（信号与信息处理专业论文）数字电视系统层信息及统计复用技术研究.pdf

中文摘要 目前，数字电视技术发展迅速，数字电视技术可以在一个传统的模拟频道带 宽中传输多个数字电视节目。如此大量节目的传输导致了传输带宽合理利用、电 子节目指南等实际问题的出现。本论文的工作，就是针对其中的业务信息复用和 多路节目间的统计复用技术进行了研究。 数字电视系统层业务信息研究的主要目的是如何在大量节目中快速搜索到 特定节目等与电子节目指南( e p g ) 相关的技术。论文的主要工作集中于对 m p e g 2p s i 的理解和d v b 、a t s c 两种系统的系统层业务信息的功能、结构的 研究以及它们的编制和解析的软件实现。软件编写的业务表解析已用于其它应用 软件中，实现了各节目信息的提取。业务表的编制主要是将预定的信息写入各业 务表并复用到t s 流中。此部分工作主要解决的问题是，调整各个表的最大和最 小时间间隔，使之符合标准要求。 本论文的第二部分工作，是基于转换编码平台的t s 统计复用技术研究。由 于数字电视一个频道可以传送多个节目，各节目的图像复杂度不同，达到相同图 像质量需要的码率也不同，因此需要用联合速率控制方法对各节目码率进行重新 分配。本文采用转换编码平台，对输入的视频流中的数据信息进行了再利用，从 而在原码流基础上控制码率。工作的重点在于联合速率控制算法的确定。实验证 明，论文中的联合速率控制算法适合该转码平台，能较有效地分配各节目的目标 码率。 本论文工作期间还参与了数字电视清晰度测试图的设计，并对其中的某些元 素进行了分析研究。设计并编程生成的数字电视h d t v 和s d t v 清晰度测试图， 已列入信息产业部2 5 项数字电视行业标准。 关键词： m p e g 2s ip s i p 统计复用联合速率控制 a b s t r a c t t h ed t vt e c h n o l o g yh a sd e v e l o p e df a s t i nr e c e n ty e a r s w i t hd t vt e c h n i q u e ， s e v e r a lp r o g r a m sc a nb et r a n s m i t t e di nas i n g l et r a d i t i o n a la n a l o gc h a n n e l t h u s ， m u c hm o r ep r o g r a m sw i l lb ep r o v i d e db yd t v a sr e q u i r e m e n t so fd t va p p l i c a t i o n s ， s o m ei s s u e sa r er a i s e d ，s u c ha se l e c t r o n i cp r o g r a mg u i d e ( e p g ) a n db a n d w i d t hu s a g e t h i sp a p e rm a i n l yf o c u s e so nt h er e s e a r c ho fs e r v i c ei n f o r m a t i o nm u l t i p l e x i n ga n d s t a t i s t i c a lm u l t i p l e x i n go fm u l t i - p r o g r a m st e c h n o l o g y e l e c t r o n i cp r o g r a mg u i d e s ( e p g ) i su s e di nd t v s y s t e mt op r o v i d ei n f o r m a t i o n s s u c ha sp r o g r a md e s c r i p t i o na n dp l a y i n gt i m e s t h em a i nw o r k so ft h i sp a p e rf o c u so n a n a l y s i s o fm p e g - 2p s i ( p r o g r a ms p e c i f i ci n f o r m a t i o n ) ，s e r v i c ei n f o r m a t i o n i n s e r t i o na n dr e t r i e v a lo fd v ba n da t s cs y s t e m b a s e do nr e l a t e ds t a n d a r d s ，p s i ， d v bs i ( s e r v i c ei n f o r m a t i o n ) a n da t s cp s i p ( p r o g r a ma n ds y s t e mi n f o r m a t i o n p r o t o c 0 1 ) a n a l y z i n gs o f t w a r ei sd e s i g n e d i na d d i t i o n ，as o f t w a r es ia n dp s i ps e r v i c e i n f o r m a t i o nt a b l eg e n e r a t o ri sa l s od e v e l o p e dt oi n s e r ts e r v i c ei n f o r m a t i o ni n t od t v t r a n s p o r ts t r e a m ( t s ) t h em o s td i f f i c u l tp r o b l e mi nt h ew o r ki sa d j u s t i n gt h e m a x i m u ma n dm i n i m u mt i m ei n t e r v a la c c o r d i n gt ot h es t a n d a r d s t h es e c o n dp a r to ft h i sp a p e rf o c u s e so nt ss t a t i s t i c a lm u l t i p l e x i n gt e c h n o l o g y s e v e r a lp r o g r a m sc a nb et r a n s m i t t e dw i t h i no n ed t vc h a n n e l b e c a u s et h ev i d e o c o n t e n ti sd i f f e r e n tb e t w e e np r o g r a m s ，t h eb i t r a t es h o u l db ea d j u s t e da c c o r d i n gt ot h e c o n t e n tc o m p l e x i t yt oa c h i e v ea ne q u a lv i d e oq u a l i t y j o i n tr a t ec o n t r o lm e t h o di su s e d t or e a l l o c a t et h eb i t r a t eo fe v e r yp r o g r a m t h es t a t i s t i c a lm u l t i p l e x i n gs c h e m e p r o p o s e db yt h i sp a p e ri sb a s e do nav i d e ot r a n s c o d i n gp l a t f o r m i tr e u s e st h es o m e i n f o r m a t i o no fi n p u tv i d e os t r e a mt oc o n t r o lt h eo u p u tb i t r a t e t h ee m p h a s i so ft h i s w o r ki sj o i n tr a t ec o n t r o la l g o r i t h m ：a l l o c a t i n gb a n d w a i d t hb a s e do nt h ec o m p l e x i t yo f e a c hp o g r a m s o m er a t ec o n t r o la l g o r i t h mi sp r o p o s e d ，a n dt h et e s tr e s u l t ss h o w e d t h a tt h es u g g e s t e dm e t h o dc a l le f f e c t i v e l yr e a l l o c a t eb i t r a t eb e t w e e nt h ep r o g r a m s w h i l ek e e p i n gg o o dv i d e oq u a l i t y d e s i g no fh d t v a n ds d t vd e f i n i t i o nt e s tp a t t e r n si sa l s oa d d r e s s e di nt h i sp a p e r s o m eo ft h ep a t t e r n sh a v eb e e na c c e p t e db ym i n i s t r yo fi n f o r m a t i o ni n d u s t r yo f c h i n a a n di s s u e da sn a t i o n a ld t vs t a n d a r d s k e yw o r d s ：m p e g 2 ，s i ，p s i es t a t i s t i c a lm u l t i p l e x i n g ，j o i n tr a t ec o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他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 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：起寺 签字自期： 加7 年，月；日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基注盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 起匆 签字日期：功7 年 1 月渺日 导师躲多弄墨冬 签字嗍：7 月哕日 第一章前言 1 1 课题背景 第一章前言 数字电视d t v 是全面采用数字信号处理和传输技术的电视系统。数字电视 与模拟电视相比，具有更多优点，图像质量、伴音质量和观看效果等均优于传统 的模拟电视系统，而且所需传输带宽也只相当于模拟电视系统的四分之一甚至更 窄。数字电视的实用化，会产生良好的社会效益和巨大的经济效益。自2 0 世纪 9 0 年代以来，世界许多国家相继投入大量人力物力进行研究试验，先后制定了 自己的数字电视标准，例如美国先进电视系统委员会制订了a t s c 数字电视标 准，欧洲的数字电视广播采用数字视频广播d v b 标准，日本也制订了综合业务 数字广播i s d b 标准。 近几年，数字电视在全球范围得到了快速发展。同样，我国数字电视广播也 在迅速发展：2 0 0 5 年卫星传输全部实现了数字化，有线电视网及省级以上台基 本实现了数字化，至2 0 0 5 年底，对国内试点省市数字电视播出状况进行调查的 结果表明，数字电视用户已超过5 0 余万；2 0 0 6 年上半年信息产业部颁布了2 5 项数字电视行业标准，进一步规范了数字电视终端设备行业市场；2 0 0 6 年下半 年，国家标准管理委员会还发布了具有自主知识产权的g b 2 0 6 0 0 - 2 0 0 6 数字电 视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制，成为我国的数字电视地面传输 标准。今后我国的数字电视发展，预计会在2 0 0 8 年全面推广地面数字电视和高 清晰度电视，2 0 1 5 年停止模拟电视的播出，完成模拟向数字的过渡，全面实现 数字化。 1 2 论文研究内容 数字电视融合了计算机和通信领域的最新技术，与模拟电视相比有本质上的 差别。传统的模拟电视一个电视频道只能传送一套电视节目，频率资源利用率较 低。而数字电视可以在一个电视频道内传送多套电视节目，但是如何在如此大量 的节目中迅速地搜索、选择和管理节目信息，以及如何在保证一定视频质量前提 下，充分利用有限的频谱资源，成为亟待解决的问题。前者要靠系统层信息发挥 作用，后者需要考虑系统层和视频压缩层的统计复用技术。这正是本论文主要研 第一章前言 究的两个题目：数字电视系统层信息研究；数字电视统计复用技术研究。 在数字电视系统中，所有视频、音频、文字等信息数字化后成为数据流。传 输前，数据流需进行压缩，并按m p e g 2 系统层标准打包和复用成传送流( t s ) 。 通常一个电视频道对应路含有多套节目及业务的传送流，在t s 流中如果没有 引导信息，数字电视终端设备将无法找到和解析所需码流。 在t s 流复用过程中，不同标准的数字电视系统需加入p s i ( 节目专用信息) 、 d v b - s i ( 业务信息) 或a t s c p s i p ( 节目与系统协议) 等信息，用它们提供基 本的调谐信息及e p g ( 电子节目指南) 等信息，用于查找及显示节目。由于不 同数字电视系统的这些信息不尽相同，所以它们的编制需遵循不同规范，并采用 正确的算法，通过编程予以实现。接收解码终端也需按同一规范对它们解析，来 获取和解码显示相应电视节目。本课题以研究和编制这些系统层信息为论文的第 一部分工作，所编制的码流必须考虑到同类标准终端设备的兼容性。 课题的第二部分侧重研究数字电视统计复用技术，实验工作基于实验室开发 的转换编码平台进行。国际上对统计复用技术的研究集中于如何利用节目间和节 目自身的统计规律，在不提高总码率条件下同时保证各节目质量均接近最佳。这 些研究采用的统计复用技术大都通过把视频编码器自身获取的视频统计信息与 信道带宽动态信息结合起来，去联合控制视频编码码率，再把数据流高效复用成 t s 流。 本文在转换编码平台环境中研究统计复用。通过转换编码系统、复用系统和 联合速率控制三部分，进行各码流的速率转换和带宽的重新分配，实现多路节目 统计复用。该系统可得视频流必要的数据作为统计信息，同时还可在重新编码中 重用这些信息，从而来提高整个系统的效率。 1 3 论文结构 本文主要依据m p e g 2 系统层语法和语义以及各种传输系统的业务信息标 准，对多路节目的业务信息编制、解析以及统计复用问题进行了算法研究和摸拟 实验。 论文共分五章。第一章为前言，主要阐述课题的研究背景和本文的主要研究 内容。第二章首先简单介绍了m p e g 2 系统层语法和语义，接着就世界几个主要 国家和地区以及我国的数字电视传输技术做了阐述。第三章研究了d v b 业务信 息s i 及a t s c 的节目与系统协议p s i p 的结构，并基于m p e g 2 系统层软件平台 对这些信息进行了分析与编制。第四章针对多节目t s 流信道分配及其与图像质 量的关系，提出了基于转换编码平台的统计复用算法，并依托平台进行了实验验 第一章前言 证。第五章讲述被信息产业部部标采用的标准清晰度电视( s d t v ) 和高清晰度 电视( h d t v ) 复合测试图的设计，总结了设计、生成和使用复合测试图中，对 数字电视图像同心度、重显率或过扫描问题的处理方法，研究了这三项指标与图 像清晰度的关系。 第二章数字电视标准 第二章数字电视标准 论文主要研究数字电视系统层业务信息的解析与编制以及系统层传送流的 统计复用算法，而这些工作须遵照相关标准的语法和语义进行。为此，本章概述 了目前国际上通用的图像及其声音信号的编码标准，以及世界各主要国家和地区 以及我国的数字电视标准，重点是其中的系统部分。 2 1m p e g 2 系统层标准 数字电视( d t v ) 信源编码采用m p e g 2 标准，其第一部分为系统部分，被 多种数字音视频传输系统所采用【l 】。m p e g 2 系统层标准支持两种码流：一是节 目流( p s ，p r o g r a ms t r e a m ) ，适用于存储媒体等条件较好的信道；另一种是传 送流( t s t r a n s p o r ts t r e a m ) ，适用于数字电视和网络传输等可能发生较多误码 的信道。本文面向数字电视系统，主要研究对象为传送流。 这两种码流均可按m p e g 2 标准的系统部分，组合多路音频和视频信号压缩 码流、辅助信息和数据。将所有数据流组合在一起的过程称为复用。参与复用的 数据流可有共同的时间基准，也可具有各自的时间基准。 按处理目的、方法、格式和过程等，m p e g 一2 码流分为基本流( e s ) 、打包 的基本流( p e s ) 和传送流( t s ) 。数字化音频和视频信号首先进行压缩，分别 编码成e s 流，进而分别与音频和视频相关的数据及控制信息分别打包成p e s 流， 再与传输和系统相关的控制信息和辅助数据等组合成t s 流。p e s 流和t s 流是 遵循m p e g 2 标准第一部分，按较好的算法和特定的语法规则，由e s 流构成的 不同层次的m p e g 2 系统码流。 m p e g 2 系统层码流中的控制信息和辅助数据包括各种头部码、同步信息、 字幕、增值业务以及为适应特定信道和环境或面向不同用户与应用的其它信息。 这些控制信息和辅助数据有的属于必备，有的可选或可扩展。其中包括填充数据， 它们对于满足信道传输速率和确保同步等起着重要作用。 m p e g 2t s 形成过程如图2 1 所示。其左部为压缩层，右部为系统层。压缩 层编码包括视频、音频两部分，分别遵循i s o i e c1 3 8 1 8 2 和i s o f l e c1 3 8 1 8 3 ， 得到各自的e s 流f 2 】【3 1 ；系统层分为将视频e s 流、音频e s 流打包为p e s 流和将p e s 流打包成t s 流两个过程，执行i s o f l e c1 3 8 1 8 1 标准。 第二章数字电视标准 强糖 1i p e s ， r 睨鞭e s 臻i - q 吲k 镀p e s 锔鹃 i sf i 送漉t s 爵颤 一 爵镪e s 粕鹳型囊傲p e s 锄孵 f i ，： 链 i ，i ：s 爝 刊 敬粼p 例f ? i 息 l 数捌，扎瓤铸l ：i i 说i 1 镟吾i ；踊分l乐绫j ，：链瑙黟分 图2 - 1m p e g - 2t s 流形成过程示意图 2 1 1t s 流的构成 在数字电视中，同一套节目或多套节目，编码的音频和视频信号、控制信息 和辅助数据等，传输前须按m p e g 2 标准第一部分打包，形成固定长度的t s 包， 再由一系列t s 包构成t s 流。 t s 包包长1 8 8 字节或2 0 4 字节，本文以1 8 8 字节t s 包为例。t s 包固定包 长具有便于数据传输与交换，利于包同步，易于找到帧的起止位置，在误码严重 和包丢失等传输条件下得以重新进入同步状态等优点。 t s 包由头部和净荷组成。头部始于必备的4 字节，之后为可选且长度可变 的适配域。m p e g 2 规范的t s 包语法如表2 1 所示，其中与语法表中各语法元 素对应的以二进制比特串呈现的数据元素称为“字段”。 表2 - 1 i t u tr e c h 2 2 2 0ii s o i e c1 3 8 1 8 标准t s 包语法 语法位数缩写 t r a n s p o r t _ _ p a c k e t ( ) s y n cb y t e 8b s l b f t r a n s p o r t _ e r r o r _ i n d i c a t o r 1b s l b f p a y l o a d u n i t _ s t a r t _ _ i n d i c a t o r 1b s l b f t r a n s p o r t _ p d o r i t y 1b s l b f p i d1 3u i m s b f t r a n s p o r t _ s c r a m b l i n g _ c o n t r o l 2b s l b f a d a p t a t i o n _ f i e l d c o n t r o l 2b s l b f c o n t i n u i t y _ _ c o u n t e r 4u i m s b f i f ( a d a p t a t i o 哪e l d _ c o n t r o l = = 10 l fa d a p t a t i o 山e l d _ c o n t r o l = = 。11 ) a d a p t a t i o n _ f i e l d ( ) ) i f ( a d a p t a t i o n _ f i e l d _ c o n t r o l = = 0 1 l ia d a p t a t i o n _ f i e l d _ c o n t r o l = = 11 ) f o r ( i - 0 ：i n ：i + + x d a t a _ b y t e 8 b s l b f ) ) 第二章数字电视标准 s y n c _ b y t e ：同步字，其值为0 x 4 7 ，是固定的8 比特字段，表示一个t s 包 的开始。 p a y l o a d _ u n i t _ s t a r t _ i n d i c a t o r ：净荷开始指示，是l b i t 标志位，用来指示t s 包中载有p e s 包或节目专用信息( p s i ) 的情况。 当t s 包的有效载荷带p e s 包头部时，该标志位为l ，表明t s 包的有效 载荷从p e s 包的第一个字节开始，且此t s 包中有且仅有一个p e s 包的开始。当 该标志置0 时，这个t s 包中没有p e s 包的起始部分。因而可通过该位判断 此t s 包是否开始了新p e s 包，供解复用时定位各p e s 包起始位置。 当t s 包的有效负载是p s i 数据时，该标志位具有以下性质：如果t s 包带 有一个p s l 分段数据的第一个字节，该标志应被置为1 ，这时t s 包负载的第 一个字节是p o i n t e rf i e l d 。如果t s 包不带有一个p s l 分段的第一个字节，那么这 个标志位的值应置0 ，此时有效负载中没有p o i n t e r。field p i d ：包识别符，1 3 位字段。提示t s 包中有效负载的数据类型。p i d 值0 x 0 0 0 0 为节目关联表( p a t ) ，0 x 0 0 0 1 为条件访问表( c a t ) ，0 x l f f f 为空包；携带音 频和视频及p c r 的t s 包的p i d 由节目映射表( p m t ) 给出。 a d a p t i o n _ f i e l d c o n t r o l ：适配域控制，2 b i t 字段。用于指示本t s 包头部是 否跟随有适配域和或有效负载。取值如表2 2 所示。i t u tr e c 。h 2 2 2 ，o i i e c 1 3 8 1 8 1 解码器应丢弃此字段为o o 的t s 包。对空包该字段是0 1 。适配 域也称调整字段。 表2 - 2 调整字段控制值 取值描述 0 0 为l s o ，i e c 未来使用保留 0 1 无适配域，仅含有效负载 1 0 仅含适配域，无有效负载 1 1 适配域之后为有效负载 c o n t i n u i t y _ c o u n t e r ：4 b i t 字段的连续计数器，随具相同p i d 的各t s 包而增 加。若适配域控制为0 0 或1 0 ，则表明该包不含有效负载，该字段值不增 加。 2 1 2 节目专用信息p s i 如上所述，t s 由长度固定的t s 包序列组成，如果其中不设节目管理信息， 那么机项盒和解码器将无法从t s 中找到所需信息。为此在m p e g 2 标准的第一 部分即系统部分，定义了节目专用信息p s i ( p r o g r a ms p e c i f i c a t i o ni n f o r m a t i o n ) 。 p s i 的作用在于自动设置和引导接收解码终端解析t s 的过程。p s i 控制和管理不 第二章数字电视标准 同节目的音频视频流，提供在t s 包中传送节目初始化信息的机制。接收解码终 端借助p s i 和同一套节目音频视频共享的时间基准，即可重现该节目。 在m p e g 一2 标准系统层规范中，p s i 以四种表的形式出现，它们是：节目关 联表( p a t ) 、节目映射表( p m t ) 、网络信息表( n i t ) 和条件访问表( c a t ) 。 t s 流中的各节目在p a t 中都有对应的条目，列出了与某一节目的节目号相对应 的p m tp i d ，从而找到该节目的p m t 所在的t s 包。p m t 中则列有该节目音频、 视频和p c r 等的p i d 值，用于继续查找音频、视频p e s 流。按c a t 中列有的 各条件接收节目信息所在的t s 包的p i d ，合法用户可逐步获取相应的加密信息。 n i t 可选，其内容属于私用性质，在m p e g - 2 系统层中没有具体规定n i t 的具 体格式。 较短的p s i 可只载于一个t s 包中，否则需数个t s 包才能传完，每个t s 包 只载有其中一段。要获取完整的一种p s i 表，必须把这些段找齐，并依次接续。 因为这些表非常重要，所以几乎每个表都带有4 字节的c r c ( 循环冗余校验码) ， 用来保证接收机只能按获得的正确恢复的p s i 来接收和解码相应信息。装载p s i 的t s 包的p i d 为标准中规定的特定值，或由其它表给定。 2 2d v b 标准 d v b ( 数字视频广播：d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ) 系列标准是由欧洲电信标 准化协会( e t s i ) 制定的数字视频传输标准【4 1 。除卫星( d v b s 和d v b s 2 ) 、 有线( d v b c ) 和地面( d v b t ) 传输方式外，还有通过网络、无线通信等信 道传送数字音频、视频和数据等信息的一系列标准，服务形态覆盖s d t v 、h d t v 和家庭信息网络平台等，对接口、条件接收、符合性测试等也有相应标准。 d v b 建立了对所有传输媒体都适用的数字视频传输体系，灵活地传送 m p e g 2 音频和视频压缩码流和其它数据流。为此d v b 标准要求：使用统一的 m p e g 2 传送流、业务信息、里德索罗f - j ( r s ) 前向纠错码以及加扰措施等( 加 密方法允许不同) ；适应不同传输媒体，采用相应的信道编码和纠错方法和调制 方式；支持图文电视；也可供欧洲以外地区采用。 按d v b 标准构筑的数字电视系统分为信源编码、信道复用、信道编码( f e c 、 交织等) 、调制( q p s k 、q a m 或c o f d m ) 、频道变换及接收和解码终端等六 部分。其中信源编码、信道复用采用m p e g 2 标准；d v b s 采用f e c 与q p s k 等技术；d v b c 基于f e c 与q a m ；而d v b t 则采用f e c 与c o f d m 等技术。 对这三种系统的接收和解码终端来说，除需采用相应的解调制和信道解码部分 外，信源解码与显示等部分相同。 第二章数字电视标准 如上所述，m p e g 一2 标准系统部分定义了包括四种表的p s i ，由它们提供节 目组成和控制、管理等信息，使终端得以正确接收和解码。由于这些信息在实际 应用中仍显不足，所以d v b 系统将p s i 扩充为业务信息( s i ) ，用以引导接收解 码终端迅速找到相关节目的信息【5 】f 6 1 。s i 也由一系列表组成，每种表为接收机提 供特定的信息，接收解码终端接收d v b 广播信号时，按照s i ，遵循一定步骤，可 完成节目搜索、e p g 处理、节目信息提取等，最终获取所需节目或服务。其详细 分析与实现参见本文3 2 2 节。 2 3a t s c 标准 a t s c 是美国先进电视系统委员会( a d v a n c e dt e l e v i s i o ns y s t e m sc o m m i t t e e ) 的英文缩写词，a t s c 标准是由该委员会制定的美国数字电视国家标准j 。a t s c 标准规范了美国地面数字电视视频信号格式、音频预处理方式、编码参数、复用 和传送层特性、残留边带调制( v s b ) 以及射频传输子系统等一系列参数。 a t s c 数字电视系统由四个层级组成，层级间有清晰的界线。最上层为图像 层，确定图像格式，包括像素阵列构成、画面幅型比和帧频等。第二层是图像压 缩层，视频采用m p e g 2 图像压缩标准，音频采用d o l b ya c 3 编码标准( a 5 2 d i g i t a la u d i oc o m p r e s s i o ns t a n d a r d ( a c 3 1 ) 。第三层是系统复用层，将特定的数 据纳入不同的压缩包，采用m p e g 2 系统层标准。最后一层是传输层，确定信道 编码方法和载送数据流的调制方式。 a t s c 地面数字电视广播采用8 v s b 调制方式，可通过6 m h z 地面电视广播 频道，实现1 9 3 9 m b s 的传输速率。该标准也容纳适合高数据率有线数字电视系 统的1 6 v s b 模式，可在6 m h z 有线电视射频信道中实现3 8 6 m b s 的传输速率。 和d v b 类似，a t s c 的节目和系统信息协议p s i p ( p r o g r a ma n ds y s t e m i n f o r m a t i o np r o t o c 0 1 ) 也是对m p e g 2 系统层p s i 的延伸瞄j 。p s i p 通过在每路t s 流 中定义和传送一些表来实现。p s i p 用来描述各t s 流携带的电视频道和节目事件 时刻等信息。这些信息主要包括两类：系统信息和节目信息。前者包括导航和信 道接口等，后者用于浏览和节目选择。p s i p 也可加入模拟电视频道信息和其它t s 流数字频道中的信息。本文对p s i p 定义的各种表及其应用的研究工作收录在3 2 3 节。 2 4 我国数字电视广播标准 我同数字电视广播有标准清晰度电视( s d t v ) 和高清晰度电视( h d t v ) 第二章数字电视标准 两种系统。s d t v 演播室标准等同i t u6 0 1 3 ：1 9 9 2 ，采用g b t1 4 8 5 7 9 3 演播 室数字电视编码参数规范。图像格式为7 2 0 5 7 6 i ，图像宽高比为4 ：3 。h d t v 的演播室标准参照i t u rb t 7 0 9 3 ，采用g y t15 5 2 0 0 0 高清晰度电视节目制 作及交换用视频参数值。图像格式为1 9 2 0 1 0 8 0 i ，图像宽高比为1 6 ：9 。两种 均为隔行扫描系统，每秒2 5 帧。演播室数字音频标准引用i t u rb r 1 3 8 4 ，采 用g y t1 5 6 2 0 0 0 演播室数字音频参数。 在信源编码方面，系统和视频部分分别等同于m p e g 2 标准( i s o i e c1 3 8 1 8 ： 1 9 9 6 ) 的第1 和第2 部分，采用g b t1 7 9 7 5 2 0 0 0 信息技术运动图像及其伴音 信息的通用编码。s d t v 音频编码等同于m p e g - 2 标准( i s o i e c1 3 8 1 8 ：1 9 9 8 ) 的第3 部分，采用g b t1 7 9 7 5 3 2 0 0 2 信息技术运动图像及其伴音信号的通用 编码第3 部分：音频。h d t v 音频编码目前采用d o l b ya c 3 。对业务信息和 条件接收，广播电影电视总局分别发布了广播电影电视行业标准化指导性技术文 件：g y z17 4 - 2 0 0 1 数字电视广播业务信息规范1 9 和g y z1 7 5 - 2 0 0 1 数字电 视广播条件接收系统规范。 在信道编码和传输方面，卫星数字电视等效d v b s ( i t u rb o 1 2 11 ) ，采用 g b t1 7 7 0 0 1 9 9 9 卫星数字电视广播信道编码和调制标准。有线数字电视等 一效d v b c ( i t u t j 8 3 ) ，采用g b t1 7 0 2 0 0 1 有线数字电视广播信道编码与调制 规范。地面数字电视采用g b 2 0 6 0 0 2 0 0 6 数字电视地面广播传输系统帧结构、 信道编码和调制。移动多媒体广播采用g y t2 2 0 1 - 2 0 0 6 移动多媒体广播第 1 部分：广播信道帧结构、信道编码和调制。 在终端设备方面，2 0 0 6 3 2 9 信息产业部颁布了2 5 项数字电视接收设备行业 标准。它们均为推荐性标准，分为基础、接口、机项盒、机卡分离和显示器等五 类，后三部分又分为通用技术规范和测试方法两个系列。 上述标准中，g y z1 7 4 2 0 0 1 扩展了m p e g 一2 的p s i 信息，适应我国数字电 视广播实际应用和业务发展的需求，规范了数字电视广播业务信息，使接收解码 器得以从码流中选择业务和或事件信息，自动设置可供选择的业务。规范中的 业务信息自动设置部分主要由m p e g 一2 的p s i 给出，而接收解码器自动调谐信息 则作为p s i 的附加数据。该规范规定的业务信息所包含的数据也可作为电子节目 指南( e p g ) 的基础。 该规范同d v b s i 和a t s c p s i p 类似，也定义了许多种表。补充了复用流 中的业务和事件信息。g y z1 7 4 2 0 0 1 另定义了以下九种表：业务群关联表 ( b a t ) 、业务描述表( s d t ) 、事件信息表( e i t ) 、运行状态表( r s t ) 、 时间和日期表( t d t ) 、时问偏移表( t o t ) 、填充表( s t ) 、选择信息表( s i t ) 和间断信息表( d i t ) ，这九种表与d v bs i 有很多类似之处。 第二章数字电视标准 这些业务信息是数字电视广播码流的组成部分，这些表打包成t s 包，复用 在t s 流中发送。在某些情况下，t s 可能不完整，因而不符合标准的广播规范。 为适应这种情况，g y z1 7 4 2 0 0 1 还定义了存储媒体互操作性( s m i ) ，用来描 述传送数据所需要的s i 和p s i 。 我国地面数字电视传输标准g b 2 0 6 0 0 - 2 0 0 6 是一项具有我国自主知识产权的 强制性国家标准，体现了单载波多载波方案的融合，所有模式的搭配方式共3 3 0 种。按该标准可在4 8 5 8 6 2 m h z 频段中，每个8 m h z 数字电视频道内，实现数 字电视广播信号的地面无线传输。 该标准的信号帧由帧头和帧体构成，帧头是p n ( 伪随机序列) 序列，帧体 携带数据，可采用单载波和多载波两种不同方式传送数字电视信号。多载波方式 帧体由3 7 8 0 个符号数据构成，包括系统信息和有效数据，对应3 7 8 0 个载波。系 统信息采用b p s k ( b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g ，二相相移键控) ，有效数据经串 并变换进行n q a m ( n ：星座点数；q a m ：正交幅度调制) 映射。3 7 8 0 个符号 经频域交织、i f f t ( 反快速傅立叶变换) 得到基带o f d m ( 正交频分复用) 时 域信号。添加p n 后，通过d a ( 数模转换) 和l p f ( 低通滤波器) 滤波，再去 调制载波，形成射频传输信号。 单载波方式下，信号帧的结构与多载波相同。产生单载波射频信号较简单， 按各符号数据确定载波的幅度和相位，在时间轴上把这些载波串联起来，可得传 输信号波形。为收端进行数据同步和信道估计，补偿传输中的误差，尚需在某些 信号帧起点插入p n 序列导频。 论文期间，本人有幸参加了2 5 项数字电视接收设备行业标准的部分制订工 作。在这2 5 项标准的制订过程中，对数字电视图像清晰度最低值的界定，是反 复论证的焦点。最后，适应目前技术水平，对不同显示器件或屏幕，这些界定值 如表2 3 所列【l o 】。本文第五章，总结了本文在这方面所做的工作。 表2 3 我国对s d t v 和h d t v 图像清晰度的最低要求( 电视线) 固有分辨力 c l 玎 数字电视图像 显示器件 中心边角 水平4 5 04 5 04 0 0 s d t v 垂直4 5 04 5 04 0 0 水平7 2 06 2 0 4 5 0 h d t v 垂直7 2 06 2 0 4 5 0 第三章数字电视系统层业务信息研究 第三章数字电视系统层业务信息研究 本章在第二章的基础上，首先较详细地说明了e p g ，剖析了p s i 、s i 和p s i p 及其与e p g 的关系，然后基于对这些数字电视系统层信息的理解，编制了解析 软件，并用c c + + 语言编程实现了系统层信息的编制。这部分工作涉及m p e g 2 、 d v b 和a t s c 三个系列标准。它们为满足数字电视较长时期的发展，在系统层 信息方面，预留了广泛的发展可能性。希望本文对不同d t v 系统层信息的阐述 和完成的编程实现和解析工作，能对系统层信息的逐步开发应用有所帮助。另外， 因第二章已就参照d v bs i 扩展m p e g 2p s i 的我国广电行业标准g y z 1 7 4 2 0 0 1 数字电视广播业务信息规范作了讲述，本章就不再专门阐述。 3 1e p g 概述 电子节目指南( e p g ) 在美、欧等数字电视发展较早的国家已得到广泛应用， 成为数字电视的基本业务之一。据统计，在数字电视的各类业务中，e p g 的点 击率最高，e p g 制作和运营已逐渐成为数字电视业中一个发展迅速的行业。 通常所说的e p g 在技术层面上包含两个部分：一是播出前端的e p g 编辑器； 二是用户端接收机相应的控制软件，前者是e p g 生成，后者是e p g 应用。在发 送端，通过e p g 编辑系统编辑、动态生成和播出e p g 信息；在接收端，通过 e p g 接收软件平台来接收、分析、处理系统业务信息( s i ) ，完成e p g 信息的 接收、显示与控制，为用户提供电子节目指南。e p g 信息包括各电视台、各频 道的当前节目、后续节目、播放时间及相应的各种描述，用户可浏览节目信息并 切换到自己喜好的节目。 e p g 信息包括两部分：基本e p g 信息和扩展e p g 信息。e p g 结构如图3 1 所示。基本e p g 信息是指完全可以用网络信息表n i t 、业务群关联表b a t 、业 务描述表s d t 、事件信息表e i t 等进行描述的e p g 信息。扩展e p g 信息是指在 基本e p g 之外，通过数据轮播传递的e p g 信息，这些信息的入口用e p g 映射 表e m t 描述，信息内容封装成具有多级目录结构的文件系统，称为扩展e p g 内 容信息。一个e p g 系统应至少包含基本e p g 信息。本章涉及的论文工作主要是 对数字电视系统层信息的研究，其中包括基本e p g 的编程实现。 第三章数字电视系统层业务信息研究 3 2 数字电视系统层信息 图3 - 1e p g 结构 m p e g 一2t s 提供了一套可以将视频编码流，音频编码流和通用数据等封装 到一个t s 流的机制。为解析t s 流所包含的信息以及进行带宽控制，m p e g - 2 系统层标准定义了节目专用信息( p s i ) 。t s 同时包含以时间标记形式出现的时 间信息，建立收端对发端的时基同步，并实现视频、音频和数据等的同步。同时， m p e g 一2 系统层标准定义t s 包格式，使其能够在易出现差错的物理信道中( 诸 如无线广播和有线电视网络等) 进行实时传送和接收。 m p e g 2 标准规范的各种系统层信息都必须以一定频率重复发送，每种信息 的时间间隔不得大于某个值，这样才能保证接收解码终端及时获取p s i 信息，从 而能够正确选择节目和对其解码。重复率的增加利于随机访问，但同时引起p s i 数据占用的比特增多，降低传输效率。如果把p s i 映射为静态或半静态，那么它 们可以存储在解码器中，而不必等待重传，这样能加速访问进程。 对业务繁忙的数字电视系统，仅有m p e g 2 的