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数字电视原理与应用,Principle and Application of Digital Television,主讲：张文军 教授上海交通大学图像通信与信息处理研究所Email：20062007学年第一学期,育儿知识,数字电视中的纠错编码原理,class 08,2,数字电视原理与应用,课程安排,数字电视中的纠错编码原理,class 08,3,数字电视原理与应用,数字电视基本原理,视频压缩原理 第5章MPEG-2视频编码部分及其测量 第4,6,11章MPEG-2音频编码部分及其测量 第7章MPEG-2系统部分及其测量 第3,9,10章数字调制基础 第12章数字电视中的纠错编码原理 补充,数字电视中的纠错编码原理,class 08,4,数字电视原理与应用,数字电视中的纠错编码原理,数字电视中的纠错编码原理,class 08,5,数字电视原理与应用,为了方便对差错编码原理进行叙述，下面先介绍一些基本术语：信息码元:指进行差错编码前送入的原始信息编码 监督码元:指经过差错编码后在信息码元基础上增加的冗余码元。,1、纠错编码的基本原理基本概念,数字电视中的纠错编码原理,class 08,6,数字电视原理与应用,码字（组）:由信息码元和监督码元组成的，具有一定长度的编码组合。码集:不同信息码元经差错编码后形成的多个码字组成的集合。码重:码字的重量，即一个码字中“1”码的个数。通常用W表示。例如：码字10011000的 码重W=3，而码字00000000的码重W=0。同理：1001111001，1100110111的码重分别为W=6和W=7。,1、纠错编码的基本原理基本概念,数字电视中的纠错编码原理,class 08,7,数字电视原理与应用,码距:所谓码元距离就是两个码组中对应码位上码元不同的个数（也称汉明距）。码距反映的是码组之间的差异程度，比如，00和01两组码的码距为1；011和100的码距为3。11000 与 10011之间的距离d=3。码字10011001和11110101之间的码距为4。最小码距:码集中所有码字之间码距的最小值即称为最小码距，用dmin或d0表示。,1、纠错编码的基本原理基本概念,数字电视中的纠错编码原理,class 08,8,数字电视原理与应用,例如：若码集包含的码字有10010，00011，和11000，则各码字两两之间的码距分别如下：10010和00011之间d=2 10010和11000之间d=2 00011和11000之间d=4 因此该码集的最小码距为2，即dmin=2 000、001、110三个码组相比较，码距有1和2两个值，dmin=1 最小码距是码的一个重要参数，它是衡量码检错、纠错能力的依据。,1、纠错编码的基本原理基本概念,数字电视中的纠错编码原理,class 08,9,数字电视原理与应用,分组码一般可用(n,k)表示。其中，k是每组二进制信息码元的数目，n是编码码组的码元总位数，又称为码组长度，简称码长。n-k=r为每个码组中的监督码元数目。简单地说，分组码是对每段k位长的信息组以一定的规则增加r个监督元，组成长为n的码字。在二进制情况下，共有2k个不同的信息组，相应地可得到2k个不同的码字，称为许用码组。其余 2n-2k个码字未被选用，称为禁用码组。（7，4）（9，5）,1、纠错编码的基本原理分组码,数字电视中的纠错编码原理,class 08,10,数字电视原理与应用,编码纠检错能力与最小码距之间的关系：数字通信系统中送入信道的信息都是“0”“1”组合的数字信号，例如：待传送的信息是“晴”和“雨”，则只需一位数字编码就可以表示。若用“1”表示“晴”，“0”表示“雨”。当“0”“1”形式的信息在信道中传输时将0错成1或将1错成0时，由于发生差错后的信息编码状态是发送端可能出现的状态，因此接收端无法发现差错。,1、纠错编码的基本原理,数字电视中的纠错编码原理,class 08,11,数字电视原理与应用,编码纠检错能力与最小码距之间的关系：但是如果发送信息送进信道之前，在每个编码之后附加一位冗余码，变成用两位编码“11“表示”晴“，“00”表示“雨”，则在传输过程中由于干扰造成信息编码中一位码发生差错，错成“10”（或“01”）时，由于“10”或“01”都是发送端不可能出现的编码，接收端就能发现差错，但此时并不能判断出差错是第一比特还是第二比特，因此不能自动纠错许用码组：00，11禁用码组：10，01,1、纠错编码的基本原理,数字电视中的纠错编码原理,class 08,12,数字电视原理与应用,编码纠检错能力与最小码距之间的关系：若继续增加冗余码位数，用“111”表示“晴”，“000”表示“雨”，当编码在传输中出现1位或2位码差错（如错成001或101等编码）时，接收端都能检测到，并能确定只有1位码差错时错误码位的位置，此时这种编码方式可以检测1位或2位差错，并能纠正单个的误码。许用码组：000，111禁用码组：001 010 011 100 101 110,1、纠错编码的基本原理,数字电视中的纠错编码原理,class 08,13,数字电视原理与应用,由上例的分析可见，冗余码位数增加后，编码的抗干扰能力增强。这主要是因为冗余码位数增加后，发送端使用的码集中，码字之间最小码距dmin增大。由于dmin反映了码集中每两个码字之间的差别程度，如果dmin越大，从一个编码错成另一个编码的可能性越小，则其检错、纠错能力也就越强。因此最小码距是衡量差错控制编码纠、检错能力大小的标志。一般情况下，差错编码的纠错能力及检错能力与最小码距之间的关系如下：,1、纠错编码的基本原理,数字电视中的纠错编码原理,class 08,14,数字电视原理与应用,1、纠错编码的基本原理检错和纠错能力,码的最小距离d0直接关系着码的检错和纠错能力；任一(n,k)分组码，若要在码字内:(1)检测e个随机错误，则要求码的最小距离d0e+1;A 0 1 2 3 B A 0 1 2 3e B,数字电视中的纠错编码原理,class 08,15,数字电视原理与应用,(2)纠正t个随机错误，则要求码的最小距离d02t+1;,B,A0,1,1、纠错编码的基本原理检错和纠错能力,2,3,4,5,t,t,1,数字电视中的纠错编码原理,class 08,16,数字电视原理与应用,(3)纠正t个同时检测e个随机错误，则要求码的最小距离d0t+e+1。(e t)例如 d03 检出1位纠正1位d04 检出2位纠正1位d05 检2纠2,1、纠错编码的基本原理检错和纠错能力,数字电视中的纠错编码原理,class 08,17,数字电视原理与应用,例：已知四个码组为（110001000）（100010111）（000101111）（001011110）若将此码用于检错最多可以检出多少位错码？若用于纠错，最多纠正几位？若同时用于检错和纠错，能检出几位，纠正几位？,1、纠错编码的基本原理检错和纠错能力,数字电视中的纠错编码原理,class 08,18,数字电视原理与应用,用差错控制编码提高通信系统的可靠性，是以降低有效性为代价换来的。我们定义编码效率R来衡量有效性:R=k/n其中,k是信息元的个数，n为码长。对纠错码的基本要求是:检错和纠错能力尽量强；编码效率尽量高；编码规律尽量简单。实际中要根据具体指标要求，保证有一定纠、检错能力和编码效率，并且易于实现。,1、纠错编码的基本原理编码效率,数字电视中的纠错编码原理,class 08,19,数字电视原理与应用,数字电视中的纠错编码原理,数字电视中的纠错编码原理,class 08,20,数字电视原理与应用,2、常用的几种简单分组码,恒比码,正反码,群计数码,奇偶监督码,二维奇偶监督码,常用的几种简单分组码,数字电视中的纠错编码原理,class 08,21,数字电视原理与应用,是一种最简单的差错编码，又称奇偶检验码。编码方法：奇偶监督码是在原信息码后面附加一个监督元，使得该码字中连同监督码在内的“1”的个数为奇数（称为奇校验）或偶数（称为偶校验）。或者说，它是含一个监督元，码重为奇数或偶数的(n,n-1)系统分组码。,（1）奇偶监督码,数字电视中的纠错编码原理,class 08,22,数字电视原理与应用,例如：对码组01101001进行偶校验的监督码位为0，对码组10100000进行奇校验的监督码为1。设 是同一码组内各位码元，是监督码元，其余码位都是信息码元，则偶校验时应满足：,（1）奇偶监督码,数字电视中的纠错编码原理,class 08,23,数字电视原理与应用,接收端译码时，对各码元进行模二加运算，其结果为0（偶监督码）如果传输过程中码组任何一位发生了错误，则收到的码组不满足偶检验关系，因此就能发现错误。偶监督码的编码规则可以用公式表示（设码组长度为n，表示为）监督码元a0的取值（0或1）可由下式决定,（1）奇偶监督码,数字电视中的纠错编码原理,class 08,24,数字电视原理与应用,对于奇校验码必须保证 因此式中的监督码可以用下式求出奇偶监督码的编码效率R为,（1）奇偶监督码,数字电视中的纠错编码原理,class 08,25,数字电视原理与应用,（1）奇偶监督码,在接收端按照相同的规律进行检测，若检测到与规律不符，则说明传输中有差错产生。奇偶监督码的检错能力为只能检出奇数位差错，不能检测出偶数位差错，也不能判断出差错的具体码元，故奇偶检验码只有一定检错能力而不具备纠错能力。但利用奇偶检验码检测单个差错的效果还是令人满意的，因此在计算机数据传输及SDH传输技术中得到广泛应用,1 0 1 0 0 0 1 0 有错1 1 1 0 0 1 1 0 有错1 0 1 0 0 1 1 0 不能确定,1 0 1 1 0 0 1 0,数字电视中的纠错编码原理,class 08,26,数字电视原理与应用,又称作行列奇偶校验码或者水平垂直奇偶校验码，还称作方阵码。它是将若干信息码字按照每个码字一行排列成若干行，使每个码字中相同的码位均对齐在同一列中，形成矩阵形式。然后对每一行和每一列的码元均进行奇校验或偶校验，并将校验结果附加在每一行及每一列码元之后。,（2）二维奇偶监督码,数字电视中的纠错编码原理,class 08,27,数字电视原理与应用,例如：对5个ASCII信息码进行行列奇偶校验的结果如下：,（2）二维奇偶监督码,方阵码不但能检测出某一行某一列所有奇数个错误,有时还能检测出某偶数个错误 信息码元 监督码元 信息码元 监督码元 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1监督码元 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 适用于检测突发错误 能纠错:码组中存在仅一行中有奇数个错误时,能够确定错码的位置,数字电视中的纠错编码原理,class 08,28,数字电视原理与应用,但对于以矩阵形式出现的偶数位差错，行列奇偶校验码是检测不出来的。此外，通过水平和垂直两个方向上的校验，它能够确定某一行或列中出现的单个差错码位置，因此行列奇偶校验码具有对单个差错的纠错能力。,（2）二维奇偶监督码,数字电视中的纠错编码原理,class 08,29,数字电视原理与应用,（3）恒比码(等重码),恒比码的编码原则是从确定码长的码组中挑选那些“1”和“0”个数的比值一样的码组作为许用码组。这种码通过计算接收码组中“1”的数目是否正确，就可检测出有无错误。如：五单位数字保护电码 码字长度为5，只选用码字中含有三个“1”和两个“0”的码字作为许用码字，来表示10个阿拉伯数字1，2，9，0这种码亦称“5中取3码”。,数字电视中的纠错编码原理,class 08,30,数字电视原理与应用,（3）恒比码(等重码),中文电报编码首先将每一个单字编码为四位十进制数字，再将每一位十进制数字用二进制的五单位数字保护码表示。通 信 6639 020710101 10101 10110 10011 01101 11001 01101 11100,数字电视中的纠错编码原理,class 08,31,数字电视原理与应用,（3）恒比码(等重码),国际电报通信中广泛采用的是“7中取3码”码字长度为7，码字中“1”的个数为3共有C73=35种码字这35种码字分别代表26个英文字母和其他符号。,数字电视中的纠错编码原理,class 08,32,数字电视原理与应用,（4）正反码,编码的监督位数目与信息位数目相同，监督码是信息码的重复还是反码，由信息码中1的个数而定。例：1011010110（重复）0011011001（反码）译码：接收码组中信息位和监督位按位模2相加若接收码组的信息位中有奇数个1，则合成的码组为检验码组若接收码组的信息位中有偶数个1，则合成的码组的反码为检验码组,数字电视中的纠错编码原理,class 08,33,数字电视原理与应用,（4）正反码,检验码组全为0，无错码检验码组有4个1，1个0则信息码组中有一位错码，其位置对应检验码组中0的位置检验码组有4个0，1个1则监督码中有一位错码，其位置对应检验码组中1的位置例：10010（收到码组为1001010110）10110 00100 11011 00110 01001 01111 10000其他组合，错码多于一个,数字电视中的纠错编码原理,class 08,34,数字电视原理与应用,（4）正反码,检纠错能力：长度为10的正反码有纠正一位错码的能力，并能检测出全部两位以下的错误，和大部分两位以上的错误。编码效率：5/10=1/2,数字电视中的纠错编码原理,class 08,35,数字电视原理与应用,（5）群计数码,群计数码是将信息码元分组后，计算每组码元中1的个数，然后将这个数目的二进制表示为监督码元，一起送往发送端。例：一组8位的信息码元为10111001，其中1的个数为5个，于是将101作为监督码元。这样传输的码组为10111001101收端只要检测监督码元所标示的1的个数与信息码元的1的数目是否相同来判断传输过程中有无错误。特点：群计数码的检错能力很强，它可以检测除1变0和0变1成对出现的错误以外的其他形式的错误。,数字电视中的纠错编码原理,class 08,36,数字电视原理与应用,数字电视中的纠错编码原理,数字电视中的纠错编码原理,class 08,37,数字电视原理与应用,数字信号在传输过程中受到干扰的影响，使信号波形变坏，发生误码，可以采用一些方法解决。同时设计系统时，还要合理地选择调制、解调、发送功率等因素，采用上述措施仍难以满足性能要求，就要采用差错控制措施了。数字电视纠错编码的必要性：传输的数据流产生误码提高系统纠错能力提高系统抗干扰能力,3、数字电视中的纠错编码,数字电视中的纠错编码原理,class 08,38,数字电视原理与应用,差错编码属信道编码要求在满足有效性前提下，尽可能提高数字通信的可靠性。差错控制的目的是用信道编码的方法检测和纠正误码，降低误比特率。纠错编码的开销：信道编码增加了传输数据量降低传送有用信息码,3、数字电视中的纠错编码,数字电视中的纠错编码原理,class 08,39,数字电视原理与应用,从差错角度来看，根据加性干扰引起的错码分布规律的不同，把信道分为三类：随机信道突发信道混合信道对不同类型的信道，采用不同的差错控制技术。差错控制方法常用的有以下三种：检错重发法（ARQ）前向纠错法（FEC）反馈校验法,3、数字电视中的纠错编码,数字电视中的纠错编码原理,class 08,40,数字电视原理与应用,信道随机差错信道：大气 信 道 在恶劣的天气条件下，如雾、雪、雨等引起的吸收、散射、折射，使得到达接收端的光功率发生了随机的变化，这样就产生了随机差错突发差错信道：由于近地表的大气温度不同，产生的湍流效应会引起接收光功率的闪烁，还有日光、风力、季节的变化引起建筑物的固定基座位置偏移、卫星自身的抖动、光学天线的机械震动，使得接收端光功率在短时间产生了很大范围的变化，从而产生成串的突发差错既有随机差错又有突发差错的混合信道,3、数字电视中的纠错编码,数字电视中的纠错编码原理,class 08,41,数字电视原理与应用,冗余 噪声信道上控制传输错误的方法：在传递的信息上增加冗余。1 若用所有长度为3的二元序列:000,100,010,001,011,101,110,111去传输不同的信息，则不能识别或纠正错误。无冗余。2 若仅使用：000,011,101,110，则可识别一个错误但不能纠正错误。因为4个不同的信息也可以用00,01,10,11表示，传递序列中有1/3是冗余。3 若仅使用：000,111，则可识别两个错误，也能纠正一个错误。因为2个不同的信息也可以用0,1表示，传递序列中有2/3是冗余。,3、数字电视中的纠错编码,数字电视中的纠错编码原理,class 08,42,数字电视原理与应用,3、数字电视中的纠错编码,通信系统差错控制方法：,信源,加冗余编码,信道,错误识别,信宿,噪声,请求重传,反馈重传纠错(ARQ),数字电视中的纠错编码原理,class 08,43,数字电视原理与应用,3、数字电视中的纠错编码,通信系统差错控制方法：,信源,加冗余编码,信道,纠错,信宿,噪声,前向纠错(FEC),数字电视中的纠错编码原理,class 08,44,数字电视原理与应用,3、数字电视中的纠错编码,通信系统差错控制方法：,信源,加冗余编码,信道,错误识别和/或 纠错,信宿,噪声,请求重传,混合纠错,数字电视中的纠错编码原理,class 08,45,数字电视原理与应用,采用两次附加纠错码的前向纠错（FEC）编码：这种方式是发信端采用某种在解码时能纠正一定程度传输差错的较复杂的编码方法，在接收 端收到信码解码后，不仅可以发现错码，而且能够判断错误码元所在位置，并自动纠正错码。采用前向纠错方式时，纠错码信息不需存储，不需要反馈信道，也无需反复重发而延误传输时间，对实时传输有利，实时性好，但是纠错设备比较复杂。,3、数字电视中的纠错编码FEC,数字电视中的纠错编码原理,class 08,46,数字电视原理与应用,前向纠错码的各种类型：,3、数字电视中的纠错编码FEC,数字电视中的纠错编码原理,class 08,47,数字电视原理与应用,RS编码 第一个FEC附加纠错码（外编码）卷积编码第二个FEC附加纠错码（内编码）级联编码外编码和内编码结合一起级联编码后得到的数据流再按规定的调制方式对载频进行调制,3、数字电视中的纠错编码FEC,数字电视中的纠错编码原理,class 08,48,数字电视原理与应用,RS编码即里德所罗门码，能够纠正多个错误RS码为（204，188，t=8），其中t是可抗长度字节数，对应的188符号，监督段为16字节(开销字节段）实际中实施（255，239，t=8）的RS编码，即在204字节（包括同步字节）前添加51个全“0”字节，产生RS码后丢弃前面51个空字节，形成截短的（204，188）RS码 RS的编码效率是：188/204,3、数字电视中的纠错编码FEC,数字电视中的纠错编码原理,class 08,49,数字电视原理与应用,卷积码 卷积码非常适用于纠正随机错误 解码器可能会导致突发性错误 所以卷积码和RS码结合在一起可以起到相互补偿的作用 基本卷积码：编码效率为，1/2,编码效率较低,优点是纠错能力强 收缩卷积码：如果传输信道质量较好，为提高编码效率，可以采用收缩截短卷积码。有编码效率为：1/2、2/3、3/4、5/6、7/8这几种编码效率的收缩卷积码,3、数字电视中的纠错编码FEC,数字电视中的纠错编码原理,class 08,50,数字电视原理与应用,Turbo码 1993 年诞生的Turbo 码，单片Turbo 码的编码/解码器，运行速率达40Mb/s。该芯片集成了一个3232 交织器，其性能和传统的RS 外码和卷积内码的级联一样好。所以Turbo码是一种先进的信道编码技术，由于其不需要进行两次编码，所以其编码效率比传统的RS+卷积码要好。,3、数字电视中的纠错编码,数字电视中的纠错编码原理,class 08,51,数字电视原理与应用,交织码 为了纠正这些成串发生的比特差错及一些突发错误，可以运用交织技术来分散这些误差，使长串的比特差错变成短串差错，从而可以用前向码对其纠错实现交织和解交织一般使用卷积方式交织技术对已编码的信号按一定规则重新排列，解交织后突发性错误在时间上被分散，从而前向纠错编码可以有效的进行纠错，前向纠错码加交积的作用可以理解为扩展了前向纠错的可抗长度字节。纠错能力强的编码一般要求的交织深度相对较低。纠错能力弱的则要求更深的交织深度,3、数字电视中的纠错编码,数字电视中的纠错编码原理,class 08,52,数字电视原理与应用,交织的原理图,3、数字电视中的纠错编码,数字电视中的纠错编码原理,class 08,53,数字电视原理与应用,伪随机序列扰码 采用扰码技术,使信号受到随机化处理，变为伪随机序列，又称为“数据随机化”和“能量扩散”处理扰码不但能改善位定时的恢复质量，还可以使信号频谱平滑，使帧同步和自适应同步和自适应时域均衡等系统的性能得到改善。扰码虽然“扰乱”了原有数据的本来规律，但因为是人为的“扰乱”，在接收端很容易去加扰，恢复成原数据流。,3、数字电视中的纠错编码,数字电视中的纠错编码原理,class 08,54,数字电视原理与应用,伪随机序列扰码 实现加扰和解码，需要产生伪随机二进制序列（PRBS）再与输入数据逐个比特作运算。PRBS也称为m序列，这种m序列与TS的数据码流进行模2加运算后，数据流中的“1”和“0”的连续游程都很短，且出现的概率基本相同 实现数字信号高保密性传输的重要手段之一。一般将信源产生的二进制数字信息和一个周期很长的伪随即序列模2相加，这种信号在信道中传输具有高度保密性。在接收端将接收信号再加上（模2和）同样的伪随机序列，就恢复为原来发送的信息,3、数字电视中的纠错编码,数字电视中的纠错编码原理,class 08,55,数字电视原理与应用,实际应用中，我 们采用了RS码和卷积码的级联编码方案。对于随机差错，我们选用具有纠正随机差错能力的卷积码;对于突发差错，则选用了具有纠正突发差错能力的RS码。而空间光信道是一个混合信道，适合采用级联编码方案，即将纠随机差错的卷积码和纠突发差错的RS码进行级联，使系统既具有纠正随机差错的能力，又具有纠正突发差错的能力。,3、数字电视中的纠错编码,数字电视中的纠错编码原理,class 08,56,数字电视原理与应用,图中以RS码为外码、卷积码为内码的级联编码方案，同时为了提高信道抗突发差错的能力，在内外码之间加入了交织器。当空间光信道产生随机差错时，通过卷积码进行纠错，但是如果光信道同时还有长串的突发差错，将超出卷积码的纠错能力，而在卷积译码之后产生长串的译码错误，此时通过交织器将长串的差错进行分散，使分散到各个RS码组中的差错变成短的突发差错，再利用RS码纠突发差错的能力进行纠错。,3、数字电视中的纠错编码,设计的信道编码原理框图如图所示：,数字电视中的纠错编码原理,class 08,57,数字电视原理与应用,3、数字电视中的纠错编码,交织器和解交织器的原理图如图所示,在发送端，码元1一16按列输人后再按行输出，如果因突发差错导致按行输出的码元1,5,9,13全部出错，则在接收端解交织后，每一列输出码组只有一个码元差错，再送到RS码解码，进一步提高了抗突发差错的纠错能力，但交织的缺点是带来了一定的传输迟延，影响了通信的实时性。,Thank You!,
