数字电视技术介绍

时间：2005-08-08　　来源：CATV
第三讲 数字视频广播(DVB)
数字电视是在还没有察觉的情况下就已经进入了我们的生活。而我们能够开始感觉到数字技术的冲击只是一个时间问题，今天数字技术已经在我们生活的方方面面有所体现，从电话、传真机到微型电脑，再到目前风靡世界的因特网。
今天， 尽管我们在家里仍然收看的还是模拟电视节目，但是节目制作棚里的设备已经是数字化了，从节目制作棚到发射塔的信号传输也已是数字化了，没有这些节目制作与传输的数字技术，我们的节目质量是无法满足的。当你通过卫星电视网、有线电视网或开路电视网观看电视节目时，你已经是位于数字电视传输的最后一个环节，这一个环节正在经历一场数字化革命,以达到电视节目的全数字化传输。在电视数字化的进程中,国际 DVB组织(Digital Video Broadcasting)提出了全套的解决方案，这-方案涉及我们常用的传输媒介：数字卫星电视(DVB-S)、数字有线电视(DVB-C) 、数字开路电视(DVB-T) 。
电视数字化的时代已经到来!
在欧洲，从1991 年开始，电视台、家电产品生产厂家和标准制订者坐到了一起，商谈组成-个工作组，共同制订数字电视的发展规划，工作组的成员发展很快，这一个由欧洲人发起的组织很快就吸引美国及日本的许多成员，变成了-个世界性组织。 1993年9月工作组起草了一个备忘录，将工作组更名为DVB组织，即国际数字视频广播组织。数字电视的发展进入了新的时代。
根据过去痛苦的教训，工业界决定要以市场的商业需求作为标准制订的指导， DVB组织决定新的技术必须是建立在 MPEG-2压缩算法上的数字技术，必须是市场导向的。
由于相对较低的基础设施费用投入和各国相对简单的标准协调问题,数字卫星电视(DVB-S)网、数字有线电视(DVB-C)网和数字开路电视(DVB-T)网先走一步，发展更快。 1995年 DVB组织确立了数字卫星电视的标准 DVB-S， 1996年数字有线电视DVB-C数字共用天线电视、数字微波电视等标准随之确立，数字开路电视 DVB-T的采用紧随其后，将给整个社会带来更深刻的变化。 I997年以 DVB标准为基础的数字电视已经在全世界普及，拥有了几百万用户。 1998年末，微型计算机用户可以通过在他们使用的微机内插入数字卫星接收卡，用来享受因特网服务。目前，数字地面电视(DVB-T)标准正在逐渐被世界各国所采用，为今后的高清晰度电视开辟了广泛的前景。
DVB标准提供了-套完整的，适用于不同媒介的数字电视广播系统规范，其周全的计划及广范的共识是其成功的关键。从一开始，大家就选定ISO/IEC MPEG-2标准作为音频及视频的编码压缩方式，对信源编码进行了统一，随后对 MPEG-2码流进行打包形成传输流(TS)，进行多个传输流复用，最后通过卫星、有线电视及开路电视等不同媒介传输方式进行传输。
1. DVB标准的核心
●系统采用 MPEG压缩的音频，视频及数据格式作为数据源
●系统采用公共 MPEG-2传输流(TS)复用方式
●系统采用公共的用于描述广播节目的系统服务信息(SI)
●系统的第一级信道编码采用 R-S前向纠错编码保护
●调制与其它附属的信道编码方式，由不同的传输媒介来确定
●使用通用的加扰方式以及条件接收界面
2. DVB音频特点
DVB系统的音频编码使用 MPEG-I LayerII笫二层音频编码，也称做MUSICAM。音频的 MPEG-I Layer II编码压缩系统利用了声音的低声音频谱掩蔽效应，这一人体生理学效应允许我们对于人耳不太敏感的频率进行低码率编码，这一技术的采用可以大大地降低音频编码速率。 MPEG-I Layer II 音频编码可用于单音，立体声，环绕声和多路多语言声音的编码。
3. DVB视频特点
对于视频,国际上采用标准的 MPEG-2压缩编码，MPEG-2视频编码系统由一个大家族构成，每一个系统之间都有兼容性和共同性，根据图像清晰度的不同，它分成四种信源格式或称“等级”(LEVEL)，从录像带(VCR)的低图像清晰度，到高清晰度电视。除了根据图像清晰度定义的“等级”以外， DVB视频标准还定义了“档次”(PROFILE)的概念，每一个不同的“档次”(PROFILE)能够提供构成编码系统的压缩工具和压缩算法。
a)“档次”(PROFILE)
目前在 MPEG-2系统中存在 5个“档次”(PROFILE)，每一个“档次”(PROFILE)都会比它的前一个“档次”更加复杂，更加完善，提供更多的工具,同时其相对应的设备的价格也更高。
“档次”的最初级叫做简单档次(SIMPLE PROFILE)，随后是主档次(MAIN PROFILE)，它比简单档次(SIMPLE PROPILE)增加了编码双向预测的功能，即：B-FRAMES，在使用同样的码流的情况下，它的质量会更好，但算法更加复杂，使用的芯片更多。主档次(MAIN PROFILE)的解码芯片,可以兼容解码简单档次(SIMPLE PROFILE)的编码，这种向下兼容性贯穿整个系列的“档次”。
在主档次(MAIN PROFILE)之后,是信噪比可分级档次(SNR SCALABLE)及空间频谱可分级档次(SPACILLY SCALABLE PROFILE)，这两种“档次”可以调整信噪比与码流率关系,以及图像清晰度与码流率之间的关系，出于其编码的复杂性以及接收设备价格昂贵问题， DVB标准目前不支持这两种“档次”。最高级的“档次”是 HIGH PROFILE，它不仅兼容前面的低极“档次”，兼备所有的功能，而且可以进行多行，同时编码，而前面的“档次”则是逐行编码。
在“档次”中存在两种图像采样方式，即： 4:2:2和4:2:0格式。我们知道电视复合信号可以分成亮度信号分量(Y)和色度信号分量(R-Y,B-Y)，4:2:2格式是对亮度信号进行4个采样，对色度信号(R-Y，B-Y)进行 2个采样，见图3.1； 4:2:0格式的色度信号(R-Y,B-Y)只做隔行采样，如果使用8比特采样,我们可以算出对标准 PAL制电视信号进行采样后的 4:2:2格式图像码流率如下：
亮度信号码流率为： 720× 576× 25帧/秒× 8bit=82.944Mb/s
色度信号码流率为： 2×1/2× 720× 576× 25帧/秒× 8bit=82.944Mb/s
总码流率为： 82.944Mb/s +82.944Mb/s =165.888Mb/s
我们看到没有压缩的电视图像码流率非常高，占用带宽太宽，不适用于传输，即使采用 4:2:0格式,图像码流率也高达 124.416Mb/s, MPEG-2的压缩算法采用除去电视视频信号的时间冗余和空间冗余的算法，使码流率降到 3~8Mb/s仍然获得质量清晰的图象，使数字电视的传输成为可能。
(b)“等级”(LEVEL)
根据图像节目源的清晰度由低到高的不同， DVB MPEG-2标准分成许多“等级”,最低的 LOW LEVEL的清晰度是IU-R-BT、 601建议的四分之一，即： 352×288×25帧/秒。 MAIN LEVEL是完全符合IU-R-BT、 601建议的标准，即：720×576×25帧/秒。HIGH-1440 LEVEL采用了每行 1440个采样的方法。 HIGH LEVEL采用了更高的每行1920的采样方法。
目前在世界上最常用的 MPEG-2标准是 MP@ ML，即： MAIN PROFLE@ MAIN LEVEL,它是第一代数字有线电视和数字卫星电视的基础，节目提供者可以提供 625线质量的节目，图像的长宽比可以是4: 3或 I 6: 9; 至于码流率，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。


4. MPEG-2码流复用及服务信息
参照数字电视传输方框图3.5，音频、视频及数字信号首先经过 MPEG-2编码器进行数据压缩，通过节目复用器形成基本码流(ES)，基本码流经过打包后形成有包头的基本码流(PES)。代表不同音频、视频信号的 PES流被送人传输复用器进行系统复用，复用后的码流叫做传输流(TS)，传输流中包括多个节目源的不同信号，为了区分这些信号，在系统复用器上需要加入服务信息(SI)，使接收端可以识别不同的节目。为了便于理解 DVB传输系统的服务信息，我们对传输码流的结构进行粗略的介绍，传输码流的长度定义为 188个字节长，见下图3.3 。

每个传输流的前4个字节为字头(Header)，字头后面就是需要传送的有用信息，包括音频，视频或数据信息，通常是 184个字节长度，有时在有用信息(Useful Data)中插入一段适配区域(Adaptation Field)，用于补充长度不完整的传输流，放置解码时钟(PCR)。传输流的字头是识别传输流的关键，其结构见下图3.4，由 32个比特组成，其含义见下图3.4。

在字头32比特中，13位的 PID码特别重要，它是辨别码流信息性质的关键，是节目信息的“身份证”，不同的电视节目和服务信息(SI)对应有不同的 PID码。对于一台解码接收机而言，为了找到它所要接收的电视节目，它首先通过 PID码找到服务信息(SI)所对应的不同表格(Table),DVB标准定义了如下服务信息表格：
PAT: Program Allocation Table 节目分配表
CAT: Conditional Access Table 有条件接收表
PMT: Program Map Table 节目分布表
NIT: Network Information Table 网络信息表
SDT: Service Description Table 服务描述表
EIT: Event Information Table 事件信息表
TDT：Timeand Date Table 时间日期表
通过这些服务信息表格，可以查到所要接收节目的PID码和对应的时钟PCR，节目就可以还原。
DVB标准的传输系统分成信源编码(Source Coding)和信道编码(channel Coding)两部分，信源编码采用 MPEG-2码流。首先，对音频和视频进行节目复用，然后再将多个数字电视节目流进行传输复用。
信道编码包括：前向纠错编码、解码、调制、解调和上下变额三部分。前向纠错码根据不同的传输媒介采用不同的组合。卫星传输采用 QPSK调制，有线传输采用 QAM调制，开路传输采用 COFDM调制或 I6VSB调制。见图3.5。

1. DVB标淮卫星传输系统 DVB-S
数字卫星电视的传输是为了满足卫星转发器的带宽及卫星信号的传输特点而没计的。卫星系统是一个单载波系统，如果我们将所要传输的有用信息称为“核”，那么它的周围包裹了许多保护层，使信号在传输过程中有更强的抗干扰能力，视频、音频以及数据被放入固定长度打包的MPEG-2传输流中，然后进行信道处理，在卫星系统中，信道处理过程包括：
(a) 首先进行同步字节的倒相，倒相字节的长度为每 8个字节进行一次。
(b) 然后进行数据的能量扩散，数据随机化，避免出现长串的0或1。
(c) 为每个数据包加上前向纠错的 R-S编码，也叫做外码。 R-S编码的加入会使原始数据长度由原来的188字节增加到 204字节。
(d) 进行数据交织。
(e) 加入卷积码纠错，也称内码，内码的数量可以根据信号的传输环境进行调节。
(f) 最后对数据流进行 QPSK调制。见图3.6。

总之，传输系统首先对突发的误码进行离散化，然后加入 R-S外纠错码保护，内纠错码是可以根据发射功率，天线尺寸以及码流率进行调节变化。举例来讲，一个36MHz带宽的卫星转发器采用3/4的卷积码可以达到的码流率是39Mb/s，这一码流率可以传送5-6路高质量电视信号。见图3.7。

2. DVB标准有线传输系统 DVB-C
数字有线电视采用与卫星同样的“核”，即 MPEG-2压缩编码的传输流。由于传输媒介采用的是同轴线，与卫星传输相比外界干扰小，信号强度相对高些，所以前向纠错码保护中取消了内码。调制方式改成 64-QAM方式，有时也可以采用 I6-QAM，32-QAM或更高的 128-QAM，256-QAM。对于 QAM调制而言，传输信息量越高，抗干扰能力越低。在一个 8MHz标准电视频道内，如果使用 64-QAM，所传输的数据速率为 38.5Mb/s。见图3.8。
3. DVB标准开路传输系统 DVB-T
开路传输系统的标准是1998年2月批准通过的。第一个正式的开路传输系统于I998年初开始运营。 MPEG-2数字音频、视频压缩编码仍然是开路传输的核心。其它特点是，采用 COFDM调制方式，在这种调制方式内，可以分成适用于小范围的单发射机运行的2k载波方式，适用于大范围多发射机的8k载波方式。 COFDM调制方式将信息分布到许多个载波上面，这种技术曾经成功地运用到了数字音、视频广播DAB上面，用来避免传输环境造成的多径反射效应，其代价是引入了传输“保护间隔”。这些“保护间隔”会占用一部分带宽，通常 COFDM的载波数量越多，对于给定的最大反射延时时间，传输容量损失越小。但是总有一个平稳点，增加载波数量会使接收机复杂性增加，破坏相位噪声灵敏度。
由于COFDM调制方式的抗多径反射功能，它可以潜在地允许在单频网中的相邻网络的电磁覆盖重叠，在重叠的区域内可以将来自两个发射塔的电磁波看成是一个发射塔的电磁波与其自身反射波的叠加。但是如果两个发射塔相距较远，发自两塔的电磁波的时间延迟比较长，系统就需要较大的保护间隔。
从前向纠错码来看，由于传输环境的复杂性， DVB-T系统不仅包含了内外码(Outer Code， Inner Code)。而且加入了内外交织( Outer Interleave， Inner Interleave )。
有条件接收
数字电视的有条件接收是一个比较复杂的题目，各个国家、各个公司都希望保守自已的秘密，大家很难达成一致意见，最终 DVB标准达成以下共识：
a) 两种加解扰方式共存于市场，第一种为“Simulcrypt‘，每台接收机只能使用单一的解扰方式，排斥其它的解扰方式。第二种为”Multrypt‘，每台接收机通过定义的公共接口(Common Interface)允许使用多种解扰方式。
b) 定义一种公共的加解扰算法，使消费者使用单一的解码器。
c) 要求条件接收的供应商提供进入数字解码器的接口方法。
d) 公布有条件接收公共接口(Common Interface)的技术规格。
e) 起草反盗版建议。
f) 有条件接收系统供应商向其它数字电视生产厂商所提供的产品必须是合情合理的产品,并且是禁止排斥公共接口(Common Interface)的产品。
g) 有条件接收系统必须允许节目经营者之间的有条件控制转移，比如卫星有条件接收的节目进入有线网后，原有的有条件接收系统可以被新的有条件接收系统所替换。