数字电视技术概述

1数字电视技术概述2一、数字电视系统概述1.1数字电视基本概念数字电视是数字电视系统的简称，是指音频、视频和数据信号从信源编码、调制到接收和处理均采用数字技术的电视系统。国际上的精确定义：将活动图像、声音和数据，通过数字技术进行压缩、编码、传输、存储，实时发送、广播，供观众接收、播放的视听系统。从广义上说，数字电视是数字传输系统，是原有电视系统的数字化。3一、数字电视系统概述1.2数字电视广播系统基本构成数字电视广播电视系统由信源编码、多路复用、信道编码、调制、信道和接收机组成。41.2数字电视广播系统基本构成（续）信源编码是对视频、音频、数据进行压缩编码的过程。辅助数据可以是独立的数据业务，也可以是和视频、音频有关的数据，如字幕等。多路复用是将视频、音频和数据等各种媒体流按照一定的方法复用成一个节目的数据流，将多个节目的数据流再复用成单一的数据流的过程。信道编码是指纠错编码。为了能在接收端和纠正传输中出现的错误，信道编码在发送的信号中增加了一部分冗余码，即通过牺牲信息传输的效率来换取可靠性的提高。51.2数字电视广播系统基本构成（续）调制是指为了提高频谱利用率，把宽带的基带数字信号变换成窄带的高频载波信号的过程。信道有卫星广播信道、有线电视信道和地面广播信道等。接收机的功能包括调谐、解调、信道编码、解复用、视音频解压缩、显示格式转换等。有线数字电视系统基本结构CA与用户管理系统独立加扰器TS（CA）（ASI接口）CA与用户管理系统独立加扰器TS（CA）（ASI接口）QAM调制器TS（ASI接口）RFQAM调制器TS（ASI接口）RF应用软件中间件数据、网管系统增值服务/数据应用软件中间件数据、网管系统增值服务/数据(MPTS)视频音频MPEGMPEGMPEG编码设备TSSDIAESTS（ASI接口）(SPTS)复接设备(MPTS)视频音频MPEGMPEGMPEG编码设备TSSDIAESTS（ASI接口）(SPTS)复接设备卫星接收机IRD(MPTS)TS卫星接收机IRD(MPTS)TSSDH网（国干、省干）TS（DS3接口）去中央节目平台去地、市服务平台SDH网（国干、省干）TS（DS3接口）SDH网（国干、省干）TS（DS3接口）去中央节目平台去地、市服务平台电视机。。机顶盒AVQAM调制器RFHFC网（市内）电视机。。机顶盒AV电视机。。电视机。。机顶盒AVQAM调制器RFHFC网（市内）ASI接口节目平台节目播出节目存储节目采集节目制作(MPTS)ASI接口节目平台节目播出节目存储节目采集节目制作(MPTS)71.3数字电视技术分类按信号传输方式可分为：地面无线数字电视卫星数字电视有线数字电视81.3数字电视技术分类（续）按图像清晰度可分为三大类：1）标准清晰度电视SDTV：质量相当于目前模拟彩色电视系统的数字电视系统，也称为常规电视系统。即符合ITU-R601标准的数字分量编码4:2:2的视频，经数据压缩处理后所能达到的图像质量。其清晰度约为500电视线，视频数码率约为5Mb/s。91.3数字电视技术分类（续）2）高清晰度电视HDTV：需至少720线逐行或1080线隔行扫描，宽高比为16:9，采用数字压缩音响。视频数码率约为20Mb/s或以上。3）数字低清晰度电视LDTV：图像清晰度约为300电视线，视频数码率约为1~2Mb/s，图像质量与VCD相当。另外还有一种增强清晰度电视EDTV，图像质量介于SDTV与HDTV之间。101.4数字电视主要优势1）数字信号处理、传输使信号质量大大提高数字信号在记录/重放、信号传输和处理等过程中不会引起信号劣化，通过整形和纠错编码等技术可将数字信号有效还原，收端图像质量与发端基本一致。以视频编码比特率为4～5Mb／s的数字信号，传输到用户清晰度提到480线，主观评价约4.3分。而模拟信号只有3分左右。（模拟电视经电视中心、微波、卫星、发射机和接收机各环节后为五级质量制评定为3.25级）。111.4数字电视主要优势（续）2）频谱资源利用率高有线电视数字化，节目容量大大提高。如1个8MHz模拟频道可以传6～10套数字电视节目。500MHz带宽内可以传380～630套节目。HFC网络改造(1G)会使容量进一步提高。3）多信息、多功能数字技术有利于电视节目与数据的融合。大大扩展服务内容。如电子节目指南、财经信息、视频点播、歌唱点播、新闻选取、远程教育、电视购物、交互游戏等新颖的增值服务。121.4数字电视主要优势（续）4）数字化带来有效的用户管理系统数字化使得信号非常容易实现加扰、解扰和加密、解密，便于开展各类收费业务。条件接收（CA）系统的应用，可以实现对用户的有效管理，确保运营商的资金回报。13二、数字电视标准目前，数字电视广播有三个相对成熟的标准制式：欧洲的DVB（数字视频广播）标准美国的ATSC（先进电视制式委员会）标准日本的ISDB（综合业务数字广播）标准142.1DVB标准概述（续）传输标准：DVB-S：用于11/12GHz频段的数字卫星系统，适用于多种转发器带宽与功率，传输层最大码率为38.1Mbps。DVB-C：用于8MHz的数字有线电视系统，与DVB-S系统兼容，传输层最大码率38.1Mbps。DVB-T：用于6、7、8MHz的地面数字电视广播系统，传输层最大码率24Mbps。DVB还有多种网络接口标准。152.1DVB标准概述DVB是一个由全世界25个国家超过200个组织参加的项目组织，起源于欧洲。其主要目标是找到一种对所有传输媒体都适用的数字电视标准协议（信道编码协议）。162.2DVB标准的核心1）基带处理：采用MPEG压缩的音频、视频及数据格式作为信源压缩与编码（ES流）。采用公共MPEG-2传输流（TS流）复用方式。采用公共的业务信息用（SI）。系统的第一级信道编码采用R-S前向纠错编码保护。172.2DVB标准的核心（续）2）信道编码调制方式：DVB-S采用QPSK四相相移键控调制方式；DVB-C采用QAM正交幅度调制方式；DVB-T采用COFDM多载波频分复用技术。3）条件接收：使用通用的加扰方式以及条件接收系统（CA）。4）其他：（数字广播、交互操作)；网络传输接口(Interfacing)；因特网协议(IP)；测量(Measurement)；家庭多媒体平台(MHP)等。182.3DVB视频特点演播室数字视频标准是SDI。而DVB系统的视频采用标准的MPEG-2压缩编码，它分成4种信源格式或称“级”（LEVEL），从录像带的低图像清晰度，到高清晰度电视。DVB视频标准还定义了5个“类”（PROFILE）的概念，每一个不同的“类”（PROFILE）能够提供构成编码系统的压缩工具和压缩算法。在“类”中存在两种图像取样方式，即：4：2：2和4：2：0格式。192.3DVB视频特点（续）目前在世界上最常用的MPEG-2标准是MP＠ML。即（主类／主级），它是第一代数宇有线电视和数字卫星电视的基础。图象宽高比可以是4：3或16：9。至于码率，它是由节目提供者根据节目质量来选定的，图像质量越高，所需码流率越高，反之则越低。20三、信源编码3.1视频信号的数字化模拟信号通过以下三个步骤编码为二进制数字信号的过程成为模/数变换（A/D变换）或PCM（脉冲编码调制），所得到的信号也称为PCM信号。抽样：每隔一定时间取一次信号值量化：将每一个抽样的幅度赋值编码：按规律将量化后的值转换为二值或多值的数字信号流。213.1视频信号的数字化（续）奈奎斯特取样定理：取样频率大于或等于模拟信号中最高频率的两倍，就可不失真地恢复原信号。最高频率的两倍也叫折叠频率。一般取样频率为最高频率的3~5倍。223.1视频信号的数字化（续）模拟电视有PAL、NTSC等制式，数字化后会形成不同制式的数字视频信号，不便于国际数字视频信号的互通。因此，国际电联出台了BT.601分量数字系统建议。我国对应的国家标准为GB/T14857-93《演播室数字电视编码参数规范》。233.1视频信号的数字化（续）BT.601建议采用对亮度信号和两个色差信号分别编码的分量编码方式，对不同制式的信号均采用相同的取样频率，对亮度信号Y采用的取样频率为13.5MHz。由于色度信号带宽远比亮度信号的带宽窄，因此对色度信号U和V的取样频率为6.75MHz。色度信号的取样率是亮度信号取样率的一半，常称为4:2:2格式，可以理解为每一行里Y、U、V的样点数之比为4:2:2。243.2图像压缩编码的主要技术与标准主要标准包括CCITT的H系列、JPEG和MPEG：H系列：针对电视电话会议，传输码率为64kbps~1.92Mbps。编码方法包括DCT变换、可控步长线性量化、变长编码及预测编码等。JPEG：针对静止图像压缩编码。是一种不含帧间压缩的帧内压缩编码方法，有利于编辑，其主要编码过程与H.261的帧内编码过程大致相同。253.2图像压缩编码的主要技术与标准（续）MPEG：针对运动图像的压缩编码。包括有MPEG-1和MPEG-2标准：1）MPEG-1主要针对运动图像和声音在数字存储时的压缩编码，典型应用如VCD等家用数字音像产品，其编码最高码率为1.5Mbps。2）MPEG-2则针对数字电视的视/音频压缩编码，其编码率可为3~100Mbps。MPEG的基本编码过程与H系列类似，即通过DCT进行帧间压缩，不同是MPEG在预测编码中加进了一个双向预测帧—B帧。26四、有线数字电视码流结构基本概念：数字信号的复接与分接模拟电视系统中，多路模拟信号是用频分复用―FDM方式复合在一起的。FDM的缺点是各信号间易相互干扰，而且频谱利用率比较低。而在数字电视系统中，多路ES流的复合和多路节目传送流的复合均是采用时分复用―TDM方式：图像、声音、数据的ES流构成一路TS流进行传输，从时间上看TS流中各路ES流是分时轮流传输的。多路节目的TS流也以同样方式复合构成更高速率的传输流。在多路数字信号间实现TDM的过程称为数字复接，逆过程称为数字分接。274.1TS码流基本结构：MPEG-2的结构分为压缩层和系统层。1）一路节目的视、音频及其它辅助数据经数字化后，通过压缩层完成信源压缩编码，分别形成基本码流ES（1.5-15Mbps码流可调）。2）系统层将不同的基本流ES分别加包头打包（分组）为PES包。PES又称为分组基本码流。这一步骤在打包器内实现，PES的长度可在一定范围内变化。284.1TS码流基本结构（续）：3）将视频，音频的PES流以及辅助数据按不同的格式再打包，然后进行复接，即分别生成了TS流和PS流。TS包固定为188B，由包头（4B）和需要传送的有用信息即负载（184B）组成，有时在有用信息前插入一个调整字段，用于补充长度不完整的TS包，或放置节目参考时钟（PCR），PCR以固定频率插入包头，表示编码端的时钟，解码端根据PCR调整时钟，保证正确解码。4）单个节目的TS流叫SPTS，多节目TS流称为MPTS。294.1TS码流基本结构（续）：包头4个字节前缀是链接字头，包括同步字节0x47和数据包识别号PID（13位=8192），从PID可以判断其后面净荷的数据类型，是视频、音频流、PSI还是其它数据包。传输包（TS）码流语法结构包头净荷188字节包头净荷188字节包头净荷188字节TS码流同步字节（0x47）传输差错指示负荷单元开始指示传输优先级数据包识别号PID传送加扰控制自适应字段控制连续计数器自适应字段8位1位1位1位13位2位2位4位传输包（TS）码流语法结构包头净荷188字节包头净荷188字节包头净荷188字节TS码流同步字节（0x47）传输差错指示负荷单元开始指示传输优先级数据包识别号PID传送加扰控制自适应字段控制连续计数器自适应字段8位1位1位1位13位2位2位4位包头净荷188字节包头净荷188字节包头净荷188字节TS码流同步字节（0x47）传输差错指示负荷单元开始指示传输优先级数据包识别号PID传送加扰