数字电视唐明光教授

1、数字电视体系及有线数字电视传输技术 Oct.13, 2005内容安排 一、数字电视基本概念 二、数字电视系统组成及关键技术 三、数字电视标准 四、有线数字电视技术基础 五、信源编码技术-压缩编码技术 六、信道编码和调制 七、有线数字电视传输技术 八、条件接收（CA）系统 九、有线电视传输系统对数字电视信号质量的影响 十、机顶盒的应用要求 十一、数字电视参数的测量 1.什么是数字电视 数字电视是一个系统。它指一个从节目摄 制、制作、编辑、存储、发送、传输，到信号 接收、处理、显示等全过程完全数字化的电视 系统。一、数字电视基本概念2.数字电视实现的意义 数字电视系统将成为一个数字信号传输平台：整

2、个广播电视节目制作和传输质量显著改善 信道资源利用率大大提高 提供其他增值业务：数据广播，视频点播，电子商务，软件下载，电视购物， 为“三网融合”提供了技术上的可能性。 3. 数字电视分类 HDTV：图像分辨率19201080（16：9） SDTV：图像分辨率720756（PAL） 720480（NTSC） LDTV：VCD级图像分辨率4. 数字电视的优点 数字传输，信号质量高彩色逼真 可实现不同分辨率等级接收（HDTV， SDTV）可移动接收，无重影增加节目频道 应实现加解密和加解扰，便于展开CA业务 准交互和交互 其它增值业务二.数字电视系统组成及关键技术1、系统组成 从横向看：（硬件系统

3、） 节目制作 数字信号处理 传输 接收 显示 从纵向看：（软件系统） 物理层传输协议 中间件标准 信息表示 信息使 用 内容保护 节目制作设备：数字摄像机、数字录像机、数字特技机、数字编辑 机、数字字幕机、非线性编辑系统数字处理设备及技术：压缩编/解码设备及技术、数据加/解扰设备及技术、加/解密设备及技术信号传输：地面、有线、卫星接收设备：数字电视接收机（卫星、有线）显示：CRT、LCD、PDP、投影显示等2.关键技术1)信源编码技术 视频压缩编码 MPEG-2 音频压缩编码 MPEG-2 （欧洲、日本） AC-3 (美国) 我国标准： GB/T17975.2 2000 “信息技术运动图像及其

4、伴音信号的通用编码规范 第2部分：视频” GB/T17975.3 2000 “信息技术运动图像及其伴音信号的通用编码规范 第部分：音频”2) 传输复用技术 数据打包：N个信道的视频、音频和辅助数据进行数据分组 传输流复用：将N个打包的数据复合成单路串行传输流 标准：国际 MPEG-2 我国 GB/T17975.1 2000 “信息技术运动图像及其伴音信号通用编码 第1部分：系统” 传送复用使电视信号具有与数据通信相似的数据分组（打包）传输，从而 使数字电视系统具备了可扩展、分级和交互通信的基础。3)信道编码和调制 经信源编码的传输码流通常不适合在传输信道（无线、有 线、卫星）中传输，必须经过某

5、种处理，使之变成适合在 规定的信道中传输的形式。在通信原理中把这种处理称为 信道编码和调制。 信道编码包括：纠错编码、网格编码、均衡等。 信道编码目的：提高传输信号在信道中的抗干扰能力 标准：GY/T1702001 “有线数字电视广播系统信道编码与调制规范” 4) 有条件接收（CA）CA只允许已付费的授权用户使用某一业务，未经授权的用 户不能使用这一业务。CA涉及技术：前端的加密和加扰技术 接收端的对用户寻址控制和授权解扰技术标准：GY/Z175-2001 “数字电视广播条件接收系统规范”5) 软件平台中间件机顶盒中硬件功能：接收RF信号、信道解码、解调。MPEG-2码流解 码，模拟视/音频输

6、出。机顶盒中软件功能：电视节目内容显示、EPG节目信息、操作界面的实现等。中间件：是一种将应用程序与底层的实时操作系统及硬实现的技术细节隔离开来 的软件环境，支持跨硬件平台和跨操作系统的软件运行，使应用不依赖于特定的硬件平台和操作系统。中间件构成：Java虚拟机、Java Script 虚拟机、HTML虚拟机等。 三.数字电视标准1.国际：三大标准 DVB-S 欧洲：DVB （数字视频广播） DVB-T DVB-C 美国：ATSC （高级电视制式） 日本：ISDB （综合业务数字广播）2.中国：数字电视演播室参数标准 数字电视广播标准 四.有线数字电视技术基础 1.有线数字电视信号传输等级及传

7、输系统模式 1）传输等级 LDTV，SDTV，HDTV 2)传输系统模式 电缆传输PCM方式 光纤传输SDH方式 光纤 同轴混合传输HFC数字调制方式 2有线数字电视的主流标准与方式 1) 标准：DVB-C ATSC-16VSB，ATSC-64QAM ISDB-C 2)四种方式： DVB-C ATSC-64QAM ATSC-16VSB ISDB-C传送方式 16-64QAM 64QAM 16VSB 64QAM频带宽度 8MHz 6MHz 6MHz 6MHz传输速率 31.64Mb/s 41.34Mb/s 43.05Mb/s 30.31Mb/s接收滚降 13% 15% 11.5% 18%纠错率

8、RS(204,188) RS(128,122) RS(207,187) RS(204,188)压缩方式 MPEG-23数字电视信号的产生 直接产生：字幕机，数字摄像机等 转换生产：电影胶片电视电影机 模拟-数字（A/D转换）信号数字化1) 信号数字化过程 取样：取样频率，Nyquist定理 连续信号变换成离散信号 量化：将离散信号样值进行离散化处理 离散化的量化级 量化噪声 编码：量化后的信号仍然只是离散信号，还不是数字信号。用 n比特二进制码来表示已经量化了的取样值，称为编码。 每个二进制数对应一个量化电平，再按时序将它们排列 起来，就得到基带数字信息流。 传输速率：传输速率=取样频率fs量

9、化比特数2）音频信号的数字化 取样频率：40KHz。 常用11.025KHz，22.05KHz，44.1KHz，48KHz。 量化比特数：8bit，12bit，16bit。 声道：单声道，双声道（立体声） 取样频率量化比特数声道数 数字音存储量： （字节） 8bit例：CD标准取样频率44.1KHz，量化比特数16bit，立体声，存储 一分钟数字音乐的容量为10,584,000字节或84,672,000比特。3）视频信号的数字化 编码方式：复合编码将彩色全电视信息直接 编成PCM码 分量编码将亮度信号Y，色差信 号R- Y和B-Y分别编码 或PCM码 二者比较： “复合编码”与电视制式有关 “

10、分量编码”与电视制式无关 在节目后期制作中： “复合”需解码 “分量”无需解码 传输时：“复合”由于频分复用，产生亮，色串扰 “分量”采用时分复用，无亮，色串扰 分量编码取样频率 亮度信号取样频率：足够小的混叠噪声fs=（2.22.7）fm fm =5.8-6 MHz fs12.7613.2 MHz 满足行锁相采样 fs=mfH, m为整数 使525/652行兼容（525行/60场 625行/50场） 要采用同一取样频率 在13.2MHz附近，只有 13.5MHz=15625Hz864 (625/50) =15734.264 Hz858 (525/60) 亮度信号取样频率取样13.5MHz 色

11、差信号取样频率： 需要满足与亮度信号同样的三个要求 取为fS=6.75MHz 分量编码取样频率的组合，适应不同图像质量要求 Y：(B-Y)：（R-Y）：=13.5MHz： 13.5MHz：13.5MHz =4：4：4 Y：(B-Y)：（R-Y）：=13.5MHz：6.75MHz：6.75MHz =4：2：2 （ 演播室图像质量标准） Y：(B-Y)：（R-Y）：=13.5MHz：3.375MHz：3.375MHz =4：1：1（4：2：0） 4：4：4，4：2：2和4：2：0三种是可以相互兼容，相互转换的 由高档转为低档，样点数减少，称为数字信号的抽去；反之称为数字信号的内插。 4：4：4 4

12、：2：2 4：2：0 视频取样示例4 ： 2 ： 24 ：2 ：04 ： 4 ： 4 像素：在理想情况下可用“1份亮度+2份彩色差的样品”来描述： 表示1份亮度样品(Y) 重合的亮度、色度样品 表示2个色度样品(R-Y ，B-Y) 4为13.5MHz、2为6.75MHz 和1为3.75MHz的取样频率4）量化比特数和量化级 量化比特： Y，B-Y，R-Y都采用 8bit 均匀量化 未经较正的信号采用10bit均匀量化 量化级： 亮度信号 8bit ，256个量化级，0-255 为防止过载 上端留20级 下端留16级 量化级 16 表示黑电平 量化级235表示白电平 5）ITU-R601建议编码

13、主要参数（4：4：4格式） 参 数 625行50场/s制式 525行60场/s制式 1，编码信号 经过校正的信号EY，ER-EY，EB-EY或ER，EG，EB 2，各信号的全行样点数 864 858 3，取样结构 正交，按场，行，帧重复，并与此4：2：2标准的亮度样点重合 4，每种信号的取样频率 13.5MHz 5，编码方式 每样值至少8比特均匀量化PCM 6，用样点表示的数字 有效行长度 至少 720 7，视频信号电平每样值 共220量化级，黑电平对应于第16量化级； 8比特的最高有效位 峰值白电平相应于第235量化级 （MSB）量化级之间的 在量化等级中部共分224级，零电平对应128级

14、对应值（范围：0255） ITU-R601建议演播室分量编码主要参数(422格式) 参 数 625行50场/s制式 525行60场/s制式1、编码信号 Y、R-Y、B-Y2、全行样点数 亮度信号(Y) 864 858 每个色差信号(R-Y、B-Y) 432 429 3、取样结构 正交，场、行、帧重复，R-Y和B-Y的样点同位，并和每行第奇数个(1，3，5.) Y样点同位4、取样频率 亮度信号 13.5MHz 每个色差信号 6.75MHz5、编码方式线性PCM、8比特量化/每个取样值6、每数字有效行数样点数 亮度信号 720 每个色差信号 3607、视频信号电平与量化级间的对应值 亮度信号 每个

15、色差信号 共22个量化级，黑电平对应量化级16；峰值白电平对应量化级235 在量化等级中间部，共分224级，零电平对应于128级 数字电视信号的码率1）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 = 13.5MHz X 10bit = 135Mbps 2个色差信号的码率为 2 X 6.75MHz X 10bit = 135Mbps SDTV的总码率为 亮度信号码率 + 2个色差信号码率 = 135Mbps + 135Mbps = 270Mbps 2）高清晰度电视（HDTV）： 在SMPTE274M数字电视标准中

16、，采用10bit量化时， 亮度信号的码率为 取样频率 X 量化比特数 = 74.25MHz X 10bit = 742.5Mbps 2个色差信号的码率为 2 X 37.125MHz X 10bit = 742.5Mbps HDTV的总码率为 亮度信号码率 + 2个色差信号码率 = 742.5Mbps + 742.5Mbps = 1485Mbps数字电视信号的有效码率 有效码率（视频有效码率）： 1）标准清晰度数字电视信号的有效码率 是指在单位时间内与视频信号有关的数据量。因为在电视信号的水平和垂直消隐期间内没有视频信号，所以有效码率一般只是码率的60%-80%。 在ITU-R601标准中，8b

17、it量化时， NTSC（480/60i）亮度信号的有效码率为： 每行的取样点数 X 有效扫描行数 X 量化比特数 X 帧频 = 720 X 480 X 8 X 30 = 82.944 Mbps 2个色差信号的有效码率为： 2 X 360 X 480 X 8 X30 = 82.944 Mbps 总有效码率为： 亮度信号有效码率 + 2个色差信号有效码率 = 82.944 Mbps + 82.944 Mbps = 165.888 Mbps（480/60i） PAL（576/50i）亮度信号的有效码率为： 每行的取样点数 X 有效扫描行数 X 量化比特数 X 帧频 = 720 X 576 X 8 X

18、 25 = 82.944 Mbps 2个色差信号的有效码率为： 2 X 360 X 576 X 8 X25 = 82.944 Mbps 总有效码率为： 亮度信号有效码率 + 2个色差信号有效码率 = 82.944 Mbps + 82.944 Mbps = 165.888 Mbps（576/50i） 2）高清晰度数字电视信号的有效码率 在SMPTE274M数字电视标准中，采用8bits量化时1080/60i信 号格式量度信号的有效码率为 每行的取样点数X有效扫描行数X量化比特数X帧频 =1920X1080X8X30=497.664Mbps 2个色差信号的有效码率为 2X960X1080X8X30

19、=497.664Mbps 总有效码率为 2X497.664=995.328Mbps（1080/60i） 1080/50i信号格式的有效码率为 1920X1080X8X25X2=829.44Mbps（1080/50i） 数字电视技术中电视系统的表示方法示例1080/60i：1080表示每帧有效扫描行数， 60表示帧频或场频， i表示隔行扫描。 720/50P： 720表示每帧有效扫描行数， 50表示帧频或场频， P表示逐行扫描。 NTSC制可表示为：480/60i PAL制可表示为：576/50i 1080/60i还可表示为：1080/60/2 ：1 720/50P还可表示为：720/50/1

20、：1 1080/60i还可表示为：108060i 720/50P还可表示为：72050P五.信源编码技术压缩编码技术1数字视频压缩的必要性 HDTV 1920 1080 显示格式 数字化后传输速率 995 Mb/S SDTV 复合编码 135 Mb/S 分量编码 4：2：2 216 Mb/S 存储 ： 2小时HDTV，存储量 7164 Gbit/S 2小时SDTV，存储量 972 Gbit/S 复合编码 1555 Gbit/S 分量编码 传输： HDTV 需 1Gb/S 信道 SDTV 需 12个 155 Mb/S 信道 无论对于存储或传输，码率压缩都是绝对必要的。 2压缩编码方法 1) 利用

21、图象时间的相关性与时间冗余度的压缩 电视图象中相继各帧对应象素点的值往往相近或相同，具有时间相关性，找出这些相关性就可以减小信息量，从而实现与时间有关的压缩。 2) 利用图象空间的相关性与空间冗余度的压缩 一幅图象相邻各点的取值往往相近或相同，具有空间相关性，找出这些相关性就可以减少信息量，从而实现与空间有关的压缩。 3)利用事件的统计特性与统计冗余度的压缩 对经常出现的数据用短码组表，对不经常 出现的数据用长码组表示，则最终用于表示这一串数据的总码位就减少了。从而实现与统计冗余有关的压缩。4)利用人眼的视觉特性与视觉冗余度的压缩 人眼的视觉特性：对亮度信号比对色度信号敏感 对低频信号比对高频

22、信号敏感 对静止图象比对运动图象敏感 对图象中水平和垂直线条比对斜线条敏感 包含在色度信号、图象高频信号和运动图象中的一些数据并不能对增加图象相对于人眼清晰度作出贡献，而被认为是多余的数据，这就是视觉冗余度。压缩视觉冗余度就是去掉那些相对人眼而言是看不到的或可有可无的图象数据。 3基本的图象压缩编码技术 1) 分类 冗余度压缩技术，无损伤压缩技术，无失真，数学上可逆。即它是可还原的。 信息量压缩技术，有损伤压缩技术，有失真，数学上不可逆。即它是不可还原的。2) 图象压缩技术优劣评估条件 信息压缩比：压缩前后所需的信息存储量之比 重现图象精度：重现的图象与原图象相比有多大失真 执行速度：压缩算法

23、要多少时间完成 压缩比增大，图象损伤程度也随之加大。 电视节目制作：压缩比2：1至8：1 Sony数字Betacam 录象机 2.37：1 模拟分量录象机Betacam SP 8：1 VCD母盘，压缩比12：1 采用帧内压缩方式，JPEG标准。 电视广播： 压缩比15：120：1 采用帧间预测编码，MPEG 2 标准 有线数字电视压缩比可加大至30：1， MPEG 2 标准3)基本压缩编码方法 预测编码（DPCM）差分脉冲编码调制 DPCM不直接传送图象样值本身，而是对实际样值与它的一个预测值之间的差值进行再次量化、编码。 这种方法可消除图象信号的空间相关冗余帧内预测）和时间相关冗余（帧间预测

24、）。利用象素的相关性还可进一步减小差值。 离散余弦变换（DCT） DCT(Discrete Cosine Transform)是数码率压缩的一种常用的变换编码方法。DCT是先将整体图像分成NN 像素块，然后对NN 像素块逐一进行DCT变换。由于多数图像高频分量较少，相应图像高频分量的系数经常为零，加之人眼对高频成分的失真不太敏感，所以可用更粗的量化。因此传送变换系数的数码率，要大大小于传送像素所用的数码率。到达接收端后通过反离散余弦变换回到样值。虽有失真，但人眼是可以接受的。 游程长度编码（Runlength Encoding） 是指一个码可同时表示码的值和前面有几个零。在用之字形读出方式情况

25、下，出现连零的机会较多，尤其在最后，如果都是零，在读到最后一个数后只要给出“块结束”（EOB）码，就可以结束输出，从而节省很多码率。 通常，DCT系数量化之后，都采用之字形方式读出。 霍夫曼（Hoffman）编码 霍夫曼(Hoffman)编码(属于统计编码)是可变字长编码(VLC: Variable-Length Coding)的一种，相当于对概率大的符号给短码，对概率小的符号给长码。 4视频压缩编解码标准1）H.261标准 1980年CCITT通过为国际标准 用于可视电话，P 64Kb/S， P=130可变，（64 1920)Kb/S 用于会议电视，P36 H.261(又称P64)是最早的一

26、个码率压缩标准。 2）JPEG标准 1986年提出，1992年公布为国际标准。 属帧内压缩编码方法，主要用于数字电视编录设备（如非线性编辑系统）。 压缩比：32 5.3 接近原始图象质量 5.311 图象很好,满足绝大多数应用 1116 图象好,满足多数应用 1532 图象较好,满足某些应用3）MPEG 1 标准 1988年提出，1992年公布为国际标准 典型应用如VCD等家用数字音象产品。最高编码速 率1.8 Mb/S 实现方法：DCT、运动补偿和霍夫曼编码 信源输入格式为SIF（Source Inpnt Format），如为 CCIR 601 格式的信源要转换成SIF格式才能输入 MPEG

27、 1 编码器。 4）MPEG 2 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。 MPEG是运动图像专家组(Moving Pictures Expert Group)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。MPEG-2的主级和主类提供720576(PAL)25帧的ITUR 601建议图像质量。在压缩比为301或更小时，MPEG-2可以提供广播质量的编码图像，MPEG-2也可工作在大压缩比如2001下，效果与MPEG1相差不大（即与MPEG-1兼容）。 a） MPEG 2 是一个系统，它的作用是： 对音频、视频、

28、数据、控制等基本比特流实现复用 提供各种定时及初始化 经解码器提供PSI（节目特定信息） 支持有条件接收（CA），随机接入，数字存储和纠错b）MPEG-2系统输出两个数码流： 节目比特流PS，用于相对无误差的环境 传输比特流TS，用于有噪声媒质 d）MPEG-2的类与级 1、MPEG-2有4种输入格式，称为级(Levels或等级)。从有限清晰度的VHS(家用录像系统)质量图像直到HDTV图像，每一种输入格式编码后都有一个相应的范围。 除了在源格式提供这种灵活性之外，MPEG-2还有不同的处理方法，称为类(profiles或层面)，每一类都包括压缩和使用方法的一个集合。不同的类意味着使用不同集合

29、的码率压缩工具。 2、MPEG2共分类，较高的类编码更精细，而且每升高一类将提供前一类没有使用的附加工具。 甲）简单类(SP) 乙）主类(MP) 丙）信噪比可分级类SNRP 丁）空间可分级类SSP 戊）高级类(HP) 己）：格式 在主类上的类是信噪比可分级类(SNRP)、空间可分级类(SSP)、高级类和4:2:2格式。这允许将编码的视频数据分为基本层和另一个或更多的上层信号。基本层表示编码图像的基本数据但代表的图像质量较低。上层信号则可用来改进信噪比或清晰度。 e）图像的4个级别： 甲）低级(LL：Low Level)的输入格式的像素是ITU-R 601格式的1/4，即35224030或352

30、28825，相应编码最大输出码率为4M b/s。 乙）主级(ML：Main level)：输入格式完全符合ITU-R Rec.601格式，72048030或72057625，输出最大码率除高级类和4:2:2外是15Mb/s，高级类主级是20Mb/s，4:2:2 是50Mb/s。 丙）高1440级(H14L：High1440 Level)：是每行1440有效像素的高清晰度格式。除高级类 外，最大输出码率为60Mb/s，相应的高级类输出码率为80Mb/s。 丁）高级(HL)：输入是每行1920有效像素的高清晰度格式，输出最大码率为80Mb/s，相应的高类输出码率为100Mb/s。 f）MPEG-2

31、的类和级的组合如下图(常用缩写表示如MPML主类主级、MP HL主类高级等)。MPLL 352 288 30Hz 4Mb/s，4Mb级 (Levels)高级(HIGH)1440高级(HIGH-1440)MPHL 19201152 60Hz 80Mb/s，128MbMPH14L 14401152 60Hz 60Mb/s，64MbSSP H14L 14401152 60Hz 60Mb/s，128MbHPH1 14401152 60Hz 80Mb/s，128MbHPHL 19201152 60Hz 100Mb/s，256MbHPM 352 288 30Hz 20Mb/s，32Mb SPM L 720

32、 x 576 15Mb/s，8MbMPML 720 576 30Hz 15Mb/s，16MbSNRPLL 352 288 30Hz 4Mb/s，8MbSNRP MM 720 576 30Hz 15Mb/s，30Mb主级(MAIN)低级(LOW) MPEG-2的类和级简单类信噪比可分级类主类(MAIN)高类(MAIN)(SIMPLE)（SNRSCL)空间可分级类（SPA）类(Profiles)专业类(4: 2: 2) 720 608 30Hz 50Mb/s,16Mb 在24个所选组合中有12个是获准通过的。图中显示了每种组合的最大分辨率(水平垂直)、最大帧速、最高码速和解码器必须的缓存容量。 最

33、广泛采用的类和级是MPML和SPML。 4:2:2是对主类的修改，它用4:2:2色度格式代替了MPEG-2标准中其它类所共用的4:2:0格式。由于色差数据量增加，故规定了比主类更高的数据率。4:2:2主要用于演播室设备，故又称演播室类或专业类。 MPEG-2的色度格式除专业类外，都是4:2:0(或4:1:1)，图像类型(除简单类为I、P外)都是I、P、B。在所有MPEG-2实际实现中应指明所选用的组合，由于MPML最普及，通常说MPEG-2，就意味着MPML。g）系统结构及基本码流结构 甲） MPEG-2标准的系统部分： 它涉及将一个或多个图像、声音和其它数据的基本码流组合成单一或多个码流，使

34、之便于存贮和传输。 定义了一套系统指标是为了把视频、音频压缩过程结合在一起而设置的。 系统层中的信息流通方式如下： 首先，数据从视频、音频编码器而来，称为基本码流(ES)， 然后，ES被分别打包，形成两个打包的基本码流(PES)， 再后，PES被复接成一个节目码流(PS)和一个传输码流(TS)， 附图给出了MPEG-2系统的简化总体结构。 两种比特流的区别： 节目码流（PS）用于误码比较小的传输或存贮媒介，节目码流可以是固定码率也可以是可变码率，其数值在系统时钟参考(SCR)中定义，为本地应用相对于无误码的环境设计； 传输码流（TS）用于误码比较大的传输或存贮媒介，其码率可以是固定的或不固定的

35、，其数值在节目时钟参考(PCR)中定义。它是为广播应用而设计，即TS是为易误码的环境和有较高比特差错概率的噪声媒质设计的，那里往往需要把几个信道集合成一束数据。TS用在广播系统和长距离网络中。在TS中可以包括多个节目。因此接收TS时首先要解复用。 PS和TS是各针对一类应用而设计的。都以数据包为基础。PS的包长可变，通常较长；TS的包长固定为188字节，包头4个字节，184个净荷字节。并可与ATM适配。 MPEG-2系统简化结构视频PES音频PES系统规定的扩展PS复用TS复用节目 码流PS传送 码流TS打 包 器打 包 器视频 编码视频 数据音频 数据音频 编码视频ES音频ES MPEG-2

36、的同步 MPEG算法提供一定的定时方法，保证视音频的同步。 MPEG-1为解码器制定了两个时钟：系统时钟基准（SCR） 显示时间标记（PTS） MPEG-2为解码器制定了三个时钟：系统时钟基准（SCR） 显示时间标记（PTS） 节目时钟基准（PCR） 系统时钟基准（SCR）： 90KHz，即一天24小时中产生7.8x10E9个时钟。 为保持SCR对视音频的一致性， MPEG视频及音频编码器至少每0.7s（最小值）将SCR插入到MPEG的码流中。 在接收端的系统解码器中SCR被提取出来，再分别送到视频、音频解码器中。视频及音频解码器使用由系统解码器送来的SCR值刷新它们的内部时钟。从而与发送端的

37、编码器同步。 显示时间标记（PTS）： 是与视频及音频显示单元有关的编码器系统时钟的样本，显示单元是一个解码的视频或音频时间序列。 PTS代表了视频图像被显示的时间或音频时间序列的起始回放时间。 编码器至少每0.7s（最小值）将SCR插入一个PTS到MPEG码流中。 PTS用于通知解码器何时显示一个已解码的图像帧，由于一个PES包对应一帧图像，因此每个PES包中均应设定与该图像帧对应的PTS值。 节目时钟基准（PCR）： 仅应用在MPEG-2中。 PCR用在传送码流（TS）中（如像SCR被用在MPEG-1的系统码流中一样），由于每个节目均有其本身的时钟基准，故包含多个节目的传送码流（TS），对

38、每个节目各有其本身的PCR域值。MPEG-2编/解码器接口 MPEG-2数据信号的三种接口：同步并行接口（SPI） 同步串行接口（SSI） 异步串行接口（ASI） 三种接口连接的设备：QPSK解调器、QAM调制器、复用器、解复用器、电信网络适配器。 三种接口采用的传送包结构：204/188 同步并行接口（SPI） 应用：用于数据速率可变的并行传输系统，主要用于设备较多的环境。 同步：数据传输通过MPEG-2传输流中的字节时钟来同步。 传输链路：传输输送链路采用LVDS（低压差分驱动）、25针D型超小型连接器。 信号格式：SPI信号是将时钟、数据和同步信号并行传输，即8个数据位、1个MPEG-2

39、包同步（PSYNC）信号、1个数据有效（DVALID）信号，一共10bits一起并行传输。所有信号均与时钟信号同步，且以非归零码（NRZ）形式编码。 时钟信号频率 fp = fu/8（包长为188字节）； fp =（204/188） fu / 8 fp （包长为204节）。 fu对应于MPEG-2传送层的有用比特率Ru ，时钟信号频率 fp=13.5MHz。 异步串行接口（ASI）： 应用：ASI仅用于点对点链路。 ASI协议结构：三层结构， 第0层为物理层：规定传输媒介、驱动器、接收器、传输速率。 物理接口有LED驱动的多模光纤和同轴电缆两种。 光纤连接器符合IEC874-14的SC型连接器

40、， 同轴电缆连接器为BNC型。 基本传输速率定义为270Mb/s（传输信道速率）。 第1层为数据编码层：规定串行编码规则、专用字符及差错控制。编码采用8B/10B传输码；差错校验由无效传输码点和“游程”不等性来实现；专用字符定义为编码数据字节未用的附加码点。 第2层为MPEG-2层：定义传送包同步、传送包格式、传送包定时。由MPEG-2标准规定。 同步串行接口（SSI）： 同步串行是指以不同速率的串行输出方式，其传输速率与数据速率相等。 应用：几条链路级联的多级传输链路。 SSI协议结构：三层结构， 第0层为物理层：规定传输媒介、驱动器、接收器。 第1层为数据编码层：规定与传输媒介无关的编码处

41、理，保证全透明地进行串行或解串行处理。 第2层为传送协议层：符合MPEG-2标准。 HD-SDI高清晰度串行数字分量接口: HDTV使用符合SMPTE292M标准的串行数字分量接口传输数字分量电视信号及其内嵌的多路数字音频信号,其取样频率为国为74.25MHz,量化电平10bits,码率为1485Mbps。使用75BNC连接器和75同轴电缆，用8281电缆时最大传输距离100米。 5）MPEG 4标准 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。 6) H.264 1999年

42、开始制定，预计2004年年底前发布 采用H.264标准的产品2005年将大批面市 H.264建立在块匹配混合编码基础上，采取一系列高效压缩编码技术的开放式标准 新标准 H.264在H.263与MPEG-4基础上的性能提升，必将对视频移动通信，视频流服务，HDTV等领域的IP视频传输和存储产生极其深远的影响 在相同的PSNR下，平均码流H.264比MPEG-4降低41%，比H.263降低52%，比MPEG-2降低67%（一套SDTV/6Mbps降低为1.98Mbps)5音频压缩标准 1) MUSICAM标准 2) AC 3 标准 3) MPEG 1 音频编码标准 MPEG 1 算法的第层，即MU

43、SICAM标准，我国采用。 1、MUSICAM编码 MUSICAM编码的全称叫做“掩蔽型自适应通用子频带集成编码与复用”。 编码器的输入信号是每声道为768kbit/s的PCM数字化声音信号， 用濾波器组分割成等宽的32个子带（当取样频率为48KHz时，子带宽度为750Hz）， 将子带信号进行建立在听觉特性基础上的自适应量化，即可完成人耳察觉不到量化噪声的高质量声音编码， 再经数据压缩成压缩编码的数字音频信号。 解码器先将数入的压缩编码的数字音频信号解压缩，然后经合成濾波器将32个子带取样合成为32个音频取样，形成PCM样值。 MUSICAM编解码器原理框图如下： 2，MPEG-1音频编码 M

44、PEG-1标准中的ISO/IEC11172-3是1993年公布的音频压缩编码国际标准。我国现有的卫星和有线标清数字电视系统的音频压缩编码标准采用MPEG-1第层即MUSICAM。 MPEG-1音频压缩编码器输入双声道（L、R）PCM数字音频信号， 用濾波器阵分割成等宽的32个相同大小的子带，每个子带的量化和比特分配用心理声学模型确定，该模型符合人类听觉的掩蔽特性。 量化后的取样值与比特因子和其它编码信息合成为所谓的“帧结构”，由此生成压缩数据流。 MPEG-1音频编码器原理框图如下： MPEG-1算法由层、层、层三种算法构成，其共同点是算法都建立在32个子带编码的基础之上，层与层的最大不同是帧

45、长度，层汇集384个取样加以处理，而层汇集3倍于此的1152个取样加以处理。层使用较低的比特率，采用较长的帧长度，通道数为2，取样频率是32KHz、44.1KHz、48KHz中的任意一个。 层 号 每声道数码率 192Kb/s 128Kb/s 64Kb/s 压缩比 1：3.6 1:5.6 1:11 濾波器 子频带编码 子频带编码 子频带编码+变换编码 频谱分辨率 32个子带 32个子带 32个子带、18条子带 特 征 基本算法 最佳编码 濾波器组和熵编码的 联合应用 应 用 VCD DAB，DVB-C、S 通过ISDN传送声音 计算机多媒体 广播节目 六.信道编码和调制 1信道编码 为什么要进

46、行信道编码？ 信源编码的码流不适合在信道中传输，必须经过某些处理，使之适合在信道中传输，这称为信道编码。否则，信道中噪声和失真的影响将导致接收信号质量劣化。 信道编码技术 有线数字电视信号的信道编码使用: 基于RS码编码的前向纠错（FEC）技术，为克服信道中的突发干扰造成的误码还采用了字节交织技术。 a.能量扩散频谱成形随机化 码流随机化处理 b.RS编码 码流中加入冗余纠错码，形成误码保护数据包(204,188)。 c.卷积交织 交织深度I=12，形成相互交迭的误码保护数据包，以抵 抗信道中突发的干扰。 MPEG 2传输码流结构 MPEG 2帧结构字节到符号的映射 经信道编码后的MPEG 2

47、帧仍然是二进制码流，对于QAM调制，要将二进制码流映射成符号，即进行3bit/8电平变换。2.数字载波调制技术 1) 数字载波调制的基本类型 数字载波调制技术是在HFC网中所涉及的把二进制数字/数据基带信号调制到载波上的技术。 数字载波调制技术基本类型有: ASK(幅移键控)、 FSK(频移键控)、 PSK(相移键控)、 Q-PSK(4PSK，正交相移键控)、 QAM(正交幅度调制). ASK、FSK的图解分述于后。 幅移键控(ASK)，不同幅度代表“1”和“0”，频率、相位不变。 频移键控(FSK)，不同频率代表“1”和“0”，振幅、相位不变。 AS（幅移键控）原理BW =(1+d)Nbau

48、d BW 是带宽 Nbaud是波特率 d 是与线路有关的因子11100时间时间 FS频移键控原理时间11100 AS所需带宽fc（fc+N baud /2）（fcN baud /2）N baud振幅频率 2) 多进制的各种组合调制 数字信号是由“0”、“1”的编码信号组成的，当传输频带受到限制时,为了增加信息量，通常采用多相位、多振幅和多频率的各种组合调制。 只变一个参数的如: 多进制相移键控; 多进制幅移键控; 多进制频移键控. 两个参数以各种组合的方式变化的组合调制如: 正交振幅调制QAM， 残留边带调幅VSB等. 以多进制相移键控为例: 它是以载波的不同相位代表二进制码，而载波的振幅、频

49、率不变。它的载波相位可以有M个不同的取值。例如M=2、4、8，其余可类推。 2 相位PSK(2PSK): 二进制数字“0”和“1”由两个相位来代表，相对对于某个参考值，载波电位超前90代表“1”，迟后90代表“0”。 4相位PSK(4PSK)和8相位PSK(8PSK)，它们的比特数和各相位间的关系示于后图中。 2PSK原理01100(a) 波形 “0” “1”(b) 星坐图 4PSK星痤图00111001双比特 00 01 10 11 相位 / 0 90 180 270 或 45 135 125 3158PSK星痤图三比特 000 001 010 011 100 101 110 111 相位

50、/ 0 45 90 135 180 225 270 315 1100001000101010110011113) 正交相移键控 在CATV中，常用正交相移键控(Q-PSK)、正交振幅调制(QAM)和残留边带调幅(VSB-AM)等数字载波调制，这些都属于多进制组合调制方式， 载波调制的基本模型中，大都只改变载波三个参数中的一个，如果把ASK与PSK结合起来同时改变两个参数，每个又各有x和y 种变化，总共有xy 种可能变化和对每种变化的比特数。 正交的两个载波之和可以表示为: Si(t)=aicos(ct +Qi)+bisin(ct+Qi) (-T/2tT/2) (1) 若相应的 Qi= 0，/2

51、， (ai bi)=(1，0)，(0，1)，(-1，0)，(0，-1)； 对于 Qi = /4，3/4 (21/2ai 21/2bi)=(1，1)，(-1，1)，(-1，-1)，(1，-1)； 用ai bi二维平面上的点来表示上述两种情况，即得起始相位不同的两种QPSK调制.如下图 QPSK是正交振幅调制QAM最简单的一种。 粗略地讲，QPSK在一个周期内 可传两比特数据，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。01Q轴I轴001011同向轴正交轴 QPSK(4QAM)星坐图1(1振幅4相位图) QPSK(4QAM)

52、星坐图2(1振幅4相位图)1101I轴 同向轴0010=45=135=225=315Q轴 正交轴 4) 8QAM星座图和编码信号时域图 2振幅4相位的8QAM星座和时域图举例。由于振幅变化比相位变化更容易受噪声影响，因而振幅变化的数量都小于相位变化的数量。2 振幅 4 相位001000110101100010011111 8-QAM星座图举例8-QAM时域图 5) 多值正交幅度调制(MQAM) QAM称为正交幅度调制或正交幅移键控QASK。在式(1)中的ai、bi只取两个值时是QPSK， ai、bi本身取不同的值，所作的处理就是正交振幅调制(QAM).当它们不再取两个值而分别取2、4、6、8个

53、值时，就分别对应8QAM、16QAM、32QAM、64QAM,称为多值QAM调制方式。 调制等级 M = 2m (m是每个符号的比特数)； (2) 比特率 R =BW (BW 为频道带宽)； (3) 符号率 BS = BW/(1+)； (4) 比特率 R = BS(1+) 为MPEG-2的滤波器滚降系数(=0.15) ； 频谱利用率 频率 = R（传输比特率）/ BW（频道带宽） = (b/s/Hz)； (5) 载噪比C/N与m有关。 后面给出16QAM振幅相位坐标图(即星坐图),它是取不同振幅和相位组合而得到的不同形式的16QAM的结构。也给出了32QAM振幅相位坐标图，64QAM振幅相位坐

54、标图，图256QAM振幅相位坐标图。（b）16QAM振幅相位坐标图 (16种符号，每个符号4比特，例1001)16QAM的结构图（c）16QAM振幅相位坐标图(16种符号，每个符号4比特，例1001)4个振幅 8个相位Q轴I轴2个振幅 8个相位I轴Q轴 Q轴I轴3个振幅 12个相位（a）16QAM振幅相位坐标图(16种符号，每个符号4比特，例1001)I轴Q轴 32QAM振幅相位坐标图32种符号，每个符号5比特，例0110164种符号，每个符号6比特， 例011011 64QAM振幅相位坐标图M=2 6= 64M=25=32M=24 =16M=22 =4 256QAM振幅相位坐标图M=28=

55、256 6）64QAM和256QAM调制 由QAM调制器实现，通常QAM调制器功能包括： 码流随机化处理 RS编码（204，188） 卷积交织 字节到m位符号变换 QAM调制 上变频至设定频道 7）M-QAM调制各参数间的关系： 1）比特率与波特率 编码方式 每符号比特数 波特率 比特率 16QAM 4bits N 4N 32QAM 5bits N 5N 64QAM 6bits N 6N 128QAM 7bits N 7N 256QAM 8bits N 8N 2）卫星数字电视29.65MHz带宽模拟频道可传送的码率 信道编码 CNR门限/dB 传输速率/(Mb/s) 频谱利用率/(bit/s/

56、Hz) QPSK 14.5 45 1.5 8PSK 18 71 2.4 16QAM 22 89 3.0 64QAM 28 140 4.6 128QAM 31 160 5.4 256QAM 34 180 6.1 3) 有线数字电视8MHz带宽模拟频道可传输的码率 信道编码 CNR门限/dB 传输速率/(Mb/s) 频谱利用率/(bit/s/Hz) 64QAM 25.5 38.4 4.8 128QAM 29.5 43 5.4 256QAM 33.5 49 6.1 4) 在8MHz带宽内可压缩的数字电视节目数 视频压缩标准 MPEG-2 MPEG-1 压缩码率(Mb/s) 8 6 5 4 3 2 6

57、4QAM最多节目数 4 6 7 8 12 18 128QAM最多节目数 5 7 8 10 14 22 256QAM最多节目数 6 8 9 12 16 24 8）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工程标准来描述： 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。 对有线电视经营者来讲，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。 (a)频谱利用率：指每秒每赫芝传送比特数。频谱利用率由比特率(每个符号比

58、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 =Log2 M（bit） （6） 其频谱利用率为 q(b/s)/Hz （7） 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。 (b)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=110-9是指产生一

59、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。 从星座图(可在矢量示波器上显示出来)可以直接看到这种关系。如图所示的QPSK数据星座图。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，可理解为判定电路产生的误判，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)。QPSK传输的实际状态图(a)(b) 性能比较 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

60、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。 误码率BER定义：信号的每比特能量Eb /噪声谱密度N0(N0为1Hz带宽内的噪声功率)=Eb/N0 。一旦Eb/N0已知，达到一定BER所需载噪比(C/N)就可由下式得到： C/N =(Eb /N0 )(R/B) (8) 式中，B 是检波器中滤波器的噪声带宽，R 是比特率(b/s)。 几种不同调制方式对于给定误码率所要求的C/N可用一组瀑布曲线表示。0 5 10 15 20