数字电视培训教程PPT课件

数字电视培训教程 2013年3月 内容安排 一 数字电视基本概念二 数字电视系统组成及关键技术三 数字电视标准四 有线数字电视技术基础五 信源编码技术 压缩编码 六 信道编码和调制七 有线数字电视传输技术八 有线数字电视前端系统九 数字机顶盒十 数字电视参数的测量 一 数字电视基本概念 1 什么是数字电视数字电视是一个系统 它指一个从节目摄制 制作 编辑 存储 发送 传输 到信号接收 处理 显示等全过程完全数字化的电视系统 2 数字电视实现的意义使整个广播电视节目制作和传输质量显著改善 信道资源利用率大大提高 提供其他增值业务 数据广播 视频点播 电子商务 软件下载 电视购物 为 三网融合 提供了技术上的可能性 3 数字电视分类HDTV 图像分辨率1920 1080 16 9 SDTV 图像分辨率720 756 PAL 720 480 NTSC LDTV VCD级图像分辨率 4 数字电视的优点数字传输 信号质量高彩色逼真可实现不同分辨率等级接收 HDTV SDTV 可移动接收 无重影增加节目频道应实现加解密和加解扰 便于展开CA业务准交互和交互其它增值业务 二 数字电视系统组成及关键技术 1 系统组成从横向看 硬件系统 节目制作数字信号处理传输接收显示从纵向看 软件系统 物理层传输协议中间件标准信息表示信息使用内容保护 节目制作设备 数字摄像机 数字录像机 数字特技机 数字编辑机 数字字幕机 非线性编辑系统数字处理设备及技术 压缩编 解码设备及技术 数据加 解扰设备及技术 加 解密设备及技术信号传输 地面 有线 卫星接收设备 数字电视接收机 卫星 有线 显示 CRT LCD PDP 投影显示等 2 关键技术1 信源编码技术视频压缩编码 MPEG 2音频压缩编码 MPEG 2 欧洲 日本 AC 3 美国 我国标准 GB T17975 2 2000 信息技术 运动图像及其伴音信号的通用编码规范第2部分 视频 GB T17975 3 2000 信息技术 运动图像及其伴音信号的通用编码规范第 部分 音频 2 传输复用技术数据打包 N个信道的视频 音频和辅助数据进行数据分组 传输流复用 将N个打包的数据复合成单路串行传输流 标准 国际MPEG 2我国GB T17975 1 2000 信息技术 运动图像及其伴音信号通用编码第1部分 系统 传送复用使电视信号具有与数据通信相似的数据分组 打包 传输 从而使数字电视系统具备了可扩展 分级和交互通信的基础 3 信道编码和调制经信源编码的传输码流通常不适合在传输信道 无线 有线 卫星 中传输 必须经过某种处理 使之变成适合在规定的信道中传输的形式 在通信原理中把这种处理称为信道编码和调制 信道编码包括 纠错编码 网格编码 均衡等 信道编码目的 提高传输信号在信道中的抗干扰能力 标准 GY T170 2001 有线数字电视广播系统信道编码与调制规范 4 有条件接收 CA CA只允许已付费的授权用户使用某一业务 未经授权的用户不能使用这一业务 CA涉及技术 前端的加密和加扰技术 接收端的对用户寻址控制和授权解扰技术 标准 GY Z175 2001 数字电视广播条件接收系统规范 5 软件平台 中间件机顶盒中硬件功能 接收RF信号 信道解码 解调 MPEG 2码流解码 模拟视 音频输出 机顶盒中软件功能 电视节目内容显示 EPG节目信息 操作界面的实现等 中间件 是一种将应用程序与底层的实时操作系统及硬实现的技术细节隔离开来的软件环境 支持跨硬件平台和跨操作系统的软件运行 使应用不依赖于特定的硬件平台和操作系统 中间件构成 Java虚拟机 JavaScript虚拟机 HTML虚拟机等 三 数字电视标准 国际三大标准DVB S欧洲 DVB 数字视频广播 DVB TDVB C美国 ATSC 高级电视制式 日本 ISDB 综合业务数字广播 四 有线数字电视技术基础 1 有线数字电视信号传输等级及传输系统模式1 传输等级 LDTV SDTV HDTV2 传输系统模式电缆传输 PCM方式光纤传输 SDH方式光纤 同轴混合传输 HFC数字调制方式 2 有线数字电视的主流标准与方式1 标准 DVB CATSC 16VSB ATSC 64QAMISDB C 2 四种方式 DVB CATSC 64QAMATSC 16VSBISDB C传送方式16 64QAM64QAM16VSB64QAM频带宽度8MHz6MHz6MHz6MHz传输速率31 64Mb s41 34Mb s43 05Mb s30 31Mb s接收滚降15 15 11 5 18 纠错率RS 204 188 RS 128 122 RS 207 187 RS 204 188 压缩方式MPEG 2 3 数字电视信号的产生直接产生 字幕机 数字摄像机等转换生产 电影胶片 电视电影机模拟 数字 A D转换 信号数字化 1 信号数字化过程取样 取样频率 Nyquist定理连续信号变换成离散信号量化 将离散信号样值进行离散化处理离散化的量化级量化噪声编码 量化后的信号仍然只是离散信号 还不是数字信号 用n比特二进制码来表示已经量化了的取样值 称为编码 每个二进制数对应一个量化电平 再按时序将它们排列起来 就得到基带数字信息流 传输速率 传输速率 取样频率fs 量化比特数 2 音频信号的数字化 取样频率 40KHz 常用11 025KHz 22 05KHz 44 1KHz 48KHz 量化比特数 8bit 12bit 16bit 声道 单声道 双声道 立体声 取样频率 量化比特数 声道数 数字音存储量 字节 8bit例 CD标准取样频率44 1KHz 量化比特数16bit 立体声 存储一分钟数字音乐的容量为10 584 000字节或84 672 000比特 3 视频信号的数字化编码方式 复合编码 将彩色全电视信息直接编成PCM码分量编码 将亮度信号Y 色差信号R Y和B Y分别编码或PCM码 复合编码 与电视制式有关 分量编码 与电视制式无关在节目后期制作中 复合 需解码 分量 无需解码传输时 复合 由于频分复用 产生亮 色串扰 分量 采用时分复用 无亮 色串扰 4 数字电视信号的码率1 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 270Mbps 2 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 1485Mbps 5 数字电视信号的有效码率1 标准清晰度数字电视信号的有效码率是指在单位时间内与视频信号有关的数据量 因为在电视信号的水平和垂直消隐期间内没有视频信号 所以有效码率一般只是码率的60 80 在ITU R601标准中 8bit量化时 NTSC 480 60i 亮度信号的有效码率为 每行的取样点数X有效扫描行数X量化比特数X帧频 720X480X8X30 82 944Mbps2个色差信号的有效码率为 2X360X480X8X30 82 944Mbps总有效码率为 亮度信号有效码率 2个色差信号有效码率 82 944Mbps 82 944Mbps 165 888Mbps 480 60i PAL 576 50i 亮度信号的有效码率为 每行的取样点数X有效扫描行数X量化比特数X帧频 720X576X8X25 82 944Mbps2个色差信号的有效码率为 2X360X576X8X25 82 944Mbps总有效码率为 亮度信号有效码率 2个色差信号有效码率 82 944Mbps 82 944Mbps 165 888Mbps 576 50i 2 高清晰度数字电视信号的有效码率在SMPTE274M数字电视标准中 采用8bits量化时1080 60i信号格式量度信号的有效码率为 每行的取样点数X有效扫描行数X量化比特数X帧频 1920X1080X8X30 497 664Mbps2个色差信号的有效码率为2X960X1080X8X30 497 664Mbps总有效码率为 2X497 664 995 328Mbps 1080 60i 1080 50i信号格式的有效码率为1920X1080X8X25X2 829 44Mbps 1080 50i 6 数字电视技术中电视系统的表示方法1080 60i1080表示每帧有效扫描行数 60表示帧频或场频 i表示隔行扫描 720 50P720表示每帧有效扫描行数 50表示帧频或场频 P表示逐行扫描 NTSC制可表示为 480 60iPAL制可表示为 576 50i1080 60i还可表示为 1080 60 2 1720 50P还可表示为 720 50 1 11080 60i还可表示为 1080 60i720 50P还可表示为 720 50P 五 信源编码技术 压缩编码 1 数字视频压缩的必要性HDTV1920 1080显示格式数字化后传输速率995Mb SSDTV复合编码135Mb S分量编码4 2 2216Mb S存储 2小时HDTV 存储量7164Gbit S2小时SDTV 存储量972Gbit S复合编码1555Gbit S分量编码传输 HDTV需1Gb S信道SDTV需1 2个155Mb S信道无论对于存储或传输 码率压缩都是绝对必要的 2 压缩编码方法 1 利用图象时间的相关性与时间冗余度的压缩电视图象中相继各帧对应象素点的值往往相近或相同 具有时间相关性 找出这些相关性就可以减小信息量 从而实现与时间有关的压缩 2 利用图象空间的相关性与空间冗余度的压缩一幅图象相邻各点的取值往往相近或相同 具有空间相关性 找出这些相关性就可以减少信息量 从而实现与空间有关的压缩 3 利用事件的统计特性与统计冗余度的压缩对经常出现的数据用短码组表 对不经常出现的数据用长码组表示 则最终用于表示这一串数据的总码位就减少了 从而实现与统计冗余有关的压缩 4 利用人眼的视觉特性与视觉冗余度的压缩人眼的视觉特性 对亮度信号比对色度信号敏感对低频信号比对高频信号敏感对静止图象比对运动图象敏感对图象中水平和垂直线条比对斜线条敏感包含在色度信号 图象高频信号和运动图象中的一些数据并不能对增加图象相对于人眼清晰度作出贡献 而被认为是多余的数据 这就是视觉冗余度 压缩视觉冗余度就是去掉那些相对人眼而言是看不到的或可有可无的图象数据 3 基本的图象压缩编码技术 1 分类冗余度压缩技术 无损伤压缩技术 无失真 数学上可逆 即它是可还原的 信息量压缩技术 有损伤压缩技术 有失真 数学上不可逆 即它是不可还原的 2 图象压缩技术优劣评估条件信息压缩比 压缩前后所需的信息存储量之比重现图象精度 重现的图象与原图象相比有多大失真执行速度 压缩算法要多少时间完成压缩比增大 图象损伤程度也随之加大 电视节目制作 压缩比2 1至8 1Sony数字Betacam录象机2 37 1模拟分量录象机Betacam SP8 1VCD母盘 压缩比12 1采用帧内压缩方式 JPEG标准 电视广播 压缩比15 1 20 1采用帧间预测编码 MPEG 2标准有线数字电视压缩比可加大至30 1 MPEG 2标准 3 基本压缩编码方法预测编码 DPCM 差分脉冲编码调制DPCM不直接传送图象样值本身 而是对实际样值与它的一个预测值之间的差值进行再次量化 编码 这种方法可消除图象信号的空间相关冗余帧内预测 和时间相关冗余 帧间预测 利用象素的相关性还可进一步减小差值 离散余弦变换 DCT DCT DiscreteCosineTransform 是数码率压缩的一种常用的变换编码方法 DCT是先将整体图像分成N N像素块 然后对N N像素块逐一进行DCT变换 由于多数图像高频分量较少 相应图像高频分量的系数经常为零 加之人眼对高频成分的失真不太敏感 所以可用更粗的量化 因此传送变换系数的数码率 要大大小于传送像素所用的数码率 到达接收端后通过反离散余弦变换回到样值 虽有失真 但人眼是可以接受的 游程长度编码 RunlengthEncoding 是指一个码可同时表示码的值和前面有几个零 在用之字形读出方式情况下 出现连零的机会较多 尤其在最后 如果都是零 在读到最后一个数后只要给出 块结束 EOB 码 就可以结束输出 从而节省很多码率 通常 DCT系数量化之后 都采用之字形方式读出 霍夫曼 Hoffman 编码霍夫曼 Hoffman 编码 属于统计编码 是可变字长编码 VLC Variable LengthCoding 的一种 相当于对概率大的符号给短码 对概率小的符号给长码 4 视频压缩编解码标准 1 H 261标准1980年CCITT通过为国际标准用于可视电话 P 64Kb S P 1 30可变 64 1920 Kb S用于会议电视 P 36H 261 又称P 64 是最早的一个码率压缩标准 2 JPEG标准1986年提出 1992年公布为国际标准 属帧内压缩编码方法 主要用于数字电视编录设备 如非线性编辑系统 压缩比 32 5 3接近原始图象质量5 3 11图象很好 满足绝大多数应用11 16图象好 满足多数应用15 32图象较好 满足某些应用 3 MPEG 1标准1988年提出 1992年公布为国际标准典型应用如VCD等家用数字音象产品 最高编码速率1 8Mb S实现方法 DCT 运动补偿和霍夫曼编码信源输入格式为SIF SourceInpntFormat 如为CCIR 601格式的信源要转换成SIF格式才能输入MPEG 1编码器 4 MPEG 2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 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 MPEG 2的主级和主类提供720 576 PAL 25帧的ITU R601建议图像质量 在压缩比为30 1或更小时 MPEG 2可以提供广播质量的编码图像 MPEG 2也可工作在大压缩比如200 1下 效果与MPEG 1相差不大 即与MPEG 1兼容 a MPEG 2是一个系统 它的作用是 对音频 视频 数据 控制等基本比特流实现复用提供各种定时及初始化经解码器提供PSI 节目特定信息 支持有条件接收 CA 随机接入 数字存储和纠错b MPEG 2系统输出两个数码流 节目比特流PS 用于相对无误差的环境传输比特流TS 用于有噪声媒质 C 系统结构及基本码流结构MPEG 2标准的系统部分 它涉及将一个或多个图像 声音和其它数据的基本码流组合成单一或多个码流 使之便于存贮和传输 定义了一套系统指标是为了把视频 音频压缩过程结合在一起而设置的 系统层中的信息流通方式如下 首先 数据从视频 音频编码器而来 称为基本码流 ES 然后 ES被分别打包 形成两个打包的基本码流 PES 再后 PES被复接成一个节目码流 PS 和一个传输码流 TS 附图给出了MPEG 2系统的简化总体结构 两种比特流的区别 节目码流 PS 用于误码比较小的传输或存贮媒介 节目码流可以是固定码率也可以是可变码率 其数值在系统时钟参考 SCR 中定义 为本地应用相对于无误码的环境设计 传输码流 TS 用于误码比较大的传输或存贮媒介 其码率可以是固定的或不固定的 其数值在节目时钟参考 PCR 中定义 它是为广播应用而设计 即TS是为易误码的环境和有较高比特差错概率的噪声媒质设计的 那里往往需要把几个信道集合成一束数据 TS用在广播系统和长距离网络中 在TS中可以包括多个节目 因此接收TS时首先要解复用 PS和TS是各针对一类应用而设计的 都以数据包为基础 PS的包长可变 通常较长 TS的包长固定为188字节 包头4个字节 184个净荷字节 并可与ATM适配 TS的结构及其产生框图PES经过复用再打成188比特的固定长度包便形成TS流或TS包 TS流是各传输系统之间的连接形式 是传输设备间的基本接口 其结构如图示 TS由带有一个或多个独立时基的一个或多个节目组合而成 注意 TS不是由节目码流PS构成 而由PES复接而成 每一个打包在TS中的PES都伴有一个包标识符 PID 一个特定节目的所有TS包不管它是视频 音频还是数据 都能借助于它们的PID从复合的码流中提取出来 一个或几个节目被加进 复接 TS中 也可被提取 解复用 出来 一个TS中的每一个节目关联到一个独立的时钟 TS侧重于传输方面的结构和说明 如加入同步 说明有无差错 有无加扰等 其中包的识别对解码有着重要作用 是识别码流和信息的标签 5 MPEG 4标准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 MPEG 4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 6 H 264标准1999年开始制定 2004年年底发布H 264建立在块匹配混合编码基础上 采取一系列高效压缩编码技术的开放式标准新标准H 264在H 263与MPEG 4基础上的性能提升 必将对视频移动通信 视频流服务 HDTV等领域的IP视频传输和存储产生极其深远的影响在相同的SNR下 平均码流H 264比MPEG 4降低41 比H 263降低52 比MPEG 2降低67 一套SDTV 6Mbps降低为1 98Mbps H 264标准可分为三档 1 基本档次 其简单版本 应用面广 2 主要档次 采用了多项提高图像质量和增加压缩比的技术措施 可用于SDTV HDTV和DVD等 3 扩展档次 可用于各种网络的视频流传输 H 264的优势 1 在相同的恢复图像质量条件下 比H 263和MPEG 4节约了近50 的码率 2 对网络传输具有更好的支持功能 a 它引入了面向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 b 支持不同网络资源下的分级编码传输 从而获得平稳的图像质量 c 能适应于不同网络 六 信道编码和调制 1 信道编码为什么要进行信道编码 信源编码的码流不适合在信道中传输 必须经过某些处理 使之适合在信道中传输 这称为信道编码 否则 信道中噪声和失真的影响将导致接收信号质量劣化 有线数字电视信号的信道编码使用基于码流随机化的能量扩散 基于RS码编码的前向纠错 FEC 技术 为克服信道中的突发干扰造成的误码还采用了字节交织技术 2 数字载波调制技术1 数字载波调制的基本类型数字载波调制技术是在HFC网中所涉及的把二进制数字 数据基带信号调制到载波上的技术 数字载波调制技术基本类型有 ASK 幅移键控 FSK 频移键控 PSK 相移键控 Q PSK 4PSK 正交相移键控 QAM 正交幅度调制 ASK FSK的图解分述于后 幅移键控 ASK 不同幅度代表 1 和 0 频率 相位不变 频移键控 FSK 不同频率代表 1 和 0 振幅 相位不变 2 多进制的各种组合调制数字信号是由 0 1 的编码信号组成的 当传输频带受到限制时 为了增加信息量 通常采用多相位 多振幅和多频率的各种组合调制 只变一个参数的如 多进制相移键控 多进制幅移键控 多进制频移键控 两个参数以各种组合的方式变化的组合调制如 正交振幅调制QAM 残留边带调幅VSB等 以多进制相移键控为例 它是以载波的不同相位代表二进制码 而载波的振幅 频率不变 它的载波相位可以有M个不同的取值 例如M 2 4 8 其余可类推 2相位PSK 2PSK 二进制数字 0 和 1 由两个相位来代表 相对对于某个参考值 载波电位超前90 代表 1 迟后90 代表 0 4相位PSK 4PSK 和8相位PSK 8PSK 它们的比特数和各相位间的关系示于后图中 3 正交相移键控在CATV中 常用正交相移键控 Q PSK 正交振幅调制 QAM 和残留边带调幅 VSB AM 等数字载波调制 这些都属于多进制组合调制方式 载波调制的基本模型中 大都只改变载波三个参数中的一个 如果把ASK与PSK结合起来同时改变两个参数 每个又各有x和y种变化 总共有xy种可能变化和对每种变化的比特数 4 8QAM星座图和编码信号时域图2振幅4相位的8QAM星座和时域图举例 由于振幅变化比相位变化更容易受噪声影响 因而振幅变化的数量都小于相位变化的数量 8 QAM时域图 5 多值正交幅度调制 MQAM QAM称为正交幅度调制或正交幅移键控QASK 当它们不再取两个值而分别取2 4 6 8个值时 就分别对应8QAM 16QAM 32QAM 64QAM 称为多值QAM调制方式 调制等级M 2m m是每个符号的比特数 比特率R BW BW为频道带宽 符号率BS BW 1 比特率R BS 1 为MPEG 2的滤波器滚降系数 0 15 频谱利用率 频率 R 传输比特率 BW 频道带宽 b s Hz 载噪比C N与m有关 b 16QAM振幅相位坐标图 16种符号 每个符号4比特 例1001 16QAM的结构图 c 16QAM振幅相位坐标图 16种符号 每个符号4比特 例1001 4个振幅8个相位 Q轴 I轴 2个振幅8个相位 I轴 Q轴 3个振幅12个相位 a 16QAM振幅相位坐标图 16种符号 每个符号4比特 例1001 6 64QAM和256QAM调制由QAM调制器实现 通常QAM调制器功能包括 码流随机化处理 RS编码 204 188 卷积交织 字节到m位符号变换 QAM调制 上变频至设定频道 7 M QAM调制各参数间的关系1 比特率与波特率编码方式每符号比特数波特率比特率16QAM4bitsN4N32QAM5bitsN5N64QAM6bitsN6N128QAM7bitsN7N256QAM8bitsN8N2 卫星数字电视29 65MHz带宽模拟频道可传送的码率信道编码CNR门限 dB传输速率 Mb s 频谱利用率 bit s Hz QPSK14 5451 58PSK18712 416QAM22893 064QAM281404 6128QAM311605 4256QAM341806 1 3 有线数字电视8MHz带宽模拟频道可传输的码率信道编码CNR门限 dB传输速率 Mb s 频谱利用率 bit s Hz 64QAM25 538 44 8128QAM29 5435 4256QAM33 5496 14 在8MHz带宽内可压缩的数字电视节目数视频压缩标准MPEG 2MPEG 1压缩码率 Mb s 86543264QAM最多节目数46781218128QAM最多节目数578101422256QAM最多节目数689121624 8 不同调制方式的性能比较为了比较不同的调制方案 可用如下两个基本的工程标准来描述 频谱利用率 指每单位调制带宽所能传送的比特数 b s Hz 每比特能量 是指在规定传送准确度下的每比特能量 对有线电视经营者来讲 频谱利用率说明在有限带宽内可容纳多少数字电视信号 每比特能量则表明系统需要多高的信噪比 此外 还要考虑诸如成本和复杂性等其他重要特性 性能比较如果噪声恒定 每比特能量越高越能改善误码率 因为 此时各星座点间的距离越远 所以 在给定信号功率和噪声功率的情况下 星座点间的距离越远的调制方式BER性能就越好 若要达到QPSK的各状态的分离程度 16QAM就需要更大的信号幅度 16QAM的高频谱利用率是以提高信号功率为代价得到的 误码率BER定义 信号的每比特能量Eb 噪声谱密度N0 N0为1Hz带宽内的噪声功率 Eb N0 一旦Eb N0已知 达到一定BER所需载噪比 C N 就可由下式得到 C N Eb N0 R B 8 式中 B是检波器中滤波器的噪声带宽 R是比特率 b s 七 有线数字电视传输技术 1 四级传输网国家干线网 北京到各省会城市环网 网状网 支线网SDH DWDM 2 5Gb s 4 8 16 32波分复用 省干线网 省会到地市 县 环网 支线网SDH2 5Gb s地市 县干线网SDH2 5Gb s622Mb s或光纤射频副载调制接入网HFC网750 860MHz 2 SDH与HFC网络的接口1 数字电视信号如何进入SDH网络传输 数字电视信号的MPEG 2帧格式通过映射 封装到SDH的物理帧 通过SDH的DS3接口进入SDH网传输 一个DS3信道可容纳6 7套SDTV节目 2 SDH网络传输的数字电视信号如何进入HFC网络传输 SDH信号传输到数字电视前端 由数字电视前端的DS3网络适配器将SDH物理帧中的数字电视MPEG 2数据帧提取出来 形成ASI码流从DS3网络适配器的ASI端口输出 输出的ASI码流进入数字电视前端 经过信号处理和QAM调制后 由光发射机发射进入HFC网络传输 3 地市 县有线数字电视传输方式1 通过SDH网传输 数字基带传输 2 有线数字电视载波传输方式将多路数字电视信号采用QAM方式调制到模拟载波上 通过频分复用实现多频道传输 3 二者比较传输方式SDH系统64QAM 载波传输系统占用信道45Mb s DS3 8MHz带宽前端DS3适配器 码流复用器不需增加设备需要设备64QAM调制器传输距离无限制200Km价格高低 4 HFC网络传输数字电视的技术指标分配1 HFC网络传输数字电视时的系统构成2 系统的技术指标a 我国现在还无标准b 国际标准ITU J 112附录A 数字视频广播有线电视分配系统的交互信道 IEC 数字调制信号的技术参数及要求 规定 在机顶盒 STB 输入端口的技术指标载噪比C N 非线性失真CSO CTB为 载噪比C N 在STB输入端口 对于64QAM调制 STB在RS误码校正前的BER 10E 4 通过前向纠错 FEC 后 在解码器前的BER 10E 8时 要求的载噪比为C N 25 5dB 载噪比C N是RF接口参数 误码率BER是解码器输入端口参数 但二者一一对应 对于不同的调制方式 在要求BER相同时 对应的C N是不一样的 例如 要求BER 10E 8时64QAMC N 25 5dB256QAMC N 33 5dB 非线性指标为 CSO 43dB CTB 43dB调制误差比 MER 28dB最终 选取系统技术指标为 C N 27dBCSO 43dBCTB 43dBMER 28dB 3 系统技术指标分配a 前端RF技术指标涉及的设备有64QAM调制器 混合器 RF前置放大器 通常将系统指标中C N的一半分配给前端 即 C N H 30dB调制误差比MERH 40dB非线性指标不分配给前端 b 同轴分配网网RF技术指标同轴分配网的三种模式 三级放大器分配网光工作站 一级分配放大器的分配网光工作站直接分配的分配网以上三种分配网中 光工作站 一级分配放大器的分配网技术指标最低 就选定该指标作为分配网技术指标 即 C N D 51dBMERD 32dB CSO D 60dB CTB D 61dB c 光纤干线网技术指标前端 分配网的综合技术指标为 C N I 30dBMERI 31 2dB CSO I 60dB CTB I 61dB光纤干线网技术指标为 C N F 32dBMERF 33dB CSO F 44dB CTB F 45dB d 系统技术指标分配小结机顶盒前端光纤同轴建议指标设计指标干线网分配网C N dB 27 28 31 32 51MER dB 28 29 39 33 32CSO dB 43 44 44 60CTB dB 43 44 45 61从上述指标可以看出 全数字电视信号传输时 系统技术指标要求比模拟电视信号传输时低得多 因此 全数字电视信号传输时 光纤干线网的传输距离比模拟电视信号传输要远得多 e 光纤网技术的指标分配考虑到地市传输到县以后 县以下还有光纤干线 将系统技术指标分配中光纤干线网的技术指标分一半给县光纤干线 即地市中心到县光纤干线网和县以下的光纤干线的技术指标为 C N F 35dBMERF 36dB CSO F 47dB CTB F 51dB 5 HFC网络在传输数字电视进行网络改造时应注意的问题全面规划现有的和将要开通的业务及占用的频道数目 业务包括模拟电视 数字电视 数据广播 视频点播 交互电信业务等等 每一种业务占用的频道数目 包括上 下行频道 应根据当地的实际情况作统一规划 6 数字系统与模拟系统有许多不同 QAM调制信号和白噪声的频谱类似 不存在载波 因此也不存在CTB和CSO 非线性产物的频谱也类似白噪声 传输系统性能的劣化最终都归结为噪声 热噪声 非线性噪声 相位噪声 脉冲噪声等 数字信号对热噪声不敏感 相对于模拟信号 而对相位敏感 因此纯数字传输系统应该和模拟系统以及模数混传系统有不同的思路 不同的设计 甚至采用不同的设备 相位噪声取决于光发射机和机顶盒 7 有线数字电视系统的频谱计划与单纯的双向模拟传输网不一样 数字化传输的CATV信号内容包括有数字电视信号 CableModem上下行信号 网管信号 电平 频谱设置更复杂 也有很多不同特点 国家广播电影电视总局科技司的 有线数字电视频道配置指导性意见 中规定了在有线电视分配网实现整体数字化过程中的频道配置 在特殊情况下模拟与数字电视广播共存期间的过渡策略 以及上 下行频道的配置意见 为平稳实现有线电视分配网络模拟向数字技术全面转换提供频道配置的指导性意见 有线数字电视频道配置指导性意见 中有线数字电视下行频道的配置建议如下图所示 在不具备专门线路传输数字电视信号的地区 可根据要求同时传送模拟和数字电播信号供分配网络使用 分配网络的频道配置原则 按照相对完整的频段划分模拟 数字业务将有利于减少模拟和数字频段之间的邻频干扰 并且便于在系统中相对独立地处理模拟和数字电视频道 A频段早期可用于传输模拟电视业务 全数字化后再传输数字电视信号 D频段用于传输数字电视业务 各频段的数字化优先顺序为 最先数字化 B2 D C2其次数字化 B1 C1最晚数字化 A上行频道的配置仍按照GY T180 2001 HFC网络上行传输物理通道技术规范 文件的规定 八 有线数字电视前端系统 有线数字电视前端系统由四个部分组成 1 信号输入部分2 信号处理部分3 信号输出部分4 系统管理部分 信号输入部分 信号处理部分 信号输出部分 TS切换器 解扰器 数字卫星接收机 备份单元 备份单元 MPEG 2编码器 MPEG 2编码器 MPEG 2编码器 编码器备份单元 DS 3适配器 适配器备份单元 播控服务器 交换机 节目库服务器 视频服务器 VOD NVOD服务器 SI EPG发生器 节目采编工作站 数据广播系统 节目磁盘阵列 SDH AV AV AV AV 传输流处理器 QAM调制器 传输流处理器 QAM调制器 备份TS处理器 QAM调制器 QAM调制器 再复用器 再复用器 QAM调制器 备份再复用器 备份QAM调制器 传输流处理器 加扰器 备份加扰器 加扰器 加扰器 模拟电视频道 CA系统 SMS 路由器 交换机 系统管理部分 SMS远端工作站 DVB C数字电视前端系统配置图 混和器 中心软件平台SMS系统 用户管理系统 CA系统 条件接受系统 EPG系统 电子节目指南 中间件系统网络管理系统计费系统播控系统 用户管理系统 SMS系统 条件接收 CA 系统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 同密 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 多密 每台接收机通过定义的公共接口 CommonInterface 允许使用多种解扰方式 b 定义一种公共的加解扰算法 使用户能使用单一的解码器 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 CommonInterface 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 CommonInterface 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 加扰器 PRBSG SI发生器 ECMG加密器2 EMMG加密器1 EMMG加密器1 节目信息管理 控制字发生器 SAS SMS 复用器 解复用 解扰器 PRBSG 解密器2 解密器1 授权 PDK智能卡 解密器1 TS加扰TS加扰TSTS 发送端用户端 CW 信道ECM EMM EMM ECM SK PDK 支付 SK 关于PSI ProgramSpecificInformation 节目特定信息由MPEG 2标准定义的PSI 一般是对单一TS流的描述 PSI的作用是使机顶盒中的解码器可以使用PSI信息来自动地设置解码器所需要的各种参数 PSI用四个表格来定义码流结构 PAT ProgramAssociationTable 节目关联表 PID 0 PAT给出了构成传输流TS中各个节目业务的PMT的PID 同时也给出了NIT的PID PMT ProgramMapTable 节目映射表 PMT表给出了组成节目业务的各个码流的PID NIT NetworkInformationTable 网络信息表 它是由ETS300468定义 符合ISO IEC13818 1标准 它提供有关物理网络的信息 CAT ConditionalAccessTable 条件接收表 PID 1 它提供一个或多个CA系统接入的信息 指定CA系统与它们相应的授权管理信息EMM信息之间的联系 指定EMM的PID 以及其它相关参数 PSI信息在复用时通过复用器插到TS流中 并用特定的包标识符 PID 进行标识 PSI指定了如何从一个携带多个节目的TS流中正确找到特定的节目 NIT表在MPEG 2标准中未予规定 它是由SI来规定的 关于SI ServiceInformation 业务信息 DVB标准中关于Service的定义 Serviceofprogramunderthecontralofabroadcasterwhichcanbebroadcastaspartofaschedule 它的意思是 在一个可以广播节目时刻表的运营商控制下的节目服务 DVB对SI的定义 PSI是对单一码流的描述 由于播出系统通常存在多个码流 通常一个频道对应一个TS码流 多个频道就有多个TS码流 为了让使用者能在多个码流中快速地找出自己需要的业务 DVB标准化组织对MPEG 2规定的PSI进行了补充 即在PSI四个表的基础上再增加了九个表构成了SI SI是对整个系统所有码流的描述 它描述系统传输内容 广播数据流的编排和时间表等数据 也包括PSI信息 SI规定的九个表 BAT 业务群关联表 提供节目业务群相关信息 给出了业务群的名称和每个业务群中的业务清单 利用BAT可以方便地进行相关节目或某一类节目的浏览和选择 SDT 业务描述表 提供系统中业务的数据 例如业务名称 业务提供者 起始时间 持续时间 以及是否有相应的业务描述表等方面的信息 业务描述表可以描述当前的TS流 也可以描述其它的TS流 可以用表标识符来区分 EIT 节目信息表 包含了与事件或节目相关的数据 如节目的名称 开始时间 时间长度 运行状态等 EIT是生成EPG的主要表 RST 运行状态表 给出某一或多个事件的运行 非运行状态和时间 即某一事件运行或不运行的信息 如正在运行 即将运行 暂停 不运行等 并更新这些信息 允许按时自动切换到指定的事件事件 TDT 时间和日期表 给出了与当前的时间和日期相关的信息 由于这些信息更新频繁 需要单独使用一个表 TOT 时间偏移表 给出了与当前时间 日期和本地时间和日期偏移相关的信息 由于这些信息更新频繁 需要单独使用一个表 ST 填充表 它的作用是表明现有的内容是无效 只是作为填充字节 不传输有用信息 SIT 选择信息表 仅用于码流片段中 例如记录一段码流 包含了描述该码流片段业务信息间断的地方 DIT 间断信息表 仅用于码流片段 如记录的一段码流中 并将它插入到码流片段业务信息间断的地方 SI信息是用来描述传输系统 传送内容和广播数据流时间表等的数据 是MPEG 2中PSI的附加数据 这些数据帮助机顶盒自动调谐 给用户提供附加信息 使机顶盒能自动设置可供选择的业务 电子节目指南 EPG系统 通常所说的EPG在技术上实际包含两个部分 即EPG内容信息和EPG应用 EPG内容信息是从数字电视平台发出的传递节目预告和描述信息的数据 EPG应用是运行在用户终端上的软件 它将EPG内容信息显现给观众 并响应观众对EPG的各种指令 EPG与其它数字电视业务一样 在技术实现上有一个基本前提 就是要求所在的数字电视系统是 端到端 的 即平台前端和用户终端要遵循相同的标准和规范 都能保证EPG正确到达观众 EPG的功能分为两大类 一类是基于单向网络的功能 一类是基于双向网络的功能 基于单向网络的功能包括 基本功能有广播电视节目指南 如节目播出表 当前节目播放 节目介绍 节目附加信息 节目分类 节目预定 家长分级控制等 PPV节目指南 NVOD准视频点播节目指南 扩展功能有数据广播服务指南 节目预览 分类广告信息服务指南 电子商务信息指南 基于双向网络的功能包括 基本功能有VOD视频点播节目指南 互动电子商务服务指南 扩展功能有电子邮件列表服务 Internet接入内容列表服务 EPG系统由下列各个部分组成 内容 元数据 浏览 播放器 前端制作工具和资源格式 内容 Content 是EPG系统的核心 包括 基本节目内容 片名 演员表 时间 制作公司等 多媒体表现形式 节目预告剪辑 精彩片断剪辑 媒体报导等 附加信息 观众评论 相关网站链接等 九 数字机顶盒 STB 1 数字机顶盒概述数字电视机顶盒主要完成数字电视信号解调 解码和表现等功能 机顶盒分类按广电总局技术规范要求 机顶盒分为 标准清晰度 SD 和高清晰度 HD 两大类 标准清晰度机顶盒按功能又分为基本型 增强型和高级型 机顶盒的组成机顶盒由硬件平台 软件平台和智能卡三部分组成 硬件是实现功能的基础 软件是实现功能的具体体现 具备能力的硬件可以通过软件发掘其功能 便宜的机顶盒省去的是功能 这将限制运营商开发新业务的能力 选择机顶盒的考虑硬件主要考虑 处理器运算能力 内存大小 接口的规格 图形处理能力 遥控器易用性等 软件主要考虑底层软件和应用软件 数字机顶盒是模拟电视向数字电视过度的必然选择中国模拟电视机保有量约为3 7亿台 全部更新为数字电视机至少需要10 15年 当中国数字电视用户达到1000 2000万户时 一体化数字电视机将成为市场主流 当数字电视用户超过3000万时 运营商将广泛开展新业务 而这些新业务将由新型机顶盒支持 基本型基本音视频业务支持CA系统基本型EPG软件升级 Loader 增强型按次付费业务 PPV 数据广播业务 DDB 广播式视频点播 NVOD 本地交互业务集成中间件 高级型视频点播业务 TVOD 上网浏览业务电子邮件收发业务互动游戏IP电话业务的功能开放式的中间件系统复杂的EPG回传信道支持Internet接入存储硬盘 2 有线数字电视机顶盒的功能 3 数字电视机顶盒的组成从信号处理和应用操作上看 数字电视机顶盒包含以下几个层次 物理层和链路层 包括高频调谐器 QAM解调器 去交织 RS码解码等 传送层 包括解复用 即把TS流分成视频 音频和数据 节目层 包括视频解码 音频解码 应用层 包括业务信息 SI 电子节目指南 EPG 图形用户界面 GUI 浏览器 摇控 CA等 输出接口 包括模拟视频 音频接口 数字视频 音频接口 数据接口等 4 机顶盒原理框图 电源 5 机顶盒工作过程1 高频调谐器接收来自CATV网的RF信号 将其下变频为中频信号 经QAM解调器解调 输出包含音 视频和其它数据信息的传送流 传送流中包含多个音 视频流及一些数据信息 2 TS流解复用器根据PID区分不同的节目 提取相应的音 视频流和数据流 将其送入解码器 3 解码器和相应的解析软件 完成数字信号的还原 视频PES 音频PES 4 对于付费电视 CA模块对音 视频流实施解扰 并采用含有识别用户和进行记帐功能的智能卡 保证合法用户正常收看 5 视频PES送入MPEG 2视频解码模块进行解码 然后输出到PAL NTSC编码器 编码成模拟电视信号 再经视频输出电路输出 音频PES送入音频解码模块进行解码 输出PCM音频数据到D A变换器 变成立体声模拟音频信号 经音频电路输出 6 数字机顶盒关键技术1 解调及解码技术2 解复用和信源解码技术3 有条件接收4 嵌入式实时多任务操作系统机顶盒中的操作系统采用实时操作系统RealTimeOprationSystem RTOS 可以在实时环境中工作 并能在较小的内存空间中运行 目前流行的实时操作系统有 WindRiverSystem公司的VxWorks Microwave公司的OS9 ST公司的OS20 Microsoft公司的WindowsCE及专为机顶盒开发的PowerTV 随着嵌入式Linux的逐渐成熟 以及Linux的开放性和先进的结构 会对现有的实时操作系统构成巨大的竟争态势 5 中间件中间件是指位于机顶盒内部硬件实时操作系统与应用程序中间的软件部分 它规定了一组支持数字电视的应用程序接口 API 整个API集合被存储在机顶盒的闪存 Flash 中 6 应用软件应用软件执行服务商提供的各种服务功能 如 EPG VOD 数据广播 IP电话等 应用软件独立于STB的硬件 它可以用于各种STB硬件平台 避免应用软件对硬件的依耐 7 关键件 高频头 Tuner 主要完成频道选择 解调 误码校正和射频 RF 环通功能有线数字电视的关键技术指标要求频率范围 110 862MHz输入电平范围 44 77dBuV 64QAM 载噪比门限 27dB 64QAM 通常要求无源RF环通目前进口高频头性能特别是适应性 稳定性和一致性优于国产高频头考虑到我国有线电视网络的实际情况 目前国内主要STB厂商都使用Thomson或PHILIPS的产品 8 关键件 主芯片机顶盒最核心部件 主要由以下模块构成 1 CPU内核管理所有内部及外部模块 程序执行机构主流产品为32位CPU 包括ST20 ST40 IBMPowerP