三有线数字电视技术基础PPT课件

第3章有线数字电视基础 教学内容 数字电视的基本认识 数字电视的主要标准 数字电视的核心技术教学要求 了解数字电视的基本知识 了解数字电视主要标准和核心技术 3 1数字电视的有关概念 一 数字电视 数字电视是包括节目摄制 编辑 发送 传输 存储 接收和显示等环节都采用数字处理的全新电视系统 1 什么是数字电视 2 技术特点 数字电视采用了超大规模集成电路 计算机 软件 数字通信 数字图像压缩编码 数字伴音压缩编码 数字多路复用 信道纠错编码 各种传输信道的调制解调以及高清晰显示技术 它是继黑白电视 彩色电视之后的第三代电视 3 主要数字系统 4 数字电视等级划分 普及型数字电视 PDTV 比特率1 2Mbit s 显示清晰度300线 标准清晰度电视 SDTV 比特率3 8Mbit s 显示清晰度350 600线 高清晰度电视 HDTV 比特率18 20Mbit s 显示清晰度700 1000线 美国和欧洲在 SDTV 和 HDTV 之间 都分别有增强清晰度电视 EDTV 卫星数字电视 DVB S 有线数字电视 DVB C 和地面数字广播 DVB C 数字电视广播 5 模拟系统与数字电视系统示意图 一 目前世界主要数字电视标准 正如模拟电视有PAL NTSC和SECAM等制式一样 数字电视也要制定本身的标准 目前数字电视标准有三种 美国的ATSC 欧洲的DVB和日本的ISDB 其中前两种标准用得较为广泛 特别是DVB已逐渐成为世界数字电视的主流标准 二 数字电视广播的国际标准 数字电视广播 欧洲广播电视联盟项目 已有 多个组织参加 主要目标 找到一种技术 对所有传输媒体都适用的数字电视技术和系统 灵活传送音频 视频和其它数据信息 二 标准比较 传输方面 美国首先考虑的是地面广播信道 而欧洲和日本考虑的是卫星信道 在图像格式方面 美国考虑地面广播HDTV 欧洲强调图像可分级 日本强调多种数字业务集成 不只传送一种HDTV信号 在数字调制方面 美国地面广播采用8 VSB或16 VSB 欧洲和日本地面广播COFDM 而头线电视均采用QAM 卫星广播均采用QPSK DVB是一个系列标准 各种音频 视频编码方案和多路复接方案都一致 符合视音频编码标准MPEG 2 多媒体编码标准MPEG 4等 区别在于传输系统采用不同的方案 分别适用于不同传输媒质和应用环境 DVB C 采用有线电视系统进行传输的DVB系统标准 DVB T 采用地面广播进行传输的DVB系统标准 DVB S 采用11 12GHz卫星频段进行传输的DVB系统标准 三 DVB传输标准 DVB标准是一个系列标准 它以MPEG 2标准为基础 内容涵盖了数字电视广播的各个方面 除提高图像和声音质量 实现高清晰度电视广播外 还为利用电视信道开展各种新的增值业务提供了可能 DVB传输系统 按所实现的功能归纳 DVB传输系统主要有以下6个部分构成 1 数据加扰2 纠错编码3 数据交织 4 数字调制5 均衡6 同步与时钟提取 DVB C传输系统原理 图3 25DVB C传输系统原理框图 四 视频压缩MPEG 2国标标准 MPEG是活动图像专家组的简称 MPEG 2是由MPEG制定的第2个标准 其正式名称为 活动图象及伴音信息的通用编码 标准 MPEG 2不是MPEG 1的简单升级 它在系统和传送方面做了更加详细的规定和进一步的完善 MPEG 2标准 即国际标准ISO IEC13818 目前包括11个部分 MPEG 2技术是实现DVD的标准技术 用于为广播 有线电视网 电缆网络和卫星直播提供广播级的数字视频 目前MPEG 2已经成为全世界所承认 我国中央电视台 教育台几个省市的卫星电视节目所使用的传输标准是DVB MPEG 2 MPEG 4简介 MPEG 4 ISO IEO14496 于1998年10月完成 1999年1月成为国际标准 1999年年底MPEG 4的第2版完成 2000年上半年成为国际标准 目前 MPEG 4的一些扩展工作仍在进行之中 迄迄今为止 MPEG 4标准包含22个部分 各个部分既独立又紧密相关 与视频编码相关的有第2部分和第10部分 其中第10部分等同于ITU T的H 264标准 MPEG 4与MPEG 1和MPEG 2有很大的不同 它兼顾了工具 算法 层面3各方面的编码对象 除了传统的数字视频编码的功能外 MPEG 4更具备了许多引人注目的功能 包括有以对象内容为基础视频对象存取 以场景内容为基础的可升级性 视频存取 纠错能力 新的视频压缩编码标准H 264 在视频领域 国际上有两大组织 他们是ITU T 国际电信联盟标准化组织 和ISO IEC 国际标准化组织 国际电工委员会 ITU T制定的标准包括H 261 H 263 H 264 主要用于实时视频通信领域 如会议电视 MPEG系列标准是由ISO IEC制定的 主要用于视频存储 VCD DVD 广播电视 互联网或无线网的流媒体等 H 264可认为是两个组织联合制定的 性能超过MPEG2和H 263的视频编码标准 五 音频压缩编码国际标准 数字电视技术音频压缩编码国际标准 1 MPEG 12 MPEG 23 AC 3 由美国杜比 Dolby 公司开发的杜比AC 3环绕立体声技术是一种高品质 多声道的数字音频压缩编码技术 它不仅提供了CD质量的音频 而且具有高压比符合ISO对编码算法的技术要求 3 2数字电视的有条件接收 CA系统是用来控制用户接收电视广播业务的系统 也即用户只能收看经过授权的电视广播业务和节目 CA系统的基本目的是保障业务提供商 广播者的利益 通过对用户进行授权控制及授权管理 从而达到广播电视系统的有偿服务 一 数字电视条件接收基础知识 数字电视广播条件接收系统的特点及要求 技术全面性 系统安全性 系统开放性 业务多样性 在发送端 利用某个密钥 key 将所要传送的节目信息进行加扰 使其随机化 这样 普通接收机在没有恢复这些加扰后的节目比特流之前 是无法看到电视节目的 发端将加扰所使用的密钥进行加密 然后提前将其传送给机顶盒的CA组件 在接收端 机顶盒的CA组件从比特流的特殊位置中将加密后的密钥取出 通过特殊算法将其解密恢复出原始的密钥 对收到的加扰节目信息进行解扰 恢复正常节目 送显示器上观看 解密工作在接收机中进行 解密操作和接收机分离 在一个可分离的模块中进行 如智能卡 基本工作过程 CA系统采用多重密钥传送机制将控制字安全地传送到经过授权的客户端 图3 2CA系统的三重保护 二 数字电视广播CA系统的结构及原理 图3 13数字电视广播CA系统结构框图 1 用户管理系统实现条件接收的用户管理 如用户信息 设备信息 预订信息 授权信息 财务信息等进行记录 处理 维护和管理 2 节目信息管理系统将即将播出的节目建立节目表 包括频道 日期和实际i按安排 也包括播出各节目的CA信息 3 加扰 解扰系统对业务码流作特殊处理 4 加密 解密系统 授权控制信息 ECM 发生器 授权管理信息EEM发生器 3 3数字电视信道编码技术 RS码以字节位单位进行前向误码纠正 它具有很强的随机误码及突发误码纠正能力 RS编码是一种非常有效的块编码技术 与其他以单个码元为基础的块编码技术不同 RS码以码组为基础 码组又称为符号 一 常用的纠错编码方法 1 RS编码技术 2 数据交织技术 数据交织是指在不附加纠错码字的前提下 利用改变数据码字传输顺序的方法 来提高接收端去交织解码时的抗突发误码能力 RS编码 RS编码 解交织 解调 信道 调制 交织 图3 4数字电视有线传输信道编码与解码 3 4多路复用及多址连接技术 多路复用是指把多路信号在基带信道上进行复用 而多址连接则是指多个发射的信号在射频信道上复用 二者都是一个合理分配资源的问题 在实际中多位多路和多地址的组合 如TDM TDMA FDM FDMA等 数字电视系统中复用一般为MPEG 2系统流复用 图3 7MPEG 2系统流复用 图3 8复用器流程 3 5数字电视主要采用的调制方式 数字电视的调制方式分三种 采用COFDM 8 VSB或16 VSB调制方式的地面广播方式 采用QPSK调制方式的卫星传输方式 采用m QAM 或16 VSB高数据率 调制方式的有线传输方式 7 3 2正交振幅调制 QAM QAM是幅度 相位联合调制的技术 它同时利用了载波的幅度和相位来传递信息比特 因此在最小距离相同的条件下 QAM星座图中可以容纳更多的星座点 即可实现更高的频带利用率 目前QAM星座点最高已可达256QAM 图3 13QAM矢量端点图 星座图 图3 14QAM信号产生原理框图图3 15QAM信号正交相 与相移键控PSK调制相比 QAM可传送更多的信息 频带利用率较高 但QAM会受到载波幅度失真的影响 其可靠性不如相移键控PSK 7 3 3残留边带调制 VSB 振幅调制 AM 信号的频谱是将原始基带频谱搬到 0 包括载频分量及两个边带 作业 11 14 下面我们只对系统中卷积交织以后的部分 即字节到符号映射 差分编码 基带成形和调制部分进行介绍 纠错编码字节到m位符号映射差分编码基带成形QAM调制 五 新的视频压缩编码标准H 264 MPEG 1 2视频编码原理及关键技术 概括地说 MPEG视频压缩的原理是利用了序列图象中的空间相关性 MPEG的视频编码原理框图4 11所示 采用带运动补偿的帧间预测编码和帧内DCT编码相结合的方案 关键技术环节 1 离散余弦变换 DCT 2 量化器3 之 字型扫描与游程编码4 熵编码5 运动估计6 运动补偿 MPEG 2和MPEG 1的区别 MPEG 2定义了 类 与 级 的概念MPEG 2有 按帧编码 和 按场编码 两种模式3 MPEG 2规定了4种运动补偿预测方式4 MPEG 2增加了可分级性空间可分级性时间可分级性信噪比可分级性 4 4 7MPEG 4视频编码功能与特点 MPEG 4视频编码标准处理的数据类型主要有 1 动态视频 矩形帧 2 视频对象 任意形状区域的动态视频 3 二维和三维的网络对象 可变的对象 4 人脸和身体的动画 5 静态纹理 静止图像 图4 12通用MPEG 4编码器和MPEG 4VLBV核心编码器 VLBV核心编码器支持的专用功能包括 1 实用多媒体应用 支持矩形帧的有效编码 具有编码效率高 高精度 高容错度 低延时等特点 2 多媒体数据库应用 支持多媒体数据库的储存 随机存取 以及快进快退等功能的操作 MPEG 4视频标准支持8种功能 可归为三类 1 基于内容的交互性 1 基于内容的多媒体数据存取工具 2 基于内容的码流操纵和编辑 3 自然数据与合成数据的混合编码 4 增强的时间域随机存取 2 高压错率 1 改进的编码效率 2 对多个并发数据流的编码3 灵活多样的存取 1 容易出错环境的鲁棒性 2 基于内容的可分级性 4 5视频编码H 264国际标准 4 6数字电视技术音频压缩编码国际标准 数字电视技术音频压缩编码国际标准如下1 MPEG 12 MPEG 23 AC 3 8 3 3CA系统实现的关键技术 1 加扰 解扰技术2 控制字与授权密钥加密技术3 同密与多密技术4 智能卡技术 8 3 4DVB条件接收系统特点 1 DVB条件接收系统采用公共的加扰和解扰算法 2 DVB条件接收系统定义了可公共接口3 DVB条件接收系统在传输媒介边界处能够实现转换控制4 DVB条件接收系统可使用同密与多密技术 数字电视信道编码技术常用的纠错编码方法 6 4 1RS编码技术RS码以字节位单位进行前向误码纠正 它具有很强的随机误码及突发误码纠正能力 RS编码是一种非常有效的块编码技术 与其他以单个码元为基础的块编码技术不同 RS码以码组为基础 码组又称为符号 6 4