有线数据广播标准及原理

有线数据广播标准及原理作者：2000-12-2115:58:19.303点击数：9003上海有线电视台蒋龙根闵友钢陶联群王明敏摘要：本文介绍有线数据广播的有关标准，对有线数据广播的传输、加密、信息服务、机顶盒技术原理作深入探讨，提出数据广播在视频、音频、数据信息等方面的具体应用，并展望有线数据广播的发展。关键词：标准数字广播DVB服务信息机顶盒条件接受我国大规模发展有线电视是在90年代初，发展速度非常快，到目前已发展到8000万用户，预计到本世纪末，将达到1亿用户。上海有线网的建设从1993年开始，5年多的发展，已达250万户，成为全球有线第一大网。从规模上讲，有线网络取得了巨大的成功，但是，从传输技术上看，没有大的突破。采用模拟传输，提供的业务范围主要是视频服务。数字卫星直播电视的播出，INTERNET网的兴起，对有线网的冲击很大。在美国，短短几年，10%的有线用户转向卫星直播电视。美国已开始了数字电视的广播，到2005年将全部改成数字广播。澳大利亚近日宣布，2001年开始数字电视广播。数字化时代已经到来，有线传输、广播技术必须跟上，有线数据广播正是顺应这一潮流的产物。所谓有线数据广播是利用HFC网络媒体进行数字化的视频、音频、数据广播。有如下特征：1.传输媒体是HFC宽带网，带宽一般在750M以上，最高达1G。2.传输的信息是数字化的信息，区别于传统HFC上传输的模拟信号。采用数字化传输具有模拟传输不具备的优势，在一个8MHz的频道中，采用64QAM调制，可以传送8-9套经过MPEG-2压缩过的视频节目。这样，大大增加了频道资源，增强了有线电视与卫星直播电视的竞争力。3.图象质量好于模拟电视。从两个方面可以看出，一方面数据广播采用MPEG-2编码，模拟电视的图象质量仅相当于MPEG-1。另一方面，传输过程中，数字信号抗干扰能力好于模拟信号。4.采用数字传输，可以利用条件接受系统，提供特殊信息的有偿服务。公共信息只受月租费，特殊信息，如股评、交通信息、时装信息等可以收费。采用CA（条件接受系统），对特定的业务、组合业务可根据用户的需求设定授权或不授权；5.信息不再限制在传统的视频节目，可以开设音频、多媒体数据业务。特别是数据信息业务是一个新业务，传统的无线电视利用逆程传输数据，一般带宽较窄，只有几十K，无法满足多媒体数据传输的需要。由上可知，数字广播与传统的电视传输技术、经营有较大的差别，本文从数据广播标准、原理及应用三个方面进行阐述。一、有线广播标准介绍数字广播的的标准很多，与有线数字广播密切相关的有MPEG-2、DVB、DAVIC、ASTC等标准。其中，MPEG-2已被国际标准化组织录用为国际标准，DVB、DAVIC是欧洲标准，ASTC是北美标准。也就是说，数据广播标准分为两大阵营。我国广播标准基本上是延用欧洲标准，因此，本文主要介绍欧洲标准。1.1MPEG-2标准MPEG即活动图象专家组（MovingPictureExpertGroup）,是国际标准化组织IEC/JTC1/SC2/WG11的一个小组，成立于1988年，1993年指定出MPEG-1标准（ISO11172），广泛应用于VCD视频光盘，1994制定出MPEG-2标准（ISO13818），DVD采用MPEG-2标准。MPEG-1的码速率为1.5Mbps,图象质量略高于家用录像VHS图象质量，MPEG-2的码速率为4-10Mbps,图象质量接近演播室图象质量，是DVB、ASTC采用的图象压缩标准。MPEG-2标准由三个标准组成：1.ISO/IECIS13818-1（1995）：运动图象与其相关声音的编码－第1部分：系统2.ISO/IECIS13818-2（1994）：运动图象与其相关声音的编码－第2部分：图象3.ISO/IECIS13818-3（1995）：运动图象与其相关声音的编码－第3部分：声音视频数据、音频数据按ISO/IEC13818-2、ISO/IEC13818-3进行编码压缩，经打包器形成包基本码流，与节目、条件接受等信息一同进入复用器。MPEG流分为传送流TS和节目流PS，TS用于有错误的环境，其分组长度为188字节。PS流用于错误较少的环境，如交互式多媒体业务，长度是可变的。MPEG-2被DVB、DAVIC、ASTC采纳为压缩编码标准，但不是广播标准，因此，不详细讨论。1.2视频广播标准DVBDVB组织成立于1993年，DVB组织的目标是建立基于电视业务MPEG-2应用的统一框架，通过此框架，电视工业的数字设备供应商可以实现标准化和兼容性。DVB组织由25个国家200多个成员组成，提供以市场为引导的系统框架，满足电子消费及广播工业的实际需要。该组织提供的一系列标准得到广播界的广泛接受。DVB提供的标准涉及到有线、地面广播、卫星等领域，与有线网密切相关的有如下标准：ETS300429有线电视系统的信道编码和调制ETS300468服务信息（SI）ETS300472ITU-R图文系统B的传输ETS300743字幕系统ETR154MPEG-2实施指南ETR162SI用法指南ETR289通用加扰系统EN50083有线电视前端传送码流接口PRTS101192数据广播有关规定PRTR101202数据广播实施指南（注：ETS指欧洲电信标准）上述有线数据广播中最要的标准是ETS300429、ETS300468、ETR289。ETS300429将有线系统分成功能块，把基带信号进行随机化、编码、交织、位变换、编码等过程。ETS300468在MPEG-2PSI表PAT、PMT、NIT、CAT的基础上，描述了与广播系统有关的SI，主要有信束关联表、服务描述表、事件表、运行状态表、时间表、填充表，用于描述提供的服务、发生的事件、网络运行的状态、时间信息，接受端根据这些信息形成电子节目指南、产生定时信号、获取网络信息。ETR289规定了数字广播通用加扰、条件接受的规则。所谓条件接受就是对特定的业务、业务组合对用户进行授权。这一标准仅规定流程及通用接口，没有规定具体的算法。也就是说，各电视经营者采用的算法可以不一样。这样做，有效地保护电视台的利益，但也带来了相互不兼容的问题。用户如需要看多家电视台的加密节目，势必购买多个IC卡。其中一个解决办法，远地的电视节目由本地的电视台购买播放权后，在本地播放。1.3数字多媒体应用标准DAVIC标准DAVIC（数字音频视频理事会）成立于1994年，目的在于在MPEG-2、DVB、ATMFORUM、MHEG等标准的基础上，使用已有的国际的、区域的、企业的标准，使这些标准统一在一个体系中，提供交互式多媒体应用标准。DAVIC拥有全球200多个成员，包括SAMSUN、PHILIPH、SUN、ALCATE、GI等公司。DAVIC实际上是一个有关视频、音频、数据双向应用标准，其原理如下：DAVIC标准拟提供如下应用：视频点播（VideoOnDemand）远程购物（Teleshopping）准视频点播（NearVideoOnDemand）广播（Broadcast）带回传或不回传通道的增强型广播机顶盒访问INTERNET游戏电子商务到目前为止，DAVIC已出版4个标准：1996.1DAVIC1.01996.9DAVIC1.1WirelessCATVInternet访问电缆调制虚拟机器JAVA实现1996.12DAVIC1.2实现完整INTERNET业务加扰，加密，授权的实现家庭网络IEEE1394高质量视频、音频的实现移动多媒体业务1997.9DAVIC1.3增强型数字交互广播服务及网络管理支持MHEG/JAVA与机顶盒密切相关的技术主要是DAVICAPI及DSM-CC：DAVIC应用程序接口基于MGEH（多媒体/超媒体专家组）。MHGE标准是一个针对多媒体/超媒体应用的国际标准，包括ISO/IEC13522-1、13522-3、13522-4、13522-5、13522-6五个标准。MHEG应用了对象的概念，不仅一般的各种媒体是对象，而且交互式菜单、按钮也是对象。DSM-CC协议是一个特殊的应用协议，用来提供在数字存储媒体上管理ITU-TR.H.222.0|ISO/IEC13118-1比特流所的基本控制函数和操作。DSM-CC是在网络层之上，应用层之下的低层次协议。DSM-CC（数字存储媒体-指令及控制是MPEG-2）标准的一部分，可在一个机顶盒内处理传送流中的多个对象，好象本地与内存、外存交互一样。1.4ATSC及ATVEF标准ATSC是美国高清晰度HDTV标准，最早由日本电视界提出，以模拟电视的高清晰度研制为主。美国则是全数字式的，其底层标准也采用MPEG-2标准，其余标准类似于DVB标准，如SI、CA等。ATSC标准主要用在北美及东南亚地区，DVB标准主要用在欧洲。ATVEF是美国数家公司如CNN、INTEL、TCL联合成立的组织，成立于1995年。目前，第一版已经出台，定义了基于HTML的电视节目的应用，但这一标准并未涉及整个系统的构成，相应的标准估计到1999年出台。1.5数字广播标准层次图从上面介绍可以看出，数字广播的标准很多，主要有两大阵营，美洲阵营、欧洲阵营，我国以往的广播标准大多数是采用欧洲标准，数字广播标准到目前没有发布。二.有线数字广播原理与有线数字广播密切相关的标准是DVB-C、DVC-SI、DVB-CA。DVB-C关于有线系统的帧结构、信道编码及其调制技术，DVB-CA与用户授权、付费电视、加解扰有关，DVB-SI提供有关节目菜单、网络信息、时间的信息，机顶盒技术DVB标准中没有规定。机顶盒一种从模拟向数字的过渡方案，与提供的服务、性能、功能有关，是目前最常用的用户接入设备，这一节也进行探讨。2.1有线系统前端与接受原理有线系统前端与接收原理图如下：2.1.1基带接口与同步该单元将数据结构与信号源格式适配，帧结构与包括同步字节的MPEG-2传送层一致。2.1.2SYNC1变换和随机化减少连1码（或0）以保证定时恢复是数字基带信号传输的重要问题。将二进制数字信息先做随机化，变为伪随机序列，可以减少连码的出现。这种随机化是有规律的，接收端根据同样的随机算法将信息还原。响应的过程也被称之为扰码和解扰。DVB-C随机算法是1+X14+X15，经过这一过程处理的二进制序列周期长度为215-1，产生的序列近似随机化序列。2.1.2编码RS编码采用里德-索洛蒙编码，是一种二进制编码，在MPEG188个包后加上16个奇偶校验字节，8个错误字节可以纠正，码字为（204，188）。码生成多项式：g(x)=(x+λ0)(x+λ1)…(x+λ15)其中λ=02HEX域生成多项式为：p(x)=x8+x4+x3+x2+1纠t个符号的RS码有如下参数：码长n=2m-1个符号信息段k个符号监督段n-k=2t符号最小码距d=2t+1符号方法：在实现RS编码时，应在TS包前加上51个字节0，然后输入RS（255，255）编码器，在完成编码操作时，再去掉这些这些字节。2.1.3卷积交织在通信由于外界因素的干扰,常常回出现突发性干扰,产生突发性错误。突发性错误误码一般比较长，通常纠错码不能提供的纠位数纠错。防止突发性错误一般有两种方法：一种是采用交织码，另一种采用纠错码。交织码一般也有两种方法：一种是矩阵行列转置法，将能纠正T个随机错误的码作为行码，I行组成一个矩阵，这样可以纠正T个突发长度为I的错误。另一种是卷积交织码，这种方法基于Forney的方法。交织器由I=12个分支组成，由输入开关轮流接通输入的字节。这样，在前端由复用器将输入流传输次序打乱，经有干扰的信道传输到达接受端后由去扰器将次序恢复，从而达到抗干扰的能力。每个分支器都有一个长度为Mj字位的FIFO移位寄存器，其中，M=17，1≦j≦17。2.1.4QAM调制正交幅度调制（QAM）用在通信中称为正交幅度键控调制，调制效率好于其它调治方法。DVB-C采用QAM调制，至少要支持64QAM调制。经64QAM调制，在一个模拟频道上，码率为8MHz/1.15（1.15为滚降因子，调制效率6bi