ATSC标准.ppt

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1、ATSC标准标准中国传媒大学中国传媒大学张琦张琦 ATSC数字电视标准数字电视标准ATSC:美国的数字地面电视广播标准，美国的数字地面电视广播标准，于于1996年正式批准系统标准，年正式批准系统标准，ATSC不仅应不仅应用于高清晰度电视用于高清晰度电视HDTV，也包括标准清也包括标准清晰度电视晰度电视SDTV和计算机图形格式等的参数和计算机图形格式等的参数规范。规范。ATSC是美国是美国“先进电视制式委员会先进电视制式委员会”组织组织机构名称的缩写。机构名称的缩写。在数字电视信号处理技术上，在数字电视信号处理技术上，HDTV和和SDTV的信道编码和调制方式是同样的；的信道编码和调制方式是同样的

2、；经编码和调制后在美国频道规划的经编码和调制后在美国频道规划的6MHz高高频频带内可传输的频频带内可传输的19.39Mbps码率；码率；用于用于HDTV时可传输一套高清电视节目时可传输一套高清电视节目;用于用于SDTV时可传输时可传输3至至5套标清电视节目。套标清电视节目。ATSC的图像源格式的图像源格式ATSC标准中容许标准中容许18种图像源格式：种图像源格式：像素数像素数 宽高比宽高比 扫描参数扫描参数（水平（水平垂直）垂直）19201080 16:9 60I，30P，24P1280720 16:9 60P，30P，24P 704480 16:9/4:3 60I，60P，30P，24P 6

3、40480 4:3 60I，60P，30P，24PHDTV：一帧图像：一帧图像207.36万像素、万像素、92.16万像素万像素 SDTV：一帧：一帧33.792万像素万像素、第四行：计算机第四行：计算机VGA格式，一帧格式，一帧30.72万像素，万像素，1080有效行，扫描总行数为有效行，扫描总行数为1125行，图像信号取样行，图像信号取样频率为频率为74.25MHz，在，在60I扫描下每行取样点总数为扫描下每行取样点总数为2200个，正程个，正程1920个，行消隐期占个，行消隐期占280个，行频个，行频33.750kHz720有效行，扫描总行数为有效行，扫描总行数为750行，取样频率行，取

4、样频率74.25MHz，在，在60P扫描下，每行取样点总数为扫描下，每行取样点总数为1650个，正程有效像素个，正程有效像素1280个，行消隐期占个，行消隐期占370个，行个，行频频 45kHz。24P扫描，用于扫描，用于HDTV节目制作，可通过磁转胶做电节目制作，可通过磁转胶做电影片，或者经制式转换，用于影片，或者经制式转换，用于DTV电视广播。电视广播。704480符合符合720480规范，在信源编码时每行内规范，在信源编码时每行内丢掉左侧右侧各丢掉左侧右侧各8个像素，取用个像素，取用704像素。像素。VGA图形格式，信号源通过合适的重取样转换成图形格式，信号源通过合适的重取样转换成704

5、480格式成为格式成为SDTV标准图像源。标准图像源。ATSC信道编码与调制系统信道编码与调制系统场同步段同步信源数据流数据随机化RS编码数据交织格栅编码多路复用测试信号导频加入预均衡滤波VSB调制RF上变频可选用场同步（1）数据随机化数据随机化数据随机化的目的是打碎数据随机化的目的是打碎TS流包中可能出流包中可能出现的长现的长“1”、长、长“0”，避免信号在低频，避免信号在低频段频谱上有大的能量，不适应信道的传输段频谱上有大的能量，不适应信道的传输特性。数据随机化也称为能量扩散或数据特性。数据随机化也称为能量扩散或数据加扰，使频谱主要能量段向上端移动。其加扰，使频谱主要能量段向上端移动。其实

6、现方法是用一个实现方法是用一个PRBS（伪随机二进制（伪随机二进制序列）发生器产生一个序列）发生器产生一个PRBS流，与输入流，与输入数据流的逐个比特作异或（数据流的逐个比特作异或（XOR）运算。）运算。ATSC的帧结构图的帧结构图 PRBS初始化(第二段段同步）有效数据（每段748符号）RS码(每段80符号）24.2ms一段场同步2（第二段）313段段同步段同步PRBS初始化（第一段段同步）有效数据（每段74 8符号）RS码(每段80符号）24.2ms一段场同步1（第一段）828符号4313段2.RS编码编码RS编码即里德索罗门编码，以字节为单位进编码即里德索罗门编码，以字节为单位进行前向误

7、码校正（行前向误码校正（FEC）的纠错编码方法，具有）的纠错编码方法，具有强的随机误码和突发误码校正能力。强的随机误码和突发误码校正能力。RS编码中，编码中，输入数据分成段，每段内输入数据分成段，每段内k为符号数，每符号为符号数，每符号m比特。每段可纠错比特。每段可纠错t个误码符号个误码符号ATSC的的RS码码(n,k,t)取值为（取值为（207，187，t=10），），每段的总码长每段的总码长n=207个符号，有效数据个符号，有效数据k=187符符号，号，8比特比特/符号，监督段为符号，监督段为2t20符号，纠错能符号，纠错能力为力为10个字节。个字节。3.数据交织数据交织RS编码之后是数据

8、交织，数据交织是在不附编码之后是数据交织，数据交织是在不附加纠错码字的前提下用改变数据码字（以比加纠错码字的前提下用改变数据码字（以比特或字节为单元）传输顺序的方法来提高接特或字节为单元）传输顺序的方法来提高接收端抗突发误码能力。收端抗突发误码能力。传输过程中引入连续的若干比特或若干字节传输过程中引入连续的若干比特或若干字节的误码，经去交织解码而恢复成原顺序时将的误码，经去交织解码而恢复成原顺序时将分散开，使后面的分散开，使后面的RS解码有能力予以纠正。解码有能力予以纠正。比特交织例如图，比特交织例如图，704个比特的码元组成交个比特的码元组成交织深度织深度I44比特的形式进行比特次序重排，比

9、特的形式进行比特次序重排，在以在以1，2，3，703，704的次序写入一个的次序写入一个二维二维RAM后，再按后，再按1，45，89，660，704的次序读出。的次序读出。RAM为为16行行44列的比特矩阵。如果传输中列的比特矩阵。如果传输中引入引入16个比特长度的突发误码，则接收端恢个比特长度的突发误码，则接收端恢复比特次序后，它们将分散在复比特次序后，它们将分散在16个个44比特的比特的码组中，易于由汉明码进行校正。码组中，易于由汉明码进行校正。交织法虽不增加码元数目，但增大了编解码交织法虽不增加码元数目，但增大了编解码电路的复杂性和数据的延时。电路的复杂性和数据的延时。比特单元的数据交织

10、比特单元的数据交织发端写入，收端写出顺序发端写入，收端写出顺序1 2 3 .43 4445 46 47 .87 8889 90 91 .127 128 .704bit .RAM .(16行行44列列).617 .659 660 661 .703 704传传输输方方向向（发发）存存储储方方向向（收收）ATSC中的数据交织为字节交织中的数据交织为字节交织交织深度交织深度I值越大，抗突发误码的能力越强。值越大，抗突发误码的能力越强。ATSC采用采用52个数据段个数据段的交织深度，场同步段不交织，的交织深度，场同步段不交织，一场内一场内52数据段对应于数据段对应于1/6场（一场场（一场312数据段）的

11、数据段）的交织深度（交织深度（4ms），这种数据交织属于段间交织。，这种数据交织属于段间交织。交织器同步于数据场第交织器同步于数据场第1数据段上（不计实际第数据段上（不计实际第1段的段的场同步段，它不交织），场同步段，它不交织），K1、K2在每一支路位置在每一支路位置上停留上停留1字节，共字节，共52条支路，逐条支路的条支路，逐条支路的FIFO移存移存器数量递增器数量递增4字节。因此，数据不但在数据段之间字节。因此，数据不但在数据段之间交织，交织，又是段内交织又是段内交织的，这有利于实现格栅编码的的，这有利于实现格栅编码的优点。每优点。每52数据段完成一个段间、段内交织循环。数据段完成一个段间

12、、段内交织循环。优点是，存储器容量减少和易于变更交织状况；优点是，存储器容量减少和易于变更交织状况；发端和收端综合存储电路引入的数据延时减发端和收端综合存储电路引入的数据延时减少。少。ATSC数据交织电路数据交织电路K2（K1、K2同步切换）K1 FIFO移位寄存器2M每位置上停留1字节M=4Bytes(B-2)M(B-1)M1351(B=52)来自RS编码器M=4,B=52,N=208,RS块2 07,BM=N5152去预编码器和格栅编码器 4.格栅编码格栅编码第一个第一个FEC 是是RS编码，构成（编码，构成（207，187）RS码，称为外编码。第二个码，称为外编码。第二个FEC一般一般采

13、用卷积编码，称为内编码。总称为级联编采用卷积编码，称为内编码。总称为级联编码。码。ATSC内编码不是卷积编码，而是格栅编码内编码不是卷积编码，而是格栅编码（trellis coded modulation，TCM）,或称或称格形编码、栅状编码、网格编码格形编码、栅状编码、网格编码TCM编码有助于提高抗随机噪声干扰的能力。编码有助于提高抗随机噪声干扰的能力。它将卷积编码与调制技术结合一起，在不增它将卷积编码与调制技术结合一起，在不增加信道带宽和不降低信息速率下获得加信道带宽和不降低信息速率下获得34dB的编码功率增益。的编码功率增益。编码功率增益：在相同比特率下经编码功率增益：在相同比特率下经T

14、CM编码编码的的8VSB或或8PSK比不经比不经TCM编码的编码的4VSB或或4PSK（前后两种情况下信道带宽及信息速（前后两种情况下信道带宽及信息速率是一样的）所需之率是一样的）所需之 降低多少降低多少dB值。值。这里，这里，是单个符号信息比特的平均信号功是单个符号信息比特的平均信号功率，率，是单位带宽内的噪声功率。是单位带宽内的噪声功率。格栅编码格栅编码ATSC中，中，TCM编码框图如下图所示，分为干编码框图如下图所示，分为干扰滤波器预编码器、格栅编码器和扰滤波器预编码器、格栅编码器和8电平符号电平符号映射器三部分。映射器三部分。ATSC 的格栅编码器的格栅编码器R8电平符号映射器格栅编码

15、器干扰抑制滤波器预编码器Z2Z1Z0DDDZ2 Z1 Z0 R 0 0 0 -7 0 0 1 -5 0 1 0 -3 0 1 1 -1 1 0 0 +1 1 0 1 +3 1 1 0 +5 1 1 1 +7D=12符号延时X1X2Y2Y1格栅编码器的输入格栅编码器的输入X2、X1是数据交织器串行数据流是数据交织器串行数据流输出，经串输出，经串/并变换后的两路并行数据流，每对并变换后的两路并行数据流，每对X2、X1代表一个符号（代表一个符号（2bit)，有四种状态。，有四种状态。X2经过由梳状滤波器组成的一个预编码器实施梳状经过由梳状滤波器组成的一个预编码器实施梳状滤波，延时器滤波，延时器D使数

16、据延时使数据延时12个符号时间，输出为个符号时间，输出为Y2。相应的。相应的X1改标记为改标记为Y1。这个数字滤波器减弱。这个数字滤波器减弱与与NTSC信号之间的同频道干扰。信号之间的同频道干扰。在格栅编码器中，在格栅编码器中，Y2直通后记为直通后记为Z2,Y2在后面的符在后面的符号映射器中，由其号映射器中，由其1、0值决定了输出值决定了输出8电平的正、电平的正、负值。负值。Y1经过由两个经过由两个D和一个和一个XOR组成的卷积编码电路产组成的卷积编码电路产生生Z1 Z0的比特对，形成的比特对，形成4个电平状态的符号集合个电平状态的符号集合（0011），（），（编码效率为编码效率为1/2）其电

17、平的正、负）其电平的正、负则由则由Z2值确定。值确定。在符号映射器的表中可看到，原来在符号映射器的表中可看到，原来X2X1的的4电平状电平状态经态经TCM后变成了后变成了Z2Z1 Z0的的8电平状态。对载频采电平状态。对载频采用平衡调幅方式时，如果是用平衡调幅方式时，如果是X2X1原来的原来的4电平，已电平，已调制载波可有调制载波可有1、3、5、7共共8种不同的振荡波。种不同的振荡波。TCM编码后只是使一定幅度的调制载波的幅度分级编码后只是使一定幅度的调制载波的幅度分级数目加倍，级差减半，并不影响已调波携载的信息数目加倍，级差减半，并不影响已调波携载的信息速率和所需的信道带宽。速率和所需的信道

18、带宽。由于信号具有的由于信号具有的TCM编码特性，又有加强的纠错能编码特性，又有加强的纠错能力，接收端的力，接收端的TCM解码总效果是解码差错降低。解码总效果是解码差错降低。增加了编解码电路的复杂性。增加了编解码电路的复杂性。在TCM编码后的8电平残留边带载波调幅（8VSB）中，6 MHz已调制载波带宽内可传送的MEPG-2的恒定码率为传输的有效符号率为传输的有效符号率为 格栅编码交织器格栅编码交织器原理上格栅编码器只需要一个，格栅编码器有助于原理上格栅编码器只需要一个，格栅编码器有助于抗随机干扰，但对脉冲干扰和突发误码的抗御性能抗随机干扰，但对脉冲干扰和突发误码的抗御性能并不好。为此，编码器

19、中采用了并不好。为此，编码器中采用了12个同样的格栅编个同样的格栅编码器并行工作，它们的输出去往同一个码器并行工作，它们的输出去往同一个8电平符号电平符号映射器映射器。TCM#1TCM#2TCM#11TCM#1223,1124,1213,114,2 K1交织数据入去映射器K2D2D1D11D125.段同步和场同步的加入段同步和场同步的加入 格栅编码之后是多路复用框图，在这里加入格栅编码之后是多路复用框图，在这里加入段同步和场同步。段同步和场同步。每一数据段前加入段同步；每帧的两场前各每一数据段前加入段同步；每帧的两场前各加入一个场同步段加入一个场同步段。ATSC的的8VSB中是抑制载波，载频位

20、置距频中是抑制载波，载频位置距频道下端道下端0.31 MHz，见下图，见下图，6 MHz频带的上、频带的上、下端下降边沿各占下端下降边沿各占0.31 MHz，有效带宽仅，有效带宽仅5.38 MHz，对应的符号率为，对应的符号率为10.76 兆符号兆符号/秒，图中秒，图中R为滚降系数。为滚降系数。6.导频的加入导频的加入导频1.05.38MHz0dd0.70.7d=0.31MHz，R=0.1152dd6MHz 8VSB已调波的频带图已调波的频带图 在多路复用器后的导频加入级内加入一个导频信息在多路复用器后的导频加入级内加入一个导频信息1.25的小值直流电平，对载波进行调制时，使已的小值直流电平，

21、对载波进行调制时，使已调波内出现高稳定和高精确的载波信号，称为导频信调波内出现高稳定和高精确的载波信号，称为导频信号号接收机中，由接收机中，由FPLL（频率和相位锁定环路）实现载（频率和相位锁定环路）实现载波恢复。波恢复。7.上变频器和射频载波偏置上变频器和射频载波偏置8VSB发射机采用两级调制方式，第一次将数发射机采用两级调制方式，第一次将数据信号调制到一个固定中频上，第二次再上据信号调制到一个固定中频上，第二次再上变频到所需的电视频道上。变频到所需的电视频道上。ATSC发射机的平发射机的平均功率比同频道均功率比同频道NTSC发射机的峰值功率一般发射机的峰值功率一般低低12dB。当同频道干扰

22、严重时，采用载频精密偏置技当同频道干扰严重时，采用载频精密偏置技术减轻术减轻NTSC对对ATSC的同频道干扰，使的同频道干扰，使ATSC载频在上变频器中对于载频在上变频器中对于NTSC图像载波图像载波向上偏移半个数据段速率向上偏移半个数据段速率(fseg/2=6.47kHz)的奇数倍，使的奇数倍，使NTSC对对ATSC接收机的载波干接收机的载波干扰相位是逐个段同步交替的，接收机中将前扰相位是逐个段同步交替的，接收机中将前后连续的段同步信号加以平均，可消除这干后连续的段同步信号加以平均，可消除这干扰，从而能可靠的检知段同步。扰，从而能可靠的检知段同步。上变频器和射频载波偏置上变频器和射频载波偏置

23、ATSC对对NTSC的干扰程度主要决定于的干扰程度主要决定于ATSC发射机的平均电平功率。导频信发射机的平均电平功率。导频信号干扰功率小，衰减号干扰功率小，衰减20dB以上。以上。ATSC-ATSC同频道干扰，当精密偏置同频道干扰，当精密偏置下载频偏移下载频偏移/2=6.47kHz时，可使干扰不时，可使干扰不致影响自适应均衡器正常工作。致影响自适应均衡器正常工作。8.ATSC的总体性能的总体性能 ATSC一种数字地面电视广播制式，在地面频一种数字地面电视广播制式，在地面频道规划道规划6MHz的射频带宽内能传输的符号率为的射频带宽内能传输的符号率为10.762MS/s，净荷码率为，净荷码率为19

24、.28Mb/s，能携，能携载一套高清或多套标清的电视节目，也可用载一套高清或多套标清的电视节目，也可用于数据传输。于数据传输。在与在与NTSC具有相同的覆盖区域下发射机功率具有相同的覆盖区域下发射机功率容许降低容许降低10dB以上，能够开辟模拟电视广播以上，能够开辟模拟电视广播中禁用的频道在当地进行数字电视广播，实中禁用的频道在当地进行数字电视广播，实现现NTSC和和ATSC的同播以及向全的同播以及向全ATSC过渡过渡 在市区内家中用天线接收时，即使电场强度在市区内家中用天线接收时，即使电场强度足够，也不容易接收好，主要是高楼等的发足够，也不容易接收好，主要是高楼等的发射波会影响载波导频的捕获，因此，对射波会影响载波导频的捕获，因此，对ATSC 制式曾有作出局部改进的考虑，制式曾有作出局部改进的考虑，