数字电视___唐明光教授

数字电视体系及有线数字电视传输技术唐明光电子科技大学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1920×1080（16：9）SDTV：图像分辨率720×756（PAL）720×480（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）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３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/T170—2001“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、JavaScript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-TDVB-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输系统模式1）传输等级LDTV，SDTV，HDTV2)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-CATSC-16VSB，ATSC-64QAMISDB-C2)四种方式：DVB-CATSC-64QAMATSC-16VSBISDB-C传送方式16-64QAM64QAM16VSB64QAM频带宽度8MHz6MHz6MHz6MHz传输速率31.64Mb/s41.34Mb/s43.05Mb/s30.31Mb/s接收滚降13%15%11.5%18%纠错率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“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=（2.2～2.7）fmfm=5.8-6MHzfs≥12.76～13.2MHz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=15625Hz×864(625/50)=15734.264Hz×858(525/60)亮度信号取样频率取样13.5MHz色差信号取样频率：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=4：4：4Y：(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。4：4：44：2：24：2：0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γ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γ校正的信号EY，ER-EY，EB-EY或ER，EG，EB2，各信号的全行样点数8648583，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13.5MHz5，编码方式每样值至少8比特均匀量化PCM6，用样点表示的数字有效行长度至少7207，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级对应值（范围：0—255）ITU-R601建议演播室分量编码主要参数(4∶2∶2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)864858每个色差信号(R-Y、B-Y)4324293、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=13.5MHzX10bit=135Mbps2个色差信号的码率为2X6.75MHzX10bit=135MbpsSDTV的总码率为亮度信号码率+2个色差信号码率=135Mbps+135Mbps=270Mbps2）高清晰度电视（HDTV）：在SMPTE274M数字电视标准中，采用10bit量化时，亮度信号的码率为取样频率X量化比特数=74.25MHzX10bit=742.5Mbps2个色差信号的码率为2X37.125MHzX10bit=742.5MbpsHDTV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，8bit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=720X480X8X30=82.944Mbps2个色差信号的有效码率为：2X360X480X8X30=82.944Mbps总有效码率为：亮度信号有效码率+2个色差信号有效码率=82.944Mbps+82.944Mbps=165.888Mbps（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=720X576X8X25=82.944Mbps2个色差信号的有效码率为：2X360X576X8X25=82.944Mbps总有效码率为：亮度信号有效码率+2个色差信号有效码率=82.944Mbps+82.944Mbps=165.888Mbps（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=497.664Mbps2个色差信号的