有线数字电视系统技术.ppt

1 有线数字电视技术 中国传媒大学宽带网络研究所金立标博士 中国传媒大学 2 内容大纲 第一部分数字电视基础第二部分数字电视前端系统数字电视前端硬件系统有线数字电视传输网络数字电视前端软件系统第三部分数字电视增值业务平台第四部分三网融合与数字电视传输网络 3 第一部分数字电视基础 4 数字电视基础 何为数字电视 节目数字化传输数字化接收数字化数字电视与模拟电视的区别 传输方式 调制解调 TS流波形 正弦波 余弦波 脉冲频带利用率条件接收 5 数字电视基础 数字电视系统基本构成 6 数字电视基础 1 1 基本概念信道与带宽信道可以分为两种 传输模拟信号的称为模拟信道传输数字信号的称为数字信道 信道所能传送信号的频率宽度 称为带宽 理想带宽实际带宽 7 数据传输速率比特率 单位是bit s简写b s或bps 表示每秒传输多少个二进制元素 波特率 也就是符号率 每秒传输的符号个数 R Blog2N b s 其中R是比特率 B是波特率 N是n比特的符号数 符号率 带宽 1 a a为升余弦滚降系数 数字电视基础 8 误码率也叫码元差错率 指信号传输过程中系统出现错误码元数目与所传输码元总数之比值 即Pe 传错码元个数 传输码元总数误比特率也叫比特差错率 是指传错信息的比特数与所传输的总信息比特数的比值 即Pe 传错信息比特数 传输的总信息比特数 9 数字电视基础 数字电视分类LDTV 比特率为1 2Mbps 显示清晰度约300线 SDTV 比特率为3 8Mbps 清晰度为350 600线 图像分辨率720 756 PAL HDTV 比特率为18 20Mbps 显示清晰度为800 1000线 图像分辨率为1920 1080 注 以上比特率为MPEG 2压缩后速率 10 数字电视基础 有线数字电视标准DVB CATSC 64QAMATSC 16VSBISDB C调制方式16 64QAM64QAM16VSB64QAM带宽8MHz6MHz6MHz6MHz传输速率31 64Mb s41 34Mb s43 05Mb s30 31Mb s滚降系数15 15 11 5 18 纠错编码RS 204 188 RS 128 122 RS 207 187 RS 204 188 压缩方式MPEG 2 11 1 2 模拟信号的数字化抽样 时间上连续的取值变为有限个离散取值 量化 幅度上无限多种连续的样值变为有限个离散值 编码 用n比特二进制码来表示已经量化了的取样值 传输速率 传输速率 取样频率fs 量化比特数 数字电视基础 12 数字电视基础 1 2 模拟信号的数字化 模拟信号 数字信号 13 数字电视基础 数字电视信号的码率 未压缩 标准清晰度数字电视 SDTV 在ITU R601标准中 采用10bit量化时 亮度信号的码率为取样频率X量化比特数 13 5MHzX10bit 135Mbps2个色差信号的码率为2X6 75MHzX10bit 135MbpsSDTV的总码率为亮度信号码率 2个色差信号码率 135Mbps 135Mbps 270Mbps 14 数字电视基础 高清晰度电视 HDTV 在SMPTE274M数字电视标准中 采用10bit量化时 亮度信号的码率为取样频率X量化比特数 74 25MHzX10bit 742 5Mbps2个色差信号的码率为2X37 125MHzX10bit 742 5MbpsHDTV的总码率为亮度信号码率 2个色差信号码率 742 5Mbps 742 5Mbps 1485Mbps 15 数字电视基础 1 3 信源编码 16 数字电视基础 1 3 信源编码 17 数字电视基础 1 3 信源编码信源编码首先将输入的图像和伴音信号进行A D变换 成为数字信号 然后将数字信号按照信息的统计特性进行变换 以减少信号的冗余度 提高传输效率 信源编码是压缩信号带宽的编码 压缩后单位时间 单位频带内传输的信息量增大 18 1 数据压缩的可能性压缩过程 去除图像中与信息无关或对图像质量影响不大的部分 即冗余部分 电视信号中存在很多这样的冗余部分 这就为压缩提供了可能性 空间冗余视频图像在水平方向的相邻元素之间 垂直方向的相邻元素之间的变化一般都很小 即存在极强的相关性 特别是同一景物各点的灰度和颜色之间往往存在着空间连贯性 从而产生了空间冗余 时间冗余在相邻场或相邻帧的对应像素之间 亮度和色度信息存在着极强的相关性 当前帧图像与前后两帧图像往往具有相同的背景和移动物体 只不过移动物体所在的空间位置略有不同 19 数字电视基础 2 数据压缩的标准MPEG 11988年提出 1992年公布为国际标准 是MPEG工作组制定的第一个标准 具有1 5Mbps数据传输速率的数字存储媒体运动图像及其伴音的编码 只处理逐行扫描的图像 对隔行扫描的图像应先转换为逐行扫描格式后再编码 音频编码后的码率32 448kbps 典型应用如VCD等家用数字音象产品 20 数字电视基础 MPEG 2MPEG是运动图像专家组 MovingPicturesExpertGroup 的缩写 成立于1988年 以建立活动图像及相应音频的编码标准 1988年提出 1994年公布为国际标准 是专门针对数字电视 包括SDTV和HDTV 的信源编码标准 分为4级5类 低级LL 主级ML 高1440级H14L 高级HL 简单类SP 主类MP 信噪比可分级类SNRP 空间可分级类SSP 高类HP 低级最大输出码率是4Mbps 标准清晰度的数字电视主要应用主类和主级MP ML 最大输出码率为15Mbps 高类主级是20Mbps 高清晰度数字电视采用主类和高级MP HL 最大输出码率为80Mbps 高类高级是100Mbps 21 数字电视基础 MPEG 4 1993年提出 2000年公布为国际标准 与MPEG 1和MPEG 2有很大不同 它更基于内容的交互性 高的压缩率和灵活多样的存取模式 目前主要用于流媒体 主要是针对多媒体交互应用等通信领域 MPEG 4试图达到两个目标 一是低比特率下的多媒体通信 二是多工业的多媒体通信的综合 音频编码 MPEG 4的优越之处在于 它不仅支持自然声音 而且支持合成声音 MPEG 4的音频部分将音频的合成编码和自然声音的编码相结合 并支持音频的对象特征 视频编码 与音频编码类似 MPEG 4也支持对自然和合成的视觉对象的编码 合成的视觉对象包括2D 3D动画和人面部表情动画等 22 数字电视基础 H 2641999年开始制定 2004年年底发布 采用了许多不同于以往标准的先进技术 在相同的码率下能够获得更高的图像质量 在相同的SNR下 平均码流H 264比MPEG 4降低41 比MPEG 2降低67 一套SDTV 6Mbps降低为1 98Mbps 引入了面向IP包的编码机制 有利于网络中的分组传输 支持网络中视频的流媒体传输 具有较强的抗误码特性 可适应丢包率高 干扰严重的无线信道中的视频传输 23 数字电视基础 基于数字音视频编解码技术标准AVS 全面实现了数字视频广播所需的功能 在编码效率上比传统的MPEG 2提高了2到3倍 在计算资源的消耗上降低了30 到50 AVS的全称是中国数字音视频编解码技术标准工作组 成立的初衷是为了研发国产的音视频标准 最近几年来 国内的DVD等音视频行业饱受国外企业索取专利费的困扰 3C联盟 6C联盟等动辄要求每台DVD交几每元的专利费 甚至有日本企业向中国彩电厂商索取专利费 因此 AVS研发成功 将给中国企业摆脱国外专利费的困扰提供了机会 24 1 4 信道编码信道编码是指纠错编码 是为提高数字通信传输的可靠性而采取的措施 在发送的信号中增加了一部分冗余 来检测和纠正传输中出现的错误 冗余比特和信息比特之间存在着特定的相关性 个别信息比特在传输过程中遭受损伤 可以利用相关性从未受损的冗余比特中推测出受损比特的值 信道编码牺牲传输效率来换取可靠性 数字电视基础 25 数字电视基础 数字电视中的差错控制采用前向纠错FEC方式 接收端能根据接收到的码元自动检出错误和纠正错误 数字电视的前向纠错包括四个部分 能力扩散 RS编码 交织 卷积编码 1 能量扩散也称为随机化 加扰或扰码 在数字电视中会出现码流中断的情况 导致调制器发射未经调制的载波信号 信元码流中可能会出现长串的连0或连1 给恢复定时信息造成困难 26 数字电视基础 能量扩散的作用 信号扩散具有伪随机性质 其已调波的频谱将分散开来 从而降低对其他系统的干扰 连0码或连1码的长度缩短 便于接收端提取比特定时信息 能量扩散的实现 利用伪随机序列发生器 2 RS编码数字电视中采用 204 188 编码 能纠正8个字节的错误 属于外码编码 适合于纠正突发错误 27 数字电视基础 3 交织减小信道中错误的相关性 把常突发错误离散成短突发错误或随机错误 交织深度越大 则离散程度越高 对于 204 188 的RS码 与交织深度I 12相结合 则具有最多纠正12 8 96字节的突发错误能力 I越大 纠错能力越强 4 卷积编码用 n k N 表示 n为码长 k为码组中信息码元的个数 每输入k比特 输出n比特 编码效率为R k n N移位寄存器的段数 也称约束长度 数字卫星电视采用 2 1 7 卷积码 称为内码编码 28 数字电视基础 为了简单说明交织的原理 只取交织深度 5为例来说明 29 数字电视基础 设传送的码流序列为 X A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 A13 A14 A15 A16 A17 A18 A19 A20 A21 A22 A23 A24 A25 若用矩阵表示交织器的输入 它是按行写入每行5码元 即 A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10X1 A11A12A13A14A15A16A17A18A19A20A21A22A23A24A25 30 数字电视基础 发端交织器是码元分组交织器 25个信息码元分为5行5列 按行输入 当A1输入交织器直通至输出到第1行第1列位置 当A2输入交织器5x1 5位延迟后输出 至第2行第2列位置 当A3输入交织器5x2 10位延迟后输出 至第3行第3列位置 当A4输入交织器5x3 15位延迟后输出 至第4行第4列位置 当A5输入交织器5x4 20位延迟后输出 至第5行第5列位置 经过并行的5个存储器后 有A1A22A18A14A10A6A2A23A19A15X2 A11A7A3A24A20A16A12A8A4A25A21A17A13A9A5 31 数字电视基础 按行读出送入信道的码元序列为 X3 A1 A22 A18 A14 A10 A6 A2 A23 A19 A15 A11 A7 A3 A24 A20 A16 A12 A8 A4 A25 A21 A17 A13 A9 A5 这个码元序列在信道中受到两个突发干扰 到达接收端的码元序列为 X4 A1 A22 A18 A14 A10 A6 A2 A23 A19 A15 A11 A7 A3 A24 A20 A16 A12 A8 A4 A25 A21 A17 A13 A9 A5 序列中红色码元表示受到突发干扰的码元 在接收端送入去交织器 去交织器结构与发端交织器结构互补 并且同步运行 即并行寄存器自上而下延迟5x4 20 5x3 15 5x2 10 5x1 5 0 直通 X4分5行5列 按行输入 用矩阵表示为 32 数字电视基础 A1A22A18A14A10A6A2A23A19A15X5 A11A7A3A24A20A16A12A8A4A25A21A17A13A9A5去交织器输出为A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10X6 A11A12A13A14A15A16A17A18A19A20A21A22A23A24A25按行读出并送入信道译码器的码流序列为X7 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 A13 A14 A15 A16 A17 A18 A19 A20 A21 A22 A23 A24 A25 突发干扰导致的集中差错 经过交织 去交织处理后 转换为随机独立差错 33 数字电视基础 1 5 调制传输由于传输失真会导致信号难以恢复 基带信号不适合长距离传输的 为了进行长途传输 必须将数字信号调制到载波上才能进行信道传输 正交振幅调制 QAM 调制效率高 要求传送途径的信噪比高 适合有线电视电缆传输 键控移相调制 QPSK 调制效率高 要求传送途径的信噪比低 适合卫星广播 编码正交频分调制 COFDM 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 残留边带调制 VSB 抗多径传播效应好 适合地面广播 34 数字电视基础 幅移键控 ASK 不同幅度代表 1 和 0 频率 相位不变 35 数字电视基础 频移键控 FSK 不同频率代表 1 和 0 振幅 相位不变 36 数字电视基础 1 6DVB设备接口标准1 ASI 异步串行接口 采用270Mbps的固定连接速率 适用于电缆和光缆传输 在用于电缆传输时 采用BNC连接器 2 SPI 同步并行口 用于较短距离的信号连接 接口连接器采用25针型 3 SSI 同步串行口 传输介质可以是电缆或光缆 采用BNC连接器 使用的速率是传输码流的速率 37 第二部分数字电视前端系统 TS切换矩阵 39 数字电视前端硬件平台 2 1MPEG 2编码器 2 1 1TS码流的形成 PS复用 PES ES 数据编码器 TS复用 40 数字电视前端硬件平台 2 1MPEG 2编码器 PS码流 包的长度可变抗误码能力低适用于相对误码低的环境 如存储 制作DVD等TS码流包的长度固定 188字节抗误码能力较高可用于相对较差的信道环境 如传输等 41 数字电视前端硬件平台 2 1MPEG 2编码器 2 1 1TS码流的结构 42 数字电视前端硬件平台 2 1MPEG 2编码器 同步字节 0X47传输错误指示符 1 表示相关传输流分组中至少有一个不可纠正的错误 置 1 后除非错误被纠正 否则不会恢复为 0 净荷单元起始指示符 用来指示传送流分组带有PES分组或PSI数据时的情况 当传送流分组的有效负载带有PES分组数据的时候 该位具有以下特性 1 表明传送流的净荷将以PES分组的第一个字节开始 0 表明在传送流的开始不是PES分组 43 数字电视前端硬件平台 2 1MPEG 2编码器 传送优先级 transport priority 1比特指示器 当被置为 1 时表明相关的分组比其他具有相同PID但此位没有置 1 的分组有更高的优先级 包识别符 PID 13比特字段 指示在传送包净荷内携带的数据类型 属于同一基本码流或打包的基本码流的传送包具有相同的PID PID值不是随意提供的 它由用户指定 PID值0 x0000为节目关联表保留 0 x0001为条件访问表保留 0 x0002 0 x000F保留 0 x1FFF属于空包 44 数字电视前端硬件平台 2 1MPEG 2编码器 传送加扰控制 2比特字段 用来指示传送包的净荷是否已经加扰 传送流的包头和调整字段不应该被加扰 当这两个比特为00时 表示没有加扰 调整字段控制 2比特字段 用于指示传送包的包头后是否跟有调整字段或者净荷 00 保留 01 表示没有调整字段 仅含有净荷 10 表示仅含有调整字段 没有净荷 11 表示调整字段后面是净荷 连续记数器 4比特字段 它随着每一个具有相同PID的传送包而增加 当达到0 xf后又回复到0 当传送包的调整控制字段为00或者10 连续记数器就不应该增加 根据记数器的值 我们可以确定接收端是否有传送包丢失或者重复发送 45 2 1 2编码速率MPEG 2编码器可由用户选择 把一个频道的电视信号压缩成2 15Mbps等的数字信号 压缩为6MB S和8MB S的图象与没有压缩的图象基本没有区别 但在压缩为4MB S以下的快速体育运动图象上 则能看到图象的缺陷 数字电视前端硬件平台 2 1MPEG 2编码器 46 数字电视前端硬件平台 2 1MPEG 2编码器 2 1 3常用接口MPEG 2编码器除了用于数字电视前端之外 还要与HFC网络 SDH网络或微波系统进行互联 因此MPEG 2编码器还应该具备与其相适应的接口 对于音视频输入接口要不仅能够输入模拟的音视频信号 还要能够输入数字信号 此外还应具备数据接口以适应系统添加一些辅助的数据信息 为了适应在各种网络中的应用 编码器留有各种不同的输出接口 以便用于和不同标准的系统连接 TS流的输出接口一般有两类形式 一种是符合DVB标准的接口 包括ASI SPI SSI三种接口 47 数字电视前端硬件平台 2 1MPEG 2编码器 ASI接口是异步串行接口 利用电缆传输时用BNC接头 SPI接口是同步并行接口 一般用于短距离的信号传输 接口连接器采用25针的D型连接头 SSI接口是同步串行口 采用电缆传输时也是采用BNC接头 除了以上的DVB标准的三种接口之外 有的编码器还提供E1 E2 DS3三种接口 也是为了用于不同的网络 比如编码器同SDH网络连接时 如果编码器有DS3接口 那么可以直接连接到光机的DS3接口 如果编码器没有DS3接口 那么需要网络适配器把ASI接口输出转换为DS3的接口输出 48 2 1 4编码器的使用使用前注意的几点 一套节目对应一路MPEG 2编码器 有的编码器可能具备多个编码通道 如果是来自SDH网络的数字信号 那么SDH来的是已经TS流 无需MPEG 2编码器 信号送入SDH网络时 由于SDH的接收光机端口是DS 3或E3接口 如果编码器没有DS3接口 那么需适配器进行ASI接口与DS3接口的转换 数字电视前端硬件平台 2 1MPEG 2编码器 49 数字电视前端硬件平台 2 1MPEG 2编码器 调整选择MPEG 2编码器的输出速率 一般MPEG 2编码器的编码速率是连续可调的 当然速率越高 图象质量就越好 但是占据带宽也就越多 因此在不影响节目观赏的情况下 可以适当降低压缩码率从而降低节目占用的带宽 增加系统的节目容量 对于标清的电视节目 输出速率一般选择6Mbps左右 视频输入端口的设置要根据节目源的设备来确定 输出端口要根据复用器来选择相应的接口 ASI接口或者SPI接口 视频标准的编码有PAL和NTSC两种 一般我们选择PAL制式 这也是一般国产编码器的默认编码模式 50 数字电视前端硬件平台 2 1MPEG 2编码器 对于视频参数的设定 例如视频亮度 对比度 饱和度 色度 增益控制等参数在编码器出厂时已经进行了设定 并且该设定一般是最佳的 我们无需进行调整 如果输出效果不理想 或者输入的视频信号不好 我们可以通过调节这些参数使得视频显示效果达到最好 对于音频参数的设定 一个是音频采样频率 有44 1KHz 48KHz 32KHz三种 可根据实际需要进行设定 第二个是音频码率 一般情况下用系统初时设置的值即可 第三个音频格式有立体声 联合立体声 双声道 单声道四种 可根据自己需要进行选择一种 51 数字电视前端硬件平台 2 1MPEG 2编码器 最后还要设置TS流PID值 它是包识别符 用来识别码流的性质 比如节目关联表 节目映射表等复用信息表都有不同的PID值 应按照DVB的标准进行设置 以上参数设置完毕 条件许可的话应该利用码流分析仪对输出码流进行分析 记录TS码流的一些关键参数 查看码流是否符合标准 52 数字电视前端硬件平台 2 2数字卫星接收机 2 2 1概述我国上星的数字电视节目采用的是QPSK调制方式 数字卫星接收机都是QPSK解调 有的虽然是接收卫星上的数字节目 但是输出的还是模拟的音视频信号 不是真正的数字接收机 数字卫星接收机是直接输出TS码流 还有一种就是既能输出模拟信号 又能输出数字的TS码流 53 2 2 2QPSK调制原理 数字电视前端硬件平台 2 2数字卫星接收机 54 调制过程 a路比特序列的0 1以 1 1表示 I t b路比特序列0 1也以 1 1表示 Q t I t 对载波sin ct进行平衡调制 得到 sin ctQ t 对载波cos ct进行平衡调制 得到 cos ct将 sin ct与 cos ct信号相加 形成QPSK信号 55 数字电视前端硬件平台 2 2数字卫星接收机 星座图中星座间的距离越大 信号的抗干扰能力就越强 接收端判决再生时就越不容易出现误码 56 数字电视前端硬件平台 2 2数字卫星接收机 QPSK在一个符号内可传两比特 对相同的带宽 数码率提高了一倍 实际上 为避免码间干扰 要对波形进行均衡 带宽略有扩展 数码率就提高不了一倍 QPSK 4QAM 星坐图2 1振幅4相位图 11 01 I轴同向轴 00 10 45 135 225 315 Q轴正交轴 57 数字电视前端硬件平台 2 2数字卫星接收机 58 2 2 3节目速率举例上星的节目采用QPSK调制解调方式 假设采用的基本码率4 42MBPS 以及RS 204 188 3 4卷积码 QPSK调制方式 其中4 42为符号率 也就是码率 由于采用QPSK 所以一个符号需要用2个比特来表示 RS编码为 204 188 表示有效数据为188个字节 有 204 188 16 个字节用于冗余纠错 卷积码的效率为3 4 由此可以算出节目的传输速率 4 42 2 3 4 188 204 6 11Mbps 数字电视前端硬件平台 2 2数字卫星接收机 59 2 2 4SCPC MCPCSCPC是单路单载波传输方式 每个载波只传输1套广播电视信号 这样一个转发器内同时存在多个载波 其特点是各套节目可在不同地点上星 MCPC是多路单载波传输方式 每个载波可同时传输多套广播电视信号 特点是1个转发器只有1个载波 频带和功率的利用率较高 多套节目要经复接后在同一地点上星 数字电视前端硬件平台 2 2数字卫星接收机 60 数字电视前端硬件平台 2 2数字卫星接收机 2 2 5 设备选型输入接口 数字卫星高频头输入输出接口 DVB标准ASI接口网管接口 RS 232 以太网接口支持单节目码流 SPTS 或多节目码流 MPTS 对MPTS码流具有节目选择和过滤功能 61 数字电视前端硬件平台 2 2数字卫星接收机 以带宽 29 65MHz为例调制方式CNR门限传输速率QPSK14 54516QAM228964QAM28140256QAM34180 62 数字电视前端硬件平台 2 3复用器 2 3 1复用器的作用复用器在复用的过程中 插入PSI信息和SI信息 重新组合 并且重新分配PID值 用于接收端的解复用和电子节目指南 EPG 具体功能如下 对每个输入码流进行检测 包括TS流同步是否丢失 同伴字节是否错误 TS流是否连续 PAT PMT表和PID值是否正确等 从输入的MPEG 2TS中过滤出基本流ES 提取PSI SI 将基本流复用成符合MPEG 2标准的TS流 同时生成PSI SI 如果复用器内置加扰模块 还要插入加扰信息 ECM EMM 63 2 3 2 复用器的原理 1 MPEG 2中的PSI信息节目特定信息ProgramSpecificInformation PSI 使用了四个表来定义码流的结构 节目关联表 PAT 描述多路节目的复用信息 节目映射表 PMT 描述单路节目的复用信息 网络信息表 NIT 描述网络传输的物理信息 条件访问表 CAT 描述条件接收系统的信息 数字电视前端硬件平台 2 3复用器 64 2 3 2 复用器的原理节目关联表包含了与多路节目复用有关的控制信息 用于指出TS流中包括哪些节目 每个节目的编号及相应的PMT的位置 PID 同时还提供网络信息表 NIT 的位置 PAT丢失 将导致接收端无法解码TS流中的任何节目 PAT所在的TS包的PID 0 数字电视前端硬件平台 2 3复用器 PAT PID 0 NIT PID 16 65 数字电视前端硬件平台 2 3复用器 2 3 2 复用器的原理节目映射表包含了与单路节目复用有关的控制信息 指出某一套节目由哪些节目流构成 以及这些流的类型 视频 音频 数据 及位置 即对应的TS包的PID值 同时给出该节目的节目时钟参考 PCR 字段的位置PMT所在的TS包都有自己独特的PID 节目1PMT 66 数字电视前端硬件平台 2 3复用器 2 3 2 复用器的原理条件接收表 CAT 给出有关条件接收系统的信息 指定授权管理信息 EMM 所在的TS包的PID值及其它相关参数 CAT所在的TS包的PID 1 网络信息表 NIT 提供与多组传送流 物理网络及网络传输相关的信息 如调谐频率 编码方式 调制方式等参数 PID由PAT指定 68 数字电视前端硬件平台 2 3复用器 2 3 3 PSI信息的重构每路TS流都有一个PAT和多个PMT 最后合成的TS流只有一个PAT和与之相对应的多个PMT 在不同的TS流中可能定义了相同的PID 因此 在对各路TS流进行复用时 首先必须提取出各个节目中TS包的PID 称为TS包过滤 然后重新标识PID 再对所有TS流中的PAT和PMT进行分析 整理 生成总的PAT和PMT 作为合成TS流的PSI信息 最后将TS包交织后输出 69 2 3 4PCR时钟的修正PCR是编码端系统时钟的采样值 一路节目只有一个PCR时间基点与之关联 在PSI的PMT中 指出了每路节目中带有PCR字段的TS包的PID值 PCR PID PCR的正确传输与否直接关系到解码端系统时钟的恢复 进而影响到音视频的同步回放 由于每路TS流都有各自的时钟 因此对每路时钟都要进行修正 以消除抖动 由于存在处理延迟 应在原有PCR值基础上加上该字段在复用器中的等待延迟 70 数字电视前端硬件平台 2 3复用器 2 3 4 解复用 71 2 3 5 业务接口及信号进入复用器的信号可以是卫星接收机 MPEG 2编码器输出的TS流 也可以是来自SDH网络中的信号 SDH网络的数字电视信号已经是TS流 对应的输出接口为DS 3 或E3 接口 其传输速率为45Mbps左右 可以容纳6套节目左右 如果复用器带有DS 3接口 则直接接入即可 如果没有 则需要网络适配器把DS3接口转换为ASI接口 复用器应该具有PID过虑功能 能够对输入的多路节目信号进行节目选择合过虑 此外还应该有带宽保护功能 如果输入信号的速率超过复用器能够容纳的速率 复用器能够舍弃一些数据包或者丢掉某套节目 数字电视前端硬件平台 2 3复用器 72 复用器除了复用数字电视信号之外 还可以复用器其他的一些数据业务 只要这些数据业务符合DVB标准即可 像因特网业务 多媒体等 需要一个IP网关转换为DVB标准的TS流 此外 视频点播的节目也可以进入复用器 它是由视频服务器经硬盘播出设备输出的TS流 它进入复用器时也需要进行接口的转换 例如如果是输出接口为DS3 45Mbps ATM接口 155Mbps 高速以太网接口等 都需要网络适配器将接口转换为ASI接口再进入复用器 73 2 3 6安装调试安装调试之前 首先确定复用几套节目 以保证输入的TS流总速率不会超出复用器的输入速率 输出速率不会超出QAM调制器的输入速率限制 先确定卫星接收机和编码器的输出速率 再根据QAM调制器的调制方式和符号率来确定QAM调制器能够传输的总速率 最后根据复用器的输入输出速率技术指标确定复用几套节目 把卫星接收机或者MPEG 2编码器的输出接口 ASI或者SPI 连接到复用器 并用数字码流分析仪测量卫星接收机或者MPEG 2编码器输出TS流的速率 并记录TS流关键参数 包同步字节 PSI表格等 74 把SDH设备TS流的输出接口连接到网络适配器 可选 然后把网络适配器的ASI接口连接到复用器 并用数字码流分析仪测量SDH输出TS流的速率 并记录TS流关键参数 包同步字节 PSI表格等 如果系统没有独立加扰器 即复用器自带加扰模块 则把复用器的输出接口连接到QAM调制器 如果系统设有独立加扰器 即复用器没有自带加扰模块 则把复用器的输出接口连接到独立加扰器后再连接到QAM调制器 设置复用器的TS流输入总码率 输入方式 ASI接口 SPI接口 DS3等 传输包的长度 188或204 75 查看输入TS流的结构并选择输出码流的内容 通过复用器的微处理器可以查看输入TS流的信息 各路输入TS流的码率 PID值 节目编号等 输入的TS流是音视频的节目码流时 复用器会显示某路输入码流中所包含的节目号 码率以及其他PSI信息 可以确定传输输入码流的哪一套节目 不传输的节目可以关闭 为了防止PID的冲突 还可以手工修改TS流的PID值 如果输入的TS流是数据码流 EPG 数据广播 等时 复用器不会对该码流进行分析 只是列出该码流中的PID值 我们手动选择需要复用的码流的PID值 76 数字电视前端硬件平台 2 3复用器 表格重复间隔 77 数字电视前端硬件平台 2 3复用器 2 3 6 TS码流的检测分析根据ETR101290标准 可将数字电视基带错误划分为三个等级 第一优先级错误 会引起解码器无法进行解码 第二优先级错误 会损伤已解码的图像 或者造成断续解码 第三优先级错误 指示出编码器 复用器的问题 但不影响解码 对图像质量影响较小 78 数字电视前端硬件平台 2 3复用器 1 第一优先级错误同步错误连续2个或2个以上的同步字节 0 x47 错误 此时应指示同步丢失 正常同步后方可进行其它参数的检测 传输流失去同步 表明传输过程中有一部分数据丢失 将直接影响解码后画面的质量 严重的同步丢失现象则表明传输中断 同步字节出现错误 79 数字电视前端硬件平台 2 3复用器 同步字节错误同步字节错误和同步错误的区别在于传输数据包长仍为188字节或204字节 但同步字头的标准值0 47被其他数字代替 当出现同步字节错误时 同步字头的值为其他数值 表明在传输过程中部分数据出现错误 可能导致接收时出现马赛克 严重时可能导致解码器解不出信号 80 数字电视前端硬件平台 2 3复用器 包识别符PID丢失检测数据流中各套电视节目的图像 声音数据是否正确 包识别符PID如果丢失 将导致该套节目无法正确解码 视频码流或音频码流PID的出现频率不超过5s 原则上 每一个PID可以定义不同的出现频率 81 数字电视前端硬件平台 2 3复用器 节目关联表PAT错误PAT在DVB标准中用于指示当前节目及其在数据流中的位置 如果PAT丢失 将导致解码器无法搜索到相应的节目包 使得接收端收不到图像 如果PAT超时 则解码器工作时间延长 对于PID为0 x0000的TS包 有以下情况之一即为PAT错误 包发送间隔超出0 5s 包中不含表标识符0 x00 包中的加扰控制段不是00 82 数字电视前端硬件平台 2 3复用器 节目映射表PMT错误PMT在DVB标准中用于指示该套节目视 音频数据在传输流中的位置 如果某一套节目的PMT丢失 将导致解码器找不到该套节目视 音频数据 使得接收端收不到图像或声音 如果PMT传输超时 将影响解码器切换节目时间 83 数字电视前端硬件平台 2 3复用器 连续计数错误对于每一套节目的视 音频数据包而言 连续计数错误是一个很重要的指标 传输流包头连续计数不正确 表明当前传输流有丢包 错包 包重叠等现象 将导致解码器不能正确解码 图像出现马赛克等现象 TS包顺序正确 TS包无丢失 同一TS包不出现两次以上 即无错误 84 数字电视前端硬件平台 2 3复用器 第二优先级错误TS流传输错误 出现传送错误时 TS包头中的传送误码指示符 设置 为 1 PCR错误 相邻PCR之间的时间间隔大于40ms即为PCR重复错误 显示时间标志PTS错误 PTS重复周期超出700ms即为PTS错误 CRC错误 关于CAT PAT PMT NIT EIT BAT SDT 和TOT表的CRC检测显示对应于这些表的内容是否出错 85 数字电视前端硬件平台 2 4QAM调制器 2 4 1调制方式的选择DVB S中 采用的是QPSK调制解调方式 DVB C中 采用的是QAM调制解调方式 DVB T中 采用的是OFDM多载波调制 每个载波再采用QPSK或者QAM调制 86 数字电视前端硬件平台 2 4QAM调制器 QAM调制正交幅度调制QAM 也称为正交幅移键控 由两路数字基带信号对正交的两个载波调制合成而得到 一般用m QAM表示m电平正交调幅 用MQAM表示M状态正交调幅 通常有2电平正交幅移键控 2 QAM或4QAM 4电平正交幅移键控 4 QAM或16QAM 8电平正交幅移键控 8 QAM或64QAM 等 电平数m和信号状态M之间的关系是 M m m 87 2 4 2调制速率16QAM调制中 一个符号用4个比特来表示 64QAM调制中 一个符号用6个比特来表示 256QAM调制中 一个符号用8个比特来表示 64QAM的符号率在8MHz最高可以达到6 89MBps 那么最高数据传输速率为6 89 6 41 34Mbps其中有RS编码 去掉冗余 有效传输数据速率为41 34 188 204 38 1MBps 数字电视前端硬件平台 2 4QAM调制器 88 调制方式CNR门限传输速率64QAM25 538 4128QAM29 543256QAM33 549 8MHz带宽可传输的码率和节目数量 视频压缩标准MPEG 2压缩码率 Mb s 865464QAM最多节目数4678128QAM最多节目数57810256QAM最多节目数68912 89 数字电视前端硬件平台 2 4QAM调制器 2 4 2安装调试首先把复用器 独立加扰器的输出接口连接到QAM调制器的输入接口 或者把来自网络适配器的ASI输出接口连接到QAM调制器的输入接口 对输入的TS码流进行检测 QAM调制器如果有输入码流检测功能 则需记录输入TS码流的数据速率 如果超出了当前调制的最大码率 则需设置更大的符号率或高阶的调制方式 或者降低输入码率的速率 QAM调制器如果没有检测功能 则需用码流分析仪进行检测 90 数字电视前端硬件平台 2 4QAM调制器 通过QAM调制器的主菜单设置接口 输入接口同复用器或独立加扰器相对应 把ASI或者SPI等接口设置为开启状态 设置QAM调制器的频率数字电视信号在在采用QAM调制时即调幅又调相 并且抑制载波 另外伴音和图象信号被复用到一起 因此在数字电视频道中没有图象载波和伴音载波 因此在设置QAM调制器的频率时应把频率设定在该频道的中心频率处 91 数字电视前端硬件平台 2 4QAM调制器 设置QAM调制器的符号率 通过QAM调制器的主菜单进入符号率设置的子菜单 按照系统的要求或者DVB C的标准设置成需要的符号率 典型设置为6 875Mbps 设置QAM调制器的调制方式QAM调制器的一般有16QAM 64QAM 256QAM等几种调制方式 根据网络质量的要求和系统的需要设置合适的调制方式 调制方式阶次越高 对网络质量的要求越高 如果网络质量达不到要求 即载噪比偏低 只能使用低阶的调制方式 否则会造成误码率升高 一般的有线电视网络里面 都设置到64QAM 92 数字电视前端硬件平台 2 4QAM调制器 设置QAM调制器输出传送包的长度 188或204 设置QAM调制器的输出射频电平 一般情况下比模拟的低10个dB左右 用QAM分析仪测试输出口信号的MER值 典型值应该大于32dB 64QAM 用QAM分析仪测试输出口信号的C N值 应大于40dB 93 2 4 3QAM调制原理正交调幅 QAM 是幅度调制和相位调制的结合 既调幅又调相 QAM是将调制符号调制到一对正交载波上 是二维调制技术 输入的串行数据流经过串 并变换器分成两路 双比特流b1b2和b3b4 把四种数据组合 00 01 11 10 变换成四种模拟信号电平 3 1 1 3 上 下支路的模拟输出分别调制载波信号sin ctc和cos ct 然后通过加法器使两个已调波相加 得到合成的调相波信号16QAM输出 数字电视前端硬件平台 2 4QAM调制器 94 2 4 3QAM调制器结构框图 数字电视前端硬件平台 2 4QAM调制器 95 2 4 3QAM星座图 数字电视前端硬件平台 2 4QAM调制器 96 数字电视前端硬件平台 2 4QAM调制器 97 数字电视前端硬件平台 2 4QAM调制器 不同调制方式的性能比较比较标准为了比较不同的调制方案 可用如下两个基本的标准来描述 频谱利用率 指每单位调制带宽所能传送的比特数 b s Hz 每比特能量 是指在规定传送准确度下的每比特能量 对有线电视来讲 频谱利用率说明在有限带宽内可容纳多少数字电视信号 每比特能量则表明系统需要多高的信噪比 此外 还要考虑诸如成本和复杂性等其他重要特性 98 数字电视前端硬件平台 2 4QAM调制器 频谱利用率 指每秒每赫兹传送比特数 频谱利用率由比特率 每个符号比特数乘以每秒符号数 除以调制带宽 是调制器和检波器中滤波器的函数 来确定 二进制BPSK的频谱利用率为1 b s Hz 采用正交调制 不需要增加带宽 可使QPSK的频谱效率增加为BPSK的二倍 MPSK和MQAM 其每字符的大小q 即比特数 为 q Log2M bit 其频谱利用率为qbps Hz例如QPSK 相当于4PSK 其q 2 频谱利用率为2 b s Hz 64QAM q 6 频谱效率为6 b s Hz 99 数字电视前端硬件平台 2 4QAM调制器 每比特能量 数字传送准确度通常用误码率 BER 来衡量 它表明一个错误出现的概率 以10的负幂表示 如BER 1 10 9是指产生一个码位错误的概率为1 109 每比特能量越大 数字信号的信噪比越大 当噪声恒定时 则BER越小 如果噪声恒定 每比特能量越高越能改善误码率 因为 此时各星座点间的距离越远 所以 在给定信号功率和噪声功率的情况下 星座点间的距离越远的调制方式BER性能就越好 若要达到QPSK的各状态的分离程度 16QAM就需要更大的信号幅度 16QAM的高频谱利用率是以提高信号功率为代价得到的 从星座图可以看到这种关系 如图所示的QPSK星座图 这是示波器上显示的对应于相位的信号幅度的点的积累 理论上应是四个清晰的点 实际看到的是四个模糊的点的轨迹 这表明信道中有噪声存在 比较图 a 和 b 可见点的位置出现随机偏差 可理解为判决电路产生的误判 因噪声脉冲使一个状态与另一个状态很接近 减小误判的方法是增加信号强度 不能同时增加噪声功率 101 数字电视前端硬件平台 2 4QAM调制器 2 4 4利用星座图分析故障 1 理想星座图符号点均在决策边框内的中心点 说明有良好的相位噪声 热噪声等 因此MER值好 102 数字电视前端硬件平台 2 4QAM调制器 2 热噪声引起的损伤现象 符号点随机的向外扩展 相对于中心点 103 数字电视前端硬件平台 2 4QAM调制器 3 相位噪声引起的损伤 上下变频器 现象 四个边角的符号向内旋转 使方形的星座图变为圆 104 数字电视前端硬件平台 2 4QAM调制器 4 相干干扰 如CTB CSO等互调失真 侵入噪声产物 现象 符号云的中心被掏空 形成圆串 105 数字电视前端硬件平台 2 4QAM调制器 5 I Q不平衡 前端I Q调制器 基带放大器 滤波器造成 现象 星座图不成方形 I Q轴即宽 高不等 106 数字电视前端硬件平台 2 5加扰器 2 5 1功能加扰是为了保证传输安全而对业务码流进行的特殊处理 通常在广播前端的条件接收系统控制下改变或控制被传送业务码流的某些特性 使得未经授权的接收者不能得到正确的业务码流 加扰器可以置于复用器中 也可以独立于复用器之外 一般称之为独立加扰器 独立数字加扰器是DVB广播系统中一种重要的设备 一般采用DVB的公用加扰算法 与CA条件接收系统相配合使用 同时对多个频道的所有节目或者部分节目进行加密 实现有条件访问 实现了数字电视节目的有偿广播和收视管理 它的一般功能包括 107 数字电视前端硬件平台 2 5加扰器 对指定的节目或基本传输流进行DVB加扰处理与CA有关的PSI信息和SI信息在TS流中插入EMM 授权管理信息 和ECM 授权控制信息 的数据流生成加扰控制字 108 数字电视前端硬件平台 2 5加扰器 2 5 2设备选型输入接口 109 数字电视前端硬件平台 2 5加扰器 输出接口 110 有线数字电视传输网络 111 112 有线数字电视传输网络 1 四级传输网国家干线网 北京到各省会城市环网 网状网 支线网SDH DWDM 2 5Gb s 4 8 16 32波分复用 省干线网 省会到地市 县 环网 支线网SDH2 5Gb s地市 县干线网SDH2 5Gb s622Mb s或光纤射频副载调制接入网 HFC网 750 860MHz 113 有线数字电视传输网络 114 有线数字电视传输网络 2 SDH与HFC网络的接口1 数字电视信号如何进入SDH网络传输 数字电视信号的MPEG 2帧格式通过映射 封装到SDH的物理帧 通过SDH的DS3接口进入SDH网传输 一个DS3信道可容纳6 7套SDTV节目 2 SDH网络传输的数字电视信号如何进入HFC网络传输 SDH信号传输到数字电视前端 由数字电视前端的DS3网络适配器将SDH物理帧中的数字电视MPEG 2数据帧提取出来 形成ASI码流从DS3网络适配器的ASI端口输出 输出的ASI码流进入数字电视前端 经过信号处理和QAM调制后 由光发射机发射进入HFC网络传输 115 有线数字电视传输网络 3 地市 县有线数字电视传输方式1 通过SDH网传输2 有线数字电视载波传输方式3 二者比较传输方式SDH系统64QAM 载波传输系统占用信道45Mb s DS3 8MHz带宽 6套SDTV 县前端DS3适配器 码流复用器不需增加设备需要设备64QAM调制器传输距离无限制200Km价格高低 116 有线数字电视传输网络 网络结构 a 主前端 主中心 一级光网 同轴分配网 双绞线网 CM STB 网卡b 主前端 主中心 一级光网 分前端 分中心 二级光网 同轴分配网 双绞线网 CM STB 网卡c 主前端 主中心 一级光网 分前端 分中心 二级光网 三级光网 同轴分配网 双绞线网 CM STB 网卡 117 有线数字电视传输网络 如果考虑到光网的传输光波长有1310 1550nm两个波段 实际网络的结构将演变成6种 a 主前端 主中心 1310nm一级光网 同轴分配网 双绞线网 CM STB 网卡b 主前端 主中心 1550nm一级光网 同轴分配网 双绞线网 CM STB 网卡c 主前端 主中心 1310nm一级光网 分前端 分中心 1310nm二级光网 同轴分配网 双绞线网 CM STB 网卡d 主前端 主中心 1550nm一级光网 分前端 分中心 1550nm二级光网 同轴分配网 双绞线网 CM STB 网卡e 主前端 主中心 1550nm一级光网 分前端 分中心 1550nm二级光网 1310nm三级光网 同轴分配网 双绞线网 CM STB 网卡f 主前端 主中心 1550nm一级光网 分前端 分中心 1550nm二级光网 1550nm三级光网 同轴分配网 双绞线网 CM STB 网卡 118 数字基带传输 SDH 采用SDH系统 一个DS3信道可传7套SDTV MPEG2编码器 卫星接收机 SDH网络适配器 复