衛(wèi)星通信論文(數(shù)字電視系統(tǒng)信源信道編碼技術(shù))
在平時(shí)的學(xué)習(xí)、工作中，大家都有寫論文的經(jīng)歷，對(duì)論文很是熟悉吧，論文是對(duì)某些學(xué)術(shù)問題進(jìn)行研究的手段。相信很多朋友都對(duì)寫論文感到非常苦惱吧，以下是小編幫大家整理的衛(wèi)星通信論文(數(shù)字電視系統(tǒng)信源信道編碼技術(shù))，希望能夠幫助到大家。
摘要：本文介紹了有關(guān)衛(wèi)星數(shù)字電視信源信道編碼的一些主要技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn),包括數(shù)字演播室標(biāo)準(zhǔn)ITU-601,壓縮編碼的基本原理和方法,圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)H261,JPEG和MPEG；RS編碼技術(shù)，數(shù)據(jù)交織技術(shù)，卷積編碼技術(shù)。
關(guān)鍵詞：衛(wèi)星數(shù)字電視，信源編碼，信道編碼
一、數(shù)字電視簡介
數(shù)字電視，是從電視節(jié)目錄制、播出到發(fā)射、接收全部采用數(shù)字編碼與數(shù)字傳輸技術(shù)的新一代電視。它具有許多優(yōu)點(diǎn)，如可實(shí)現(xiàn)雙向交互業(yè)務(wù)、抗干擾能力強(qiáng)、頻率資源利用率高等，它可提供優(yōu)質(zhì)的電視圖像和更多的視頻服務(wù)(如交互電視、遠(yuǎn)程教育、會(huì)議電視、電視商務(wù)、影視點(diǎn)播等)。
數(shù)字電視系統(tǒng)作為一個(gè)多媒體通信系統(tǒng)，有效性與可靠性是系統(tǒng)的兩個(gè)重要指標(biāo)，信源編碼實(shí)質(zhì)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(gè)完整的數(shù)字電視系統(tǒng)包括數(shù)字電視信號(hào)的產(chǎn)生、處理、傳輸、接收和重現(xiàn)。
數(shù)字電視信號(hào)在進(jìn)入傳輸通道前的處理過程一般如圖1所示：
衛(wèi)星傳輸
地面無線傳輸 有線傳輸
圖1 數(shù)字電視信號(hào)傳輸前的處理過程
二、衛(wèi)星數(shù)字電視系統(tǒng)
按信號(hào)傳輸方式分類：數(shù)字電視可以分為地面無線傳輸（地面數(shù)字電視）、衛(wèi)星傳輸（衛(wèi)星數(shù)字電視）、有線傳輸（有線數(shù)字電視）三類。衛(wèi)星廣播具有覆蓋面大、傳輸距離遠(yuǎn)、信息量大、信號(hào)質(zhì)量高、不受地理?xiàng)l件限制等優(yōu)點(diǎn)，近年來衛(wèi)星廣播事業(yè)得到了迅猛發(fā)展。在數(shù)字電視衛(wèi)星廣播中，通過采用數(shù)字化技術(shù)，并利用數(shù)據(jù)壓縮編碼技術(shù)，一顆大容量衛(wèi)星可轉(zhuǎn)播 100 ~ 500 套節(jié)目，其調(diào)制方式在世界范圍內(nèi)都統(tǒng)一采用QPSK(正交移相鍵控)方式。我國的衛(wèi)星數(shù)字電視選用DVB-S標(biāo)準(zhǔn)。
圖2 數(shù)字電視衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)
三、數(shù)字電視信源編碼技術(shù)
數(shù)字電視信號(hào)在獲取后經(jīng)過的第一個(gè)處理環(huán)節(jié)就是信源編碼。信源編碼是對(duì)原始圖像或聲音信息進(jìn)行壓縮編碼表示，即進(jìn)行比特率壓縮的過程，它應(yīng)保證接收端通過信源解碼能還原出滿足一定服務(wù)質(zhì)量的圖像與聲音。
信源編碼是數(shù)字電視系統(tǒng)的核心技術(shù)，其本質(zhì)就是通過壓縮編碼來去除視頻、音頻、數(shù)據(jù)等原始信號(hào)的冗余信息，以實(shí)現(xiàn)碼率壓縮與帶寬減小，再使信號(hào)在各種傳輸信道中進(jìn)行有效傳輸。因此壓縮編碼的技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)成為信源編碼的核心。
1．?dāng)?shù)字演播室標(biāo)準(zhǔn)ITU－R601
信源編碼的第一步首先要對(duì)模擬電視信號(hào)進(jìn)行取樣和模數(shù)變換，相應(yīng)的需要一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)字演播室標(biāo)準(zhǔn)ITU－R601正是為此制定的國際標(biāo)準(zhǔn)，它是模擬電視向數(shù)字電視轉(zhuǎn)變過程中的第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。
參數(shù)說明：
�、� 取樣頻率：根據(jù)奈奎斯特定理，取樣頻率應(yīng)至少不低于信號(hào)最高頻率的2 倍。其次，為便于進(jìn)行信源編碼，取樣結(jié)構(gòu)最好為正交結(jié)構(gòu)，即每個(gè)取樣點(diǎn)應(yīng)與其相鄰行和相鄰幀對(duì)齊。為此取樣頻率必須為行頻的整數(shù)倍。要同時(shí)滿足PAL與NTSC的正交取樣，取樣頻率應(yīng)為兩者行頻的公倍數(shù)。同時(shí)，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(hào)的取樣頻率定為13.5兆赫。在4：2：2格式中，每個(gè)色差信號(hào)取樣數(shù)為亮度信號(hào)的一半，取樣頻率定為6.75兆赫；
�、� 每行取樣數(shù)：由取樣頻率除以行頻得到每行取樣數(shù)。為提高編碼效率，去掉行場逆程的取樣，得到降低了的每數(shù)字有效行取樣數(shù)；
③ 編碼方式：采用簡單的線性PCM編碼。量化比特?cái)?shù)為8比特，這是一個(gè)由實(shí)驗(yàn)決定的結(jié)果。具體實(shí)驗(yàn)顯示，8比特量化產(chǎn)生的256級(jí)量化級(jí)，已完全能滿足人眼對(duì)亮度與色度層次分辨的需要。
ITU－R601主要是一種取樣標(biāo)準(zhǔn)。模擬電視信號(hào)據(jù)此取樣后進(jìn)行8比特量化和線性PCM編碼，即可得到符合數(shù)字演播室標(biāo)準(zhǔn)的基帶數(shù)字信號(hào)。但是，由此得到的數(shù)字電視信號(hào)具有非常高的碼率和帶寬，難以進(jìn)入實(shí)用。雖然ITU－R601建議早在1980年已經(jīng)制定，但直到九十年代一系列有效的圖像第一文庫網(wǎng)數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)及相應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)以后，數(shù)字電視才得到了迅速的發(fā)展。
2. 圖像壓縮的主要技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)
目前有關(guān)圖像壓縮方面的主要標(biāo)準(zhǔn)包括CCITT的.H.261,JPEG和MPEG。是分別針對(duì)電視電話圖像，靜止圖像和活動(dòng)圖像的壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)。這幾種壓縮標(biāo)準(zhǔn)雖然各自針對(duì)性不同，但壓縮編碼方法大體相似。
�、� H.261
圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)的提出最早源于通訊中對(duì)可視電話的研究。經(jīng)過多年努力，至1980年，國際電報(bào)電話咨詢委員會(huì)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(huì)議的國際標(biāo)準(zhǔn)。H.261又稱Px64，傳輸碼率為Px64kbps，其中P＝1－30可變，根據(jù)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(yù)測(cè)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(guān)由幀內(nèi)/幀間模式選擇電路控制。在幀內(nèi)模式時(shí)，開關(guān)打到上面，輸入信號(hào)經(jīng)DCT變換，線性量化和變長編碼后輸出，圖像只進(jìn)行幀內(nèi)壓縮。在幀間模式時(shí)，開關(guān)打到下面，前一幀圖像信號(hào)經(jīng)過預(yù)測(cè)環(huán)中的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后產(chǎn)生一個(gè)后幀的預(yù)測(cè)信號(hào)。后幀的實(shí)際輸入信號(hào)與其預(yù)測(cè)值相減后，在進(jìn)行一個(gè)幀內(nèi)壓縮編碼的過程后輸出。
圖中，變長編碼器產(chǎn)生的控制信號(hào)送量化器以控制其量化步長。當(dāng)變長編碼器的輸入中連續(xù)出現(xiàn)許多大數(shù)值的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致集中出現(xiàn)長的碼組，使緩存器接近溢出時(shí)，控制信號(hào)使量化器的量化步長加大，以降低大數(shù)值數(shù)據(jù)的出現(xiàn)；反之，也可控制量化器以減小其量化步長。在預(yù)測(cè)環(huán)路中由于存在用于恢復(fù)前幀信號(hào)的反量化器，量化步長控制信號(hào)也要送到預(yù)測(cè)環(huán)中的反量化器中。
H.261所針對(duì)的可視電話信號(hào)最初考慮是在一般電話網(wǎng)中傳輸?shù)�，帶寬和碼率是其考慮的核心問題。其每幀取樣點(diǎn)數(shù)比ITU－R601所規(guī)定的低許多，且采取抽幀傳輸?shù)姆椒�，無法滿足數(shù)字電視壓縮編碼的要求，但H.261是此前壓縮編碼數(shù)十年研究的結(jié)果，成為以后JPEG和MPEG編碼方法的重要基礎(chǔ)。
�、贘PEG（靜止圖像壓縮編碼）
JPEG是一個(gè)達(dá)到數(shù)字演播室標(biāo)準(zhǔn)的圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)，其亮度信號(hào)與色度信號(hào)均按照ITU－R601的規(guī)定取樣后劃分為8x8子塊進(jìn)行編碼處理。
JPEG是一種不含幀間壓縮的幀內(nèi)壓縮編碼方法，其主要編碼過程與
H.261的幀內(nèi)編碼過程大致相同。輸入信號(hào)經(jīng)DCT變換后，按固定的亮度與色度量化矩陣進(jìn)行非線性量化。對(duì)量化后的DCT直流系數(shù)進(jìn)行差分編碼，交流系數(shù)進(jìn)行行游程編碼，再按霍夫曼碼表進(jìn)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(nèi)/幀間壓縮低。但因?yàn)椴缓瑤g壓縮，使得各幀在壓縮編碼后是各自獨(dú)立的，這一點(diǎn)對(duì)于編輯來說是有利的，可以做到精確到逐幀的編輯。所以對(duì)于活動(dòng)畫面只進(jìn)行幀內(nèi)壓縮的Motion-JPEG，目前仍然在一些數(shù)字電視編錄設(shè)備，如非線性編輯系統(tǒng)中得到應(yīng)用。 ③MPEG（運(yùn)動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)。 MPEG－1主要是針對(duì)運(yùn)動(dòng)圖像和聲音在數(shù)字存儲(chǔ)時(shí)的壓縮編碼，典型應(yīng)用如VCD等家用數(shù)字音像產(chǎn)品，其編碼最高碼率為1.5Mbps。
MPEG－2則針對(duì)數(shù)字電視的視音頻壓縮編碼，對(duì)數(shù)字電視各種等級(jí)的壓縮編碼方案及圖像編碼中劃分的層次作了詳細(xì)的規(guī)定，其編碼碼率可從3Mbps到100Mbps。
MPEG－2
的壓縮編碼及其標(biāo)準(zhǔn)碼流的形成構(gòu)成了數(shù)字電視信源編碼的核
心。符合MPEG－2格式的碼流成為數(shù)字電視信源編碼的標(biāo)準(zhǔn)輸出碼流。 數(shù)字電視信道編碼，DVB及MPEG－2解碼器等均認(rèn)同和適應(yīng)此標(biāo)準(zhǔn)。
四、數(shù)字電視信道編碼技術(shù)
從結(jié)構(gòu)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(guī)則附加r位校驗(yàn)碼元而構(gòu)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(yàn)碼元與信息碼元之間滿足線性變換關(guān)系。在糾錯(cuò)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(biāo)準(zhǔn)，碼字最小距離越大，說明任何兩個(gè)碼字之間的最小差別越大，抗干擾能力越強(qiáng)。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(cuò)能力最佳。
RS編碼是一種非常有效的塊編碼技術(shù)，與其他以單個(gè)碼元為基礎(chǔ)的塊編碼技術(shù)不同，RS碼以碼組為基礎(chǔ)，碼組又稱為符號(hào)，RS碼只處理符號(hào)，即使符號(hào)中只有一個(gè)比特出錯(cuò)，也認(rèn)為是整個(gè)符號(hào)出錯(cuò)。在RS(n，k)編碼中，輸入信號(hào)分成km比特一組，每組包括k個(gè)符號(hào)，每個(gè)符號(hào)由m比特組成，因此總碼長n=k+r個(gè)符號(hào)，共有k個(gè)信息符號(hào)、r個(gè)監(jiān)督符號(hào)，最小碼距d0=2t+1個(gè)符號(hào)，RS碼能夠糾正t=r／2個(gè)符號(hào)的錯(cuò)誤，通常一個(gè)可糾錯(cuò)t個(gè)誤碼字節(jié)的RS碼可表示為(n，k，t)。
在DVB系統(tǒng)中，信道編碼采用(204，188，t=8)的RS碼，即n=204字節(jié)，k=188字節(jié)，即每188個(gè)信息符號(hào)要用16個(gè)監(jiān)督符號(hào)，總碼元數(shù)為204個(gè)符號(hào)，m=8比特(1字節(jié))，監(jiān)督碼元長度為2t=16字節(jié)，糾錯(cuò)能力為一段碼長為204字節(jié)內(nèi)的8個(gè)字節(jié)，此RS碼的長度在原理上應(yīng)為n=2m-1=255字節(jié)，實(shí)施上述RS編碼時(shí)，先在188字節(jié)前加上51個(gè)全0字節(jié)，組成239字節(jié)的信息段，然后根據(jù)RS編碼電路在信息段后面生成16個(gè)監(jiān)督字節(jié)，即得到所需的RS碼。
4. 數(shù)據(jù)交織技術(shù)
數(shù)據(jù)交織是指在不附加糾錯(cuò)碼字的前提下，利用改變數(shù)據(jù)碼字傳輸順序的方法，來提高接收端去交織解碼時(shí)的抗突發(fā)誤碼能力，通過采用數(shù)據(jù)交織與解交織技術(shù)，傳輸過程中引入的突發(fā)連續(xù)性誤碼經(jīng)去交織解碼后恢復(fù)成原順序，此時(shí)誤碼分散分布，從而減少了各糾錯(cuò)解碼組中的錯(cuò)誤碼元數(shù)量，使錯(cuò)誤碼元數(shù)目限制在RS碼的糾錯(cuò)能力之內(nèi)，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(fā)誤碼能力。
數(shù)據(jù)交織技術(shù)糾正突發(fā)誤碼的原理如圖5所示。
圖5 數(shù)據(jù)交織技術(shù)糾正突發(fā)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(tài)及編碼輸出為(di-2、di-1初始狀態(tài)均為00)：di-1= (11010000)，di-2=(01101000)，輸出端的編碼關(guān)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(shù)解碼與概率解碼兩大類，代數(shù)解碼方法完全基于其代數(shù)結(jié)構(gòu)，利用生成矩陣和監(jiān)督矩陣來解碼，大數(shù)邏輯解碼也是代數(shù)解碼方法。概率解碼還利用了信道統(tǒng)計(jì)特性，因此能用增加解碼約束長度來減少解碼的錯(cuò)誤概率。概率解碼比較實(shí)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(shù)字電視信道編碼中應(yīng)用非常廣泛，其解碼過程如下：
按照格狀圖從起始狀態(tài)開始計(jì)算每個(gè)路徑相應(yīng)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(xù)擴(kuò)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(dá)同一狀態(tài)的多條路徑只選留1條；
到最后一個(gè)周期時(shí)，最后狀態(tài)必須要回到起始狀態(tài)，對(duì)于那些漢明距離小但不能到達(dá)起始狀態(tài)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(diào)器輸出給解碼器的是二元信號(hào)，稱為硬判決解碼，此時(shí)解碼器中信號(hào)之間的差別用漢明距離表示；當(dāng)解碼器輸出的是多電平信號(hào)時(shí)，稱解調(diào)器為軟判決解碼，此時(shí)解碼器中信號(hào)之間的差別用歐氏距離表示。軟判決充分利用接收信號(hào)的信息，比硬判決性能優(yōu)越，但實(shí)現(xiàn)難度也較大，數(shù)字電視接收中針對(duì)卷積碼解碼，主要采用維特比軟判決的解碼。
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