数字电视技术讲座

数字电视技术讲座模拟电视与数字电视MPEG-2数字视频编码及DVB相关技术PSI与SI表条件接收系统(CAS)新的数字电视前端系统架构模拟电视与数字电视模拟电视信号的产生模拟电视信号的产生，是通过扫描的方式将二维的面抽丝成线模拟视频信号的基本参数比较基本参数NTSCPAL扫描方法隔行扫描，每帧两场隔行扫描，每帧两场帧频/场频29.97Hz/59.94Hz25Hz/50Hz扫描行数525625行频15.734KHz15.625KHz可见行数483575传输带宽6MHz8MHz为什么使用数字视频便于利用计算机和数字技术编辑、处理和传输图像无损耗、无噪声累积，有利于反复编辑和复制有利于不同电视制式的相互转换。有利于实现视音频及数据在多媒体平台上的汇集，并便于节目的存储、检索和管理利用数字压缩技术，节省传输带宽资源可适用于多种网络和平台，促进业务的开展易于实现内容加密和版权保护模拟视频信号的数字化电视信号的数字化有两步，抽样和量化：对扫描信号幅度进行等间隔抽样，把连续信号变成离散信号。把每个抽样的值用8比特(或10比特)位数表示。比特数位越多，量化就越细，但是数据量也大。抽样和量化的国际标准国际电信联盟(ITU)1982年制定了适合不同电视制式的统一标准，即ITU-R601规定的演播室用(广播级)分量电视信号的数字化标准对每行水平扫描输出进行抽样。每个抽样点有3个分量：亮度分量和两个色差分量在每行，对亮度分量的抽样频率为13.5MHz，对两个色差分量的抽样频率分别为6.75MHz625行50场制式(PAL)每行有864个亮度抽样525行60场制式(NTSC)每行有858个亮度抽样4:2:2和4:2:0抽样方式数字视频信号的基本参数比较基本参数ITU-R601NTSCITU-R601PALH.261CIF(会议电视)每行亮度抽样858864429/432每行可见亮度抽样720720352每行可见色差抽样360360180每帧可见亮度抽样行480576288每帧可见色差抽样行480480144每帧抽样总数9009001080000450450/540000每帧可见抽样总数691200829440155520总抽样频率27MHz27MHz13.5MHz可见总抽样频率20.736MHz20.736MHz4.6656MHz最高比特率(10bit量化)270Mbps270Mbps135Mbps可见抽样比特率(10bit量化)207.36Mbps207.36Mbps46.656Mbps数字视频信号为什么需要压缩如果每个抽样用10bit量化，则数字视频信号的最高比特率为270Mbps(13.5+6.75+6.75)×10=270根据ITU-R601标准，每行只有720个抽样可见，而且只有部分行可见(PAL可见576行，NTSC可见480行)。所以可见区域编码后的比特率是207.36Mbps如果传输4:2:0格式信号，可见区域编码后比特率是155.52Mbps。除非能够大幅度地压缩这个数字化的视频信号，一般传输方法根本无法传输这么大的数据率(每套电视节目大约需要150～200Mbps带宽)，数字电视广播也无法成为现实数字视频压缩的目的保证图像信息的完整消除图像中的所有冗余信息用最少的比特传输必要的信息1个亮度采样点(Y)2个色差采样点(Cb,Cr)4:2:24:2:0最大限度地降低复杂性和成本数字视频压缩基本思路消除电视图像中的冗余信息时域冗余信息，相邻帧间图像变化不大空间域冗余信息，同一帧图象内，相邻像素变化不大利用人眼的视觉特征对亮度变化的敏感度并不高对色度变化的灵敏度更低在物体边缘和高亮度区域，对噪声的灵敏度降低时域信息冗余分析时域信息冗余的产生PAL制式每秒传25帧图像，两帧相邻图像时间差距是0.04在这么短时间里，图像中大部分没有变化时域信息冗余实例新闻节目中主持人坐在演播室的场景，其固定背景基本不会变化。在很短时间内，例如半秒钟(12.5帧)之内，主持人的姿态变化也很少，所以图像其它部分基本没有变化当电视图像背景变化不太大时，即使图像中有运动物体，仍存在大量冗余信息。例如一般的远景画面压缩时域冗余信息没有变化的信息不需要重复编码图像静止或活动很缓慢时，可以隔帧处理利用帧间压缩时域里的冗余信息，比单纯采用帧内压缩的效率要高10倍以上。在图像中活动缓慢区域，帧间压缩方法效果好，在快速活动区域，帧间压缩方法失真大，而帧内压缩方法性能比较好。空间域信息冗余分析空间信息冗余在任何图像里有很多像素与其周围的其它像素相同空间信息冗余实例天空中如有一点是蓝色，它附近一片也会是蓝色图像中亮度低于某一阈值即可以丢弃，因为人眼看不出黑色之间的区别。MPEG-2数字视频编码及DVB相关技术MPEG-2简介MPEG——运动图像专家组，ISO下属国际标准组织，专门制定影像和声音压缩编码标准的组织MPEG-2的分类与分级简单类主类4:2:2类SNR可分级类空间可分级类高级类高级1920×115280Mpbs100Mpbs高级1440×115260Mpbs60Mpbs80Mpbs主级720×57615Mpbs15Mpbs50Mpbs15Mpbs20Mpbs低级352×2884Mbps4Mbps备注无B帧4:2:0不分级有B帧4:2:0不分级有B帧4:2:2不分级有B帧4:2:0SNR可分级有B帧4:2:0SNR可分级空间可分级有B帧4:2:0或4:2:2SNR可分级空间可分级MPEG-2压缩技术要点不是对图像本身编码，而是对图像相关信息编码•图像中的变化•图像中物体的运动•用数学方式描述这些变化和变动帧间编码——运动补偿预测编码帧内编码——DCT离散余弦变换量化以及变长熵编码运动补偿预测编码——压缩时域信息冗余对图象活动部分的运动规律进行预测只对运动规律进行编码MPEG-2多种预测图像格式I-图像(帧内编码图像)空间域DCT压缩编码，只利用本帧内的信息P-图像(前向预测编码图像)以I-图像为参考，通过运动补偿所预测出的图像B-图像(双向预测编码图像)以I-图象和基于I-图象预测得到的P-图象，通过运动补偿所预测出的位于两者之间的图像。图像组(GOP)和帧间编码GOP组越长，编码效率越高GOP组越短，技术上越容易实现I帧要求的码率最高MPEG-2和DVB数字电视传输标准系统(传输流内容要求、传输、接收)视频(图像格式、视频码流内容要求、解码)音频(音频信号的编码、码流内容要求、解码)TS流中的其它信息PSI/SI表传输流(TS流)里有什么视频节目(多个)电视节目的伴音(有些节目有多个伴音)数据广播，如图文电视数据、IP广播数据电子菜单数据等条件接收系统的授权管理和控制信息MPEG/DVB规定的表格传输流的生成流程图传输流的生成数字化和量化模拟视音频源压缩数字视频和音频信号，产生视频和音频基本码流把视频和音频基本码流封装为基本流(PES)分包把控制管理信息、电子菜单、数据广播信息以及其它数据信息也封装为PES分包PES包含有关基本流的信息，共解码时使用把PES码流封装为传输流数据包，然后将所有包复用成一个传输流(TS)TS(固定长度为188bytes)包含有关传输和解复用所需信息，这些信息全部分布在各个小分包里，PID(分包识别号)是识别各种信息的最重要工具MPEG-2传输流传送包的长度为188bytes每一传送包开销均具有一段包标识(PID)每一信息净负荷均包含某个基流的信息MPEG-2传输流实例PIDheadhead视频、音频、数据及系统信息信息净负荷(Payload)188bytes开销(Header)视频编码器音频编码器音频编码器数据编码器27MHz时钟格式化与复用PES→MPEG单节目MPEG传输流TS流的传输与调制方式的选择调制方式的选择有两个考虑传输通道的干扰情况和信噪比传输效率。符号率决定传输带宽；每个符号里比特越多，固定带宽所传输得比特率就越高在有线网里，信噪比大(30dB)，可以采用高效率的正交幅度调制方式(QAM)卫星广播，信噪比很低(可能0dB)，必须采用抗干扰能力强的调制方式，如正交相位调制方式(QPSK)地面广播，多径传输干扰非常严重，宜使用宽带调制方式，如编码正交频分复用(COFDM)QAM调制及星座图64QAM效率高，每个符号可传输6bit。但星座矢量之间距离近，每个矢量受到干扰而移位后时容易与其它矢量混淆，造成较高的误码率。QPSK效率比QAM低，每个符号只能传输2bit。但星座矢量之间距离远，每个矢量的允许漂移空间大；信噪比很低时仍可正确辨别各个矢量。传输通道中MPEG-2传输流的带宽64QAM16QAMQPSKPID121MTV视频PID1338NBC视频PID57MTV音频PID6524CBS音频-英语PID2099NBC音频-法语PID0节目关联表PID1338NBC视频PID1有条件接入表RSCurrMBWR1Ru=有效TS流比特率(复用器输出，包括视频、音频、EPG、CAS、数据等)BW=传输通道带宽a=传输通道频率响应参数M=每符号代表几个比特(QPSK=2，16QAM=4，64QAM=6)rc=卷积码效率(1/2,5/8,3/4,7/8。如不用卷积码则为1)rRS=RS码效率=188/204MPEG-2传输流带宽计算实例MPEG-2传输流各项参数有线电视网，不用卷积码模拟频道带宽BW=8MHz频道频响参数a=0.15使用64QAM调制器，M=6计算结果有效传输流比特率=38.4Mbps如果每套节目压缩编码用4Mbps，那么每8MHz的模拟频道里可传输8套节目MPEG-2数字视频传输通道容量估算8MHz模拟频道可提供码率带宽使用64QAM每8MHz可提供38Mbps带宽使用256QAM每8MHz可提供52Mbps带宽MPEG-2编码效率一般节目:2to4Mb/s体育及有快速运动的节目:6to9Mb/s卡通:1.5to3Mb/sMPEG-2数字视频传输通道容量估算使用64QAM每8MHz可传送6至9套MPEG-2节目使用256QAM每8MHz可传送8至13套MPEG-2节目统计复用后，使用256QAM每8MHz可传送大约16套MPEG-2节目PSI与SI表PSI/SI表的重要意义机顶盒接收到的传输流里复用了众多节目和各种信息。这些信息并不一定是按顺序依次送到机顶盒的当用户在机顶盒遥控器上选了一个节目，机顶盒需要知道调到哪个频率；哪个节目能看，哪个节目不能看；到哪找能看的节目的码流；如果节目被加密了，怎么找到解密钥匙机顶盒怎样从一个传输流里千千万万个分组包当中找到用户想看得节目呢？答案——依靠PID和PSI/SI表PSI/SI表的定义为了协助机顶盒在传输流中浏览，MPEG和DVB在标准中规定了一些信息表MPEG-2定义了三个主要表(PAT、PMT、CAT)，统称PSI表(节目信息表)PAT表提供每个节目的PMT表PMT表提供节目的基本流(视频流、音频流、数据流等)PSI各表里的信息只与本传输流内的节目及服务有关DVB补充定义了一些表(NIT、BAT、SDT、EIT、RST、TOT、ST)，统称SI表(服务信息表)SI表向机顶盒提供有关其它流或其它网络的信息PSI表功能使机顶盒可以从单TS流中挑选出所需节目机顶盒根据过滤出的PID号,迅速地将不同节目的视频、音频、数据信号分类并组合到一起机顶盒根据PSI表所提供的必需的数据，从组合的节目中找到所需节目并提供给观众PSI表的生成与内容PSI表一般由前端系统网管产生，并送入复用器PSI表是独立生成的三个PSI表PAT(ProgramAssociationTable)传输流根目录节目与特定传输流的关联PMT(ProgramMapTable)所有PID与节目间的路由(映射)信息CAT(ConditionalAccessTable)CAS信息PAT——节目关联表PID值恒为0x0000解码器解出节目时的第一步告诉解码器在传输流什么位置找出每套节目的“地图”告诉解码器PMT表所在包的PID值PMT——节目映射表PMT从PAT表找到其PID值列出具体节目的视频，音频