《手机电视技术》课件3第4章.ppt

1、第4章 手机电视信号处理技术4.1手机电视信号传输系统4.2能量扩散4.3纠错编码4.4数据交织和解交织4.5统计复用4.6字节到符号映射4.1手机电视信号传输系统4.1.1数字通信系统数字通信系统的组成如图4.1.1所示。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(也简称信道)和信道解码组成；信宿部分主要由信源解码组成。图4.1.1数字通信系统组成框图在手机电视传输系统中，信源部分又可细分为数字视频信源压缩编码、数字音频信源压缩编码、数据编码、节目流多路复用、传输流多路复用等，如图4.1.2所示。图4.1.2手机电视信源部分组成

2、框图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解多路复用，变成各个节目流，再从节目流中进行解多路复用，分解送出数字视频信号、数字音频信号和数据信号，最后分别进行解压缩，恢复得到原始的视频信号，如图4.1.3所示。图4.1.3信宿部分组成框图手机电视传输线路包括卫星、移动蜂窝网(3G)和地面广播(大气作为媒介)等。为了提高通信的可靠性，信道部分对信号处理极其严格，也极其复杂，包括的处理方法也较多。因此又把信道部分细分为外信道和内信道，如图4.1.4所示。图4.1.4信道部分详图4.1.2手机电视卫星传输系统手机电视卫星传输系统发射侧电路框图如图4.1.5(a)所示。经QPSK调制后的

3、中频(IF)信号，再经频谱搬移到射频上，经卫星天线发射到卫星上。接收侧电路框图如图4.1.5(b)所示，它是发送侧的反过程，在此不多述。图4.1.5数字电视卫星传输系统4.1.3手机电视地面广播系统1.COFDM调制方案欧洲手机电视地面广播传输系统的信源采用H.264数字音频、视频压缩编码。其他特点是，采用编码正交频分多路调制(COFDM)方式，它是由内码编码(Code)和正交频分多路调制(OFDM)相组合的一种数字调制方式，称作编码正交频分多路调制(COFDM)方式。由于COFDM调制方式的抗多径反射功能，它可以潜在地允许在单频网中的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

4、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间延迟比较长，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4.1.6所示。图4.1.6带有正交频分多路数字调制的手机电视系统2.残留边带(VSB)调制方案美国ATSC-M/P/H手机电视方案的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4.1.7所示。图4.1.7残留边带调制(VSB)手机电视传输系统4.2能 量 扩 散4.2.1能量扩散的原理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。在接收端只要检测到翻转的同步

5、字节，就说明一个新帧群开始，如图4.2.1所示。图4.2.1固定长度数据帧结构经上述处理后的传输数据流，再按图4.2.2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。图4.2.2数据随机化/去随机化(能量扩散/解扩散电路)当输入为全1，周期为100时，其输出结果如图4.2.3所示。当输入8个0和8个1，周期为100时，其输出结果如图4.2.4所示。图4.2.3输入为全1及周期为100时的输出结果图4.2.4输入8个0和8个1及周期为100时的输出结果4.3纠 错

6、 编 码4.3.1RS码外码纠错编码釆用RS码。RS码是一种性能优良的分组线性码，在同样编码冗余度下RS码具有很强的纠错能力。同时，由于近年来超大规模集成电路(VLSI)技术的发展，使原来非常复杂、难以实现的译码电路集成化，目前功能很强的、长RS码的编译码器芯片也商业化了。1.RS码的纠错在实际应用中，有限域元素个数一般取为2的幂，即q=2m，于是码长N=2m1。例如，在ATSC-M/P/H传输方案中，采用RS码(255，245)。这时m=8，码字由255个8 bit 字符组成，能纠正t=5个随机错误。在手机电视中，RS 码和格状编码级联使用，如果在系统中采用充分的数据交织，则可以认为在RS译

7、码器输入的数据差错是纯随机的。若用Pbi表示RS 码译码器输入的误比特率，则RS译码器输入的误符号率为Psi1(1Pbi)m(4.3.1)如果 RS码的最小汉明(Hamming)距离d=2t+1，则该码可以纠正任意t个符号错误，所以RS码的译码错误概率为 (4.3.2)而译码器输出的误符号率为 Pso1(1Pe)1/N(4.3.3)译码器输出的误比特率为 Pbo1(1Pso)1/m (4.3.4)如果格状内码的Viterbi译码器还可以提供关于判决可靠性的边信息(Side Information)，比如说Viterbi译码中最大路径值和次最大路径值之差是否小于某个门限。若小于某个门限，则可以认

8、为这时的判决是不可靠的，从而输出一个删除空格。RS码既可用于纠正符号错误，又可用来正确填充删除空格。对于一个距离d=2t+1的RS码，它可纠正i 2t个删除错误，同时可纠正jt(i)个符号错误，其中其中x表示小于等于x的最大整数，对于同时纠正符号错误和删除错误的码来说，其译码错误概率为 (4.3.5)其中，Pers表示输入符号被删除的概率。输出误比特率由式(4.3.3)和式(4.3.4)求出，其中用Pt代替前面的Pe。同时纠正符号错误和删除错误的RS码可以进一步提高纠错能力。2.RS码在手机电视传输标准中的应用1)RS码的基本参数(1)输入信息可分为km比特一组，每组k个符号，每个符号由m比特

9、组成。(2)码长:n=2m1符号或m(2m1)比特;信息段:k个符号或比特;可纠错能力:t个符号或mt比特;监督段:nk=2t符号，或m(nk)=2mt比特;最小距离:d=2t+1符号，或md=m(2t+1)比特。2)RS码的纠错能力(1)RS码同时具有纠正随机与突发差错的能力，且纠突发差错能力更强。(2)RS码可纠正的错误图样有:总长度b1=(t1)m+1比特的单个突发差错;总长度b2=(t3)m+3比特的2个突发差错;总长度bi=(t2i+1)m+2i1比特的i个突发差错。4.3.2BCH码1.概述1959年，Bose、Chandhari 和Hocquenghem 发明了一类能纠多个随机错

10、误的循环码，并以他们名字的第一个字母命名，这就是BCH 码。BCH码解决了生成多项式与最小码距之间的关系问题，根据所要求的纠错能力，可以很容易地构造出BCH码。2.BCH码编码电路举例例如有BCH(762，752)码，下面我们来分析编码过程。BCH(762，752)码由BCH(1023，1013)码缩短而成，752 bit信息位前添加261个比特0成为1013长度，编码成1023位，信息位在前，校验位在后，然后将前261个比特0丢掉，形成762码。BCH(762，752)码的生成多项式为g(x)=1+X3+X10编码过程就是解决以生成多项式为模的除法问题，采用线性反馈移位寄存来实现多项式的除法

11、运算，编码电路图如图4.3.1所示。图4.3.1BCH(762，752)编码电路图图4.3.1中09分别为10个寄存器，表示加法器，通常由异或门实现，在二进制时，若码生成多项式的系数为1，则反馈直接连通，为0 则断开。如图4.3.1所示的BCH(762，752)编码电路图，当开关K1、K2分别接1时，输入的有效数据752 bit一路直接输出，另一路进入编码电路，进入编码电路的数据进行运算得到校验比特。当752 bit有效数据输入完毕后，开关K1、K2分别接2，移位寄存器中的10 bit校验位移出电路，此时输出的数据总数为762 bit，从而完成一帧BCH 编码。然后，移位寄存器清零，电路复位。

12、输入、输出、校验比特的时序图如图4.3.2所示。BCH 编码硬件电路比较简单，使用10个移位寄存器、两个加法器和两个门电路即可实现。图4.3.2输入、输出、校验比特时序图3.译码方法和电路循环码的译码可以分以下三步进行：(1)由接收到的码多项式B(x)计算校正子(伴随式)多项式S(x)。(2)由校正子S(x)确定错误图样E(x)。(3)将错误图样E(x)与B(x)相加，纠正错误。图4.3.3是 BCH译码电路。输入信号一路送给校正子计算电路，另一路送给k级缓存器。校正子计算电路经过计算后把数据送给错误图样识别器，最后由错误图样识别器送出的信号与k级缓存器送出的信号进行模2加就得到纠错后的信号输

13、出。图4.3.3BCH译码电路 4.3.3Turbo码1993年，在ICC国际会议上两位法国教授与一位缅甸籍博士共同提出了Turbo码。其中，Turbo带有涡轮驱动，即反复迭代的含义。1.Turbo码编码原理Turbo码编码原理如图4.3.4所示。图4.3.4Turbo码编码原理框图2.Turbo码译码器的结构Turbo码译码器的结构如图4.3.5所示。图4.3.5Turbo码译码器结构框图3.结论分析经初步分析，Turbo码的优良性能是由分量码设计、交织器设计、译码算法及其并联结构进行组合优化共同取得的。4.3.4LDPC码1.概述1962年，Gallager首先提出了低密度奇偶校验码(Lo

14、w-Density Parity-Check Code，LDPC)，该码的性能十分接近香农限，而且是可以实现的编码方案，其性能甚至超过了Turbo码。LDPC码可以用一种称为“Tanner”图的双向图来更有效地表示。双向图可以描述为:所有节点分为两类，节点间用无方向的边连接，但这些边不能连接属于同一类的两个节点。这两类节点在Tanner图中称为比特节点和校验节点。Tanner图按如下规则描画:当H中的元素h为1时，校验节点fj(j=1，NK)连接到比特节点xi(i=1，N)。图4.3.6表示了根据一个简单的奇偶校验矩阵画的对应的Tanner图。图4.3.6奇偶校验矩阵的Tanner图在这个图中

15、，每个比特节点被连接到两个校验节点(比特度数为2)，每个校验节点的度数为4。(4.3.6)2.LDPC码编码作为一个例子，我们假设要在某信道上传输信息比特组m=1，0，1，1，首先用下面的矩阵编码:(4.3.7)则可求出P矩阵，从而得出矩阵G:(4.3.8)输出码字C=mG=1 0 1 1 0 0 1。3.LDPC码译码算法例如，考虑(7，4)汉明码，将此码经BPSK调制后传给一个AWGN信道，传输的符号为xK1(xK=(1)k)。可以绘出图4.3.7所示的Tanner图。图4.3.7(7，4)汉明码的Tanner图4.3.5格状编码(TCM)1982年 Ungerboeck提出了格状编码调制

16、技术(又称码调)，将编码和调制技术有机地结合起来。图4.3.8所示是卷积编码(格状编码)的一种。图4.3.8卷积码及格状图1.格状编码1)卷积编码及格状图按图示的结构，j时刻编成的码:(4.3.9)式中，表示模2和运算(001+10，01101)，式(4.3.9)可写成通式:(4.3.10)式中，是模2和累加，是乘法运算，m1是编码器存储单元数。比较收到的码和路径发展编成码之间或路径与路径之间的一种距离测距叫汉明距离，定义为把码序列ui 和vi作比较：(4.3.11)2)调制映射与最小自由路径距离格状编码调制把信道编码与调制传输信号星座图看成一个总体来进行设计。通常把信号集合扩展一倍为纠错编码提供所需的冗余度。美国ATSC-M/P/H的传输方案中，传输数据率为21.28 Mb/s，传输方案采纳格状编码，8VSB格状编码方框图如图4.3.9所示，其中用到了3个信道符号。图4.3.93 bit 8VSB-TCM 结构框图现在以8VSB的一维星座点为例说明这种分割方法，如图4.3.10所示。图4.3.108VSB信号的映射构成方法3)16/32QAM格状编码图4.3.11(a)是编码器的原理