数字电视基础知识

数字电视基础知识陈柏年CATV机线员大赛培训之92014年12月北京所应掌握的相关概念（1）数字电视的概念、编码、行业标准和技术要求，（2）DVB-C系统结构，（3）电子节目指南（EPG），（4）有条件接收系统（CAS），（5）用户管理系统（SMS），（6）有线数字电视机顶盒的结构与原理。模拟电视数字电视信号描述用模拟信号传输用数字信号传输信源编码信号量不大，无需压缩数码率高，必须压缩复用视、音频信号分别传输视、音频和数据分别打包后复合成一路信道编码图像信号按行、场排列，有行、场同步信号，有均衡脉冲等无行、场标志及概念；通过纠错、时域均衡抗干扰调制AM或FMQPSK、QAM、COFDM特点信号量小，技术成熟，质量较差，占用频带宽不易失真，抗干扰，清晰度高，占用频带窄模拟电视和数字电视比较数字电视广播系统的原理框图数字电视系统的结构框图

数字电视系统的核心技术信源编／解码技术传送复用技术信道编／解码技术调制／解调技术中间件技术条件接收大屏幕显示技术数字电视已经不是单一的电视业务，而是指通过电视传输通道传输的数字业务，包括视频、音频、图像、数据等。1、数字电视的三个国际标准

美国的ATSC高级电视系统委员会（AdvancedTelevisionSystemCommittee）欧洲的DVB数字视频广播（DigitalVideoBroadcasting）日本的ISDB综合业务数字广播（IntegratedServicesDigitalBroadcasting）2、数字电视传输和处理的主要问题（1）信源编码主要任务：完成A/D变换和压缩编码。重点：实现数码率的压缩。（2）信道编码主要任务：完成码型变换和差错控制。重点：实现数据的检错和纠错复合编码和分量编码（二）ITU-R-601建议1、4:2:2编码方式：亮度信号的取样频率=13.5MHz，两个色差信号的取样频率=6.75MHz。色差信号的水平分解力是亮度信号的一半。广泛应用于演播室节目制作和传输中。2、4:4:4编码方式：亮度信号和两个色差信号（或R、G、B信号）的取样频率=13.5MHz，三个信号具有相同的水平和垂直分解力。一般用在对R、G、B信号进行数字化的场合。（二）ITU-R-601建议3、4:1:1编码方式：亮度信号取样频率=13.5MHz，色差信号的取样频率=3.375MHz，两个色差信号在垂直方向上的分解力与亮度信号相同，但在水平方向上的分解力是亮度信号的1/4。4、4:2:0编码方式：亮度信号与色差信号的取样频率与4：2：2方式相同，但两个色差信号每两行取一行，在水平和垂直方向上的分解力均为亮度信号的一半。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。可表示为：1080/60/2：1；还可表示为：1080@60i720/50P：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。可表示为：720/50/1：1；还可表示为：720@50PNTSC制可表示为：480/60iPAL制可表示为：576/50i数字电视信号压缩的可能性数据量=信息量+冗余量=关键信息量+[次要信息量+（时间冗余+空间冗余+视觉冗余+熵冗余）]视频压缩编码技术基本概念（1）无损压缩和有损压缩（2）帧内压缩和帧间压缩（3）对称压缩编码和不对称压缩编码数字电视信号压缩的可能性数据量=信息量+冗余量=关键信息量+[次要信息量+（时间冗余+空间冗余+视觉冗余+熵冗余）]视频压缩编码技术基本概念（1）无损压缩和有损压缩（2）帧内压缩和帧间压缩（3）对称压缩编码和不对称压缩编码数字电视信号压缩的可能性数据量=信息量+冗余量=关键信息量+[次要信息量+（时间冗余+空间冗余+视觉冗余+熵冗余）]视频压缩编码技术基本概念（1）无损压缩和有损压缩（2）帧内压缩和帧间压缩（3）对称压缩编码和不对称压缩编码（四）MPEG系列标准1、MPEG-1标准标准号：ISO/IEC11172。标准全名：“信息技术—用于数据速率高达大约1.5Mbps的数字存储媒体的电视图像和伴音编码”目标：压缩的输出速率定义在1.5Mbit/s以下。场合：用于在CD-ROM上存储数字影视和在网络上传输数字影视。激光视盘VCD（352×288）固定速率：视频速率1.5Mbps

，音频速率64kbps、128kbps、192kbps。MPEG-1标准实现方法：DCT、运动补偿和霍夫曼编码

信源输入格式：SIF（SourceInpntFormat），如为CCIR–601格式的信源要转换成SIF格式才能输入MPEG–1编码器。MPEG-1压缩编码三种模式三种压缩编码模式：采用帧内压缩编码的帧称为I帧（又称帧内编码帧，IntraCodedFrames）。采用前向预测编码的帧称为P帧（又称前向预测帧，PredictedFrames），它是前一个I帧或P帧的预测帧，也采用DCT编码。与采用双向预测编码相对应的帧称为B帧（又称双向预测帧，Bi-DirectionalFrames）。B帧插在I、P或P、P之间，是从相邻最近的I帧或P帧作双向预测进行编码。

MPEG-1标准组成和特点MPEG-1标准由下列三部分组成系统：伴音压缩数据和图象数据的复用及同步视频：视频压缩伴音：伴音压缩，有64、128和192kbps三种码率MPEG-1的特点定义了一套标准语法用于编码流的表示及解码并不限定具体的编码算法，只要求产生有效编码流支持多种图象尺寸、宽高比、信道传输率随机访问：通过I帧定位可以迅速解码任一帧快进快退：实现快速交互（1）MPEG视频码流的层次结构“图像序列”（VidioSequence）：随机存取段落，由若干图象组构成“图像组”（GroupofPictrue）：随机存取视频单元，由相互有预测和生成关系的一组各种类型图象组成“图像”（Pictrue）：基本编码单元，分为I、P、B、D四种类型，代表了各自地压缩模式“宏块条”或“切片”（Slice）：重新同步单元，宏块的集合，主要用于误差恢复“宏块”（Microblock）：运动补偿单元，只对亮度信号做运动估值，色度信号采用同一宏块中亮度信号的运动矢量“块”（Block）：最小的DCT编码单元，为8×8的象素矩阵MPEG的层次结构层功能1“块”（Block）DCT处理单元2“宏块”（Microblock）运动补偿单元3“宏块条”（Slice）同步恢复单元4“图像”（Pictrue）基本编码单元5“图像组”（GroupofPictrue）视频随机存取单元6“图像序列”（VidioSequence）节目段落随机存取（上下文单元）MPEG视频码流结构

MPEG-1和MPEG-2的视频结构是相同的，共分为六层，如图所示

MPEG为了更好地表示编码数据，用语法规定了一个层次性的结构。因此，图像序列也被安为一种有结构的数据。共分6层：图像组GOP（groupofpictures）一个GOP：共有12帧，其中包含1个I帧、3个P帧和8个B帧。MPEG-1的图像组结构

帧重排由于在编码B帧时，需要用将来的一个帧作为参考帧，因此需要把按显示顺序送进来的图像序列重新排列后再进入编码器。2、MPEG-2（P222）

MPEG-2是1994年公布的另一视频压缩标准。标准号：ISO/IEC13818。标准全名：“信息技术—活动图像及有关声音信息的通用编码”基本目标：一般为4Mbps~9Mbps、最高达15Mbps的运动图像及其伴音的数字压缩编码。场合：用于数字电视，广泛用于各种速率（2-20Mbps）和各种分辨率的情况，而且可接受隔行扫描的输入信号。DVD（720×576）（1）MPEG-2标准的九个组成部分系统System：描述多个视频、音频和数据基本码流ES的同步和合成。主要解决多个视频、音频和数据流的组合问题。电视图像Video：规定视频的编码和解码。声音Audio-规定声音数据的编码和解码：是MPEG-1Audio的扩充。一致性测试Coformancetesting：详细说明位数据流的测试方法和解码器是否满足要求。如何测试和比较被测码流是否符合MPEG-2第一、二、三部分的规定。软件模拟Softwaresimulation：用软件执行前个三部分的结果，形成技术报告。给出了MPEG-1第一、二、三部分的软件实现。2、MPEG-2（P222）

MPEG-2是1994年公布的另一视频压缩标准。标准号：ISO/IEC13818。标准全名：“信息技术—活动图像及有关声音信息的通用编码”基本目标：一般为4Mbps~9Mbps、最高达15Mbps的运动图像及其伴音的数字压缩编码。场合：用于数字电视，广泛用于各种速率（2-20Mbps）和各种分辨率的情况，而且可接受隔行扫描的输入信号。DVD（720×576）（1）MPEG-2标准的九个组成部分系统System：描述多个视频、音频和数据基本码流ES的同步和合成。主要解决多个视频、音频和数据流的组合问题。电视图像Video：规定视频的编码和解码。声音Audio-规定声音数据的编码和解码：是MPEG-1Audio的扩充。一致性测试Coformancetesting：详细说明位数据流的测试方法和解码器是否满足要求。如何测试和比较被测码流是否符合MPEG-2第一、二、三部分的规定。软件模拟Softwaresimulation：用软件执行前个三部分的结果，形成技术报告。给出了MPEG-1第一、二、三部分的软件实现。MPEG-2的编码流程①输入一个I帧、P帧或B帧；②在B帧或P帧的情况下进行运动预测补偿；③进行88像素的DCT变换；④变换系数被量化(量化级安排依赖于可用的比特率)；⑤完成变字长编码，实现比特率的缩减。MPEG-2的解码流程是MPEG-2的编码流程的反过程。（2）MPEG-2的表征形式：类和级MPEG-2规定了视频编解码及压缩的“通用语法(GenericSyntax)”。并定义语法中一组子集：“类”（profile）：按使用的工具和方法不同，且满足特定应用要求的一组子集。不同的压缩处理方法。“级”（level）：根据编码图像不同的分辨率。输入图像信号的格式。MPEG-2的类和级的组合类与级的有效组合共有11种等级/类简单类主类SNR可分级类空间可分级类高类低级352×288MP@LLSNR@LL主级720×576SP@MLMP@MLSNR@MLHP@ML高级14401440×1152MP@H1440SSP@H1440HP@H1440高级1920×1152MP@HLHP@HLMPEG-2四个重要的类级组合四个组合主类@主级（MP@ML）：DVB、DVD、数字有线电视、ITV等简单类@主级（SP@ML）：数字有线电视、数字录象机主类@高级（MP@HL）：全数字HDTV空间可分级类@高级-1440（SSP@H1440）：欧洲的HDTVMPEG音频压缩音频采样率：可以是32、44.1、48kHz

压缩的比特流可支持以4种可能的模式之一：用于单一音频通道的单声道模式用于两个独立音频通道的双－单声道模式

用于立体声通道的立体声模式

相关联合立体声模式

MPEG音频压缩比特率：压缩的比特流可以选择一个每通道从32kbps到224kbps的预先设定的固定比特率三个层次：MPEG音频能够从三个独立层进行压缩，这在编码复杂性和压缩的音频质量之间提供了宽裕的权衡范围编码的比特率支持可选的循环冗余校验（CRC）误码检测码MPEG音频提供了比特流中包含辅助数据的方法（3）MPEG-2码流形成过程

（3）MPEG-2码流形成过程

TS的结构PES经过复用再打成188字节的固定长度包便形成TS流或TS包。TS流是各传输系统之间的连接形式，是传输设备间的基本接口。其结构如上图示。TS由带有一个或多个独立时基的一个或多个节目组合而成。注意：TS不是由节目码流PS构成，而由PES复接而成。包标识符（PID）每一个打包在TS中的PES都伴有一个包标识符（PID）。一个特定节目的所有TS包不管它是视频、音频还是数据，都能借助于它们的PID从复合的码流中提取出来。一个或几个节目被加进（复接）TS中，也可被提取（解复用）出来。一个TS中的每一个节目关联到一个独立的时钟。TS侧重于传输方面的结构和说明，如加入同步、说明有无差错、有无加扰等。其中包的识别对解码有着重要作用，是识别码流和信息的标签。两级复用框图

（4）MPEG－2四种压缩方式运动估值是用于消除相邻帧的时间冗余。利用差值检测和块匹配法，仅传递相邻帧的差值和相关运动矢量，从而压缩信源的信息量。离散余弦变换（DCT）是用于域变换，将信号从空间域变换到频域，使信号的能量集中在几个低频系数上，从而为信息的高效压缩创造了条件。自适应量化用于消除不相关信息。自适应量化是针对DCT系数而言的，对于信息的重现密切相关的低频系数采用细量化，对视觉不太敏感的高频系数则采用粗量化，在保留墙与减少冗余之间选择最佳取值。熵编码用于消除冗余信息。将游程编码与霍夫曼编码联合使用，降低多零值系数的编码比特数，同时给概率大的事件分配短码字，概率小的事件分配长码字，最大限度地提高编码效率。MPEG-2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