衛星通信論文(數字電視系統信源信道編碼技術)

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衛星通信論文(數字電視系統信源信道編碼技術)

　　摘要：本文介紹了有關衛星數字電視信源信道編碼的一些主要技術和標準,包括數字演播室標準ITU-601,壓縮編碼的基本原理和方法,圖像壓縮編碼標準H261,JPEG和MPEG；RS編碼技術，數據交織技術，卷積編碼技術。

　　關鍵詞：衛星數字電視，信源編碼，信道編碼

　　一、數字電視簡介

　　數字電視，是從電視節目錄制、播出到發射、接收全部采用數字編碼與數字傳輸技術的新一代電視。它具有許多優點，如可實現雙向交互業務、抗干擾能力強、頻率資源利用率高等，它可提供優質的電視圖像和更多的視頻服務(如交互電視、遠程教育、會議電視、電視商務、影視點播等)。

　　數字電視系統作為一個多媒體通信系統，有效性與可靠性是系統的兩個重要指標，信源編碼實質屬于有效性編碼的范疇，信道編碼屬于可靠性編碼的范疇。

　　一個完整的數字電視系統包括數字電視信號的產生、處理、傳輸、接收和重現。

　　數字電視信號在進入傳輸通道前的處理過程一般如圖1所示：

　　衛星傳輸

　　地面無線傳輸有線傳輸

　　圖1 數字電視信號傳輸前的處理過程

　　二、衛星數字電視系統

　　按信號傳輸方式分類：數字電視可以分為地面無線傳輸（地面數字電視）、衛星傳輸（衛星數字電視）、有線傳輸（有線數字電視）三類。衛星廣播具有覆蓋面大、傳輸距離遠、信息量大、信號質量高、不受地理條件限制等優點，近年來衛星廣播事業得到了迅猛發展。在數字電視衛星廣播中，通過采用數字化技術，并利用數據壓縮編碼技術，一顆大容量衛星可轉播 100 ~ 500 套節目，其調制方式在世界范圍內都統一采用QPSK(正交移相鍵控)方式。我國的衛星數字電視選用DVB-S標準。

　　圖2 數字電視衛星傳輸系統

　　三、數字電視信源編碼技術

　　數字電視信號在獲取后經過的第一個處理環節就是信源編碼。信源編碼是對原始圖像或聲音信息進行壓縮編碼表示，即進行比特率壓縮的過程，它應保證接收端通過信源解碼能還原出滿足一定服務質量的圖像與聲音。

　　信源編碼是數字電視系統的核心技術，其本質就是通過壓縮編碼來去除視頻、音頻、數據等原始信號的冗余信息，以實現碼率壓縮與帶寬減小，再使信號在各種傳輸信道中進行有效傳輸。因此壓縮編碼的技術與標準成為信源編碼的核心。

　　1．數字演播室標準ITU－R601

　　信源編碼的第一步首先要對模擬電視信號進行取樣和模數變換，相應的需要一個統一的標準。數字演播室標準ITU－R601正是為此制定的國際標準，它是模擬電視向數字電視轉變過程中的第一個標準規范。

　　參數說明：

　�、� 取樣頻率：根據奈奎斯特定理，取樣頻率應至少不低于信號最高頻率的2 倍。其次，為便于進行信源編碼，取樣結構最好為正交結構，即每個取樣點應與其相鄰行和相鄰幀對齊。為此取樣頻率必須為行頻的整數倍。要同時滿足PAL與NTSC的正交取樣，取樣頻率應為兩者行頻的公倍數。同時，取樣頻率的選取還必須兼顧碼率和帶寬。綜合考慮上述因素，亮度信號的取樣頻率定為13.5兆赫。在4：2：2格式中，每個色差信號取樣數為亮度信號的一半，取樣頻率定為6.75兆赫；

　　② 每行取樣數：由取樣頻率除以行頻得到每行取樣數。為提高編碼效率，去掉行場逆程的取樣，得到降低了的每數字有效行取樣數；

　�、� 編碼方式：采用簡單的線性PCM編碼。量化比特數為8比特，這是一個由實驗決定的結果。具體實驗顯示，8比特量化產生的256級量化級，已完全能滿足人眼對亮度與色度層次分辨的需要。

　　ITU－R601主要是一種取樣標準。模擬電視信號據此取樣后進行8比特量化和線性PCM編碼，即可得到符合數字演播室標準的基帶數字信號。但是，由此得到的數字電視信號具有非常高的碼率和帶寬，難以進入實用。雖然ITU－R601建議早在1980年已經制定，但直到九十年代一系列有效的圖像第一文庫網數據壓縮技術及相應的國際標準出現以后，數字電視才得到了迅速的發展。

　　2. 圖像壓縮的主要技術與標準

　　目前有關圖像壓縮方面的主要標準包括CCITT的H.261,JPEG和MPEG。是分別針對電視電話圖像，靜止圖像和活動圖像的壓縮編碼標準。這幾種壓縮標準雖然各自針對性不同，但壓縮編碼方法大體相似。

　　① H.261

　　圖像壓縮編碼標準的提出最早源于通訊中對可視電話的研究。經過多年努力，至1980年，國際電報電話咨詢委員會CCITT所屬的視頻編碼專家組的H.261建議被通過，成為可視電話和電話會議的國際標準。H.261又稱Px64，傳輸碼率為Px64kbps，其中P＝1－30可變，根據圖像傳輸清晰度的不同，碼率變化范圍在64kbps至1.92Mbps之間，編碼方法包括DCT變換，可控步長線性量化，變長編碼及預測編碼等。

　　其簡化的編碼原理框圖如圖3所示。

　　圖3 H.261壓縮編碼原理簡圖

　　圖中，DCT變換的輸入輸出選擇開關由幀內/幀間模式選擇電路控制。在幀內模式時，開關打到上面，輸入信號經DCT變換，線性量化和變長編碼后輸出，圖像只進行幀內壓縮。在幀間模式時，開關打到下面，前一幀圖像信號經過預測環中的運動補償后產生一個后幀的預測信號。后幀的實際輸入信號與其預測值相減后，在進行一個幀內壓縮編碼的過程后輸出。

　　圖中，變長編碼器產生的控制信號送量化器以控制其量化步長。當變長編碼器的輸入中連續出現許多大數值的數據，導致集中出現長的碼組，使緩存器接近溢出時，控制信號使量化器的量化步長加大，以降低大數值數據的出現；反之，也可控制量化器以減小其量化步長。在預測環路中由于存在用于恢復前幀信號的反量化器，量化步長控制信號也要送到預測環中的反量化器中。

　　H.261所針對的可視電話信號最初考慮是在一般電話網中傳輸的，帶寬和碼率是其考慮的核心問題。其每幀取樣點數比ITU－R601所規定的低許多，且采取抽幀傳輸的方法，無法滿足數字電視壓縮編碼的要求，但H.261是此前壓縮編碼數十年研究的結果，成為以后JPEG和MPEG編碼方法的重要基礎。

　�、贘PEG（靜止圖像壓縮編碼）

　　JPEG是一個達到數字演播室標準的圖像壓縮編碼標準，其亮度信號與色度信號均按照ITU－R601的規定取樣后劃分為8x8子塊進行編碼處理。

　　JPEG是一種不含幀間壓縮的幀內壓縮編碼方法，其主要編碼過程與

　　H.261的幀內編碼過程大致相同。輸入信號經DCT變換后，按固定的亮度與色度量化矩陣進行非線性量化。對量化后的DCT直流系數進行差分編碼，交流系數進行行游程編碼，再按霍夫曼碼表進行變長編碼后，送緩存器輸出。

　　JPEG不含幀間壓縮，壓縮比較幀內/幀間壓縮低。但因為不含幀間壓縮，使得各幀在壓縮編碼后是各自獨立的，這一點對于編輯來說是有利的，可以做到精確到逐幀的編輯。所以對于活動畫面只進行幀內壓縮的Motion-JPEG，目前仍然在一些數字電視編錄設備，如非線性編輯系統中得到應用。 ③MPEG（運動圖像壓縮編碼）

　　1992年和1994年分別通過了MPEG－1和MPEG－2壓縮編碼標準。 MPEG－1主要是針對運動圖像和聲音在數字存儲時的壓縮編碼，典型應用如VCD等家用數字音像產品，其編碼最高碼率為1.5Mbps。

　　MPEG－2則針對數字電視的視音頻壓縮編碼，對數字電視各種等級的壓縮編碼方案及圖像編碼中劃分的層次作了詳細的規定，其編碼碼率可從3Mbps到100Mbps。

　　MPEG－2

　　的壓縮編碼及其標準碼流的形成構成了數字電視信源編碼的核

　　心。符合MPEG－2格式的碼流成為數字電視信源編碼的標準輸出碼流。數字電視信道編碼，DVB及MPEG－2解碼器等均認同和適應此標準。

　　四、數字電視信道編碼技術

　　從結構上看，RS碼是一種碼元長度為n、信息位長度為k

　　的(n，k)型線性分組碼，其中分組碼是指在k位信息碼元的后面按編碼規則附加r位校驗碼元而構成碼長為n的碼字，并用(n，k)表示，而線性分組碼是指分組碼中的校驗碼元與信息碼元之間滿足線性變換關系。在糾錯編碼中，碼字距離、特別是碼字最小距離，是衡量一種碼抗干擾能力大小的標準，碼字最小距離越大，說明任何兩個碼字之間的最小差別越大，抗干擾能力越強。在所有的線性分組碼中，RS碼的漢明距離最大，因此RS碼糾錯能力最佳。

　　RS編碼是一種非常有效的塊編碼技術，與其他以單個碼元為基礎的塊編碼技術不同，RS碼以碼組為基礎，碼組又稱為符號，RS碼只處理符號，即使符號中只有一個比特出錯，也認為是整個符號出錯。在RS(n，k)編碼中，輸入信號分成km比特一組，每組包括k個符號，每個符號由m比特組成，因此總碼長n=k+r個符號，共有k個信息符號、r個監督符號，最小碼距d0=2t+1個符號，RS碼能夠糾正t=r／2個符號的錯誤，通常一個可糾錯t個誤碼字節的RS碼可表示為(n，k，t)。

　　在DVB系統中，信道編碼采用(204，188，t=8)的RS碼，即n=204字節，k=188字節，即每188個信息符號要用16個監督符號，總碼元數為204個符號，m=8比特(1字節)，監督碼元長度為2t=16字節，糾錯能力為一段碼長為204字節內的8個字節，此RS碼的長度在原理上應為n=2m-1=255字節，實施上述RS編碼時，先在188字節前加上51個全0字節，組成239字節的信息段，然后根據RS編碼電路在信息段后面生成16個監督字節，即得到所需的RS碼。

　　4. 數據交織技術

　　數據交織是指在不附加糾錯碼字的前提下，利用改變數據碼字傳輸順序的方法，來提高接收端去交織解碼時的抗突發誤碼能力，通過采用數據交織與解交織技術，傳輸過程中引入的突發連續性誤碼經去交織解碼后恢復成原順序，此時誤碼分散分布，從而減少了各糾錯解碼組中的錯誤碼元數量，使錯誤碼元數目限制在RS碼的糾錯能力之內，然后分別糾正，從而大大提高了RS碼在傳輸過程中的抗突發誤碼能力。

　　數據交織技術糾正突發誤碼的原理如圖5所示。

　　圖5 數據交織技術糾正突發誤碼原理圖

　　若將輸入序列di=(11010)輸入到圖7的電路中，則寄存器的狀態及編碼輸出為(di-2、di-1初始狀態均為00)：di-1= (11010000)，di-2=(01101000)，輸出端的編碼關系為：C1=di di-1 di，C2=di di-2其中表示異或。

　　若輸出為：C1=(C11，C12，…，C1n)=(10001100)，C2=(C21，C22，…，C2n)=(11100100)，則卷積碼的輸出序列為：C(C11C21，C12C22，…，C1nC2n)：(1101010010110000)。

　　卷積碼的解碼可分為代數解碼與概率解碼兩大類，代數解碼方法完全基于其代數結構，利用生成矩陣和監督矩陣來解碼，大數邏輯解碼也是代數解碼方法。概率解碼還利用了信道統計特性，因此能用增加解碼約束長度來減少解碼的錯誤概率。概率解碼比較實用的有兩種方法：即序列解碼與維特比 (Viterbi)解碼，其中維特比解碼在數字電視信道編碼中應用非常廣泛，其解碼過程如下：

　　按照格狀圖從起始狀態開始計算每個路徑相應的輸出碼元與接收碼元之間的漢明距離及路徑總漢明距離；

　　在一定周期后，選取漢明距離小的路徑作為候選路徑，并繼續擴展，候選路徑可能為1條，也可能有多條，主要由總漢明距離決定，但一般到達同一狀態的多條路徑只選留1條；

　　到最后一個周期時，最后狀態必須要回到起始狀態，對于那些漢明距離小但不能到達起始狀態的路徑全部刪除。

　　維特比解碼分為硬判決解碼與軟判決解碼兩種，若解調器輸出給解碼器的是二元信號，稱為硬判決解碼，此時解碼器中信號之間的差別用漢明距離表示；當解碼器輸出的是多電平信號時，稱解調器為軟判決解碼，此時解碼器中信號之間的差別用歐氏距離表示。軟判決充分利用接收信號的信息，比硬判決性能優越，但實現難度也較大，數字電視接收中針對卷積碼解碼，主要采用維特比軟判決的解碼。

　　參考文獻

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