有线数字电视系统技术

1有线数字电视技术中国传媒大学宽带网络研究所金立标博士中国传媒大学2内容大纲第一部分数字电视基础第二部分数字电视前端系统数字电视前端硬件系统有线数字电视传输网络数字电视前端软件系统第三部分数字电视增值业务平台第四部分三网融合与数字电视传输网络3第一部分数字电视基础4数字电视基础何为数字电视？节目数字化传输数字化接收数字化数字电视与模拟电视的区别？传输方式：调制解调、TS流波形：正弦波、余弦波、脉冲频带利用率条件接收5数字电视基础数字电视系统基本构成视频压缩多路复用音频压缩信源编码信道编码调制视频音频数据信道接收机6数字电视基础1.1、基本概念信道与带宽信道可以分为两种：传输模拟信号的称为模拟信道传输数字信号的称为数字信道。信道所能传送信号的频率宽度，称为带宽。理想带宽实际带宽7数据传输速率比特率：单位是bit/s简写b/s或bps，表示每秒传输多少个二进制元素。波特率：也就是符号率，每秒传输的符号个数。R=Blog2N（b/s），其中R是比特率，B是波特率，N是n比特的符号数。符号率＝带宽/1+a，a为升余弦滚降系数。数字电视基础8误码率也叫码元差错率，指信号传输过程中系统出现错误码元数目与所传输码元总数之比值，即Pe＝传错码元个数/传输码元总数误比特率也叫比特差错率，是指传错信息的比特数与所传输的总信息比特数的比值，即Pe＝传错信息比特数/传输的总信息比特数9数字电视基础数字电视分类LDTV：比特率为1～2Mbps，显示清晰度约300线；SDTV：比特率为3～8Mbps，清晰度为350～600线，图像分辨率720×756（PAL）。HDTV：比特率为18～20Mbps，显示清晰度为800～1000线，图像分辨率为1920×1080.注：以上比特率为MPEG－2压缩后速率。10数字电视基础有线数字电视标准DVB-CATSC-64QAMATSC-16VSBISDB-C调制方式16-64QAM64QAM16VSB64QAM带宽8MHz6MHz6MHz6MHz传输速率31.64Mb/s41.34Mb/s43.05Mb/s30.31Mb/s滚降系数15%15%11.5%18%纠错编码RS(204,188)RS(128,122)RS(207,187)RS(204,188)压缩方式MPEG-2111.2、模拟信号的数字化抽样：时间上连续的取值变为有限个离散取值。量化：幅度上无限多种连续的样值变为有限个离散值。编码：用n比特二进制码来表示已经量化了的取样值。传输速率：传输速率=取样频率fs×量化比特数。数字电视基础取样编码量化模拟电视信号数字电视信号12数字电视基础1.2、模拟信号的数字化4321012876543模拟信号4321012876543数字信号13数字电视基础数字电视信号的码率（未压缩）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=270Mbps14数字电视基础高清晰度电视（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=1485Mbps15数字电视基础1.3、信源编码编码器传输带宽要求100Mhz左右传输带宽只要求3Mhz左右4:2:2编码、8bit量化未压缩SDTV信号从传输角度上考虑需要进行电视信号压缩解码器16数字电视基础1.3、信源编码编码器从存储角度上考虑需要进行电视信号压缩解码器10分钟要求130Gb存储容量左右10分钟只要求4Gb左右4:2:2编码、8bit量化一帧SDTV图像数据量8.6Mb17数字电视基础1.3、信源编码信源编码首先将输入的图像和伴音信号进行A/D变换，成为数字信号；然后将数字信号按照信息的统计特性进行变换，以减少信号的冗余度，提高传输效率。信源编码是压缩信号带宽的编码，压缩后单位时间、单位频带内传输的信息量增大。18（1）数据压缩的可能性压缩过程：去除图像中与信息无关或对图像质量影响不大的部分，即冗余部分。电视信号中存在很多这样的冗余部分，这就为压缩提供了可能性。空间冗余视频图像在水平方向的相邻元素之间、垂直方向的相邻元素之间的变化一般都很小，即存在极强的相关性。特别是同一景物各点的灰度和颜色之间往往存在着空间连贯性，从而产生了空间冗余。时间冗余在相邻场或相邻帧的对应像素之间，亮度和色度信息存在着极强的相关性。当前帧图像与前后两帧图像往往具有相同的背景和移动物体，只不过移动物体所在的空间位置略有不同。19数字电视基础（2）数据压缩的标准MPEG-11988年提出，1992年公布为国际标准。是MPEG工作组制定的第一个标准：具有1.5Mbps数据传输速率的数字存储媒体运动图像及其伴音的编码。只处理逐行扫描的图像，对隔行扫描的图像应先转换为逐行扫描格式后再编码。音频编码后的码率32~448kbps。典型应用如VCD等家用数字音象产品。20数字电视基础MPEG-2MPEG是运动图像专家组(MovingPicturesExpertGroup)的缩写，成立于1988年，以建立活动图像及相应音频的编码标准。1988年提出，1994年公布为国际标准，是专门针对数字电视（包括SDTV和HDTV）的信源编码标准。分为4级5类：低级LL、主级ML、高1440级H14L、高级HL；简单类SP、主类MP、信噪比可分级类SNRP、空间可分级类SSP、高类HP。低级最大输出码率是4Mbps。标准清晰度的数字电视主要应用主类和主级MP@ML，最大输出码率为15Mbps（高类主级是20Mbps）。高清晰度数字电视采用主类和高级MP@HL，最大输出码率为80Mbps（高类高级是100Mbps）。21数字电视基础MPEG-4：1993年提出，2000年公布为国际标准。与MPEG–1和MPEG–2有很大不同，它更基于内容的交互性，高的压缩率和灵活多样的存取模式。目前主要用于流媒体。主要是针对多媒体交互应用等通信领域，MPEG-4试图达到两个目标：一是低比特率下的多媒体通信；二是多工业的多媒体通信的综合。音频编码。MPEG-4的优越之处在于，它不仅支持自然声音，而且支持合成声音。MPEG-4的音频部分将音频的合成编码和自然声音的编码相结合，并支持音频的对象特征。视频编码。与音频编码类似，MPEG-4也支持对自然和合成的视觉对象的编码。合成的视觉对象包括2D、3D动画和人面部表情动画等。22数字电视基础H.2641999年开始制定，2004年年底发布。采用了许多不同于以往标准的先进技术，在相同的码率下能够获得更高的图像质量：在相同的SNR下，平均码流H.264比MPEG-4降低41%，比MPEG-2降低67%（一套SDTV/6Mbps降低为1.98Mbps)。引入了面向IP包的编码机制，有利于网络中的分组传输，支持网络中视频的流媒体传输；具有较强的抗误码特性，可适应丢包率高、干扰严重的无线信道中的视频传输；23数字电视基础基于数字音视频编解码技术标准AVS:全面实现了数字视频广播所需的功能，在编码效率上比传统的MPEG-2提高了2到3倍，在计算资源的消耗上降低了30%到50%。AVS的全称是中国数字音视频编解码技术标准工作组，成立的初衷是为了研发国产的音视频标准。最近几年来，国内的DVD等音视频行业饱受国外企业索取专利费的困扰，3C联盟、6C联盟等动辄要求每台DVD交几每元的专利费，甚至有日本企业向中国彩电厂商索取专利费。因此，AVS研发成功，将给中国企业摆脱国外专利费的困扰提供了机会。241.4、信道编码信道编码是指纠错编码，是为提高数字通信传输的可靠性而采取的措施。在发送的信号中增加了一部分冗余，来检测和纠正传输中出现的错误：冗余比特和信息比特之间存在着特定的相关性。个别信息比特在传输过程中遭受损伤，可以利用相关性从未受损的冗余比特中推测出受损比特的值。信道编码牺牲传输效率来换取可靠性。数字电视基础25数字电视基础数字电视中的差错控制采用前向纠错FEC方式：接收端能根据接收到的码元自动检出错误和纠正错误。数字电视的前向纠错包括四个部分：能力扩散、RS编码、交织、卷积编码。（1）能量扩散也称为随机化、加扰或扰码。在数字电视中会出现码流中断的情况，导致调制器发射未经调制的载波信号；信元码流中可能会出现长串的连0或连1，给恢复定时信息造成困难。26数字电视基础能量扩散的作用：信号扩散具有伪随机性质，其已调波的频谱将分散开来，从而降低对其他系统的干扰。连0码或连1码的长度缩短，便于接收端提取比特定时信息。能量扩散的实现：利用伪随机序列发生器。（2）RS编码数字电视中采用（204，188）编码，能纠正8个字节的错误。属于外码编码，适合于纠正突发错误。27数字电视基础（3）交织减小信道中错误的相关性，把常突发错误离散成短突发错误或随机错误。交织深度越大，则离散程度越高：对于（204，188）的RS码，与交织深度I＝12相结合，则具有最多纠正12×8＝96字节的突发错误能力。I越大，纠错能力越强。（4）卷积编码用（n，k，N）表示，n为码长，k为码组中信息码元的个数，每输入k比特，输出n比特，编码效率为R＝k/n。N移位寄存器的段数，也称约束长度。数字卫星电视采用（2，1，7）卷积码，称为内码编码。28数字电视基础为了简单说明交织的原理，只取交织深度=5为例来说明。5×15×25×35×45×15×25×35×4×1×7接收端去交织×4×3发端交织29数字电视基础设传送的码流序列为：X`=(A1,A2,A3,A4,A5,A6,A7,A8,A9,A10,A11,A12,A13,A14,A15,A16,A17,A18,A19,A20,A21,A22,A23,A24,A25)若用矩阵表示交织器的输入，它是按行写入每行5码元，即：A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10X1=A11A12A13A14A15A16A17A18A19A20A21A22A23A24A2530数字电视基础发端交织器是码元分组交织器，25个信息码元分为5行5列，按行输入：当A1输入交织器直通至输出到第1行第1列位置；当A2输入交织器5x1=5位延迟后输出，至第2行第2列位置；当A3输入交织器5x2=10位延迟后输出，至第3行第3列位置；当A4输入交织器5x3=15位延迟后输出，至第4行第4列位置；当A5输入交织器5x4=20位延迟后输出，至第5行第5列位置。经过并行的5个存储器后，有A1A22A18A14A10A6A2A23A19A15X2=A11A7A3A24A20A16A12A8A4A25A21A17A13A9A531数字电视基础按行读出送入信道的码元序列为：X3=(A1,A22,A18,A14,A10,A6,A2,A23,A19,A15,A11,A7,A3,A24,A20,A16,A12,A8,A4,A25,A21,A17,A13,A9,A5)这个码元序列在信道中受到两个突发干扰，到达接收端的码元序列为：X4=(A1,A22,A18,A14,A10,A6,A2,A23,A19,A15,A11,A7,A3,A24,A20,A16,A12,A8,A4,A25,A21,A17,A13,A9,A5)序列中红色码元表示受到突发干扰的码元。在接收端送入去交织器，去交织器结构与发端交织器结构互补，并且同步运行，即并行寄存器自上而下延迟5x4=20,5x3=15,5x2=10,5x1=5,0（直通）。