（信号与信息处理专业论文）有线数字电视信道编码技术的研究及其在机顶盒中的实现.pdf

南京邮电学院硕士论文 摘要 机顶盒是模拟电视向数字电视转变的桥梁，是过渡期间的必备器件。本文介 绍了有线数字电视信道编码的关键技术，以及其在机顶盒中的实现，传输采用的 是欧洲的d v b c 标准，并提出了一种基于d v d 播放器的机顶盒的设计方案。 首先介绍了与数字电视传输有关的标准，其中包括我们国家提出的几种标 准。最后，重点介绍了有线数字电视机顶盒、系统设计框图、利用1 2 c 总线控制 信道编码技术在机顶盒中的实现。这部分内容是采用c 5 1 系列单片机进行仿真 的。 主题词：有线数字电视信道编码机顶盒1 2 c 总线 a b s t r a c t s t bi st h en e c e s s a r yd e v i c ew h i c hi st h eb r i d g ef o ra n o l o gt vt r a n s m i t t e dt o d t vi nt h i s p a p e rt h ec r i t i c a lt e c h n o n l g i e so fc h a r m e le n c o d i n gi nd i g i t a l c 。汀v s y s t e ma r ei n t r o d u c e d t h es t a n d a r dw h i c hi sa d o p ti se u r o p ed v b - c a n dt h e s e t e c h n o n l g i e sa r e r e a l i z e di nt h es t b f i n a l l y ，a nd e s i g ns c h e m i si s s u e da b o u ft h es t b b a s e do nd v d p l a y e f f i r s t ，s e v e r a ld t v t r a n s m i s s i o ns t a n d a r d sa r ei n 打o d u c e d ，i n c l u d i n go u r s i nt h e t e n n i n a l ，d i g i t a lc a t vs t b 、s y s t e md e s i g nb l o c ka n dr e a l i z a t i o no ft e c h n 0 1 0 9 i e si n s t bw h i c ha r ec o n t r 0 1 l e db y1 2 cb u sa r ee x p l a i n e di nd e t a i l a b o u tt h i ss e c t i o n ，i ti s d e v e l o p e db y c 51s c m k e y w o r d s ：d i g i t a l c a t v 、c h a n n a i e n c o d i n g 、s t b 、1 2 c b u s 南京邮电学院硕士论文 前言 随着科学技术特别是数字技术的发展，我们已经进入信息化、数字化时代。 广播电视是信息产业和文化产业的重要组成部分，广播电视数字化是国家现代化 和社会信息化的重要标志。世界各国都十分重视广播电视的数字化，并制定了一 系列的政策和措施推进数字化的进程。 中国数字电视产业仍处于起步阶段，中国的国情决定了中国电视系统的数 字化不可能一步到位，只能是有选择、分阶段进行。从数字电视的发展趋势来看， 中国数字电视发展将经历三个阶段：机顶盒、标准清晰度数字电视s d t v 和高清 晰度数字电视h d t v ，这三者将在一个很长的时期内并存。 在数字电视发展目标上，广电总局提出大力推广基本型( 广播式) 有线数 字机顶盒。广电总局强调数字电视应用将首先从有线电视网络入手，明确以有线 数字电视为数字电视发展的重中之重。今后，我国将全面推进有线电视数字化、 网络化，确保到2 0 0 5 年底前数字电视用户达到3 0 0 0 万户，占全国9 0 0 0 万有线 用户的三分之一。 有线电视已走过光纤化、数字化阶段，进入了目前的平台化阶段，成为了 集节目、游戏、数据、商务等多种业务内容的服务平台。而我国地面数字电视标 准尚未确定，有线电视还处于光纤化、数字化阶段，除了提供传统的广播电视节 目外，其他业务开发还处于初创阶段，有线数字电视用户不到1 0 万户。 有线数字电视涉及到通信、计算机、网络工程、多媒体和数据库技术，其 内容涵盖了h d t v 、s d t v 、交互电视与数据广播。本论文对有线数字电视中采 用关键技术进行了详细的论述以及其在用户终端机顶盒的实现进行了简单的测 试。 数字化是有线电视应对直播卫星、电信网络、互联网络等竞争对手的根本 之策，也是完善有线电视基础设施建设的关键一环。我国有线数字电视一定会前 程似锦! 南京邮电学院硕士论文 第一章信源编码 通信的目的在于信息的传递，为了有效地和不失真的传递信息，在发端和收 端必须对原信号进行一些变换和反变换处理。信源编码是在发端对信号进行变换 处理的一种方法，其目的在于压缩信号的数码率，提高传输效率，在收端相应的 进行反变换处理。 对于图像信号，其数据量非常大，为了提高传输效率，一般将数字化的信源 信号先进行压缩编码，从数字视频信号中移去自然存在的冗余度，尽量减少图像 符号的相关性，提供图像的传送效率。就好像将牛奶中水分去掉制成奶粉，在需 要时将水到进去又做成牛奶一样。 图像信号可以压缩的主要根据主要有两点：一是图像信号中存在大量的冗余 度可供压缩，包括：图像结构冗余、信息熵冗余、知识冗余：二是利用人的视觉 特性，通过减少信号的精读，以一定的客观失真换取数据压缩。在大多数情况下， 如果图像系数的量化误差引起的图像变化在一定范围内是不能为人眼所察觉的。 因此，如果编码方案能够利用人类视觉系统的一些特点，是可以提高压缩比的。 关于图像数据压缩的方式，可以从不同的角度进行分类。按照收端解码后信 号的信息量是否与发端原信号的信息量完全一致来分类，有可逆压缩编码和不可 逆压缩编码。按照压缩的方法分类主要可以分为：预测编码、变换编码、熵编码、 量化编码等。在实际系统中，这些技术的组合应用，可以同时减少时间与空间的 相关性。 1 1 第一代信源编码标准 传统的压缩编码是以香农信息论为出发点，用统计概率模型来描述信源。编 码的对象是像素或者是像素块。这种基于数据统计的、以消除视频数据相关冗余 为目的的编码技术，称为第一代视频编码技术，并未考虑信息接收者的主观特性、 视频信息的具体含义和重要程度等，只是力图去除数据冗余，是一种低层次的编 码技术。第一代视频编码技术采用了的主要技术包括预测编码、变换编码、熵编 码、量化编码以及运动补偿等技术。 为了使先进的图像压缩技术和高性能的数字图像处理技术得到更广泛的应 用必须对图像压缩编码技术建立一个能够在全世界范围内通用的标准规范。其 2 南京邮电学院硕士论文 标志就是几个关于图像编码的国际标准的制定，即i s o 和i e c 关于静止图像的 编码标准j p e g ，订u t 关于电视电话，会议电视的视频编码标准h 2 6 1 、h 2 6 3 ， i s o i e c 关于活动图像的编码标准m p e g l 、m p e g 2 、m p e g 4 、m p e g 7 和 m p e g 2 1 等。这些标准融合了各种性能优良的图像编码方法。 m p e g 于1 9 8 8 年成立，是为数字视音频制定压缩标准的专家组。m p e g 组 织制定的各个标准都有不同的目标和应用，目前已提出m p e g 1 、m p e g 2 、 m p e g 一4 、m p e g 一7 和m p e g 一2 1 标准。m p e g 标准主要基于三大编码工具：自适 应块变换编码消除空间冗余；运动补偿差分脉冲编码调制消除时域冗余，二者融 合为混合编码技术；熵编码用于消除混合编码器产生的统计冗余。 1 1 1m p e g 1 标准 m p e g 1 标准用于传输1 5 m b p s 数据传输率的数字存储媒体运动图像及其伴 音的编码，其中1 1 m b s 用于视频，1 2 8 k b s 用于音频，其余带宽用于m p e g 系 统本身。该标准包括五个部分：第一部分说明了如何根据第二部分( 视频) 以及 第三部分( 音频) 的规定，对音频和视频进行复合编码。第四部分说明了检验解 码器或编码器的输出比特流符合前三部分规定的过程。第五部分是一个用完整的 c 语言实现的编码和解码器。 m p e g 1 为了满足用户的应用需求，具有随机存取、快速正向逆向搜索、 逆向重播、视听同步、容错性等功能。m p e g 一1 对动作不激烈的视频信号可获得 较好的图像质量，但当动作激烈时，图像就会产生马赛克现象。它没有定义用于 额外数据流进行编码的格式，因此这种技术不能广泛推广。它主要用于家用 v c d ，它需要的存储空间比较大。 1 1 2m p e g 2 标准 m p e g 2 标准于1 9 9 4 年正式推出，主要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。编码码率从每秒3 兆比特1 0 0 兆比特。m p e g 2 在系统和传送方面作了更加详细的规定和迸一步的完善。 m p e g 一2 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按方式。标准目前分为9 个 部分。m p e g 2 解决了m p e g - 1 不能满足的日益增长的多媒体应用对分辨率和传 输率的要求，支持固定比特率传送、可变比特率传送、随机访问、分级编码、比 南京邮电学院硕士论文 特流编辑等功能。m p e g 2 能够提供广播级的视像和c d 级的音质。 1 2 第二代信源编码标准 在m p e g 4 标准之前的m p e g 一1 和m p e g 一2 ，h 2 6 1 以及h 2 6 3 等标准都是 采用传统的图像编码方法，这种技术的核心是基于分块的d c t 变换，属于第一 代视频编码技术。但是随着研究和应用的不断深入，分块d c t 变换的缺点逐步 暴露出来，尤其是低比特率应用环境下，压缩图像不可避免的出现方块效应和飞 蚊噪声。这主要是因为采用平稳高斯过程来刻画非平稳的图像信号，用余弦基进 行非平稳信号的逼近，其结果必然不是最优的。另外，这种方法本身未能考虑信 息获取者的主观特性以及图像的具体结构和内容，也没有充分利用人类视觉系统 的特性，难以实现对图像内容的查询、编辑和回放等操作。 为了与人眼视觉特性相符合，第二代视频编码技术采用了非像素的表征方 法，它认为人眼是视频信号的最终接收者，视频编码时应充分考虑人眼视觉特性 的影响。采用由轮廓、纹理等定义的区域来表征视频数据，这些区域对应的是对 象或者是对象的一部分，去掉的是内容的冗余。 1 2 1m p e g 4 标准 m p e g 一4 标准中规定适应的3 段比特率范围分别为：低于6 4 k b i t s ； 6 4 k b i t s 3 8 4 k b i t s ：3 8 4 k b i t s 4 m b i t s 。m p e g 一4 标准是一个适合多种多媒体应 用的视昕对象编码标准，它定义了一种框架而不是具体的算法，使视频产品具备 更大的灵活性和可扩展性。与m p e g 一1 和m p e g 2 标准最根本的区别在于 m p e g 一4 采用基于对象的方法，可以支持基于对象的互操作性。为适应通用访问， m p e g 一4 标准中加入了面向功能的传送机制，其中的错误鲁棒性、错误恢复的处 理和速率控制等功能使编码能适应不同信道的带宽要求。m p e g 4 编码系统是开 放性质的，可随时加入新的编码算法模块，可根据不同的应用需求，现场配置解 码器。 m p e g - 4 标准的开发目标是实现多媒体业务在各个领域的应用，涉及面非常 广泛，不同的应用对应的码率、分辨率、质量和服务也不同。m p e g 一4 是第一个 使你由被动变为主动的动态图像标准，已不再是一个单纯的音视频编解码标准， 它更多定义的是一种格式和框架，而不是具体的算法，这样人们可以在系统中加 入许多新的算法。m p e g - 4 的设计目标还有更广的适应性和可扩展性。 4 南京邮电学院硕士论文 1 3 信息检索标准- - m p e g 7 标准 每天，无论是军用还是民用领域都会产生近十亿比特的视频数据。这些数据 中包含大量的信息。但是，如果我们不能合理地组织这些数据，要有效的浏览、 检索这些信息几乎是不可能的。为了解决这类问题m p e g 专家组提出了m p e g 一7 和m p e g 2 1 标准。 m p e g 一7 一般称为多媒体内容描述接口，侧重于媒体数据的信息编码表达， 是一套可用于描述多种类型的多媒体信息的标准。m p e g 一7 定义了一个关于内容 描述方式的可互操作的框架，它超越了传统的元数据概念，具有描述从低级元素 信号特征，如颜色、形状、声音特质到关于内容搜集的高级结构信息的能力。 m p e g 7 通过定义的一组描述符与多媒体信息的内容本身相关联，支持用户快速 有效地搜索其感兴趣的信息。通过给携有m p e g 7 数据的多媒体信息加上索引， 用户就可方便地进行信息检索了。 m p e g 一7 使多媒体信息查询更加智能化，它对多媒体内容进行描述的功能对 现有的m p e g 1 、m p e g 一2 、m p e g 4 标准将起到功能扩展的作用。m p e g 一7 的 应用可以分成三大类：第一类是索引和检索类应用；第二类是选择和过滤类应用， 可以帮助使用者只接受符合需要的信息服务数据：第三类是与m p e g 一7 中“元 ( m e t a ) ”内容表达有关的专业化应用。 m p e g 7 的最终目的是把网上的多媒体内容变成象现在的文本内容一样，具 有可搜索性。该标准支持非常广泛的应用，如音视频数据库的存储和检索；广播 媒体的选择；智能多媒体、多媒体编辑：家庭娱乐等。 1 4 多媒体框架m p e g 2 1 标准 由于多媒体内容的处理涉及到了许多不同的平怠，关系到数字资产权利保护 等诸多问题，所以虽然目前用于多媒体内容的传输和使用的许多标准都已存在， 但想要建立一个统一的完整体系还有很多问题需解决。为了将不同的协议、标准 和技术结合在一起，使得用户可以在现有的各种网络和设备上透明地使用多媒体 内容，实现互操作，需要建立一个开放的多媒体框架，所以出现了m p e g 一2 1 标 准，正式名称是多媒体框架。目的是：( 1 ) 将不同的协议、标准、技术等有机地 融合在一起；( 2 ) 制定新的标准；( 3 ) 将这些不同的标准集成在一起。m p e g 一2 1 标 准其实就是一些关键技术的集成，通过这种集成环境就对全球数字媒体资源进行 南京邮电学院硕士论文 透明和增强管理，实现内容描述、创建、发布、使用、识别、收费管理、产权保 护、用户隐私权保护、终端和网络资源抽取、事件报告等功能。 m p e g 系列标准中的每个标准都是建立在前面标准的基础之上的。 m p e g 一1 和m p e g 2 是目前成熟的广泛应用的标准。而m p e g 一4 是作为一个开放 的多媒体标准出现在市场上的受到了瞩目，并为多家厂商所采用。后继标准 m p e g 一7 及以后的m p e g 2 1 标准重点已经不在压缩方面，m p e g - 7 注重于多媒 体数据基于内容的描述，用来帮助运营者管理日益丰富的多媒体信息，而 m p e g 一2 1 则更多侧重于与多媒体信息内容的使用相关的诸多方面。m p e g 系列 标准对多媒体以及相关产业产生了重大的影响，并将极大的推动多媒体通信领域 的发展。 1 4 a v s 1 4 1f”斗舭屯业背景 我国 。 饭心 技术标准，相关企业长期受制于国，一杯t 。与技术的，止删组织。从发 生的d v d 专刊咐弘一一 i j 最近l ： 卒厂商在媒体上透露的数码相机专利孜费意 向，再到国 “提醒我们关注 国内数字音。一 数字音视频领域中，信道编码、格式标准分别解决“数字化道路”和“年的规 格问题，音、m 炳编解码社术解决的是音、视频等“货物”压缩打包的问题。作为这 一产业的基一 翟mr 一、美国等跨国公司所制定的m p e g 系列标 准所垄断。由于不掌握核心技术标准，相关企业的每台音视频设备都要按年缴纳 一定专利费用。 数字音视频系统市场向来是m p e g 2 等标准的天下，但面对即将到来的数 字电视时代，我国必须拥有自己的数字音视频编解码技术标准。如果继续采用 m p e g 龟等技术标准，不可避免地要向它们缴纳专利费。研发自己的数字音视频 编解码投术被提上日程。 2 0 6 ：) 3 年1 2 月2 0 曰，a v s ( 数字音视频编解码技术标准) 终于完成了第一部分 ( 系统) 和第二部分( 视频) 的草案最终稿，并且正式提交信息产业部和国家标准化 管理委埙会审批行业标准和国家标准。 南京邮电学院硕士论文 1 4 2 关于a v s 标准 a v s 标准包括系统、视频、音频等三个主要标准和一致性测试等支撑标准。 系统部分与目前广泛采用的国际标准m p e g 一2 兼容，并针对数字电视、光盘播放 机、网络流媒体、多媒体通信等应用进行了具体的规定和定义，从框架上提供了 对国内外各种主流视频、音频编码标准的支持。视频部分是a v s 标准中最复杂 的部分，编码效率是m p e g 2 视频的2 3 倍( 根据视频画面尺寸不同有所不同) ， 超过了国际上的m p e g 4a v c h 2 6 4 标准，而且方案简洁，实现复杂度明显比 m p e g 一4a v c 低，在高清晰度应用方面处于国际领先水平。音频部分采用主流 技术框架，是一套性能比国际标准或类似方案更好的音频编码方案，代表了音频 编码领域的最新进展。 a v s 视频编码标准整个技术框架包括八大技术模块：变换、量化、预测、 变长编码、环滤波器和帧间预测、熵编码器、场编码。 a v s 视频标准从技术上达到国际先进水平，是我国科研机构和企业的集体 创新。本领域多名海外华人专家和国外专家作为工作组的顾问，为标准的制定提 供了很大支持，很多跨国企业在华机构积极参与了标准制定。 1 4 3a v s 的产业应用前景 a v s 是一套适应面十分广阔的技术标准，优势表现在以下几个方面：( 1 ) a v s 是基于我国自主创新技术和国际公开技术所构建的自主标准；( 2 ) a v s 的编码效 率比我国目前准备采用推广的m p e g 一2 国际标准高2 3 倍( 高清晰度电视可达到 3 倍或更多) ；( 3 ) a v s 与正在制定的m p e g 一4a v c 标准和i t uh 2 6 4 标准编码效 率相当，技术方案更简洁；( 4 ) a v s 可节省一半以上的无线频谱和有线信道资源， 降低传输和存储系统的复杂程度，显著降低传输、存储设备与系统的经济投入； ( 5 ) a v s 最直接的产业化成果是未来1 0 年我国需要的3 5 亿颗解码芯片，最直 接效益是节省超过l o 亿美元的专利费，从而为我国数字电视等音视频产业的跨 越发展提供难得契机。 a v s 工作组有信心在掌握数字音视频编解码关键技术并妥善解决专利问题 的基础上，在国际先进水平的研究开发工作基础上，制定出我国具有自主权的数 字音视频编解码标准，推动音视频编解码芯片、整机和软硬件系统的开发，为数 字音视频产业解决后顾之忧，为数字音视频产业的跨越式发展打开宽阔的大门。 南京邮电学院硕士论文 第二章有线数字电视概述 2 1 数字电视标准 伴随着电视广播的全面数字化，传统的电视媒体将在技术、功能上逐步与信 息、通信领域的其它手段相互融合，从而形成全新的、庞大的数字电视产业。这 一新兴产业已经引起广泛的关注，各发达国家根据自己的国情，已分别制定出由 模拟电视向数字电视过渡的方案和产业目标。数字电视被各国视为新世纪的战略 技术。数字电视成了继电信引爆i t 之后的又一大“热点”。 数字电视，是信源采用数字压缩编码，传输采用数字通信技术，接收采用数 字电视机或者是加上机顶盒的模拟接收机或其他数字接收设备，涉及广播电视、 通信、计算机和微电子等诸多领域的高新技术，也是集半个世纪的图像编码技术 与现代电子技术、通信技术等发展成就于一体的现代高科技成果。数字电视是当 今世界各国实施国家信息基础结构的重要组成部分。按信号传输方式分类，数字 电视可以分为地面无线传输、卫星传输、有线传输三类。 模拟电视有n t s c 、p a l 和s e c a m 三种制式。目前，数字电视标准，有 美国的a t s c 、欧洲的d v b 和日本的i s d b 三种不同的标准。我国也在制定我 们自己国家的标准 ”，p nf - 海交大的a d t b 、清华的d m b t 、电子科技大学的 s m c c 等标准。 2 1 1a t s c a t s c 数字电视标准主要是考虑地面广播的数字高清晰度电视的发展，采用 m p e g 一2 视频编码的m p m l ，音频采用杜比a c 一3 ，可以将1 g b p s 的高清晰度 信号压缩到大约2 0 m b p s ，压缩比为5 0 ：l ，以便在6 m h z 的电视信道中传输。 a t s c 7 】【1 4 】【1 6 】采用两种v s b 数字调制模式：地面广播的8 v s b 和有线传输的 1 6 v s b 。两者所不同的是传输电平的数目，以及在地面广播系统中采用的格状编 码和n t s c 干扰抑制滤波器方法不同。 2 1 2d v b d v b 数字广播传输系统利用了包括卫星、有线、地面等所有通用电视广播 传输媒体。它们分别对应的d v b ( 7 1 4 1 1 6 标准为d v b s 、d v b c 、d v b t 等。 南京邮电学院硕士论文 2 0 0 1 年国家广电总局已颁布行业标准：有线数字电视广播信道编码和调制规 范，该标准等同于d v b c 标准，行标的制订有利于我国有线数字电视的推进。 d v b 标准的核心是：采用m p e g 压缩的音频、视频及数据格式作为数据源； 采用m p e g 2 传输流复用方式；采用用于描述广播节目的系统业务信息；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有条件接收界面。 d v b t 一地面数字视频广播系统。关于地面广播，其特点是最复杂、干扰严 重、频道资源紧张，因此数字电视地面广播一般启用“禁用”频道进行广播，同 时地面广播主要面i 临加性噪声、多径传输即符号干扰等。 d v b s 一用于1 1 1 2 g h z ( 上行下行) 的卫星电视、声音和数据业务的数字 视频广播。 d v b c 一数字有线广播电视系统标准以有线电视网作为传输介质，应用范围 ，。它具有1 6 q a m 、3 2 q a m 、6 4 q a m 、2 5 6 q a m 等多种数字调制方式。系统 前端可从卫星、地面发射、本地链路获得信号，在终端需要机顶盒进行接收； 2 1 3i s d b i s d b 利用一种标准化的复用方案，在一个普通的传输信道上可发送各种不 同的信号，同时可以通过各种不同的传输信道发送复用信号。i s d b 具有柔韧性、 扩展性、共通性等特点，可以灵活地集成和发送多节目的电视和其它数据业务。 i s d b 主要用于地面数字视频、数字音频和数据广播等综合业务。i s d b 的信 道调制采用1 4 0 5 或5 6 1 7 个载波分段的o f d m 调制，调制方式可以是d q p s k 、 q p s k ，也可以是1 6 q a m 、6 4 q a m ，对于数据流内的不同内容，可以使用适宜 的调制方式。为了克服多径传输干扰加了保护间隔。与欧洲的方案不同之处在于 接收方面。增加了部分接收和分层传输。 所谓部分接收，指系统将整个6 m h z 带宽分为1 3 段，每段4 2 3 k h z ，主要解 决窄带和宽带业务的同时接收问题。其接收机可以接收6 m h z 全带宽，也可以接 收频带中心那一段的窄带4 2 3 k h z 信号。前者主要用于固定和车载移动接收：而 后者主要用于小型便携接收机，但由于带宽较窄，接收条件差，实际只能用于音 频广播和数据。 所谓分层，指对不同段的纠错和调制方式进行不同的设置，以针对不同重要 南京邮电学院硕土论文 程度的信息及不同的接收条件和接收区域。该系统分成四层，如a 层具有最高的 可靠陆，可用于传送解码所需的重要信息，而其它各层可采用不同的保护率以适 应不同的业务。 美、欧、日的数字电视产业已经启动，其模式各不相同。美国数字电视产业 模式的主要特征是；大力推广数字高清晰度电视业务，以强制措施主推地面广播， 卫星、有线传输同步跟进，将于2 0 0 6 年停止模拟电视的使用。英国模式的主要 特点是：只推标清电视业务，同时采用卫星、地面、有线传输手段全方位覆盖， 但对地面广播似有重点倾斜。日本模式的特点是：通过卫星覆盖推广高清电视业 务，地面广播进度较慢。 2 1 4 我国地面数字电视标准 美国的a t s c 方案最早提出，但是它未能解决移动接收的问题；欧洲的 d v b t 方案稍晚出现，它解决了移动接收的问题，但是在高速移动和在城市楼 群的遮蔽中穿行时信号重a 再同步问题解决不佳，且难以构建蜂窝单频网；日 本的i s d b t 与欧洲的相似。目前我国正在研发的地面数字电视广播共有3 种传 输方案，简单介绍一下。 ( 1 ) 高级数字电视广播a d t b 系统传输方案 a d t b 系统设计者上海交通大学认为：移动接收时，对系统性能造成影响的 决定因素并不是多普勒频率，而是信号幅度的变化。移动接收时，信号时而直达， 时而被阻挡，接收到的信号幅度的变化速度与程度是系统工作与否的决定性因 素。该标准包括地面广播模式和电缆模式，前者支持混合传输( 即固定接收，移 动接收，数据业务的码流可以以时分复用的方式同时传送) 。 ( 2 ) 地面数字多媒体电视广播系统传输( d m b t ) 清华大学电子过程系提出的一直称为地面数字多媒体电视广播的方案是针 对数字电视广播业务与服务提出的，采用时域同步正交频分复用的调制方式，包 括电视模式和多媒体模式。 ( 3 ) 同步多载波扩频地面数字电视传输( s m c c ) 电子科技大学提出的同步多载波扩频地面数字电视传输为解决移动传输条 件下的困难提供了新的技术手段，以高效率、高可靠性进行数字电视地面无线传 输。包括多载波、扩频和单频网码流同步3 大部分。 1 0 南京邮电学院硕士论文 国内数字电视有线传输的国家标准尚未确定期间，建立的有线数字电视系统 采用的是广电行业标准或d v b c 传输标准。数字电视产业发展采取何种模式， 将对产业化进程和市场启动产生重要影响，大多数认为：我国的数字电视市场启 动应“以有线为主要传输手段，通过高清带动产业发展，以卫星解决边远覆盖”。 2 2 有线传输在数字电视发展中的地位 目前，我国电视的传播方式主要是地面电视广播和有线电视广播。有线电视 广播与地面电视广播相比，图像质量好，节目套数多，近年来得到迅速发展。卫 星是提高广播覆盖的最佳技术选择之一，因受到政策方面的影响，到目前为止， 还不能开展直接到户的广播。在电视广播从模拟向数字转换过程中，有线电视广 播将率先实现数字电视广播。 有线数字电视系统优点 有线数字电视是当今世界有线电视广播的发展趋势，有线数字电视系统是指 将模拟电视信号转换成数字信号以数字的方式进行处理和传输的有线电视系统。 与传统的模拟电视系统相比，有线数字电视具有如下优点： ( 1 ) 提高了电视节目的质量 数字化以后的电视信号传输，噪声没有积累，各用户的信号质量一样，提高 了传输质量。采用m p e g 一2 视频编码标准，视频比特率为4m b s 5 m b s ，利 用这些数字信号源，使用数字有线电视传输到用户，还可以传送高清晰度电视节 目。 ( 2 ) 增加了电视节目的数量 我国电视的模拟制式为p a ld k ，频道带宽是8 m h z 。c a t v 采用数字调制 方式为6 4 q a m ，1 个8 m h z 模拟频道可以传8 1 0 套数字电视节目。2 0 0m h z 带宽内可以传2 0 0 2 5 0 套节目。国内某些有线电视台已由模拟频道占用也可使 用2 5 0 4 5 0m h z 的增补频段。这样就可以开展v o d 、h d t v 及其它多媒体信 息业务。 ( 3 ) 能提供多功能业务 随着c a t v 的数字化，可以实现数字业务、交互式电视业务等新型服务方式， 如提供电话、计算机浏览等业务，也可提供电视购物、电子银行、远程教育、 v o d 等新式有条件接收的交互式业务。用户从单纯的收视者变为积极的参与者。 南京邮电学院硕士论文 ( 4 ) 可以在有线网上开展数据广播业务 与有线网上目前运行的其他业务相比，数据广播发展的条件最为成熟。我国 现有的有线电视用户，大多数是单向用户，进行双向网络改造成本相当高。数据 广播业务符合我国有线电视网的现状，符合广播信道的特征和应用条件，不需要 对现有网络作大的改造。数据广播业务同时符合有线电视网目前数字化、网络化、 信息化的需求，符合行业发展的方向。 数字电视广播从有线电视开始已逐渐得到政府、有线电视运营商、设备制造 商、投资商的普遍认同，一些有线电视网已经开始了数字电视广播试验。探索如 何在有线电视网上开展数字电视业务，有线电视的数字化改造已拉开序幕。 2 - 3 有线数字电视系统 2 3 1 有线数字电视传输系统 在数字电视传输系统中，信源部分可细分为：数字视频信源压缩编码、数字 音频信源压缩编码、数据编码、节目流多路复用、传输流多路复用等。节目流多 路复用是将数字视频信源压缩编码、数字音频信源压缩编码、数据编码三种信号 复用在一起成为节目流。传输流多路复用是将多个节目流复用在一起形成传输 流。其中信源压缩编码承担图像数据的压缩功能，去掉信号中的冗余度，降低传 输码率。经信源编码的图像数据送入多路复用器与音频数据等进行多路复用，然 后送入信道编码器。 l 数字视频信源压缩编码卜 节 流 传 i 数字音频信源压缩编码p 多 输 路流 l 数据编码 p 复 复 用 用 ， 器 图2 1 信源部分组成 信道编码的目的是提高信号的在传输中的抗干扰能力，输出接口电路具有码 型变换作用，即把单极性码变换成有利于传输的双极性码。远距离传输时采用数 字光纤线路以接力方式传输。 为了提高通信的可靠性，信道部分对信号处理极其严格，也极其复杂，包括 南京邮电学院硕士论文 的处理方法也较多。因此又把信道部分细分为外信道和内信道。如图2 2 所示。 外外内内 传 内 码 外 码码码输码 能 雾 数卷数 线 路 数 积字 一 字 解 量 霾 交交调 v 调 扩 据 散织织制 内 外 kl- 外 码 码 码 码 卷 一 数 蜀 解 能 量积 据 嫠 敷 解解 交交 织织 j发端 一l 传输i 卜 收端 l l h畸呻斗! ： 外信道 i内信道 外信道 ： 二一信道部分二一一一 图2 2信道部分详图 外信道包括：外码能量扩散、外码r s 纠错编码、外码数据交织、外码数据 解交织、外码r s 纠错解码、外码解能量扩散等。 内信道包括：内码卷积交织、内码数字调制、传输线路( 信道) 、内码数字解 调、内码卷积解交织等。 有线数字电视传输系统发射端它包括：数字视频压缩编码、数字音频压缩编 码、数据编码、节目流多路复用、传输流多路复用、复用适配与能量扩散、外码 r s 纠错编码、内码卷积交织、单字节到多字节符号转换、差分调制、基带整形、 q a m 调制等。q a m 调制后的中频信号经过上变频器转换成射频信号，经有线 电视网进行传输，如图2 3 所示。这些技术我们在后面介绍。 + 复 传 用 编 输 适 码 多 配 路 与 - , i t , 1 曾 复 能 量 用 扩 散 l i 旧 i 单 - i 字 1 节 差 | 到差l 基 调 1 蓍 一季 分 一薹 制 编 翟 i 节码i 形 曩 i 的q 口 l 映 l 射 图2 3 数字电视有线信道编码系统 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m p e g 一2 传输流中，然后进行信道处理。 南京邮电学院硕士论文 2 3 2 有线数字电视系统的组成 d v b - c 有线数字视频广播，它是由前端系统、网络系统、用户终端三大部 分组成，其中，前端系统是整个有线数字电视系统的核心，网络是系统的基础平 台，用户终端是实现最终的结果。这一标准针对的业务是有线电视系统，它规定 从基带数字电视信号到c a t v 信道之间的适配方法，即信道编码以及调制方法。 输入的数字电视信号可以是卫星接收到的节目，分配链路传来的节目或者是本地 节目。 对于数字信号，信号处理的内容很多，信号结构的形成、信号的分复接、数 字信号的调制、信号的同步等；信号的控制如流量控制、误码控制、故障控制、 性能管理和安全管理等。 有线数字电视系统“。“”3 与模拟有线电视的主要区别有两点：一个是前 端系统是融合了电视、计算机、数字通信等技术，含有数字电视播出、用户管理 等硬件和软件的综合系统；二是用户端需要增加数字机顶盒以便开展各项业务a 一个典型的有线数字电视系统的组成如图2 4 所示。 图2 4 有线数字电视系统示意图 完整的有线数字电视系统应由三部分组成：数字电视发送端、网络传输系统 和用户终端系统。 2 3 2 1 前端系统 1 4 南京邮电学院硕士论文 前端系统是有线电视网络的信息源、交换中心，是接个有线电视系统的核 心。数字电视前端包含的内容更加广泛，是电视数字化的重要环节之一。 前端系统大致可以分为模拟电视部分、数字电视部分和数据部分三大块， 不同的部分有不同的处理方式和控制管理方式。 数字电视前端包括许多关键性的数字设备和技术，如m p e g 2 压缩编码器、 数字多路复用器、数字调制器等。数字电视集成了许多领域的新技术，如数字视 频音频技术、通信技术、条件接收技术、网络技术及微电子技术等。 有线数字电视前端主要由以下几个部分：数字电视信源系统、业务系统、存 储播出系统、复用加扰系统、条件接收系统、用户管理系统、编码调制系统、回 传处理系统以及其他辅助系统。整个前端系统负责把不同信源取得的节目、信息 进行编码压缩复用、传输管理。 随着国家广电总局开展有线数字电视试验及明确了试验的主要任务，数字化 改造的范围和进程也加快了，条件接收系统、用户管理系统、中文电子节目指南 及各种业务系统逐渐在全国开始推广。 2 3 2 2 网络部分 在有线电视网络中的传输技术有a t m 、i p 、s d h 、h f c 几种形式。其中数 字信号在s d h 、a t m 网络中传输，而h f c 既可以用来传输数字信号也可以用来 传送模拟信号。我国采用的是h f c 网络系统。 有线数字电视传输系统的主干网通常是光纤网络，用户线可采用同轴电缆。 数字电视既可以在数字干线上传输，又可以在模拟干线上传输。在数字干线上传 输可以采用p d h 和s d h 方式，通过电信公共网传输。在模拟干线上传输可以采 用i - i f c 方式。网络干线部分采用多芯双向光纤传输，分配网部分为总线型同轴 电缆双向传输。为了使数字电视信号顺利传输，则首先要对数字电视信号进行数 字调制，调制后的信号相当于模拟信号，这样，可以与模拟电视信号频分多路传 输。 2 3 2 3 用户终端 用户终端系统：用户终端盒。目前大部分的终端还是由模拟电视机和机顶盒 等设备组成。关于s t b 的内容将在后面详细进行介绍。 南京邮电学院硕士论文 2 - 3 3 有线电视网的资源潜力 目前在我国有线电视网有两大优势：最后公里”带宽很宽；覆盖率高于电 信嘲。电信网形成时，只是为了一个业务，那就是打电话，而打电话只要求6 4 k 的带宽。所以整个网络的设计也就仅局限于这6 4 k 。因此，电信网的“最后一公 里”就成了瓶颈，限制了网络速度的提高。尽管电信采取了i s d n 、a d s l ，目前 可以做到1 0 m 、8 m 、6 m ，但成本将非常高，而有线电视的同轴电缆的带宽很容 易可以做到8 0 0 m ，就现在的带宽需求而言，c a t v 网的最后“一公里”是畅通的。 当然，由于有线电视网当初是用于广播式的电视传播，也就是说，是单向 的，所以要用于计算机网络，必须对现有的网络前端和用户端进行改造，使之具 有双向传输功能。 总的来说，有线电视网相对电信网络具有以下优势： 高传输速率； 线路始终通畅( 不用拨号，没有忙音) ； 多用户使用一条线路( 包括完整的电视信号) ； 不占用公用电话线； 提供真正的多媒体功能； 有线电视网正在向数字化、综合化、宽带化、智能化和多媒体化方向发展， 最终将建成为宽带综合信息网。国家广电总局当前的基本策略是：“要加大数字 有线电视标准宣传贯彻力度，推进有线数字化进程”。也就是说，有线网将成为 我国发展数字电视的重要基础。数字电视的发展可以给有线电视网络带来很多的 新业务。利用有线电视网络，构建有线数字电视多业务系统，使用数字传输技术， 还可拓宽数字化业务和应用的范围。 南京邮电学院硕士论文 第三章信道编码技术 信源编码解决了信息表示的效率问题，信源编码的输出信息码是“0 ”和“1 ” 组成的码元序列，要使该位流在信道中可靠的传输，首先要使位流的频率特性与 传输信道的频率特性相适应，否则位流传输时就会产生波形失真，误码就会增加， 抗干扰能力就会降低，而且还会对邻近频道产生干扰，因此，在传输前必须对位 流进行处理，将其码型变换成适合信道传输的形式，这就是信道编码。 数字传输系统在数字信息交换和传输中所遇到的最主要的问题是可靠性问 题，也就是数字信号在传输和交换的过程中出现差错的问题。主要原因是不同传 输系统的性能不佳及其在传输过程中受到的不同干扰。因此，要从多种途径来研 究提高系统可靠性的方法，一是选择合理的调制方式和改善信道特性来提高接收 端输出的信噪比；二是需要采用信道编码使数据本身具有纠检错能力，来提高可 靠性。 信道编码是经过编码后便于匹配信道传输和减少差错，找到适合数字信号在 相应信道中的安全传输模式。 在有线系统中，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隔8 个同步字节进行 一次； ( b ) 然后进行数据的能量扩散，避免出现长串的o 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1 8 8 字节增加到2 0 4 字节； ( d ) 进行数据卷积交织； ( e ) 首先进行字节到符号的转换，如6 4 q a m 时将8 比特数据转换成6 比特 为一组符号： ( f ) 然后头两个比特进行差分编码再与剩余的4 比特转换相应星座中的点。 ( 曲最后对数据流进行q a m 调制。 在有线网络系统中，核心与卫星系统的相同，为了尽可能和各种传输方式兼 容，除了数字调制系统是以正交幅度调制( q a m ) 而不是以q p s k 为基础外， 其他部分基本和地面以及卫星等的都相同，都具有相同的伪随机序列扰码，相同 南京邮电学院硕士论文 的r s 编码和相同的卷积码等。由于有线电视信道干扰小，可不需要内码编码， 采用q a m 和v s b 调制都合适，但是从综合载噪比等因素来考虑采用了q a m 调 制。我们以有线数字电视采用的d v b c 标准为主来介绍信道编码中的这些关键 技术。 3 1 能量扩散技术 在经过信源编码( 按m p e g 2 标准) 和传输流复用之后，传输流将以固定数据 长度组织成数据帧结构，如图3 1 所示。欧洲d v b 标准的传输流复用帧每帧的 总长度为1 8 8 字节，其中包括1 个同步字节( 0 1 0 0 0 1 1 1 ) 。发送端的处理总是从同 步字节( 4 7 h ) 的最高位( m s b ) ( g n ”0 ”1 开始，每八个数据帧为一帧群。为区别每一 帧群的起始点，第一个数据帧的同步字节每个比特翻转，即由4 7 h 变为b 8 h ， 而第二至第八个数据帧的同步字节不变。这样，在接收端只要检测到翻转的同步 字节，就说明一个新帧群开始。第一个数据帻的同步字节翻转，实际上是在下面 要讲述的伪随机信号发生器中完成。 m p e g 一2 传送删x ! ! 堕旦塑三! ! ! ! 呈羔 ， rrr 同步1同步2同步8同步l 1 8 7 字节1 8 7 字节1 8 7 字节 随机化的数据包：同步字节和随机化序列 图3 1 固定长度数据帧结构 经上述处理后的传输数据流，再按图3 2 中描述的格式进行数据随机化。能 量扩散的目的是使数字电视信号的能量不过分集中在载频上或“1 ”、“0 ”电平相 对应的频率上，使“l ”和0 分布较为合理，即整个数据系列中，数据从“0 ” 到“1 ”或从“1 ”到“0 ”的跳变较为平凡，这大大有利于载波恢复，提高了接 收信号的稳定可靠性，从而减小对其它通信设备的干扰。具体做法由伪随机发生 器的生成多项式决定。数据随机化过程在收、发两端是同步进行的，以确保原始 数据的恢复。 能量扩散是通过伪随机二进位序列发生器来完成的，需要能量扩散的数字信 号送往图3 2 所示的电路就可完成。伪随机发生器电路是由生成多项式决定的。 欧洲d v b 标准采用的伪随机二进位序列发生器的生成多项式为：l + 工”+ 工” 南京邮电学院硕士论文 在每八个传送帧开始时，对十五个存储器进行初始化，加载 ”1 0 0 1