数字电视系统综合实验 数字电视技术讲座.ppt

数字电视教学实验系统讲座,第一讲数字电视概述,取样的结果仅是把模拟信号在时间上的离散。样值的幅度仍然是模拟取值的，具有连续的数值。必须在幅度值上也进行离散处理，才能实现不仅在时间离散，幅度值上也离散。对幅度值的离散就是把幅度值分成若干等级，对不在等级线上进行舍零取整处理，归到相邻的等级上去，这样连续的幅度值就用离散化的有限个等级取代了，这就是量化。量化取多少个等级合适，等级多了好，但要付出的代价大。实践证明，电视图像信号用256个等级就可以。取样、量化只是在时间和幅度上做到了离散化，还不是数字化。数字化的目的是用0和1两个数字表示一切等级、量值。为什么要用1和0，而不用1和9呢,因为0和1最容易用电量来表示，如，有电压时是1，无电压是0，开关接通是1，开关断开是0。,但是1和0只能代表2个等级，256的等级怎么办，使用0和1排列组成码就解决了。这有如条形码，他只有黑白两种，但是他们不同的组合可以变成无数的码，可以分别代表多种商品。例如我们用8位0和1编成8位码，就有了256=28种不重复的码来表示256个量。把量化后的信号用0和1组成的码来表示，叫做编码。用数字编码来表示量化的信号，模拟信号才算真正的数字化了。总之，模拟数字化三过程：取样、量化、编码。,7、数字压缩：经过取样、量化、编码后的信号信息量非常大。（通过实验箱测量就可以看到）电视亮度信号的最高值是6Mhz，每个色差信号最高频率为2个1.5Mhz,根据奈奎斯特定理，亮度和色度的取样频率分别应该大于12Mhz和2*3Mhz=6Mhz，量化等级取256，需要8位二进制编码。这样传送一套节目，所需要的码率（每秒钟传送码的位数）为12+2*3=144Mbit/s。传送这么高的速率，对于我们现在的频道8Mhz带宽实在是大的不得了的事情。实际上取样频率是13.5Mhz、量化比特数是10，因而码率是270Mhz。所以，要想数字化节目能真正实施，必须对码率进行压缩。这就是数字电视信号压缩的必要性。数字信号之所以可以压缩，是因为数字信号存在冗余，首先是空间冗余，就像是一幅画，个像素之间有很强的相关性，,例如蓝天，不必全部蓝天的每个像素都传送一次，只传送一个像素就可以，其余的到接收点全部安第一个复制，这样就节约了大量信息，去除了冗余。其次是时间冗余，相邻两帧图像内容也大体相似，我们可以不必每个图像都传，例如只传一帧，在接收端，第三帧用第一帧预测产生，第二帧用第一帧和第三帧取平均产生，这又可以压缩码率，再次，是人的视觉冗余，利用人眼对图像高频细节、色度信号灵敏度低的特点进行压缩，把人眼本来看不到的信号取消，以节省码率。这就是信号压缩的可能性。压缩方法，目前压缩的标准有很多种，MPEG-2MPEG-4H.264等标准，这些标准适用不同的图像编码。MPEG-1图像编解码标准：MPEG-1由国际标准化组织(ISO)于1991年制定，是基于一般低端应用的视频、音频的编解码标准，它主要针对352像素288行(CIF格式)分辨率和每秒30帧的图像质量。,将视频信号和相应的伴音在可以接受的质量要求下编码成1.5Mbps的数据流.感官上，图像较细腻而且很流畅，对大多数视频会议与图像监控是一个完全可以接受的标准。MPEG-2图像编解码标准：MPEG-2标准制定于1994年，设计目标是高级工业标准的图象质量以及更高的传输率，它追求的是CCIR601建议的图象质量DVB、HDTV和DVD等制定的3Mbps10Mbps的运动图象及其伴音的编码标准。MPEG-2也可提供并能够提供广播级的视像和CD级的音质。MPEG-2的音频编码可提供左右中及两个环绕声道,以及一个加重低音声道，和多达7个伴音声道(DVD可有8种语言配音的原因)。由于MPEG-2在设计时的巧妙处理，使得大多数MPEG-2解码器也可播放MPEG-1格式的数据(如VCD等)。因为MPEG-2可以提供一个较广的范围改变压缩比，以适应不同画面质量、存储容量以及带宽的要求，所以除了做为VCD和DVD的指定标准外，,MPEG-2还可用于为广播、有线电视网、电缆网络以及卫星直播(DirectBroadcastSatellite)提供广播级的数字视频。MPEG-2标准目前分为9个部分：第一部分ISO/IEC13818-1，System：系统，描述多个视频，音频和数据基本码流合成传输码流和节目码流的方式。第二部分ISO/IEC13818-2，Video：视频，描述视频编码方法。第三部分ISO/IEC13818-3，Audio：音频，描述与MPEG-1音频标准反向兼容的音频编码方法。第四部分ISO/IEC13818-4，Compliance：符合测试，描述测试一个编码码流是否符合MPEG-2码流的方法。第五部分ISO/IEC13818-5，Software：软件，描述了MPEG-2标准的第一、二、三部分的软件实现方法。第六部分ISO/IEC13818-6，DSM-CC：数字存储媒体-命令与控制，描述交互式多媒体网络中服务器与用户间的会话信令集。,以上六个部分均已获得通过，成为正式的国际标准，并在数字电视等领域中得到了广泛的实际应用。此外，MPEG-2标准还有三个部分：第七部分规定与MPEG-1音频非反向兼容的多通道音频编码；第八部分现已停止；第九部分规定了传送码流的实时接口。MPEG-2编解码原理MPEG-2视频压缩的原理是利用了图像中的两种特性：空间相关性和时间相关性。这两种相关性使得图像中存在大量的冗余信息。为了能够有效的去除图像中的冗余信息，MPEG-2标准中将编码图像被分为三类，分别称为I帧，P帧和B帧。I帧图像采用帧内编码方式。P帧和B帧图像采用帧间编码方式。P帧图像只采用前向时间预测，B帧图像采用双向时间预测，可以大大提高压缩倍数。,MPEG-2的编码码流分为六个层次，从上至下依次为：视频序列层（Sequence），图像组层（GOP：GroupofPicture）,图像层（Picture），像条层（Slice），宏块层（MacroBlock）和像块层（Block）。在帧内编码的情况下，编码图像仅经过DCT，量化器和比特流编码器即生成编码比特流。在帧间编码的情况下，原始图像首先与帧存储器中的预测图像进行比较，计算出运动矢量，由此运动矢量和参考帧生成原始图像的预测图像。而后，将原始图像与预测像素差值所生成的差分图像数据进行DCT变换，再经过量化器和比特流编码器生成输出的编码比特流。MPEG-2中的ProfileLevel现有MPEG-2视频标准的技术规范集包括5类（Profile）4级（Level）组成，并采用分级编码。类和集的若干组合构成MPEG-2标准在某种特定应用下的子集。,级（Level）是指MPEG-2的输入格式，标识从有限清晰度的VHS质量图像到HDTV图像，每一种输入格式编码后都有一个相应的范围。共分4级：1).低级LL(LowLevel)，图像输入格式的像素是ITU-RRec.BT601格式的1/4，即35224030或35228825。2).主级ML(MainLevel)，图像输入格式符合ITU-RRec.BT601格式，即72048030或72057625。3).1440高级H14L（High1440Level），图像宽高比为43，采用1440108030的高清晰度格式。4).高级HL（HighLevel），图像宽高比为169，采用1920108030的高清晰度格式。类（Profile）是指MPEG-2的不同处理方法，每一类都包括压缩和处理方法的一个集合，较高的类意味着采用较多的编码工具集，进行更精细的处理，达到更好的图像质量，同时实现的代价也更大。,支持的应用最为广泛，既包括存储媒体中的DVD，广播电视中的数字广播电视和HDTV，还可应用于交互式的视频点播（VOD）和准视频点播（NVOD）。还能够适配ATM等宽带通信网。MPEG-4标准MPEG-4于1998年10月定案，在1999年1月成为一个国际性标准，随后为扩展用途又进行了第二版的开发，于2001年有了其第二个版本。MPEG-4的国际标准编号为ISO/IEC14496。MPEG-4的特点是其更适于交互AV服务以及远程监控，是一个有交互性的动态图像标准。MPEG-4标准的构成1)多媒体传送整体框架（DMIF）：主要解决交互网络中、广播环境下以及磁盘应用中多媒体应用的操作问题。通过DMIF，MPEG-4可以建立起具有特殊品质服务（QoS）的信道和面向每个基本流的带宽。,2)数据平面：MPEG-4中的数据平面可以分为传输关系和媒体关系两部分，并引用了对象描述（OD）和流图桌面（SMT）的概念，使基本流和AV对象在同一场景中出现。3)缓冲区管理和实时识别：MPEG-4定义了一个系统解码模式（SDM），该解码模式描述了一种理想的处理比特流句法语义的解码装置，它要求特殊的缓冲区和实时模式。通过有效地管理，可以更好地利用有限的缓冲区空间。4)视频编码：MPEG-4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。5)音频编码：MPEG-4不仅支持自然声音，而且支持合成声音。它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。6)场景描述：场景描述主要用于描述各AV对象在具体AV场景下，如何组织与同步等问题，同时还有AV对象与AV场景的知识产权保护等问题。,在MPEG-4中，VO主要被定义为画面中分割出来的不同物体，每个VO有三类信息来描述：运动信息、形状信息、纹理信息。VO的构成依赖于具体应用和系统实际所处环境，在要求超低比特率的情况下，VO可以是一个矩形帧（即传统MPEG-1中的矩形帧），从而与原来的标准兼容；对于基于内容的表示要求较高的应用来说，VO可能是场景中的某一物体或某一层面，如新闻节目中的解说员的头肩像；VO也可能是计算机产生的二维、三维图形等。2)VOP编码器结构编码器主要由两部分组成：形状编码和传统的运动纹理编码，其中形状编码是MPEG-4在编码任意形状的VOP时所必须的。3)MPEG-4的编解码流程及框架MPEG-4的编码流程：第一步是VO的形成(VOFormation)先要从原始视频流中分割出VO，,之后由编码控制(Codingcontrol)机制为不同的VO以及各个VO的三类信息分配码率,之后各个VO分别独立编码,最后将各个VO的码流复合成一个位流。其中,在编码控制和复合阶段可以加入用户的交互控制或由智能化的算法进行控制。现在的MPEG-4包含了基于网格模型的编码和Sprite技术。在进行图像分析后，先考察每个VO是否符合一个模型，典型的如人头肩像，如是就按模型编码；再考虑背景能否采用Sprite技术，如是则将背景生产一幅大图，为每帧产生一个仿射变换和一个位置信息即可；最后才对其余的VO按上述流程编码。MPEG-4的解码流程则基本上为编码器的反过程，这里不再赘述。4)MPEG-4的主要应用场合从目前的情况看，MPEG-4主要被用于三个领域：数字电视、交互式的图形应用（包括内容上的合成技术）、交互式多媒体领域等。,由于MPEG-4作为MPEG-1及MPEG-2的替代技术标准，可以将较大的流媒体文件在保证视音频质量情况下压缩的非常小，更利于在网络上传播。基于此，ISMAMPEG-4标准正是由ISMA制定并发布的基于ISOMPEG-4的流媒体新标准。ISMA发布了新标准的第一个规范说明-ISMA1.0。该规范说明允许用户仅下载一个插件，就可以使用不同公司的播放器欣赏网络音频与视频；而且使用范围不局限于PC机，还包括各种掌上无线设备（如PDA、手机等）。ISMA1.0目前有两个版本：Profile0和Profile1。前者是为了无线网络及带宽较窄的网络准备的，可以适用于手机、PDA等掌上无线设备；后者是为了宽带设计的，可以应用于机顶盒以及PC机。ISMA希望MPEG-4能够最终代替MPEG-2标准，但是新标准在视频效果及交互性方面有待改进，目前仍在不断的发展及提高之中。,7）H.264图像编解码标准：随着市场的需求，在尽可能低的存储情况下获得好的图像质量和低带宽图像快速传输已成为视频压缩的两大难题。为此IEO/IEC/和ITU-T两大国际标准化组织联手制定了新一代视频压缩标准H.264。H.264和以前的标准一样，也是DPCM加变换编码的混合编码模式。但它采用“回归基本”的简洁设计，不用众多的选项，获得比MEPG-4好得多的压缩性能；H.264加强了对各种信道的适应能力，采用“网络友好”的结构和语法，有利于对误友和丢包的处理；H.264应用目标范围较宽，可以满足不同速率、不同解析度以及不同传输（存储）场合的需求。在技术上，H.264标准中有多个闪光之处，如统一的VLC符号编码，高精度、多模式的位移估计，基于4块的整数变换、分层的编码语法等。,这些措施使得H.264得算法具有很高的编码效率,在相同的重建图像质量下,能够比H.263节约50%左右的码率。H.264的码流结构网络适应性强，增加了差错恢复能力,并能以较低的数据速率传送基于联网协议（IP）的视频流,在视频质量、压缩效率和数据包恢复丢失等方面，超越了现有的MPEG-2、MPEG-4和H.26x视频通讯标准,更适合窄带传输,能够很好地适应IP和无线网络的应用。由于DVB标准的编码压缩主要是采用MPEG-2的标准，所以我们暂时先了解一下MPEG-2的压缩标准。他针对图像以上的冗余特点，运用运动估算、离散余弦变换（DCT）、自适应量化和熵编码等技术（实际上就是一些算法），实现对信号码率的压缩。把数字化后的144Mbit/s码率压缩到6Mbit/s,仍然可以保持SDTV的水平，而且压缩比可变,由VCD到HDTV等级都可以。目前数字有线电视的压缩等级是主级主类MPML，相当于SDTV（像素在720*576像素）水平。,运动估值是为了消除相邻帧间的空间冗余.因为相邻的帧间,图像大量的数据是相同的，不必全部传输，仅传递相邻帧的变化部分就可以，这样就可以压缩了传输的数据量，离散余弦变换DCT是将信号由空间变换到频域,使信号能量集中到低频率。自适应量化是针对DCT而言,因为人眼的视觉对图像的细节不敏感，故表示图像细节高频部分可以压缩。自适应量化就是对DCT变换后的高频系数粗量化，对低频系数细量化,实际上是基于视觉冗余。熵编码，就是可变字长编码。给使用概率大的事件分配短字码，给使用概率小的事件分配长字码，最大限度提高编码效率。,8、数字电视的码流：模拟信号经A/D变换、压缩后，变成由二进制脉冲组成的脉冲序列，叫码流。每一套节目有视频码流、音频码流，这些与模拟信号一一对应的码流叫基本码流ES；为便于传输，实现时分复用，基本流ES必须打包，也就是将连续传输的数据流按一定的时间长度进行分割，分割的小段叫包，因而，打包也叫分组。在每个包前加包头，就构成了打包的基本码流PES;传送一套节目有三种基本流，视频流、音频流、相应的数据流需要把他们组合到一起，叫做复用。复用的方法是时分复用(TDM,为了使若干独立信号能在一条公共通路上传输，而将其分别配置在分立的周期性的时间间隔上的复用)，上述把同一节目的三种基本流复用到一起叫节目复用。复用后，根据需要可以形成节目流PS和传输流TS,他们分别适应于不同的传输环境，PS包长度较长，且可变，适用于在良好的媒质里传输，TS包长是固定的188个字节，适合于在容易出错的媒质里传输，在有线电视里传输的是TS流。,TS包的包头，长4字节，包头里最重要的要素是包识别符PID，它标识该包属于哪套节目的什么流。接着的是可变长度的适配域，后面是净荷，净荷携带的是实际内容。,9、数字电视信号是怎样在有线电视HFC网上传输的？模拟电视连续的电信号数字化后，变成了完全由“0”、“1”组成的脉冲串（经过MPEG-2编码形成由MPEG-2包组成的传输流）。直接把数字串在网络上传送，叫做基带传输（未经某种处理的数字信号称为基带信号）。它要占用从0开始的无限带宽。但是我们现在的HFC网络，传输模拟电视信号是采用AM-VSB（残留边带调幅）频分复用方式传输的。就是说，每套电视节目先调制到一个指定的高频率载波上（采用残留边带调幅方式），每一个高频率载运一套节目，占用不同频率的载频，混合送到HFC网络上传输。节目是以频率不同而区分的，这就是频分复用。每套节目占用的频带宽度都是8Mhz。这就是我们目前HFC的规矩体制。数字化后的基带，不符合目前HFC的传输体制，没有办法让数字电视信号以基带的形式上网与现有的模拟电视信号兼容传输。数字电视信号要服从原来的规矩，这叫做兼容。,R-S编码是为了纠错的.模拟方式传输错误一般称为失真-与原信号不一样.模拟传输时,失真的表现是渐变的.收视者对限度以内的失真劣化可以容忍.数字电视中的一切劣化集中表现为码错误误码.数字信号误码对图像质量的影响有断崖效应,即码错误率超过一定值,整个图象会立即变成不可看,收视者没有容忍的余地.所以数字传输要集中力量解决误码问题,采用有效的措施,纠正传输误码.现在使用的R-S编码,纠错能力相当强,对每个传输包而言,可纠正8个字节随机错误的任意组合,或者可纠正长度不大于57的突发错误.具体的说,在输入误码率10E-4的情况下,纠正错误码,达到10E-12.误码率劣于10E-4已经无法恢复图像,而10E-12相当于几个小时才出现一个误码.可见其纠错能力之强.R-S纠错是在发送端的MPEG-2码流中插入16个用于检验的冗余字节,使MPEG-2的传输包由188字节变成了188+16=204字节.在接收端,靠检验该冗余字节的情况,来判断并纠正错误,RS编码称为外层纠错编码,对突发干扰有较强的纠错能力。,卷积交织,是内层编码,它能使连续发生的误码发散.DVB-C采用的卷积交织深度为I=12.字节到字符的映射（转换),也是一种适配。MPEG-2的传输流是以字节为单位传输的,1字节=8比特.在后面要进行的QAM调制中，是以符号为单位进行的.在2mQAM调制中，1个符号代表m比特（64QAMm=6）。由1字节=8比特转换为1符号=m比特，称为字节到符号的映射。映射就是转换，在64QAM，要将3个字节转换为4个6bit的字符。打个比方说，学生看电影，每8个人一组去影院.而影院是每6个人一条凳子。这样，学生就得由每8个人一组，转换为每6个人一条凳子。差分编码。数字电视的调制方式是正交调幅,它需要把码流分成两路，一路称为同向分量I，一路称为正交分量Q.I和Q分别对频率相同而相互正交的载波进行幅度调制（两个正交的载波是cost和sint).最后，二者叠加成QAM调制信号。因而，进入QAM调制之前，要把数据码流分成两路，即差分编码。它实质上是把单路串行码流分成两路并行码流.基带成型滤波是脉冲波型变换,比特信号的“0和“1”是方脉冲，具有无限带宽.我们的网络是限带的（每个频道8Mhz），自然无法适应。为了减少比特占用的带宽，又不影响收到信号的判决，可以把方的脉冲改变一下形状。把上升沿和下降沿由突变的直线变为圆滑的曲线，把方波圆滑化。这种方法称为滚降。在电路上是使方形脉冲通过一个升余弦滚降滤波器。其滚降系数取=5。调制，是解决数字基带信号不能直接在HFC网络中与模拟信号按频分复用兼容传输的问题。用基带信号改变高频率载波的某个参数，让高频率载波载运基带信号并实现频谱从基带到载波频率的搬移，叫做调制。频率搬移是频分复用所必须的。调制就是使载波的参数按所载运基带信号的变化而变化。用载波的不同状态表示基带信号。调制方式有调幅（AM），调频（FM），调相（PM）几种。我们使用的是QAM调制，叫做正交幅度调制。它先把调制信号码流分成独立的两路，分别对同频正交的两个载波进行双边带抑制载波调幅，最后两路已调信号相加输出。QAM调制是幅度调制与相位调制的结合，既调幅又调相。,有线电视使用的QAM调制是64QAM，就是调制后，载波有64种状态，每个状态代表一个符号（一个符号是6位比特组成的码）。64QAM的调制状态可以直观的用星座图表示.座标里的64个点,代表64个符号。正常时,这些符号点在小方格中间.信号的劣化，造成符号点的偏移，严重时偏移到格子外，就“串”了。造成符号被错判,MPEG-2码流经过上述的信道编码,调制，最终把传输码流载运到一个指定频率、8Mhz带宽的高频率载波上。从高频率载波的形式讲，它与现在HFC网中传输的模拟电视频道信号就一样了，可以堂而皇之的混合进网传输了,并与模拟信号同等待遇，被光链路、电缆链路传输到用户.64QAM调制由于既调幅又调相，频率利用率高，每8Mhz带宽可以传输的信息速率达40Mbit/s以上，我们选为38Mbit/s。就是说，把几套节目先通过复用器复用成38Mbit/s的多节目传输流MPTS，再送进调制器。,64QAM的性能为：进制8，频谱利用率6bit/Hz，每套节目压缩到1.5Mbit/s时，每8Mhz频道可以传送17套节目,压缩到2Mbit/s时，可以传送13套节目,压缩到4Mbit/s,可以传送6套节目。正常接收所需要的C/N（无纠错）28dB，用R-S纠错为23dB。经调制后码速率的变化如下：R-S编码，由于传输包长由188变成了204字节，每包码字数增加了，速率将提高到约为38204/188=41Mbit/s。字节到字符映射，因为每字符为6bit比特速率变为字符速率约为41/6=6.8Ms/s(每秒字符)。再经升余弦滚降滤波，我们实际使用的符号率是6.875Ms/s。这是一个非常重要的传输参数，是配置调制器和机顶盒必须的。,10、有线电视前端数字有线电视前端的功能：数字电视信号在有线电视HFC网内的传输，核心是信号对网络的适配问题.模拟电视信号数字化、压缩即信源编码，解决了用数字比特代表连续的模拟信号和速率对网络的适配.那么如何解决传输对网络的适配，使用户达到满意的接收,这就是前端要解决的问题。具体说，前端的主要功能是：组织节目节目为王。向用户提供多套数,高质量的节目是数字电视的生命所在。数字有线电视的节目源主要有：来自卫星的节目;以SDH形式从光缆传来的节目;本地自办节目;由视频服务器播出的NVOD、VOD节目;由本台更新、增加的电子节目指南（EPG）等.前端的组织作用,就是要把这些不同的节目进行数字化,压缩编码等过程，统一为MPEG-2传输流（MPEG-2TS）和ASI接口格式。,监视、调度和切换播出节目。在有线电视HFC网中,数字电视也应当按每8Mhz带宽一个频道来传输。那么，哪个频道传送哪几套节目，以及节目之间的切换、调度，都要在前端完成。完成这个任务的设备是一个多输入口，多输出口的数字切换矩阵，也称路由器。它还可以为信号源的监视提供选择节目的功能。系统管理。数字有线电视节目是以一种新的付费方式提供给授权用户的。因而可靠的授权管理是数字有线电视必备的功能。系统管理包括有条件接收系统CAS、用户管理系统SMS和网络管理系统NMS。有条件接收系统CAS；对节目和数据进行加扰、加密,对用户进行授权管理,实现有偿服务.用户(订户)管理系统SMS：对用户进行管理，包括用户信息、用户设备信息、数字产品信息、订购信息、授权信息、财务信息等。,网络管理系统NMS：对前端和网络设备进行集中管理，包括规划、参数设置、检测报警等。从信号形成、流向到质量进行控制，对系统运行状态、故障、错误进行报警，保证系统协调、正常、安全运行。复用。为了与模拟传输体制兼容，从多种渠道组织来的数字电视节目都需要调制到8Mhz带宽的不同频道上.而每个频道不但载运不只一套节目，还必须载运引导接收机正确工作的节目专用信息PSI、业务信息SI、电子节目指南EPG以及授权管理信息ECM、EMM等。这些都需要在进入调制之前把它们复用到一起。进行信道编码和调制，实现与有线网络的传输适配。前端的组成。比照模拟电视前端的组成，数字前端可以分为输入、处理和输出三部分。,输入部分。输入部分的主要功能，就是把来自不同渠道、不同格式的视音频信号，进行数字化、压缩编码或码流适配，统一为符合DVB-C标准的MPEG-2传输流格式和ASI接口的传输流，输出到处理部分.数字电视的节目源有:卫星接收（数字或模拟）、数字干线SDH、本地自办、视频服务器或媒体播放器输出的数字节目（本地自办、NVOD、VOD）、各类数据广播节目等。与节目相关的PSI、SI、EPG以及各种管理信息，也都是必须进入网络和节目一起向用户传输的。前端信号的统一格式是什么样的？是DVB-C标准规定的MPEG-2传输流.由长度为188字节的传输包组成。每个包有4个字节的包头，可变字节长度的适配域和有效载荷。在传输链路里,这些MPEG-2传输包一个包一个包的串行传输。实际上，为了提高系统的纠错能力，每个包增加了长度为16个字节的R-S纠错码，包长变成了204字节。,在整个数字有线电视系统中,设备与设备间,设备与线路间的传输接口,被规定为ASI（异步串行接口).它的传输速率为270Mbit/s,可以轻松地承载8Mhz带宽,64QAM调制的数据流.ASI物理接插形式,用得最多的是BNC卡口.下面研究不同格式接口的节目如何统一成MPEG-2传输流格式和ASI接口。模拟视音频节目，经编码器完成数字化、压缩形成MPEG-2格式。编码器输入视音频信号，输出码率可在1.5-15Mbit/s之间调整的MPEG-2传输流，输出接口是ASI。SDH传送的数字电视节目，已经是MPEG-2传输流。对应于电视的输出口是DS-3（或E3）口,以45Mbit/s的速率传送56套复用的节目。把它纳入数字有线电视，只需在SDH输出与数字有线电视的输入之间加一个适配器完成DS-3到ASI的转换就可以了。点播类节目，如NVOD、VOD也是数字电视的重要节目源。它是由视频服务器经硬盘播出设备输出MPEG-2码流的。,将此类节目接入数字前端，需要作接口的转换。一般来说，用于HFC网络播出的硬盘播放器，大都提供ASI接口,甚至已经将码流调制到高频载波上形成64QAM射频信号。输出为ASI接口的可以直接进切换矩阵,64QAM输出的,只要频率和电平合适，就直接与现有的模拟频道混合,进入HFC传输.对于输出口为DS-3（45Mbit/s）、ATM（155Mbit/s）以及高速以太网口，都需要经过适配器将接口转换为ASI，才能进数字切换矩阵,开展多媒体传输和因特网接入,还要通过数据广播服务器、IP网关（代理服务器）等，组织相关信号。处理部分：信号处理部分是前端的核心。它的功能是：对所有输入的节目码流进行切换、调度、分组、复用（再复用）;插入（更新）节目专用信息PSI、业务信息SI、电子节目指南EPG、各种管理信息（ECM、EMM）等，把它们与节目信号一起复用进数字传输通道；对条件接收节目进行加扰；进行节目管理、用户管理和系统管理.数字切换矩阵。,切换矩阵也叫路由器。它有若干个输入口和输出口，可以实现任意输入端口的信号从任意输出端口输出，可见它可以实现输入与输出节目的强大调配功能。在数字电视里使用矩阵的意义更大.数字电视的一个载波频道,可以载运6套以上电视节目，载运哪几套，组合是灵活的，有时需要调整，有了矩阵就容易了。还有，在数字电视播出中，增加一套节目，不是象模拟那样加一台调制器，它是在虚拟状态下进行的：只要把要增加的节目从矩阵输入端接入，切换到一个复用器上，复用进某个频道就成了。复用器的功能有；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。已经加扰的码流不再解扰，直接以加扰形式与其它码流复用，包括ECM、EMM。,以上几点提示我们，有线电视里的许多数据，如与节目有关的信息EPG、PSI、SI，管理信息ECM、EMM，加扰信息等都是从复用器加入的。处理部分的另一个重要功能是加扰。因使用设备不同，加扰可以在有内置加扰模块的复用器中进行，也可以外接独立的加扰器进行。输出部分：前端输出部分的功能，是把处理部分送来的，已按每8Mhz带宽容量复用和加扰好了的多路数字电视节目传输流（含节目、PSI、SI、EPG及管理信息）,变成可以在有线电视HFC网络中传输的64QAM调制射频信号。该功能由信道编码和调制两部分完成，但二者都装在调制器里边。QAM调制器的主要接口。QAM调制器的信号输入是经复用的MPEG-2传输流TS.输入物理接口是异步串行口ASI。型式为BNC75欧同轴卡口.一般还带有一个ASI输出口，它与输入ASI口是环通的（电平相等，有源的），供另外的设备使用。,如果需要DS-3（E-3）或PSI（同步并行接口）输入接口时，可以定制。有DS-3接口，可以直接与SDH的DS-3输出连接，省去了DS-3/ASI的适配器，因为适配器内置于里边了（如华为的调制器）。调制器的主输出口是电视频道RF输出。每频道8Mhz带宽，中心频率可以捷变，输出电平可调，都是通过前面板的菜单设置。物理接口是75欧同轴F座。一般还设有-20dB测试口。调制器还有中频IF输入/输出口。输入口输入已经QAM调制的中频IF信号，这时候调制器只起变频率的作用，把中频IF转移到电视频道上去。中频输出口输出经本调制器调制的QAM中频信号，供另外的设备使用。使用时要注意中频的频率。还有遥控接口，一般是Sub-9RS485口。综上所述，数字电视在HFC网络中的传输是三个环节，即信源信道信宿。对应的就是前端网络机顶盒和信源适配、信道适配。机顶盒成为数字电视传输的一个重要环节是一大特色，将来，机顶盒的维修可能纳入网络维护工作中。,11、网络传输中要注意的几个概念：1、64QAM调制频道传输实质上是数字信号的模拟传输，HFC网络可以不做任何改动，包括电放大器、光设备、无源器件等。2、关于传输电平：与模拟传输相同，都受限于有源器件的非线性动态范围。现在设为比模拟低10dB，是由于二者功率分布不同，前者为峰值，后者为平均功率。全网整体平移后，虽全部传输数字调制信号了，电平仍然低10dB是合理的。3、在模拟传输时忽略了的网络和设备相位特性，在传输数字QAM信号是成为重要矛盾。,12、在有限电视系统前端，有3个设备是必须要了解的。1）编码器：如录像机、摄像机、演播室、卫星接收设备、光盘读出设备等信号源输出的数字信号或模拟信号均需转换成符合MPEG-2的数字压缩信号，即使是数字信号源也要进行格式转换。结构图如下：,MPEG编码器是将模拟电视的视音频信号进行编码压缩,输出实时TS流的前端设备。主要包括音视频A/D转换器在内的音视频接口、音视频编码器、节目复用器、输出接口和系统控制等部分组成。音/视频转换器是用来将输入的模拟音/视频信号进行抽样、量化和编码处理，转换成数字信号，再以码流形式输入到音/视频编码器。MPEG-2的结构分为压缩层和系统层,压缩层完成一路节目的音频、视频和其他辅助数据的数字化编码压缩处理，分别形成音频基本流（ES),视频基本流（ES）和数据基本流（ES）,接着系统层将不同的基本流分别加包头打包（分组）为打包基本流（PES）.打包后的音视频基本流再送到节目复用器，由节目复用器对其进行复接打包,输出单路节目传输流PS.由于传输流再复用器QAM调制器等数字前端设备的输入接口都是标准的ASI,因此MPEG输出的音视频基本流必须转换成符合ASI标准的码流。,MPEG输出接口就是用来完成这种转换的.系统控制电路是由CPU、FlashSDRAM等组成，用来对编码器中的各部分进行协调、控制，完成音视频码流的编码压缩。2）复用器：他的任务就是将多路信号复用成单路TS流.其中有视频数字信号音频数字信号，特别重要的是需要加入控制管理数据。每个节目数据包的包头内必须有包识别符（PID)，否则无法识别和提取.在多路信号复用时需要加入业务信息（数据）,数据也以数据包的形式进行复用.业务信息提供了各节目的编号、位置、信号的属性和参数,否则无法从许多信号中提取用户所需的节目信号.这种查寻和提取可借助于电子节目指南（EPG）来完成，因此，后面会详细介绍MPEG-2传输复用包的想成和业务信息这两方面内容。,TS流经过上述处理后，便送入复用器进行复用。复用分一般复用和统计复用。一般复用是将多个TS流的信息汇总成一个比特率更高的TS输出,他并不改变各TS流中所含节目信息的比特率，因此输出TS码流的比特率覆盖了所用输入节目的具体情况，按需分配比特率，使有限的的比特率尽可能合理第在所有节目间动态分配，以达到压缩总比特率而尽量不影响节目质量的目的。所以输出TS码流中个节目占用的比特率是在动态变化的。传输流再复用器是有线数字电视前端设备中重要组成部分之一，根据需要有六路、八路、十二路等之分。他们的基本组成部分都是一样的,只是输入接口的数量不同.传输流复用器由若干个ASI输入接口先进先出移位寄存器（FIFO)、CPU及逻辑控制、通信接口和ASI输出接口组成。复用器的基本功能就是对每个码流进行检测：包括TS码流同步是否丢失,同步字节是否错误，TS码流是否连续，PATPMT表和PID值是否正确等。,同时从输入的MPEG-2TS码流中过滤出基本流ES，提取其SPI/SI。然后再将基本码流复用成符合MPEG-2标准的传输流TS，同时生成SPI/SI。复用时最主要的工作就是进行PSI信息的重构和PCR修正。由于来自卫星电视广播、数字通信干线、地面数字电视广播的数字节目服务信息表（SI）与DVB-C分配系统所需要的PSISI不同，所以必须更新PSISI的内容。来自不同节目源的节目经过取舍，重新组合、复用成新的TS码流后，其节目关联表(PAT)、节目构成表必须更新。而且不同节目源的TS流的包识别符PID之间可能会有冲突，因此新的TS流中的PID也需要重新定义。对于经过MPEG-2编码压缩的本地节目所形成的TS流，则需要进行SI编辑，使之具备完整的服务信息，以便终端机顶盒能正确接收。各传输流中的服务信息不仅与本身节目有关还与同一包中其他传输流（TS）有关。当某个传输流中的某个节目或该节目的SI变动时，与之有关的其他TS流中的SI也应做相应变动，以避免终端接收时出现混乱。,复用器逻辑框图如下:,3)QAM调制器复用器输出的TS码流在送入信道传输前必须将数字码流调制到适合信道传输的载波上或变换为适合信道传输的形式。为了提高频谱利用率，必须采用多进制的调制方法，这样在一个码元上可以传输多个比特，以降低码率和信道带宽。正交幅度调制就是常用的多进制调制方法，他采用幅度、相位联合调制的技术，利用载波的幅度和相位来传递信息比特。正交幅度调制也叫正交幅移键控，这种键控由2路数字基带信号对正交的俩个载波调制合成而得到。为了避免符号上的混淆，一般用m-QAM代表m电平正交调幅，用MQAM代表m状态正交调幅。通常有4电平正交幅移键控（4QAM或16QAM）、8电平正交幅移键控（8QAM或64QAM）。在日常应用中QAM调制器的命名一般用64QAM128QAM等。商用化的QAM调制器不只是QAM调制单元，还包括信道编码单元。,QAM调制是将输入调制器的TS码流中的每个字节转换成6位或8位一组的符号，接着将开始2位进行差分编码，再与剩余的4位或6位转换成QAM星座图中的点。经过QAM调至过的信号再进行D/A转换、带通滤波、上变频等处理，最后转换成射频（RF）信号输出。QAM调制器是由TS码流输入接口、扰码、信道编码（FEC)及填充选择、字符/符号转换及差分编码与映射、QAM调制与数字滤波、DAC、带通滤波、上变频器以及时钟、同步及控制系统等组成。其中输入接口将高速串行TS码流转换成可由QAM调制器进行处理的并行数据。扰码器用伪随机系列对TS码流进行扰码。信道编码包括Viterbi编码、Reed-Solomon编码和卷积交织等处理。,QAM调制的工作原理框图：,4)MPEG-2传输复用包的形成：系统复用就是将音频、视频和数据的基本码流组合成一个或多个适于存储、传输的码流。MPEG-2系统复用的结构:,由编码器视音频码流为基本码流（ES）；为了使接收端解码器能从码流中分离出视音频数据，ES流不能直接进入复用器，而需要经过打包器，即姜连续的传输数据按一定长度分段，构成特定长度的一个个单元包，再送至复用器，福永成TS流或PS流，PES为打包的基本流。,对于视频PES由编码的一帧图像组成，因此，PES包的大小不固定，音频的PES不超过64KB。PS流为节目流，PS为单节目使用。如制作DVD碟流等，由于PS流的包长不固定，一旦其中一个包的同步丢失，解码器难以确定先一个包的同步位置，易造成耀中的信息丢失，因此，PS只能用于较好的信道环境，典型用于光盘制作。TS流为传输流，一般在多节目状态下使用。主要用于多节目传输系统，TS包由固定的188B组成，TS流是数字电视传输中一个重要概念。输入信息，除了视频、音频信息还有数据信息，数据信息也称为业务信息。业务信息包含一些提供识别选择和控制作用的信息，以帮助解码器能自动设置进行解码、提供交互服务、建立电子节目指南（EPG）等，业务信息在MPEG中称为节目特定信息（SPI）。,由于TS流的重要性，我们详细了解一下TS流的结构；TS流由前后相接的TS包构成。TS包是由固定的188B组成，每个TS包都由包头部分和净荷部分构成。由于TS流中每个包的长度是固定的，解码器容易定位找出同步信息，所以失去同步不难恢复同步，因此，要使用MPEG的TS流进行传输。TS流结构图如下,首先通过节目复用器将同一个节目的各个基本码流（视频、音频和数据）复用在一起，组成单个节目的TS流。再通过系统传输复用器将各个节目的TS流复用在一起，组成多套节目的TS流然后传输到信道编码器。节目复用有共同的时间基准，而传输复用可以有各自独立的时间基准。在多节目复用的TS流中还包括了节目专用信息(SPI）,PMTPATEMM为MPEG的SPI信息包。,5)数字电视广播中的业务信息，在TS流中业务信息具有特殊的重要性，它对用户的使用起到指导作用，对系统运行起到管理控制作用。组成：由MPEG定义的节目特定信息(SPI）；由DVB定义的业务信息(SI)节目特定信息（SPI）内容：节目映射表（PMT）；包含了与单路节目复用器有关的控制信息，用于指出某一套节目所含的内容，即节目有那些流构成，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包都由自己独特的PID.,节目关联表（PAT）；包含了与多路节目复用有关的控制信息，用于指出TS流中包含那些节目，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值及其他相关参数。CAT所在TS包的PID=1网络信息表（NIT）；提供与多组传输流、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。NIT所在的TS包的PID=6.传输流描述表（TSDT）；提供传输流的一些参数。,DVB的业务信息（SI）内容除了在SPI中有定义的上述信息外，DVB还定义了一些其他SI。SI的主要目的有：根据选择自动利用NITPATPMT等信息进行频道调谐；选择节目和定位；实现电子节目指南（EPG)；作为API的接口；进行CA控制。DVB的SI主要有下列各表：节目群关联表（BAT）;节目群指一系列相关的节目（可以不在同一传输流中，甚至可以不用同一广播方式）的集合。BAT用来描述节目群的名称、服务组成等。BAT可以方便的进行相关节目或某一类节目的浏览和选择。BAT是形成EPG的重要信息来源。服务描述表（SDT）;用于描述系统中服务的名称、服务提供者、是否有相应的事件描述等。事件信息表（EIT);时间是业务信息中的专用名词,由一组有给定起始时间和结束时间,属于同一业务的集合.EIT包含事件或节目片段的有关数据,如名称、开始时间、持续时间、运行状态等。,运行状态表；提供某一事件运行或不运行的信息。此外，SI还有时间和日期表(TDT)、时间偏移表（TOT）、填充表（ST）等。SPI的信息基本上是与当前的码流相关，而SI可以包括不在当前码流中的一些服务信息和事件，允许用户进行更多的选择和了解跟多的服务内容。SPI的主要目的是在于接收端的有选择的解码；而SI的主要目的在于调谐、节目选择、实现电子节目指南（EPG0,SI提供除当前信息外的更多服务信息。描述符上述各表的内容不是用文字来说明的，而是通过描述符来说明的，描述符分为组件描述符、内容描述符、有限传输系统描述符、地面传输系统描述符等。例如;节目内容为少儿节目，可以用描述符05来表达。描述符有数百种，这些描述符可以分别插入到NITBATEITPMT等表中。,6)数据随机化和同步取反数据随机化；数据随机化的目的在于打破MPEG的TS流包中可能出现的长“1”或长“0”，如果TS流中出现长“1”或长“0”，将产生如下两方面的不利后果。信号在低频段频谱上有大的能量，不适应信道传输的特性，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高频端移动。长1或长0不利于比特时钟的提取，因为比特时钟的提取是利用传输码流中0与1之间的波形跳变实现的。实现随机化的方法是用一个伪随即信号（PRBS)发生器产生一个PRBS流，与输入数据进行逐个比特的异或（XOR）运算来实现。XOR运算即模2和运算，随机化不包括同步字节。,相关接口ASISPI介绍：异步串行接口（ASI）：ASI传输流可以有不同数据速率，但传输速率恒定，为270Mbps，因此ASI可以发送和接收不同速率的MPEG-2数据。ASI传输系统为分层结构。最高层、第2层使用MPEG-2标准ISO/IEC13818-（Systems），第0层和第1层是基于ISO/IEOCD14165-1的FC纤维信道。FC支持多种物理传输媒介。,同步并行接口（SPI):SPI一共有11位有用信号，每位信号差分成两个信号用来提高传输抗干扰性，在物理链接上用DB25传输，因此连线多且复杂，传输距离短，容易出现故障。但SPI是并行11位信号，处理简单且扩展性强，因此目前一般的MPEG-2视频编码器的输出和视频*的输入都是标准的并行11位信号。ASI用串行传输，只需一根同轴电缆线传输，连线简单，传输距离长。根据SPI和ASI的优缺点，需要传输信号的SPI和ASI的互相转换。,并行传输系统SPI包括一位时钟信号、8位数据信号、一位帧同步信号PSYNC和一位数据有效信号DVALID。帧同步信号对应TS包的同步字节047H，DVALID信号用来区分TS包的长度为188个字节或204个字节。当TS包长为188字节时，DVALID信号一直为高，同时所有信号都与时钟信号保持同步。,wx2009DTV实验系统简介,2009DTV系统硬件电路板主要由视频A/D(AnalogtoDigital，模拟到数字)转换、D/A(DigitaltoAnalog，数字到模拟)转换模块；音频A/D、