（信息与通信工程专业论文）数字电视信号监测系统的研究与应用.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 捅要 数字电视技术是上个世纪末新兴的几大技术之一，数字电视技术的进步极大地推动了 数字电视相关产业的发展。随着多种多样数字电视业务的开展，对数字电视信号的监测显 得越来越重要。与以往对模拟电视信号的监测不同，对数字电视信号监测的难度进一步加 大，需要监测的技术参数很多。在数字电视信号的监测中对于数字电视传输码流的监测是 其中的监测重点。本文从实际应用的角度对数字电视监测系统尤其是其中的传输码流监测 系统进行了深入的研究和详细的设计并通过相关的硬件设备实现了监测系统。 本文首先介绍了数字电视监测系统的背景和发展历程，接着阐述了数字电视的关键技 术和传输标准并给出了数字有线电视前端系统的框架，详细论述了各主要功能模块。随后 本文对该前端系统进行监测所要监测的技术参数并进行了深入的研究和分析。在此基础上 提出了对于前端系统实行监测的系统方案并对系统方案的各个组成模块进行了设计和分 析。其中对数字电视传输码流监测模块进行了详细设计和分析。该方案能够对数字电视前 端系统实现从内容，传输码流，传输质量三个方面的监测。最后采用相关的硬件设备实现 了监测系统的部分模块。本文提出的数字电视监测系统方案具有较高的可行性和较强扩展 性以及很好的性价比。 关键词：数字电视监测前端系统传输码流 南京邮电大学硕士研究生学位论文a b s t m c t a b s t r a c t d i g i t a lt vt e c h n o l o g yi so n eo fs e v e r a ln e wt e c h n o l o g i e si nt h ee n do fl a s tc e n t u r y d i g i t a l t e l e v i s i o nt e c h n o l o g yh a sg r e a t l yp r o m o t e dt h ed i g i t a lt e l e v i s i o ni n d u s t r i a l 。w i t ht h ed e v e l o p m e n t o fv a r i o u sd i g i t a lt e l e v i s i o nb u s i n e s s ，t h ed i g i t a lt e l e v i s i o ns i g n a lm o n i t o r i n gh a sb e e nb e c o m i n g m o r ea n dm o r ei m p o r t a n t d i f f e r e n tf r o mp r e v i o u sm o n i t o r i n gt ot h ea n a l o gt e l e v i s i o ns i g n a l ，t h e m o n i t o r i n gt ot h ed i g i t a lt e l e v i s i o ns i g n a li sf u e t h e rm o r ed i f f i c u l t ，t h e r ea re al o to fp a r a m e t e r s t om o n i t o r t h em o n i t o r i n gt ot h ed i g i t a lt r a n s p o r ts t r e a mi st h ef o c u si nt h i sm o n i t o r i n g s y s t e m i nt h i sp a p e r , t h em a i ne n d e a v o ri st or e s e a r c ha n dd e s i g nt h ed i g i t a lt e l e v i s i o ns i g n a l m o n i t o r i n gs y s t e m ，i np a r t i c u l a r ，r e s e a r c ha n dd e s i g nt h ed i g i t a lt r a n s p o r ts t r e a mm o n i t o r i n g s y s t e mf o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n f i r s t ，t h eb a s i cb a c k g r o u n da n dh i s t o r yo ft h ed i g i t a lt e l e v i s i o ns i g n a lm o n i t o r i n gs y s t e mi s i n t r o d u c e d t h e nt h ek e yt e c h n o l o g i e sa n dd i 百t a lt e l e v i s i o nt r a n s p o r ts t a n d a r di sa l s oi n t r o d u c e d a n dt h ea r c h i t e c t u r eo ft h ed i g i t a lt e l e v i s i o nf r o n ts y s t e mi sg i v e n t h em a i nf u n c t i o nm o d u l e sa r e e l a b o r a t e dd e t a i l e d l y a n dt h ep a r a m e t e r sw h i c ha r en e e d e dt ob em o n i t o r e di nt h em o n i t o r i n gt o t h ed i ! g i t a lt e l e v i s o nf r o n ts y s t e ma r eg i v e na n dd e s c r i b e d b a s e do nt h i s ，t h es c h e m eo ft h e m o n i t o r i n gt ot h ef r o n ts y s t e mi sg i v e n t h e nt h ec o m p o n e n tm o d u l e so ft h i ss y s t e ma r eb e e n a n a l y s e da n dd e s i g n e d t h i ss c h e m ec o u l dr e a l i z em o n i t o r i n go nf o l l o w i n ga s p e c t s ：c o n t e n t s ， t r a n s p o r ts t r e a ma n dt r a n s p o r tq u a l i t y a n dt h em o n i t o r i n gs y s t e mo ft r a n s p o r ts t r e a mi s r e s e a r c h e da n dd e s i g n e d d a t a i l e d l y f i n a l i y ，t h ep a r tm o d u l e so ft h i sm o n i t o r i n gs y s t e mi s i m p l e m e n t e dw i t hs p e c i a lm o n i t o r i n gi n s t r u m e n t s t h ed i g i t a lt e l e v i s i o ns i g n a lm o n i t o r i n g s y s t e md e s i g n e di n t h i sp a p e ri sw i t hg o o df e a s i b i l i t y , h i g hp e r f o r m a n c e - p r i c er a t i oa n dg o o d e x p a n s i b i l i t y k e yw o r d s ：d i g i t a lt e l e v i s i o n m o n i t o rf r o n ts y s t e m t r a n s p o r ts t r e a m 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及所 取得的研究成果。尽我所知，除去文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大 学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：塑丕随日期：! ! ：全，z z 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所 送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保 存论文。本人电子文档的内容和纸制论文的内容相一致。除在保密期内的保 密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部 研究生签名：妇盘e 垦导师签名：纽日期：群 南京邮电大学硕士研究生学位论文第章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 我国从2 0 0 8 年开始全面推进数字高清晰度电视，2 0 1 0 年基本实现数字化，2 0 1 5 年停 止模拟信号的播出。目前，正处于从模拟电视向数字电视整体演进的阶段。很多城市和地 区都在大力推进有线数字化整体转换，有线电视的数字化整体转换正在从试点城市向全国 大中城市铺开，呈现出快速发展的势头。有线电视数字化整体转换后，数字电视业务必然 会广泛的开展起来，广播电视播出内容也将愈发丰富。随着数字电视时代的到来，信号监 测内容也发生了巨大改变。这就意味着新形势下对广播电视技术有了新的要求。数字电视 的质量监测的任务就是要在网络运行失败发生之前检测和定位出这些损害和错误。在系统 监测的策略中，核心原则就是要保证信号的完整性。这就要求系统能够对这些问题进行检 测并自动告警，如比特率衰减，图像失真，冻结图像以及音频超出标准等。但是这仍然是 远远不够的，这只能简单地保证信号被正确传送，但是不能确保内容能够被成功地传送给 目标观众。由于一些节目信息文件有可能在编码，多路复用，解码，再编码，再多路复用 的过程中被修改，结果导致了服务参数：如语言或字幕等也会被错误地设置。在监控过程 中，只依靠操作者的眼球不可能准确地监测出视频通道中的问题，那么也就更难检测出问 题的根源所在了。传统的依靠值班员对播出情况进行监测的模式已经无法满足需求。因此， 对数字电视播出质量，传输质量和播出内容进行精确，快速的自动监测技术的发展成为广播 电视监测业务的当务之急。 1 2 电视信号监测系统的发展历程 如何选择一种较好的方式来监测数字电视的传输质量，并且这种方式一定要能够在系 统出现故障之前预测到隐藏的问题，一定要能够将复杂程度减至人为可以控制的范围内， 这就对监测系统提出了更高的要求。在数字电视安全播出监测系统中选择合理的体系结构 是至关重要的。以往在进行数字电视监测时，大多将精力主要放在选择合适的仪器、设备 上而忽略了系统整体的构架，最终导致建设的监测系统还是需要很多人工的操作和干预。而 广播电视监测系统经历了长期的发展过程，从最初独立的监测仪器发展到现在大规模的 b s 架构的网络系统【l 】，大致的发展历程可以分为4 个阶段： 第一阶段：独立的监测仪器。 最初对广播电视信号的监测是使用独立的监测设备和监测仪器进行，对信号传输中的 各种指标和各种异态进行测量和识别，对测量的结果进行手工记录或通过打印机打印保 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 存，结果查询通过人工完成。这种方式的优点是简单、快捷，但是没有对测量、监测记录的 保存功能。因此，后续的监测系统引入了计算机控制和记录的功能。 第二阶段：单机版监测系统。 单机版的监测系统是由一台计算机控制监测仪器，完成指标测量和异态识别等监测功 能。进行测量和监测的时段任务由计算机控制，可以按照用户指定的时段如运行图等进行 监测；所监测到的异态和测量到的数据由计算机保存，用户可以在任意时段查询。监测系 统从独立的监测仪器发展到由计算机控制，是监测业务发展的必然结果。 第三阶段：小型网络版( c s 架构) 监测系统。 随着监测业务的发展由单独一台计算机控制的监测系统在使用方便性和功能上也出 现了很多不足，如无法远程操作，无法进行大规模的互联。一般每台计算机可以控制的监测 设备数量有限，不能满足日益发展的监测业务的需要。因此，随着计算机网络技术的发展，出 现了网络版的监测系统：即由一台主机充当监测系统的服务器，通过网络协议与多台计算机 控制的监测仪器进行通讯，协同完成监测任务。同时，用户控制的计算机充当客户端，与服 务器进行通讯，完成监测业务中的查询、控制等操作。可以说当网络应用到了监测系统中 后，所有用于监测的仪器和计算机才真正构成了一个系统。采用网络版本的监测系统带来 的一个直接的优点是在一个监测系统中可以同时控制多台监测前端系统。但存在的不足是 一般系统的体系架构都是c s ( c l i e n t - s e r v e r ) 架构【2 】，系统的规模有限且不易扩充，一般可 以控制的前端监测设备数目在几个到十几个之间，可以同时支持的客户端数目也极为有限， 数目太多就会遇到性能上的局限。随着网络技术的发展，出现了大型的b s 架构的监测网 络系统。 第四阶段：大型网络版( b s 架构) 监测系统。 b s ( b r o w s e r - s e r v e r ) 架构的监测网系统是现在监测网系统发展的终极形态，这种架构 的监测网系统借鉴了成熟的四层体系设计特点，将中心服务器再次细分为w e b 服务器、应用 服务器、数据库服务器等，每个服务器负责相应的功能；对前端设备的调度使用应用服务器 完成；对客户端请求的支持使用w e b 服务器完成；由于在通讯上采用h t t p 协议并采用了成熟 的w e b 服务器和中间件软件使得系统的性能和稳定性大大提升。在实际应用中，采用b s 架 构的监测网系统可以同时控制几百个监测前端，并支持上百个客户端的并发连接。这样的 性能是c s 架构的系统无法达到的。 1 3 本文研究的主要内容 数字电视信号监测系统主要是对数字电视播出前端的信号质量进行监测。在数字电视 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 信号监测系统中对数字电视播出质量的监测是一个全面的系统工程，不仅涉及到对数字电 视传输流的分析和监测还需要对信号的传输质量以及播出内容进行监测。本论文从数字电 视信号传输流、传输质量、播出内容三个方面出发，介绍和分析了数字电视的特点及其关 键技术及其传输标准并给出了数字电视前端系统的构架。随后本文给出了对该前端系统进 行监测所要监测的技术参数并进行了详细的说明，重点研究了用于数字电视信号传输流三 级错误监测的t r l 0 12 9 0 3 标准。在此基础上选取了前端系统中的监测点，提出了整个监 测系统方案。接着对监测系统的组成部分进行了深入的研究和详细的设计，其中重点研究 了数字电视信号传输码流监测系统并给出了详细的设计方案。本文最后部分给出了系统各 个部分的实现其中主要给出了数字电视信号传输码流监测系统的实现流程：针对数字电视 信号传输码流的特点及需要监测的技术参数并结合具体的硬件设备：d e k t e c 公司的单路卡 d t a 1 2 0 和4 路卡d t a 1 2 4 以及专用码流分析仪器：t e k t r o n i x 公司的m t m 4 0 0 并结合专 用的开发包实现了数字电视传输码流监测系统。随后利用a g i l e n t 安捷伦n 9 0 2 0 am x a 信号分析仪实现了对于r f 信号传输质量的监测。在本文所设计的数字电视监测系统中对 于数字电视传输流的监测是整个监测系统中最重要的部分，因此文章主要完成了对于这部 分系统的设计和实现。 1 4 本文内容组织安排 全文共分成六章： 第一章为绪论，阐述了数字电视监测的背景，发展过程及论文的安排。 第二章首先对数字电视的特点，关键技术及传输标准进行了详细的说明，然后给出了 数字电视前端系统的整体框架并针对此框架重点论述了各个组成模块的功能，特点。 第三章给出了本监测系统中需要监测的内容和相应的技术参数并进行了深入的研究 和分析，其中重点研究了用于码流监测的t r l 0 12 9 0 三级错误标准。 第四章首先提出了本监测系统的整体方案构架，然后针对不同的监测内容和要求构建 了相应的监测方案，包括：数字电视内容监看方案，数字电视传输码流监测方案以及r f 信号监测方案。其中重点研究和设计了传输码流的监测方案，选取码流监测点，设计码流 监测工作站和后台数据库。 第五章针对上一章提出的具体监测方案结合相关的硬件设备实现了对于数字电视传 输码流和r f 信号的监测。采用码流采集卡和工业用p c 搭建码流监测工作站，利用v c 竹 开发前台监测报警软件，设置后台数据库从而实现码流三级错误监测，设置码流分析仪对 码流进行深度分析和测量。采用专用的频谱分析仪并结合工业p c 完成对r f 信号的监测。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 第六章为总结和展望，对全文工作进行了总结，并对下一步的研究方向作了论述。 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章数字有线电视技术及前端系统 第二章数字有线电视技术及前端系统 2 1 数字电视特点 所谓数字电视，是将传统的模拟电视信号经过抽样，量化和编码转换成二进制数代表 的数字式信号，然后进行各种功能的处理，压缩，传输，存储和记录，也可以用电子计算 机进行处理，监测和控制。采用数字技术不仅使各种电视设备获得比原有模拟式设备更高 的技术性能，而且还具有模拟技术不能达到的新功能，使电视技术进入了崭新的时代。因 而被人们称为继黑白电视和彩色电视之后的第三代电视技术。 与传统的模拟电视相比数字电视具有如下6 点优势： ( 1 ) 高质量的画面。h d t v 的画面质量接近3 5 r a m 宽屏幕电影水平，一帧图像的像素 数高达1 9 2 0 1 0 8 0 。一般来说，计算机在s v g a 模式下的像素数为8 0 0 * 6 0 0 ，p a l 制下v c d 的最高像素数为3 5 2 * 2 4 0 ，d v d 为7 2 0 * 5 7 6 。常规模拟电视常有的模糊，重影，闪烁，雪 花点等现象在数字电视中大大改善。 ( 2 ) 丰富的功能。数字化信号便于存储，可方便地实现制式转换以及画中画，画外画 和电视图像幅型转换等功能。 ( 3 ) 高质量的音效。数字电视采用a c 。3 1 4 1 或m u s i c a m 等环绕立体声编解码方案，既 可以避免噪声，失真，又能实现多路纯数字环绕立体声，使声音的空间临场感，音质透明 度和高保真等方面都更胜一筹。同时还具有多语种功能。 ( 4 ) 丰富多彩的电视节目。用数字信号处理技术可以对电视信号数据率大幅的压缩， 充分利用有限的频带资源，使原先传送1 套节目的电视频道同时传送仁5 套数字电视节 目，电视台将设置更多的专业频道，以满足不同行业，不同层次，不同爱好的观众的需要。 ( 5 ) 具有交互性。音频，视频和数据可以在同一条信道内传输，共用一台设备接收， 传输方向可以是双向的。观众由被动接受转为积极参与，收看现场转播时可以选择以不同 拍摄角度获得的图像。 ( 6 ) 具备通信功能。配备相应的机顶盒后，可以拨打可视电话，查询图文信息，进行 远程教学等；还可以实现微机互联网以浏览互联网，收发电子邮件，实现网上购物，学习， 娱乐等许多增值业务。 2 2 数字电视相关技术 数字电视技术主要是有两大部分组成：系统技术与应用技术。 系统技术主要包括条件接收技术( c a s ) ，复用解复用技术，用户管理技术( s m s ) ， s 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章数字有线电视技术及前端系统 节目管理技术( p m s ) 四大部，其中，c a s ，s m s ，p m s 是构成可管理，可控制数字电视播 出系统的技术核心。 应用技术主要是支持e p g ，v o d ，数据广播，交互游戏和交互证券等业务的软件技术。 应用软件在系统前端和用户端设备中运行时，需要建立一个开放的运用环境，需要与系统 软件进行接口，这个运用环境和程序接口的建立由中间件系统来完成，因此，中间件系统 在结构层次上位于系统技术和应用技术之间，是系统平台对综合业务( 综合性和交互性) 开放的支撑技术。 本文中主要介绍一下m p e g 2 编码，条件接收以及传输流系统级复用技术。 2 2 1m p e g 2 数字编码技术 m p e g 简介：m p e g ( m o v i n g p i c t u r ee x p e r t sg r o u p ) t 5 1 是活动图像专家组的缩写，于1 9 8 8 年成立。目前m p e g 已颁布了m p e g 1 ，m p e g 2 及m p e g - 4 三个活动图像及声音编码的 正式国际标准。m p e g 优于其他压缩解压缩技术主要是因为作为国际标准兼容性很好、具 有最高可达2 0 0 ：1 的更好压缩比、在高压缩比下具有很小的数据损失。 m p e g 一2 标准制定于1 9 9 4 年，为高级工业标准的图像质量以及更高的传输率而设计。支持可 达n t s c7 2 0 x4 8 0 及p a l7 2 0 x 5 7 6 的s i f 标准分辨率图像的压缩编码速率为3 。1 0 0 m b p s ，同 样具有广播级的视像及c d 唱盘的音质。m p e g 2 可以用于广播级的视频传输及视频记录 统。针对标准数字电视和高清晰度电视在各种应用下的压缩方案和系统层的详细规定，标 准的正式规范在i s o i e c l 3 8 1 8 中。m p e g 2 不是m p e g 1 的简单升级，m p e g 2 在系统和传 送方面作了更加详细的规定和进一步的完善。m p e g 2 特别适用于广播级的数字电视的编 码和传送，被认定为s d t v 和h d t v 的编码标准。m p e g 2 还专门规定了多路节目的复分接 方式。此外，m p e g 。2 还兼顾了与a t m 的适配问题。 下面重点介绍m p e g 2 视频编码标准的组成部分及具体结构。 m p e g 2 标准共有3 个部分：第一部分是系统( s y s t e m s ) 部分【6 1 ( i s o i e ci s1 3 8 1 8 1 ) ， 第二部分是图像( v i d e o ) 部分【7 1 ( i s o i e ci s1 3 8 1 8 2 ) ，第三部分是声音( a u d i o ) 部分 ( i s o i e ci s1 3 8 1 8 3 ) 【8 1 。在本文中主要介绍系统，图像两部分。 ( 1 ) 系统部分 系统部分涉及如何将一个或多个图像、声音及其他数据的基本码流组合成单一或多个 码流使之便于储存和传输。它包括以下5 种基本功能： 1 】多个压缩码流解码时的同步； 【2 侈个压缩码流解码时的交织； 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章数字有线电视技术及前端系统 3 】开始解码的缓冲预置； 4 缓冲器的连续控制； 5 】时间识别。 系统编码规定两种方式：节目码流( p r o g r a ms t r e a m ) 和传送码流( t r a n s p o r ts t r e a m ) 。 它们各自为不同应用而最佳化，即它们的标准所定的编码句法都是为实现图像和声音 信息的同步解码和显示所必需和充分的，并且保证解码器中的已编码数据缓冲器不会上溢 和下溢。在这些信息的编码中采用了有关已编码声音和图像数据的编码和显示的时间标 记，以及有关数据流本身的传送的时间标记。这两种码流都是打包多工方式。 一个图像和声音基本码流的基本多工方法如下图所示。压缩后的基本码流与系统的信 息一起组合、打包、产生打包基本码流( p e s ，p a c k e t i s e de l e m e n t a r ys t r e a m s ) ，然后这些 p e s 又组合形成节目码流或传送码流。如图2 1 所示： 图2 1 系统框图 节目码流类似于m p e g 1 的系统多路复用方式。它由有共同时间基准的一个或多个 p e s 组合而成，也可由多个有共同时间基准的声音和图像基本码流编码成多节目码流。如 同单一节目码流一样，所有的基本码流都能在同步情况下解码。节目码流用于相对无误的 环境中，适合支持节目信息的软件处理的应用，以及适用于c d r o m 上的多媒体应用。 节目码流包是可变长的，相对较长。图2 2 所示的是一个典型的节目码流解码器。在此解 码器中，已多工编码的一路和多路声音图像码流是被假定存储在数字储存媒体( d s m ， d i g i t a ls t o r a g em e d i u m ) 上。媒体特殊记录格式要求有相应媒体特殊解码器( m s d ，m e d i u m s p e c i f i cd e c o d e r ) ，这都不是标准规定的，但要求m s d 能产生m p e g 。2 节目码流。另外， 在全系统中还有时间信息流用于各个环节。 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章数字有线电视技术及前端系统 数字 媒 节 图像解码器， 存储 体 目 小圳王 媒体 特码 殊 流 解 f 解 码 复 器 用 声音解码器 m p e g - 2 节目码流 图2 2 节目码流解码器 传送码流是由带一个或多个独立时钟的一个或多个节目组合而成的一个码流。传送码 流设计用于误码的环境，例如在有损耗或噪声的媒体中存储或传输。传送码流的包长是固 定的，为18 8 字节。 对传送码流可以进行以下操作： 【1 恢复传送码流中的一个节目的编码数据，并解码。 2 】把含有多个节目的传送码流转换成一个含有单一节目的传送码流。 3 】把多节目传送码流先分工，然后在转换成节目码流。 【5 】由一个或多个传送码流取出一个或多个节目的传送包，并在输出端产生不同的传 送码流。 6 】把一个节目码流转换成传送码流，使其能通过有损耗的环境，然后将其恢复成原 来的节目码流。 ( 2 ) 图像部分 为了使规范能通用于上述领域，并使不同应用的码流能很快互换，开发了通用的码流 压缩编码方法和以“档次”( p r o f i l e ) 和“等级”( 1 e v e l ) 为基础的规范化的全系统。 “档次”是整个比特流构成的定义了的子集，而每个“档次”的“等级”是对比特流参数的 一组定义了的限制。本规范有5 个档次( p r o f i l e ) 和4 个等级，4 个等级是：低级( l o w ) 、 主级( m a i n ) 、高级窄屏幕( h i g h 1 4 4 0 ) 和高级宽屏幕( h i g h ) ，但是并不是所有p r o f i l e l e v e l 的组合都存在。表2 1 给出了容许的1 1 种组合。 8 已解码图像 已解码声音 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章数字有线电视技术及前端系统 表2 1p r o f i l e 和l e v e l 的组合 r o f i l e s n r s p a t i a l l y 一吼 s i m p l e m a i n h i 曲 s c a l a b l e s c a l a m e l o w m a i n h i g h - 1 4 4 0 、， h i 曲 、， m a i np r o f i l e 没有分级性，但质量最高。 s i m p l e p r o f i l e 如同m a i n ，但是为节省r a m 而没有内插图像帧。 s n rs c a l a b l ep r o f i l e 对于m a i n 有所改进，即要信号噪声比方面有分级性。 s p a t i a l l ys c a l a b l ep r o f i l e 在空间清晰度方面有分级性。 h i 曲p r o f i l e 支持亮、色信号4 ：2 ：2 格式和所有分级性。 在4 个l e v e l 方面，它们的图像对应关系是： l o wl e v e l 类似于i 虱j tr e s h 2 6 1 的c i f 或m p e g - 1 的s i f 。 m a i nl e v e l 相应于普通电视。 h i 曲- 1 4 4 0l e v e l 略相应于每行1 4 4 0 个抽样的h d t v 。 h i 曲一l e v e l 略相应于每行1 9 2 0 个抽样的h d t v 。 为了达到高倍数的压缩，在m p e g 2 中采用多种码率压缩技术。主要有以下3 种： 【l 】利用运动补偿预测编码方法去掉电视图像信号的时间冗余信息。实际上，由于已 编码图像序列随机进入的需求与高效码率压缩有矛盾，所以m p e g - 2 采用3 种类型的图像。 帧内编码图像( i n t r ac o d e dp i c t u r e s ) ，简称i 帧图像。i 帧图像是不采用基准图像的 编码所产生的图像。这种图像帧为随机进入压缩编码图像数据序列提供了进入点，但是这 种编码只有中等的压缩率。 预测编码图像( p r e d i c t i v ec o d e dp i c t u r e s ) ，简称p 帧图像。p 帧图像是采用从最近 的上一个i 帧图像或p 帧图像来进行补偿预测所产生的图像，其编码效率较高，这种技术 日l 前向预测( f o r w a r dp r e d i c t i o n ) 。这些p 帧图像本身又作为基准来产生下面的p 帧图像或 b 帧图像。它的缺点是扩散编码误差。 双向预测编码图像( b i d i r e c t i o n a l l y - p r e d i c t i v ec o d e dp i c t u r e s ) ，简称b 帧图像。它 是同时利用前面的和后面的i 帧图像或p 帧图像作为基准，进行运动补偿预测编码而得到 的。这种技术叫做双向预测。它能提供最大的压缩率，而且不传播编码误差。缺点是解码 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章数字有线电视技术及前端系统 器中要有附加的存储器，而且等待时间较长。b 帧图像从来不被用作预测的基准。 上述3 种图像在一个序列中的编排是很灵活的，与实际应用有关，取决于编码器。由 于在解码器中b 帧图像只能在它的基准图像( i 帧图像或p 帧图像) 被解码之后，它本身 才能被解码，所以发送的图像序列要被编码器重新排列，使之符合解码器所要求的解码序 列。 2 n 用离散余弦变换( d c t ) ，去掉经过运动补偿预测的图像差信号中的空间冗余信 息。 【3 利用可变长度编码技术，对运动向量和d c t 变换系数进行编码，以达到充分利用 通道带宽的目的。 2 2 2 条件接收技术 ( 1 ) 有条件接收系统的有关概念 接收控制系统条件接收系统【9 1 ：该系统的任务是保证电视业务仅被授权接收的用户所 接收，其主要功能是对信号加扰，对用户电子密钥加密，以及建立一个确保被授权的用户 能接收到加扰节目的用户管理系统。 条件接收子系统：它是解码器的一部分，其作用是对电子密钥进行解码，并恢复出用 来控制解扰序列所需的信息。下面介绍各部分内容： 控制字( c w ) ，是用在解扰器中的密钥。 加密，是指为了加扰信号而进行的连续不断地改变电子密钥的处理。电子密钥一 般通过智能卡或信道安全地传送给用户。 授权控制信息( e c m ) ，是种特殊形式的电子密钥信号和信道寻址信息。它在发 送端被加密以后与信号一道传送，在接收端e c m 被用来控制解扰器。 授权管理信息( e m m ) ，是一种授权用户对某个业务进行解扰的信息。它与授权控 制信息一样，在发送端被加密以后与信号一道传送，在接收端e m m 被用来打开关闭单个 解码器或一组解扰器。 盗收，是指对控制节目进行非授权的接收，常指使用伪造的智能卡和解扰器，从 而绕过整个或部分条件接收系统的不正当接收方法。 加扰，是指连续不断地改变广播电视信号形式的方法，以使得不用恰当的解码器 和电子密钥就不能接收到正确的信号。 解扰，与加扰相反，是加扰的逆过程。 用户授权系统，在用户管理系统的指导下，负责对e c m 和e m m 数据流进行组织， i o 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章数字有线电视技术及前端系统 使之序列化并传输到用户管理中心。 用户管理系统，是向用户发放智能卡，寄送账单及收费的商业中心。用户管理中 心的主要任务是建立用户信息，解码器序列号以及哪种业务被订购、接收的信息的数据库。 ( 1 ) 条件接收系统的组成和工作原理 条件接收系统由加扰器、解扰器、解密器、控制字产生器、用户授权系统、用户管理 系统和条件接收子系统等部分组成，如图所示。其工作原理如下：在信号的发送端，首先 由控制字发生器产生控制字( c w ) ，将它提供给加扰器和加密器a 。控制字的典型字长为 6 0 b i t ，每隔2 1 0 s 改变一次。加扰器根据控制字发生器提供的控制字，对来自复用器的 m p e g 2 传输流进行加扰运算，此时，加扰器的输出结果即为经过扰乱了以后的m p e g 2 传输流，控制字就是加扰器加扰所用的密钥。加扰器接收到来自控制字发生器的控制字后， 则根据用户授权系统提供的业务密钥来对控制字进行加密运算，加密器a 的输出结果即为 经过加密后的控制字，它被称为授权控制信息( e c m ) 。业务密钥在送给加密器a 的同时 也被提供给了加密器b ，加密器b 与加密器a 稍有不同，它自己能够产生密钥，并可以用 此密钥对授权控制系统送来的业务密钥( s e r v i c ek e y ) 进行加密，加密器b 的输出结果为 加密后的业务密钥，这被称为授权管理信息( e m m ) 。经过这样一个过程产生的e c m 和 e m m 信息均被送至m p e g 一2 复用器，与被送至同一点复用器的图像、声音和数据信号码 流一起打包成m p e g - 2 传输流而输出。 在m p e g 2 标准中，对在数据包中加入条件接收控制信息及密钥位置有规定，所以 e c m 和e m m 信息均可以装入m p e g - 2 数据包中。另外，在发送端还有用户管理系统和用 户授权系统。用户管理系统是根据用户订购节目和收看节目的情况，一方面向授权控制系 统发出指令，决定哪些用户可以被授权看哪些节目和接收哪些服务；一方面它还可以向用 户发送账单。用户授权控制系统则是根据用户授权管理系统的指令，产生哪些用户该授权 哪种收看、哪些信息属于哪些用户的接收权力的信息，即产生业务密钥。 在信号的接收端经过解调后的加扰流在最开始的瞬间控制字还没有恢复出来以前，该 加扰码流在没有解扰的情况下，通过解扰器而送至解复用器，由于e c m 和e m m 信号被 放置于m p e g 2 传输流包头的固定位置，因此解复用器便很容易地解出e c m 和e m m 信 号。从解复用器出来的e c m 和e m m 信号，被分别送至智能卡( s m a r tc a r d ) 中的解密器 a 与解密器b 与智能卡中的安全处理器共同工作，从而恢复出控制字( c w ) ，并将它送至 解扰器。恢复控制字的过程十分的短暂，一旦在接收端恢复出正确控制字以后，解扰器便 能正常解扰，将加扰码流恢复成正常码流。图2 3 给出了条件接收系统的框架。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章数字有线电视技术及前端系统 支付 图2 3 条件接收子系统框图 从上面的所述，我们可以看出整个d v b 条件接收系统的安全性得到了三层保护：第 层保护是用户控制字对复用器输出的图像、声音和数据信号码流进行加扰，扰乱正常的 码流，使其在接收端不解扰就收看、收听不到正常的图像、声音及数据信息：第二层保护 是通过对控制字用业务密钥加密，从而使控制字在传送给用户的过程中即使被盗，被盗者 也无法对加密后的控制字进行解密；第三层保护是对业务密钥的加密，使得真个系统的安 全性更强，使非授权用户在即使得到加密业务密钥的情况下，也不能轻易解密，因为解不 出业务密钥就解不出正确的控制字，没有正确的控制字就无法解出并获得正常信号的码 流。 2 2 3 传输流系统级复用技术 数字电视节目的复用包括两个阶段：对音视频p e s 包的节目复用和对t s 流的系统复 用。这里主要研究第二个阶段即t s 系统级复用【1 0 】，将多个单路的t s 流合成一个多节目 t s 流f 1 1 】。数字电视系统级复用是数字电视系统的关键技术之一，其中数字电视节目专用 信息p s i 的提取和重构及系统层节目时间参考p c r 值的修正，是复用器的两项关键技术。 1 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章数字有线电视技术及前端系统 图2 4t s 流的系统复用原理 基于m p e g - 2 的t s 流多路数字电视节目t s 流系统级复用原理如图2 4 所示。当多路 t s 流复用成一路t s 流时，首先将对各路t s 流的p s i 进行搜集并分析其码流，得到各路 t s 码流中相应的视频、音频、数据信息的码率、对各路节目的包标识p i d ，数字电视节目 专用信息p s i ，节目时间参考p c r 等信息进行处理，丢弃各路原有的p s i 信息。当出现两 路t s 流中的p i d 发生冲突时，需要修改一路或者多路t s 流中某一数据流的p i d ( 即复用 器需要对修改了p i d 的视频音频包或其他数据包进行p i d 更新) 。可以看到，无论是否出 现p i d 冲突，复用器都需要重构p s i 信息，其滤波的处理过程如图2 5 所示。对不同节目 的p i d 值进行修改后，与本地产生的这类数据重新整合为复用后新的p s i 等系统级控制信 息，同时插入符合d v b s i 规范的业务信息，并在携带有调整字段的t s 包中，判断带有 p c r 标志位字段的值，如果该值为“l ”，那么在该t s 流离开复用器的时刻，需要对t s 包 中的p c r 值做相应的修正或重新插入新的节目时钟参考。 1 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章数字有线电视技术及前端系统 t s 流 2 3d v b 标准 检型p 一咎ol 一7 赫6 薪菇 的t s 包iiil 一苫“ 拗, j p i d 为p m tp i d 的t s 包 获取p m t 的p i d 号 p m r j i d 节目编号 获得组成节目的基 本比特流的p i d 图2 5t s 流的复用节目滤波处理 2 3 1d v b 概述 d v b ( d i 西t a lv i d e ob r o a d c a s t ) 1 1 5 1 即欧洲数字视频广播标准。d v b 是1 9 9 3 年由欧洲 多家公司成立的组织，负责协调数字电视标准的制定，目前发展到世界3 0 0 多个成员，遍 布3 0 多个国家，d v b 系列标准正在成为领导全球数字电视技术的世界标准体系。它为数 字电视广播系统提供了一个广义的技术解决方案，其核心系统可以简单概括为：( 1 ) 系统运 载m p e g 2 音频，视频和数据的灵活的组合；( 2 ) 使用通用的m p e g 2 传送流复用；( 3 ) 有 一个通用的业务信息系统来提供节目的详细内容；( 4 ) 选择调制与信道编码系统来满足不同 的传输媒介的需要；( 5 ) 可使用通用的加扰系统和通用的条件接口。 2 3 2d v b 分类 在d v b 规范确定后，依据不同的传输媒体和不同的应用领域，d v b 组织又将其划分 为几个系统：卫星数字电视广播系统【1 6 】( d v b s ，该标准于1 9 9 5 年由d v b 组织确定) ，有 线数字电视广播【1 7 1 ( d v b c ，其数字共用天线电视，数字微波电视等标准于1 9 9 6 年由d v b 确定) ，地面开路数字电视广播系统( d v b t ) ，微波数字电视广播系统( d v b m ) ，交互 式数字电视广播系统( d v b i ) ，数字电视加扰系统( d v b c a ) 。由于本课题中所设计的 监测系统是针对有线数字电视系统的，所以在此主要介绍d v b s ，d v b c 两大标准。 卫星数字电视广播系统( d v b s ) 将2 0 0 m b s 以上速率的电视节目的模拟音频视频以 1 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章数字有线电视技术及前端系统 及数据信号经过m p e g 2 数字压缩编码器压缩编码为1 5 m b s 以下速率的数字传输流，再 经过多路节目复用器复用，获得更高速率的m p e g 2 混合传输流，并依节目制作者的需要， 通过复用器将节目进行加扰，再被送入q p s k 数字调制器，最后被调制到中频的q p s k 信 号进行上变频，到达c 波段或k u 波段所需的微波频率，通过天线进行上星发射。d v b s 的原理如图2 6 所示： m p e 忍一2 图2 6d v b s 原理图 d v b 规范规定有线数字电视广播系统( d v b c ) 中使用q a m 调制方式，根据传输环 境的状态，可采用1 6 q a m ，3 2 q a m ，6 4 一q a m ，1 2 8 q a m 或2 5 6 一q a m 不同的调制速率。 对于传输远，噪声打的系统，可采用低的调制速率，否则应采用高的调制速率。目前，在 c a t v 网使用6 4 q a m 调制速率，在8 m h z 带宽内可传输的数据速率高达3 8 5 m b s 。在 c a t v 前端经过复用器后，对d v b 传送流的处理概括为：同步反转和能量扩散，r s 编码， 卷积交织，字节到符号的变换，差分编码，