第1 章 数字电视传输系统概述
1.1 数字电视传输系统
数字电视信号是一种数字信号，数字电视传输系统归属数字通信系统，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，以及很多名词术语都来自数字通信系统。所以，由数字通信系统概念引出数字电视传输系统概念。
1.1.1 数字通信系统
数字通信系统由图1.1.1组成。整个通信系统包括信源部分、信道部分和信宿部分。信源部分主要由信源编码组成，信道部分主要由信道编码、传输线路（简称信道）和信道解码组成，信宿部分主要由信源解码组成。
在数字电视传输系统中，信源部分可细分为数字视频信源压缩编码、数字音频信源压缩编码和数据编码。通过节目流多路复用将压缩的数字视频信源、数字音频信源和数据编码三种信号复用在一起成为节目流，传输流多路复用将多个节目流复用在一起形成传输流，如图1.1.2所示。
信宿部分是信源部分的反过程。首先将收到的信号进行传输流多路解复用，变成各个节目流，再从节目流中进行多路解复用，分解出数字视频信号、数字音频信号和数据信号，最后分别进行解压缩，恢复得到原始的各类信号，如图1.1.3所示。
传输线路包括卫星、微波、光纤、同轴电缆、电话线和开路广播（大气作为媒介）等。
1.1.2 数字电视传输系统信道处理框图
为了提高通信的可靠度，信道部分对信号处理极其严格，也极其复杂，处理方法也较多。
因此，把信道部分细分为外信道和内信道，如图1.1.4 所示。中间方框图表示传输线路信道（可以是无线或有线传输），传输信道左边是发送端信号处理方框图，右边是接收端信号处理方框图。
外信道包括外码能量扩散、外码R-S 纠错编码、外码数据交织、外码数据解交织、外码R-S纠错解码、外码解能量扩散等。
内信道包括内码卷积交织、内码卷积编码、内码数字调制、传输线路（信道） 、内码数字解调、内码卷积解码、内码卷积解交织等。
上述从数字通信系统的观点出发阐述数字电视传输系统的一般概念。但传输线路不同，传输条件各异。针对各个国家提出的不同传输标准，信道部分对信号处理还是有些差别的。
下面再进行详细分析。
数字电视可以通过数字卫星、数字微波、数字光纤网、数字有线电视网进行传输，也可以通过开路广播方式进行数字电视广播。由于传输的方式不同，则传输前对数字电视信号的处理方式有所差异。下面各节分析各种不同的传输方式中信道处理的方法。
1.2 数字电视卫星传输系统
数字电视卫星传输系统发射端信道处理如图1.2.1 所示。它包括能量扩散、外码R-S纠错编码、内码卷积交织、内码卷积编码、基带整形、QPSK 调制等。QPSK调制后的中频（IF）信号，再经频谱搬移到射频上，通过卫星天线发射到卫星上。
数字电视卫星传输系统是为了满足卫星信号的传输特点及卫星转发器的带宽而设计的。
如果将所要传输的有用信息称为“核”，那么它的周围包裹了许多保护层，使信号在传输过程中有更强的抗干扰能力，视频、音频，以及数据被放入固定长度打包的MPEG-2传输流中，然后进行信道处理。在卫星系统中，信道处理过程包括以下几步。
（1） 首先进行同步字节的倒相，倒相字节的长度为每隔8 个同步字节进行一次。
（2） 进行数据的能量扩散（数据随机化） ，避免出现长串的0 或1 。
（3） 为每个数据包加上前向纠错的R-S 编码，也称为外码。R-S 编码的加入会使原始数据长度由原来的188 字节增加到204字节（见DVB 标准） 。
（4） 进行数据交织。
（5） 加入卷积码（格状编码）纠错，也称内码，采用内码的种数可以根据信号的传输环境进行调节。
（6） 最后对数据流进行QPSK 调制，见图1.2.1 。
数字电视卫星直接业务（也称为直接到家业务，简称DTH）的卫星功率是否充分利用，对接收天线的尺寸有直接影响，相对来说，由于有码率压缩，对频谱利用率的要求可以放到第二位考虑。为了达到最大的功率利用率，又不使频谱利用率大幅度降低，卫星系统采用QPSK调制并使用卷积码（格状编码）和R-S级联纠错的方式，取得较好的效果。在接收端，内码输入端有很大的误码率仍能很好工作，这一误码率为10 - 2 ～ 10 - 1。经内码校正输出即可达到2 × 10 - 4 或更低的误码率，这一误码率相当于外码输出近似无误码（QEF）（误码率可为10 - 11～10 - 10 ） ，相应于每小时少于一个不可纠正的误码。
总之，传输系统首先对突发的误码进行离散化，然后加入R-S外纠错码保护，内纠错码（格状编码）可以根据发射功率、天线尺寸，以及码流率进行调节。例如，一个36MHz 带宽的卫星转发器采用3 /4的卷积码（格状编码）可以达到的码流率是39Mbit/s ，这一码流率可以传送5 ～ 6 路高质量电视信号。
数字卫星电视接收信号处理是发端的反过程，在此不多叙。
1.3 数字电视有线传输系统
数字电视有线传输系统发射端可由框图1.3.1表示。传输组网可采用HFC（混合光纤同轴电缆）技术或IPTV（电信光纤）技术。为了使各种传输方式尽可能兼容，除信道调制外的大部分处理均与卫星中的处理相同，也即有相同的能量扩散（伪随机序列扰码）、相同的R-S 纠错、相同的卷积交织。随后进行的处理是专门用于电缆电视的。首先进行字节到符号的转换，如64QAM 是将8比特数据转换成6 比特为一组的符号，然后头两个比特进行差分编码，再与剩余的4 比特转换成相应星座图中的点。该方案可以适应16QAM，32QAM ，64QAM 三种调制方式。对于PDH 三次群码率34.368Mbit/s ，在占用8M Hz带宽的情况下，只要32QAM调制就足够了，这样就大大降低了价格。这在选择复用器码率输出大小方面有重要的参考价值，因为如果选择高效码率复用器输出，在传输时要使用高一层的传输码率，在通道编码和解码时要使用更多层次电平的QAM调制，从而造成设备价格和处理复杂度的无谓增加。
有线网络系统的核心与卫星系统的相同，但数字调制系统是以正交幅度调制（QAM）而不是以QPSK为基础，而且可不需要内码编码（格状编码） 。该系统以64QAM 为中心，但是也能够使用16QAM 和32QAM。在每一种情况下，在系统的数据容量和数据的可靠度之间折中处理。
较高水平的系统，如128QAM 和256QAM，也是可能的，但它们的使用取决于有线网络的容量是否能应付降低了的解码余量。如果使用64QAM ，那么8MHz频道能够容纳38.5Mbit/s 的有效载荷容量。
数字电视有线传输接收端信号处理是发端的反过程，在此不多叙。
1.4 IPTV 传输方式
IPTV即交互式网络电视，是一种利用宽带有线电视网，集互联网、多媒体、通信等技术于一体，向家庭用户提供包括数字电视在内的多种交互式服务的崭新技术。用户在家可以通过计算机和网络机顶盒加普通电视机两种方式享受IPTV服务。它能够很好地适应当今网络飞速发展的趋势，充分有效地利用网络资源。
IPTV 特点表现在以下几点。
（1）用户可以得到高质量（接近DVD 水平）的数字媒体服务。
（2）用户可有极为广泛的自由度选择宽带IP 网上各网站提供的视频节目。
（3）实现媒体提供者和媒体消费者的实质互动。IPTV采用的播放平台将是新一代家庭数字媒体终端的典型代表，它能根据用户的选择配置多种多媒体服务功能，包括数字电视节目、可视IP电话、DVD/VCD 播放、互联网游览、电子邮件，以及多种在线信息咨询、娱乐、教育及商务功能。
（4）为网络开发商和节目提供商提供广阔的新兴市场。目前，中国通信事业正在迅猛地发展，用户对信息服务的要求越来越高，特别是宽带视频信息。中国已基本具备大力发展IPTV的技术条件和市场条件。
一般所说的IPTV 与数字电视，既有相似点，又有区别。
IPTV 采用IP 宽带网，通常在边缘设置内容分配服务节点，配置流媒体服务及存储设备，存储及传送的内容是以MPEG-4为编码核心的流媒体文件。数字有线电视是以混合光纤同轴（HFC）为网络体系，传送的内容是MPEG-2 流；主干线采用DWDM光纤网传输技术，到达用户最后一公里采用同轴电缆传输。
1.5 数字电视地面广播传输系统
1.5.1 COFDM 调制方案
欧洲数字电视开路广播传输系统采用编码正交频分多路调制（COFDM）方式，它是由内码编码和正交频分多路调制相组合而形成的一种数字调制方式。这种调制方式可以分成适用于小范围单发射机运行的2k载波方式和适用于大范围多发射机的8k 载波方式。COFDM调制方式将信息分布到许多个载波上面，这种技术曾经成功地运用到数字音视频广播DAB上面，用来避免由传输环境造成的多径反射效应，其代价是引入了传输“保护间隔” 。这些“保护间隔”会占用一部分带宽，通常COFDM的载波数量越多，对于给定的最大反射时延，传输容量损失越小。但是总有一个平稳点，增加载波数量会使接收机复杂度增加，又破坏相位噪声灵敏度。
由于COFDM调制方式有抗多径反射功能，它可以允许在单频网中相邻网络的电磁覆盖重叠，在重叠的区域内可以将来自两个发射塔的电磁波看成是一个发射塔的电磁波与其自身反射波的叠加。但是，如果两个发射塔相距较远，发自两塔的电磁波的时延比较长，系统就需要较大的保护间隔。由该种数字调制方式组成的数字电视传输系统如图1.5.1所示。发射端信道处理电路由能量扩散、外码纠错（R-S）、外码交织、内码交织、映射、正交频分多路调制和射频输出等部分组成。从前向纠错码来看，由于传输环境的复杂性，COFDM数字电视传输系统不仅包含内外码纠错编码，而且加入了内外码交织。
接收部分是它的反过程，在此不多叙。
1.5.2 残留边带调制方案
1994 年，美国大联盟HDTV 方案传输部分采用残留边带（VSB）进行高速数字调制，该地面广播收发系统如图1.5.2所示。发射机部分，图像、伴音的打包数据先送入R-S 编码器，再经数据交织、格状编码、多路复用（数字视音频数据、段同步、行同步复用），再插入导频信号。
插入导频信号的目的是便于收端恢复载波时钟。然后进行残留边带调制，最后送往发射机，发射机输出射频。接收机部分是它的反过程，在此不多叙。
习 题
1.数字通信系统由哪三部分组成？ 试画出框图并解释。
2.试画出数字通信系统信道部分详细框图并说明。
3.数字电视有哪三种主要的传输途径？ 分别具有什么样的信道特点？
4.数字电视卫星传输系统采用何种信道处理方式和调制方式？
5.数字电视有线传输系统采用何种信道处理方式和调制方式？
6.数字电视地面广播传输系统采用何种信道处理方式和调制方式？
第2 章 数字电视传输的信息处理技术
2.1 能量扩散
在经信源编码和传输流复用之后，传输流将以固定数据长度组织成数据帧结构。例如，欧洲DVB标准的传输流复用帧每数据帧的总长度为188 字节，其中包括1 个同步字节（01000111）。发送端的处理总是从同步字节（47H）的最高位（MSB） ，即0 开始，每8个传送帧为一帧群。为区别每一帧群的起始点，第一个传送帧的同步字节每个比特翻转，即由47H 变为B8H ，而第2 ～ 8个传送帧的同步字节不变。这样，在接收端只要检测到翻转的同步字节，就说明一个新帧群开始，如图2.1.1所示。第一个传送帧的同步字节翻转实际上是在下面要讲述的伪随机信号发生器（即能量扩散）中完成。
经上述处理后的传输数据流，按图2.1.2 中描述的格式进行数据随机化（即能量扩散） 。
能量扩散的目的是使数字电视信号的能量不过分集中在载频上或1 、0电平相对应的频率上，从而减小对其他通信设备的干扰，并有利于载波恢复。具体的办法是将二进制数据中较集中的0 或1按一定的规律使之分散开来，这个规律由伪随机信号发生器的生成多项式决定。例如，如果某一时刻1过于集中，就相当于该时刻发射功率能量集中在1 电平相对应的频率上。
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