《有线数字电视技术》课件第3章

第3章有线数字电视技术基础3.1模拟信号与数字信号的区别3.2数字信号的产生及特点3.3数字信号和数据3.4数字通信系统的构成和特点3.5数据通信系统的基本认识3.6数字电视的基本认识3.7数字电视的主要标准3.8数字电视的核心技术 3.1模拟信号与数字信号的区别

在自然界，非人工的信息传送往往是以模拟信号的形式出现的，例如，声音在空气中传播时，其声压随时间作连续变化；人眼看到的图像是可见光综合反射的连续结果。模拟信号的特点是，信号在时间上和振幅上的变化都是连续的。与此相对应，如果在时间上和幅度上均为离散的信号，则为数字信号。从广义的方向理解，连续的含义是在某一取值范围内可以取无穷多个值，而离散的含义是在某一取值范围内只能取有限个值。数字信号的特点则表现为离散性，在时间轴上是离散的，即单位时间内只存在着有限个样值；在幅度轴上也是离散的，即每个幅度只存在有限个量化级。数字信号通常用一组脉冲序列来表示。

在数字系统中，信号往往处于两种状态，即高电平“H”和低电平“L”，高电平用逻辑电平“1”表示，低电平用逻辑电平“0”表示。如果在系统中用5V表示高电平，0V代表低电平，通常在传输过程中必然会出现各种干扰，例如导致低电平0V上升，高电平5V跌落，但数字信号系统中的再生判决过程仍然可以方便地区分高低电平。因此，运用数字技术传输的方法不但提高了信噪比，而且在动态范围、非线性失真、频带等方面都有极大的改善。数字信号加工方便，存储容易，出错易纠，从而得到广泛应用。再如，在模拟录音和录像过程中，失真和噪声限制了重放信号的动态范围，如果把声音和图像转换成数字信号，即便在记录和重放中出现噪声和失真，只要重放时能识别这些数字信号，就可重现原有的信号。显然，数字信号动态范围并不受失真和干扰影响。要把幅波上连续变化的信号变成离散信号，需经过采样、量化和编码三个过程。所谓采样，是以恒定的周期间断地采集模拟信号在该时刻的数值。所谓量化，是用特定的尺度来测量采样值。显然，经过采样、量化后的信号并不是数字信号，还必须经过编码这一过程。所谓编码，实质上是将幅波上已量化的数值，用二进制1和0数码按一规则来编制。编码除了自然二进制码以外，还常采用格雷码和折叠二进制码等。在现实应用中，采样、量化、编码这三个过程在模/数集成电路芯片中一次完成很简单，但作为基本概念，仍要了解其原理。

图3-1为模拟信号和数字信号示意图。图3-1模拟信号和数字信号示意图 3.2数字信号的产生及特点

1.数的进制及应用

人们在日常生活中习惯于十进制数，也许是人有十个手指，所以原始人用十进制计数。例如，十进制数902可表示如下：

(902)10=9×102 +0×101 +2×100其实，任何数也可以用其他进制来表示，例如，二进制数1011转换为十进制数的计算过程如下：(1011)2 =1×23 +0×22 +1×21 +1×20 =(11)10在计算机运算上二进制的实现要比十进制方便，因为它只有两种状态：开关的开与合，晶体管的通与断，电平从一种状态跳到另一种状态。因此，在数字通信中常用二进制，特别是在数字的基带传输中常用二进制码。二进制的码率为比特/秒，可写成bit/s、b/s或bps，称为传输速率或比特率。但在通带传输中则常用多进制，例如：

在16QAM调制中用的是四进制；

在64QAM调制中用的是六进制；

在256QAM调制中用的是八进制。

因此，在多进制数字信号传输中采用的是码元速率。码元速率亦称符号率，但最后送到计算机终端的信号必须是二进制数。比特率和符号率的关系为RB = RSlbM(bit)M=2n(n=1，2，3…)其中，RB为比特率，RS为符号率，M为进制。例如：对于二进制，RB = RS；对于四进制，RB=2RS。因此，在讲符号率时必须说明调制方式，即说明进制，否则没有意义，因为最终要转化为二进制的速率。在传输过程中，某些比较大的数值还可能用到更高的进制。例如在DVB-S的帧结构中，同步字节未反转的用47HEX表示，HEX表示十六进制，逐比特取反(补码)为B8HEX。

2.模拟通信与数字通信的信号表示方法

(1)在模拟通信中，信号的大小是以电压的V、mV、μV等表示的。例如，对于复合视频信号，峰—峰值为1V，其中同步头幅度为25%，即250mV；视频信号的幅度为75%，即750mV。

在模拟信号的传输过程中，要求达到终端信号的波形不变，同时信号的波形不变，否则就有失真，将影响再现信号的质量。

(2)在数字通信中，传输的不是直接的信号的大小，而是代表信号大小的一个数。例如，视频信号的最大幅度为750mV，划分为256级(28)，即8比特量化，每一级大约为2.93mV。

在某一瞬间，视频信号幅度假定为94mV，这时它不是传送94这个数值，而是传送32(25)，到信宿端再将32转化为94mV，即32×2.93=93.76mV。这种转化有一定误差，称为量化误差。

3.模拟信号与数字信号的比较

模拟信号与数字信号的比较见表3-1。 3.3数字信号和数据

1.数字信号

数字信号是广义的，凡数字化的信号均称为数字信号。数字信号分为两大类：数字信号和数据。

将音频信号或视频信号经采样、量化和编码，即A/D转换后形成的信号称为数字信号，数字信号一般以8比特为1字节。

2.数据

具有一定编码格式和位长要求的数字信号叫做数据。计算机通信网络所使用的数字信号即为数据，计算机通信系统也称为数据通信系统。数据以代码的形式出现。这些代码包括26个大写英文字母，26个小写英文字母，阿拉伯数字0～9，32个字符，34个符号，共128(即27)个代码。这种代码中每个字符由一个唯一的7比特(b1…b7)组合表示，因此，可以表示128个不同的字母、数字、符号和字符。为了提高传输的可靠性，常在b7之后再加一位b8

，作奇偶校验用。在数据通信系统中，数据终端设备或计算机输出的数据信息以字母、数字、字符和符号表示。为了传递这些信息，必须用二进制代码来代表不同的字母、数字、字符和符号。

随着数据通信的发展，代码的标准化十分重要。目前广泛使用的是美国信息交换标准码(ASCII)，如表3-2所示。总之，数据是具有一定含义的字母、数字、符号等数字信号的组合。数据通信是在计算机或其他数据终端之间发生的存储处理和交换数字化编码信息的通信技术。 3.4数字通信系统的构成和特点

3.4.1数字通信系统的构成

数字通信系统可分为基带传输系统和载波传输系统两类。

基带传输系统由信源编码器、信道编码器、码型变换、发送滤波器、复接器、传输信道、中继器、分接器、接收滤波器、均衡器、抽样判决器、信道解码器和信源解码器等部分组成，如图3-2所示。信源编码器用来把需要传输的模拟信号变为PCM数字信号(又称为A/D变换)。图3-2数字通信系统为了提高传输效率，我们可以利用图像的统计特性和传输图像之间的相关性，少传或不传已经传输过的信息，并除去那些与信息无关(例如18%的行逆程和8%的场逆程)或对图像质量影响不大的多余部分等，以达到压缩信源数码率的目的。信源编码是为了提高传输效率的有效性，而信道编码则是为了保证传输的可靠性。为此，我们可以在信息码中人为地加进一些多余的码元(监督码)，这些监督码与信息码具有一定的逻辑关系，便于接收端根据这些逻辑关系进行自动检错和纠错。信道编码器输出的代码一般是单极性的，不利于传输，还需要经过码型变换，将其变为适合传输的码型，并经过发送滤波器滤除部分高频分量，以消除对其他通路的窜扰。复接器是利用时分复用方式把多路信号复接成一路信号后送入传输信道。经过光纤、电缆、双绞线或微波等传输信道传输一段距离后，由于干扰、噪声、失真等的存在，基带信号波形会出现严重的失真，需要经过再生中继器进行放大、恢复波形，以传输更远的距离。到达接收端后，首先要通过分接器把复接信号还原成发送端的多路信号，通过接收滤波器进行补偿，滤除噪声和其他干扰，通过抽样判决器对失真的数字信号波形进行鉴别，判断出各个信号波形所代表的数字信号，并把它再生、恢复成同发送端相同的信号波形，送入信道解码器和信源解码器，输出相应的PAM信号，并通过其中的低通滤波器恢复为模拟信号，送入终端设备。接收滤波器的第一个作用是滤除噪声和干扰，第二个作用是得到所需的信号形式，减少码间干扰，提高频带利用率。为了滤除噪声和干扰，应针对具体的输入信号把接收滤波器设计为匹配滤波器，使有用信号得到加强，噪声和干扰得到削弱，以获得最大信噪比，减少误码率。但完全匹配的滤波器对第二个作用有影响。当信噪比较差时，例如在一些无线传输系统中，这两个作用应同时考虑，往往在两者之间取一折衷。在信噪比较高时，则只需考虑第二个作用，不采用匹配滤波器。3.4.2数字通信的特点

同模拟通信相比，传输数字信号的数字通信有许多明显的特点。

(1)无噪声积累，抗干扰能力强，可以实现远距离的传输。数字通信中传输的信息不像模拟通信那样包含在波形中，而是包含在代码(代码只有两种离散值，很容易根据脉冲的有无和正负来判断)中，虽然传输过程中的噪声也会对信号进行干扰，但只要这种干扰小于规定的门限电平，就不影响对代码的判断，并可以及时采用再生的办法产生一个和发送端一样无噪声干扰的再生信号。因无噪声积累，故能传输很远的距离，也不会影响信号的质量。

(2)便于利用计算机对信号进行处理、存储和交换。这是因为，数字通信传输的信号与计算机使用的信号都是离散的二进制信号，便于计算机识别，因而可以在一个系统内实现多种通信业务，便于向综合业务数字网(ISDN)过渡。

(3)便于加密处理。数字信号比模拟信号更易实现加扰和解扰，而且数字信号的加扰和解扰技术具有更为安全、更为方便及便于综合利用的特点，可以进行各种更高要求的加密通信。

(4)数字信号简单，可以采用时分复用方式来提高信道的利用率，且不需要频分复用中体积庞大的滤波器，便于通信设备的集成化、小型化。

(5)占用频带较宽，这是数字信号最大的缺点。为了使取样后的数字信号能不失真地还原成原来的模拟信号，要求取样频率至少为原来模拟信号最高频率的两倍，因而占用频带较宽。例如，一路数字电话占64kHz，是一路模拟电话带宽的16倍，如果一路数字电视占144MHz，则是一路模拟电视带宽的18倍，这也就是数字电视不能很快发展的原因之一。但随着压缩编码技术的发展和成本的降低，这个问题已得到解决。3.4.3数字通信系统的性能指标

一个数字通信系统的性能主要用传输速率、频带宽度和差错率等来描述。传输速率又分为信息传输速率(简称为传信率)和符号传输速率(或称为码元传输速率，简称为传码率)。差错率又分为误码率(又称为误符号率)和误比特率(又称为误信率)。信息传输速率和符号传输速率代表一个数字通信系统的传输有效性，要求二者越大越好，在相同的传输速率下，所占的频带宽度越窄，则频带利用率越高；而误码率和误比特率则代表数字通信系统传输的可靠性，要求其越小越好。信息传输速率定义为单位时间内传输信息量的多少，常用b/s或bps(比特/秒)为单位。1b/s表示在一秒内传输的信息量是一个比特(即一个二进制码元所含的信息量)。

符号传输速率定义为单位时间内传输的码元数目，其单位是波特(记为Bd)。这里的码元不一定是二进制码元，可能是四进制、六进制码元等。

信息传输速率R和符号传输率N满足如下的关系：R = NlbM

其中：M代表具体的进制，除二进制以外的其他进制称为多进制。在二进制中，M等于2；在四进制中，M等于4。显然，在二进制中，信息传输速率和符号传输速率是相同的，但在其他进制中却不同。例如，当符号传输速率为300Bd时，在二进制中信息传输速率是300b/s，在四进制中信息传输速率是600b/s，在八进制中信息传输速率是1200b/s。可见，采用多进制传输，可以提高系统传输的有效性。频带利用率定义为单位频带内的符号传输速率，单位是波特/赫兹(Bd/Hz)。它有时也可定义为单位频带内的信息传输速率，单位是(b/s)/Hz。频带利用率越高，系统的有效性就越好。

数字信号在传输过程中，噪声等的干扰和再生判断时出现的错误，都可能使接收到的信号与发出的信号之间出现误差。衡量这种误差的差错率中，误码率是单位时间内错误码元数与发送的总码元数之比，误比特率则是单位时间内发生差错的比特数在传输比特数中所占的比例，在实际中使用更多的是误比特率。误码率和误比特率之间的关系类似于符号传输速率和信息传输率之间的关系。在二进制中，误码率和误比特率在数值上是相等的。3.4.4数字信号的基带传输

在早期的数字传输系统中，多采用基带传输方式。基带传输是用传输媒介的整个容量作为一个信道，即利用双绞线、同轴电缆等传输介质直接传输以经过脉冲编码调制等方式得到的数字信号。基带信号比后面将要讲的载波传输信号更容易被翻译和再生。因为基带数字信号含有丰富的低频分量，故要求传输信道具有低通特性。

如图3-2所示，数字信号的基带传输系统由信源编码器、信道编码器、码型变换、发送滤波器、复接器、传输信道、中继器、分接器、接收滤波器、均衡器、抽样判决器、信道解码器和信源解码器等部分组成，各部分的基本作用在3.4.1节已经述及，有关码型变换、复接器、分接器、均衡器以及码间干扰、误码率等的基本知识，可参考数字通信书籍。 3.5数据通信系统的基本认识

数据通信是在计算机或其他数据终端之间发生的存储、处理、传输和交换数字化编码信息的通信技术。由于有线电视综合信息网将实现与计算机网、电信网互联互通，因此，掌握和了解数据通信十分重要。下面介绍数据通信的一些基本知识。

3.5.1数据通信系统的组成

数据通信系统的基本组成如图3-3所示。按功能划分，任何一个数据通信系统都是由数据终端设备、数据电路(线路子系统)和计算机中心组成的。图3-3数据通信系统的基本组成数据终端设备(DTE)包括输入、输出设备和传输控制器(TCE)。输入、输出设备的作用是正确地发送和接收数据，并进行适当处理，把人可以识别的数据信号变为计算机可以处理的二进制信息，或者反过来，把计算机可以处理的二进制信息变为人可以识别的数据信号。典型的终端设备有键盘、鼠标等输入设备及打印机、传真机、绘图机、显示器等输出设备。

传输控制器的作用是接通或断开通信线路，对数据进行串/并行变换，对通信过程进行控制。例如，在传输信息之前，规定通信链路；在传输信息时，保持接收端与发送端的严格同步，并进行差错控制；在传输信息结束之后，拆离通信线路。数据电路包括数据通信设备(DCE)和传输线路。如果传输线路是模拟线路，则数据通信设备的作用是把数据终端设备送来的数字信号变为模拟信号，再送往线路传输，或者反过来，把线路送来的模拟信号变为数字信号，再送往数据终端设备。如果传输线路是数字线路，则数据通信设备的作用只对数字信号进行处理，使之能正确地进行传输。最简单的数据通信设备是调制解调器。

传输线路一般分为两种类型：专用直达线路和交换线路。直达线路使用专线，交换线路则使用电话网或有线电视网。计算机中心的作用是对数据通信系统进行控制，对数据信号进行收集与处理。它包括中央处理器和通信控制器。

通信控制器实际上是一台能承担通信控制任务的专用计算机，它包括线路接口、计算机接口、线路控制、中央控制等四个部分。它的作用是进行线路控制、差错检测和校正、数据传输率变换控制、电文的处理和交换等，以实现与中央处理器的处理速率和通信线路传输速率之间的匹配，并进行串/并行变换。

中央处理器主要用于收集和处理由数据终端设备输入来的数据。主存储器主要用来存放处理数据需要的程序，副存储器主要用于临时存储程序和数据。3.5.2数据通信过程

数据通信过程一般分为五步。

第一步：数据通信链路的联通(专线方式不需此步骤)。用户首先将待建立的对方地址等信息通知交换机，交换机查询对应地址的数据终端，并在该终端空闲时为通信双方建立一条物理通路。这一步与打电话时的拨号相似。

第二步：建立通信线路。在同步传输方式下，通信双方首先发出同步信号，建立起同步关系，确保数据传输设备处于正确的收、发状态，并核实双方地址。第三步：传输与控制信息，是数据通信的主要过程。在这一步中，通信双方相互交换数据信息和通信控制信息。这一步相当于打电话时双方通话阶段。

第四步：结束数据链路的连接。在准备结束通信时，双方通过有关控制信息通知对方，并确认通信即将结束。

第五步：拆线。通信结束后，双方的任何一方通知交换机断开物理通路。这一步相当于打电话时双方挂机。

至此，数据通信过程完全结束。

需要说明的是，上述第三步是最为主要的。另外，在专线通信方式下，由于没有交换机，因此第一、第五步不需要。3.5.3数据传输方式

1.二线制和四线制

数据通信双方之间由一对通信线路连接起来进行信息传输的方式称做二线制。如果通信线路由两对组成，则称为四线制。

2.全双工与半双工

在数据通信系统中，如果能够同时发送和接收数据或信息，则称为全双工。如果在时间上交替进行数据或信息的发送与接收，则称为半双工。如果数据或信息只能朝一个方向传输，则称为单向传输。

3.并行传输与串行传输

并行传输是指，在数据通信中，被传输字符编码的各比特是同时从一方传向另一方，信道数目应与传输字符的位数相同。例如8bit的数字信息需要8条通道。

并行传输方式具有很高的数据传输率，常用于需要高速信息传输的场合，如计算机内部和计算机与其外设之间的数据传输。由于通信信道成本较高，因此在远程数据通信时不使用并行传输方式。

与并行传输相反，串行传输字符编码的各个比特是按时间顺序一位一位传输的，在接收方再将各比特组合起来形成字符。串行通信速率低，所需信道少，同时存在通信双方同步的问题。

4.同步传输与异步传输

同步是数据通信中的一个重要问题，同步的实现方法是在通信双方设置时钟发生器，二者的初始频率比较接近，在通信过程中，接收端的时钟频率和起始位置根据发送端的时钟进行校准。

同步要求通信双方的时钟在每一位上保持严格同步，用于一次发送一个完整的数据块，接收端只需判断数据块的每一个字符的第一位，并知道数据长度和传输速率，就可以正确接收和识别字符。

异步传输也称为起止式同步方式，它每次送一个字符，而且字符之间没有固定的时间关系，可以间隔几秒甚至几小时发送多个数据。因此，异步方式必须在每发送一个字符时在通信双方重新建立同步。异步传输的同步是在每个发送字符之前设置起始位，以告知接收端信息传输即将开始，接收端根据此起始位状态启动接收时钟，保证收发同步。 3.6数字电视的基本认识

3.6.1数字电视和高清晰度电视

数字电视(DTV，DigitalTelevision)是从模拟电视发展过来的，虽继承了电视技术原有的命名，但其内涵已远远超出电视本身。数字电视是指一个从节目摄制、制作、编辑、存储、发射、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。具体来讲，数字电视采用数字摄像机、数字录像机等数字设备完成节目的制作、编辑和存储，电视台发射、传输的信号和电视接收机接收的信号均为数字信号，电视接收机内部则采用数字信号处理技术来实现多种新的功能。数字电视广播的最大特点是电视信号是以数字形式进行广播的，其制式与模拟电视广播制式有着本质的不同。值得指出的是，20世纪90年代市场上大肆炒作的“数码彩电”是在现有模拟电视广播的制式下，只在接收机内部的电路设计、信号处理中使用了一些数字技术，将接收的模拟电视信号部分地进行了数字化处理，目的是为了改进和提高现有彩电的图像及伴音质量并增加如多视窗、画中画、画外画、视窗放大、倍行等一些功能，但其画面清晰度无法与数字电视相比。“数码彩电”是不能接收数字电视信号，也不能按数字电视显示格式显示图像的，它不是真正意义上的“数字电视”接收机，本质上仍是模拟电视。数字电视的真正意义在于，数字电视广播系统将成为一个数字信号传输平台，不仅使整个广播电视节目制作和传输质量得到显著改善，信道资源利用率大大提高，还可以提供其他增值业务，如数据广播、电视购物、电子商务、软件下载、视频点播等，使传统的广播电视媒体从形态、内容到服务方式发生革命性的改变，为“三网融合”提供了技术上的可能。

随着数字化产品走入消费市场，它将带动一系列相关产业的调整与发展。数字电视技术的发展将诱发整个广播电视产业链的深刻变革，它已经被各国视为信息时代的一项“战略技术”。从某种意义上来说，数字电视将影响国家产业结构的升级与发展。高清晰度电视(HDTV，HighDefinitionTelevision)是一种电视业务，原CCIR(无线电咨询委员会，现改名为ITU-R)给高清晰度电视下的定义是：“高清晰度电视是一个透明的系统，一个视力正常的观众在观看距离为显示屏高度的3倍处所看到的图像的清晰程度，与观看原始景物或表演的感觉相同”。其图像质量的视觉效果可达到接近35mm宽银幕电影的水平。高清晰度电视具有以下鲜明的特点：

(1)图像清晰度在水平和垂直方向上均是常规电视的2倍以上。

(2)扩大了彩色重显范围，使色彩更加逼真，还原效果好。

(3)应具有大屏幕显示器，其画面幅型比(宽高比)由常规电视的4∶3变为16∶9，将更加符合人眼的视觉特性。

(4)配有高保真、多声道环绕立体声。从发展过程来看，高清晰度电视有模拟高清晰度电视及数字高清晰度电视。但全数字化是各国电视发展的趋势，因而现在一般所说的HDTV应该指数字高清晰度电视。

从清晰度的角度来说，数字电视的业务包括数字高清晰度电视(HDTV)、数字标准清晰度电视(SDTV，StandardDefinitionTelevision)和数字低清晰度电视(LDTV，LowDefinitionTelevision)。三者的区别主要在于图像质量和信号传输时所占信道带宽的不同。从视觉效果来看，HDTV的图像质量可达到或接近35mm宽银幕电影的水平，显示图像分辨率达1920×1080，幅型比为16∶9，适合大屏幕观看；SDTV的图像质量相当于演播室水平，显示图像分辨率为720×576(PAL制)和720 × 480(NTSC制)，这是一种普及型数字电视，成本较低，具备数字电视的各种优点；数字低清晰度电视LDTV的图像分辨率和现有VCD的图像分辨率356×288显示水平相当。数字电视按传输介质不同可分为地面、卫星和有线数字电视。因此，数字电视的核心技术包括有线数字电视核心技术，只不过有线数字电视不仅具有数字电视技术的共性，而且在效率、安全性、增加频带利用率及信息传输等方面，有自身的特性而已。数字电视就是一个包括数码流发射、传输和接收的系统工程，是一项涉及广播电视技术、通信技术、计算机和微电子等诸领域的高新技术。3.6.2新兴媒体

数字技术、信息技术的迅猛发展和广泛应用，不仅促使传统的广播电视升级换代，也使得新兴媒体异军突起，并逐渐受到人们的关注。为了满足人们随时随地获取广播电视节目和信息的需求，出现了在地铁和公交车上的车载移动电视、在公共场所的楼宇电视、用手机等便携式终端接收的移动多媒体广播，以及用互联网协议传输通过电视机观看的IP电视、用计算机收听收看的网络广播和网络电视等传播广播电视节目的多种形态，这些都统称为新兴媒体。新兴媒体的一个重要标志就是传输手段和接收终端的多样化。

1.网络电视和IP电视

随着数字压缩、编码等技术的发展，通过电话线、互联网传输视频节目成为可能。近年来，网络电视和IP电视等新兴媒体逐渐受到业界、学界和广大消费者的广泛关注，并表现出较强的发展态势。

1)网络电视

(1)技术概念。网络电视是指一套集各种视听压缩标准、流媒体技术、IP传输技术于一体的网络视听技术。

网络电视示意图如图3-4所示。

(2)传输方式。通过普通的互联网进行传输。

(3)接收终端。通常由计算机通过宽带网访问互联网收看。图3-4网络电视示意图

2) IP电视

(1)技术概念。IP电视是指具有集成前端、通过城域网的内部IP网向电视机或计算机终端传送电视节目的电视运营业务，除了网络电视所需的视听压缩、流媒体、IP传输技术外，还需要开展运营所需的用户管理、用户认证和计费等技术。传输IP电视的网络通常不是公开的互联网。IP电视示意图如图3-5所示。图3-5IP电视示意图

(2)传输方式。理论上，任何支持IP数据传输的网络都可以承载IP电视，通常由电信部门的宽带网实现。广播电视网通过双向改造后，原则上也可以开展IP电视业务。但由于IP电视应用于广播业务并没有优势，因此通常广播业务通过有线数字电视来实现，而点播业务或交互业务通过IP电视来实现。

(3)接收终端。IP电视通常通过IP机顶盒接收信号，用电视机收看。

(4)组网方式。IP电视需要强大的网络资源支持，理论上只要在网络中的一个服务器上发布节目，全网都可以收视。然而，由于核心流媒体服务器的并发流处理能力不足(只有几百至上千个流，一个流只能支持一个终端收看)，或干线网与分配网的带宽不够，无法为全网直接提供点播服务，因此主要采取“内容分发网络”技术和分布式服务解决框架，常用做法就是“核心—边缘”服务器分布结构，在干线网与小区的边缘设置边缘服务器，通过对用户的就近服务，分流核心服务器的流量。

2.移动多媒体广播电视

人们使用便携移动终端获取多媒体服务的技术有两种。一种是广播方式，称为“移动多媒体广播”，是利用数字广播电视技术、通过地面或卫星广播电视覆盖网(如通过地面覆盖的有韩国T—DMB、欧洲DVB—H、美国MediaFLO，通过卫星覆盖的日韩S—DMB、美国天狼星等以及我国的STiMi)面向七英寸以下小屏幕、小尺寸的多种便携移动终端，如手机、PDAMP3、MP4、数码相机、笔记本电脑等接收设备以及在火车、汽车、轮船、飞机上的小型车载接收终端，随时随地、点对面的提供广播电视节目和信息服务。另一种方式称为“手机电视”，是利用移动通信技术，通过无线通信网(如3G、GPRS、CDMA1X等)提供点对点多媒体服务，其特点是可以个性化互动服务，但易受网络带宽和传输成本限制。我国移动多媒体广播采用“天地一体”的技术体制，利用大功率S波段卫星覆盖全国100%的国土，利用地面增补转发网络对卫星信号盲区(约5%国土，主要为城市楼群遮挡区域)进行补点覆盖，利用无线移动通信网络构建回传通道实现交互，形成星网结合、单向广播和双向互动相结合、中央和地方相结合的全程网结合、无缝覆盖的系统。

经过三年多的准备，具有完全自主知识产权的技术标准和适合我国国情的天地一体的技术体制的移动多媒体广播CMMB，利用2008年北京奥运会这个有利时机进行试验播出，获得成功。从2009年开始，我国CMMB将转入商业运营，将能提供多种类的广播电视节目和各种信息服务。

3.楼宇电视

目前，在城市的各大写字楼、便利店、银行、大卖场等拥有大量人群的场所大都建立了视音频播放平台——楼宇电视。每台楼宇电视设单独的人工开启密码，平时无需专人管理，采用DVD单机自动循环播放，并能按照设定时间定时启动、自动停止。楼宇电视播放的内容以广告为主，一个广告时间长约30秒，每12分钟循环一次，每日重复60次，每周由人工更换一次光盘。据统计，2005年中国楼宇电视总量达到12万块，短短几年时间，楼宇电视已遍布中国数十个经济发达城市的数万栋楼宇，日覆盖超过3000万都市人群，已经形成了一个具有巨大用户量的新型视音频媒体。楼宇电视示意图如图3-6所示。图3-6楼宇电视示意图 3.7数字电视的主要标准

3.7.1视频国际编码标准的发展状况

数字视频技术的广泛应用带动了视频编码相关标准的制定和完善。视频编码标准主要由ITU-T和ISO/IEC发布，ITU-T发布的视频编码标准有H.261、H.262、H.263、H.263+、H.263++，ISO/IEC发布的系列标准有静止图像压缩标准JPEG、JBIG、JPEG2000，视音频编码标准MPEG-1和MPEG-2，基于视听媒体对象的多媒体编码标准MPEG-4，多媒体内容描述标准MPEG-7，并且计划公布多媒体框架标准MPEG-21。此外还有JVT(JointVideoTeam，联合视频组)提出的AVC(AdvancedVideoCoding)编码，又称H.264。视频编码国际标准如图3-7所示。图3-7视频编码国际标准

1984年，CCITT的第15研究组针对ISDN成立了一个专门研究会议电视和可视电话数字视频压缩编码问题的专家小组，该小组于1988年10月提交了ISDN中可视电话/会议电视的CCITTH.261建议草案，即“P×64kb/s声像业务的图像编码”，H.261正式标准于1990年12月完成并发布。H.261视频压缩编码标准是图像压缩编码领域40年研究成果的总结与结晶，是第一个在国际上产生广泛影响的视频压缩编码标准。随后推出的MPEG系列标准，其视频压缩编码算法从原理及实现上来看都是基于H.261的，是对H.261的重要发展与改进。

1986年，ISO与CCITT联合成立了联合图片专家组(JPEG，JointPhotographicExpertGroup)，并于1991年3月提交了用于灰度等级与颜色两方面连续变化的静止图像压缩编码的JPEG建议草案，1992年7月通过正式标准。JPEG有两种操作模式，即基于DCT的有损压缩方式和基于熵编码的无损压缩方式。

1995年以前，IEC和ISO通过一个联合技术委员会ISO/JTC1来制定信息技术标准，包括多媒体标准。MPEG(MovingPictureExpertGroup，运动图像专家组)原是ISO/IEC/JTC1/SC29下面的第11工作组WG11，成立于1988年，其任务是研究开发活动图像及其声音的数字国际编码标准。MPEG在1991年11月提交了ISO11172标准的建议草案，它是“用于数字存储媒体的码率为1.5Mb/s的活动图像及其声音编码”，即通常所说的MPEG-1，该标准于1992年11月通过，在影视和多媒体计算机领域中得到了广泛应用，曾经非常流行的VCD就采用MPEG-1标准进行压缩编码。1992年7月，MPEG开始制定MPEG-2标准，它是MPEG制定的第二个国际标准。1993年11月产生了ISO/IEC13818MPEG-2草案，即运动图像及其声音的通用编码，1994年11月MPEG-2被正式确定为国际标准，而其中的视频编码部分就是ITU的H.262标准。与ITUH.261标准一样，H.262标准中没有声音系统方面的内容。MPEG-2是一个非常成功的国际标准，它广泛应用于数字电视、高清晰电视、DVD和多媒体通信等领域，大大促进了大规模集成电路专用芯片的发展。在MPEG-1和MPEG-2之后，本来还有针对高清晰度电视的MPEG-3标准，但是由于在1992年，MPEG把MPEG-2定位为一个包罗万象的通用标准，因此，MPEG-2的功能已使MPEG-3多余，1992年7月即取消了MPEG-3标准的制定。随着通信、图像压缩编码和大规模集成电路技术的发展，个人视频通信正成为现实。个人视频通信的显著特点是极高的交互性和极低的通信码率(极低码率通常是指编码后的码率低于64kb/s)。因此，极低码率数字视频压缩编码成为国际上的研究热点，在此背景下，H.263和MPEG-4应运而生，随后关于多媒体检索的MPEG-7标准以及多媒体应用框架的MPEG-21标准也被陆续提出。需要特别强调，MPEG系列标准已成为国际上影响最大的多媒体技术标准，对数字电视、视听消费电子、多媒体应用等信息产业的发展产生了巨大而深远的影响。MPEG组织是专门从事多媒体视音频压缩编码标准制定的国际组织，它所制定的一系列标准具有三方面的优势：首先是作为国际标准研究制定的，具有很好的兼容性；其次是能够比其他压缩编码算法提供更高的压缩比；最后是能够保证在提高压缩比的同时，数据损失很小。

MPEG-1和MPEG-2是采用预测编码、变换编码、熵编码及运动补偿等第一代压缩编码技术制定的国际标准。MPEG-4则是基于内容的第二代压缩编码国际标准，它蕴涵着视频编码的新一代技术，是目前最活跃的研究领域。要实现基于内容的编码，必须对图像进行预处理，即根据视觉敏感性分割图像以及将场景中物体与背景分割出来进行分层描述，其中最大的难点是对图像的分割。MPEG-4将基于内容的交互性作为其核心思想，通过引入AV对象来实现更多的交互功能，它在实现高压缩比的同时仍能保证高质量的图像画面，因而最适合于交互视频的存储、点播及网络传输。MPEG系列标准视频信息表征的对比图如图3-8所示。图3-8MPEG系列标准视频信息表征对比图3.7.2数字电视信号视频压缩编码国际标准的应用情况

(1) JPEG：用于静止图像压缩。

(2) H.261：用于会议电视。

(3) MPEG-1：用于活动图像，主要在光盘上使用，如VCD、视频游戏。

(4) MPEG-2：用于活动图像，为目前数字电视普遍使用的压缩方式，如数字有线电视、数字卫星电视广播、DVD、高清晰度电视等，MPEG-1是MPEG-2的一个子集。

(5) MPEG-4：是基于音频和可视对象的编码。MPEG-4标准将众多的多媒体应用集成于一个完整的框架内，旨在为多媒体通信提供标准算法和工具，用于实现视听数据的有效编码及更为灵活的存取。

(6) MPEG-7：用于对庞大的图像、声音信息的管理和迅速检索。

(7) MPEG-21：为多媒体框架标准，可使多媒体资料在异构网络中进行有效传播，以及协调不同层次的多媒体技术标准。3.7.3视音频编码国际标准

仔细分析并思考ITU-T与ISO/IEC所制定的一系列多媒体数据压缩编码国际标准，就会发现这些标准的制定都与同时期视频、音频编码技术的发展水平相同步、相适应。

在H.261、H.262、H.263、JPEG、MPEG-1、MPEG-2等标准中，主要采用的是以香农信息论为基础的第一代数据压缩编码技术，其中的关键技术主要包括DCT变换、运动补偿与霍夫曼编码，通过使用DCT变换大大减小了图像信息的空间冗余度，使用运动补偿大大减小了图像信息的时间冗余度，使用霍夫曼编码则大大减小了图像信息的统计冗余度。这些技术的综合运用，使这一系列压缩编码标准的适用性更强、压缩率更高，从而为可视电话、会议电视、VCD、DVD及数字电视和高清晰度电视等产业的飞速发展打下了坚实的基础。MPEG-1(H.261与MPEG-2(H.262)的基本框架分别如图3-9、图3-10所示。图3-9MPEG-1(H.261)基本框架图3-10MPEG-2(H.262)基本框架

MPEG-4则是基于第二代压缩编码技术制定的国际标准，它以视听媒体对象为基本单元，采用了基于对象、基于内容的压缩编码，以实现数字视音频、图形合成应用及交互式多媒体的集成。作为第二代视频编码标准的典型代表，MPEG-4的基本思想是根据内容将图像分割成不同的视频对象(VO)，它与传统视频编码标准的最大不同就在于第一代提出了基于对象的视频编码的新概念及新思想。MPEG-4(H.263)的基本框架如图3-11所示。图3-11MPEG-4(H.263)基本框架第二代视频编码技术涉及编码技术的学科非常之多，由于相关学科的许多核心技术还未取得重大突破，同时也由于离散余弦变换DCT在视频压缩方面具有许多优势，因此在编码实现方案上，MPEG-4仍然采用以16×16像素宏块为基础的混合编码，其算法基础仍是“分块DCT+运动补偿预测+VLC编码”，这在一定意义上反映出MPEG-4的设想与具体实现有较大差距，同时也揭示出视频编码技术的研究还有许多工作要做。

MPEG-7是多媒体描述标准，它支持对多媒体资源的高效组织、管理、搜索、过滤及检素。随着多媒体信息时代的到来，MPEG-7基于内容和语义的多媒体信息检索功能将会在信息社会发挥出愈来愈重要的作用。MPEG-21由MPEG-7发展而来，它是通过建立统一的多媒体框架，为多媒体内容从发布到消费所涉及的标准提供基础体系，以支持连接全球网络的各种设备透明访问各种多媒体资源。在未来的电子商务中，MPEG-21将发挥重要作用。

H.264标准则是视频编码技术的新发展，它不仅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，而且其码流结构具有很强的网络适应能力，通过增加差错恢复能力，能够很好地适应IP与无线网络的应用，并能够满足日益增长的视频应用要求。但是，H.264的性能改进以增加编码、解码的复杂性为代价，随着技术的进步，有理由相信，这种复杂性的增加将会在技术可接受的范围之内。

H.264标准目前仍处在不断发展完善之中。在数字电视领域，H.264已成为数字高清晰度电视追求的编码方案，因而对数字电视与高清晰度电视的普及与发展具有重要意义。有趋势表明，H.264很可能会成为未来广播电视领域、通信领域及存储媒体领域的统一标准，而且会成为宽带交互新媒体的国际标准。H.264更高的压缩比、更好的信道适应能力，必将会在视频编码及多媒体通信领域具有广阔的发展前景。

综观视频编码技术的发展历程，可清晰看出基于对象、基于内容代表着现代视频编码技术的发展方向。新一代视频编码技术在视频编码发展史上第一次把编码对象从图像帧拓展到具有实际意义的任意状态的视频对象，实现了从基于像素的传统编码向基于对象和内容的现代编码的转变，这揭示了新一代智能图像编码的发展趋势。同时，在视频编码技术的实际应用中，应该坚持积极务实、勇于创新的态度，既要考虑视频编码相关学科的发展成果及现状，又要对视频编码技术的发展有前瞻性，只有这样，才能使视频编码技术真正在现代社会中得到广泛应用，并且不断成熟、不断完善。总之，基于内容的交互性作为新一代视频编码标准的核心思想，对于视频编码技术的发展方向及广泛应用都具有特别重要的意义。目前，我国有线数字电视台实行的是MPEG-2视频编码标准。

我国第一个具有自主知识产权的AVS数字视频编解码标准于2005年3月通过AVS高清编解码芯片的鉴定。AVS数字视频编解码标准与H.264相当，但编码复杂度只有H.264的1/3，特别专利许可费只有MPEG-2的1/20，因此该标准将在我国得以实施。 3.8数字电视的核心技术

数字电视按传输介质不同可分为地面数字电视、卫星数字电视和有线数字电视。因此，数字电视的核心技术包括有线数字电视的核心技术。数字电视就是一个包括数码流发射、传输和接收的系统工程，是一项涉及广播电视技术、通信技术、计算机和微电子等诸多领域的高新技术，是集半个多世纪的图像编码技术、现代电子技术和通信技术等发展的成就于一身的现代高科技产品。数字电视的系统工程概念十分重要。从系统工程角度来看，所谓数字电视，就是将电视画面的每一个像素、伴音的每一个音节都用二进制数编成多位数码，并以非常高的比特率进行数码流发射、传输和接收的系统工程。数字电视就是把模拟电视信号转变为数字信号并进行数字信号处理、存储、控制、传输和显示的系统。这也就是说，数字电视系统和图像通信系统有很多共同之处，它们都可用典型数字通信系统模型来概括，其技术基础包括数字信号形成技术、信源编码与解码技术、加密和解密条件接收技术、信道编码与解码技术、多路复用与多址连接技术、调制与解调技术、扩频技术、同步技术、软件平台—中间件技术、大屏幕显示技术等诸多核心技术。3.8.1数字信号形成技术

数字信号形成技术主要用来把源信息变换成适应数字系统处理和传输的数字符号，其在技术上包含抽样、量化、脉冲编码调制，变换以后则形成基带或低通信号。

模拟数字电视信号可以是直接生成的有线数字电视信号，如动画、字幕机和数字摄像机产生的数字信号；也可是经处理的数字电视信号，如MPEG格式的压缩数字电视信号；此外，也可以是由模拟信号经数字化以后产生的数字电视信号。模拟信号的数字化需要经过三个步骤：取样、量化和编码。取样是指用每隔一定时间的信号样值序列来代替原来在时间上连续的信号，也就是在时间上将模拟信号离散化。量化是用有限个幅度值近似原来连续变化的幅度值，把模拟信号的连续幅度变为有限数量的有一定间隔的离散值。编码则是按照一定的规律，把量化后的值用二进制数字表示，然后转换成二值或多值的数字信号流。这样得到的数字信号可以通过电缆、微波干线、卫星通道等数字线路进行传输。在接收端则与上述模拟信号数字化的过程相反，再经后置滤波，将恢复成原来的模拟信号。数字化的过程又称为脉冲编码调制(PCM)。

1.抽样

模拟信号不仅在幅度取值上是连续的，而且在时间上也是连续的。要使模拟信号数字化并实现时分多路复用，首先要在时间上对模拟信号进行离散化处理，这一过程叫抽样或取样。所谓抽样，就是每隔一定的时间间隔T，抽取模拟信号的一个瞬时幅度值(抽样值)，抽样后所得出的一系列在时间上离散的抽样值，称为样值序列，如图3-12所示。抽样后的样值序列在时间上是离散的，可进行时分多路复用，也可将各个抽样值经过量化、编码变换成二进制数字信号。理论和实践证明，只要抽样脉冲的间隔小于等于取样间隔，即T≤2ts，或取样频率大于或等于二倍模拟信号最高频率，即f≥2fs(fs是模拟信号的最高频率)，则抽样后的样值序列可不失真地还原成原来的模拟信号。图3-12模拟信号与其对应的样值序列图像是二维函数，如何将它数字化呢？如前面所述，数字化包括两方面内容：一是时间上或空间上的离散化，即取样；二是幅度上的离散化，即量化。所以，数字图像信号是指时间或空间上及幅度上均离散化了的信号。

既然图像是二维函数，那么在空间上进行二维取样，用二维阵列来代替一幅图像是很自然的。但对于图像信号的传输而言，一般是采用扫描方法将二维图像扫描后变成一维的视频信号，然后进行传输，此时图像信号的数字化就是对一维的视频信号进行数字化。即使是二维图像的数字化，一般也首先变成一维视频信号，经数字化后再变成二维图像阵列。一维视频信号的数字化先是对模拟视频信号在时间上进行取样，使模拟的视频信号变换为时间上离散的视频信号，即脉冲幅度调制信号(PAM)；然后进行幅度上的离散化，用有限的层次来代表幅度大小，即量化；最后进行编码，变成二进制数字视频信号，即变成PCM信号。

2.量化

抽样把模拟信号变成了时间上离散的脉冲信号，但脉冲的幅度仍然是模拟的，还必须进行离散化处理，才能最终用数码来表示。这就要对幅值进行舍零取整的处理，该过程称为量化。量化有两种方式：一种量化方式中，取整时只舍不入，即0～1V间的所有输入电压都输出0V，1～2V间的所有输入电压都输出1V等，采用这种量化方式时，输入电压总是大于输出电压，因此，产生的量化误差总是正的，最大量化误差等于两个相邻量化级的间隔Δ；另一种量化方式在取整时有舍有入，即0～0.5V间的输入都输出0V，0.5～2.5V间的输出电压都输出1V等，采用这种量化方式的量化误差有正有负，量化误差的绝对值最大为Δ/2。显然，采用有舍有入法进行量化时，误差较小。实际信号可以看成量化输出信号与量化误差之和，因此，只用量化输出信号来代替原信号就会有失真。一般说来，可以把量化误差的幅度概率分布看成在-Δ/2～+Δ/2之间的均匀分布。可以证明，量化失真功率与最小量化间的间隔平方成正比，最小量化间隔越小，失真就越小。最小量化间隔越小，用来表示一定幅度的模拟信号时所需要的量化级数就越多，因此处理和传输就越复杂。所以，量化时既要尽量减少量化级数，又要使量化失真看不出来。一般都用一个二进制数来表示某一量化级数，经过传输在接收端再按照这个二进制数来恢复原信号的幅值。所谓量化比特数，是指要区分所有量化级而所需的几位二进制位数。例如，有8个量化级，那么可用3位二进制数来区分，因此，称8个量化级的量化为3比特量化。量化误差与噪声是有本质区别的，因为任一时刻的量化误差是可以从输入信号求出的，而噪声与信号之间就没有这种关系。可以证明，量化误差是高阶非线性失真的产物。但量化失真在信号中的表现类似于噪声，也有很宽的频谱，所以也被称为量化噪声，并用信噪比来衡量。

上面所述的采用均匀间隔量化级进行量化的方法称为均匀量化或线性量化，这种量化方式会造成大信号时信噪比有余而小信号时信噪比不足的缺点。如果使用小信号时量化级间宽度小些，而使用大信号时量化级间宽度大些，则可以使小信号和大信号时的信噪比趋于一致。这种非均匀量化级的安排称为非均匀量化或非线性量化。数字电视信号大多采用非均匀量化方式，这是由于模拟视频信号要经过校正，而校正类似于非线性量化特性，可减轻小信号时误差的影响。目前普遍使用的另一类方法，是将压缩、量化、编码三个作用结合起来，在编码过程中同时完成非均匀量化，在接收端由解码器同时完成解码与扩展。这类方法是采用分段性的折线来逼近对数特性，所以容易匹配，也适合标准化、集成化，这种特性又称为数字压扩率。

3.编码

抽样、量化后的信号还不是数字信号，需要把它转换成数字编码脉冲，这一过程称为编码。最简单的编码方式是二进制编码，具体说来，就是用n比特二进制码来表示已经量化了的样值，每个二进制数对应一个量化值，然后把它们排列，得到由二值脉冲组成的数字信息流。编码过程中，在接收端可以按所收到的信息重新组成原来的样值，再经过低通滤波器恢复原信号。用这种方式组成的脉冲串的频率等于抽样频率与量化比特数的积，称为所传输数字信号的数码率。显然，抽样频率越高，量化比特数越大，数码率就越高，所需要的传输带宽就越宽。

除了上述的自然二进制码，还有其他形式的二进制码，如格雷码和折叠二进制码等。在通信理论中，编码分为信源编码和信道编码两大类。所谓信源编码，是指将信号源中多余的信息除去，形成一个适合用来传输的信号。为了抵制信道噪声对信号的干扰，往往还需要对信号进行再编码，编成在接收端不易为干扰所弄错的形式，这称为信道编码。

要将模拟视频信号数字化，就要将视频信号进行取样、量化、编码，从而编码成二进制的脉冲编码调制(PCM)信号。这一数字化的过程通常用称之为A/D变换的电路来实现；相反地，将数字信号变成模拟信号的过程用称之为D/A变换的电路来实现。视频信号有两种编码方式，即复合编码和分量编码。复合编码是将复合彩色信号直接编码成PCM形式。复合彩色信号是指彩色全电视信号，它包含有亮度信号和以不同方式编码的色度信号。分量编码是将三基色信号R、G、B分量或亮度和色差信号Y、(B-Y)、(R-Y)分别编码成PMC形式。

复合编码的优点是码率低，设备较简单，适用于在模拟系统中插入单个数字设备的情况。它的缺点是，由于数字电视的抽样频率必须与彩色副载频保持一定的关系，而各种制式的副载频各不相同，难以统一。采用复合编码时，由抽样频率和副载频间的差拍造成的干扰将影响图像的质量。分量编码的优点是编码与制式无关，只要抽样频率与行频有一定的关系，便于制式转换和统一，而且由于Y、(R-Y)、(B-Y)分别编码，可采用时分复用方式，避免亮色互串，可获得高质量图像。在分量编码中，亮度信号(Y)用较高的码率传送，两个色差信号(R-Y)、(B-Y)的码率可低一些，但总的码率比较高，设备价格相应较贵。3.8.2信源编码与解码技术

信源编码与解码的目的在于把所形成的数字信号在一定比特率下增加其信噪比，或者在一定信噪比下减少其比特率。换句话说，应尽量减少信源的多余度，用最少的比特来传送信息，从而提高了传输的有效性。信源编码的基本方法有三类。一类是概率编码，它是根据信源中各元素的出现概率不同，分别给予不同长短的代码，使代码长度与概率分布相匹配，代码的平均长度比较短，数码也就少了，霍夫曼(Huffman)编码则属于这一类。另一类是变换编码，它是把信源从一种信号空间变换成另一种信号空间，然后对变换后的信号进行编码。例如预测变换，即把预测将发生的信号值与真实信号的误差信号进行编码，如果预测比较准确，预测误差越小，则编成的数码就越少，达到了压缩数码的目的，增量调制即属于这一类。第三类为识别编码，它是对信源先进行识别，视其是什么文字或什么声音，然后把每种文字和声音编成不同的代码，发端向收端只发送代码，收端则根据代码恢复成标准的文字或声音。显然，这种方法可极大地压缩数码率，但已失去了原来的文字或声音的特征，不同人写的字或不同人发的声音都恢复成同一个样了，声码器即属于这一类。目前信源编码中的语音编码受到了人们极大的关注，同时也取得了很大的进展。例如，采用ADPCM数码率为32kb/s，加上数字话音内插技术，可比普通的PCM64kb/s数码率时的容量增大4～5倍，这对卫星通信有限频带的利用是十分重要的。对模拟话音信号，除常见的差分脉码调制(DPCM)、增量调制(ΔM)、分组编码(矢量量化编码、变换编码、子带编码)、分析/合成编码(声码器、线性预测编码)外，近年来低码率编码技术的进展更引人注目，例如自适应差分脉码调制(ADPCM)、多脉冲激励线性预测编码(MP-LPC)、码激励预测编码(CELP)等，数码率可下降到4～8kb/s，且可保证一定的话音质量。此外，各国对音乐、广播、电视、图像等信源编码的研究也在大力进行中。3.8.3加密与解密技术

为了保证数字信号与所传信息的安全，防止无权用户干扰和窃密，一般应采取加密措施。数字信号比起模拟信号来易于加密，且效果也好，这是数字通信突出的优点之一。国内的网间隔离安全设备(如防火墙)产品较多，但服务器的安全和与之通信的客户的安全却更为重要。服务器和客户端的软件应具有信息加解密、身份认证、讯问控制、信息完整性和抗否认性验证等内容。在因特网领域，公开密钥密码体制或非对称密码体制的应用比以DES为代表的私钥密码体制要显得更加灵活和实用。在电子商务系统中，数字签名和认证等都是基于公钥体制的。在远程教育系统中，也存在大量信息传输的加密和解密问题。目前的公钥体制仍得到了业界的重视，而加密解密技术在有线数字电视中的应用主要体现在条件接收系统，数字加密为有条件接收提供了一种十分安全且无质量损失的手段。

1.数字电视广播条件接收系统规范

数字电视广播条件接收系统规范是国家广电行业标准化指导性技术文件(GY/Z175-2001)，于2001年9月18日发布的该文件主要参考了DVB系列规范，并结合了国际和国内有关条件接收的生产、开发、试验和应用情况，从我国的国情出发编制而成。该文件由正文和9个附录构成，规定了地面、有线、卫星等数字电视广播系统中条件接收系统的系统构成及总体要求，并在附录中给出了节目信息管理系统与条件接收系统的接口和要求，用户管理系统的接口和要求，智能卡及其与接收机的接口和要求，以及条件接收技术、同密技术、多密技术、多密技术的使用，通用加扰系统和与CA有关的业务信息/节目特定信息(SI/PSI)的规定。

该文件适用于地面、有线、卫星等数字电视广播系统中的条件接收系统。

2.条件接收系统的逻辑结构

典型的条件接收系统由用户管理系统、节目信息管理系统、加密/解密系统、加扰/解扰系统等构成，其逻辑结构如图3-13所示。图3-13条件接收系统的逻辑结构其中系统各部门之间通过相关接口进行通信和数据传输，主要包括节目信息管理接口、用户管理系统接口、复用器接口、智能卡接口等。

1)用户管理系统

用户管理系统主要实现数字电视广播条件接收用户的管理，包括对用户信息、用户设备信息、用户预订信息、用户授权信息、财务信息等进行记录、处理、维护和管理。

系统管理是对整个用户管理系统进行初始化设置和参数配置以及其他系统管理工作，完成系统及子系统之间的配置、管理、控制和执行，并定义系统与其他系统的接口。系统管理的主要目的是保证系统安全可靠地运行。

用户管理的主要功能是编辑和管理用户信息，处理用户的节目定单，检查用户付费情况，产生用户的预授权信息。

用户授权管理负责用户业务开通前的授权预处理操作，主要包括对用户信用度的确认，用户业务与智能卡有效性确认等。

2)节目信息管理系统

节目管理是指为即将播出的节目建立节目表。节目表包括频道、日期和时间安排，也包括要播出的各个节目的CA信息。

节目管理信息被SI发生器用来生成SI/PSI信息，被播控系统用来控制节目的播出，被CA系统用来做加扰高度和生产ECM，同时送入SMS系统。

3)加扰/解扰系统

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。

解扰是加扰的逆过程，在用户接收端的解扰器中完成。

4)加密/解密系统

在条件接收系统中存在两种类型的加密单元，用途如下：

(1)授权管理信息EMM：进行加密处理，然后以授权或分组授权的方式发送到用户接收终端的相应处理装置。

(2)授权控制信息ECM：进行加密处理，ECM信息中包含了对业务的访问准则信息以及用于解扰的信息。

解密操作在接收机端进行。通常为了安全性，解密操作和接收机分离，在一个可分离的模块中进行(如智能卡)，以利于增强系统的保密性。3.8.4信道编码与解码技术

数字信号在信道传输时，由于噪声、衰落以及人为干扰等，将会引起差错，信道编码的目的就是提高传输的抗干扰性。香农曾证明：如果信源的速率低于信道容量，则可采用编码和解码的方法，以任意小的差错概率在有噪声的信道上传输信息。数十年来提出了许多编解码的方法，以减小比特差错概率或者减小所需的比特能量与干扰功率谱密度之比。编解码带来的好处是以带宽或功率的增加为代价的。采用大规模集成电路可实现运算量大、体积小、重量轻的编解码器，从而可获得8dB的性能改善。信道编码的一类基本方法是波形编码，或称为信号设计。它把原来的波形变换成新的较好的波形，以改善其检测性能。编码过程主要是使被编码信号具有更好的距离特性(即信号之间的差别性更大)。属于这类的编码有双极性波形、正交波形、多元波形、双正交波形等。信道编码的另一类基本方法是结构化序列，在信息码外引入一定代数结构的冗余码，用以检出和纠正所发生的差错。这类编码方法可获得与波形编码相似的差错概率，但所需带宽较小。在这一类编码方法中，又有分组码和卷积码。线性分组码中的一个子类是循环码，它可用反馈移位寄存器来实现，易于检错和纠错，是一种很有效的编解码方法。目前分组码中著名的有汉明码、格雷码、DCH码、RS码等。卷积码的主要特点是有记忆特性，所编成的码不仅是当前输入的信息码的函数，而且与以前输入的信息码有关。卷积码的译码算法有多种，如序列译码、门限译码、Viterbi最大似然译码以及反馈译码等。为了纠正成片突发差错码，可采用交织的方法将其转变为随机差错，也可以分组交织或卷积交织。此外，如果采用Viterbi译码的卷积码为内码，以RS码为外码的级联码，则可以达到仅离香农极限4dB。3.8.5多路复用及多址连接技术

有线数字电视按照多址方式可以分为频分多址、时分多址、空分多址、码分多址和混合多址方式。

频分多址(FDMA)的基本特征：是把有线射频频带划分为若干个互不重叠的部分，分配给每个节目频道所要发送的各载波使用。因此，在FDMA方式中，可使各个频道的节目同时发送信号，但各个载波占用的频带是严格分开的。

时分多址(TDMA)的基本特征：是把有线传输信道工作时间分割为周期性的互不重叠的时隙间隔，分配给各节目使用。这样在每个时刻只能有一个节目发送信号，接收端根据接收信息的时隙位置，提取信号，形成节目。空分多址(SDMA)的基本特征：利用无线电波束在空间的不重叠分割，构成不同的信道，将这些空间信道分配给不同的节目，空间波束与信道具有一一对应关系。SDMA实现的核心技术是智能天线的应用，该系统通过不同的空间波束来区分节目。

码分多址(CDMA)的基本特征：基于码型来分割信道，传输信息不是靠频率不同或时隙不同来区分，而在频率、时间、空间上都可能重叠，载波可以相同。各个节目可以同时发射信号，但不同的节目有不同的地址码。该系统通过不同的地址码来区分节目。目前应用较多的是扩频码分多址和跳频码分多址。不同的多址方式具有不同的优势，在实现上也有各自的难点，因此应用的场合也各不同。比如，码分多址具有抗干扰能力强、信号功率谱密度低、隐蔽性好、不需要网络定时等优点，但有频带利用率低、通信容量小、地址码选择较难、捕获时间长等缺点，通常用于军事通信领域。多路复用和多址连接技术都是信道复用问题，目的是充分利用通信资源。不过，多路复用是指把送来的多个信号在基带信道上进行复用，而多址连接则是指多个发射的信号在射频信道的复用。二者都是对多用户合理有效地分配信道资源，基本的方法有频分、时分、码分、空分和极化波分。所有这些方式的共同点在于各用户间互不干扰，在接收端易于区分，它们都是利用信号间互不重叠，在频域、时域、空域中的正交性或准正交性。其中，频分和时分是经典的；码分是利用在时域或频域及其二者的组合编码的准正交性；空分和极化波分则是在不同空域中频率的再利用和在同一空域中不同极化波的再利用。在实际系统中，又多为这些多路和多址技术的组合，如TDM/TDMA，FDM/FDMA等。随着有线电视技术的发展，又出现了名目繁多的随机多址技术，如计算机局域网中的ALOHA及其各种变形、轮询技术等，它们多适用于突发信息的传输。这些多址技术又称为各种算法和协议，它们的性能主要表现在系统传输信息的吞吐量和时延上。3.8.6调制与解调技术

传输信息的方式有两种：基带传输和调制传输。由信源直接生成的信号，无论是模拟信号还是数字信号，都是基带信号，其频率比较低。基带传输就是将信源生成的基带信号直接传送，如音频市话、计算机间的数据传输等。基带传输系统的结构较为简单，但难以长距离传输，因为一般的传输信道在低频处的损耗都是很大的。为进行长途传输，必须采用调制传输的方式。调制就是将基带信号搬移到信道损耗较小的指定的高频处进行传输。调制后的基带信号称为通带信号，其频率比较高。数字电视广播(DVB)传输系统是数字传输系统，因此其中采用的调制技术是数字调制技术。数字调制的基本任务有两个：第一个任务同模拟调制一样，将不同的节目传输信号搬移到规定的频带上，这一功能是由调制器和解调器实现的，它实质上是一个载波耦合的过程；第二个任务是控制传输效率，在DVB传输系统中，可根据需要将频带利用率从2(b/s)/Hz提高至6(b/s)/Hz，这相当于提供了2～6倍的压缩，这一功能是由映射和反映射实现的。实际上，数字调制的主要目的在于控制传输效率，不同的数字调制技术正是由其映射方式区分的，其性能也是由映射方式决定的。数字式的调制技术可分为二进制相移键控(PSK)、频移键控(FSK)、幅度键控(ASK)、连续相位调制(CPM)以及它们的各种组合。但为了提高传输码率和频带利用率，在卫星通信中又考虑到减小互调干扰问题，因此，主要选择恒包络调制，实际采用的是PSK调制，而有线数字电视技术则采用QAM调制。对这些调制信号，在接收端可以进行相干解调或非相干解调。前者需要知道载波的相位才能检测，后者则不需要。各种不同的调制方式具有不同的检测性能。标志各种调制方式的性能指标为比特差错概率，它是比特能量与噪声功率谱密度之比的函数。理想的比特差错概率特性为香农极限。当极限值低于1.6dB时，对于任何信息速率都不可能进行无差错的通信。调制与编码过去一直是分别加以研究的，前者实际上相当于波形编码。在分别优化的基础上将二者统一考虑，使之互相匹配，以达到组合优化。自网格编码(Trelliscode)提出以来，这方面的研究进展很大，在卫星通信中已获实际应用。现已证明，在不增加带宽的条件下，可得净编码增益3～6dB。数字电视广播由于传送媒体的不同，目前有三种不同的传送方式：卫星数字电视广播调制标准、有线数字电视广播调制标准和地面数字电视广播调制标准。由于它们的信号传播性能的不同及所处传送环境的差异，其调制方式也不尽相同，如美国地面广播采用8-VSB或16-VSB调制技术，欧洲和日本地面广播采用COFDM调制技术。目前，卫星数字电视传输国际上