的特性，当模拟电视和数字电视同时受到噪声信号干扰的时候，随着噪声和干扰信号的增加，模拟电视的图像会慢慢恶化，由开场的清楚渐渐变为有雪花，最终雪花越来越多，最终无法观看，有一个渐变的过程，但是数字电视信号不同，数字电视信号有肯定的抗干扰性，小的干扰可能不会引起数字信号出现过失，干扰渐渐增大，数字信号出现误码，但是由于有FEC纠错编码机制，对少量的错误可以全部进展订正，当出过失的数据超过肯定的数量，超过了纠错编码的错误订正实力，信号出现错误，图像便出现了马赛克，甚至立刻不能观看图像。这些变更都是在一个门限处发生的，速度很快。这种特性称为数字信号的悬崖效应。示意图如下所示。在明白MER和BER之间变更的相互关系之后，我们就可以理解上述现象的发生原理。MER可为接收机对传输信号进展正确解码的实力供应一个早期指示。依据前面MER的定义可知，MER将接收符号(代表调制图案中的一个数字值)的实际位置及其志向位置进展比拟。当信号质量降低时，接收符号距离志向位置更远，MER测量值将会减小。随着噪声和干扰的增大，MER渐渐降低，而BER仍旧保持不变。但是当干扰增加到肯定程度，MER接着下降，BER开场增加。上图是MER和BER之间相互关系的一个简洁说明。实际在一个星座图中是不会同时出现这几种状况的，这里时间四种不同的状况综合在一起进展相互比照说明。第一象限红色的点是MER的最正确状态，全部点几乎都集中在志向位置；第二象限绿色的点受到一些噪声干扰，干扰比拟小，所以根本都环绕在志向中心位置四周，属于比拟好的MER；第三象限的蓝色点受到的干扰比拟大，各个点无规那么的散落在方框内，这时MER的指标比拟差；第四个象限受到和很大的干扰，各个点不仅散落在本方框内，而且还有两个点已经离开第四象限的范围，到了第一和第三象限。在第一, 二, 三象限中的信号有一个共同点，全部的点都落在了自己所在象限的方框内，依据数字电视信号的判决规那么，只要在方框内就不会出现误码；只有第四象限的点到了别的方框，这些点一旦进入其它星座点的范围就被判决为该星座点，这样就出现了误码。这就是为什么在肯定干扰信号下MER的值在下降，却没有出现误码，直到MER下降到肯定程度，才会出现误码，BER的数值开场上升。MER和EVM之间的关系EVM测量类似于MER，但表达形式不同。EVM表达为RMS误差矢量幅度及最大符号幅度的百分比值。信号缺陷增加时，EVM将会增大，而MER那么会减小。 MER和EVM彼此可以相互进展转换。 其中 定义了在星座图中各点的均方根值。其中是M相QAM相位图最远状态的矢量的幅度。所以 式中V是M相QAM星座图的峰值功率和平均功率之比，对于DVB-C的64QAM调制方式，V的值是1.527。上面的公式式定义了MER和EVM的关系。星座图的原理在一个星座图中全部I和Q信号可能的结合表现为网格形态，使他们简洁说明引起干扰的事物，星座图图表可想象为带方框的数组，每个方框代表一个状态或符号。在志向的数据传输情形下每个被接收的传送码应会落在它方框的中心点，在事实上噪声，侵入干扰及反射会让传输符号离开理论的中心点移往相邻方框的边界。相邻方框之间的分界限称为“推断门坎，假如传送的信号被干扰推挤一个符号跨越此门坎，它会被错误的理解视为属于相邻方框的符号因此成为一个错误码。符号的干扰缺乏以推挤跨越门坎那么恒久被理解为属于正常的。星座图是一个很好的故障解除协助工具，它可供应关于干扰的来源及种类的线索。用星座图推断故障由于屏幕上的图形对应着幅度和相位，符号阵列的形态可用来分析和确定系统或信道的很多缺陷和畸变，并扶植查找其缘由，运用星座图可以轻松发觉各种调制问题。以下的图片显示可各种干扰下星座图对应的不同形态。以下是几种不同的故障所对应的星座图形态相干干扰信号调制, 传输网络, 接收设备等均会引入连续的噪声干扰，如CSO/CTB，QAM信号中附带的噪声所产生的失真，会在星座图上形成明显的圆圈图形。假如有够多的连续噪声,在特定方框内所显示的符号形成一个粗环图形。圆环半径的大小代表带内相干干扰幅度的强弱。相位噪声相位噪声是振荡器相对的相位不稳定的状况，假如此振荡器及信号处理相关(例如本地振荡器) ，这些相位不稳定会影响在信号上，在信号处理设备内的振荡器在设计上是只会对所处理的信号增加特别微小的相位噪声，然而不良的调制器或变频器可能在信号上增加明显的相位噪声影响，结果在星座图上显示出围着图形中心旋转的现象。 增益压缩增益压抑是在信号传送路径上因有源器件(放大器或频率变换器)过载或不良的有源器件所导致的信号压缩失真，结果在星座图上显示出四个角落被扭曲造成四边弯成如弓形的现象，而不是正常的四方形形态。由于QAM调制的峰值因子较大，星座中半径越大的局部，压缩越严峻。幅度不平衡由于I，Q调制局部正交载波幅度的不平衡度造成星座图I/Q两轴增益不一样，从而造成接收符号脱离志向星座点，接收星座图变成长方形装，使MER和BER指标下降，通常是QAM调制器造成这个问题。正交不平衡正交度是指接收星座I，Q轴角度是否是90。由于I，Q调制局部正交载波相位正交性差，造成接收星座图有正方形变为菱形，两轴增益不一样，使MER和BER指标下降。通常是QAM调制器造成这个问题。载波抑制QAM调制是载波抑制调制方式，假如调制局部载波泄漏到输出单元，就会造成接收问题。假如载波抑制差，星座图表现为接收星座点整体平移，脱离志向星座位置，相当于星座上加直流偏置效果。噪声干扰在实际的网络系统中，QAM信号会始终被噪声干扰。噪声导致所显示的符号落在星座图方框内正常位置的四周，所以在累积一段时间长度后统计一特定方框内全部符号的落点就会形成如云般的形态，每个符号表示噪声干扰些微的差异。假如有够多的噪声干扰星座图会显示一些符号以表示超过推断门限形成 “误码 。