浅谈有线数字电视中的信道编码及QAM调制技术

线电视技术　数字电视　马　乾　江苏省兴化市广播电视台　摘要：本文主要阐述了信道编码及ＱＡＭ调制技术在有线数字电视系统中的作用和意义。重点介绍了ＲＳ编码技　术、数字交织技术及字节到符号的映射原理。对数字调制技术的特点和分类进行了简单的归类。并介绍了广泛应用于　ＣＡ］ｎ，领域的６４ＱＡＭ调制技术。最后对ＱＡＭ的频道设置和输出电平进行了说明。　关键词：ＤＶＢ—Ｃ信道编码ＲＳ纠错卷积交织　映射ＱＡＭ调制　输出电平　１　引　言　数字电视给广播电视带来了新的活力，不仅使整　数字ＣＡＴＶ系统前端组成方框图见图１。　其中ＲＳ编码、卷积交织、字节到符号变换、ＱＡＭ　调制是有线数字电视前端系统的关键技术。　个广播电视节目制作和传输质量得到显著改善，信道　资源利用率大大提高；在市场经济中又给广播电视开　３信道编码与数字调制的意义及目的　经过信源编码和系统复接后生成的节目传送码　流，通常需要通过某种传输媒介才能到达用户接收　端。在广播电视系统中，传输媒介包括地面电视广播　系统（ＤＶＢ—Ｔ），卫星电视广播系统（ＤＶＢ—Ｓ）及有线电　展增值业务提供了较好的手段，如数据广播、电视购　物、电子商务、软件下载、视频点播等，使传统的广播　电视媒体从形态、内容到服务方式都发生了革命性的　改变。随着数字压缩技术的飞速发展，可以在现有的　１个模拟电视频道中传送４～８路标准清晰度的电视　节目或者１路ＨＤＴＶ节目，因而在不增加带宽的情况　下，用数字传输方式可大大节省因增加电视节目频道　视广播系统（ＤＶＢ—Ｃ）。数字电视信息在经信源编码进　行数据压缩后，通过信道传输给接收端。在信道中传　而需要的传输成本，提高了经济效益。　输信息必须将符号转变成具体的波形，在用波形的各　个不同参数表示…０’，…１’时会有不同的频率特性。一　般来说，通道及相应的设备对所要传输的数字信号都　２　数字ＣＡＴＶ系统前端组成　及关键技术　有一定的限制，也就是说，信源编码的码流是不能或　不适合直接通过传输信道进行传输的，必须在信源编　ＭＰ　Ｈ　竺三　垫广！　型　Ｌ＿Ｊ差坌【１　里广＿—＿＿＿１些　Ｊ萎　Ｈ　ＱＡ翌塑堡旦Ｆ　……一　Ｍ调制与　ＲＦ有线信道　。图１　数字ＣＡＴＶ系统前端组成方框图　２００６年第７期（总第１　９９期）　维普资讯 http://www.cqvip.com

数字电视　码和传输通道之间经过某种处理，使之变成适合在规　定信道中传输的形式。在通信原理上，这种处理称为　信道编码与调制。　任何信号经过任何媒介传输都会产生失真，这些　失真导致数字信号在传输过程中的误码。为了克服传　输过程中的误码，针对不同的传输媒质，必须设计和　制定不同的信道编码方案和调制方案。例如ＤＶＢ—Ｓ　采用ＲＳ编码和卷积码进行信道编码，强的抗噪声和　抗干扰性能是系统设计的主要目标，因而采用ＱＰＳＫ　方式进行调制。对于ＤＶＢ—Ｔ，由于空问信道比较复　有线电视技术　在数字信息中增加一些有用的冗余码元，接收端的解　码器利用这些码元的内在规律来减少错误。按ＤＶＢ—　Ｃ的传输标准，纠错码用前向纠错（ＦＥＣ）法，它不但能　发现错误（检错），还能纠正错误（纠错）。减小差错要　用频谱成形技术，纠正差错则要用到数字差错控制技　术。　４．２　ＲＳ码编码技术　基于前向纠错（ＦＥＣ）法的ＲＳ码，利用码组的冗　余度不仅能检测码组中有无错误，还能判定错误码元　的位置。其优点是传输连续的数字序列，实时性好，不　需要反向信道，是广泛用于数字电视传输系统中前向　纠错码的重要组成部分，属于分组码的一种。在Ｋ位　信息码元的后面按编码规则附加ｒ位校验码元就构　成码长为ｎ的码字，称为分组码，用（ｎ，Ｋ）表示。而分　杂，它的调制和信道编码包含两部分：ＱＰＳＫ／ＱＡＭ和　具有可选择保护间隔的正交频分多路传输（ＯＦＤＭ）。　ＤＶＢ—Ｃ由于信道质量较好，只采用ＲＳ编码，为了提　高频带利用率，采用ＱＡＭ调制。　数字电视信道编码及调制的目的是通过纠错编　组码中的校验码元和信息码元之间满足线性变换关　系的一类码，称为线性分组码。　ＲＳ码是一个符号，取自有限域（伽罗华域）ＧＦ　码，网格编码、均衡等技术提高信号的抗干扰能力，通　过调制把传输信号放在载波上，为传输做好准备。目　前所说的各国数字电视的制式标准不能统一，主要是　指纠错、均衡等技术的不同，带宽的不同，尤其是调制　方式的不同。对于有线数字电视广播，美国采用１６一　ＶＳＢ（１６电平残留边带调制）方式，欧洲和我国采用　（２ｍ）长度为ｎ、信息位数为Ｋ的（ｎ，Ｋ）线性分组码，是　非二元ＢＣＨ码的一个重要子类，它由符号域与定位　域作相同选择得到。用于ＤＶＢ系统的ＲＳ（２０４，１８８，　Ｔ＝８）码是通过在原始系统ＲＳ码（２５５，２３９，Ｔ＝８）的信　息字节中加５１个全为０字节的方法截短而得到的。　ＱＡＭ（正交幅度调制）方式。我国的《有线数字电视广　播系统信道编码与调制规范》已经以行业标准的形式　发布，标准号为ＧＹ／Ｔ１７０—２ｏｏ１。　在ＲＳ编码过程完成后，这些空字节将被去掉。截短的　ＲＳ码（２０４，１８８，Ｔ＝８）产生的误码保护数据包，对每个　传输包而言能纠正不大于８个字节随机错误的任意　组合。经过ＲＳ编码后的传输包，信息位Ｋ取１８８，编　码后码元长度为２０４位，纠８个错，构成（２０４，１８８，８）　码字。　４信道编码和数字差错控制技术　４．１　信道编码的本质及作用　数字信号传输有许多优点，但数字电视信号数码　率太高，且在信号传输过程中不可能实现“零干扰”。　数字信号由于传输过程中干扰的影响，会使接收端发　生错误的判决，从而降低传输的可靠性，随着传输速　度的提高，可靠性的问题更为突出。有线电视传输数　据要求误码率小于１０　，因此在传输前要进行多种处　理，这些处理包括为了提高传输效率的有效性编码或　为了分析各种码字的检错纠错能力，引人码字距　离的概念。两个码字，其对应码位码元不同的个数，称　为码字距离或汉明距离。如码字Ｃｌ：（１　１００１０１）及Ｃ２＝　（１０１１１０１），其码距为ｄ（Ｃ。，Ｃ　）：３，可以对分组码（ｎ，　ｋ）的２　个码字集合，计算所有码字之间的汉明距离，　其中最小距离称为最小汉明距离，用ｄ０表示。码字的　距离，特别是最小距离是衡量一种码抗干扰能力大小　的标准，码字的最小距离越大，说明任何两个码字之　间的最小差别越大，抗干扰能力越强。在所有线性分　组码中，没有一个码的汉明距离比ＲＳ大，所以，ＲＳ码　的纠错能力是最强的。　４．３数据交织技术　称信源编码，为了提高信息传输可靠性的可靠性编码　或称信道编码。信道编码的本质是增加通信的可靠　性，或增加整个系统的抗干扰性。信道编码的作用主　要有两点：一是使码流的频谱特性适应通道的频谱特　性，从而使传输过程中能量损失最小，提高信号能量　与噪声能量的比例，减小发生差错的可能性；二是增　纠错编码在实际应用中往往要结合数据交织技　术。这是因为许多信道中差错是突发的，也就是说发　生错误时，往往是有很强的相关性，甚至是连续一片　加纠错能力，使得即便出现差错也能得到纠正，具体　来讲应采用差错控制措施，即发射端利用信道编码器　２００６年第７期（总第ｌ　９９期）　维普资讯 http://www.cqvip.com

有线电视技术　数据都出了错。这时由于错误集中在一起，常常超出　数字电视　现，为方便计算，在具体处理时以８个二进制数构成　的字节为单位进行。而在进行２ｍ－ＱＡＭ调制解调时，　每个调制符号要与ｍ个比特进行映射，即每次的调　制解调要以ｍ个比特为单位进行，因此要在字节与　ｍ位符号之间进行转换和映射，对于不同级别的　ＱＡＭ调制，映射的符号数不同。　ＤＶＢ—Ｃ系统中所规定的字节与ｍ位符号之间的　映射方式是这样的：在任何情况下，符号Ｚ的最高有　了纠错码的纠错能力。交织是在复合差错信道上使用　编码技术的一种简单而有效的方法，这种方法可以将　一条突发差错信道转换成一条独立随机差错信道，使　得信道的突发差错分散开来，从而将在信道上发送的　相邻的各个比特（或符号）广泛地分散在待解码的数　据序列内。交织后的数据虽然不改变帧结构，但帧内　数据由原始帧数据交替组成，如在传输过程中出现较　长的突发错误，接收端经去交织后，信道上的各个突　发差错（误码）就被分散到待解码的数据序列中，从而　就分散在许多接收码字上，使由ＲＳ保护的实际帧内　的误码数量降低，这样就可以充分发挥纠错编码的作　效位ＭＳＢ（第一个字节的第一位）都应取自字节Ｖ的　最高有效位ＭＳＢ，相应的该符号的下一个有效位应取　自字节的下一个有效位。ＤＶＢ—Ｃ采用ＱＡＭ调制方　式，由于ＱＡＭ信号的幅度和相位均携带信息，因此其　调制度较高，频谱利用率也高。如在多元调制为２ｍ＿　ＱＡＭ调制情况下，该处理将Ｋ个字节映射到ｎ个符　号：８Ｋ＝ｎｘｍ（对于６４ＱＡＭ，是把３Ｂｙｔｅ的码流映射成　４个６ｂ的符号），这里ｍ＝６，Ｋ＝３，ｎ＝４。　用。有时加上交织后，系统的纠错性能可以提高好几　个数量级，从而提高了抗干扰能力。　在数字电视的信道编码中，最简单的交织器是采　用二维存储器阵列实现的块交织器，或者是同时读入　读出的同步交织器。其基本点都是将输入的数据先按　为了获得订／２旋转不变的ＱＡＭ星座，对每个符　号的两个最高有效位ＭＳＢ进行差分编码，两个ＭＳＢ　行读人存储器，然后按列读出。目前在数字电视的信　道编码中，带有先入先出（ＦＩＦＯ）寄存器的同步交织器　的差分编码（Ｉｘ，Ｑ　）由Ａ　Ｂ　（Ａｘ＝ＭＳＢ，Ｂｘ＝ｂｑ）的布尔　表达式给出，形成Ｉ　和Ｑ　分量。随着Ｉｘ和Ｑ　分量从　星座图第１象限的ｏ０依次变换到第２象限的１０，第　较多，在应用数据交织技术时，关键是交织深度的选　择。选择过大，寄存器或存储器数量大，延时也大，交　织系统较为复杂。通常交织深度由编码信道的差错统　计规律性、ＲＳ码的纠错能力和系统对误码率的要求　等因素确定。　基于ＦＯＲＮＥＹ方法的对误码保护数据包进行深　度为Ｉ＝１２的卷积交织处理技术应用较为广泛，其交　织后的数据构成相互交迭的帧长为２０４字节误码保　护数据包，并以同步字节为界，界定于已取反或没有　３象限的１１，第４象限的０１，符号的较低位从第１象　限旋转订／２到第２象限，从第２象限旋转订／２到第３　象限，从第３象限旋转订／２到第４象限，完成整个星　座的映射。编码后形成Ｉ　和Ｑ　分量，进入具有升余弦　平方根滚降特性（滚降系数仅＝０．１５）的滤波器进行基　带成形，生成基带信号。字节到符号变换与差分编码　原理方框图见图２。　取反的ＭＰＥＧ一２同步字节，借以保护２０４字节的数据　周期。　Ｉ　ＤＶＢ—Ｃ的有线电视标准使用的卷积交织器把信　息包２０４ｂｉｔ分为１２段，每个储存器只存入ｌｂｉｔ，并且　由输入开关周期性地把１６ｂｉｔ的已编码数据内的各个　字节到ｍ　比特符号　Ｂｋ＝ｂｑ　变换　Ａｋ＝ＭＳＢ　ｒ————１Ｑｋ　分编碍　—　映射　Ｑ　图２字节到符号变换与差分编码示例　相邻比特接入各路输入，每一路是深度为Ｍ・Ｊ个单元　的先人先出（ＦＩＦＯ）移位寄存器（其中Ｍ＝Ｎ／Ｉ＝２０４／　１２＝１７，Ｎ＝２０４＝误码保护帧长度，Ｉ＝１２＝交织深度，Ｊ＝分　支号），在交织后的发送数据中至少被间隔开１２ｂｉｔ。　４．４字节到符号的映射及差分编码　５．１　数字调制技术的特点及分类　５正交振幅调制（ＱＡＭ）系统　调制在ＤＶＢ系统中具有十分重要的作用，通过　调制可以进行频谱搬移，把调制信号的频谱搬移到所　ＤＶＢ—Ｃ系统在进行调制之前，要对码流进行预　编码和波形变换，以去除码元之间的相关性，避免“差　希望的位置上，从而将调制信号转换成适合于信道传　输或便于信道多路复用的已调信号，而且它对系统的　传输有效性和传输可靠性有着很大的影响。ＤＶＢ传　输系统是基于数字传输技术，因此采用的调制技术是　错传播”，满足多元信号无码间干扰传输的条件，以改　善误码性能。信道编码在卷积交织之后要进行字节到　符号的准确映射，因为信息是以二元比特的形式呈　２００６年第７期（总第１　９９期）　维普资讯 http://www.cqvip.com

数字电视　数字调制技术。同模拟信号调制一样，数字信号的调　制也是用要传输的信号去控制载波的幅度、频率和相　位。由于数字信号是离散的值，如同开关信号一样，故　有线电视技术　方式中，信号流以ｌｏｇ，Ｘ为一组分为两路，每一路具　有Ｘ电平，每一路电平表示的信号量是ｌｏｇ，Ｘ　（Ｍｂｐｓ），所以两路信号正交调制后，能传的最大数字　把数字信号的调制称为键控，相应地，数字调制信号　称为键控信号。ＤＶＢ系统的调制是用载波信号的某　些离散状态来表征所传送的信息，它利用多进制数字　基带信号去调制载波的振幅、频率或相位。调制载波　的幅度称为幅度键控，调制载波的频率称为频率键　控，调制载波的相位称为相位键控。　数字传输的常用调制方式有：正交振幅调制　信号比特流为２ｘｌｏｇ，Ｘｘ５．４＝１０．８ｌｏｇ，Ｘ（Ｍｂｐｓ），ＱＡＭ　调制系统方框图如图３所示。　ＱＡＭ调制器首先将输入的二进制信号流进行　串／并重组，分为Ｉ和Ｑ两路，并分别进入相应的Ｄ／　Ａ，转化为Ｘ进制的模拟信号，再经低通滤波，分别对　相互正交的载波Ｓｉｎ（ｍ和Ｃｏｓｃｏｔ进行双边带抑制调　幅。两路调幅信号相加后成为ＱＡＭ的调制波，经功率　放大后与模拟电视信号混合送入有线电视系统。　对ＱＡＭ阶次的选择，主要是对传输容量和抗干　扰取舍的问题。ＱＡＭ阶次的选择，取决于传输信道的　（ＱＡＭ），它的调制效率高，对传输途径的信噪比要求　高，具有带宽利用率高，抗噪声强等特点，适合有线电　视电缆传输；相移键控（ＱＰＳＫ），它的调制效率高，对　传输途径的信噪比要求低，适合卫星广播；残留边带　调制（ＶＳＢ），它抗多径传播效应好（即消除重影效果　好），适合地面广播；编码正交频分调制（ＣＯＦＤＭ），它　质量，传输信道的质量越好，干扰就越小，可用的阶次　就越大。正交幅度调制根据电平的幅度和相位，分为　１６／３２／６４／１２８／２５６一ＱＡＭ，目前，ＱＡＭ最高已达到　１０２４ＱＡＭ（１０２４个样点），样点数目越多，其传输效率　越高。例如具有ｌ６个样点的ｌ６一ＱＡＭ信号，每４位二　进制数规定了ｌ６态中的一态，ｌ６一ＱＡＭ中规定了ｌ６　抗多径传播效应和同频干扰好，适合地面广播和同频　网广播。在ＨＦＣ网中，传输通道为模拟通道，为了在　有限的带宽内传送更多的信息比特，需要采用高效的　调制技术，本文主要介绍在我国有线电视网中广泛应　种载波和相位的组合，它的每个符号和周期传送４比　特。在正交轴和同相轴上的电平幅度不再是２个而是　４个（１６ＱＡＭ），因为２４＝１６，所以能传输的数码率也将　是原来的４倍。但是，也并不能无限制地通过增加电　平级数来增加传输数码率，因为随着电平数的增加，　电平间的间隔减少，噪声容限减小，同样噪声条件下，　会导致误码增加；在时问轴上也会如此，各相位间隔　减小、码问干扰增加，抖动和定时问题都会使接收效　果变差。根据目前有线电视网络的质量，选择　用的ＤＶＢ—Ｃ调制即ＱＡＭ调制方式。ＱＡＭ是幅度和　相位联合调制的技术，它同时利用了载波的幅度和相　位来传递信息比特，不同的幅度和相位代表不同的编　码符号。因此，在最小距离相同的条件下，ＱＡＭ星座　图中可以容纳更多的星座点即可实现更高的频带利　用率。　５＿２　ＱＡＭ机理　ＱＡＭ调制的主要功能是对复用后的数字电视信　号进行调制，使其具有较高的抗干扰能力，便于在有　２５６ＱＡＭ太临界，而选择ＱＰＳＫ频谱利用率太低。综　线电视网络中传输。它是一种在６ＭＨｚ基带带宽内正　交调幅的Ｘ进制（Ｘ＝２，４，８，１６）的二维矢量数字调制　合考虑，在ＤＶＢ—Ｃ系统中，采用抗干扰能力相对适中　但频谱利用率很高的６４ＱＡＭ调制方式较为适宜。　６４ＱＡＭ就是通过２－６电平变换器（２６＝６４）将二进制　信号每６个分为一组，进行串并转换，形成ａｌａ２ａ３和　ｂｌｂ２ｂ３，３个位共可表征８种状态，所以两路正交的　技术，完整的表达式为Ｘ￣ＱＡＭ（Ｘ＝２，４，８，１６），抑制的　载波在离频道低端大约３ＭＨｚ处。根据奈奎斯特理　论，一个６ＭＨｚ带宽采用双边带最大可以传６Ｍｂｐｓ的　信号流，除去开销、升余弦滚降造成的波形延展等因　六电平幅度键控信号叠加共计８ｘ８＝６４种。采用　６４ＱＡＭ调制方式可在传统的８ＭＨｚ模拟频道带宽上　素，大约只能传５．４Ｍｂｐｓ的信号流。由于Ｘ￣ＱＡＭ调制　去信道　图３　ＱＡＭ调制器方框图　２００６年第７期（总第１　９９期）　维普资讯 http://www.cqvip.com

有线电视技术　传输约４０Ｍｂｐｓ的数据流，相当于４－８套标清数字电　视节目。　数字电视　的情况下，也可以用模拟电视场强仪来估测数字电视　信号电平，即数字信号电平＝模拟场强仪测量值＋（５～　１０）ｄＢ。数字信号电平也不宜调得过低，否则会使自身　的抗干扰能力下降，造成图像马赛克及不连续现象，　在实践中应根据传输网的质量来确定ＱＡＭ调制电平　的大小。　５．３数字频道的设置　数字电视和模拟电视的频谱结构及能量分布完　全不同，ＱＡＭ中的调幅是平衡调幅，抑制了载波。从　频谱分析仪上看，一个数字频道的已调信号象一个抬　高了的噪声电平，均匀地平铺于整个限定带宽（８Ｍ）　内，伴音信号在ＭＰＥＧ一２编码时已经与图像信号以包　的形式复用到了一起。因此，一个数字电视频道没有　６　结　语　２０ｏ１年国家广电总局已颁布行业标准《有线数　所谓的图像载波和伴音载波。　由于数字电视整体平移尚需时日，因而在现有的　字电视广播信道编码和调制规范》（ＧＹ／Ｔｌ７０—２０ｏ１），　该标准等同于ＤＶＢ—Ｃ标准。随着有线数字电视发展　ＨＦＣ传输网中常采用模拟和数字信号混合方式传输。　为了减少数字电视与模拟电视相互之间的干扰，在频　道设置上应尽量把所有的数字电视频道邻频安排，并　把数字电视安排在高频道中传输。　５．４　ＱＡＭ输出电平的确定　的体制日趋完善，条件日渐成熟，有线数字电视的发　展面临前所未有的机遇。首先在市场方面，国际有线　数字电视广播标准基本统一在ＤＶＢ—Ｃ标准之下，发　展有线数字电视广播系统的不确定性要小很多，市场　风险也小；其次在技术方面，有线数字电视广播系统　ＱＡＭ调制器输出电平的选择，主要是考虑避免　对模拟信号的干扰和提高数字信号本身的抗干扰能　力。由于两者的调制方式不同，它们的输出电平标准　也不同。模拟电视的调制是ＶＳＢ（残留单边带调幅　制），而有线数字电视的６４ＱＡＭ调制具有类似双边带　的特征，它没有图像载波电平可取，整个限定的带宽　对网络的抗干扰能力，频谱利用率等的要求较低，技　术难度和设备的复杂性也相对较低；另外在系统投资　方面，在已经建成的有线电视网上播出数字节目，增　加的系统设备投资要少于同样的地面广播。因此，我　国电视广播的数字化将首先从有线数字电视广播开　内是平顶的，无峰值可言。所以ＱＡＭ数字频道的电平　是用被测频道信号的平均功率来表达的，称为数字频　道平均功率。　由于数字频道的存在，非线性产物对　模拟频道的干扰明显比数字频道严重。因此，在一般　始，对于有线电视（ＣＡＴＶ）的传输信道，由于使用有线　方式，信道比较优良，多径衰减及噪声干扰较无线传　输小得多。为降低用户成本，一般只用ＲＳ码就足够　了，为避免信道突发干扰，造成连码错误，可使用交积　器加以克服。对于一个好的差错控制系统，信道编码　情况下，数字信号电平应比模拟图像载波电平低　１０ｄＢ，电平测量的方法是对整个频道进行扫描、取样，　每个随机抽样点的功率是随机分布的，因此把每一个　应与信道调制方式综合考虑，在信道传输允许的范围　内，尽可能增加纠错码的冗余度，提高编码的增益，以　保证数字信号可靠地传输。　参考文献　１唐明光．有线数字电视技术［ＭＩ．北京：中国广播电视学会技术研究　委员会，２００４　抽样点的功率值取平均，这种测量功能是模拟电平测　试仪器不具备的，所以不能用模拟电平表测量数字频　道电平，把结果进行修正当作数字频道电平，而只能　用数字表测量数字频道平均功率电平。测量时应当把　频率设定在该频道的中心频率处，在没有数字电平表　２练益群．ＤＶＢ—Ｃ的信道编码技术【Ｊ１．中国有线电视．２００２，（１２）：　１８－２０Ａ　２００６年第７期（总第１　９９期）