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完美升级版数字电视系统设计毕业论文设计

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毕业论文

数字电视系统设计

1.引言

1.1论文选题的意义

数字电视系统是指在信源、信道和信宿这3个电视信号传输过程中全面实现信号的数字化和数字方式处理的电视系统。

简单地说，就是在这个系统中从电视节目摄制开始，电视信号的编辑、发送、传输、接收和存储的各个环节都采用数字化处理。

欧美国家的企业和研发机构用了近8年的时间，完成了数字视频广播技术的研发以及标准的制订，并先后于1998年11月和1999年春天分别开播了数字电视。

数字电视使整个广播电视节目制作和传输质量得到显著改善，信道资源利用率提高，还可以提供其他增值业务，如数据广播、电视购物、电子商务、软件下载、视频点播等，使传统的广播电视媒体从形态、内容、到服务方式发生革命性的改变。

数字HTDV集成了近年来高速发展的超大规模集成电路,高分辨率大屏幕显示器件、高密度数字记录、计算机多媒体技术、数字通讯与传输技术、数字压缩与解压缩技术、激光技术、数模转换技术等方面的最新成就,使电视生产技术更趋向于数字化、集成化、模块化,是电视技术领域内由模拟技术全面转向数字技术的一场革命.因此对数字电视进行研究有着重要的意义。

1.2数字电视的优点

与模拟电视相比，数字电视有如下优点：

（1）图像传输质量较高，距离远。

模拟电视图像信号在传输过程中，要受到传输信道特性（幅频特性、微分增益、微分相位特性）和噪声干扰等的影响，质量不高，而且经过多次转换传输，通道特性和噪声干扰等影响积累，导致图像质量的进一步下降，而这些影响对于数字电视信号来说，有些是不存在的。

数字电视信号在传输过程中，多次中继（或复制）后不会发生干扰和噪声的积累，同时可采用纠错编码技术，收端图像质量较好，基本保持与发端一致，且传输距离不受限制。

（2）频道资源利用率高。

频谱资源是重要的国家资源，模拟电视的频谱资源有限，一套模拟电视节目要占用36MHz带宽的卫星转发器，占用8MHz的地面电视广播和有线电视频带。

而数字电视采用压缩编码技术，在36MHz的卫星转发器中传送5套SDTV节目，显示清晰度约400线，在一个8MHz频道内传送4套以上的SDTV节目。

（3）提供全新的业务，实现高速数据传输。

在数字电视通信中可以互不干扰地同时传送文字、数据、语音、静止图像等多种数字信息。

数字电视网可与电脑网、电信网互连互通，不仅使信息源更为丰富，还可以增加用户与各种信息源之间的交互性，实现用户自由点播节目、电子商务、网上购物、网上教学、网上医疗、网上游戏等多种高速数据业务（在8MHz带宽内采用64QAM调制，可以达到约32~38Mbit/s的数据传输率）。

（4）信号稳定可靠，设备维护、使用简单。

模拟电视信号数字化后，信号以二进制码的形式出现，它只有“0”和“1”两种状态，二进制数字信号不受电源波动、器件非线性的影响，所以信号能保持稳定、可靠。

处理数字信号可采用大规模集成电路，可降低设备的功耗，减少体积，提高设备的可靠性。

同时数字化设备不需调节，维护简单，使用方便。

（5）节省发送功率，覆盖范围广。

数字电视发射设备在相同覆盖服务区所需平均功率，比模拟电视发射设备的峰值功率要低一个数量级，比如模拟MMDS接收电平最低为56db，而数字MMDS在64QAM调制下接收电平仅为39db，所以数字电视发射设备的覆盖范围比模拟电视相同功率的发射设备的覆盖范围大几倍。

（6）灵活友好的人机界面。

灵活和实用的人机交互界面，便于普通群众操作，除显示设备外，容易实现系统集成而大规模生产，价格低廉便于推广普及。

（7）易于实现条件接收。

数字电视信号容易进行加密/加扰，有利信息安全，便于实现付费电视、视频点播及交互式电视。

1.3国内外技术现状

目前，美国、欧洲和日本各自形成三种不同的数字电视标准。

美国的标准是ATSC（AdvancedTelevisionSystemCommittee）;欧洲的标准是DVB（DigitalVideoBroadeasting）;日本的标准是ISDB（IntegratedServieesnigitalBroadeasting）。

其中前两种标准用得较为广泛，特别是DVB已经逐渐成为世界数字电视的主流标准

我国数字电视的发展从1992年开始在国家正式立项，并由国务院亲自成立了相应的领导小组，负责协调和制定战略发展计划。

1998年8月，完成了高清晰度电视系统的联试；1999年，在新中国成立五十周年的庆典上，我国成功地试用高清晰度电视技术对庆典活动进行了实况转播。

1999年中国开始实施数字电视产业化专项，第二年又成立了全国数字电视标准委员会，中国数字电视标准制订工作正式启动。

信息产业部和国家广电总局也都为此成立了专门的标准制订专家组，进行国内外数字电视标准的整理和研究工作。

虽然我国数字电视地面传输标准尚没有正式出台，但以清华大学DMB—T为核心融合上海交大与广科院技术的无线数字电视标准短期内可能形成，清华大学DMB—T采用时域同步正交频分复用（TDS—OFDM）多载波调制方式，DMB—T就是将经过信道编码后的数据分别用QPSK或QAM调制技术调制到频域上相互正交的大量子载波上，然后将所有调制信号复用，时域信号主要用于同步控制。

由于正交频分复用是采用大量（N个）子载波的并行传输，在相等的传输数据率下，已调信号的时域符号长度是单载波符号长度的N倍，相当于信号带宽降低N倍，这样其抗符号间干扰的能力可显著提高，从而减轻对均衡的要求，如采用QPSK调制技术，8MHz带宽可以传输一路标准清晰度电视。

DMBT调制具有抗动态多径干扰能力强的特点，既可用于地面传输固定接收，也可用于便携和移动接收。

我国数字电视地面传输试验测试表明，在城区多径效应丰富的地区，接收效果也良好。

2005年l月22日,基于清华大学DMB一T制系统的中国第一块拥有完全自主知识产权的“中视一号”数字电视地面传输芯片在复旦大学问世,这被称为“中国数字电视百万门级专用集成电路自主设计和制造技术的重大突破"。

数字有线电视除了能够大大的提高电视信号质量、扩大容量和传输距离外，数字有线电视设备还完全适于宽带通信。

技术实践表明，有线电视数字化是将原来的单向传输模拟电视节目变成为双向传输多功能业务的数字化。

随着数字电视有线传输技术的发展，有线电视网、电信网和计一算机数据网的“三网合一”己经成为信息社会发展的切实需要。

又因为有线传输与另外两种传输相比具有图像质量好、节目套数多、用户群体大的优点，因此，数字有线电视传输在三种传输方式中处于更重要的地位。

1.4论文主要工作与内容安排

本文对数字电视有线传输技术进行了研究，其中对QAM调制解调、RS编译码和交织编译码作了介绍，也对数字电视有线传输的用SystemView仿真软件进行了仿真分析。

本文主要内容的安排如下:

第一章主要对数字电视有线传输的背景、数字电视的优点、国内外技术的现状和发展及对本课题研究的意义作了简单介绍；第二章介绍数字电视传输系统的组成、相关概念；第三章阐述了数字电视有线传输的相关技术；第四章简单介绍了仿真软件SystemView，用SystemView对QAM调制解调模块、RS编译码模块、交织编译码模块和整个DVB-C系统进行了仿真，并对DVB-C系统的性能指标进行了分析。

2.数字电视有线传输系统的组成原理和关键技术

本章对有线数字电视的定义、系统组成、相关概念和差错控制技术进行简单的介绍。

数字通信系统的一般组成：

数字电视信号是一种数字信号，数字电视传输系统归属于数字通信范畴，遵循数字通信系统的一般规律。

数字电视传输系统中对信号的处理方法、关键技术都来源于数字通信系统。

数字通信系统的组成如图2-1所示。

整个系统包括三大部分:

信源部分、信道部分、信宿部分。

信源部分主要完成信源编码功能，信道部分主要完成信道编码、信息传输、信道解码功能，信宿部分主要完成信源解码功能。

信源部分信道部分信宿部分

图2-1数字通信系统组成

2.1有线数字电视传输系统组成

2.1.1系统框图及概念

数字电视传输系统分为卫星传输系统，有线传输系统和地面无线传输系统。

由于传输的方式不同,则对数字电视信号的处理方式也有所不同。

本文主要介绍数字电视的有线传输系统中欧洲标准的DVB-C系统。

欧洲数字电视有线传输系统（BVB-C）的电路框图如图2-2所示。

图2-2有线数字广播电视系统（DVB-C）的组成框图

在DVB-C系统中，（a）为发射端框图，（b）为接收端框图。

为了能使各种传输方式尽可能兼容，有线传输的发射端前部分处理和卫星传输中的处理相同，即有相同的伪随机序列扰码，R-S纠错和卷积交织，后面的处理是专用于有线数字电视传输的，首先是字节到符号的映射，然后是差分编码，基带整形，输出两路（I，Q）信号，再进行QAM调制。

有线传输系统的核心与卫星系统相同，但有线电视的传输环境相对比较可靠，因此，在DVB-C中不再采用内码，以提高传输效率，而且调制方式也改用正交幅度调制（QAM）而不是以QPSK为基础。

该系统以64QAM调制为主，具体情况下，应在系统的数据容量和数据的可靠性之间进行折衷。

如果使用64QAM,那么8MHz频道能够容纳38.5Mbit/s的有效载荷容量。

接收端是发射端的反过程。

2.1.2MPEG-2传输复用包的形成

MPEG-2传输复用的作用

MPEG-2标准可分为三部分：

视频、音频和系统。

系统复用就是将视频、音频和数据的基本码流组合成一个或多个适于存储、传输的码流。

MPEG-2传输复用的结构

MPEG-2传输复用的结构如图2-3所示。

视频ESPES

TS码流

音频

数据PS码流

图2-3MPEG-2系统复用的结构

1）ES：

由编码器输出的视音频码流，称为基本码流。

2）PES：

为了使接受端解码器能从码流中分离出视频、音频数据，ES流不能直接进入复用器，而需要经过打包器，即将连续的传输数据按一定长度分端，构成特定长度的一个个单元包，在送至复用器，复用成TS流或PS流。

PES称为打包的基本码流。

对视频PES由编码的一帧图像组成，因此，PES包的大小不固定，音频PES不超过64KB。

3）PS流：

称为节目码流，PS流为单节目使用。

PS流用于单节目，如制作DVD碟流等。

由于PS包长不固定，一旦其中一个包的同步丢失，解码器难以确定下一个包的同步位置，易造成严重的信息丢失，因此PS只能用于较好的信道环境，典型的应用为光盘制作。

4）TS流：

称为传输码流，一般在多节目状态下使用。

TS用于多节目传输系统，TS包由固定的188B组成，TS流是数字电视传输中的一个重要概念。

5）输入信息：

除了视频信息、音频信息外还包括数据信息，数据信息亦称为业务信息。

业务信息包含一些提供识别选择和控制作用的信息，以帮助解码器能自动设置进行解码、提供交互服务4、建立电子节目指南等，业务信息在MPEG-2中称为节目特定信息。

（3）TS流的结构

TS码流由前后相接的TS包构成。

TS包由固定的188B组成，每个TS包都由包头部分和净荷部分构成。

由于TS流中每个TS包的长度是固定的，解码器容易定位找出同步信息，故失去同步后不难恢复同步。

因此，TS流适合相对来说差一些的信息环境，如应用于传输。

电视广播是在有噪声和干扰的环境下传输数据，因此要使用MPEG-2的TS流进行传输。

（4）多节目双层复用TS流

数字电视信号经过压缩后，可在一个8MHz电视频道内传输多套数字电视节目，这是，需要进行多路节目的双层复用。

即首先通过节目复用器将同一个节目的各个基本码流（包括视频，音频和数据）复用在一起，组成单个节目的TS流。

再通过系统传输复用器将各个节目的TS流复用在一起，组成多套节目的TS流，然后传输到信道编码器。

节目复用有共同的时间基准，而传输复用则各自可以有独立的时间基准。

2.1.3字节到符号的映射

从卷积交织器输入的信号是二进制信号，每个字节为8bit。

QAM调制每个星座点代表不同的一个符号，不同的调制方法，星座点代表不同的比特数以64QAM为例，每个星座点代表6bit的信息，所以必须加以转换，这种转换称为字节到符号的映射，在此必须完成两件任务。

即首先8bit组转换为6bit组，其次每个6bit组又必须一分为二，形成I、Q信号。

字节比特到符号比特的变换规律如下：

首先应求出某种调制方法中每个符号代表的比特数。

例如64QAM，其中64代表星座点的数目，64=26；也就是说，星座点包含6bit，在二元码中就有64种可能的组合。

所以64QAM的每个符号包含6bit；通常有如下关系，设星座点数为M，每星座点携带的比特数为K，星座图上I、Q轴上电平数为L，则

M=2kL2=M（式2-1）

下面就是矩形星座图的调制类型给出参数见表2.1.32QAM、128QAM不满足表中的关系。

表2.1调制类型及参数

调制

类型

星座点数

进制

电平数

每个星座符号的比特数

QPSK

4

2

2

2

16QAM

16

4

4

4

64QAM

4

8

8

6

256QAM

156

16

16

8

以64QAM为例，已知每个星座符号的比特数为6bit，而输入的字节为8bit，不可避免地需将8bit的字节重新分割。

存在关系式8P=Kq（P为字节数，q为符号数）。

对64QAM而言为8p=6q，求最小的整数关系得p=3，q=4，也就是说3个字节可以换算为4个符号。

2.1.4QAM调制

正交调幅（QAM）是幅度调制和相位调制的结合，即调幅又调相。

QAM是将调制符号调制到一对正交载波上，是二维调制技术。

数字比特序列被分成两个序列，以16QAM为例，每4个调制比特分为两组，每组2比特，分别去调制同向正交载波，然后将两路已调信号相加发送。

换句话说，16QAM看成是互相正交的调幅波之和，又可以视为两个四相相移键控的线性组合。

虽然QAM调制的传输速率较高，但它降低系统的信噪比余量，牺牲了系统的可靠性。

根据香农噪声理论可以知道：

对于C／N已知的信道，它的最大数据传输速率是有限的，不能无限的提高数据传输速率，反之则降低系统可靠性，甚至整个系统不能正常工作。

因在系统前端信道编码和接收机解调器中具有RS等纠错码功能，实际误码率在10E4数字信号经RS等纠正后可以达到10El2准无误码率的水平。

2.1.5网络系统

有线电视HFC网络的拓朴结构一般有星型结构、树型结构和星树型混合结构、以及两级光链路级联的双星型结构。

作为早期的HFC网一般均采用星型、树型结构或星树型混合结构。

它只有一个前端，把所有信号都由前端通过光纤和同轴电缆向下辐射，我们称之为集中式HFC网络。

目前，国际、国内普遍采用的是两级光链路级联的双星型结构。

它是由总前端和分前端通过一级光链路采用1550nm光发射机以双星型光纤结构环型路由的方式组成的物理环型自愈网，二级光链路利用1310nm光发射机以星型光纤结构，将信号送到各光节点，然后进入电缆分配系统，形成完整的HFC网络。

我们称之为分布式HFC网络。

根据实践证明只要有线电视网络符合系统指标，不管是哪一类网络的拓朴结构、单向还是双向网，都能传输DVB-C数字有线电视信号，它们的区别只不过是哪一种拓补结构的可靠性、性能指标和拓展性更好，这当然是分布式HFC网络。

因为分布式HFC网络有完整的冗余保护体系，所以它有较高的可靠性和良好的网络性能指标，更重要的是它有良好的拓展性，其总前端和分布式的各个分前端，可以分布式安装交互式数字电视的视频服务器，它能有效地克服因交互式数字电视所产生的视频服务器和网络的瓶颈，为开展交互式数字电视提供了良好的网络平台。

2.2数字电视系统的关键技术

2.2.1数字电视的信源编解码

信源编码是对原始图像或声音信息的编码表示进行波特率压缩的过程。

原始图像或声音信息的编码表示指的是采集的电视图像或者声音模拟信号，经采样，量化，再编码成的自然二进制码字序列。

数字电视的视频压缩方面各国基本上都采用了MPEG-2标准。

在音频压缩编码方面，国际上存在的三大数字电视标准体系则采用了不同的音频压缩方式。

在音频编码方面，欧洲、日本采用了MPEG-2标准；美国采纳了杜比公司（Dolby）的AC-3方案，MPEG-2为备用方案。

中国方面，中国的数字音视频编解码标准工作组制定了面向数字电视和高清激光视盘播放机的AVS标准。

该标准据称具有自主知识产权，与MPEG-2标准完全兼容，也可以兼容MPEG-4AVC/H.264国际标准基本层，其压缩水平据称可达到MPEG-2标准的2-3倍，而与MPEG-4AVC相比，AVS更加简洁的设计降低了芯片实现的复杂度。

2.2.2数字电视的信道编解码及调制解调

数字电视信道编解码及调制解调的目的是通过纠错编码、网格编码、均衡等技术提高信号的抗干扰能力，通过调制把传输信号放在载波或脉冲串上，为发射做好准备。

目前所说的各国数字电视的制式，标准不能统一，主要是指各国在该方面的不同，具体包括纠错、均衡等技术的不同，带宽的不同，尤其是调制方式的不同。

2.2.3软件平台-中间件

数字电视接收机（或数字电视机顶盒）的硬件功能主要是对接收的射频信号进行信道解码，解调，Mpeg-2码流解码及音频信号的输出。

而电视内容的显示、EPG节日信息及操作界面等都要依赖软件技术来实现，缺少软件系统便无法在数字电视平台上开展交互电视等其他增强型电视业务，所以，在数字电视系统中，软件技术有非常重要的作用。

中间件（Middleware）是一种将应用程序与底层的实时操作系统和硬件实现的技术细节隔离开来的软件环境，支持跨硬件平台和胯操作系统的软件运行，能应用不依赖于特定的硬件平台和实时操作系统。

中间件通常由各种虚拟机构成，加个人Java虚拟机、Javascr心虚拟机、HTML虚拟机等，其作用是使机顶盆基本的和通用的功能以应用程序接口（APl）的形式提供给机顶盒生产厂家，以实现数字电视交互功能的标准化，同时使业务项目（以应用程序的形式通过传输信道）下载到用户机顶盒的数据员减小到最低限度。

2.2.4条件接收

条件接收（ConditionalAccess,CA）是指这样一种技术手段，它只允许已付费的授权用户使用某一业务，XX的用户不能使用这一业务。

条件接收系统是数字电视广播实行收费所必需的技术保障。

条件接收系统是一个综合性的系统，集成了数据加扰和解扰、加密和解密、智能卡等技术，同时也涉及到用户管理、节目管理、收费管理等信息应用管理技术，能实现各项数字电视广播业务的授权管理和接收控制。

条件接收系统要解决两个问题：

1，如何阻止用户接收那些XX的节目；2，如何从用户处收费。

2.2.5高清晰度平板显示技术

显示器是最终体现数字电视效果或魅力的产品。

数字电视的显示方式主要有CRT型直视式显示器，LCD、PDP、CRT型背投影显示器，LCos投影（含前投影、背投影）显示器，LCD投影（含前投影、背投影）显示器，DLP投影显示器，OLED、表面传导型电子发射显示器（Surface-conductionElectron-emitterDisplay,SED）等。

关键的问题是如何降低产品的造价，使产品以可接受的价格进入家庭。

3.数字电视有线传输技术基础

3.1数字电视有线传输主流标准与方式

目前世界数字电视标准尚未统一，现在以欧洲DVB标准为首的主流数字电视标准有三种：

欧洲DVB标准（1997推出）、美国ATSC标准（1995年推出）以及日本ISDB标准（1999年推出）。

对于有线广播数字电视（数字CATV）来说，根据调制方式和传送码率的不同，基于上述三种标准可以分为以下四种方式：

DVB-C（欧洲）、ATSC-16VSB（美国）、ATSC-64QAM（美国）和ISDB-C（日本）。

世界有线数字电视主流方式见表3.1。

在以上方案的基础上，国际电信联盟于1998年1约形成国际标准ITUJ.112建议《交互式有线死按时业务传输系统》，其目的是为了在同轴电缆上传输双向数据以及在HFC网络上进行交互式业务。

这标志着有线电视中的数字电视、计算机、通信等多媒体正逐步走向融合。

表3.1世界有线数字电视主流方式

有线数字电视传输方式

DVB-C

ATSC-64QAM

ATSC-16VSB

ISDB-C

传送方式

16-64QAM

64QAM

16VSB

64QAM

频道宽度

8MHz

6MHz

6MHz

6MHz

传输速率

31.64Mbit/s

41.34Mbit/s

43.05Mbit/s

30.31Mbit/s

接受滚降

13%

15%

11.5%

18%

纠错率

）

压缩方式

MPEG-2

3.2差错控制技术

任何形式的信号传输过程都不可能实现“零干扰”，数字信号由于传输过程中干扰的影响，会使接收端发生错误的判决，从而降低传输的可能性。

随着传输速度的提高，可靠性的问题更为突出，有线电视传输数据要求误码率小于10-5。

数字电视广播的目的是要将图像、声音和数据等信息快速、实时、高质、可靠地传输至接收端，供用户满意地收看、收听。

为了达到目的，提高系统的抗干扰能力，在载波调制之前要进行信道编码，也称为差错控制编码或纠错编码。

它主要有三种方式:

反馈重发（ARQ）方式、前向纠错（EFC）方式和混合纠错（HEC）方式。

反馈重发（ARQ）方式。

又称检错重发方式。

发送端发出检错码，接收端可发现传输中有错码，但不知道错码的确切位置，通过反向通道把这一判决结果通知给发送端，然后发送端把有错的部分信息重新发送，直至接收端确认接收到正确信息为止。

这种方式的纠错设备和程序比较简单，但必须有双向通道，适合于非实时通信系统，如计算机数据通信系统。

前向纠错（EFC）方式。

这种方式在发送端发送纠错码，在接受不仅能发现差错，还能确定差错的确切位置并给予纠错，这种方式不需要反向通道，也不存在重发造成的延时。

这种方式适合于单向广播系统和要求实时好的系统，如音频和视频好的系统，但该方式译码设备比较复杂。

混合纠错（HEC）方式。

这种方式是前两种方式的结合，如有少量差错，在其纠错能力之内，就进行前向纠错；如发现大量差错，超前它的纠错能力就进行反馈纠错。

对具体的纠错码，可以从不同的角度将其分类。

纠错码按照检错纠错功能的不同，可分为检错码、纠错码和纠删码三种;按照误码产生的原因不同，可分为纠随机误码的纠错码和纠突发误码的纠错码;按照信息码元与监督码元之间的关系，可分为线性码和非线性码;按照信息码元与监督码元之间约束方式的不同，可分为分组码和卷积码;按照信道编码之后信息码元序列是否保持原样不变，又可分为系统码和非系统码。

3.2.1能量扩散

能量扩散也称为随机化，加码或扰码。

在数字电视信道编码中，能量扩散主要是对数据进行随机化，在数字电视广播过程中会出现码流中断或码流格式不符合MPEG-2的TS流结构的情况，导致调制器发射未经调制的载波信号；当数字基带信号是周期不长的周期信号时，已调波的频谱将集中在局部并含有相当多的高电平离散谱。

结果对处于同一频段的其他业务的干扰超过了规定值。

另外，信源码流中可能会出现长串的连“0”或连“1”，这将给接收端恢复位定时信息造成一定得困难。

为消除上述的两种情况，可将基带信号在随机化电路中进行能量扩散，信号扩散后具有伪随机性质，其已调波频谱将分散开来，从而降低对其他系统的干扰；同时，连“0”或连“1”码的长度缩短，便于接受端提取比特定时信息。

3.2.2RS编码

RS码是由Reed和Solomon两位研究者发明，简称RS码，它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向前误码纠正