数字电视基础培训

1、D D i g i t a l V V i d e o NN e t w o r k s L t d .天柏数字电视基础培训产品市场部2007年1月4日Copyright 2000-2003 Digital Video Networks电视技术的发展历程n 50年代，首先黑白电视n 60年代末，彩色电视n 80年代，D2MAC尝试对传统模拟电视改变，但没有成功。n 日本和美国尝试HDTV传输，但最终也没有获得期望的成功。n 90年代初，在演播室中使用未压缩的CCIR601数字电视信号。（270Mbit/s800Mbit/s，信道传输必须压缩）黑白电视彩色电视数字电视电视的发展Copyright

2、 2000-2003 Digital Video Networks电视图像的彩色化n 1953年，美国国家电视制式委员会提出NTSC(National Television System Committee)制。n 日本、加拿大分别于1957、1966年采用同一制式播出。n 1956年，法国提出SECAM(SEquential CouleurAvecMemoire)制。n 1960年，德国提出PAL(Phase Alternation Line-by-Line)制。n 为便于转播和交换节目，各国曾多次讨论统一电视制式问题，但由于政治及经济等方面的原因，始终未能达成一致。于是，国际上便形成了3种

3、彩色电视制式同时并存的局面。 n 彩色电视机在哪国使用必须符合该国的黑白体制、彩色制式及频道划分，还要注意电源标准（有110伏/60赫与220伏/50赫之分），这样才能保证接收机安全可靠地接收到良好的彩色图像和伴音。n 目前世界上采用PAL制的国家最多。中国所采用的电视制式为PAL/D，国家标准为：每帧扫描625行，每秒25帧。 Copyright 2000-2003 Digital Video Networks高清晰度电视(HDTV)n “高清晰度”指与现行电视相比，其水平和垂直方向的图象分辨率都要求提高一倍以上，使用大屏幕显示器近距离观看时，图象细腻逼真，无闪烁和粗糙感，并配以数字环绕音响

4、伴音。n 采用16:9的宽高比作为世界标准。n 我国HDTV标准为19201080i，每帧图像有207万个像素。Copyright 2000-2003 Digital Video Networks高清晰度电视(HDTV)n 在HDTV的发展进程中，经历了一个由模拟向数字转化的过程。n 日本早在1985年就建立了1125线、每秒60帧的MUSE制式(全视频带宽30MHz)的HDTV。但日本人在把所有的精力放在努力去完善模拟电视的清晰度同时，却忽视了数字技术发展的大趋势。n IEEE的MPEG专家组制订的MPEG-2标准和先进的数字通信技术，使得带宽高达20MHz的HDTV信号可以在6MHz左右的

5、现行传输信道不失真地传送。n 美国的全数字高清晰度电视已达到实用化。n 1998年9月8日至12日，中央电视台利用我国研制成功第一套数字高清晰度电视系统试验发射了数字高清晰度电视节目，成为继美国、欧洲和日本之后世界上第四个拥有数字高清晰度电视地面广播传输系统的国家。Copyright 2000-2003 Digital Video Networks数字电视(DTV)n 数字电视(DTV)包括 标准清晰度数字电视(SDTV ，704576i或720480i，约500电视线，相当于DVD标准) 高清晰度数字电视(HDTV ，19201080i，约1000电视线) 均采用MPEG-2/1数字压缩技术

6、。n 标准清晰度电视的图像和伴音的质量都比目前模拟电视有所提高，并且其频道利用率高，在目前模拟电视的一个频道内可以同时播6套（或更多）标准清晰度节目。n 目前我国各省级电视台的通过卫星传送的电视节目均是采用MPEG-2数字压缩的标准清晰度数字电视(SDTV)节目。Copyright 2000-2003 Digital Video Networks数字电视的发展n MPEG： MPEG-1：1993年，1.5Mbit/s，VCD MPEG-2： SDTV，HDTV(也支持，最初是MPEG-3) 系统、视频、音频 270Mbit/s视频信号压缩到26Mbit/s 1.5Mbit/s音频信号压缩到1

7、00400kbit/s 压缩比如此大，可以在一路8MHz的模拟电视信道中传输多路节目n MPEG-4，MPEG-7，MPEG-21Copyright 2000-2003 Digital Video Networks数字电视的发展n 90年代初，欧洲的DVB(Digital Video Broadcasting)三种传输方法： DVB-S：卫星传输，1995年，QPSK调制，33MHz带宽，数据率38Mbit/s，一个信道最多可传输6，8，甚至10路节目。 DVB-C：同轴电缆，1995年，64QAM调制，8MHz带宽，数据率38Mbit/s， DVB-T：地面传输，1998年，数据率531Mb

8、it/s（实际使用2225Mbit/s）Copyright 2000-2003 Digital Video NetworksMPEG数据流n MPEG-2标准 ISO/IEC 13818-1 系统层 ISO/IEC 13818-2 视频编码层 ISO/IEC 13818-3 音频编码层n 系统层也可用于传送音视频以外的数据，如Internet数据。n 系统层描述MPEG数据流的整体结构，实际中具有重要意义。n 原始SDTV信号（ITU601）码率270Mbit/s；n CD质量的原始数字立体声音频信号码率为1.5Mbit/s。32/44.1/48kHz音频采样频率1520kHz BW1520k

9、Hz BWAD32/44.1/48kHz音频采样频率ADRightLeft16 bitUp to 768kbit/s16 bitUp to 768kbit/s1.5Mbit/sCopyright 2000-2003 Digital Video NetworksMPEG数据流n 视频信号压缩到1Mbit/s(MPEG-1)和26Mbit/s(MPEG-2)n 音频信号压缩到100400kbit/sn 压缩后的视音频信号称作ES(elementary stream)流，包括： 视频流 音频流 数据流任何类型的压缩或未压缩数据 var. length u p t o 6 4 kbytesPES pa

10、cketVideo PESAudio PESData PESPES headerCopyright 2000-2003 Digital Video NetworksMPEG数据流n 所有ES流首先被打包成不同长度的PES(packetized elementary streams)包，通常为64kbytes。 开头为6byte的PES头： 前3个byte是起始码前缀00 00 01，用于表明一个PES包的开始。 第4个byte是起始码标志，说明起始码种类，表明payload中是视频、音频还是数据流。 后两个byte是包长度，说明后面还有多少字节。如果长度为0，表示PES包大于64kbytes。

11、n 然后是可选PES头n 最后是实际传送ES流的净负荷数据(payload)PES headerOptionalPES header6 Byte HeaderMax.64kbyte payloadmax.64 kbyte 63 byte start code prefix 00 00 01Stream IDPES packetlengthCopyright 2000-2003 Digital Video Networks基本流PESn PES结构不适合传输，尤其不适合一个数据流中有多个节目的广播应用。n 而MPEG-2目标是将6,10甚至20个电视节目或广播节目形成一个复用MPEG-2数据流，

12、然后通过卫星、电缆或地面传输。n 因此，PES包再分成固定长度的更小的包，即TS包(transport stream packets)：188字节长 4个字节的TS头 184个字节的PES包数据PES headerPES headerPacketized elementary systemTransport streamPayloadunit startindicator=14 byteTS header184 bytepayloadPayloadUnit startIndicator=1Copyright 2000-2003 Digital Video NetworksPES复用n MPEG

13、-2的TS包长188字节，包含所有节目的所有数据。n 由于码率不同，MPEG-2 TS流中不同ES流的包出现频率不一样。n 每个节目有一个编码器对所有ES流编码，产生PES，并将PES包打包成TS包。n 每个节目的码率通常约28Mbit/s，但由于节目内容随时间变化，视/音频和数据总码率可以是固定或变化的，称为统计复用。n 所有节目的TS流再复用成一个总的TS流，最大约40Mbit/s。EncoderVideo 1EncoderEncoderVideo 2Video 3Audio 1Audio 2Audio 3Program 1Program 2Program 3MPEG-2 Multiple

14、xerCopyright 2000-2003 Digital Video NetworksTS报文纠错n DVB采用的误码保护是ReedSolomon纠错码n 调制器中TS包的188个字节后添加16个字节(DVB-S/C/T)或20个字节(ATSC)的误码保护。n 误码保护是特殊的校验和。n 接收端每个包可以纠正8/10个误码。n 如果某个包发生的误码超过8/10个，误码保护失败，误码不能纠正，这个包的传输差错标志就标记为错误，则解码器不能解码这个包，而要进行误码掩盖。4 byteheader184 bytepayload16 or 20 byte RS FEC204 or 208 byte1

15、88 byteCopyright 2000-2003 Digital Video NetworksTS报文与ATM报文之间映射n TS包的结构和长度与电话和LAN技术采用的异步转移模式ATM类似： ATM用于电话的远程网络和局域网的计算机网络中。 ATM也采用包结构，每个包53bytes，由5bytes的头和48bytes的payload组成。 MPEG-2初期考虑利用ATM传输，ATM包的payload中有一个特殊byte，实际payload只有47bytes，因此TS包的188bytes正好可以由4个ATM包传送。 实际也存在MPEG-2通过ATM传输。5 byteheader48 byt

16、epayload53 Bytes5 byte header1 byte spec. information188 byte MPEG-2 TS packet47 bytepayload47 bytepayload47 bytepayload47 bytepayload4 ATM cellsATM=Asynchronous Transfer ModeCopyright 2000-2003 Digital Video Networks接收端所需信息TS流同步流同步(同步字节同步字节)读取当前节目结构读取当前节目结构（PAT,PMT）读取一个节目读取一个节目(PID)节目同步节目同步(PCR,DTS

17、,PTS)读取一个加扰节目读取一个加扰节目(CAT)TS流附加信息流附加信息(SI/PSI/PSIP)Copyright 2000-2003 Digital Video NetworksA、TS流同步n MPEG-2解码器接收到MPEG-2 TS流时，首先检测包结构，在TS流中查找同步字节： 总是47hex，总位于TS包开始位置，固定间隔为188字节。 同时满足这两个条件，可以确定同步。 如果出现一个字节为47hex，解码器将检测这个字节前后n倍188字节的位置是否也是同步字节。 如果是，则当前字节为同步字节； 否则，当前字节只是码流中偶尔出现的47hex，不是同步字节。n 接收端收到5个TS

18、包之后开始同步。n 丢包3个之后解码器即失步。Copyright 2000-2003 Digital Video Networks接收端所需信息TS流同步流同步(同步字节同步字节)读取当前节目结构读取当前节目结构（PAT,PMT）读取一个节目读取一个节目(PID)节目同步节目同步(PCR,DTS,PTS)读取一个加扰节目读取一个加扰节目(CAT)TS流附加信息流附加信息(SI/PSI/PSIP)Copyright 2000-2003 Digital Video NetworksB、读取当前节目结构n TS流中传送节目的数目和结构灵活多变，TS流中必须包含列表来描述TS流的瞬时结构。n 这些列表

19、称为PSI(program specific information),是偶尔在payload中传输的表格，包括: PAT(program association table) PMT(program map tables)PID1PID2PID from PATTSheaderPayload of TS packetPointer to video ESPointer to audio ESPID1PID2PID3PID4.Payload of TS packetTSheaderPID=0 x00Pointer to PMT1Pointer to PMT2Pointer to PMT3Poi

20、nter toPMT4PAT=Program association table1 PID entry per programPMT=Program map table1 PID entry per elementary streamCopyright 2000-2003 Digital Video NetworksB、读取当前节目结构n PAT 每个TS流一个，每隔0.5秒重复。 描述TS流中有多少个节目。 包含该表的TS包的PID为0，便于识别。 PAT的payload中传送特殊PID的列表，每个PID对应一个节目。 这些PID是描述每个独立节目详细信息的指针。 PID指向PMT表。n P

21、MT 对应TS包有特殊的PID和特殊的payload。 PMT的PID由PAT传送。 例如要接收节目3时，先从PAT的payload中的所有PID列表中选出节目3的PID为1FF3hex，然后查找包头中PID= 1FF3hex的TS包，就是节目3的PMT。 PMT包含该节目中所有ES流（视频、音频或数据）的PID。n 一个节目可能有多个视频和音频流，解码器必须选择2个PID，一个视频流的PID（100hex），一个音频流的PID（200hex）。n 此后解码器只收集这些TS包，解复用，重新组成PES包，这些PES包再送到视频或音频解码器。Copyright 2000-2003 Digital

22、Video Networks接收端所需信息TS流同步流同步(同步字节同步字节)读取当前节目结构读取当前节目结构（PAT,PMT）读取一个节目读取一个节目(PID)节目同步节目同步(PCR,DTS,PTS)读取一个加扰节目读取一个加扰节目(CAT)TS流附加信息流附加信息(SI/PSI/PSIP)Copyright 2000-2003 Digital Video NetworksC、读取一个节目n PAT和PMT读出以后，用户确定出一个节目的两个PID： 待解码视频信号的PID（如100hex） 待解码音频信号的PID（如200hex）n 解码器只处理这两个PID的TS包： 解复用过程中，PID

23、为100hex的所有TS包集合成视频PES包，送到视频解码器。 同样，PID为200hex的所有TS包重新集合成音频PES包，送到音频解码器。 如果ES流没有加扰，这时可以直接解码。Video PID=0 x100Audio PID=0 x200MPEG-2 TSCopyright 2000-2003 Digital Video Networks接收端所需信息TS流同步流同步(同步字节同步字节)读取当前节目结构读取当前节目结构（PAT,PMT）读取一个节目读取一个节目(PID)节目同步节目同步(PCR,DTS,PTS)读取一个加扰节目读取一个加扰节目(CAT)TS流附加信息流附加信息(SI/P

24、SI/PSIP)Copyright 2000-2003 Digital Video NetworksD、读取一个加扰节目n 对付费电视或许可证和地域限制等情况，ES流利用电子码进行传输保护。 ES流利用各种方法进行加扰，接收端必须配有附加硬件并授权。 附加硬件必须有TS流中合适的解扰和授权数据。 因此TS流中传送一个特殊的表CAT(conditional access table)n CAT提供了TS流其他数据包的PID，该数据包传送了解扰所需信息： ECM(entitlement control message) EMM(entitlement management message)CAT(

25、PID=1)PIDPIDECMEntitlement control messagesEMM Entitlement Management messagesKey codesAllocation rightsCopyright 2000-2003 Digital Video NetworksD、读取一个加扰节目n 只有ES流本身可以加扰，TS包头、表格和adaptation field不能加扰。n 解扰本身在MPEG解码器以外的附加硬件设备进行，附加硬件与解扰方法相关。n 在MPEG解码器做进一步处理之前，TS流在该硬件设备中循环。n ECM和EMM的信息，以及用户的个人码可以将码流解扰。Co

26、mmon interfaceDescramblerSmart card(user data)Video decoderAudio decoderVideoAudiosssssDescrambled dataP s e u d o r a n d o m sequencyMPEG-2 TSDemultiplexerExorExorCopyright 2000-2003 Digital Video NetworksTS流同步流同步(同步字节同步字节)读取当前节目结构读取当前节目结构（PAT,PMT）读取一个节目读取一个节目(PID)节目同步节目同步(PCR,DTS,PTS)读取一个加扰节目读取一个

27、加扰节目(CAT)TS流附加信息流附加信息(SI/PSI/PSIP)接收端所需信息Copyright 2000-2003 Digital Video NetworksE、节目同步时钟同步n 实际解码时还需要另外的同步步骤： 接收端时钟和发送端时钟同步 视音频同步n 接收端时钟和发送端时钟同步 亮度信号采样频率13.5MHz，色度信号6.75MHz。27MHz是采样频率的倍数，作为发送端MPEG编码器所有处理过程的参考或基本频率。 编码器中27MHz振荡器作为系统时钟(STC)的输入。 STC是42bit计数器，由27MHz时钟计数，溢出后重新从0开始，大约每26.5小时计数器复位为0。 接收端

28、也必须提供STC，其27MHz振荡器和42bit计数器必须与编码器STC完全同步。 MPEG码流中需传送参考信息PCR(program clock reference)，即在固定时刻将最新的STC计数器值复制到TS流中。Copyright 2000-2003 Digital Video NetworksE、节目同步时钟同步n PCR使得码流中带有准确的内部时钟，所有编码和解码过程都受这个内部时钟控制。n 解码器必须读出PCR值，与自身系统时钟（42bit计数器）比较： 如果收到的PCR与解码器系统时钟一致，则收发端时钟同步； 如果不一致，则根据差别大小产生一个控制变量送到锁相环，可以纠正接收端

29、的振荡器。n 同时，42bit计数器总是设为收到的PCR值，这是系统初始化和节目改变时的基本要求。Copyright 2000-2003 Digital Video NetworksE、节目同步时钟同步n 码流中传送的PCR值必须足够多，有最大间隔的限制；而且要相对准确，没有抖动。MPEG标准规定： 每个节目PCR的最大间隔为40ms。 PCR的抖动小于500ns。n PCR如果出错： 本来应该显示彩色图像，却显示出黑白图像。 TS流重复用时会出现抖动，因为TS包顺序改变，但其中PCR信息却没变。经常会有最大30s的PCR抖动，该问题许多机顶盒可以解决。n PCR信息在相应节目TS包的adap

30、tation field中传送，而TS包类型的准确信息可以从PMT中获得。n 节目时钟同步以后，视音频编码就可以锁定系统时钟进行了。Copyright 2000-2003 Digital Video NetworksE、节目同步视音频同步n 视频和音频PES包头中需要有附加的时间信息。 该时间信息由STC获得。 STC的33位MSB(最高有效字符)被插入到视音频PES包头中，最大间隔为700ms，称为PTS(presentation time stamps) 由于编码规则限制，视频帧的传输顺序与显示顺序不同，视频流PES头需要另外的时间戳，即DTS(decoding time stamps)n

31、 机顶盒中的MPEG-2解码器就可以对一个节目的视音频码流进行解码，产生模拟或数字的视音频信号。Video PESaudio PESVideo PESPTS of video PESPES headerVideo lip sync to audioPTS of audio PESDTS of video PESPES headerCopyright 2000-2003 Digital Video Networks接收端所需信息TS流同步流同步(同步字节同步字节)读取当前节目结构读取当前节目结构（PAT,PMT）读取一个节目读取一个节目(PID)节目同步节目同步(PCR,DTS,PTS)读取一个

32、加扰节目读取一个加扰节目(CAT)TS流附加信息流附加信息(SI/PSI/PSIP)Copyright 2000-2003 Digital Video NetworksF、TS流附加信息n 欧洲DVB项目组和美国ATSC项目组都定义了数字视音频节目传输的附加信息，以便简化机顶盒操作，使其更加人性化： 在TS流中传送节目名称来分辨不同节目； 传送EPG(electronic program guides)和时间日期信息来简化相邻信道搜索。n MPEG-2为扩展留有空间，在PSI、PMT和CAT之外，TS流中还可以有private tables，定义了用户表的结构以及如何将用户表插入到TS流中。C

33、opyright 2000-2003 Digital Video NetworksF、TS流附加信息n DVB标准提出了许多附加表，称为SI (service information)，SI包括8个表：PAT program association tablePMT program map tableCAT conditional access tableNIT network information tablePrivate tablesProgram specific informationNIT network information tableSDT service descripto

34、r tableBAT bouquet association tableEIT event information tableRST running status tableTDT time&date tableTOT time offset tableST stuffing tableCopyright 2000-2003 Digital Video NetworksF、TS流附加信息-NITn NIT描述了一个DVB传输通道的所有物理参数，包括下列信息： 传输路径（卫星、电缆、地面） 接收频率 调制类型 误码保护 传输参数n 机顶盒在扫描或变换信道时，可以存储一个物理信道的所有参数，便于以后很快跳回该信道。n 信道中也可以传送相邻或其他信道的传输参数，使得信道转换灵活快捷。n 如果NIT中的传输参数与实际不符，会对许多接收设备，如机顶盒，产生不可预知的影响。n 如果NIT中的传输频率与实际接收频率不同，许多接收设备在没有任何原因提示的情况下，不产生任何图像和声音。Copyright 2000-2003 Digital Video NetworksF、TS流附加信息-SDT/BAT/EITn SDT包