卫星通信论文(数字电视系统信源信道编码技术)
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摘要：本文介绍了有关卫星数字电视信源信道编码的一些主要技术和标准,包括数字演播室标准ITU-601,压缩编码的基本原理和方法,图像压缩编码标准H261,JPEG和MPEG；RS编码技术，数据交织技术，卷积编码技术。
关键词：卫星数字电视，信源编码，信道编码
一、数字电视简介
数字电视，是从电视节目录制、播出到发射、接收全部采用数字编码与数字传输技术的新一代电视。它具有许多优点，如可实现双向交互业务、抗干扰能力强、频率资源利用率高等，它可提供优质的电视图像和更多的视频服务(如交互电视、远程教育、会议电视、电视商务、影视点播等)。
数字电视系统作为一个多媒体通信系统，有效性与可靠性是系统的两个重要指标，信源编码实质属于有效性编码的范畴，信道编码属于可靠性编码的范畴。
一个完整的数字电视系统包括数字电视信号的产生、处理、传输、接收和重现。
数字电视信号在进入传输通道前的处理过程一般如图1所示：
卫星传输
地面无线传输 有线传输
图1 数字电视信号传输前的处理过程
二、卫星数字电视系统
按信号传输方式分类：数字电视可以分为地面无线传输（地面数字电视）、卫星传输（卫星数字电视）、有线传输（有线数字电视）三类。卫星广播具有覆盖面大、传输距离远、信息量大、信号质量高、不受地理条件限制等优点，近年来卫星广播事业得到了迅猛发展。在数字电视卫星广播中，通过采用数字化技术，并利用数据压缩编码技术，一颗大容量卫星可转播 100 ~ 500 套节目，其调制方式在世界范围内都统一采用QPSK(正交移相键控)方式。我国的卫星数字电视选用DVB-S标准。
图2 数字电视卫星传输系统
三、数字电视信源编码技术
数字电视信号在获取后经过的第一个处理环节就是信源编码。信源编码是对原始图像或声音信息进行压缩编码表示，即进行比特率压缩的过程，它应保证接收端通过信源解码能还原出满足一定服务质量的图像与声音。
信源编码是数字电视系统的核心技术，其本质就是通过压缩编码来去除视频、音频、数据等原始信号的冗余信息，以实现码率压缩与带宽减小，再使信号在各种传输信道中进行有效传输。因此压缩编码的技术与标准成为信源编码的核心。
1．数字演播室标准ITU－R601
信源编码的第一步首先要对模拟电视信号进行取样和模数变换，相应的需要一个统一的标准。数字演播室标准ITU－R601正是为此制定的国际标准，它是模拟电视向数字电视转变过程中的第一个标准规范。
参数说明：
① 取样频率：根据奈奎斯特定理，取样频率应至少不低于信号最高频率的2 倍。其次，为便于进行信源编码，取样结构最好为正交结构，即每个取样点应与其相邻行和相邻帧对齐。为此取样频率必须为行频的整数倍。要同时满足PAL与NTSC的正交取样，取样频率应为两者行频的公倍数。同时，取样频率的选取还必须兼顾码率和带宽。综合考虑上述因素，亮度信号的取样频率定为13.5兆赫。在4：2：2格式中，每个色差信号取样数为亮度信号的一半，取样频率定为6.75兆赫；
② 每行取样数：由取样频率除以行频得到每行取样数。为提高编码效率，去掉行场逆程的取样，得到降低了的每数字有效行取样数；
③ 编码方式：采用简单的线性PCM编码。量化比特数为8比特，这是一个由实验决定的结果。具体实验显示，8比特量化产生的256级量化级，已完全能满足人眼对亮度与色度层次分辨的需要。
ITU－R601主要是一种取样标准。模拟电视信号据此取样后进行8比特量化和线性PCM编码，即可得到符合数字演播室标准的基带数字信号。但是，由此得到的数字电视信号具有非常高的码率和带宽，难以进入实用。虽然ITU－R601建议早在1980年已经制定，但直到九十年代一系列有效的图像第一文库网数据压缩技术及相应的国际标准出现以后，数字电视才得到了迅速的发展。
2. 图像压缩的主要技术与标准
目前有关图像压缩方面的主要标准包括CCITT的.H.261,JPEG和MPEG。是分别针对电视电话图像，静止图像和活动图像的压缩编码标准。这几种压缩标准虽然各自针对性不同，但压缩编码方法大体相似。
① H.261
图像压缩编码标准的提出最早源于通讯中对可视电话的研究。经过多年努力，至1980年，国际电报电话咨询委员会CCITT所属的视频编码专家组的H.261建议被通过，成为可视电话和电话会议的国际标准。H.261又称Px64，传输码率为Px64kbps，其中P＝1－30可变，根据图像传输清晰度的不同，码率变化范围在64kbps至1.92Mbps之间，编码方法包括DCT变换，可控步长线性量化，变长编码及预测编码等。
其简化的编码原理框图如图3所示。
图3 H.261压缩编码原理简图
图中，DCT变换的输入输出选择开关由帧内/帧间模式选择电路控制。在帧内模式时，开关打到上面，输入信号经DCT变换，线性量化和变长编码后输出，图像只进行帧内压缩。在帧间模式时，开关打到下面，前一帧图像信号经过预测环中的运动补偿后产生一个后帧的预测信号。后帧的实际输入信号与其预测值相减后，在进行一个帧内压缩编码的过程后输出。
图中，变长编码器产生的控制信号送量化器以控制其量化步长。当变长编码器的输入中连续出现许多大数值的数据，导致集中出现长的码组，使缓存器接近溢出时，控制信号使量化器的量化步长加大，以降低大数值数据的出现；反之，也可控制量化器以减小其量化步长。在预测环路中由于存在用于恢复前帧信号的反量化器，量化步长控制信号也要送到预测环中的反量化器中。
H.261所针对的可视电话信号最初考虑是在一般电话网中传输的，带宽和码率是其考虑的核心问题。其每帧取样点数比ITU－R601所规定的低许多，且采取抽帧传输的方法，无法满足数字电视压缩编码的要求，但H.261是此前压缩编码数十年研究的结果，成为以后JPEG和MPEG编码方法的重要基础。
②JPEG（静止图像压缩编码）
JPEG是一个达到数字演播室标准的图像压缩编码标准，其亮度信号与色度信号均按照ITU－R601的规定取样后划分为8x8子块进行编码处理。
JPEG是一种不含帧间压缩的帧内压缩编码方法，其主要编码过程与
H.261的帧内编码过程大致相同。输入信号经DCT变换后，按固定的亮度与色度量化矩阵进行非线性量化。对量化后的DCT直流系数进行差分编码，交流系数进行行游程编码，再按霍夫曼码表进行变长编码后，送缓存器输出 。
JPEG不含帧间压缩，压缩比较帧内/帧间压缩低。但因为不含帧间压缩，使得各帧在压缩编码后是各自独立的，这一点对于编辑来说是有利的，可以做到精确到逐帧的编辑。所以对于活动画面只进行帧内压缩的Motion-JPEG，目前仍然在一些数字电视编录设备，如非线性编辑系统中得到应用。 ③MPEG（运动图像压缩编码）
1992年和1994年分别通过了MPEG－1和MPEG－2压缩编码标准。 MPEG－1主要是针对运动图像和声音在数字存储时的压缩编码，典型应用如VCD等家用数字音像产品，其编码最高码率为1.5Mbps。
MPEG－2则针对数字电视的视音频压缩编码，对数字电视各种等级的压缩编码方案及图像编码中划分的层次作了详细的规定，其编码码率可从3Mbps到100Mbps。
MPEG－2
的压缩编码及其标准码流的形成构成了数字电视信源编码的核
心。符合MPEG－2格式的码流成为数字电视信源编码的标准输出码流。 数字电视信道编码，DVB及MPEG－2解码器等均认同和适应此标准。
四、数字电视信道编码技术
从结构上看，RS码是一种码元长度为n、信息位长度为k
的(n，k)型线性分组码，其中分组码是指在k位信息码元的后面按编码规则附加r位校验码元而构成码长为n的码字，并用(n，k)表示，而线性分组码是指分组码中的校验码元与信息码元之间满足线性变换关系。在纠错编码中，码字距离、特别是码字最小距离，是衡量一种码抗干扰能力大小的标准，码字最小距离越大，说明任何两个码字之间的最小差别越大，抗干扰能力越强。在所有的线性分组码中，RS码的汉明距离最大，因此RS码纠错能力最佳。
RS编码是一种非常有效的块编码技术，与其他以单个码元为基础的块编码技术不同，RS码以码组为基础，码组又称为符号，RS码只处理符号，即使符号中只有一个比特出错，也认为是整个符号出错。在RS(n，k)编码中，输入信号分成km比特一组，每组包括k个符号，每个符号由m比特组成，因此总码长n=k+r个符号，共有k个信息符号、r个监督符号，最小码距d0=2t+1个符号，RS码能够纠正t=r／2个符号的错误，通常一个可纠错t个误码字节的RS码可表示为(n，k，t)。
在DVB系统中，信道编码采用(204，188，t=8)的RS码，即n=204字节，k=188字节，即每188个信息符号要用16个监督符号，总码元数为204个符号，m=8比特(1字节)，监督码元长度为2t=16字节，纠错能力为一段码长为204字节内的8个字节，此RS码的长度在原理上应为n=2m-1=255字节，实施上述RS编码时，先在188字节前加上51个全0字节，组成239字节的信息段，然后根据RS编码电路在信息段后面生成16个监督字节，即得到所需的RS码。
4. 数据交织技术
数据交织是指在不附加纠错码字的前提下，利用改变数据码字传输顺序的方法，来提高接收端去交织解码时的抗突发误码能力，通过采用数据交织与解交织技术，传输过程中引入的突发连续性误码经去交织解码后恢复成原顺序，此时误码分散分布，从而减少了各纠错解码组中的错误码元数量，使错误码元数目限制在RS码的纠错能力之内，然后分别纠正，从而大大提高了RS码在传输过程中的抗突发误码能力。
数据交织技术纠正突发误码的原理如图5所示。
图5 数据交织技术纠正突发误码原理图
若将输入序列di=(11010)输入到图7的电路中，则寄存器的状态及编码输出为(di-2、di-1初始状态均为00)：di-1= (11010000)，di-2=(01101000)，输出端的编码关系为：C1=di di-1 di，C2=di di-2其中 表示异或。
若输出为：C1=(C11，C12，…，C1n)=(10001100)，C2=(C21，C22，…，C2n)=(11100100)，则卷积码的输出序列为：C(C11C21，C12C22，…，C1nC2n)：(1101010010110000)。
卷积码的解码可分为代数解码与概率解码两大类，代数解码方法完全基于其代数结构，利用生成矩阵和监督矩阵来解码，大数逻辑解码也是代数解码方法。概率解码还利用了信道统计特性，因此能用增加解码约束长度来减少解码的错误概率。概率解码比较实用的有两种方法：即序列解码与维特比 (Viterbi)解码，其中维特比解码在数字电视信道编码中应用非常广泛，其解码过程如下：
按照格状图从起始状态开始计算每个路径相应的输出码元与接收码元之间的汉明距离及路径总汉明距离；
在一定周期后，选取汉明距离小的路径作为候选路径，并继续扩展，候选路径可能为1条，也可能有多条，主要由总汉明距离决定，但一般到达同一状态的多条路径只选留1条；
到最后一个周期时，最后状态必须要回到起始状态，对于那些汉明距离小但不能到达起始状态的路径全部删除。
维特比解码分为硬判决解码与软判决解码两种，若解调器输出给解码器的是二元信号，称为硬判决解码，此时解码器中信号之间的差别用汉明距离表示；当解码器输出的是多电平信号时，称解调器为软判决解码，此时解码器中信号之间的差别用欧氏距离表示。软判决充分利用接收信号的信息，比硬判决性能优越，但实现难度也较大，数字电视接收中针对卷积码解码，主要采用维特比软判决的解码。
参考文献
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