数字电视技术讲座

数字电视技术讲座

♦模拟电视与数字电视

・MPEG-2数字视频编码及DVB有关技术

•PSI与SI表

•条件接收系统（CAS）

・新的数字电视前端系统架构

模拟电视与数字电视

模拟电视信号的产生

・模拟电视信号的产生，是通过扫描的方式将二维的面抽丝成线

模拟视频信号的基本参数比较

基本参数NTSCPAL

扫描方法膈行扫描，每帧两场隔行扫描，每帧两场

帧频/场频29.97Hz/59.94Hz25Hz/50Hz

扫描行数525625

行频15.734KHz15.625KHz

可见行数483575

传输带宽6MHz8MHz

为什么使用数字视频

・便于利用计算机与数字技术编辑、处理与传输图像

・无损耗、无噪声累积，有利于反复编辑与复制

♦有利于不一致电视制式的相互转换。

・有利于实现视音频及数据在多媒体平台上的汇合，并便于节目的存储、检索与管理

♦利用数字压缩技术，节约传输带宽资源

•可适用于多种网络与平台，促进业务的开展

•易于实现内容加密与版权保护

模拟视频信号的数字化

・电视信号的数字化有两步，抽样与量化：

-对扫描信号幅度进行等间隔抽样，把连续信号变成离散信号。

・把每个抽样的值用8比特（或者10比特）位数表示。比特数位越多，量化就

越细，但是数据量也大。

抽样与量化的国际标准

・国际电信联盟（ITU）1982年制定了适合不一致电视制式的统一标准，即ITU-R601

规定的演播室用（广播级）分量电视信号的数字化标准

•对每行水平扫描输出进行抽样。每个抽样点有3个分量：亮度分量与两个色差分量

Q在每行，对•亮度分最的抽样频率为13.5MHz,对•两个色差分量的抽样频率分别为6.75

MHz

叫625行50场制式（PAL）每行有864个亮度抽样

i525行60场制式(NTSC)每行有858个亮度抽样

4:2:2与4:2:0抽样方式

XXXXXXXM

XXXXXXXX

XXXXXXXM

XXXXXMXX

4:2:24:2:0

X1个亮度采样点(Y)

O2个色差采样点(Cb,Cr）

数字视频信号的基本参数比较

-皿H.261CIF

基本参数ITU-R601NTSCITU-R601PAL,

（会以电视）

每行亮度抽样858864429/432

每行可见亮度抽样720720352

每行可见色差抽样360360180

每帧可见亮度抽样行480576288

每帧可见色差抽样行480480144

每帧抽样总数9009001080000450450/540000

每帧可见抽样总数691200829440155520

总抽样频率27MHz27MHz13.5MHz

可见总抽样频率20.736MHz20.736MHz4.6656MHz

最高比特率(lObitM

270Mbps270Mbps135Mbps

化)

可见抽样比特率

207.36Mbps207.36Mbps46.656Mbps

(lObit量化)

数字视频信号为什么需要压缩

♦假如每个抽样用lObit量化，则数字视频信号的最高比特率为270Mbps

田(13.5+6.75+6.75)X10=270

•根据ITU-R601标准，每行只有720个抽样可见，而且只有部分行可见(PAL可见

576行，NTSC可见480行)。因此可见区域编码后的比特率是207.36Mbps

Q假如传输4:2:0格式信号，可见区域编码后比特率是155.52Mbps。

♦除非能够大幅度地压缩这个数字化的视频信号，通常传输方法根本无法传输这么大

的数据率(每套电视节目大约需要150〜200Mb第带宽)，数字电视广播也无法成为

现实

数字视频压缩的目的

・保证图像信息的完整

・消除图像中的所有冗余信息

・用最少的比特传输必要的信息

・最大限度地降低复杂性与成本

数字视频压缩基本思路

•消除电视图像中的冗余信息

i时域冗余信息，相邻帧间图像变化不大

空间域冗余信息，同一帧图象内，相邻像素变化不大

•利用人眼的视觉特征

对亮度变化的敏感度并不高

3对色度变化的灵敏度更低

E在物体边缘与高亮度区域，对噪声的灵敏度降低

时域信息冗余分析

・时域信息冗余的产生

仙PAL制式每秒传25帧图像，两帧相邻图像时间差距是0.04

小在这么短时间里，图像中大部分没有变化

・时域信息冗余实例

小新闻节目中主持人坐在演播室的场景，其固定背景基本不可能变化。在很短

时间内，比如半秒钟（12.5帧）之内，主持人的姿态变化也很少，因此图像

其它部分基本没有变化

f当电视图像背景变化不太大时，即使图像中有运动物体，仍存在大量冗余信

息。比如通常的远景画面

压缩时域冗余信息

・没有变化的信息不需要重复编码

・图像静止或者活动很缓慢时，能够隔帧处理

3利用帧间压缩时城里的冗余信息，比单纯使用帧内压缩的效率要高10倍以上。

小在图像中活动缓慢区域，帧间压缩方法效果好，

在快速活动区域，帧间压缩方法失真大，而帧内压缩方法性能比较好。

空间域信息冗余分析

♦空间信息冗余

事在任何图像里有很多像素与其周围的其它像素相同

・空间信息冗余实例

小天空中如有一点是蓝色，它邻近一片也会是蓝色

杈图像中亮度低于某一阈值即能够丢弃，由于人眼看不出黑色之间的区别。

MPEG-2数字视频编码及DVB有关技术

MPEG-2简介

・MPEG——运动图像专家组，ISO下属国际标准组织，专门制定影像与声音压缩编

码标准的组织

・MPEG-2的分类与分级

SNR可

简单类主类4:2:2类空间可分级类高级类

分级类

高级I920X115280Mpbs100Mpbs

高级1440X115260Mpbs60Mpbs80Mpbs

主级720X57615Mpbs15Mpbs50Mpbs15Mpbs20Mpbs

低级352X2884Mbps4Mbps

无B帧有B帧有B帧有B帧有B帧有B帧4:2:0

4:2:04:2:04:2:24:2:04:2:0或者4:2:2

备注

不分级不分级不分级SNR可分级SNR可分级SNR可分级空

空间可分级间可分级

MPEG-2压缩技术要点

。不是对图像本身编码，而是对图像有关信息编码

•图像中的变化

•图像中物体的运动

•用数学方式描述这些变化与变动

・帧间编码——运动补偿预测编码

♦帧内编码——DCT离散余弦变换

♦量化与变长燧编码

运动补偿预测编码一压缩时域信息冗余

・对图象活动部分的运动规律进行预测

・只对运动规律进行编码

MPEG-2多种预测图像格式

•I•图像（帧内编码图像）

f空间域DCT压缩编码，只利用小帧内的信息

•P-图像（前向预测编码图像）

就以I-图像为参考，通过运动补偿所预测巴的图像

•B-图像（双向预测编码图像）

付以I-图象与基于1-图象预测得到的P-图象，通过运动补偿所预测出的位于两

者之间的图像。

图像组（GOP）与帧间编码

•GOP组越长，编码效率越高

•GOP组越短，技术上越容易实现

♦I帧要求的码率最高

MPEG-2与DVB数字电视传输标准

♦系统（传输流内容要求、传输、接收）

・视频（图像格式、视频码流内容要求、解码）

•音频（音频信号的编码、码流内容要求、解码）

•TS流中的其它信息

•PSI/SI表

传输流（TS流）里有什么

・视频节目（多个）

・电视节目的伴音（有些节目有多个伴音）

・数据广播，如图文电视数据、IP广播数据

・电子菜单数据等

•条件接收系统的授权管理与操纵信息

・MPEG/DVB规定的表格

传输流的生成流程图

单节目

MPEG传输流

数据编码器

传输流的生成

・数字化与量化模拟视音频源

♦压缩数字视频与音频信号，产生视频与音频基本码流

♦把视频与音频基本码流封装为基本流（PES）分包

3把操纵管理信息、电子菜单、数据广播信息与其它数据信息也封装为PES分包

・PES包含有关基本流的信息，共解码时使用

•把PES码流封装为传输流数据包，然后将所有包复用成一个传输流（TS）

•TS（固定长度为188byles）包含有关传输与解复用所需信息，这些信息全部分布在各

个小分包里，PID（分包识别号）是识别各类信息的最重要工具

MPEG-2传输流

・传送包的长度为188bytes

♦每一传送包开销均具有一段包标识（PID）

・每一信息净负荷均包含某个基流的信息

188bytes

视频、音频、数据及系统信息headPIDhead

信息净负荷（Payload）开销（Header）

------------------------------------------------------------------------------------X--------------------------------------------------►

MPEG-2传输流实例

TS流的传输与调制方式的选择

・调制方式的选择有两个考虑

一传输通道的干扰情况与信噪比

小传输效率。符号率决定传输带宽；每个符号里比特越多，固定带宽所传输得

比特率就越高

・在有线网里，信噪比大（＞30dB）,能够使用高效率的正交幅度调制方式（QAM）

・卫星广播，信噪比很低（可能＜OdB）,务必使用抗干扰能力强的调制方式，如正交

相位调制方式（QPSK）

・地面广播，多径传输干扰非常严重，宜使用宽带调制方式，如编码正交频分复用

（COFDM）

QAM调制及星座图

・64QAM效率高，每个符号可传输6bil。但星座矢量之间距离近，每个矢量受到干

扰而移位后时容易与其它矢量混淆，造成较高的误码率。

・QPSK效率比QAM低，每个符号只能传输2bil。但星座矢量之间距离远，每个矢量

的同意漂移空间大；信噪比很低时仍可正确辨别各个矢量。

OOOOOOOOOOOO

OOOOOOOO

OOOOOOOOOOO

OOOOOOOO

OOOOOO。O

OOOOOOOOOOOO

OOOOOOOO

OOOOOOOOOOOO

64QAM16QAMQPSK

传输通道中MPEG-2传输流的带宽

口BW..

Rt=—.M^rRS

Ru=有效TS流比特率（复用器输出，包含视频、音频、EPG、CAS、数据等）

BW=传输通道带宽

a=传输通道频率响应参数

M;每符号代表几个比特（QPSK=2,16QAM=4,64QAM=6）

rc=卷积码效率（1/2,5/8,3/4,7/8。如不用卷积码则为1）

rRS=RS码效率=188/204

MPEG-2传输流带宽计算实例

♦MPEG-2传输流各项参数

*有线电视网，不用卷积码

-模拟频道带宽BW=8MHz

小频道频响参数a=0.15

*使用64QAM调制器，M=6

・计算结果

小有效传输流比特率=38.4Mbps

小假如每套节M压缩编码用4Mbps,那么每8MHz的模拟频道里可传输8套

节目

MPEG-2数字视频传输通道容量估算

・8MHz模拟频道可提供码率带宽

f使用64QAM每8MHz可提供38Mbps带宽

小使用256QAM每8MHz可提供52Mbps带宽

・MPEG-2编码效率

田通常节目：2to4Mb/s

小体育及有快速运动的节目：6to9Mb/s

事卡通：1.5io3Mb/s

・MPEG-2数字视频传输通道容量估算

使用64QAM每8MHz可传送6至9套MPEG-2节目

f使用256QAM每8MHz可传送8至13套MPEG-2节日

统计复用后，使用256QAM每8MHz可传送大约16套MPEG-2节目

PSI与SI表

PSI/SI表的重要意义

・机顶盒接收到的传输流里复用了众多节目与各类信息。这些信息并不一定是按顺序

依次送到机顶盒的

・当用户在机顶盒遥控器上选了一个节目，机顶盒需要明白调到哪个频率；哪个节目

能看，哪个节目不能看；到哪找能看的节FI的码流：假如节目被加密了，怎么找到

解密钥匙

・机顶盒如何从一个传输流里千千万万个分组包兰中找到用户想看得节目呢？

・答案——依靠PID与PSI/SI表

PSI/SI表的定义

•为了协助机顶盒在传输流中浏览，MPEG与DVB在标准中规定了一些信息表

•MPEG-2定义了三个要紧表（PAT、PMT、CAT）.统称PSI表（节目信息表）

PAT表提供每个节FI的PMT表

田PMT表提供节目的基本流（视频流、音频流、数据流等）

*PSI各表里的信息只与本传输流内的节「及服务有关

・DVB补充定义了一些表（NIT、BAT、SDT、EIT、RST、TOT、ST）,统称SI表（服

务信息表)

fSI表向机顶盒提供有关其它流或者其它网络的信息

PSI表功能

・使机顶盒能够从单TS流中选择出所需节目

・机顶盒根据过滤出的PID号，迅速地将不一致节目的视频、音频、数据信号分类并组

合到一起

。机顶盒根据PSI表所提供的必需的数据，从组合的节目中找到所需节目并提供给观

众

PSI表的生成与内容

•PSI表通常由前端系统网管产生，并送入复用器

•PSI表是独立生成的

・三个PSI表

•••,PAT(ProgramAssociationTable)传输流根目录节目与特定传输流的关联

fPMT(ProgramMapTable)所有PID与节目间的路由(映射)信息

小CAT(ConditionalAccessTable)CAS信息

PAT——节目关联表

•PID值恒为0x0000

•解码器解出节目时的第一步

3告诉解码器在传输流什么位置找出每套节目的“地图”

・告诉解码器PMT表所在包的PID值

PMT——节目映射表

•PMT从PAT表找到其PID值

•列出具体节目的视频，音频及数据内容的PID值

O如是加密节目，也列出其ECM*所在包的PID值

CAT——条件接收表

・PID值恒为()x0001

•CASID号

•列出EMM信息所在包的PID值

SI表功能

O是服务提供商通过•个大的传输流网络(多节巨流)为用户提供节目与服务的必要

的工具

•与PSI表一起，让机顶盒在整个网络所有的传输流中，分解出所有的节目

•由CAS(SIG,EPG)系统生成

明注入复用器内所有的传输流

SI表的内容

♦NIT(NetworkInformationTable)网络信息表

杈说明网络的物理结构与其特殊参数

.SDT(ServiceDescriptionTable)服务描述表

小定义网络中有效的服务内容(视频、音频、数据)

。EIT(EventInformationTable)事件信息表

小定义网络中所有的事件，提供针对它们的描述，起始时间，持续时间

3TDT(TimeandDateTable)时间信息表

小与机顶盒有关的时间信息

N1T——网络信息表

♦PID值恒为0x001。

•包含每个传输流的频率信息

・当观众想看的节目不在当前的传输流内时，STB通过调谐、转换节目频道，找到所

需节目.

SDT——服务描述表

・PID值恒为0x0011

。定义网络中有效的服务内容并提供他们的有关信息

服务的名称（如CNN、NBC、HBO等）

小服务的种类（如数字视频、音乐、图文信息等）

EIT——事件信息表

•PID值恒为0x0012

」为电子节目导视（EPG）提供要紧的信息来源

****时间分割

、开始&结束时间

△内容分级

"节目分类

、PPV、语言

-事件信息

*CBS——新闻

*HBO——星球大战

•EIT的三种类型

f当前EIT——描述传输流当前正在广播的事件

小后继EIT——描述当前传输流的后继信息

小规划EIT——列出未来几小时，儿天，整个网络的所有事件信息

TDT——时间信息表

♦PID值恒为0x0014

・给机顶盒提供时间信息

•间隔1〜2秒发一次

其他可选的SI表

・下列四种SI表不太常用

BAT------BouquetAssociationTable

RunningStatusTable

TOT------TimingOffsetTable

田ST------StuffingTable

机顶盒解码流程说明

・机顶盒首先找到所用PID=0的分组，用它们重建PAT表

・根据用户所选的节目号，机顶盒从PAT表找到所选节目的PMT表的位置（即PID）

♦机顶盒用这个PID找到所有PMT的分组，重:建PMT表

・根据从PMT找到的PID,机顶盒找到所有视频、音频与数据分组：重建视频ES流、

音频ES流与数据流。

・机顶盒对音频视频基本流进行解码，将数字电视信号转换到模拟电视信号，输出到

电视或者监视器。

・假如节目来自多个TS流，需先用PAT表里的NIT表找到节目所在频道或者TS流,

收到那个TS流后找它的PAT表。

机顶盒解码流程图解

TSpacketsinTS

机顶盒解码实例

・机顶盒当前的频道状态

小56频道“ESPN”(Transport#3)

・新的选择4频道

—t4IIDOM(Transport#2)

・机顶盒分析4频道NIT

-NIT链接4频道至1TRANSPORT#2

--机顶盒比较新的传输流号与当前的传输号号

小机顶盒调谐到新的传输流号

条件接收系统(CAS)

・加扰一一是将一种加密算法应用于节目内容的过程

•加密一一在前端提供一个加密信息，使被授权的用户端解扰器能以此信息来对数据

解扰，该信息受CA系统操纵，并以加密形式配置在传输流信息中

CA系统构成部分

CA系统

操纵什么接收机能够取出什么解扰密钥

储存用户授权信息

前端设备

加扰节目与播出节目

广播密钥(ECM)与授权管理信息(EMM)

数字电视接收机(含智能卡)

接收被加扰的节目

解扰被授权接收的节目

CA系统工作原理图解（一）

1ECM产生器・产生授权操纵消息（ECM）

・ECM含有被加密的解扰密钥（操纵字controlwords）

•ECM操纵接收机取出解扰密钥

1EMM产生器-产生授权管理消息（EMM）

♦EMM含有被加密的用户授权信息（针对每个用户

操纵字被加密后放在ECM里播出

操纵字

ECM（加密了的操纵生

A「Ciphering|

J~.---------1EMM（加密了的用户授权）

Ciphering*・

用户授权

用户授权被加密后放在EMM里播出

智能卡私人钥匙（PrivateKev）

CA系统工作原理图解（二）

前端设备

用操纵字对视频、音频与数据

进行加扰

向接收机重复广播ECMs与

[EMMs

操纵字用来对视频、音频与数据进行加扰

EMM加密了的用户那）

CiDhering

用户授权

智能卡私人钥匙（PrivateKey）

CA系统工作原理图解（三）

前端设数字机顶盒

CA系统

回IIDIVICOM

1智能卡(smartcard)有解密ECM与EMM的钥匙

1机顶盒根据EMM里的授权信息来决定解密哪个ECM并取出操纵字

加扰了的分量

(连续视频、音频与一[F

►ScramhlirmIDaccsmhlin

用里的操纵字解扰视频、音频与数据

操纵字ECM

iarim'了偏才)nprinhnrinI

假如EMM里受了权，用智能卡解密ECMT田白妈如

■rarrmriE壬彳mim可我I

----4Dacinharin

用户授权

用智能卡解密EMM

智能卡私人钥匙初触七直A

新的数字电视前端系统架构

如何搭建数字电视前端系统架构

运营平台与体系

支持运营平台与体系的

网络架构

实现网络架构的

技术系统与解决方案

现代数字电视系统的属性需求

•社会属性

i党与政府的宣传喉舌

廿社会主义精神文明建设的重要阵地

・经济属性

“小系统的生存务必依靠良好的商业运营

i系统的进展务必以赢利为最终目的

・产业属性

小数字电视能够衍生出众多的附属产业

小数字电视最终将融入未来巨大的数字传媒产业链中

・网络属性

*来源于以上三大属性需求

现代数字电视系统的网络属性需求

•对应前三大属性需求，系统的网络属性需求有

小社会属性需求

♦安全性

♦向下兼容

i经济属性需求

♦开放性与兼容性

♦可靠与稳固性

,u,-产业属性需求

♦开放性

♦平滑的升级与扩容

基于IP的数字电视前端系统基础架构

・开放性强

支持与其他网络与系统的互联互通

•兼容性好

明支持多种业务平台与子系统

・支持平滑升级与扩容

•安全可靠

电信级的运营保障

现代数字电视运营模式探讨

・广播节目或者业务的推送服务