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ATSC标准中国传媒大学张琦ATSC数字电视标准ATSC:美国的数字地面电视广播标准，于1996年正式批准系统标准，ATSC不仅应用于高清晰度电视HDTV，也包括标准清晰度电视SDTV和计算机图形格式等的参数规范。ATSC是美国“先进电视制式委员会”组织机构名称的缩写。•在数字电视信号处理技术上，HDTV和SDTV的信道编码和调制方式是同样的；•经编码和调制后在美国频道规划的6MHz高频频带内可传输的19.39Mbps码率；•用于HDTV时可传输一套高清电视节目;•用于SDTV时可传输3至5套标清电视节目。ATSC的图像源格式ATSC标准中容许18种图像源格式：像素数宽高比扫描参数（水平×垂直）1920×108016:960I，30P，24P1280×72016:960P，30P，24P704×48016:9/4:360I，60P，30P，24P640×4804:360I，60P，30P，24PHDTV：一帧图像207.36万像素、92.16万像素SDTV：一帧33.792万像素、第四行：计算机VGA格式，一帧30.72万像素，1080有效行，扫描总行数为1125行，图像信号取样频率为74.25MHz，在60I扫描下每行取样点总数为2200个，正程1920个，行消隐期占280个，行频33.750kHz720有效行，扫描总行数为750行，取样频率74.25MHz，在60P扫描下，每行取样点总数为1650个，正程有效像素1280个，行消隐期占370个，行频45kHz。24P扫描，用于HDTV节目制作，可通过磁转胶做电影片，或者经制式转换，用于DTV电视广播。704×480符合720×480规范，在信源编码时每行内丢掉左侧右侧各8个像素，取用704像素。VGA图形格式，信号源通过合适的重取样转换成704×480格式成为SDTV标准图像源。ATSC信道编码与调制系统场同步段同步信源数据流数据随机化RS编码数据交织格栅编码多路复用测试信号导频加入预均衡滤波VSB调制RF上变频可选用场同步（1）数据随机化数据随机化的目的是打碎TS流包中可能出现的长“1”、长“0”，避免信号在低频段频谱上有大的能量，不适应信道的传输特性。数据随机化也称为能量扩散或数据加扰，使频谱主要能量段向上端移动。其实现方法是用一个PRBS（伪随机二进制序列）发生器产生一个PRBS流，与输入数据流的逐个比特作异或（XOR）运算。ATSC的帧结构图PRBS初始化(第二段段同步）有效数据（每段748符号）RS码(每段80符号）24.2ms一段场同步＃2（第二段）313段段同步段同步PRBS初始化（第一段段同步）有效数据（每段748符号）RS码(每段80符号）24.2ms一段场同步＃1（第一段）828符号4313段2.RS编码RS编码即里德－索罗门编码，以字节为单位进行前向误码校正（FEC）的纠错编码方法，具有强的随机误码和突发误码校正能力。RS编码中，输入数据分成段，每段内k为符号数，每符号m比特。每段可纠错t个误码符号ATSC的RS码(n,k,t)取值为（207，187，t=10），每段的总码长n=207个符号，有效数据k=187符号，8比特/符号，监督段为2t＝20符号，纠错能力为10个字节。3.数据交织RS编码之后是数据交织，数据交织是在不附加纠错码字的前提下用改变数据码字（以比特或字节为单元）传输顺序的方法来提高接收端抗突发误码能力。传输过程中引入连续的若干比特或若干字节的误码，经去交织解码而恢复成原顺序时将分散开，使后面的RS解码有能力予以纠正。比特交织例如图，704个比特的码元组成交织深度I＝44比特的形式进行比特次序重排，在以1，2，3，…703，704的次序写入一个二维RAM后，再按1，45，89，…，660，704的次序读出。RAM为16行×44列的比特矩阵。如果传输中引入16个比特长度的突发误码，则接收端恢复比特次序后，它们将分散在16个44比特的码组中，易于由汉明码进行校正。交织法虽不增加码元数目，但增大了编解码电路的复杂性和数据的延时。比特单元的数据交织发端写入，收端写出顺序123.....4344454647.....8788899091.....127128..........704bit....RAM....(16行×44列)......617.......659660661.......703704传输方向（发）存储方向（收）ATSC中的数据交织为字节交织交织深度I值越大，抗突发误码的能力越强。ATSC采用52个数据段的交织深度，场同步段不交织，一场内52数据段对应于1/6场（一场312数据段）的交织深度（4ms），这种数据交织属于段间交织。交织器同步于数据场第1数据段上（不计实际第1段的场同步段，它不交织），K1、K2在每一支路位置上停留1字节，共52条支路，逐条支路的FIFO移存器数量递增4字节。因此，数据不但在数据段之间交织，又是段内交织的，这有利于实现格栅编码的优点。每52数据段完成一个段间、段内交织循环。优点是，存储器容量减少和易于变更交织状况；发端和收端综合存储电路引入的数据延时减少。ATSC数据交织电路K2（K1、K2同步切换）K1FIFO移位寄存器2M每位置上停留1字节M=4Bytes(B-2)M(B-1)M1351(B=52)来自RS编码器M=4,B=52,N=208,RS块＝207,B×M=N5152去预编码器和格栅编码器4.格栅编码第一个FEC是RS编码，构成（207，187）RS码，称为外编码。第二个FEC一般采用卷积编码，称为内编码。总称为级联编码。ATSC内编码不是卷积编码，而是格栅编码（trelliscodedmodulation，TCM）,或称格形编码、栅状编码、网格编码TCM编码有助于提高抗随机噪声干扰的能力。它将卷积编码与调制技术结合一起，在不增加信道带宽和不降低信息速率下获得3～4dB的编码功率增益。编码功率增益：在相同比特率下经TCM编码的8VSB或8PSK比不经TCM编码的4VSB或4PSK（前后两种情况下信道带宽及信息速率是一样的）所需之降低多少dB值。这里，是单个符号信息比特的平均信号功率，是单位带宽内的噪声功率。0/NEbbE格栅编码0NATSC中，TCM编码框图如下图所示，分为干扰滤波器预编码器、格栅编码器和8电平符号映射器三部分。ATSC的格栅编码器R8电平符号映射器格栅编码器干扰抑制滤波器预编码器Z2Z1Z0DDDZ2Z1Z0R000-7001-5010-3011-1100+1101+3110+5111+7D=12符号延时X1X2Y2Y1格栅编码器的输入X2、X1是数据交织器串行数据流输出，经串/并变换后的两路并行数据流，每对X2、X1代表一个符号（2bit)，有四种状态。X2经过由梳状滤波器组成的一个预编码器实施梳状滤波，延时器D使数据延时12个符号时间，输出为Y2。相应的X1改标记为Y1。这个数字滤波器减弱与NTSC信号之间的同频道干扰。在格栅编码器中，Y2直通后记为Z2,Y2在后面的符号映射器中，由其1、0值决定了输出8电平的正、负值。Y1经过由两个D和一个XOR组成的卷积编码电路产生Z1Z0的比特对，形成4个电平状态的符号集合（00～11），（编码效率为1/2）其电平的正、负则由Z2值确定。在符号映射器的表中可看到，原来X2X1的4电平状态经TCM后变成了Z2Z1Z0的8电平状态。对载频采用平衡调幅方式时，如果是X2X1原来的4电平，已调制载波可有±1、±3、±5、±7共8种不同的振荡波。TCM编码后只是使一定幅度的调制载波的幅度分级数目加倍，级差减半，并不影响已调波携载的信息速率和所需的信道带宽。由于信号具有的TCM编码特性，又有加强的纠错能力，接收端的TCM解码总效果是解码差错降低。增加了编解码电路的复杂性。在TCM编码后的8电平残留边带载波调幅（8VSB）中，6MHz已调制载波带宽内可传送的MEPG-2的恒定码率为MbpsTr39.195.428634223133122081882＝传输的有效符号率为MSynbolSr762.105.42863422＝格栅编码交织器原理上格栅编码器只需要一个，格栅编码器有助于抗随机干扰，但对脉冲干扰和突发误码的抗御性能并不好。为此，编码器中采用了12个同样的格栅编码器并行工作，它们的输出去往同一个8电平符号映射器。TCM#1TCM#2TCM#11TCM#12…23,11…24,12…13,1…14,2K1交织数据入去映射器K2D2D1D11D125.段同步和场同步的加入格栅编码之后是多路复用框图，在这里加入段同步和场同步。每一数据段前加入段同步；每帧的两场前各加入一个场同步段。ATSC的8VSB中是抑制载波，载频位置距频道下端0.31MHz，见下图，6MHz频带的上、下端下降边沿各占0.31MHz，有效带宽仅5.38MHz，对应的符号率为10.76兆符号/秒，图中R为滚降系数。6.导频的加入导频1.05.38MHz0dd0.70.7d=0.31MHz，R=0.1152dd6MHz8VSB已调波的频带图在多路复用器后的导频加入级内加入一个导频信息——1.25的小值直流电平，对载波进行调制时，使已调波内出现高稳定和高精确的载波信号，称为导频信号•接收机中，由FPLL（频率和相位锁定环路）实现载波恢复。7.上变频器和射频载波偏置8VSB发射机采用两级调制方式，第一次将数据信号调制到一个固定中频上，第二次再上变频到所需的电视频道上。ATSC发射机的平均功率比同频道NTSC发射机的峰值功率一般低12dB。当同频道干扰严重时，采用载频精密偏置技术减轻NTSC对ATSC的同频道干扰，使ATSC载频在上变频器中对于NTSC图像载波向上偏移半个数据段速率(fseg/2=6.47kHz)的奇数倍，使NTSC对ATSC接收机的载波干扰相位是逐个段同步交替的，接收机中将前后连续的段同步信号加以平均，可消除这干扰，从而能可靠的检知段同步。上变频器和射频载波偏置ATSC对NTSC的干扰程度主要决定于ATSC发射机的平均电平功率。导频信号干扰功率小，衰减20dB以上。ATSC-ATSC同频道干扰，当精密偏置下载频偏移/2=6.47kHz时，可使干扰不致影响自适应均衡器正常工作。8.ATSC的总体性能ATSC一种数字地面电视广播制式，在地面频道规划6MHz的射频带宽内能传输的符号率为10.762MS/s，净荷码率为19.28Mb/s，能携载一套高清或多套标清的电视节目，也可用于数据传输。在与NTSC具有相同的覆盖区域下发射机功率容许降低10dB以上，能够开辟模拟电视广播中禁用的频道在当地进行数字电视广播，实现NTSC和ATSC的同播以及向全ATSC过渡在市区内家中用天线接收时，即使电场强度足够，也不容易接收好，主要是高楼等的发射波会影响载波导频的捕获，因此，对ATSC制式曾有作出局部改进的考虑，