分析DVB-C标准传输系统的信道编码技术
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发布时间：2022-04-27 12:13
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时间：2023-09-18 02:30
经过信源编码和系统复接后生成的节目传送码流，通常需要通过某种传输媒介才能到达用户接收机。传输媒介可以是广播电视系统（如地面电视广播系统、卫星电视广播系统或有线电视广播系统），也可以是电信网络系统，或存储媒介（如磁盘、光盘等），这些传输媒介统称为传输信道。通常情况下，编码码流是不能或不适合直接通过传输信道进行传输的，必须经过某种处理，使之变成适合在规定信道中传输的形式。在通信原理上，这种处理称为信道编码（ChannelCoding）（与信源编码相对应），实现信道编码的系统称为传输系统(Tran在工程应用中，信道编码过程一般被分为两环节：负责传输误码的检测和校正的环节称为信道编解码，负责信号变换和频带搬移的环节称为调制解调。一个实际的数字传输系统至少要包括上述两个环节中的一个环节，一般DVB的系统都是由上述两个环节构成的，因此DVB系统常被称为DVB信道编解码器与调制解调器。
我们知道，MPEG-2的TS码流是经过了高倍压后的数字电视信号压缩编码大大节省了传输频道，提高了频道利用率，但同时也付出了一个代价?就是对传输干扰变得十分敏感。例如传输过程中的噪声干扰，在模拟电视中一般仅造成雪花干扰，但在数字电视中则可能在恢复图像中造成大块的失真，严重时甚至使整个系统无法工作。定性而论，压缩倍数越高，数字电视对传输干扰的抵抗能力越弱，即同样的传输干扰在解码恢复图像或声音中造成的损伤就越严重，对传输可靠性的要求也就越高。美国“大联盟（GA：GrandAlliance）”系统中规定，传输系统必须将传输误码纠正到10-6以下，解码器才能正常工作；而欧洲DVB-S标准中则要求传输系统将传输误码纠正到10-10-10-11的水平。可以看出，上述指标对数字电视的传输系统的要求是相当高的，不仅远高于模拟电视系统，甚至高于一般的数字通信系统，如数字电话传输系统中，误码率通常仅要求为10-3-10-6。为满足这种指标要求，近年来各国在DVB的传输系统方面进行了大量的研究，很多数字通信领域里的前沿新技术被应用于DVB传输系统中。----与其它事物的发展历程一样，DVB传输统也经历了一个从落后到先进，从模拟到数字的发展过程。DVB的发展实际上起源于高清晰度电视（HDTV的研究。日本NHK于七十年代初开始HDTV的研究，于1984年公布了世界上第一个HDTV统方案---MSE，由于在其研究过程中数字通信技还不十分成，MUSE的传输系统采用的是模拟通信技术，使用模拟调频技术通过卫星进行广播。其后，在西欧英，法，西德等多国共同参加的尤里卡95计划，提出了以复用模拟分量（MAC）制为基础的HDTV方案－D-MAC，HD-MAC的传输系统仍然采用了模拟通信技术，同样使用了模拟调频技术，通过卫星进行广播。可以看出，八十年代中期以前，模拟通信技术在新一带电视传输的研究中占了上风。由于数字通信技术固有的“门限效应”，有可能使得相邻的两个用户中的一个户能够很好地接收节目，而另一个则完全收不到节目。因此当时国际上对未来一代电视传输系统是采用数字通信技术还是模拟通信术争论十分激烈，甚至不少专家权威都倾向于模拟通技术。----8年代中期以后，数字通信技术得到了迅猛发和日益广泛的应用，在越来越多的应用领域取代了模拟通信技术。这一变化也深刻影响到DVB及HDTV传输系统的发展。突破性的进展发生在90年代初，由美国联邦通信委员会（FCC）组建的先进电视顾问委员会（ACATS）对当时向ACATS提交的六套HDTV?在美国被称为“先进电视（ATV）”系统进行了测试和比较。这六套系统中包括ACTV和日本的MUSE两套模拟传输系统，以及DigiCipher、DSC-HDTV、ADTV和CC-DigiCipher四套数字传输系统。从1993年ACATS公布的测试结果来看，四套数字传输系统的性能均明显优于模拟传输系统。这一测试结果结束了新一代数字电视及HDTV的传输系统中数字通信技术与模拟通信技术之争，确立了数字通信技术的地位，从此，全数字系统?即数字压缩编码和数字传输的思想成为数字电视和HDTV研究的基本思想。----从那时起，全数字式的数字电视及HDTV得到了迅猛发展，各国纷纷提出了多种系统方案，并根据传输系统方案的不同逐渐以美国和欧洲为核心形成了两大*：
美国在1993年ACATS所测试的四套全数字ATV系统的基础上，于1993年5月成立了由四套系统的开发者共同组成的“大联盟（GA：GrandAlliance）”。经过进一步的测试比较，GA发现DSC-HDTV的VSB传输系统方案的性能优于其它三种系统。1995年11月，GA系统方案被ACATS正式提交给FCC，方案规定其传输系统以地面广播为主要传输模式，采用8-VSB方案；以有线电视（CATV）为辅助传输模式，采用16-VSB方案。GA系统方案已于1996年12月被FCC接受为美国ATV的国家标准。
在欧洲，HD-MAC虽然在1992年的巴塞罗那奥运会上被试用，但到1993年时欧共体已决定放弃HD-MAC，而将目标转向全数字式的数字电视和HDTV上。在这前后欧洲推出的方案主要有：英国NTL的SPECTRE数字电视系统、法国Thomson的DIAMONDHDTV系统、法国CCETT的SPERNEHDTV系统和瑞典、丹麦、挪威合作开发的HD-DIVISION系统，这些系统的一个突出特点是传输系统中采用了一种新型的并行传输技术?编码正交频分复用（COFDM）技术。由于HDTV节目源稀少，制作困难，难以形成市场，欧洲随即将目标转向了标准数字电视（DTV）上，并成立了专门的机构，发布了一系列标准，这就是DVB标准。实际上，对传输系统而言，DVB与HDTV是没有区别的，因为传输系统所面临的传输对象都是二元比特流，为HDTV所开发的传输系统和传输技术都可以移植到数字电视系统中。DVB是一个系列化的全数字电视标准，根据不同的传输媒介采用不同的传输系统，地面广播模式中采用COFDM系统，CATV模式中64QAM系统，卫星广播模式中采用QPSK系统。
综上所述，DVB以及HDTV经过二十余年的探索，目前各国在视频音频编码方案上已统一于MPEG-2标准，分歧主要集中于传输系统上。根据所采用的传输系统方案，以美国GA系统和欧洲DVB系统为代表，形成了两大流派。从目前的对比结果来看，这两种系统在技术上难分优劣，并已发展成为各自国家或地区的数字电视及HDTV的标准。可以说，未来DVB及HDTV的*是统一于一种世界标准，还是象现行模拟电视一样多种*并存，主要就取决于这两种流派在传输系统方案上能否融合成一种系统。由于这一原因，使得传输系统成为当今世界DVB及HDTV领域分歧最大，争论最多，也是最热门的研究课题。DVB传输系统
DVB是一个系列标准，各标准在视频音频编码方案和系统复接方案上是一致的，都符合MPEG-2标准，区别主要在于传输系统采用不同的方案，分别适用于不同的传输媒介和应用环境。截止到1997年已发布的DVB标准及适用的传输媒介如下：DVB-S(Satellite)：采用11/12GHz卫星频段进行传输的DVB系统标准，广泛适用于各种转发器的频带和功放。DVB-C(Cable)：采用有线电视系统进行传输的DVB系统标准。DVB-T(Terrestrial)：采用地面广播进行传输的DVB系统标准。DVB-CS：采用共用电视天线(SMATV)接入用户的DBV系统标准，可与DVB-C或DVB-S联合使用。DVB-MC：在DVB-C传输系统基础上，采用10GHz以下频率的MMDS直接向观众家庭传送的DVB系统标准。DVB-MS：在DVB-S传输系统基础上，采用10GHz以上频率的MMDS直接向观众家庭传送的DVB系统标准。DVB-SI：DVB服务信息系统标准，它使得DVB解码器能够进行自我配置，并帮助用户浏览DVB环境。DVB-TXT：DVB固定格式的图文电视标准。DVB-CI：DVB条件接收以及其它应用的公共接口标准。DVB-RCT：DVB在有线电视传播系统中的上行回传信道标准。DVB-RCC：DVB在共用电话交换网(PSTN)和综合业务数字网(ISDN)中的上行回传信道标准。DVB-NIP：DVB双向交互业务中与具体传输网络无关的协议标准。DVB-PDH：DVB与准同步数字系列(PDH)网络的接口标准。DVB-SDH：DVB与同步数字系列(SDH)网络的接口标准。DVB-M：DVB系统的测试指标。DVB-PI：DVB与有线电视和SMATV前端的接口标准。DVB-IRDI：DVB综合接收机/解码器(IRD)的接口标准。
DVB系列标准中的传输系统可分为三类：第一类适用于广播信道，如DVB-S、DVB-C、DVB-T、DVB-CS、DVB-MC、DVB-MS等，这一类系统要通过高频信道进行广播，因此其传输系统包含了信道编解码和调制解调两个环节；第二类适用于PDH电信网络，如DVB-PDH，这一类系统通过基带传输，传输系统仅包含了信道编解码环节；第三类适用于SDH电信网络，如DVB-SDH，这一类系统也是通过基带传输的，但一般不需传输系统。数字通信与模拟通信
DVB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，在全面介绍DVB传输系统之前，我们首先简要讨论一下数字通信技术与模拟通信技术的关系。
通信中有两个基本概念：信息和信号。根据信息论的定义，信号是信息的载体，也就是说，信息总是以某种具体的信号的形式表示的，并且通过信号在实际的传输系统中进行传输。具体到DVB系统中，信息就是电视台所要传送给用户的节目，而信号就是用于表示和传输节目的亮度信号、色度信号和伴音信号，以及进一步变换产生的实际传输的电视信号。信息与表示和承载它的信号之间存在着对应关系，这种关系称为“映射”，接收端正是根据事先约定的映射关系从接收信号中提取发射端发送的信息的。信息与信号间的映射方式可以有很多种，不同的通信技术就在于它们所采用的映射方式不同。
在传统的模拟通信中，信号是“连续地”与信息进行映射的。这种连续性表现在两个方面：在时间上，信号在每一个时刻都承载着新的信息；在数值上，在系统设计规定的范围内信号的每一种数值都代表着不同的信息。从接收者的角度看，接收信号在每一个时刻上的每一种数值都代表着发送端发送出来了新的信息。例如在模拟电视中，接收到的Y信号在正程时间内的每一时刻上的每一个合法幅值都代表着节目灰度级的变化。
在数字通信中，信号是“离散地”与信息进行映射的。这种离散性也表现在两个方面：在时间上，信号是以一个基本周期T为单位与信息进行映射的，在同一个周期内的各时刻上的信号都对应同一个信息，例如在二元数字通信系统中，一个传输周期内的信号都代表着同一个“0”信息或“1”信息；在数值上，只有有限的几个规定的信号数值是合法的，代表着信息，其它数值都是非法的。例如在二元数字系统中，只有两种合法的信号数值，而在四元数字系统中，只有四种信号数值是合法的。
通信系统的目的是传输信息，衡量通信系统质量的最主要的指标有两个：传输信息的可靠性和有效性。可靠性是指接收信息的准确度，而有效性是指在单位频道内能够传输的信息量的多少。对一个通信系统而言，这两个指标是互为矛盾而又互相联系的，在实际应用中常牺牲一项指标而换取另一项指标。下面我们就从可靠性和有效性方面说明为什么数字通信优于模拟通信。
数字通信与模拟通信在映射方式上的差异，导致了它们在抵抗传输干扰的能力上大为不同。模拟通信中，传输信号在任何时刻由于传输干扰而发生的任何数值上的变化，都将导致所传信息的失真，因为在规定范围内的任何信号数值都是合法的，接受机无法分辨所接收到的信号数值是由于传输干扰而发生了变化，还是发送端本来发送的就是这一数值。也就是说，信号波形的每一点失真都会导致信息丢失。数字通信则不同，由于在一个传输周期内的信号所传输的都是同一信息，接收机只须提取其中一个时刻点上的信号就可知道发送端在这个周期内发出的信息，这一时刻点称为采样点。因此在数字通信中信号波型的失真并不一定会引起信息丢失，只有采样点上的信号受到了传输干扰才有可能造成信息丢失，其它时刻都是无所谓的。采样点上的信号只有几个合法数值，即是发送端可能发送的，当接收信号由于传输过程中的干扰而发生数值上的变化时，就会成为非法数值。接收机首先可以发现这种信号失真，然后将接收信号与各合法信号数值做比较，按照最近临的原则将其判决为与之最接近的合法信号数值。这样当传输干扰不太大时，数字通信技术就有可能纠正信号失真而不发生信息丢失。例如在一个二元数字通信系统中，发送端发出“1”、“0”两种信息，分别以幅度为+A和-A两种方波信号表示和传输，映射关系为+A信号代表发送端发出的是“1”，-A信号表示发送端发出的是“0”。
其中T代表方波信号的传输周期，m和n代表采样点。经过信道传输后，由于信道中的干扰和失真，使得接收信号的波形发生了变化。在采样点m处，信号幅度由+A变为+B，在采样点n处，信号幅度由-A变为-C。由于只有+A和-A是合法的信号幅值，接受机在采样到+B和-C信号数值后就会判定传输信号发生了失真。然后接收机根据最近临原则将+B和-C分别与+A、-A两个合法数值进行比较，由于+B更接近于+A，接收机就判定采样点m处发送端发出的信号实际上是+A；同样由于-C更接近于-A，接收机判定采样点n处发送端发出的信号实际上是-A。根据收发两端约定的映射规则，信号+A对应于信息“1”，-A对应于“0”，接收机就可以知道发送端在上述两个传输周期内实际发出的信息是“1”、“0”。可见，尽管传输信号受到了一定的干扰和失真，但并未造成信息的丢失。
上述例子只是从理论上定性地说明了数字通信技术对传输干扰具有较强的抵抗能力，实际的数字通信系统是远较此过程复杂的。上述例子中我们假设传输干扰较小，因此最终没有发生信息丢失。但在实际应用中，干扰常常是很严重的，这样就有可能使得m采样点的信号幅值经过信道传输后小于0，接收机按照最近临原则将其判决为-A，并根据映射规则认为在此周期内发射端发送出的信息为“0”，最终造成了信息丢失。对于这种情况，数字通信系统中采用了纠错编码措施，进一步提高对传输干扰的抵抗能力。由于数字信号都可以用某种进制的数值表示，按照某种纠错算法对数字信号进行数值运算，接收机就可以在一定范围内发现甚至纠正传输差错。
由于传输信道的频带资源总是有限的，因此提高传输效率是通信系统所追求的最重要的指标之一。模拟通信基本上没有办法控制传输效率，只有单边带调幅（SSB）或残留边带调幅（VSB）可以节省近一半的传输频带。数字通信中的调制技术远远多于模拟调制技术。在传统的调幅、调相、调频技术中，常用的数字调制技术有2ASK、4ASK、8ASK、BPSK、QPSK、8PSK、2FSK、4FSK等，频带利用率从1bit/s/Hz～3bit/s/Hz。更有将幅度与相位联合调制的QAM技术，目前数字微波中广泛使用的256QAM的频带利用率可达8bit/s/Hz，八倍于2ASK或BPSK。此外，还有可减小相位跳变的MSK等特殊的调制技术，为某些专门应用环境提供了强大的工具。近年来，四维调制等高维调制技术的研究也得到了迅速发展，并已应用于高速MODEM中，为进一步提高传输效率奠定了基础。总之，数字通信所能够达到的传输效率远远高于模拟通信，调制技术的种类也远远多于模拟通信，大大提高了用户根据实际应用需要选择系统配置的灵活性。
在数字通信系统中，定性而论，传输效率越高，传输可靠性越差；效率越低，可靠性越高，即提高有效性与提高可靠性是一对矛盾，实际通信系统设计的任务就是在这两者之间作综合考虑。例如在卫星通信中，由于信号衰减很严重，传输信号常淹没在噪声中，可靠性问题变得十分尖锐，因此采用了QPSK调制技术。QPSK具有很强的抵抗幅度干扰的能力，但传输效率比较低，仅为2bit/s/Hz。而在数字微波通信中，由于干扰较小，信道环境较好，因此采用了256QAM这种高效调制技术，传输效率高达8bit/s/Hz，但256QAM抗干扰的
无论针对哪种传输媒介，从节目复用器和传送复用器中生成的都是标准的MPEG-2的TS码流。当进行数字广播时，根据传输媒介，选用相应的传输系统，通过纠错编码和调制，将TS码流变换成射频信号。
PDH网是现有的电信网的一种，是一种全数字的通信网。PDH网中传输速率被规定为有限的几种，称为PDH速率级别，只有符合速率级别的比特流才可以进入PDH网中传输。PDH的速率级别有两种*，分别为北美*和欧洲*，我国采用欧洲*，共有四个级别，速率从低到高依此为2.048Mbps,8.448Mbps,34.368Mbps和139.264Mbps。PDH常被用于台与台之间交换节目，以数字微波为传输媒介。对DVB而言较常用的是8.448Mbps和34.368Mbps两种级别，传输一路MPEG-2节目码流可选用8.448Mbps级别，34.368Mbps级别可用于四路或更多路同时传输。对节目发送者和接收者而言，PDH网是一个基带传输系统，即发送者将规定速率的节目码流送入PDH网，接收者将接收到相同速率和格式的节目码流，因此DVB-PDH传输系统中不需要调制解调器。由于数字微波系统在传输过程中会引入一定的误码，这些误码可能对编码图像或声音产生损伤，因此DVB-PDH传输系统中需要信道编解码器。
SDH是一种新型的数字通信网络，适用于长途骨干传输网，传输高速信息。与PDH一样，SDH也具有规定的速率级别，目前常用的级别为155.520Mbps和622.080Mbps两种；但与PDH不同的是，SDH只有一种国际*，为世界各国所接受。ATM是一种交换技术，特别适用于活动图像之类的宽带信息通信。SDH和ATM技术近年来发展十分迅速，两者相结合，将在下一世纪成为台与台之间交换远程交换节目的主要途径。SDH以光纤为传输媒介，几乎没有传输干扰，因此DVB-SDH标准中没有特殊的传输系统，只有SDH成帧接口或ATM适应层接口。
尽管DVB可适用于多种传输媒介，但广播仍是DVB最主要的传输媒介，决大多数用户将通过广播信道接收DVB节目，因此DVB标准是以DVB-S、DVB-C、DVB-T和DVB-SC四个适用于广播信道的标准为核心的。此外，由于广播信道中的各种干扰与其它类型的信道中的干扰相比最为严重，适用于广播信道的DVB传输系统技术最为复杂，结构也最为完善，将其做适当的简化和修改，即可适用于其它类型的信道。为能全面介绍DVB传输系统的技术和结构，我们在下文中以广播信道上的DVB传输系统为例进行讨论。
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